专利名称：一种燃料电池电堆活化系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种活化系统，尤其涉及一种大功率燃料电池电堆活化系统。
背景技术：
燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种将持续供给的燃料和氧化剂通过电化学反应连续 不断地转化成电能的发电装置。燃料电池有多种类型。按电解质的不同可分为碱性燃料电 池(AFC: Alkaline Fuel Cell),质子交换膜燃料电池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell),磷酸型燃料电池(PAFC :Phosphoric Acid Fuel Cell);熔融碳酸盐燃料电 池(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell),和固体氧化物燃料电池(S0FC: Solid Oxide Fuel Cell)。其中，质子交换膜燃料电池具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环 境友好等优点，受到研究机构和企业的广泛关注，被认为是最有商业应用前景的一种燃料电 池。
由于单片的质子交换膜燃料电池输出电压较低， 一般在1V以下，所以在实际应用中为了 得到较高的输出电压，必须将一定数量的单电池串联起来组成电堆，在电堆的两端可以得到 较高功率。对于输出功率在10KW以上的大功率质子交换膜燃料电池堆来说，主要应用于电动 汽车、舰艇等运载工具的动力源以及小型热电联供电站。
质子交换膜燃料电池的核心部分是膜电极，电池性能的高低以及使用寿命的长短在很大 程度上取决于膜电极本身性能的发挥。膜电极主要由气体扩散层、整平层、催化层以及质子 交换膜组成，其性能固然受其制备工艺的影响较大，然而对于已经制备出的膜电极，为了使 质子交换膜燃料电池工作时能快速达到它的最佳状态和工作性能，提高膜电极中催化剂的利用效率，在使用刚制备的MEA组装成电堆后，正常运行前，通常都要对MEA进行活化处理。膜 电极活化机理就是通过某种特定的活化方法使质子交换膜获得加湿并建立起电子、质子、气 体及水四种物质传输通道。对于质子交换膜燃料电池堆的活化过程来说，需要有能提供足够 反应气体(氢气、氧气和空气)流量的供气系统，始终提供恒温水的冷却水系统，提供反应气 体加湿的加湿系统以及稳定控制电堆进出口压力的压力控制系统，需要在此基础上开发出能 同时包容上述功能的针对质子交换膜燃料电池堆的活化装置，目前国内还没有公开报导，尤 其是没有针对大功率质子交换膜燃料电池堆进行活化的装置。
实用新型内容
本实用新型的目的提供一种燃料电池电堆活化系统，用于实现大功率燃料电池电堆在较 高温度、较高湿度、较高压力环境下强制变电流活化过程的需要；其具有操作简单、安全可 靠、各单元独立分开且安装于可移动的柜式机体内，工作时各单元相互配合等特点，并且整 个装置便于安装与检修、成本低廉。
为实现上述目的，本实用新型提供一种燃料电池电堆活化系统，其采用下述技术方案
一种燃料电池电堆活化系统，包括电堆、阳极供气及排放单元、阴极供气及排放单元、 加湿单元、冷却单元及外电路负载单元；其中，
所述的加湿单元包括与电堆的阳极和阴极进口相连的加湿堆以及与加湿堆相连的恒温储 水箱，二者通过磁力驱动泵相连，在所述的恒温储水箱上设有加热元件，其通过温度控制器 进行控制；
所述的冷却单元包括恒温储水箱，其分别通过磁力驱动泵和换热器与电堆的两端相连， 在所述的恒温储水箱上设有加热元件，其通过温度控制器进行控制。所述温度控制器的测温 点设在电堆冷却水进口处，其可以避免冷却水输送过程中由于沿程热损失而导致的温度偏差
