CN112397745B - 一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆 - Google Patents

一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆 Download PDF

Info

Publication number
CN112397745B
CN112397745B CN202011239335.0A CN202011239335A CN112397745B CN 112397745 B CN112397745 B CN 112397745B CN 202011239335 A CN202011239335 A CN 202011239335A CN 112397745 B CN112397745 B CN 112397745B
Authority
CN
China
Prior art keywords
air
valve
pipeline
humidity
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011239335.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112397745A (zh
Inventor
李强
李子竞
皮文列
包宁
韩俊楠
刘江唯
张正兴
吴芳敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Original Assignee
FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FAW Jiefang Automotive Co Ltd filed Critical FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Priority to CN202011239335.0A priority Critical patent/CN112397745B/zh
Publication of CN112397745A publication Critical patent/CN112397745A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112397745B publication Critical patent/CN112397745B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆，涉及燃料电池发动机技术领域。该空气系统通过进气管路和出气管路与燃料电池堆连接，空气系统包括：流量调节装置，包括空压机和空气流量计，空压机和空气流量计均设置于进气管路上，且空气流量计设于空压机的上游，用于调节空气的进气流量在预设流量值；温度调节装置，设置于进气管路上且位于空压机的下游，用于将空气的温度调节至预设温度值；压力调节装置，与进气管路连接，用于调节空气的压力在预设压力值；湿度调节装置，与进气管路连接，用于将空气湿度调节至预设湿度值。本发明能够对进气管路内空气的温度、流量、压力、湿度进行调节，从而提高燃料电池堆的反应效率。

Description

一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆。
背景技术
燃料电池发动机是一种将燃料和氧化剂的化学能通过化学反应，转化为电能的过程。对于燃料电池而言，其中最清洁的燃料属于氢气，其转化过程中的唯一产物是水，能够实现发动机零排放。
燃料电池发动机主要包括燃料电池堆，空气系统，燃料处理系统，热管理系统等。其中空气系统为电堆提供洁净空气。现有空气系统主要包含空压机、中冷器等核心零部件。空压机负责对空气进行增压，保证空气有足够的压力和流量进出电堆，空气经过空压机之后，需要通过中冷器对压缩空气进行降温以满足电堆的反应温度。其中，当进电堆空气的各项指标(湿度、温度、压力、流量等)维持在预设值时，电堆反应效率更高，但现有空气系统仅具备其中一个或两个指标的调节或改善，缺乏对空气指标的综合性调节。
基于此，亟需一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆，用以解决如上提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆，能够对进气管路内空气的温度、流量、压力、湿度进行调节，从而提高燃料电池堆的反应效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种空气系统，通过进气管路和出气管路与燃料电池堆连接，所述空气系统包括：
