CN110137536A - 一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置及吹扫方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置及吹扫方法，它解决了现有技术中燃料电池吹扫存在氢气浪费的问题，具有保证燃料电池电堆性能稳定输出的有益效果，其方案如下：一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，包括氮气吹扫系统：包括氮气罐，氮气罐同样能够与燃料电池电堆入口连接，燃料电池电堆出口能够与三通阀的入口连接，三通阀的出口分别与气液分离器、储液箱相通，气液分离器与引射器或循环泵连接；设于燃气循环系统的泄压阀，泄压阀入口能够与燃料电池电堆入口连接,泄压阀出口经储液箱通往外界环境。

Description

一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置及吹扫方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置及吹扫方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有绿色环保、能量密度高、发电效率高、启动速度快等优点，被认为是最具潜力的未来车用动力源之一。在实际应用中，由于单片PEMFC的输出功率较低，因此大多是通过多个单电池串联，以电池堆的形式满足用户对功率或者电压的需求。

PEMFC在停机时，要求电堆中不能存有液态水，否则在低温环境下结冰后很可能造成膜电极的破坏，大大降低燃料电池性能及使用寿命。对此当前的常见做法是在停机前对阳极直接利用氢气进行堆内吹扫，以排除液态水，但是这种做法却造成了氢气的浪费。此外，启动时燃料电池电堆经过预热后，堆内很可能仍然残存少量液态水，目前往往只关注停机吹扫，但启动前的吹扫却完全没有，这样容易影响到燃料电池电堆性能的稳定性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，有效解决吹扫过程中的氢气浪费问题，并保证燃料电池电堆性能稳定输出。

一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置的具体方案如下：

一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，包括：

氮气吹扫系统：包括氮气罐，氮气罐同样能够与燃料电池电堆入口连接，燃料电池电堆出口能够与三通阀的入口连接，三通阀的出口分别与气液分离器、储液箱相通，气液分离器与引射器或循环泵连接；

设于燃气循环系统的泄压阀，泄压阀入口能够与燃料电池电堆入口连接,泄压阀出口经储液箱通往外界环境。

上述的阳极吹扫装置，通过氮气吹扫系统的设置，能够有效对燃料电池电堆进行吹扫，将液态水带出燃料电池系统，避免燃气的浪费，且通过泄压阀的设置，避免进入燃料电池电堆的气体压力过高。

进一步地，所述泄压阀是电磁阀，当第一电磁阀或第二电磁阀监测到气体压力过高时，该泄压阀开启，将气体压力及时释放，防止进入燃料电池电堆的气体压力过高，损坏燃料电池电堆，起到过载保护的作用。

进一步地，所述引射器或循环泵与燃气罐连接，燃气罐和引射器或循环泵之间还设有第一电磁阀、第一减压阀、第一流量计和压力传感器。

进一步地，所述引射器或循环泵与燃料电池电堆之间还设有第一温压湿一体传感器，通过第一温压湿一体传感器获取燃料电池电堆入口处的温度、压力和湿度，以对开启或关闭氮气吹扫系统提供依据。

进一步地，所述氮气吹扫系统还包括设于所述氮气罐和所述第一温压湿一体传感器之间的第二电磁阀、第二减压阀和第二流量计，第二电磁阀、第二减压阀和第二流量计可依次连接或按照其他顺序进行设置。

进一步地，所述燃料电池冷启动阳极吹扫装置还包括能够设于所述燃料电池电堆出口的第二温压湿一体传感器，第二温压湿一体传感器与所述的三通阀入口连接，第二温压湿一体传感器用于获取燃料电池电堆出口处的温度、压力和湿度。

进一步地，所述气液分离器和储液箱之间设有第三电磁阀，所述储液箱对于吹扫出来的气液混合物起到一定的水气分离作用。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种燃料电池冷启动阳极吹扫方法，该方法中进一步优化吹扫策略，对燃料电池启动前同样进行吹扫，去除残存的液态水，保证燃料电池电堆性能的稳定输出。

