一种氢燃料电池低温储存装置的制作方法

本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及一种氢燃料电池低温储存装置。

背景技术：

在环保观念深入人心的背景下，人类不断的探索可持续的新能源。近年来，氢能发展较快，氢气作为绿色能源引起全世界的广泛关注。它具有可再生、无污染、密度小和热量大等优点，燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电后的第四种发电技术，其发展必将带来一场新能源汽车革命。

氢燃料电池系统普遍存在低湿存储的问题，氢燃料电池系统在使用时，会产生大量液态水，需要及时将增湿器和管道内的液态水进行吹扫，以避免低温结冰损坏增湿器。但是，增湿器结构较复杂，吹扫除水时，需要加大空压机转速，在没有发电且切断氢气供应时，会对氢燃料电池电堆的质子交换膜产生很大的压差，对电堆是不利的；氢气管路和电堆里也会有少量水分，由于空气系统管路和氢气系统管路是隔离的，吹扫除水存在着清理不干净的情况，仍然存在低温结冰的风险；采用空气压缩机吹扫噪音大、能耗大，不环保。另外，低温下会影响电堆的发电性能，对电池造成不可逆损伤。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提出了一种可对燃料电池进行通入惰性气体、排出燃料电池系统内的水分、防止结冰对燃料电池系统造成不可逆损害、实现低温储存的氢燃料电池低温储存装置。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种氢燃料电池低温储存装置，包括电堆(1)、空气进口(1A)、氢气进口(1B)、空气出口(1C)和氢气出口(1D)，空气进口(1A)、氢气进口(1B)、空气出口(1C)和氢气出口(1D)均与电堆 (1)连通，氢气进口(1B)和氢气出口(1D)还与氢气源连通，空气进口(1A) 和空气出口(1C)还与空气源连通；还包括氮气储罐(2)、第一开关阀(3)、氮气循环泵(4)、热交换器(5)、氮气管道(6)、若干管道切换装置(7)和第一排空阀(8)；氮气储罐(2)通过第一开关阀(3)与氮气管道(6)连通；氮气管道(6)上连通设置有氮气循环泵(4)、热交换器(5)和第一排空阀(8)；管道切换装置(7)连通空气进口(1A)、氢气进口(1B)、空气出口(1C)和氢气出口(1D)，并选择性的连通氮气管道(6)，或者空气源和氢气源。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述管道切换装置(7)包括第一管道切换装置(71)、第二管道切换装置(72)、第三管道切换装置(73)和第四管道切换装置(74)，第一管道切换装置(71)分别与空气进口(1A)、空气源和氮气管道(6)连接；第二管道切换装置(72)分别与氢气源、氢气进口(1B) 和氮气管道(6)连接；第三管道切换装置(73)分别与空气源、空气出口(1C) 和氮气管道(6)连接；第四管道切换装置(74)分别与氢气源、氢气出口(1D) 和氮气管道(6)连接。

进一步优选的，所述管道切换装置(7)为电动三通阀。

更进一步优选的，所述第一管道切换装置(71)和第二管道切换装置(72) 均通过第一三通(61)与氮气管道(6)连通；第三管道切换装置(73)和第四管道切换装置(74)均通过第二三通(62)与氮气管道(6)连通。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述热交换器(5)包括壳体(51)、盘管(52)和热电偶(53)，盘管(52)两端分别固定在壳体(51)上并与氮气管道(6)连通，壳体(51)底部设置有热电偶(53)，壳体(51)内设置有换热介质(54)。

进一步优选的，所述换热介质(54)为水或者乙二醇。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括控制器(9)，控制器(9)分别与第一开关阀(3)、氮气循环泵(4)、热交换器(5)、管道切换装置(7)和第一排空阀(8)电性连接。

进一步优选的，所述氮气管道(6)上还设置有第一汽水分离器(10)，第一汽水分离器(10)与氮气管道(6)连通，第一汽水分离器(10)上还设置有第一尾气阀(11)，第一尾气阀(11)与控制器(9)电性连接。

更进一步优选的，所述氮气管道(6)上还设置有温度传感器(12)、压力传感器(13)、氮气浓度传感器(14)和湿度传感器(15)，温度传感器(12)、压力传感器(13)、氮气浓度传感器(14)和湿度传感器(15)均与控制器(9) 电性连接。

