1.本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种空冷燃料电池系统。
背景技术：2.燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，质子交换膜燃料电池是燃料电池中的一种，具有工作温度低、能量密度高、环境友好等优点，在机动化电源、无人机等领域具有很好的商业前景。但是，对于车载、无人机的实际应用而言，质子交换膜燃料电池须满足低温环境下稳定运行后才能成功投入市场。从而，安全可靠的停机吹扫策略和低温启动运行是质子交换膜燃料电池面对的主要挑战。
3.目前，现有的停机吹扫策略是在系统关机前进行停机吹扫，通过停机吹扫程序将质子交换膜燃料电池中的水吹走。传统的空冷燃料电池由于其阴极流道和冷却流道共用一个流道导致其阴极流道的水无法吹扫彻底，尤其是低温环境下容易发生结冰现象，通常吹扫方法主要有以下两种：(1)对进入阴极流道的空气进行加热后吹扫；(2)通过外接保护气体(氮气)进行阳极吹扫。但是以上两种吹扫方法均存在缺陷，对进入阴极流道的空气进行加热后吹扫，会额外使用功率更大的加热器，消耗更多的能源；通过外接氮气吹扫，则会增加了系统附件与成本。
技术实现要素：4.本实用新型的目的是提供一种对空冷燃料电池进行高效吹扫的系统，实现对成本的控制及燃料电池的长久保护。
5.为了达到上述目的，本实用新型提供了一种空冷燃料电池系统，包含燃料电池堆、阳极吹扫系统、阴极吹扫系统、空气冷却流道吹扫系统、控制系统。所述阳极吹扫系统用于对燃料电池阳极流道进行吹扫；所述阴极吹扫系统用于对燃料电池阴极流道进行吹扫；所述阳极流道和所述阴极流道中间并联设置有负载，利用燃料电池系统带载产生的热量加速燃料电池内部水的蒸发；所述空气冷却流道吹扫系统用于对空气冷却流道进行吹扫；所述控制系统用于对燃料电池停机吹扫的集成控制。
6.较佳地，所述阳极吹扫系统包含设置阳极进口管道的比例阀、电磁阀、压力传感器；所述电磁阀控制氢气的间歇吹扫排放。
7.较佳地，所述阴极吹扫系统包含至少一鼓风机；由所述鼓风机产生的热空气对燃料电池阴极流道进行直接吹扫，将阴极流道反应生成的水、阳极流道流入的水和未反应的空气排出。
8.较佳地，所述空气冷却流道吹扫系统包含温度传感器、加热器、风扇；所述温度传感器用于将温度监测信号传输至所述控制系统；所述加热器根据所述控制系统的指令向所述空气冷却流道输送热空气；所述风扇根据所述控制系统的指令向所述空气冷却流道输送冷空气。
9.较佳地，所述温度传感器包含第一温度传感器、第二温度传感器；所述第一温度传
感器用于检测进入所述空气冷却流道的空气温度；所述第二温度传感器用于检测进入所述燃料电池堆的空气温度。
10.较佳地，所述燃料电池堆包含反应空气和冷却空气由不同流道空气源供应的空冷燃料电池堆。
11.较佳地，所述控制系统包含控制器、继电器，用于整个燃料电池系统的集成控制。
12.本实用新型的技术效果：
13.(1)采用阳极流道、阴极流道和空气冷却流道独立设计的空冷燃料电池，对阴极流道、阳极流道、空气冷却流道吹扫系统进行独立自控的停机吹扫，实现燃料电池的高效吹扫，有效缓解吹扫不完全对燃料电池进行低温存储和低温启动的永久伤害；
14.(2)不需要涉及其他耗能设备和使用其他保护气体，燃料电池系统在怠速下带载，通过自身产生的热加速燃料电池堆内部液态水的蒸发，能源消耗少，实现燃料电池系统停机后可以保持干燥状态，延长了燃料电池的使用年限；
15.(3)通过控制阳极出口电磁阀对氢气的间歇吹扫排放，实现燃料电池快速吹扫，并且提高了氢气利用率。
附图说明
16.图1为本实用新型提供的一种空冷燃料电池系统的结构示意图。
17.图2为本实用新型提供的一种空冷燃料电池系统停机吹扫的工作流程图。
