1.本發(fā)明涉及一種燃料電池的吹掃系統(tǒng)、一種燃料電池以及一種用于燃料電池的吹掃系統(tǒng)的操作方法。

背景技術(shù)：

2.目前，面臨全球變暖、大氣污染以及能源枯竭的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，新能源車輛得到了大力推廣。在新能源車輛中，燃料電池、特別是質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)作為一種很有前景的高效環(huán)保電源受到了廣泛關(guān)注。pemfc通常以氫氣為燃料，以氧氣或空氣為氧化劑，通過電化學(xué)方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，排放物是水，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的零排放。

3.在pemfc發(fā)電過程中，將會產(chǎn)生大量的水。因此在關(guān)機(jī)時(shí)需要對陰極流道進(jìn)行吹掃以去除多余的水。特別是，在低于冰點(diǎn)的溫度下，pemfc的電池堆內(nèi)部的液態(tài)水將會發(fā)生凍結(jié)，并對電池堆產(chǎn)生惡劣的影響。

4.在pemfc關(guān)機(jī)時(shí)，例如可利用新鮮空氣、氫氣或儲存的惰性氣體對陰極流道進(jìn)行吹掃。直接利用新鮮空氣進(jìn)行吹掃可能導(dǎo)致關(guān)機(jī)之后留在陰極流道內(nèi)的氧氣含量過高，從而對pemfc的性能和使用壽命產(chǎn)生不利的影響。利用氫氣或儲存的惰性氣體進(jìn)行吹掃則需要額外地消耗氫氣或儲存的惰性氣體，導(dǎo)致成本提高。另外，還需要增加惰性氣體的儲存與供應(yīng)系統(tǒng)。

5.此外，pemfc的操作溫度通常明顯高于環(huán)境溫度。因此，在常規(guī)的吹掃流程之后，電池堆仍然具有較高的溫度。由于溫度較高時(shí)飽和水汽壓也較高，因此，這可能導(dǎo)致吹掃不充分，使得在停止吹掃后，電池堆內(nèi)再此出現(xiàn)液態(tài)或固態(tài)的水。

6.因此，需要對現(xiàn)有的吹掃系統(tǒng)和吹掃方法進(jìn)行改進(jìn)，以克服至少一種上述缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

7.本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的燃料電池的吹掃系統(tǒng)及相應(yīng)的燃料電池和操作方法，以克服至少一種上述缺點(diǎn)。

8.根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種燃料電池的吹掃系統(tǒng)，所述吹掃系統(tǒng)用于吹掃燃料電池的電池堆的陰極流道，其中，吹掃系統(tǒng)包括控制器和陰極循環(huán)回路，所述陰極循環(huán)回路包括流體驅(qū)動裝置和氣液分離器并且構(gòu)造成能夠在開啟狀態(tài)下使從陰極流道的陰極出口流出的流體經(jīng)由流體驅(qū)動裝置和氣液分離器循環(huán)回到陰極流道的陰極入口，其中，所述控制器配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，執(zhí)行下述步驟：第一循環(huán)吹掃步驟，其中，控制器使陰極循環(huán)回路開啟，以利用從陰極流道流出的流體吹掃陰極流道；第一循環(huán)吹掃步驟之后的關(guān)閉步驟，其中，控制器使陰極循環(huán)回路關(guān)閉；以及第二循環(huán)吹掃步驟，其中，在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)電池堆的溫度低于第一溫度時(shí)，控制器使陰極循環(huán)回路開啟，以再次利用從陰極流道流出的流體吹掃陰極流道。

9.根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種燃料電池，其中，所述燃料電池包括根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的吹掃系統(tǒng)。

10.根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的吹掃系統(tǒng)的操作方法，所述操作方法包括響應(yīng)于低溫吹掃指令執(zhí)行的下述步驟：第一循環(huán)吹掃步驟，其中，控制器使陰極循環(huán)回路開啟，以利用從陰極流道流出的流體吹掃陰極流道；第一循環(huán)吹掃步驟之后的關(guān)閉步驟，其中，控制器使陰極循環(huán)回路關(guān)閉；以及第二循環(huán)吹掃步驟，其中，在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)電池堆的溫度低于第一溫度時(shí)，控制器使陰極循環(huán)回路開啟，以再次利用從陰極流道流出的流體吹掃陰極流道。

11.根據(jù)本發(fā)明，在完成第一循環(huán)吹掃步驟以及關(guān)閉步驟之后，當(dāng)燃料電池的電池堆的溫度進(jìn)一步降低至低于第一溫度時(shí)，能夠執(zhí)行第二循環(huán)吹掃步驟再次開啟陰極循環(huán)回路對陰極流道進(jìn)行吹掃，從而降低陰極流道內(nèi)的水含量。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)更充分且準(zhǔn)確的吹掃。

