CN1805197A - 质子交换膜燃料电池活化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种质子交换膜燃料电池活化装置，包括配气单元1，增湿加热单元2，电堆安放单元3，电压扫描单元4，冷却单元5，电子负载单元6，控制单元7。用于在质子交换膜燃料电池正式使用前的活化，通过使质子交换膜燃料电池不同电子负载条件下反应，激活质子交换膜，打开离子通道，提高质子交换膜的导氢能力。

Description

质子交换膜燃料电池活化装置

技术领域

本发明提供一种电池活化装置，特别涉及一种质子交换膜燃料电池活化装置。

背景技术

燃料电池是将燃料型地化学能和氧化剂直接转化为电能的装置。燃料电池一般是根据提供阳极与阴极之间的电解质(如磷酸、固体聚合物、熔融碳酸盐、固体氧化物)的类型进行分类的。目前的燃料电池种类有：磷酸型燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。一般地，本加热增湿方法及装置应用于质子交换膜燃料电池。

燃料电池一般包括七个部件，即1)阳极集电体，作为引导电子离开电池的负极端子；2)分配和供给燃料于阳极集电体与阳极之间电接触的流体板；3)阳极，包括多孔的扩散层和燃料在其中氧化的催化剂层；4)提供阳极与阴极之间离子导电性的电解质，对于质子交换膜燃料电池，该电解质为质子导电膜；5)氧化剂被还原的阴极；6)分配和供给氧化剂于阴极并且提供阴极与阴极集电体之间电接触的流体分配器板；7)阴极集电体，作为引导电子返回电池的正极端子。

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分。交换膜把燃料极生成的氢离子输送至空气极的同时，还起到防止氢气与氧气直接接触的屏蔽作用，以及防止燃料极和空气极直接接触从而造成的短路的作用，是一种电的绝缘体。但是，这种膜在缺水的情况下，氢离子的传导性能显著下降，直接影响到燃料电池系统的稳定性。而在电极的实际制备过程中，需采用热压法将电极与质子交换膜结合在一起。具体办法是将两张涂有Nafion树脂的电极分别置于质子交换膜的两侧，催化剂层面向质子交换膜，在130℃左右、6～10MPa下热压在一起，制成由阴极、阳极和质子交换膜组成的三合一组件(EMA)，这种情况下，膜会失去大量的水分。

目前的研究结果证明，质子交换膜的氢离子传送速度与交换膜的含水率成正比，氢气在阳极解离成氢离子，并在经过质子交换膜通往阴极的同时，会将阳极侧的水分待往阴极侧，造成阳极侧水分降低导致电极特性与输出功率效率逐渐降低。因此，需要对燃料或氧化剂进行加湿，以保证膜的含水率。而在膜干燥缺水的情况下投入使用，可能会造成膜的干裂，击穿。因此必须要对燃料电池进行活化，恢复膜的含水量。

在燃料电池未使用前，质子膜内部分子排列没有规律，导氢能力较差，有必要对其进行活化，打通质子膜的离子通道，提高导氢能力。

目前国内还没有特别的针对质子交换膜燃料电池的活化装置，尤其是没有面向燃料电池商业化所需要的活化装置。

本发明提供的就是对燃料电池进行活化的装置(主要是对高分子膜进行活化)。可以根据需要自动调节供气量或外加负载，调节燃料电池的反应进度。燃料电池通入空气和氢气后，会发生反应，生成电能和水，生成的水会沿着高分子膜扩散，从而打通质子膜的离子通道，提高质子传送效率，激活电极催化剂、导电质子膜、气体扩散层组成的膜电极，并经过过载老化阶段，得到稳定的催化活性和输出电压，最终完成燃料电池的活化。

目前国内还没有特别的针对质子交换膜燃料电池的活化装置，尤其是没有面向燃料电池商业化所需要的活化装置。

发明内容：

本发明提供的就是对质子交换膜燃料电池进行活化的装置，主要是对质子膜进行活化。可以根据需要自动调节供气量或外加负载，调节燃料电池的反应进度。燃料电池通入空气和氢气后，会发生反应，生成电能和水，生成的水会沿着高分子膜扩散，从而打通质子膜的离子通道，提高质子传送效率，激活电极催化剂、导电质子膜、气体扩散层组成的膜电极，并经过过载老化阶段，得到稳定的催化活性和输出电压，最终完成燃料电池的活化。为达到上述目的，

本发明采用的技术方案是：提供一个质子交换膜燃料电池活化装置，包括配气单元1，增湿加热单元2，电堆安放单元3，电压扫描单元4，冷却单元5，电子负载单元6，控制单元7。

配气单元1利用层流流量控制器控制和调整反应气体的输送量。将燃料电池反应所需的气体输送给增湿加热单元，增湿加热单元将气体加热到预设温度，并增湿至预设之相对湿度，之后将气体送入燃料电池电堆。控制单元被编程，可以预设活化程序，控制电子负载单元的输出电流及配气单元的气体输送量。电压扫描单元与燃料电池电堆各单片电池相连，将各单片电池的电压信号处理成数字信号输送给控制单元，控制单元可显示并存储所述电压数字信号。冷却单元在活化程序开始时，先对冷却单元的冷却水进行加热至80°并输送至燃料电池电堆内部，对燃料电池电堆进行预热，加快燃料电池电堆的活化进程。当冷却单元检测到燃料电池电堆内部温度升高超过预热温度时，停止对燃料电池预热，并利用温度控制器使冷却水水温固定在低于燃料电池电堆内部温度的某一恒定温度，所述恒定温度可预先设定。

