一种电堆封装式燃料电池系统的电堆吹扫装置的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电堆封装式燃料电池系统的电堆吹扫装置。

背景技术：

质子交换膜氢燃料电池具有高效、低温高功率密度、快速启动和零排放等显著特点，已被广泛应用到燃料电池汽车中。为了使燃料电池系统结构紧凑，方便维护，通常将电堆封装在壳体内，使其壳体达到ip67的防护等级。但是，由于氢气渗透性很强，即使将燃料电池电堆封装在壳体内部，也会有微量的氢渗透进去，且电堆一旦出现泄漏，便会有大量氢气泄漏到密封的壳体内部，从而发生化学反应，严重时甚至发生爆炸，十分危险。

为了解决壳体内部会聚集氢气的情况，在燃料电池系统工作中需要不停的为封装在壳体内部的电堆通风。现有技术中，通常采用在壳体内部或者外部安置风机为壳体内部电堆供风，或者采用主空压机空气管路串联电堆封装壳体通风。前者的缺点是需要为燃料电池系统独立配置风机供风，且需增加一个电源为风机供电，从而导致燃料电池系统的成本增加，且可靠性降低；后者的缺点是如果壳体内部出现泄漏，燃料电池空气运输系统会将氢气混入其中，使得混有氢气的空气和氢气在电堆内发生电化学反应，进一步影响电堆性能，并存在很大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电堆封装式燃料电池系统的电堆吹扫装置，通过从氧气运输主管路上分出一支管路到壳体进行吹扫，并将壳体另一侧的排气口连接到燃料电池系统的主排气口排向外部环境，降低了燃料电池系统的成本，提高了系统的可靠性。

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种电堆封装式燃料电池系统的电堆吹扫装置，包括：

用于封装燃料电池电堆的封装外壳；

分别与所述封装外壳的吹扫入口和吹扫出口相连通的第一吹扫管和第二吹扫管；所述吹扫入口和吹扫出口分别设置于所述封装外壳相对的两侧，所述吹扫出口处设置有氢气浓度传感器；

依次串联在空气运输主路管上的空压机、中冷器和加湿器；所述第一吹扫管连通所述中冷器与所述加湿器之间的空气运输主路管。

进一步地，所述吹扫入口和吹扫出口分别设置于所述封装外壳相对的两侧，具体为：所述吹扫入口设置在所述封装外壳一侧的中心位置，所述吹扫出口设置在与所述封装外壳一侧相对侧的边角位置。

进一步地，所述吹扫入口设有含多个网格的气流分布板，用于将一束气流分散为多束。

进一步地，所述第二吹扫管的出口与第一尾排空气管连通。

进一步地，所述加湿器设有四个接口，分别与第二尾排空气管、电堆空气管出口、电堆空气管入口及所述第一吹扫管的入口接通。

进一步地，所述封装外壳材质为铝合金或钢材。

进一步地，所述空气运输主管路、所述第一吹扫管及所述第二吹扫管的材质为硅胶管、不锈钢管或橡胶管。

进一步地，所述第一尾排空气管及所述第二尾排空气管的材质为硅胶管、不锈钢管或橡胶管。

进一步地，所述燃料电池电堆的材料为石墨堆或金属堆。

相对于现有技术，本发明实施例通过从氧气运输主管路上分出一支管路到壳体进行吹扫，并将壳体另一侧的排气口连接到燃料电池系统的主排气口排向外部环境，使得燃料电池系统运行启动时封装壳体内部即开始吹扫，降低了燃料电池系统的成本，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的电堆封装式燃料电池系统的电堆吹扫装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的所获得所有其他是实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种电堆封装式燃料电池系统的电堆吹扫装置，包括：

用于封装燃料电池电堆02的封装外壳01；

分别与所述封装外壳01的吹扫入口03和吹扫出口17相连通的第一吹扫管04和第二吹扫管15；所述吹扫入口03和吹扫出口17分别设置于所述封装外壳相对的两侧，所述吹扫出口07处设置有氢气浓度传感器16；

