CN111710884B - 一种燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法，燃料电池系统包括进气调节阀、三通阀和四通阀，进气调节阀连接空气过滤器和空压机，三通阀第一阀口连接增湿器，三通阀第二阀口连接电堆的空气进口，三通阀第三阀口连接四通阀第一阀口连接，四通阀第二阀口连接电堆的空气出口，四通阀第四阀口连接增湿器，四通阀第三阀口直接连接排气歧管，所述控制器控制三通阀和四通阀；控制方法包括开机吹扫模式、正常工作模式、低温关机吹扫模式、低温启动模式和常温关机吹扫模式。与现有技术相比，有利于燃料电池系统在不同状态下的性能优化，有利于燃料电池系统延长寿命。

Description

一种燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池系统及其控制方法。
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。对于大部分燃料电池系统来说，燃料电池系统的结构优化以及燃料电池系统的优化控制方法(使不同工作状态的燃料电池性能优化的控制方法)是急需解决的问题。
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燃料电池系统及其控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池系统，包括控制器以及分别与电堆连接的空气子系统和氢气子系统，所述空气子系统包括依次连接的空气过滤器、空压机、中冷器和增湿器，所述增湿器与电堆的空气进口连接，电堆的空气出口通过增湿器连接排气歧管，所述的空气子系统还包括进气调节阀、三通阀和四通阀，进气调节阀连接空气过滤器和空压机，三通阀第一阀口连接增湿器，三通阀第二阀口连接电堆的空气进口，三通阀第三阀口连接四通阀第一阀口连接，四通阀第二阀口连接电堆的空气出口，四通阀第四阀口连接增湿器，四通阀第三阀口直接连接排气歧管，所述控制器控制三通阀和四通阀。
所述的氢气子系统包括分水器和排水电磁阀，所述分水器分别连接电堆的氢气出口和排水电磁阀，所述排水电磁阀与排气歧管连接，所述的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。
一种利用所述的燃料电池系统的控制方法，包括燃料电池系统开机吹扫模式，所述开机吹扫模式包括：
控制器控制三通阀第三阀口打开，三通阀第二阀口关闭，三通阀第一阀口打开，四通阀第一阀口打开，四通阀第二阀口关闭，四通阀第四阀口打开，四通阀第三阀口关闭，气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第三阀口、四通阀第一阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管。
还包括燃料电池系统正常工作模式，所述正常工作模式包括：
控制器控制三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口关闭，四通阀第一阀口关闭，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口的开度受电堆的干湿状况调节，四通阀第四阀口打开，气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第二阀口、四通阀第二阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管，流经四通阀第三阀口的压缩空气量受四通阀第三阀口的开度控制。
还包括燃料电池系统低温关机吹扫模式，所述低温关机吹扫模式包括：
控制器控制三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口关闭，四通阀第一阀口关闭，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口打开，四通阀第四阀口关闭，气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第二阀口、四通阀第二阀口和四通阀第三阀口流向排气歧管。
还包括燃料电池系统低温启动模式，所述低温启动模式包括：
