一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置和启停方法与流程

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置和启停方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池已广泛应用于交通汽车，公共汽车，船舶，水下航行器和航天器等领域。与其它电能源类型技术相比，质子交换膜燃料电池具有许多优点，包括启动时间短、系统体积小、污染物排放低、系统效率相对较高以及噪音级别低等，是21世纪重要的潜在新能源发展方向。

随着质子交换膜燃料电池在市场上大规模投入应用，越来越多的燃料电池电堆在厂家进行生产。一般而言，每一台新组装出来的燃料电池电堆均都需要经过活化测试过程，检验电堆正常使用的同时，保证电堆充分发挥性能，因此要求电堆生产厂家具备足够多的电堆测试设备。对于车用燃料电池而言，在电堆活化测试过程中不可避免的要经历一些工况，如启停工况。在启停工况下，催化剂载体碳材料的氧化被认为是造成电池性能衰减的重要因素，其根本原因是启动和停机过程中阳极氢气/氧气界面的存在导致阴极形成高电位，电堆测试过程的频繁启停增长了处于高电位的时间。特别是传统的活化测试过程中，为了保证电堆阳极空腔内充分填满氢气，在启动阶段进行长时间氢气置换吹扫过程；另一方面，为了保证电堆在停机后将里面的氧化剂和还原剂排出降低电池单片电压，停机阶段需要长时间惰性气体吹扫过程。因此，这样操作浪费大量测试气体，同时增长了电池在高电位的停留时间，既不经济又损害了电池的耐久性。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置，用以解决现有技术中电堆活化测试时启停工况下测试气体浪费严重，损害电池耐久性的技术问题。

本发明提供了一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置，包括两组辅助管路，每组所述辅助管路包括并联设置的主管路和支管路，所述主管路包括串联设置有真空泵和第一单向阀的主管道，所述支管路包括安装有第二单向阀的支管道，所述第一单向阀和所述第二单向阀的流通方向一致，两组辅助管路的流通方向上的进气端分别用于连接至燃料电池电堆的阴极出口和阳极出口。

进一步的，所述每一所述辅助管路的进气端安装有一压力传感器。

进一步的，还包括箱体，所述箱体的一侧并列开设有两个气体进口，所述箱体的另一侧并列开设有与两个所述气体进口相对应的气体出口，两组所述辅助管路并列安装于所述箱体内部，每一所述辅助管路流通方向上的进气端和出气端分别连接相对应的气体进口和气体出口。

进一步的，还包括触摸屏、电源和控制系统，所述电源与所述控制系统电连接，所述控制系统分别与所述第一单向阀、所述第二单向阀、所述触摸屏、两个所述真空泵和两个所述压力传感器电连接，所述控制系统根据所述压力传感器监测两侧压差，并根据所述压差控制所述两个所述真空泵的开启或关闭，所述触摸屏通过所述控制系统控制所述第一单向阀和所述第二单向阀的开启或关闭。

本发明还提供了一种氢氧燃料电池活化测试的启停方法，包括如下步骤：

s1、将燃料电池电堆和如权利要求1至4任一项所述的辅助启停装置连接至活化测试线路，两组辅助管路的流通方向上的进气端分别用于连接至燃料电池电堆的阴极出口和阳极出口，保证气密性良好；

s2、打开第一单向阀并关闭第二单向阀，进行开启时燃料电池内部气体置换；

s3、打开第二单向阀并关闭第一单向阀，连接负载进行活化测试；

s4、活化测试完成后，断开负载；

s5、打开第一单向阀并关闭第二单向阀，进行关闭时燃料电池内部气体置换；

其中，所述开启时燃料电池内部气体置换包括：

s21、采用惰性气体吹扫燃料电池电堆；

s22、通过主管路对所述燃料电池电堆抽真空；

s23、向所述燃料电池电堆通入反应气体以对所述燃料电池电堆破真空；

所述关闭时燃料电池内部气体置换包括：

s51、通过主管路对所述燃料电池电堆抽真空；

s52、向所述燃料电池电堆内部吹扫惰性气体。

进一步的，步骤s21中采用采用惰性气体吹扫燃料电池电堆具体为通过燃料电池电堆的阴极进口和阳极进口分别向阴极腔室和阳极腔室内吹扫惰性气体，吹扫时间不少于1min。

进一步的，步骤s22中对所述燃料电池电堆抽真空具体为通过燃料电池电堆的阴极出口和阳极出口分别对阴极腔室和阳极腔室抽真空，抽真空过程中，阴极出口和阳极出口的压差不超过20kpa。

进一步的，步骤s23中向所述燃料电池电堆通入反应气体具体为通过燃料电池电堆的阴极进口和阳极进口分别向阴极腔室和阳极腔室通入氧气和氢气，保持阴极腔室和阳极腔室的压力维持在0～30kpa。