18.其中，1-燃料电池堆，10-阳极流道，11-阴极流道，12-空气冷却流道；
19.20-阴极进口管道，201-鼓风机，21-阴极出口管道；
20.30-阳极进口管道，301-阳极进口电磁阀，302-阳极进口比例阀，303-阳极进口压力传感器，31-阳极出口管道，310-阳极出口电磁阀；
21.40-加热器，41-风扇，42-第一温度传感器，43-第二温度传感器；
22.50-控制器，51-第一继电器，52-第二继电器；
23.6-负载。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
25.下面结合图1对本实用新型提供的一种空冷燃料电池系统中关键部件的相互连接关系及工作原理进行详细描述。如图1所示，本实用新型提供的一种空冷燃料电池系统包含燃料电池堆1、阳极吹扫系统、阴极吹扫系统、空气冷却流道吹扫系统、控制系统等主要组件。
26.一些实施例中，为了确保燃料电池产生的水不会集中在同一个流道而导致无法吹净，如图1所示，本实施例中所述的燃料电池堆1是空冷燃料电池堆，所述的燃料电池堆1是由包含有独立的阳极流道10、阴极流道11和空气冷却流道12组成的金属双极板或石墨双极板，在阳极流道11和阴极流道12中间还并联有一个负载6，燃料电池系统在带载运行下，通
过自身产生的热加速燃料电池堆1内部液态水的蒸发。
27.一些实施例中，为了实现对燃料电池的高效吹扫，缓解因吹扫不完全对燃料电池产生永久损伤，本实施例中设有阴极吹扫系统。如图1所示，所述的阴极吹扫系统包含阴极进口管道20、阴极出口管道21。为了对阴极系统进行直接吹扫，所述阴极进口管道20上设有鼓风机201，用于给所述燃料电池堆1提供热空气和输送氧气；例如，开启阴极吹扫系统时，利用电机的高转速提供热空气对所述燃料电池堆1的阴极流道10进行直接加热，同时，向所述燃料电池堆1里输送了氧气。
28.一些实施例中，为了实现对燃料电池的高效吹扫，缓解因吹扫不完全对燃料电池产生永久损伤，本实施例中设有阳极吹扫系统。如图1所示，所述的阳极吹扫系统包含阳极进口管道30、阳极出口管道31、阳极进口电磁阀301、阳极进口比例阀302、阳极进口压力传感器303、阳极出口电磁阀310。为了对阳极系统进行吹扫并提高氢气的利用率，所述阳极进口管道30上设有所述阳极进口电磁阀301，所述阳极出口管道31上设有所述阳极出口电磁阀310，其中，连接在阳极出口管道31上的阳极出口电磁阀310用于周期性的打开氢气出口的通道，以提高氢气利用率；例如，阳极吹扫系统运行中，所述阳极出口电磁阀310每5s开启一次，每次开启1s，氢气的间歇吹扫排放既可对阳极流道10进行吹扫又可减少氢气直排造成的能源浪费。
29.为了保证进入燃料电池堆1的氢气压强保持平衡。如图1所述，所述阳极进口管道30上设有所述阳极进口比例阀302，连接在所述阳极进口电磁阀301后端，用于调节阳极进口管道30上氢气进入燃料电池堆1的压强，以保证进入燃料电池堆1的氢气压强平衡。所述阳极进口管道30上设有所述阳极进口压力传感器303，连接在所述阳极进口管道30前端和所述阳极进口比例阀302的后端，用于向所述控制系统反馈进入燃料电池堆1阳极氢气的压强，所述控制系统可根据所述阳极压力传感器303的反馈值实时调节所述阳极进口比例阀302的pwm值，以保证进入燃料电池堆1的氢气压强平衡。
