CN112133940A - 一种燃料电池系统空气路控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统空气路控制系统及方法，包括空压机、增湿器、阀门R1、阀门R2、三通阀T1与阀门R3；所述空压机经管路分别连接阀门R1与增湿器的第一入口，所述增湿器的第一出口与燃料电池的空气入口之间设置有阀门R2，燃料电池的空气出口经管路依次连接三通阀T1与阀门R3，所述阀门R3与阀门R1共同连接到排气口。本发明通过相关的传感器实时监控空气进入燃料电池的参数，通过调节相应的电动阀以达到控制燃料电池空气入口参数的效果以及实现更多的燃料电池系统空气路控制策略。

Description

一种燃料电池系统空气路控制系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统空气路控制系统及方法。
背景技术
近年来燃料电池的发展越来越受到大众的关注，其中又以质子交换膜燃料电池的应用最为广泛。燃料电池是一种通过氢气和空气中的氧气反应生成水和电子的装置，然而气体的压力、温度、流量、湿度会比较直观的影响燃料电池的性能。水的生成主要在燃料电池的空气路，目前普遍利用空气出口带出来的水通过增湿器加湿进入燃料电池的空气。
通常情况下，燃料电池系统空气路只有一条主路，没有旁路去配合空气的导流，此时空气路全靠调节空压机的转速去控制，空气路控制策略可实施的方法较少。不同情况下空气路运行参数比较难控制，不利于燃料电池性能稳定以及更长的使用年限。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种燃料电池系统空气路控制系统及方法，用于实现燃料电池系统空气路压力、流量、湿度可调节，以适配不同燃料电池的不同功率等级的需求。
本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种燃料电池系统空气路控制系统，包括空压机、增湿器、阀门R1、阀门R2、三通阀T1与阀门R3；所述空压机经管路分别连接阀门R1与增湿器的第一入口，所述增湿器的第一出口与燃料电池的空气入口之间设置有阀门R2，燃料电池的空气出口经管路依次连接三通阀T1与阀门R3，所述阀门R3与阀门R1共同连接到排气口。
优选的，所述阀门R1、阀门R2与阀门R3均为电动蝶阀。
优选的，所述三通阀T1为电动三通阀。
优选的，所述阀门R1的出口处设置有流量计F2。
优选的，所述空压机的进口处设置有流量计F1。
优选的，所述三通阀T1与增湿器的第二入口连接，所述增湿器的第二出口与阀门R3连接。
优选的，所述燃料电池的空气出口设置有湿度传感器H2。
优选的，所述燃料电池的空气入口设置有压力传感器P与湿度传感器H1。
一种燃料电池系统空气路控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，接收到系统启动的指令后，空压机运行，关闭阀门R1与三通阀T1，阀门R2与阀门R3全开；
步骤S2，检测空压机是否发生喘振，若是，则空压机停止运行，阀门R1、阀门R3、三通阀T1全开，阀门R2全关，待停机后阀门R1、阀门R2、阀门R3全关，三通阀T1全开；若否，则燃料电池系统正常运行，执行步骤S3；
步骤S3，判断空气压力P与空气流量F是否正常，若异常，则执行步骤S4；若正常，则执行步骤S5；
步骤S4，当空气压力P与空气流量F均达到预设的最大值时，降低空压机转速；当空气压力P达到预设最大值，且空气流量F达到预设的最小值时，提高阀门R3开度，降低阀门R1开度；当空气压力P达到预设最小值，且空气流量F达到预设的最大值时，降低阀门R3开度，提高阀门R1开度；当空气压力P及空气流量F均达到预设的最小值时，提高空压机转速。
步骤S5，判断空气湿度H1，当空气湿度H1达到预设的最大值时，提高三通阀T1开度，降低电堆出口端的空气通过增湿器的比例；当空气湿度H1达到预设的最小值时，降低三通阀T1开度，提高电堆出口端的空气通过增湿器的比例。
优选的，还包括步骤S6，当接收到系统停机指令后，燃料电池系统停机吹扫，阀门R1全关，阀门R2、阀门R3、三通阀T1全开；停机后，阀门R1、阀门R2与阀门R3全关，三通阀T1全开。