12.在第一循環(huán)吹掃步驟和第二循環(huán)吹掃步驟中，通過使陰極出口流出的流體通過陰極循環(huán)回路回到陰極入口，能夠?qū)﹃帢O流道進(jìn)行循環(huán)吹掃。從而有效地降低陰極流道內(nèi)的水含量，并且能夠使陰極循環(huán)回路與陰極流道內(nèi)的水含量達(dá)到平衡，從而更準(zhǔn)確地控制陰極流道內(nèi)的水含量。

13.附加地，第一循環(huán)吹掃步驟和第二循環(huán)吹掃步驟都利用陰極循環(huán)回路進(jìn)行吹掃，無需持續(xù)供給新鮮流體，因此，陰極循環(huán)回路內(nèi)的流體所含的陰極反應(yīng)物(例如氧氣)由于電池堆內(nèi)的反應(yīng)而至少部分地被消耗，使得陰極反應(yīng)物的含量降低。這有利于避免對燃料電池的性能和使用壽命產(chǎn)生不利的影響。且在第二循環(huán)吹掃步驟之后，無需向電池堆通入額外的陽極反應(yīng)物來消耗陰極流道內(nèi)的陰極反應(yīng)物，從而能夠節(jié)約陽極反應(yīng)物。

附圖說明

14.下面，通過參看附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，可以更好地理解本發(fā)明的原理、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。附圖包括：

15.圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的吹掃系統(tǒng)的示意圖；

16.圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的燃料電池的示意圖；以及

17.圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的用于燃料電池的吹掃系統(tǒng)的操作方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

18.為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案以及有益的技術(shù)效果更加清楚明白，以下將結(jié)合附圖以及多個(gè)示例性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，而不是用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

19.應(yīng)理解，在本文中，表述“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不應(yīng)理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本文中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)、三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

20.下面將以pemfc為例詳細(xì)描述本發(fā)明的原理。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，本技術(shù)不僅僅適用于pemfc，而是也適用于其它具有在較低的環(huán)境溫度下呈液態(tài)或甚至固態(tài)的陰極產(chǎn)物的燃料電池，尤其適用于為車輛提供動力的燃料電池。

21.圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的用于吹掃pemfc的電池堆1的陰極流道11的吹掃系統(tǒng)。

22.pemfc具有通常包括彼此堆疊的多個(gè)電池單元的電池堆1。例如，用于車輛的pemfc的電池堆1可具有數(shù)百個(gè)或甚至更多個(gè)彼此堆疊的電池單元。電池單元通常包括相繼堆疊的雙極板、陽極擴(kuò)散層、膜電極組件(mea)和陰極擴(kuò)散層。膜電極組件包括陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層。在雙極板處，陽極流體和陰極流體被引入相應(yīng)的陽極流道和陰極流道11，并且電池產(chǎn)生的電流被收集。圖1中僅示意性的示出了電池堆1。

23.通常，陽極流體為燃料氣體(在本實(shí)施例中是氫氣)，陰極流體為氧化劑氣體(在本實(shí)施例中是含氧氣的空氣)。當(dāng)然，也可采用其它適用的陽極流體和陰極流體。引入的陽極流體和陰極流體分別在陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層處擴(kuò)散并分別傳輸給陽極催化劑層和陰極催化劑層。進(jìn)而，燃料氣體在陽極催化劑層處進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，在本實(shí)施例中該電化學(xué)反應(yīng)可以由以下化學(xué)反應(yīng)方程式表示：

[0024][0025]

所產(chǎn)生的質(zhì)子經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極催化劑層，并在陰極催化劑層處與氧化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，在本實(shí)施例中該電化學(xué)反應(yīng)可以由以下化學(xué)反應(yīng)方程式表示：

[0026][0027]

由此，反應(yīng)氣體的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為電能。

[0028]

如上面的化學(xué)化學(xué)反應(yīng)方程式所示，在pemfc運(yùn)行期間，將在陰極產(chǎn)生大量的水。在pemfc停止運(yùn)行后，過多的水將對電池堆1產(chǎn)生不利的影響。特別是，在低溫環(huán)境下，例如當(dāng)環(huán)境溫度低于零度時(shí)，殘留在電池堆1內(nèi)的水將發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生體積膨脹，并且影響燃料電池的啟動。因此，在pemfc關(guān)機(jī)時(shí)，需要對陰極流道11進(jìn)行吹掃。

[0029]

如圖1所示的吹掃系統(tǒng)包括控制器21和陰極循環(huán)回路22，所述陰極循環(huán)回路22包括流體驅(qū)動裝置221和氣液分離器222并且構(gòu)造成能夠在開啟狀態(tài)下使從陰極流道11的陰極出口111流出的流體經(jīng)由流體驅(qū)動裝置221和氣液分離器222循環(huán)回到陰極流道11的陰極入口112。所述控制器21配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，執(zhí)行下述步驟：第一循環(huán)吹掃步驟，其中，控制器21使陰極循環(huán)回路22開啟，以利用從陰極流道11流出的流體吹掃陰極流道11；關(guān)閉步驟，其中，控制器21使陰極循環(huán)回路22關(guān)閉；以及第二循環(huán)吹掃步驟，其中，在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)燃料電池的電池堆1的溫度低于第一溫度時(shí)，控制器21使陰極循環(huán)回路22開啟，以再次利用從陰極流道11流出的流體吹掃陰極流道11。

