评价燃料电池电堆启停耐久性的装置及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种评价燃料电池电堆启停耐久性的装置及方法。

背景技术

启动与停机是燃料电池生命周期内，遇到的最频繁的工况之一。启停耐久性是电池电堆的关键特性之一，由于启动过程中，会在阳极侧形成氢氧界面，造成阴极侧的碳腐蚀，从而造成电堆衰退，因此，快速评价燃料电池电堆的启停耐久性方法及其装置至关重要。

中国专利CN201156078Y和CN101158711B分别公开了评价启停耐久性的方法及装置，均是直接将空气引入到阳极入口，并通过一个电磁阀进行通断控制。该技术的缺点主要是结构过于简单，用空气直接切换氢气的过程与实际过程中燃料电池停机的过程存在较大差异；且切换过程中，如果阴阳极切换速度不一致，可能会形成OCV正电压或者负电压。中国专利CN111082108A在前专利的基础上对装置进行改进，主要加上了气体处理和监测模块等，如温湿度控制和CO

因此，需要一种评价燃料电池电堆启停耐久性的装置及方法，实现阴阳极两侧切换速度一致。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种评价燃料电池电堆启停耐久性的装置及方法，解决现有技术中燃料电池电堆启停耐久性测试时阴阳极两侧切换速度不一致的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种评价燃料电池电堆启停耐久性的装置，其包括：

阳极管路，包括氢气管、空气主路、第一管路和第一旁路、阳极排气管，空气主路通过第一三通阀与第一管路、第一旁路相连，第一管路、氢气管均用于与电池电堆的阳极进口连通，且氢气管上设有第一截止阀，第一旁路上设有第二截止阀；阳极排气管用于与电池电堆的阳极出口连通，且阳极排气管路上设有第三截止阀；

阴极管路，包括第二管路、第二旁路和阴极排气管，阴极进气管通过第二三通阀与所述第二管路、第二旁路相连，第二管路用于与电池电堆的阴极进口连通；阴极排气管用于与电池电堆的阴极出口连通，第二旁路、阴极排气管通过第三三通阀与主排气管连通；

控制系统，与所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀相连，控制各阀动作。

优选的，所述第一管路上设有单向阀，所述单向阀位于所述第一三通阀与所述阳极进口之间。

优选的，所述氢气管上设有单向阀，所述单向阀位于所述第一截止阀与所述阳极进口之间。

优选的，所述空气主路上设有空气流量计。

本发明还提供一种评价燃料电池电堆启停耐久性的方法，其采用如上所述的评价燃料电池电堆启停耐久性的装置，包括以下步骤：

1)燃料电池电堆停机，放电消耗电堆阴极侧的氧气，直至电压降至0V；

2)开启第二截止阀，同步调节第二三通阀和第三三通阀，使空气以第一预设流量通过空气主路、第一旁路排出，空气以第二预设流量经阴极进气管、第二旁路和主排气管排出，第一预设流量和第二预设流量不同；

3)同步调节所述第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，同时关闭第二截止阀，开启第三截止阀，使得空气主路中的空气经第一管路进入电池电堆，阴极的空气经阴极进气管进入电池电堆，然后等待预设时间；

4)监测所述电池电堆的单体电压，并且将所有参数归零；

5)调节所述第一三通阀，使空气主路与第一旁路连通，开启第一截止阀，启动电池电堆，电池电堆运行至性能操作判断点；

6)判断电池电堆性能是否达到所规定的性能衰减值，若是则计算电池电堆的启停耐久性，若否则重复步骤1)—5)，直至电池电堆性能达到所规定的性能衰减值。

优选的，所述第二预设流量与所述第一预设流量的标定过程为：

A电池电堆正常关机放电，维持电池电堆在氢/氢状态持续一定时间；

B将第一流量值的空气送入第一旁路，第二流量值的空气送入第二旁路，所述第一流量值为空气主路的最大流量，即为第一预设流量；所述第二流量值小于第一流量值；

C同步调节所述第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，同时关闭第二截止阀，开启第三截止阀，使得空气主路中的空气经第一管路进入电池电堆，阴极的空气经阴极进气管进入电池电堆，然后等待一定时间；

