燃料电池的吹扫系统及其操作方法及燃料电池与流程

1.本发明涉及一种燃料电池的吹扫系统、一种燃料电池以及一种用于燃料电池的吹扫系统的操作方法。

背景技术：

2.目前，面临全球变暖、大气污染以及能源枯竭的严峻挑战，新能源车辆得到了大力推广。在新能源车辆中，燃料电池、特别是质子交换膜燃料电池(pemfc)作为一种很有前景的高效环保电源受到了广泛关注。pemfc通常以氢气为燃料，以氧气或空气为氧化剂，通过电化学方式将化学能转化为电能，排放物是水，实现了真正意义上的零排放。

3.在pemfc发电过程中，将会产生大量的水。因此在关机时需要对阴极流道进行吹扫以去除多余的水。特别是，在低于冰点的温度下，pemfc的电池堆内部的液态水将会发生冻结，并对电池堆产生恶劣的影响。

4.在pemfc关机时，例如可利用新鲜空气、氢气或储存的惰性气体对阴极流道进行吹扫。直接利用新鲜空气进行吹扫可能导致关机之后留在阴极流道内的氧气含量过高，从而对pemfc的性能和使用寿命产生不利的影响。利用氢气或储存的惰性气体进行吹扫则需要额外地消耗氢气或储存的惰性气体，导致成本提高。另外，还需要增加惰性气体的储存与供应系统。

5.此外，pemfc的操作温度通常明显高于环境温度。因此，在常规的吹扫流程之后，电池堆仍然具有较高的温度。由于温度较高时饱和水汽压也较高，因此，这可能导致吹扫不充分，使得在停止吹扫后，电池堆内再此出现液态或固态的水。

6.因此，需要对现有的吹扫系统和吹扫方法进行改进，以克服至少一种上述缺点。

技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种改进的燃料电池的吹扫系统及相应的燃料电池和操作方法，以克服至少一种上述缺点。

8.根据本发明的第一方面，提供了一种燃料电池的吹扫系统，所述吹扫系统用于吹扫燃料电池的电池堆的阴极流道，其中，吹扫系统包括控制器和阴极循环回路，所述阴极循环回路包括流体驱动装置和气液分离器并且构造成能够在开启状态下使从阴极流道的阴极出口流出的流体经由流体驱动装置和气液分离器循环回到阴极流道的阴极入口，其中，所述控制器配置成能够响应于低温吹扫指令，执行下述步骤：第一循环吹扫步骤，其中，控制器使阴极循环回路开启，以利用从阴极流道流出的流体吹扫阴极流道；第一循环吹扫步骤之后的关闭步骤，其中，控制器使阴极循环回路关闭；以及第二循环吹扫步骤，其中，在关闭步骤之后，当电池堆的温度低于第一温度时，控制器使阴极循环回路开启，以再次利用从阴极流道流出的流体吹扫阴极流道。

9.根据本发明的第二方面，提供了一种燃料电池，其中，所述燃料电池包括根据本发明的燃料电池的吹扫系统。

10.根据本发明的第三方面，提供了一种用于根据本发明的燃料电池的吹扫系统的操作方法，所述操作方法包括响应于低温吹扫指令执行的下述步骤：第一循环吹扫步骤，其中，控制器使阴极循环回路开启，以利用从阴极流道流出的流体吹扫阴极流道；第一循环吹扫步骤之后的关闭步骤，其中，控制器使阴极循环回路关闭；以及第二循环吹扫步骤，其中，在关闭步骤之后，当电池堆的温度低于第一温度时，控制器使阴极循环回路开启，以再次利用从阴极流道流出的流体吹扫阴极流道。

11.根据本发明，在完成第一循环吹扫步骤以及关闭步骤之后，当燃料电池的电池堆的温度进一步降低至低于第一温度时，能够执行第二循环吹扫步骤再次开启阴极循环回路对阴极流道进行吹扫，从而降低阴极流道内的水含量。由此，能够实现更充分且准确的吹扫。

