一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统及停机吹扫方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统及停机吹扫方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是一种直接将燃料(如氢气)的化学能转化为电能的发电装置。只要不断供应燃料和氧化剂，燃料电池就能源源不断地输出电能和热能。其具有发电效率高，低噪音，零排放等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置之一，可被广泛应用于汽车领域。

质子交换膜燃料电池电化学反应产生电、热和水，在低温下燃料电池生成的水可能结冰，冰覆盖扩散层和催化层，阻碍氢气和空气传输，膜内质子传导能力差，进而影响电堆从低温下的启动能力，故停机之后对残余水进行吹扫解除对于燃料电池的低温冷启动具有重要意义。

此外，燃料电池堆在停机过程中，燃料电池仍将不断地消耗残余的氢气，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逐渐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，产生反向电流和高电位，造成催化层上催化剂的腐蚀，加速造成燃料电池堆性能的衰减；二是膜电极因两侧压力不同而受到外力作用，长久容易形成机械性损伤。为避免氢空界面和负压对燃料电池堆造成的损伤，提高其使用寿命，最好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。

现有技术中，一种是无氮气装置的燃料电池系统，如图1所示，关机时直接通入过量的氢气以消耗阴极空气中的氧气，并做好阴极的密封，但这样做的结果是消耗大量氢气，从而浪费氢气，造成续驶里程下降。此外有过多的氢气在回路中，其泄露聚集会对安全问题造成很大的影响。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，增加了用于外接氮气的集氮电磁阀27，该系统设置有快插式单向氮气吹扫阀，使用氮气瓶减压后通过快插式单向氮气吹扫阀吹扫燃料电池堆，但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。此外，中国专利cn103915642a采用制氮机的方式从空气中提纯氮气n2，用其保护停机后的电堆，但该制氮机体积庞大，系统复杂，成本高，技术困难，不利于实际利用。

综上所述，现有技术需大量增加额外的附属设备，既增加了燃料电池系统的设计难度和体积，还增加了成本，而且会消耗额外的燃料，降低燃料的经济性和安全性。

技术实现要素：

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无需增加额外附属设备且有效保护电堆阴阳极并提高其冷启动能力的带有尾排集氮装置的燃料电池系统及停机吹扫方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统，包括燃料电池堆以及分别与燃料电池堆的阴极连接的空气进气组件和与燃料电池堆的阳极连接的氢气进气组件，所述的燃料电池堆的阴极出口和阳极出口之间还设有截止电磁阀，该系统还包括设置于燃料电池堆的阴极和阳极之间的集氮回路，所述的集氮回路包括传感器组件以及依次连接的第一除氧器、除水器、入口单向阀、储氮罐、出口单向阀和氮气进气阀，所述的第一除氧器通过第一三通阀与空气进气组件连接，所述的氮气进气阀通过第二三通阀分别与燃料电池堆的阴极进口和阳极进口连接；

当该系统处于高压工作状态时，经过燃料电池堆耗氧后的空气依次通过空气进气组件、第一三通阀、第一除氧器、除水器和入口单向阀后通入储氮罐，存储氮气；

当该系统运行结束停机时，所述的储氮罐中的氮气依次通过出口单向阀、氮气进气阀和第二三通阀，分别向燃料电池堆的阴极和阳极充入氮气，保护燃料电池堆。

进一步地，所述的空气进气组件包括出口背压阀以及依次连接的空气过滤器、空气截止阀、空压机、中冷器和加湿器，所述的加湿器分别与燃料电池堆阴极的进口和出口连接，所述的加湿器的出气管通过第一三通阀分别与出口背压阀和第一除氧器连接，所述的氢气进气组件包括氢气循环泵、氢气尾排电磁阀以及依次连接的氢气瓶、减压阀和比例阀，所述的比例阀与燃料电池堆的阳极进口连接，所述的氢气尾排电磁阀与燃料电池堆的阳极出口连接，所述的氢气循环泵分别与燃料电池堆的阳极和阴极连接。

更进一步地，所述的第一三通阀包括a端口、b端口和c端口，其a端口与出口背压阀连接，b端口与除湿器的出气管连接，c端口与第一除氧器连接，所述的第二三通阀包括a端口、b端口和c端口，其a端口与氮气进气阀连接，b端口与燃料电池堆的阴极进口连接，c端口与燃料电池堆的阳极进口连接。

当该系统处于高压工作状态时，所述的第一三通阀的b端口和c端口打开，经过燃料电池堆耗氧后的空气进入集氮回路，依次通过第一除氧器、除水器和入口单向阀后通入储氮罐，存储氮气，第一除氧器和除水器分别去除空气中的氧气和相对水分，收集氮气；

