CN111692406B - 一种排水电磁阀、燃料电池冷启动系统及冷启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排水电磁阀、燃料电池冷启动系统及冷启动方法,排水电磁阀的流体进入流道和流体排出流道与阀杆之间设有隔膜,隔膜阻止流体进入流道和流体排出流道的流体进入阀杆与阀座之间形成的滑动间隙;冷启动系统包括氢瓶、减压器、比例阀、引射器、压力传感器、电堆、氢循环泵、分水器、排气管以及控制器;冷启动方法包括:步骤1:控制器判断燃料电池是否处于0℃以下,若是,执行步骤S2;步骤2:控制器打开排水电磁阀并周期性调节进入电堆的氢气压力,控制器记录压力传感器的压力变化周期T,通过判断周期T判断是否进行冷启动。与现有技术相比,降低成本,减小复杂度,降低冷启动的时间。

Description

一种排水电磁阀、燃料电池冷启动系统及冷启动方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,尤其是涉及一种排水电磁阀、燃料电池冷启动系统及冷启动方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电装置,燃料电池系统能量转换效率高,是一种理想的能源利用方式,商业化应用存在着广阔的发展前景。在实践中,对于一个阳极闭口循环的系统,为了避免阳极水淹,需要定期将阳极液态水排出,通常采用排水电磁阀定期排出液态水。
为了抑制系统停止后低温下凝结导致电磁阀冻结,影响系统的冷启动性能,目前大部分的做法都是通过电磁阀增加加热PTC(PTC陶瓷发热元件),在系统冷启动之前,启动加热PTC,判断电磁阀温度超过设定阈值后,系统在进行低温起动;加热PTC功率较小,加热时间长;该技术增加系统的复杂程度、成本、寄生功率以及启动时间。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种排水电磁阀、燃料电池冷启动系统及冷启动方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种排水电磁阀,包括阀座、阀杆和电磁线圈,所述电磁线圈通过通电和断电使阀杆运动,所述阀杆和电磁线圈安装于阀座,所述阀座形成流体进入流道和流体排出流道,所述流体进入流道和流体排出流道与阀杆之间设有隔膜,所述隔膜阻止流体进入流道和流体排出流道的流体进入阀杆与阀座之间形成的滑动间隙。
所述的流体进入流道和流体排出流道相对于阀杆平齐,所述隔膜设置于阀杆的流道接触面。
所述的隔膜与阀杆一体成型。
所述的隔膜与阀座连接,阀杆的运动使隔膜绷紧或松弛。
所述的隔膜为橡胶隔膜。
所述电磁线圈的功率为100W。
一种包括所述的排水电磁阀的燃料电池冷启动系统,还包括氢瓶、减压器、比例阀、引射器、压力传感器、电堆、氢循环泵、分水器、排气管以及控制器,所述氢瓶通过减压器与比例阀的进口连接,引射器的射流入口与比例阀的出口连接,引射器的引流入口与分水器的出口连接,引射器的出口与电堆的氢气进口连接,电堆的氢气出口与分水器的进口连接,氢循环泵的进口与分水器的出口连接,氢循环泵的出口与电堆的氢气进口连接,排水电磁阀的进口与分水器的出口连接,排水电磁阀的出口与排气管连接,压力传感器与电堆的氢气进口连接,控制器用于采集压力传感器的压力信号与控制比例阀的开度。
一种利用所述燃料电池冷启动系统的冷启动方法,该方法包括以下步骤:
步骤1:控制器判断燃料电池是否处于0℃以下,若是,执行步骤S2;
步骤2:控制器打开排水电磁阀并周期性调节进入电堆的氢气压力,控制器记录压力传感器的压力变化周期T,若T小于或等于设定阈值,则判定排水电磁阀开启,执行步骤S3,若T大于设定阈值,执行步骤S2;
步骤3:燃料电池冷启动。
所述周期性调节进入电堆的氢气压力的过程包括:
控制器设定进入电堆的氢气压力上限值P3;
当压力传感器检测的压力达到P3时,控制器设定进入电堆的氢气压力下限值P2;
当压力传感器检测的压力达到P2时,控制器设定进入电堆的氢气压力上限值P3,重复上述操作。
所述的步骤S2中打开排水电磁阀后,排水电磁阀的电磁线圈将产生的热量传递给排水电磁阀的部件。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)改进排水电磁阀结构设计:将排水电磁阀的阀杆与流体介质隔绝,避免液态水进入阀杆与阀座壁面之间的间隙,系统停止后,温度降至冰点以下,阀杆与阀座壁面之间不会存在液态水结冰导致阀杆无法提升、电磁阀无法开启的问题。