30.一些实施例中，为了防止低温环境下燃料电池堆内液态水结冰造成膜电极损伤，本实施例中还设有空气冷却流道吹扫系统。如图1所述，所述空气冷却流道吹扫系统包含有第一温度传感器42、第二温度传感器43。所述第一温度传感器42位于所述空气冷却流道12上方，用于向控制系统反馈进入燃料电池堆1的空气冷却流道12的空气温度。所述第二温度传感器43位于所述空气冷却流道12内部，用于向控制系统反馈进入燃料电池堆1堆芯温度。为了防止燃料电池堆1内温度过低(低于0℃)造成膜电极损坏，所述的空气冷却流道吹扫系统还设有加热器40，所述的加热器40位于空气冷却流道12上方，用于加热流经空气冷却流道12的空气，向燃料电池堆1的空气冷却流道12输送热空气进行热交换。例如，在低温0℃以下停机吹扫中，先开启加热器40，将加热后的热气流直接吹入燃料电池堆1的空气冷却流道12与冷空气进行交换，以加热燃料电池堆1，保证燃料电池堆芯温度不低于0℃，避免燃料电池堆1内液态水发生结冰造成膜电极永久损害。
31.一些实施例中，为了防止高温环境下燃料电池堆内温度过高造成膜电极损坏，本实施例中所述的空气冷却流道吹扫系统还设有风扇41。如图1所示，所述的风扇41位于空气冷却流道12下方，并由控制系统控制，向燃料电池堆1的空气冷却流道12输送冷空气与热空气进行交换。例如，在停机吹扫中，由于燃料电池带载中产生的热量会使堆芯温度升高，当堆芯温度达到预设的安全目标温度时，控制系统会调整风扇41的pwm值，增加流经空气冷却
流道12的冷空气，向燃料电池堆1的空气冷却流道12输送冷空气，保证燃料电池堆芯温度不高于安全目标温度60℃，避免燃料电池堆1内温度过高而造成膜电极永久损害。
32.一些实施例中，为了集成控制整个燃料电池系统的停机吹扫，通过软硬件管理系统进行反馈调节，本实施例中还设有控制系统。如图1所示，所述的控制系统包含控制器50、由控制器50分别控制的第一继电器51、第二继电器52。所述的第一继电器51与加热器40串联，用于当系统温度低于0℃时闭合加热器40，使得所述的控制器50控制加热器40开启对空气冷却流道12的加热；所述的第二继电器52与负载6串联，通过控制器50闭合第二继电器52接入负载6，调节系统在怠速下带载输出。
33.下面结合图2对本实用新型提供的一种空冷燃料电池系统停机吹扫的工作流程进行详细描述。
34.以下是进行燃料电池系统停机吹扫的具体步骤：
35.由系统检测燃料电池堆1空气冷却流道12入口的温度，判断是否需要辅助加热。
36.当系统检测燃料电池堆1空气冷却流道12入口的温度低于0℃时，闭合加热器40的第一继电器51，通过控制器50调节风扇41的pwm为最低转速，通过加热器40加热流入空气冷却流道12的空气，加热后的热空气对燃料电池堆1的空气冷却流道12进行直接加热。
37.当系统检测燃料电池堆1空气冷却流道12入口的温度高于0℃时，通过控制器50开启阴极流道11吹扫，调高鼓风机201的转速以维持过多空气(氧气)，更快带走阴极流道11生成的水，同时，鼓风机201高速转动产生的热空气可直接加热燃料电池堆1。
38.通过控制器50进行阳极吹扫，调节氢进压力p1(25kpa≤p1≤65kpa)，氢排电磁阀，排放周期t0(5s≤t0≤15s)，排放时间t1(100ms≤t1≤1000ms)。
39.通过控制器50闭合负载6第二继电器52接入负载6，调节系统在怠速下带载输出。
40.通过控制器50调节温度，保持燃料电池堆芯温度t2在目标温度ts(40℃≤ts≤60℃)内，此时的目标温度有利于燃料电池堆1内的液态水加速蒸发为水蒸气，而更快地排出。主要利用氢氧燃料发生催化反应放热，以及利用鼓风机201高速转动产生的热空气直接加热，同时，调节风扇41的pwm值为0，降低空气冷却流道12的冷空气流入，以减少热量散失。
41.通过控制器50实时检测电堆内阻和电压，由电堆的内阻值r1和电压u1与相应的预设值比较，判断是否进行系统关机，结束停机吹扫。
42.当燃料电池堆1的内阻值r1＞rs且u1＜us时，断开负载6第二继电器52，负载6断开；否则继续进行停机吹扫。
43.断开负载6后，通过控制器50关闭阴极吹扫系统，调节鼓风机201的pwm为0，不再提供空气(氧气)。