所述的恒温储水箱与换热器之间以及换热器与电堆之间分别设有温度传感器，用来监测 冷却水进入换热器前后的温度，可根据温度表示值随时调整冷凝水流量，使冷却水温度在进 入恒温储水箱之前能恢复到初始值或允许的温度范围内。
所述的阳极供气及排放单元以及阴极供气与排放单元分别包括气体进口，在气体进口处 设有质量流量计，其通过三通阀与加湿堆相连接，所述加湿堆的另一端分别与电堆的阳极进口以及阴极进口相连，在所述的电堆出口处还设有气液分离器和背压调节阀。
所述的加湿堆与电堆的阳极进口以及阴极进口之间分别设有保温段，其上设有温度控制
器，用来对保温段进行控温调节，从而使输送的反应气体始终保持设定温度，其采用在不锈
钢管外设置加热带的方式构成。
所述的阳极供气及排放单元通过三通阀同时连接氢气和氮气两路气源，通过操作三通阀
可方便进行输气调整。
所述的阴极供气及排放单元通过三通阀同时连接氧气和空气两路气源，通过操作三通阀
可方便进行输气调整。
所述的电堆上设有温度传感器，用于监控电堆温度，防止温度过高损坏电堆。 外电路负载系统直接与电堆阴阳极相连，根据事先设定的活化程序可操作电子负载调节
电堆输出电流的大小。
本实用新型的燃料电池电堆活化系统，其阳极供气及排放系统与阴极供气及排放系统利 用流量计调整和控制反应气体的压力和输送流量，且反应气体在进入电堆之前先要进入加湿 单元被增湿加热到预设温度，然后进入电堆参与反应。这是由于在电堆的实际运行中，为防 止质子交换膜失水而导致电性能下降，需要对进入电池的燃料和氧化剂气体进行适当加湿处 理，大功率质子交换膜燃料电池活化装置通过外置加湿堆来补充水分，加湿单元由一个循环 供水系统为加湿堆提供恒温去离子水。
另外，大功率燃料电池电堆在较大电流下活化要放出大量热量，如果热量不能及时被排 出，局部过热会造成该处电流密度升高，电流密度升高会产生更多的热量，严重时会烧坏膜 电极，造成氢氧互混，导致电池组失效，更严重则可能导致电堆爆炸。因此，冷却单元对于 大功率燃料电池堆的安全稳定运行起着至关重要的作用，大功率质子交换膜燃料电池活化装 置采用去离子水循环冷却方式。
加湿单元与冷却单元都采用去离子水作为工作介质，但二者是两个相互独立的循环系统 ，两个系统中都设置了恒温储水箱用来使去离子水达到预设温度，并分别采用流量不同的磁
6力驱动泵向加湿堆和电堆供给去离子水；所述的冷却单元采用冷却水循环排热带走电堆产生 的大量热量，并通过水冷式换热器将冷却水中多余的热量带走，保证冷却水进入电堆时温度 的恒定；根据事先设定的活化程序可操作电子负载调节电堆输出电流的大小，并可对电堆进 行定电流、定电压、定电阻等模式的工作。
本实用新型的燃料电池电堆活化系统可以实现在较高温度(60 80 )，较高湿度(70% 90%)，较高压力(O. 1 0.4MPa)环境下，利用强制变电流活化方法对大功率燃料电池电堆的 活化过程。
图l为本实用新型燃料电池活化系统结构示意图2为本实用新型阴阳极供气及排放单元结构示意图3为本实用新型加湿单元结构示意图4为本实用新型冷却单元结构示意图。
具体实施方式
为了进一步描述本实用新型专利的技术内容、特点及功效，
以下结合附图和实施例对本 实用新型作详细说明。
如附图1所示， 一种燃料电池电堆活化系统，包括电堆6、阳极供气及排放系统l、阴极 供气及排放系统2、加湿系统3，冷却水系统4及外电路负载系统5;其中，所述的阳极供气及 排放系统1与电堆6阳极进出口相连，为电堆提供所需流量的燃料气体；阴极供气及排放系统 2与电堆6阴极进出口相连，为电堆提供足够的氧化剂气体；加湿单元3设置在电堆阳极和阴 极进口之前使反应气体增湿并加热；冷却单元4与电堆相连，外电路负载系统5与电堆阴阳极 采电板相连，根据事先设定的活化程序可操作电子负载调节电堆输出电流的大小。