当该系统运行结束停机时，关闭氢气循环泵，所述的第二三通阀的b端口和c端口打开，所述的第一三通阀的b端口和c端口打开，所述的截止电磁阀打开，所述的空压机向燃料电池堆鼓入干空气，进行残余水吹扫操作，去除燃料电池堆中的残余水，为下一次燃料电池堆的低温冷启动做准备；

当需要向燃料电池堆的阳极充入氮气时，打开氮气进气阀，打开第二三通阀的a端口和c端口，所述的储氮罐中的氮气通入燃料电池堆的阳极，经过设定时间后关闭截止电磁阀，所述的燃料电池堆的阳极充满氮气；

当需要向燃料电池堆的阴极极充入氮气时，打开第二三通阀的a端口和b端口，打开氮气进气阀，所述的储氮罐中的氮气通入燃料电池堆的阴极，经过设定时间后关闭空气截止阀和出口背压阀，所述的燃料电池堆的阴极充满氮气。

进一步地，所述的传感器组件包括氧气浓度传感器、湿度传感器和压力传感器，所述的氧气浓度传感器和湿度传感器设置于除水器和入口单向阀之间，所述的压力传感器设置于储氮罐上，氧气浓度传感器和湿度传感器可以监测第一除氧器和除水器的除氧和除水效果，并在氧气浓度高于1％时，给出信号打开放空阀进行放空，保证收集氮气的质量和纯度，压力传感器可以监测储氮罐内的氮气压力，保证储氮罐内的氮气含量，入口单向阀为泄压单向阀，即当入口压力和氧气浓度满足要求时即可进入氮气瓶进行储存。

进一步地，所述的集氮回路还包括设置于出口单向阀与氮气进气阀之间的第二除氧器，可以进一步提高充入燃料电池堆阴极和阳极氮气的浓度。

一种如所述的带有尾排集氮装置的燃料电池系统的停机吹扫方法，包括以下步骤：

s1)燃料电池系统正常工作，打开第一三通阀的b端口和c端口，集氮回路利用燃料电池堆阴极出口排出的空气，收集氮气并存储于储氮罐中；

s2)燃料电池系统停机；

s3)对燃料电池堆进行残余水吹扫清除；

s4)分别向燃料电池堆的阳极和阴极充入储氮罐中的氮气并保留，保护燃料电池电堆。

进一步地，所述的步骤s3)具体包括：

s31)开启空压机，关闭氢气循环泵；

s32)打开第二三通阀的b端口和c端口，打开第一三通阀的b端口和c端口，打开截止电磁阀；

s33)空压机以设定大流量向燃料电池堆的阴极和阳极鼓入干空气，持续2分钟；

s34)空压机逐渐减小鼓入干空气的流量，直至减小为0，持续1.5分钟；

s35)吹扫完毕，关闭空压机。

进一步地，所述的步骤s4)具体包括：

s41)打开氮气进气阀，打开第二三通阀的a端口和c端口；

s42)将储氮罐中的氮气通入燃料电池堆的阳极，直至排除氢气侧空气；

s43)关闭截止电磁阀，并保持燃料电池堆的阳极压力在设定范围内；

s44)关闭第二三通阀的c端口并打开第二三通阀的b端口；

s45)将储氮罐中的氮气通入燃料电池堆的阴极，直至排除阴极侧空气；

s46)关闭空气截止阀和出口背压阀，并保持燃料电池堆的阴极压力在设定范围内；

s47)燃料电池电堆的阴极和阳极均充满氮气，保护燃料电池。

进一步地，所述的步骤s1)中，当氧浓度传感器测量集氮回路中的氧气浓度高于1％时，打开放空阀，释放氮气；当氧气浓度低于1％时，关闭放空阀，收集氮气。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明的燃料电池系统利用阴极尾排气体，直接从空气中分离出氮气，可以随时补充氮气，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；

2)本发明的停机吹扫方法，首先鼓入大流量干空气，除去扩散层、催化层和膜中多余水，然后在逐渐减小鼓入干空气的流量，进一步排出残余水的同时，一方面能降低能量消耗，另一方面防止膜过度失水对膜造成损害，有利于下一次的低温冷启动，保护燃料电池堆；

