CN203826483U - 一种带有制氮装置的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有制氮装置的燃料电池系统，涉及质子交换膜燃料电池领域。本实用新型带有制氮装置的燃料电池系统，包括空气滤清器、无油空气压缩机、增湿器、燃料电池堆、氮气储罐、氢气储罐和减压器，所述氮气储罐上安装有压力传感器和氧气浓度传感器，还包括制氮机，所述无油空气压缩机的出气管分为两个支路，其中一个支路通过所述增湿器和燃料电池堆相连，另一个支路通过流量控制阀和所述制氮机相连，所述制氮机的氮气出口和氮气储罐相连。本实用新型利用制氮机直接从空气中分离出氮气，而不用通过外挂氮气存储设备，随时可以补充氮气，省去了额外运输氮气和补充氮气所需的设备，操作简单，节约成本。

Description

一种带有制氮装置的燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池系统，尤其是一种带有制氮装置的燃料电池系统。

背景技术

目前，燃料电池堆在停机过程中，由于空气和残留的氢气的存在，燃料电池仍在反应，并不断的消耗氢气，直到氢气耗尽为止，这时空气腔仍为标准大气压，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。这一过程一是容易形成氢空界面，产生反向电流，造成燃料电池堆电极性能快速衰减，二是膜电极因两侧压力不同而受到外力作用发生变形，长久以后形成机械性损伤而损坏。为避免清空界面和负压对燃料电池堆造成的损伤，提高其使用寿命，需要对燃料电池堆用惰性气体进行保护，通常以氮气作为惰性气体。

现有技术一种是无氮气装置的燃料电池系统，如图1所示，关机时直接用氢气吹扫，这样做的结果是浪费氢气，燃料电池堆因缺少氮气保护而形成负压导致机械损伤以及形成氢空界面影响使用寿命；另一种是带有外接氮气吹扫阀的燃料电池系统，如图2所示，带有外接氮气吹扫阀的燃料电池系统设置有快插式单向氮气吹扫阀19，使用氮气瓶减压后通过快插式单向氮气吹扫阀19吹扫燃料电池堆。如图3所示，带有氮气瓶的燃料电池系统，包括空气滤清器1、无油空气压缩机2、增湿器3、燃料电池堆4、氮气储罐6、压力传感器7、氮气流量控制器9、单向阀10、氮气进气阀11、氢气储罐12、减压器13、氢气进气阀14、氢气尾排阀15、背压阀17、氮气加注口20。在使用过程中，空气依次进入空气滤清器1、无油空气压缩机2、增湿器3、燃料电池堆4，由背压阀17提高压力；氢气由氢气储罐12进入减压器13、氢气进气阀14、再进入电堆4与空气反应，尾气由氢气尾排阀15排出，停机的时候氮气储罐6的氮气由氮气流量控制器9控制进入燃料电池堆4进行吹扫和氮气保护，当氮气压力传感器7检测压力不足时就需要通过氮气加注口20进行外部补充氮气，这样就带来了为补充氮气而额外增加氮气加注设备的问题，而且还需要运输氮气，操作上繁琐不方便。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种带有制氮装置的燃料电池系统。本实用新型采用的技术手段如下：

一种带有制氮装置的燃料电池系统，包括空气滤清器、无油空气压缩机、增湿器、燃料电池堆、氮气储罐、氢气储罐和减压器，所述燃料电池堆上设有氢气尾排阀，所述氮气储罐上安装有压力传感器，所述氮气储罐通过氮气流量控制器、单向阀和氮气控制阀与燃料电池堆相连，所述氮气流量控制阀和单向阀之间设有放空管，所述放空管上安装有放空阀，还包括制氮机，所述无油空气压缩机的出气管分为两个支路，其中一个支路通过所述增湿器和燃料电池堆相连，另一个支路通过空气流量控制阀和所述制氮机相连，所述制氮机的氮气出口和氮气储罐相连，所述氮气储罐上安装有氧气浓度传感器。

进一步地，所述制氮机为膜制氮机。

进一步地，所述制氮机为分子筛型制氮机。

与现有技术比较，本实用新型所述的一种带有制氮装置的燃料电池系统，利用制氮机直接从空气中分离出氮气，而不用通过外挂氮气存储设备，随时可以补充氮气，省去了额外运输氮气和补充氮气所需的设备，操作简单，节约成本。同时对燃料电池堆进行惰性气体保护，可以延长燃料电池堆的寿命。

