CN110854416A - 一种燃料电池系统的启动准备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统的启动准备方法包括开启旁通阀；启动供气组件的空压机；启动供氢组件；开启供气组件中的进气节气门和出气节气门；关闭尾排阀。这种方法的优点在于:燃料电池空气供给系统的开启不受到电堆关闭状态的约束，可先于阳极氢气吹扫开启，或者与阳极空气吹扫同步开；实现了燃料电池空气供给系统在电堆关闭状态下的灵活开启；满足了阳极氢气吹扫产生的混和气稀释及燃料电池箱体通风的空气需求；燃料电池空压机的开启时间更灵活；可避免减缓因空压机的瞬态响应滞后效果，缩短燃料电池开关机时间。

Description

一种燃料电池系统的启动准备方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体而言，涉及一种燃料电池系统的启动准备方法。

背景技术

氢燃料电池汽车技术日趋发展成熟，作为一种零污染、零排放的新能源汽车，氢燃料电池汽车已经越来越多的进入到了交通系统，得到公众的广泛认可。燃料电池车以氢气为燃料，通过燃料发动机，将化学能高效转化为电能从而驱动汽车，整个过程仅排出纯净的水，因而是不久的将来取代传统化石燃料汽车的最理想的节能环保型零排放交通工具。

在燃料电池的空气供给系统中，空压机为空气流动的动力源，从环境中吸入空气，经空滤、中冷器、增湿器等进入电堆阴极侧，反应后的残余空气经排气节气门等尾排口排出流入环境空气。燃料电池用空压机常采用离心式结构，该种结构的空压机需在喘振线所对应的流量以上、阻塞线下的范围内才能正常工作；而燃料电池电堆怠速及低负荷工况需求的空气流量较低，过量的空气流入电堆会影响燃料电池正常工作。为避免瞬时空压机流量供给与电堆小流量需求，现有专利CN108172866A、CN108278218A，在燃料电池系统中设置空气旁通阀。在燃料电池小流量需求时，空气旁通阀打开，在压差作用下旁通部分空气，避免空压机喘振。

在现有技术中，燃料电池电堆在不同状态对于空气的供给有较严格的要求，空气供给系统需与燃料电池电堆协同工作。针对燃料电池开机过程，为防止“氢氧界面”所造成电堆寿命衰减，阳极氢气吹扫先于电堆空气供给开启状态下进行，此时燃料电池空气供给不能应用于实现阳极氢气吹扫出的氢腔内的混合气氢浓度稀释。燃料电池空压机的开启需在氢气侧吹扫完成、电堆进、排气节气门打开之后顺序进行，包括空压机的瞬态响应滞后，总的开机累积时间变长。

综上所述，需要提供一种燃料电池系统的启动准备方法其能够克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明旨在提供一种燃料电池系统的启动准备方法其能够克服现有技术的缺陷。本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现。

本发明的一个实施方式提供了一种燃料电池系统的启动准备方法所述启动准备方法包括多个步骤：

步骤1：开启旁通阀；

步骤2：启动供气组件的空压机；

步骤3：启动供氢组件；

步骤4：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门；

步骤5：关闭尾排阀。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述步骤3：启动供氢组件包括：

步骤301：检测电堆阴极的空气进气口的空气流量和空气压力；

步骤302：判断进入电堆阴极的空气是否满足流量大于27g/s且压力大于120kpa，若“是”，启动供氢组件的气泵并开启供氢组件的调压器和尾排阀；若“否”，再次执行步骤301。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述步骤4：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门包括：

步骤401：检测电堆阳极的氢气进气口的氢气压力和供氢组件中气泵的转速；

步骤402：判断是否电堆阳极的氢气进气口的氢气压力大于120kpa且供氢组件中气泵的转速大于1000rpm，若“是”，执行步骤403；若“否”，再次执行步骤401；

