CN110459783A - 一种燃料电池发动机空气控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机空气控制系统，包括空气滤清器、第一进气消音器、空压机、第二进气消音器、中冷器、膜增湿器、电堆、主路进气阀、旁路进气阀、主路排气阀、尾排背压阀及尾排消音器，通过主路进气阀与旁路进气阀的的协同工作来控制空气的进气量和干湿程度，并通过冷却液循环系统与进入电堆前的空气进行热交换，保证了空气进电堆前处于可控且适宜的温度，该控制系统能够有效改善电堆在低荷载条件下的过增湿状态，提高燃料电池发动机在不同荷载下的输出性能，改善燃料电池发动机在停机状态下因耗氧放电对膜电极的腐蚀的问题，进而提高燃料电池发动机零部件的寿命，减缓燃料电池发动机性能的衰减速度。

Description

一种燃料电池发动机空气控制系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车燃料电池发动机技术领域，尤其是一种燃料电池发动机空气控制系统。
背景技术
燃料电池是一种把燃料中的化学能通过化学反应直接转化为电能的发电装置。整个发电装置由多个子系统组成，空气系统为发动机提供参与化学反应的氧化剂，氧化剂的进气方式及控制方法对发动机的性能输出具有至关重要的作用。现有技术中空气进气系统比较简单，无法控制燃料电池发动机在不同载荷下的进气干湿程度，致使发动机在低荷载条件下出现过增湿状态，影响燃料电池发动机的电化学反应效率，进而直接影响发动机性能输出。并且，在发动机停机后，电堆的进气口和出气口两端处于敞开状态，剩余氢气会在电堆内部进行反应形成电压，该类电压长时间处于高电位，对膜电极的腐蚀非常严重，会大大降低燃料电池发动机的耐久性，致使发动机性能衰减加剧。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池发动机空气控制系统，能够有效改善电堆在低荷载条件下的过增湿状态，提高燃料电池发动机在不同荷载下的输出性能，改善燃料电池发动机在停机状态下因耗氧放电对膜电极的腐蚀，进而提高燃料电池发动机零部件的寿命，减缓燃料电池发动机性能的衰减速度。
一种燃料电池发动机空气控制系统，包括空气滤清器、空压机、中冷器、膜增湿器、电堆、主路进气阀、旁路进气阀及主路排气阀，所述空压机的进气口与空气滤清器的出气口连通，出气口与中冷器的进气口连通，所述膜增湿器的空气进口与中冷器的出气口连通，空气出口与电堆的空气进口连通，尾气进口与电堆的尾气出口连通，所述主路进气阀设置在膜增湿器的空气出口与电堆的空气进口的连接管路上，所述旁路进气阀的进气口连接在中冷器的出气口与膜增湿器的空气进口的连接管路上，出气口连接在所述膜增湿器的空气出口与电堆的空气进口的连接管路上，所述主路排气阀设置在电堆的尾气出口与膜增湿器的尾气进口的连接管路上；还包括冷却液循环系统，所述冷却液循环系统与空压机和中冷器连接，与进入电堆前的空气进行热交换。
作为上述方案的优选，所述膜增湿器的尾气出口还设有背压电磁阀。
作为上述方案的优选，所述冷却液循环系统包括水箱、水泵、散热器及空压机变频器，所述水泵的进水口与水箱的出水口连通，出水口与散热器的进水口连通，所述散热器的出水口分别与中冷器、空压机及空压机变频器的进水口连通，所述中冷器和空压机变频器的出水口直接与水箱的进水口连通，所述空压机的出水口有两路支管，一路支管与空压机变频器的进水口连通，另一路支管直接与水箱的进水口连通。
作为上述方案的优选，所述膜增湿器的空气进气口处设有温度传感器，所述电堆的空气进气口处设有压力传感器。
作为上述方案的优选，所述空气滤清器的出气口与空压机的进气口的连接管路上设有第一进气消音器，所述空压机的出气口与中冷器的进气口的连接管路上设有第二进气消音器。
作为上述方案的优选，所述尾排背压阀的出气口的连接管路上设有尾排消音器。
本发明的有益效果在于：
