專(zhuān)利名稱(chēng)：一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種活化系統(tǒng)，尤其涉及一種大功率燃料電池電堆活化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池(Fuel Cell，簡(jiǎn)稱(chēng)FC)是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)連續(xù) 不斷地轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置。燃料電池有多種類(lèi)型。按電解質(zhì)的不同可分為堿性燃料電 池(AFC: Alkaline Fuel Cell),質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell),磷酸型燃料電池(PAFC :Phosphoric Acid Fuel Cell);熔融碳酸鹽燃料電 池(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell),和固體氧化物燃料電池(S0FC: Solid Oxide Fuel Cell)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動(dòng)、環(huán) 境友好等優(yōu)點(diǎn)，受到研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是最有商業(yè)應(yīng)用前景的一種燃料電 池。
由于單片的質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓較低， 一般在1V以下，所以在實(shí)際應(yīng)用中為了 得到較高的輸出電壓，必須將一定數(shù)量的單電池串聯(lián)起來(lái)組成電堆，在電堆的兩端可以得到 較高功率。對(duì)于輸出功率在10KW以上的大功率質(zhì)子交換膜燃料電池堆來(lái)說(shuō)，主要應(yīng)用于電動(dòng) 汽車(chē)、艦艇等運(yùn)載工具的動(dòng)力源以及小型熱電聯(lián)供電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部分是膜電極，電池性能的高低以及使用壽命的長(zhǎng)短在很大 程度上取決于膜電極本身性能的發(fā)揮。膜電極主要由氣體擴(kuò)散層、整平層、催化層以及質(zhì)子 交換膜組成，其性能固然受其制備工藝的影響較大，然而對(duì)于已經(jīng)制備出的膜電極，為了使 質(zhì)子交換膜燃料電池工作時(shí)能快速達(dá)到它的最佳狀態(tài)和工作性能，提高膜電極中催化劑的利用效率，在使用剛制備的MEA組裝成電堆后，正常運(yùn)行前，通常都要對(duì)MEA進(jìn)行活化處理。膜 電極活化機(jī)理就是通過(guò)某種特定的活化方法使質(zhì)子交換膜獲得加濕并建立起電子、質(zhì)子、氣 體及水四種物質(zhì)傳輸通道。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池堆的活化過(guò)程來(lái)說(shuō)，需要有能提供足夠 反應(yīng)氣體(氫氣、氧氣和空氣)流量的供氣系統(tǒng)，始終提供恒溫水的冷卻水系統(tǒng)，提供反應(yīng)氣 體加濕的加濕系統(tǒng)以及穩(wěn)定控制電堆進(jìn)出口壓力的壓力控制系統(tǒng)，需要在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出能 同時(shí)包容上述功能的針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池堆的活化裝置，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有公開(kāi)報(bào)導(dǎo)，尤 其是沒(méi)有針對(duì)大功率質(zhì)子交換膜燃料電池堆進(jìn)行活化的裝置。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的提供一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)大功率燃料電池電堆在較 高溫度、較高濕度、較高壓力環(huán)境下強(qiáng)制變電流活化過(guò)程的需要；其具有操作簡(jiǎn)單、安全可 靠、各單元獨(dú)立分開(kāi)且安裝于可移動(dòng)的柜式機(jī)體內(nèi)，工作時(shí)各單元相互配合等特點(diǎn)，并且整 個(gè)裝置便于安裝與檢修、成本低廉。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其采用下述技術(shù)方案