12.在第一循环吹扫步骤和第二循环吹扫步骤中，通过使阴极出口流出的流体通过阴极循环回路回到阴极入口，能够对阴极流道进行循环吹扫。从而有效地降低阴极流道内的水含量，并且能够使阴极循环回路与阴极流道内的水含量达到平衡，从而更准确地控制阴极流道内的水含量。

13.附加地，第一循环吹扫步骤和第二循环吹扫步骤都利用阴极循环回路进行吹扫，无需持续供给新鲜流体，因此，阴极循环回路内的流体所含的阴极反应物(例如氧气)由于电池堆内的反应而至少部分地被消耗，使得阴极反应物的含量降低。这有利于避免对燃料电池的性能和使用寿命产生不利的影响。且在第二循环吹扫步骤之后，无需向电池堆通入额外的阳极反应物来消耗阴极流道内的阴极反应物，从而能够节约阳极反应物。

附图说明

14.下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

15.图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的吹扫系统的示意图；

16.图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的燃料电池的示意图；以及

17.图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于燃料电池的吹扫系统的操作方法的示意图。

具体实施方式

18.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

19.应理解，在本文中，表述“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不应理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本文中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

20.下面将以pemfc为例详细描述本发明的原理。但是，本领域的技术人员应理解，本技术不仅仅适用于pemfc，而是也适用于其它具有在较低的环境温度下呈液态或甚至固态的阴极产物的燃料电池，尤其适用于为车辆提供动力的燃料电池。

21.图1示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于吹扫pemfc的电池堆1的阴极流道11的吹扫系统。

22.pemfc具有通常包括彼此堆叠的多个电池单元的电池堆1。例如，用于车辆的pemfc的电池堆1可具有数百个或甚至更多个彼此堆叠的电池单元。电池单元通常包括相继堆叠的双极板、阳极扩散层、膜电极组件(mea)和阴极扩散层。膜电极组件包括阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层。在双极板处，阳极流体和阴极流体被引入相应的阳极流道和阴极流道11，并且电池产生的电流被收集。图1中仅示意性的示出了电池堆1。

23.通常，阳极流体为燃料气体(在本实施例中是氢气)，阴极流体为氧化剂气体(在本实施例中是含氧气的空气)。当然，也可采用其它适用的阳极流体和阴极流体。引入的阳极流体和阴极流体分别在阳极扩散层和阴极扩散层处扩散并分别传输给阳极催化剂层和阴极催化剂层。进而，燃料气体在阳极催化剂层处进行电化学反应，在本实施例中该电化学反应可以由以下化学反应方程式表示：

[0024][0025]

所产生的质子经质子交换膜到达阴极催化剂层，并在阴极催化剂层处与氧化剂进行电化学反应，在本实施例中该电化学反应可以由以下化学反应方程式表示：

[0026][0027]

由此，反应气体的化学能被转化为电能。

[0028]

如上面的化学化学反应方程式所示，在pemfc运行期间，将在阴极产生大量的水。在pemfc停止运行后，过多的水将对电池堆1产生不利的影响。特别是，在低温环境下，例如当环境温度低于零度时，残留在电池堆1内的水将发生冻结，产生体积膨胀，并且影响燃料电池的启动。因此，在pemfc关机时，需要对阴极流道11进行吹扫。

[0029]

如图1所示的吹扫系统包括控制器21和阴极循环回路22，所述阴极循环回路22包括流体驱动装置221和气液分离器222并且构造成能够在开启状态下使从阴极流道11的阴极出口111流出的流体经由流体驱动装置221和气液分离器222循环回到阴极流道11的阴极入口112。所述控制器21配置成能够响应于低温吹扫指令，执行下述步骤：第一循环吹扫步骤，其中，控制器21使阴极循环回路22开启，以利用从阴极流道11流出的流体吹扫阴极流道11；关闭步骤，其中，控制器21使阴极循环回路22关闭；以及第二循环吹扫步骤，其中，在关闭步骤之后，当燃料电池的电池堆1的温度低于第一温度时，控制器21使阴极循环回路22开启，以再次利用从阴极流道11流出的流体吹扫阴极流道11。

