CN115411302A - 一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置及其应用。该装置包括如下单元：用于供应氮气、空气和氢气的气体供应单元；用于氢气或空气加热增湿的气体加热增湿单元；用于冷却燃料电池电堆的冷却液单元；用于温度、液位和阀门控制的控制单元；所述的气体供应单元与气体加热增湿单元连通，所述的气体加热增湿单元通过电堆连接单元与燃料电池电堆连通，所述的冷却液单元与燃料电池电堆相互连通，所述控制单元与气体加热增湿单元和冷却液单元相连。与现有技术相比，本发明可替代燃料电池测试平台来进行活化，部分释放燃料电池测试平台的资源，提高生产效率。

Description

一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置及其应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置及其应用。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种前途广泛的能量转换装置，通常是由膜电极(MEA)两侧的氢(H2)和氧(O2)之间的电化学反应产生电能。因此，对于质子交换膜燃料电池电堆而言，MEA是核心组件，MEA的性能决定了电堆的输出性能。质子交换膜燃料电池电堆的活化是针对MEA中的铂催化剂的活化，通常包括了以下几个过程：1)质子交换膜的增湿；2)物质传输通道的建立；3)电极结构的优化；4)催化层的活性和利用率的提升。
新制或久置的质子交换膜燃料电池电堆在正式启用前有必要进行活化处理，以达到增湿质子膜，激活铂催化剂，提高MEA性能的目的。另外，在车辆上长期使用的燃料电池可能会受到污染，比如防冻液污染造成MEA性能变差。为了不影响电堆在车辆上的继续使用，可采用活化方法清除污染物并且恢复MEA性能。
传统的活化常采用加载电流活化、恒电流活化或氢泵活化等活化方法。例如中国专利CN201810170394.3提供了一种恒电流活化的方法与装置通过使电堆在不同的设定环境下加载至300A运行一段时间后降载至0A，改变设定条件后再加载至300A运行一段时间后降载至0A，重复几次以上步骤直至平均电压不再升高。这传统活化方法均要求活化装置必须有电子负载与CVM检测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置及其应用。该装置通过双空双氢吹扫就可达到活化质子交换膜燃料电池的目的。同时，该装置采用的双空双氢吹扫的活化方式无需电子负载，无需监控电池电压，活化时间灵活。与目前常用的对燃料电池进行检测的燃料电池测试平台相比，该装置不需要测试平台的电子负载和电压监控装置，释放这样的测试资源，节约了人力、物力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明目的之一在于一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，该装置包括如下单元：
用于供应氮气、空气和氢气的气体供应单元；
用于氢气或空气加热增湿的气体加热增湿单元；
用于冷却燃料电池电堆的冷却液单元；
用于控制气体供应单元、气体加热增湿单元和冷却液单元中液位计、控制器和传感器的控制单元；
用于连接燃料电池电堆的电堆连接单元；
所述的气体供应单元与气体加热增湿单元连通，所述的气体加热增湿单元与燃料电池电堆连通，所述的冷却液单元与燃料电池电堆相互连通。
进一步地，气体供应单元包括氮气管路、空气管路和氢气管路，氮气管路和空气管路通过含有气路阀门和/或止回阀的支路相连；氮气管路和氢气管路通过含有气路阀门和/或止回阀的支路相连；氢气管路和空气管路相连。
进一步地，所述的氮气管路、空气管路和氢气管路汇聚成一个管路，通往气体增湿器。
进一步地，所述气体加热增湿单元包括相互循环连接的气体增湿器和加热增湿水箱，所述的气体增湿器和燃料电池电堆相连。
进一步地，气体加热增湿单元还包括含有阀门的小循环回路，液位计、阀门、泵、控制器和传感器。气体加热增湿单元还包括加热增湿水箱、加热增湿水箱补水电磁阀、加热增湿单元水泵、加热增湿温度控制器，温度传感器，流量传感器。
进一步地，所述冷却液单元包括与燃料电池电堆循环连接的冷却液加热水箱。
进一步地，冷却液单元还包括含有阀门的小循环回路，液位计、阀门、泵、控制器和传感器。
冷却液水箱液位计、冷却液水箱补水电磁阀、冷却液单元水泵、冷却液温度控制器、冷却液温度传感器，冷却液压力传感器、冷却液流量传感器。
冷却液加热水箱和冷却液水泵，冷却液水泵位于冷却液加热水箱和燃料电池电堆之间。
进一步地，所述的燃料电池电堆具有与气体增湿器的电堆进气管路、与水汽分离器相连的电堆尾排管路、与冷却液加热水箱相互连接的冷却液进口管路和冷却液出口管路。
进一步地，所述气体加热增湿单元还包括加热增湿温度控制器、加热增湿水箱液位计和加热增湿水箱补水电磁阀。
进一步地，所述冷却液单元还包括冷却液温度控制器、冷却液水箱液位计和冷却液水箱补水电磁阀。