依次串联在空气运输主路管09上的空压机10、中冷器11和加湿器12；所述第一吹扫管04连通所述中冷器11与所述加湿器12之间的空气运输主路管09。

在本实施例中，需要说明的是，所述燃料电池电堆02的材料通常为石墨堆或金属堆。燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成，在排列时各个单体电池之间存在缝隙，其中，单体电池是由将双极板与膜电极(mea-催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)组成，若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

双极板是由极板和流场组成，主要作用是气体分配、集流、导热和密封。双极板是电、热的良导体,具有良好的机械性能,阻气性能和耐腐蚀性好等特点,其性能决定了燃料电池堆体积比功率和质量比功率。双极板材质主要是石墨或者合金。通常由石墨板制作，石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。

质子交换膜作为电解质，起到传导质子，隔离反应气体的作用。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏也直接影响电池的使用寿命。气体扩散层gdl通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用。作为氢燃料电池反应关键，催化层是由催化剂和催化剂载体形成的薄层。催化剂主要采用pt/c,pt合金/c，载体材料主要是纳米颗粒碳、碳纳米管、碳须等。对材料要求导电性好，载体耐蚀，催化活性大。

燃料电池电堆在反应原理上相当于水电解的“逆”装置。阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递h+的介质，只允许h+通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子(即质子)可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23v。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23v。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1v之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。

在本实施例中，封装外壳01的材料为材质为铝合金或钢材，在封装外壳01的外表面相对的两侧分别设有吹扫入口03和吹扫出口17，吹扫入口03连通第一吹扫管04，将输入的气体送入吹扫入口。其中吹扫入口03设置在封装外壳01一侧的中心位置，并在吹扫入口03入口处设有气流分布板，并且含有多个网格，设在中间位置的目的主要是方便进入的气流可以沿不同方向去分流，而气流分布板主要是用于将进入的气流分散为多数气流，在吹扫时可以使得气流均匀吹扫缝隙，使得吹扫效果更佳。吹扫出口17主要设置在与封装外壳01与吹扫入口03侧的相对侧，并且通常设置在边角位置，有利于汇集吹扫出的气流送入第二吹扫管15。同时，其中，第二吹扫管15的出口与第一尾排空气管13连通，将吹扫出的气体通过第一尾排空气管出口14排向外部环境。

在本实施例中，在吹扫出口07处设置有氢气浓度传感器16；因为氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏。氢气不利于呼吸，无色无味，不能被人鼻所发觉，且着火点仅为585℃，空气中含在4％～75％范围内，遇明火即发生爆炸,故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含进行检测并对其泄漏进行监测，以减少安全事故。其中，氢气浓度传感器分类包括：半导体型传感器、热电型传感器及光纤传感器。半导体型传感器主要以sno2、zno、wo3等金属氧化物为气敏材料,其工作原理是:当吸附氢气后,氢气作为施主释放出电子,与化学吸附层中的氧离子结合,于是载流子浓度发生变化,该变化与氢气体积分数存在一定的函数关系；热电型传感器首先会在基片上沉积一层热电材料，然后在热电材料表面的某一部分沉积一层催化金属(pt、pd)，最后分别在催化金属层、热电薄膜层(表面上无催化金属)引出电极，即获得最为简单的热电型氢气敏感件。当此敏感件暴露在含氢气的环境中在催化金属的作用下，氢气与氧气反应生成水蒸汽并放出热，于是沉积有催化金属的一端温度高，为热端；无催化金属的一端温度低，为冷端；由于热电材料的热电发电效应(seebeck效应)，将这种热端与冷端之间的温差转换为温差电势，以电信号的形势输出，从而实现对氢气的检测。光纤传感器由于多种固态氢气传感器使用的都是电信号，一个共同的弊端就是可能产生电火花，对于氢气体积分数较高的环境来说存在极大的安全隐患。而光纤传感器使用的是光信号，所以适用于易爆炸的危险环境。