步骤403：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述步骤5：关闭尾排阀包括：

步骤501：判断供气组件中的进气节气门和出气节气门的开度是否达到了预设的目标开度，若“是”，关闭尾排阀；若“否”，再次执行步骤403。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述燃料电池系统包括电堆组件、供氢组件、供气组件和旁通组件，所述电堆组件分别与供氢组件、供气组件和旁通组件连通，旁通组件分别与供氢组件和供气组件连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述电堆组件包括电堆和箱体，所述电堆的阳极上设有氢气进气口和氢气出气口，电堆的阴极上设有空气进气口和空气出气口，箱体上设有通风进气口和通风出气口，所述电堆安装在箱体内，电堆的阳极通过氢气进气口和氢气出气口与供氢组件连通，电堆的阴极通过空气进气口和空气出气口与供气组件连通，箱体的通风进气口与供气组件连通，箱体的通风出气口与旁通组件连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述电堆组件包括电堆和箱体，所述供氢组件包括氢瓶、第一管路、调压器、第二管路、第三管路、气泵、第四管路和尾排阀，氢瓶通过第一管路与调压器连通，调压器通过第二管路与电堆的氢气进气口连通，气泵通过第三管路与调压器连通，第四管路的第一端与电堆的氢气出气口连通，第四管路的第二端与气泵连通，第四管路的第三端与尾排阀连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述供气组件包括进气口、第五管路、空压机、第六管路、节流阀、第七管路、第一节气门、第八管路、第二节气门和第九管路，所述进气口通过第五管路与空压机连通，第六管路的第一端与空压机连通，第六管路的第二端与节流阀连通，第六管路的第三端与第一节气门连通，第六管路的第四端与旁通组件连通，节流阀通过第七管路与通风进气口连通，第一节气门通过第八管路与电堆的空气进气口连通，第二节气门通过第九管路与电堆的空气出气口连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述旁通组件包括旁通阀、第十管路和尾排出口，旁通阀与第六管路的第四端连通，所述第十管路的第一端与旁通阀连通，第十管路的第二端与第二节气门连通，第十管路的第三端与通风出气口连通，第十管路的第四端与尾排阀连通，第十管路的第五端与尾排出口连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述燃料电池系统还包括控制单元，所述控制单元分别与空压机、旁通阀、第一节气门、第二节气门、调压器和尾排阀电连接。

该启动准备方法的优点在于：燃料电池空气供给系统的开启不受到电堆关闭状态的约束，可先于阳极氢气吹扫开启，或者与阳极空气吹扫同步开；实现了燃料电池空气供给系统在电堆关闭状态下的灵活开启；满足了阳极氢气吹扫产生的混和气稀释及燃料电池箱体通风的空气需求；燃料电池空压机的开启时间更灵活；可避免减缓因空压机的瞬态响应滞后效果，缩短燃料电池开关机时间。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池系统的示意图；

图2示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池系统的启动准备方法的流程图。

具体实施方式

图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池系统的示意图。如图1所示，其中所述燃料电池系统包括电堆组件1、供氢组件2、供气组件3和旁通组件4，所述电堆组件1分别与供氢组件2、供气组件3和旁通组件4连通，旁通组件4分别与供氢组件2和供气组件连通3。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述电堆组件1包括电堆11和箱体12，所述电堆11的阳极上设有氢气进气口111和氢气出气口112，电堆11的阴极上设有空气进气口113和空气出气口114，箱体12上设有通风进气口121和通风出气口122，所述电堆11安装在箱体12内，电堆11的阳极通过氢气进气口111和氢气出气口112与供氢组件2连通，电堆11的阴极通过空气进气113口和空气出气口114与供气组件3连通，箱体12的通风进气口121与供气组件3连通，箱体的通风出气口122与旁通组件4连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述供氢组件2包括氢瓶21、第一管路22、调压器23、第二管路24、第三管路25、气泵26、第四管路27和尾排阀28，氢瓶21通过第一管路22与调压器23连通，调压器23通过第二管路24与电堆11的氢气进气口111连通，气泵26通过第三管路25与调压器23连通，第四管路27的第一端与电堆11的氢气出气口112连通，第四管路27的第二端与气泵26连通，第四管路27的第三端与尾排阀28连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述供气组件3包括进气口31、第五管路32、空压机33、第六管路34、节流阀35、第七管路36、第一节气门37、第八管路38、第二节气门39和第九管路310，所述进气口31通过第五管路32与空压机33连通，第六管路34的第一端与空压机33连通，第六管路34的第二端与节流阀35连通，第六管路34的第三端与第一节气门37连通，第六管路34的第四端与旁通组件4连通，节流阀35通过第七管路36与通风进气口121连通，第一节气门37通过第八管路38与电堆11的空气进气口113连通，第二节气门39通过第九管路310与电堆11的空气出气口114连通，

