CN113497256A - 一种燃料电池系统及氮气吹扫系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池系统及氮气吹扫系统，燃料电池系统包括燃料电池单元和氮气吹扫系统，燃料电池单元包括电堆、供氢装置和供氧装置，供氢装置的输出端和供氧装置输出端分别连接至电堆的氢气输入端和氧气输入端，氮气吹扫系统包括供氮装置和分离循环系统；供氮装置输出端连接电堆的氢气输入端，用于向电堆提供吹扫的氮气；分离循环系统包括膜分离器，膜分离器的输入端连接燃料电池的第一输出端，膜分离器的第一输出端连接供氮装置，用于对吹扫电堆的氮气进行分离回收。本发明不需要脱氧，也无需在高温条件下进行氮气分离循环，因此，本发明的燃料电池系统使用更加简单、方便而且还能够保证分离循环过程中的安全、可靠性。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种燃料电池系统及氮气吹扫系统。
背景技术
汽车作为我们日常生活中常用的交通工具，给我们带来便利的同时，汽车尾气的排放也带来了很多环境问题。而燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，使用氢气作为燃料，只生成水，不会带来环境污染。
燃料电池通过提供氢气和氧气，发生反应生成水并释放能量。目前燃料电池的寿命及价格是制约燃料电池发展的主要因素，燃料电池的使用寿命受多方面的影响，而燃料电池开机过程中存在的高电势及氢空界面是影响电堆寿命的重要因素。因为燃料电池堆在开机或停机过程中，由于空气和残留氢气的存在，燃料电池仍然在反应，并不断的消耗氢气，这时燃料电池内的空气腔仍然为标准大气压，氢气腔由于与外界隔离而形成负压，同时膜电极一侧空气腔内的空气会因压力梯度和浓差的关系会逐渐的扩散到另一侧的氢气腔，直到压力平衡为止。该过程会导致：(1)容易形成氢空界面，产生反向电流，造成燃料电池堆性能快速衰减；(2)膜电极因两侧压力不同而受到外力作用发生变形，长时间会造成机械损伤而损坏。因此，氢空界面和负压影响燃料电池堆的寿命。
现有的燃料电池系统中可利用氮气对燃料电池进行吹扫，吹扫的做法有：(1)采用地面或车载的氮气对燃料电池进行吹扫，但是地面或车载的氮气气源需要经常更换氮气瓶或对氮气瓶充氮，使用不便；(2)公告号为CN100533834C的发明专利公开了一种保护燃料电池汽车发动机的自生成氮气吹扫系统，通过增设脱氧罐，在一定温度下将空气中的氧脱出，产生一定量的氮气，再通过尾排的氢气对脱氧剂进行再生，再通过燃料电池产生的热量对脱氧剂加热，同时将尾排的空气通入脱氧罐，进行再次脱氧，为下一次吹扫做准备。但是利用尾排氢气对脱氧剂再生可能会由于高温发生危险，无法监测脱氧剂是否已失效。因此，现有利用氮气对燃料电池进行吹扫的方式存在不安全、不方便的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统及氮气吹扫系统，以解决现有氮气吹扫系统采用脱氧进行氮气循环导致的不安全、不方便的问题。
为解决上述技术问题而提供一种燃料电池的氮气吹扫系统包括
供氮装置，用于提供吹扫的氮气；所述供氮装置输出端用于连接燃料电池的氢气输入端；
分离循环系统，包括膜分离器，所述膜分离器的输入端用于连接燃料电池的第一输出端，膜分离器的第一输出端连接所述供氮装置，用于对吹扫燃料电池的氮气进行分离回收。
有益效果：本发明使用氮气对燃料电池进行吹扫，将吹扫出的气体通过分离循环装置中的膜分离器进行分离，从而分离得到氮气，并存储于供氮装置，从而实现对氮气的回收利用，可见，本发明能够将供氮装置中用于提供吹扫的氮气进行分离并循环使用，不需要进行脱氧，也无需在高温条件下实现氮气循环，因此，本发明的分离循环系统使用更加简单、方便，而且还能够保证分离循环过程中的安全、可靠性。