流量调节装置，包括空压机和空气流量计，所述空压机和所述空气流量计均设置于所述进气管路上，且所述空气流量计设于所述空压机的上游，用于调节空气的进气流量在预设流量值；
温度调节装置，设置于所述进气管路上且位于所述空压机的下游，用于将所述空气的温度调节至预设温度值；
压力调节装置，与所述进气管路连接，用于调节所述空气的压力在预设压力值；
湿度调节装置，与所述进气管路连接，用于将所述空气的湿度调节至预设湿度值。
作为一种空气系统优选的技术方案，所述温度调节装置为中冷器，用于将来自所述空压机的空气冷却至所述预设温度值。
作为一种空气系统优选的技术方案，所述压力调节装置包括压力传感器和背压阀，所述压力传感器设置于所述进气管路上且位于所述空压机的下游，所述背压阀设置于所述出气管路上。
作为一种空气系统优选的技术方案，所述湿度调节装置包括：
湿热交换器，所述湿热交换器与所述进气管路和所述出气管路均连接；
相对湿度传感器，所述相对湿度传感器设置于所述燃料电池堆和所述湿热交换器之间的所述进气管路上；
湿度调节旁通管路，所述湿度调节旁通管路的第一端连接于所述湿热交换器与所述燃料电池堆之间的所述出气管路上，第二端连接于所述湿热交换器与所述背压阀之间的所述出气管路上，所述湿度调节旁通管路上设有湿度调节阀。
作为一种空气系统优选的技术方案，所述空气系统还包括尾排氢气浓度调节装置，所述尾排氢气浓度调节装置包括氢气浓度传感器和进气旁通管路，所述氢气浓度传感器设置于所述出气管路上且位于所述背压阀的下游；
所述进气旁通管路与所述出气管路和所述进气管路均连接，且所述进气旁通管路与所述出气管路的连接位置位于所述背压阀与所述氢气浓度传感器之间，所述进气旁通管路上设有进气旁通阀，所述进气旁通阀被配置为在所述氢气浓度传感器检测到氢气浓度超出预设值时开启。
作为一种空气系统优选的技术方案，所述进气管路和所述出气管路上分别设置有进气截止阀和出气截止阀，所述进气截止阀和所述出气截止阀均被配置为在所述空气系统不工作时常闭。
作为一种空气系统优选的技术方案，所述空气系统还包括组合三向阀，所述进气旁通阀、所述进气截止阀和所述出气截止阀均集成设置于所述组合三向阀上。
本发明还提供了一种如上所述的空气系统的控制方法，包括如下步骤：
判断燃料电池发动机是否启动；如果没有启动，则进气截止阀和出气截止阀保持关闭；如果启动，则所述进气截止阀和所述出气截止阀保持关闭，打开进气旁通阀和所述空压机对所述进气管路进行扫气，扫气完成后关闭所述进气旁通阀，打开所述进气截止阀和所述出气截止阀；
启动温度调节装置以将所述空压机流出的空气调节至预设温度值；
判断所述进气管路内的压力是否在预设压力值，如果不是，则调节背压阀的开度，如果是，则保持背压阀的开度；
判断所述进气管路内的空气湿度是否在预设湿度值，如果不是，则调节湿度调节阀的开度，如果是，则保持湿度调节阀的开度；
判断所述进气管路内的流量是否在预设流量值，如果是，则维持所述空压机的转速，如果不是，则调节所述空压机的转速。
本发明还提供了一种燃料电池发动机，包括燃料电池堆，所述燃料电池发动机还包括如上所述的空气系统，所述空气系统通过进气管路和出气管路与所述燃料电池堆连接。
本发明还提供了一种车辆，包括如上所述的燃料电池发动机。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆，通过将空压机和空气流量计均设置于进气管路上，且空气流量计设于空压机的上游，以调节空气的进气流量在预设流量范围；将温度调节装置设于进气管路上且位于空压机的下游，以将空气的温度调节至预设温度值；将压力调节装置与进气管路连接，用于调节空气的压力在预设压力范围；将湿度调节装置与进气管路连接，用于将空气湿度调节至预设湿度范围。本发明通过流量调节装置、温度调节装置、压力调节装置和湿度调节装置的共同作用能够将进气管路内的空气调节至适宜的流量、温度、压力和湿度范围，从而提高了燃料电池堆的反应效率。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种空气系统的整体结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种空气系统的控制方法的流程图；
图3是本发明实施例二提供的一种空气系统的整体结构示意图。
图中：
100、燃料电池堆；
