CN111082109B - 一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统及其控制方法，该系统包括从电堆尾气排放出气口引出的氢气水汽混合管路、空气水汽混合管路以及将氢气水汽混合管路与空气水汽混合管路内水份集合排放、气体集合排放的混排装置，所述氢气水汽混合管路上设置第一气液分离器后与混排装置以及燃料电池供氢系统连接，所述空气水汽混合管路上设置第二气液分离器后与混排装置连接。本发明实现了供氢系统和供氧系统尾气气液分离处理，在尾气处理系统中增加了混排装置，集成了排水箱和排气箱，将干燥气体和水份在混排装置中实现分箱储存和处理，使得布置结构更加紧凑。同时经过气液分离后部分氢气可以回到燃料电池供氢系统中循坏再利用。

Description

一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池，具体地指一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统及其控制方法。
背景技术
为了应对国际环境问题与能源危机，氢燃料电池汽车成为世界各国发展战略。而随着氢燃料电池汽车的普及，越来越多的问题得以显现，其中氢燃料电池汽车尾气中水随意排放，边走边排导致路面湿滑或者结冰，造成车轮侧滑等风险，从而引起环境和交通问题。燃料电池车尾气排水电磁阀在寒冷气温下会结冰无法工作，导致排水系统故障影响整个尾气排放功能，同时尾气中氢气浓度含量超标也会出现安全隐患问题。
因此，需要开发出一种结构简单、避免尾气随意排放、减少排出车外尾气中氢气浓度的氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种结构简单、避免尾气随意排放、减少排出车外尾气中氢气的浓度氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统及其控制方法。
本发明的技术方案为：一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统，其特征在于，包括从电堆尾气排放出气口引出的氢气水汽混合管路、空气水汽混合管路以及将氢气水汽混合管路与空气水汽混合管路内水份集合排放、气体集合排放的混排装置，
所述氢气水汽混合管路上设置第一气液分离器后与混排装置以及燃料电池供氢系统连接，所述空气水汽混合管路上设置第二气液分离器后与混排装置连接。
优选的，所述混排装置包括排水箱和排气箱，所述排水箱通过尾气排水管与尾气排水口连接，所述排气箱通过尾气排气管与尾气排气口连接且尾气排放气管上设有过滤网。
进一步的，所述第一气液分离器出气口设有第一氢气管与排气箱连接，所述第一气液分离器出水口设有第一排水管与排水箱连接；所述第二气液分离器出气口设有第二空气管与排气箱连接，所述第二气液分离器出水口设有第二排水管与排水箱连接，所述第一氢气管上设置排气支管与燃料电池供氢系统连接。
进一步的，所述尾气排水管上设有排水电磁阀，排水箱内设有水位传感器，所述排水电磁阀内集成有加热器以及温度传感器，所述排水电磁阀、加热器以及温度传感器、水位传感器与燃料电池控制器FCU内设置的排水处理模块信号连接。
更进一步的，还包括设置于驾驶室内的排水按钮开关，所述排水按钮开关与燃料电池控制器FCU内设置的排水处理模块信号连接。
本发明还提供上述任一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统的控制方法，其特征在于，
S1.实时监测将电堆尾气排放出气口内水汇聚的排水箱内水位，当监测到排水箱内水位WH≥设定水位下限值WH1，进行下一步骤；
S2.并行判断排水箱内水位WH≥设定水位上限值WH2或用于人工控制排水箱的排水按钮开关状态为按下，任意满足其中之一则对排水箱进行排水操作；
S3.排水过程中，若监测到排水箱内水位WH＜设定水位下限值WH1，则关闭对排水箱排水；排水过程中实时监测排水箱上用于排水的尾气排水管内水温T，当T≤设定温度下限值T1时，对尾气排水管内水进行加热；当T≥设定温度上限值T2时，关闭尾气排水管内加热。
