CN114171759A - 一种燃料电池电堆的低温吹扫系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆的低温吹扫系统及其方法，系统燃料电池电堆、空气输送单元、中冷器、第一单通阀、第二单通阀、第一三通阀、氢气输送单元、氢气循环单元、第二三通阀、第三单通阀、第四单通阀、温度传感器、加湿器以及第五单通阀，所述燃料电池电堆包括电堆和封装壳体；所述第一三通阀包括A口、B口和C口，所述第二三通阀包括D口、E口和F口。本发明通过在燃料电池电堆停机后和停机过程中对燃料电池电堆进行吹扫，可以更好地保护膜电极和双极板，以及通过对燃料电池电堆的封装壳体进行吹扫，避免了发生电堆漏电或断电的情况以及燃料电池冷启动失败情况。

Description

一种燃料电池电堆的低温吹扫系统及其方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆的低温吹扫系统及其方法。
背景技术
在新能源汽车发展体系中，燃料电池汽车是其重要的组成部分。质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能经反应后直接转化成电能、热能和水的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，转化效率高，只要有足够的燃料气体（主要为氢气）和氧气，就可以长时间连续运行。
燃料电池电堆由电堆和封装壳体（Pack）组成，电堆封装在封装壳体内部，电堆由若干膜电极和双极板组成。其中，燃料电池电堆有一个非常重要的组件，就是膜电极。
在化学反应产生电能的过程中，控制膜电极周围燃料气体的空气湿度是非常重要，恰当的空气湿度值有利于充分进行化学反应，提高电堆的发电功率。
因此，在每次燃料电池汽车熄火后，膜电极的四周围总会留存有一定量的高温高湿空气。由于残留的空气湿度较大，遇到极端天气，例如昼夜温差大的地方，天气突然天气骤降，那么残留的湿空气冷凝成水甚至结冰，严重影响燃料电池汽车的启动。由于电堆内部结冰的，从而堵住了电堆双极板的流道，使得空气和氢气无法进入流道进行反应，导致了燃料电池冷启动失败。
另外，由于电堆封装在封装壳体内，封装壳体内或多或少存在水蒸气，一旦突然骤变，水蒸气降温结冰，则会造成电堆可能发生漏电或短路的情况。
现有技术当中，也有技术用到：当室温高于零摄氏度或一定阈值时，电堆不执行冷启动策略，不会将电堆吹扫至较干水平（电堆保持一定的湿度状态），有利于下次电堆快速启动。当室外温度高于零摄氏度或一定阈值时，燃料电池汽车熄火后，使用干空气去吹干膜电极和双极板四周围的空气到较干水平（并非完全干燥），此时的电堆还是会保留一定湿度的；但是会存在一种的情况是：在燃料电池汽车刚刚停车时，气温并未低于零摄氏度或一定阈值，停机后气温慢慢降低或骤降到零摄氏度，若不及时吹扫电堆内保留的湿空气，电堆就会发生结冰问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池电堆的低温吹扫系统及其方法，通过在燃料电池电堆停机后和停机过程中对燃料电池电堆进行吹扫，可以更好地保护膜电极和双极板，以及通过对燃料电池电堆的封装壳体进行吹扫，避免了发生电堆漏电或断电的情况以及燃料电池冷启动失败情况。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池电堆的低温吹扫方法，包括以下步骤：
步骤S2、燃料电池电堆停机运行时，打开第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀；关闭第一三通阀的B口，关闭第二三通阀的E口；
其中，所述第一三通阀连接氢气输送单元，所述第一三通阀包括A口、B口和C口，所述第二单通阀连接封装壳体的气体入口和第一三通阀的C口，所述氢气输送单元连接第一三通阀的B口，第一三通阀的A口连接电堆的阳极入口；所述第二三通阀包括D口、E口和F口，氢气循环单元的氢气入口连接第二三通阀的E口，第二三通阀的D口连接电堆的阳极出口，第二三通阀的F口连接外界环境；
空气输送单元提供的空气对电堆的阴极、电堆的阳极和封装壳体内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀、第四单通阀和第二三通阀的F口排出外界环境；
吹扫一定时间后，空气输送单元和中冷器停机运转，关闭第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀；或者，在吹扫过程中，实时检测电堆内部阴极或阳极的湿度情况，当电堆的湿度低于一定湿度值时，空气输送单元和中冷器停机运转，关闭第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀；
