CN112242545B - 一种车用燃料电池尾气制氮系统及其吹扫方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源汽车技术领域，公开了一种车用燃料电池尾气制氮系统及其吹扫方法，包括通过管线顺序连接的空滤机、空压机、中冷器、加湿器和燃料电池，燃料电池阴极的入口端和加湿器管线连接、阳极入口端和氢气瓶连接、阴极出口端和氮气瓶管线连接；在燃料电池阴极出口端至氮气瓶的管线中顺序设有第一气水分离器、氮氧分离器和加压器，还包括多个电磁阀，本发明中不仅制取和储备了燃料电池吹扫使用的氮气，同时将分离的氧气再次加入到燃料电池阴极入口空气的回路中，对燃料电池的阴极进气起到了富氧的作用，提高了燃料电池的工作性能；吹扫过程中确保了阴极和阳极都不会存有液态水，进一步降低了燃料电池内部由于液态水存在而结冰的风险。

Description

一种车用燃料电池尾气制氮系统及其吹扫方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是一种车用燃料电池尾气制氮系统及其吹扫方法。
背景技术
目前，新能源汽车的发展成为我国汽车发展的重中之重，其中氢燃料电池汽车作为新能源汽车的一种分支，其发展受到世界范围内的关注。质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈、和带有导气通道的流场板组成。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分，中间是一层很薄的膜——质子交换膜，这种膜不传导电子，是氢离子的优良导体，它既作为电解质提供氢离子的通道，又作为隔膜隔离两极反应气体。膜的两边是气体电极，由碳纸和催化剂组成,阳极为氢电极，阴极为氧电极。流场板通常由石墨制成。质子交换膜燃料电池以氢为燃料。多个电池单体根据需要串联或并联，组成不同功率的电池组电堆。
燃料电池在运行的过程中，氢和氧在质子交换膜的作用下发生化学反应，产生电能的同时也生成了大量的水，合理调节燃料电池内部的水含量对燃料电池的性能具有作用的影响。而燃料电池在停机后，如果内部仍然存在液态水，在低温环境中，液态水会在燃料电池内部结冰，造成膜电极的损坏，直接对燃料电池的性能和寿命造成影响，这会导致燃料电池的性能降低，同时使用寿命也会受到较大的影响。因此，燃料电池在停机后，需要使用可行的方案排出燃料电池内部残留的水。
为了解决这一问题，行业内普遍使用停机吹扫的方式，而吹扫使用的气体和方式大致分为三类：
1.直接用空气吹扫，在燃料电池停机后，使用阴极的空压机吹入的高压空气和燃料电池的阴极和阳极进行吹扫；
该方法对于燃料电池的运行存在一定的危险因素，不适用；
2.使用氮气吹扫，这种方法通常要随车附带一个氮气瓶，在燃料电池停机后使用氮气对燃料电池的阴阳极进行吹扫；或者在车上加装一套制氮装置，这套装置在燃料电池停机后开始工作，使用反应炉或其它方式来制氮，制氮的原料为空气，再将制取的氮气用来对燃料电池的阴阳极进行吹扫，
该方法通常要再随车附带一个氮气瓶，氮气的充装会给整车带来一定的不便，而随车使用制氮装置，通常需要停车后使用制氮装置来进行氮气的制取，进一步加剧了整车的能耗，同时也降低了整车使用的便利性，不适用。
3.使用氢气对燃料电池电堆内部进行吹扫，在燃料电池停机后，使用燃料电池汽车氢气瓶中装有的氢气对燃料电池的阴阳极进行吹扫，