(2)排水电磁阀采用大功率线圈:即使电磁阀存在结冰的情况,通过电磁阀线圈自身产热,来达到破冰的效果。
(3)提出快速有效的排水电磁阀开启的判断方法:通过压力波动的周期来判断电磁阀是否开启,能够快速判断出电磁阀开启的状态,不需要额外加装温度传感器等器件,降低成本,减小复杂度,降低冷启动的时间,提高冷启动的成功率。
(4)大幅降低冷启动时间以及降低系统复杂程度:通过改进排水电磁阀的结构以及排水电磁阀的开启判断方法,可以大幅的降低电磁阀破冰的时间,减小系统的寄生功率,准确有效判断排水电磁阀是否开启,从而降低冷启动的启动时间以及提高冷启动的成功率。
附图说明
图1为本发明实施例1的排水电磁阀结构示意图;
图2为本发明的燃料电池冷启动系统结构示意图;
图3为本发明的冷启动方法流程图;
图4为本发明的排水电磁阀开启判断曲线图;
附图标记:
1为电堆;2为氢循环泵;3为分水器;4为排水电磁阀;5为引射器;6为比例阀;7为减压器;8为氢瓶;9为阀座;10为阀杆;11为电磁线圈;12为隔膜;13为流体进入流道;14为流体排出流道;15为压力传感器;16为排气管;17为控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供一种排水电磁阀、燃料电池冷启动系统及冷启动方法。
排水电磁阀:
包括阀座9、阀杆10和电磁线圈11,电磁线圈11通过通电和断电使阀杆10运动,阀杆10和电磁线圈11安装于阀座9,阀座9形成流体进入流道13和流体排出流道14,流体进入流道13和流体排出流道14与阀杆10之间设有隔膜12,隔膜12阻止流体进入流道13和流体排出流道14的流体进入阀杆10与阀座9之间形成的滑动间隙。流体进入流道13和流体排出流道14相对于阀杆10平齐,隔膜12设置于阀杆10的流道接触面,隔膜12与阀杆10一体成型。隔膜12为橡胶隔膜,电磁线圈11的功率为100W。
电池冷启动系统:
包括氢瓶8、减压器7、比例阀6、引射器5、压力传感器15、电堆1、氢循环泵2、分水器3、排水电磁阀4、排气管16以及控制器17,氢瓶8通过减压器7与比例阀6的进口连接,引射器5的射流入口与比例阀6的出口连接,引射器5的引流入口与分水器3的出口连接,引射器5的出口与电堆1的氢气进口连接,电堆1的氢气出口与分水器3的进口连接,氢循环泵2的进口与分水器3的出口连接,氢循环泵2的出口与电堆1的氢气进口连接,排水电磁阀4的进口与分水器3的出口连接,排水电磁阀4的出口与排气管16连接,压力传感器15与电堆1的氢气进口连接,控制器17用于采集压力传感器15的压力信号与控制比例阀6的开度。
进口氢压的调节通过比例阀6的开度来控制,分水器3将冷凝水和电堆1的氢气出口排出的液态水与氢气进行分离,分离后的饱和湿氢气分别进入氢循环泵2以及引射器5进行氢气循环,提高氢气利用率;通过排水电磁阀4将分水器3分离的液态水经流体排出流道14排出。
冷启动方法:
燃料电池冷启动之前,首先要判断排水电磁阀4是否开启,本实施例通过氢气压力波动时间来判断排水电磁阀4是否开启;图3和图4分别为排水电磁阀4开启判断的流程图和曲线图。系统启动指令发出(步骤S1),控制器17判断燃料电池是否处于冰点(0℃)以下(步骤S2),如果判定燃料电池不会处于冰点以下,不进行步骤S3以下的操作,控制器17直接跳到结束,进行燃料电池冷启动。如果判定为冰点以下(步骤S2为“是”),则控制器17打开排水电磁阀4并设定电堆1进口氢压(进入电堆1的氢气压力)(步骤S3以及步骤S4),控制器17设定进口压力上限值P3,当压力传感器15检测的压力达到压力上限值P3,控制器17设定压力下限值P2,当压力传感器15的压力达到压力下限值P2(步骤S5为“是”),控制器17设定进口压力上限值P3(步骤S6),重复上述操作,同时控制器17记录每个压力变化周期的时间T,当控制器17记录的压力变化周期T≤Tthr(设定阈值)(步骤S7为“是”),判定排水电磁阀4开启,设定氢气压力并关闭排水电磁阀4(步骤S8以及步骤S9),进行燃料电池冷启动。如果控制器17记录的压力变化周期T1>Tthr(步骤S7为“否”),返回到步骤S3,重复操作。