[0030]

通過使陰極出口111流出的流體經(jīng)由陰極循環(huán)回路22回到陰極入口112，能夠?qū)﹃帢O流道11進(jìn)行循環(huán)吹掃。流體在流過陰極流道11時(shí)帶走陰極流道11內(nèi)的水，然后流過氣液分離器222。液態(tài)的水在氣液分離器222中從流體分離，使得流體在流過氣液分離器222時(shí)，含水量下降。流出氣液分離器222的較干燥的流體借助于流體驅(qū)動裝置221提供的驅(qū)動力再次經(jīng)由陰極入口112回到陰極流道11。在第一循環(huán)吹掃步驟和第二循環(huán)吹掃步驟中，通過陰極循環(huán)回路22，能夠有效地降低陰極流道11內(nèi)的水含量，并且能夠使陰極循環(huán)回路22與陰極流道11內(nèi)的水含量基本上達(dá)到平衡，從而更準(zhǔn)確地控制陰極流道11內(nèi)的水含量。應(yīng)理解，氣液分離器222可包括離心式水分離室、帶有篩網(wǎng)的水分離室等，本發(fā)明并不限制氣液分離器222的類型。

[0031]

通常，pemfc的操作溫度明顯高于環(huán)境溫度。例如，pemfc的操作溫度高于80℃、甚至高于100℃。在常規(guī)的吹掃流程之后，電池堆1的溫度可能有所下降但仍然偏高，例如高于環(huán)境溫度。因此，在常規(guī)的吹掃流程完成之后，電池堆1的溫度將進(jìn)一步下降，陰極流道11內(nèi)相應(yīng)地凝結(jié)出更多的液態(tài)水。通過第二循環(huán)吹掃步驟，能夠在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)燃料電池的電池堆1的溫度進(jìn)一步降低至低于第一溫度時(shí)，再次開啟陰極循環(huán)回路22對陰極流道11進(jìn)行吹掃，從而降低陰極流道11內(nèi)的水含量。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的吹掃效果。第一溫度例如設(shè)定為0℃。

[0032]

另外，第一循環(huán)吹掃步驟和第二循環(huán)吹掃步驟都利用陰極循環(huán)回路22進(jìn)行吹掃，由此，陰極循環(huán)回路22內(nèi)的流體所含的陰極反應(yīng)物(在本實(shí)施例中為氧氣)由于電池堆1內(nèi)的反應(yīng)而至少部分地被消耗，使得陰極反應(yīng)物的含量降低。這有利于避免pemfc的腐蝕。在第二循環(huán)吹掃步驟之后，無需向電池堆1通入額外的陽極反應(yīng)物(氫氣)來消耗陰極流道11內(nèi)的陰極反應(yīng)物，從而能夠節(jié)約陽極反應(yīng)物。

[0033]

可選地，在關(guān)閉步驟中，吹掃系統(tǒng)、特別是控制器21可處于休眠狀態(tài)，吹掃系統(tǒng)的僅部分傳感器仍在工作。即，在關(guān)閉步驟期間，吹掃系統(tǒng)不進(jìn)行任何吹掃操作。甚至整個(gè)燃料電池都不進(jìn)行任何流體輸送或循環(huán)操作。直到電池堆1的溫度降低至低于第一溫度，吹掃系統(tǒng)才被喚醒以進(jìn)行第二循環(huán)吹掃步驟。

[0034]

吹掃系統(tǒng)例如可包括第一截止閥23和/或第二截止閥24。第一截止閥23和/或第二截止閥24設(shè)置成能夠在關(guān)閉狀態(tài)下防止流體流出和流出陰極流道11。如圖1所示，第一截止閥23和第二截止閥24分別在陰極循環(huán)回路22中布置成鄰近陰極入口112和陰極出口111。因此，為了開啟陰極循環(huán)回路22，控制器21可打開第一截止閥23和第二截止閥24。在關(guān)閉步驟中，控制器21可關(guān)閉第一截止閥23和第二截止閥24。特別是，在第二循環(huán)吹掃步驟結(jié)束時(shí)，控制器21可關(guān)閉第一截止閥23和第二截止閥24，使得能夠長時(shí)間維持陰極流道11內(nèi)的期望的水含量和/陰極反應(yīng)物含量。

[0035]

為了清楚起見，圖1中僅示意性的示出了控制器21與一部分部件之間的連接。但應(yīng)理解，控制器21可連接至其它相應(yīng)的部件以實(shí)現(xiàn)控制。

[0036]

