CN101150199A - 保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统 - Google Patents

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Abstract

保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，包括燃料电池及其空气供给系统和氢气供给系统，自生成氮气吹扫系统中还包括一个空气脱氧罐，空气脱氧罐分别与氢气供给系统、空气供给系统和燃料电池相连接，本发明的有益效果是：当燃料电池停止工作是，燃料电池堆的氢气气室内的残留氢气被氮气置换，防止了燃料电池被腐蚀，提高了质子交换膜燃料电池的使用寿命；实现了在线制备氮气和吹扫的自动化；利用燃料电池尾排氢气对空气脱氧罐的脱氧剂进行再生，实现了能源的有效利用，成本低；吹扫系统的结构简单，操作方便，效率高，寿命长，适用性广，可广泛应用于质子交换膜燃料电池汽车发动机。

Description

保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及质子交换膜燃料电池的吹扫系统。
背景技术
汽车应用的质子交换膜燃料电池，经常出现启动、停车等非稳态操作，这种非稳态操作使汽车应用的质子交换膜燃料电池经常处于停止工作的状态，当燃料电池停止工作后，电池阳极气室内充满纯的氢气、阴极气室内充满空气，电池外电路已经断开，此时，燃料电池已经不进行正常的电化学反应。但是，此时，阳极气室内的氢气会在浓度差的作用下，通过膜慢慢扩散到阴极，另一方面，阴极气室内的空气也会通过尾排口和膜进入阳极气室，这样，在燃料电池内，就出现了氢气和氧气的混合，在膜电极上催化剂表面的氢氧气会发生化学反应腐蚀膜电极。另外，空气在通过尾排口进入燃料电池的瞬间还会在燃料电池内形成复杂的电化学体系，腐蚀膜电极和双极板。因此，在停车后需要利用氮气等惰性气体把燃料电池内的氢气吹扫置换掉。现有技术中，吹扫置换燃料电池内氢气的做法通常是采用地面或车载的氮气对燃料电池进行吹扫。现有技术的不足是：地面或车载的氮气气源需要经常更换氮气瓶或对氮气瓶充氮，使用很不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，利用脱氧剂在线制备氮气，利用氮气吹扫燃料电池氢气室，并在线再生脱氧剂。本发明的技术方案是：保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，包括燃料电池及其空气供给系统和氢气供给系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统中还包括一个空气脱氧罐，空气脱氧罐通过通道分别与氢气供给系统、空气供给系统和燃料
电池相连接，
本发明的保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统中空气脱氧罐与氢气供给系统的连接是将氢气尾排部分与空气脱氧罐的脱氧剂入口连接，空气脱氧罐与空气供给系统的连接是将空气尾排部分与空气脱氧罐的空气入口连接，空气脱氧罐与燃料电池的连接是将空气脱氧罐的氮气出口与燃料电池的氢气入口连接，
本发明的保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统中的空气脱氧罐内装有给脱氧剂加热的电加热和温度控制装置，
本发明的保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统的工作程序包括：
1)燃料电池停止工作时，开启空气控制阀，燃料电池的空气供给系统的空气尾排的空气通过空气控制阀向空气脱氧罐输送空气；
2)空气脱氧罐内，在脱氧剂的作用下，空气中的氧气被脱出，得到氮气浓度为98％的氮气经燃料电池的氢气入口进入燃料电池的阳极气室，置换出阳极气室内的氢气，使停机后的燃料电池阳极气室内充满氮气；
3)当燃料电池恢复工作后，接通空气脱氧罐内给脱氧剂加热的电加热装置和温度控制装置的电源，给脱氧剂加热，开启再生控
制阀，氢气供给系统的尾排氢气通过再生控制阀进入空气脱氧罐对脱氧剂进行再生，为下一次吹扫做准备。
本发明的有益效果是：
1、经过吹扫，使燃料电池堆内氢气气室内的残留氢气被氮气置换，防止了在催化剂的作用下氢氧电化学反应的发生，从而可有效的防止燃料电池膜电极(MEA)及双极板被腐蚀，大大提高了质子交换膜燃料电池的使用寿命。
2、本发明实现了在线制备氮气，使燃料电池吹扫不必频繁的更换氮气瓶或者频繁的对氮气瓶充气，使吹扫系统自成体系，实现吹扫的自动化；
3、利用燃料电池尾排氢气对空气脱氧罐的脱氧剂进行再生，实现了能源的有效利用，并可降低成本。
4、本发明仅在原质子交换膜燃料电池系统的基础上，增加自生成氮气吹扫系统，吹扫系统的结构简单，效率高，寿命长。
5、本发明的自生成氮气吹扫系统，工作过程操作方便，容易掌握。本发明适用性广，可广泛应用于质子交换膜燃料电池汽车发动机。
附图说明
本发明有附图1幅，为本发明的自生成氮气吹扫系统图。
附图中，1、脱氧罐  2、脱氧罐电加热装置接线端  3、吹扫控制阀 4、风机  5、空气控制阀 6、空气滤清器 7、风机控制器 8、燃料电池 9、再生控制阀10、氢气入口控制阀  11、氢气尾排控制阀  12、氢气尾排  13、氢气入口  14、空气脱氧罐排放口  15、空气尾排
具体实施方式
下面将结合附图的实施例对本发明作进一步说明。
空气脱氧罐1的脱氧剂再生入口与氢气尾排部分用通道通过再生控制阀9连接，再生控制阀9连接在氢气尾排阀11的前端，空气脱氧罐1的空气入口与空气尾排15部分用通道通过空气控制阀5连接，空气脱氧罐的氮气出口用通道通过吹扫控制阀3与燃料电池8的氢气入口连接，空气脱氧罐内给脱氧剂加热的电加热和温度控制装置的接线端2与燃料电池8的输出通过导线连接。
本实施例吹扫的工作程序如下：
在燃料电池停止工作时，开启空气控制阀，使燃料电池的空气供给系统的空气尾排的空气通过空气控制阀向脱氧罐输送，脱氧罐内，脱氧剂在一定的温度下将空气中的氧气脱出，得到浓度为98％的氮气，经燃料电池的氢气入口进入燃料电池(8)的阳极气室，置换出阳极气室内的氢气，使停机后的燃料电池阳极气室内充满氮气；脱氧的过程是连续的，直至达到需要的氮气量。
当燃料电池恢复工作状态后，开启再生控制阀，使燃料电池尾排的氢气通过再生控制阀和空气脱氧罐的脱氧剂再生入口进入空气脱氧罐，对脱氧剂进行再生。再生时，将燃料电池8的输出与空气脱氧罐内的电加热和温度控制装置接通，利用燃料电池输出的电能对脱氧剂加热，把脱氧剂加热到需要的温度，一般为200-300度。同时，开启空气控制阀，使燃料电池尾排的空气通过控制阀进入空气脱氧罐，进行再次脱氧，为下一次吹扫做准备。
以一台净输出功率为50kW的轿车燃料电池发动机为例，以吹扫一次，再生一次脱氧剂的方式计算，其氢气室的空间体积约为5升，通常情况下，5倍的氢气室空间体积的氮气即可置换掉气室内99％的氢气，就可以达到吹扫要求，即完成一次吹扫需要氮气的体积为25升，吹扫时间应小于30秒。因此需要空气脱氧罐一次至少可以制得98％氮气25升。按空气中氮气体积浓度近似为80％计算，在30秒内通过装在空气脱氧罐内的脱氧剂的空气为31.3升，即每分钟通过空气为62.3升。如果不采用吹扫一次，再生一次脱氧剂的方式，空气脱氧罐的体积还可以大，可以根据具体情况优化。