本实施例为了抑制燃料电池系统停止后低温下凝结导致电磁阀冻结,影响系统的冷启动性能,首先通过改进排水电磁阀的内部阀芯结构,采用膜片式结构,使阀杆与流道隔离,避免流道内的液态水进入阀杆与阀座之间形成的滑动间隙;即使阀口被冻住,也可以通过排水电磁阀的大功率线圈发热达到破冰的效果,同时系统正常运行的过程中,避免排水电磁阀过热,采用Peak/hold驱动方式,降低电磁线圈的电流。
本实施例通过改进排水电磁阀的结构以及排水电磁阀的开启判断方法,可以大幅的降低电磁阀破冰的时间,降低成本,减小复杂度,减小系统的寄生功率,准确有效判断排水电磁阀是否开启,从而降低冷启动的启动时间以及提高冷启动的成功率。
实施例2
隔膜12与阀座9连接,阀杆10的运动使隔膜12绷紧或松弛。其余与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种燃料电池冷启动系统的冷启动方法,其特征在于,所述冷启动系统包括排水电磁阀(4)、氢瓶(8)、减压器(7)、比例阀(6)、引射器(5)、压力传感器(15)、电堆(1)、氢循环泵(2)、分水器(3)、排气管(16)以及控制器(17),所述氢瓶(8)通过减压器(7)与比例阀(6)的进口连接,引射器(5)的射流入口与比例阀(6)的出口连接,引射器(5)的引流入口与分水器(3)的出口连接,引射器(5)的出口与电堆(1)的氢气进口连接,电堆(1)的氢气出口与分水器(3)的进口连接,氢循环泵(2)的进口与分水器(3)的出口连接,氢循环泵(2)的出口与电堆(1)的氢气进口连接,所述排水电磁阀(4)包括阀座(9)、阀杆(10)和电磁线圈(11),所述电磁线圈(11)通过通电和断电使阀杆(10)运动,所述阀杆(10)和电磁线圈(11)安装于阀座(9),所述阀座(9)形成流体进入流道(13)和流体排出流道(14),所述流体进入流道(13)和流体排出流道(14)与阀杆(10)之间设有隔膜(12),所述隔膜(12)阻止流体进入流道(13)和流体排出流道(14)的流体进入阀杆(10)与阀座(9)之间形成的滑动间隙;所述电磁线圈(11)的功率为100W;
所述排水电磁阀(4)的进口与分水器(3)的出口连接,排水电磁阀(4)的出口与排气管(16)连接,压力传感器(15)与电堆(1)的氢气进口连接,控制器(17)用于采集压力传感器(15)的压力信号与控制比例阀(6)的开度;
所述方法包括以下步骤:
步骤1:控制器(17)判断燃料电池是否处于0℃以下,若是,执行步骤S2;
步骤2:控制器(17)打开排水电磁阀(4)并周期性调节进入电堆(1)的氢气压力,控制器(17)记录压力传感器(15)的压力变化周期T,若T小于或等于设定阈值,则判定排水电磁阀(4)开启,执行步骤S3,若T大于设定阈值,执行步骤S2;
步骤3:燃料电池冷启动;
所述周期性调节进入电堆的氢气压力的步骤包括:
控制器(17)设定进入电堆(1)的氢气压力上限值P3;
当压力传感器(15)检测的压力达到P3时,控制器(17)设定进入电堆(1)的氢气压力下限值P2;
当压力传感器(15)检测的压力达到P2时,控制器(17)设定进入电堆(1)的氢气压力上限值P3;重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的流体进入流道(13)和流体排出流道(14)相对于阀杆(10)平齐,所述隔膜(12)设置于阀杆(10)的流道接触面。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述的隔膜(12)与阀杆(10)一体成型。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的隔膜(12)与阀座(9)连接,阀杆(10)的运动使隔膜(12)绷紧或松弛。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的隔膜(12)为橡胶隔膜。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的步骤S2中打开排水电磁阀(4)后,排水电磁阀(4)的电磁线圈(11)将产生的热量传递给排水电磁阀(4)的部件。
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