CN218039294U - 一种燃料电池发动机用吹扫装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种燃料电池发动机用吹扫装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术无法真正实现有效吹干膜电极的问题。该装置包括加湿器、空压机、进气节气门、尾排节气门、电控阀和可检测电堆单片内阻的内阻仪。空压机的输出端依次经进气节气门、加湿器的干空气加湿通道后接待吹扫电堆的空气入口，构成吹扫进气通道。待吹扫电堆的空气尾气出口分为独立两路，一路依次经加湿器的湿空气排出通道、尾排节气门后接外部尾排管道，构成发动机正常运行时的吹扫排气通道，另一路经电控阀接外部尾排管道，构成发动机关机时的吹扫排气通道。内阻仪为吹扫效果监测设备，与待吹扫电堆的供电端连接。待内阻仪测得的单片内阻吹扫至目标值，结束吹扫。

Description

一种燃料电池发动机用吹扫装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机用吹扫装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池发动机在冬天运行时，阴极会产生大量水并渗透至阳极，导致发动机内部结冰，所以需要执行关机吹扫。吹扫时间过短或过长，会导致膜电极会呈现内阻过小或过大的现象，影响膜电极上催化剂的活性和使用寿命，甚至影响到发动机的二次开机及使用。

现有吹扫装置一般是阳极氢气吹扫，阴极空气吹扫，阴极吹扫时，排出的水经增湿器进行水汽交换后又会重新回到电堆，导致膜电极吹不干，内阻达不到标准值。在低温环境下，膜电极经过反复的融冻后可能出现串漏。专利CN111029623A公开的吹扫装置利用内阻检测单元检测电堆/单片的内阻，关机后执行电堆吹扫，直到内阻值吹扫至设定值，停止吹扫，但仍未排除增湿器内部的水汽交换。专利CN110854415A公开的吹扫装置采用脱氧后的空气对阳极和阴极进行吹扫，但该方法无法进行对电堆带载吹扫，也未排除增湿器内部的水汽交换。

综上所述，现有技术的吹扫装置均忽略了吹扫过程中增湿器的影响。若增加吹扫时间，膜电极阳极侧的干湿状态比阴极侧更加恶劣，将对电堆造成不可逆的影响。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种燃料电池发动机用吹扫装置，用以解决现有技术无法真正实现有效吹干膜电极的问题。

一方面，本实用新型实施例提供了一种燃料电池发动机用吹扫装置，包括加湿器（6）、空压机（2）、进气节气门（4）、尾排节气门（7）、电控阀（8）和可检测电堆单片内阻的内阻仪（9）；其中，

空压机（2）的输出端依次经进气节气门（4）、加湿器（6）的干空气加湿通道后接待吹扫电堆（5）的空气入口，构成吹扫进气通道；

待吹扫电堆（5）的空气尾气出口分为独立两路，一路依次经加湿器（6）的湿空气排出通道、尾排节气门（7）后接外部尾排管道，构成发动机正常运行时的吹扫排气通道，另一路经电控阀（8）接外部尾排管道，构成发动机关机时的吹扫排气通道；

内阻仪（9）为该吹扫装置的吹扫效果监测设备，与待吹扫电堆（5）的供电端连接。

上述技术方案的有益效果如下：燃料电池发动机开机运行时，吹扫进气通道、发动机正常运行时的吹扫排气通道导通，即空压机（2）、进气节气门（4）、尾排节气门（7）启动，电控阀（8）关闭，待吹扫电堆（5）的空气入口、空气尾气出口的气体按照正常运行顺序进出电堆，发生反应，带出多余的水。在正常运行结束后，燃料电池发动机关机，吹扫进气通道、发动机关机时的吹扫排气通道导通，即空压机（2）、进气节气门（4）、电控阀（8）启动，尾排节气门（7）关闭，将表征膜内阻的内阻仪（9）采集的电堆单片电阻吹至目标值，由于出堆的气体不经过增湿器，减少水汽交换，降低入堆空气的湿度，可对膜电极快速吹干，既不影响第二次开机，又不造成膜电极性能衰减，保证燃料电池发动机的再次低温启动。

基于上述装置的进一步改进，该吹扫装置还包括空气过滤器（1）；其中，

所述空气过滤器（1）设于空压机（2）的进气端。

进一步，该吹扫装置还包括中冷器（3）；其中，

所述中冷器（3）的输入端与空压机（2）的输出端连接，其输出端与进气节气门（4）的输入端连接。

进一步，该吹扫装置还包括旁通阀；其中，

所述旁通阀的输入端与空压机（2）的输出端连接，其输出端与外部尾排管道连接；并且，所述旁通阀与中冷器集成于一体。

进一步，该吹扫装置还包括电堆壳体（10）；其中，

电堆壳体（10）采用中空结构，内部具有可置入待吹扫电堆（5）的腔室，该壳体的一侧设有至少一个吹扫进口，每一吹扫进口均接中冷器（3）的输出端，对侧设有至少一个吹扫出口，每一吹扫出口均接外部尾排管道；