进一步的，步骤s51对所述燃料电池电堆抽真空具体为通过燃料电池电堆的阴极出口和阳极出口分别对阴极腔室和阳极腔室抽真空，抽真空过程中，阴极出口和阳极出口的压差不超过20kpa。

进一步的，步骤s52向所述燃料电池电堆内部吹扫惰性气体具体为通过燃料电池电堆的阴极进口和阳极进口分别向阴极腔室和阳极腔室通入惰性气体，保持阴极腔室和阳极腔室的压力维持在0～30kpa。

本发明提供的氢氧燃料电池活化测试的启停方法，可大幅缩短启动阶段和停机阶段时间，提高测试效率和设备的利用率；同时大幅减少反应气体使用量，降低测试成本；降低高电位长时间驻留对电堆电极的损害风险，同时，本发明还提供了一种可辅助实施上述方法的氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置的内部结构示意图；

图2为本发明实施例一的外部结构示意图；

图3为本发明实施例一使用时的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供了一种氢氧燃料电池活化测试的辅助启停装置，包括两组辅助管路1，每组辅助管路1包括并联设置的主管路11和支管路12，主管路11包括串联设置有真空泵111和第一单向阀112的主管道113，支管路12包括安装有第二单向阀122的支管道121，第一单向阀112和第二单向阀122的流通方向一致，两组辅助管路1的流通方向上的进气端分别用于连接至燃料电池电堆20的阴极出口和阳极出口。

当辅助启停时，关闭两个辅助管路1上的两个第二单向阀122，打开第一单向阀112，启动两个真空泵111，可以有效的对燃料电池电堆20进行抽真空，抽出的气体从主管道113流出；当进行活化测试时，关闭第一单向阀112，打开第二单向阀122，经过燃料电池电堆20的阴极出口和阳极出口的过量反应气体从支管道121流出。

为便于对对应的管道上的气压进行检测，每一辅助管路1的进气端安装有一压力传感器13。

在本申请优选的实施例中，该辅助启停装置还包括箱体2，箱体2的一侧并列开设有两个气体进口21，箱体的另一侧并列开设有与两个气体进口21相对应的气体出口22，两组辅助管路1并列安装于箱体2内部，每一辅助管路1流通方向上的进气端和出气端分别连接相对应的气体进口21和气体出口22。

为了便于对该辅助启停装置进行控制，本实施例还包括触摸屏3、电源4和控制系统5，电源4与控制系统5电连接，控制系统5分别与第一单向阀112、第二单向阀122、触摸屏3、两个真空泵111和两个压力传感器13电连接，控制系统5根据压力传感器13监测两侧压差，并根据压差控制两个真空泵111的开启或关闭，触摸屏3通过控制系统5控制第一单向阀112和第二单向阀122的开启或关闭。

以结合图3所示对本实施使用过程加以说明，

首先将燃料电池电堆20和辅助启停装置按照图3所示连接好，保证气密性良好不漏气；然后进行一次开启时燃料电池内部气体置换过程，即将氮气阀n打开，对燃料电池电堆20的阴极腔室和阳极腔室进行氮气吹扫，吹扫时间1min；然后关闭两个辅助管路1上的两个第二单向阀122，打开第一单向阀112，启动两个真空泵111，对燃料电池电堆20的阴极腔室和阳极腔室抽真空，同时保证阴阳两侧压差控制在20kpa以内，达到真空度--90kpa时停止抽真空；分别点动开启氢气进口阀h和氧气进口阀o破除阴极腔室和阳极腔室的真空状态，并保持压力0-30kpa(表压)，关闭氢气进口阀h和氧气进口阀o；然后进行第二次开启时燃料电池内部气体置换过程，然后关闭第一单向阀112，打开第二单向阀122，此时可连接负载进行活化测试，并在活化测试完成后，断开负载。

然后关闭第二单向阀122，打开第一单向阀112，进行一次关闭时燃料电池内部气体置换过程；即启动两个真空泵111，对燃料电池电堆20的阴极腔室和阳极腔室抽真空，同时保证阴阳两侧压差控制在20kpa以内，达到真空度--90kpa时停止抽真空；然后点动开启氮气阀n破除阴极腔室和阳极腔室的真空状态，保持压力0-30kpa，关闭氮气吹扫阀；在进行第二次关闭时燃料电池内部气体置换过程，此时，电堆单片电压可迅速从高电位转到低电位，且电堆内部充满惰性氮气，形成停机保护状态，可转入仓库储存。

该辅助启停装置使用在燃料电池电堆20活化测试中时，辅助实现启停工作，可大幅缩短启动阶段和停机阶段时间，提高测试效率和设备的利用率；同时大幅减少反应气体使用量，降低测试成本；降低高电位长时间驻留对电堆电极的损害风险，

