CN110649287B - 一种燃料电池发动机系统及其供气系统和一种控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机系统及其供气系统和一种控制方法，供气系统包括氢气供给系统和空气供给系统，氢气出口管路连接有两位两通阀，两位两通阀并联有第一氢气循环管路和第二氢气循环管路，第一氢气循环管路连接于膨胀压气一体机的压气机的入口，压气机的出口再连接于氢气循环总管路，氢气循环总管路连接于氢气入口管路，第二氢气循环管路通过氢气引射器连接于氢气循环总管路，氢气入口管路上设置有入口氢气压力检测装置，空气出口管路连接于膨胀压气一体机的膨胀机。本发明有效利用空气供给系统排出的高压尾气驱动膨胀压气一体机来实现氢气循环利用，降低了辅助系统的寄生负载，提升电堆的净输出功率。

Description

一种燃料电池发动机系统及其供气系统和一种控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机系统及其供气系统和一种控制方法。
背景技术
燃料电池发电系统是由燃料电池模块和必要的辅助部件组成的一个完整的可稳定运行的发电系统，通常简称为燃料电池发动机系统。电堆是由两个或多个单电池和其他必要的结构件组成的、具有统一电输出的综合体。燃料电池供气系统是为燃料电池系统提供燃料贮存、供给和调节功能的系统。
寄生负载是为维持燃料电池发电系统运行，辅助系统(空气压缩机、氢气循环泵、水泵、散热风扇等)所消耗的功率。
目前在氢气供给系统中多采用阳极入、出口处的氢气浓度导出氢气过量系数，依据过量系数与氢气循环泵转速的关系进而控制氢气的循环利用。在空气供给系统中采用车辆气刹制动系统中自带的储气罐作为燃料电池的气源，不需要再单独配置空气压缩机，并且在燃料电池启动时，可将储气罐中的压缩气体传输给燃料电池，为燃料电池提供空气。
专利“一种燃料电池氢气循环控制系统和方法”(公开号CN109524690A)方案中还需要在氢气入、出口加入浓度传感器，增加了燃料电池系统的成本，氢气循环泵采用电驱动，增加了功耗，从而增加了寄生负载，此外该专利的控制逻辑较复杂，不易实用。专利“燃料电池与使用该燃料电池的车辆”(CN205621802U)方案中仅配置一台空气压缩机，车辆在行驶中频繁加速、制动会导致气瓶中的气体不能满足燃料电池电堆需求的压缩空气，严重影响到燃料电池的工作。还会导致空气压缩机频繁启动，加速了空气压缩机寿命的衰减。
因此，如何提高氢气的循环利用率，降低辅助系统的寄生负载，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池发动机系统的供气系统，该供气系统能够提升氢气的循环利用率，降低辅助系统的寄生负载，提升电堆的净输出功率。本发明的另一个目的是提供一种燃料电池发动机系统和一种控制方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种燃料电池发动机系统的供气系统，包括：
氢气供给系统，所述氢气供给系统包括与电堆连接的氢气入口管路和氢气出口管路，所述氢气出口管路连接有两位两通阀，所述两位两通阀并联有第一氢气循环管路和第二氢气循环管路，所述第一氢气循环管路连接于膨胀压气一体机的压气机的入口，所述压气机的出口通过所述第一氢气循环管路连接于氢气循环总管路，所述氢气循环总管路的出口连接于所述氢气入口管路，所述第二氢气循环管路连接于氢气引射器的入口，所述氢气引射器的出口连接于所述氢气循环总管路，所述氢气入口管路上设置有入口氢气压力检测装置；
空气供给系统，所述空气供给系统包括与所述电堆连接的空气入口管路和空气出口管路，所述空气出口管路连接于所述膨胀压气一体机的膨胀机。
本发明提供的供气系统的工作原理如下：
燃料电池发动机常温启动后，进入发电模式，入口氢气压力检测装置实时检测进堆氢气压力值。当进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，将两位两通阀的氢气出口连通第一氢气循环管路，此时，空气出口管路排出的高压空气驱动膨胀压气一体机中的膨胀机，膨胀机同时带动另一侧的压气机，第一氢气循环管路中的氢气经过压气机加压后进入到氢气循环总管路，而后进入到氢气入口管路中循环利用，驱动膨胀机后的空气作为尾气则排放到大气中。
当入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值大于设定压力值时，将两位两通阀的氢气出口连通第二氢气循环管路，利用所述氢气引射器进行氢气循环。氢气引射器的出口连接于氢气循环总管路，从而实现氢气的循环利用。