通过设计空气进气旁路，改善电堆在低荷载条件下的过增湿状态，提高燃料电池发动机在不同载荷下的性能输出。电堆的空气进口及尾气出口分别设置主路进气阀和主路排气阀，用于控制进气、排气，使发动机在停机时电堆立即停止空气进入，减少残余氢气反应时间，改善发动机停机状态下氢气耗氧放电对膜电极的腐蚀，改善发动机关键零部件的寿命，减缓燃料电池发动机性能的衰减速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记如下：1-空气滤清器、2-空压机、3-中冷器、4-膜增湿器、5-电堆、6-主路进气阀、7-旁路进气阀、8-主路排气阀、9-背压电磁阀、10-水箱、11-水泵、12-散热器、13-空压机变频器、14-温度传感器、15-压力传感器、16-第一进气消音器、17-第二进气消音器、18-尾排消音器。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本实施例。
如图1所示，一种燃料电池发动机空气控制系统，包括空气滤清器1、空压机2、中冷器3、膜增湿器4、电堆5、主路进气阀6、旁路进气阀7及主路排气阀8，所述空压机2的进气口与空气滤清器1的出气口连通，出气口与中冷器3的进气口连通，所述膜增湿器4的空气进口与中冷器3的出气口连通，空气出口与电堆5的空气进口连通，尾气进口与电堆5的尾气出口连通，所述主路进气阀6设置在膜增湿器4的空气出口与电堆5的空气进口的连接管路上，所述旁路进气阀7的进气口连接在中冷器3的出气口与膜增湿器4的空气进口的连接管路上，出气口连接在所述膜增湿器4的空气出口与电堆5的空气进口的连接管路上，所述主路排气阀8设置在电堆5的尾气出口与膜增湿器4的尾气进口的连接管路上；还包括冷却液循环系统，所述冷却液循环系统与空压机2和中冷器3连接，与进入电堆5前的空气进行热交换。
在本实施例中，所述膜增湿器4的尾气出口还设有背压电磁阀9，可以有效控制燃料电池发动机空气系统内外压力差，保证电堆5内部空气即电堆5反应所需的氧化剂充足，提高电堆5的反应速率。
在本实施例中，所述冷却液循环系统包括水箱10、水泵11、散热器12及空压机变频器13，所述水泵11的进水口与水箱10的出水口连通，出水口与散热器12的进水口连通，所述散热器12的出水口分别与中冷器3、空压机2及空压机变频器13的进水口连通，所述中冷器3和空压机变频器13的出水口直接与水箱10的进水口连通，所述空压机2的出水口有两路支管，一路支管与空压机变频器13的进水口连通，另一路支管直接与水箱10的进水口连通。
在本实施例中，所述膜增湿器4的空气进气口处设有温度传感器14，所述电堆5的空气进气口处设有压力传感器15。
在本实施例中，所述空气滤清器1的出气口与空压机2的进气口的连接管路上设有第一进气消音器16，所述空压机2的出气口与中冷器3的进气口的连接管路上设有第二进气消音器17。
在本实施例中，所述尾排背压阀9的出气口的连接管路上设有尾排消音器18。
设置第一进气消音器16、第二进气消音器17及尾排消音器18均是为了降低空气系统在进气、排气过程中产生的噪音，提高驾驶者的驾驶体验。
本发明的工作原理如下：
发动机开始运行时，空气经过空气滤清器1过滤、空压机2加压之后进入膜增湿器4增湿，然后进入电堆5进行电化学反应，反应之后的尾气再经过膜增湿器4之后排放到大气中，其中，经过膜增湿器4的尾气中携带有反应产生的水蒸气，部分水蒸气在膜增湿器4内部渗透，对经过的空气进行增湿。为了防止燃料电池发动机在低荷载运行输出的情况下电堆5出现过增湿的情况，本发明设计了主路进气阀6和旁路进气阀7，其中，经过主路进气阀6进入电堆5的空气是经过增湿的，经过旁路进气阀7进入电堆的空气是未被增湿的，在保证燃料电池发动机不同荷载下的进气量满足要求的情况下，通过协同控制主路进气阀6和旁路进气阀7的阀芯开关量来控制空气进入电堆5前的干湿程度。燃料电池发动机在低荷载运行输出的情况下，电堆5要求空气湿度低，此时经过膜增湿器4增湿之后从主路进气阀6出气口进入电堆5的空气量占比低，直接经过旁路进气阀7进入电堆5的空气量占比高；燃料电池发动机在高荷载运行输出的情况下，电堆5要求空气湿度高，此时经过膜增湿器4增湿之后从主路进气阀6出气口进入电堆5的空气量占比高，直接经过旁路进气阀7进入电堆5的空气量占比低。其中，主路进气阀6和旁路进气阀7通过燃料电池发动机24V-CAN信号控制阀芯的旋转角度，来匹配燃料电池发动机在不同荷载运行输出下的空气进气量和空气湿度，设置压力传感器15用来实时检测电堆5的进气量。
