一种燃料电池系统、车辆以及活化方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统、车辆以及活化方法。


背景技术：

2.随着传统汽车的排放对环境污染问题的影响越来越严重，新能源汽车成了解决汽车尾气排放的重要途径，其中具有能量效率高，充氢时间短、续航里程长、对空气有净化作用等优点的燃料电池汽车越来越受到大家的重视。
3.燃料电池耐久性问题一直都是制约燃料电池汽车快速发展的一个大的因素，随着燃料电池发动机运行时间的增长，燃料电池电堆的性能会慢慢衰减，当燃料电池电堆衰减到初始状态的80％时认为寿命终结。造成燃料电池电堆衰减的因素可以分为两大类：一是不可逆的衰减，例如碳载体腐蚀，催化剂流失，铂颗粒变大，质子交换膜破损等；还有一种是可逆的衰减，其中最重要的可逆衰减就是催化剂被杂质气体污染，例如空气中的硫化物、氮化物、氢气中带有还原性的气体杂质等。杂质会在催化剂表面反应，造成催化剂表面被覆盖，造成反应面积降低，空气中的微尘也会吸附在气体扩散层，造成气体扩散层被堵塞。
4.活化是解决可逆衰减损伤的主要方式，但一般活化都是采用离线的方式，既将燃料电池发动机拆卸下来，放到测试台上进行。有一种活化方式：给发动机两侧通入湿润的空气，通过空气氧化作用氧化掉阳极侧的杂质，并排出电堆，解决杂质气体造成的衰减，湿润的空气也可以脱附掉附着在气体扩散层里面的杂质，恢复电堆的气体扩散能力。现有技术中，通过将发动机拆卸下来，放到测试台上进行操作，两侧给电堆通入湿润的空气，达到活化的目标，最终实现恢复性能的效果。
5.现有技术中无在线活化方案，随着燃料电池发动机运行时间增长，造成性能衰减严重；恢复性能的保养方式需要拆卸发动机并放到测试台架上进行活化，工作难度大，资源消耗多，用户体验差。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供解决发动机运行时间较长后，性能衰减严重的问题、保养难度大、用户体验差的问题的燃料电池系统、车辆以及活化方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
8.一种燃料电池系统，包括电堆、氮气源、空气子系统和氢气子系统，所述电堆包括空气侧和氢气侧；所述空气子系统包括增湿器、第一节气门、第一消声器、第二节气门，所述增湿器包括空气路和废气路，所述空气路与空气侧进口连通，所述空气侧出口、废气路、第一节气门、第一消声器、第二节气门依次连通；
9.所述氢气子系统包括氢气供给装置；所述氮气源、氢气供给装置、氢气侧进口依次连通；所述氢气侧还包括有排水出口，所述排水出口与第一消声器连通。
10.为了解决上述技术问题，本发明采用的第二种技术方案为：
11.一种车辆，包括上述的燃料电池系统。
12.为了解决上述技术问题，本发明采用的第三种技术方案为：
13.一种上述的燃料电池系统的活化方法，
14.燃料电池系统运行时从剩余时间开始进行活化倒计时；
15.燃料电池系统收到关机指令后执行正常的关机吹扫；
16.吹扫完成后判断倒计时是否为0；若不为0则执行剩下的关机操作，将剩下的时间写入到存储芯片中；若为0，且运行时系统温度达到了正常的工作温度，则控制系统降温，否则执行关机操作；
17.温度降低后，释放氮气源的氮气；
18.置换掉电堆内残余的氢气；
19.置换完成后，关闭氢气子系统和氮气源并将入口阀门调整至预设开度；
20.关闭第二节气门，开启空压机、第一节气门、排水出口以及氢气侧出口，进行空气侧和氢气侧的空气吹扫；
21.吹扫完成后，关闭燃料电池系统，将倒计时时间重新写入到存储芯片中，并将活化完成标志置为1。
22.本发明的有益效果在于：通过第一消声器与排水出口的设置，以及将第一消声器设置在第一节气门与第二节气门之间，能够控制第一节气门开启、第二节气门关闭，使得空气从第一消声器进入到氢气侧内，进行吹扫活化；恢复电堆性能；无需进行拆卸并放到测试台架上进行活化，直接在车辆上即可进行活化，大大的提升了效率；氮气源的氮气可以定期进行补充，补充一次氮气的时间只需要几分钟，克服现有技术中拆装一次发动机并进行活化需要几个小时甚至一天的时间的情况，大大降低活化的难度，提高效率。