[0030]

通过使阴极出口111流出的流体经由阴极循环回路22回到阴极入口112，能够对阴极流道11进行循环吹扫。流体在流过阴极流道11时带走阴极流道11内的水，然后流过气液分离器222。液态的水在气液分离器222中从流体分离，使得流体在流过气液分离器222时，含水量下降。流出气液分离器222的较干燥的流体借助于流体驱动装置221提供的驱动力再次经由阴极入口112回到阴极流道11。在第一循环吹扫步骤和第二循环吹扫步骤中，通过阴极循环回路22，能够有效地降低阴极流道11内的水含量，并且能够使阴极循环回路22与阴极流道11内的水含量基本上达到平衡，从而更准确地控制阴极流道11内的水含量。应理解，气液分离器222可包括离心式水分离室、带有筛网的水分离室等，本发明并不限制气液分离器222的类型。

[0031]

通常，pemfc的操作温度明显高于环境温度。例如，pemfc的操作温度高于80℃、甚至高于100℃。在常规的吹扫流程之后，电池堆1的温度可能有所下降但仍然偏高，例如高于环境温度。因此，在常规的吹扫流程完成之后，电池堆1的温度将进一步下降，阴极流道11内相应地凝结出更多的液态水。通过第二循环吹扫步骤，能够在关闭步骤之后，当燃料电池的电池堆1的温度进一步降低至低于第一温度时，再次开启阴极循环回路22对阴极流道11进行吹扫，从而降低阴极流道11内的水含量。由此，能够实现更好的吹扫效果。第一温度例如设定为0℃。

[0032]

另外，第一循环吹扫步骤和第二循环吹扫步骤都利用阴极循环回路22进行吹扫，由此，阴极循环回路22内的流体所含的阴极反应物(在本实施例中为氧气)由于电池堆1内的反应而至少部分地被消耗，使得阴极反应物的含量降低。这有利于避免pemfc的腐蚀。在第二循环吹扫步骤之后，无需向电池堆1通入额外的阳极反应物(氢气)来消耗阴极流道11内的阴极反应物，从而能够节约阳极反应物。

[0033]

可选地，在关闭步骤中，吹扫系统、特别是控制器21可处于休眠状态，吹扫系统的仅部分传感器仍在工作。即，在关闭步骤期间，吹扫系统不进行任何吹扫操作。甚至整个燃料电池都不进行任何流体输送或循环操作。直到电池堆1的温度降低至低于第一温度，吹扫系统才被唤醒以进行第二循环吹扫步骤。

[0034]

吹扫系统例如可包括第一截止阀23和/或第二截止阀24。第一截止阀23和/或第二截止阀24设置成能够在关闭状态下防止流体流出和流出阴极流道11。如图1所示，第一截止阀23和第二截止阀24分别在阴极循环回路22中布置成邻近阴极入口112和阴极出口111。因此，为了开启阴极循环回路22，控制器21可打开第一截止阀23和第二截止阀24。在关闭步骤中，控制器21可关闭第一截止阀23和第二截止阀24。特别是，在第二循环吹扫步骤结束时，控制器21可关闭第一截止阀23和第二截止阀24，使得能够长时间维持阴极流道11内的期望的水含量和/阴极反应物含量。

[0035]

为了清楚起见，图1中仅示意性的示出了控制器21与一部分部件之间的连接。但应理解，控制器21可连接至其它相应的部件以实现控制。

[0036]

吹扫系统例如可包括用于检测电池堆1的温度的温度传感器。替代地或附加地，吹扫系统可包括用于检测环境温度的温度传感器，其中，控制器21配置成能够响应于关机指令，根据环境温度，生成低温吹扫指令。例如，如果在燃料电池接收到关机指令时，检测到的环境温度低于第二温度，则生成低温吹扫指令。

