CN111403776A - 一种通风结构、通风控制方法及燃料电池发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通风结构，应用于燃料电池发动机，包括第一管路和第二管路，第一管路的一端与通风进口连通，第一管路的另一端设置有第一支管路和第二支管路，第一支管路与空气供应装置上的中冷器的出气管连通，第二支管路与空气供应装置上的空压机的出气管连通；第一支管路上设置有第一控制阀，第二支管路上设置有第二控制阀；且当氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀和/或开启第二控制阀；当环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀。该通风结构能够有效的降低通风结构的能耗，发动机处于冷启动时，有利于燃料电池在低温环境下启动。另外，本发明还提供了一种通风控制方法和一种燃料电池发动机。

Description

一种通风结构、通风控制方法及燃料电池发动机

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种通风结构、通风控制方法及燃料电池发动机。

背景技术

燃料电池发动机在使用过程中因电堆内部存在氢泄露的风险，在发动机壳体上设置了通风口，但因通风口的设置为开口设计导致发动机IP等级(防尘防湿)达不到高标准；且当前通风装置一直处于工作状态，不能根据堆内部氢浓度高低控制是否需要通风，导致通风风扇一直工作，能耗较高。并且其通风装置属于开口设计，致使发动机IP等级(防尘防湿)达不到高标准。此外，当发动机处于冷启动时，若外界环境为低温环境，采用目前的通风装置，更加不利于发动机的启动。

综上所述，如何解决燃料电池发动机的通风装置能耗高、IP等级提升受限和低温环境下不利于发动机启动的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种通风结构、通风控制方法及燃料电池发动机，以解决燃料电池发动机的通风装置能耗高、IP等级提升受限和低温环境下不利于发动机启动的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种通风结构，应用于燃料电池发动机，包括设置在所述燃料电池发动机的壳体上的通风进口和通风出口，所述通风进口通过第一管路与所述燃料电池发动机的空气供应装置连通，所述通风出口通过第二管路与所述燃料电池发动机的尾气口连通，所述壳体内设置有用于检测壳体内氢气浓度的第一传感器和用于检测壳体内环境温度的第二传感器；

所述第一管路的一端与所述通风进口连通，所述第一管路的另一端设置有第一支管路和第二支管路，所述第一支管路与所述空气供应装置上的中冷器的出气管连通，所述第二支管路与所述空气供应装置上的空压机的出气管连通；所述第一支管路上设置有第一控制阀，所述第二支管路上设置有第二控制阀；

且当所述第一传感器检测的氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启所述第一控制阀和/或开启所述第二控制阀；当所述第二传感器检测的环境温度低于预设温度值时，至少开启所述第二控制阀。

优选地，所述第二管路上设置有节流阀，且所述节流阀能够根据所述壳体内外压差自动开启。

优选地，所述节流阀为仅允许从通风出口向所述尾气口导通的单向阀。

优选地，所述第一控制阀和所述第二控制阀均为流量可调节的电控阀。

优选地，所述空压机能够根据所述第一控制阀和所述第二控制阀的流量需求自适应调节转速。

相比于背景技术介绍内容，上述通风结构，应用于燃料电池发动机，包括设置在燃料电池发动机的壳体上的通风进口和通风出口，通风进口通过第一管路与燃料电池发动机的空气供应装置连通，通风出口通过第二管路与燃料电池发动机的尾气口连通，壳体内设置有用于检测壳体内氢气浓度的第一传感器和用于检测壳体内环境温度的第二传感器；第一管路的一端与通风进口连通，第一管路的另一端设置有第一支管路和第二支管路，第一支管路与空气供应装置上的中冷器的出气管连通，第二支管路与空气供应装置上的空压机的出气管连通；第一支管路上设置有第一控制阀，第二支管路上设置有第二控制阀；且当第一传感器检测的氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀和/或开启第二控制阀；当第二传感器检测的环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀。该通风结构在实际应用过程中，由于通风进口与燃料电池发动机的空气供应装置连通，通风出口与尾气口连通，继而使得整个通风系统形成一个封闭的通风系统，因此，有利于提升发动机的IP等级。另外，由于通风进口的气体来自于空气供应装置，而空气供应装置上布置有空压机，因此，通过空气供应装置内与燃料电池发动机的壳体内的压差作用，即可实现通风自动循环，省去了风扇的设计，并且由于第一支管路上设置有第一控制阀，第二支管路上设置有第二控制阀，仅需要当第一传感器检测的氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀和/或开启第二控制阀；当第二传感器检测的环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀，无需使通风结构处于常工作的状态，因此，能够有效的降低通风结构的能耗；此外，由于第二支管路与空压机的出气管连通，因此当壳体内环境温度较低时，也即燃料电池发动机处于冷启动时，通过第二控制阀的开启能够向壳体内导入热空气，对壳体内的电堆零部件进行预热，有利于燃料电池在低温环境下启动。

