CN110010929A - 一种怠速系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种怠速系统，包括燃料反应电堆、燃料供应管路、氧化剂供应管路和控制器；所述燃料供应管路用于将燃料输送到所述燃料反应电堆的阳极；所述氧化剂供应管路用于将氧化剂输送到所述燃料反应电堆的阴极，所述氧化剂供应管路包括空压机和喷射器，所述喷射器用于将氧化剂喷射进入所述燃料反应电堆的阴极；所述燃料反应电堆的阴极设置循环管路，所述循环管路能使阴极排出的气体再次进入阴极入口侧；本发明还提供该怠速系统的控制方法，本发明的通过降低氧化剂的浓度从而降低燃料电池输出功率，而且还会提高燃料的利用效率及车辆的安全性，从而提升车辆的整体性能。

Description

一种怠速系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池控制领域，特别涉及一种怠速系统及其控制方法。

背景技术

近年来，新能源汽车正受到大家的重视，其中燃料电池汽车也逐渐收到越来越多的关注。燃料电池系统包括燃料电堆，反应气体在其中发生电化学反应产生电能；以及反应气体供应装置，其通过反应气体流路来对燃料电堆供应反应气体。

燃料电堆是将数百个单电池进行层叠而得到的堆结构，而单电池是由一对双极板来夹持膜电极MEA而构成的。膜电极结构体由阳电级和阴电级以及中间的高分子电解质膜组成。

若对燃料电池的阳极电极供应作为燃料气体的氢，且对阴极电极供应作为氧化剂气体的空气，则电化学反应进行从而发电。如此，由于燃料电池通过电化学反应而直接得到电，因此凭借发电效率高这一点而优选。另外，由于燃料电池在发电时只生成无害的水，因此从对环境的影响的点来说也优选。

在以这样的燃料电池系统为动力源的燃料电池车辆中，如果在交通堵塞或者遇到红灯等待等车辆停止时还继续进行怠速发电的情况下，执行停止氧化剂气体以及燃料气体的供应从而停止怠速发电的怠速停止。通过执行该怠速停止，能实现燃料的高效的利用。

然而，若执行该怠速停止，燃料电池会因残留在燃料电池系统内的氢以及空气发电而产生开路高电压，从而电解质膜以及催化剂会劣化。为此，日本特开2006-294304号公报提出了这样一种技术：即使在怠速停止时停止了氧化剂气体以及燃料气体的供应的情况下，也通过从燃料电池取出电流未消耗残留在燃料电池系统内的氢以及氧，从而不仅防止燃料电池成为高电位，还抑制电解质膜的劣化。另外在燃料电池会因残留在燃料电池系统内而发生交叉泄漏现象产生逆电流，从而电解质膜会劣化。为此，日本特开2005-327492号公报提出了这样一种技术：通过对怠速停止中的燃料电池供应低流量的氧化剂气体，来减少滞留在电解质膜附近的氧量，从而抑制与氢之间的反应，抑制电解质膜的劣化。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种怠速系统及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一方面，本发明提供一种怠速系统，包括燃料反应电堆、燃料供应管路、氧化剂供应管路和控制器；所述燃料供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将燃料输送到所述燃料反应电堆的阳极；所述氧化剂供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将氧化剂输送到所述燃料反应电堆的阴极，所述氧化剂供应管路包括空压机和喷射器，所述空压机与所述喷射器连通，所述喷射器用于将氧化剂喷射进入所述燃料反应电堆的阴极；所述燃料反应电堆的阴极设置循环管路，所述循环管路包括并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路的的出气端与所述空压机的进气端连通，所述第二支路的出气端与所述喷射器的进气端连通；所述空压机和喷射器均与所述控制器通信连接。

具体地，所述控制器用于根据车辆运行状态控制所述怠速系统做出相应的运行模式。

进一步地，所述燃料供应管路包括依次设置的燃料供应装置、压力控制阀和流量控制阀，所述压力控制阀和流量控制阀均与所述控制器连接，所述燃料供应装置用于提供燃料进入燃料供应管路，所述压力控制阀用于调整管路中燃料的压力情况，所述流量控制阀用于调整管路中燃料的浓度状态。

进一步地，所述氧化剂供应管路还包括空气过滤器，所述空气过滤器的出气端与所述空压机的进气端连通，并且所述空压机和所述喷射器之间设置第一止通阀，所述控制过滤器和所述空压机之间设置第一三通阀，所述第一支路的出气端与所述第一三通阀连通，所述空气过滤器用于过滤掉空气中的杂质以及硫化物和碳氧化物，所述空压机用于将空气压力增加到工作压力。