步骤S3、燃料电池电堆停机过程中，温度传感器实时监测封装壳体内的温度；当温度大于一定温度阈值时，不作处理；
当温度小于或等于一定温度阈值时，空气输送单元和中冷器开机运转；打开第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀，关闭第一三通阀的B口，关闭第二三通阀的E口；空气输送单元提供的空气经过中冷器后，对电堆的阴极、电堆的阳极和封装壳体内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀、第四单通阀和第二三通阀的F口排出外界环境；
吹扫一段时间后，空气输送单元和中冷器停机运转，关闭第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀。
作为优选的，所述步骤S2前还包括步骤S1、燃料电池电堆开机运转时，关闭第二单通阀和第四单通阀，打开第一单通阀和第三单通阀，空气输送单元提供的空气输送至中冷器；中冷器将空气通过第一单通阀输送至电堆的阴极，电堆的阴极出口将空气尾气通过第三单通阀排放到外界环境；
关闭第一三通阀的C口，关闭第二三通阀的F口；氢气输送单元提供的氢气通过第一三通阀的B口、A口进入电堆的阳极，氢气尾气从电堆的阳极出口、第二三通阀的D口、E口进入氢气循环单元，氢气循环单元再将氢气尾气循环输送至第一三通阀的B口。
作为优选的，所述步骤S2中，当空气输送单元提供的空气需要进行加湿时，加湿器对空气提供水蒸气，打开第五单通阀，水蒸气混入空气中并进入电堆的阴极。
作为优选的，所述步骤S2中的一定时间为10秒，所述步骤S3中的一段时间为20秒，所述步骤S3中的一定湿度值为10%湿度值。
作为优选的，所述步骤S3中的一定温度阈值为0摄氏度。
本发明另一目的是提供一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，包括燃料电池电堆、空气输送单元、中冷器、第一单通阀、第二单通阀、第一三通阀、氢气输送单元、氢气循环单元、第二三通阀、第三单通阀和第四单通阀，所述燃料电池电堆包括电堆和封装壳体；所述第一三通阀包括A口、B口和C口，所述第二三通阀包括D口、E口和F口；
所述空气输送单元连接中冷器，所述中冷器连接第一单通阀和第二单通阀；所述第一单通阀连接电堆的阴极入口；所述第二单通阀连接封装壳体的气体入口和第一三通阀的C口，所述氢气输送单元连接第一三通阀的B口，第一三通阀的A口连接电堆的阳极入口；
所述氢气循环单元的氢气出口连接第一三通阀的B口，氢气循环单元的氢气入口连接第二三通阀的E口，第二三通阀的D口连接电堆的阳极出口，第二三通阀的F口连接外界环境；所述第三单通阀连接电堆的阴极出口，所述第四单通阀设置于封装壳体上。
作为优选的，所述一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于封装壳体内，温度传感器用于监测封装壳体内的温度。
作为优选的，所述一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，还包括加湿器和第五单通阀；当空气输送单元提供的空气需要进行加湿时，所述加湿器用于对空气提供水蒸气，所述第五单通阀用于将水蒸气传输至电堆的阴极。
作为优选的，所述电堆包括干湿测量装置，所述干湿测量装置设置于电堆阴极内或者电堆阳极内，所述干湿测量装置为湿度传感器或者阻抗测量装置，所述干湿测量装置用于监测电堆阴极内湿度值或者电堆阳极内湿度值。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过在燃料电池电堆停机后和停机过程中对燃料电池电堆进行吹扫，可以更好地保护膜电极和双极板，以及通过对燃料电池电堆的封装壳体进行吹扫，避免了电堆发生漏电或断电的情况；本发明通过在燃料电池电堆停机过程中，遇到低温天气情况下，系统自动开启对燃料电池电堆进行新一轮的吹扫，避免了燃料电池电堆因结冰从而导致燃料电池电堆冷启动失败的状况发送。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池电堆的低温吹扫系统的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，包括燃料电池电堆1、空气输送单元2、中冷器3、第一单通阀4、第二单通阀5、第一三通阀6、氢气输送单元7、氢气循环单元8、第二三通阀9、第三单通阀10、第四单通阀11、温度传感器12、加湿器13以及第五单通阀14，所述燃料电池电堆1包括电堆101和封装壳体102（Pack）；所述第一三通阀6包括A口、B口和C口，所述第二三通阀9包括D口、E口和F口；
