CN110993989A - 质子交换膜燃料电池的空气路和电堆吹扫方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池的空气路，包括空气过滤器、空压机、加湿器和吹扫装置；空压机的入口与空气过滤器出口连通，出口与中冷器入口连通；加湿器的第一入口与中冷器的出口连通，第一出口与电堆入口连通；电堆出口与加湿器的第二入口连通，加湿器第二出口处设有与大气连通的排放管；吹扫装置包括三通阀和气水分离器；三通阀设置在电堆的出口和加湿器的第二入口之间；三通阀的进口与电堆出口连通；三通阀的一个出口与第二入口连通；气水分离器的入口与三通阀的另一个出口连通；气水分离器的排气管与空压机的入口连通、排水管与排放管连通。该空气路设置了吹扫装置，能避免电堆结冰。本发明还公开一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法。

Description

质子交换膜燃料电池的空气路和电堆吹扫方法

技术领域

本发明涉及机械工业技术领域，更具体地说，涉及一种质子交换膜燃料电池的空气路，还涉及一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池在工作过程阳极氢气和阴极氧气发生电化学反应产生水，在冬天的低温环境下，燃料电池关机后若没有及时排出电堆内的水分，残余的水分就会结冰，水结冰会破坏单电池的结构，引起结构变形，造成漏气，甚至还会刺穿质子交换膜，造成阴阳极串气进而导致电堆腐蚀等不可修复的损伤，从而大幅度降低燃料电池寿命。

综上所述，如何避免质子交换膜燃料电池关机后电堆结冰，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种质子交换膜燃料电池的空气路，其额外设置了三通阀和气水分离器，能够在关机时利用管路内的空气循环吹扫电堆内水分，避免水分残留在电堆内而结冰，防止电堆中单电池结构变形、漏气，避免质子交换膜被刺穿，阴阳机串气而导致电堆发生腐蚀等不可修复的损伤，大幅提高燃料电池寿命。本发明还提供一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法，其应用上述空气路，确保电堆内不会结冰。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池的空气路，包括：

空气过滤器；

空压机，所述空压机的入口与所述空气过滤器的出口连通，所述空压机的出口与中冷器的入口连通；

加湿器，所述加湿器的第一入口与所述中冷器的出口连通，所述加湿器的第一出口与所述电堆的入口连通；所述电堆的出口与所述加湿器的第二入口连通；所述加湿器的第二出口处设有与大气连通的排放管；

还包括吹扫装置，所述吹扫装置包括：

三通阀，所述三通阀设置在所述电堆的出口和所述加湿器的第二入口之间；所述三通阀的进口与所述电堆的出口连通；所述三通阀的一个出口与所述第二入口连通；

气水分离器，所述气水分离器的入口与所述三通阀的另一个出口连通；所述气水分离器的排气管与所述空压机的入口连通，所述气水分离器的排水管与所述排放管连通。

优选的，上述空气路中，所述空气过滤器与所述空压机之间的管路上设有阀门。

优选的，上述空气路中，所述质子交换膜燃料电池正常发电时，所述空气过滤器将过滤后的空气通过所述空压机依次输送至所述中冷器、所述加湿器、所述电堆，所述电堆排出的气体经所述三通阀、所述加湿器排放。

优选的，上述空气路中，所述质子交换膜燃料电池关机吹扫时，外界空气停止进入所述空气过滤器；所述空压机、所述中冷器、所述加湿器、所述电堆、所述三通阀、所述气水分离器组成闭口空气循环管路。

一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法，应用上述技术方案中任意一项所述的空气路，其特征在于，包括：

1)使所述质子交换膜燃料电池关机；

2)使空气停止由空气过滤器进入空压机，并使所述空压机开启、使所述三通阀的进口与所述三通阀的另一个出口连通。

6、根据权利要求5所述的电堆吹扫方法，其特征在于，所述步骤2)之后还包括：

3)所述空压机驱动管路中空气依次进入所述中冷器、所述加湿器和所述电堆，所述电堆排出的带水气体通过所述三通阀进入所述气水分离器进行气水分离，分离出的水分经由所述气水分离器的排水管和所述排放管排出，分离出的气体通过所述排气管返回所述空压机继续循环。

本发明提供一种质子交换膜燃料电池的空气路，包括空气过滤器、空压机、加湿器和吹扫装置；空压机的入口与空气过滤器的出口连通，空压机的出口与中冷器的入口连通；加湿器的第一入口与中冷器的出口连通，加湿器的第一出口与电堆的入口连通；电堆的出口与加湿器的第二入口连通，加湿器的第二出口处设有与大气连通的排放管；吹扫装置包括三通阀和气水分离器；三通阀设置在电堆的出口和加湿器的第二入口之间；三通阀的进口与电堆的出口连通；三通阀的一个出口与上述第二入口连通；气水分离器的入口与三通阀的另一个出口连通；气水分离器的排气管与空压机的入口连通，气水分离器的排水管与上述排放管连通。