本实用新型提供的一种氢燃料电池低温储存装置，相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本实用新型可在燃料电池停止运行后，环境温度低于设定温度时，关闭空气管路和氢气管路并启用氮气管道，通过对氮气强制泵送和加热，使其不断循环，带走燃料电池系统内的残留的水、汽，降低氢燃料电池系统内的湿度，防止燃料电池系统在低温下结冰而受到不可逆的损坏；

(2)管道切换装置可使燃料电池在正常工作供气与氮气循环中进行切换，可在现有燃料电池系统中方便的改造，且维护方便；

(3)本实用新型可改善现有燃料电池系统在低温存储时可能会结冰的不足，提高燃料电池发电效率和使用寿命，通过控制器和各传感器的配合，可实现燃料电池在低温下的可靠储存，保证电池的发电性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种氢燃料电池低温储存装置的结构图；

图2为本实用新型一种氢燃料电池低温储存装置的热交换器的正剖视图；

图3为本实用新型一种氢燃料电池低温储存装置的控制器的接线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种氢燃料电池低温储存装置，包括电堆1、空气进口1A、氢气进口1B、空气出口1C和氢气出口1D，空气进口1A、氢气进口1B、空气出口1C和氢气出口1D均与电堆1连通，氢气进口1B和氢气出口1D还与氢气源连通，空气进口1A和空气出口1C还与空气源连通。还包括氮气储罐2、第一开关阀3、氮气循环泵4、热交换器5、氮气管道6、若干管道切换装置7、第一排空阀8、控制器9、第一水汽分离器10、第一排空阀11、温度传感器12、压力传感器13、氮气浓度传感器14和湿度传感器15。氮气储罐 2通过第一开关阀3与氮气管道6连通；氮气管道6上连通设置有氮气循环泵4、热交换器5和第一排空阀8；管道切换装置7连通空气进口1A、氢气进口1B、空气出口1C和氢气出口1D，并选择性的连通氮气管道6，或者空气源和氢气源。如图3所示，控制器9分别与第一开关阀3、氮气循环泵4、热交换器5、管道切换装置7、第一排空阀8、第一尾气阀11、温度传感器12、压力传感器13、氮气浓度传感器14和湿度传感器15电性连接。

如图1所示，现有的氢燃料电池系统，都具备电堆1、空气进口1A、氢气进口1B、空气出口1C和氢气出口1D等组件，氢燃料电池正常工作时，电堆1 分别与空气进口1A、氢气进口1B、空气出口1C和氢气出口1D连通，空气进口1A和空气出口1C均与空气源连通；氢气进口1B和氢气出口1D与氢气源连通，可实现正常的氢气和空气供应。在空气进口1A上一般还连接有增湿器17，增湿器17用来给进入电堆1的空气加湿；在氢气出口1D上还设置有第二汽水分离器18、第二尾气阀19和氢气循环泵20，第二汽水分离器18用于将氢气出口1D排出的氢气进行汽水分离，分离后的水经第二汽水分离器18上的第二尾气阀19排出。氢气循环泵20用于将未参加反应的氢气经循环再次送回电堆1 进行反应。在燃料电池系统停机后，空气进口1A、氢气进口1B、空气出口1C、氢气出口1D和电堆1内不可避免的会存在大量水、汽，如果在环境温度较低的情况下，不及时将这些水、汽排出，水分低温结冰会对氢燃料电池性能造成损害。氢气源一般为高压氢气储罐；空气源廉价易得，可通过空压机压缩大气获取，空气压缩机的作用是压缩空气，增大空气压力和流量，也会稍提高空气温度，使氢燃料电池内的反应充分进行。

如图1所示，管道切换装置7包括第一管道切换装置71、第二管道切换装置72、第三管道切换装置73和第四管道切换装置74。第一管道切换装置71分别与空气进口1A、空气源和氮气管道6连接；第二管道切换装置72分别与氢气源、氢气进口1B和氮气管道6连接；第三管道切换装置73分别与空气源、空气出口1C和氮气管道6连接；第四管道切换装置74分别与氢气源、氢气出口1D和氮气管道6连接。