[0037]

吹扫系统例如包括用于检测阴极出口111处的相对湿度的湿度传感器和/或用于检测电池堆1的膜组件的阻抗值的阻抗检测装置，控制器21相应地根据湿度传感器和/或阻抗检测装置的检测结果判断阴极流道11内的湿度水平。

[0038]

例如，控制器21可配置成能够执行第一循环吹扫步骤直到阴极流道11内达到预定的湿度水平，或者直到达到预定的第一时长。控制器21例如可配置成能够执行第二循环吹扫步骤直到达到预定的第二时长。

[0039]

可选地，控制器21配置成能够在第一循环吹扫步骤和/或第二循环吹扫步骤中，控制气液分离器222，使得阴极流道11内达到预定的湿度水平。在利用阴极循环回路22对阴极流道11进行循环吹扫的基础上，通过控制控制气液分离器222，能够更准确地控制阴极流道11内的湿度水平。

[0040]

在图1所示的实施例中，吹扫系统还可包括用于将阳极反应物供给至电池堆1的阳极供给流路25，所述控制器21配置成能够响应于低温吹扫指令，在关闭步骤之前执行消耗步骤，在所述消耗步骤中，控制器21使阴极循环回路22和阳极供给流路25开启，使得阴极循环回路22中的阴极反应物在电池堆1中被消耗。由此，有利于确保阴极循环回路22中的阴极反应物的低含量。同时，由于在所述消耗步骤中，阴极循环回路22和阳极供给流路25都处于开启状态，因此，由于电池堆1内的反应而生成的水能够至少部分地通过阴极循环回路22被带走。

[0041]

消耗步骤例如可在第一循环吹扫步骤之后进行。替代地，消耗步骤可在第一循环吹扫步骤之前进行。由此，由于消耗步骤中的反应而在阴极生成的水能够进一步在第一循环吹扫步骤中被去除。

[0042]

在消耗步骤结束时，至少阳极供给流路25被关闭，阴极循环回路22可选地也被关闭。

[0043]

应理解，在第一循环吹扫步骤中，阳极供给流路25处于关闭状态。阳极供给流路25还可用于在pemfc启动和发电期间向电池堆1供给阳极反应物。

[0044]

阳极供给流路25例如包括氢气储罐251、将氢气储罐251连通至电池堆1的阳极入口的管道和布置在管道中的控制阀。控制器21例如通过控制相应的控制阀来控制阳极供给流路25的开启和关闭。

[0045]

可选地，吹扫系统包括用于将新鲜空气经由空气压缩机261供给至阴极入口112的阴极供给流路26，控制器21配置成能够响应于低温吹扫指令，在执行第一循环吹扫步骤和消耗步骤之前执行空气吹扫步骤，在所述空气吹扫步骤中，阴极循环回路22和阳极供给流路25被关闭，阴极供给流路26被开启，从而利用新鲜空气对阴极流道11进行吹扫。在空气吹扫步骤结束时，控制器21可关闭空气压缩机261。

[0046]

由此，能够利用新鲜空气高效地去除阴极流道11内的水。特别是，在该实施例中，将空气吹扫步骤与之后的第一循环吹扫步骤和第二循环吹扫步骤相结合，既能够高效地去除阴极流道11内的水，又能够准确地控制阴极流道11在pemfc的关机状态下的水含量。

[0047]

特别是，在一个实施例中，将空气吹扫步骤与上文所述的消耗步骤相结合，使得既能够高效地去除阴极流道11内的水，又能够避免阴极流道11内阴极反应物含量过高所引起的腐蚀等问题。

[0048]

应理解，阴极供给流路26还可用于在pemfc启动和发电期间向电池堆1供给阴极反应物。

[0049]