如图2所示，所述的阳极供气及排放系统l包括气体进口，在气体进口处设有质量流量计 14，其通过三通阀16与加湿堆31相连接，所述加湿堆31的另一端与电堆6的阳极进口相连， 在所述的电堆出口处还设有气液分离器l 13和背压调节阀114;所述的加湿堆31与电堆的阳极 进口设有保温段，其上设有温度控制器18，用于对所述的保温段进行控温调节，所述的保温 段采用在不锈钢管外缠加热带17的方式构成，所述的电堆6上还设有温度传感器110，用来监 测电堆6温度，防止温度过高损坏电堆。在活化系统的进口以及电堆阳极进出口处分别设有压力表13， 19， 111，反应气进入测 试系统的压力由减压阀12控制，反应气进堆压力由放置在系统末端的背压调节阀114控制。
活化过程中，来自氢气瓶的氢气从气体进口经截止阀11和减压阀12后进入质量流量计14 ;在使用中，为防止电堆的压力高于入口压力这种意外情况发生，同时为了保护质量流量计 14和压力表13，在质量流量计14的入口端安装有单向阀15;氢气经过质量流量计14、单向阀 15进入加湿堆31，加湿加热到设定温度后，进入保温段保持设定温度，其温度通过温度控制 器18进行控制，测温点布置在气体加热段的出口处；氢气离开加热带17进入电堆6阳极侧， 然后在阳极发生电化学反应后，未反应的气体和水离开电堆6进入气液分离器113，分离出的 气体经背压控制阀114排出，分离出的液体经底部的排水阀112排出。为了方便管路吹扫，在 阳极气路加入氮气输气管路，通过三通阀16来控制是否通入氮气。
如图2所示，所述的阴极供气及排放系统2包括气体进口，在气体进口处设有质量流量计 24，其通过三通阀26与加湿堆31相连接，所述加湿堆31的另一端与电堆6的阴极进口相连， 在所述的电堆出口处还设有气液分离器212和背压调节阀213;所述的加湿堆31与电堆的阴极 进口设有保温段，其上设有温度控制器28，用来使输送的反应气体始终保持设定温度，其采 用在不锈钢管外设置加热带27的方式构成。
在活化系统的进口以及电堆阳极进出口处分别设有压力表23， 29， 210，反应气进入测 试系统的压力由减压阀22控制，反应气进堆压力由放置在系统末端的背压调节阀213控制。
在活化过程中，阴极的氧化剂可以是氧气或空气，因此阴极供气系统分别来自氧气瓶的 高纯氧气以及空压机提供的空气，操作者可以通过三通阀26来控制此次活化过程是采用高纯 氧气还是采用空气；选择一种气体将其支路打开，气体经截止阀21和减压阀22后进入质量流 量计24，在质量流量计24的入口端设有气体单向阀25，氧化剂经过质量流量计24、单向阀25 进入加湿堆31加湿加热到设定温度后，进入保温段保持设定温度，然后进入电堆6阴极侧， 在阴极发生电化学反应后，反应生成物水及未反应的气体离开电堆进入气液分离器212，分 离出的气体经背压控制阀213排出，分离出的液体经底部的排水阀211排出。
如图3所示，所述的加湿单元3包括与电堆6的阳极和阴极进口相连的加湿堆31以及与加 湿堆相连的恒温储水箱33， 二者通过磁力齿轮泵35相连，在所述的恒温储水箱33上设有加热 元件34，其通过温度控制器32进行控制；
气体进入电堆6之前，先经过加湿堆31加热加湿到设定温度，加湿堆31中的去离子水来 自恒温储水箱33，由磁力驱动泵35源源不断提供给加湿堆31;该恒温储水箱33内设有加热元件34，通过温度控制器32来设定去离子水的温度。整个循环管路采用封闭方式，尽可能减少 去离子水的损耗。
如图4所示，所述的冷却单元4包括恒温储水箱47，其分别通过磁力驱动泵41和换热器44 与电堆6的两端相连，在所述的恒温储水箱47上设有加热元件48，其通过温度控制器42进行 控制；所述的恒温储水箱47与换热器44之间以及换热器44与电堆6之间分别设有温度传感器 46， 43，所述温度控制器42的测温点设在电堆冷却水进口处。