另外，本发明还提供了一种通风控制方法，该通风控制方法应用了上述任一方案所描述的通风结构，具体包括步骤：获取燃料电池发动机的壳体内的环境温度和氢气浓度；根据所述环境温度和所述氢气浓度控制第一控制阀和第二控制阀的开启与关闭，具体控制策略为：当所述氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀和/或开启第二控制阀；当所述环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀；当所述氢气浓度未超出预设氢气浓度值且所述环境温度不低于预设温度值时，关闭所述第一控制阀和所述第二控制阀。

该通风控制方法采用了上述通风结构，因此其继承了上述通风结构的核心思想，由于上述通风结构具有上述技术效果，因此该通风控制方法也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

优选地，当所述氢气浓度超出所述预设氢气浓度值且所述环境温度不低于所述预设温度值时，仅开启所述第一控制阀。

优选地，当所述氢气浓度超出所述预设氢气浓度值且所述环境温度低于所述预设温度值时，所述第一控制阀和所述第二控制阀同时开启。

优选地，该通风控制方法还包括步骤：根据通风需求调节所述第一控制阀和所述第二控制阀的开度值总和，具体调节策略为：调节环境温度所需通风量的开度值与调节氢气浓度所需通风量的开度值，二者取其大。

优选地，当所述氢气浓度未超出所述预设氢气浓度值且所述环境温度低于所述预设温度值时，同时开启所述第一控制阀和所述第二控制阀。

此外，本发明还提供了一种燃料电池发动机，包括通风结构，该通风结构为上述任一方案所描述的通风结构。由于上述通风结构具有上述技术效果，因此，具有上述通风结构的燃料电池发动机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

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为本发明实施例提供的通风结构的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的燃料电池发动机处于非冷启动工况下的控制流程图；

图3为本发明实施例提供的燃料电池发动机处于冷启动工况下的控制流程图。

上图1-图3中，

壳体1、通风进口2、通风出口3、第一管路4、第一支管路4a、第二支管路4b、空气供应装置5、空气滤清器5a、空压机5b、中冷器5c、空气进口5d、第二管路6、尾气口7、第一控制阀8、第二控制阀9、节流阀10、电堆11。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种通风结构、通风控制方法及燃料电池发动机，以解决燃料电池发动机的通风装置能耗高、IP等级提升受限和低温环境下不利于发动机启动的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种通风结构，应用于燃料电池发动机，包括设置在燃料电池发动机的壳体1上的通风进口2和通风出口3，通风进口2通过第一管路4与燃料电池发动机的空气供应装置5连通，通风出口3通过第二管路6与燃料电池发动机的尾气口7连通，壳体1内设置有用于检测壳体内氢气浓度的第一传感器和用于检测壳体内环境温度的第二传感器；第一管路4的一端与通风进口2连通，第一管路4的另一端设置有第一支管路4a和第二支管路4b，第一支管路4a与空气供应装置5上的中冷器5c的出气管连通，第二支管路4b与空气供应装置5上的空压机5b的出气管连通；第一支管路4a上设置有第一控制阀8，第二支管路4b上设置有第二控制阀9；且当第一传感器检测的氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀8和/或开启第二控制阀9；当第二传感器检测的环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀9。

该通风结构在实际应用过程中，由于通风进口与燃料电池发动机的空气供应装置连通，通风出口与尾气口连通，继而使得整个通风系统形成一个封闭的通风系统，因此，有利于提升发动机的IP等级。另外，由于通风进口的气体来自于空气供应装置，而空气供应装置上布置有空压机，因此，通过空气供应装置内与燃料电池发动机的壳体内的压差作用，即可实现通风自动循环，省去了风扇的设计，并且由于第一支管路上设置有第一控制阀，第二支管路上设置有第二控制阀，仅需要当第一传感器检测的氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀和/或开启第二控制阀；当第二传感器检测的环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀，无需使通风结构处于常工作的状态，因此，能够有效的降低通风结构的能耗；此外，由于第二支管路与空压机的出气管连通，因此当壳体内环境温度较低时，也即燃料电池发动机处于冷启动时，通过第二控制阀的开启能够向壳体内导入热空气，对壳体内的电堆零部件进行预热，有利于燃料电池在低温环境下启动。

