一种燃料电池电堆活化装置的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池电堆活化装置。

背景技术：

燃料电池通过阳极的氢气和阴极的氧气在燃料电池内膜的两侧发生电化学反应而产生电能。

然而在实际使用过程中，燃料电池电堆在生产完成或者长时间搁置后，需要人工手动对燃料电池电堆进行活化以使得燃料电池性能得以体现，还需要通过活化过程检验判断燃料电池电堆是否满足应用要求，操作较复杂，人工操作效率低，且容易出错。

技术实现要素：

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本实用新型实施例提供一种燃料电池电堆活化装置，采用模块化设计，操作性强，且自动化程度高。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种燃料电池电堆活化装置，包括：氢气管理单元、氮气吹扫单元、热管理单元、空气管理单元、电能管理单元、安全管理单元、控制器、数据存储单元和人机交互单元；所述氢气管理单元的输出端通过多通道ad转换模块二与所述控制器的氢气输入端连接，氢气管理单元的输入端与所述控制器的氢气输出端连接；所述氮气吹扫单元的输入端与控制器的氮气输出端连接；所述热管理单元的输出端通过多通道ad转换模块三与所述控制器的热管理输入端连接，所述热管理单元的输入端与所述控制器的热管理输入端连接；所述空气管理单元的输出端通过多通道ad转换模块四与所述控制器的空气输入端连接，所述空气管理单元的输入端与所述控制器的空气输出端连接；所述电能管理单元通过燃料电池电堆与安全管理单元相连，电能管理单元的输出端经多通道ad转换模块一与所述控制器的电源输入端连接，电能管理单元的输入端与所述控制器的电源输出端连接；所述安全管理单元的输入端与所述控制器的安全输出端连接；所述数据存储单元、人机交互单元分别与控制器互连。控制器接收人机交互单元的信号，执行数据存储单元预先设定的程序和控制策略，控制氢气管理单元，空气管理单元，热管理单元，电能管理单元，安全管理单元的各执行器件进行相应的动作，从而进行燃料电池电堆加载和减载，并传输燃料电池电堆反应所需要的氢气和空气，确保燃料电池电堆在反应过程中处于合适的温度和压力下。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述氢气管理单元包括氢气经压力控制器ph、氢气流量计fmh、止回阀z1、氢气侧换热器以及压力传感器ph接入燃料电池电堆阳极的氢气入口端，所述燃料电池电堆阳极的氢气出口端经氢气回流装置、止回阀z2与氢气侧换热器的输出端连接；所述燃料电池电堆阳极的氢气出口端还通过控制阀dv1与所述空气管理单元中的汽水分离罐连接。这样设置的目的在于，氢气管理单元用于传输燃料电池电堆按要求加减载所需的氢气，通过氢气流量计fmh记录氢气的实时流量和累积使用流量，通过压力传感器ph和压力控制器ph确保燃料电池电堆的氢气通道内处于合适的压力，燃料电池电堆反应后剩余的氢气通过氢气回流装置引入到燃料电池电堆氢气入口，氢气出口最低位置安装有一个控制阀dv1，负责定时排放燃料电池电堆出口累积的惰性气体和液态水，排放的气体通过管道引入到空气管理单元中的汽水分离罐内稀释氢气含量并分离液态水；

