一种排气背压阀的防结冰装置及其燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种排气背压阀的防结冰装置及其燃料电池系统。

背景技术

现有技术中燃料电池是一种新型的能源利用方式，具有广阔的发展潜力和应用前景。燃料电池的工作过程是氢气(燃料)与氧气(一般为空气)反应产生电和水的过程。通常采用压缩机向燃料电池供应含氧空气。空气供应系统由空压机和背压阀来共同控制进入燃料电池电堆的压力和流量。但是燃料电池系统在运行过程中由氢气与氧气在催化剂的作用下产生水和电能，反应产生的水需要通过排气带走，排气中含有大量的水分，排气背压阀的阀芯就会暴露在水汽里，低温环境下水汽会结冰将背压阀的阀芯冻住，不能使用。

专利文件CN1322620C公开了一种燃料电池发电装置的防冻，包括循环在燃料电池堆中的冷却水的水循环路径，降低水的熔点的氢氧化钠与水循环路径中的水混合，从而防止在水循环路径中的水冻结。电极设置在水中。当燃料电池堆运行时，电压施加在电极之间，使得正极吸附钠离子，由此从提供给燃料电池堆的冷却水中除去钠离子。当燃料电池堆停止运行时，通过停止向电极施加电压，使吸附到正极的钠离子扩散到冷却水中。但是不可避免的会造成氢氧化钠的浪费，即增加多余的资源利用。

专利文件CN100502122C公开了一种氢电堆的防冻和快速启动中的处理方法，电堆停机时，将水蒸气不饱和的燃料气体或氮气，通过循环吹扫除去电堆的游离水；干燥其中的MEA膜组件，使膜组件含水量降低到规定低温下不结冰的程度；但是增加MEA膜组件的设置和循环吹扫，不可避免的导致整个装置的复杂化，增加使用成本。专利文件CN100595963C公开了一种空气直冷式氢电堆的冷却气流控制方法，开启回风通路中的加热器，当回风温度达到系统设定值，则允许氢电堆启动发电，停止加热，但是采用电加热的方式也不可避免的导致能源的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种排气背压阀的防结冰装置及其燃料电池系统，以解决现有技术中存在的问题，通过旁通阀将空压机出气侧的高温高压空气引入排气背压阀处，通过气体热交换将热量传递给排气背压阀，使排气背压阀的阀体升温，这样电堆反应产生的水在低温下就不会在排气背压阀处结冰，进而避免排气背压阀受低温和水汽的影响下上冻。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：提供一种燃料电池系统排气背压阀的防结冰装置，包括排气背压阀和用于导流压缩后空气的旁通阀，所述排气背压阀上开设有环绕其内腔的加热通道，所述旁通阀的进气端连通在燃料电池系统中的用于导入空气的供气管路上，且所述进气端连通在所述供气管路上的空压机的出气侧，所述旁通阀的出气端与所述加热通道相连通，所述加热通道的出气端连通燃料电池系统中的排气管路。

优选的，所述旁通阀的出气端和所述加热通道之间设有用于控制空气导入量的流量控制阀。

优选的，所述排气背压阀的阀芯处设有温度传感器。

优选的，所述流量控制阀为与所述温度传感器电控连接的电子流量阀。

优选的，所述加热通道的出口开设在所述排气背压阀的内腔侧壁上。

优选的，所述加热通道的出口位于所述排气背压阀的阀芯的出气侧。

优选的，所述排气背压阀和所述旁通阀为一体成型式结构，且所述排气背压阀的内腔和所述旁通阀的内腔相靠近。

优选的，所述一体成型式结构上开设有用于连通所述旁通阀的出气端与所述加热通道的高温空气通道。

还提供一种燃料电池系统，包括用于对燃料电池提供空气的供气管路、用于排出水汽的排气管路，用于提供空气的所述供气管路上设有空压机，所述排气管路上设有所述排气背压阀，所述排气背压阀上开设有环绕其内腔的所述加热通道，所述空压机的出气端与所述加热通道连通有所述旁通阀。

优选的，用于提供空气的所述供气管路连通有用于排出过量空气的分流阀，所述分流阀连通在所述旁通阀与所述供气管路连接处的出气侧。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

第一、排气背压阀上开设有环绕其内腔的加热通道，旁通阀的进气端连通在燃料电池系统中的用于导入空气的供气管路上，且进气端连通在供气管路上的空压机的出气侧，旁通阀的出气端与加热通道相连通，由于现有技术中燃料电池的空气供应系统由空压机和排气背压阀来共同控制进入燃料电池电堆的气体压力和流量，那么空气经过空压机后变成高温高压气体，通过旁通阀将高温高压的空气导入加热通道中，对排气背压阀进行导热处理，且加热通道环绕排气背压阀的内腔，能够使排气背压阀的阀体快速升温，这样电堆反应产生的水在低温下就不会在排气背压阀处结冰，进而避免排气背压阀受低温和水汽的影响下，上冻后不能对气体压力和流量进行调节，无需再采用现有技术中对排气背压阀进行电加热或者设置过滤机构等，有效的降低了制作成本，且节约能源，避免电加热容易造成氢气燃烧的风险。或者低温开机过程中若排气背压阀处结冰导致阀门不能开启，可以通过先开启空压机，然后排气背压阀全开，使空压机增压后的热空气通过旁通阀内部通道进入到排气背压阀，加热排气背压阀，解决零下温度环境下开机时的结冰问题。

