CN214152954U

CN214152954U - 一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统

Info

Publication number: CN214152954U
Application number: CN202023242358.5U
Authority: CN
Inventors: 董鸣月; 蔡永健; 孙士琦; 冯佳辉; 侯向理; 姚宇希
Original assignee: Nekson Power Technology Co ltd
Current assignee: Nekson Power Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2030-12-29

Abstract

本实用新型涉及一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统，电堆包括供排氢单元、供排氧单元、冷却水单元，其中，供排氧单元包括空压机、增湿器、第一节气门以及第二节气门，空压机的出口分成两路，其中一路通过第一节气门直接与电堆的空气入口连接，另外一路通过第二节气门与增湿器连接，增湿器的一个出口与电堆的空气入口连接，另外一个出口与尾气处理装置连接，电堆的空气出口与增湿器的另一个入口连接。本实用新型利用空压机的空气对电堆阴极进行吹扫，带出多余的水分，防止膜电极结冰。

Description

一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统。

背景技术

低温冷起动技术是燃料电池发动机的关键技术之一。这是由于PEMFC广泛应用的质子交换膜的特殊的化学结构，必须保证膜中含有一定的水分，否则会影响电化学反应的进行。膜中的含水量或者燃料电池中的含水量不能过多，否则在在低于0℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏，降低燃料电池性能。因此，低温冷启动被认为是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一。

燃料电池在低温下关机，对下一次低温冷启动具有极其重要的作用。目前的关机，主要是在关机之后，关闭空气入口和氢气入口，通过电阻耗电，将残留在电堆内部的空气和氢气消耗完，来实现关机。但是，该方法无法将水排出，在低温下容易结冰，而且电堆内部处于负压状态，对膜具有较大的损坏。

因此，本领域急需一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统及吹扫方法。

实用新型内容

本实用新型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液冷燃料电池系统低温吹扫系统。

为了实现本实用新型之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统，所述燃料电池的电堆包括供排氢单元、供排氧单元、冷却水单元，所述供排氢单元用于电堆内氢气的供给及排出，且所述电堆的氢气出口的气体部分循环至点对的氢气入口，所述供排氧单元用于电堆内空气的供给及排出，所述冷却水单元用于电堆内冷却水的供给及排出，所述供排氧单元包括空压机、增湿器、第一节气门以及第二节气门，所述空压机的出口分成两路，其中一路通过第一节气门直接与电堆的空气入口连接，另外一路通过第二节气门与增湿器连接，增湿器的一个出口与电堆的空气入口连接，另外一个出口与尾气处理装置连接，电堆的空气出口与增湿器的另一个入口连接。本系统的关键在于，停机阶段，用干燥的空气吹扫电堆的阴极侧，用干燥的氢气吹扫阳极侧，先将电堆内残余的水分除去，当然，此时由于电堆内继续通氢气和氧气，仍然会有少量的水生成。最后，关闭空气，只用氢气进行吹扫，将电堆内部的空气和水全部清除干净，即可完成吹扫。该装置不会对电堆的膜产生破坏，而且能将水全部取祛除，防止其结冰。

在第一方面的一种实施方式中，所述电堆的空气入口设置第一湿度传感器和第二压力传感器，所述电堆的空气出口设置第二湿度传感器和第三压力传感器。

在第一方面的一种实施方式中，所述冷却水单元包括水泵和节温器，所述电堆的出水口依次连接水泵和节温器，所述节温器的一个出口直接与电堆的入水口连接，所述节温器的另一个出口经过散热器后与电堆的入水口连接。

在第一方面的一种实施方式中，所述电堆的出水口设置第二温度传感器和第五压力传感器，所述电堆的入水口设置第一温度传感器和第四压力传感器。

在第一方面的一种实施方式中，所述供排氢单元包括比例阀、引射器、水气分离器以及循环泵，所述氢气源依次通过比例阀和引射器与所述电堆的氢气入口连接，所述电堆的氢气出口连接水气分离器，水气分离器的底部连接排水管路，所述水气分离器的顶部分成两路，一路通过循环泵连接引射器，另外一路连接尾气处理装置。