进一步地，所述空压机和所述燃料反应电堆的阴极之间设有与所述喷射器并联的第三支路，所述第三支路上设有第二止通阀，所述循环管路上设有第三止通阀，所述第一支路上设有第四止通阀，所述燃料反应电堆的阴极的出气端设有第二三通阀，并且所述空气过滤器、第一止通阀、第二止通阀、第三止通阀、第四止通阀、第一三通阀和第二三通阀均与所述控制器连接。

进一步地，所述燃料反应电堆的阳极设有循环管路，所述循环管路上设有氢循环泵。

进一步地，所述怠速系统还包括稀释室，所述稀释室分别与所述燃料反应电堆的阳极的出气端和阴极的出气端连通，用于接收燃料反应电堆产生的废气。

另一方面，本发明还提供一种怠速系统的控制方法，利用上述所述的怠速系统实施该方法，所述方法包括以下步骤：

接收车辆运行状态信息；

判断所述运行状态信息是否是怠速状态；若是，则控制所述系统进行怠速操作，以降低所述系统的输出功率；若否，则控制系统为正常启动操作。

具体地，当前路工况发生变化，司机执行怠速操作时，所述控制器接收到怠速指令，并控制怠速系统进行相应的操作。

具体地，所述怠速操作包括以下步骤：控制压力控制阀降低所述燃料供应管路中燃料的压力，控制流量控制阀，降低所述燃料供应管路中燃料的流量，同时降低所述轻循环泵的转速；关闭第二止通阀和第四止通阀，打开第一止通阀和第三止通阀，同时控制降低所述空压机的转速；控制第一三通阀通入适量的空气，控制第二三通阀排出适量的废气，以保持所述氧化剂供应管路中的低氧化剂浓度。

具体地，所述控制所述怠速系统进行怠速操作还包括：控制所述喷射器工作，降低所述燃料反应电堆的阴极的氧化剂浓度，以降低所述燃料反应电堆的反应效率，进而减少所述燃料反应电堆的输出功率。

进一步地，所述正常启动操作包括以下步骤：控制压力控制阀提升所述燃料供应管路中燃料的压力，控制流量控制阀提升所述燃料供应管路中燃料的流量，同时提高所述轻循环泵的转速；打开第二止通阀和第四止通阀，关闭第一止通阀和第三止通阀，同时控制提高所述空压机的转速。

采用上述技术方案，本发明所述的一种怠速系统及其控制方法具有如下有益效果：

1.本发明所述的一种怠速系统及其控制方法，通过在燃料反应电堆的阴极设置循环管路以及喷射器的配合使用，可以有效的降低氧化剂气体的浓度，从而减少怠速时燃料电池的输出功率。

2.本发明所述的一种怠速系统及其控制方法，怠速时氧化剂气体较大的流速可以避免低流速时水淹，避免电堆内产生的水重新结冰，同时也能避免出现交叉泄露现象。

3.本发明所述的一种怠速系统及其控制方法，在怠速中空压机的转速无需过低，可有效避免NVH问题。

4.本发明所述的一种怠速系统及其控制方法，怠速状态下无需关闭电堆，在怠速之后可以迅速进入工作状态，提高了系统的工作效率，节约了资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。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它附图。

图1本发明所述的一种怠速系统的结构简图；

图2本发明所述的一种怠速系统控制方法的流程图。

图中：1-燃料供应装置，2-压力控制阀，3-流量控制阀，4-氢循环泵，5-空气过滤器，6-空压机，7-第一止通阀，8-喷射器，9-第二止通阀，10-燃料反应电堆的阳极，11-电解质膜，12-燃料反应电堆的阴极，13-第三止通阀，14-稀释室，15-负载，16-第四止通阀，17-第一三通阀，18-第二三通阀。

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的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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

在以燃料电池系统为动力源的燃料电池车辆中，燃料电池在怠速状态下的运行一直是个研究的热点，都是为了提高燃料电池的利用效率从而提高整车的工作效率，现有技术方案中有停止供应氧化剂和燃料气体，但这会发生交叉泄露的现象，从而会劣化电解质膜，随后又有提出通过供应低流量的氧化剂气体来抑制电解质膜的劣化，但是这种方法在电池反应电堆产生的水无法及时排出，会淹没电极，降低电池的使用寿命。因为，本实施例提供一种怠速系统，不仅能够减少电堆净输出功率，还能避免电解质膜及催化剂的劣化，而且还能保护电池。如图1所示，所述怠速系统包括包括燃料反应电堆、燃料供应管路、氧化剂供应管路和控制器；所述燃料供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将燃料输送到所述燃料反应电堆的阳极10；所述氧化剂供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将氧化剂输送到所述燃料反应电堆的阴极12，所述氧化剂供应管路包括空压机6和喷射器8，所述空压机6与所述喷射器8连通，所述喷射器8用于将氧化剂喷射进入所述燃料反应电堆的阴极12；所述燃料反应电堆的阴极12设置循环管路，所述循环管路包括并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路的的出气端与所述空压机6的进气端连通，所述第二支路的出气端与所述喷射器8的进气端连通；所述空压机6和喷射器8均与所述控制器通信连接。