进一步的，所述分离循环系统还包括第一水分离装置；所述第一水分离装置的输入端用于连接燃料电池的第一输出端，所述第一水分离装置输出端连接所述膜分离器的输入端。通过水分离装置，避免了水进入膜分离器，保证了膜分离器的环境干燥，能够提高膜分离器的寿命。
进一步的，所述膜分离器还包括有用于和空气连通的输入口，用于通过对空气中的氮气进行分离以实现对供氮装置的氮气补充。对空气进行分离得到氮气以补充供氮装置中氮气的不足，不仅简单方便，而且成本低。
进一步的，所述第一分水离装置和所述膜分离器之间设置有单向阀，以防止气体回流。
为解决上述技术问题本发明还而提供一种燃料电池系统，所述燃料电池单元包括电堆、供氢装置和供氧装置，供氢装置的输出端和供氧装置输出端分别连接至电堆的氢气输入端和氧气输入端；
所述氮气吹扫系统包括供氮装置和分离循环系统；
所述供氮装置输出端连接所述电堆的氢气输入端，用于向电堆提供吹扫的氮气；
所述分离循环系统包括膜分离器，所述膜分离器的输入端连接所述燃料电池的第一输出端，所述膜分离器的第一输出端连接所述供氮装置，用于对吹扫电堆的氮气进行分离回收。
有益效果：本发明使用氮气对燃料电池进行吹扫，将吹扫出的气体通过分离循环装置中的膜分离器进行分离，从而分离得到氮气，并存储于供氮装置，从而实现对氮气的回收利用，可见，本发明能够将供氮装置中用于提供吹扫的氮气进行分离并循环使用，不需要进行脱氧，也无需在高温条件下实现氮气循环，因此，本发明的分离循环系统使用更加简单、方便，而且还能够保证分离循环过程中的安全、可靠性。
进一步的，所述分离循环系统还包括第一水分离装置；所述第一水分离装置的输入端连接电堆的第一输出端，所述第一水分离装置输出端连接所述膜分离器的输入端。通过水分离装置，能够降低膜分离器的压力，提高膜分离器的寿命。
进一步的，所述膜分离器的输入端还连接供氧装置，用于对供氧装置提供的空气进行氮气分离。直接对燃料电池单元中的供氧装置的空气进行分离以补充氮气装置的不足，更加节省成本。
进一步的，所述燃料电池系统还包括第二水分离装置，所述第二水分离装置的输入端连接所述电堆的第一输出端，所述第二水分离装置的第一输出端连接所述第一水分离装置的输入端，所述第二水分离装置的第二输出端连接供氢装置的输入端。通过第二水分离装置，不仅能够实现水的两级分离，而且还能将电堆中残余的氢气进行回收以循环使用。
进一步的，所述第一水分离装置的第二输出端连接储水装置，所述储水装置与燃料电池的冷却系统连接。
进一步的，为了控制供氮装置的状态，所述供氮装置的输出端设置有三通电磁阀，所述三通电磁阀的第一输出端连接所述电堆的氢气输入端，所述三通电磁阀的第二输出端连接所述燃料电池系统的混排输出端。
附图说明
图1为本发明实施例一中的燃料电池系统结构图；
图2为本发明实施例二中的燃料电池系统结构图；
图3为本发明中氮气吹扫过程流程图；
图4为本发明中储水罐的控制流程图；
其中，1、三通电磁阀；2、单向阀；3、单向阀；4、开关阀；5、氢气循环装置；6、单向阀；7、三通电磁阀；8、电磁阀；9、第一水分离装置；10、第二水分离装置；11、混排输出端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。
燃料电池系统实施例一：
本发明的燃料电池系统，包括燃料电池单元和氮气吹扫系统，燃料电池单元包括电堆、供氢装置和供氧装置；供氢装置的输出端和供氧装置输出端分别连接至电堆的氢气输入端和氧气输入端，供氢装置和供氧装置为电堆反应分别提供氢气和氧气。氮气吹扫系统包括供氮装置和分离循环系统；供氮装置输出连接电堆的氢气输入端，用于提供吹扫的氮气；通过分离循环系统，对从电堆中吹扫出的气体进行氮气分离回收，并将分离出的氮气存储于供氮装置，以便循环使用。
燃料电池系统如图1所示，供氮装置为储氮罐，储氮罐的输出端设置有一个三通电磁阀1，通过三通电磁阀1的第一输出端连接电堆的氢气输入端，用于为电堆反应提供吹扫的氮气；当需要吹扫时，控制三通电磁阀1的第一输出端打开，储氮罐中的氮气通过氢气输入端送进燃料电池的电堆。
分离循环系统包括第一水分离装置9和膜分离器，第一水分离装置9的输入端连接燃料电池的第一输出端，第一水分离装置9的第一输出端连接膜分离器的输入端，在第一水分离装置9和膜分离之间设置单向阀3，以防止气体反向进入第一水分离装置9中。膜分离器的第一输出端通过单向阀2连接储氮罐。第一水分离装置9的第二输出端连接储水罐的输入端，将第一水分离装置9分离出的水存储于储水罐中。储水罐实现了氢尾排气水中多余水的收集，储水罐中设置液位传感器，可以检测储水罐中水的液位状态，根据储水罐的液位状态可以及时将水排出。储水罐也可连接冷却系统，储水罐中的水通过冷却系统的循环给燃料电池冷却散热。
在氮气吹扫的作用下，燃料电池电堆反应区中残余的水和气体(主要是氢气)均吹入分离循环系统，第一水分离装置9主要将水和气体分离，除去尾排中的水分，经过第一水分离装置9的分离后进入到膜分离器中的气体主要有氢气和氮气，然后在膜分离器的作用下，分离出氮气，并存储于氮气罐中。第一水分离装置9主要是避免水进入膜分离器中，保证了膜分离器干燥的环境，能够提高膜分离器的使用寿命。其中在储氮罐和膜分离器之间设置的单向阀2用于保证氮气单向吹向储氮罐。
膜分离器对混合的氢气和氮气进行分离，主要利用了膜分离器能够对不同大小分子进行分离，从而对氢气、氮气进行分离，因此，大分子直径的氮气通过中空纤维膜管道上的大孔分离出，并经过单向阀2存储于储氮罐中，氮气纯度高达99.5％，分子直径较小的氢气通过中空纤维膜管道上的小孔分离出，并通过混排输出端11排出。该膜分离器不仅能分离开关机吹扫时所需的氮气，还能缓冲氢尾气流速，降低燃料电池混排输出端11中的氢浓度，降低风险。
储氮罐内的压力应不高于系统运行气体压力，为此，在供氮装置的输出端设置三通电磁阀1的第二输出端连接燃料电池系统的混排输出端11。当储氮罐内的压力高于系统运行气体压力，则打开三通电磁阀1的第二输出端排出多余氮气，通过混排输出端11排出。为了更快速调节储氮罐内氮气压力，在储氮罐内设置推动板块，用于将氮气快速推出以及维持氮气压力。
虽然进行了氮气的分离循环，但是在进行氮气吹扫过程中，氮气会有损失导致氮气罐中的氮气不足，为补足氮气罐中的氮气，膜分离器的输入端还连接供氧装置，供氧装置中存储的是空气，供氧装置的输出端设置有三通电磁阀7，三通电磁阀7的第二输出端连接电堆的氧气输入端，实现供氧装置向燃料电池电堆提供反应所需的氧气。三通电磁阀7的第一输出端连接膜分离器的输入端和单向阀3之间，根据储氮罐中的实时体积判断是否满足吹扫需求；若满足需求，则维持三通电磁阀7的第一输出端的关闭状态；若氮气含量不足以支撑吹扫所需，控制三通电磁阀7的第一输出端打开，通过供氧装置提供空气，然后通过膜分离器对供氧装置中的空气进行氮气分离，以将空气中分离出的氮气存储于氮气罐中，实现氮气罐中氮气的补充。通过膜分离器分离出的其他气体通过混排输出端11排出。在吹扫过程中，当氮气补充足所需的氮气含量后，就控制关闭三通电池阀7的第一输出端，同时，在吹扫过程中，供氧装置无需向电堆提供氧气，因此，控制关闭三通电磁阀7的第二输出端。其中，储氮罐中实时体积的计算方式：根据出厂时储氮罐中压力P标与体积V标的乘积应与储氮罐中的实时压力P实与实时体积V实的乘积相等，即P实V实＝P标V标。在该公式的基础上，当获得储氮罐中气体的实时压力，即可得到储氮罐中气体的实时体积(即氮气量)。
燃料电池系统实施例二：
对于电池反应区的中后段堆积的液态水，发电系统关机时也需要对未反应的燃料气体和反应流道中的水进行吹扫，由于氮气在吹扫过程中，吹扫出的气体除了氮气外，还包括有氢气和水，而氢气又是电堆反应不可缺少的原料，为了提高氢气的利用率，本实施例的燃料电池系统还包括氢气循环管路如图2所示，氢气循环管路包括第二水分离装置10、氢气循环装置5、单向阀6和供氢装置。第二水分离装置10的输入端连接燃料电池的第一输出端；通过第二水分离装置10的第二输出端连接氢气循环装置5的输入端，氢气循环装置5的输出端通过单向阀6连接供氢装置；第二水分离装置10的第一输出端连接第一水分离装置9的输入端，然后通过分离循环系统实现氮气分离。
对于第二水分离装置10的第一输出端及其第二输出端的位置关系不作具体限制，本实施中，为了提高氢气的循环利用量，第二水分离装置10的第二输出端设置在第二水分离装置10的顶部，第二水分离装置10的第一输出端相对低于其第二输出端，根据第二水分离装置10的第一输出端和第二输出端的位置关系，由于氢气的摩尔质量相对氮气和气态水的摩尔质量而言比较小，因此，氢气一般会集中在水分离装置的上部，这样从第二水分离装置10的第二输出端输出的主要是氢气，从第二水分离装置10的第一输出端输出的也是氢气，只是含的液态水和氮气比第二输出端多。
在第二水分离装置10实现水分离情况下，从第二水分离装置10的第二输出端输出的氢气气压会低于供氢装置中的气压，在氢气循环装置5的增压作用，能够使输出氢气的气压升高，达到与供氢装置中氢气压力相同，然后通过单向阀6将氢气送入供氢装置，以补充供氢装置中的氢气量。单向阀6能够防止供氢装置中的氢气反向进入氢气循环装置5中。通过氢气循环管路能够实现氢气分离及其循环利用从而提高氢气的利用率。氢气循环装置5可以为循环泵、引射器等。
因此，本发明在氢气循环管路和分离循环系统的作用下，能够提高燃料电池堆及其系统的安全性，保证下次启动时燃料电池系统的顺利进行。
工作原理过程如图3所示：
当输入开机或关机指令后，执行吹扫步骤；
步骤1，氮气的输入
控制打开储氮罐输出端连接的三通电磁阀1的第一输出端，储氮罐中的氮气在推板的作用下流向供氢输入端，将氮气推入燃料电池的电堆中。
根据储氮罐中的实时体积判断是否满足吹扫需求；若储氮罐中的氮气含量不足，在开机吹扫过程中，需要控制三通电磁阀7的第二输出端关闭，第一输出端打开，在膜分离器的作用下对供氧装置所提供的空气进行分离，分离出的氮气存储于储氮罐，以补充氮气罐中的氮气含量；在关机吹扫过程中，仍然控制打开三通电磁阀7第一输出端进行氮气分离收集，补充氮气罐中的氮气含量；当收集存储于储氮罐中的氮气含量满足要求或吹扫结束时，再控制关闭三通电磁阀7的第一输出端。
步骤2，液态水的分离
将电堆反应区中残余的气体和氢气，以及进行吹扫的氮气均通过燃料电池的第一输出端输出，在第二水分离装置10的分离作用下，主要进行液态水的分离，分离出的水和氮气通过打开的电磁阀4进入第一水分离装置9中，分离出氢气则通过氢气循环装置5进行重复利用。
步骤3，水的分离存储
经过第二水分离装置10的分离，进入到第一水分离装置9中的气体和水，在第一水分离装置9的分离作用下，将水分离并存储于储水罐中，分离出的气体主要包括氮气，还有混合的少量氢气，分离出的干燥气体进入膜分离器。
步骤4，气体分离，氮气存储
在膜分离器的作用下，对进入到膜分离器中的氮气和氢气进行分离，分离出的氮气通过单向阀2存储于储氮罐中，分离出的氢气通过混排输出端11排出，膜分离器不仅对气体进行分离，还能减缓氢气的流速，提高吹扫过程的安全性。
在吹扫过程中还需对储氮罐的压力进行检测，如果储氮罐的压力过高，控制三通电磁阀1的第二输出端打开，通过混排输出端11排出部分氮气。
储水罐的控制过程如图4所示：
首先判断储水罐中的液位是否过高，即大于设定液位值；
当判断储水罐液位大于设定液位值，则需通过储水罐排水管路将水及时排出；
当判断储水罐液位小于设定液位值，则可继续存储分离出的水；若燃料电池系统需要增加冷却液时，打开储水罐，将储水罐中的水提供给冷却系统；若燃料电池系统无需加冷却液时，则控制储水罐输出关闭。
氮气吹扫系统实施例：
本发明提供的氮气吹扫系统包括供氮装置和分离循环系统，分离循环系统中包括膜分离器，在膜分离的作用下，对氮气进行分离并循环使用，氮气吹扫系统的连接结构及其工作原理以在上述燃料电池系统实施例中详细介绍，此处不再详细赘述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池的氮气吹扫系统，其特征在于，包括
供氮装置，用于提供吹扫的氮气；所述供氮装置输出端用于连接燃料电池的氢气输入端；
分离循环系统，包括膜分离器，所述膜分离器的输入端用于连接燃料电池的第一输出端，膜分离器的第一输出端连接所述供氮装置，用于对吹扫燃料电池的氮气进行分离回收。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的氮气吹扫系统，其特征在于，所述分离循环系统还包括第一水分离装置；所述第一水分离装置的输入端用于连接燃料电池的第一输出端，所述第一水分离装置输出端连接所述膜分离器的输入端。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的氮气吹扫系统，其特征在于，所述膜分离器还包括有用于和空气连通的输入口，用于通过对空气中的氮气进行分离以实现对供氮装置的氮气补充。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池的氮气吹扫系统，其特征在于，所述第一分水离装置和所述膜分离器之间设置有单向阀。
5.一种燃料电池系统，包括燃料电池单元和氮气吹扫系统，所述燃料电池单元包括电堆、供氢装置和供氧装置，供氢装置的输出端和供氧装置输出端分别连接至电堆的氢气输入端和氧气输入端；其特征在于，
所述氮气吹扫系统包括供氮装置和分离循环系统；
所述供氮装置输出端连接所述电堆的氢气输入端，用于向电堆提供吹扫的氮气；
所述分离循环系统包括膜分离器，所述膜分离器的输入端连接所述燃料电池的第一输出端，所述膜分离器的第一输出端连接所述供氮装置，用于对吹扫电堆的氮气进行分离回收。
6.根据权利要求5所述燃料电池系统，其特征在于，所述分离循环系统还包括第一水分离装置；所述第一水分离装置的输入端连接电堆的第一输出端，所述第一水分离装置输出端连接所述膜分离器的输入端。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述膜分离器的输入端还连接供氧装置，用于对供氧装置提供的空气进行氮气分离。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括第二水分离装置，所述第二水分离装置的输入端连接所述电堆的第一输出端，所述第二水分离装置的第一输出端连接所述第一水分离装置的输入端，所述第二水分离装置的第二输出端连接供氢装置的输入端。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一水分离装置的第二输出端连接储水装置，所述储水装置与燃料电池的冷却系统连接。
10.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述供氮装置的输出端设置有三通电磁阀，所述三通电磁阀的第一输出端连接所述电堆的氢气输入端，所述三通电磁阀的第二输出端连接所述燃料电池系统的混排输出端。
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