1、进气管路；2、出气管路；3、流量调节装置；31、空压机；32、空气流量计；4、温度调节装置；5、压力调节装置；51、压力传感器；52、背压阀；6、湿度调节装置；61、湿热交换器；62、相对湿度传感器；63、湿度调节旁通管路；631、湿度调节阀；7、尾排氢气浓度调节装置；71、氢气浓度传感器；72、进气旁通管路；721、进气旁通阀；8、进气截止阀；9、出气截止阀；10、组合三向阀。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
本发明实施例公开了一种空气系统，如图1所示，该空气系统通过进气管路1和出气管路2与燃料电池堆100连接，空气系统包括流量调节装置3、温度调节装置4、压力调节装置5和湿度调节装置6，流量调节装置3、温度调节装置4、压力调节装置5和湿度调节装置6均与进气管路1连接以分别调节进气管路1内空气的流量、温度、压力和湿度。具体地，流量调节装置3包括空压机31和空气流量计32，空压机31和空气流量计32均设置于进气管路1上，且空气流量计32设于空压机31的上游，用于调节空气的进气流量在预设流量值。温度调节装置4设置于进气管路1上且位于空压机31的下游，用于将空气的温度调节至预设温度值。压力调节装置5与进气管路1连接，用于调节空气的压力在预设压力值。湿度调节装置6与进气管路1连接，用于将空气湿度调节至预设湿度值。
本发明通过流量调节装置3、温度调节装置4、压力调节装置5和湿度调节装置6的共同作用能够将进气管路1内的空气调节至适宜的流量、温度、压力和湿度范围，从而提高了燃料电池堆100的反应效率。
可选地，空压机31用于压缩空气，以对空气进入燃料电池堆100提供一定压力和流量。进一步地，通过观察空气流量计32的数值，若进入燃料电池堆100阴极入口的进气流量低于预设流量值，则调高空压机31的转速；若进入燃料电池堆100阴极入口的进气流量达到了预设流量值，则保持空压机31的转速；使空气进气流量满足要求，保证燃料电池堆100高效率运行。可以理解的是，进入燃料电池堆100的预设流量值通过目标电流查询MAP得到，将空气流量计32测得的实际流量值和燃料电池堆100的预设流量值对比，确定偏差值，根据偏差值调节空压机31的转速。
进一步优选地，温度调节装置4为中冷器，中冷器设置于进气管路1上，以将来自空压机31的空气冷却至预设温度值。利用流入中冷器的冷却液对压缩空气降温，由于进入中冷器的冷却液流量可以设定为一定值，通过台架标定和热交换计算公式，压缩空气流出中冷器的温度也是一定的，从而可以实现压缩空气经过中冷器的温度能够控制在预设温度值，十分可靠。
示例性地，压力调节装置5包括压力传感器51和背压阀52，压力传感器51设置于进气管路1上且位于空压机31的下游，背压阀52设置于出气管路2上。相应地，进入燃料电池堆100的预设压力值也可以通过目标电流查询MAP得到，通过将压力传感器51的压力值和燃料电池堆100的预设压力值对比即可确定压力偏差值，根据压力偏差值调节背压阀52的开度。
可选地，若压力传感器51检测到进入燃料电池堆100的空气压力低于预设压力值时，则调节背压阀52的开度，以增大背压阀52的背压值，使燃料电池堆100的压力增大至预设压力值，以满足燃料电池堆100反应条件；
若压力传感器51检测到进入燃料电池堆100的空气压力等于预设压力值时，则保持背压阀52的开度，以使压力维持在预设压力值；
若压力传感器51检测到进入燃料电池堆100的空气压力高于预设压力值时，则调节背压阀52开度以减小背压阀52的背压值，使燃料电池堆100的压力减小至预设压力值，以满足燃料电池堆100反应条件。
相应地，湿度调节装置6包括湿热交换器61、相对湿度传感器62和湿度调节旁通管路63，湿热交换器61与进气管路1和出气管路2均连通。相对湿度传感器62设置于燃料电池堆100和湿热交换器61之间的进气管路1上，以对进气管路1内空气的湿度进行检测。湿度调节旁通管路63的第一端连接于湿热交换器61与燃料电池堆100之间的出气管路2上，第二端连接于湿热交换器61与背压阀52之间的出气管路2上，湿度调节旁通管路63上设有湿度调节阀631。
示例性地，燃料电池堆100反应排出的气体中含有大量水分，通过湿热交换器61可将燃料电池堆100排出的高湿空气与进气管路1内的空气进行湿热交换，实现对进气管路1内低湿的空气加湿。
进一步地，相对湿度传感器62用于检测进气管路1内空气的湿度，并将检测到的空气湿度值与预设湿度值对比即可确定湿度偏差值，根据湿度偏差值调节湿度调节阀631的开度。当然，预设湿度值也可通过目标电流查询MAP得到。