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述氮气吹扫单元包括氮气经控制阀dv2止回阀z3接入所述氢气管理单元中的氢气侧换热器，氮气还经控制阀dv3、止回阀z4接入所述热管理单元中的燃料电池电堆冷却通道。这样设置的目的在于，氮气吹扫单元能够在燃料电池电堆活化开始或者活化完成后，通过氮气对装置管道和燃料电池电堆内残留的氢气进行吹扫，吹扫时间可以通过人机交互单元设定，且能够在需要时对燃料电池电堆内的水进行吹扫，使水能够排空，以免在温度低的时候结冰损坏燃料电池电堆。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述热管理单元包括去离子水经控制阀dv4、止回阀z5、水箱、循环水泵、温度传感器tt1接入燃料电池电堆冷却通道的冷却入口端，燃料电池电堆冷却通道的冷却出口端经所述空气管理单元中的空气侧换热器、氢气管理单元中的氢气侧换热器、散热器接入水箱。这样设置的目的在于，热管理单元能够确保燃料电池电堆在运行过程中处于合适的温度，水箱内反应生产的液态水或者自动补给的去离子水通过循环水泵后进入燃料电池电堆，带走燃料电池电堆反应产生的热量，从燃料电池电堆出来的热水通过与进入燃料电池电堆的氢气和空气进行热交换，再通过散热器后回流进水箱。热交换通过氢气侧换热器、空气侧换热器以及散热器进行。散热器散热方式包括水冷和风冷，储水箱上设置有用于排水的控制阀dv5，控制阀dv5用于液位高或者电导率超标自动进行排水，用于补水的控制阀dv4用于当检测到液位低时自动开启控制阀dv4进行补水，液位传感器一和电导率传感器ct1用于检测水质情况，水质变差时控制用于补水的控制阀dv4和用于排水的控制阀dv5进行换水。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述空气管理单元包括空气经压力控制器pair、空气流量计fmair、止回阀z6、空气侧换热器、空气加湿器接入燃料电池电堆阴极的空气入口端，燃料电池电堆阴极的空气出口端经所述空气加湿器、汽水分离罐、控制阀dv6接入所述热管理单元中的水箱。空气管理单元能够传输燃料电池电堆按要求加减载所需的空气，通过空气流量计fmair记录空气的实时流量，通过压力传感器pt2和压力控制器pair确保燃料电池电堆空气通道内处于合适的压力未参与反应的空气出来后通过空气加湿器对进入燃料电池电堆的空气进行加湿。空气的尾气进入汽水分离罐，稀释氢气并分离液态水，汽水分离罐上有液位传感器二和用于排水的控制阀dv6，当液位传感器二检测到液位高时，会将水自动排入到水管理回路的水箱。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述电能管理单元包括电子负载经电流传感器、电压传感器接入燃料电池电堆。这样设置的目的在于，电能管理单元能够对燃料电池电堆进行加载减载，消耗燃料电池电堆氢气和空气反应产生的电能，并通过电压传感器及电流传感器采集实时电压、电流信号，通过电子负载消耗电能，电子负载可以控制电压或者电流的大小，从而实现安装给定要求进行加载和减载。一种燃料电池电堆活化装置还包括电源单元，电源单元提供给所有的用电设备所需要的功率

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述安全管理单元包括燃料电池电堆多通道单电池扫描模块与燃料电池电堆连接，所述安全管理单元还设置有防爆抽风机、氢气浓度探测器以及风量传感器。这样设置的目的在于，安全管理单元能够对燃料电池电堆和设备区域内的安全信息进行检测，并执行安全保障策略，燃料电池电堆多通道单电池扫描模块负责实时采集各电池的电压，采集的电压进行光电隔离后送入高速多通道ad转换器，转换精度不低于12位，转换后的数据送入控制器，控制器计算平均单片电压，最小单片电压，最大单片电压，与控制器接收的安全限制进行比较，当超过阈值后发送紧急停机信号给各个单元，控制器可将所有单片电池的电压与计算结果送入人机交互单元进行显示。设备区域上方布置有氢气浓度探测器，带防爆抽风机的排风管道以及风量传感器，当氢气浓度探测器探测到有氢气泄露时，会将信号发送给控制器，由控制器控制各单元紧急停机，并向人机交互单元发出报警信息。防爆抽风机在设备活化过程中会全程开启，以快速抽出可能泄露的氢气，确保区域安全，如风量传感器检测到风量达不到要求时，会将信号传给控制器，控制器控制各单元停机，并向人机交互单元进行提示。

进一步的，控制器能够实时采集燃料电池电堆和测试台的状态信息和安全信息，温度传感器tt1-tt2、空气流量计fmair、电压传感器pt1-pt2、氢气流量计fmh、电流传感器，液位传感器一，液位传感器二，氢气浓度探测器，风量传感器将模拟信号送入到高速ad转换器，经过转换后将信息送入控制器，控制器采集到信号后进行相应计算，将计算结果送入到人机交互单元进行实施显示。