附图说明

图1是无氮气装置的燃料电池系统流程示意图。

图2是带有外接氮气吹扫阀的燃料电池系统流程示意图。

图3是带有氮气瓶的燃料电池系统流程示意图。

图4是本实用新型一种带有制氮装置的燃料电池系统流程示意图。

图中：1、空气滤清器；2、无油空气压缩机；3、增湿器；4、燃料电池堆；5、制氮机；6、氮气储罐；7、压力传感器；8、氧气浓度传感器；9、氮气流量控制器；10、单向阀；11、氮气进气阀；12、氢气储罐；13、减压器；14、氢气进气阀；15、氢气尾排阀；16、放空阀；17、背压阀；18、空气流量控制阀；19、快插式单向氮气吹扫阀；20、氮气加注口。

具体实施方式

如图4所示，一种带有制氮装置的燃料电池系统，包括空气滤清器1、无油空气压缩机2、增湿器3、燃料电池堆4、制氮机5、氮气储罐6、压力传感器7、氧气浓度传感器8、氮气流量控制阀9、单向阀10、氮气进气阀11、氢气储罐12、减压器13、氢气进气阀14、氢气尾排阀15、放空阀16、背压阀17、空气流量控制阀18，所述的空气滤清器1与无油空气压缩机2连接后分成两路，一路与增湿器3、燃料电池堆4、背压阀17连接；另一路依次与空气流量控制阀18、制氮机5、氮气存储罐6、氮气流量控制阀9、单向阀10、氮气进气阀11连接，在氮气进气阀11与单向阀10之间还连有放空管，所述放空管上安装有放空阀16；氢气储罐12与减压器13、氢气进气阀14连接后与氮气进气阀11汇合连接燃料电池堆4，反应产生的水和少量氢气经氢气尾排阀15排出。所述的氮气存储罐上安装有压力传感器7、氧气浓度传感器8，所述压力传感器7可监测氮气储罐内压力，提高安全性，所述氧气浓度传感器8通过对氮气储罐中氧气浓度的监测防止氧气进入燃料电池堆4的氢气腔。

本实施例采用分子筛型制氮机5。燃料电池堆4启动运行时，空气经空气滤清器1过滤，进入无油空气压缩机1后分两路，一路空气通过增湿器3加湿后进入燃料电池堆4，并通过背压阀17进行背压到0.2MPa来提高反应空气压力；氢气储罐12内的氢气经减压器13减压到0.22MPa后通过氢气进气阀14进入燃料电池堆4与空气发生化学反应供电，其产生的尾气和水通过氢气尾排阀15排出。打开制氮机5和空气流量控制阀18，另一路空气通过空气流量控制阀18进入分子筛制氮机5，经过加压吸附、常压解吸制备出氮气，流入氮气储罐6，再经氮气储罐6上的氧气浓度传感器8分析，当氧气浓度高于0.01%时打开放空阀16放空，防止氧气进入燃料电池堆4的氢气腔，当氧气浓度低于0.01%时关闭放空阀16，制备的氮气存储于氮气储罐6中，当压力传感器7检测到氮气存储罐6中的压力达到设定的压力0.3MPa时，关闭空气流量控制阀18和制氮机5，完成氮气制备，其中单向阀10保证氢气不会反向进入氮气储罐而引发安全问题。燃料电池堆4在运行结束时，关闭氢气进气阀14，打开氮气进气阀11和氢气尾排阀15，通过氮气流量控制阀9控制氮气流量，对燃料电池堆4内的氢气和水进行吹扫和置换，达到使用惰性气体保护燃料电池堆4，延长其使用寿命的目的。与现有技术相比，本实用新型无需使用外部氮气瓶吹扫，也无需补充氮气，运行过程中直接从无油空气压缩机2输出的空气中获得需要的氮气，无油空气压缩机2同时作为燃料电池堆4和制氮机5的空气源，节约成本、操作方便。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带有制氮装置的燃料电池系统，包括空气滤清器、无油空气压缩机、增湿器、燃料电池堆、氮气储罐、氢气储罐和减压器，所述燃料电池堆上设有氢气尾排阀，所述氮气储罐上安装有压力传感器，所述氮气储罐通过氮气流量控制器、单向阀和氮气控制阀与燃料电池堆相连，所述氮气流量控制阀和单向阀之间设有放空管，所述放空管上安装有放空阀，其特征在于：还包括制氮机，所述无油空气压缩机的出气管分为两个支路，其中一个支路通过所述增湿器和燃料电池堆相连，另一个支路通过空气流量控制阀和所述制氮机相连，所述制氮机的氮气出口和氮气储罐相连，所述氮气储罐上安装有氧气浓度传感器。

2.根据权利要求1所述的带有制氮装置的燃料电池系统，其特征在于：所述制氮机为膜制氮机。

3.根据权利要求1所述的带有制氮装置的燃料电池系统，其特征在于：所述制氮机为分子筛型制氮机。