优选地，上述供气系统还包括控制器，所述入口氢气压力检测装置为入口氢气压力传感器，所述入口氢气压力传感器检测得到的进堆氢气压力信号传递至所述控制器，所述控制器设有氢气压力比较模块，所述氢气压力比较模块用于将所述入口氢气压力传感器测得的进堆氢气压力值与设定压力值的大小进行比较；
当进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，所述控制器控制所述两位两通阀的氢气出口连通所述第一氢气循环管路；
当进堆氢气压力值大于设定压力值时，所述控制器控制所述两位连通阀的氢气出口连通所述第二氢气循环管路。
优选地，所述压气机的出口设置有油气浓度传感器，所述油气浓度传感器检测到的油气浓度信号传递至所述控制器，所述控制器设有浓度比较模块，所述浓度比较模块用于将所述油气浓度传感器测得的油气浓度值与设定浓度值的大小进行比较，当油气浓度值大于设定浓度值时，所述控制器控制所述两位两通阀的氢气出口连通所述第二氢气循环管路。
优选地，所述氢气出口管路设置有气水分离器与排水阀总成。
优选地，所述空气入口管路上沿输气方向依次设置有空气压缩机、储气瓶、空气调压阀以及空气入口压力传感器，所述储气瓶内设有储气瓶压力传感器，所述空气入口压力传感器与所述储气瓶压力传感器均连接于所述控制器，所述控制器电连接于所述空气压缩机和所述空气调压阀。
优选地，所述空气压缩机为空气轴承式压缩机。
优选地，所述空气出口管路通过背压阀连接于所述膨胀压气一体机的膨胀机，所述背压阀电连接于所述控制器。
优选地，所述氢气入口管路设置有氢气调压阀，所述氢气调压阀电连接于所述控制器。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明在氢气供给系统中采用原有的压力传感器，无需再设置新的传感器，并且可以根据压力的不同调节两位两通阀，选择膨胀压气一体机或是氢气引射器进行氢气的循环利用，该并联装置解决了低压、低流速下引射器循环利用氢气效率低，高压气体下电驱动循环泵高转速、电功率消耗大、易漏油的问题，降低辅助系统的寄生负载，提升电堆的净输出功率；
2)本发明有效利用空气供给系统排出的高压尾气驱动膨胀压气一体机，采用背靠背集成式设计，结构紧凑简单、效率高，降低了电驱动的电能消耗。
本发明还提供了一种包括上述供气系统的燃料电池发动机系统，该燃料电池发动机系统产生的有益效果的推导过程与上述供气系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
本发明还提供了一种控制方法，用于如上所述的燃料电池发动机系统的供气系统，所述控制方法的氢气循环方式为：
当所述入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，将所述两位两通阀的氢气出口连通所述第一氢气循环管路，利用所述膨胀压气一体机进行氢气循环；
当所述入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值大于设定压力值时，将所述两位两通阀的氢气出口连通所述第二氢气循环管路，利用所述氢气引射器进行氢气循环。
上述控制方法产生的有益效果的推导过程与上述供气系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明具体实施例中的供气系统利用膨胀压气一体机进行氢气循环时的原理图；
图2为本发明具体实施例中的供气系统利用氢气引射器进行氢气循环时的原理图；
图3为本发明具体实施例中的供气系统的控制策略流程图；
图4为本发明具体实施例中的空气压缩机启停控制策略流程图。
图1和图2中：
10-电堆、20-控制器、21-油气浓度传感器、30-氢气瓶、31-减压阀、32-氢气调压阀、33-入口氢气压力传感器、34-出口氢气压力传感器、35-气水分离器与排水阀总成、36-两位两通阀、37-氢气引射器、38-膨胀压气一体机、39-循环单向阀、40-空气过滤器、41-空气压缩机、42-第一单向阀、43-储气瓶、44-第二单向阀、45-空气调压阀、46-空气入口压力传感器、47-空气出口压力传感器、48-背压阀、51-氢气入口管路、52-氢气出口管路、61-第一氢气循环管路、62-第二氢气循环管路、63-氢气循环总管路、71-空气入口管路、72-空气出口管路。
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。
请参照图1和图2，图1为本发明具体实施例中的供气系统利用膨胀压气一体机进行氢气循环时的原理图；图2为本发明具体实施例中的供气系统利用氢气引射器进行氢气循环时的原理图。其中，细实线代表传感器采集信号线，细虚线代表控制线，箭头线代表气体流向。