在本实施例中，在空气运输主路管09上依次串联空压机10、中冷器11和加湿器12；外部环境空气进入空气运输主路管09中，首先通过空压机10把气体压缩，然后送入中冷器11，中冷器11的作用是降低增压后的高温空气温度、以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。第一吹扫管04是空气运输主路管09支出的一条支路，用来连通所述中冷器11与所述加湿器12之间的空气运输主路管09。其中，空压机10按照工作原理可分为三大类：容积型、动力型(速度型或透平型)、热力型压缩机；按润滑方式可分为无油空压机和机油润滑空压机；按性能可分为：低噪音、可变频、防爆等空压机；按用途可分为：冰箱压缩机、空调压缩机、制冷压缩机、油田用压缩机、天然气加气站用、凿岩机用、风动工具、车辆制动用、门窗启闭用、纺织机械用、轮胎充气用、塑料机械用压缩机、矿用压缩机、船用压缩机、医用压缩机、喷砂喷漆用；按型式可分为：固定式、移动式、封闭式。在此主要选用的为制冷空气压缩机。

在本实施例中，所述加湿器设有四个接口，分别与第二尾排空气管05、电堆空气管出口06、电堆空气管入口07及所述第一吹扫管04的入口接通。加湿器在雾化过程中释放的负氧离子和空气能够有效结合，从而改变气体的湿度。

在本实施例中，所述空气运输主管路09、第一吹扫管04、第二吹扫管14、第一尾排空气管15及第二尾排空气管05的材质可以同时为硅胶管、不锈钢管或橡胶管。其中，硅胶管采用的硅橡胶是一种新型的高分子弹性材料，有极好的耐高温(250-300℃)和耐低温(-40-60℃)性能，有良好的生理稳定性，而且能够经受反复多次苛刻和消毒条件，具有极佳的回弹性和永久变形小(200℃下48小时不大于50％)，击穿电压为(20-25kv/mm)，耐臭氧，耐紫外，耐辐射等特点。不锈钢管按材质分为普通碳素钢管、优质碳素结构钢管、合金结构管、合金钢管、轴承钢管、不锈钢管以及为节省贵重金属和满足特殊要求的双金属复合管、镀层和涂层管等；橡胶管是指气体输送用的管子，常用于气焊、气割、各种气体保护焊、等离子弧焊接和切割等。焊接用橡胶管有两种，根据国标蓝色管为氧气管，最大使用压力为1.5mpa；红色管或黑色管为乙炔管，允许使用压力为0.5～1.0mpa。橡胶管的特性有生理惰性、耐紫外线、耐臭氧、耐高低温(-80℃～300℃)、透明度高、回弹力强，耐压缩永久不变形、耐油、耐冲压、耐酸碱、耐磨、难燃、耐电压、导电等性能。

为了帮助理解本装置运行时的工作方式，本发明第二实施例提供了基于该电堆封装式燃料电池系统的电堆吹扫装置的控制方法，主要为：

当燃料电池系统开启时，外部环境空气通过空气运输主管路09的入口进入空压机10，空压机对空气进行压缩处理后送入中冷器11，中冷器11将压缩后的空气进行处理，降低其高温空气温度，以降低发动机的热负荷，提高进气量同时增加发动机的功率。中冷器11处理后将大部分空气通过空气运输主管路09的支路入口即第一吹扫管04入口送入，小部分进入加湿器12，经过加湿器12的作用直接通过第二尾排空气管05排向外部环境。第一吹扫管04地大部分空气的出口处与封装外壳01的吹扫入口03进入，此时气流在气流分布板的作用下被均匀地分成多束气流，然后对燃料电池电堆02的多个间隙以及燃料电池电堆02与封装外壳01的间隙都进行吹扫，吹扫后的气体经过吹扫出口17时，可以在氢气浓度传感器16的作用下检测此时的氢气浓度，可以对吹扫效果进行检验，同时对出口位置的氢气浓度进行较好的监测作用，然后，吹扫出的气体通过第二吹扫管15送入第一尾排空气管13排到外部环境，此外，而针对电堆空气，加湿器12还有另外两个接口，一个用来连通电堆空气管入口08，另一个用来连通电堆空气管出口06，用来对电堆空气也进行加湿处理。

本发明实施例通过从氧气运输主管路上分出一支管路到壳体进行吹扫，并将壳体另一侧的排气口连接到燃料电池系统的主排气口排向外部环境，使得燃料电池系统运行启动时封装壳体内部即开始吹扫，降低了燃料电池系统的成本，提高了系统的可靠性。

以上所揭露的仅为本发明优选的实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。