燃料电池堆100的质子膜需要在湿润状态下才能正常地传输氢质子。在燃料电池堆100自身产生水不足的工况下，如果进入燃料电池堆100的气体过于干燥则会迅速带走大量的水，从而影响燃料电池堆100的性能。因此需要采用湿热交换器61为燃料电池堆100提供一定湿度的空气。然而，在燃料电池堆100本身产生水过剩的工况下，进入燃料电池堆100的空气湿度过高则会使其带出水的能力下降，而过多的水在燃料电池堆100内积累有可能导致膜电极被淹没，从而造成燃料电池局部热点甚至反极等问题的出现。因此，本发明通过调节湿度调节旁通管路63上的湿度调节阀631就能够控制燃料电池堆100排出的湿空气进入湿热交换器61的流量大小，从而控制进气管路1内空气的湿度，确保燃料电池堆100的正常反应。
可选地，为便于理解，现对湿度调节装置6的运行作如下介绍：
当相对湿度传感器62检测到进气管路1内的空气湿度低于预设湿度值时，将湿度调节阀631的开度减小，使燃料电池堆100排出的湿空气更多地进入湿热交换器61，从而增大对进气管路1内空气的加湿量，使其空气湿度达到预设湿度值，进一步确保燃料电池堆100正常运行；
当相对湿度传感器62检测到进气管路1内的空气湿度等于预设湿度值时，则保持湿度调节阀631的开度，使湿度维持在预设湿度值；
当相对湿度传感器62检测到进气管路1内的空气湿度高于预设湿度值时，将湿度调节阀631的开度增大，使燃料电池堆100排出的湿空气更多地经无阻力的湿度调节旁通管路63流入出气管路2内排出，从而减小对进气管路1内空气的加湿量，使其空气湿度降低至预设湿度值。
进一步地，由于氢气的可燃极限(体积分数)在4.0％至75.6％，这个范围内，氢气可以在空气中燃烧，甚至发生爆炸。因此要求燃料电池堆100排出气体中的可燃气体浓度要低于最低可燃极限的75％，即氢气的体积分数需要低于3.0％。然而在燃料电池发动机启停过程中，经常会排出较高浓度的氢气，此时单纯靠燃料电池堆100正常工作时排出的空气流量不足以使氢气浓度降低至3.0％，如果直接增加进气流量，则会降低燃料电池堆100的耐久性。
基于此，本发明的空气系统还包括尾排氢气浓度调节装置7，尾排氢气浓度调节装置7包括氢气浓度传感器71和进气旁通管路72，氢气浓度传感器71设置于出气管路2上且位于背压阀52的下游，以监测排出气体中的氢气含量。进气旁通管路72与出气管路2和进气管路1均连接，且进气旁通管路72与出气管路2的连接位置位于背压阀52与氢气浓度传感器71之间，进气旁通管路72上设有进气旁通阀721，进气旁通阀721被配置为在氢气浓度传感器71检测到的氢气浓度超出预设值时开启，进气管路1内的空气通过进气旁通管路72进入出气管路2内对其内的氢气浓度进行稀释，保证安全。
本实施例中，进气旁通管路72与进气管路1的连接位置位于湿热交换器61和相对湿度传感器62之间，以将来自湿热交换器61的空气分流经进气旁通管路72进入出气管路2内。当然，在其他实施例中，进气旁通管路72与进气管路1的连接位置也可设于湿热交换器61的上游，不以本实施例为限。
具体地，若氢气浓度传感器71检测到出气管路2内的氢气浓度大于预设值，则调大进气旁通阀721的开度，使进气管路1内的空气经过湿热交换器61引入到出气管路2中，以稀释排气中的氢浓度，使尾排中氢气浓度不超过预设值，提高系统使用的安全性。
同时，若在使用中，空压机31发生喘振，也可以通过调节进气旁通阀721的开度，防止喘振现象的发生，延长空压机31的使用寿命，一体多用，增强可用性。需要说明的是，进气旁通阀721防喘振旁通空气量根据当前工况下喘振边界空气量与燃料电池堆100预设流量值计算得到。最终进气旁通阀721的旁通空气量为稀释氢气的空气量和防喘振旁通空气量的最大值，燃料电池进气旁通阀721的开度根据旁通空气量开环查表得到。
若氢气浓度传感器71检测到出气管路2内的氢气浓度低于预设值且空压机31未发生喘振，则保持进气旁通阀721的开度。
作为一种空气系统优选的技术方案，上述空气系统还包括PID控制器(ProportionIntegration Differentiation.比例-积分-微分控制器)，用于控制调节空压机31的转速、湿度调节阀631的开度、背压阀52的开度和进气旁通阀721的开度，以提高系统集成控制。
进一步地，进气管路1和出气管路2上分别设置有进气截止阀8和出气截止阀9，进气截止阀8和出气截止阀9均被配置为在空气系统不工作时常闭，以对燃料电池堆100的阴极回路进行密闭，防止空气的进入导致燃料电池堆100性能与耐久的下降，使用寿命的缩短。进一步优选地，在关闭燃料电池发动机前需消耗掉阴极残留的氧气，使燃料电池堆100形成无氧环境，处于氢保护状态。