为了提升氢气的循环利用率，降低辅助系统的寄生负载，提升电堆的净输出功率，本发明提供了一种燃料电池发动机系统的供气系统，该供气系统包括氢气供给系统和空气供给系统，其中，氢气供给系统包括与电堆10连接的氢气入口管路51和氢气出口管路52，氢气出口管路52连接有两位两通阀36，两位两通阀36并联有第一氢气循环管路61和第二氢气循环管路62，第一氢气循环管路61连接于膨胀压气一体机38的压气机的入口，压气机的出口通过第一氢气循环管路61连接于氢气循环总管路63，氢气循环总管路63的出口连接于氢气入口管路51，第二氢气循环管路62连接于氢气引射器37的入口，氢气引射器37的出口连接于氢气循环总管路63，氢气入口管路51上设置有入口氢气压力检测装置；
空气供给系统，空气供给系统包括与电堆10连接的空气入口管路71和空气出口管路72，空气出口管路72连接于膨胀压气一体机38的膨胀机。
如图1所示，另外，氢气供给系统还包括氢气瓶30、减压阀31、氢气调压阀32、入口氢气压力传感器33和出口氢气压力传感器34。
本发明提供的供气系统的工作原理如下：
燃料电池发动机常温启动后，进入发电模式，入口氢气压力检测装置实时检测进堆氢气压力值。当进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，将两位两通阀36的氢气出口连通第一氢气循环管路61，此时，空气出口管路72排出的高压空气驱动膨胀压气一体机38中的膨胀机，膨胀机同时带动另一侧的压气机，第一氢气循环管路61中的氢气经过压气机加压后进入到氢气循环总管路63，而后进入到氢气入口管路51中循环利用，驱动膨胀机后的空气作为尾气则排放到大气中。
当入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值大于设定压力值时，将两位两通阀36的氢气出口连通第二氢气循环管路62，利用氢气引射器37进行氢气循环。氢气引射器37的出口连接于氢气循环总管路63，从而实现氢气的循环利用。
优选地，上述供气系统还包括控制器20，入口氢气压力检测装置为入口氢气压力传感器33，入口氢气压力传感器33检测得到的进堆氢气压力信号传递至控制器20，控制器20设有氢气压力比较模块，氢气压力比较模块用于将入口氢气压力传感器33测得的进堆氢气压力值与设定压力值的大小进行比较；
当进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，控制器20控制两位两通阀36的氢气出口连通第一氢气循环管路61；
当进堆氢气压力值大于设定压力值时，控制器20控制两位连通阀36的氢气出口连通第二氢气循环管路62。
优选地，压气机的出口设置有油气浓度传感器21，油气浓度传感器21检测到的油气浓度信号传递至控制器20，控制器20设有浓度比较模块，浓度比较模块用于将油气浓度传感器21测得的油气浓度值与设定浓度值的大小进行比较，当油气浓度值大于设定浓度值时，控制器20控制两位两通阀36的氢气出口连通第二氢气循环管路62。
优选地，氢气出口管路52设置有气水分离器与排水阀总成35。气水分离器用于将氢气出口管路52中的气体和水进行分离，排水阀用于间隔性地进行排水。
优选地，空气入口管路71上沿输气方向依次设置有空气压缩机41、储气瓶43、空气调压阀45以及空气入口压力传感器46，储气瓶43内设有储气瓶压力传感器，空气入口压力传感器46与储气瓶压力传感器均连接于控制器20，控制器20电连接于空气压缩机41和空气调压阀45。当燃料电池发动机常温起动时，储气瓶压力传感器将储气瓶43内的压力反馈到控制器20，控制器20根据储气瓶43压力的不同来控制空气压缩机41的起动或停止。
优选地，空气压缩机41为空气轴承式压缩机，解决了油气污染电堆的问题。空气供给系统还包括空气过滤器40、第一单向阀42、第二单向阀44、空气调压阀45和空气出口压力传感器47，如图1所示。
燃料电池发动机常温启动时，需要检测储气瓶43中的压力Pg。设定储气瓶43中的最大压力为Pgmax，最大功率下的空气路最大压力pairmax，Pgmax＝λ·pairmax，其中λ＝1.5～2.0。空气压缩机启停控制策略流程图如图4所示，具体流程为：
开始上电后，判断Pg≤Pairmax或Pg＝Pgmax？判断结果为否时，控制空气压缩机保持前一状态；判断结果为是时，继续下面的步骤；
判断Pg＝Pgmax？若判断结果为是，则控制空气压缩机停止；若判断结果为否，则继续下面步骤；
判断空气压缩机是否处于运转状态？若判断结果为否，则启动空气压缩机，然后让空气压缩机工作于最佳工作点，并进入下一步骤；若判断结果为是，则继续下面步骤；
判断Pg＝Pgmax？若判断结果为是，则控制空气压缩机停止运转；若判断结果为否，则控制空气压缩机继续保持前一状态，并循环进行此步骤。