本发明的有益效果为：
本发明通过相关的传感器实时监控空气进入燃料电池的参数，通过调节相应的电动阀以达到控制燃料电池空气入口参数的效果以及实现更多的燃料电池系统空气路控制策略，通过对燃料电池系统空气路参数的控制，保证了燃料电池所需要的运行参数。
附图说明
图1是本发明一种燃料电池系统空气路控制系统的结构示意图。
图中：1-流量计F1；2-空压机；3-电动蝶阀R1；4-流量计F2；5-增湿器；6-电动蝶阀R2；7-压力传感器P；8-湿度传感器H1；9-燃料电池；10-湿度传感器H2；11-电动三通阀T1；12-电动蝶阀R3；
图2是本发明一种燃料电池系统空气路控制方法的流程图。
具体实施方式
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。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。如图1所示，1-流量计F1；2-空压机；3-电动蝶阀R1；4-流量计F2；5-增湿器；6-电动蝶阀R2；7-压力传感器P；8-湿度传感器H1；9-燃料电池；10-湿度传感器H2；11-电动三通阀T1；12-电动蝶阀R3。本发明包括空压机、增湿器、阀门R1、阀门R2、三通阀T1与阀门R3；空压机经管路分别连接阀门R1与增湿器的第一入口，增湿器的第一出口与燃料电池的空气入口之间设置有阀门R2，燃料电池的空气出口经管路依次连接三通阀T1与阀门R3，所述阀门R3与阀门R1共同连接到排气口。三通阀T1与增湿器的第二入口连接，增湿器的第二出口与阀门R3连接。阀门R1的出口处设置有流量计F2；空压机的进口处设置有流量计F1；燃料电池的空气出口设置有湿度传感器H2；燃料电池的空气入口设置有压力传感器P与湿度传感器H1。
在本实施例中，阀门R1、阀门R2与阀门R3均为电动蝶阀；三通阀T1为电动三通阀。上述的3个电动蝶阀以及1个电动三通阀的开度可通过PWM或其他信号调节。增湿器有4个接口，分别对应干空气的进、出口和湿空气的进、出口，第一入口(入口1)为干空气的进口，第一出口(出口1)为干空气的出口，第二入口(入口2)为湿空气的进口，第二出口(出口2)为湿空气的出口。
电动蝶阀R1的入口通过三通连接空压机出口与增湿器入口1，电动蝶阀R1的出口通过三通连接电动蝶阀R3的出口和大气。电动蝶阀R2连接增湿器出口1和燃料电池空气入口。电动三通阀T1的入口连接燃料电池空气出口，电动三通阀T1的一个出口连接增湿器入口2，电动三通阀T1的另一个出口通过三通阀与增湿器出口2和电动蝶阀R3的入口相连接。压力传感器P和一个湿度传感器H1安装在空气入口处，另一个湿度传感器H2安装在空气出口处。流量传感器F1安装在空压机入口之前，流量传感器F2安装在电动蝶阀R1出口处。
本发明的工作过程为：燃料电池系统运行时，空气由空压机压缩后分成两路，一路流向电动蝶阀R1；一路流向增湿器入口1进入增湿器，再由出口1流出，经过电动蝶阀R2从空气入口进入燃料电池，在燃料电池内部空气中的氧气与氢气发生电化学反应，产生水和电子。此时，未参与反应的空气携带着大部分反应产生的水由燃料电池的空气出口流出后经过电动三通阀T1。一路由增湿器入口2进入增湿器，在增湿器内部加湿入口1进入的干空气之后由出口2流出与另一路气体汇合通过电动蝶阀R3，最后与通过电动蝶阀R1的气体汇合排入大气。
在本实施例中，通过调节电动蝶阀R1、R2、R3的开度配合空压机的不同转速去控制燃料电池空气入口的压力和流量，实际进堆压力由压力传感器P采集得到。实际进堆流量F＝F1-F2。
在一定的流量和压力的条件下，通过调节电动三通阀T1的开度去控制空出气体进入增湿器的比例，当T1全关时，空出气体全部进入增湿器，此时增湿器内水分较多，空气在进堆前得到了充分的加湿所以空气入口湿度H1的值最大，当T1全开时，空出气体不经过增湿器，此时增湿器内水分较少，空气在进堆前未得到从分加湿所以空气入口湿度H1最小。