这里需要说明的是，本领域技术人员都应该能够理解的是，对于燃料电池发动机而言，其是由空气供应装置5进行供气，而空气供应装置5一般包括依次串联的空气滤清器5a、空压机5b、中冷器5c和设置在燃料电池发动机壳体1上的空气进口5d。其供气的路线为空气进入空气滤清器5a，然后进入空压机5b进行增压，增压后的空气进入中冷器5c进行冷却，冷却后的空气通过空气进口5d处进入到发动机。

在一些具体的实施方案中，上述第二管路6上还设置有节流阀10，且节流阀10能够根据壳体1内外压差自动开启。通过设计节流阀10可以使得通风装置的通风出口根据压力自动开启排风，当然需要说明的是，本领域技术人员都应该能够理解的是，为了避免尾气口气体倒灌进入壳体内，该节流阀应该具备单向功能。因此该节流阀优选采用仅允许从通风出口3向尾气口7单向导通的单向阀。

在一些具体的实施方案中，上述第一控制阀8和第二控制阀9均优选为流量可调节的电控阀。通过将第一控制阀8和第二控制阀9设计成流量可调节的电控阀，能够根据需求通风量和需求温度控制第一控制阀8和第二控制阀9的开度，并且电控阀更加方便智能控制，继而使得通风量的调节更加方便，空气供应装置上摄取的空气可以按需索取，尽可能的缩减了空压机的进气载荷。当然可以理解的是，上述第一控制阀8和第二控制阀9采用流量可调节的电磁阀，仅仅是本发明实施例对于阀体的优选举例而已，实际应用过程中，上述第一控制阀8和第二控制阀9还可以直接采用电控开闭阀体，只不过只能对第一控制阀和第二控制阀开闭，无法实现开度的调节，相比于流量调节阀而言，其于通风量调节无法精细。此外，第一控制阀8和第二控制阀9还可以是采用机械式阀体，此时可以通过手动开启方式开启，也可以采用机械驱动机构驱动开启。

进一步的实施方案中，为了保证第一控制阀8和第二控制阀9供气的充盈性，同时也为了避免燃料电池发动机空气供应装置5通过进气口5d进入壳体的进气量产生不足的情况发生，上述空压机5b具体能够根据第一控制阀8和第二控制阀9的流量需求自适应调节转速。比如，当第一控制阀8和/或第二控制阀9开启时，需根据阀开度大小预估空气流量，控制空压机工作转速提升，以补偿控制阀开启分流的空气流量。

另外，本发明还提供了一种通风控制方法，该通风控制方法应用了上述任一方案所描述的通风结构，具体包括步骤：

获取燃料电池发动机的壳体1内的环境温度和氢气浓度，具体的获取方式，可以在壳体1内设置对应的温度传感器和氢气浓度传感器，通过对应传感器获取到环境温度和氢气浓度后发送至对应的控制单元；

控制单元能够根据环境温度和氢气浓度控制第一控制阀8和第二控制阀9的开启与关闭，具体控制策略为：

当氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀8和/或开启第二控制阀9；需要说明的是，不论是单独开启第一控制阀8，还是单独开启第二控制阀9，又或者是第一控制阀8和第二控制阀9同时开启，均能够实现对壳体内进行通风的作用，实际应用过程中，可以根据相应的通风量需求和壳体内的预热需求进行选择。

当环境温度低于预设温度值时(也即表明此时的燃料电池发动机处于冷启动状态)，此时保证至少开启第二控制阀9，因为第二控制阀9所控制第二支管路4a连接的是空压机5b的出气管，其引入的气体温度相对较高，更加有利于对壳体内的环境温度进行预热；当然可以理解的是，此时可以采用单独开启第二控制阀9的方式，也可以采用第一控制阀和第二控制阀同时开启的方式，通过第一支管路4a与第二支管路4b混合后的气体也能够实现对壳体内的环境温度进行预热，实际应用过程中，可以根据实际通气量的需求，进行选择对应的第二控制阀单独开启，还是第一控制阀和第二控制阀同时开启方式；

