一种热电联供系统电池堆在线快速性能恢复方法

本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种热电联供系统电池堆在线快速性能恢复方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种直接将氢能转化为电能的、即高效又环保的动力源，在车载驱动电源、便携式电源和家庭用电站等领域有着广阔的应用前景。尤其是近年来，在实现碳达峰、碳中和国际要求背景下，车用燃料电池发展势头迅猛，与此同时，家用燃料电池热电联供系统的应用也开始得到广泛关注和发展，未来可期。

2、目前燃料电池热电联供系统电堆活化或性能恢复方法的报到较少，而针对车用燃料电池堆活化和/或在线恢复方法众多，可以为家用燃料电池热电联供系统电堆的活化或性能恢复提供很好的借鉴。

3、车用燃料电池堆活化或性能恢复的方法大致可分为三大类：恒流变载活化、恒压变载活化及氢泵/空气饥饿活化法(欠氧活化法)。其中恒流变载活化及恒压变载活化主要针对新组装电堆或久置电堆的“性能激活”，而氢泵/空气饥饿法已验证对长时间运行导致的电堆性能衰减有良好效果。除此之外，脉冲电流法、湿氮气活化等方法也取得了相对良好的活化/性能恢复效果。

4、中国专利cn115810774a公开了一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法，所述方法通过施加不同活化手段对膜电极关键位置进行活化，如通过欠氧活化可快速还原氧化铂；通过脉冲电流活化可快速建立离子通道，提高催化剂活性，缩短活化时间，节约成本。但该专利在热电联供系统电堆实际运行工况下不能实时在线进行性能恢复，活化/性能恢复适用效果较差。

5、中国专利cn102005592a公开了一种燃料电池性能恢复方法，使燃料电池在性能衰减后得到活化，其具体操作为：使燃料电池在微电流及大电流的工况下进行循环至性能不再上升。该恢复方法应用于对燃料电池无输出功率需求的情况下，能很好适用于热电联供系统，且其恢复效果佳，可恢复至原来性能的95％以上。但该专利的缺点为操作过程条件控制较为严格，增加了操作难度，且活化时间较长。

6、因此，质子交换膜燃料电池热电联供领域迫切需求一种用于燃料电池堆可在线操作的、条件简单灵活、活化/恢复时间短的性能恢复方法，对于其商业化普及应用具有重要意义。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种热电联供系统电池堆在线快速性能恢复方法，该方法可在基本不改变热电联供系统电堆运行工况情况下对电堆性能的衰减进行有效活化及在线恢复，方法简单，目标性强，且活化效率高，恢复能力强。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种热电联供系统电池堆在线快速性能恢复方法，分为三个阶段：