控制器控制三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口打开，四通阀第一阀口打开，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口关闭，四通阀第四阀口打开，气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第二阀口、四通阀第二阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管，同时气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第三阀口、四通阀第一阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管。
还包括燃料电池系统常温关机吹扫模式，所述常温关机吹扫模式包括：
控制器控制三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口关闭，四通阀第一阀口关闭，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口关闭，四通阀第四阀口打开，气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第二阀口、四通阀第二阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)增加三通阀和四通阀，使燃料电池系统在不同工作状态下可以切换不同的进气和出气模式，有利于燃料电池系统在不同状态下达到优化性能，有利于燃料电池系统延长寿命。
(2)燃料电池系统开机吹扫模式可以在避免启动过程导致的燃料电池衰退的基础上，降低尾排氢气的浓度，满足全球统一汽车技术法规要求(GTR)。
(3)燃料电池系统正常工作模式在系统运行过程中，四通阀第三阀口的开度受电堆的干湿状况调节，流经四通阀第三阀口的压缩空气量受四通阀第三阀口的开度控制，提供燃料电池湿度控制条件，避免系统在动态工况下导致燃料电池水淹或者膜干，提高燃料电池的性能以及耐久性。
(4)燃料电池系统低温关机吹扫模式可以在系统低温关机过程中，四通阀第三阀口打开，四通阀第四阀口关闭，避免湿气体通过增湿器将部分排放的水馈送回电堆，防止由于吹扫的不彻底，导致电堆结冰造成的不可逆的损伤，提高系统吹扫效率和吹扫能力，降低吹扫时间，提高启动性能。
(5)燃料电池系统低温启动模式通过调节进气调节阀开度以及三通阀的流量分配，可以在实现无辅助预热条件下的快速冷启动，减少系统的启动时间。
(6)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，可防止阀杆与阀座壁面之间结冰，有利于燃料电池的快速冷启动，有利于各个工作状态下燃料电池系统性能的优化。
附图说明
图1为本发明的燃料电池系统结构示意图；
图2为本发明的燃料电池系统开机吹扫模式示意图；
图3为本发明的燃料电池系统正常工作模式示意图；
图4为本发明的燃料电池系统低温关机吹扫模式示意图；
图5为本发明的燃料电池系统低温启动模式示意图；
图6为本发明的燃料电池系统常温关机吹扫模式示意图；
图7为本发明的排水电磁阀结构示意图；
附图标记：
1为电堆；2为空气过滤器；3为进气调节阀；4为中冷器；5为增湿器；6为三通阀；7为四通阀；8为排气歧管；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为空压机；17为排水电磁阀；18为分水器。
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
对于大部分燃料电池系统来说，会存在如下问题：1.燃料电池系统关闭之后，燃料电池系统空气子系统没有截止阀，即使有也无法完全闭死或者距离电堆较远，而残留在电堆内部的空气或者渗透过来的空气，会造成碳腐蚀，使电堆性能劣化并造成耐久性下降。2.燃料电池系统启动的过程中，如果停放时间过长，会出现电堆阴极的氧气渗透到阳极，为了降低氢氧界面的时长，首先需要通氢气对阳极进气吹扫，如果不对吹扫的氢气进行处理，排出的氢气的浓度无法满足标准的需求(比如GTR标准要求)，容易引发火灾等氢安全问题。3.在燃料电池系统正常运行过程中，由于载荷工况的变化，电堆内部的含水量也会发生变化，如果不加以控制，很容易造成水淹或者膜干的状态，从而造成电堆的性能下降甚至造成不可逆的衰退，降低电堆的寿命。4.在燃料电池系统关机的过程中，如果是发生在低温条件下(比如5℃或者以下)，需要通过空压机以及排氢阀(未画出)进行吹扫，避免电堆内部结冰造成的永久损伤，也为下一次启动创造条件。但是目前的燃料电池系统存在增湿器会将部分排放的水馈送回电堆，从而降低吹扫速率甚至无法达到吹到效果，导致下一次冷启动的失败。5.当系统在低温条件下起动时，需要系统产生大量的热，保证电堆快速升温，在生成水结冰之前将电堆的温度升高至0℃以上，目前启动的方法主要还是外部辅助加热以及保温等方法，外部辅助加热也分为外部热源和内部热源两种，上述的方法首先要增加额外的附件，提高了系统的复杂程度、成本、功耗，且启动时间普遍较长。
