一种风冷式燃料电池吹扫系统及其关机方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种风冷式燃料电池吹扫系统及其关机方法。


背景技术：

2.燃料电池因其绿色无污染的显著特点，被认为是一种可以替代传统能源的不二选择。随着氢能行业的发展，人们已经不仅局限于实验室水平能正常工作即为优秀的燃料电池系统的观念，开始重视燃料电池的实际使用情况，燃料电池的寿命如何将对于发展和应用起到非常重要的影响。
3.目前影响燃料电池寿命的影响因素非常多，其中关机阶段的收尾处理是非常重要的一个环节，它包括两方面：电堆残余水的吹扫和电堆残余氢气的处理。
4.电堆吹扫残余水的控制目前尚无比较统一的策略，因为吹扫过渡会造成电堆膜过干，吹扫不足效果不理想，特别是在简单的风冷系统中很难确定控制策略。
5.燃料电池系统关机后，燃料电池电堆阳极中还充满着氢气，会有两方面的影响：第一，由于正负极气体分压不同，空气(氧气)从正极渗透到负极或长时间停机空气回流扩散到充满氢气的负极区域形成氢/空界面，因此会产生高电位造成对催化剂碳载体严重腐蚀，最终燃料电池性能严重衰退。第二，由于氢气的扩散速度远大于空气的扩散速度，造成电堆内部形成负压，最大可达
‑
80kpa左右，长此以往会对膜造成不可逆的损伤。
6.因此，本领域急需一种对燃料电池损耗更小的关机方法。


