CN116864732A - 低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温环境下的燃料电池系统，包括阳极气体输送装置、燃料电池、氮气罐、阴极气体输送装置、第一储液箱、第二储液箱、第一压力测量仪、第二压力测量仪、控制器、内阻检测组件和气液分离器；阳极气体输送装置与燃料电池的阳极输入端连接，阴极气体输送装置与燃料电池的阴极输入端连接，内阻检测组件连接在燃料电池阴、阳极两端，控制器与内阻检测组件连接，氮气罐的氮气吹扫入口分别与阳极气体输送装置、阴极气体输送装置的输入端连接；气液分离器分别与第二压力测量仪、第二储液箱连接。本发明可以减小冻胀应力对燃料电池内部组件膜电极结构的损伤，提高燃料电池的功率并延长其使用寿命。

Description

低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于产物只有液态水，无其他污染物排放而受到研究人员的广泛研究。在0℃以下时，燃料电池内部的液态水会转化成冰，水和冰的密度不同会产生冻胀应力，对燃料电池内部的膜电极组件造成损伤，并且这种是不可逆的损伤，会导致燃料电池在运行过程中的性能降低。

PEMFC中液态水管理问题近年来一直被研究，有学者发现燃料电池在低温环境下(-20℃225℃)保持一定的含水量，可以有效的减小冻胀应力对膜电极的损伤，并且可以保证燃料电池的高输出性能和提高其使用寿命。在现有的技术中，研究人员只通过吹扫干燥气体或任意湿度气体的方式来排出燃料电池内部的液态水，并没有保证燃料电池内部的含水量，这种做法不能使膜电极在低温环境下受到的影响最小。因此，根据现有的研究结论，在停机吹扫时需要保证燃料电池内部处于最佳含水量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法，其能够在燃料电池停机时吹扫燃料电池内部的液态水，并使燃料电池内部保持最佳的含水量，可以有效的减小液态水的冻结与融化带来的体积变化对燃料电池膜电极造成的损伤，使燃料电池保持高性能输出，提高燃料电池的使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低温环境下的燃料电池系统，包括阳极气体输送装置、燃料电池、氮气罐、阴极气体输送装置、第一储液箱、第二储液箱、第一压力测量仪、第二压力测量仪、控制器、内阻检测组件和气液分离器；

所述阳极气体输送装置与燃料电池的阳极输入端连接，所述阴极气体输送装置与燃料电池的阴极输入端连接，所述内阻检测组件连接在燃料电池阴极和阳极两端，所述控制器与内阻检测组件连接，所述氮气罐的氮气吹扫入口分别与阳极气体输送装置、阴极气体输送装置的输入端连接；

所述第一压力测量仪与燃料电池的阴极输出端连接，所述第一压力测量仪与第一储液箱连接；所述第二压力测量仪与燃料电池的阳极输出端连接，所述第二压力测量仪与第二储液箱连接；所述气液分离器分别与第二压力测量仪、第二储液箱连接。

按上述方案，所述阳极气体输送装置包括从左至右依次连接的氢气罐、第一电动双位阀、第一减压阀、氢气引射器、第一流量控制阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第一加湿器、第一温度调节阀、第一单向阀和第一温湿压一体测量仪；

所述第一流量控制阀通过第四电动双位阀与第一温度调节阀连接，所述氢气引射器通过第五单向阀与气液分离器连接。

按上述方案，所述阴极气体输送装置包括从右至左依次连接的空气罐、第十电动双位阀、第二减压阀、第一流量控制阀、第八电动双位阀、第七电动双位阀、第二加湿器、第二温度调节阀、第二单向阀和第二温湿压一体测量仪；