本实施例提供一种燃料电池系统及其控制方法，燃料电池系统包括控制器以及分别与电堆1连接的空气子系统和氢气子系统，空气子系统包括依次连接的空气过滤器2、进气调节阀3、空压机15、中冷器4和增湿器5，增湿器5与电堆1的空气进口连接，电堆1的空气出口通过增湿器5连接排气歧管8，空气子系统还包括三通阀6和四通阀7，三通阀第一阀口连接增湿器5，三通阀第二阀口连接电堆1的空气进口，三通阀第三阀口连接四通阀第一阀口连接，四通阀第二阀口连接电堆1的空气出口，四通阀第四阀口连接增湿器5，四通阀第三阀口直接连接排气歧管8，控制器控制三通阀6和四通阀7。
图1为燃料电池系统的结构示意图，首先为了满足电堆1对进气杂质的要求，空气进气端通过空气过滤器2对空气进行过滤。为了实现低温快速启动，采用增加浓差过电势的方法，需要降低空气的计量比的同时降低氧气的分压，且为了提高空气的温度，通过进气调节阀3调节空压机15进气的压力，在满足空气过量系数的前提下，尽量提高空压机15的压缩比，提高空压机15出口的温度。在正常运行情况下，进气调节阀3全开，降低空压机15进气的流阻，经中冷器4再经增湿器5，通过三通阀6进入电堆1，三通阀6可调节进入电堆1以及旁路的流量分配，且具有关断的功能。电堆1的空气出口与四通阀7相连，四通阀第四阀口与增湿器5连接，经排气歧管8排出；四通阀第一阀口连接三通阀的旁路出口(三通阀第三阀口)，起到旁路电堆的作用；四通阀第四阀口直接连接排气歧管8，起到旁路增湿器的作用，可调节四通阀第三阀口和以四通阀第四阀口的流量分配，四通阀7具有关断的功能。
图2～图6为本实施例的燃料电池系统在不同系统运行模式下的控制方法的示意图。
燃料电池系统开机吹扫模式是燃料电池系统在启动过程中的一种运行模式，气体的流动路径如图2所示，在开机吹扫模式下，三通阀第三阀口打开，三通阀第二阀口关闭，三通阀第一阀口打开，四通阀第一阀口打开，四通阀第二阀口关闭，四通阀第四阀口打开，四通阀第三阀口关闭。在该过程中，燃料电池的阳极进行氢气吹扫，此时空压机15的气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第三阀口、四通阀第一阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管8与阳极吹扫的氢气混合，稀释阳极的排出的氢气，使尾排的氢浓度降低到安全值以下，满足法规要求。
燃料电池系统正常工作模式是燃料电池正常发电的工作模式，气体的流动路径如图3所示，在正常工作模式下，三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口关闭，四通阀第一阀口关闭，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口的开度受电堆1的干湿状况调节，四通阀第四阀口打开。在该过程中，空压机15的气体经增湿器5进行加湿处理，依次通过三通阀第一阀口、三通阀第二阀口、四通阀第二阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管8。由于燃料电池系统在实际运行过程中，运行工况较为复杂，会存在功率交变的现象，电堆1内部的水分的状态难以平衡，如果不进行湿度控制，电堆1很容易出现水淹或者膜干的状态，造成性能下降甚至造成不可逆的恢复，因此在该工作模式下，可调节四通阀第三阀口以及四通阀第四阀口的流量分配，电堆1过干的时候，降低或者关闭增四通阀第三阀口的流量，电堆1过湿的时候，增加四通阀第三阀口的流量。
燃料电池系统低温关机吹扫模式是燃料电池低温条件下关机的一种工作模式，气体流动路径如图4所示，在低温关机吹扫模式下，三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口关闭，四通阀第一阀口关闭，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口打开，四通阀第四阀口关闭。在该过程中，空压机15的气体经增湿器5，再经三通阀第二阀口进入电堆1，电堆1的空气出口的气体经四通阀第三阀口直接经排气歧管8排放到大气，避免增湿器5将部分排放的水馈送回电堆1，提高吹扫的效率，减少吹扫的时间，防止由于吹扫的不彻底，导致电堆1结冰造成的不可逆的损伤。另外为了避免增湿器5结冰，可以在吹扫的前期开启四通阀第四阀口对增湿器5进行吹扫。