优选的，排水箱内水位WH由水位传感器实时监测，排水箱的排水操作由设置于尾气排水管上的排水电磁阀控制，所述尾气排水管内水温T由集成于排水电磁阀内的温度传感器实时监测，所述尾气排水管内水由集成于排水电磁阀内的加热器进行加热。
进一步的，步骤S1为：
通过水位传感器实时监测将电堆尾气排放出气口内水汇聚的排水箱内水位，当监测到排水箱内水位WH≥设定水位下限值WH1，进行下一步骤。
进一步的，步骤S3为：
排水过程中，若通过水位传感器监测到排水箱内水位WH＜设定水位下限值WH1，则控制排水电磁阀阀门关闭；排水过程中通过温度传感器实时监测尾气排水管内温度T，当T≤设定温度下限值T1时，开启加热器对尾气排水管内水进行加热；当T≥设定温度上限值T2时，关闭加热器。
本发明的有益效果为：
1、实现了供氢系统和供氧系统尾气气液分离处理，在尾气处理系统中增加了混排装置，集成了排水箱和排气箱，将干燥气体和水份在混排装置中实现分箱储存和处理，使得布置结构更加紧凑。同时经过气液分离后部分氢气可以回到燃料电池供氢系统中循坏再利用，部分氢气与空气尾气在混排系统排气箱中混合，大大降低了排放到大气中尾气氢气浓度含量。
2、实现了排水系统的人工排水和自动排水功能，增加排水系统的多样性和人性化，使得氢燃料电池汽车可根据驾驶员需求进行相应的排水。避免了边走边排放等随意排放造成地面湿滑或者结冰造成车辆侧滑等交通问题。
3、排水管道中排水电磁阀增加了加热功能以及温度检测功能，在气温寒冷情况下实现自动加热功能，避免排水电磁阀出现结冰凝固等现象，保证排水系统在低温下正常工作。
附图说明
图1为本发明氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统结构示意图；
图2为本发明氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统控制流程图；
其中：1-电堆尾气排放出气口 2-氢气水汽混合管路 3-空气水汽混合管路 4-混排装置 5-第一气液分离器 6-第二气液分离器 7-水位传感器 8-排水按钮开关 9-过滤网10-尾气排水口 11-尾气排气口 12-燃料电池供氢系统 41-排水箱 42-排气箱 43-尾气排水管 44-尾气排气管 51-第一氢气管 52-第一排水管 53-排气支管 61-第二空气管 62-第二排水管 63-加热器 64-温度传感器。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统，包括从电堆尾气排放出气口1引出的氢气水汽混合管路2、空气水汽混合管路3以及将氢气水汽混合管路2与空气水汽混合管路3内水份集合排放、气体集合排放的混排装置4，氢气水汽混合管路2上设置第一气液分离器5后与混排装置4以及燃料电池供氢系统12连接，空气水汽混合管路3上设置第二气液分离器6后与混排装置4连接。
混排装置4包括排水箱41和排气箱42，排水箱41通过尾气排水管43与尾气排水口10连接，排气箱42通过尾气排气管44与尾气排气口11连接且尾气排放气管44上设有过滤网9。
第一气液分离器5出气口设有第一氢气管51与排气箱42连接，第一气液分离器5出水口设有第一排水管52与排水箱41连接；第二气液分离器6出气口设有第二空气管61与排气箱42连接，第二气液分离器6出水口设有第二排水管62与排水箱41连接，第一氢气管51上设置排气支管53与燃料电池供氢系统12连接。
尾气排水管43上设有排水电磁阀，排水箱41内设有水位传感器7，排水电磁阀内集成有加热器63以及温度传感器64，排水电磁阀、加热器63以及温度传感器64、水位传感器7与燃料电池控制器FCU内设置的排水处理模块信号连接。
本系统还包括设置于驾驶室内的排水按钮开关8，排水按钮开关8与燃料电池控制器FCU内设置的排水处理模块信号连接。
本实施例中，电堆尾气排放出气口1有两个出口：第一出口用于供氢系统水汽混合尾气排气，第二出口用于供氧系统水汽混合尾气排气。第一出口氢气尾气通过氢气水汽混合管路2，进入第一气液分离器5在其内部将气体和水份分离开来，分离的氢气从第一气液分离器5出气口排出，一部分氢气经第一氢气管51进入排气箱42，另一部分经排气支管53进入燃料电池供氢系统12，再次循环利用进入燃料电池反应堆中进行反应；第一气液分离器5分离的水份从出水口排出，经第一排水管52进入排水箱41。