进一步的，控制器通过预先设定的程序和控制策略，以及收到人机交互单元的命令和采集到的传感器状态信息，控制氢气管理单元，空气管理单元，热管理单元，电能管理单元，安全管理单元的各执行器件进行相应的动作，从而进行燃料电池电堆加载和减载，并传输燃料电池电堆反应所需要的氢气和空气，确保燃料电池电堆在反应过程中处于合适的温度和压力下。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，人机交互单元包括录入必要的被活化燃料电池电堆的信息，如录入燃料电池电堆的型号、序列号、燃料电池电堆的最大电流、燃料电池电堆的额定功率和峰值功率、燃料电池电堆的最小电压、单片电池的平均最小电压、单片电池间的最大电压差，电堆氢气/空气/水路工作的最大压力、电堆的工作温度范围、电堆加载和减载的工序、活化通过的标准和活化失败的标准。活化通过的标准包括连续两次活化后在额定功率点的单片电池电压差值不大于10mv，活化失败的标准包括电堆活化5次任然达不到活化通过标准或者电堆活化过程中有不可忽视的安全隐患导致活化不能继续的。

进一步的，控制器采集的所有数据以及人机交付过程的事件记录信息等均存入到数据存储单元，在每次测试完成后或者接收到人机交互单元的命令后，控制器会从数据存储单元内读入与相应的数据，并进行分析处理后提供给人机交互单元，人机交互单元按照客户录入必要的被活化燃料电池电堆的信息，以及预先设置的格式，形成活化报告。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述热管理单元中的水箱装配有液位传感器一以及电导率传感器ct1。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述空气管理单元中的汽水分离罐装配有液位传感器二。

本实用新型实施例至少具有如下优点或有益效果：

控制器接收人机交互单元的信号，执行数据存储单元预先设定的程序和控制策略，控制氢气管理单元，空气管理单元，热管理单元，电能管理单元，安全管理单元的各执行器件进行相应的动作，从而进行燃料电池电堆加载和减载，并传输燃料电池电堆反应所需要的氢气和空气，确保燃料电池电堆在反应过程中处于合适的温度和压力下。本申请装置采用模块化设计，操作性强，且自动化程度高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型一种燃料电池电堆活化装置一实施例的流程图；

图2为本实用新型一种燃料电池电堆活化装置一实施例中氢气管理单元的流程图；

图3为本实用新型一种燃料电池电堆活化装置一实施例中氮气吹扫单元的流程图；

图4为本实用新型一种燃料电池电堆活化装置一实施例中热管理单元的流程图；

图5为本实用新型一种燃料电池电堆活化装置一实施例中空气管理单元的流程图。

图6为本实用新型一种燃料电池电堆活化装置一实施例中电能管理单元和安全管理单元的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

请参照图1，一种燃料电池电堆活化装置，包括：氢气管理单元、氮气吹扫单元、热管理单元、空气管理单元、电能管理单元、安全管理单元、控制器、数据存储单元和人机交互单元；所述氢气管理单元的输出端通过多通道ad转换模块二与所述控制器的氢气输入端连接，氢气管理单元的输入端与所述控制器的氢气输出端连接；所述氮气吹扫单元的输入端与控制器的氮气输出端连接；所述热管理单元的输出端通过多通道ad转换模块三与所述控制器的热管理输入端连接，所述热管理单元的输入端与所述控制器的热管理输入端连接；所述空气管理单元的输出端通过多通道ad转换模块四与所述控制器的空气输入端连接，所述空气管理单元的输入端与所述控制器的空气输出端连接；所述电能管理单元通过燃料电池电堆与安全管理单元相连，电能管理单元的输出端经多通道ad转换模块一与所述控制器的电源输入端连接，电能管理单元的输入端与所述控制器的电源输出端连接；所述安全管理单元的输入端与所述控制器的安全输出端连接；所述数据存储单元、人机交互单元分别与控制器互连。控制器接收人机交互单元的信号，执行数据存储单元预先设定的程序和控制策略，控制氢气管理单元，空气管理单元，热管理单元，电能管理单元，安全管理单元的各执行器件进行相应的动作，从而进行燃料电池电堆加载和减载，并传输燃料电池电堆反应所需要的氢气和空气，确保燃料电池电堆在反应过程中处于合适的温度和压力下。

