CN112421076A - 一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统，该系统至少包括：燃料电池电堆、电堆空气入口管路以及电堆氢气入口管路，其特征是，所述系统还包括两端分别连接在电堆空气入口管路和电堆空气入口管路上的吹扫控制通路，吹扫控制通路被配置为：可基于其通路上设置的至少一个控制阀之间的相对连接方位关系来调控各控制阀的启闭状态，从而控制提供至燃料电池电堆内部阳极的空气，和/或控制提供至阴极的混合比可任意调节的空气与氢气的混合气体，以此在燃料电池电堆运行结束关机时，所述系统可选择一种或多种控制模式进行组合，实现对阳极和阴极的不同吹扫方式。

Description

一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统。

背景技术

电堆运行时，在阴极和阳极流道中都会存在液态水，如果关机后内部温度降低到零度以下，而生成的水没有被气体携带走，液态水就会在两极不断积累，则过多的水可能由于结冰导致气体扩散层表面被部分覆盖或完全覆盖，此时气体无法顺利通过扩散层到达反应表面，低温启动失败，经过多次低温启动之后电解质膜的材料遭到严重破坏，影响电堆性能(如附图6所示)。因此，关机后需要进行吹扫，将液态水吹出流道，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，大量专利与现有技术都提出了能够实现关机吹扫功能的解决方案，其中主流的包括如公开号为CN111370734A的专利文献所提出的停机后利用空气侧的压缩空气直接吹扫阳极的技术方案，其在停机后打开空气吹扫支路和气体尾排支路上的控制阀，利用空气对气体入堆支路、电堆阳极以及气体出堆支路进行吹扫。另一种包括如公开号为CN110492136A的专利文献所提出的利用氢空混合气体吹扫阴极的技术方案，与上述如公开号为CN111370734A的专利文献所提出的技术方案相反，其是将少量的氢气导入阴极并与空气混合后吹扫阴极。上述两类技术方案的关机吹扫方法各有优点，且两者都提出了实现各自吹扫功能的结构。但同时，正因两者提出的实现结构都具有特有的属性，无法简单地直接结合组装，两者无法同时实现彼此的吹扫功能。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对燃料电池技术领域中的电堆内部水管理问题，大量专利与现有技术都提出了能够实现关机吹扫功能的解决方案，其中主流的包括如公开号为C N111370734A的专利文献所提出的停机后利用空气侧的压缩空气直接吹扫阳极的技术方案，另一种包括如公开号为CN110492136A的专利文献所提出的利用氢空混合气体吹扫阴极的技术方案，上述两类技术方案的关机吹扫方法各有优点，且两者都提出了实现各自吹扫功能的结构。但同时，正因两者提出的实现结构都具有特有的属性，无法简单地直接结合组装，两者无法同时实现彼此的吹扫功能。

对此，针对上述现有技术之不足，本发明提供了一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统，该系统至少包括：燃料电池电堆，其用于利用引入其内部的氢气和氧气进行电化学反应的方式来为外部负载供电；电堆空气入口管路，其用于连通至燃料电池电堆内部的阴极所在侧以能够向燃料电池电堆提供至少包含氧气的气体；电堆氢气入口管路，其用于连通至燃料电池电堆内部的阳极所在侧以能够向燃料电池电堆提供至少包含氢气的气体，其特征是，所述系统还包括两端分别连接在电堆空气入口管路和电堆空气入口管路上的吹扫控制通路，吹扫控制通路被配置为：可基于其通路上设置的至少一个控制阀之间的相对连接方位关系来调控各控制阀的启闭状态，从而控制提供至燃料电池电堆内部阳极的空气，和/或控制提供至阴极的混合比可任意调节的空气与氢气的混合气体，以此在燃料电池电堆运行结束关机时，所述系统可选择一种或多种控制模式进行组合，实现对阳极和阴极的不同吹扫方式。

本申请为克服燃料电池性能受腐蚀影响而衰减恶化以及提升燃料电池低温启动能力，提供了一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统、以及利用该系统来实现对燃料电池电堆关机吹扫的控制方法，目的在于能够在维持现已有的广泛应用的常规燃料电池电堆结构的基础上，无需大量增加额外附属设备，而仅需以低成本低装配难度低燃料消耗即可实现关机吹扫，有效控制停机后残余在电堆内部的水含量，减少燃料电池低温启动对电堆材料及性能的损害，提升燃料电池低温启动能力，有效保护电堆内如膜、气体扩散层等各部件以提升电堆使用寿命。

