CN112212033B - 一种四通阀及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四通阀及其控制方法，属于燃料电池技术领域。所述四通阀包括：阀芯的第一端开设有第三入口，第三入口与第一入口连通；阀芯上开设有第三出口，第三出口可与第一出口及第二出口连通；阀芯上开设有第四入口及第四出口，第四入口可与第二入口连通，第四出口可与第二出口连通；阀芯内固定设置有隔板，隔板将阀芯分隔为第一空腔及第二空腔，第一空腔与第三入口及第三出口连通，第二空腔与第四出口及第四入口连通。本发明四通阀及其控制方法可以实现不同燃料电池功率下的空气流量和空气供应压力的快速调节，降低空压机功率消耗。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种四通阀及其控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是由阳极的氢气与阴极的氧气在催化剂的作用下发生化学反应而产生电能，阳极的氢气由供氢系统供应，而阴极的氧气由空气系统供应。供氢系统主要功率消耗部件为氢泵，氢泵功耗一般0.5kW～1kW左右，与氢气计量比和压升相关，而空气系统主要功率消耗部件为空压机，其功耗一般10kW～20kW，与空气供应量和供应压力相关，随着燃料电池的功率不断提升，对空气供应量和空气供应压力的需求也不断增加，这一方面增加了作为空气系统驱动空气的动力源空压机的功耗，另一方面也对空气系统流量调节的响应速度提出更高要求。
传统空气系统的空气流量和空气供应压力调节方式为，根据燃料电池需求功率，计算出需求的空气流量和空气供应压力，然后调节空压机的转速和背压阀的开度实现目标空气流量和空气供应压力，目前大功率燃料电池采用的空压机基本为两级增压离心式空压机，一级压缩机与二级压缩机同轴连接，并同时被高速电机驱动。
两级增压空压机工作模式为，大气中的空气经空滤过滤后进入一级压缩机做功升温升压，升温升压后的空气全部进入二级压缩机继续升温升压以达到燃料电池需求的空气供应压力和流量，当需求空气流量增加时，空压机控制器调节增加电机转速并带动一级压缩机和二级压缩机达到相同的高转速，同时辅助以背压阀联动调节。当需求空气流量减少时，空压机控制器调节降低电机转速并带动一级压缩机和二级压缩机达到相同的低转速，同时辅助以背压阀联动调节。
但是，这种空压机运行和调节方式存在以下不足：一级压缩机与二级压缩机同轴连接，同时做功，且经过一级压缩机做功后的高温高压空气全部进入二级压缩机做功，这在很多燃料电池运行工况下，尤其是对空气流量和供应压力需求较小的低功率工况，会降低空压机的综合效率，增加空压机功率消耗，降低燃料电池系统的功率。
发明内容
本发明提供一种四通阀及其控制方法，解决了或部分解决了现有技术中空压机运行和调节方式会降低空压机的综合效率，增加空压机功率消耗，降低燃料电池系统的功率的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种四通阀，用于连通一级压缩机及二级压缩机，所述四通阀包括：阀体及阀芯；所述阀芯可转动式地设置在所述阀体内；所述阀体的第一端开设有第一入口，所述阀体的第一侧开设有第一出口及第二入口，所述阀体的第二侧开设有第二出口，所述第二出口与所述第一出口相对应；所述第一入口与所述一级压缩机连通，所述第二出口与所述二级压缩机连通；所述阀芯的第一端开设有第三入口，所述第三入口与所述第一入口连通；所述阀芯上开设有第三出口，所述第三出口可与所述第一出口及第二出口连通；所述阀芯上开设有第四入口及第四出口，所述第四入口可与所述第二入口连通，所述第四出口可与所述第二出口连通；所述阀芯内固定设置有隔板，所述隔板将阀芯分隔为第一空腔及第二空腔，所述第一空腔与所述第三入口及第三出口连通，所述第二空腔与所述第四出口及第四入口连通。
进一步地，所述阀体内开设有通槽，所述通槽的形状为圆柱状，所述阀芯的形状为圆筒状。
进一步地，所述阀芯的长度与所述通槽的长度相匹配；所述阀芯的外径与所述通槽的直径相匹配。
进一步地，所述第三出口的形状为U形。
