CN111668520A - 燃料电池系统及其关机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其关机控制方法，所述燃料电池系统包括空气系统、氢气系统、发电系统以及冷却系统，所述空气系统与所述氢气系统之间通过吹扫旁通阀连通，所述关机控制方法包括以下吹扫步骤：打开所述空气系统与所述氢气系统之间的吹扫旁通阀，利用所述空气系统中的空气吹扫氢气腔；打开所述氢气系统中的氢气尾排阀以使氢气腔中的氢气排出。本发明通过在空气系统与氢气系统之间设置吹扫旁通阀，并在接收到关机指令时打开所述吹扫旁通阀，利用空气系统中的空气吹扫氢气腔，打开氢气尾排阀以使得氢气腔中的氢气排出，防止在阳极形成氢氧界面损坏电堆催化剂，延长了燃料电池系统的使用寿命。

Description

燃料电池系统及其关机控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池系统及其关机控制方法。
背景技术
燃料电池系统作为车用动力系统的主要部分，当接收到关机指令时，燃料电池系统需要进行吹扫，吹干燃料电池反应堆阴阳极的液态水。目前的燃料电池车用系统需要满足低温冷启动，例如零下20度冷启动的要求，如果液态水没有吹扫干，燃料电池的表面会形成冰面，伤害燃料电池。
现有技术中的燃料电池系统中，利用氢气系统中的氢气吹扫氢气腔，以及利用空气系统中的空气吹扫空气腔，存在成本高的问题，而且容易造成残余的氢气和氧气发生反应，损坏电堆催化剂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种燃料电池系统及其关机控制方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明的第一方面提供一种燃料电池系统的关机控制方法，所述燃料电池系统包括空气系统、氢气系统、发电系统以及冷却系统，所述空气系统与所述氢气系统之间通过吹扫旁通阀连通，所述关机控制方法包括以下吹扫步骤：
打开所述空气系统与所述氢气系统之间的吹扫旁通阀，利用所述空气系统中的空气吹扫氢气腔；
打开所述氢气系统中的氢气尾排阀以使氢气腔中的氢气排出。
较佳地，在所述吹扫步骤之前还包括以下降压步骤：
控制所述空气系统中空气尾排背压阀的开度以降低空气压力；
根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力；
降低所述空气系统中空压机的转速以减小空气流量；
若所述空气压力小于预设压力，则关闭所述氢气减压比例阀，以停止供给氢气。
较佳地，在所述降压步骤之前还包括以下降载步骤：
降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流；
根据与当前发电电流对应的空气流量降低所述空气系统中空压机的转速；
根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力；
根据当前功率控制所述冷却系统中风扇的转速以降低所述发电系统中电堆的温度。
较佳地，所述降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流的步骤具体包括：
按照预设速率降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流。
较佳地，所述根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力的步骤具体包括：
根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力，直至所述氢气压力与所述当前空气压力之间的差值小于预设值。
较佳地，所述吹扫步骤还包括：
提高所述空气系统中空压机的转速以吹扫阴极腔和阳极腔内的水；和/或；
若燃料电池系统的电压低于预设电压，则根据环境温度控制所述冷却系统中风扇的转速以降低所述发电系统中电堆的温度直至所述电堆表面不会产生冷凝水。
较佳地，所述关机控制方法还包括以下步骤：