该方法不仅会造成能源的浪费，同时也会造成整车续航里程的降低，也不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运用制氮-储氮-吹扫的基本思路，将制氮和吹扫系统与燃料电池阴极的排气管路进行集成，利用燃料电池在反应过程中阴极排出的尾气来进行氮氧分离制氮，将制取的氮气通过气瓶收集起来，在燃料电池停机后利用收集的氮气对燃料电池的阴极和阳极进行吹扫，以解决现有车用燃料电池排出内部残留水的问题。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明公开了一种车用燃料电池尾气制氮系统，包括通过管线顺序连接的空滤机、空压机、中冷器、加湿器和燃料电池，加湿器和燃料电池阴极的入口端管线连接；燃料电池阳极的入口端通过管线还设有氢气瓶；燃料电池阴极出口端通过管线连接有氮气瓶；在燃料电池阴极出口端至氮气瓶的管线中顺序设有第一气水分离器、氮氧分离器和加压器；车用燃料电池尾气制氮系统还包括多个电磁阀；其中，在燃料电池阳极的出口端通过管线还设有第二气水分离器，第二气水分离器出口端和氢气瓶入口端管线连接，第二气水分离器出口端和氢气瓶入口端还设有回流管路，回流管线上设有氢气循环泵；氮氧分离器出口和空滤器出口端还设有回流管路。
优选地，本系统还包括压缩机，压缩机分别与燃料电池阳极入口端和燃料电池阴极入口端连接；本系统电磁阀至少包括电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c、电磁阀d、电磁阀e；电磁阀a设置在加湿器和燃料电池阴极之间；电磁阀b设置在压缩机和燃料电池阴极之间；电磁阀c设置在压缩机和燃料电池阳极之间；电磁阀d设置在氢气瓶和燃料电池阳极之间；电磁阀e设置在气水分离器出口端；电磁阀还包括氮气排气阀和阴极背压阀；氮气排气阀设置在氮气瓶和加压器之间；阴极背压阀设置在燃料电池阴极出口端。
优选地，气水分离器a设有气水分离器a排水管路；气水分离器b设有气水分离器b排水管路。
优选地，的氮气瓶自带有气压检测系统，当瓶中氮气的储量和压力达到了设定值则不再收集氮气，经过氮气排气阀排出。
上述的车用燃料电池尾气制氮系统的吹扫方法，首先在燃料电池停机后，关闭电磁阀a和电磁阀d，此时燃料电池不再有空气和氢气的流入；然后打开氮气瓶瓶阀、电磁阀b、电磁阀c以及压缩机；当燃料电池内部流道中水分降低至设定值，吹扫系统关闭，整个系统处于停机状态。
本发明具有以下有益效果：本发明中的一种车用燃料电池尾气制氮系统实现了氮氧分离，不仅制取和储备了燃料电池吹扫使用的氮气，同时将分离的氧气再次加入到燃料电池阴极入口空气的回路中，对燃料电池的阴极进气起到了富氧的作用，提高了燃料电池的工作性能；本发明制取的氮气在吹扫过程中实现了燃料电池阴极和阳极的吹扫，确保了阴极和阳极都不会存有液态水，进一步降低了燃料电池内部由于液态水存在而结冰的风险，同时，在制氮的过程中分离出的氧气可以经过管路再次输送到阴极的空气进气回路中，加大参与反应的空气的氧含量，起到富氧的作用，防止燃料电池内部结冰的情况发生，对提高燃料电池的工作性能和寿命具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的一种车用燃料电池尾气制氮系统图。
主要部件符号说明:
空滤器-1；空压机-2；中冷器-3；加湿器-4；电磁阀a-5；电磁阀b-6；压缩机-7；电磁阀c-8；电磁阀d-9；氢气瓶-10；氢气循环泵-11；电磁阀e-12；气水分离器a-13；气水分离器a排水管路-14；燃料电池-15；阴极背压阀-16；气水分离器b排水管路-17；气水分离器b-18；氮氧分离器-19；加压器-20；氮气排气阀-21；氮气瓶-22；回流管路-23。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明基于使用制氮-储氮-吹扫的基本思路，利用燃料电池15阴极排出的尾气中氮气含量高、氧气含量低的特点，对制氮和吹扫系统与燃料电池15阴极的排气管路进行物理处理，将生成的氮气收集到气瓶中，等待燃料电池15停机后对燃料电池15的阴极和阳极进行吹扫。待燃料电池15停机后对燃料电池15的阴极和阳极进行吹扫，同时，在制氮的过程中分离出的氧气可以经过管路再次输送到阴极的空气进气回路中，起到富氧的作用。
