一种燃料电池发动机停机吹扫系统及其控制方法及燃料电池系统与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机停机吹扫系统及其控制方法及燃料电池系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池发动机系统，是将还原剂h
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2的化学能转化为电能的发电装置，由于不经过燃烧，避免了卡诺循环的限制，能量利用率可达40%~60%，同时避免了燃烧所产生的碳化物和氮化物，对于环境十分友好，是可替代化石能源的重要途径。
3.质子交换膜燃料电池发动机系统冬天运行过程（零下），发动机系统阴极会产生大量水，由于水的渗透作用，阴极生成的水会移动至阳极，燃料电池发动机系统在冬天运行（零下）会结冰，由于吹扫系统的位置大部分于环境中，吹扫系统里的水呈现处三种状态，水，水和冰的混合物，冰。而后两种物质的存在，可能于流道上，膜电极上以及氢/空管道内，或零部件内造成堵塞，阻碍反应气体的进入，造成燃料电池性能衰减，启动失败。
4.现有吹扫策略，阳极为氢气吹扫，阴极为空气吹扫，这部分的氢气白白浪费掉，从而降低了氢气的利用率；同时由于阳极与阴极的气体分压不同和密封原因，氧气会出现在阳极，当起动时，由于阳极注入氢气，造成氢气与氧气在阳极相会，此时一个浮动的氢氧界面形成了。频繁起停造成的高电位引起碳腐蚀，停机碳腐蚀比启动碳腐蚀更严重，降低燃料电池的使用寿命。如专利号cn112838249所述，一种燃料电池的吹扫系统，吹扫空气路于其支路，无法避免起停时阳极形成的氢氧界面，对催化剂层，膜电极造成不可逆的损伤。再如专利号cn109616688a所述，在燃料电池的关机过程中，为发动机提供一种低压配电的供电方式，缓解吹扫系统供电稳定性较差的问题。
5.现有技术的吹扫针对较多的层面为阴极空气侧所产生的水，以及空气侧的水如何排出的问题，从而忽略了有阴极渗透至阳极的水的问题。由于该部分水的存在，以至于阳极侧流道，膜电极上以及氢/空管道内，或零部件内，比如氢气喷射器，氢气循环泵。会因为渗透水结冰而失效的现象，会影响发动机第二次的起动；如果用空气吹扫阳极，阳极势必会形成氢氧界面，此时阳极电位会出现大幅度的下降，阴极电位则会瞬间提高，导致碳腐蚀。对电堆造成损伤；若用氢气吹扫阳极，会降低氢气的利用率，也无法避免氢氧界面的形成。
6.因此，亟需提供一种燃料电池发动机停机吹扫系统及其控制方法及燃料电池系统，以解决现有技术中存在的上述技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种燃料电池发动机停机吹扫系统及其控制方法及燃料电池系统，能够避免阴阳两侧压力过大导致氢/空串漏现象的出现，减少人为偶然因素，增加氢气的利用率，降低成本。
8.为实现上述目的，提供以下技术方案：
本发明提供了一种燃料电池发动机停机吹扫系统，包括调节阀、氢喷、分水件、尾排阀、三通阀、氢循环装置、出气节气门和进气节气门，所述调节阀的进口一与氢源连接、进口二与氮源连接、出口与所述氢喷的进口一连接，所述氢喷的出口通入电堆的阳极入口，电堆的阳极出口与所述分水件的进口连接，所述分水件的出口一与所述氢循环装置的进口连接、出口二与所述尾排阀连接，所述氢循环装置的出口与所述三通阀的进口连接，所述三通阀的出口一与所述氢喷的进口二连接、出口二与所述进气节气门的进口连接，所述进气节气门的出口与电堆的阴极入口连接，所述出气节气门的进口与电堆的阴极出口连接。
9.可选地，所述尾排阀的排出口通至混排点，和/或，所述出气节气门的出口通至混排点。
10.可选地，所述燃料电池发动机停机吹扫系统还包括控制器，所述控制器与所述调节阀和所述三通阀均通信连接，用于控制所述控制阀和所述三通阀的开度。
11.可选地，所述控制器为上位机。
12.可选地，所述氢喷内设置有高压传感器和低压传感器。
13.可选地，所述尾排阀内设置有加热件。
14.本发明还提供了一种如上述任一技术方案所述的燃料电池发动机停机吹扫系统的控制方法，包括如下步骤：s100：将控制阀切换氢气为氮气；s200：控制入堆压力为140kpa-160kpa进行阳极吹扫和阴极吹扫；s300：打开三通阀的出口二。
15.可选地，s200中阳极吹扫和阴极吹扫的方式均为脉冲鼓风吹扫。
16.可选地，s200中入堆压力控制为150kpa的绝压。
17.本发明还提供了一种燃料电池系统，包括电堆及上述任一项技术方案所述的燃料电池发动机停机吹扫系统。
18.与现有技术相比，本发明提供的燃料电池发动机停机吹扫系统及其控制方法及燃料电池系统，通过添加调节阀与三通阀的作用，按照设定程序自动控制气体的切换与气体的流向，可以实现阴阳极的气体吹扫。具体地，本发明具有如下优点：1、够减少关机后循环泵内部的液态水，缩短冷启动时间。
19.2、形成单独的循环气体支路，利用氮气进行吹扫，无需对系统架构进行大更改。
20.3、防止阳极侧氢氧界面的形成，造成c载体的腐蚀，降低发动机性能。