吹掃系統(tǒng)例如可包括用于檢測電池堆1的溫度的溫度傳感器。替代地或附加地，吹掃系統(tǒng)可包括用于檢測環(huán)境溫度的溫度傳感器，其中，控制器21配置成能夠響應(yīng)于關(guān)機(jī)指令，根據(jù)環(huán)境溫度，生成低溫吹掃指令。例如，如果在燃料電池接收到關(guān)機(jī)指令時(shí)，檢測到的環(huán)境溫度低于第二溫度，則生成低溫吹掃指令。

[0037]

吹掃系統(tǒng)例如包括用于檢測陰極出口111處的相對濕度的濕度傳感器和/或用于檢測電池堆1的膜組件的阻抗值的阻抗檢測裝置，控制器21相應(yīng)地根據(jù)濕度傳感器和/或阻抗檢測裝置的檢測結(jié)果判斷陰極流道11內(nèi)的濕度水平。

[0038]

例如，控制器21可配置成能夠執(zhí)行第一循環(huán)吹掃步驟直到陰極流道11內(nèi)達(dá)到預(yù)定的濕度水平，或者直到達(dá)到預(yù)定的第一時(shí)長?？刂破?1例如可配置成能夠執(zhí)行第二循環(huán)吹掃步驟直到達(dá)到預(yù)定的第二時(shí)長。

[0039]

可選地，控制器21配置成能夠在第一循環(huán)吹掃步驟和/或第二循環(huán)吹掃步驟中，控制氣液分離器222，使得陰極流道11內(nèi)達(dá)到預(yù)定的濕度水平。在利用陰極循環(huán)回路22對陰極流道11進(jìn)行循環(huán)吹掃的基礎(chǔ)上，通過控制控制氣液分離器222，能夠更準(zhǔn)確地控制陰極流道11內(nèi)的濕度水平。

[0040]

在圖1所示的實(shí)施例中，吹掃系統(tǒng)還可包括用于將陽極反應(yīng)物供給至電池堆1的陽極供給流路25，所述控制器21配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，在關(guān)閉步驟之前執(zhí)行消耗步驟，在所述消耗步驟中，控制器21使陰極循環(huán)回路22和陽極供給流路25開啟，使得陰極循環(huán)回路22中的陰極反應(yīng)物在電池堆1中被消耗。由此，有利于確保陰極循環(huán)回路22中的陰極反應(yīng)物的低含量。同時(shí)，由于在所述消耗步驟中，陰極循環(huán)回路22和陽極供給流路25都處于開啟狀態(tài)，因此，由于電池堆1內(nèi)的反應(yīng)而生成的水能夠至少部分地通過陰極循環(huán)回路22被帶走。

[0041]

消耗步驟例如可在第一循環(huán)吹掃步驟之后進(jìn)行。替代地，消耗步驟可在第一循環(huán)吹掃步驟之前進(jìn)行。由此，由于消耗步驟中的反應(yīng)而在陰極生成的水能夠進(jìn)一步在第一循環(huán)吹掃步驟中被去除。

[0042]

在消耗步驟結(jié)束時(shí)，至少陽極供給流路25被關(guān)閉，陰極循環(huán)回路22可選地也被關(guān)閉。

[0043]

應(yīng)理解，在第一循環(huán)吹掃步驟中，陽極供給流路25處于關(guān)閉狀態(tài)。陽極供給流路25還可用于在pemfc啟動和發(fā)電期間向電池堆1供給陽極反應(yīng)物。

[0044]

陽極供給流路25例如包括氫氣儲罐251、將氫氣儲罐251連通至電池堆1的陽極入口的管道和布置在管道中的控制閥?？刂破?1例如通過控制相應(yīng)的控制閥來控制陽極供給流路25的開啟和關(guān)閉。

[0045]

可選地，吹掃系統(tǒng)包括用于將新鮮空氣經(jīng)由空氣壓縮機(jī)261供給至陰極入口112的陰極供給流路26，控制器21配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，在執(zhí)行第一循環(huán)吹掃步驟和消耗步驟之前執(zhí)行空氣吹掃步驟，在所述空氣吹掃步驟中，陰極循環(huán)回路22和陽極供給流路25被關(guān)閉，陰極供給流路26被開啟，從而利用新鮮空氣對陰極流道11進(jìn)行吹掃。在空氣吹掃步驟結(jié)束時(shí)，控制器21可關(guān)閉空氣壓縮機(jī)261。

[0046]

由此，能夠利用新鮮空氣高效地去除陰極流道11內(nèi)的水。特別是，在該實(shí)施例中，將空氣吹掃步驟與之后的第一循環(huán)吹掃步驟和第二循環(huán)吹掃步驟相結(jié)合，既能夠高效地去除陰極流道11內(nèi)的水，又能夠準(zhǔn)確地控制陰極流道11在pemfc的關(guān)機(jī)狀態(tài)下的水含量。

[0047]

