CN108598528A - 燃料电池阴极系统、吹扫系统、燃料电池的阴极吹扫方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池装置，公开了一种燃料电池阴极系统、其吹扫系统、燃料电池的阴极吹扫方法，吹扫系统包括吹扫回路，所述吹扫回路包括相互连通的气液分离器和空气循环泵，所述吹扫回路的一端连通于所述燃料电池堆的阴极出口，另一端连通于所述燃料电池堆的阴极入口。利用吹扫回路能够利用阴极的反应气体对阴极的水进行循环吹扫，不仅能够快速吹扫电堆中的水，且能避免燃料电池高电压造成的阴极腐蚀损坏。

Description

燃料电池阴极系统、吹扫系统、燃料电池的阴极吹扫方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池装置，特别是涉及一种燃料电池阴极系统、吹扫系统、燃料电池的阴极吹扫方法。

背景技术

燃料电池在发电过程中，在阴极会产生大量的水的堆积，因此在关机时需要对反应流道中的水进行吹扫，以保证下次启动的顺利进行。特别当环境温度低于零度时，残留在流道和电极中的水由于结冰相变，发生体积膨胀，对电池造成永久性的破坏，因此关机吹扫是保证系统正常工作，尤其是当环境温度低于零度时的系统正常工作的必要条件。

目前阴极吹扫主要有以下几种方式：1、关机前用空气直接吹扫； 2、用阳极氢气吹扫阴极；3、外接氮气进行吹扫，但均存在一定的缺点。当采用方式1时，关机后，如果采用大流量空气流速吹扫，燃料电池电压较高，会导致腐蚀产生，降低燃料电池的性能与寿命，如果采用小流量空气流速，则需要较长的吹扫时间；当采用方式2时，会导致氢气与空气的混合，对安全不利，同时降低氢气的利用率；当采用方式3时，需要重新接入氮气，增加相应的氮气供应系统，因此增大整个系统的体积和重量，增加成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种燃料电池阴极系统、其吹扫系统、燃料电池的阴极吹扫方法，能够解决燃料电池阴极吹扫过程中的时间长和高电压腐蚀等技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种吹扫系统，用于吹扫燃料电池堆的阴极，所述吹扫系统包括吹扫回路，所述吹扫回路包括相互连通的气液分离器和空气循环泵，所述吹扫回路的一端连通于所述燃料电池堆的阴极出口，另一端连通于所述燃料电池堆的阴极入口。

作为优选方案，所述气液分离器的进口连通于所述燃料电池堆的阴极出口，所述气液分离器的出口连通所述空气循环泵的进口，所述空气循环泵的出口连通于所述燃料电池堆的阴极入口。

同样的目的，本发明还提供一种燃料电池阴极系统，包括阴极回路和如上任一项所述的吹扫系统，所述阴极回路包括空气压缩机、燃料电池堆、排出管，所述空气压缩机连通于所述燃料电池堆的阴极入口，所述排出管的一端连通所述燃料电池堆的阴极出口，另一端与外部环境连通。

作为优选方案，所述燃料电池阴极系统还包括第一三通切换阀和第二三通切换阀，所述第一三通切换阀分别连通所述空气压缩机的出口、所述吹扫回路的一端、所述燃料电池堆的阴极入口，所述第二三通切换阀分别连通所述燃料电池的阴极出口、所述排出管的入口、所述吹扫回路的另一端。

作为优选方案，所述空气压缩机和所述第一三通切换阀之间还连通有减压阀。

同样地，本发明还提供一种燃料电池的阴极吹扫方法，其基于上述任一项所述的燃料电池阴极系统，具体步骤为：具体步骤为：燃料电池停机吹扫时，阴极回路关闭且吹扫回路开启，空气压缩机停止运行，燃料电池堆的阴极的反应气体流出至所述吹扫回路的所述气液分离器和所述空气循环泵，所述气液分离器将气体和水分离，分离后的水直接排出，分离后的气体重新输入至阴极对其上的水进行吹扫，之后反应气体连同水再次输入至所述吹扫回路，以此循环以对阴极上的水进行吹扫。