电堆尾气排放出气口1第二出口的空气尾气通过空气水汽混合管路3，进入第二气液分离器6输入口后在其内部将气体和水份分离开来，分离后空气从第二气液分离器6出气口排出，通过第二空气管61进入混排系统4排气箱42进气口；分离后水份从第二气液分离器6出水口排出，通过第二排水管62进入混排装置4排水箱41进水口。从电堆尾气排放出气口1中排出的氢气尾气和空气尾气在经过气液分离后分离成气体和水份以及在上述管道中经过一定自然的冷却后，通入到混排装置4中。
通入到混排装置4中的尾气中的水份在重力的作用下在混排系统4排水箱41底部聚集，而尾气中的气体则在混排装置4排气箱42上的排气口排出后通过尾气排气管44，经过过滤网9后再由尾气排气口11排放到大气中。
过滤网9可以防止有块状异物从尾气排气口11进入到尾气排气管44中，从而进去到混排装置4排气箱42堵塞排气孔，影响尾气排放通道。
在混排装置4排水箱41中安装有水位传感器7，水位传感器7可以采集到存储在排水箱中的水位信息，水位传感器7将采集到的信号传递给燃料电池控制器FCU中的排水处理模块。同时位于驾驶室内的排水按钮开关8的开关信号和排水电磁阀阀门控制信号、加热器63加热控制信号以及温度传感器64温度信号均由燃料电池控制器FCU中的排水处理模块进行处理。
排水模式分为两种状态：
模式一、自动排水模式；模式二、人工排水模式；
当燃料电池控制器FCU中的排水处理模块采集到水位较高(排水箱41内水位WH≥设定水位上限值WH2)时，排水处理模块会控制排水电磁阀阀门打开，这样排水箱41中的水会随着尾气排水管43，通过排水电磁阀，经由尾气排水口10排出车外，实现排水模式一自动排水控制。
当排水箱中水位排放至较低(排水箱41内水位WH＜设定水位下限值WH1)时，燃料电池控制器FCU中的排水处理模块会控制排水电磁阀关闭，这样排水箱中的水再次慢慢集聚，等待下一次排放。
同时燃料电池控制器FCU中的排水处理模块会采集位于驾驶室内的排水按钮开关8状态信号，当排水按钮开关8按下时，燃料电池控制器FCU中的排水处理模块会控制排水电磁阀打开，这样排水箱中的水会随着排水管道，通过排水电磁阀，经由尾气排水口10排出车外，实现排水模式二人工排水控制。
在整个排水过程中，当排水电磁阀中温度传感器64检测到尾气排水管43中温度T≤设定温度下限值T1时，燃料电池控制器FCU中的排水处理模块控制排水电磁阀中加热器63打开对整个尾气排水管43进行加热，当检测到温度T≥设定温度上限值T2时，关闭加热器。
如图2所示，本发明氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统的控制方法步骤为：
S1.氢燃料电池控制单元FCU得电，氢燃料电池控制单元FCU中的排水处理模块开始工作，排水处理模块通过水位传感器7实时监测将电堆尾气排放出气口1内水汇聚的排水箱41内水位，当监测到排水箱41内水位WH≥设定水位下限值WH1，则进行下一步两种并行判断；
S2.并行判断一：判断当排水箱41中的水位是否满足WH≥设定水位上限值WH2，若不满足则一直检测当前水位状态，直到WH≥设定水位上限值WH2；
并行判断二：判断排水按钮开关8状态是否为按下，若未按下则一直检测排水按钮开关8状态，直到排水按钮开关8状态为按下；
排水箱41内水位WH≥设定水位上限值WH2或排水按钮开关8状态为按下，任意满足其中之一则氢燃料电池控制单元FCU中的排水处理模块控制排水电磁阀阀门打开，对排水箱41进行排水操作；
S3.排水过程中，若通过水位传感器7监测到排水箱41内水位WH＜设定水位下限值WH1，则控制排水电磁阀阀门关闭；排水过程中通过温度传感器64实时监测尾气排水管43内温度T，当T≤设定温度上限值T1时，开启加热器63对尾气排水管43内水进行加热；当T≥设定温度下限值T2时，关闭加热器63。
其中，步骤S2中的并行判断一为模式一：自动排水模式；步骤S2中的并行判断二为模式二：人工排水模式；且设定水位上限值WH2＞设定水位下限值WH1。

Claims (6)