若检测到空气供应出现故障，则打开所述空气系统与所述氢气系统之间的吹扫旁通阀，并利用所述氢气系统中的氢气吹扫空气腔。
本发明的第二方面提供一种燃料电池系统，包括空气系统、氢气系统、发电系统、冷却系统以及控制器，所述空气系统与所述氢气系统之间通过吹扫旁通阀连通，所述控制器被配置为执行如第一方面所述的关机控制方法。
较佳地，所述空气系统包括依次连接的空气滤清器、空气流量计、空压机、空气入口电磁阀、空气增湿器、空气入堆压力传感器，以及与所述空气增湿器连接的空气尾排背压阀，所述空气入堆压力传感器和所述空气增湿器均与所述发电系统中的电堆连接。
较佳地，所述氢气系统包括依次连接的氢气高压传感器、氢气减压比例阀、进氢阀、氢气入堆压力传感器，以及依次连接的氢气循环泵、水气分离器以及氢气尾排阀；
所述氢气循环泵分别与所述氢气减压比例阀和所述进氢阀连接，所述氢气尾排阀包括氢气尾排排水阀和氢气尾排排气阀，所述氢气入堆压力传感器和所述水气分离器均与所述发电系统中的电堆连接。
本发明的积极进步效果在于：通过在空气系统与氢气系统之间设置吹扫旁通阀，并在接收到关机指令时打开所述吹扫旁通阀，利用空气系统中的空气吹扫氢气腔，打开氢气尾排阀以使得氢气腔中的氢气排出，防止在阳极形成氢氧界面损坏电堆催化剂，延长了燃料电池系统的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的关机控制方法中降载步骤的流程图。
图2为本发明实施例提供的关机控制方法中降压步骤的流程图。
图3为本发明实施例提供的关机控制方法中吹扫步骤的流程图。
图4为本发明实施例提供的燃料电池系统中空气系统、氢气系统以及电堆之间的连接结构示意图。
图5为本发明实施例提供的燃料电池系统中冷却系统与电堆之间的连接结构示意图。
图6为本发明实施例提供的燃料电池系统中发电系统的结构示意图。
图7为本发明实施例提供的空气供应故障的关机控制方法的流程图。
图8为本发明实施例提供的氢气供应故障的关机控制方法的流程图。
图9为本发明实施例提供的冷却系统故障的关机控制方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例中的燃料电池系统包括空气系统、氢气系统、发电系统以及冷却系统，所述空气系统与所述氢气系统之间通过吹扫旁通阀连通。在接收到关机指令时，执行以下实施方式中的关机控制方法。在可选的一种实施方式中，燃料电池系统应用于车用动力系统中，由整车向本实施例中的燃料电池系统发送关机指令。
在可选的一种实施方式中，如图1所示，燃料电池系统的关机控制方法包括以下降载步骤：
步骤S101、降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流。在具体实施的一个例子中，向电压转换电路发送目标发电电流以实现降低发电电流。
步骤S102、根据与当前发电电流对应的空气流量降低所述空压机的转速。
本实施方式中，通过控制空气系统中空压机的转速以及空气尾排背压阀的开度来给燃料电池系统供应空气。空压机的转速越高，空气流量就越大；空气尾排背压阀的开度越小，空气压力就越大。
步骤S102中，发电电流与空气流量具有正向对应关系，发电电流越小，则空气流量越小，通过降低空压机的转速以减小空气流量。在具体实施的一个例子中，向空压机发送目标转速以降低空压机的转速。
步骤S103、根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力。
本实施方式中，通过控制氢气系统中氢气减压比例阀的开度闭环控制入堆供应氢气压力，在具体实施中可以使用氢气压力传感器作为闭环控制的反馈信号。
步骤S102中空压机转速降低，空气压力也会相应下降，步骤S103中根据当前空气压力实时控制氢气压力。
为了避免降载过程中氢氧压差较大导致发电系统中的电堆损坏，需要将氢氧压差维持在一个较小范围内。在步骤S103可选的一种实施方式中，根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力，直至所述氢气压力与所述当前空气压力之间的差值小于预设值。在一个例子中，将氢气压力与当前空气压力之间的差值维持在15kPa，即氢气压力＝空气压力+15KPa。