所述第二流量控制阀通过第七电动双位阀与第二温度调节阀连接；

所述氮气罐通过第六电动双位阀分别与第二电动双位阀、第九电动双位阀连接。

按上述方案，所述气液分离器通过第五电动双位阀与第二压力测量仪连接，所述气液分离器通过第五单向阀与氢气引射器连接，所述气液分离器通过第四单向阀与第二储液箱连接。

按上述方案，所述控制器分别与第一电动双位阀、第二电动双位阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第五电动双位阀、第一温湿压一体测量仪、第二压力测量仪、第六电动双位阀、第一压力测量仪、第二温湿压一体测量仪、第七电动双位阀、第八电动双位阀、第九电动双位阀、第十电动双位阀和第十一电动双位阀连接且控制启闭。

本发明还提供一种低温环境下的燃料电池系统的吹扫方法，包括以下步骤：

S1、控制器收到燃料电池停机指令时，开启氮气吹扫系统，控制气体保持最佳吹扫湿度进入到燃料电内部进行吹扫；

S2、控制器预先设定燃料电池内部达到相应含水量后的内阻值、燃料电池阴极和阳极进出口的压力差；

S3、与燃料电池输入端连接的第一温湿压一体测量仪、第二温湿压一体测量仪，与燃料电池输出端连接的第一压力测量仪、第二压力测量仪实时测量进出口气体压力及进口气体湿度，并将测量值反馈至控制器；

S4、内阻检测组件实时测量燃料电池的内阻，并将内阻的测量值反馈至控制器；

S5、当燃料电池阴、阳极进出口的压力差不在变化且内阻测量值在某一值附近波动，当未达到预先设定的内阻值时，燃料电池内部含水量初次达到平衡，控制器关闭氮气吹扫系统，停机等待十分钟；关闭氮气吹扫系统后，燃料电池内部的水分子继续运动，重新达到平衡后燃料电池内部的液态水含量大于预想的含水量。

S6、控制器控制打开氮气吹扫系统，按照原有吹扫条件继续吹扫燃料电池，反复重复步骤S5，直到燃料电池阴极阳极进出口的压力差与内阻测量值达到设定值，控制器关闭氮气吹扫系统，燃料电池在低温环境下的吹扫结束。

实施本发明的低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法，具有以下有益效果：

1、本发明在燃料电池阳极输出端安装压力测量仪后设置了两条可用管路，一条为电池在运行过程中通过气液分离器重复利用氢气，另一条为在停机吹扫时通过一个单向阀连接到储液箱，两条管路前端均设置电动双位阀，受控制器控制，可以在燃料电池运行或停止时进行切换，方便快捷；

2、本发明通过燃料电池阴、阳极进口端的温湿压一体测量仪、出口端的压力测量仪以及燃料电池上的内阻测量组件作用在控制器上，用于判断燃料电池内部的含水量状态，可以更快更直接地判断出燃料电池内部的吹扫情况，可以减小吹扫时间、节约氮气吹扫成本以及控制燃料电池内部的含水量；

3、本发明的吹扫方法可用于燃料电池在运行过程中发生水淹，导致燃料电池运行效果不佳时，可以直接通过控制器控制相应管道上的电动双位阀，将燃料电池停止运行后，通过氮气来进行吹扫，排出燃料电池的故障；

4、本发明通过在燃料电池进口端前安装单向阀，可以防止燃料电池在停止的瞬间气体回流，对系统和燃料电池造成损伤；在储液箱前安装单向阀，同样是用来防止气体或液体回流。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明低温环境下的燃料电池系统的示意图；

图中：1、氢气罐，2、第一电动双位阀，3、第二电动双位阀，4、第一减压阀，5、氢气引射器，6、第一流量控制阀，2、第三电动双位阀，8、第四电动双位阀，9、第一加湿器，10、第一温度调节阀，11、第一单向阀，12、第五电动双位阀，13、第一温湿压一体测量仪，14、氮气罐，15、第六电动双位阀，16、燃料电池，12、第二温湿压一体测量仪，18、第二单向阀，19、第二温度调节阀，20、第二加湿器，21、第七电动双位阀，22、第八电动双位阀，23、第二流量控制阀，24、第二减压阀，25、第九电动双位阀，26、第十电动双位阀，22、空气罐，28、第一储液箱，29、第三单向阀，30、第一压力测量仪，31、控制器，32、内阻检测组件，33、第二压力测量仪，34、第十一电动双位阀，35、第二储液箱，36、第四单向阀，32、气液分离器，38、第五单向阀。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，在本发明的低温环境下的燃料电池系统包括阳极气体输送装置、燃料电池16、氮气罐14、阴极气体输送装置、第一储液箱28、第二储液箱35、第一压力测量仪30、第二压力测量仪33、控制器31、内阻检测组件32和气液分离器32，气液分离器32用于分离气体和液体。