44.通过控制器50关闭阳极吹扫系统，关闭氢进电磁阀，调节氢排电磁阀，排放次数为n次(n≤10次)，排放周期t0(1s≤t0≤3s)，排放时间t1(100ms≤t1≤1000ms)，不再提供氢气。
45.通过控制器50进行系统关机，结束停机吹扫，不再进行控制调节。
46.在燃料电池停机吹扫运行中，通过实时检测燃料电池堆内阻和电压的参数，进而通过控制器50集成控制阴极吹扫系统、阳极吹扫系统和空气冷却流道吹扫系统，结合其它参数和实际工况参数进一步地确定停机吹扫的方法。
47.综上所述，本实用新型提供的一种空冷燃料电池系统，能有效实现空冷型燃料电
池系统在不额外使用过多能耗附属设备的情况下，利用阴极吹扫系统、阳极吹扫系统、空气冷却流道吹扫系统和控制系统，实现对空冷燃料电池高效吹扫，并有效缓解吹扫不完全对燃料电池进行低温存储和低温启动的永久伤害。
48.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
技术特征：1.一种空冷燃料电池系统，其特征在于，包含燃料电池堆、阳极吹扫系统、阴极吹扫系统、空气冷却流道吹扫系统、控制系统；所述燃料电池堆包含阳极流道、阴极流道、空气冷却流道；所述阳极吹扫系统用于对所述的阳极流道进行吹扫；所述阴极吹扫系统用于对燃料电池阴极流道进行吹扫；所述阳极流道和所述阴极流道之间并联设置有至少一负载，利用燃料电池系统带载产生的热量加速燃料电池内部水的蒸发；所述空气冷却流道吹扫系统用于对空气冷却流道进行吹扫；所述控制系统用于对燃料电池停机吹扫的控制。2.如权利要求1所述的空冷燃料电池系统，其特征在于：所述阳极吹扫系统包含设置在阳极进口管道的比例阀、电磁阀、压力传感器；所述电磁阀控制氢气的间歇吹扫排放。3.如权利要求1所述的空冷燃料电池系统，其特征在于：所述阴极吹扫系统包含至少一鼓风机；由所述鼓风机产生的热空气对燃料电池阴极流道进行直接吹扫，将阴极流道反应生成的水、阳极流道流入的水和未反应的空气排出。4.如权利要求1所述的空冷燃料电池系统，其特征在于：所述空气冷却流道吹扫系统包含温度传感器、加热器、风扇；所述温度传感器用于将温度监测信号传输至所述控制系统；所述加热器根据所述控制系统的指令向所述空气冷却流道输送热空气；所述风扇根据所述控制系统的指令向所述空气冷却流道输送冷空气。5.如权利要求4所述的空冷燃料电池系统，其特征在于：所述温度传感器包含第一温度传感器、第二温度传感器；所述第一温度传感器用于检测进入所述空气冷却流道的空气温度；所述第二温度传感器用于检测进入所述燃料电池堆的堆芯温度。6.如权利要求1所述的空冷燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池堆包含反应空气和冷却空气由不同流道空气源供应的空冷燃料电池堆。7.如权利要求1所述的空冷燃料电池系统，其特征在于：所述控制系统包含控制器、继电器，用于整个燃料电池系统的集成控制。
技术总结本实用新型公开了一种空冷燃料电池系统，包含燃料电池堆、阳极吹扫系统、阴极吹扫系统、空气冷却流道吹扫系统、控制系统。所述阳极吹扫系统用于对燃料电池阳极流道进行吹扫；所述阴极吹扫系统用于对燃料电池阴极流道进行吹扫；所述阳极流道和所述阴极流道中间并联设置有负载，利用燃料电池系统带载产生的热量加速燃料电池内部水的蒸发；所述空气冷却流道吹扫系统用于对空气冷却流道进行吹扫；所述控制系统用于对燃料电池停机吹扫的集成控制。本实用新型所提供的空冷燃料电池系统可以对燃料电池进行高效吹扫，实现对成本的控制及燃料电池的长久保护。的长久保护。的长久保护。
技术研发人员：赵邓玉 曹文娟 覃保东 程龙 孙吉有 朱荣杰
受保护的技术使用者：航天氢能（上海）科技有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/7/5