进一步的，管道切换装置7可以采用电动三通阀，以便更好的与控制器9 连接，实现管道切换的自动控制。当氢燃料电池系统停止使用且外界环境温度较低时，控制器9根据温度传感器12的信号，改变管道切换装置7的状态，切断空气源和氢气源，将电堆1与氮气管道6连通，并开启氮气的循环。

作为本实用新型的进一步的改进，第一管道切换装置71和第二管道切换装置72均通过第一三通61与氮气管道6连通；第三管道切换装置73和第四管道切换装置74均通过第二三通62与氮气管道6连通。第一三通61和第二三通62 可采用硅胶歧管。

如图2所示，热交换器5包括壳体51、盘管52和热电偶53，盘管52两端分别固定在壳体51上并与氮气管道6连通，壳体51底部设置有热电偶53，壳体51内设置有换热介质54。其中换热介质54为水或者乙二醇。热交换器5可对氮气进行间接加热，使加热后的氮气能够在经过电堆1时，与电堆1和增湿器进行换热，还能将管道内的残留水、汽进行蒸发，防止结冰损坏燃料电池。

氮气管道6上还设置有第一汽水分离器10，第一汽水分离器10与氮气管道 6连通，第一汽水分离器10上还设置有第一尾气阀11。

如图1所示，氮气管道6设置有温度传感器12、压力传感器13、氮气浓度传感器14和湿度传感器15，温度传感器12可对环境温度或者氮气管道6内的氮气温度进行检测。压力传感器13可对氮气管道6的气压进行检测。氮气浓度传感器14可检测低温储存环境下的氮气管道6的循环的氮气浓度。湿度传感器 15用于检测低温储存环境下的氮气管道6内的湿度。以上传感器的检测信号可供控制器9执行相应的控制指令。本实用新型的控制器11可以是PLC或者单片机。另外，增湿器17、第二尾气阀和19氢气循环泵20也可与控制器9电性连接，可扩大本实用新型适用范围。

如图1所示，在第一开关阀3与氮气管道6之间还设置有减压阀16，用于降低氮气储罐2供应的氮气的气压。

本实用新型的工作过程为：当氢燃料电池系统停机或停车后，当温度传感器12检测到环境温度低于设定温度，如0摄氏度，本实用新型开始工作。控制器9改变第一管道切换装置71、第二管道切换装置72、第三管道切换装置73 和第四管道切换装置74的状态，切断空气源和氢气源的供应并连通氮气管道6，打开第一排空阀8和第一开关阀3，将氮气储罐2内的氮气注入氮气管道6内，氮气将电堆1内原有的空气和氢气从第一排空阀8排出，当氮气浓度传感器14 检测到氮气浓度到达设定值时，控制器9关闭第一排空阀8和第一开关阀3，同时开启热交换器5、氮气循环泵4和氢气循环泵20，对氮气管道6内的氮气进行升温和强制循环，在此过程中，将增湿器17、电堆1、氢气循环泵20等部件中的水分带出，通过第一汽水分离器10和第二汽水分离器18的作用排出水分，降低氢燃料电池系统里的湿度，防止结冰对系统部件造成不可逆的损伤。通过间歇地开启第二尾气阀19和第一尾气阀11，排出管道内的水分，并间歇开启第一开关阀3补充氮气，将氮气管道6内的氮气维持在一定温度和压力。当温度传感器12检测到氮气温度达到设定温度时，控制器9关闭热交换器5，湿度传感器15检测氮气管道6内湿度是否达到要求，如湿度仍较高，则氮气温度降低后，继续开启热交换器5，重复氮气加热循环；如果湿度合格，则本实用新型关机。关机时，开启第一排空阀8，排出氮气，氮气循环泵4停机，关闭热交换器 5，关闭氢气循环泵20，将第一管道切换装置71、第二管道切换装置72、第三管道切换装置73和第四管道切换装置74的状态切换，使得空气源和氢气源供气通路，从而完成低温储存状态到工作状态的切换。

应当说明的是，图1给出了本实用新型的一种结构，其中的氮气储罐2、氮气循环泵4、热交换器5、第一开关阀3、第一排空阀8、温度传感器12、压力传感器13、氮气浓度传感器14和湿度传感器15的位置是可以进行互换的，互换后其功能与本实用新型相同。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。