本发明提供的空气路中额外设置了三通阀和气水分离器，能够在关机时利用管路内的空气循环吹扫电堆内水分，避免水分残留在电堆内结冰，防止电堆中单电池结构变形、漏气，避免质子交换膜被刺穿，阴阳极串气而导致电堆发生腐蚀等不可修复的损伤，大幅提高燃料电池寿命。

本发明还提供一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法，其应用上述空气路，确保电堆内不会结冰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池的空气路的结构示意图。

其中，图1中：

空气过滤器101；阀门102；空压机103；中冷器104；加湿器105；电堆106；三通阀107；气水分离器108；排气管181；排水管182。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种质子交换膜燃料电池的空气路，其额外设置了三通阀和气水分离器，能够在关机时利用管路内的空气循环吹扫电堆内水分，避免水分残留在电堆内而结冰，防止电堆中单电池结构变形、漏气，避免质子交换膜被刺穿，阴阳机串气而导致电堆发生腐蚀等不可修复的损伤，大幅提高燃料电池寿命。本发明实施例还公开了一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法，其应用上述空气路，确保电堆内不会结冰。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种质子交换膜燃料电池的空气路，包括空气过滤器101、空压机103、加湿器105和吹扫装置；空压机103的入口与空气过滤器101的出口连通，空压机103的出口与中冷器104的入口连通；加湿器105的第一入口与中冷器104的出口连通，加湿器105的第一出口与电堆106的入口连通；电堆106的出口与加湿器105的第二入口连通，加湿器105的第二出口处设有与大气连通的排放管；吹扫装置包括三通阀107和气水分离器108；三通阀107设置在电堆106的出口和加湿器105的第二入口之间；三通阀107的进口与电堆106的出口连通；三通阀107的一个出口与第二入口连通；气水分离器108的入口与三通阀107的另一个出口连通；气水分离器108的排气管181与空压机103的入口连通，气水分离器108的排水管182与上述排放管连通。

本发明实施例提供的空气路中额外设置了三通阀107和气水分离器108，能够在质子交换膜燃料电池关机时利用管路内的空气循环吹扫电堆106内水分，避免水分在电堆106内结冰，防止电堆106中单电池结构变形、漏气，避免质子交换膜被刺穿，阴阳极串气而导致电堆106发生腐蚀等不可修复的损伤，大幅提高燃料电池寿命。

具体的，上述实施例提供的空气路中，空气过滤器101与空压机103之间的管路上设有阀门102，方便用户在质子交换膜燃料电池关机吹扫时使外界空气不再通过空气过滤器101向空压机103输送，确保利用管路内的空气循环吹扫电堆106，提高吹扫效果和吹扫效率。

上述空气路中，在质子交换膜燃料电池正常发电时，空气过滤器101将过滤后的空气通过空压机103、中冷器104、加湿器105输送至电堆106，电堆106排出的气体经三通阀107、加湿器105排放。

质子交换膜燃料电池关机吹扫时，外界空气停止进入空气过滤器101；空压机103、中冷器104、加湿器105、电堆106、三通阀107、气水分离器108组成闭口空气循环管路。管路中的气体在该闭口空气循环管路中循环吹扫电堆106，直至电堆106内水分完全吹扫出。

下面对上述实施例提供的空气路进行详细介绍：

1、正常发电状态：

a)电堆106正常发电时，外部空气经空气过滤器101进行过滤后，经打开的阀门102进入空压机103进行压缩，以一定的空压比和压强进入中冷器104进行冷却；冷却后由加湿器105对入堆空气进行增湿，满足入堆空气的湿度，提高发电效率；

b)空气中的氧气进入电堆106发生反应，剩余的未参与反应氧气、氮气以及反应生成的水分等气体会从电堆106的出口排出；

c)正常发电状态下，三通球阀会转到通往加湿器105方向的管路，因此电堆106出口的空气会经过三通球阀进入加湿器105中，加湿器105从出堆空气中吸收电堆106反应产生的水分用于加湿器105中入堆空气的加湿。出堆空气经过加湿器105后通过排气管181道排出至大气。

2、关机阶段电堆106吹扫：

a)燃料电池关机后，电堆106中会残留部分水分，而在低温环境下会导致电堆106中的水分结冰，结冰则会导致质子交换膜穿孔，阴阳极串气，对电堆106造成永久性损伤。因此，燃料电池关机后，空气路开始吹扫工作。此时空气过滤器101和空压机103之间管路上的阀门102关闭，空压机103由整车高压动力电池继续供电工作，空压机103不再从外界大气中获取空气，而是利用管道内空气进行电堆106吹扫，利用空气带出电堆106中的残余水分。

b)此时，三通球阀将转到通往气水分离器108的方向，这样电堆106出口的空气经过三通球阀进入到气水分离器108，出堆空气的水分通过排水管182排出，除水后的空气通过排气管181进入空压机103中继续进行循环吹扫。