进一步地，所述第三出口的开口角度为120-150°。
进一步地，所述四通阀还包括：连通通道；所述连通通道固定设置在所述阀体的外壁上；所述连通通道的第一端可与所述第四出口连通，所述连通通道的第二端与所述第二出口连通。
进一步地，所述四通阀还包括：驱动机构；所述驱动机构的固定端固定设置在阀体的第二端，所述驱动机构的动作端与所述隔板固定连接。
基于相同的发明构思，本申请还提供一种四通阀的控制方法，包括以下步骤：当四通阀处于第一开度时，阀芯在阀体内转动，使第三出口朝向第一出口，第三出口与第一出口连通，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔及第三出口进入第一出口，第一出口将空气排出，此时，第四入口与第二入口错开；当四通阀处于第二开度时，阀芯在阀体内转动，使第三出口处于第一出口与第二出口之间，第三出口与第一出口及第二出口连通，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔进入第三出口，再由第三出口分别进入第一出口及第二出口，第一出口将空气排出，第二出口将空气输送至二级压缩机，此时，第四入口朝向第二入口，第四出口与第二出口连通，空气依次通过第二入口、第四入口、第二空腔及第四出口进入第二出口，第二出口将空气输送至二级压缩机；当四通阀处于第三开度时，阀芯在阀体内转动，使第三出口朝向第二出口，第三出口与第二出口连通，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔及第三出口进入第二出口，第二出口将空气输送至二级压缩机，此时，第四入口与第二入口错开。
进一步地，所述四通阀的控制方法还包括以下步骤：当四通阀处于第一开度时，第四入口与第二入口错开，第四出口与连通通道的第一端错开；当四通阀处于第二开度时，第四入口与第二入口连通，第四出口与连通通道的第一端连通；当四通阀处于第三开度时，第四入口与第二入口错开，第四出口与连通通道的第一端错开。
进一步地，所述四通阀的控制方法还包括以下步骤：启动驱动机构，所述驱动机构的动作端通过隔板带动阀芯在阀体内转动。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
当燃料电池运行在小负荷工况，需求的空气流量和空气压力较小时，阀芯在阀体内转动，使第三出口朝向第一出口，第三出口与第一出口连通，调节四通阀处于第一开度，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔及第三出口进入第一出口，第一出口将空气排出，第四入口与第二入口错开，空气无法进入第二入口和第四入口而产生气流运动，第一出口将空气排出，仅控制一级压缩机工作，调节一级压缩机转速可以满足燃料电池的空气流量和空气压力需求，单级压缩机的效率远高于两级压缩机，可以降低功率消耗。
当燃料电池运行在中等负荷工况时，需求的空气流量和空气压力进一步提升时，阀芯在阀体内转动，使第三出口处于第一出口与第二出口之间，第三出口与第一出口及第二出口连通，调节四通阀处于第二开度，同时开启一级压缩机和二级压缩机，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔进入第三出口，再由第三出口分别进入第一出口及第二出口，第一出口将空气排出，第二出口将空气输送至二级压缩机，此时，第四入口朝向第二入口，第四出口与第二出口连通，空气依次通过第二入口、第四入口、第二空腔及第四出口进入第二出口，第二出口将空气输送至二级压缩机，使一级压缩机排出的高温空气与第四出口输送的空气在第二出口处汇合，然后进入二级压缩机做功，这样降低了二级压缩机入口空气的温度，提升压缩机效率，降低了压缩机功率消耗。
当燃料电池运行在大负荷工况，需求空气流量和空气压力达到较高值时，阀芯在阀体内转动，使第三出口朝向第二出口，第三出口与第二出口连通，调节四通阀处于第三开度，同时开启一级压缩机和二级压缩机，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔及第三出口进入第二出口，第二出口将空气输送至二级压缩机，一级压缩机出口空气全部进入二级压缩机，保证燃料电池的正常运行。
