低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法

本发明涉及燃料电池，更具体地说，涉及一种低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)由于产物只有液态水，无其他污染物排放而受到研究人员的广泛研究。在0℃以下时，燃料电池内部的液态水会转化成冰，水和冰的密度不同会产生冻胀应力，对燃料电池内部的膜电极组件造成损伤，并且这种是不可逆的损伤，会导致燃料电池在运行过程中的性能降低。

2、pemfc中液态水管理问题近年来一直被研究，有学者发现燃料电池在低温环境下(-20℃225℃)保持一定的含水量，可以有效的减小冻胀应力对膜电极的损伤，并且可以保证燃料电池的高输出性能和提高其使用寿命。在现有的技术中，研究人员只通过吹扫干燥气体或任意湿度气体的方式来排出燃料电池内部的液态水，并没有保证燃料电池内部的含水量，这种做法不能使膜电极在低温环境下受到的影响最小。因此，根据现有的研究结论，在停机吹扫时需要保证燃料电池内部处于最佳含水量。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，提供一种低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法，其能够在燃料电池停机时吹扫燃料电池内部的液态水，并使燃料电池内部保持最佳的含水量，可以有效的减小液态水的冻结与融化带来的体积变化对燃料电池膜电极造成的损伤，使燃料电池保持高性能输出，提高燃料电池的使用寿命。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低温环境下的燃料电池系统，包括阳极气体输送装置、燃料电池、氮气罐、阴极气体输送装置、第一储液箱、第二储液箱、第一压力测量仪、第二压力测量仪、控制器、内阻检测组件和气液分离器；

3、所述阳极气体输送装置与燃料电池的阳极输入端连接，所述阴极气体输送装置与燃料电池的阴极输入端连接，所述内阻检测组件连接在燃料电池阴极和阳极两端，所述控制器与内阻检测组件连接，所述氮气罐的氮气吹扫入口分别与阳极气体输送装置、阴极气体输送装置的输入端连接；

4、所述第一压力测量仪与燃料电池的阴极输出端连接，所述第一压力测量仪与第一储液箱连接；所述第二压力测量仪与燃料电池的阳极输出端连接，所述第二压力测量仪与第二储液箱连接；所述气液分离器分别与第二压力测量仪、第二储液箱连接。

5、按上述方案，所述阳极气体输送装置包括从左至右依次连接的氢气罐、第一电动双位阀、第一减压阀、氢气引射器、第一流量控制阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第一加湿器、第一温度调节阀、第一单向阀和第一温湿压一体测量仪；

6、所述第一流量控制阀通过第四电动双位阀与第一温度调节阀连接，所述氢气引射器通过第五单向阀与气液分离器连接。

7、按上述方案，所述阴极气体输送装置包括从右至左依次连接的空气罐、第十电动双位阀、第二减压阀、第一流量控制阀、第八电动双位阀、第七电动双位阀、第二加湿器、第二温度调节阀、第二单向阀和第二温湿压一体测量仪；

8、所述第二流量控制阀通过第七电动双位阀与第二温度调节阀连接；

9、所述氮气罐通过第六电动双位阀分别与第二电动双位阀、第九电动双位阀连接。

10、按上述方案，所述气液分离器通过第五电动双位阀与第二压力测量仪连接，所述气液分离器通过第五单向阀与氢气引射器连接，所述气液分离器通过第四单向阀与第二储液箱连接。

11、按上述方案，所述控制器分别与第一电动双位阀、第二电动双位阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第五电动双位阀、第一温湿压一体测量仪、第二压力测量仪、第六电动双位阀、第一压力测量仪、第二温湿压一体测量仪、第七电动双位阀、第八电动双位阀、第九电动双位阀、第十电动双位阀和第十一电动双位阀连接且控制启闭。

12、本发明还提供一种低温环境下的燃料电池系统的吹扫方法，包括以下步骤：

13、s1、控制器收到燃料电池停机指令时，开启氮气吹扫系统，控制气体保持最佳吹扫湿度进入到燃料电内部进行吹扫；

14、s2、控制器预先设定燃料电池内部达到相应含水量后的内阻值、燃料电池阴极和阳极进出口的压力差；

15、s3、与燃料电池输入端连接的第一温湿压一体测量仪、第二温湿压一体测量仪，与燃料电池输出端连接的第一压力测量仪、第二压力测量仪实时测量进出口气体压力及进口气体湿度，并将测量值反馈至控制器；