进一步地，所述的控制单元与加热增湿温度控制器、加热增湿水箱液位计、加热增湿水箱补水电磁阀、冷却液温度控制器、冷却液水箱液位计和冷却液水箱补水电磁阀相连。
进一步地，燃料电池电堆连接单元包括电堆进气管路、电堆尾排管路、冷却液进口接口和冷却液出口接口。
本发明目的之二在于一种如上所述的质子交换膜燃料电池电堆的活化装置的应用，该装置应用于质子交换膜燃料电池电堆的活化，包括如下步骤：
用冷却液对燃料电池电堆进行预热，直至达到指定温度；
用氮气对管路和燃料电池电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合；
用加热增湿后的空气吹扫燃料电池电堆阴极和阳极后，再次用氮气对管路和燃料电池电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合；
用加热增湿后的氢气吹扫燃料电池电堆阴极和阳极后，再次用氮气对管路和燃料电池电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合，活化结束。
进一步地，所述冷却液温度为设定温度±2℃。
与现有技术相比，本发明具有可替代燃料电池测试平台来进行活化，部分释放燃料电池测试平台的资源，提高生产效率；此外，装置还具有操作简单便捷、不易出错和结构简单、维修成本低的优点。
附图说明
图1为本发明中质子交换膜燃料电池活化装置原理示意图；
图2为本发明中质子交换膜燃料电池活化装置结构图；
图中标号所示：11-氢气外围供应阀门；21-空气外围供应阀门；31-氮气外围供应阀门；12-氢气路调压阀；22-空气路调压阀；32-氮气路调压阀；13-氢气路气体流量计；23-空气路气体流量计；33-氮气路气体流量计；14-氢气路止回阀；24-空气路止回阀；34-氮气通氢气路止回阀；35-氮气通空气路止回阀；36-氮气通氢气路阀门；37-氮气通空气路阀门；41-气体增湿器；42-加热增湿水箱；43-加热增湿水箱液位计；44-加热增湿水箱补水电磁阀；45-加热增湿单元水泵；46-加热增湿温度控制器；47-温度传感器；48-流量传感器；52-冷却液加热水箱；53-冷却液水箱液位计；54-冷却液水箱补水电磁阀；55-冷却液单元水泵；56-冷却液温度控制器；57-冷却液温度传感器；58-冷却液压力传感器；59-冷却液流量传感器；61-气体进堆阀；62-气体出堆阀；63-气体进堆压力计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，如图1所示，该装置包括如下单元：用于供应氮气、空气和氢气的气体供应单元；用于氢气或空气加热增湿的气体加热增湿单元；用于冷却燃料电池电堆的冷却液单元；用于连接燃料电池电堆的电堆连接单元；用于液位计、控制器和传感器控制的控制单元；
气体供应单元上包括氢气外围供应阀门11、空气外围供应阀门21、氮气外围供应阀门31、氢气路调压阀12、空气路调压阀22、氮气路调压阀32、氢气路气体流量计13、空气路气体流量计23、氮气路气体流量计33、氢气路止回阀14、空气路止回阀24、氮气通氢气路止回阀34、氮气通空气路止回阀35、氮气通氢气路阀门36和氮气通空气路阀门37。气体供应单元与气体加热增湿单元连通，气体加热增湿单元通过电堆连接单元与燃料电池电堆连通，冷却液单元与燃料电池电堆相互连通，控制单元与气体加热增湿单元和冷却液单元相连。气体供应单元包括氮气管路、空气管路和氢气管路，氮气经氮气通空气路阀门37进入空气管路，氮气经氮气通氢气路阀门36进入氢气管路。气体加热增湿单元包括气体增湿器41、加热增湿水箱42、加热增湿水箱液位计43、加热增湿水箱补水电磁阀44、加热增湿单元水泵45、加热增湿温度控制器46、温度传感器47和流量传感器48，气体增湿器41和加热增湿水箱42相互连通。冷却液单元包括冷却液加热水箱52、冷却液水箱液位计53、冷却液水箱补水电磁阀54、冷却液单元水泵55、冷却液温度控制器56、冷却液温度传感器57、冷却液压力传感器58和冷却液流量传感器59，冷却液水泵55位于冷却液加热水箱52和燃料电池电堆之间。电堆连接单元包括电堆进气管路、电堆尾排管路、冷却液进口接口和冷却液出口接口。控制单元与加热增湿温度控制器46、加热增湿水箱液位计43、加热增湿水箱补水电磁阀44、冷却液温度控制器56、冷却液水箱液位计53和冷却液水箱补水电磁阀54相连。
如图2所示，电堆通过两条电堆进气管路与气体加热增湿单元相连，管路上包括气体进堆阀61和气体进堆压力计63，以及通过两条电堆尾排管路通向装置的水汽分离器，管路上包括气体出堆阀62；冷却液单元的由两条管路分别连接至电堆的冷却液进出口接口，实现冷却液的在水箱与电堆间的循环。
将电堆安装完毕后，在活化开始前预设冷却液温度，并通入燃料电池中对电堆进行预热。冷却液温度控制器56检测到冷却液温度达到50-65℃时，停止加热，保持冷却水温度稳定在设定温度±2℃。冷却液水泵55持续工作使得冷却液在水箱和燃料电池电堆间循环，以达到控制燃料电池内部温度的目的。