步骤S104、根据当前功率控制所述冷却系统中风扇的转速以降低所述发电系统中电堆的温度。其中，根据当前发电电流和当前电压计算当前功率。
为了保证降载过程中发电电流、空气流量以及电堆的温度稳定，在步骤S101可选的一种实施方式中，按照预设速率降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流。在具体实施中，可以根据空压机、氢气尾排阀等部件的响应能力设置预设速率的值。在一个例子中，预设速率为15A/s。
在可选的一种实施方式中，燃料电池系统的关机控制方法包括以下降压步骤：
步骤S201、控制所述空气系统中空气尾排背压阀的开度以降低空气压力。在具体实施的一个例子中，空气尾排背压阀的开度越小，空气压力越大。在一个例子中，控制空气尾排背压阀的开度开到最大以快速降低空气压力。
步骤S202、根据当前空气压力控制所述氢气系统中的氢气减压比例阀以降低氢气压力。
为了避免降压过程中氢氧压差较大导致电堆损坏，需要将氢氧压差维持在一个较小范围内。在步骤S203可选的一种实施方式中，根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力，直至所述氢气压力与所述当前空气压力之间的差值小于预设值。在一个例子中，将氢气压力与当前空气压力之间的差值维持在15kPa，即氢气压力＝空气压力+15KPa。
步骤S203、降低所述空气系统中空压机的转速以减小空气流量；
步骤S204、若所述空气压力小于预设压力，则关闭所述氢气系统中的氢气减压比例阀，以停止供给氢气。在一个具体的例子中，降低空压机的转速直至空气压力小于20KPa，通过关闭氢气减压比例阀停止供给氢气。
图2是用于示出一个具体例子中降压步骤的流程图，降压步骤依次包括降低空气压力、降低转速和关闭氢气。
在可选的一种实施方式中，燃料电池系统的关机控制方法包括以下吹扫步骤：
步骤S301、打开所述空气系统与所述氢气系统之间的吹扫旁通阀，利用所述空气系统中的空气吹扫氢气腔。
步骤S302、打开所述氢气系统中的氢气尾排阀以使氢气腔中的氢气排出。在具体实施的一个例子中，打开氢气尾排阀10s，以使氢气腔中的氢气尽量排出。
本实施方式中，通过在空气系统与氢气系统之间设置吹扫旁通阀，并在接收到关机指令时打开所述吹扫旁通阀，利用空气系统中的空气吹扫氢气腔，打开氢气尾排阀以使得氢气腔中的氢气排出，防止在阳极形成氢氧界面损坏电堆催化剂，延长了燃料电池系统的使用寿命。
在可选的一种实施方式中，上述吹扫步骤还包括：提高所述空气系统中空压机的转速以吹扫阴极腔和阳极腔内的水。本实施方式中，通过提高空压机的转速实现大气量地吹扫阴极腔和阳极腔内的水。
在可选的一种实施方式中，上述吹扫步骤还包括：若燃料电池系统的电压低于预设电压，则根据环境温度控制所述冷却系统中风扇的转速以降低所述电堆的温度直至所述电堆表面不会产生冷凝水。在具体实施的一个例子中，将电堆的温度降至环境温度+10摄氏度，以防止完全关机后在电堆表面产生冷凝水从而影响下一次的冷启动。
在可选的一种实施方式中，上述吹扫步骤中降低温度之后还包括：关闭吹扫，具体包括关闭吹扫旁通阀、停止供给氢气、关闭氢气尾排阀、停止供给空气、关闭空气尾排背压阀。
图3是用于示出一个具体例子中吹扫步骤的流程图，吹扫步骤依次包括打开吹扫旁通阀、提高转速、降低温度和关闭吹扫。
在可选的一种实施方式中，在接收到关机指令时，依次执行上述降载步骤、降压步骤以及吹扫步骤，以保证燃料电池系统可靠关机。
在可选的一种实施方式中，燃料电池系统的关机控制方法还包括以下步骤：若检测到空气供应出现故障，则打开所述空气系统与所述氢气系统之间的吹扫旁通阀，并利用所述氢气系统中的氢气吹扫空气腔。
在一个例子中，空压机发生故障无法运行导致空气供应出现故障，利用氢气系统中的氢气吹扫空气腔。
需要说明的是，燃料电池系统在接收到关机指令时，若空气供应正常，则利用空气系统中的空气吹扫氢气腔，若空气供应出现故障，则利用氢气系统中的氢气吹扫空气腔。
实施例2
本实施例提供一种燃料电池系统，包括空气系统、氢气系统、发电系统、冷却系统以及控制器，所述空气系统与所述氢气系统之间通过吹扫旁通阀连通，所述控制器被配置为执行实施例1所述的关机控制方法。