第二、旁通阀的出气端和加热通道之间设有用于控制空气导入量的流量控制阀，根据排气背压阀上冻的情况，对进入加热通道的空气的流量进行调节，既能够保证排气背压阀不会上冻，又能够尽可能避免过多的被压缩后的空气进入加热通道中，导致被压缩后的空气浪费或不能满足燃料电池的应用等。

第三、排气背压阀的阀芯处设有温度传感器，根据温度传感器检测排气背压阀的阀芯处的温度，进而控制进入加热通道的空气的通断，避免已经解冻后的排气背压阀还继续通入空气，导致能源的浪费。

第四、流量控制阀为与温度传感器电控连接的电子流量阀，进而能够实时控制压缩后的空气流入加热通道内，无需再人工检测调节，使得对排气背压阀的解冻更加省时省力。

第五、排气背压阀和旁通阀为一体成型式结构，且排气背压阀的内腔和旁通阀的内腔相靠近，一方面通过被压缩后的空气对排气背压阀进行升温解冻，另一方面将旁通阀与排气背压阀一体成型后，增加了旁通阀本体对排气背压阀直接进行的热传导，保证了对排气背压阀解冻的有效性。

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为本发明排气背压阀和旁通阀连接的剖视图；

图2为本发明排气背压阀和旁通阀连接的结构示意图；

图3为本发明燃料电池系统的结构示意图；

图4为本发明流量控制阀控制逻辑图；

其中，1-排气背压阀、2-旁通阀、3-加热通道、4-加热通道的出口、5-高温空气通道、6-一体成型式结构、7-空压机、8-中冷器。

具体实施方式

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。

本发明用于克服上述已有技术之缺陷，提供一种排气背压阀的防结冰装置及其燃料电池系统，以解决现有技术中存在的问题，通过旁通阀将空压机出气侧的高温高压空气引入排气背压阀处，通过气体热交换将热量传递给排气背压阀，使排气背压阀的阀体升温，这样电堆反应产生的水在低温下就不会在排气背压阀处结冰，进而避免排气背压阀受低温和水汽的影响下上冻。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至4所示，提供一种燃料电池系统排气背压阀1的防结冰装置，包括排气背压阀1和用于导流压缩后空气的旁通阀2，排气背压阀1和旁通阀2采用易导热的材料制作而成，例如钢制或铜制材料等，排气背压阀1上设有靠近其内腔的加热通道3，优选的加热通道3环绕排气背压阀1的内腔设置，例如设置成螺旋状结构延长加热通道3的路径，旁通阀2的进气端连通在燃料电池系统中的用于导入空气的供气管路上，且进气端连通在供气管路上的空压机7的出气侧，以将经过空压机7压缩后的空气导入旁通阀2内，且旁通阀2的出气端与加热通道3相连通，进而将压缩后的空气导入加热通道3中，加热通道3的出气端连通燃料电池系统中的排气管路，例如另外设置管路联通加热通道的出口4，将此管路通向排气管路的流出端，或者通过设置管路将加热通道3连通排气管路，将传热后的空气导离燃料电池附近，避免其容易引燃氢气等，由于现有技术中燃料电池的空气供应系统由空压机7和排气背压阀1来共同控制进入燃料电池电堆的气体压力和流量，那么空气经过空压机7后变成高温高压气体，通过旁通阀2将高温高压的空气导入加热通道3中，对排气背压阀1进行导热处理，且加热通道3环绕排气背压阀1的内腔，能够使排气背压阀1的阀体快速升温，这样电堆反应产生的水在低温下就不会在排气背压阀1处结冰，进而避免排气背压阀1受低温和水汽的影响下，上冻后不能对气体压力和流量进行调节，无需再采用现有技术中对排气背压阀1进行电加热或者设置过滤机构等，有效的降低了制作成本，且节约能源，避免电加热容易造成氢气燃烧的风险。或者低温开机过程中若排气背压阀1处结冰导致阀门不能开启，可以通过先开启空压机，然后排气背压阀1全开，使空压机7增压后的热空气通过旁通阀2进入到排气背压阀1，加热排气背压阀1，解决零下温度环境下开机时的结冰问题。而且优选的旁通阀2还应用于调节燃料电池堆的空气输入控制，即应用其控制空气进入燃料电池堆的流量。