一种燃料电池冷启动阳极吹扫方法，采用任一项所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置。

进一步地，吹扫方法包括如下内容：

当燃料电池停机时，此时本轮氢气循环系统关闭，氮气吹扫系统开启，氮气对燃料电池电堆进行吹扫，三通阀与储液箱连通以通过储液箱回收液态水，氮气和燃料电池电堆内残余的氢气流经储液箱后排至外界环境，氮气吹扫系统结束后，三通阀与气液分离器连通；此时下一轮氢气循环系统开启，电池正常工作期间从燃料电池电堆排出的过量氢气流经气液分离器后送入氢气循环系统中再次利用；

当燃料电池启动时，首先通过燃料电池散热系统的冷却水对燃料电池电堆进行加热，当冷却水温度达到设定值时，开启氮气吹扫系统。

进一步地，吹扫方法还包括如下内容：

在燃料电池启动时，当冷却水温度达到5-15℃以上时，开启氮气吹扫系统，这种做法的原因是此时燃料电池电堆内由于低温造成的结冰(残余的液态水形成)已基本重新融化为液态水，便于吹扫过程中的氮气将液态水带出燃料电池电堆；

或者，燃料电池启动时，当氮气吹扫系统吹扫时间达到1～2min 时，氮气吹扫系统关闭，此时燃料电池电堆流道内及多孔电极中的绝大部分液态水已被吹扫出燃料电池电堆；

或者，在燃料电池停机时，当满足以下两条件中任一时，氮气吹扫系统关闭：1)燃料电池电堆出口氮气的温度低于40～50℃且相对湿度低于20～40％；2)吹扫时间大于3～10min。

以上做法的原因是，燃料电池电堆正常工作时，温度通常为 70-80℃，燃料电池电堆内相对湿度接近100％，吹扫开启后温度会迅速降低，当吹扫出口监测到氮气温度度低于40～50℃且相对湿度低于20～40％时，此时燃料电池电堆内的含水量已大大降低(通过热力学理论计算可知，对于干燥氮气和水蒸气形成的饱和气体(此时相对湿度100％，含湿量和温度正相关，温度越高含湿量越高)温度为75℃时，氮气的含湿量为149.4g/kg；35℃时，氮气的含湿量为20.4g/kg)，试验表明此时燃料电池电堆内的残余液态水对电池性能几乎无影响，该方法通常具有较短的吹扫时间，能耗和性价比较高，作为优选的判定方法；当外界环境为极端的炎热气候(由第二温压湿传感器测量得到的温度大于45°)时，由于此时燃料电池电堆出口温度条件可能已超过选择1)的正常判定范围，故此时采用2)吹扫时间大于3～10min进行判定，试验表明，该方法虽耗时较长、氮气消耗多，但仍然可以满足冷启动性能要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过氮气吹扫系统的设置，无需用氢气进行燃料电池电堆阳极吹扫，避免了氢气资源的浪费，降低了燃料电池系统运行成本，进一步提高了燃料电池的寿命、可靠性及综合性能。

2)本发明通过温压湿一体传感器的设置，能够用于检测燃料电池电堆入口和出口处的温度、压力和湿度变化，以便于对氮气吹扫系统的控制，以合理的控制吹扫成本。

3)本发明通过循环泵和三通阀的设置，不仅可以实现液态水的收集，也可以实现对氢气的循环利用。

4)本发明通过吹扫方法的给出，对燃料电池启动前同样进行吹扫，去除残存的液态水，保证燃料电池电堆性能的稳定输出。

5)本发明通过更多判断方法来控制氮气吹扫系统的关闭，可以保证整个吹扫装置的能耗和性价比。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中氢气循环系统和氮气吹扫系统的结构框图；