一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，包括電堆、陽(yáng)極供氣及排放單元、陰極供氣及排放單元、 加濕單元、冷卻單元及外電路負(fù)載單元；其中，
所述的加濕單元包括與電堆的陽(yáng)極和陰極進(jìn)口相連的加濕堆以及與加濕堆相連的恒溫儲(chǔ) 水箱，二者通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵相連，在所述的恒溫儲(chǔ)水箱上設(shè)有加熱元件，其通過(guò)溫度控制器 進(jìn)行控制；
所述的冷卻單元包括恒溫儲(chǔ)水箱，其分別通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵和換熱器與電堆的兩端相連， 在所述的恒溫儲(chǔ)水箱上設(shè)有加熱元件，其通過(guò)溫度控制器進(jìn)行控制。所述溫度控制器的測(cè)溫 點(diǎn)設(shè)在電堆冷卻水進(jìn)口處，其可以避免冷卻水輸送過(guò)程中由于沿程熱損失而導(dǎo)致的溫度偏差
所述的恒溫儲(chǔ)水箱與換熱器之間以及換熱器與電堆之間分別設(shè)有溫度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè) 冷卻水進(jìn)入換熱器前后的溫度，可根據(jù)溫度表示值隨時(shí)調(diào)整冷凝水流量，使冷卻水溫度在進(jìn) 入恒溫儲(chǔ)水箱之前能恢復(fù)到初始值或允許的溫度范圍內(nèi)。
所述的陽(yáng)極供氣及排放單元以及陰極供氣與排放單元分別包括氣體進(jìn)口，在氣體進(jìn)口處 設(shè)有質(zhì)量流量計(jì)，其通過(guò)三通閥與加濕堆相連接，所述加濕堆的另一端分別與電堆的陽(yáng)極進(jìn)口以及陰極進(jìn)口相連，在所述的電堆出口處還設(shè)有氣液分離器和背壓調(diào)節(jié)閥。
所述的加濕堆與電堆的陽(yáng)極進(jìn)口以及陰極進(jìn)口之間分別設(shè)有保溫段，其上設(shè)有溫度控制
器，用來(lái)對(duì)保溫段進(jìn)行控溫調(diào)節(jié)，從而使輸送的反應(yīng)氣體始終保持設(shè)定溫度，其采用在不銹
鋼管外設(shè)置加熱帶的方式構(gòu)成。
所述的陽(yáng)極供氣及排放單元通過(guò)三通閥同時(shí)連接氫氣和氮?dú)鈨陕窔庠?，通過(guò)操作三通閥
可方便進(jìn)行輸氣調(diào)整。
所述的陰極供氣及排放單元通過(guò)三通閥同時(shí)連接氧氣和空氣兩路氣源，通過(guò)操作三通閥
可方便進(jìn)行輸氣調(diào)整。
所述的電堆上設(shè)有溫度傳感器，用于監(jiān)控電堆溫度，防止溫度過(guò)高損壞電堆。 外電路負(fù)載系統(tǒng)直接與電堆陰陽(yáng)極相連，根據(jù)事先設(shè)定的活化程序可操作電子負(fù)載調(diào)節(jié)
電堆輸出電流的大小。
本實(shí)用新型的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其陽(yáng)極供氣及排放系統(tǒng)與陰極供氣及排放系統(tǒng)利 用流量計(jì)調(diào)整和控制反應(yīng)氣體的壓力和輸送流量，且反應(yīng)氣體在進(jìn)入電堆之前先要進(jìn)入加濕 單元被增濕加熱到預(yù)設(shè)溫度，然后進(jìn)入電堆參與反應(yīng)。這是由于在電堆的實(shí)際運(yùn)行中，為防 止質(zhì)子交換膜失水而導(dǎo)致電性能下降，需要對(duì)進(jìn)入電池的燃料和氧化劑氣體進(jìn)行適當(dāng)加濕處 理，大功率質(zhì)子交換膜燃料電池活化裝置通過(guò)外置加濕堆來(lái)補(bǔ)充水分，加濕單元由一個(gè)循環(huán) 供水系統(tǒng)為加濕堆提供恒溫去離子水。
另外，大功率燃料電池電堆在較大電流下活化要放出大量熱量，如果熱量不能及時(shí)被排 出，局部過(guò)熱會(huì)造成該處電流密度升高，電流密度升高會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞膜 電極，造成氫氧互混，導(dǎo)致電池組失效，更嚴(yán)重則可能導(dǎo)致電堆爆炸。因此，冷卻單元對(duì)于 大功率燃料電池堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，大功率質(zhì)子交換膜燃料電池活化裝 置采用去離子水循環(huán)冷卻方式。