其中，旁通阀2的出气端和加热通道3之间设有用于控制空气导入量的流量控制阀，根据排气背压阀1上冻的情况，对进入加热通道3的空气的流量进行调节，既能够保证排气背压阀1不会上冻，又能够尽可能避免过多的被压缩后的空气进入加热通道3中，导致被压缩后的空气浪费或不能满足燃料电池的应用等，作为本发明优选的实施方式，在排气背压阀1的出口处设置气体流量检测装置，以检测出其是否能够保持相应的排量，或者在排气背压阀1的入口前设置压力传感器，以检测排出的水汽在未流出排气背压阀1前的管路压力，以检测排气背压阀1的上冻情况。

进一步的，为提高对排气背压阀1上冻情况的准确检测，排气背压阀1的阀芯处设有温度传感器，根据温度传感器检测排气背压阀1的阀芯处的温度，进而判断出排气背压阀1的上冻情况，本领域的技术人员根据温度传感器获取上冻情况后，控制进入加热通道3的空气的通断，即上冻时及时通气，解冻后及时断气，避免已经解冻后的排气背压阀1还继续通入空气，且能够实时准确的控制，避免能源的浪费。

作为本发明优选的实施方式，流量控制阀为与温度传感器电控连接的电子流量阀，进而能够实时控制压缩后的空气流入加热通道3内，无需再人工检测调节，使得对排气背压阀1的解冻更加省时省力。温度传感器将温度信号传递给中央控制器，控制器通过控制电子流量阀开度，调节高温空气进入加热通道3的进气量，进而调节排气背压阀1的阀体温度，通过该反馈调节保证排气背压阀1的阀体温度始终大于0℃。

进一步的，加热通道的出口4开设在排气背压阀1的内腔侧壁上，以将旁通阀2导入的高温高压空气能够直接排入排气背压阀1的内腔中，直接作用在阀芯上，有效提高了对排气背压阀1解冻的效果，优选的在排气背压阀1的内腔侧壁上环设有若干个加热通道的出口4，形成对阀芯的环形吹扫作用，加强了对阀芯的解冻作用。

其中，加热通道的出口4位于排气背压阀1的阀芯的出气侧，避免了对排气管路形成反吹的作用，影响燃料电池的质子交换和反应，排气背压阀1内腔侧壁上开设有用于导流换热后的空气的环形槽，例如沿出气方向眼神的螺旋状的槽等，使得换热后的空气能够沿环形槽进行导流，以保证能够充分将空气导流出排气管路，且能够延长空气的流通时间，提高其对排气背压阀1的导热效果，且提高对余热的应用。

进一步的，排气背压阀1和旁通阀2为一体成型式结构6，且排气背压阀1的内腔和旁通阀2的内腔相靠近，一方面通过被压缩后的空气对排气背压阀1进行升温解冻，另一方面将旁通阀2与排气背压阀1一体成型后，增加了旁通阀2本体对排气背压阀1直接进行的热传导，保证了对排气背压阀1解冻的有效性。作为本发明优选的实施方式，一体成型式结构6上开设有用于连通旁通阀2的出气端与加热通道3的高温空气通道5，流量控制阀设置在高温空气通道5中，避免高温空气通道5外设，造成不必要的散热，其设置在一体成型式结构6中，对一体成型式结构6进行一定的传热效果，也能够有效的提高对排气背压阀1的解冻作用。

还提供一种燃料电池系统，包括用于对燃料电池提供空气的供气管路、用于排出水汽的排气管路，用于提供空气的供气管路上设有空压机7，排气管路上设有排气背压阀1，排气背压阀1上开设有环绕其内腔的加热通道3，空压机7的出气端与加热通道3连通有旁通阀2，通过旁通阀2的将高温高压空气(70℃左右)引入排气背压阀1的阀座腔体内，通过气体热交换将热量传递给排气背压阀1，使阀体升温，这样电堆反应产生的水汽在低温下就不会在排气背压阀1处结冰，进而排气背压阀1不会被冻住，通过利用经过旁通阀2的热空气的废热，为排气背压阀1加热，实现阀体自热，采用的是空气换热，不采用电加热，有效的节约能源，采用机械结构设计的亮点，通过空气换热，杜绝电加热漏电引起尾排氢气安全事故，且不需要进行复杂的控制逻辑设置，通过加热通道3的设计实现换热功能，实时换热，避免因为软件问题导致加热失效。优选的燃料电池系统包含设置在用于提供空气的供气管路上的中冷器8，其设置在空压机的出气侧，作为本发明的实施例，还可将旁路阀的进气端直接与中冷器8连接，优选的，燃料电池堆的供气系统还包括加湿器，旁路阀的进气端也可直接与加湿器本体相连。旁通阀的进气端与空压机的出气管路连接的要求比较宽泛。还可将旁路线直接与空压机连接，也可作为另一种实施方式。

其中，用于提供空气的供气管路连通有用于排出过量空气的分流阀，过量的水汽通过分流阀进行分流，保证燃料电池系统安全。分流阀的通道与排气背压阀的进气端连接，所以并不是将全部水汽通过排气背压阀阀体排出，而是应用分流阀对排气进行旁通，避免对排气背压阀造成较大排气背压。优选的分流阀上也可以设置空气加热通道。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。