在一些实施例中，所述燃料反应电堆有上百个燃料电池组成，每个燃料电池是由阴极12、电解质膜11和阳极10组成，在每片单电池中，燃料会由阳极流道在催化层的催化下发生电化学反应，空气会通过阴极流道在催化层的催化下发生电化学反应，从而形成电子的流动，最后通过负载15将电能释放出去。

在一些实施例中，阳极10和阴极12紧贴在电解质膜11两侧，阳极10由燃料供应管路供应燃料，从燃料供应装置1经过压力调节阀2以及流量阀3控制反应气体的压力与流量，在经过阳极10后会通过氢循环泵4将排出气体循环至入口处再使用，从而达到提升燃料利用率的效果。同时在循环后，在阳极10中会剩余微量惰性气体，阳极路会有吹扫阀(图中未显示)将气体排出保证燃料浓度。

在一些实施例中，氧化剂供应管路中，空气首先通过空气过滤器5，会过滤掉空气中的杂质以及硫化物和碳氧化物，再经过空压机6增压，将空气的压力增加到工作压力。在正常工作状态下，由于整车需要较高的功率需求，在阴极管路中，所述控制器控制打开打开第二止通阀9，同时会控制关闭第一止通阀7和第三止通阀13，这样就能保证空压机6能够直接将氧化剂气体输出给阴极12。

在本实施例中，还在怠速系统中设置了第一三通阀17和第二三通阀18，通过三通阀的设置，可以在怠速状态中，控制阴极管路中氧化剂的流量和浓度。

在本实施例中，进入怠速状态中，由于整车对功率的需求大幅度下降，在阴极管路降低氧化剂供应浓度，同时又提高氧化剂气体的流量，降低了电堆输出功率，此时电堆输出功率仅提供空压机6以及氢循环泵4等寄生功率，净输出功率为零。

在一些实施例中，所述怠速系统还包括稀释室，所述稀释室分别与所述燃料反应电堆的阳极的出口和阴极的出口连通，用于接收燃料反应电堆产生的废气。

本实施例提供的一种怠速系统具有如下有益效果：

1)本发明所述的一种怠速系统，通过在燃料反应电堆的阴极设置循环管路以及喷射器的配合使用，可以有效的降低氧化剂气体的浓度，从而减少怠速时燃料电池的输出功率。

2)本发明所述的一种怠速系统，怠速时氧化剂气体较大的流速可以避免低流速时水淹，避免电堆内产生的水重新结冰，同时也能避免出现交叉泄露现象。

3)本发明所述的一种怠速系统，在怠速中空压机的转速无需过低，可有效避免NVH问题。

4)本发明所述的一种怠速系统，怠速状态下无需关闭电堆，在怠速之后可以迅速进入工作状态，提高了系统的工作效率，节约了资源。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种怠速系统的控制方法，包括如下步骤：

接收车辆运行状态信息；

判断所述运行状态信息是否是怠速状态；若是，则控制所述系统进行怠速操作，以降低所述系统的输出功率；若否，则控制系统为正常启动操作。

具体地，当前路工况发生变化，司机执行怠速操作时，所述控制器接收到怠速指令，并控制怠速系统进行相应的操作。

具体地，所述怠速操作包括以下步骤：控制压力控制阀2降低所述燃料供应管路中燃料的压力，控制流量控制阀3，降低所述燃料供应管路中燃料的流量，同时降低所述轻循环泵4的转速；关闭第二止通阀9和第四止通阀16，打开第一止通阀7和第三止通阀13，同时控制降低所述空压机6的转速；控制第一三通阀17通入适量的空气，控制第二三通阀18排出适量的废气，以保持所述氧化剂供应管路中的低氧化剂浓度。