4、(1)第一阶段：1％≤电堆/单节电压衰减≤2％情况下，采取湿氮气吹扫对电堆进行活化；

5、(2)第二阶段：2％＜电堆/单节电压衰减≤5％时，采取低电流空气饥饿+湿氮气吹扫方式对电堆进行快速活化及性能恢复；

6、(3)第三阶段：当电堆/单节电压衰减＞5％时，采取大电流空气饥饿+湿氮气吹扫方式对电堆进行活化及性能恢复。

7、进一步地，所述电压衰减程度通过热电联供系统中的控制系统自动识别；所述识别的步骤为：

8、s1、当控制系统识别到1％≤电堆/单节电压衰减≤2％时，电堆执行权利要求1所述的第一阶段操作；

9、s2、当控制系统识别到2％＜电堆/单节电压衰减≤5％时，电堆执行权利要求1所述的第二阶段操作；

10、s3、当控制系统识别到电堆/单节电压衰减＞5％时，电堆执行权利要求1所述的第三阶段操作。

11、进一步地，步骤(1)中，所述活化的终点电压为0.4-0.6v，优选为0.6v；氮气吹扫气量为系统设置最小燃料进气气量的3-5倍。

12、进一步地，步骤(2)中，所述第二阶段中的低电流空气饥饿的活化电流为2-5a，优选为3a。

13、进一步地，步骤(2)中，所述低电流空气饥饿+湿氮气吹扫的操作为：保持阳极氢气及气量不变、阴极气量不变，气体由空气切换为同等湿度的湿氮气。

14、进一步地，步骤(2)中，所述湿氮气吹扫发生在低电流空气饥饿之后，湿氮气吹扫气量为系统设置最小燃料进气气量的3-5倍，持续时间为5-20min。

15、进一步地，步骤(2)中，所述活化的终点电压为＜0.3v，优选＜0.1v；持续时间为20-120s，优选20-60s；循环次数为3-100次，优选3-10次。

16、进一步地，步骤(3)中，所述第三阶段中的大电流空气饥饿的活化电流为系统运行工况最大电流的60-90％，优选为60-80％。

17、进一步地，步骤(3)中，所述第三阶段中的大电流空气饥饿+湿氮气吹扫的操作为：保持阳极氢气及气量不变，阴极气量不变，气体由空气切换为同等湿度的湿氮气。

18、进一步地，步骤(3)中，所述湿氮气吹扫发生在大电流空气饥饿之后，湿氮气吹扫气量为系统设置最小燃料进气气量的3-5倍，其持续时间为5-20min。

19、进一步地，步骤(3)中，所述活化的终点电压为＜0.4v，优选＜0.3v；持续时间为3-60s，优选3-30s；循环次数为3-20次，优选3-10次。

20、上述所述热电联供系统电池堆在线快速性能恢复方法，包含以下步骤：

21、(1)当控制系统识别到1％≤电堆/单节电压衰减≤2％时，保持系统温湿度不变，启动湿氮气吹扫，吹扫气量为系统设置最小燃料进气气量的3-5倍，吹扫终点电压为0.4-0.6v；之后电堆继续按照系统设定工况运行；

22、(2)当控制系统识别到2％＜电堆/单节电压衰减≤5％时，保持系统温湿度不变，电堆电流降至2-5a，此时阳极进料气体及流量保持不变，将阴极气体替换为同等湿度湿氮气，阴极流量保持不变，待终点电压为＜0.3v，持续20-120s，重复该操作3-100次；后保持电堆温湿度不变，将阴阳极气体切换为湿氮气，流量为系统设置最小燃料进气气量的3-5倍，持续5-20min；之后阴阳极气体切换为空气、氢气，继续按照系统设定工况运行；

23、(3)当控制系统识别到电堆/单节电压衰减＞5％时，保持系统温湿度不变，电堆电流设为系统运行工况最大电流的60％-90％，保持阳极进料气体及流量不变，将阴极气体替换为同等湿度湿氮气，同时阴极流量保持不变，设置终点电压为＜0.4v，持续3-60s，重复该操作3-20次；后保持电堆温湿度不变，将阴阳极气体切换为湿氮气，流量为系统设置最小燃料进气气量的3-5倍，持续5-20min；之后阴阳极气体切换为空气、氢气，继续按照系统设定工况运行。

24、进一步地，所述执行活化操作时，系统电堆温度、湿度均保持不变；热电联供系统对外供电、供热需求由系统内置二次电源提供；电堆执行活化操作的执行总时间不超过1h，最少在30min内完成。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1、本发明提供的热电联供系统电池堆在线快速性能恢复方法，可在基本不改变热电联供系统电堆运行工况情况下对电堆性能的衰减进行有效活化及在线恢复，方法简单，目标性强。

27、2、本发明的恢复效果至少可达初始电压的89％及以上，甚至可能超过初始电堆/单节初始电压。

28、3、经本本发明所述方法活化后的电堆电压在热电联供循环工况下可维持几十小时仍高于衰减前电压。

29、4、本发明在保证良好恢复效果的同时，可将性能恢复时间控制在1h以内，最少可低于30min，极大缩短了活化时间，提高了活化效率。