根据一种优选实施方式，所述吹扫控制通路至少包括设于其通路上的第一控制阀与第二控制阀，所述吹扫控制通路可通过分别调控第一及第二的启闭状态来控制提供至燃料电池电堆内部阴极的空气，或控制提供至阳极的气体中空气与氢气的混合比，以在燃料电池电堆运行结束关机时，所述系统可利用由电堆空气入口管路提供的空气对阳极进行吹扫，和/或利用由电堆氢气入口管路提供的氢气的氢空混合气体对阴极进行吹扫。优选地，第一控制阀与第二控制阀彼此连接方位相异。

根据一种优选实施方式，至少一个控制阀被配置为在其处于闭合状态下时其正向端无法导通而其反向端可导通，在其处于开启状态下时其正向端与反向端可双向流通。

根据一种优选实施方式，在第一控制阀与第二控制阀以串联的方式设置在吹扫控制通路上时，控制阀之间的相对连接方位关系为：第一控制阀与第二控制阀上分别靠近彼此的一端均为正向端或均为反向端。

根据一种优选实施方式，至少一个控制阀可与具有流量调控功能的第三控制阀相组合。

本申请还提出了燃料电池电堆吹扫系统的控制方法，其特征是：在燃料电池电堆运行结束关机时，在可控范围内调节提供至燃料电池电堆内部阴极的空气，控制提供至阴极的混合比可任意调节的空气与氢气的混合气体，从而可在不受电堆空气入口管路中或电堆氢气入口管路中压力变化情况的影响下实现对阳极和阴极的不同吹扫方式。优选地，所述控制方法可包括以下步骤中的一个或几个：沿电堆空气入口管路向燃料电池电堆内阴极提供至少包含空气的气体；沿电堆氢气入口管路向燃料电池电堆内阳极提供至少包含氢气的气体；在燃料电池电堆工作时，利用引入其内部的氢气和氧气进行电化学反应的方式来为外部负载供电。

根据一种优选实施方式，分别提供至燃料电池电堆内部阴极或阳极的气体中空气与氢气的混合比可以是通过吹扫控制通路基于其通路上设置的至少一个控制阀之间的相对连接方位关系调控各控制阀的启闭状态的方式进行调节。

根据一种优选实施方式，在燃料电池电堆运行结束关机时，可利用由电堆空气入口管路提供的空气对阳极进行吹扫，和/或利用参混由电堆氢气入口管路提供的氢气的氢空混合气体对阴极进行吹扫。

根据一种优选实施方式，所述控制方法至少包括以下步骤中的一个或几个：在各控制阀均闭合的情况下，吹扫控制通路的两向均不能流通，其流向不受电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响；在各控制阀均开启的情况下，吹扫控制通路的两向均能够流通，此时其流向受到电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响；在至少一个控制阀处于闭合状态的情况下，可通过调控其余的至少一个控制阀在启闭状态间转换的方式，单向导通吹扫控制通路，在其流向不受电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响的情况下，进行残余水吹扫操作。

本申请还提出了一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统，该系统至少包括：燃料电池电堆、电堆空气入口管路以及电堆氢气入口管路，其特征是，所述系统还包括吹扫控制通路，吹扫控制通路的两端分别连接在电堆空气入口管路和电堆空气入口管路上，以使得所述系统可在不受电堆空气入口管路中或电堆氢气入口管路中压力变化情况的影响下实现对阳极和阴极的不同吹扫方式。

附图说明

图1是本发明提供的用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统的简化结构示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的第一及第二控制阀均处于闭合状态下时加注氢气与空气的燃料电池电堆系统的简化示意图；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的第一及第二控制阀均处于开启状态下时加注氢气与空气的燃料电池电堆系统的简化示意图；