所述空气输送单元2连接中冷器3，所述中冷器3连接第一单通阀4和第二单通阀5；所述第一单通阀4连接电堆101的阴极入口，所述加湿器13通过第五单通阀14连接电堆101的阴极入口；所述第二单通阀5连接封装壳体102的气体入口和第一三通阀6的C口，所述氢气输送单元7连接第一三通阀6的B口，第一三通阀6的A口连接电堆101的阳极入口。
所述氢气循环单元8的氢气出口连接第一三通阀6的B口，氢气循环单元8的氢气入口连接第二三通阀9的E口，第二三通阀9的D口连接电堆101的阳极出口，第二三通阀的F口连接外界环境；所述第三单通阀10连接电堆101的阴极出口，所述第四单通阀11设置于封装壳体102上，第四单通阀11作为封装壳体102上的气体出口。
所述温度传感器12设置于封装壳体102内，温度传感器12用于监测封装壳体102内的温度。
所述电堆101还包括干湿测量装置，所述干湿测量装置设置于电堆101阴极内或者电堆101阳极内，所述干湿测量装置为湿度传感器或者阻抗测量装置，所述干湿测量装置用于监测电堆101阴极内湿度值或者电堆101阳极内湿度值。
在具体实施时，燃料电池电堆1处于开机运转状态，空气输送单元2用于给电堆101的阴极提供空气，氢气循环单元8用于给电堆101的阴极提供氢气；
在电堆阴极这一侧，关闭第二单通阀5和第四单通阀11，打开第一单通阀4和第三单通阀10，空气输送单元2提供的空气输送至中冷器3，一般的，空气输送单元2为空压机，空压机输送的空气是一种高温空气，因此需要对高温空气降温，中冷器3用于对空气输送单元2的高温空气进行降温至一定温度区间，作为优选的，一定温度区间为60摄氏度-80摄氏度；中冷器3将空气通过第一单通阀4输送至电堆101的阴极进行反应，而空气的尾气则先通过电堆101的阴极出口再通过第三单通阀10排放到外界环境中；作为优选的，当空气需要进行加湿时，加湿器13用于对空气提供水蒸气，则打开第五单通阀14，水蒸气混入空气中并进入电堆101的阴极，所述第五单通阀用于将水蒸气传输至电堆的阴极；
在电堆阳极这一侧，关闭第一三通阀6的C口，此时气体会从B口流向A口；关闭第二三通阀9的F口，此时气体会从D口流向E口；氢气输送单元7提供的氢气通过第一三通阀6的B口、A口进入电堆101的阳极进行反应，而氢气尾气则先从电堆101的阳极出口再从第二三通阀9的D口、E口进入氢气循环单元8，氢气循环单元8再将氢气尾气循环输送至第一三通阀6的B口，氢气尾气得以循环重复利用。
在具体实施时，燃料电池电堆1停机运行时，空气输送单元2用于提供空气对电堆101的阴极、电堆101的阳极和封装壳体102进行吹扫；氢气输送单元7和氢气循环单元8均处于停机状态中；
打开第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11，加湿器13处于停机状态且第五单通阀14处于关闭状态；关闭第一三通阀6的B口，此时气体会从C口流向A口；关闭第二三通阀9的E口，此时气体会从D口流向F口；
空气输送单元2提供的空气经过中冷器后，对电堆101的阴极、电堆101的阳极和封装壳体102内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀10、第四单通阀11和第二三通阀9的F口排出外界环境；
吹扫一定时间后，空气输送单元2和中冷器3停机运转，关闭第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11，此时停止吹扫后的电堆101仍然会保留一定湿度，保留一定湿度是为了下一次燃料电池电堆1开机启动时可以快速启动；作为优选的，所述一定时间设为10秒。
或者是，在吹扫过程中，可以利用干湿测量装置实时检测电堆101内部阴极或阳极的湿度情况，当电堆101的湿度低于一定湿度值时，空气输送单元2和中冷器3停机运转，关闭第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11；其中，干湿测量装置可以是湿度传感器、阻抗测量装置或其他可用于测量电堆干湿状态的装置。作为优选的，一定湿度值为10%湿度值。
在具体实施时，燃料电池电堆1持续停机过程中，温度传感器12用于实时监测封装壳体102内的温度；当温度大于一定温度阈值时，不作处理；
当温度小于或等于一定温度阈值时，空气输送单元2和中冷器3开机运转；打开第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11，关闭第一三通阀6的B口，此时气体会从C口流向A口；关闭第二三通阀9的E口，此时气体会从D口流向F口；空气输送单元2提供的空气经过中冷器后，对电堆101的阴极、电堆101的阳极和封装壳体102内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀10、第四单通阀11和第二三通阀9的F口排出外界环境；