特別是，在一個(gè)實(shí)施例中，將空氣吹掃步驟與上文所述的消耗步驟相結(jié)合，使得既能夠高效地去除陰極流道11內(nèi)的水，又能夠避免陰極流道11內(nèi)陰極反應(yīng)物含量過高所引起的腐蝕等問題。

[0048]

應(yīng)理解，陰極供給流路26還可用于在pemfc啟動和發(fā)電期間向電池堆1供給陰極反應(yīng)物。

[0049]

如圖1所示，吹掃系統(tǒng)還可包括用于排出陰極出口111流出的流體的陰極排出流路27。陰極排出流路27例如還可用于在pemfc啟動和發(fā)電期間排出陰極出口111流出的流體。陰極排出流路27與陰極循環(huán)回路22至少部分地重疊。在陰極排出流路27與陰極循環(huán)回路22分岔處，設(shè)有第一三通閥271，所述第一三通閥271可設(shè)置成能夠控制經(jīng)由陰極排出流路27排出的流體的流量和流過陰極循環(huán)回路22的流體的流量。

[0050]

可選地，陰極供給流路26包括在空氣壓縮機(jī)261下游分岔的第一支路和第二支路，其中，第一支路包括冷卻器262，第二支路包括冷卻器旁通通路263。空氣吹掃步驟包括第一階段和在第一階段之后的第二階段，其中，在第一階段中，第一支路被斷開并且第二支路被連通；在第二階段中，第一支路被連通并且第二支路被斷開。

[0051]

在第一階段，通過空氣壓縮機(jī)261供給的大流量高溫空氣經(jīng)由第二支路、即經(jīng)由冷卻器旁通通路263流入陰極流道11。大流量高溫空氣能夠高效地帶走陰極流道11內(nèi)的水，同時(shí)能夠促進(jìn)陰極擴(kuò)散層和膜組件內(nèi)的液態(tài)水氣化。通過第一階段，能夠去除陰極擴(kuò)散層中大部分的水?？刂破?1例如配置成能夠執(zhí)行空氣吹掃步驟的第一階段直到陰極流道11內(nèi)達(dá)到期望的溫度和濕度，例如直到陰極出口111處的流體達(dá)到100℃的溫度和rh≤25％的相對濕度。替代地，控制器21例如配置成能夠執(zhí)行空氣吹掃步驟的第一階段直到達(dá)到預(yù)定的第三時(shí)長。

[0052]

在第二階段，通過空氣壓縮機(jī)261供給的高溫空氣經(jīng)由第二支路流入陰極流道11。在第二支路中，空氣被冷卻器262冷卻。冷卻的空氣流入陰極流道11，使得陰極流道11與陰極擴(kuò)散層和膜組件、特別是陰極催化劑層之間形成明顯的溫度差。由此，利用熱管效應(yīng)，使得陰極擴(kuò)散層和膜組件內(nèi)的水能夠快速地進(jìn)入陰極流道11并被去除，并且能夠降低電池堆1的溫度。通過第一階段，能夠去除陰極催化劑層中大部分的水?？刂破?1例如配置成能夠執(zhí)行空氣吹掃步驟的第二階段直到陰極流道11內(nèi)達(dá)到期望的溫度和濕度，例如直到陰極出口111處的流體達(dá)到25℃的溫度和rh≤20％的相對濕度。替代地，控制器21例如配置成能夠執(zhí)行空氣吹掃步驟的第二階段直到達(dá)到預(yù)定的第四時(shí)長。

[0053]

第二支路中例如設(shè)有旁通閥?？刂破?1可配置成能夠通過控制旁通閥來控制第二支路以及可選的第一支路的連通狀態(tài)。當(dāng)旁通閥關(guān)閉時(shí)，第二支路斷開，通過空氣壓縮機(jī)261供給的空氣能夠通過第一支路流向陰極入口112。此時(shí)，第一支路為連通狀態(tài)。當(dāng)旁通閥打開時(shí)，第二支路連通，通過空氣壓縮機(jī)261供給的空氣將通過流阻較小的第二支路流向陰極入口112。此時(shí)，第一支路實(shí)質(zhì)上為斷開狀態(tài)。在第二階段結(jié)束時(shí)，控制器21可關(guān)閉旁通閥。

[0054]

第一支路中也可設(shè)有與控制器21相連接的控制閥，以單獨(dú)地控制第一支路的連通狀態(tài)。

[0055]

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的燃料電池。所述燃料電池包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的吹掃系統(tǒng)。圖2中示出的吹掃系統(tǒng)與圖1中示出的吹掃系統(tǒng)大體上相同，但吹掃系統(tǒng)中的閥的布置有所不同。例如，在圖2所示的實(shí)施例中，第一截止閥23布置在陰極供給流路26，而不布置在陰極循環(huán)回路22中。

[0056]