D监测电池电堆的电压，根据电压情况重复步骤A-C，若电压是正电压，则增加第二流量值的大小，如果出现了负电压，则降低第二流量值的大小；直至，电池电堆无电压产生，

当前的第二流量值为第二预设流量。

优选的，所述预设时间为1-2min。

优选的，所述所有参数包括空气主路中的空气流量、空气温度和空气的露点。

如上所述，本发明的评价燃料电池电堆启停耐久性的装置及方法，具有以下有益效果：采用在阳极管路和阴极管路中均设置有旁路，即第一旁路和第二旁路，以此实现在进行启停耐久性测试时，可在将电堆从氢/氢状态快速切换至空/空状态前，先同时通入一定流量的空气经第一旁路和第二旁路排至出口，然后再同时切换第一三通阀、第二三通阀的位置，使得一定流速的气体同时地进入到电堆的阳极和阴极，确保电堆阳极、阴极两侧的气体切换速度接近相同，以此更准确地模拟电池电堆的正常使用，提高电池电堆启停耐久性测试的准确性。

附图说明

图1显示为本发明的评价燃料电池电堆启停耐久性的装置示意图。

图2显示为评价燃料电池电堆启停耐久性的装置中旁路进气示意图。

图3显示为燃料电池电堆的阴极、阳极同时进空气示意图。

图4显示为燃料电池电堆正常启动时的进气示意图。

图5显示为本发明的评价燃料电池电堆启停耐久性的方法流程示意图。

元件标号说明

1 电池电堆

2 空气流量计

3 第一三通阀

4、6 单向阀

5 第一截止阀

7 第二三通阀

8 第三截止阀

9 第三三通阀

10 第二截止阀

11 第一管路

12 第一旁路

13 第二三通阀

14 第二旁路

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种评价燃料电池电堆启停耐久性的装置，其包括：

阳极管路，包括氢气管、空气主路、第一管路11和第一旁路12、阳极排气管，空气主路通过第一三通阀3与第一管路11、第一旁路12相连，第一管路11、氢气管均用于与电池电堆1的阳极进口连通，且氢气管上设有第一截止阀5，第一旁路12上设有第二截止阀10；阳极排气管用于与电池电堆的阳极出口连通，且阳极排气管路上设有第三截止阀8；阴极管路，包括第二管路13、第二旁路14和阴极排气管，阴极进气管通过第二三通阀7与第二管路13、第二旁路14相连，第二管路13用于与电池电堆1的阴极进口连通；阴极排气管用于与电池电堆1的阴极出口连通，第二旁路14、阴极排气管通过第三三通阀9与主排气管连通；

控制系统，与所述第一三通阀3、第二三通阀7、第三三通阀9、第一截止阀5、第二截止阀10和第三截止阀8相连，控制各阀动作。

本发明采用在阳极管路和阴极管路中均设置有旁路，即第一旁路11和第二旁路14，以此实现在进行启停耐久性测试时，可在将电池电堆1从氢/氢状态快速切换至空/空状态前，先同时通入一定流量的空气经第一旁路11和第二旁路14排至出口，然后再同时切换第一三通阀3、第二三通阀7的位置，使得一定流速的气体同时地进入到电池电堆1的阳极和阴极，确保电堆阳极、阴极两侧的气体切换速度接近相同，以此更准确地模拟电池电堆1的正常使用，提高电池电堆启停耐久性测试的准确性。

为确保气体流动的稳定性，避免出现回流，本实施例中上述第一管路11上设有单向阀4，单向阀4位于所述第一三通阀3与电池电堆1的阳极进口之间。上述氢气管上设有单向阀6，所述单向阀6位于所述第一截止阀5与电池电堆1的阳极进口之间。

为更好的控制进气流量，提高试验的准确性，本实施例中空气主路上设有空气流量计2，以此明确空气的进气流量，便于调整和计算。

本发明还提供一种评价燃料电池电堆启停耐久性的方法，其采用如上所述的评价燃料电池电堆启停耐久性的装置，将待测的电池电堆连接至上述装置中，包括以下步骤：见图5所示，

1)电池电堆1停机，放电消耗电堆阴极侧的氧气，直至电压降至0V；该步骤中电池电堆1处于氢/氢状态；

2)开启上述第二截止阀10，同步调节第二三通阀13和第三三通阀9，使空气以第一预设流量通过空气主路、第一旁路12排出，即第一预设流量的空气(也称阳极空气)按图2中s1进气路线流动；空气以第二预设流量经阴极进气管、第二旁路14和主排气管排出，即第二预设流量的空气(也称阴极空气)按图2中s2进气路线流动，第一预设流量和第二预设流量不同；