附图说明
23.图1为本发明具体实施方式的一种燃料电池系统的结构框图；
24.图2为本发明具体实施方式的一种燃料电池系统活化方法的流程示意图；
25.图3为本发明具体实施方式的一种燃料电池系统活化方法的置换方法的流程示意图；
26.标号说明：1、空气过滤器；2、空压机；3、中冷器；4、阀门；5、增湿器；6、第一节气门；7、第一消声器；8、第二节气门；9、第二消声器；10、排水阀；11、电堆；12、常开阀；13、氢气循环装置；14、排氢阀；15、氢气供给装置；16、电磁阀；17、氮气源；18、瓶口阀。
具体实施方式
27.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
28.请参照图1至图3，一种燃料电池系统，包括电堆11、氮气源17、空气子系统和氢气子系统，所述电堆11包括空气侧和氢气侧；所述空气子系统包括增湿器5、第一节气门6、第一消声器7、第二节气门8，所述增湿器5包括空气路和废气路，所述空气路与空气侧进口连通，所述空气侧出口、废气路、第一节气门6、第一消声器7、第二节气门8依次连通；
29.所述氢气子系统包括氢气供给装置15；所述氮气源17、氢气供给装置15、氢气侧进口依次连通；所述氢气侧还包括有排水出口，所述排水出口与第一消声器7连通。
30.工作原理：温度越高，空气中的水蒸气物质的量越高，刚刚停机后的燃料电池发动机，空气侧的水含量很高，接近100％，如果温度降低，水蒸气会从空气中冷凝，其中一部分会变成液态水，剩余的部分仍然存在空气中，此时的空气湿度为100％，可以利用该原理为活化提供湿润的空气；空气和氢气在电堆11的同一侧，会对电堆11造成永久性的损伤，因此氮气的作用是为了置换氢气侧的气体，活化时置换掉氢气侧的氢气，活化后的第一次开机时置换掉氢气侧的空气。
31.从上述描述可知，通过第一消声器7与排水出口的设置，以及将第一消声器7设置在第一节气门6与第二节气门8之间，能够控制第一节气门6开启、第二节气门8关闭，使得空气从第一消声器7进入到氢气侧内，进行吹扫活化；恢复电堆11性能；无需进行拆卸并放到测试台架上进行活化，直接在车辆上即可进行活化，大大的提升了效率；氮气源17的氮气可以定期进行补充，补充一次氮气的时间只需要几分钟，克服现有技术中拆装一次发动机并进行活化需要几个小时甚至一天的时间的情况，大大降低活化的难度，提高效率。
32.进一步的，所述空气子系统还包括第二消声器9；
33.所述第二节气门8与第二消声器9连通；
34.所述氢气侧还包括氢气侧气体出口，所述氢气侧气体出口通过排氢阀14与第二消声器9连通。
35.进一步的，所述氢气子系统还包括氢气循环装置13以及常开阀12，所述氢气循环装置13连接在氢气侧出口上并通过常开阀12与氢气侧进口连通。
36.进一步的，空气子系统还包括空气过滤器1、空压机2、中冷器3以及阀门4；
37.所述空气过滤器1、空压机2、中冷器3、阀门4、空气路以及空气侧进口依次连通。
38.进一步的，所述氢气子系统还包括电磁阀16，所述电磁阀16与氢气供给装置15连通；
39.所述氮气源17包括瓶口阀18，所述瓶口阀18的出口与连接在电磁阀16、氢气供给装置15之间；
40.所述排水出口上设置有排水阀10，所述排水出口通过排水阀10与第一消声器7连通。
41.一种车辆，包括上述的燃料电池系统。
42.一种上述的燃料电池系统的活化方法，
43.燃料电池系统运行时从剩余时间开始进行活化倒计时；
44.燃料电池系统收到关机指令后执行正常的关机吹扫；
45.吹扫完成后判断倒计时是否为0；若不为0则执行剩下的关机操作，将剩下的时间写入到存储芯片中；若为0，且运行时系统温度达到了正常的工作温度，则控制系统降温，否则执行关机操作；
46.温度降低后，释放氮气源17的氮气；
47.置换掉电堆11内残余的氢气；
48.置换完成后，关闭氢气子系统和氮气源17并将入口阀门4调整至预设开度；
49.关闭第二节气门8，开启空压机2、第一节气门6、排水出口以及氢气侧出口，进行空气侧和氢气侧的空气吹扫；