阳极气体输送装置与燃料电池16的阳极输入端连接，阴极气体输送装置与燃料电池16的阴极输入端连接，内阻检测组件32连接在燃料电池16阴、阳极两端，控制器31与内阻检测组件32连接，氮气罐14的氮气吹扫入口分别与阳极气体输送装置、阴极气体输送装置的输入端连接；第一压力测量仪30与燃料电池16的阴极输出端连接，第一压力测量仪30与第一储液箱28连接；第二压力测量仪33与燃料电池16的阳极输出端连接，第二压力测量仪33与第二储液箱35连接；气液分离器32分别与第二压力测量仪33、第二储液箱35连接。

阳极气体输送装置包括从左至右依次连接的氢气罐1、第一电动双位阀2、第一减压阀4、氢气引射器5、第一流量控制阀6、第三电动双位阀2、第四电动双位阀8、第一加湿器9、第一温度调节阀10、第一单向阀11和第一温湿压一体测量仪13；第一流量控制阀6通过第四电动双位阀8与第一温度调节阀10连接，氢气引射器5通过第五单向阀38与气液分离器32连接。

氢气罐1的进气管路与第一电动双位阀2相连接，用来控制氢气输送，第一减压阀4的安装是减小从氢气罐1输送出来的高压氢气的压强，减小到氢气反应时所需的压强，氢气引射器5一方面接收来自氢气罐1的氢气，另一方面接受来自燃料电池16内未反应的氢气，两者融合之后通过氢气引射器5前端将氢气释放出去，第一流量控制阀6目的是控制气体反应的流量，防止气体流量过大或者过小都会对燃料电池16性能造成影响，第一加湿器9用来给气体加湿，促进燃料电池16内的化学反应以及质子的运输，若不需要加湿气体，可以关闭第三电动双位阀2，通过打开第四电动双位阀8可以输送干燥气体，第一温度调节阀10用来调节气体的温度，同样是促进燃料电池16内的化学反应，第一单向阀11用防止燃料电池16在停止运行的瞬间导致气体回流，对燃料电池16结构造成影响，第一温湿压一体测量仪13用来测量燃料电池16阳极进口氢气的温度、湿度以及压力，并反馈至控制器31上，可以实时观察到氢气的工作参数。

阴极气体输送装置包括从右至左依次连接的空气罐22、第十电动双位阀26、第二减压阀24、第二流量控制阀23、第八电动双位阀22、第七电动双位阀21、第二加湿器20、第二温度调节阀19、第二单向阀18和第二温湿压一体测量仪12；第二流量控制阀23通过第七电动双位阀21与第二温度调节阀19连接；氮气罐14通过第六电动双位阀15分别与第二电动双位阀3、第九电动双位阀25连接。

空气罐22的进气管路同样需要受到第十电动双位阀26的控制，输送的气体依次经过第二减压阀24的减压、第二流量控制阀23的流量控制、第二加湿器20的加湿或干燥以及第二温度调节阀19的加温，通过第二温湿压一体测量仪12后输送至燃料电池16的阴极进口。氮气罐14通过关闭第一电动双位阀2和第十电动双位阀26，打开第六电动双位阀15、第二电动双位阀3和第九电动双位阀25就可以与阳极/阴极气体输送管道相连接，对燃料电池16进行氮气输送。