Claims (4)

1.保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，包括燃料电池及其空气供给系统和氢气供给系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统中还包括一个空气脱氧罐(1)，空气脱氧罐(1)通过通道分别与氢气供给系统、空气供给系统和燃料电池(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统中空气脱氧罐(1)与氢气供给系统的连接是将氢气尾排部分与空气脱氧罐的脱氧剂再生入口连接，空气脱氧罐(1)与空气供给系统的连接是将空气尾排部分与空气脱氧罐的空气入口连接，空气脱氧罐(1)与燃料电池(8)的连接是将空气脱氧罐的氮气出口与燃料电池的氢气入口连接。
3.根据权利要求2所述的保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统中的空气脱氧罐内装有给脱氧剂加热的电加热装置和温度控制装置。
4.根据权利要求1所述的保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，其特征在于所述的自生成氮气吹扫系统的工作程序包括：
1)燃料电池(8)停止工作时，开启空气控制阀(5)，燃料电池的空气供给系统的空气尾排的空气通过空气控制阀(5)向空气脱氧罐(1)输送空气；
2)空气脱氧罐(1)内，在脱氧剂的作用下，空气中的氧气被脱出，得到氮气浓度为98％的氮气经燃料电池的氢气入口进入燃料电池(8)的阳极气室，置换出阳极气室内的氢气，使停机后的燃料电池阳极气室内充满氮气；
3)当燃料电池(8)恢复工作后，接通空气脱氧罐内给脱氧剂加热的电加热装置和温度控制装置的电源，给脱氧剂加热，开启再生控制阀(9)，氢气供给系统的尾排氢气通过再生控制阀(9)进入空气脱氧罐(1)对脱氧剂进行再生，为下一次吹扫做准备。
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