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述旁通组件4包括旁通阀41、第十管路42和尾排出口43，旁通阀41与第六管路34的第四端连通，所述第十管路42的第一端与旁通阀41连通，第十管路42的第二端与第二节气门39连通，第十管路42的第三端与通风出气口连通，第十管路42的第四端与尾排阀28连通，第十管路42的第五端与尾排出口43连通。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述第一节气门37为进气节气门，第二节气门39为出气节气门。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，所述燃料电池系统运行时，空气通过进气口31、第五管路32、空压机33、第六管路34、第一节气门37通过第八管路38进入电堆11的阴极，氢气从氢瓶21经第一管路22、调压器23和第二管路24进入电堆11的阳极，氢气和氧气在电堆11内发生催化燃烧反应，经过反应的氧气离开电堆11的阴极经第九管路310、第二节气门39、第十管路42和尾排出口43排出燃料电池系统，经过反应的氢气离开电堆11的阳极经第四管路27、气泵26和第三管路25回到调压器23循环利用，尾排阀28用于将电堆11中催化燃烧产生的水和废气经第十管路42和尾排出口43排出燃料电池系统。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述燃料电池系统还包括控制单元5，所述控制单元5分别与空压机33、旁通阀41、第一节气门37、第二节气门39、调压器23和尾排阀28电连接。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述旁通组件4用于防止空压机33喘振并稀释燃料电池系统的尾排混和气。所述旁通阀41的阀体尺寸和第十管路42的流通能力根据燃料电池系统的流通需求决定，旁通阀41的开度受控制单元5控制。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述第一节气门37和第二节气门39受控制单元5控制；在电堆11工作时，通过对第一节气门37和第二节气门39的开度控制实现空气供给的不同压力需求；在电堆11关闭时，第一节气门37和第二节气门39闭合，供气组件3与电堆11的阴极隔离。此时空压机33与旁通阀41匹配工作，控制单元对空压机33的转速和旁通阀41的开度进行调整。

图2示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池系统的启动准备方法的流程图。如图2所示，所述启动准备方法包括多个步骤：

步骤101：开启旁通阀；

步骤102：启动供气组件的空压机；

步骤103：启动供氢组件；

步骤104：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门；

步骤105：关闭尾排阀。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述步骤103：启动供氢组件包括：

步骤103a：检测电堆阴极的空气进气口的空气流量和空气压力；

步骤103b：判断进入电堆阴极的空气是否满足流量大于27g/s且压力大于120kpa，若“是”，执行步骤103c；若“否”，再次执行步骤103a；

步骤103c：启动供氢组件的气泵并开启供氢组件的调压器和尾排阀。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述步骤104：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门包括：

步骤104a：检测电堆阳极的氢气进气口的氢气压力和供氢组件中气泵的转速；

步骤104b：判断是否电堆阳极的氢气进气口的氢气压力大于120kpa且供氢组件中气泵的转速大于1000rpm，若“是”，执行步骤104c；若“否”，再次执行步骤104a；