实施例二

本实施例提供了一种氢氧燃料电池活化测试的启停方法，包括如下步骤：

s1、将燃料电池电堆和如实施例一所述的辅助启停装置连接至活化测试线路，两组辅助管路的流通方向上的进气端分别用于连接至燃料电池电堆的阴极出口和阳极出口，保证气密性良好；

s2、打开第一单向阀并关闭第二单向阀，进行开启时燃料电池内部气体置换；

s21、采用惰性气体吹扫燃料电池电堆；

s22、通过主管路对所述燃料电池电堆抽真空；

s23、向所述燃料电池电堆通入反应气体以对所述燃料电池电堆破真空；

其中，开启时燃料电池内部气体置换包括：

s21、采用惰性气体吹扫燃料电池电堆；具体为通过燃料电池电堆的阴极进口和阳极进口分别向阴极腔室和阳极腔室内吹扫惰性气体，吹扫时间不少于1min，在本申请的实施例中，没有特别说明的情况下，惰性气体指氮气。

s22、通过主管路对所述燃料电池电堆抽真空；具体为通过燃料电池电堆的阴极出口和阳极出口分别对阴极腔室和阳极腔室抽真空，抽真空过程中，阴极出口和阳极出口的压差不超过20kpa。

s23、向燃料电池电堆通入反应气体以对燃料电池电堆破真空；具体为通过燃料电池电堆的阴极进口和阳极进口分别向阴极腔室和阳极腔室通入氧气和氢气，保持阴极腔室和阳极腔室的压力维持在0～30kpa。

可以理解的是，一次开启时燃料电池内部气体置换的过程能够有效的提高燃料电池电堆内部反应气体的含量，因而在实际操作时，测试人员可以根据实际情况自主选择开启时燃料电池内部气体置换的次数，以保证燃料电池电堆内部反应气体具有足够纯度，在本申请的实施例中，开启时燃料电池内部气体置换的次数为两次。

s3、打开第二单向阀并关闭第一单向阀，连接负载进行活化测试；

s4、活化测试完成后，断开负载；

s5、打开第一单向阀并关闭第二单向阀，进行关闭时燃料电池内部气体置换；

其中，关闭时燃料电池内部气体置换包括：

s51、通过主管路对燃料电池电堆抽真空；具体为通过燃料电池电堆的阴极出口和阳极出口分别对阴极腔室和阳极腔室抽真空，抽真空过程中，阴极出口和阳极出口的压差不超过20kpa。

s52、向燃料电池电堆内部吹扫惰性气体，具体为通过燃料电池电堆的阴极进口和阳极进口分别向阴极腔室和阳极腔室通入惰性气体，保持阴极腔室和阳极腔室的压力维持在0～30kpa。

在本申请的一些实施例中，由于抽真空时真空度的标准因实验情况而异，且由于在较低真空度下抽真空速度很快，但是随着真空度变大，抽空真空时间会呈几何级别的上升，因而为了兼顾时间成本和真空度标准，本申请将抽真空的真空度标准定为-90kpa，即当阴极腔室或者阳极腔室的真空度达到-90kpa时，停止对应腔室的抽真空。

优选的，在本申请的实施例中，应保证抽真空过程中，阴极出口和阳极出口的压差不超过20kpa，这样可以有效的保护电堆双极板之间的膜电极的稳定性，在具体实施时，通过压力传感器或者压力表实时监测两侧压差，当压差大于20kpa，将真空度更高的一侧对应的真空泵关闭，直至两侧压差回到20kpa以内。

可以理解的是，一次关闭时燃料电池内部气体置换的过程能够有效的降低燃料电池电堆内部反应气体的含量，因而在实际操作时，测试人员可以根据实际情况自主选择关闭时燃料电池内部气体置换的次数，以保证燃料电池电堆内部反应气体足够少，在本申请的实施例中，开启时燃料电池内部气体置换的次数为两次。

本方法的作用原理：先用惰性气体吹扫燃料电池，使燃料电池电堆内充满惰性气体，然后抽真空使燃料电池电堆内气压降低，再向燃料电池电堆内部通入反应气体，可以很好进行燃料电池电堆内部的气体置换，提高燃料电池电堆内部反应气体的含量，有效的降低反应气体持续通入导致氢气浪费的问题，在活化测试完成后，采用惰性气体通过先抽真空再破真空的方式置换燃料电池电堆内部的反应气体，可以使电堆单片电压迅速从从高电位转到低电位，且此时电堆内部充满惰性氮气，实现停机保护状态，本发明提供的氢氧燃料电池活化测试的启停方法，可大幅缩短启动阶段和停机阶段时间，提高测试效率和设备的利用率；同时大幅减少反应气体使用量，降低测试成本；降低高电位长时间驻留对电堆电极的损害风险。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。