待吹扫电堆（5）设于该腔室内的中部位置，其与吹扫进口、吹扫出口的相对位置设置使得从吹扫进口进入的风能够循环吹扫待吹扫电堆（5）的外表面后从吹扫出口排出。

进一步，该吹扫装置还包括用于在燃料电池发动机正常运行时控制电控阀（8）关闭且空压机（2）、进气节气门（4）、尾排节气门（7）启动以执行正常运行吹扫以及在燃料电池发动机关机时控制尾排节气门（7）关闭且电控阀（8）、空压机（2）、进气节气门（4）启动以执行关机吹扫以及在吹扫过程中监测内阻仪（9）采集的电堆单片内阻低于目标值时结束吹扫的控制器。

进一步，所述控制器包括进一步依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元；其中，

所述数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻内阻仪（9）采集的电堆单片内阻。

进一步，该吹扫装置还包括：

环境温度传感器，设于燃料电池发动机所处舱室内，其输出端与控制器的输入端连接；

气体流量计（11），设于空压机（2）的进气端，其输出端与控制器的输入端连接；

温压一体传感器（12），设于待吹扫电堆（5）的空气尾气出口处，其输出端与控制器的输入端连接。

进一步，所述电堆壳体（10）上的每一吹扫进口处均设有至少一个用于分散导引空气流向以避免空气直吹待吹扫电堆（5）表面的导流件。

进一步，所述电堆壳体（10）的腔室内壁上依次涂覆有防水耐腐蚀涂层、阻燃料气渗透涂层。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

1、通过添加电控阀（8），可在关机后控制出堆气体的流向，不再经过加湿器（6），能够有效减少关机后电堆内部的液态水，缩短冷启动时间。

2、形成用于吹扫的两条独立的循环气体吹扫通道，利用空气进行吹扫时，无需对现有燃料电池发动机***架构进行大更改，节约了劳动资源，降低了成本。使用后，增加了燃料电池发动机的实用性和可靠性。

3、通过一个控制器自动控两条吹扫通道的通断，减少人工切换带来的人为误差因素。

4、 防止了电堆空气尾气中的水分渗透至入堆空气内，造成电堆膜电极电阻较小，吹不干的现象。

5、可防止随着运行时间增长，待吹扫电堆（5）泄露出的氢气和水蒸气聚集存在的安全隐患。提高了燃料电池发动机***的可靠性和使用寿命。

提供实用新型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。实用新型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

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。

图1示出了实施例1吹扫装置组成示意图；

图2示出了实施例2吹扫装置组成示意图；

图3示出了实施例2吹扫装置部件布设示意图。

附图标记：

1- 空气过滤器；2- 空压机；3- 中冷器；4- 进气节气门；5- 待吹扫电堆；6- 加湿器；7- 尾排节气门；8- 电控阀；9- 内阻仪；10- 电堆壳体；11- 气体流量计；12- 温压一体传感器12；VCU- 控制器。

具体实施方式

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。

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。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池发动机用吹扫装置，如图1所示，包括加湿器6、空压机2、进气节气门4、尾排节气门7、电控阀8和可检测电堆单片内阻（也称单片电阻）的内阻仪9。

其中，空压机2的输出端依次经进气节气门4、加湿器6的干空气加湿通道后接待吹扫电堆5的空气入口，构成吹扫进气通道。进气节气门4作为吹扫进气通道的控制阀，控制其通断。

待吹扫电堆5的空气尾气出口分为独立两路，一路依次经加湿器6的湿空气排出通道、尾排节气门7后接外部尾排管道，构成发动机正常运行时的吹扫排气通道，另一路经电控阀8接外部尾排管道，构成发动机关机时的吹扫排气通道。

尾排节气门7作为发动机正常运行时的吹扫排气通道的控制阀，控制其通断。

电控阀8作为发动机关机时的吹扫排气通道的控制阀，控制其通断。

内阻仪9为该吹扫装置的吹扫效果监测设备，与待吹扫电堆5的供电端连接。可检测电堆单片内阻的内阻仪9结构参见CN202022487926.1、CN201911348485.2等。

上述吹扫装置适用于现有的任意一种质子交换膜燃料电池发动机，包括氢燃料电池发动机、磷酸燃料电池发动机、甲烷燃料电池发动机、硫化氢燃料电池发动机、碳氢化合物燃料电池发动机。