冷却液循环系统设计成多级并联换热系统，有效提高了换热效率，经过散热器12的冷却液分为三路循环，首先第一路进入到空压机变频器13，通过流量控制，实现对空压机变频器13的运行温度控制；与该路并联的第二路冷却液从空压机2电机冷却口进入，对空压机2电机进行水循环降温处理；与该两路并联的第三路冷却液从中冷器3入口进入，实现对空压机2出气口的高温空气的热交换；最终该三路冷却液统一汇合返回到散热器12内部，进行整体降温，进而实现对进入电堆5内部的空气温度的控制，使经过中冷器3降温之后的空气温度控制在65℃左右，达到进入电堆5的温度要求，设置温度传感器14用来实时检测空气进入电堆5的温度。
在发动机停机后，发动机进行关机前的所有既定程序，包括空气路和氢气路的吹扫等操作后，主路进气阀6、旁路进气阀7及主路排气阀8立刻关闭，电堆5随即停止进气和排气，无额外空气进入电堆5参与化学反应，避免发动机停机时还没有反应完的氢气在电堆5内部继续反应形成电压，该类电压长时间处于高电位，会对膜电极造成严重腐蚀，进而降低燃料电池发动机的耐久性。
本实施例中，空气滤清器采用的型号为KLQ-150，空压机采用的型号为XT-3045A-010，中冷器采用的型号为XT-45A-015，膜增湿器采用的型号为KL-H50-020，主路进气阀采用的型号为XT-45A-025-DN40-1，旁路进气阀采用的型号为XT-45A-025-DN40-2，主路排气阀采用的型号为XT-45A-025-DN40-3，背压电磁阀采用的型号为XT-JQM-45A-DN50，空压机变频器采用的型号为XT-3045A-010-BPQ，温度传感器采用的型号为KDT-AT-010，压力传感器采用的型号为SNS-AP-020，第一进气消音器采用的型号为BC-EM-150，第二进气消音器采用的型号为BC-EM-155，尾排消音器采用的型号为BC-EM-160。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池发动机空气控制系统，其特征在于：包括空气滤清器、空压机、中冷器、膜增湿器、电堆、主路进气阀、旁路进气阀及主路排气阀，所述空压机的进气口与空气滤清器的出气口连通，出气口与中冷器的进气口连通，所述膜增湿器的空气进口与中冷器的出气口连通，空气出口与电堆的空气进口连通，尾气进口与电堆的尾气出口连通，所述主路进气阀设置在膜增湿器的空气出口与电堆的空气进口的连接管路上，所述旁路进气阀的进气口连接在中冷器的出气口与膜增湿器的空气进口的连接管路上，出气口连接在所述膜增湿器的空气出口与电堆的空气进口的连接管路上，所述主路排气阀设置在电堆的尾气出口与膜增湿器的尾气进口的连接管路上；还包括冷却液循环系统，所述冷却液循环系统与空压机和中冷器连接，与进入电堆前的空气进行热交换。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机空气控制系统，其特征在于：所述膜增湿器的尾气出口还设有背压电磁阀。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机空气控制系统，其特征在于：所述冷却液循环系统包括水箱、水泵、散热器及空压机变频器，所述水泵的进水口与水箱的出水口连通，出水口与散热器的进水口连通，所述散热器的出水口分别与中冷器、空压机及空压机变频器的进水口连通，所述中冷器和空压机变频器的出水口直接与水箱的进水口连通，所述空压机的出水口有两路支管，一路支管与空压机变频器的进水口连通，另一路支管直接与水箱的进水口连通。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机空气进气控制系统，其特征在于：所述膜增湿器的空气进气口处设有温度传感器，所述电堆的空气进气口处设有压力传感器。
5.根据权利要求2所述的一种燃料电池发动机空气进气控制系统，其特征在于：所述空气滤清器的出气口与空压机的进气口的连接管路上设有第一进气消音器，所述空压机的出气口与中冷器的进气口的连接管路上设有第二进气消音器。
6.根据权利要求2所述的一种燃料电池发动机空气进气控制系统，其特征在于：所述尾排背压阀的出气口的连接管路上设有尾排消音器。
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