如图1所示，吹扫系统还可包括用于排出阴极出口111流出的流体的阴极排出流路27。阴极排出流路27例如还可用于在pemfc启动和发电期间排出阴极出口111流出的流体。阴极排出流路27与阴极循环回路22至少部分地重叠。在阴极排出流路27与阴极循环回路22分岔处，设有第一三通阀271，所述第一三通阀271可设置成能够控制经由阴极排出流路27排出的流体的流量和流过阴极循环回路22的流体的流量。

[0050]

可选地，阴极供给流路26包括在空气压缩机261下游分岔的第一支路和第二支路，其中，第一支路包括冷却器262，第二支路包括冷却器旁通通路263。空气吹扫步骤包括第一阶段和在第一阶段之后的第二阶段，其中，在第一阶段中，第一支路被断开并且第二支路被连通；在第二阶段中，第一支路被连通并且第二支路被断开。

[0051]

在第一阶段，通过空气压缩机261供给的大流量高温空气经由第二支路、即经由冷却器旁通通路263流入阴极流道11。大流量高温空气能够高效地带走阴极流道11内的水，同时能够促进阴极扩散层和膜组件内的液态水气化。通过第一阶段，能够去除阴极扩散层中大部分的水。控制器21例如配置成能够执行空气吹扫步骤的第一阶段直到阴极流道11内达到期望的温度和湿度，例如直到阴极出口111处的流体达到100℃的温度和rh≤25％的相对湿度。替代地，控制器21例如配置成能够执行空气吹扫步骤的第一阶段直到达到预定的第三时长。

[0052]

在第二阶段，通过空气压缩机261供给的高温空气经由第二支路流入阴极流道11。在第二支路中，空气被冷却器262冷却。冷却的空气流入阴极流道11，使得阴极流道11与阴极扩散层和膜组件、特别是阴极催化剂层之间形成明显的温度差。由此，利用热管效应，使得阴极扩散层和膜组件内的水能够快速地进入阴极流道11并被去除，并且能够降低电池堆1的温度。通过第一阶段，能够去除阴极催化剂层中大部分的水。控制器21例如配置成能够执行空气吹扫步骤的第二阶段直到阴极流道11内达到期望的温度和湿度，例如直到阴极出口111处的流体达到25℃的温度和rh≤20％的相对湿度。替代地，控制器21例如配置成能够执行空气吹扫步骤的第二阶段直到达到预定的第四时长。

[0053]

第二支路中例如设有旁通阀。控制器21可配置成能够通过控制旁通阀来控制第二支路以及可选的第一支路的连通状态。当旁通阀关闭时，第二支路断开，通过空气压缩机261供给的空气能够通过第一支路流向阴极入口112。此时，第一支路为连通状态。当旁通阀打开时，第二支路连通，通过空气压缩机261供给的空气将通过流阻较小的第二支路流向阴极入口112。此时，第一支路实质上为断开状态。在第二阶段结束时，控制器21可关闭旁通阀。

[0054]

第一支路中也可设有与控制器21相连接的控制阀，以单独地控制第一支路的连通状态。

[0055]

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的燃料电池。所述燃料电池包括根据本发明的一个示例性实施例的吹扫系统。图2中示出的吹扫系统与图1中示出的吹扫系统大体上相同，但吹扫系统中的阀的布置有所不同。例如，在图2所示的实施例中，第一截止阀23布置在阴极供给流路26，而不布置在阴极循环回路22中。

[0056]

在图2所示的实施例中，燃料电池还包括与阴极循环回路22部分地重叠的另外的阴极循环回路22。例如，所述另外的阴极循环回路22在流体驱动装置221下游与阴极循环回路22分开，并在冷却器262上游并入阴极供给流路26。所述另外的阴极循环回路22设置成能够在pemfc启动和/或发电期间开启，使得从阴极出口111流出的流体能够经由所述另外的阴极循环回路22回到阴极入口112。特别是在pemfc发电期间，通过从阴极出口111流出的水含量较高的流体经由所述另外的阴极循环回路22回到阴极入口112，可有利于维持膜组件的湿度。在设有所述另外的阴极循环回路22的燃料电池中，甚至无需在阴极供给流路26中额外设置加湿器。