本发明细化了燃料电池系统空气路参数的控制，保证了燃料电池所需要的运行参数。空气由空压机压缩后分成两路。一路流向电动蝶阀R1；一路流向增湿器入口1进入增湿器，再由出口1流出，经过电动蝶阀R2从空气入口进入燃料电池，在燃料电池内部，空气中的氧气与氢气发生电化学反应，产生水和电子。此时未参与反应的空气携带着大部分反应产生的水由燃料电池的空气出口流出经过电动三通阀T1，此时可通过调节T1的开度去控制通过增湿器的空气流量。之后两路气体汇合通过电动蝶阀R3，最后与通过电动蝶阀R1的气体汇合排入大气。此过程可通过调节R1，R2的开度控制空气进堆流量和压力，通过调节T1的开度去控制进入增湿器的空气流量，从而达到控制空气进堆湿度的目的。
如图2所示，一种燃料电池系统空气路控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，接收到系统启动的指令后，空压机运行，关闭阀门R1与三通阀T1，阀门R2与阀门R3全开；
步骤S2，检测空压机是否发生喘振，若是，则空压机停止运行，阀门R1、阀门R3、三通阀T1全开，阀门R2全关，待停机后阀门R1、阀门R2、阀门R3全关，三通阀T1全开；若否，则燃料电池系统正常运行，执行步骤S3；
步骤S3，判断空气压力P与空气流量F是否正常，若异常，则执行步骤S4；若正常，则执行步骤S5；
步骤S4，当空气压力P与空气流量F均达到预设的最大值时，降低空压机转速；当空气压力P达到预设最大值，且空气流量F达到预设的最小值时，提高阀门R3开度，降低阀门R1开度；当空气压力P达到预设最小值，且空气流量F达到预设的最大值时，降低阀门R3开度，提高阀门R1开度；当空气压力P及空气流量F均达到预设的最小值时，提高空压机转速。
步骤S5，判断空气湿度H1，当空气湿度H1达到预设的最大值时，提高三通阀T1开度，降低空出气体通过增湿器的比例；当空气湿度H1达到预设的最小值时，降低三通阀T1开度，提高空出气体通过增湿器的比例。这里的空出气体指电堆空气出口端的空气。
步骤S6，当接收到系统停机指令后，燃料电池系统停机吹扫，阀门R1全关，阀门R2、阀门R3、三通阀T1全开；停机后，阀门R1、阀门R2与阀门R3全关，三通阀T1全开。
当燃料电池系统待机接收到启动指令时，此时空压机启动，电动蝶阀R1全关，电动蝶阀R2、R3全开，电动三通阀T1全关。当检查到此时空压机发生喘振时，立即停止空压机，同时电动蝶阀R1、R3全开，电动蝶阀R2全关，电动三通阀T1全开。如此可以保证过压的空气无法进入燃料电池，而是通过R1泄压，堆内过压的空气也可经过T1由R3排入大气，以保护燃料电池。当系统完全停止时，电动蝶阀R1、R2、R3全关，电动三通阀T1全开，此时燃料电池空气腔内的氧气已经被消耗完，形成了密闭无氧空间，有效阻隔了燃料电池内部氢氧混合的情况出现，保证了燃料电池使用安全。
当空压机未发生喘振，且其他运行条件满足要求，燃料电池系统进入运行状态，此时需要先判断空气压力P和空气流量F是否满足当前运行需求。当P过大F过大时降低空压机转速；当P过大F过小时提高R3开度同时降低R1开度；当P过小F过大时降低R3开度同时提高R1开度；当P过小F过小时提高空压机转速；整个调节过程电动蝶阀R2始终保持全开的状态。
当空压机发生喘振时，电动蝶阀R1、R3全开，R2全关，此时可降低空气管路压力，且泄压不经过燃料电池，从而达到保护燃料电池的目的。当燃料电池系统接收到停机指令后，空压机调至指定转速运行，电动蝶阀R1全关，R2、R3全开，电动三通阀T1全开。吹扫的目的是吹干燃料电池内部腔体，T1全开则空气出口湿空气不进入增湿器，增湿器对燃料电池入口空气的加湿能力大大减弱，从而保证吹扫时的空气相对干燥，可以更快的完成燃料电池的吹扫。吹扫结束后关闭R1，R2，R3；T1全开。此时燃料电池的空气腔处于密闭状态，对燃料电池补氢以消耗空腔内多余的氧气，最后空腔中只剩下没有氧气的空气，燃料电池空气腔内的氧气已经被消耗完，形成了密闭无氧空间，燃料电池内部在停机后没有氢气和氧气接触的机会，有效阻隔了燃料电池内部氢氧混合的情况出现，保证了燃料电池的安全性。
当燃料电池系统空气路压力P和流量F都满足当前需求后，此时通过调节电动三通阀T1去调节燃料电池空气入口湿度H1。定义电动三通阀T1全关时空出气体全部通过增湿器。当H1过高时可提高T1开度，减少空出气体通过增湿器的流量，当增湿器内部水气变少后对干空气的加湿能力降低，从而降低燃料电池空气入口的湿度H1。当H1过低时可降低T1开度，提高空出气体通过增湿器的流量，当增湿器内部水气变多后对干空气的加湿能力提高，从而提高燃料电池空气入口湿度H1。
