CN215118964U - 一种清理燃料电池电堆中异物的装置 - Google Patents

一种清理燃料电池电堆中异物的装置 Download PDF

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陈小晶
陈广明
夏泮文
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Abstract

本实用新型涉及一种清理燃料电池电堆中异物的装置，燃料电池堆(1)设有阴极进口(11)、阴极出口(12)、冷却液进口(13)、冷却液出口(14)、阳极进口(15)和阳极出口(16)；所述的装置包括空压机(2)、增湿调湿设备(3)、循环水泵(4)、散热器(5)，所述的空压机(2)依次连接增湿调湿设备(3)和燃料电池堆(1)的阴极进口(11)，所述的循环水泵(4)通过循环管道依次连接散热器(5)、节温器(6)、燃料电池堆(1)的冷却液进口(13)、冷却液出口(14)返回连接循环水泵(4)。与现有技术相比，本实用新型具有不破坏电堆结构，使用简单方便等优点。

Description

一种清理燃料电池电堆中异物的装置
技术领域
本实用新型涉及燃料电池，尤其是涉及一种清理燃料电池电堆中异物的装置。
背景技术
燃料电池作为一种电化学发电装置，可以直接将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。当有功率需求时，只需将燃料和氧化剂分别通入燃料电池的阳极和阴极，只要反应物持续供应，电池就会源源不断提供电能，其容量在理论上是无限的，但实际上受元件老化和系统器件故障等的影响，电池的寿命和可靠性是其商业化所面临的巨大挑战之一。
为适用不同车辆使用，通常将多个燃料电池按照串联的方式组合成燃料电池堆以产生期望的功率值。一般汽车上使用的典型燃料电池电堆可由一百节以上的单电池堆叠而成，燃料电池电堆采用前端板、后端板及螺杆紧固在一起，燃料电池堆组装工艺复杂，各零部件制备工艺复杂、尺寸要求精密。燃料电池堆阳极所需的燃料由车载的高压氢气瓶提供，阴极所需的氧化剂是由空气压缩机(简称：空压机)将大气中的空气推送至气体流道中。在车辆运行过程中空压机将一直工作，源源不断的为燃料电池系统提供反应气体。燃料电池堆经历长时间运行或者燃料电池系统配件质量不佳时，经常会导致燃料电池电堆出现输出性能下降或使用安全问题。车辆上使用的燃料电池电堆通常是在恒电流下工作，依靠空压机提供反应气体，当空压机运行出现故障(如叶轮/驱动轴磨损、外界异物进入)或供给的空气质量较差，则极易发生大颗粒物随高压气体由电堆空气腔道入口进入电堆内部，可能引起双极板流道和气体扩散层等部件阻塞、质子交换膜被刺穿、燃料电池堆内部短路等后果，使得燃料电池电堆存在氢空串漏、活性下降、气体分配不均等风险，降低燃料电池堆的寿命和使用可靠性。
中国专利201210090009.7采用空气吹扫、再用水冲洗、再用空气吹扫消除燃料电池内的阴离子、硫酸盐和乙二醇污染物，但是缺少对进入燃料电池大颗粒异物的处理方法；中国专利200610135095.3为了消除空气中的杂质气体，通过在燃料电池系统系统中添加活性炭吸附处理的方法，这种方法可以起预防杂质进入燃料电池电堆的作用，但对于已发生异物进入的电堆清理无效；目前关于清理燃料电池电堆中异物的装置报道还较少，为了不影响电堆的使用，将电堆空气腔道中的异物去除是非常有必要的。对于因空压机故障或者空气中颗粒物造成的外界异物进入燃料电池电堆空气腔道内部的情况，最彻底的方法为将燃料电池堆进行拆解，对每一片双极板和膜电极进行清理。但是该清理方法存在以下缺点：(1)清洗过程工程量巨大；(2)清洗过程易造成电堆结构件污染或破坏；(3)电堆经过拆解后结构完全破坏，易造成新组装电堆电压一致性变差。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了提供一种清理燃料电池电堆中异物的装置，克服电堆拆解清理电堆内异物时造成零部件损坏和一致性变差的缺陷。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种清理燃料电池电堆中异物的装置，燃料电池堆设有阴极进口、阴极出口、冷却液进口、冷却液出口、阳极进口和阳极出口；所述的装置包括空压机、增湿调湿设备、循环水泵、散热器，所述的空压机依次连接增湿调湿设备和燃料电池堆的阴极进口，所述的循环水泵通过循环管道依次连接散热器、节温器、燃料电池堆的冷却液进口、冷却液出口返回连接循环水泵。
所述的装置还包括内窥镜，该内窥镜为长探头内窥镜，清理前内窥镜探入燃料电池堆的空气进出口和空气腔道预检。
清理时，所述的燃料电池堆尾部抬起，抬起的角度为电堆尾部与水平面保持 0～90°。进一步优选，所述的燃料电池堆尾部抬起的角度为30～60°。
所述的燃料电池堆尾部是指远离接口一侧。
所述的燃料电池堆的阴极进口为正常运行时的空气出口。
所述的燃料电池堆的阴极出口为正常运行时的空气进口。
所述的燃料电池堆的阴极出口为开放状态。
采用上述装置清理燃料电池电堆中异物的方法如下：
(1)采用内窥镜对燃料电池堆的空气进出口和空气腔道进行初步判断，确认是否存在异物，以及异物的数量，大小和所在位置；所述的异物为空压机故障或空气不纯带入的异物，包括金属屑或灰尘。内窥镜可识别异物颗粒尺寸为1μm以上。
(2)将燃料电池堆尾部抬起，与水平面呈一定角度，以保证电堆内部异物能够随气流顺利排出。
(3)在燃料电池堆的冷却液腔道中通入25～60℃的去离子水，将燃料电池堆升温至25～60℃；