具体地，在阴极管路，所述喷射器8接收来自空压机6的空气，然后将带有一定动能的喷射气体从喷口喷入燃料反应电堆的阴极12，同时由于循环管路的打开，空压机6将阴极12排出的气体再次吸入阴极入口侧，从而有效的降低氧化剂的浓度，同时控制第一三通阀17和第二三通阀18，适量的通入空气和排出废气，使得阴极管路中氧化剂浓度保持在较低的水平，而喷射器8可以使得氧化剂保持很好的流速，能够保证阴极内生成的水能及时排出电堆，保证在低功率输出时的水管理问题，避免水淹的现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种怠速系统，其特征在于，包括燃料反应电堆、燃料供应管路、氧化剂供应管路和控制器；

所述燃料供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将燃料输送到所述燃料反应电堆的阳极(10)；

所述氧化剂供应管路与所述燃料反应电堆连通，用于将氧化剂输送到所述燃料反应电堆的阴极(12)，所述氧化剂供应管路包括空压机(6)和喷射器(8)，所述空压机(6)与所述喷射器(8)连通，所述喷射器(8)用于将氧化剂喷射进入所述燃料反应电堆的阴极(12)；

所述燃料反应电堆的阴极(12)设置循环管路，所述循环管路包括并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路的的出气端与所述空压机(6)的进气端连通，所述第二支路的出气端与所述喷射器(8)的进气端连通；

所述空压机(6)和喷射器(8)均与所述控制器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种怠速系统，其特征在于，所述燃料供应管路包括依次设置的燃料供应装置(1)、压力控制阀(2)和流量控制阀(3)，所述压力控制阀(2)和流量控制阀(3)均与所述控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种怠速系统，其特征在于，所述氧化剂供应管路还包括空气过滤器(5)，所述空气过滤器(5)的出气端与所述空压机(6)的进气端连通，并且所述空压机(6)和所述喷射器(8)之间设置第一止通阀(7)，所述控制过滤器(5)和所述空压机(6)之间设置第一三通阀(17)，所述第一支路的出气端与所述第一三通阀(17)连通。

4.根据权利要求3所述的一种怠速系统，其特征在于，所述空压机(6)和所述燃料反应电堆的阴极(12)之间设有与所述喷射器(8)并联的第三支路，所述第三支路上设有第二止通阀(9)，所述循环管路上设有第三止通阀(13)，所述第一支路上设有第四止通阀(16)，所述燃料反应电堆的阴极(12)的出气端设有第二三通阀(18)，并且所述空气过滤器(5)、第一止通阀(7)、第二止通阀(9)、第三止通阀(13)、第四止通阀(16)、第一三通阀(17)和第二三通阀(18)均与所述控制器连接。

5.根据权利要求1所述的一种怠速系统，其特征在于，所述燃料反应电堆的阳极(10)设有循环管路，所述循环管路上设有氢循环泵(4)。

6.根据权利要求4所述的一种怠速系统，其特征在于，还包括稀释室(14)，所述稀释室(15)分别与所述燃料反应电堆的阳极(10)的出气端和阴极(12)的出气端连通，用于接收燃料反应电堆产生的废气。

7.一种怠速系统的控制方法，利用权利要求1-6任一项所述的怠速系统实施该方法，其特征在于，所述方法包括：

接收车辆运行状态信息；

判断所述运行状态信息是否是怠速状态；若是，则控制所述系统进行怠速操作，以降低所述系统的输出功率；若否，则控制系统为正常启动操作。

8.根据权利要求7所述的一种怠速系统的控制方法，其特征在于，所述怠速操作包括以下步骤：

控制压力控制阀(2)降低所述燃料供应管路中燃料的压力，控制流量控制阀(3)，降低所述燃料供应管路中燃料的流量，同时降低所述轻循环泵(4)的转速；

关闭第二止通阀(9)和第四止通阀(16)，打开第一止通阀(7)和第三止通阀(13)，同时控制降低所述空压机(6)的转速；

控制第一三通阀(17)通入适量的空气，控制第二三通阀(18)排出适量的废气，以保持所述氧化剂供应管路中的低氧化剂浓度。

9.根据权利要求7所述的一种怠速系统的控制方法，其特征在于，所述控制所述怠速系统进行怠速操作还包括：

控制所述喷射器(8)工作，降低所述燃料反应电堆的阴极(12)的氧化剂浓度。

10.根据权利要求7所述的一种怠速系统的控制方法，其特征在于，所述正常启动操作包括以下步骤：

控制压力控制阀(2)提升所述燃料供应管路中燃料的压力，控制流量控制阀(3)提升所述燃料供应管路中燃料的流量，同时提高所述轻循环泵(4)的转速；

打开第二止通阀(9)和第四止通阀(16)，关闭第一止通阀(7)和第三止通阀(13)，同时控制提高所述空压机(6)的转速。