CN108258269A - 一种集成化的燃料电池气路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化的燃料电池气路系统，由阴极气室、膜电极组件、集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统、集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统、输入端阳极气路、输出端阳极气路和吹扫气路独立部分构成整个燃料电池的气路系统；阴极气室、膜电极组件、集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统、集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统构成吹扫气路的公共部分；输入端阳极气路、输出端阳极气路构成阳极气路系统；本发明通过集成化气路系统可以有效地减少了燃料电池的所需安装空间，同时实现燃料电池电附件共用，降低了燃料电池气体处理附件的损耗功率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池装置领域，涉及一种集成化的燃料电池气路系统。
背景技术
燃料电池作为一种清洁、高效的能量源，在近年来受到人们的广泛关注。其中应用最广泛的是质子交换膜燃料电池简称PEMFC，PEMFC使用氢气作为阳极燃料,使用空气作为阴极燃料。
当燃料电池工作时由于氢气的利用率并非100％，其余部分则以纯氢气或氢气与水蒸气等的混合气等形式作为尾气排放掉。其中一部分混合气会随着空气流出电堆，另一部分混合气会通过膜电极扩散到阴极，会导致液态水在催化层和气体扩散层积累，引起电极局部被水淹，影响燃料电池性能。
当燃料电池关机的时候，燃料电池阳极气室积存氢气，阴极气室积存空气，由于扩散作用，会出现阳极气体扩散进入阴极气室，阴极气体扩散进入阳极气室，这样，在燃料电池内，出现了氢气与氧气的混合，这种混合带来的负面效应主要由两方面，一方面在于在膜电极催化器表面发生氧化反应腐蚀电极，另一方面在于氢气为易燃易爆气体，氢气与氧气混合是威胁燃料电池安全的重要因素。
基于上述原因，燃料电池需要用氮气或者空气等惰性气体或空气对燃料电池内部进行吹扫处理以便及时除去气室内的氢气，防止造成安全隐患以及腐蚀电极等负面影响。
为了能够实现对气室内剩余气体的吹扫，往往需要增加一套管路系统及其附件，公开号为CN101150199，发明名称为“保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统”，该发明提出一种在线制备氮气的自生成氮气吹扫系统，能够实现燃料电池的吹扫；公开号为CN205600704U，发明名称为“燃料电池排氢系统”，该发明引入一个氢气循环泵，被设置在燃料电池的燃料电池堆阳极的尾气出口与燃料电池堆阳极的氢气入口之间，可以将燃料电池堆阳极尾气泵入至燃料电池堆阳极的氢气入口，单向阀可以将氢气循环泵和燃料电池堆阳极的氢气入口之间的气路导向至燃料电池堆阳极的氢气入口，可以有效避免脉冲排氢时出现的氢气回流问题。在燃料电池吹扫气路的问题上，上述专利均配置了用于吹扫气体的管路，为实现相应的功能如制备吹扫气体和处理吹扫气体，还需要在增加的吹扫气体的管路中设置各种附件，增加的吹扫气路和这些附件会让燃料电池的结构更加复杂，会增加安装空间。公开号为CN103268949A，发明名称为“一种燃料电池消氢装置”，该发明通过在扩散漏斗的小端与尾排氢气进口管相连，扩散漏斗壁上均匀布置有扩散孔，以及催化室内设多孔催化器和冷却喷头的措施，可以有效降低氢气浓度，且实现了较好的散热，降低了发生燃烧、爆炸等安全隐患的可能性。
虽然上述专利均实现了对氢气的吹扫，或者降低了燃料电池装置内的氢气浓度，但是不可避免的是，均增加一套复杂的吹扫管路系统以及增加了一系列的气体处理附件，这些气路和附件一方面对增加安装空间，另一方面，增加的气体处理附件会增加能耗。当燃料电池用于汽车，尤其是在没有足够的安装空间的情况下，这种为吹扫气体单独设置一套气路系统的方法往往具有一定的局限性。因此需要开发一种具有较小空间需求与较少的气体与气体处理附件消耗的吹扫气路装置来满足燃料电池在汽车上的更广泛应用。
发明内容
本发明提供一种集成化的燃料电池气路系统，具有较小安装空间需求与降低气体处理附件能耗的吹扫气路装置来满足燃料电池在汽车上的更广泛应用。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种集成化的燃料电池气路系统，包括一个由阳极气室、膜电极阳极、电解质、膜电极阴极以及阴极气室组成的燃料电池，其特征在于：
还包括集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统，由水分调节器、热交换器、压缩机和阴极气体入口通过管路连接组成；阴极气体入口通过管路与阴极入口截止阀的入口连接，阴极入口截止阀的出口通过管路接入压缩机的一个进气口，压缩机的出气口通过管路与热交换器进口相连，热交换器的出口通过管路与水分调节器进口相连，水分调节器的出口通过管路接入燃料电池的阴极气室的进气口；