当氢气浓度未超出预设氢气浓度值且环境温度不低于预设温度值时，表明壳体内无需执行通风操作和预热操作，此时可以关闭第一控制阀8和第二控制阀9，这样能够停止通风结构的继续运行，空气供应装置5进入的空气全部用来发动机的进气。

具体地，由于该通风控制方法采用了上述通风结构，因此其继承了上述通风结构的核心思想，由于上述通风结构具有上述技术效果，因此该通风控制方法也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

为了本领域技术人员对本发明的技术方案理解的更加透彻，下面结合燃料电池发动机处于不同工况下的应用场景的优选方案进行列举说明：

第一种应用场景：

如图2所示，燃料电池发动机处于非冷启动工况下，也即获取到的燃料电池发动机的壳体1内的环境温度不低于预设温度值时；

判断燃料电池发动机壳体内的氢气浓度是否超出预设氢气浓度值，当然可以理解的是，该判断氢气浓度是否超出预设氢气浓度值的步骤可以与前述壳体内的环境温度是否低于预设温度值的判断步骤同时进行，也可以是在其之前或者之后执行。

若燃料电池发动机壳体内的氢气浓度超出预设氢气浓度值，为了实现通风量，则可以选择仅开启第一控制阀8，其中，第一控制阀的开度大小是根据具体氢气浓度值而定，即检测到的氢气浓度越高则第一控制阀的开度越大。

需要说明的是，由于第一控制阀8所控制的第一支管路4a连接于中冷器5c，其气流的温度相对较低，通过仅引入第一支管路上的气流，能够有效避免加大电堆的散热负荷。当然可以理解的是，此时仅开启第一控制阀8的方式仅仅是本发明对于上述工况下的优选方式而已。实际应用过程中，当通风量有更大需求时，也可以适当开启第二控制阀9。

若燃料电池发动机壳体内的氢气浓度未超出预设氢气浓度值，则表明壳体内无需执行通风排氢的操作，此时可以直接关闭第一控制阀8和第二控制阀9，这样能够停止通风结构的继续运行，空气供应装置5进入的空气全部用来发动机的进气。

第二种应用场景：

如图3所示，燃料电池发动机处于冷启动工况下，也即获取到的燃料电池发动机的壳体1内的环境温度低于预设温度值时；

判断燃料电池发动机壳体内的氢气浓度是否超出预设氢气浓度值，当然可以理解的是，该判断氢气浓度是否超出预设氢气浓度值的步骤可以与前述壳体内的环境温度是否低于预设温度值的判断步骤同时进行，也可以是在其之前或者之后执行。

若燃料电池发动机壳体内的氢气浓度超出预设氢气浓度值，此时发动机壳体内部需要执行通风排氢操作，同时由于发动机处于冷启动工况还需要执行壳体内预热的操作，则可以选择将第一控制阀8和第二控制阀9同时开启。

并且此时，第一控制阀8和第二控制阀9的总开度大小是根据具体氢气浓度值需求通风量及电堆温度需求通风量二者取大，其中，第一控制阀8和第二控制阀9的各自开度由电堆温度、中冷后空气温度及空压机增压后空气温度而定，此时将第一控制阀8所在的第一支管路4a和第二控制阀9所在的第二支管路4b两路中不同温度的空气混合后通入壳体1中，一方面通风迅速排除壳体内泄露的氢气，另一方面提高电堆表面及发动机内部附件温度，提高发动机冷启动的效率。

若燃料电池发动机壳体内的氢气浓度未超出预设氢气浓度值，此时发动机壳体内部无需执行通风排氢操作，仅需适应发动机处于冷启动工况执行壳体内预热的操作即可。

需要说明的是，一般来说，为了保证预热所需通风量，此时也优选采取第一控制阀8和第二控制阀9同时开启的方式。并且此时，第一控制阀8和第二控制阀9的总开度大小是根据具体电堆温度需求通风量而定，其中，第一控制阀8和第二控制阀9的各自开度由电堆温度、中冷后空气温度及空压机增压后空气温度而定，此时将第一控制阀8所在的第一支管路4a和第二控制阀9所在的第二支管路4b两路中不同温度的空气混合后通入壳体1中，提高电堆表面及发动机内部附件温度，提高发动机冷启动的效率。