在圖2所示的實(shí)施例中，燃料電池還包括與陰極循環(huán)回路22部分地重疊的另外的陰極循環(huán)回路22。例如，所述另外的陰極循環(huán)回路22在流體驅(qū)動裝置221下游與陰極循環(huán)回路22分開，并在冷卻器262上游并入陰極供給流路26。所述另外的陰極循環(huán)回路22設(shè)置成能夠在pemfc啟動和/或發(fā)電期間開啟，使得從陰極出口111流出的流體能夠經(jīng)由所述另外的陰極循環(huán)回路22回到陰極入口112。特別是在pemfc發(fā)電期間，通過從陰極出口111流出的水含量較高的流體經(jīng)由所述另外的陰極循環(huán)回路22回到陰極入口112，可有利于維持膜組件的濕度。在設(shè)有所述另外的陰極循環(huán)回路22的燃料電池中，甚至無需在陰極供給流路26中額外設(shè)置加濕器。

[0057]

在圖2所示的實(shí)施例中，燃料電池還包括從陽極出口通向陰極排出流路27的排氫流路3。在陽極流道中未完全消耗的氫氣可經(jīng)由排氫流路3流到陰極排出流路27，從而與陰極排出流路27內(nèi)的流體(大部分為不參與反應(yīng)的氮?dú)?混合。由此，氫氣的濃度被稀釋，然后才被排放至外界環(huán)境中。這有利于提高安全性?？蛇x地，在排氫流路3并入陰極排出流路27

的位置下游處，設(shè)有用于檢測氫氣含量的氫氣傳感器4。例如，控制器21可根據(jù)氫氣傳感器4的檢測結(jié)果控制第一三通閥271，以調(diào)節(jié)經(jīng)由陰極排出流路27向外界環(huán)境排出的流體的流量。換句話說，控制器21設(shè)置成能夠通過控制經(jīng)由陰極循環(huán)回路22回到陰極入口112的流體的流量相對于經(jīng)由陰極排出流路27排出的流體的流量之比來調(diào)節(jié)所述氫氣含量。

[0058]

可選地，燃料電池還包括空氣流路5，所述空氣流路5從空氣壓縮機(jī)261下游通向陰極排出流路27并在氫氣傳感器4上游處并入陰極排出流路27?？刂破?1可設(shè)置成能夠通過控制經(jīng)由空氣流路5流入陰極排出流路27的流體的流量來調(diào)節(jié)所述氫氣含量。在陰極供給流路26與空氣流路5分岔處，可設(shè)有第二三通閥51，所述第二三通閥51可設(shè)置成能夠控制流過空氣流路5的流體的流量與流過陰極供給流路26的流體的流量之比。控制器21可通過控制空氣壓縮機(jī)261或控制第二三通閥51來控制經(jīng)由空氣流路5流入陰極排出流路27的流體的流量。換句話說，控制器21可根據(jù)氫氣傳感器4的檢測結(jié)果控制空氣壓縮機(jī)261或控制第二三通閥51。

[0059]

圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的用于燃料電池的吹掃系統(tǒng)的操作方法。在該實(shí)施例中，控制器21配置成能夠響應(yīng)于關(guān)機(jī)指令，判斷環(huán)境溫度是否滿足條件。例如，在燃料電池接收到關(guān)機(jī)指令時(shí)，如果環(huán)境溫度低于第二溫度則生成低溫吹掃指令，吹掃系統(tǒng)將響應(yīng)于低溫吹掃指令執(zhí)行低溫吹掃。

[0060]

所述操作方法包括響應(yīng)于低溫吹掃指令，執(zhí)行下述步驟：

[0061]

s1：可選的在第一循環(huán)吹掃步驟和消耗步驟之前的空氣吹掃步驟，其中，陰極循環(huán)回路22和陽極供給流路25被關(guān)閉，陰極供給流路26被開啟，從而利用新鮮空氣對陰極流道11進(jìn)行吹掃；

[0062]

s2：可選的在第一循環(huán)吹掃步驟之前或之后的消耗步驟，在所述消耗步驟中，控制器21使陰極循環(huán)回路22和陽極供給流路25開啟，陰極供給流路26相應(yīng)地被關(guān)閉，使得陰極循環(huán)回路22中的陰極反應(yīng)物在電池堆1中被消耗；

[0063]

s3：第一循環(huán)吹掃步驟，其中，控制器21使陰極循環(huán)回路22開啟，陽極供給流路25和陰極供給流路26相應(yīng)地被關(guān)閉，以利用從陰極流道11流出的流體吹掃陰極流道11；

[0064]

s4：第一循環(huán)吹掃步驟之后的關(guān)閉步驟，其中，控制器21使陰極循環(huán)回路22關(guān)閉；以及

[0065]

s5：第二循環(huán)吹掃步驟，其中，在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)燃料電池的電池堆1的溫度低于第一溫度時(shí)，控制器21使陰極循環(huán)回路22開啟，以再次利用從陰極流道11流出的流體吹掃陰極流道11。

[0066]

特別是，包括上述步驟s1-s5的操作方法尤其有利于以節(jié)約成本且節(jié)能的方式實(shí)現(xiàn)高效且充分的吹掃。

[0067]

