氢燃料电池电堆的活化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种氢燃料电池电堆的活化方法及系统，属于电堆活化技术领域，解决了现有技术活化效果难以保证且难以全面提升全电堆性能的问题。该方法包括：对成品电堆进行堆叠压装，并进行绝缘性检测和气密性检测；将通过绝缘性检测和气密性检测的大功率电堆拉载至极限最大电流，持续进行高低压拉载，以执行电堆的初始状态活化与极化，直到识别电堆内部水平衡达到最佳状态，结束初始状态活化与极化；在0.2～2.5A/cm2的高电流密度范围内选定一个值，控制大功率电堆以该值为输出运行设定时间，以执行电堆的恒定时间大电流活化；关闭空气路，通过氢气路对大功率电堆执行空载状态的停机吹扫，直到其输出电压降为0，完成一次活化循环。化循环。化循环。

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池电堆的活化方法及系统


[0001]本专利技术涉及电堆活化
，尤其涉及一种氢燃料电池电堆的活化方法及系统。

技术介绍

[0002]车载氢燃料电池发动机，具有能量转化效率高、环境友好性强、燃料来源广泛、能够为车辆提供充足电能作为驱动力等一系列优点，被认为是一种有效的传统能源替代方式。随着氢燃料电池技术的不断发展，伴随着车用工况的复杂性、重卡应用场景环境的恶劣程度不断加深，导致目前其发动机的核心部件—电堆的耐久性能得到巨大冲击。电堆的性能提升和性能恢复是氢燃料电池应用领域丞需解决的关键问题。
[0003]现有技术中，对于燃料电池电堆的不同使用环节有着不同的应对方法，如电堆层级的膜电极预増湿活化、频繁变载高低载荷活化、恒电压与恒电流控制方法活化、电解活化方法、大电流冲击活化等。以上电堆活化方法的验证基本停留于短堆或者单电池层级，涉及整堆和产品的活化过程较少，部分活化方法，如恒流模式，对活化测试资源的占用较大，同时能源消耗也相对明显，取得效果却不是很显著。
[0004]专利技术专利CN112952149B提出了采用具有一定温度去离子水或加湿气体如氮气、氦气、空气或氢气，进行膜电极的预处理。操作过程中，难以控制对电极的润湿均匀程度和工装的便捷操作程度，中间转换环节较多，过程也比较复杂，处理不彻底情况下，甚至损坏膜电极。
[0005]专利技术专利CN108232243A在活化初期阴极通入増湿氮气，阳极通入増湿氢气，进行保压验证；通过水循环控制堆温，保压2～3小时；进行5～10轮的极化性能测试，再进行氮气増湿保压，直至极化性能稳定。但其循环次数过多，耗费大量保压及极化时间，无法满足商业批产需求。
[0006]专利技术专利CN110137538A提出了采用电器控制方法，实现电堆与负载DC
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DC之间的通断控制IGBT放电电流，通过对膜电极产生冲击来去除膜表面杂质，最终达到提升电能性的目的。该方案仅使质子交换膜的电性能提升，无法全面提升催化层级的电性能。与此同时，瞬时放电电流较大，500～700A，电气部件的承载能力面临巨大的冲击和考验。
[0007]以上专利的方案中也涉及到大量的测试资源占用和能源损耗，个别操作达不到工业级的安全操作标准，存在大量的安全隐患。目前，在电堆产业化发展道路上，丞需开发高效率的全过程电堆系统活化方法。