在第一方面的一种实施方式中，所述电堆内部设有第三温度传感器。

在第二方面，本身请提供一种利用如上所述吹扫系统进行的液冷燃料电池系统低温吹扫方法，包括如下步骤：

(1)当燃料电池关机后，维持供排氢单元、供排氧单元不变，减少冷却水单元的供冷量，并将燃料电池的负载降低，直至燃料电池内温度降至T₀；

(2)关闭第二节气门，打开第一节气门，同时关闭氢气出口循环回氢气入口的管路，待电堆的空气出口处的露点温度降低至S₀时，关闭第一节气门；

(3)维持氢气的吹扫，直至燃料电池内部温度降至T₁，关闭氢气，完成吹扫。

在第二方面的一种实施方式中，所述冷却水单元包括水泵、节温器和散热器，在步骤(1)中，减少冷却水单元供冷量的方法为关闭散热器，使得电堆的出水口依次连接水泵和节温器后直接返回电堆的入水口，同时，降低水泵的转速；所述T₀为50～60℃。

在第二方面的一种实施方式中，步骤(2)中，所述S₀为5～10℃。

在第二方面的一种实施方式中，步骤(3)中，所述T₁为0～5℃。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)燃料电池在低温环境下关机需要吹扫，利用空压机的空气对电堆阴极进行吹扫，带出多余的水分，防止膜电极结冰；

(2)可以有效避免现有的关机方法对电堆膜等结构带来的损坏，延长电堆的使用寿命。

附图说明

图1为本申请液冷燃料电池系统低温吹扫系统的结构示意图。

在附图中，1为空压机，2为增湿器，3为电堆，4为循环泵，5为背压阀，6为水气分离器，7为比例阀，8为散热器，9为水泵，10为节温器，11为引射器，12为截止阀，J1为第一节气门，J2为第二节气门，S1为第一湿度传感器，S2为第二湿度传感器，Y1为第一压力传感器，Y2为第二压力传感器，Y3为第三压力传感器，Y4为第四压力传感器，Y5为第五压力传感器，W1为第一温度传感器，W2为第二温度传感器，W3为第三温度传感器，ST1为第一三通阀，ST2为第二三通阀，ST3为第三三通阀，ST4为第四三通阀。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本实用新型的保护范围之内。

实施例

下面将对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统，其结构如图1所示，电堆3包括供排氢单元、供排氧单元、冷却水单元，具体如下：

供排氧单元包括空压机1、增湿器、第一节气门J1、第二节气门J2和截止阀12，空压机1的出口分成两路，其中一路通过第一节气门J1直接与电堆3的空气入口连接，另外一路通过第二节气门J2与增湿器2连接，增湿器2的一个出口与电堆3的空气入口连接，并在该连接管路上设置截止阀12，增湿器2另外一个出口与尾气处理装置连接(图上未显示尾气处理装置)，并在连接管路上依次连接第三三通阀ST3、第四三通阀ST4和背压阀5，电堆3的空气出口与增湿器2的另一个入口连接。电堆3的空气入口设置第一湿度传感器S1和第二压力传感器Y2，电堆3的空气出口设置第二湿度传感器S2和第三压力传感器Y3。

供排氢单元包括比例阀7、引射器11、水气分离器6和循环泵4，其中，干燥的氢气源依次通过比例阀7和引射器11连接电堆3的氢气入口，且在比例阀7前端设置第一压力传感器Y1。电堆3的氢气出口连接第二三通阀ST2，第二三通阀ST2的一个出口与第三三通阀ST3连接，第二三通阀ST2的另一个出口与水气分离器6连接，水气分离器6的底部与排水管路连接，水气分离器6的顶部分成两路，一路通过循环泵4与引射器11连接，另一路通过第四三通阀ST4和背压阀5与尾气处理装置连接。

冷却水单元包括水泵9、节温器10和散热器8，其中，电堆3的出水口依次连接水泵9和节温器10，节温器10的一个出口直接与第一三通阀ST1的一个入口连接，节温器10的另一个出口经过散热器8后与第一三通阀ST1的另一个入口连接，第一三通阀ST1的出口与电堆3的入水口连接。电堆3的出水口设置第二温度传感器W2和第五压力传感器Y5，电堆3的入水口设置第一温度传感器W1和第四压力传感器Y4。