加濕單元與冷卻單元都采用去離子水作為工作介質(zhì)，但二者是兩個(gè)相互獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng) ，兩個(gè)系統(tǒng)中都設(shè)置了恒溫儲(chǔ)水箱用來(lái)使去離子水達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，并分別采用流量不同的磁
6力驅(qū)動(dòng)泵向加濕堆和電堆供給去離子水；所述的冷卻單元采用冷卻水循環(huán)排熱帶走電堆產(chǎn)生 的大量熱量，并通過(guò)水冷式換熱器將冷卻水中多余的熱量帶走，保證冷卻水進(jìn)入電堆時(shí)溫度 的恒定；根據(jù)事先設(shè)定的活化程序可操作電子負(fù)載調(diào)節(jié)電堆輸出電流的大小，并可對(duì)電堆進(jìn) 行定電流、定電壓、定電阻等模式的工作。
本實(shí)用新型的燃料電池電堆活化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在較高溫度(60 80 )，較高濕度(70% 90%)，較高壓力(O. 1 0.4MPa)環(huán)境下，利用強(qiáng)制變電流活化方法對(duì)大功率燃料電池電堆的 活化過(guò)程。


圖l為本實(shí)用新型燃料電池活化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為本實(shí)用新型陰陽(yáng)極供氣及排放單元結(jié)構(gòu)示意圖3為本實(shí)用新型加濕單元結(jié)構(gòu)示意圖4為本實(shí)用新型冷卻單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了進(jìn)一步描述本實(shí)用新型專(zhuān)利的技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本 實(shí)用新型作詳細(xì)說(shuō)明。
如附圖1所示， 一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，包括電堆6、陽(yáng)極供氣及排放系統(tǒng)l、陰極 供氣及排放系統(tǒng)2、加濕系統(tǒng)3，冷卻水系統(tǒng)4及外電路負(fù)載系統(tǒng)5;其中，所述的陽(yáng)極供氣及 排放系統(tǒng)1與電堆6陽(yáng)極進(jìn)出口相連，為電堆提供所需流量的燃料氣體；陰極供氣及排放系統(tǒng) 2與電堆6陰極進(jìn)出口相連，為電堆提供足夠的氧化劑氣體；加濕單元3設(shè)置在電堆陽(yáng)極和陰 極進(jìn)口之前使反應(yīng)氣體增濕并加熱；冷卻單元4與電堆相連，外電路負(fù)載系統(tǒng)5與電堆陰陽(yáng)極 采電板相連，根據(jù)事先設(shè)定的活化程序可操作電子負(fù)載調(diào)節(jié)電堆輸出電流的大小。
如圖2所示，所述的陽(yáng)極供氣及排放系統(tǒng)l包括氣體進(jìn)口，在氣體進(jìn)口處設(shè)有質(zhì)量流量計(jì) 14，其通過(guò)三通閥16與加濕堆31相連接，所述加濕堆31的另一端與電堆6的陽(yáng)極進(jìn)口相連， 在所述的電堆出口處還設(shè)有氣液分離器l 13和背壓調(diào)節(jié)閥114;所述的加濕堆31與電堆的陽(yáng)極 進(jìn)口設(shè)有保溫段，其上設(shè)有溫度控制器18，用于對(duì)所述的保溫段進(jìn)行控溫調(diào)節(jié)，所述的保溫 段采用在不銹鋼管外纏加熱帶17的方式構(gòu)成，所述的電堆6上還設(shè)有溫度傳感器110，用來(lái)監(jiān) 測(cè)電堆6溫度，防止溫度過(guò)高損壞電堆。在活化系統(tǒng)的進(jìn)口以及電堆陽(yáng)極進(jìn)出口處分別設(shè)有壓力表13， 19， 111，反應(yīng)氣進(jìn)入測(cè) 試系統(tǒng)的壓力由減壓閥12控制，反應(yīng)氣進(jìn)堆壓力由放置在系統(tǒng)末端的背壓調(diào)節(jié)閥114控制。