与现有技术相比，本实施例提供的冷却装置燃料电池发动机开机运行时，吹扫进气通道、发动机正常运行时的吹扫排气通道导通，即空压机2、进气节气门4、尾排节气门7启动，电控阀8关闭，待吹扫电堆5的空气入口、空气尾气出口的气体按照正常运行顺序进出电堆，发生反应，带出多余的水。在正常运行结束后，燃料电池发动机关机，吹扫进气通道、发动机关机时的吹扫排气通道导通，即空压机2、进气节气门4、电控阀8启动，尾排节气门7关闭，将表征膜内阻的内阻仪采集的电堆单片9采集的电堆单片电阻吹至目标值，由于出堆的气体不经过增湿器，减少了水汽交换，降低了入堆空气的湿度，可对膜电极快速吹干，既不影响第二次开机，又不造成膜电极性能衰减，保证燃料电池发动机的再次低温启动。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，该吹扫装置还包括空气过滤器1，如图2~3所述。其中，空气过滤器1设于空压机2的进气端，用于进入空压机的空气进行过滤。

优选地，该吹扫装置还包括中冷器3，如图2~3所述。其中，中冷器3的输入端与空压机2的输出端连接，其输出端与进气节气门4的输入端连接。经过空压机压缩后的空气温度过高，甚至可以达到140℃以上，这将导致绝大部分的橡胶或者塑料件面临高温软化和快速老化的问题，并且该温度也远高于待吹扫电堆5的适宜工作温度，将会影响待吹扫电堆5的性能。因此，此处增设了中冷器3。

优选地，该吹扫装置还包括旁通阀。其中，旁通阀的输入端与空压机2的输出端连接，其输出端与外部尾排管道连接；并且，所述旁通阀与中冷器集成于一体。

在燃料电池发动机运行时，有时会有氢气和/或水蒸气从待吹扫电堆5内泄露出来而积聚，为了提升整个燃料电池发动机******的防护等级，通常需要将待吹扫电堆5封装于一密闭的电堆壳体10内，如图3所示。

优选地，该吹扫装置还包括电堆壳体10，如图3所示。

其中，电堆壳体10采用中空结构，内部具有可置入待吹扫电堆5的腔室，该壳体的一侧设有至少一个吹扫进口，每一吹扫进口均接中冷器3的输出端，对侧设有至少一个吹扫出口，每一吹扫出口均接外部尾排管道。待吹扫电堆5设于该腔室内的中部位置，并且，其与吹扫进口、吹扫出口的相对位置设置使得从吹扫进口进入的风能够循环吹扫待吹扫电堆5的外表面后从吹扫出口排出。

经过中冷器的空气从该腔室内的一侧进入，吹扫待吹扫电堆5的外表面后，从对侧的吹扫出口排出，使得被引入的空气对该腔室进行吹扫换气，排出氢气和/或水蒸气，保证待吹扫电堆的绝缘性、可靠性和寿命。

优选地，该吹扫装置还包括控制器。

控制器，用于在燃料电池发动机正常运行时，控制电控阀8关闭且空压机2、进气节气门4、尾排节气门7启动以执行正常运行吹扫；以及，在燃料电池发动机关机时，控制尾排节气门7关闭且电控阀8、空压机2、进气节气门4启动以执行关机吹扫；以及，在吹扫过程中监测内阻仪9采集的电堆单片内阻低于目标值时结束吹扫，关闭该装置内所有部件。上述控制程序均为现有技术，不涉及方法的改进。

控制器的输入端与内阻仪9的输出端连接，其输出端与空压机2、进气节气门4、尾排节气门7、电控阀8、旁通阀的控制端连接。

优选地，控制器包括进一步依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。

其中，数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻内阻仪9采集的电堆单片内阻。

优选地，该吹扫装置还包括环境温度传感器、气体流量计11、温压一体传感器12。

环境温度传感器，设于燃料电池发动机所处舱室内，其输出端与控制器的输入端连接，用于获取环境温度，进而实现中冷器3内冷却液流量控制。

气体流量计11，设于空压机2的进气端，其输出端与控制器的输入端连接，用于获取进入空压机的气体流量，进而结合目标气体流量实现空压机转速控制。

温压一体传感器12，设于待吹扫电堆5的空气尾气出口处，其输出端与控制器的输入端连接，用于获取出堆空气尾气的温度和压力，进而尾排节气门7的开度控制。

优选地，所述电堆壳体10上的每一吹扫进口处均设有至少一个导流件。

导流件，用于分散导引空气流向，以避免空气直吹待吹扫电堆5表面，防止吹扫部位因被加压且冷却后的空气直接吹扫而急剧降温，影响待吹扫电堆5的温度分布，进而影响燃料电池发动机的发电性能。

优选地，导流件具有多面出气结构，用于将从所述吹进口引入的空气沿着水平方向分散，有效地避免空气直吹待吹扫电堆5表面。其具体结构可参见专利CN202120574860.1。