电堆3内部设置第三温度传感器W3。

上述系统的工作原理如下：

(1)当燃料电池正常工作时，供排氢单元、供排氧单元、冷却水单元的连接分别如下：

供排氢单元：比例阀7打开，第二三通阀ST2与水气分离器6的连接打开，第二三通阀ST2与第三三通阀ST3的连接断开，水气分离器6与循环泵4的连接打开，水气分离器6与第四三通阀ST4的连接打开(但需要保证氢气的循环量，即通过循环泵4循环至引射器11的氢气量)，水气分离器6与排水管路间歇性打开(仅当水气分离器6内水太多，需要排除时打开，其余时间关闭)。

供排氧单元：空压机1打开提供干燥空气，第一节气门J1关闭，第二节气门J2打开，截止阀12打开。

冷却水单元：水泵9打开，节温器10与散热器8的连接打开，散热器8与第一三通阀ST1的连接打开，节温器10与第一三通阀ST1的连接关闭。

电堆3正常工作温度在70℃左右。

(2)当燃料电池需要关机时，按照如下步骤进行操作：

1)先关闭散热器8、降低水泵9转速，减少燃料电池热损失，将电堆3降载至一个小电流I0进行放电，供排氢单元、供排氧单元不变，同时通过第三传感器记录电堆3内部的温度及冷却液的温度，直至电堆3内的温度降至55℃左右。

2)关闭第二节气门J2和截止阀12，打开第一节气门J1，利用干燥的空气对电堆3阴极侧吹扫，调整空压机1转数，失压模式吹扫阴极侧，可在短时间内彻底的除去电堆3内的残余水分；同时，断开第二三通阀ST2与水气分离器6的连接，打开第二三通阀ST2与第三三通阀ST3的连接，氢气源提供的干燥氢气直接吹扫电堆3阳极侧，随时检测电堆3空气出口的湿度，直至露点温度低于10℃；

3)关闭空压机1，关闭第一节气门J1，氢气源的干燥氢气继续吹扫电堆3，消耗阴极侧氧气，直至电堆3内部温度降为5℃时，关闭比例阀7和背压阀5，关机吹扫结束，关闭负载。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims

1.一种液冷燃料电池系统低温吹扫系统，所述燃料电池的电堆包括供排氢单元、供排氧单元、冷却水单元，所述供排氢单元用于电堆内氢气的供给及排出，且所述电堆的氢气出口的气体部分循环至点对的氢气入口，所述供排氧单元用于电堆内空气的供给及排出，所述冷却水单元用于电堆内冷却水的供给及排出，其特征在于，所述供排氧单元包括空压机、增湿器、第一节气门以及第二节气门，所述空压机的出口分成两路，其中一路通过第一节气门直接与电堆的空气入口连接，另外一路通过第二节气门与增湿器连接，增湿器的一个出口与电堆的空气入口连接，另外一个出口与尾气处理装置连接，电堆的空气出口与增湿器的另一个入口连接。

2.如权利要求1所述的液冷燃料电池系统低温吹扫系统，其特征在于，所述电堆的空气入口设置第一湿度传感器和第二压力传感器，所述电堆的空气出口设置第二湿度传感器和第三压力传感器。

3.如权利要求1所述的液冷燃料电池系统低温吹扫系统，其特征在于，所述冷却水单元包括水泵和节温器，所述电堆的出水口依次连接水泵和节温器，所述节温器的一个出口直接与电堆的入水口连接，所述节温器的另一个出口经过散热器后与电堆的入水口连接。

4.如权利要求3所述的液冷燃料电池系统低温吹扫系统，其特征在于，所述电堆的出水口设置第二温度传感器和第五压力传感器，所述电堆的入水口设置第一温度传感器和第四压力传感器。

5.如权利要求1所述的液冷燃料电池系统低温吹扫系统，其特征在于，所述供排氢单元包括比例阀、引射器、水气分离器以及循环泵，氢气源依次通过比例阀和引射器与所述电堆的氢气入口连接，所述电堆的氢气出口连接水气分离器，水气分离器的底部连接排水管路，所述水气分离器的顶部分成两路，一路通过循环泵连接引射器，另外一路连接尾气处理装置。

6.如权利要求1所述的液冷燃料电池系统低温吹扫系统，其特征在于，所述电堆内部设有第三温度传感器。