1.一种氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统，其特征在于，包括从电堆尾气排放出气口(1)引出的氢气水汽混合管路(2)、空气水汽混合管路(3)以及将氢气水汽混合管路(2)与空气水汽混合管路(3)内水份集合排放、气体集合排放的混排装置(4)，
所述氢气水汽混合管路(2)上设置第一气液分离器(5)后与混排装置(4)以及燃料电池供氢系统(12)连接，所述空气水汽混合管路(3)上设置第二气液分离器(6)后与混排装置(4)连接；
所述混排装置(4)包括排水箱(41)和排气箱(42)，所述排水箱(41)通过尾气排水管(43)与尾气排水口(10)连接，所述排气箱(42)通过尾气排气管(44)与尾气排气口(11)连接且尾气排放气管(44)上设有过滤网(9)；
所述第一气液分离器(5)出气口设有第一氢气管(51)与排气箱(42)连接，所述第一气液分离器(5)出水口设有第一排水管(52)与排水箱(41)连接；所述第二气液分离器(6)出气口设有第二空气管(61)与排气箱(42)连接，所述第二气液分离器(6)出水口设有第二排水管(62)与排水箱(41)连接，所述第一氢气管(51)上设置排气支管(53)与燃料电池供氢系统(12)连接；
所述尾气排水管(43)上设有排水电磁阀，排水箱(41)内设有水位传感器(7)，所述排水电磁阀内集成有加热器(63)以及温度传感器(64)，所述排水电磁阀、加热器(63)以及温度传感器(64)、水位传感器(7)与燃料电池控制器FCU内设置的排水处理模块信号连接。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统，其特征在于，还包括设置于驾驶室内的排水按钮开关(8)，所述排水按钮开关(8)与燃料电池控制器FCU内设置的排水处理模块信号连接。
3.一种如权利要求1-2中任一所述氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统的控制方法，其特征在于，
S1.实时监测将电堆尾气排放出气口(1)内水汇聚的排水箱(41)内水位，当监测到排水箱(41)内水位WH≥设定水位下限值WH1，进行下一步骤；
S2.并行判断排水箱(41)内水位WH≥设定水位上限值WH2或用于人工控制排水箱(41)的排水按钮开关(8)状态为按下，任意满足其中之一则对排水箱(41)进行排水操作；
S3.排水过程中，若监测到排水箱(41)内水位WH＜设定水位下限值WH1，则关闭对排水箱(41)排水；排水过程中实时监测排水箱(41)上用于排水的尾气排水管(43)内水温T，当T≤设定温度下限值T1时，对尾气排水管(43)内水进行加热；当T≥设定温度上限值T2时，关闭尾气排水管(43)内加热。
4.如权利要求3所述的氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统的控制方法，其特征在于，排水箱(41)内水位WH由水位传感器(7)实时监测，排水箱(41)的排水操作由设置于尾气排水管(43)上的排水电磁阀控制，所述尾气排水管(43)内水温T由集成于排水电磁阀内的温度传感器(64)实时监测，所述尾气排水管(43)内水由集成于排水电磁阀内的加热器(63)进行加热。
5.如权利要求4所述的氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统的控制方法，其特征在于，步骤S1为：
通过水位传感器(7)实时监测将电堆尾气排放出气口(1)内水汇聚的排水箱(41)内水位，当监测到排水箱(41)内水位WH≥设定水位下限值WH1，进行下一步骤。
6.如权利要求4所述的氢燃料电池汽车尾气水气分离排放系统的控制方法，其特征在于，步骤S3为：
排水过程中，若通过水位传感器(7)监测到排水箱(41)内水位WH＜设定水位下限值WH1，则控制排水电磁阀阀门关闭；排水过程中通过温度传感器(64)实时监测尾气排水管(43)内温度T，当T≤设定温度下限值T1时，开启加热器(63)对尾气排水管(43)内水进行加热；当T≥设定温度上限值T2时，关闭加热器(63)。
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