图中，1-氢气罐、2-电磁阀、3-减压阀、4-流量计、5-压力传感器、6-氢气引射器/循环泵、7-稳压罐、8-止回阀、9-氮气罐、10-电磁阀、11-减压阀、12-流量计、13-温压湿一体传感器、14-燃料电池电堆、15-温压湿一体传感器、16-泄压阀、17-三通阀、18-气液分离器、19-电磁阀、20-储液箱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本实施例中，以氢气为反应燃气进行详细描述，当然，在其他实施例中，可以替换为其他反应物。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置。下面结合说明书附图，对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，包括与氢气循环系统连接的氮气吹扫系统，氮气吹扫系统采用氮气吹扫，该系统包括依次连接的氮气罐9、第二电磁阀10、第二减压阀11、第二流量计12，第二流量计12与氢气循环系统中的第一温压湿一体传感器13连接，进而与燃料电池电堆14 入口连接。

氮气吹扫系统还包括第二温压湿一体传感器15和三通阀17，第二温压湿一体传感器15与三通阀17的入口连接，三通阀17为三通电磁阀，三通电磁阀的入口经第二温压湿一体传感器15与燃料电池电堆14相连，三通电磁阀的出口分别与气液分离器18、储液箱20(外界环境)相通，止回阀8还与泄压阀16连接，泄压阀16经储液箱20连接外界环境，且在气液分离器18与储液箱20之间还设有一个电磁阀19用于控制将气液分离器18分离的液体流回至储液箱 20内，气液分离器18与氢气引射器/循环泵6连接，用于燃料电池电堆排出的过量氢气送回至氢气循环系统中。

氢气循环系统包括依次连接的氢气罐1、第一电磁阀2、第一减压阀3、第一流量计4、压力传感器5、氢气引射器/循环泵6、稳压罐7、止回阀8和第一温压湿一体传感器13、燃料电池电堆14、第二温压湿一体传感器15、三通阀17和气液分离器18，第一温压湿一体传感器13和第二温压湿一体传感器15分别与燃料电池电堆14 的入口和出口连接。

其中，需要说明的是，储液箱20包括壳体，壳体顶部设置气体出口，底部设置液体出口，气液混合物进入壳体后，液体与壳体内壁发生碰撞，从而流动至壳体底部从液体出口流出，气液混合物中的气体通过气体出口排出；或者，储液箱选用储液罐，储液罐设置开关，开关实现定时打开，这样在吹扫后将液态水及时排空。

氢气循环系统和氮气吹扫系统共同连接到燃料电池电堆，用于对燃料电池电堆进行吹扫，通过第一温压湿一体传感器和第二温压湿一体传感器分别用于检测燃料电池电堆入口侧和出口侧的温度、压力和湿度，以便于控制氮气吹扫系统的开启或关闭，保证吹扫效果。

需要说明的是，第一温压湿一体传感器和第二温压湿一体传感器可替换为相应地温度、压力和湿度传感器。

其中第一减压阀和第二减压阀减压后气体的压力不超过 0.5MPa。

氢气罐采用标准的35MPa储氢瓶或70MPa储氢瓶。氢气引射器 /循环泵位置优先采用氢气引射器。

实施例2

一种燃料电池冷启动阳极吹扫方法，采用实施例1所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，包括如下内容：

当燃料电池停机时可立即切换至氮气吹扫系统，氢气循环系统中第一电磁阀关闭，氮气吹扫系统中的第二电磁阀打开，开启氮气吹扫系统；当燃料电池启动时，首先通过燃料电池散热系统的冷却水对燃料电池电堆进行加热，当冷却水温度达到设定值时，开启氮气吹扫系统；经氮气罐释放后，氮气流经第二电磁阀、第二减压阀、第二流量计、第一温压湿一体传感器、被吹扫的燃料电池电堆、第二温压湿一体传感器到达三通电磁阀17，三通电磁阀17与气液分离器18相连的出口关闭，通往储液箱的出口开启，氮气流经储液箱后排至外界环境，回收至储液箱的液态水定时排出系统。氮气吹扫系统结束后，三通阀与气液分离器连通的出口打开，通往储液箱的出口关闭，此时下一轮氢气循环系统开启，从燃料电池电堆排出的过量氢气流经气液分离器后送入氢气循环系统中再次利用。