本发明在空气供给系统中，使用空气轴承式压缩机压缩空气，压缩机输出口与燃料电池电堆之间的供气管路上设置了一个储气瓶43，在储气瓶43与电堆10之间设置了一个可连续控制的电磁阀，即空气调压阀45。此方案采用空气轴承式压缩机解决了油气污染电堆的问题，另外该方案解耦了电堆需求空气流量与空气压缩机输出流量的直接关系，可实现在不同工况负载下，空气压缩机亦可一直运行于最佳工况点，提高了空气压缩机的工作效率，降低了空气压缩机的寄生功耗，同时还可避免空气压缩机在流量减少时出现喘振的现象。
优选地，空气出口管路72通过背压阀48连接于膨胀压气一体机38的膨胀机，背压阀48电连接于控制器20。燃料电池发动机常温起动后，控制器通过调节空气调压阀45和背压阀48，使得进入电堆10中的空气的压力pairin和流量mairin满足依据需求功率P设定的需求压力和需求流量。另外，背压阀48与电堆的空气出口端之间的空气出口管路72上还设置有空气出口压力传感器47，空气出口压力传感器47电连接于控制器20。
优选地，氢气入口管路51设置有氢气调压阀32，氢气调压阀32电连接于控制器20。
下面结合附图3介绍本发明的具体实施方案：
1)、燃料电池发动机常温启动时，控制器20控制气水分离器与排水阀总成35间隔性开关，进行排水、排气。同时控制器20依据油气传感器21反馈回的监测值，进行两位两通阀36的控制。
2)、燃料电池发动机常温启动时，控制器20还需检测储气瓶43中的压力，依据压力的不同控制空气压缩机41的启动或停止。
3)、燃料电池发动机常温启动后，进入发电模式。控制器20自动调节氢气调压阀32，使得进入燃料电池电堆10中的进堆氢气压力ph2in满足依据需求功率P设定的压力值。同时，空气路中调节空气调压阀45和背压阀48使得进入电堆10中的空气的进堆空气压力pairin和流量mairin满足依据需求功率P设定的需求压力和需求流量。
4)、当燃料电池发动机处于发电模式时，若进堆氢气压力ph2in不大于预设定压力pset，控制器20调节两位两通阀36，闭合与氢气引射器37的连通，使两位两通阀36的氢气出口与膨胀压气一体机38的氢气入口相连接。通过背压阀48排出的高压空气与膨胀压气一体机38的空气入口相连接，高压空气驱动膨胀压气一体机38中的膨胀机，膨胀机同时带动另一侧的压气机，循环后的氢气经过循环单向阀39进入到氢气入口管路51中循环利用。驱动膨胀机后的空气作为尾气排入到大气中，如图1所示。
5)、当燃料电池发动机处于发电模式时，若进堆氢气压力ph2in大于预设定压力pset，控制器20调节两位两通阀36，闭合与膨胀压气一体机38的连通，使两位两通阀36的氢气出口与引射器37的氢气入口相连接。经过循环单向阀39，引射器将氢气循环到氢气入口管路51中，如图2所示。
6)、传感器21一旦检测到油气污染物，则控制器20调节两位两通阀36，闭合与膨胀-压气一体机38的连通，使两位两通阀36的氢气出口与引射器37的氢气入口相连接，同时调节气水分离器与排水阀总成35的开启时间，吹扫污染物。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明采用空气轴承式压缩机解决了油气污染电堆的问题，另外该方案解耦了电堆需求空气流量与空气压缩机输出流量的直接关系，可实现在不同工况负载下，空气压缩机亦可一直运行于最佳工况点，提高了空气压缩机的工作效率，降低了空气压缩机的寄生功耗，同时还可避免空气压缩机在流量减少时出现喘振的现象。
2)本发明在氢气供给系统中采用原有的压力传感器，无需再设置新的传感器，并且可以根据压力的不同调节两位两通阀36，选择膨胀压气一体机38或是氢气引射器37进行氢气的循环利用，该并联装置解决了低压、低流速下引射器循环利用氢气效率低，高压气体下电驱动循环泵高转速、电功率消耗大、易漏油的问题，降低辅助系统的寄生负载，提升电堆的净输出功率。
3)本发明有效利用空气供给系统排出的高压尾气驱动膨胀压气一体机38，采用背靠背集成式设计，结构紧凑简单、效率高，降低了电驱动的电能消耗。
4)在压气机的出口处设置油气浓度传感器，实时监测氢气压气机有无漏油的故障，避免油气污染电堆，从而提高了电堆的使用寿命。
本发明还提供了一种包括上述供气系统的燃料电池发动机系统，该燃料电池发动机系统产生的有益效果的推导过程与上述供气系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
本发明还提供了一种控制方法，用于如上所述的燃料电池发动机系统的供气系统，所述控制方法的氢气循环方式为：
当所述入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，将所述两位两通阀的氢气出口连通所述第一氢气循环管路，利用所述膨胀压气一体机进行氢气循环；