活化過(guò)程中，來(lái)自氫氣瓶的氫氣從氣體進(jìn)口經(jīng)截止閥11和減壓閥12后進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)14 ;在使用中，為防止電堆的壓力高于入口壓力這種意外情況發(fā)生，同時(shí)為了保護(hù)質(zhì)量流量計(jì) 14和壓力表13，在質(zhì)量流量計(jì)14的入口端安裝有單向閥15;氫氣經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)14、單向閥 15進(jìn)入加濕堆31，加濕加熱到設(shè)定溫度后，進(jìn)入保溫段保持設(shè)定溫度，其溫度通過(guò)溫度控制 器18進(jìn)行控制，測(cè)溫點(diǎn)布置在氣體加熱段的出口處；氫氣離開(kāi)加熱帶17進(jìn)入電堆6陽(yáng)極側(cè)， 然后在陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，未反應(yīng)的氣體和水離開(kāi)電堆6進(jìn)入氣液分離器113，分離出的 氣體經(jīng)背壓控制閥114排出，分離出的液體經(jīng)底部的排水閥112排出。為了方便管路吹掃，在 陽(yáng)極氣路加入氮?dú)廨敋夤苈罚ㄟ^(guò)三通閥16來(lái)控制是否通入氮?dú)狻?br> 如圖2所示，所述的陰極供氣及排放系統(tǒng)2包括氣體進(jìn)口，在氣體進(jìn)口處設(shè)有質(zhì)量流量計(jì) 24，其通過(guò)三通閥26與加濕堆31相連接，所述加濕堆31的另一端與電堆6的陰極進(jìn)口相連， 在所述的電堆出口處還設(shè)有氣液分離器212和背壓調(diào)節(jié)閥213;所述的加濕堆31與電堆的陰極 進(jìn)口設(shè)有保溫段，其上設(shè)有溫度控制器28，用來(lái)使輸送的反應(yīng)氣體始終保持設(shè)定溫度，其采 用在不銹鋼管外設(shè)置加熱帶27的方式構(gòu)成。
在活化系統(tǒng)的進(jìn)口以及電堆陽(yáng)極進(jìn)出口處分別設(shè)有壓力表23， 29， 210，反應(yīng)氣進(jìn)入測(cè) 試系統(tǒng)的壓力由減壓閥22控制，反應(yīng)氣進(jìn)堆壓力由放置在系統(tǒng)末端的背壓調(diào)節(jié)閥213控制。
在活化過(guò)程中，陰極的氧化劑可以是氧氣或空氣，因此陰極供氣系統(tǒng)分別來(lái)自氧氣瓶的 高純氧氣以及空壓機(jī)提供的空氣，操作者可以通過(guò)三通閥26來(lái)控制此次活化過(guò)程是采用高純 氧氣還是采用空氣；選擇一種氣體將其支路打開(kāi)，氣體經(jīng)截止閥21和減壓閥22后進(jìn)入質(zhì)量流 量計(jì)24，在質(zhì)量流量計(jì)24的入口端設(shè)有氣體單向閥25，氧化劑經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)24、單向閥25 進(jìn)入加濕堆31加濕加熱到設(shè)定溫度后，進(jìn)入保溫段保持設(shè)定溫度，然后進(jìn)入電堆6陰極側(cè)， 在陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，反應(yīng)生成物水及未反應(yīng)的氣體離開(kāi)電堆進(jìn)入氣液分離器212，分 離出的氣體經(jīng)背壓控制閥213排出，分離出的液體經(jīng)底部的排水閥211排出。
如圖3所示，所述的加濕單元3包括與電堆6的陽(yáng)極和陰極進(jìn)口相連的加濕堆31以及與加 濕堆相連的恒溫儲(chǔ)水箱33， 二者通過(guò)磁力齒輪泵35相連，在所述的恒溫儲(chǔ)水箱33上設(shè)有加熱 元件34，其通過(guò)溫度控制器32進(jìn)行控制；
氣體進(jìn)入電堆6之前，先經(jīng)過(guò)加濕堆31加熱加濕到設(shè)定溫度，加濕堆31中的去離子水來(lái) 自恒溫儲(chǔ)水箱33，由磁力驅(qū)動(dòng)泵35源源不斷提供給加濕堆31;該恒溫儲(chǔ)水箱33內(nèi)設(shè)有加熱元件34，通過(guò)溫度控制器32來(lái)設(shè)定去離子水的溫度。整個(gè)循環(huán)管路采用封閉方式，盡可能減少 去離子水的損耗。
如圖4所示，所述的冷卻單元4包括恒溫儲(chǔ)水箱47，其分別通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵41和換熱器44 與電堆6的兩端相連，在所述的恒溫儲(chǔ)水箱47上設(shè)有加熱元件48，其通過(guò)溫度控制器42進(jìn)行 控制；所述的恒溫儲(chǔ)水箱47與換熱器44之間以及換熱器44與電堆6之間分別設(shè)有溫度傳感器 46， 43，所述溫度控制器42的測(cè)溫點(diǎn)設(shè)在電堆冷卻水進(jìn)口處。
