本发明专利技术提供了一种长寿命氢燃料电池电堆装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有燃料电池开机后出现阳极氢氧界面导致反向电流效应造成电堆衰减的问题。该装置包括控制器、冷却单元、质子交换膜、阳极单元和阴极单元。其中，阴、阳极单元均采用两端开口的中空结构；阳极单元内部设有氢气循环通道，该侧的质子交换膜上涂覆有阳极氧化剂；阴极单元侧的质子交换膜上涂覆有阴极氧化剂，并且，远离质子交换膜的一侧设有冷却单元。电堆启动时，控制器控制阳极单元通入氢气，并且，根据电堆的待机时间调控通入氢气的流量、冷却单元内的冷却液流量和温度，直到识别阳极残余氧气消耗完毕，再正常启动。该装置能够避免反向电流效应，延长电堆寿命。堆寿命。堆寿命。
【技术实现步骤摘要】
一种长寿命氢燃料电池电堆装置及其控制方法
[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种长寿命氢燃料电池电堆装置及其控制方法。
技术介绍
[0002]氢燃料电池是一种高效、零排放、低噪音的能源，非常适合应用于新能源汽车领域。在氢燃料电池系统中，外围辅助系统为燃料电池电堆的阴极提供空气，并为阳极提供氢气。阳极的氢气在阳极催化剂的作用下失去电子变成质子，穿过质子交换膜到达[1] ，与阴极空气中的氧气在阴极催化剂的作用下结合生成水，同时得到电子。
[0003]影响氢燃料电池耐久性的主要因素之一为停机后再次启动产生的氢氧界面。图1是开机过程中阳极氢氧界面导致反向电流效应造成电堆衰减原理的示意。长时间停机后，阴极的氧气缓慢透过质子交换膜扩散到阳极，再次开机时，沿着氢气流动的方向，阳极可分为氢气富集区和氢气饥饿区。在氢气富集区，阴极、阳极催化剂层和膜之间保持着正常的电势差。在氢气饥饿区，阴极渗透到阳极的氧气使得此位置的阳极与膜之间的电势差向氧气平衡电位偏移。由于催化剂层的导电性，阳极电位不变，膜电位被拉低，以至于阴极与膜之间的电势差增大，加速阴极侧碳载体的腐蚀，导致催化剂铂颗粒流失，甚至引发水电解。
技术实现思路
[0004]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种长寿命氢燃料电池电堆装置，用以解决现有燃料电池开机后出现阳极氢氧界面导致反向电流效应造成电堆衰减的问题。
[0005]一方面，本专利技术实施例提供了一种长寿命氢燃料电池电堆装置，包括控制器、冷却单元（4）、质子交换膜（1），以及设于质子交换膜（1）两侧且通过质子交换膜（1）实现气体隔离的阳极单元（2）、阴极单元（3）；其中，阳极单元（2）采用两端开口的中空结构，内部设有氢气循环通道（5），该侧的质子交换膜（1）上涂覆有阳极氧化剂（6）；阴极单元（3）也采用两端开口的中空结构，该侧的质子交换膜（1）上涂覆有阴极氧化剂（7），并且，其远离质子交换膜（1）的一侧设有冷却单元（4）；控制器，用于电堆启动时，控制阳极单元（2）通入氢气，并且，根据电堆的待机时间调控通入氢气的流量、冷却单元（4）内的冷却液流量和温度，直到识别阳极残余氧气消耗完毕，再向阴极单元（3）通入额定流量的空气。
[0006]上述技术方案的有益效果如下：提出了一种通过低温催化燃烧消耗阳极残余氧气的燃料电池电堆装置，解决了燃料电池开机过程中，由于阳极内部存在氧气，产生氢氧界面造成电堆性能衰减的问题。当电堆启动的时候，先通入氢气，氢气在阳极催化剂的作用下与阳极内部残余的氧气发生低温催化燃烧，阳极残留氧气被氢气完全消耗，再进行正常的燃料电池启动。在此过程中，利用冷却液将低温催化燃烧产生的热量带走，避免膜电极温度过高造成失效。
[0007]基于上述装置的进一步改进，所述阳极氧化剂（6）、阴极氧化剂（7）分别均匀涂覆
在质子交换膜（1）的对应侧表面；并且，所述阳极催化剂（6）的涂覆面积大于所述阴极催化剂（7）的涂覆面积。