(4)向燃料电池电堆的空气腔道中通入增湿的空气，吹扫1～2h；吹扫过程采用的空气的湿度为50～100％，空气流量为N*2～6nlpm，其中N为电池节数。吹扫过程，增湿空气的流向与燃料电池堆正常运行时空气流向相反，即：供应的增湿空气由燃料电池堆空气出口管路进入，从燃料电池堆空气进口管路中流出，以保证气体吹扫方向与异物引入方向相反。吹扫过程中燃料电池电堆空气进口管路为敞开状态。步骤(4)增湿空气吹扫过程可重复2次以上。
(5)将燃料电池堆阴极通入空气、阳极通入氢气，接通负载，将电流密度由开路逐步加载至设定电流密度，并在此电流密度下平衡30～120min。设定电流密度为1000～1500mA/cm2或保证单片燃料电池最小输出电压控制在0.4～0.6V时的电流密度。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1.本实用新型将燃料电池堆的空气进出口反向连接一空压机，并在连接管路上设置了增湿装置，同时在燃料电池的冷却腔连接一循环水路，该循环水路可将电堆温度调节到25～60℃，可降低异物与腔道壁的黏连性，同时采用湿度超过50％的空气吹扫，空气中的水分子可以将异物包裹，在特定流量下带出及有效的保护燃料电池质子交换膜。
2.本实用新型装置还配有内窥镜，而且采用内窥镜先探测异物，一方面可以排除没有异物的燃料电池堆，避免浪费，另一方面可初步确定异物的位置和数量、大小，确定吹扫的增湿空气的湿度、流量以及后续的电流密度。采用内窥镜确认异物大致所在位置、数量及尺寸大小；调整电堆放置状态，连接电堆水气接口管路；对含有异物的燃料电池堆的空气腔道使用大流量增湿的空气进行吹扫，使异物随空气排出电堆，消除外界异物对电堆可靠性带来的风险，从而恢复电堆正常使用。本实用新型可用于多功率级别的质子交换膜燃料电池堆。
3.本实用新型利用内窥镜确定异物所在位置，可有针对性的对异物所在腔道进行清理和吹扫完成后进行吹扫干净程度进行判断；内窥镜的要求不用达到医疗级别，造价不高且操作简单，只要能识别尺寸在1μm以上的异物即可，因为异物粒径过小，一般会随着空气流走，不会对电堆造成影响，而异物粒径在1μm以上时，遇到流道较窄的燃料电池空气腔道时，很容易粘附在腔道壁上，与膜电极接触，刺伤膜电极，引起短路或阻塞，本实用新型利用大流量的增湿空气进行吹扫，可以有效的增湿质子交换膜并将异物带出电堆，使电堆恢复正常使用，消除外界异物对电堆可靠性带来的风险。
4.本实用新型无需将电堆拆卸、更换、重装，不破坏电堆结构及电堆各零部件，即可完成电堆内部异物清理，保证了电堆的完好性。
附图说明
图1为本实用新型清理燃料电池电堆中异物的装置结构示意图。
图2为燃料电池电堆前端右视图。
图3为燃料电池堆异物进堆前后性能测试图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例
如图1-2所示，为清理燃料电池电堆中异物的装置结构示意图，包括燃料电池堆1、空压机2、增湿调湿设备3、循环水泵4、散热器5，所述的燃料电池堆1设有阴极进口11、阴极出口12、冷却液进口13、冷却液出口14、阳极进口15和阳极出口16。所述的空压机2依次连接增湿调湿设备3和燃料电池堆1的阴极进口 11(即正常运行时的空气出口)，阴极出口12(即正常运行时的空气进口)为开放状态，所述的循环水泵4通过循环管道依次连接散热器5、节温器6、燃料电池堆 1的冷却液进口13、冷却液出口14返回连接循环水泵4。
清理燃料电池电堆中异物的装置具体步骤如下：
1.异物采用长探头内窥镜对燃料电池堆1的空气进口和出口腔道分别进行观察，确认异物数量、颗粒尺寸及所在位置；没有异物的继续使用，有异物的通过下面的步骤清除异物；如本实施例中探测到数个颗粒尺寸5～10μm的异物，分布在阴极出口12区域。
2.电堆放置：将燃料电池电堆1尾部抬起(即燃料电池堆运行时的空气出口端，图1的阴极出口12端)，与水平面呈45度；
3.电堆升温：通过循环水泵4向燃料电池堆1中输入去离子水，去离子水经散热器5和节温器6调节温度，使去离子水在燃料电池电堆1的冷却液腔道中的温度为60℃，利用去离子水将燃料电池堆1升温至60℃；
4.气体吹扫：通过空压机2输入空气，经增湿调湿设备3调节空气的湿度为 100％，空气流量为N*6nlpm，其中N为电池节数，增湿空气从阴极进口11进入燃料电池堆1的空气腔道中，吹扫1～2h，燃料电池堆1的阴极出口12管路为敞开状态；
5.气体吹扫结束后，可再次用内窥镜探测异物是否吹扫干净，如果仍有异物可重复步骤4多次，直至用内窥镜无法检测到异物。然后将燃料电池堆1接入常规燃料电池系统中，阴极通入空气、阳极通入氢气，接通负载，将电流密度由开路逐步加载至1500mA/cm2，并在此电流密度下平衡30min。
为检测通过上述方法清理异物后的燃料电池堆性能，将清理后的燃料电池堆接入常规燃料电池系统中，如图3所示，可以看出异物清理后性能和异物进堆前性能变化不大，说明燃料电池经异物清理后，性能满足使用要求。
实施例2
采用的装置如图1所述，清理异物的方法中
步骤1中采用长探头内窥镜探测到阴极出口12区域分布了数个颗粒尺寸 3～6μm的异物，步骤2中燃料电池电堆1尾部抬起与水平面呈10度，步骤3中利用去离子水将燃料电池堆1升温至45℃；步骤4空气的湿度为60％，空气流量为 N*4nlpm，步骤5中电流密度由开路逐步加载至1200mA/cm2，并在此电流密度下平衡60min。其余同实施例1。
实施例3
采用的装置如图1所述，清理异物的方法中
步骤1中采用长探头内窥镜探测到阴极出口12区域分布了数个颗粒尺寸 1～5μm的异物，步骤2中燃料电池电堆1尾部抬起与水平面呈90度，步骤3中利用去离子水将燃料电池堆1升温至25℃；步骤4空气的湿度为50％，空气流量为 N*2nlpm，步骤5中电流密度由开路逐步加载至1000mA/cm2，并在此电流密度下平衡30min。其余同实施例1。