在可选的一种实施方式中，如图4所示，空气系统包括依次连接的空气滤清器11、空气流量计12、空压机13、空气入口电磁阀14、空气增湿器15、空气入堆压力传感器16，以及与空气增湿器15连接的空气尾排背压阀16，空气入堆压力传感器16和空气增湿器15均与电堆31连接。
在可选的一种实施方式中，如图4所示，氢气系统包括依次连接的氢气高压传感器21、氢气减压比例阀22、进氢阀23、氢气入堆压力传感器24，以及依次连接的氢气循环泵25、水气分离器26以及氢气尾排阀。所述氢气尾排阀包括氢气尾排排水阀27和氢气尾排排气阀28。
氢气循环泵25分别与氢气减压比例阀22和进氢阀23连接，氢气入堆压力传感器24和水气分离器26分别与电堆31连接。
在可选的一种实施方式中，如图4所示，吹扫旁通阀30的一端连接至空气增湿器15的输入端，另一端连接至氢气减压比例阀22与进氢阀23之间。
在可选的一种实施方式中，如图5所示，冷却系统包括低压水泵41、风扇42、三通电动阀43、加热器44、高压水泵45。
高压水泵的能力较强，能够满足额定功率下燃料电池系统的流量和压力要求；低压水泵是辅助散热水泵，功率较小。当高压水泵出现急停故障且电堆的温度较高时，利用低压水泵进行散热降温。
在可选的一种实施方式中，如图6所示，发电系统包括电堆巡检模块CVM32、电堆31、主接触器33、电压转换电路34以及整车高压模块35。在具体实施中，电压转换电路为DC-DC升压电路。
在一个具体的例子中，燃料电池系统当前正常运行在额定功率30kw时，控制器控制各个子系统工作：
空气系统：控制空气尾排背压阀的开度为50％，控制空压机工作在转速10000r/min，当前采集到的空气压力为65kPa。
氢气系统：控制进氢阀打开，通过控制氢气减压比例阀闭环控制入堆氢气压力80kPa；间歇打开氢气尾排阀以排出氢气腔的水分和杂质气体。
冷却系统：控制高压水泵到额定转速4000r/min，控制三通电动阀到外循环全开，通过控制风扇的转速闭环控制电堆的温度为80℃。
发电系统：控制主接触器打开，通过控制DC-DC升压电路的发电电流闭环控制燃料电池系统的功率为30kw。
下面是针对燃料电池系统在运行过程中一些主要零部件出现严重故障时提供的关机控制方法，能够保证燃料电池系统其它主要零部件的安全。其中，故障种类包括空气供应故障、氢气供应故障、冷却系统故障以及电堆故障等，
在一个具体的例子中，如图7所示，若检测到空气供应出现故障例如空压机发生故障停止运行，则控制空气尾排背压阀的开度开到最大，关闭空气入口电磁阀，控制氢气减压比例阀的开度以使氢气压力为15KPa，DC-DC升压电路立即停止工作；打开吹扫旁通阀，利用氢气吹扫阴极腔和阳极腔，DC-DC升压电路低电流放电；若电压低于60V，则根据环境温度控制冷却系统中风扇的转速以将电堆的温度降低至环境温度+10摄氏度；吹扫完成，关闭空气尾排背压阀、关闭氢气尾排阀、关闭进氢阀、关闭吹扫旁通阀。
在一个具体的例子中，如图8所示，若检测到氢气供应出现故障例如氢气减压比例阀出现故障，则紧急关闭氢气减压比例阀，将空气尾排背压阀的开度开到最大，降低空压机转速，DC-DC升压电路立即停止工作；打开吹扫旁通阀，提高空压机转速，利用空气吹扫阴极腔和阳极腔，间歇打开氢气尾排阀，DC-DC升压电路低电流放电；若电压低于60V，则根据环境温度控制冷却系统中风扇的转速以将电堆的温度降低至环境温度+10摄氏度。
在一个具体的例子中，如图9所示，若检测到冷却系统出现故障例如水泵出现严重故障停止运行，则将空气尾排背压阀的开度开到最大，降低空压机转速，关闭氢气减压比例阀以关闭氢气供应，DC-DC升压电路立即停止工作，打开低压水泵；打开吹扫旁通阀，提高空压机转速，利用空气吹扫阴极腔和阳极腔，间歇打开氢气尾排阀，DC-DC升压电路低电流放电；根据环境温度控制冷却系统中风扇的转速以将电堆的温度降低至环境温度+10摄氏度。