作为优选方案，一种燃料电池的阴极吹扫方法的具体步骤为：

燃料电池正常运行时，所述空气压缩机启动，所述第一三通切换阀和所述第二三通切换阀控制所述吹扫回路关闭并使所述阴极回路开启，空气通过空气压缩机给燃料电池堆的阴极供气，燃料电池堆的阴极的反应气体通过所述排出管排出外部环境；

燃料电池停机时，所述空气压缩机关闭，所述第一三通切换阀和所述第二三通切换阀控制所述吹扫回路开启并使所述阴极回路关闭，进入吹扫程序，燃料电池堆的阴极的反应气体吹扫阴极并连同水一起排放至气液分离器，气液分离器对水和气体进行分离，水从气液分离器的排水管路排出，气体则进入空气泵后重新进入燃料电池堆的阴极，吹扫燃料电池的阴极的水，并排放至吹扫回路，以此循环以对阴极上的水进行吹扫。

本发明提供一种燃料电池阴极系统、其吹扫系统和一种燃料电池的阴极吹扫方法，利用燃料电池堆的阴极的反应气体对阴极上的水分进行循环吹扫，吹扫系统包括吹扫回路，吹扫回路包括相互连通的气液分离器和空气循环泵，吹扫回路的进口和出口分别连通燃料电池堆的阴极出口和阴极入口，燃料电池停机后，能够将阴极的反应气体经吹扫回路回收后继续流入阴极，对阴极的水进行循环吹扫，反应气体带动水一起流入吹扫回路，且水和反应气体在气液分离器中分离，气体循环流入燃料电池堆的阴极吹扫；能够利用阴极的反应气体，对阴极的水进行循环吹扫，反应气体在循环吹扫过程中，由于内部反应消耗其中的氧气，使氧气含量降低，从而降低燃料电池电压，避免了燃料电池高电压造成的腐蚀问题。

附图说明

图1是本发明一种优选实施例的吹扫系统的结构示意图；

图中，10、吹扫回路；11、气液分离器；12、空气循环泵；20、阴极回路；21、空气压缩机；22、燃料电池堆；23、排放管；24、减压阀；30、第一三通切换阀；40、第二三通切换阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

如图1所示，本发明优选实施例的一种吹扫系统，用于吹扫燃料电池堆的阴极，其包括吹扫回路10，所述吹扫回路10包括相互连通的气液分离器11和空气循环泵12，具体地，所述气液分离器11的进口连通所述燃料电池堆22的阴极出口，所述气液分离器11的出口连通所述空气循环泵12的入口，所述空气循环泵12的出口连通所述燃料电池堆22的阴极入口；或者，所述空气循环泵12的入口连通所述燃料电池堆22的阴极出口，所述空气循环泵12的出口连通所述气液分离泵11的出口，所述气液分离器11的出口连通所述燃料电池堆22的阴极入口。燃料电池停机后，阴极的反应气体通过阴极出口流入吹扫回路10后，再次输入至燃料电池堆22的阴极以吹扫阴极上的水，并将水一起带出至吹扫回路10，并经除水和加动力之后再次流回阴极，再次吹扫阴极的水分，以此利用燃料电池堆22的阴极的反应气体对阴极上的水分进行循环吹扫；由于阴极的空气经阴极后反应消耗氧气使氧气含量降低，且由于不断地循环反应，反应气体中的氧气不断消耗，导致浓度逐渐降低，从而能够降低电池的电压，避免因高压导致的阴极腐蚀问题；另外，由于循环气体的气流速度基本保持不变，从而也能够快速对阴极排水。

基于上述技术方案，本实施例中提供一种吹扫系统，所述气液分离器11的进口连通于所述燃料电池堆22的阴极出口，所述气液分离器11的出口连通所述空气循环泵12的进口，所述空气循环泵12的出口连通于所述燃料电池堆20的阴极入口，将过滤的装置设置在空气循环泵 12之前，能够将阴极排出的水分先过滤掉，再流经空气循环泵12，避免了液体对空气循环泵12的损耗。示例性地，所述气液分离器11分离后的水可通过管路排出于外部环境中。