Claims (8)

1.一种清理燃料电池电堆中异物的装置，燃料电池堆(1)设有阴极进口(11)、阴极出口(12)、冷却液进口(13)、冷却液出口(14)、阳极进口(15)和阳极出口(16)；其特征在于，所述的装置包括空压机(2)、增湿调湿设备(3)、循环水泵(4)、散热器(5)，所述的空压机(2)依次连接增湿调湿设备(3)和燃料电池堆(1)的阴极进口(11)，所述的循环水泵(4)通过循环管道依次连接散热器(5)、节温器(6)、燃料电池堆(1)的冷却液进口(13)、冷却液出口(14)返回连接循环水泵(4)。
2.根据权利要求1所述的一种清理燃料电池电堆中异物的装置，其特征在于，所述的装置还包括内窥镜，该内窥镜为长探头内窥镜，清理前内窥镜探入燃料电池堆的空气进出口和空气腔道预检。
3.根据权利要求1所述的一种清理燃料电池电堆中异物的装置，其特征在于，清理时，所述的燃料电池堆尾部抬起，抬起的角度为电堆尾部与水平面保持0～90°。
4.根据权利要求3所述的一种清理燃料电池电堆中异物的装置，其特征在于，所述的燃料电池堆尾部抬起的角度为30～60°。
5.根据权利要求3所述的一种清理燃料电池电堆中异物的装置，其特征在于，所述的燃料电池堆尾部是指远离接口一侧。
6.根据权利要求1所述的一种清理燃料电池电堆中异物的装置，其特征在于，所述的燃料电池堆(1)的阴极进口(11)为正常运行时的空气出口。
7.根据权利要求1所述的一种清理燃料电池电堆中异物的装置，其特征在于，所述的燃料电池堆(1)的阴极出口(12)为正常运行时的空气进口。
8.根据权利要求1所述的一种清理燃料电池电堆中异物的装置，其特征在于，所述的燃料电池堆(1)的阴极出口(12)为开放状态。
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