[0057]

在图2所示的实施例中，燃料电池还包括从阳极出口通向阴极排出流路27的排氢流路3。在阳极流道中未完全消耗的氢气可经由排氢流路3流到阴极排出流路27，从而与阴极排出流路27内的流体(大部分为不参与反应的氮气)混合。由此，氢气的浓度被稀释，然后才被排放至外界环境中。这有利于提高安全性。可选地，在排氢流路3并入阴极排出流路27

的位置下游处，设有用于检测氢气含量的氢气传感器4。例如，控制器21可根据氢气传感器4的检测结果控制第一三通阀271，以调节经由阴极排出流路27向外界环境排出的流体的流量。换句话说，控制器21设置成能够通过控制经由阴极循环回路22回到阴极入口112的流体的流量相对于经由阴极排出流路27排出的流体的流量之比来调节所述氢气含量。

[0058]

可选地，燃料电池还包括空气流路5，所述空气流路5从空气压缩机261下游通向阴极排出流路27并在氢气传感器4上游处并入阴极排出流路27。控制器21可设置成能够通过控制经由空气流路5流入阴极排出流路27的流体的流量来调节所述氢气含量。在阴极供给流路26与空气流路5分岔处，可设有第二三通阀51，所述第二三通阀51可设置成能够控制流过空气流路5的流体的流量与流过阴极供给流路26的流体的流量之比。控制器21可通过控制空气压缩机261或控制第二三通阀51来控制经由空气流路5流入阴极排出流路27的流体的流量。换句话说，控制器21可根据氢气传感器4的检测结果控制空气压缩机261或控制第二三通阀51。

[0059]

图3示意性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于燃料电池的吹扫系统的操作方法。在该实施例中，控制器21配置成能够响应于关机指令，判断环境温度是否满足条件。例如，在燃料电池接收到关机指令时，如果环境温度低于第二温度则生成低温吹扫指令，吹扫系统将响应于低温吹扫指令执行低温吹扫。

[0060]

所述操作方法包括响应于低温吹扫指令，执行下述步骤：

[0061]

s1：可选的在第一循环吹扫步骤和消耗步骤之前的空气吹扫步骤，其中，阴极循环回路22和阳极供给流路25被关闭，阴极供给流路26被开启，从而利用新鲜空气对阴极流道11进行吹扫；

[0062]

s2：可选的在第一循环吹扫步骤之前或之后的消耗步骤，在所述消耗步骤中，控制器21使阴极循环回路22和阳极供给流路25开启，阴极供给流路26相应地被关闭，使得阴极循环回路22中的阴极反应物在电池堆1中被消耗；

[0063]

s3：第一循环吹扫步骤，其中，控制器21使阴极循环回路22开启，阳极供给流路25和阴极供给流路26相应地被关闭，以利用从阴极流道11流出的流体吹扫阴极流道11；

[0064]

s4：第一循环吹扫步骤之后的关闭步骤，其中，控制器21使阴极循环回路22关闭；以及

[0065]

s5：第二循环吹扫步骤，其中，在关闭步骤之后，当燃料电池的电池堆1的温度低于第一温度时，控制器21使阴极循环回路22开启，以再次利用从阴极流道11流出的流体吹扫阴极流道11。

[0066]

特别是，包括上述步骤s1-s5的操作方法尤其有利于以节约成本且节能的方式实现高效且充分的吹扫。

[0067]

例如，在燃料电池接收到关机指令时，如果环境温度不低于第二温度，则吹扫系统可执行常规吹扫步骤s0。在常规吹扫步骤s0中，吹扫系统可仅利用由阴极供给流路26的第二支路供给的新鲜空气对阴极流道11进行吹扫。

[0068]

本文中针对吹扫系统所描述的特征和优势同样适用于其操作方法。

[0069]

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。此外，在不冲突的情况下，本发明中的各个特征可以相

互组合。

[0070]

附图标记列表

[0071]1????