同样地目的，本发明另一实施例还提供一种燃料电池阴极系统，其包括阴极回路20和如上任一项所述的吹扫系统，所述阴极回路20 包括空气压缩机21、燃料电池堆22、排出管23，所述空气压缩机21 连通于所述燃料电池堆22的阴极入口，所述排出管23的一端连通所述燃料电池堆20的阴极出口，另一端连通于外部环境。燃料电阴极系统包括两条回路，即阴极回路20和吹扫回路10，吹扫回路10并联于燃料电池堆22的阴极入口和阴极出口，当控制阴极回路20关闭且吹扫回路 10开启使，能够启动吹扫程序，阴极的反应气体通过吹扫回路10再次进入燃料电池堆22，对阴极的水进行循环吹扫，能够实现对燃料电池的阴极水分的水扫，不会造成阴极的腐蚀损坏。

具体地，本实施例中，所述燃料电池阴极系统还包括第一三通切换阀30和第二三通切换阀40，所述第一三通切换阀30分别连通所述空气压缩机21的出口、所述吹扫回路10的一端、所述燃料电池堆22的阴极入口，所述第二三通切换阀40分别连通所述燃料电池堆22的阴极出口、所述排出管23的入口、所述吹扫回路10的另一端。第一三通切换阀30和第二三通切换阀40均可避免吹扫回路10和阴极回路20之间的干涉，且同时控制吹扫回路10和阴极回路20的开启和关闭，当燃料电池运行时，利用第一三通切换阀30和第二三通切换阀40控制吹扫回路 10的关闭，空气经空气压缩机21、第一三通切换阀30进入阴极入口，经放电反应后，反应气体分别经过燃料电池堆22的阴极出口、第二三通切换阀40、排放管23排出；当燃料电池关机吹扫时，第一三通切换阀30、第二三通切换阀40控制使吹扫回路10和燃料电池堆22组成封闭的线路，反应气体从阴极出口流出，经第二三通切换阀40、气液分离器11、空气循环泵12后再流回阴极入口进行反应，再次反应后的反应气体连同水再循环至吹扫回路10，如此循环，完成对阴极的水的吹扫。

本实施例中，为了控制供气时的压力，在空气压缩机21和第一三通切换阀30之间还连通有减压阀24。

本发明的又一实施例中还提供一种燃料电池的阴极吹扫方法，其具有以下步骤：燃料电池停机时，阴极回路20关闭且吹扫回路20开启，空气压缩机21停止运行，燃料电池堆22的阴极的反应气体流出至所述吹扫回路10的所述气液分离器11和所述空气循环泵12，所述气液分离器11将气体和水分离，分离后的水直接排出，分离后的气体重新输入至阴极对其上的水进行吹扫，之后反应气体连同水再次输入至所述吹扫回路10，以此循环以对阴极上的水进行吹扫。通过在燃料电池堆22 的阴极入口和阴极出口并联吹扫回路10，能够循环利用阴极的反应气体对阴极的水进行吹扫，避免了阴极的高电压腐蚀，且吹扫效率高。示例性地，上述各部件之间的连通根据不同的位置布置关系采用不同长度的气管连通。

具体地，所述燃料电池的阴极吹扫方法包括以下步骤：

燃料电池运行时，所述空气压缩机21启动，所述第一三通切换阀 30和所述第二三通切换阀40控制所述吹扫回路10关闭且使所述阴极回路20开启，空气通过空气压缩机21给燃料电池堆22的阴极供气，空气经放电反应后，燃料电池堆22的阴极的反应气体通过所述排出管23 排出至外部环境；

燃料电池停机时，所述第一三通切换阀30和所述第二三通切换阀 40控制所述吹扫回路10开启并使所述阴极回路20关闭，所述空气压缩机21关闭，进入吹扫程序，燃料电池堆22的阴极的反应气体吹扫阴极并将水一起排放至气液分离器11，气液分离器11对水和气体进行分离，水从气液分离器11的排水管路排出，气体则进入空气循环泵12后重新进入燃料电池堆22的阴极，吹扫燃料电池的阴极的水，并排放至气液分离器11，如此循环。通过所述第一三通切换阀30和第二三通切换阀 40的切换，分别构建阴极反应线路和吹扫线路，在吹扫过程中，能够循环利用阴极的反应气体吹扫阴极的水，反应气体中的氧气经循环至阴极后，由于系统内部消耗，反应气体中的氧气浓度越来越低，降低了燃料电池的电压，因此避免了对阴极的高电压腐蚀损害，且吹扫气体的流速保持不变，可快速吹扫阴极侧的水。