燃料电池系统低温启动模式是燃料电池低温条件下快速启动的一种工作模式，气体流动路径如图5所示，在低温启动模式下，通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口打开，四通阀第一阀口打开，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口关闭，四通阀第四阀口打开。在该过程中，进气调节阀3调节进气的压力，空压机15的气体经增湿器5，再经三通阀第二阀口进入电堆1，电堆1的空气出口的气体经四通阀第四阀口和增湿器5后经排气歧管8排放到大气，同时空压机15的气体还有一部分经三通阀第三阀口和四通阀7以及增湿器5后经排气歧管8排放到大气。由于采用增加浓差过电势的方法提高电堆1的冷启动速率，在此过程中会由于氢泵效应的影响，在阴极产生氢气，为了稀释氢气的浓度且保证阴极计量比的情况下，需要对电堆1进行旁路处理，使用旁路的气体对阴极的氢气进行稀释，同时不会改变阴极的计量比。
燃料电池系统常温关机吹扫模式是燃料电池常温条件下吹扫电堆1的一种工作模式，气体流动路径如图6所示，在常温关机吹扫模式下，三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口关闭，四通阀第一阀口关闭，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口关闭，四通阀第四阀口打开。在该过程中，进气调节阀3调节进气的压力，空压机15的气体经增湿器5，再经三通阀第二阀口进入电堆1，电堆1的空气出口的气体经四通阀7和增湿器5后经排气歧管8排放到大气，通过空压机15的气体对电堆1的气体流道进行吹扫。
除此之外，氢气子系统的排水电磁阀17经改进有利于燃料电池的快速冷启动，有利于各个工作状态下燃料电池系统性能的优化：排水电磁阀17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；或隔膜12与阀座9连接，阀杆10的运动使隔膜12绷紧或松弛。隔膜12与阀杆10一体成型。隔膜12为橡胶隔膜。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统包括控制器以及分别与电堆(1)连接的空气子系统和氢气子系统，所述空气子系统包括依次连接的空气过滤器(2)、空压机(15)、中冷器(4)和增湿器(5)，所述增湿器(5)与电堆(1)的空气进口连接，电堆(1)的空气出口通过增湿器(5)连接排气歧管(8)，其特征在于，所述的空气子系统还包括进气调节阀(3)、三通阀(6)和四通阀(7)，进气调节阀(3)连接空气过滤器(2)和空压机(15)，三通阀第一阀口连接增湿器(5)，三通阀第二阀口连接电堆(1)的空气进口，三通阀的第三阀口连接四通阀第一阀口，四通阀第二阀口连接电堆(1)的空气出口，四通阀第四阀口连接增湿器(5)，四通阀第三阀口直接连接排气歧管(8)，所述控制器控制三通阀(6)和四通阀(7)；
所述方法还包括燃料电池系统正常工作模式，所述正常工作模式包括：控制器控制三通阀第一阀口打开，三通阀第二阀口打开，三通阀第三阀口关闭，四通阀第一阀口关闭，四通阀第二阀口打开，四通阀第三阀口的开度受电堆(1)的干湿状况调节，四通阀第四阀口打开，气体依次通过三通阀第一阀口、三通阀第二阀口、四通阀第二阀口和四通阀第四阀口流向排气歧管(8)，流经四通阀第三阀口的压缩空气量受四通阀第三阀口的开度控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氢气子系统包括分水器(18)和排水电磁阀(17)，所述分水器(18)分别连接电堆(1)的氢气出口和排水电磁阀(17)，所述排水电磁阀(17)与排气歧管(8)连接，所述的排水电磁阀(17)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。
3.根据权利要求2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。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的隔膜(12)与阀杆(10)一体成型。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的隔膜(12)与阀座(9)连接，阀杆(10)的运动使隔膜(12)绷紧或松弛。
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