通入氢气或空气前，先打开纯氮气体的外围供应阀31以及氮气通氢气路阀门36和氮气通空气路阀门37，经过减压的氮气对管路和电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合。活化过程中外围供应的空气经过减压后进入气体增湿器41进行加热增湿，达到设定的温度和湿度，其工作压力为50kPa，流量为1.5*n slpm(n为燃料电池电堆节数，n≥1)，湿度为60％，吹扫时间为45min。增湿加热的空气经过电堆连接单元同时吹扫电堆阴极和阳极，吹扫时间为45min后，再次打开纯氮气体的外围供应阀门31和氮气通空气路阀门37对管路和电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合。同样的，高压纯氢经过减压后进入增湿器进行加热增湿，达到设定的温度和湿度。增湿加热的氢气经过电堆连接单元进入电堆阴极和阳极吹扫，其工作压力为50kPa，流量为0.8*n slpm(为燃料电池电堆节数，n≥1)，湿度为60％。吹扫45min，关闭氢气外围供应阀门11，再次打开纯氮气体的外围供应阀门31和氮气通氢气路阀门36对管路和电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合。
上述吹扫结束后采用氮气对阴极和阳极进行吹扫，以减少氢空界面；控制电堆温度处于50～65℃，将燃料电池阴极通入空气、阳极通入氢气，接通负载，阴极计量比为2.5，阳极计量比为1.5，以10A/s的加载速率逐步加载至1300mA/cm2，并在此电流密度下平衡一定时间，直至燃料电池的输出电压不再上升，至此活化结束。
与现有技术相比，本发明不需要电子负载，无需监控电池电压，活化时间可控，节约了人力和物力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，该装置包括如下单元：
用于供应氮气、空气和氢气的气体供应单元；
用于氢气或空气加热增湿的气体加热增湿单元；
用于冷却燃料电池电堆的冷却液单元；
所述的气体供应单元与气体加热增湿单元连通，所述的气体加热增湿单元与燃料电池电堆连通，所述的冷却液单元与燃料电池电堆相互连通。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，气体供应单元包括氮气管路、空气管路和氢气管路，氮气管路和空气管路通过含有气路阀门和/或止回阀的支路相连；氮气管路和氢气管路通过含有气路阀门和/或止回阀的支路相连；氢气管路和空气管路相连。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，所述的氮气管路、空气管路和氢气管路汇聚成一个管路，通往气体增湿器(41)。
4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，所述气体加热增湿单元包括相互循环连接的气体增湿器(41)和加热增湿水箱(42)，所述的气体增湿器(41)和燃料电池电堆相连。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，气体加热增湿单元还包括含有阀门的小循环回路。
6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，所述冷却液单元包括与燃料电池电堆循环连接的冷却液加热水箱(52)。
7.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，冷却液单元还包括含有阀门的小循环回路。
8.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置，其特征在于，所述的燃料电池电堆具有与气体增湿器(41)的电堆进气管路、与水汽分离器相连的电堆尾排管路、与冷却液加热水箱(52)相互连接的冷却液进口管路和冷却液出口管路。
9.一种如权利要求1-7任一项所述的质子交换膜燃料电池电堆的活化装置的应用，其特征在于，该装置应用于质子交换膜燃料电池电堆的活化，包括如下步骤：
用冷却液对燃料电池电堆进行预热，直至达到指定温度；
用氮气对管路和燃料电池电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合；
用加热增湿后的空气吹扫燃料电池电堆阴极和阳极后，再次用氮气对管路和燃料电池电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合；
用加热增湿后的氢气吹扫燃料电池电堆阴极和阳极后，再次用氮气对管路和燃料电池电堆阴极和阳极进行吹扫，防止氢空混合，活化结束。
10.根据权利要求9所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的活化装置的应用，其特征在于，所述冷却液温度为设定温度±2℃。
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