电池堆

[0072]

11

???

阴极流道

[0073]

111

??

阴极出口

[0074]

112

??

阴极入口

[0075]

21

???

控制器

[0076]

22

???

阴极循环回路

[0077]

221

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流体驱动装置

[0078]

222

??

气液分离器

[0079]

23

???

第一截止阀

[0080]

24

???

第二截止阀

[0081]

25

???

阳极供给流路

[0082]

251

??

氢气储罐

[0083]

26

???

阴极供给流路

[0084]

261

??

空气压缩机

[0085]

262

??

冷却器

[0086]

263

??

冷却器旁通通路

[0087]

27

???

阴极排出流路

[0088]

271

??

第一三通阀

[0089]3????

排氢流路

[0090]4????

氢气传感器

[0091]5????

空气流路

[0092]

51

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第二三通阀技术特征：

1.一种燃料电池的吹扫系统，所述吹扫系统用于吹扫燃料电池的电池堆(1)的阴极流道(11)，其中，吹扫系统包括控制器(21)和阴极循环回路(22)，所述阴极循环回路(22)包括流体驱动装置(221)和气液分离器(222)并且构造成能够在开启状态下使从阴极流道(11)的阴极出口(111)流出的流体经由流体驱动装置(221)和气液分离器(222)循环回到阴极流道(11)的阴极入口(112)，其中，所述控制器(21)配置成能够响应于低温吹扫指令，执行下述步骤：第一循环吹扫步骤，其中，控制器(21)使阴极循环回路(22)开启，以利用从阴极流道(11)流出的流体吹扫阴极流道(11)；第一循环吹扫步骤之后的关闭步骤，其中，控制器(21)使阴极循环回路(22)关闭；以及第二循环吹扫步骤，其中，在关闭步骤之后，当电池堆(1)的温度低于第一温度时，控制器(21)使阴极循环回路(22)开启，以再次利用从阴极流道(11)流出的流体吹扫阴极流道(11)。2.根据权利要求1所述的燃料电池的吹扫系统，其中，吹扫系统包括用于将阳极反应物供给至电池堆(1)的阳极供给流路(25)，所述控制器(21)配置成能够响应于低温吹扫指令，执行消耗步骤，在所述消耗步骤中，控制器(21)使阴极循环回路(22)和阳极供给流路(25)开启，使得阴极循环回路(22)中的阴极反应物在电池堆(1)中被消耗。3.根据权利要求2所述的燃料电池的吹扫系统，其中，吹扫系统包括用于将新鲜空气经由空气压缩机(261)供给至阴极入口(112)的阴极供给流路(26)，控制器(21)配置成能够响应于低温吹扫指令，在执行第一循环吹扫步骤和消耗步骤之前执行空气吹扫步骤，在所述空气吹扫步骤中，阴极循环回路(22)和阳极供给流路(25)被关闭，阴极供给流路(26)被开启，从而利用新鲜空气对阴极流道(11)进行吹扫。4.根据权利要求4所述的燃料电池的吹扫系统，其中，阴极供给流路(26)包括在空气压缩机(261)下游分岔的第一支路和第二支路，第一支路包括冷却器(262)，第二支路包括冷却器旁通通路(263)，空气吹扫步骤包括第一阶段和在第一阶段之后的第二阶段，其中，在第一阶段中，断开第一支路并且连通第二支路；在第二阶段中，连通第一支路并且断开第二支路。5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池的吹扫系统，其中，控制器(21)配置成能够在第一循环吹扫步骤和/或第二循环吹扫步骤中，控制气液分离器(222)，使得阴极流道(11)内达到预定的湿度水平。6.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池的吹扫系统，其中，吹扫系统包括用于检测环境温度的温度传感器，其中，控制器(21)配置成能够根据检测到的环境温度，生成低温吹扫指令。7.根据权利要求1-4中任一项所述的燃料电池的吹扫系统，其中，吹扫系统包括用于检测阴极出口(111)处的相对湿度的湿度传感器和/或用于检测电池堆(1)的膜组件的阻抗值的阻抗检测装置，控制器(21)相应地根据湿度传感器和/或阻抗检测装置的检测结果判断阴极流道(11)内的湿度水平。8.一种燃料电池，其中，所述燃料电池包括根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池