步骤104c：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，其中所述步骤105：关闭尾排阀包括：

步骤105a：判断供气组件中的进气节气门和出气节气门的开度是否达到了预设的目标开度，若“是”，执行步骤105b；若“否”，再次执行步骤104c；

步骤105b：关闭尾排阀。

根据本发明的上述一个实施方式提供的启动准备方法，所述启动准备方法执行完毕后燃料电池的启动准备工作完成，燃料电池开始正式运行并输出功率。

该启动准备方法的优点在于：燃料电池空气供给系统的开启不受到电堆关闭状态的约束，可先于阳极氢气吹扫开启，或者与阳极空气吹扫同步开；实现了燃料电池空气供给系统在电堆关闭状态下的灵活开启；满足了阳极氢气吹扫产生的混和气稀释及燃料电池箱体通风的空气需求；燃料电池空压机的开启时间更灵活；可避免减缓因空压机的瞬态响应滞后效果，缩短燃料电池开关机时间。

当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述启动准备方法包括多个步骤：

步骤1：开启旁通阀；

步骤2：启动供气组件的空压机；

步骤3：启动供氢组件；

步骤4：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门；

步骤5：关闭尾排阀。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述步骤3：启动供氢组件包括：

步骤301：检测电堆阴极的空气进气口的空气流量和空气压力；

步骤302：判断进入电堆阴极的空气是否满足流量大于27g/s且压力大于120kpa，若“是”，启动供氢组件的气泵并开启供氢组件的调压器和尾排阀；若“否”，再次执行步骤301。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述步骤4：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门包括：

步骤401：检测电堆阳极的氢气进气口的氢气压力和供氢组件中气泵的转速；

步骤402：判断是否电堆阳极的氢气进气口的氢气压力大于120kpa且供氢组件中气泵的转速大于1000rpm，若“是”，执行步骤403；若“否”，再次执行步骤401；

步骤403：开启供气组件中的进气节气门和出气节气门。

4.如权利要求3所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述步骤5：关闭尾排阀包括：

步骤501：判断供气组件中的进气节气门和出气节气门的开度是否达到了预设的目标开度，若“是”，关闭尾排阀；若“否”，再次执行步骤403。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括电堆组件、供氢组件、供气组件和旁通组件，所述电堆组件分别与供氢组件、供气组件和旁通组件连通，旁通组件分别与供氢组件和供气组件连通。

6.如权利要求5所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述电堆组件包括电堆和箱体，所述电堆的阳极上设有氢气进气口和氢气出气口，电堆的阴极上设有空气进气口和空气出气口，箱体上设有通风进气口和通风出气口，所述电堆安装在箱体内，电堆的阳极通过氢气进气口和氢气出气口与供氢组件连通，电堆的阴极通过空气进气口和空气出气口与供气组件连通，箱体的通风进气口与供气组件连通，箱体的通风出气口与旁通组件连通。

7.如权利要求6所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述电堆组件包括电堆和箱体，所述供氢组件包括氢瓶、第一管路、调压器、第二管路、第三管路、气泵、第四管路和尾排阀，氢瓶通过第一管路与调压器连通，调压器通过第二管路与电堆的氢气进气口连通，气泵通过第三管路与调压器连通，第四管路的第一端与电堆的氢气出气口连通，第四管路的第二端与气泵连通，第四管路的第三端与尾排阀连通。

8.如权利要求7所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述供气组件包括进气口、第五管路、空压机、第六管路、节流阀、第七管路、第一节气门、第八管路、第二节气门和第九管路，所述进气口通过第五管路与空压机连通，第六管路的第一端与空压机连通，第六管路的第二端与节流阀连通，第六管路的第三端与第一节气门连通，第六管路的第四端与旁通组件连通，节流阀通过第七管路与通风进气口连通，第一节气门通过第八管路与电堆的空气进气口连通，第二节气门通过第九管路与电堆的空气出气口连通。

9.如权利要求8所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述旁通组件包括旁通阀、第十管路和尾排出口，旁通阀与第六管路的第四端连通，所述第十管路的第一端与旁通阀连通，第十管路的第二端与第二节气门连通，第十管路的第三端与通风出气口连通，第十管路的第四端与尾排阀连通，第十管路的第五端与尾排出口连通。

10.如权利要求9所述的燃料电池系统的启动准备方法，其特征在于，所述燃料电池系统还包括控制单元，所述控制单元分别与空压机、旁通阀、第一节气门、第二节气门、调压器和尾排阀电连接。

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