50.吹扫完成后，关闭燃料电池系统，将倒计时时间重新写入到存储芯片中，并将活化
完成标志置为1。
51.进一步的，所述活化燃料电池开机时判断存储芯片中活化标志是否为1，若否则正常开机，若是需要先置换操作再开机。
52.从上述描述可知，由于活化时，两侧通入的都是空气，开机时直接通入氢气会对电堆15造成损伤，因此活化后的第一次开机需要先将氢气侧的空气置换成氮气，才能执行开机流程。
53.进一步的，所述置换操作包括
54.保持电磁阀16关闭状态，释放氮气源17的氮气；
55.打开氢气供给装置15、氢气循环装置13和排氢阀14，使用氮气置换掉氢气侧的空气；
56.置换完成后将活化标志清零；
57.关闭氮气源17；
58.执行后续开机流程。
59.进一步的，置换掉电堆11内残余的氢气进一步包括：
60.打开氢气供给装置15、氢气循环装置13和排氢阀14，置换电堆11内残余氢气。
61.实施例一
62.一种燃料电池系统，包括电堆、氮气源、空气子系统和氢气子系统，所述电堆包括空气侧和氢气侧；所述空气子系统包括增湿器、第一节气门、第一消声器、第二节气门，所述增湿器包括空气路和废气路，所述空气路与空气侧进口连通，所述空气侧出口、废气路、第一节气门、第一消声器、第二节气门依次连通；
63.所述氢气子系统包括氢气供给装置；所述氮气源、氢气供给装置、氢气侧进口依次连通；所述氢气侧还包括有排水出口，所述排水出口与第一消声器连通。
64.所述空气子系统还包括第二消声器；
65.所述第二节气门与第二消声器连通；
66.所述氢气侧还包括氢气侧气体出口，所述氢气侧气体出口通过排氢阀与第二消声器连通。
67.所述氢气子系统还包括氢气循环装置以及常开阀，所述氢气循环装置连接在氢气侧出口上并通过常开阀与氢气侧进口连通。
68.空气子系统还包括空气过滤器、空压机、中冷器以及阀门；
69.所述空气过滤器、空压机、中冷器、阀门、空气路以及空气侧进口依次连通。
70.所述氢气子系统还包括电磁阀，所述电磁阀与氢气供给装置连通；
71.所述氮气源包括瓶口阀，所述瓶口阀的出口与连接在电磁阀、氢气供给装置之间；
72.所述排水出口上设置有排水阀，所述排水出口通过排水阀与第一消声器连通。
73.其中，氢气供给装置可以为氢气喷射器(氢喷)；氢气循环装置可以为循环泵；氮气源通过氮气瓶(罐)存储。
74.实施例二
75.一种车辆，包括实施例一所述的燃料电池系统。
76.实施例三
77.一种实施例一所述的燃料电池系统的活化方法，
78.步骤一、燃料电池系统运行时从剩余时间开始进行活化倒计时；
79.步骤二、燃料电池系统收到关机指令后执行正常的关机吹扫；
80.步骤三、吹扫完成后检测倒计时是否为0；
81.步骤四、判断不为0则执行剩下的关机操作，将剩下的时间写入到存储芯片中；
82.步骤五、如果倒计时为0，且运行时系统温度达到了正常的工作温度，则控制系统降温，否则回到4执行关机流程；
83.步骤六、温度降低10℃后，打开氮气源的瓶口阀；
84.步骤七、打开氢喷、氢气循环装置和排氢阀，置换掉电堆内残余的氢气；
85.步骤八、置换完成后，关闭氢喷和氮气源的瓶口阀并将阀门打到半开的位置；
86.步骤九、关闭第二节气门，打开第一节气门、排水阀和排气阀，进行两侧的空气吹扫；
87.步骤十、吹扫完成后，关闭所有设备，然后将倒计时时间重新写入到存储芯片中，并将活化完成标志置为1；
88.由于活化时，两侧通入的都是空气，开机时直接通入氢气会对电堆造成损伤，因此活化后的第一次开机需要先将氢气侧的空气置换成氮气，才能执行开机流程，活化标志1的作用就是用来识别上次关机时是否执行了活化，如果未执行活化则正常开机，否则需要先置换再开机。置换方法如图3所示：
89.步骤二十一、保持电磁阀关闭状态，打开储氮罐的瓶口阀；
90.步骤二十二、打开氢气喷射器、循环泵和氢气排气阀，使用氮气置换掉氢气侧的空气；
91.步骤二十三、置换完成后将活化标志清零；
92.步骤二十四、关闭储氮瓶的瓶口阀；
93.步骤二十五、执行后续正常的开机流程。