请参照图2，在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述氢气管理单元包括氢气经压力控制器ph、氢气流量计fmh、止回阀z1、氢气侧换热器以及压力传感器ph接入燃料电池电堆阳极的氢气入口端，所述燃料电池电堆阳极的氢气出口端经氢气回流装置、止回阀z2与氢气侧换热器的输出端连接；所述燃料电池电堆阳极的氢气出口端还通过控制阀dv1与所述空气管理单元中的汽水分离罐连接。这样设置的目的在于，氢气管理单元用于传输燃料电池电堆按要求加减载所需的氢气，通过氢气流量计fmh记录氢气的实时流量和累积使用流量，通过压力传感器ph和压力控制器ph确保燃料电池电堆的氢气通道内处于合适的压力，燃料电池电堆反应后剩余的氢气通过氢气回流装置引入到燃料电池电堆氢气入口，氢气出口最低位置安装有一个控制阀dv1，负责定时排放燃料电池电堆出口累积的惰性气体和液态水，排放的气体通过管道引入到空气管理单元中的汽水分离罐内稀释氢气含量并分离液态水；

请参照图3，在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述氮气吹扫单元包括氮气经控制阀dv2止回阀z3接入所述氢气管理单元中的氢气侧换热器，氮气还经控制阀dv3、止回阀z4接入所述热管理单元中的燃料电池电堆冷却通道。这样设置的目的在于，氮气吹扫单元能够在燃料电池电堆活化开始或者活化完成后，通过氮气对装置管道和燃料电池电堆内残留的氢气进行吹扫，吹扫时间可以通过人机交互单元设定，且能够在需要时对燃料电池电堆内的水进行吹扫，使水能够排空，以免在温度低的时候结冰损坏燃料电池电堆。

请参照图4，在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述热管理单元包括去离子水经控制阀dv4、止回阀z5、水箱、循环水泵、温度传感器tt1接入燃料电池电堆冷却通道的冷却入口端，燃料电池电堆冷却通道的冷却出口端经所述空气管理单元中的空气侧换热器、氢气管理单元中的氢气侧换热器、散热器接入水箱。这样设置的目的在于，这样设置的目的在于，热管理单元能够确保燃料电池电堆在运行过程中处于合适的温度，水箱内反应生产的液态水或者自动补给的去离子水通过循环水泵后进入燃料电池电堆，带走燃料电池电堆反应产生的热量，从燃料电池电堆出来的热水通过与进入燃料电池电堆的氢气和空气进行热交换，热交换通过空气侧换热器进行，再带过散热器后回流进储水箱，散热器散热方式包括水冷和风冷，储水箱上设置有用于排水的控制阀dv5，控制阀dv5用于液位高或者电导率超标自动进行排水，用于补水的控制阀dv4用于当检测到液位低时自动开启控制阀dv4进行补水，液位传感器一和电导率传感器ct1用于检测水质情况，水质变差时控制用于补水的控制阀dv4和用于排水的控制阀dv5进行换水。

请参照图5，在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述空气管理单元包括空气经压力控制器pair、空气流量计fmair、止回阀z6、空气侧换热器、空气加湿器接入燃料电池电堆阴极的空气入口端，燃料电池电堆阴极的空气出口端经所述空气加湿器、汽水分离罐、控制阀dv6接入所述热管理单元中的水箱。空气管理单元能够传输燃料电池电堆按要求加减载所需的空气，通过空气流量计fmair记录空气的实时流量，通过压力传感器pt2和压力控制器pair确保燃料电池电堆空气通道内处于合适的压力未参与反应的空气出来后通过空气加湿器对进入燃料电池电堆的空气进行加湿。空气的尾气进入汽水分离罐，稀释氢气并分离液态水，汽水分离罐上有液位传感器二和用于排水的控制阀dv6，当液位传感器二检测到液位高时，会将水自动排入到水管理回路的水箱。

请参照图6，在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述电能管理单元包括电子负载经电流传感器、电压传感器接入燃料电池电堆。这样设置的目的在于，电能管理单元能够对燃料电池电堆进行加载减载，消耗燃料电池电堆氢气和空气反应产生的电能，并通过电压传感器及电流传感器采集实时电压、电流信号，通过电子负载消耗电能，电子负载可以控制电压或者电流的大小，从而实现安装给定要求进行加载和减载。一种燃料电池电堆活化装置还包括电源单元，电源单元提供给所有的用电设备所需要的功率

