專利名稱：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，簡稱FC)是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑通過電化學(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、環(huán) 境友好等優(yōu)點，受到研究機構(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)起來組成電堆，在電堆的兩端可以得到 較高功率。對于輸出功率在10KW以上的大功率質(zhì)子交換膜燃料電池堆來說，主要應(yīng)用于電動 汽車、艦艇等運載工具的動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，正常運行前，通常都要對MEA進(jìn)行活化處理。膜 電極活化機理就是通過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。對于質(zhì)子交換膜燃料電池堆的活化過程來說，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)上開發(fā)出能 同時包容上述功能的針對質(zhì)子交換膜燃料電池堆的活化裝置，目前國內(nèi)還沒有公開報導(dǎo)，尤 其是沒有針對大功率質(zhì)子交換膜燃料電池堆進(jìn)行活化的裝置。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的提供一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，用于實現(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)境下強制變電流活化過程的需要；其具有操作簡單、安全可 靠、各單元獨立分開且安裝于可移動的柜式機體內(nèi)，工作時各單元相互配合等特點，并且整 個裝置便于安裝與檢修、成本低廉。
為實現(xiàn)上述目的，本實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 水箱，二者通過磁力驅(qū)動泵相連，在所述的恒溫儲水箱上設(shè)有加熱元件，其通過溫度控制器 進(jìn)行控制；
所述的冷卻單元包括恒溫儲水箱，其分別通過磁力驅(qū)動泵和換熱器與電堆的兩端相連， 在所述的恒溫儲水箱上設(shè)有加熱元件，其通過溫度控制器進(jìn)行控制。所述溫度控制器的測溫 點設(shè)在電堆冷卻水進(jìn)口處，其可以避免冷卻水輸送過程中由于沿程熱損失而導(dǎo)致的溫度偏差
所述的恒溫儲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，用來監(jiān)測 冷卻水進(jìn)入換熱器前后的溫度，可根據(jù)溫度表示值隨時調(diào)整冷凝水流量，使冷卻水溫度在進(jìn) 入恒溫儲水箱之前能恢復(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，其通過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，用來對保溫段進(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。
所述的陽極供氣及排放單元通過三通閥同時連接氫氣和氮氣兩路氣源，通過操作三通閥
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三通閥同時連接氧氣和空氣兩路氣源，通過操作三通閥
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，防止溫度過高損壞電堆。 外電路負(fù)載系統(tǒng)直接與電堆陰陽極相連，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。
本實用新型的燃料電池電堆活化系統(tǒng)，其陽極供氣及排放系統(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際運行中，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外置加濕堆來補充水分，加濕單元由一個循環(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，如果熱量不能及時被排 出，局部過熱會造成該處電流密度升高，電流密度升高會產(chǎn)生更多的熱量，嚴(yán)重時會燒壞膜 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，冷卻單元對于 大功率燃料電池堆的安全穩(wěn)定運行起著至關(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)，但二者是兩個相互獨立的循環(huán)系統(tǒng) ，兩個系統(tǒng)中都設(shè)置了恒溫儲水箱用來使去離子水達(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，并可對電堆進(jìn) 行定電流、定電壓、定電阻等模式的工作。
本實用新型的燃料電池電堆活化系統(tǒng)可以實現(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，利用強制變電流活化方法對大功率燃料電池電堆的 活化過程。
圖l為本實用新型燃料電池活化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為本實用新型陰陽極供氣及排放單元結(jié)構(gòu)示意圖3為本實用新型加濕單元結(jié)構(gòu)示意圖4為本實用新型冷卻單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了進(jìn)一步描述本實用新型專利的技術(shù)內(nèi)容、特點及功效，
以下結(jié)合附圖和實施例對本 實用新型作詳細(xì)說明。
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，所述的陽極供氣及 排放系統(tǒng)1與電堆6陽極進(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 14，其通過三通閥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與電堆的陽極 進(jìn)口設(shè)有保溫段，其上設(shè)有溫度控制器18，用于對所述的保溫段進(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，用來監(jiān) 測電堆6溫度，防止溫度過高損壞電堆。在活化系統(tǒng)的進(jìn)口以及電堆陽極進(jìn)出口處分別設(shè)有壓力表13， 19， 111，反應(yīng)氣進(jìn)入測 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。
活化過程中，來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，同時為了保護(hù)質(zhì)量流量計 14和壓力表13，在質(zhì)量流量計14的入口端安裝有單向閥15;氫氣經(jīng)過質(zhì)量流量計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，其溫度通過溫度控制 器18進(jìn)行控制，測溫點布置在氣體加熱段的出口處；氫氣離開加熱帶17進(jìn)入電堆6陽極側(cè)， 然后在陽極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，未反應(yīng)的氣體和水離開電堆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 陽極氣路加入氮氣輸氣管路，通過三通閥16來控制是否通入氮氣。
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 24，其通過三通閥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 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)分別來自氧氣瓶的 高純氧氣以及空壓機提供的空氣，操作者可以通過三通閥26來控制此次活化過程是采用高純 氧氣還是采用空氣；選擇一種氣體將其支路打開，氣體經(jīng)截止閥21和減壓閥22后進(jìn)入質(zhì)量流 量計24，在質(zhì)量流量計24的入口端設(shè)有氣體單向閥25，氧化劑經(jīng)過質(zhì)量流量計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 濕堆相連的恒溫儲水箱33， 二者通過磁力齒輪泵35相連，在所述的恒溫儲水箱33上設(shè)有加熱 元件34，其通過溫度控制器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 自恒溫儲水箱33，由磁力驅(qū)動泵35源源不斷提供給加濕堆31;該恒溫儲水箱33內(nèi)設(shè)有加熱元件34，通過溫度控制器32來設(shè)定去離子水的溫度。整個循環(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包括恒溫儲水箱47，其分別通過磁力驅(qū)動泵41和換熱器44 與電堆6的兩端相連，在所述的恒溫儲水箱47上設(shè)有加熱元件48，其通過溫度控制器42進(jìn)行 控制；所述的恒溫儲水箱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的測溫點設(shè)在電堆冷卻水進(jìn)口處。
去離子水在恒溫儲水箱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水箱(33)，二者通過磁力驅(qū)動泵(35)相連，在所述的恒溫儲水箱(33)上設(shè)有加熱元件(34)，其通過溫度控制器(32)進(jìn)行控制；所述的冷卻單元(4)包括恒溫儲水箱(47)，其分別通過磁力驅(qū)動泵(41)和換熱器(44)與電堆(6)的兩端相連，在所述的恒溫儲水箱(47)上設(shè)有加熱元件(48)，其通過溫度控制器(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)的測溫點設(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(14， 24)，其通過三通閥(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 陽極供氣及排放單元(1)通過三通閥(16)同時連接氫氣和氮氣兩路氣源。
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)通過三通閥(26)同時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)。
專利摘要本實用新型公開了一種燃料電池電堆活化系統(tǒng)，包括電堆(6)、陽極供氣及排放單元(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)。本實用新型的燃料電池電堆活化系統(tǒng)其各單元獨立分開，工作時相互配合，整個裝置便于安裝與檢修、成本低廉、可實現(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)境下強制變電流活化過程的需要。
文檔編號H01M8/24GK201238067SQ20082030125
公開日2009年5月13日 申請日期2008年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月23日
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