还包括集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统，由气水分离器和尾气出口通过管路连接构成，燃料电池的阴极气室的出气口通过管路接入气水分离器入口，气水分离器的一个出口通过管路与尾气出口相连；气水分离器的另一个出口通过管路与一个阴极回路止回阀的入口连接，阴极回路止回阀的出口通过管路与压缩机另一个进气口连接；
还包括吹扫气体入口，吹扫气路入口通过管路与一个吹扫气路止回阀的进气口连接，吹扫气体止回阀的出口通过管路接入燃料电池的阳极气室的吹扫气路入口；吹扫气路入口和吹扫气体止回阀形成吹扫气路的独立部分，阳极气室吹扫气路出口通过管路a连接至压缩机与阴极入口截止阀出口之间的管路上，管路a为吹扫气路独立部分过渡段；
还包括一个阳极气体瓶，阳极气体瓶的出气口通过管路连接一个流量调节阀的入口，流量调节阀的出口通过管路连接阳极气室的阳极气室入口，阳极气室的阳极气室出口通过管路连接到一个阳极回路止回阀的入口，阳极气路止回阀的出口通过管路连接到流量调节阀的出口与阳极气室的阳极气室入口之间的管路上。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
针对汽车用的燃料电池装置，通过整体优化燃料电池装置阴极气路系统和吹扫气路系统，有效地减少了燃料电池的所需安装空间；通过集成化气路系统可以实现燃料电池电附件共用，降低了燃料电池气体处理附件的损耗功率。具体描述如下：
1、本专利创造性地将吹扫气路与阴极气路进行了集成，吹扫气路的独立部分仅包括阴极气室、质子交换膜、集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统、集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统构成吹扫气路的公共部分，这样不需要额外整体配置吹扫气路而是采用集成气路系统的方法可以有效降低燃料电池的安装空间；
2、吹扫气路独立部分的过渡段末端延伸至集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统，吹扫气体由吹扫气路独立部分的过渡段引入集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统，经集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统，从阴极气体出口排出，可以实现不需要为吹扫气路公共部分设置单独的吹扫气体入口和出口，入口的过滤器也不需要单独配置，进一步降低了车载燃料电池的安装空间；
3、吹扫气路路径独立部分的过渡段与集成部分吹扫气路的管路分开布置，可以保证集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统可以仅处理阴极气体而不处理吹扫气体，相比于既处理阴极气体也处理吹扫气体的情况，燃料电池电附件包括用于温度调节的热交换器和水分调节器可以设计的较小，即降低了车载燃料电池的安装空间，同时降低了水分调节器和热交换器的功率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种集成化的燃料电池气路系统的结构示意图；
图中：1.燃料电池2.流量调节阀3.阳极回路止回阀4.吹扫气体止回阀5.阳极气体瓶6.吹扫气体入口7.阳极气室8.阴极气室9.膜电极阳极10.膜电极阴极11.电解质12.阴极入口截止阀13.阴极气体入口14.阴极回路止回阀15.压缩机16.热交换器17.水分调节器18.尾气出口19.气水分离器
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
一种集成化的燃料电池气路系统，包括一个由阳极气室7、膜电极阳极9、电解质11、膜电极阴极10以及阴极气室8组成的燃料电池1，
还包括集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统，由水分调节器17、热交换器16、压缩机15、阴极入口截止阀12和阴极气体入口13构成；阴极气体入口13通过管路与阴极入口截止阀12的入口连接，阴极入口截止阀12的出口通过管路接入压缩机15的一个进气口，压缩机15的出气口通过管路与热交换器16进口相连，热交换器16的出口通过管路与水分调节器17进口相连，水分调节器17的出口通过管路接入燃料电池1的阴极气室8的进气口；
还包括集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统，由气水分离器19和尾气出口18通过管路连接构成，燃料电池1的阴极气室8的出气口通过管路接入气水分离器19入口，气水分离器19的一个出口通过管路与尾气出口18相连；气水分离器19的另一个出口通过管路与一个阴极回路止回阀14的入口连接，阴极回路止回阀14的出口通过管路与压缩机15另一个进气口连接；