3、关机阶段阳极保护：

a)燃料电池关机后，阀门102关闭，切断外部空气的通入。空压机103继续工作，三通球阀的气水分离器108方向导通，则形成了空压机103-中冷器104-加湿器105-电堆106-三通球阀-气水分离器108-空压机103的循环通路。

b)空气中21％是氧气、78％是氮气，通过内部循环电堆106继续反应消耗管道空气的氧气成分，当氧气消耗完时，电堆106的循环通路中大部分的气体为氮气，从而起到阳极保护的作用。当电堆106输出电压低于A值时，空压机103可停止工作。

上述关机阶段的电堆106吹扫和阳极保护功能是同时进行的，即在空压机103继续工作吹扫电堆106水分的同时，达到阳极保护的作用，可降低关机时长和整车能量消耗。

本发明实施例提供的空气路既保证正常功能，又确保用到的零部件较少，占用空间体积小，减小***布置成本。关机阶段只需要关闭阀门102和转动三通球阀至气水分离器108位置，即可同时实现阴极吹扫和阳极保护两种电堆106保护功能，操作简便，且减少关机后空压机103的工作时间，降低关机后的能量消耗。

上述空气路空压机103既保证燃料电池发电时满足正常发电的需求，又能满足关机阶段的吹扫、阳极保护需求，不需要额外的空气循环装置。

本发明实施例还提供一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法，应用上述实施例提供的空气路，包括：

1)使质子交换膜燃料电池关机；

2)使空气停止由空气过滤器101进入空压机103，并使空压机103开启，使三通阀107的进口与三通阀107的另一个出口连通；

该步骤中“使空气停止由空气过滤器101进入空压机103”具体为关闭空气过滤器101和空压机103之间管路上的阀门102。

具体的，上述实施例提供的电堆106吹扫方法中，步骤2)之后还包括：

3)空压机103驱动管路中空气依次进入中冷器104、加湿器105(加湿器105不加湿，仅作为气体流通通道使用)和电堆106，电堆106排出的带水气体通过三通阀107进入气水分离器108进行气水分离，分离出的水分经由气水分离器108的排水管182和排放管排出，分离出的气体通过排气管181返回空压机103继续循环。

本实施例提供的吹扫方法应用上述实施例提供的空气路，确保电堆106内不会结冰。当然，本实施例提供的吹扫方法还具有上述实施例提供的有关空气路的其它效果，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池的空气路，其特征在于，包括：

空气过滤器；

空压机，所述空压机的入口与所述空气过滤器的出口连通，所述空压机的出口与中冷器的入口连通；

加湿器，所述加湿器的第一入口与所述中冷器的出口连通，所述加湿器的第一出口与所述电堆的入口连通；所述电堆的出口与所述加湿器的第二入口连通；所述加湿器的第二出口处设有与大气连通的排放管；

还包括吹扫装置，所述吹扫装置包括：

三通阀，所述三通阀设置在所述电堆的出口和所述加湿器的第二入口之间；所述三通阀的进口与所述电堆的出口连通；所述三通阀的一个出口与所述第二入口连通；

气水分离器，所述气水分离器的入口与所述三通阀的另一个出口连通；所述气水分离器的排气管与所述空压机的入口连通，所述气水分离器的排水管与所述排放管连通。

2.根据权利要求1所述的空气路，其特征在于，所述空气过滤器与所述空压机之间的管路上设有阀门。

3.根据权利要求1所述的空气路，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池正常发电时，所述空气过滤器将过滤后的空气通过所述空压机依次输送至所述中冷器、所述加湿器、所述电堆，所述电堆排出的气体经所述三通阀、所述加湿器排放。

4.根据权利要求1所述的空气路，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池关机吹扫时，外界空气停止进入所述空气过滤器；所述空压机、所述中冷器、所述加湿器、所述电堆、所述三通阀、所述气水分离器组成闭口空气循环管路。

5.一种质子交换膜燃料电池的电堆吹扫方法，应用权利要求1-4任意一项所述的空气路，其特征在于，包括：

1)使所述质子交换膜燃料电池关机；

2)使空气停止由空气过滤器进入空压机，并使所述空压机开启、使所述三通阀的进口与所述三通阀的另一个出口连通。

6.根据权利要求5所述的电堆吹扫方法，其特征在于，所述步骤2)之后还包括：

3)所述空压机驱动管路中空气依次进入所述中冷器、所述加湿器和所述电堆，所述电堆排出的带水气体通过所述三通阀进入所述气水分离器进行气水分离，分离出的水分经由所述气水分离器的排水管和所述排放管排出，分离出的气体通过所述排气管返回所述空压机继续循环。

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