16、s4、内阻检测组件实时测量燃料电池的内阻，并将内阻的测量值反馈至控制器；

17、s5、当燃料电池阴、阳极进出口的压力差不在变化且内阻测量值在某一值附近波动，当未达到预先设定的内阻值时，燃料电池内部含水量初次达到平衡，控制器关闭氮气吹扫系统，停机等待十分钟；关闭氮气吹扫系统后，燃料电池内部的水分子继续运动，重新达到平衡后燃料电池内部的液态水含量大于预想的含水量。

18、s6、控制器控制打开氮气吹扫系统，按照原有吹扫条件继续吹扫燃料电池，反复重复步骤s5，直到燃料电池阴极阳极进出口的压力差与内阻测量值达到设定值，控制器关闭氮气吹扫系统，燃料电池在低温环境下的吹扫结束。

19、实施本发明的低温环境下的燃料电池系统及吹扫方法，具有以下有益效果：

20、1、本发明在燃料电池阳极输出端安装压力测量仪后设置了两条可用管路，一条为电池在运行过程中通过气液分离器重复利用氢气，另一条为在停机吹扫时通过一个单向阀连接到储液箱，两条管路前端均设置电动双位阀，受控制器控制，可以在燃料电池运行或停止时进行切换，方便快捷；

21、2、本发明通过燃料电池阴、阳极进口端的温湿压一体测量仪、出口端的压力测量仪以及燃料电池上的内阻测量组件作用在控制器上，用于判断燃料电池内部的含水量状态，可以更快更直接地判断出燃料电池内部的吹扫情况，可以减小吹扫时间、节约氮气吹扫成本以及控制燃料电池内部的含水量；

22、3、本发明的吹扫方法可用于燃料电池在运行过程中发生水淹，导致燃料电池运行效果不佳时，可以直接通过控制器控制相应管道上的电动双位阀，将燃料电池停止运行后，通过氮气来进行吹扫，排出燃料电池的故障；

23、4、本发明通过在燃料电池进口端前安装单向阀，可以防止燃料电池在停止的瞬间气体回流，对系统和燃料电池造成损伤；在储液箱前安装单向阀，同样是用来防止气体或液体回流。

技术特征：

1.一种低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，包括阳极气体输送装置、燃料电池、氮气罐、阴极气体输送装置、第一储液箱、第二储液箱、第一压力测量仪、第二压力测量仪、控制器、内阻检测组件和气液分离器；

2.根据权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极气体输送装置包括从左至右依次连接的氢气罐、第一电动双位阀、第一减压阀、氢气引射器、第一流量控制阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第一加湿器、第一温度调节阀、第一单向阀和第一温湿压一体测量仪；

3.根据权利要求2所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极气体输送装置包括从右至左依次连接的空气罐、第十电动双位阀、第二减压阀、第二流量控制阀、第八电动双位阀、第七电动双位阀、第二加湿器、第二温度调节阀、第二单向阀和第二温湿压一体测量仪；

4.根据权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述气液分离器通过第五电动双位阀与第二压力测量仪连接，所述气液分离器通过第五单向阀与氢气引射器连接，所述气液分离器通过第四单向阀与第二储液箱连接。

5.根据权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器分别与第一电动双位阀、第二电动双位阀、第三电动双位阀、第四电动双位阀、第五电动双位阀、第一温湿压一体测量仪、第二压力测量仪、第六电动双位阀、第一压力测量仪、第二温湿压一体测量仪、第七电动双位阀、第八电动双位阀、第九电动双位阀、第十电动双位阀和第十一电动双位阀连接且控制启闭。

6.一种权利要求1所述的低温环境下的燃料电池系统的吹扫方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种低温环境下的燃料电池系统，包括阳极气体输送装置、燃料电池、氮气罐、阴极气体输送装置、第一储液箱、第二储液箱、第一压力测量仪、第二压力测量仪、控制器、内阻检测组件和气液分离器；阳极气体输送装置与燃料电池的阳极输入端连接，阴极气体输送装置与燃料电池的阴极输入端连接，内阻检测组件连接在燃料电池阴、阳极两端，控制器与内阻检测组件连接，氮气罐的氮气吹扫入口分别与阳极气体输送装置、阴极气体输送装置的输入端连接；气液分离器分别与第二压力测量仪、第二储液箱连接。本发明可以减小冻胀应力对燃料电池内部组件膜电极结构的损伤，提高燃料电池的功率并延长其使用寿命。

技术研发人员：陈涛,甘忠禹,张瑞轩,肖飞
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15