[0008]进一步，所述氢气循环通道（5）上还设有氢循环装置（8）；其中，所述氢循环装置（8）包括氢气循环泵、电化学氢泵、引射器中的任一种，其控制端与控制器的输出端连接，用于控制阳极单元（2）内的循环氢气量。
[0009]进一步，还包括电磁阀（9）；其中，所述电磁阀（9）设于阳极单元（2）的进气口前端，其控制端与控制器的输出端连接，用于控制向阳极单元（2）通入氢气的气体流量。
[0010]进一步，所述控制器进一步包括依次连接的：数据采集单元，用于采集当前时刻的环境温度、电堆从上一次关机到本次开机的待机时间，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于收到开机指令后，获取电堆从上一次关机到本次开机的待机时间；以及，根据上述待机时间估计当前时刻电堆内阳极残余氧气的浓度，进而结合环境温度、阳极催化剂类型得出阳极残余氧气的燃烧时间、氢气所需消耗量、最佳冷却液流量与最佳冷却液温度；以及，先启动并控制冷却单元（4）达到上述最佳冷却液流量与最佳冷却液温度后，再依次启动氢循环装置（8）、电磁阀（9），控制氢循环装置（8）工作于上述氢气所需消耗量的状态下，进入计时，直到达到上述燃烧时间后，判定阳极残余氧气消耗完毕，结束计时，再向阴极单元（3）通入额定流量的空气。
[0011]进一步，所述数据采集单元进一步包括：环境温度传感器，设置于燃料电池电堆的工作区域周围；时间获取子单元，用于获取电堆的上一次关机的时刻、本次开机的时刻，进而确定电堆从上一次关机到本次开机的待机时间；液体温度
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流量传感器，设置于冷却单元（4）入口的液体管道内壁上，用于获取布设位置处冷却液的实时液体流量和温度；气体温度
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流量传感器，分别设置于阳极单元（2）、阴极单元（3）的气体入口和气体出口处，以及氢循环装置（8）的输出端，用于获取布设位置处气体的温度和流量。
[0012]进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：收到开机指令后，获取电堆从上一次关机到本次开机的待机时间；根据上述待机时间估计当前时刻电堆内阳极残余氧气的浓度；根据上述残余氧气的浓度结合当前时刻环境温度、阳极催化剂类型得出阳极残余氧气的燃烧时间、氢气所需消耗量、最佳冷却液流量与最佳冷却液温度；启动冷却单元（4），根据液体温度
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流量传感器采集数据对冷却单元（4）进行调控，使得冷却单元（4）入口的冷却液达到上述最佳冷却液流量与最佳冷却液温度；启动氢循环装置（8），控制氢循环装置（8）输出的循环氢气量达到上述氢气所需消耗量；打开电磁阀（9），进入计时，直到达到上述燃烧时间后，判定阳极残余氧气消耗完毕，结束计时，再分别向阳极单元（2）和阴极单元（3）通入额定流量的气体。
[0013]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：1、在膜电极中阳极有多余的催化剂涂布，涂布面积大于阴极，以保证阳极的氢气
反应率；2、通过控制开机时氢气的引入（电磁阀）、氢循环流量（氢循环装置）以及冷却液流量、温度的控制（外设的冷却液温度控制装置），实现对阳极残余氧气的消耗，避免反向电流效应导致阴极碳载体腐蚀，延长燃料电池的寿命；3、利用冷却液将低温催化燃烧产生的热量及时带走，避免膜电极温度过高造成失效。
[0014]另一方面，本专利技术实施例提供了一种长寿命氢燃料电池电堆装置的控制方法，包括如下步骤：电堆启动时，控制阳极单元（2）内通入氢气；根据电堆的待机时间调控通入氢气的流量、冷却单元（4）内的冷却液流量和温度；在调控结束后，识别阳极残余氧气是否消耗完毕，再向阴极单元（3）通入额定流量的空气。