其中，各个电磁阀、流量计、压力传感器、第一温压湿一体传感器、第二第一温压湿一体传感器、三通阀、氢气引射器/循环泵均与控制器连接，控制器可选用PLC控制器，用于控制各个结构件的适时打开或关闭。

在燃料电池停机时，氢气循环系统关闭后立即开启氮气吹扫系统旁路；在燃料电池启动时，当冷却水温度达到5-15℃以上时，氮气吹扫系统方可开启。

另外，在燃料电池停机时，当满足以下两条件中任一时，氮气吹扫系统关闭：

1)燃料电池电堆氢气侧出口氮气的温度低于40～50℃且相对湿度低于20～40％，保证吹扫装置的能耗和性价比；

2)吹扫时间大于3～10min；

燃料电池启动时，当氮气吹扫系统吹扫时间达到1～2min时，氮气吹扫系统关闭，此时燃料电池电堆流道内及多孔电极中的绝大部分液态水已被吹扫出燃料电池电堆。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，其特征在于，包括：

氮气吹扫系统：包括氮气罐，氮气罐同样能够与燃料电池电堆入口连接，燃料电池电堆出口能够与三通阀的入口连接，三通阀的出口分别与气液分离器、储液箱相通，气液分离器与引射器或循环泵连接；

设于燃气循环系统的泄压阀，泄压阀入口能够与燃料电池电堆入口连接,泄压阀出口经储液箱通往外界环境。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，所述泄压阀是电磁阀。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，其特征在于，所述引射器或循环泵与燃气罐连接，燃气罐和引射器或循环泵之间还设有第一电磁阀、第一减压阀、第一流量计和压力传感器。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，其特征在于，所述引射器或循环泵与燃料电池电堆之间还设有第一温压湿一体传感器。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，其特征在于，所述氮气吹扫系统还包括设于所述氮气罐和所述第一温压湿一体传感器之间的第二电磁阀、第二减压阀和第二流量计。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，其特征在于，还包括能够设于所述燃料电池电堆出口的第二温压湿一体传感器，第二温压湿一体传感器与所述的三通阀入口连接。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置，其特征在于，所述气液分离器和储液箱之间设有第三电磁阀。

8.一种燃料电池冷启动阳极吹扫方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫装置。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫方法，其特征在于，包括如下内容：

当燃料电池停机时，此时本轮氢气循环系统关闭，氮气吹扫系统开启，氮气对燃料电池电堆进行吹扫，三通阀与储液箱连通以通过储液箱回收液态水，氮气和燃料电池电堆内残余的氢气流经储液箱后排至外界环境，氮气吹扫系统结束后，三通阀与气液分离器连通；此时下一轮氢气循环系统开启，电池正常工作期间从燃料电池电堆排出的过量氢气流经气液分离器后送入氢气循环系统中再次利用；

当燃料电池启动时，首先通过燃料电池散热系统的冷却水对燃料电池电堆进行加热，当冷却水温度达到设定值时，开启氮气吹扫系统。

10.根据权利要求8所述的一种燃料电池冷启动阳极吹扫方法，其特征在于，还包括如下内容：

在燃料电池启动时，当冷却水温度达到5-15℃以上时，开启氮气吹扫系统；

或者，燃料电池启动时，当氮气吹扫系统吹扫时间达到1～2min时，氮气吹扫系统关闭；

或者，在燃料电池停机时，当满足以下两条件中任一时，氮气吹扫系统关闭：1)燃料电池电堆出口氮气的温度低于40～50℃且相对湿度低于20～40％；2)吹扫时间大于3～10min。