综上，本发明实施例提供一种燃料电池阴极系统、其吹扫系统和一种燃料电池的阴极吹扫方法，吹扫系统包括相互连通的气液分离器 11和空气循环泵12，且其两端分别与燃料电池堆22的阴极入口和阴极出口连通，在燃料电池停止运行时，构成封闭的吹扫线路，能够将阴极的反应气体进行循环利用以吹扫阴极侧的水，不仅能够保持一定的流速使吹扫高速，且由于反应气体在阴极侧的放电反应能够持续消耗氧气使氧气浓度降低，避免了阴极的高电压腐蚀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种吹扫系统，用于吹扫燃料电池堆的阴极，其特征在于，所述吹扫系统包括吹扫回路，所述吹扫回路包括相互连通的气液分离器和空气循环泵，所述吹扫回路的一端连通于所述燃料电池堆的阴极出口，另一端连通于所述燃料电池堆的阴极入口。

2.如权利要求1所述的吹扫系统，其特征在于，所述气液分离器的进口连通所述燃料电池堆的阴极出口，所述气液分离器的出口连通所述空气循环泵的进口，所述空气循环泵的出口连通所述燃料电池堆的阴极入口。

3.一种燃料电池阴极系统，其特征在于，包括阴极回路和如权利要求1或2所述的吹扫系统，所述阴极回路包括空气压缩机、燃料电池堆、排出管，所述空气压缩机连通于所述燃料电池堆的阴极入口，所述排出管的一端连通所述燃料电池堆的阴极出口，另一端与外部环境连通。

4.如权利要求3所述的燃料电池阴极系统，其特征在于，还包括第一三通切换阀和第二三通切换阀，所述第一三通切换阀分别连通所述空气压缩机的出口、所述吹扫回路的一端、所述燃料电池堆的阴极入口，所述第二三通切换阀分别连通所述燃料电池的阴极出口、所述排出管的入口、所述吹扫回路的另一端。

5.如权利要求4所述的燃料电池阴极系统，其特征在于，所述空气压缩机和所述第一三通切换阀之间还连通有减压阀。

6.一种燃料电池的阴极吹扫方法，其特征在于，基于如权利要求3-5中任一项所述的燃料电池阴极系统，具体步骤为：燃料电池停机时，阴极回路关闭且吹扫回路开启，空气压缩机停止运行，燃料电池堆的阴极的反应气体流出至所述吹扫回路的所述气液分离器和所述空气循环泵，所述气液分离器将气体和水分离，分离后的水直接排出，分离后的气体重新输入至阴极对其上的水进行吹扫，之后反应气体连同水再次输入至所述吹扫回路，以此循环以对阴极上的水进行吹扫。

7.一种如权利要求6所述的燃料电池的阴极吹扫方法，其特征在于，具体步骤为：

燃料电池运行时，所述空气压缩机启动，所述第一三通切换阀和所述第二三通切换阀控制所述吹扫回路关闭并使所述阴极回路开启，空气通过空气压缩机给燃料电池堆的阴极供气，燃料电池堆的阴极的反应气体通过所述排出管排出外部环境；

燃料电池停机时，所述空气压缩机关闭，所述第一三通切换阀和所述第二三通切换阀控制所述吹扫回路开启并使所述阴极回路关闭，进入吹扫程序，燃料电池堆的阴极的反应气体吹扫阴极并连同水一起排放至气液分离器，气液分离器对水和气体进行分离，水从气液分离器的排水管路排出，气体则进入空气泵后重新进入燃料电池堆的阴极，吹扫燃料电池的阴极的水，并排放至吹扫回路，以此循环以对阴极上的水进行吹扫。