当燃料电池系统接收到停机指令后，系统执行停机吹扫动作，空压机调至指定转速运行，电动蝶阀R1全关，R2、R3全开，电动三通阀T1全开。吹扫的目的是吹干燃料电池内部腔体，T1全开则空气出口湿空气不进入增湿器，增湿器对燃料电池入口空气的加湿能力大大减弱，从而保证吹扫时的空气相对干燥，可以更快的完成燃料电池的吹扫。吹扫结束后，关闭电动蝶阀R1、R2、R3，电动三通阀T1全开，并持续对燃料电池氢腔补氢以消耗空腔氧气，最终密闭空腔的氧气被消耗完，阻隔了燃料电池内部氢氧混合的情况发生，保证了燃料电池的安全性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：包括空压机、增湿器、阀门R1、阀门R2、三通阀T1与阀门R3；所述空压机经管路分别连接阀门R1与增湿器的第一入口，所述增湿器的第一出口与燃料电池的空气入口之间设置有阀门R2，燃料电池的空气出口经管路依次连接三通阀T1与阀门R3，所述阀门R3与阀门R1共同连接到排气口。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：所述阀门R1、阀门R2与阀门R3均为电动蝶阀。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：所述三通阀T1为电动三通阀。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：所述阀门R1的出口处设置有流量计F2。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：所述空压机的进口处设置有流量计F1。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：所述三通阀T1与增湿器的第二入口连接，所述增湿器的第二出口与阀门R3连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：所述燃料电池的空气出口设置有湿度传感器H2。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池系统空气路控制系统，其特征在于：所述燃料电池的空气入口设置有压力传感器P与湿度传感器H1。
9.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统空气路控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1，接收到系统启动的指令后，空压机运行，关闭阀门R1与三通阀T1，阀门R2与阀门R3全开；
步骤S2，检测空压机是否发生喘振，若是，则空压机停止运行，阀门R1、阀门R3、三通阀T1全开，阀门R2全关，待燃料电池系统停机后阀门R1、阀门R2、阀门R3全关，三通阀T1全开；若否，则燃料电池系统正常运行，执行步骤S3；
步骤S3，判断空气压力P与空气流量F是否正常，若异常，则执行步骤S4；若正常，则执行步骤S5；
步骤S4，当空气压力P与空气流量F均达到预设的最大值时，降低空压机转速；当空气压力P达到预设最大值，且空气流量F达到预设的最小值时，提高阀门R3开度，降低阀门R1开度；当空气压力P达到预设最小值，且空气流量F达到预设的最大值时，降低阀门R3开度，提高阀门R1开度；当空气压力P及空气流量F均达到预设的最小值时，提高空压机转速。
步骤S5，判断空气湿度H1，当空气湿度H1达到预设的最大值时，提高三通阀T1开度，降低电堆出口端的空气通过增湿器的比例；当空气湿度H1达到预设的最小值时，降低三通阀T1开度，提高电堆出口端的空气通过增湿器的比例。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池系统空气路控制方法，其特征在于：还包括步骤S6，当接收到燃料电池系统停机指令后，燃料电池系统停机吹扫，阀门R1全关，阀门R2、阀门R3、三通阀T1全开；燃料电池系统停机后，阀门R1、阀门R2与阀门R3全关，三通阀T1全开。
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