控制单元7与配气单元1、增湿加热单元2、电压扫描单元4、冷却单元5、电子负载单元6相连。可控制增湿加热单元2的温度与相对湿度，监控冷却单元5的冷却水的温度，调节电子负载单元6的输出电流。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池活化装置的结构图

图2为实施方式1的结构图

图3为实施方式1的控制结构图

具体实施方式

例1、质子交换膜燃料电池电堆活化装置

配气单元1包括：氢气钢瓶16，氢气侧减压阀18，氢气质量流量控制器19，氢气侧止回阀20，空气压缩机11，空气侧减压阀12，空气稳压阀13，空气质量流量控制器14，空气侧止回阀15。

加热增湿单元2包括：氢气侧增湿加热水槽23，氢气侧增湿加热单元液位计水槽24，氢气侧增湿加热单元液位计22，氢气侧增湿加热单元温度控制器21，氢气侧增湿加热单元水泵25，氢气侧增湿加热补水水槽26，氢气侧湿度传感器42，空气侧增湿加热水槽27，空气侧增湿加热单元液位计水槽31，空气侧增湿加热单元液位计29，空气侧增湿加热单元温度控制器30，空气侧增湿加热单元水泵32，氢气侧增湿加热补水水槽33，空气侧湿度传感器41。

电压扫描单元4包括：电堆电压传感器35。

冷却单元5包括：冷却单元水槽37，冷却单元阀门38，冷却单元水泵39，冷却单元温度控制器40。

电子负载单元6包括：电子负载箱36，电子负载单元电流传感器34。

控制单元7为一台工业控制机43，分别与氢气质量流量控制器19、空气质量流量控制器14、氢气侧增湿加热单元温度控制器21，空气侧增湿加热单元温度控制器30，氢气侧湿度传感器42，空气侧湿度传感器41，电堆电压传感器35，电子负载箱36，电子负载单元电流传感器34相连。

工业控制机43可以改变氢气质量流量控制器19、空气质量流量控制器14、氢气侧增湿加热单元温度控制器21、气侧增湿加热单元温度控制器30和负载箱36的控制参数。并接收氢气侧湿度传感器42、气侧湿度传感器41、堆电压传感器35、电子负载单元电流传感器34的数据进行显示。

空气侧加热增湿水槽27，氢气侧增湿加热水槽23，冷却单元水槽37均配有加热器。

在工业控制机上预设活化初始的预热温度，并在活化初始时加热冷却单元冷却水至预热温度，通入燃料电池对燃料电池进行预热。温度控制器40检测到燃料电池已经达到预设温度，则停止对冷却水的加热，并保持冷却水在某一温度，所述温度低于燃料电池的运行温度，以达到冷却效果。

氢气侧增湿加热单元液位计22与氢气侧增湿加热单元水泵25相连，当检测到液位低于预设液位时，氢气侧增湿加热单元水泵25的电源继电器连通，水泵25开始工作，向氢气侧增湿加热单元水槽23补水。空气侧增湿加热单元液位计29与空气侧增湿加热单元水泵32相连，当空气侧增湿加热单元液位计29电测到液位低于预设液位时，空气测增湿加热单元水泵32的电源继电器连通，水泵32开始工作，向空气侧增湿加热单元水槽27补水。

在活化过程中，由工业控制机43调节电子负载箱36的输出电流以改变燃料电池的负载，实现燃料电池的逐步活化。

Claims (8)

1、一种质子交换膜燃料电池活化装置，具有对燃料电池地活化功能。至少包括：

配气单元1，增湿加热单元2，电堆安放单元3，电压扫描单元4，冷却单元5，电子负载单元6，控制单元7。

2、权利要求1所述之质子交换膜燃料电池活化装置，其特征是：

所述控制单元7被编程，可预设活化程序。

3、权利要求1所述之质子交换膜燃料电池活化装置，其特征是：

所述配气单元1，采用层流流量控制器调整和控制反应气体的输送量。

4、权利要求1所述之质子交换膜燃料电池活化装置，其特征是：

所述冷却单元5，具有加热装置，在质子交换膜燃料电池活化开始时，向电堆内部输送80摄氏度之纯水，对所述质子交换膜燃料电池进行预热。

5、权利要求1所述之质子交换膜燃料电池活化装置，其特征是：

所述电压扫描单元4，与质子交换膜燃料电池电堆中各单片电池相连，将各单片电池电压信号传送给控制单元。

6、权利要求1所述之质子交换膜燃料电池活化装置，其特征是：

所述电子负载单元6，可以输出不同级别的恒定电流作为燃料电池的负载。

7、权利要求1所述之质子交换膜燃料电池活化装置，其特征是：

所述电子负载6，可由控制单元依预设程序改变输出电流值，也可手动改变输出电流值。

8、权利要求1所述之质子交换膜燃料电池活化装置，其特征是：

所述增湿加热单元，对反应气体进行加热增湿，加热增湿的温度及相对湿度由控制单元设定。

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