吹扫一段时间后，空气输送单元2和中冷器3停机运转，关闭第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11。作为优选的，所述一定温度阈值设为0摄氏度，所述一段时间设为20秒。
本发明通过在燃料电池电堆停机后和停机过程中对燃料电池电堆进行吹扫，可以更好地保护膜电极和双极板，以及通过对燃料电池电堆的封装壳体进行吹扫，避免了电堆发生漏电或断电的情况；本发明通过在燃料电池电堆停机过程中，遇到低温天气情况下，系统自动开启对燃料电池电堆进行新一轮的吹扫，避免了燃料电池电堆因结冰从而导致燃料电池电堆冷启动失败的状况发送。
实施例2
本实施例公开一种燃料电池电堆的低温吹扫方法，其应用于图1所示的低温吹扫系统，具体步骤为：
步骤S1、燃料电池电堆1开机运转时，关闭第二单通阀5和第四单通阀11，打开第一单通阀4和第三单通阀10，空气输送单元2提供的空气输送至中冷器3；中冷器3将空气通过第一单通阀4输送至电堆101的阴极，电堆101的阴极出口将空气尾气通过第三单通阀10排放到外界环境；作为优选的，当空气需要进行加湿时，加湿器13用于对空气提供水蒸气，则打开第五单通阀14，水蒸气混入空气中并进入电堆101的阴极；
关闭第一三通阀6的C口，关闭第二三通阀9的F口；氢气输送单元7提供的氢气通过第一三通阀6的B口、A口进入电堆101的阳极，氢气尾气从电堆101的阳极出口、第二三通阀9的D口、E口进入氢气循环单元8，氢气循环单元8再将氢气尾气循环输送至第一三通阀6的B口，氢气尾气得以循环重复利用；
步骤S2、燃料电池电堆1停机运行时，打开第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11；关闭第一三通阀6的B口，关闭第二三通阀9的E口；
空气输送单元2提供的空气对电堆101的阴极、电堆101的阳极和封装壳体102内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀10、第四单通阀11和第二三通阀9的F口排出外界环境；
吹扫一定时间后，空气输送单元2和中冷器3停机运转，关闭第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11；作为优选的，所述一定时间设为10秒；或者，在吹扫过程中，实时检测电堆101内部阴极或阳极的湿度情况，当电堆101的湿度低于一定湿度值时，空气输送单元2和中冷器3停机运转，关闭第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀；
实际上，电堆101在上述吹扫后，是需要保留一定湿度值的水分的，这样做的好处是在下一次启动电堆时，电堆能够快速启动进行电化学反应；但保留一定湿度值的水分，是会发生一定状况的，就是温度降低到结冰点，残留的水分就会结冰，结冰的水分堵塞电堆双极板流道，导致氢气或空气无法进去流道发送电化学反应，电堆启动失败，因此需要在电堆停机过程中将结冰吹扫（下述步骤S3详细说明），利于下一次电堆能够快速启动；
步骤S3、燃料电池电堆1停机过程中，温度传感器12实时监测封装壳体102内的温度；当温度大于一定温度阈值时，不作处理；
当温度小于或等于一定温度阈值时，空气输送单元2和中冷器3开机运转；打开第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11，关闭第一三通阀6的B口，关闭第二三通阀9的E口；空气输送单元2提供的空气经过中冷器后，对电堆101的阴极、电堆101的阳极和封装壳体102内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀10、第四单通阀11和第二三通阀9的F口排出外界环境；
吹扫一段时间后，空气输送单元2和中冷器3停机运转，关闭第一单通阀4、第二单通阀5、第三单通阀10和第四单通阀11。作为优选的，所述一定温度阈值设为0摄氏度，所述一段时间设为20秒。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (9)

1.一种燃料电池电堆的低温吹扫方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S2、燃料电池电堆停机运行时，打开第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀；关闭第一三通阀的B口，关闭第二三通阀的E口；
其中，所述第一三通阀连接氢气输送单元，所述第一三通阀包括A口、B口和C口，所述第二单通阀连接封装壳体的气体入口和第一三通阀的C口，所述氢气输送单元连接第一三通阀的B口，第一三通阀的A口连接电堆的阳极入口；所述第二三通阀包括D口、E口和F口，氢气循环单元的氢气入口连接第二三通阀的E口，第二三通阀的D口连接电堆的阳极出口，第二三通阀的F口连接外界环境；