技术实现要素：

7.本发明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风冷式燃料电池吹扫系统及其关机方法。
8.为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。
9.在第一方面中，本申请提供一种风冷式燃料电池吹扫系统，所述燃料电池内设有风扇和电堆，所述风扇用于维持所述电堆的温度，所述吹扫系统包括吹扫阀、吹扫装置以及依次连接的第一三通、进气三通阀、电堆、排气阀、第二三通和单向阀，其中，所述第一三通的进口与氢气源连接，所述第一三通的一个出口连接与吹扫阀连接，所述吹扫装置设有两个进气口和一个排气口，其中一个进气口与吹扫阀连接，另一个进气口与所述第二三通的一个出口连接，所述排气口与大气连接，所述进气三通阀的一个进口与大气连接。
10.在第一方面的一种实施方式中，所述进气三通阀与大气连接的管路上设有过滤器。
11.在第一方面的一种实施方式中，所述吹扫装置的出气口设有消音器。
12.在第一方面的一种实施方式中，所述吹扫装置为真空发生器。该真空发生器利用正压的氢气源产生负压，将电堆内部的氢气抽出。
13.在第二方面，本申请还提供一种利用如上所述风冷式燃料电池吹扫系统进行的风
冷式燃料电池关机方法，该关机方法包括如下步骤：
14.(1)燃料电池收到关机指令后开始降载，降载过程中风扇继续运行，维持电堆温度；
15.(2)降载完成后，维持氢气源打开，依次打开排气阀和进气三通阀，保持进气三通阀与氢气源连通，维持时间t1；
16.(3)维持氢气源打开，然后打开吹扫阀，延时10ms后关闭进气三通阀，保持进气三通阀与大气导通，维持时间为t2；
17.(4)关闭排气阀和吹扫阀，完成关机。
18.在第二方面的一种实施方式中，当检测环境温度＞5℃时，t1为30s，当检测环境温度≤5℃时，t1为120s。
19.在第二方面的一种实施方式中，当燃料电池功率＞3kw时，t1为10s，当燃料电池功率≤3kw时，t1为5s。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.(1)本发明可以不借助外部气源的情况下对电堆完成关机吹扫，由于吹扫使用的是氢气，在吹扫完成后，还有部分残余氢气进行反应，保证膜一定的湿润度；
22.(2)本发明可以不借助外部气源(氮气)，同时不需要增加循环泵、鼓风机等零部件的情况下完成对关机后电堆内部的氢气的处理，保证了燃料电池寿命；
23.(3)本发明有别于在燃料电池关机后采用电阻放电消耗氢气的方式，相比于电阻耗电的方式，本发明不会在电堆内部产生大于
‑
20kpa的负压，保护了膜，同时不会受排气管道的限制需要多次放电，造成氢/空界面长时间存在的情况，本发明效果稳定、直接。
附图说明
24.图1为本申请中吹扫系统的连接示意图；
25.图2为实施例1中所使用的真空发生器的结构示意图。
26.在附图中，1为氢气源，2为第一三通，3为进气三通阀，4为过滤器，5为电堆，6为排气阀，7为第二三通，8为单向阀，9为吹扫装置，10为吹扫阀，11为消音器，91为进气口，92为吸气口，93为排气口。
具体实施方式
27.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发明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。
28.以下将描述本发明的具体实施方式，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。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
29.传统的燃料电池中，当电堆关机后，同时关闭进氢管路和排氢管路，然后将电堆的正负极连接电阻，通过继电器控制导通。燃料电池关机后，接通电阻进行放电，此时同时关
闭进气阀和排气阀，消耗电堆腔内氢气，这个方法可以消耗氢气，但是内部氢气消耗过程会形成比较大的负压，甚至是真空，对燃料电池电堆有损伤。
30.实施例
31.下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
32.实施例1
33.一种风冷式燃料电池吹扫系统，其结构如图1所示，该燃料电池内设有风扇和电堆5，风扇用于维持电堆5的温度(图中未显示风扇)，吹扫系统包括吹扫阀10、吹扫装置9以及第一三通2、进气三通阀3、电堆5、排气阀6、第二三通7和单向阀8，其中，第一三通2的进口(即d口)与氢气源1连接，第一三通2的一个出口(即f口)连接通过吹扫阀10与吹扫装置9连接，第一三通2的另一个出口(即e口)连接进气三通阀3的一个进口(即a口)，进气三通阀3的另一个进口(即c口)通过过滤器4连接大气，进气三通阀3的出口(即b口)连接电堆5的进气口，电堆5的出气口连接排气阀6，排气阀6的出口连接第二三通7的进口(即g口)，第二三通7的一个出口(即h口)通过单向阀8连接氢气回收装置(图上未显示)，第二三通7的另一个出口(即i口)连接吹扫装置9，吹扫装置9设有两个进气口和一个排气口，其中一个进气口与吹扫阀10连接，另一个进气口与第二三通7的一个出口连接，出气口与大气连接，并在出气口处设置消音器11。
34.在本实施例中，吹扫装置9为真空发生器，其大致原理图如图2所示，该吹扫装置具有进气口91、吸气口92和排气口93，其中进气口91与吹扫阀10连接，吸气口92与第二三通的i口连接，吸气口92与排气口93直接连通，进气口91与排气口93之间通过一条管径从小变大的通道连接，其具体原理如下：
35.根据流体力学对于不可压缩空气气体的连续方程可知：
36.s1v1＝s2v237.式中：s1是x处的横截面积；s2是y处的横截面积；v1是x处的流体速度；v2是y处的流体速度；
38.由上述等式可知，y处的面积明显小于x处的面积，因此y处的气体流速也要明显大于x处。再由不可压缩气体恒定流能量方程(伯努利原理)可知
[0039][0040]
忽略高度差时，可以简化为
[0041][0042]
x处的气压为氢气源的压强，在实际生产过程中，氢气源的气压为136kpa。当关机时，电堆内部与大气连通，因此电堆内部的气压为大气压，即101kpa，而由于吹扫装置的吸气口与电堆内部连通，因此吸气口的气压也为101kpa。由上式可以知道，流速增加，压强减小，当x点和y点的气体流速差值足够大时，b处气压会远小于a点的气压。
[0043]
由公式可知，y处的气压值取决于当x处的气压以及x处、y处的气体流速，而x处、y处的气体流速取决于x处、y处横截面积的大小。因此只要x处、y处的截面大小足够，y处的气压可以小于大气压，即小于吸气口处的压力。因此气流就能从吸气口向y处流动，电堆内部
的氢气就逐渐地流向y处(即排气口方向)。
[0044]
电堆型号为stk
‑
ac
‑
40a。
[0045]
当燃料电池电堆需要关机时，操作步骤如下：
[0046]
(1)燃料电池接收到关机信号，燃料电池开始降载，风扇持续工作，使得电堆维持在工作温度t1(在本实施例中为50℃)；
[0047]
(2)降载完成后，维持氢气源打开，依次打开第一三通中的d口和e口、进气三通阀的a口和b口、排气阀、第二三通的g口和h口、单向阀，关闭吹扫阀、第二三通的i口以及进气三通阀的c口，维持时间为30s；
[0048]
(3)维持氢气源，打开吹扫阀，10ms后关闭单向阀、进气三通阀的a口，打开第三三通阀的i口以及进气三通阀的c口，维持时间为10s；
[0049]
(4)关闭排气阀和吹扫阀，完成关机。
[0050]
利用本实施例的吹扫系统即关机方法，可以获得如下优点：
[0051]
1)可以不借助外部气源的情况下对电堆完成关机吹扫，由于吹扫使用的是氢气，在吹扫完成后，还有部分残余氢气进行反应，保证膜一定的湿润度；
[0052]
2)可以不借助外部气源(氮气)，同时不需要增加循环泵、鼓风机等零部件的情况下完成对关机后电堆内部的氢气的处理，保证了燃料电池寿命；
[0053]
3)有别于在燃料电池关机后采用电阻放电消耗氢气的方式，相比于电阻耗电的方式，本发明不会在电堆内部产生大于
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20kpa的负压，保护了膜，同时不会受排气管道的限制需要多次放电，造成氢/空界面长时间存在的情况，效果稳定、直接。
[0054]
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。