图4是本发明提供的一种优选实施方式的第一控制阀处于闭合状态且第二控制阀处于开启状态下时燃料电池电堆系统关机吹扫方法的简化示意图；

图5是本发明提供的一种优选实施方式的第二控制阀处于闭合状态且第一控制阀处于开启状态下时燃料电池电堆系统关机吹扫方法的简化示意图；

图6是常规氢燃料电池电堆中结冰阻碍电堆反应过程的简化示意图。

附图标记列表

1：空气压缩装置 2：电堆空气入口 3：电堆

4：电堆空气出口 5：第一控制端 6：第一控制阀

7：第二控制端 8：第二控制阀 9：压缩氢气储存装置

10：压缩氢气压力调节装置 11：电堆氢气入口 12：电堆氢气出口

具体实施方式

本申请为克服燃料电池性能受腐蚀影响而衰减恶化以及提升燃料电池低温启动能力，提供了一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统、以及利用该系统来实现对燃料电池电堆关机吹扫的控制方法，目的在于能够在维持现已有的广泛应用的常规燃料电池电堆结构的基础上，无需大量增加额外附属设备，而仅需以低成本低装配难度低燃料消耗即可实现关机吹扫，有效控制停机后残余在电堆内部的水含量，减少燃料电池低温启动对电堆材料及性能的损害，提升燃料电池低温启动能力，有效保护电堆内如膜、气体扩散层等各部件以提升电堆使用寿命。

如下先就本申请中所涉及到的相关概念及术语进行阐述，以便本领域技术人员进行理解。

燃料电池，又称电化学发电器，是一种能够将氢气、天然气或其它碳氢化合物燃料中的电化学能转化为电能的能量转化装置。不同于传统蓄电池以储能的方式提供电能，燃料电池依靠外部燃料和氧气稳定供应，持续产生电能。其中，利用氢气作为燃料的燃料电池被称作——质子交换膜燃料电池(P roton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC，又称氢能燃料电池)。

氢燃料电池，其基本结构是由两个电极(阴极和阳极)组成，两电极由质子交换膜电解质相隔开。每个燃料电池只有几毫米厚度，数百个燃料电池堆积在一起，便形成一个燃料电池电堆。储氢罐中的氢气被输送到燃料电池的正极，在催化剂作用下分解成氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜到达负极，与空气中的氧气反应生成水(氢燃料电池的主要反应副产物)，相对应的电子通过外电路流向负极，产生电能并释放热量。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种燃料电池电堆吹扫系统，该系统能够实现在无需大量增加额外附属设备的基础上对燃料电池电堆的阳极和阴极分别进行有效吹扫的目的。该系统可以主要包括吹扫控制通路，该吹扫控制通路的两端分别搭建在燃料电池电堆系统中的两个入口管路上。此处提及的入口管路分别是电堆空气入口管路和电堆氢气入口管路。

该电堆空气入口管路的两端分别连接至电堆空气入口2和空气压缩装置 1，电堆空气入口2设于电堆的阴极(正极)所在侧。该空气压缩装置1用于通过电堆空气入口管路，从电堆空气入口2向电堆3的阴极输入至少包含氧气的气体。该空气压缩装置1可使空气在电堆空气入口2和电堆空气出口4 之间流动，通过减小空气压缩装置1的供给流量可相应地减小电堆3阴极新鲜空气供给量，通过增大空气压缩装置1的供给流量可相应地增大电堆3阴极流动空气流动量。

该电堆氢气入口管路的两端分别连接至电堆氢气入口11和压缩氢气储存装置9，电堆氢气入口11设于电堆3的阳极(负极)所在侧。该电堆氢气入口管路上可设置有压缩氢气压力调节装置10。该压缩氢气储存装置9用于通过电堆氢气入口管路，在压缩氢气压力调节装置10的监控及压力调节作用下，将经压缩氢气压力调节装置10调节后得到的氢气输入至电堆氢气入口11。该压缩氢气储存装置9可使氢气在电堆氢气入口11与电堆氢气出口 12之间流动。

本申请所提出的吹扫控制通路上装设有第一控制阀6以及第二控制阀 8，通过分别控制第一及第二控制阀8的闭合，可选择该吹扫控制通路的两个方向中的任意一个为流通方向，即可在不受各种压力变化情况的影响下，可以灵活地选择空气对阳极进行吹扫，或氢气混合空气对阴极进行吹扫，或两者的任意组合。

本申请所采用的控制阀均具有方向性且受控开闭。该控制阀可以选用本领域中常用的单向导通型电磁阀，只允许气流沿一个方向流动而不允许其反向流动的方向电磁阀。该控制阀处于闭合状态下时，其正向端可承受气体压力而不会导通，但此时其反向端不具备关断的能力，即其反向端可实现导通。该控制阀处于开启状态下时，正向端与反向端可双向流通。并且优选地，第一及第二控制阀可分别与第三控制阀相组合，第三控制阀具有流量调控功能，即能够在通断的基础上还能够实现对导通时的流量控制。

本申请所提出的第一控制阀6与第二控制阀8是以彼此相对的方式设置在该吹扫控制通路上。此处提及的彼此相对，可以是指如图1所示的第一控制阀6与第二控制阀8上分别靠近彼此的一端均为正向端或均为反向端。在该设置下，可实现对吹扫控制通路的正向流通或反向流通的控制。