的吹扫系统。9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，燃料电池不包括用于为供给至阴极流道的流体进行加湿的加湿器，流体驱动装置(221)构造成能够在燃料电池发电期间，使通过从阴极出口(111)流出的流体循环回到阴极入口(112)，以控制电池堆(1)内的湿度。10.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，燃料电池还包括用于排出阴极出口(111)流出的流体的阴极排出流路(27)以及从阳极出口通向阴极排出流路(27)的排氢流路(3)，其中，在排氢流路(3)并入阴极排出流路(27)的位置的下游处，设有用于检测氢气含量的氢气传感器(4)。11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中，控制器(21)设置成能够根据检测到的氢气含量调整经由阴极循环回路(22)回到阴极入口(112)的流体的流量和经由阴极排出流路(27)排出的流体的流量，和/或燃料电池还包括空气流路(5)，所述空气流路(5)从用于将新鲜空气供给至阴极入口(112)的空气压缩机(261)下游通向阴极排出流路(27)并在氢气传感器(4)上游处并入阴极排出流路(27)，其中，控制器(21)设置成能够根据检测到的氢气含量调整经由空气流路(5)流入阴极排出流路(27)的流体的流量。12.一种用于根据权利要求1-7中任一项所述的燃料电池的吹扫系统的操作方法，所述操作方法包括响应于低温吹扫指令执行的下述步骤：第一循环吹扫步骤，其中，控制器(21)使阴极循环回路(22)开启，以利用从阴极流道(11)流出的流体吹扫阴极流道(11)；第一循环吹扫步骤之后的关闭步骤，其中，控制器(21)使阴极循环回路(22)关闭；以及第二循环吹扫步骤，其中，在关闭步骤之后，当电池堆(1)的温度低于第一温度时，控制器(21)使阴极循环回路(22)开启，以再次利用从阴极流道(11)流出的流体吹扫阴极流道(11)。13.根据权利要求12所述的操作方法，所述操作方法包括响应于低温吹扫指令执行的下述步骤：在第一循环吹扫步骤之前或之后的消耗步骤，在所述消耗步骤中，控制器(21)使阴极循环回路(22)和阳极供给流路(25)开启，使得阴极循环回路(22)中的阴极反应物在电池堆(1)中被消耗；和/或在第一循环吹扫步骤之前的空气吹扫步骤，其中，阴极循环回路(22)和阳极供给流路(25)被关闭，阴极供给流路(26)被开启，从而利用新鲜空气对阴极流道(11)进行吹扫，其中，在操作方法包括消耗步骤的情况下，空气吹扫步骤在消耗步骤之前执行。

技术总结

本发明提出一种燃料电池的吹扫系统，其包括控制器和阴极循环回路，阴极循环回路在开启状态下使从阴极流道的阴极出口流出的流体经由流体驱动装置和气液分离器循环回到阴极流道的阴极入口，控制器配置成能够响应于低温吹扫指令，执行：第一循环吹扫步骤，其中，控制器使阴极循环回路开启，以利用从阴极流道流出的流体吹扫阴极流道；之后的关闭步骤，其中，控制器使阴极循环回路关闭；第二循环吹扫步骤，其中，在关闭步骤之后，当电池堆的温度低于第一温度时，控制器使阴极循环回路开启，以再次利用从阴极流道流出的流体吹扫阴极流道。还提出一种燃料电池以及一种用于燃料电池的吹扫系统的操作方法。借助于本发明，能够实现更充分的吹扫。的吹扫。的吹扫。

技术研发人员：王凯 常亚飞 傅立运 陈泽

受保护的技术使用者：罗伯特

技术研发日：2021.04.29

技术公布日：2022/11/1