3)本发明利用系统储氮罐中的氮气，在吹扫残余水分完成后，向燃料电池堆的阴极和阳极充入氮气，对燃料电池堆进行惰性气体保护，可以有效延长燃料电池堆的寿命。

附图说明

图1为现有技术的燃料电池发电系统示意图；

图2为现有技术中加注氮气的燃料电池发电系统示意图；

图3为本发明的燃料电池系统示意图；

图4为本发明的燃料电池系统的停机吹扫方法流程图；

图5为实施例中收集氮气、停机吹扫和氮气保护步骤的流程图；

图6为停机吹扫时空气吹扫流量与时间的关系。

其中，1、空气过滤器，2、空气截止阀，3、空压机，4、中冷器，5、加湿器，6、出口背压阀，7、燃料电池堆，8、氢气循环泵，9、比例阀，10、减压阀，11、氢气瓶，12、氢气尾排电磁阀，13、截止电磁阀，14、第一三通阀，15、第一除氧器，16、除水器，17、氧气浓度传感器，18、湿度传感器，19、入口单向阀，20、储氮罐，21、压力传感器，22、出口单向阀23、第二除氧器，24、氮气进气阀，25、第二三通阀，26、放空阀，27、集氮电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明为提升燃料电池低温冷启动能力和克服其性能腐蚀衰减恶化，提供一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统及停机吹扫方法，目的是能停机吹扫残余在电堆内部的水分，减少冷启动对电堆带来的损害，并提高其冷启动能力，保护电堆阴阳极，防止其因为氢空界面造成电堆的损伤，造成电堆性能的恶化。

如图1所示，为现有技术中的燃料电池系统，其主要包括空气过滤器1、空气截止阀2、空压机3、中冷器4、增湿器5、燃料电池堆7、储氮罐20、氢气瓶11和减压阀10，其中，空气过滤器1、空气截止阀2、空压机3、中冷器4和增湿器5依次连接，并通过增湿器5与燃料电池堆7的阴极进口和出口连接，增湿器5的出口还通过出口背压阀6与大气连通，燃料电池堆7的阳极进口依次通过比例阀9和减压阀10与氢气瓶11连接，燃料电池堆7的阳极出口通过氢气尾排电磁阀12与大气连通，并通过氢气循环泵8与阳极进口连接，燃料电池堆7的阴极出口与阳极出口之间还通过截止电磁阀13连接。

如图3所示，为本发明带有尾排集氮装置的燃料电池系统结构示意图，其在图1所示现有燃料电池系统的基础上增加了集氮回路，集氮回路包括依次连接的第一除氧器15、除水器16、氧气浓度传感器17、湿度传感器18、单向入口阀19、储氮罐20、出口单向阀22、第二除氧器23和氮气进气阀24，第一除氧器15通过第一三通阀14与除湿器5的出口连接，氮气进气阀24通过第二三通阀25分别与燃料电池电堆7的阴极进口和阳极进口连接，储氮罐20上设有压力传感器21，出口单向阀22和第二除氧器23之间还通过放空阀26与大气连通。第一三通阀14包括a端口、b端口和c端口，其a端口与出口背压阀6连接，b端口与除湿器5的出口连接，c端口与第一除氧器15连接；第二三通阀包括a端口、b端口和c端口，其a端口与氮气进气阀24连接，b端口与燃料电池堆7的阴极进口连接，c端口与燃料电池堆7的阳极进口连接。

加湿器5的出气管路通过第一三通阀14分为两个支路，其中一个支路通过出口背压阀6通向大气，另一个支路通过第一除氧器15、除水器16和入口单向阀19与储氮罐20相连，储氮罐20依次通过出口单向阀22、第二除氧器23和氮气进气阀24与燃料电池堆的阴极进口和阳级进口相连，集氮回路装有氧气浓度传感器17、湿度传感器18和压力传感器21。

本发明还提供一种带有尾排集氮装置的高压燃料电池系统的停机吹扫方法。包括以下流程：

1)当燃料电池处于高压工作状态时，经过燃料电池堆7消耗氧后的空气再经过加湿器5并打开加湿器5出口处的第一三通阀14；

2)含氧量少的湿空气经过先后经过第一除氧器15、除水器16和入口单向阀19进入储氮罐20，当氧气浓度传感器17检测管道中的氧气浓度高于1％时，打开放空阀26放空，当氧气浓度低于1％时，关闭放空阀26开始集氮；

3)储氮罐20的入口单向阀19为泄压单向阀，即当入口压力和氧气浓度满足要求时即可进入储氮罐20进行储存。

4)燃料电池堆运行结束时，关闭氢气进气阀，断开负载，打开空压机3对燃料电池堆7的阴极和阳极进行吹扫除水，吹扫完毕后，向燃料电池堆7中充氮气，使其阴极和阳极都充满氮气，以保护阴阳极，并利于燃料电池堆7的低温冷启动。