空气输送单元提供的空气对电堆的阴极、电堆的阳极和封装壳体内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀、第四单通阀和第二三通阀的F口排出外界环境；
吹扫一定时间后，空气输送单元和中冷器停机运转，关闭第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀；或者，在吹扫过程中，实时检测电堆内部阴极或阳极的湿度情况，当电堆的湿度低于一定湿度值时，空气输送单元和中冷器停机运转，关闭第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀；
步骤S3、燃料电池电堆停机过程中，温度传感器实时监测封装壳体内的温度；当温度大于一定温度阈值时，不作处理；
当温度小于或等于一定温度阈值时，空气输送单元和中冷器开机运转；打开第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀，关闭第一三通阀的B口，关闭第二三通阀的E口；空气输送单元提供的空气经过中冷器后，对电堆的阴极、电堆的阳极和封装壳体内部进行吹扫，空气最后分别从第三单通阀、第四单通阀和第二三通阀的F口排出外界环境；
吹扫一段时间后，空气输送单元和中冷器停机运转，关闭第一单通阀、第二单通阀、第三单通阀和第四单通阀。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的低温吹扫方法，其特征在于，所述步骤S2前还包括步骤S1、燃料电池电堆开机运转时，关闭第二单通阀和第四单通阀，打开第一单通阀和第三单通阀，空气输送单元提供的空气输送至中冷器；中冷器将空气通过第一单通阀输送至电堆的阴极，电堆的阴极出口将空气尾气通过第三单通阀排放到外界环境；
关闭第一三通阀的C口，关闭第二三通阀的F口；氢气输送单元提供的氢气通过第一三通阀的B口、A口进入电堆的阳极，氢气尾气从电堆的阳极出口、第二三通阀的D口、E口进入氢气循环单元，氢气循环单元再将氢气尾气循环输送至第一三通阀的B口。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆的低温吹扫方法，其特征在于，所述步骤S2中，当空气输送单元提供的空气需要进行加湿时，加湿器对空气提供水蒸气，打开第五单通阀，水蒸气混入空气中并进入电堆的阴极。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池电堆的低温吹扫方法，其特征在于，所述步骤S2中的一定时间为10秒，所述步骤S3中的一段时间为20秒，所述步骤S3中的一定湿度值为10%湿度值。
5.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池电堆的低温吹扫方法，其特征在于，所述步骤S3中的一定温度阈值为0摄氏度。
6.一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，其特征在于，包括燃料电池电堆、空气输送单元、中冷器、第一单通阀、第二单通阀、第一三通阀、氢气输送单元、氢气循环单元、第二三通阀、第三单通阀和第四单通阀，所述燃料电池电堆包括电堆和封装壳体；所述第一三通阀包括A口、B口和C口，所述第二三通阀包括D口、E口和F口；
所述空气输送单元连接中冷器，所述中冷器连接第一单通阀和第二单通阀；所述第一单通阀连接电堆的阴极入口；所述第二单通阀连接封装壳体的气体入口和第一三通阀的C口，所述氢气输送单元连接第一三通阀的B口，第一三通阀的A口连接电堆的阳极入口；
所述氢气循环单元的氢气出口连接第一三通阀的B口，氢气循环单元的氢气入口连接第二三通阀的E口，第二三通阀的D口连接电堆的阳极出口，第二三通阀的F口连接外界环境；所述第三单通阀连接电堆的阴极出口，所述第四单通阀设置于封装壳体上。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于封装壳体内，温度传感器用于监测封装壳体内的温度。
8.根据权利要求6或7所述的一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，其特征在于，还包括加湿器和第五单通阀；当空气输送单元提供的空气需要进行加湿时，所述加湿器用于对空气提供水蒸气，所述第五单通阀用于将水蒸气传输至电堆的阴极。
9.根据权利要求6或7所述的一种燃料电池电堆的低温吹扫系统，其特征在于，所述电堆包括干湿测量装置，所述干湿测量装置设置于电堆阴极内或者电堆阳极内，所述干湿测量装置为湿度传感器或者阻抗测量装置，所述干湿测量装置用于监测电堆阴极内湿度值或者电堆阳极内湿度值。
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