在一个具体的例子中，若CVM检测到电堆出现故障，则快速降低DC-DC升压电路的发电电流，降低所述空压机的转速，控制氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力，根据环境温度控制冷却系统中风扇的转速以将电堆的温度降低至环境温度+10摄氏度。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的关机控制方法，所述燃料电池系统包括空气系统、氢气系统、发电系统以及冷却系统，其特征在于，所述空气系统与所述氢气系统之间通过吹扫旁通阀连通，所述关机控制方法包括以下吹扫步骤：
打开所述空气系统与所述氢气系统之间的吹扫旁通阀，利用所述空气系统中的空气吹扫氢气腔；
打开所述氢气系统中的氢气尾排阀以使氢气腔中的氢气排出。
2.如权利要求1所述的关机控制方法，其特征在于，在所述吹扫步骤之前还包括以下降压步骤：
控制所述空气系统中空气尾排背压阀的开度以降低空气压力；
根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力；
降低所述空气系统中空压机的转速以减小空气流量；
若所述空气压力小于预设压力，则关闭所述氢气减压比例阀，以停止供给氢气。
3.如权利要求2所述的关机控制方法，其特征在于，在所述降压步骤之前还包括以下降载步骤：
降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流；
根据与当前发电电流对应的空气流量降低所述空气系统中空压机的转速；
根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力；
根据当前功率控制所述冷却系统中风扇的转速以降低所述发电系统中电堆的温度。
4.如权利要求3所述的关机控制方法，其特征在于，所述降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流的步骤具体包括：
按照预设速率降低所述发电系统中电压转换电路的发电电流。
5.如权利要求2-4中任一项所述的关机控制方法，其特征在于，所述根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力的步骤具体包括：
根据当前空气压力控制所述氢气系统中氢气减压比例阀的开度以降低氢气压力，直至所述氢气压力与所述当前空气压力之间的差值小于预设值。
6.如权利要求1所述的关机控制方法，其特征在于，所述吹扫步骤还包括：
提高所述空气系统中空压机的转速以吹扫阴极腔和阳极腔内的水；和/或；
若燃料电池系统的电压低于预设电压，则根据环境温度控制所述冷却系统中风扇的转速以降低所述发电系统中电堆的温度直至所述电堆表面不会产生冷凝水。
7.如权利要求1所述的关机控制方法，其特征在于，所述关机控制方法还包括以下步骤：
若检测到空气供应出现故障，则打开所述空气系统与所述氢气系统之间的吹扫旁通阀，并利用所述氢气系统中的氢气吹扫空气腔。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括空气系统、氢气系统、发电系统、冷却系统以及控制器，所述空气系统与所述氢气系统之间通过吹扫旁通阀连通，所述控制器被配置为执行如权利要求1-7中任一项所述的关机控制方法。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气系统包括依次连接的空气滤清器、空气流量计、空压机、空气入口电磁阀、空气增湿器、空气入堆压力传感器，以及与所述空气增湿器连接的空气尾排背压阀，所述空气入堆压力传感器和所述空气增湿器均与所述发电系统中的电堆连接。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气系统包括依次连接的氢气高压传感器、氢气减压比例阀、进氢阀、氢气入堆压力传感器，以及依次连接的氢气循环泵、水气分离器以及氢气尾排阀；
所述氢气循环泵分别与所述氢气减压比例阀和所述进氢阀连接，所述氢气尾排阀包括氢气尾排排水阀和氢气尾排排气阀，所述氢气入堆压力传感器和所述水气分离器均与所述发电系统中的电堆连接。
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