去離子水在恒溫儲(chǔ)水箱47內(nèi)被加熱元件48加熱到設(shè)定溫度后，冷卻水由磁力驅(qū)動(dòng)泵41抽 出至電堆6，吸收電堆產(chǎn)生的大部分熱量后，產(chǎn)生5 1(TC的溫升，接著流出電堆，進(jìn)入換熱 器44后，與冷凝水45發(fā)生熱交換，使冷卻水恢復(fù)到初始溫度，然后順著輸送管路重新流回恒 溫儲(chǔ)水箱47，被加熱元件48加熱到設(shè)定溫度。
權(quán)利要求權(quán)利要求1一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，包括電堆(6)、陽(yáng)極供氣及排放單元(1)、陰極供氣及排放單元(2)、加濕單元(3)、冷卻單元(4)及外電路負(fù)載單元(5)，其特征在于所述的加濕單元(3)包括與電堆(6)的陽(yáng)極和陰極進(jìn)口相連的加濕堆(31)以及與加濕堆相連的恒溫儲(chǔ)水箱(33)，二者通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵(35)相連，在所述的恒溫儲(chǔ)水箱(33)上設(shè)有加熱元件(34)，其通過(guò)溫度控制器(32)進(jìn)行控制；所述的冷卻單元(4)包括恒溫儲(chǔ)水箱(47)，其分別通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)泵(41)和換熱器(44)與電堆(6)的兩端相連，在所述的恒溫儲(chǔ)水箱(47)上設(shè)有加熱元件(48)，其通過(guò)溫度控制器(42)進(jìn)行控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的 恒溫儲(chǔ)水箱(47)與換熱器(44)之間以及換熱器(44)與電堆(6)之間分別設(shè)有溫度傳 感器(46， 43)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的 溫度控制器(42)的測(cè)溫點(diǎn)設(shè)在電堆冷卻水進(jìn)口處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的 陽(yáng)極供氣及排放單元(1)以及陰極供氣與排放單元(2)分別包括氣體進(jìn)口，在氣體進(jìn)口處 設(shè)有質(zhì)量流量計(jì)(14， 24)，其通過(guò)三通閥(16， 26)與加濕堆(31)相連接，所述加濕堆 (31)的另一端分別與電堆的陽(yáng)極進(jìn)口以及陰極進(jìn)口相連，在所述的電堆出口處還設(shè)有氣液 分離器(113， 212)和背壓調(diào)節(jié)閥(114， 213)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的 加濕堆(31)與電堆的陽(yáng)極進(jìn)口以及陰極進(jìn)口之間分別設(shè)有保溫段，其上設(shè)有溫度控制器( 18， 28)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的保溫段采用在不銹鋼管外纏加熱帶(17， 27)的方式構(gòu)成。
7 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的 陽(yáng)極供氣及排放單元(1)通過(guò)三通閥(16)同時(shí)連接氫氣和氮?dú)鈨陕窔庠础?br> 8 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的 陰極供氣及排放單元(2)通過(guò)三通閥(26)同時(shí)連接氧氣和空氣兩路氣源。
9 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其特征在于所述的 電堆(6)上設(shè)有溫度傳感器(110)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，包括電堆(6)、陽(yáng)極供氣及排放單元(1)、陰極供氣及排放單元(2)、加濕單元(3)、冷卻單元(4)及外電路負(fù)載單元(5)。本實(shí)用新型的燃料電池電堆活化系統(tǒng)其各單元獨(dú)立分開(kāi)，工作時(shí)相互配合，整個(gè)裝置便于安裝與檢修、成本低廉、可實(shí)現(xiàn)大功率質(zhì)子交換膜燃料電池堆在較高溫度、較高濕度、較高壓力環(huán)境下強(qiáng)制變電流活化過(guò)程的需要。
文檔編號(hào)H01M8/24GK201238067SQ20082030125
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月23日
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