如图1所示，本发明具体公开了一种车用燃料电池15尾气制氮系统，包括通过管线顺序连接的空滤机、空压机2、中冷器、加湿器4和燃料电池15，加湿器4和燃料电池15阴极的入口端管线连接；燃料电池15阳极的入口端通过管线还设有氢气瓶10；燃料电池15阴极出口端通过管线连接有氮气瓶22；在燃料电池15阴极出口端至氮气瓶22的管线中顺序设有第一气水分离器、氮氧分离器19和加压器20；车用燃料电池15尾气制氮系统还包括多个电磁阀，其中在燃料电池15阳极的出口端通过管线还设有第二气水分离器，第二气水分离器出口端和氢气瓶10入口端管线连接，第二气水分离器出口端和氢气瓶10入口端还设有回流管路23，回流管线上设有氢气循环泵11，氮氧分离器19出口和空滤器1出口端还设有回流管路23；其中，在燃料电池15阳极的出口端通过管线还设有第二气水分离器，第二气水分离器出口端和氢气瓶10入口端管线连接，第二气水分离器出口端和氢气瓶10入口端还设有回流管路23，回流管线上设有氢气循环泵11，氮氧分离器19出口和空滤器1出口端还设有回流管路23。
进一步地，本发明还包括压缩机7，压缩机7分别与燃料电池15阳极入口端和燃料电池15阴极入口端连接，更进一步地，电磁阀至少包括电磁阀a5、电磁阀b6、电磁阀c8、电磁阀d9、电磁阀e12；电磁阀a5设置在加湿器4和燃料电池15阴极之间；电磁阀b6设置在压缩机7和燃料电池15阴极之间；电磁阀c8设置在压缩机7和燃料电池15阳极之间；电磁阀d9设置在氢气瓶10和燃料电池15阳极之间；电磁阀e12设置在气水分离器出口端，电磁阀还包括氮气排气阀21和阴极背压阀16；氮气排气阀21设置在氮气瓶22和加压器20之间；阴极背压阀16设置在燃料电池15阴极出口端。
进一步地，气水分离器a13设有气水分离器a排水管路14；气水分离器b18设有气水分离器b排水管路17。
进一步地，氮气瓶22自带有气压检测系统，当瓶中氮气的储量和压力达到了设定值则不再收集氮气，经过氮气排气阀21排出。
制氮系统工作流程：在燃料电池15运行过程中，电磁阀b6和电磁阀c8关停，此时压缩机7不工作；在阴极的气体回路中，空气经过空滤器1进入空压机2，由空压机2流出的高压、高温空气经过中冷器3进行降温，降温后的空气经过加湿器4加湿后进入燃料电池15的阴极参与反应，随后在燃料电池15反应之后的气体经阴极出口流出，此时流出的气体为氮气、氧气和水蒸气的混合气体，混合气体经过气水分离器进行干燥处理，流出气水分离器的气体为氮气和氧气的混合气体，该混合气体流入氮氧分离器19，在氮氧分离器19中，氮气和氧气进行分离，产生的氮气经过加压器20加注到氮气瓶22中，在氮氧分离器19中产生的氧气经过回流管路23重新流入到阴极的进气回路中与经过空滤器1流入阴极的空气混合，从而增加了参与阴极反应的空气的氧含量，提高燃料电池15的工作效率。
氮气瓶22自带气压监测系统，当气瓶中氮气的储量和压力达到了预先设定值，则瓶阀关闭，经氮氧分离器19生成的氮气不再收集，经过氮气排气阀21排出，直接排放到空气中，而经过氮氧分离器19产生的氧气仍然进入进气管路，参与反应。
