CN212517268U - 一种燃料电池在线活化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池在线活化装置，所述活化装置包括并联连接在燃料电池正极和负极之间的加热单元及调节单元，其中，所述加热单元位于空气通道中，所述调节单元用于调节燃料电池正极和负极之间的电流。与现有技术相比，本实用新型的活化装置安全性高，且活化时间短。

Description

一种燃料电池在线活化装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池在线活化装置。

背景技术

由于在相同重量下燃烧放出更多热量，且燃烧产物为水，因此氢气是21世纪理想的新能源之一。而氢燃料电池，是重要的氢气应用，可用于发电，其应用前景非常可观。

氢燃料电池工作时，其内部发生了电化学反应。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例。以氢气作为燃料，PEMFC的电极反应如下所示：

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O。

但是，燃料电池长期工作后或长时间不用的情况下膜电极中的催化剂活性会变弱或膜干燥，从而使得燃料电池的发电性能下降，降低燃料电池的使用寿命。因此，现有技术中会对燃料电池进行活化。但是，目前的活化方法主要有两类：第一类瞬间增大燃料电池的输出电流，在较短的时间内对催化剂进行活化。第二类是在一定范围内增大燃料电池的输出电流，缓慢对催化剂进行活化。上述两类方法均存在不足，对于第一类活化的方法，由于电流增大速度快，幅度大，因此电流容易将质子交换膜击穿，导致燃料电池失效，甚至由于质子交换膜的击穿导致氢气和空气混合引发爆炸；对于第二类活化方法，虽然不会对燃料电池造成损坏，但活化速度慢，通常需要几个小时才能完成活化。

因此，本领域急需一种活化速度快且安全的燃料电池在线活化装置。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种活化速度快且安全的燃料电池在线活化装置。

为了实现本实用新型之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种燃料电池在线活化装置，所述燃料电池包括氢气通道和空气通道，且在使用时，所述燃料电池的正极和负极接通负载，并通过输出开关连通或断开负载，所述活化装置包括并联连接在燃料电池正极和负极之间的加热单元及调节单元，其中，所述加热单元位于空气通道中，所述调节单元用于调节燃料电池正极和负极之间的电流。本装置通过设置调节单元可以逐步调节质子交换膜上的电流，且电流大小可控，避免发生质子交换膜被击穿，因此提高活化过程的安全性能。同时，本装置通过设置加热单元对空气通道内的空气进行加热，加快质子交换膜上氢气和氧气的反应过程，提高燃料电池堆催化剂的活性和膜表面湿润性，起到加速活化的作用。

在第一方面的一种实施方式中，所述加热单元包括加热元件以及继电器，所述加热元件位于所述空气通道中。将加热元件并联在燃料电池的正极和负极上，通过燃料电池活化时产生的电能，对空气进行加热，无需额外的电压，充分利用活化过程中产生的电能。

在第一方面的一种实施方式中，所述加热元件包括电热丝、PTC或加热棒中的一种。

在第一方面的一种实施方式中，所述调节单元包括功率电阻、功率元件和驱动电路，所述功率电阻和功率元件串联后连接在所述燃料电池的正极和负极上，所述驱动电路与功率元件连接。燃料电池堆的活化过程如下，燃料电池堆输出开关不闭合，驱动电路工作，调节功率元件的输出功率，使得燃料电池内部膜电极在电流的作用下质子交换膜上的催化剂开始活化，膜表面通过形成的水蒸气润湿改善膜水化。

在第一方面的一种实施方式中，所述功率电阻的电阻值根据燃料电池输出的电压和电流来确定。功率电阻可以避免质子交换膜上的电流发生突然变大的情况发生，同时，功率电阻还可以给燃料电池系统关机时，将剩值余的氢气消耗完。

在第一方面的一种实施方式中，所述功率元件包括功率三极管、功率MOS管、IGBT或SiC功率管中的一种。本申请所使用的的功率元件和驱动电路均为现有技术，本申请不再赘述。

在第一方面的一种实施方式中，所述活化装置设有控制器，所述控制器与驱动电路连接并用于控制驱动电路的运行控制功率元件，所述控制器与继电器连接并用于调节继电器的通断。

在第一方面的一种实施方式中，所述燃料电池的正极或负极连接有电流传感器，所述电流传感器与控制器连接，并将信号传递给控制器。活化时，驱动电路调节功率元件的电阻，从而使得燃料电池正极和负极之间的电流逐步增大，通过电流传感器检测电流变化，最终使得活化电流为正常负载时电流的1.5倍左右，既能起到快速活化的效果，又能避免因电流过大而出现质子交换膜被击穿的现象。

在第一方面的一种实施方式中，所述空气通道的尾端设有温度传感器，所述温度传感器与控制器连接，并将信号传递给控制器。活化时，控制器调节继电器的电阻，从而使得加热元件的功率发生变化，使得空气通道内的空气温度发生变化。通过温度传感器检测空气的温度，然后将信号传递给控制器后，逐步控制器调节继电器的电阻，最终使得空气温度在合适范围内。

在第一方面的一种实施方式中，所述控制器包括PLC控制器、单片机或工控板中的一种。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本装置在操作时采用逐渐增大电流的方式，且活化电流一般为负载电流的1.5倍左右，不会对质子交换膜产生损坏，提高安全性；