请参照图6，在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述安全管理单元包括燃料电池电堆多通道单电池扫描模块与燃料电池电堆连接，所述安全管理单元还设置有防爆抽风机、氢气浓度探测器以及风量传感器。这样设置的目的在于，安全管理单元能够对燃料电池电堆和设备区域内的安全信息进行检测，并执行安全保障策略，燃料电池电堆多通道单电池扫描模块负责实时采集各电池的电压，采集的电压进行光电隔离后送入高速多通道ad转换器，转换精度不低于12位，转换后的数据送入控制器，控制器计算平均单片电压，最小单片电压，最大单片电压，与控制器接收的安全限制进行比较，当超过阈值后发送紧急停机信号给各个单元，控制器可将所有单片电池的电压与计算结果送入人机交互单元进行显示。设备区域上方布置有氢气浓度探测器，带防爆抽风机的排风管道以及风量传感器，当氢气浓度探测器探测到有氢气泄露时，会将信号发送给控制器，由控制器控制各单元紧急停机，并向人机交互单元发出报警信息。防爆抽风机在设备活化过程中会全程开启，以快速抽出可能泄露的氢气，确保区域安全，如风量传感器检测到风量达不到要求时，会将信号传给控制器，控制器控制各单元停机，并向人机交互单元进行提示。

进一步的，控制器能够实时采集燃料电池电堆和测试台的状态信息和安全信息；压力传感器pt1-pt2、温度传感器tt1-tt2、氢气流量计fmh、空气流量计fmair、电压传感器、电流传感器、液位传感器一、液位传感器二、氢气浓度探测器和风量传感器将模拟信号送入到高速ad转换器，经过转换后将信息送入控制器，控制器采集到信号后进行相应计算，将计算结果送入到人机交互单元进行实施显示。

进一步的，控制器通过预先设定的程序和控制策略，以及收到人机交互单元的命令和采集到的传感器状态信息，控制氢气管理单元，空气管理单元，热管理单元，电能管理单元，安全管理单元的各执行器件进行相应的动作，从而进行燃料电池电堆加载和减载，并传输燃料电池电堆反应所需要的氢气和空气，确保燃料电池电堆在反应过程中处于合适的温度和压力下。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，人机交互单元包括录入必要的被活化燃料电池电堆的信息，如录入燃料电池电堆的型号、序列号、燃料电池电堆的最大电流、燃料电池电堆的额定功率和峰值功率、燃料电池电堆的最小电压、单片电池的平均最小电压、单片电池间的最大电压差，电堆氢气/空气/水路工作的最大压力、电堆的工作温度范围、电堆加载和减载的工序、活化通过的标准和活化失败的标准。活化通过的标准包括连续两次活化后在额定功率点的单片电池电压差值不大于10mv，活化失败的标准包括电堆活化5次任然达不到活化通过标准或者电堆活化过程中有不可忽视的安全隐患导致活化不能继续的。

进一步的，控制器采集的所有数据以及人机交付过程的事件记录信息等均存入到数据存储单元，在每次测试完成后或者接收到人机交互单元的命令后，控制器会从数据存储单元内读入与相应的数据，并进行分析处理后提供给人机交互单元，人机交互单元按照客户录入必要的被活化燃料电池电堆的信息，以及预先设置的格式，形成活化报告。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述热管理单元中的水箱装配有液位传感器一以及电导率传感器ct1。

在本实用新型的一些实施例中，一种燃料电池电堆活化装置，所述空气管理单元中的汽水分离罐装配有液位传感器二。

综上，本实用新型的实施例提供一种燃料电池电堆活化装置，控制器接收人机交互单元的信号，执行数据存储单元预先设定的程序和控制策略，控制氢气管理单元，空气管理单元，热管理单元，电能管理单元，安全管理单元的各执行器件进行相应的动作，从而进行燃料电池电堆加载和减载，并传输燃料电池电堆反应所需要的氢气和空气，确保燃料电池电堆在反应过程中处于合适的温度和压力下。本申请装置采用模块化设计，操作性强，且自动化程度高。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。