[0015]上述技术方案的有益效果如下：提出了一种通过低温催化燃烧消耗阳极残余氧气的燃料电池电堆装置的控制方法，解决了燃料电池开机过程中，由于阳极内部存在氧气，产生氢氧界面造成电堆性能衰减的问题。当电堆启动的时候，先通入氢气，氢气在阳极催化剂的作用下与阳极内部残余的氧气发生低温催化燃烧，阳极残留氧气被氢气完全消耗，再进行正常的燃料电池启动。在此过程中，利用冷却液将低本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种长寿命氢燃料电池电堆装置，其特征在于，包括控制器、冷却单元（4）、质子交换膜（1），以及设于质子交换膜（1）两侧且通过质子交换膜（1）实现气体隔离的阳极单元（2）、阴极单元（3）；阳极单元（2）采用两端开口的中空结构，内部设有氢气循环通道（5），该侧的质子交换膜（1）上涂覆有阳极氧化剂（6）；阴极单元（3）也采用两端开口的中空结构，该侧的质子交换膜（1）上涂覆有阴极氧化剂（7），并且，其远离质子交换膜（1）的一侧设有冷却单元（4）；控制器，用于电堆启动时，控制阳极单元（2）通入氢气，并且，根据电堆的待机时间调控通入氢气的流量、冷却单元（4）内的冷却液流量和温度，直到识别阳极残余氧气消耗完毕，再向阴极单元（3）通入额定流量的空气。2.根据权利要求1所述的长寿命氢燃料电池电堆装置，其特征在于，所述阳极氧化剂（6）、阴极氧化剂（7）分别均匀涂覆在质子交换膜（1）的对应侧表面；并且，所述阳极催化剂（6）的涂覆面积大于所述阴极催化剂（7）的涂覆面积。3.根据权利要求1或2所述的长寿命氢燃料电池电堆装置，其特征在于，所述氢气循环通道（5）上还设有氢循环装置（8）；其中，所述氢循环装置（8）包括氢气循环泵、电化学氢泵、引射器中的任一种，其控制端与控制器的输出端连接，用于控制阳极单元（2）内的循环氢气量。4.根据权利要求3所述的长寿命氢燃料电池电堆装置，其特征在于，还包括电磁阀（9）；其中，所述电磁阀（9）设于阳极单元（2）的进气口前端，其控制端与控制器的输出端连接，用于控制向阳极单元（2）通入氢气的气体流量。5.根据权利要求4所述的长寿命氢燃料电池电堆装置，其特征在于，所述控制器进一步包括依次连接的：数据采集单元，用于采集当前时刻的环境温度、电堆从上一次关机到本次开机的待机时间，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于收到开机指令后，获取电堆从上一次关机到本次开机的待机时间；以及，根据上述待机时间估计当前时刻电堆内阳极残余氧气的浓度，进而结合环境温度、阳极催化剂类型得出阳极残余氧气的燃烧时间、氢气所需消耗量、最佳冷却液流量与最佳冷却液温度；以及，先启动并控制冷却单元（4）达到上述最佳冷却液流量与最佳冷却液温度后，再依次启动氢循环装置（8）、电磁阀（9），控制氢循环装置（8）工作于上述氢气所需消耗量的状态下，进入计时，直到达到上述燃烧时间后，判定阳极残余氧气消耗完毕，结束计时，再向阴极单元（3）通入额定流量的空气。6.根据权利要求5所述的长寿命氢燃料电池电堆装置，其特征在于，所述数据采集单元进一步包括：环境温度传感器，设置于燃料电池电堆的工作区域周围；时间获取子单元，用于获取电堆的上一次关机的时刻、本次开机的时刻，进而确定电堆从上一次关机到本次开机的待机时间；液体温度
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流量传感器，设置于冷却单...
【专利技术属性】
技术研发人员：方川，李飞强，张国强，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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