本发明还提供了一种如上所述的空气系统的控制方法，如图2所示，包括如下步骤：
判断燃料电池发动机是否启动；如果没有启动，则进气截止阀8和出气截止阀9保持关闭；如果启动，则进气截止阀8和出气截止阀9保持关闭，打开进气旁通阀721和空压机31对进气管路1进行扫气，扫气完成后关闭进气旁通阀721，打开进气截止阀8和出气截止阀9，使合适流量、温度、压力和湿度的空气进入燃料电池堆100中参与反应；
启动温度调节装置4以将空压机31流出的空气调节至预设温度值；
判断进气管路1内的压力是否在预设压力值，如果不是，则调节背压阀52的开度，如果是，则保持背压阀52的开度；
判断进气管路1内的湿度是否在预设湿度值，如果不是，则调节湿度调节阀631的开度，如果是，则保持湿度调节阀631的开度；
判断进气管路1内的流量是否在预设流量值，如果是，则维持空压机31的转速，如果不是，则调节空压机31的转速。
可选地，在燃料电池发动机未启动时，通过将进气截止阀8和出气截止阀9关闭，以尽可能减少空气进入燃料电池堆100的次数，提高寿命。
可选地，判断出气管路2内氢气浓度是否低于预设值或者空压机31是否发生喘振，如果不是，则调节进气旁通阀721的开度，将经过进气管路1内的空气引入到出气管路2中，以稀释排气中的氢气浓度，确保氢气浓度低于预设值，同时避免了空压机31出现喘振，如果是，则保持进气旁通阀721的开度，使氢气浓度低于预设值且空压机31不存在喘振。
通过上述方法，就能控制进气管路1内空气的流量、温度、湿度和压力均在合适的范围，从而提高燃料电池堆100反应效率。进一步还能确保出气管路2内氢气浓度低于预设值及避免空压机31喘振，提高使用的安全性。
本发明还提供了一种燃料电池发动机，包括燃料电池堆100，上述燃料电池发动机还包括如上所述的空气系统，空气系统通过进气管路1和出气管路2与燃料电池堆100连接，以确保燃料电池堆100的正常反应。
本发明还提供了一种车辆，包括如上所述的燃料电池发动机。
可选地，车辆还包括过滤器，空气经过过滤器进入到空气流量计32中，用于测定进气流量之后空气进入到空压机31中进行压缩。
综上，本发明提供了一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆，通过将空压机31和空气流量计32均设置于进气管路1上，且空气流量计32设于空压机31的上游，以调节空气的进气流量在预设流量值；将温度调节装置4设于进气管路1上且位于空压机31的下游，以将空气的温度调节至预设温度值；设置将压力调节装置5与进气管路1连接，用于调节空气的压力在预设压力值；设置将湿度调节装置6与进气管路1连接，用于将空气湿度调节至预设湿度值。本发明通过流量调节装置3、温度调节装置4、压力调节装置5和湿度调节装置6的共同作用能够将进气管路1内的空气调节至适宜的流量、温度、压力和湿度范围，从而提高了燃料电池堆100的反应效率。
实施例二
在本实施例中，与实施例一相同的部分，给予相同的附图标记，并省略相同的文字说明。
图3是本发明实施例二提供的一种空气系统的整体结构示意图。如图3所示，相对于实施例一，本实施例提供的空气系统具有这样的区别:上述空气系统还包括组合三向阀10，进气旁通阀721、进气截止阀8和出气截止阀9均集成设置于组合三向阀10上，以此减少了阀门设置，简化系统。
本实施例其余未述之处均与实施例一相同，此处不再赘述。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空气系统，通过进气管路(1)和出气管路(2)与燃料电池堆(100)连接，其特征在于，所述空气系统包括：
流量调节装置(3)，包括空压机(31)和空气流量计(32)，所述空压机(31)和所述空气流量计(32)均设置于所述进气管路(1)上，且所述空气流量计(32)设于所述空压机(31)的上游，用于调节空气的进气流量在预设流量值；
温度调节装置(4)，设置于所述进气管路(1)上且位于所述空压机(31)的下游，用于将所述空气的温度调节至预设温度值；
压力调节装置(5)，与所述进气管路(1)连接，用于调节所述空气的压力在预设压力值；
湿度调节装置(6)，与所述进气管路(1)连接，用于将所述空气的湿度调节至预设湿度值；
所述压力调节装置(5)包括压力传感器(51)和背压阀(52)，所述压力传感器(51)设置于所述进气管路(1)上且位于所述空压机(31)的下游，所述背压阀(52)设置于所述出气管路(2)上；
所述湿度调节装置(6)包括：
湿热交换器(61)，所述湿热交换器(61)与所述进气管路(1)和所述出气管路(2)均连接；