21.4、增加氢气利用率，降低成本。
22.5、同一气源，同一压力，杜绝氢氧互串现象的发生。
23.6、减少人工切换气体带来的人为误差因素。
24.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
25.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常
代表相同部件。
26.图1示出了本发明实施例的燃料电池发动机停机吹扫系统的结构示意图。
27.附图标记：1-电堆；2-调节阀；3-氢喷；4-分水件；5-尾排阀；6-三通阀；7-氢循环装置；8-进气节气门；9-出气节气门；10-控制器。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
29.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
30.如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池发动机停机吹扫系统，包括调节阀2、氢喷3、分水件4、尾排阀5、三通阀6、氢循环装置7、出气节气门9和进气节气门8，调节阀2的进口一与氢源连接、进口二与氮源连接、出口与氢喷3的进口一连接，氢喷3的出口通入电堆1的阳极入口，电堆1的阳极出口与分水件4的进口连接，分水件4的出口一与氢循环装置7的进口连接、出口二与尾排阀5连接，氢循环装置7的出口与三通阀6的进口连接，三通阀6的出口一与氢喷3的进口二连接、出口二与进气节气门8的进口连接，进气节气门8的出口与电堆1的阴极入口连接，出气节气门9的进口与电堆1的阴极出口连接。
31.优选地，尾排阀5的排出口通至混排点，出气节气门9的出口通至混排点，该种结构避免环境污染，且方便清洁处理，节约人力。
32.可选地，燃料电池发动机停机吹扫系统还包括控制器10，控制器10与调节阀2和三通阀6均通信连接，用于控制控制阀和三通阀6的开度，控制器10程序设置好后能够按照设定程序自动控制气体的切换与气体的流向，减少人工切换带来的不确定因素。
33.优选地，本实施例的控制器10为上位机，便于用户观察和操作。
34.可选地，氢喷3内设置有高压传感器和低压传感器，便于检测气体的压力，以控制入堆气体的压力。进一步地，尾排阀5内设置有加热件，能够对气体加热，以达到合适的排放温度。优选地，本实施例的氢循环装置7选用循环泵，其他实施方式也可选用引射器。
35.本发明还提供了一种如上述任一技术方案的燃料电池发动机停机吹扫系统的控制方法，包括如下步骤：s100：设置控制器10的控制程序，具体地，该程序须发动机经过“待机
→
自检
→
启动
→
运行
→
降载”的过程；s200：将控制阀切换氢气为氮气，具体地，可通过外加vcu控制器10打开调节阀2。由于同一气源，避免因为阴阳极侧压力不同所导致的膜电极串漏的风险，由于用的为惰性气体n2，在阳极侧不会形成损坏催化剂的氢氧界面；
s200：控制入堆压力为140kpa-160kpa（绝压）进行阳极吹扫和阴极吹扫，；s300：打开三通阀6的出口二，以提高气源的利用率。
36.优选地，s200中阳极吹扫和阴极吹扫的方式均为脉冲鼓风吹扫，其原理是停机后通过气体对电堆1进行吹扫带出残余水分，避免零下第二次开启困难问题。
37.进一步地，s200中入堆压力控制为150kpa的绝压，该压力的气体能够达到较好的吹扫状态，气体太大或太小均无法理想地进行吹扫。
38.具体地，实验完成后按照设定好的控制程序，自动切换氢气为氮气，吹扫阳极侧的渗透水，其中水汽混合物经过分水件4的作用，水经过尾排阀5排至大气，气经过循环泵。经过循环泵，并带走循环泵内的水，此时可打开三通阀6，避免此部分水再次返回阳极，形成无效循环。该水汽混合物直接通至进气节气门8前端到阴极，进行阴极吹扫后，到达尾排节气门，后排至大气，提高气源的利用率。本该浪费的n2，经过三通阀6，流向阴极，提供阴极吹扫。阴极吹扫和阳极吹扫不分先后，大部分时间是同时进行。阴极和阳极采用同一n2气源吹扫，这样避免了氢-氧界面的形成。
39.本实施例还提供了一种燃料电池系统，包括电堆1及上述燃料电池发动机停机吹扫系统。
40.与现有技术相比，本发明提供的燃料电池发动机停机吹扫系统及其控制方法及燃料电池系统，通过添加调节阀2与三通阀6的作用，按照设定程序自动控制气体的切换与气体的流向，可以实现阴阳极的气体吹扫。具体地，本发明具有如下优点：1、够减少关机后循环泵内部的液态水，缩短冷启动时间。
41.2、形成单独的循环气体支路，利用氮气进行吹扫，无需对系统架构进行大更改。
42.3、防止阳极侧氢氧界面的形成，造成c载体的腐蚀，降低发动机性能。
43.4、增加氢气利用率，降低成本。
44.5、同一气源，同一压力，杜绝氢氧互串现象的发生。
45.6、减少人工切换气体带来的人为误差因素。
46.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。