集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统和集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统构成吹扫气路的公共部分；
吹扫气路的独立部分，包括吹扫气体入口6和吹扫气体止回阀4，吹扫气路入口6通过管路与一个吹扫气路止回阀4的入口连接，吹扫气体止回阀4的出气口通过管路接入燃料电池1的阳极气室7的吹扫气路入口，阳极气室7吹扫气路出口通过管路a连接至压缩机15与阴极入口截止阀12出口之间的管路上，管路a构成吹扫气路独立部分过渡段；
阳极气体瓶5的出气口通过管路连接一个流量调节阀2的入口，流量调节阀2的出口通过管路连接阳极气室7的阳极气室入口，阳极气室7的阳极气室出口通过管路连接到一个阳极回路止回阀3的入口，阳极气路止回阀3的出口通过管路连接到流量调节阀2的出口与阳极气室7的阳极气室入口之间的管路上。
当燃料电池工作时，本系统工作模式为阴极气路+阳极气路模式，燃料电池处于工作状态，根据输出功率大小决定流量调节阀2的开度，吹扫气体止回阀4处于断路状态，阳极回路止回阀3、阴极入口截止阀12和阴极回路止回阀14均处于通路状态。在阳极一侧，阳极气体进入阳极气室7，为反应提供阳极气体，多余的阳极气体从阳极气路输出管路排出并返回到输入端阳极管路；在阴极一侧，阴极气体通过带有过滤器的阴极气体入口13通过集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统进入到阴极气室8，多余的阴极气体及水蒸气从集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统排出，阴极气体及水蒸气在集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统中由气水分离器19分离出来的阴极气体通过压缩机再次进入阴极气路管道输入端，实现阴极气体的循环利用。
当燃料电池电池关机时，工作模式为吹扫气路模式，燃料电池不对外输出功率，流量调节阀2处于完全闭合状态，阴极入口截止阀12处于断路状态，阴极回路止回阀14处于断路状态，此时阳极气体不再进入阳极气室7，阴极气体不再进入阴极气室8，但是阳极气室依然存在阳极气体，阴极气室依然存在阴极气体，因此需要进行吹扫处理，吹扫气体止回阀4处于通路状态，吹扫气体通过吹扫气体入口6进入阳极气室对阳极7进行吹扫，吹扫气体从阳极气室7出来后经过吹扫气路独立部分的过渡段汇入集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统，进而进入阴极气室8，实现对阴极气室8的吹扫，吹扫气体从阴极气室8出来后通过阴极气路管道输出管路进而排出实现一次吹扫循环，循环以上过程，直至吹扫结束。
Claims (1)
1.一种集成化的燃料电池气路系统，包括一个由阳极气室(7)、膜电极阳极(9)、电解质(11)、膜电极阴极(10)以及阴极气室(8)组成的燃料电池(1)，其特征在于：
还包括集成部分吹扫气路的输入端阴极气路系统，由水分调节器(17)、热交换器(16)、压缩机(15)和阴极气体入口(13)通过管路连接组成；阴极气体入口(13)通过管路与阴极入口截止阀(12)的入口连接，阴极入口截止阀(12)的出口通过管路接入压缩机(15)的一个进气口，压缩机(15)的出气口通过管路与热交换器(16)进口相连，热交换器(16)的出口通过管路与水分调节器(17)进口相连，水分调节器(17)的出口通过管路接入燃料电池(1)的阴极气室(8)的进气口；
还包括集成部分吹扫气路的输出端阴极气路系统，由气水分离器(19)和尾气出口(18)通过管路连接构成，燃料电池(1)的阴极气室(8)的出气口通过管路接入气水分离器(19)入口，气水分离器(19)的一个出口通过管路与尾气出口(18)相连；气水分离器(19)的另一个出口通过管路与一个阴极回路止回阀(14)的入口连接，阴极回路止回阀(14)的出口通过管路与压缩机(15)另一个进气口连接；
还包括吹扫气体入口(6)，吹扫气路入口(6)通过管路与一个吹扫气路止回阀(4)的进气口连接，吹扫气体止回阀(4)的出口通过管路接入燃料电池(1)的阳极气室(7)的吹扫气路入口；吹扫气路入口(6)和吹扫气体止回阀(4)形成吹扫气路的独立部分，阳极气室(7)吹扫气路出口通过管路a连接至压缩机(15)与阴极入口截止阀(12)出口之间的管路上，管路a为吹扫气路独立部分过渡段；
还包括一个阳极气体瓶(5)，阳极气体瓶(5)的出气口通过管路连接一个流量调节阀(2)的入口，流量调节阀(2)的出口通过管路连接阳极气室(7)的阳极气室入口，阳极气室(7)的阳极气室出口通过管路连接到一个阳极回路止回阀(3)的入口，阳极气路止回阀(3)的出口通过管路连接到流量调节阀(2)的出口与阳极气室(7)的阳极气室入口之间的管路上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180706 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |