CN113675440B - 一种燃料电池阳极吹扫装置及方法 - Google Patents

一种燃料电池阳极吹扫装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池阳极吹扫装置及方法，包括氢气供应模块、电堆、三通阀Ⅰ、气水分离器、三通阀Ⅱ、干燥器、氢气循环泵和电磁阀；氢气供应模块的出气口连通至电堆阳极入口；三通阀Ⅰ的a入口连通至电堆阳极出口，b出口连通至干燥器入口，c出口连通至气水分离器入口；三通阀Ⅱ的d入口连通至气水分离器气体出口，e入口连通至干燥器出口，f出口连通至氢气循环泵进气口，氢气循环泵的出气口连通至电堆阳极入口。与现有技术相比，本发明使用气水分离器将液态水分离排出，使用干燥器吸附气态水，避免了阳极残留液态水和气态水，保证了电堆的寿命，通过两个三通阀控制氢气流向，占用体积小，便于集成化布置，有利于实车推广使用。

Description

一种燃料电池阳极吹扫装置及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池阳极吹扫装置及方法。
背景技术
燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池，通过氢气与氧气的电化学反应产生电能、热能，同时，其生成物仅有水，无其他有害气体排出，而且质子交换膜燃料电池也不受卡诺循环限制，其电能转化效率大于50％。燃料电池无污染物排放、电能转化效率高等优点，使得质子交换膜燃料电池技术越来越多的应用于客车、轻卡、中重卡等车型上。
质子交换膜燃料电池需要合适的水分才能高效进行电能转换，水分过少或富余对燃料电池转化效率都有不利的影响，因此，通入燃料电池的气体会预加湿。但是，当燃料电池工作结束时，燃料电池内部会残余水分，如果这些残余水分堵塞流道或者在较低的环境温度下凝结成冰，将会对质子交换膜寿命会有影响，同时不利于下次燃料电池重启。因此燃料电池结束工作时，需要对阳极进行吹扫，除去阳极中的液态水以及与氢气混合的气态水汽。
专利CN110854415A公布了一种燃料电池吹扫装置及其吹扫方法，通过反应炉对空气进行脱氧后，分别对电堆的阳极与阴极进行吹扫，从而去除电堆内部的水分。但是，该专利缺陷有两点：1、太多的电磁阀以及反应炉，不利于进行燃料电池系统集成布置，难以推广实车应用；2、该专利的吹扫只能去除电堆内部的液态水，无法去除电堆混合气体中的气态水。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池阳极吹扫装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池阳极吹扫装置，包括氢气供应模块、电堆、三通阀Ⅰ、气水分离器、三通阀Ⅱ、干燥器、氢气循环泵和电磁阀；
所述氢气供应模块用于供应氢气，氢气供应模块的出气口分别与第一支路和第二支路连通，第一支路连通至电堆的阳极入口，第二支路连通至干燥器的入口；所述电磁阀布置在第二支路上，用于通断第二支路；
所述三通阀Ⅰ包括一个a入口、一个b出口和一个c出口，所述三通阀Ⅱ包括一个d入口、一个e入口和一个f出口，所述气水分离器包括入口、气体出口和液体出口；
三通阀Ⅰ的a入口连通至电堆的阳极出口，b出口连通至干燥器的入口，c出口连通至气水分离器的入口；三通阀Ⅱ的d入口连通至气水分离器的气体出口，e入口连通至干燥器的出口，f出口连通至氢气循环泵的进气口，氢气循环泵的出气口连通至第一支路或电堆的阳极入口。
进一步的，所述干燥器为可循环使用的吸附型干燥器。
进一步的，还包括控制器，所述控制器与氢气供应模块、电堆、气水分离器、氢气循环泵和电磁阀通信连接。
进一步的，所述氢气供应模块包括高压储氢罐、氢气管路、减压阀和比例阀，所述氢气管路的一端连接至高压储氢罐，另一端连接至第一支路和第二支路，所述减压阀、比例阀依次布置在氢气管路上，减压阀和比例阀与控制器通信连接。
进一步的，所述气水分离器的液体出口通过排水管连接至尾排，所述排水管上设有排水电磁阀，排水电磁阀用于通断排水管，排水电磁阀与控制器通信连接。
进一步的，所述三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ为电动三通阀，三通阀Ⅰ和三通阀Ⅱ均与控制器通信连接。
一种燃料电池阳极吹扫方法，采用如上所述的燃料电池阳极吹扫装置对电堆的阳极进行吹扫，包括液态水吹扫、气态水吹扫和干燥器的干燥。
进一步的，液态水吹扫包括以下步骤：
氢气供应模块正常供应氢气，三通阀Ⅰ的a入口和c出口接通，三通阀Ⅱ的d入口和f出口连通；
氢气供应模块->电堆->三通阀Ⅰ->气水分离器之间形成通路，气水分离器分离出的液体自气水分离器的液体出口排出，分离出的气体自气水分离器的气体出口流出，沿气水分离器->三通阀Ⅱ->氢气循环泵->电堆阳极入口流回电堆。
进一步的，气态水吹扫包括以下步骤：
氢气供应模块少量供应氢气，三通阀Ⅰ的a入口和b出口接通，三通阀Ⅱ的e入口和f出口连通；
氢气供应模块->电堆->三通阀Ⅰ->干燥器之间形成通路，干燥器干燥后的气体自干燥器的出口流出，沿干燥器->三通阀Ⅱ->氢气循环泵->电堆阳极入口流回电堆。
进一步的，干燥器的干燥包括以下步骤：
氢气供应模块正常供应氢气，电堆正常运行，三通阀Ⅰ的a入口和c出口接通，三通阀Ⅱ的d入口和e入口均与f出口接通，电磁阀打开，第二支路与氢气供应模块连通，氢气供应模块供应的氢气一部分沿第一支路流入电堆阳极入口，另一部分沿第二支路流入干燥器；
对于流入电堆阳极入口的氢气，电堆阳极出口->三通阀Ⅰ->气水分离器之间形成通路，气水分离器分离出的液体自气水分离器的液体出口排出，分离出的气体自气水分离器的气体出口流出，沿气水分离器->三通阀Ⅱ->氢气循环泵->电堆阳极入口流回电堆；
对于流入干燥器的氢气，沿干燥器->三通阀Ⅱ->氢气循环泵->电堆阳极入口流入电堆。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)使用气水分离器将液态水分离并排出，使用干燥器吸附气态水，减少吹扫时间，避免了阳极残留液态水和气态水，保证了电堆的寿命，且氢气的流向是通过两个三通阀来控制的，占用体积小，便于集成化布置，有利于实车推广使用。
(2)干燥器为吸附型干燥器，在去除气态水的过程中吸附氢气中的气态水，吸附速度快，在电堆正常运行时使用干燥的氢气带走干燥器之前吸附的气态水，保证干燥器可以循环使用，能够降低使用成本，且效果好。
(3)液态水吹扫和气态水吹扫相结合，能快速完成对燃料电池阳极的吹扫，从而降低了吹扫时氢气的用量，提高了氢气的利用率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图标记：1、高压储氢罐，2、减压阀，3、比例阀，4、电堆，5、气水分离器，6、三通阀Ⅰ，7、尾排，8、排水电磁阀，9、干燥器，10、三通阀Ⅱ，11、氢气循环泵，12、电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
实施例1：
一种燃料电池阳极吹扫装置，如图1所示，包括氢气供应模块、电堆4、三通阀Ⅰ6、气水分离器5、三通阀Ⅱ10、干燥器9、氢气循环泵11和电磁阀12。
氢气供应模块用于供应氢气，氢气供应模块的出气口分别与第一支路和第二支路连通，第一支路连通至电堆4的阳极入口，第二支路连通至干燥器9的入口；电磁阀12布置在第二支路上，用于通断第二支路；三通阀Ⅰ6包括一个a入口、一个b出口和一个c出口，三通阀Ⅱ10包括一个d入口、一个e入口和一个f出口，气水分离器5包括入口、气体出口和液体出口；三通阀Ⅰ6的a入口连通至电堆4的阳极出口，b出口连通至干燥器9的入口，c出口连通至气水分离器5的入口；三通阀Ⅱ10的d入口连通至气水分离器5的气体出口，e入口连通至干燥器9的出口，f出口连通至氢气循环泵11的进气口，氢气循环泵11的出气口连通至第一支路或电堆4的阳极入口。
干燥器9为可循环使用的吸附型干燥器。
燃料电池阳极吹扫装置还包括控制器，控制器与氢气供应模块、电堆4、气水分离器5、氢气循环泵11和电磁阀12通信连接。
氢气供应模块包括高压储氢罐1、氢气管路、减压阀2和比例阀3，氢气管路的一端连接至高压储氢罐1，另一端连接至第一支路和第二支路，减压阀2、比例阀3依次布置在氢气管路上，减压阀2和比例阀3与控制器通信连接。气水分离器5的液体出口通过排水管连接至尾排7，排水管上设有排水电磁阀8，排水电磁阀8用于通断排水管，排水电磁阀8与控制器通信连接。三通阀Ⅰ6和三通阀Ⅱ10为电动三通阀，三通阀Ⅰ6和三通阀Ⅱ10均与控制器通信连接。
在具体实施时，可以由控制器按照预写入的程序控制减压阀2、比例阀3、电堆4、气水分离器5、三通阀Ⅰ6、排水电磁阀8、三通阀Ⅱ10、氢气循环泵11和电磁阀12。
控制器控制减压阀2和比例阀3以调整氢气供应量，根据指令控制电堆4的运行，如正常运行、停机、半载运行等，控制气水分离器5、氢气循环泵11、排水电磁阀8和电磁阀12的开启和关闭，控制三通阀Ⅰ6和三通阀Ⅱ10的工作状态，如三通阀Ⅰ6的a入口与c出口接通，三通阀Ⅱ10的d入口与f出口接通等。
一种燃料电池阳极吹扫方法，采用燃料电池阳极吹扫装置对电堆4的阳极进行吹扫，包括液态水吹扫、气态水吹扫和干燥器9的干燥。
(一)液态水吹扫包括以下步骤：
在燃料电池工作时，氢气和氧气反应，将化学能转换为电能，产物是水，这些水在阳极产生，要及时排出，即进行液态水吹扫。
氢气供应模块正常供应氢气，三通阀Ⅰ6的a入口和c出口接通，三通阀Ⅱ10的d入口和f出口连通；
氢气供应模块->电堆4->三通阀Ⅰ6->气水分离器5之间形成通路，气水分离器5分离出的液体自气水分离器5的液体出口排出，分离出的气体自气水分离器5的气体出口流出，沿气水分离器5->三通阀Ⅱ10->氢气循环泵11->电堆4阳极入口流回电堆4。
气水分离器5工作过程中，每经过一段时间，就打开一次排水电磁阀8，这段时间分离的液态水被排放至尾排7，之后关闭排水电磁阀8，气水分离器5继续工作。
(二)气态水吹扫包括以下步骤：
现有技术中，多数方法都是用来吹扫液态水的，但是气态水残留在电堆4内部会影响电堆4寿命，因此需要进行气态水的吹扫。在燃料电池停机过程中，先去除阳极的液态水，之后进行气态水吹扫。
氢气供应模块少量供应氢气，三通阀Ⅰ6的a入口和b出口接通，三通阀Ⅱ10的e入口和f出口连通；
氢气供应模块->电堆4->三通阀Ⅰ6->干燥器9之间形成通路，干燥器9干燥后的气体自干燥器9的出口流出，沿干燥器9->三通阀Ⅱ10->氢气循环泵11->电堆4阳极入口流回电堆4。
(三)干燥器9的干燥包括以下步骤：
氢气供应模块正常供应氢气，电堆4正常运行，三通阀Ⅰ6的a入口和c出口接通，三通阀Ⅱ10的d入口和e入口均与f出口接通，电磁阀12打开，第二支路与氢气供应模块连通，氢气供应模块供应的氢气一部分沿第一支路流入电堆4阳极入口，另一部分沿第二支路流入干燥器9；
对于流入电堆4阳极入口的氢气，电堆4阳极出口->三通阀Ⅰ6->气水分离器5之间形成通路，气水分离器5分离出的液体自气水分离器5的液体出口排出，分离出的气体自气水分离器5的气体出口流出，沿气水分离器5->三通阀Ⅱ10->氢气循环泵11->电堆4阳极入口流回电堆4；
对于流入干燥器9的氢气，沿干燥器9->三通阀Ⅱ10->氢气循环泵11->电堆4阳极入口流入电堆4。
在具体实施时，可以根据经验或实验测量值设定液态水和气态水的吹扫时间，以及干燥器9的干燥时间。
本申请设置了两个三通阀，三通阀Ⅰ6是一入口两出口的三通阀，三通阀Ⅱ10是两入口一出口的三通阀。燃料电池运行时，电堆4的阳极出口会排出H2O，对于液态水，可以连通三通阀Ⅰ6的a-c口，此时a-b口不通，三通阀Ⅱ10的d-f口连通，e-f口不通，这样在气水分离器5中就可以将液态水分离开来，分离的液体排出，分离的气体再经过氢气循环泵11流回电堆4。
如果液态水已经去除，由于气水分离器5无法把气态水与氢气分离开来，此时需要用到干燥器9。连通三通阀Ⅰ6的a-b口，此时a-c口不通，三通阀Ⅱ10的e-f口连通，de-f口不通，这样，含有气态水的氢气就流入了干燥器9，经干燥器9干燥后再流回电堆4。
现有技术中，气态水很难被分离，往往需要很长的时间等待降温，产生冷凝水，从而将气态水分离出去。本申请设置了两个回路，通过调整三通阀的出入口进行回路切换，一个回路上设有气水分离器5，用于去除液态水，一个回路上设有干燥器9，采用吸附原理吸附气态水，这样极大提高电堆4阳极的干燥效果，缩短了阳极吹扫时间。
本申请中，干燥器9为可循环使用的吸附型干燥器。在吸附气态水之后，干燥器9会半饱和甚至饱和。参见上文“(三)干燥器9的干燥”，在燃料电池正常工作时，高压储氢罐1内的氢气通过减压阀2和比例阀3排出，打开电磁阀12，氢气供应模块提供的干燥的氢气会分成两路，一部分沿第一支路通入电堆4进行反应，之后剩余氢气混杂着气态水和液态水再通过气水分离器5进行气液分离，液体排出，气体返回电堆4的阳极入口。氢气供应模块提供的另一部分氢气沿第二支路通入干燥器9，干燥的氢气对吸附了气态水的干燥器9进行干燥，带走干燥器9中吸附的水分，一段时间后干燥器9彻底干燥，可以关闭电磁阀12，待下次去除气态水时，干燥器9再次投入使用。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池阳极吹扫装置，其特征在于，包括氢气供应模块、电堆(4)、三通阀Ⅰ(6)、气水分离器(5)、三通阀Ⅱ(10)、干燥器(9)、氢气循环泵(11)和电磁阀(12)；
所述氢气供应模块用于供应氢气，氢气供应模块的出气口分别与第一支路和第二支路连通，第一支路连通至电堆(4)的阳极入口，第二支路连通至干燥器(9)的入口；所述电磁阀(12)布置在第二支路上，用于通断第二支路；
所述三通阀Ⅰ(6)包括一个a入口、一个b出口和一个c出口，所述三通阀Ⅱ(10)包括一个d入口、一个e入口和一个f出口，所述气水分离器(5)包括入口、气体出口和液体出口；
三通阀Ⅰ(6)的a入口连通至电堆(4)的阳极出口，b出口连通至干燥器(9)的入口，c出口连通至气水分离器(5)的入口；三通阀Ⅱ(10)的d入口连通至气水分离器(5)的气体出口，e入口连通至干燥器(9)的出口，f出口连通至氢气循环泵(11)的进气口，氢气循环泵(11)的出气口连通至第一支路或电堆(4)的阳极入口。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极吹扫装置，其特征在于，所述干燥器(9)为可循环使用的吸附型干燥器。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极吹扫装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与氢气供应模块、电堆(4)、气水分离器(5)、氢气循环泵(11)和电磁阀(12)通信连接。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极吹扫装置，其特征在于，所述氢气供应模块包括高压储氢罐(1)、氢气管路、减压阀(2)和比例阀(3)，所述氢气管路的一端连接至高压储氢罐(1)，另一端连接至第一支路和第二支路，所述减压阀(2)、比例阀(3)依次布置在氢气管路上，减压阀(2)和比例阀(3)与控制器通信连接。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极吹扫装置，其特征在于，所述气水分离器(5)的液体出口通过排水管连接至尾排(7)，所述排水管上设有排水电磁阀(8)，排水电磁阀(8)用于通断排水管，排水电磁阀(8)与控制器通信连接。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极吹扫装置，其特征在于，所述三通阀Ⅰ(6)和三通阀Ⅱ(10)为电动三通阀，三通阀Ⅰ(6)和三通阀Ⅱ(10)均与控制器通信连接。
7.一种燃料电池阳极吹扫方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一所述的燃料电池阳极吹扫装置对电堆(4)的阳极进行吹扫，包括液态水吹扫、气态水吹扫和干燥器(9)的干燥。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池阳极吹扫方法，其特征在于，液态水吹扫包括以下步骤：
氢气供应模块正常供应氢气，三通阀Ⅰ(6)的a入口和c出口接通，三通阀Ⅱ(10)的d入口和f出口连通；
氢气供应模块->电堆(4)->三通阀Ⅰ(6)->气水分离器(5)之间形成通路，气水分离器(5)分离出的液体自气水分离器(5)的液体出口排出，分离出的气体自气水分离器(5)的气体出口流出，沿气水分离器(5)->三通阀Ⅱ(10)->氢气循环泵(11)->电堆(4)阳极入口流回电堆(4)。
9.根据权利要求7所述的一种燃料电池阳极吹扫方法，其特征在于，气态水吹扫包括以下步骤：
氢气供应模块少量供应氢气，三通阀Ⅰ(6)的a入口和b出口接通，三通阀Ⅱ(10)的e入口和f出口连通；
氢气供应模块->电堆(4)->三通阀Ⅰ(6)->干燥器(9)之间形成通路，干燥器(9)干燥后的气体自干燥器(9)的出口流出，沿干燥器(9)->三通阀Ⅱ(10)->氢气循环泵(11)->电堆(4)阳极入口流回电堆(4)。
10.根据权利要求7所述的一种燃料电池阳极吹扫方法，其特征在于，干燥器(9)的干燥包括以下步骤：
氢气供应模块正常供应氢气，电堆(4)正常运行，三通阀Ⅰ(6)的a入口和c出口接通，三通阀Ⅱ(10)的d入口和e入口均与f出口接通，电磁阀(12)打开，第二支路与氢气供应模块连通，氢气供应模块供应的氢气一部分沿第一支路流入电堆(4)阳极入口，另一部分沿第二支路流入干燥器(9)；
对于流入电堆(4)阳极入口的氢气，电堆(4)阳极出口->三通阀Ⅰ(6)->气水分离器(5)之间形成通路，气水分离器(5)分离出的液体自气水分离器(5)的液体出口排出，分离出的气体自气水分离器(5)的气体出口流出，沿气水分离器(5)->三通阀Ⅱ(10)->氢气循环泵(11)->电堆(4)阳极入口流回电堆(4)；
对于流入干燥器(9)的氢气，沿干燥器(9)->三通阀Ⅱ(10)->氢气循环泵(11)->电堆(4)阳极入口流入电堆(4)。
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