气液分离器32通过第五电动双位阀12与第二压力测量仪33连接，气液分离器32通过第五单向阀38与氢气引射器5连接，气液分离器32通过第四单向阀36与第二储液箱35连接。控制器31分别与第一电动双位阀2、第二电动双位阀3、第三电动双位阀2、第四电动双位阀8、第五电动双位阀12、第一温湿压一体测量仪13、第二压力测量仪33、第六电动双位阀15、第一压力测量仪30、第二温湿压一体测量仪12、第七电动双位阀21、第八电动双位阀22、第九电动双位阀25、第十电动双位阀26和第十一电动双位阀34连接且控制启闭。

在燃料电池16运行时，燃料电池16的阳极输出端的混合物先通过第二压力测量仪33，将出口的压力值输送至控制器31上，此时第十一电动双位阀34是处于关闭状态，其次经过第五电动双位阀12后将气体输送至气液分离器32，气液分离器32一端将未反应完的氢气通过第五单向阀38输送至氢气引射器5上，重复利用可以节约资源，气液分离器32另一端通过第四单向阀36将生成的液态水排至第二储液箱35内，第四单向阀36和第五单向阀38的作用均是防止气体或液体回流。燃料电池16的阴极输出端的混合物通过第一压力测量仪30和第三单向阀29后排出至第一储液箱28内，未反应完的空气无污染和危害，不需重复利用，第一压力测量仪30测量阴极出口气体的压力大小，第三单向阀29用来防止气体或液体回流。其中，第一储液箱28和第二储液箱35是用来收集反应生成的液态水，与外界相通，气体可以均匀地扩散至空气中，储液箱底部有开关，在箱内水过多时可以打开将液态水排出。控制器31控制整个系统内所有的电动双位阀，并接收两个温湿压一体测量仪、两个压力测量仪和一个内阻测量装置的信号，得到燃料电池16的工作状态，使燃料电池16更好的运行。

本发明还提供一种低温环境下的燃料电池系统的吹扫方法，包括以下步骤：

S1、当控制器31收到燃料电池16停机指令时，打开氮气吹扫系统，第二电动双位阀3、第三电动双位阀2、第六电动双位阀15、第八电动双位阀22、第九电动双位阀25以及第十一电动双位阀34均被打开，其他电动双位阀处于关闭状态；氢气引射器5下端阀门关闭，调节左端阀门开度使氮气经过此装置压力保持恒定；分别调节第一加湿器9、第二加湿器20、第一温度调节阀10以及第二温度调节阀19，控制气体保持最佳吹扫湿度进入到燃料电池16内部进行吹扫。

S2、控制器31预先设定燃料电池16内部达到相应含水量后的内阻值、燃料电池16阴极和阳极进出口的压力差；

S3、与燃料电池16输入端连接的第一温湿压一体测量仪13、第二温湿压一体测量仪12，与燃料电池16输出端连接的第一压力测量仪30、第二压力测量仪33实时测量进出口气体压力及进口气体湿度，并将测量值反馈至控制器31；

S4、内阻检测组件32实时测量燃料电池16的内阻，并将内阻的测量值反馈至控制器31。

S5、当燃料电池16阴、阳极进出口的压力差不在变化且内阻测量值在某一值附近波动，但未达到预先设定的内阻值时，此时控制器31关闭氮气吹扫系统，停机等待十分钟。停机等待的原因是气体吹扫首先是吹扫燃料电池16中流场部分的液态水，然后依次吹扫膜电极中的气体扩散层、催化剂层和质子交换膜；当阴阳极进出口压力差不变时，表明燃料电池16中多余液态水已经被吹扫完成，此时燃料电池16的内阻值会在之后吹扫的一段时间内保持不变，燃料电池16内部水含量初次达到平衡。关闭吹扫系统后，燃料电池16内部的水分子会继续运动，沿着催化剂层、气体扩散层直到流道后重新达到平衡，此时燃料电池16内的液态水含量会大于预想的含水量，所以需要停机等待后继续吹扫。

S6、控制器31控制打开氮气吹扫系统，按照原有吹扫条件继续吹扫燃料电池16，反复重复步骤S5，直到燃料电池16阴阳极进出口的压力差与内阻测量值达到设定值，控制器31关闭氮气吹扫系统，燃料电池16在低温环境下的吹扫结束。