94.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括电堆、氮气源、空气子系统和氢气子系统，所述电堆包括空气侧和氢气侧；所述空气子系统包括增湿器、第一节气门、第一消声器、第二节气门，所述增湿器包括空气路和废气路，所述空气路与空气侧进口连通，所述空气侧出口、废气路、第一节气门、第一消声器、第二节气门依次连通；所述氢气子系统包括氢气供给装置；所述氮气源、氢气供给装置、氢气侧进口依次连通；所述氢气侧还包括有排水出口，所述排水出口与第一消声器连通。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气子系统还包括第二消声器；所述第二节气门与第二消声器连通；所述氢气侧还包括氢气侧气体出口，所述氢气侧气体出口通过排氢阀与第二消声器连通。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气子系统还包括氢气循环装置以及常开阀，所述氢气循环装置连接在氢气侧出口上并通过常开阀与氢气侧进口连通。4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，空气子系统还包括空气过滤器、空压机、中冷器以及阀门；所述空气过滤器、空压机、中冷器、阀门、空气路以及空气侧进口依次连通。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气子系统还包括电磁阀，所述电磁阀与氢气供给装置连通；所述氮气源包括瓶口阀，所述瓶口阀的出口与连接在电磁阀、氢气供给装置之间；所述排水出口上设置有排水阀，所述排水出口通过排水阀与第一消声器连通。6.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述的燃料电池系统。7.一种权利要求1-5任意一项所述的燃料电池系统的活化方法，其特征在于，燃料电池系统运行时从剩余时间开始进行活化倒计时；燃料电池系统收到关机指令后执行正常的关机吹扫；吹扫完成后判断倒计时是否为0；若不为0则执行剩下的关机操作，将剩下的时间写入到存储芯片中；若为0，且运行时系统温度达到了正常的工作温度，则控制系统降温，否则执行关机操作；温度降低后，释放氮气源的氮气；置换掉电堆内残余的氢气；置换完成后，关闭氢气子系统和氮气源并将入口阀门调整至预设开度；关闭第二节气门，开启空压机、第一节气门、排水出口以及氢气侧出口，进行空气侧和氢气侧的空气吹扫；吹扫完成后，关闭燃料电池系统，将倒计时时间重新写入到存储芯片中，并将活化完成标志置为1。8.根据权利要求7所述的活化方法，其特征在于，所述活化燃料电池开机时判断存储芯片中活化标志是否为1，若否则正常开机，若是需要先置换操作再开机。9.根据权利要求8所述的活化方法，其特征在于，所述置换操作包括保持电磁阀关闭状态，释放氮气源的氮气；
打开氢气供给装置、氢气循环装置和排氢阀，使用氮气置换掉氢气侧的空气；置换完成后将活化标志清零；关闭氮气源；执行后续开机流程。10.根据权利要求8所述的活化方法，其特征在于，置换掉电堆内残余的氢气进一步包括：打开氢气供给装置、氢气循环装置和排氢阀，置换电堆内残余氢气。

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统、车辆以及活化方法，所述系统包括电堆、氮气源、空气子系统和氢气子系统，电堆包括空气侧和氢气侧；空气子系统包括增湿器、第一节气门、第一消声器、第二节气门，增湿器包括空气路和废气路，空气路与空气侧进口连通，空气侧出口、废气路、第一节气门、第一消声器、第二节气门依次连通；氢气子系统包括氢气供给装置；氮气源、氢气供给装置、氢气侧进口依次连通；氢气侧具有排水出口，排水出口与第一消声器连通；本申请无需拆卸并放到测试台架上进行活化，直接在车辆上即可进行活化，提升效率；氮气源的氮气可以定期进行补充，补充一次氮气的时间只需要几分钟，大大降低活化的难度。度。度。


技术研发人员：盛有冬 赵兴旺 韩竹 王鹏
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：2022.01.17
技术公布日：2023/7/26