相对湿度传感器(62)，所述相对湿度传感器(62)设置于所述燃料电池堆(100)和所述湿热交换器(61)之间的所述进气管路(1)上；
湿度调节旁通管路(63)，所述湿度调节旁通管路(63)的第一端连接于所述湿热交换器(61)与所述燃料电池堆(100)之间的所述出气管路(2)上，第二端连接于所述湿热交换器(61)与所述背压阀(52)之间的所述出气管路(2)上，所述湿度调节旁通管路(63)上设有湿度调节阀(631)；
所述空气系统还包括尾排氢气浓度调节装置(7)，所述尾排氢气浓度调节装置(7)包括氢气浓度传感器(71)和进气旁通管路(72)，所述氢气浓度传感器(71)设置于所述出气管路(2)上且位于所述背压阀(52)的下游；
所述进气旁通管路(72)与所述出气管路(2)和所述进气管路(1)均连接，且所述进气旁通管路(72)与所述出气管路(2)的连接位置位于所述背压阀(52)与所述氢气浓度传感器(71)之间，所述进气旁通管路(72)上设有进气旁通阀(721)，所述进气旁通阀(721)被配置为在所述氢气浓度传感器(71)检测到氢气浓度超出预设值时开启。
2.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，所述温度调节装置(4)为中冷器，用于将来自所述空压机(31)的空气冷却至所述预设温度值。
3.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，所述进气管路(1)和所述出气管路(2)上分别设置有进气截止阀(8)和出气截止阀(9)，所述进气截止阀(8)和所述出气截止阀(9)均被配置为在所述空气系统不工作时常闭。
4.根据权利要求3所述的空气系统，其特征在于，所述空气系统还包括组合三向阀(10)，所述进气旁通阀(721)、所述进气截止阀(8)和所述出气截止阀(9)均集成设置于所述组合三向阀(10)上。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的空气系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
判断燃料电池发动机是否启动；如果没有启动，则进气截止阀(8)和出气截止阀(9)保持关闭；如果启动，则所述进气截止阀(8)和所述出气截止阀(9)保持关闭，打开进气旁通阀(721)和所述空压机(31)对所述进气管路(1)进行扫气，扫气完成后关闭所述进气旁通阀(721)，打开所述进气截止阀(8)和所述出气截止阀(9)；
启动温度调节装置(4)以将所述空压机(31)流出的空气调节至预设温度值；
判断所述进气管路(1)内的压力是否在预设压力值，如果不是，则调节背压阀(52)的开度，如果是，则保持背压阀(52)的开度；
判断所述进气管路(1)内的空气湿度是否在预设湿度值，如果不是，则调节湿度调节阀(631)的开度，如果是，则保持湿度调节阀的开度；
判断所述进气管路(1)内的流量是否在预设流量值，如果是，则维持所述空压机(31)的转速，如果不是，则调节所述空压机(31)的转速。
6.一种燃料电池发动机，包括燃料电池堆(100)，其特征在于，所述燃料电池发动机还包括如权利要求1-4任一项所述的空气系统，所述空气系统通过进气管路(1)和出气管路(2)与所述燃料电池堆(100)连接。
7.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求6所述的燃料电池发动机。
CN202011239335.0A 2020-11-09 2020-11-09 一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆 Active CN112397745B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011239335.0A CN112397745B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011239335.0A CN112397745B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112397745A CN112397745A (zh) 2021-02-23
CN112397745B true CN112397745B (zh) 2022-03-22

Family

