可在低温下快速开启的质子交换膜燃料电池排氢系统的制作方法

本实用新型涉及一种应用于质子交换膜燃料电池的排氢系统，尤其涉及一种可在低温下快速开启的质子交换膜燃料电池排氢系统。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有环境友好、能量转换效率高、启动迅速等优点，被认为是一种极具潜力的清洁高效的新能源发电装置。通常的，一个燃料电池系统主要有氢气路系统、空气路系统和水热管理系统组成。其中，氢气路系统主要包括高压氢罐、氢气减压器、氢气喷射器和排氢电磁阀及相应管道组成；空气路系统主要包括空压机、中冷器、增湿器和尾排节气门及相应管道组成；水热管理系统主要由膨胀水箱、冷却水泵和散热风扇构成以控制并保持燃料电池系统温度。

燃料电池系统的氢气侧电化学反应，生成氢离子(质子)，通过质子交换膜传递至空气侧；空气侧的氧气在催化剂的作用下与质子发生电化学反应生成水。由于空气侧和氢气侧水的浓度差，浓度扩散作用导致的传质过程使得氢气侧存在一定量的水分。通常，氢气侧的大部分水在间歇排氢和系统停机吹扫过程中被排出。然而，在极端低温环境(如-20℃)下，残留的液态水以及常温下处于气态的水分发坐冷凝和凝固，导致排氢电磁阀阀体与阀座之间由于结冰而难以开启，甚至结冰将氢气尾排管路堵塞，从而阻碍了燃料电池系统低温冷起动开机过程的进行。因此，需采取措施防止排氢电磁阀结冰，或实现结冰快速融化使得低温下排氢过程尽快正常进行，以保障燃料电池系统快速低温冷起动的实现。

中国专利CN203800126U是通过加热棒迅速将电磁阀内的已经凝结的固态冰融化，之后通过空气压缩机压缩后的热空气给电磁阀保温。这种方式需要消耗较高能量，结构设计也比较复杂。

技术实现要素：

本实用新型提供一种可在低温下快速开启的质子交换膜燃料电池排氢系统，以克服现有技术存在的上述缺陷。

本实用新型可在低温下快速开启的质子交换膜燃料电池排氢系统，包括：排氢管、排氢阀、冷却液支路和注液阀，所述排氢管包括进口管路和出口管路，两者通过所述排氢阀相连接，所述进口管路的进气口与燃料电池电堆连接；所述排氢管的进口管路和冷却液支路通过所述注液阀相连接，所述冷却液支路的另一端可注入冷却液。

优选的，所述排氢阀的位置低于所述进口管路和出口管路。

优选的，所述排氢阀和注液阀为电磁阀。

优选的，所述冷却液支路的另一端连接冷却液回路或水箱。

作为进一步优选的技术方案，在所述进口管路中设置有一液位传感器。

本实用新型实现在低温下快速开启质子交换膜燃料电池排氢系统的控制方法，包括如下步骤：

当燃料电池系统停机结束后，检测环境温度，若低于0摄氏度，则进一步检测排氢系统的压力，当降至当前环境压力时，打开所述注液阀，向所述排氢管中注入冷却液，当冷却液达到一定量后关闭，随后打开排氢阀；冷却液的加入量以所述进口管路和出口管路能分别被冷却液所覆盖，且不溢出为限。

优选的，冷却液加入量可以通过预设参数进行控制，也可以通过设置在所述进口管路中的液位传感器进行控制。

本实用新型为一种可在低温下快速开启的质子交换膜燃料电池排氢系统，其具有如下有益效果：

(1)利用燃料电池系统冷却液凝固点低的特性，对排氢管路和排氢阀覆盖保护，避免了因气、液态水因低温凝固导致的管路堵塞和阀体冻结，显著提高了排氢系统的开启速度，同时缩短了燃料电池系统在低温下冷起启动的时间。

(2)通过注液的方式来抑制结冰，消除了后续低温冷起动时对电磁阀加热所带来的能量损失，提高了燃料电池系统的效率。

(3)系统增加的零部件(管路、电磁阀)非常简单，排氢系统的优化设计是基于系统现有资源(冷却液)进行，易于实现，操作简单。

附图说明

图1是本实用新型的质子交换膜燃料电池排氢系统结构示意图；

图2是本实用新型在常温停放下的状态示意图；

图3是实施例2的排氢系统示意图；

图4是本实用新型的系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本实用新型较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。

实施例1

如图1所示，一种可在低温下快速开启的质子交换膜燃料电池排氢系统，包括：排氢管2、排氢电磁阀3、冷却液支路5和注液阀6，所述排氢管2包括进口管路21和出口管路22，两者通过所述排氢阀3相连接，所述进口管路21的进气口与燃料电池电堆1连接；所述排氢管2的进口管路21和冷却液支路5通过所述注液电磁阀6相连接，所述冷却液支路5的另一端连接冷却液回路4或水箱。所述排氢阀3的位置低于所述进口管路21和出口管路22。

本实用新型的工作原理是这样的：

排氢系统中，氢气尾气从燃料电池电堆1中排出进入排氢管2后，通过排氢电磁阀3的间歇动作将氢气尾气排出燃料电池系统。当燃料电池系统停机结束后，检测环境温度，若环境温度为常温，则注液电磁阀6保持关闭状态，保证排氢管2和冷却液回路4两者间无介质交换(如图2所示)。若温度低于0摄氏度，则进一步检测排氢系统的压力，当降至当前环境压力时，打开所述注液阀6，向所述排氢管2中注入冷却液，当冷却液达到一定量后关闭，保证管路在低温下不被积水冻结堵塞，随后打开排氢阀3一段时间，使进口管路21和出口管路22分别被冷却液所覆盖，保证电磁阀在低温下不结冰粘结。冷却液的加入量以所述进口管路21和出口管路22能分别被冷却液所覆盖，且不溢出为限。整个控制过程如图4所示。

却液的灌注过程采用预设的标定参数进行。采用预设参数进行冷却液灌注的好处在于，简化了管路，只需将压力、时间、灌注量等相关参数的标定值写入控制器即可。

实施例2

如图3所示，其他同实施例1，在所述进口管路21中还设置有一液位传感器7。

在该实施例中，冷却液的灌注过程通过液位传感器7进行控制。采用液位传感器进行灌注控制的好处在于，进入排氢管路冷却液量能控制精确，避免了灌注液量的波动带来的防冻效果差或极端情况下污染电堆。