上述的车用燃料电池15尾气制氮系统的吹扫方法，首先在燃料电池15停机后，关闭电磁阀a5和电磁阀d9，燃料电池15的阴极和阳极中不再有空气和氢气流入，此时，打开氮气瓶22瓶阀，同时打开电磁阀b6和电磁阀c8以及压缩机7，氮气瓶22中的氮气经过压缩机7的加压作用，流入燃料电池15的阴极和阳极中，阴极和阳极流道中残留的液体水在干燥氮气的作用下被带走，经过一定时间的吹扫，在保证燃料电池15内部流道中水分达到预定值以下则吹扫系统关闭，整个系统处于停机状态。
本发明在整车运行的过程中随车实时进行氮气的制取和收集，同时将制氮过程中产生的氧气输送到燃料电池15的阴极进气回路中，使阴极中需要的空气燃料起到了富氧的作用，能够进一步提高燃料电池15的工作性能。同时回收的氮气可以在燃料电池15停机后对燃料电池15的阴极和阳极进行吹扫，防止燃料电池15内部结冰的情况发生，对提高燃料电池15的工作性能和寿命具有重要的意义。
本发明在整车运行的过程中不仅制取和储备了燃料电池吹扫使用的氮气，同时将分离的氧气再次加入到燃料电池阴极入口空气的回路中，对燃料电池的阴极进气起到了富氧的作用，提高了燃料电池的工作性能；吹扫过程中确保了阴极和阳极都不会存有液态水，进一步降低了燃料电池内部由于液态水存在而结冰的风险。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种车用燃料电池尾气制氮系统，其特征在于，包括通过管线顺序连接的空滤机、空压机、中冷器、加湿器和燃料电池，所述加湿器和燃料电池阴极的入口端管线连接；燃料电池阳极的入口端通过管线还设有氢气瓶；所述燃料电池阴极出口端通过管线连接有氮气瓶；在燃料电池阴极出口端至氮气瓶的管线中顺序设有第一气水分离器、氮氧分离器和加压器；所述车用燃料电池尾气制氮系统还包括多个电磁阀；其中，在燃料电池阳极的出口端通过管线还设有第二气水分离器，所述第二气水分离器出口端和氢气瓶入口端管线连接；其中，所述第二气水分离器出口端和氢气瓶入口端还设有回流管路，所述回流管线上设有氢气循环泵；其中，所述氮氧分离器出口和空滤器出口端还设有回流管路。
2.如权利要求1所述的一种车用燃料电池尾气制氮系统，其特征在于，还包括压缩机，所述压缩机分别与燃料电池阳极入口端和燃料电池阴极入口端连接。
3.如权利要求2所述的一种车用燃料电池尾气制氮系统，其特征在于，所述电磁阀至少包括电磁阀a、电磁阀b、电磁阀c、电磁阀d、电磁阀e；所述电磁阀a设置在所述加湿器和燃料电池阴极之间；所述电磁阀b设置在所述压缩机和燃料电池阴极之间；所述电磁阀c设置在所述压缩机和燃料电池阳极之间；所述电磁阀d设置在所述氢气瓶和燃料电池阳极之间；所述电磁阀e设置在所述气水分离器出口端。
4.如权利要求3所述的一种车用燃料电池尾气制氮系统，其特征在于，所述电磁阀还包括氮气排气阀和阴极背压阀；所述氮气排气阀设置在所述氮气瓶和加压器之间；所述阴极背压阀设置在所述燃料电池阴极出口端。
5.如权利要求1所述的一种车用燃料电池尾气制氮系统，其特征在于，所述气水分离器a设有气水分离器a排水管路；所述气水分离器b设有气水分离器b排水管路。
6.如权利要求1所述的一种车用燃料电池尾气制氮系统，其特征在于，所述的氮气瓶自带有气压检测系统。
7.如权利要求1～6中任一项所述的车用燃料电池尾气制氮系统的吹扫方法，其特征在于，所述的燃料电池停机后，关闭电磁阀a和电磁阀d，此时燃料电池不再有空气和氢气的流入；然后打开氮气瓶瓶阀、电磁阀b、电磁阀c以及压缩机；当燃料电池内部流道中水分降低至设定值，吹扫系统关闭，整个系统处于停机状态。
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