综上，本申请四通阀及其控制方法可以实现不同燃料电池功率下的空气流量和空气供应压力的快速调节，降低空压机功率消耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的四通阀的结构示意图；
图2为图1中四通阀的原理图；
图3为图1中四通阀的阀体的结构示意图；
图4为图1中四通阀的阀芯的结构示意图；
图5为图1中四通阀的阀体与阀芯的装配示意图；
图6为图5中四通阀的第一开度下A-A向示意图；
图7为图5中四通阀的第一开度下B-B向示意图；
图8为图5中四通阀的第二开度下A-A向示意图；
图9为图5中四通阀的第二开度下B-B向示意图；
图10为图5中四通阀的第三开度下A-A向示意图；
图11为图5中四通阀的第三开度下B-B向示意图。
具体实施方式
参见图1-4，本发明实施例提供的一种四通阀，用于连通一级压缩机1及二级压缩机2，所述四通阀包括：阀体3及阀芯4。
阀芯4可转动式地设置在阀体3内。
阀体3的第一端开设有第一入口3-1，阀体3的第一侧开设有第一出口3-2及第二入口3-3，阀体3的第二侧开设有第二出口3-4，第二出口3-4与第一出口3-2相对应。
第一入口3-1与一级压缩机1连通，第二出口3-4与二级压缩机2连通。
阀芯4的第一端开设有第三入口4-1，第三入口4-1与第一入口3-1连通。
阀芯4上开设有第三出口4-2，第三出口4-2可与第一出口3-2及第二出口3-4连通。
阀芯4上开设有第四入口4-3及第四出口4-4，第四入口4-3可与第二入口3-3连通，第四出口4-4可与第二出口3-4连通。
阀芯4内固定设置有隔板5，隔板5将阀芯4分隔为第一空腔及第二空腔，第一空腔与第三入口4-1及第三出口4-2连通，第二空腔与第四出口4-4及第四入口4-3连通。
在本实施方式中当燃料电池运行在小负荷工况，需求的空气流量和空气压力较小时，阀芯4在阀体3内转动，使第三出口4-2朝向第一出口3-2，第三出口4-2与第一出口3-2连通，调节四通阀处于第一开度，一级压缩机1排出的空气依次由第一入口3-1、第三入口4-1、第一空腔及第三出口4-2进入第一出口3-2，第一出口3-2将空气排出，第四入口4-3与第二入口3-3错开，空气无法进入第二入口3-3和第四入口4-3而产生气流运动，第一出口3-2将空气排出，仅控制一级压缩机1工作，调节一级压缩机1转速可以满足燃料电池的空气流量和空气压力需求，单级压缩机的效率远高于两级压缩机，可以降低功率消耗。
当燃料电池运行在中等负荷工况时，需求的空气流量和空气压力进一步提升时，阀芯4在阀体3内转动，使第三出口4-2处于第一出口3-2与第二出口3-4之间，第三出口4-2与第一出口3-2及第二出口3-4连通，调节四通阀处于第二开度，同时开启一级压缩机1和二级压缩机2，一级压缩机1排出的空气依次由第一入口3-1、第三入口4-1、第一空腔进入第三出口4-2，再由第三出口4-2分别进入第一出口3-2及第二出口3-4，第一出口3-2将空气排出，第二出口3-4将空气输送至二级压缩机2，此时，第四入口4-3朝向第二入口3-3，第四出口4-4与第二出口3-4连通，空气依次通过第二入口3-3、第四入口4-3、第二空腔及第四出口4-4进入第二出口3-4，第二出口3-4将空气输送至二级压缩机2，使一级压缩机1排出的高温空气与第四出口4-4输送的空气在第二出口3-4处汇合，然后进入二级压缩机2做功，这样降低了二级压缩机2入口空气的温度，提升压缩机效率，降低了压缩机功率消耗。
当燃料电池运行在大负荷工况，需求空气流量和空气压力达到较高值时，阀芯4在阀体3内转动，使第三出口4-2朝向第二出口3-4，第三出口4-2与第二出口3-4连通，调节四通阀处于第三开度，同时开启一级压缩机1和二级压缩机2，一级压缩机1排出的空气依次由第一入口3-1、第三入口4-1、第一空腔及第三出口4-2进入第二出口3-4，第二出口3-4将空气输送至二级压缩机2，一级压缩机1出口空气全部进入二级压缩机2，保证燃料电池的正常运行。