技术实现思路

[0008]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种氢燃料电池电堆的活化方法及系统，用以解决现有技术活化效果难以保证且难以全面提升全电堆性能的问题。
[0009]一方面，本专利技术实施例提供了一种氢燃料电池电堆的活化方法，包括如下步骤；
[0010]S1.对成品电堆进行堆叠压装，并对压装后大功率电堆进行绝缘性检测和气密性
检测；
[0011]S2.将通过绝缘性检测和气密性检测的大功率电堆拉载至极限最大电流，持续进行高低压拉载，以执行电堆的初始状态活化与极化，直到识别电堆内部水平衡达到最佳状态，结束电堆的初始状态活化与极化；
[0012]S3.根据运行工况，在0.2～2.5A/cm2的高电流密度范围内选定一个值，控制大功率电堆以该值为输出运行设定活化拉载时间，以执行电堆的恒定时间大电流活化；
[0013]S4.关闭空气路，保持氢气路供给，对大功率电堆执行空载状态的停机吹扫，直到其输出电压降为0，完成一次活化循环。
[0014]上述技术方案的有益效果如下：提出了一种高效率的全过程电堆及系统活化方法，用于电堆性能恢复，最终满足批量性的技术研发、生产测试与车载性能恢复的需求。节省各环节成本，提升电堆活化效率，节省各环节作业时间。通过成品大功率电堆，进行电堆测试台与外部负载配合实现不同的操作条件和载荷控制，实现不同工况条件下的电堆性能活化和可逆衰减恢复。
[0015]基于上述方法的进一步改进，该方法应用于新开发的成品电堆、研发过程中的成品电堆或出厂后久置的成品电堆；并且，
[0016]活化循环次数不止一次，每次活化循环结束后获取大功率电堆的输出电压，直到大功率电堆的输出电压达到目标电压值结束活化循环。
[0017]进一步，对于出厂后久置的成品电堆，重复步骤S2～S4进行6～8次活化循环，以克服电堆久置所引起的电堆性能衰减。
[0018]进一步，步骤S1进一步包括：
[0019]S11.对成品电堆通过压装工艺进行装配，获得压装后大功率电堆；
[0020]S12.对压装后大功率电堆进行活化前的基础数据采集，并记录所述活化前的基础数据；
[0021]S13.对压装后电堆进行绝缘性检测，结合上述活化前的基础数据中的绝缘参数筛除绝缘性检测结果不达标的大功率电堆；
[0022]S 14.对绝缘性检测结果达标的大功率电堆进一步进行过气密性检测，结合上述活化前的基础数据中的气密性参数，筛除气密性检测结果不达标的大功率电堆，获得通过绝缘性检测和气密性检测的大功率电堆。
[0023]进一步，活化前的基础数据包括尺寸、体积、质量、工装平整度数据信息、压装力精度信息、压机行程信息、电堆堆叠自由状态高度、压装后高度、平均到单节收缩量、装堆尺寸、装堆重量、等效堆芯质量功率密度、等效堆芯体积功率密度、电堆干态和湿态绝缘参数、电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏数据信息；其中，
[0024]活化前的基础数据中的绝缘参数包括电堆干态和湿态绝缘参数；
[0025]活化前的基础数据中的气密性参数包括电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏数据信息；
[0026]绝缘性检测包括：分别测试电堆正极与电堆PACK壳体金属部位之间绝缘电阻、电堆负极与电堆PACK壳体金属部位之间的绝缘电阻，作为绝缘性实测数据，验证绝缘性实测数据是否处于活化前的基础数据中绝缘参数范围内；并且，
[0027]气密性检测包括：分别测试电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏数据，验证是
否同时满足电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏各自的实测数据均处于活化前的基础数据中各自气密性参数范围内。
[0028]进一步，步骤S2进一步包括：
[0029]S21.根据实际电堆拉载需求，确定大功率电堆的极限电流条件、极限最大电流；
[0030]S22.将通过绝缘性检测和气密性检测的大功率电堆按照上述极限电流条件拉载至上述极限最大电流，以打开电堆内部的传质通道，建立电堆内部气体、液体、固定三相界面促进电化学反应，提升该大功率电堆性能；
[0031]S23.通过该极限最大电流持续进行大功率电堆的高低压拉载，以执行电堆的初始状态活化与极化，调节电堆内水平衡；
[0032]S24.在拉载过程中监测电堆内部是否达到水平衡最佳状态，直到识别电堆内部达到水平衡最佳状态，结束电堆的初始状态活化与极化。
[0033]进一步，步骤S3进一步包括：
[0034]S31.根据运行工况，在0.2～2.5A/cm2的高电流密度范围内选定一个值；
[0035]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.对成品电堆进行堆叠压装，并对压装后大功率电堆进行绝缘性检测和气密性检测；S2.将通过绝缘性检测和气密性检测的大功率电堆拉载至极限最大电流，持续进行高低压拉载，以执行电堆的初始状态活化与极化，直到识别电堆内部水平衡达到最佳状态，结束电堆的初始状态活化与极化；S3.根据运行工况，在0.2～2.5A/cm2的高电流密度范围内选定一个值，控制大功率电堆以该值为输出运行设定活化拉载时间，以执行电堆的恒定时间大电流活化；S4.关闭空气路，保持氢气路供给，对大功率电堆执行空载状态的停机吹扫，直到其输出电压降为0，完成一次活化循环。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，该方法应用于新开发的成品电堆、研发过程中的成品电堆或出厂后久置的成品电堆；并且，活化循环次数不止一次，每次活化循环结束后获取大功率电堆的输出电压，直到大功率电堆的输出电压达到目标电压值结束活化循环。3.根据权利要求1或2所述的氢燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，对于出厂后久置的成品电堆，重复步骤S2～S4进行6～8次活化循环，以克服电堆久置所引起的电堆性能衰减。4.根据权利要求3所述的氢燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：S11.对成品电堆通过压装工艺进行装配，获得压装后大功率电堆；S12.对压装后大功率电堆进行活化前的基础数据采集，并记录所述活化前的基础数据；S13.对压装后电堆进行绝缘性检测，结合上述活化前的基础数据中的绝缘参数筛除绝缘性检测结果不达标的大功率电堆；S14.对绝缘性检测结果达标的大功率电堆进一步进行过气密性检测，结合上述活化前的基础数据中的气密性参数，筛除气密性检测结果不达标的大功率电堆，获得通过绝缘性检测和气密性检测的大功率电堆。5.根据权利要求4所述的氢燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，活化前的基础数据包括尺寸、体积、质量、工装平整度数据信息、压装力精度信息、压机行程信息、电堆堆叠自由状态高度、压装后高度、平均到单节收缩量、装堆尺寸、装堆重量、等效堆芯质量功率密度、等效堆芯体积功率密度、电堆干态和湿态绝缘参数、电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏数据信息；其中，活化前的基础数据中的绝缘参数包括电堆干态和湿态绝缘参数；活化前的基础数据中的气密性参数包括电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏数据信息；并且，绝缘性检测包括：分别测试电堆正极与电堆PACK壳体的金属部位之间绝缘电阻、电堆负极与电堆PACK壳体的金属部位之间的绝缘电阻，作为绝缘性实测数据，验证绝缘性实测数据是否处于活化前的基础数据中绝缘参数范围内；气密性检测包括：分别测试电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏数据，验证是否同时满足电堆单腔气密性、三腔保压气密性、窜漏各自的实测数据均处于活化前的基础数据
中各自气密性参数范围内。6.根据权利要求5所述的氢燃料电池电堆的活...

【专利技术属性】
技术研发人员：李飞强，董志亮，周宝，高云庆，方川，
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：