[发明专利]一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统及停机吹扫方法

说明书

本发明涉及一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统，包括燃料电池堆以及分别与燃料电池堆的阴极连接的空气进气组件和与燃料电池堆的阳极连接的氢气进气组件，所述的燃料电池堆的阴极出口和阳极出口之间还设有截止电磁阀，该系统还包括设置于燃料电池堆的阴极和阳极之间的集氮回路，所述的集氮回路包括传感器组件以及依次连接的第一除氧器、除水器、入口单向阀、储氮罐、出口单向阀和氮气进气阀，所述的第一除氧器通过第一三通阀与空气进气组件连接，所述的氮气进气阀通过第二三通阀分别与燃料电池堆的阴极进口和阳极进口连接，与现有技术相比，本发明具有无需增加额外附属设备、有效保护电堆阴阳极并提高其冷启动能力等优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统及停机吹扫方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种直接将燃料(如氢气)的化学能转化为电能的发电装置。只要不断供应燃料和氧化剂，燃料电池就能源源不断地输出电能和热能。其具有发电效率高，低噪音，零排放等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置之一，可被广泛应用于汽车领域。

质子交换膜燃料电池电化学反应产生电、热和水，在低温下燃料电池生成的水可能结冰，冰覆盖扩散层和催化层，阻碍氢气和空气传输，膜内质子传导能力差，进而影响电堆从低温下的启动能力，故停机之后对残余水进行吹扫解除对于燃料电池的低温冷启动具有重要意义。

此外，燃料电池堆在停机过程中，燃料电池仍将不断地消耗残余的氢气，直到氢气耗尽为止，这时空气腔仍为标准大气压，氢气腔由于与外界隔离而形成负压，同时膜电极一侧空气腔内的空气会因压力梯度和浓差的关系逐渐扩散到另一侧的氢气腔，直到压力平衡为止。这一过程一是容易形成氢空界面，产生反向电流和高电位，造成催化层上催化剂的腐蚀，加速造成燃料电池堆性能的衰减；二是膜电极因两侧压力不同而受到外力作用，长久容易形成机械性损伤。为避免氢空界面和负压对燃料电池堆造成的损伤，提高其使用寿命，最好对燃料电池堆用惰性气体进行保护，通常以氮气作为惰性气体。

现有技术中，一种是无氮气装置的燃料电池系统，如图1所示，关机时直接通入过量的氢气以消耗阴极空气中的氧气，并做好阴极的密封，但这样做的结果是消耗大量氢气，从而浪费氢气，造成续驶里程下降。此外有过多的氢气在回路中，其泄露聚集会对安全问题造成很大的影响。另一种是带有外接氮气吹扫阀的燃料电池系统，如图2所示，增加了用于外接氮气的集氮电磁阀27，该系统设置有快插式单向氮气吹扫阀，使用氮气瓶减压后通过快插式单向氮气吹扫阀吹扫燃料电池堆，但这样就带来了为补充氮气而额外增加氮气加注设备的问题，而且还需要运输氮气，操作上繁琐不方便。此外，中国专利CN 103915642A采用制氮机的方式从空气中提纯氮气N₂，用其保护停机后的电堆，但该制氮机体积庞大，系统复杂，成本高，技术困难，不利于实际利用。

综上所述，现有技术需大量增加额外的附属设备，既增加了燃料电池系统的设计难度和体积，还增加了成本，而且会消耗额外的燃料，降低燃料的经济性和安全性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无需增加额外附属设备且有效保护电堆阴阳极并提高其冷启动能力的带有尾排集氮装置的燃料电池系统及停机吹扫方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带有尾排集氮装置的燃料电池系统，包括燃料电池堆以及分别与燃料电池堆的阴极连接的空气进气组件和与燃料电池堆的阳极连接的氢气进气组件，所述的燃料电池堆的阴极出口和阳极出口之间还设有截止电磁阀，该系统还包括设置于燃料电池堆的阴极和阳极之间的集氮回路，所述的集氮回路包括传感器组件以及依次连接的第一除氧器、除水器、入口单向阀、储氮罐、出口单向阀和氮气进气阀，所述的第一除氧器通过第一三通阀与空气进气组件连接，所述的氮气进气阀通过第二三通阀分别与燃料电池堆的阴极进口和阳极进口连接；