需要说明的是，此时若仅开启第二控制阀9同样能够达到对壳体内的环境温度进行预热的效果，也即能够实现提高电堆表面及发动机内部附件温度，提高发动机冷启动的效率。只不过单独开启第二控制阀9的方式不如同时开启第一控制阀8和第二控制阀9的换热效果好。

此外，本发明还提供了一种燃料电池发动机，包括通风结构，该通风结构为上述任一方案所描述的通风结构。由于上述通风结构具有上述技术效果，因此，具有上述通风结构的燃料电池发动机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的通风结构、通风控制方法及燃料电池发动机进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种通风结构，应用于燃料电池发动机，其特征在于，包括设置在所述燃料电池发动机的壳体(1)上的通风进口(2)和通风出口(3)，所述通风进口(2)通过第一管路(4)与所述燃料电池发动机的空气供应装置(5)连通，所述通风出口(3)通过第二管路(6)与所述燃料电池发动机的尾气口(7)连通，所述壳体(1)内设置有用于检测壳体内氢气浓度的第一传感器和用于检测壳体内环境温度的第二传感器；

所述第一管路(4)的一端与所述通风进口(2)连通，所述第一管路(4)的另一端设置有第一支管路(4a)和第二支管路(4b)，所述第一支管路(4a)与所述空气供应装置(5)上的中冷器(5c)的出气管连通，所述第二支管路(4b)与所述空气供应装置(5)上的空压机(5b)的出气管连通；所述第一支管路(4a)上设置有第一控制阀(8)，所述第二支管路(4b)上设置有第二控制阀(9)；

且当所述第一传感器检测的氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启所述第一控制阀(8)和/或开启所述第二控制阀(9)；当所述第二传感器检测的环境温度低于预设温度值时，至少开启所述第二控制阀(9)。

2.如权利要求1所述的通风结构，其特征在于，所述第二管路(6)上设置有节流阀(10)，且所述节流阀(10)能够根据所述壳体(1)内外压差自动开启。

3.如权利要求1所述的通风结构，其特征在于，所述节流阀(10)为仅允许从通风出口(3)向所述尾气口(7)导通的单向阀。

4.如权利要求1所述的通风结构，其特征在于，所述第一控制阀(8)和所述第二控制阀(9)均为流量可调节的电控阀。

5.如权利要求4所述的通风结构，其特征在于，所述空压机(5b)能够根据所述第一控制阀(8)和所述第二控制阀(9)的流量需求自适应调节转速。

6.一种通风控制方法，其特征在于，该通风控制方法应用了如权利要求1-5所述的通风结构，具体包括步骤：

获取燃料电池发动机的壳体(1)内的环境温度和氢气浓度；

根据所述环境温度和所述氢气浓度控制第一控制阀(8)和第二控制阀(9)的开启与关闭，具体控制策略为：

当所述氢气浓度超出预设氢气浓度值时，开启第一控制阀(8)和/或开启第二控制阀(9)；

当所述环境温度低于预设温度值时，至少开启第二控制阀(9)；

当所述氢气浓度未超出预设氢气浓度值且所述环境温度不低于预设温度值时，关闭所述第一控制阀(8)和所述第二控制阀(9)。

7.如权利要求6所述的通风控制方法，其特征在于，当所述氢气浓度超出所述预设氢气浓度值且所述环境温度不低于所述预设温度值时，仅开启所述第一控制阀(8)。

8.如权利要求6所述的通风控制方法，其特征在于，当所述氢气浓度超出所述预设氢气浓度值且所述环境温度低于所述预设温度值时，所述第一控制阀(8)和所述第二控制阀(9)同时开启。

9.如权利要求8所述的通风控制方法，其特征在于，还包括步骤：

根据通风需求调节所述第一控制阀(8)和所述第二控制阀(9)的开度值总和，具体调节策略为：调节环境温度所需通风量的开度值与调节氢气浓度所需通风量的开度值，二者取其大。

10.如权利要求6所述的通风控制方法，其特征在于，当所述氢气浓度未超出所述预设氢气浓度值且所述环境温度低于所述预设温度值时，同时开启所述第一控制阀(8)和所述第二控制阀(9)。

11.一种燃料电池发动机，包括通风结构，其特征在于，所述通风结构为如权利要求1-4所述的通风结构。

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