3)同步调节所述第一三通阀3、第二三通阀13和第三三通阀9，同时关闭第二截止阀10，开启第三截止阀8，使得空气主路中的空气经第一管路11进入电池电堆1(见图3中的s3进气线)，阴极的空气经阴极进气管进入电池电堆1(见图3中的s4进气线)，然后等待预设时间，待气体流量稳定，本实施例中预设时间为1-2min；该步骤为同时向电池电堆的阴极和阳极通入空气，使电池电堆快速切换至空/空状态，设定电池电堆1的冷却水温度25℃，空气的露点23℃和温度30℃，等待5min，使各参数达到对应的设定值；

4)监测所述电池电堆1的单体电压，并且将所有参数归零；所有参数包括空气主路中的空气流量、空气温度和空气的露点；

5)调节所述第一三通阀3，使空气主路与第一旁路12连通，开启第一截止阀5，启动电池电堆1，如图4所示，先通入氢气至阳极即阳极进气线s5，后通入空气至阴极即阴极进气线s6；电池电堆1运行至性能操作判断点；本实施例中性能操作判断点为本领域技术人员知悉的工作点，即为燃料电池的电流加载至不变的时刻，后续一段时间燃料电池性能稳定；

6)判断电池电堆性能是否达到所规定的性能衰减值(本实施例中性能衰减值一般为最大输出电压的10％，最大为最大输出电压的20％)，若是则计算电池电堆的启停耐久性，若否则重复步骤1)—5)，直至电池电堆性能达到所规定的性能衰减值。

在进行上述方法前，可进行流量匹配，即第二预设流量与第一预设流量的标定过程为：

A电池电堆1正常关机放电，维持电池电堆1在氢/氢状态持续一定时间；

B将第一流量值的空气送入第一旁路12，第二流量值的空气送入第二旁路14，所述第一流量值为空气主路的最大流量，即为第一预设流量；所述第二流量值小于第一流量值；

C同步调节所述第一三通阀3、第二三通阀7和第三三通阀9，同时关闭第二截止阀10，开启第三截止阀8，使得空气主路中的空气经第一管路11进入电池电堆1，阴极的空气经阴极进气管进入电池电堆1，然后等待一定时间；

D监测电池电堆1的电压，根据电压情况重复步骤A-C，若电压是正电压，则增加第二流量值的大小，如果出现了负电压，则降低第二流量值的大小；直至，电池电堆1无电压产生，当前的第二流量值为第二预设流量。

本实施例通过该流量匹配，可以使在实验中无其他干扰因素影响性能评价，提高评价的准确性。

本实施例对一个含20片膜电极的燃料电池电堆进行启停耐久性试验，具体工作步骤如下：

1)电池电堆1停机，按照正常的关机放电后，设置氢气的压力为50kPa，待电压降为0V后，第一三通阀3、第二三通阀7、第三三通阀9均处于旁路状态，即分别连通第一旁路11和第二旁路14，第一截止阀5和第三截止阀8处于关闭状态，维持电池电堆在氢/氢状态一分钟；

2)开启第二截止阀10，通过上述标定过程匹配第一预设流量和第二预设流量，本实施例中设置匹配好的空气流量50NLPM(即第一预设流量)进入第一旁路11和空气流量30NLPM(即第二预设流量)进入第二旁路14，待气体流量稳定；设定电堆的冷却水温度25℃，空气的露点23℃和温度30℃，等待5min，使各参数达到对应的设定值；

3)同时切换第一三通阀3、第二三通阀13和第三三通阀9至电池电堆1进气状态，关闭第二截止阀10，开启第三截止阀8，使得阳极的空气瞬间从第一旁路12改由第一管路11流经电堆，阴极的空气瞬间从第二旁路14改由第二管路13流经电堆，然后等待1min；

4)设置空气流量为0，温度、露点均设定变为0。

5)切换第一三通阀3至旁路状态，开启第一截止阀5，按照先通入氢气至阳极，后通入空气至阴极的策略启动燃料电池电堆；平均电压达到0.9V后，按照拉载策略将电堆缓慢加载至2A/cm2，在该电流密度下，对应的操作条件如下表1。

表1

6)重复步骤1)～5)，直至电池电堆性能下降到初始性能的90％。该电池电堆在经过2000次启停循环，从初始平均电压0.6V下降到0.54V。即表明该电池电堆的启停耐久性为200次。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。