利用上述提出的系统能够对燃料电池电堆进行双向可控地吹扫的控制方法，在该控制方法下可实现多种工作模式的选择与转换。为便于理解，结合图2至图5进行说明。

如图2所示出的是本实施例所提出的第一及第二控制阀8均处于闭合状态下时加注氢气与空气的燃料电池电堆系统的简化示意图。在第一及第二控制阀均闭合的情况下，吹扫控制通路的两向均不能流通，其流向不受电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响。

如图3所示出的是本实施例所提出的第一及第二控制阀均处于开启状态下时加注氢气与空气的燃料电池电堆系统的简化示意图。在第一及第二控制阀均开启的情况下，吹扫控制通路的两向均能够流通，此时其流向将受到电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响。当电堆空气入口管路内压力高于电堆氢气入口管路内压力时，吹扫控制通路从其连接的电堆空气入口管路的一端至其连接的电堆氢气入口管路的一端可流通。当电堆空气入口管路内压力低于电堆氢气入口管路内压力时，吹扫控制通路从其连接的电堆氢气入口管路的一端至其连接的电堆空气入口管路的一端可流通。

如图4所示出的是本实施例所提出的第一控制阀6处于闭合状态且第二控制阀8处于开启状态下时燃料电池电堆系统关机吹扫方法的简化示意图。由于第一控制阀6处于闭合状态，此时无论电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力之间的高低差异，吹扫控制通路从其连接的电堆空气入口管路的一端至其连接的电堆氢气入口管路的一端都不能流通。此时若第二控制阀8处于开启状态，则吹扫控制通路从其连接的电堆氢气入口管路的一端至其连接的电堆空气入口管路的一端可流通。即，在第一控制阀6处于闭合状态的情况下，可通过控制第二控制阀8在启闭状态间转换的方式，控制氢气向阴极进行参混。在该设置下，吹扫控制通路类似于一个从其连接的电堆氢气入口管路的一端至其连接的电堆空气入口管路的一端可单方向流动的单向阀。参混得到的氢空混合气体(氢气与空气相混合所得到的混合气体)，可从电堆空气入口2被鼓入至阴极，进行残余水吹扫操作。

如图5所示出的是本实施例所提出的第二控制阀8处于闭合状态且第一控制阀6处于开启状态下时燃料电池电堆系统关机吹扫方法的简化示意图。由于第二控制阀8处于闭合状态，此时无论电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力之间的高低差异，吹扫控制通路从其连接的电堆氢气入口管路的一端至其连接的电堆空气入口管路的一端都不能流通。此时若第一控制阀6处于开启状态，则吹扫控制通路从其连接的电堆空气入口管路的一端至其连接的电堆氢气入口管路的一端可流通。即，在第二控制阀8处于闭合状态的情况下，可通过控制第一控制阀6在启闭状态间转换的方式，控制空气向阴极进行吹扫。在该设置下，吹扫控制通路类似于一个从其连接的电堆空气入口管路的一端至其连接的电堆氢气入口管路的一端可单方向流动的单向阀。通过压缩氢气压力调节装置10对氢气流量压力等参数的调节，可控制从电堆氢气入口11被鼓入至阳极进行残余水吹扫操作的气体的组成。从电堆氢气入口11被鼓入至阳极进行残余水吹扫操作的气体，可以是参混得到的氢空混合气体，也可以完全是从吹扫控制通路引入来自于空气压缩装置1的空气。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，实施例1的优选实施方式的整体和 /或部分内容可以作为本实施例的补充。在实施例1的基础上，实施例2展示了一种多种模式进行组合的控制方法，配合系统的其他参数调节，在吹扫中实现了多重吹扫效果。

实施例2基本组成结构与实施例1完全一样，但是加入了以下控制方案。

关机流程启动后，先调节空气或氢气压力，使得空气压力低于氢气压力。按照图4的模式关闭第一控制阀6并短暂打开第二控制阀8，让少量氢气参混到阴极的空气中；然后按照图2模式关闭第一控制阀6和第二控制阀8等待一段时间；重复以上图4和图2两个模式进行切换的步骤若干次，达到少量氢气参混到空气中形成混合气体吹扫阴极的效果。为了达到氢空混合气体吹扫阴极的效果，另外一种方式是按照图4的模式关闭第一控制阀6并持续打开第二控制阀8运行一段时间，这时候需要匹配空气和氢气的压差来保证氢气参混到阴极的量在设定范围内。