其中，第二出口3-4的位置与第一出口3-2的位置相对应，第二出口3-4与第一出口3-2平行，阀体3的第一侧与阀体3的第二侧相对。
第四入口4-3与第四出口4-4以第三出口4-2的轴向中心线为对称轴相对称，第四出口4-4的位置与第四入口4-3的位置相对应，第四入口4-3与第四出口4-4平行，便于调节。
具体地，阀体3内开设有通槽，通槽的形状为圆柱状，阀芯4的形状为圆筒状。阀芯4的长度与通槽的长度相匹配；阀芯4的外径与通槽的直径相匹配，保证阀芯4可以在阀体3内顺畅的转动。
具体地，第三出口4-2的形状为U形。第三出口4-2的开口角度为120-150°，保证第三出口4-2处于第一出口3-2与第二出口3-4之间时，第三出口4-2可以与第一出口3-2与第二出口3-4连通。
具体地，四通阀还包括：连通通道6。
连通通道6固定设置在阀体3的外壁上；连通通道6的第一端可与第四出口4-4连通，连通通道5的第二端与第二出口3-4连通，保证第四出口4-4可以与第二出口3-4连通。
具体地，所述四通阀还包括：驱动机构7。
驱动机构7的固定端固定设置在阀体3的第二端。驱动机构7的动作端与隔板5固定连接。
驱动机构7包括：驱动电机7-1及驱动轴7-2。
驱动电机7-1的固定端固定设置在阀体3的第二端。在本实施方式中，驱动电机7-1的固定端可通过法兰8固定设置在阀体3的第二端。
驱动轴7-2的第一端与驱动电机7-1的动作端固定连接。在本实施方式中，驱动轴7-2的第一端可通过联轴器与驱动电机7-1的动作端固定连接。驱动轴7-2的第一端与隔板5固定连接。
当调整四通阀的开度时，启动驱动电机7-1，驱动电机7-1的动作端带动驱动轴7-2转动，驱动轴7-2通过隔板5带动阀芯4在阀体3内转动。
基于相同的发明构思，本申请还提供一种四通阀的控制方法包括以下步骤：
步骤1，参见图5-7，当四通阀处于第一开度时，阀芯4在阀体3内转动，使第三出口4-2朝向第一出口3-2，第三出口4-2与第一出口3-2连通，一级压缩机排出的空气依次由第一入口3-1、第三入口4-1、第一空腔及第三出口4-2进入第一出口3-2，第一出口3-2将空气排出，此时，第四入口4-3与第二入口3-3错开。
步骤2，参见图8-9，当四通阀处于第二开度时，阀芯4在阀体3内转动，使第三出口4-2处于第一出口3-2与第二出口3-4之间，第三出口4-2与第一出口3-2及第二出口3-4连通，一级压缩机1排出的空气依次由第一入口3-1、第三入口4-1、第一空腔进入第三出口4-2，再由第三出口4-2分别进入第一出口3-2及第二出口3-4，第一出口3-2将空气排出，第二出口3-4将空气输送至二级压缩机2，此时，第四入口4-3朝向第二入口3-3，第四出口4-4与第二出口3-4连通，空气依次通过第二入口3-3、第四入口4-3、第二空腔及第四出口4-4进入第二出口3-4，第二出口3-4将空气输送至二级压缩机2。
步骤3，参见图10-11，当四通阀处于第三开度时，阀芯4在阀体3内转动，使第三出口4-2朝向第二出口3-4，第三出口4-2与第二出口3-4连通，一级压缩机1排出的空气依次由第一入口3-1、第三入口4-1、第一空腔及第三出口4-2进入第二出口3-4，第二出口3-4将空气输送至二级压缩机2，此时，第四入口4-3与第二入口3-3错开。
其中，四通阀的控制方法还包括以下步骤：
当四通阀处于第一开度时，第四入口4-3与第二入口3-3错开，第四出口与连通通道6的第一端错开，避免空气由通过第二入口3-3、第四入口4-3、第二空腔及第四出口4-4进入第二出口3-4。
当四通阀处于第二开度时，第四入口4-3与第二入口3-3连通，第四出口与连通通道6的第一端连通，保证空气由通过第二入口3-3、第四入口4-3、第二空腔及第四出口4-4进入第二出口3-4。
当四通阀处于第三开度时，第四入口4-3与第二入口3-3错开，第四出口与连通通道6的第一端错开，避免空气由通过第二入口3-3、第四入口4-3、第二空腔及第四出口4-4进入第二出口3-4。
具体地，四通阀的控制方法还包括以下步骤：
启动驱动机构7，驱动机构7的动作端通过隔板5带动阀芯4在阀体3内转动。