具体过程如下：

当该燃料电池系统正常工作时，入堆的空气压力能达到2-2.5bar，经过燃料电池堆7消耗氧气以及加湿器5传递水蒸气后，加湿器5出口处的压力还能达到1.7-2.1bar，因此这部分空气还具有较高能量。此时打开第一三通阀14的b端口和c端口，让加湿器5出口处的高压气体进入集氮回路，依次经过第一除氧器15和除水器16，以减小燃料电池堆7阴极出口空气中的含氧量和相对湿度，再通过入口单向阀19进入储氮罐20储存备用。

燃料电池停机后，低温环境下需要对燃料电池堆7的内部残余水进行吹扫清除，以利于下一次冷启动，此时启动空压机3，关闭氢气循环泵8，空压机3由蓄电池供电，控制第二三通阀25连通b端口和c端口，第一三通阀14连通a端口和b端口，并且打开截止电磁阀13，空压机3鼓入干空气，对燃料电池堆7的阴极和阳极的残余水进行吹扫，以减少燃料电池堆7内部的残余水含量。

如图5所示，在吹扫清除燃料电池堆7内部残余水的过程中，空压机3首先鼓入大流量干空气以排除大部分的内部残余水，这个过程持续大约2分钟，然后逐渐减小鼓入干空气的流量，减小过程如图5所示，直至鼓入空气的质量流量为0，这个过程持续大约1.5分钟，鼓入小流量干空气是为了进一步除去扩散层、催化层和膜中多余水，以尽量降低燃料电池堆7内部含水量和空压机3功耗。

吹扫完毕后，切断空压机3电源，准备向燃料电池堆7阴阳极充入氮气。首先打开氮气进气阀24，然后导通第二三通阀25的a端口和c端口，储氮罐20中的氮气通过出口单向阀22和第二除氧器23，通入燃料电池堆7的阳极，排除氢气侧空气，留下氮气，并保持阳极压力在1.1-1.2bar的范围内，第二除氧器23可以进一步提高氮气纯度。然后关闭截止电磁阀13，导通第二三通阀25的a端口和b端口，继续打开氮气进气阀24，通入燃料电池堆7的阴极，排除阴极侧空气，然后关闭空气截止阀2和出口背压阀6，留下氮气，保持阴极压力在1.1-1.3bar的范围内。

此时，燃料电池堆7的阴极和阳极都充满了氮气，达到保护燃料电池堆7的目的，防止氢空界面的形成，且吹扫后的燃料电池堆7残余水含量少，为下一次的冷启动，特别是低温冷启动做准备。

实施例1

本实例的高压燃料电池系统为高功率燃料电池系统，以额定功率为100kw级，空气入堆压力为2.5bar，加湿器5出口压力为2bar为例，燃料电池堆7持续在这个压力下工作，此时可以打开第一三通阀14的b端口和c端口，让气体通过第一除氧器15和除水器16后进入储氮罐20存储，储氮罐20容量为40l，根据理想气体状态方程，假设在常温298.15k下，存储2bar的氮气，则氮气质量为：

低温情况需要去除电堆内部多余残余水，通入大流量干空气进行吹扫，流量为额定功率下大化学计量比对应的空气流量，对于本实施例中100kw的燃料电池堆7，通入空气化学计量比为2.5，此时通入空气的质量流量为160g/s，蓄电池为空压机3提供能量，空压机3压比在1.3-1.5之间，以消除回路管道阻力损失，以160g/s的大流量吹扫2分钟后，逐渐降低流量以对燃料电池堆7的阴极和阳极进行吹扫，再持续1.5分钟。逐渐降低干空气流量，一方面能降低能量消耗，另一方面能排除残余水，防止膜过度失水对膜造成损害，保护电堆。

吹扫完毕后，切断空压机3电源，准备向燃料电池堆7的阴极和阳极充入氮气。首先向燃料电池堆7的阳极充入氮气，打开氮气进气阀24，氮气通过第二除氧器23，进一步提高氮气纯度，导通第二三通阀25的a端口和c端口，以10g/s的速度将氮气通入燃料电池堆7的阳极，排除氢气侧空气，这个过程大概持续3s时间，然后留下氮气，并保持阳极压力在1.1-1.2bar。

然后关闭截止电磁阀13，打开氮气进气阀24，并导通第二三通阀25的a端口和b端口，以10g/s的速度向燃料电池堆7的阴极通入氮气，这个过程大概持续3s时间，以排除阴极侧空气，然后关闭空气截止阀2和出口背压阀6，留下氮气，并保持阴极压力在1.1-1.2bar。

本实施例中，燃料电池堆7的阴极和阳极容量共10l，氮气压力为1.2bar，则耗氮量为：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。