例如，在燃料電池接收到關(guān)機(jī)指令時(shí)，如果環(huán)境溫度不低于第二溫度，則吹掃系統(tǒng)可執(zhí)行常規(guī)吹掃步驟s0。在常規(guī)吹掃步驟s0中，吹掃系統(tǒng)可僅利用由陰極供給流路26的第二支路供給的新鮮空氣對陰極流道11進(jìn)行吹掃。

[0068]

本文中針對吹掃系統(tǒng)所描述的特征和優(yōu)勢同樣適用于其操作方法。

[0069]

盡管這里詳細(xì)描述了本發(fā)明的特定實(shí)施方式，但它們僅僅是為了解釋的目的而給出的，而不應(yīng)認(rèn)為它們對本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，各種替換、變更和改造可被構(gòu)想出來。此外，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的各個(gè)特征可以相

互組合。

[0070]

附圖標(biāo)記列表

[0071]1????

電池堆

[0072]

11

???

陰極流道

[0073]

111

??

陰極出口

[0074]

112

??

陰極入口

[0075]

21

???

控制器

[0076]

22

???

陰極循環(huán)回路

[0077]

221

??

流體驅(qū)動裝置

[0078]

222

??

氣液分離器

[0079]

23

???

第一截止閥

[0080]

24

???

第二截止閥

[0081]

25

???

陽極供給流路

[0082]

251

??

氫氣儲罐

[0083]

26

???

陰極供給流路

[0084]

261

??

空氣壓縮機(jī)

[0085]

262

??

冷卻器

[0086]

263

??

冷卻器旁通通路

[0087]

27

???

陰極排出流路

[0088]

271

??

第一三通閥

[0089]3????

排氫流路

[0090]4????

氫氣傳感器

[0091]5????

空氣流路

[0092]

51

???

第二三通閥技術(shù)特征：

1.一種燃料電池的吹掃系統(tǒng)，所述吹掃系統(tǒng)用于吹掃燃料電池的電池堆(1)的陰極流道(11)，其中，吹掃系統(tǒng)包括控制器(21)和陰極循環(huán)回路(22)，所述陰極循環(huán)回路(22)包括流體驅(qū)動裝置(221)和氣液分離器(222)并且構(gòu)造成能夠在開啟狀態(tài)下使從陰極流道(11)的陰極出口(111)流出的流體經(jīng)由流體驅(qū)動裝置(221)和氣液分離器(222)循環(huán)回到陰極流道(11)的陰極入口(112)，其中，所述控制器(21)配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，執(zhí)行下述步驟：第一循環(huán)吹掃步驟，其中，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)開啟，以利用從陰極流道(11)流出的流體吹掃陰極流道(11)；第一循環(huán)吹掃步驟之后的關(guān)閉步驟，其中，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)關(guān)閉；以及第二循環(huán)吹掃步驟，其中，在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)電池堆(1)的溫度低于第一溫度時(shí)，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)開啟，以再次利用從陰極流道(11)流出的流體吹掃陰極流道(11)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的吹掃系統(tǒng)，其中，吹掃系統(tǒng)包括用于將陽極反應(yīng)物供給至電池堆(1)的陽極供給流路(25)，所述控制器(21)配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，執(zhí)行消耗步驟，在所述消耗步驟中，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)和陽極供給流路(25)開啟，使得陰極循環(huán)回路(22)中的陰極反應(yīng)物在電池堆(1)中被消耗。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池的吹掃系統(tǒng)，其中，吹掃系統(tǒng)包括用于將新鮮空氣經(jīng)由空氣壓縮機(jī)(261)供給至陰極入口(112)的陰極供給流路(26)，控制器(21)配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，在執(zhí)行第一循環(huán)吹掃步驟和消耗步驟之前執(zhí)行空氣吹掃步驟，在所述空氣吹掃步驟中，陰極循環(huán)回路(22)和陽極供給流路(25)被關(guān)閉，陰極供給流路(26)被開啟，從而利用新鮮空氣對陰極流道(11)進(jìn)行吹掃。4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池的吹掃系統(tǒng)，其中，陰極供給流路(26)包括在空氣壓縮機(jī)(261)下游分岔的第一支路和第二支路，第一支路包括冷卻器(262)，第二支路包括冷卻器旁通通路(263)，空氣吹掃步驟包括第一階段和在第一階段之后的第二階段，其中，在第一階段中，斷開第一支路并且連通第二支路；在第二階段中，連通第一支路并且斷開第二支路。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的燃料電池的吹掃系統(tǒng)，其中，控制器(21)配置成能夠在第一循環(huán)吹掃步驟和/或第二循環(huán)吹掃步驟中，控制氣液分離器(222)，使得陰極流道(11)內(nèi)達(dá)到預(yù)定的濕度水平。6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的燃料電池的吹掃系統(tǒng)，其中，吹掃系統(tǒng)包括用于檢測環(huán)境溫度的溫度傳感器，其中，控制器(21)配置成能夠根據(jù)檢測到的環(huán)境溫度，生成低溫吹掃指令。7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的燃料電池的吹掃系統(tǒng)，其中，吹掃系統(tǒng)包括用于檢測陰極出口(111)處的相對濕度的濕度傳感器和/或用于檢測電池堆(1)的膜組件的阻抗值的阻抗檢測裝置，控制器(21)相應(yīng)地根據(jù)濕度傳感器和/或阻抗檢測裝置的檢測結(jié)果判斷陰極流道(11)內(nèi)的濕度水平。8.一種燃料電池，其中，所述燃料電池包括根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的燃料電池