当所述入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值大于设定压力值时，将所述两位两通阀的氢气出口连通所述第二氢气循环管路，利用所述氢气引射器进行氢气循环。
上述控制方法产生的有益效果的推导过程与上述供气系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池发动机系统的供气系统，其特征在于，包括：
氢气供给系统，所述氢气供给系统包括与电堆(10)连接的氢气入口管路(51)和氢气出口管路(52)，所述氢气出口管路(52)连接有两位两通阀(36)，所述两位两通阀(36)并联有第一氢气循环管路(61)和第二氢气循环管路(62)，所述第一氢气循环管路(61)连接于膨胀压气一体机(38)的压气机的入口，所述压气机的出口通过所述第一氢气循环管路(61)连接于氢气循环总管路(63)，所述氢气循环总管路(63)的出口连接于所述氢气入口管路(51)，所述第二氢气循环管路(62)连接于氢气引射器(37)的入口，所述氢气引射器(37)的出口连接于所述氢气循环总管路(63)，所述氢气入口管路(51)上设置有入口氢气压力检测装置；
空气供给系统，所述空气供给系统包括与所述电堆(10)连接的空气入口管路(71)和空气出口管路(72)，所述空气出口管路(72)连接于所述膨胀压气一体机(38)的膨胀机；
控制器(20)，所述入口氢气压力检测装置为入口氢气压力传感器(33)，所述入口氢气压力传感器(33)检测得到的进堆氢气压力信号传递至所述控制器(20)，所述控制器(20)设有氢气压力比较模块，所述氢气压力比较模块用于将所述入口氢气压力传感器(33)测得的进堆氢气压力值与设定压力值的大小进行比较；当进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，所述控制器(20)控制所述两位两通阀(36)的氢气出口连通所述第一氢气循环管路(61)；当进堆氢气压力值大于设定压力值时，所述控制器(20)控制所述两位两通阀(36)的氢气出口连通所述第二氢气循环管路(62)；
所述压气机的出口设置有油气浓度传感器(21)，所述油气浓度传感器(21)检测到的油气浓度信号传递至所述控制器(20)，所述控制器(20)设有浓度比较模块，所述浓度比较模块用于将所述油气浓度传感器(21)测得的油气浓度值与设定浓度值的大小进行比较，当油气浓度值大于设定浓度值时，所述控制器(20)控制所述两位两通阀(36)的氢气出口连通所述第二氢气循环管路(62)。
2.根据权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述氢气出口管路(52)设置有气水分离器与排水阀总成(35)。
3.根据权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述空气入口管路(71)上沿输气方向依次设置有空气压缩机(41)、储气瓶(43)、空气调压阀(45)以及空气入口压力传感器(46)，所述储气瓶(43)内设有储气瓶压力传感器，所述空气入口压力传感器(46)与所述储气瓶压力传感器均连接于所述控制器(20)，所述控制器(20)电连接于所述空气压缩机(41)和所述空气调压阀(45)。
4.根据权利要求3所述的供气系统，其特征在于，所述空气压缩机(41)为空气轴承式压缩机。
5.根据权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述空气出口管路(72)通过背压阀(48)连接于所述膨胀压气一体机(38)的膨胀机，所述背压阀(48)电连接于所述控制器(20)。
6.根据权利要求1所述的供气系统，其特征在于，所述氢气入口管路(51)设置有氢气调压阀(32)，所述氢气调压阀(32)电连接于所述控制器(20)。
7.一种燃料电池发动机系统，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的供气系统。
8.一种控制方法，其特征在于，用于如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池发动机系统的供气系统，所述控制方法的氢气循环方式为：
当所述入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值小于等于设定压力值时，将所述两位两通阀(36)的氢气出口连通所述第一氢气循环管路(61)，利用所述膨胀压气一体机(38)进行氢气循环；
当所述入口氢气压力检测装置测得的进堆氢气压力值大于设定压力值时，将所述两位两通阀(36)的氢气出口连通所述第二氢气循环管路(62)，利用所述氢气引射器(37)进行氢气循环。
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