(2)整个活化过程约5min，相较于现有活化装置，大大减少了活化时间。

附图说明

图1为本申请活化装置的连接示意图；

图2为实施例1和对比例1中燃料电池性能恢复随活化时间长短的变化曲线图；

图3为对比例1中活化装置的连接示意图。

在附图中，1为燃料电池，2为电流传感器，3为输出开关，4为负载，5为加热元件，6为继电器，7为功率电阻，8为功率元件，9为驱动电路，10为单片机，11为氢气源，12为进气阀，13为出气阀。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本实用新型的保护范围之内。

实施例

下面将对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种燃料电池在线活化装置，其结构如图1所示。该燃料电池包括氢气通道和空气通道，其中，氢气通道的入口与氢气源连通，并设置进气阀，氢气通道的出口与尾气处理单元连接，并设置出气阀。燃料电池的正极和负极连接负载，并通过输出开关控制其通断，而输出开关由单片机控制。

活化装置包括一个加热单元，该加热单元包括一个加热元件以及一个继电器，两者串联后连接在燃料电池的正负极上。其中加热元件为电热丝，固定设置在燃料电池的空气通道内，在空气通道内还设有一个温度传感器(图中未显示)，该温度传感器与单片机连接，并将进入燃料电池的空气温度传递给单片机。继电器与单片机连接，单片机根据温度传感器的信号，控制继电器的电阻，从而使得空气通道内的空气温度在50～80℃左右。

活化装置还包括一个调节单元，该调节单元包括一个电流传感器、一个功率电阻、一个功率元件以及一个驱动电路，其中，电流传感器与燃料电池的正极连接，功率元件和功率电阻串联后连接在燃料电池的正负极上。驱动电路与单片机连接，并根据单片机的指令用于调节功率元件的电阻。在本实施例中，功率元件为市售功率三极管，功率电阻的阻值为小于1Ω。电流传感器与单片机连接，并将电流信号传递给单片机。

本实施例的在线活化装置可以用于燃料电池发电系统中，也可以通过独立制作成燃料电池活化的装置，其工作的原理是燃料电池通入氢气燃料后，氢气和空气在燃料电池内部的膜电极(包含质子交膜、催化剂、气体扩散层等，质子交膜表面加工上催化剂组成CCM)两侧进行反应，产生电能和少量的水蒸气，电能能过是电压电流传感器输出到功率负载，功率负载的加载电流大小由功率元件控制，功率元件工作驱动由驱动电路提供，驱动电路的控制信号由单片机发送，单片机同时采集电流传感器的数据，在单片机中对数据进行处理及运算后，传输控制信号到驱动电路使功率元件和功率电阻组成的用电回路消耗燃料电池堆输出的电能，单片机对活化过程中的燃料电池堆输出的电压电流进行实时监测，确定燃料电池堆工作性能。同时，单片机根据温度传感器的信号调节继电器电阻，从而调节加热元件的发热功率，最终调节空气的温度，加剧氢气和氧气的反应过程。

在活化的过程中在电流的作用下膜电极中的CCM上的催化剂活性由弱变强，最后达到最佳的活化效果，同时质子交膜在反应中生成的水蒸气也由干燥状态变成湿润状态，达到物理上的环境变化。

利用本实施例的装置活化性能相同且性能下降接近的一批燃料电池，这一批燃料电池的活化时间分别为1min、2min、3min……，到达预定时间后停止活化，然后关闭调节单元和加热单元，使得燃料电池接通负载，考察活化后燃料电池的输出电压与燃料电池的额定输出电压进行比较，其结果如图2所示。从图2我们可以看出，使用本装置进行活化，5min后即可将燃料电池的性能恢复至原燃料电池性能的99％以上。

对比例1

采用如图3所示的活化装置，与实施例1的区别在于：不具备加热单元，即不设加热元件和继电器。采用与实施例1相同的操作步骤，其结果如图2所示。从中我们可以发现，若去除加热单元，要达到与实施例1相近的活化效果，需要1小时以上。

由此可见，本申请的活化装置可大大降低活化时间。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池在线活化装置，所述燃料电池包括氢气通道和空气通道，且在使用时，所述燃料电池的正极和负极接通负载，并通过输出开关连通或断开负载，其特征在于，所述活化装置包括并联连接在燃料电池正极和负极之间的加热单元及调节单元，其中，所述加热单元位于空气通道中，所述调节单元用于调节燃料电池正极和负极之间的电流。

2.如权利要求1所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述加热单元包括加热元件以及继电器，所述加热元件位于所述空气通道中。

3.如权利要求2所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述加热元件包括电热丝、PTC或加热棒中的一种。

4.如权利要求2所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述调节单元包括功率电阻、功率元件和驱动电路，所述功率电阻和功率元件串联后连接在所述燃料电池的正极和负极上，所述驱动电路与功率元件连接。

5.如权利要求4所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述功率元件包括功率三极管、功率MOS管、IGBT或SiC功率管中的一种。

6.如权利要求4所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述活化装置设有控制器，所述控制器与驱动电路连接并用于控制驱动电路的运行进而控制功率元件，所述控制器与继电器连接并用于调节继电器的通断。

7.如权利要求6所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述燃料电池的正极或负极连接有电流传感器，所述电流传感器与控制器连接，并将信号传递给控制器。

8.如权利要求6所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述空气通道的尾端设有温度传感器，所述温度传感器与控制器连接，并将信号传递给控制器。

9.如权利要求6～8任一所述的燃料电池在线活化装置，其特征在于，所述控制器包括PLC控制器、单片机或工控板中的一种。

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