的吹掃系統(tǒng)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中，燃料電池不包括用于為供給至陰極流道的流體進(jìn)行加濕的加濕器，流體驅(qū)動裝置(221)構(gòu)造成能夠在燃料電池發(fā)電期間，使通過從陰極出口(111)流出的流體循環(huán)回到陰極入口(112)，以控制電池堆(1)內(nèi)的濕度。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中，燃料電池還包括用于排出陰極出口(111)流出的流體的陰極排出流路(27)以及從陽極出口通向陰極排出流路(27)的排氫流路(3)，其中，在排氫流路(3)并入陰極排出流路(27)的位置的下游處，設(shè)有用于檢測氫氣含量的氫氣傳感器(4)。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中，控制器(21)設(shè)置成能夠根據(jù)檢測到的氫氣含量調(diào)整經(jīng)由陰極循環(huán)回路(22)回到陰極入口(112)的流體的流量和經(jīng)由陰極排出流路(27)排出的流體的流量，和/或燃料電池還包括空氣流路(5)，所述空氣流路(5)從用于將新鮮空氣供給至陰極入口(112)的空氣壓縮機(jī)(261)下游通向陰極排出流路(27)并在氫氣傳感器(4)上游處并入陰極排出流路(27)，其中，控制器(21)設(shè)置成能夠根據(jù)檢測到的氫氣含量調(diào)整經(jīng)由空氣流路(5)流入陰極排出流路(27)的流體的流量。12.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的燃料電池的吹掃系統(tǒng)的操作方法，所述操作方法包括響應(yīng)于低溫吹掃指令執(zhí)行的下述步驟：第一循環(huán)吹掃步驟，其中，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)開啟，以利用從陰極流道(11)流出的流體吹掃陰極流道(11)；第一循環(huán)吹掃步驟之后的關(guān)閉步驟，其中，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)關(guān)閉；以及第二循環(huán)吹掃步驟，其中，在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)電池堆(1)的溫度低于第一溫度時(shí)，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)開啟，以再次利用從陰極流道(11)流出的流體吹掃陰極流道(11)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的操作方法，所述操作方法包括響應(yīng)于低溫吹掃指令執(zhí)行的下述步驟：在第一循環(huán)吹掃步驟之前或之后的消耗步驟，在所述消耗步驟中，控制器(21)使陰極循環(huán)回路(22)和陽極供給流路(25)開啟，使得陰極循環(huán)回路(22)中的陰極反應(yīng)物在電池堆(1)中被消耗；和/或在第一循環(huán)吹掃步驟之前的空氣吹掃步驟，其中，陰極循環(huán)回路(22)和陽極供給流路(25)被關(guān)閉，陰極供給流路(26)被開啟，從而利用新鮮空氣對陰極流道(11)進(jìn)行吹掃，其中，在操作方法包括消耗步驟的情況下，空氣吹掃步驟在消耗步驟之前執(zhí)行。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提出一種燃料電池的吹掃系統(tǒng)，其包括控制器和陰極循環(huán)回路，陰極循環(huán)回路在開啟狀態(tài)下使從陰極流道的陰極出口流出的流體經(jīng)由流體驅(qū)動裝置和氣液分離器循環(huán)回到陰極流道的陰極入口，控制器配置成能夠響應(yīng)于低溫吹掃指令，執(zhí)行：第一循環(huán)吹掃步驟，其中，控制器使陰極循環(huán)回路開啟，以利用從陰極流道流出的流體吹掃陰極流道；之后的關(guān)閉步驟，其中，控制器使陰極循環(huán)回路關(guān)閉；第二循環(huán)吹掃步驟，其中，在關(guān)閉步驟之后，當(dāng)電池堆的溫度低于第一溫度時(shí)，控制器使陰極循環(huán)回路開啟，以再次利用從陰極流道流出的流體吹掃陰極流道。還提出一種燃料電池以及一種用于燃料電池的吹掃系統(tǒng)的操作方法。借助于本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)更充分的吹掃。的吹掃。的吹掃。

技術(shù)研發(fā)人員：王凱 常亞飛 傅立運(yùn) 陳澤

受保護(hù)的技術(shù)使用者：羅伯特

技術(shù)研發(fā)日：2021.04.29

技術(shù)公布日：2022/11/1