通过对燃料电池16进行停机吹扫，并在低温环境下保持燃料电池16内部的含水量，可以使水冰转化导致的体积变化对燃料电池16膜电极的结构损伤减小，保持燃料电池16的高输出性能，并延长其使用寿命。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，包括阳极气体输送装置、燃料电池、氮气罐、阴极气体输送装置、第一储液箱、第二储液箱、第一压力测量仪、第二压力测量仪、控制器、内阻检测组件和气液分离器；

所述阳极气体输送装置与燃料电池的阳极输入端连接，所述阴极气体输送装置与燃料电池的阴极输入端连接，所述内阻检测组件连接在燃料电池阴极和阳极两端，所述控制器与内阻检测组件连接，所述氮气罐的氮气吹扫入口分别与阳极气体输送装置、阴极气体输送装置的输入端连接；

所述第一压力测量仪与燃料电池的阴极输出端连接，所述第一压力测量仪与第一储液箱连接；所述第二压力测量仪与燃料电池的阳极输出端连接，所述第二压力测量仪与第二储液箱连接；所述气液分离器分别与第二压力测量仪、第二储液箱连接。

2.根据权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体输送装置包括从左至右依次连接的氢气罐、第一电动双位阀、第一减压阀、氢气引射器、第一流量控制阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第一加湿器、第一温度调节阀、第一单向阀和第一温湿压一体测量仪；

所述第一流量控制阀通过第四电动双位阀与第一温度调节阀连接，所述氢气引射器通过第五单向阀与气液分离器连接。

3.根据权利要求2所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极气体输送装置包括从右至左依次连接的空气罐、第十电动双位阀、第二减压阀、第二流量控制阀、第八电动双位阀、第七电动双位阀、第二加湿器、第二温度调节阀、第二单向阀和第二温湿压一体测量仪；

所述第二流量控制阀通过第七电动双位阀与第二温度调节阀连接；

所述氮气罐通过第六电动双位阀分别与第二电动双位阀、第九电动双位阀连接。

4.根据权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述气液分离器通过第五电动双位阀与第二压力测量仪连接，所述气液分离器通过第五单向阀与氢气引射器连接，所述气液分离器通过第四单向阀与第二储液箱连接。

5.根据权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器分别与第一电动双位阀、第二电动双位阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第五电动双位阀、第一温湿压一体测量仪、第二压力测量仪、第六电动双位阀、第一压力测量仪、第二温湿压一体测量仪、第七电动双位阀、第八电动双位阀、第九电动双位阀、第十电动双位阀和第十一电动双位阀连接且控制启闭。

6.一种权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统的吹扫方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、控制器收到燃料电池停机指令时，开启氮气吹扫系统，控制气体保持最佳吹扫湿度进入到燃料电池内部进行吹扫；

S2、控制器预先设定燃料电池内部达到预设含水量后的内阻值、燃料电池阴极和阳极进出口的压力差；

S3、与燃料电池输入端连接的第一温湿压一体测量仪、第二温湿压一体测量仪，与燃料电池输出端连接的第一压力测量仪、第二压力测量仪实时测量进出口气体压力和进口气体湿度，并将测量值反馈至控制器；

S4、内阻检测组件实时测量燃料电池的内阻，并将内阻的测量值反馈至控制器；

S5、当燃料电池阴、阳极进出口的压力差不在变化且内阻测量值在某一值附近波动，但未达到预先设定的内阻值时，此时燃料电池内部含水量初次达到平衡，控制器关闭氮气吹扫系统，停机等待十分钟；关闭氮气吹扫系统后，燃料电池内部的水分子继续运动，重新达到平衡后燃料电池内部的液态水含量大于预想的含水量。

S6、控制器控制打开氮气吹扫系统，按照原有吹扫条件继续吹扫燃料电池，反复重复步骤S5，直到燃料电池阴、阳极进出口的压力差与内阻测量值达到设定值，控制器关闭氮气吹扫系统，燃料电池在低温环境下的吹扫结束。