当调整四通阀的开度时，启动驱动电机7-1，驱动电机7-1的动作端带动驱动轴7-2转动，驱动轴7-2通过隔板5带动阀芯4在阀体3内转动。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种四通阀，用于连通一级压缩机及二级压缩机，其特征在于，所述四通阀包括：阀体及阀芯；
所述阀芯可转动式地设置在所述阀体内；
所述阀体的第一端开设有第一入口，所述阀体的第一侧开设有第一出口及第二入口，所述阀体的第二侧开设有第二出口，所述第二出口与所述第一出口相对应；
所述第一入口与所述一级压缩机连通，所述第二出口与所述二级压缩机连通；
所述阀芯的第一端开设有第三入口，所述第三入口与所述第一入口连通；
所述阀芯上开设有第三出口，所述第三出口可与所述第一出口及第二出口连通；
所述阀芯上开设有第四入口及第四出口，所述第四入口可与所述第二入口连通，所述第四出口可与所述第二出口连通；
所述阀芯内固定设置有隔板，所述隔板将阀芯分隔为第一空腔及第二空腔，所述第一空腔与所述第三入口及第三出口连通，所述第二空腔与所述第四出口及第四入口连通。
2.根据权利要求1所述的四通阀，其特征在于：
所述阀体内开设有通槽，所述通槽的形状为圆柱状，所述阀芯的形状为圆筒状。
3.根据权利要求2所述的四通阀，其特征在于：
所述阀芯的长度与所述通槽的长度相匹配；
所述阀芯的外径与所述通槽的直径相匹配。
4.根据权利要求1所述的四通阀，其特征在于：
所述第三出口的形状为U形。
5.根据权利要求4所述的四通阀，其特征在于：
所述第三出口的开口角度为120-150°。
6.根据权利要求1所述的四通阀，其特征在于，所述四通阀还包括：连通通道；
所述连通通道固定设置在所述阀体的外壁上；
所述连通通道的第一端可与所述第四出口连通，所述连通通道的第二端与所述第二出口连通。
7.根据权利要求1所述的四通阀，其特征在于，所述四通阀还包括：驱动机构；
所述驱动机构的固定端固定设置在阀体的第二端，所述驱动机构的动作端与所述隔板固定连接。
8.一种四通阀的控制方法，基于权利要求1-7任意一项所述的四通阀，其特征在于，所述四通阀的控制方法包括以下步骤：
当四通阀处于第一开度时，阀芯在阀体内转动，使第三出口朝向第一出口，第三出口与第一出口连通，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔及第三出口进入第一出口，第一出口将空气排出，此时，第四入口与第二入口错开；
当四通阀处于第二开度时，阀芯在阀体内转动，使第三出口处于第一出口与第二出口之间，第三出口与第一出口及第二出口连通，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔进入第三出口，再由第三出口分别进入第一出口及第二出口，第一出口将空气排出，第二出口将空气输送至二级压缩机，此时，第四入口朝向第二入口，第四出口与第二出口连通，空气依次通过第二入口、第四入口、第二空腔及第四出口进入第二出口，第二出口将空气输送至二级压缩机；
当四通阀处于第三开度时，阀芯在阀体内转动，使第三出口朝向第二出口，第三出口与第二出口连通，一级压缩机排出的空气依次由第一入口、第三入口、第一空腔及第三出口进入第二出口，第二出口将空气输送至二级压缩机，此时，第四入口与第二入口错开。
9.根据权利要求8所述的四通阀的控制方法，其特征在于，所述四通阀的控制方法还包括以下步骤：
所述阀体的外壁上固定设置有连通通道；
当四通阀处于第一开度时，第四入口与第二入口错开，第四出口与连通通道的第一端错开，所述连通通道的第二端与所述第二出口连通；
当四通阀处于第二开度时，第四入口与第二入口连通，第四出口与连通通道的第一端连通，所述连通通道的第二端与所述第二出口连通；
当四通阀处于第三开度时，第四入口与第二入口错开，第四出口与连通通道的第一端错开，所述连通通道的第二端与所述第二出口连通。
10.根据权利要求8所述的四通阀的控制方法，其特征在于，所述四通阀的控制方法还包括以下步骤：
启动驱动机构，所述驱动机构的动作端通过隔板带动阀芯在阀体内转动。
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