然后，关闭氢气输入，按照图5的模式打开第一控制阀6并关闭第二控制阀8，让压缩空气同时对阳极和阴极进行吹扫。这个过程可以根据需要调节空气的压力和流量。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统，该系统至少包括：

燃料电池电堆(3)，其用于利用引入其内部的氢气和氧气进行电化学反应的方式来为外部负载供电；

电堆空气入口管路，其用于连通至燃料电池电堆内部的阴极所在侧以能够向燃料电池电堆提供至少包含氧气的气体；

电堆氢气入口管路，其用于连通至燃料电池电堆内部的阳极所在侧以能够向燃料电池电堆提供至少包含氢气的气体，

其特征是，所述系统还包括两端分别连接在电堆空气入口管路和电堆空气入口管路上的吹扫控制通路，吹扫控制通路被配置为：

可基于其通路上设置的至少一个控制阀之间的相对连接方位关系来调控各控制阀的启闭状态，从而控制提供至燃料电池电堆内部阳极的空气，和/或控制提供至阴极的混合比可任意调节的空气与氢气的混合气体，以此在燃料电池电堆运行结束关机时，所述系统可选择一种或多种控制模式进行组合，实现对阳极和阴极的不同吹扫方式。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述吹扫控制通路至少包括设于其通路上的第一控制阀(6)与第二控制阀(8)，所述吹扫控制通路可通过分别调控第一及第二的启闭状态来控制提供至燃料电池电堆内部阴极的空气，或控制提供至阳极的气体中空气与氢气的混合比，以在燃料电池电堆运行结束关机时，所述系统可利用由电堆空气入口管路提供的空气对阳极进行吹扫，和/或利用由电堆氢气入口管路提供的氢气的氢空混合气体对阴极进行吹扫。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，至少一个控制阀被配置为在其处于闭合状态下时其正向端无法导通而其反向端可导通，在其处于开启状态下时其正向端与反向端可双向流通。

4.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征是，在第一控制阀(6)与第二控制阀(8)以串联的方式设置在吹扫控制通路上时，控制阀之间的相对关系为：第一控制阀(6)与第二控制阀(8)上分别靠近彼此的一端均为正向端或均为反向端。

5.根据权利要求1～4任一项所述的系统，其特征是，至少一个控制阀可与具有流量调控功能的第三控制阀相组合。

6.燃料电池电堆吹扫系统的控制方法，其特征是：

在燃料电池电堆运行结束关机时，在可控范围内调节提供至燃料电池电堆内部阴极的空气，控制提供至阴极的混合比可任意调节的空气与氢气的混合气体，从而可在不受电堆空气入口管路中或电堆氢气入口管路中压力变化情况的影响下实现对阳极和阴极的不同吹扫方式。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征是，分别提供至燃料电池电堆内部阴极或阳极的气体中空气与氢气的混合比可以是通过吹扫控制通路基于其通路上设置的至少一个控制阀之间的相对连接方位关系调控各控制阀的启闭状态的方式进行调节。

8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征是，在燃料电池电堆运行结束关机时，可利用由电堆空气入口管路提供的空气对阳极进行吹扫，和/或利用参混由电堆氢气入口管路提供的氢气的氢空混合气体对阴极进行吹扫。

9.根据权利要求6～8任一项所述的控制方法，其特征是，所述控制方法包括以下控制模式中的一个或几个，且可以根据需求进行任意方式的组合：

在各控制阀均闭合的情况下，吹扫控制通路的两向均不能流通，其流向不受电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响；

在各控制阀均开启的情况下，吹扫控制通路的两向均能够流通，此时其流向受到电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响；

在至少一个控制阀处于闭合状态的情况下，可通过调控其余的至少一个控制阀在启闭状态间转换的方式，单向导通吹扫控制通路，在其流向不受电堆空气入口管路内压力及电堆氢气入口管路内压力的影响的情况下，进行残余水吹扫操作。

10.一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统，该系统至少包括：燃料电池电堆(3)、电堆空气入口管路以及电堆氢气入口管路，

其特征是，所述系统还包括吹扫控制通路，吹扫控制通路的两端分别连接在电堆空气入口管路和电堆空气入口管路上，以使得所述系统可在不受电堆空气入口管路中或电堆氢气入口管路中压力变化情况的影响下实现对阳极和阴极的不同吹扫方式。

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