去离子水在恒温储水箱47内被加热元件48加热到设定温度后，冷却水由磁力驱动泵41抽 出至电堆6，吸收电堆产生的大部分热量后，产生5 1(TC的温升，接着流出电堆，进入换热 器44后，与冷凝水45发生热交换，使冷却水恢复到初始温度，然后顺着输送管路重新流回恒 温储水箱47，被加热元件48加热到设定温度。
权利要求权利要求1一种燃料电池电堆活化系统，包括电堆(6)、阳极供气及排放单元(1)、阴极供气及排放单元(2)、加湿单元(3)、冷却单元(4)及外电路负载单元(5)，其特征在于所述的加湿单元(3)包括与电堆(6)的阳极和阴极进口相连的加湿堆(31)以及与加湿堆相连的恒温储水箱(33)，二者通过磁力驱动泵(35)相连，在所述的恒温储水箱(33)上设有加热元件(34)，其通过温度控制器(32)进行控制；所述的冷却单元(4)包括恒温储水箱(47)，其分别通过磁力驱动泵(41)和换热器(44)与电堆(6)的两端相连，在所述的恒温储水箱(47)上设有加热元件(48)，其通过温度控制器(42)进行控制。
2. 根据权利要求l所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的 恒温储水箱(47)与换热器(44)之间以及换热器(44)与电堆(6)之间分别设有温度传 感器(46， 43)。
3. 根据权利要求l所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的 温度控制器(42)的测温点设在电堆冷却水进口处。
4. 根据权利要求l所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的 阳极供气及排放单元(1)以及阴极供气与排放单元(2)分别包括气体进口，在气体进口处 设有质量流量计(14， 24)，其通过三通阀(16， 26)与加湿堆(31)相连接，所述加湿堆 (31)的另一端分别与电堆的阳极进口以及阴极进口相连，在所述的电堆出口处还设有气液 分离器(113， 212)和背压调节阀(114， 213)。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的 加湿堆(31)与电堆的阳极进口以及阴极进口之间分别设有保温段，其上设有温度控制器( 18， 28)。
6. 根据权利要求5所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的保温段采用在不锈钢管外缠加热带(17， 27)的方式构成。
7 根据权利要求l所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的 阳极供气及排放单元(1)通过三通阀(16)同时连接氢气和氮气两路气源。
8 根据权利要求l所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的 阴极供气及排放单元(2)通过三通阀(26)同时连接氧气和空气两路气源。
9 根据权利要求l所述的燃料电池电堆活化系统，其特征在于所述的 电堆(6)上设有温度传感器(110)。
专利摘要本实用新型公开了一种燃料电池电堆活化系统，包括电堆(6)、阳极供气及排放单元(1)、阴极供气及排放单元(2)、加湿单元(3)、冷却单元(4)及外电路负载单元(5)。本实用新型的燃料电池电堆活化系统其各单元独立分开，工作时相互配合，整个装置便于安装与检修、成本低廉、可实现大功率质子交换膜燃料电池堆在较高温度、较高湿度、较高压力环境下强制变电流活化过程的需要。
文档编号H01M8/24GK201238067SQ20082030125
公开日2009年5月13日 申请日期2008年6月23日 优先权日2008年6月23日
发明者侯晓峰, 佳 孔, 钢 肖 申请人:汉能科技有限公司