优选地，电堆壳体10的腔室内壁上依次涂覆有防水耐腐蚀涂层、阻燃料气渗透涂层。

阻燃料气渗透涂层是防止燃料气渗透导致聚集而带来安全隐患。对于氢气，阻燃料气渗透涂层中相应的阻燃料气渗透材料可采用Al₂O₃、Cr₂O₃、Y₂O₃、S12 、Er₂O₃等中的一种。通常，单层氧化物阻氢涂层多为Cr₂O₃，Al₂O₃，而S12常和其它涂层复合使用。Y₂O₃涂层氚的渗透率能下降两个数量级，且多与其它涂层复合使用。对于其他燃料气，可查阅相关技术手册与材料手册选定适合的阻燃料气渗透材料。

与现有技术相比，本实施例燃料电池发动机用吹扫装置具有如下有益效果：

1、通过添加电控阀8，可在关机后控制出堆气体的流向，不再经过加湿器6，能够有效减少关机后电堆内部的液态水，缩短冷启动时间。

2、形成用于吹扫的两条独立的循环气体吹扫通道，利用空气进行吹扫时，无需对现有燃料电池发动机***架构进行大更改，节约了劳动资源，降低了成本。使用后，增加了燃料电池发动机的实用性和可靠性。

3、通过一个控制器自动控两条吹扫通道的通断，减少人工切换带来的人为误差因素。

4、 防止了电堆空气尾气中的水分渗透至入堆空气内，造成电堆膜电极电阻较小，吹不干的现象。

5、可防止随着运行时间增长，待吹扫电堆5泄露出的氢气和水蒸气聚集存在的安全隐患。提高了燃料电池发动机***的可靠性和使用寿命。

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、实际应用或对现有技术的改进，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。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，包括加湿器（6）、空压机（2）、进气节气门（4）、尾排节气门（7）、电控阀（8）和可检测电堆单片内阻的内阻仪（9）；其中，

空压机（2）的输出端依次经进气节气门（4）、加湿器（6）的干空气加湿通道后接待吹扫电堆（5）的空气入口，构成吹扫进气通道；

待吹扫电堆（5）的空气尾气出口分为独立两路，一路依次经加湿器（6）的湿空气排出通道、尾排节气门（7）后接外部尾排管道，构成发动机正常运行时的吹扫排气通道，另一路经电控阀（8）接外部尾排管道，构成发动机关机时的吹扫排气通道；

内阻仪（9）为该吹扫装置的吹扫效果监测设备，与待吹扫电堆（5）的供电端连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，还包括空气过滤器（1）；其中，

所述空气过滤器（1）设于空压机（2）的进气端。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，还包括中冷器（3）；其中，

所述中冷器（3）的输入端与空压机（2）的输出端连接，其输出端与进气节气门（4）的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，还包括旁通阀；其中，

所述旁通阀的输入端与空压机（2）的输出端连接，其输出端与外部尾排管道连接；并且，所述旁通阀与中冷器集成于一体。

5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，还包括电堆壳体（10）；其中，

所述电堆壳体（10）采用中空结构，内部具有可置入待吹扫电堆（5）的腔室，该壳体的一侧设有至少一个吹扫进口，每一吹扫进口均接中冷器（3）的输出端，对侧设有至少一个吹扫出口，每一吹扫出口均接外部尾排管道；

待吹扫电堆（5）设于上述腔室内的中部位置，其与吹扫进口、吹扫出口的相对位置设置使得从吹扫进口进入的风能够循环吹扫待吹扫电堆（5）的外表面后从吹扫出口排出。

6.根据权利要求1、2、4、5任意一项所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，还包括用于在燃料电池发动机正常运行时控制电控阀（8）关闭且空压机（2）、进气节气门（4）、尾排节气门（7）启动以执行正常运行吹扫以及在燃料电池发动机关机时控制尾排节气门（7）关闭且电控阀（8）、空压机（2）、进气节气门（4）启动以执行关机吹扫以及在吹扫过程中监测内阻仪（9）采集的电堆单片内阻低于目标值时结束吹扫的控制器。

7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，所述控制器包括进一步依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元；其中，

所述数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻内阻仪（9）采集的电堆单片内阻。

8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，还包括：

环境温度传感器，设于燃料电池发动机所处舱室内，其输出端与控制器的输入端连接；

气体流量计（11），设于空压机（2）的进气端，其输出端与控制器的输入端连接；

温压一体传感器（12），设于待吹扫电堆（5）的空气尾气出口处，其输出端与控制器的输入端连接。

9.根据权利要求5所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，所述电堆壳体（10）上的每一吹扫进口处均设有至少一个用于分散导引空气流向以避免空气直吹待吹扫电堆（5）表面的导流件。

10.根据权利要求5或9所述的燃料电池发动机用吹扫装置，其特征在于，所述电堆壳体（10）的腔室内壁上依次涂覆有防水耐腐蚀涂层、阻燃料气渗透涂层。

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