ID=74598375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011239335.0A Active CN112397745B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112397745B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112928307B (zh) * 2021-03-24 2022-08-02 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 一种燃料电池发动机的空气供气系统及控制方法
CN112901379A (zh) * 2021-04-13 2021-06-04 河南柴油机重工有限责任公司 一种发动机排气加热进气装置及加热方法
CN114030350B (zh) * 2021-10-28 2023-07-11 东风商用车有限公司 一种燃料电池汽车空滤进气系统
US20230187663A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-15 Cummins Inc. Systems and methods for managing flow and pressure cross coupling between air compressor flow and fuel cell stack backpressure

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110048144A (zh) * 2018-01-17 2019-07-23 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池系统及其空气供应控制方法
KR20200052120A (ko) * 2018-11-06 2020-05-14 현대자동차주식회사 공기공급 시스템

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100388542C (zh) * 2004-02-27 2008-05-14 上海神力科技有限公司 一种带有动态控制装置的燃料电池
CN101409353B (zh) * 2008-11-12 2012-01-25 同济大学 燃料电池汽车氢气安全排放用尾气处理方法及装置
CN102544553A (zh) * 2012-01-05 2012-07-04 昆山弗尔赛能源有限公司 用于燃料电池测试平台的气体增湿系统
CN204029931U (zh) * 2014-07-17 2014-12-17 昆山弗尔赛能源有限公司 一种高效的燃料流量及压力可控的燃料电池电源系统
EP3671925B1 (en) * 2017-08-14 2021-04-28 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and fuel cell system warm-up method
CN107895806A (zh) * 2017-12-20 2018-04-10 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池增湿系统、方法及燃料电池系统
CN108172866A (zh) * 2017-12-29 2018-06-15 萍乡北京理工大学高新技术研究院 燃料电池空气供给系统及控制方法
CN109411784B (zh) * 2018-12-11 2024-04-12 中国重汽集团济南动力有限公司 一种商用车燃料电池发动机供气系统
CN111509272A (zh) * 2019-01-30 2020-08-07 深圳伊腾迪新能源有限公司 一种燃料电池用高效率气体增湿器
CN110649288A (zh) * 2019-09-30 2020-01-03 潍柴动力股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池空气供应系统及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110048144A (zh) * 2018-01-17 2019-07-23 郑州宇通客车股份有限公司 一种燃料电池系统及其空气供应控制方法
KR20200052120A (ko) * 2018-11-06 2020-05-14 현대자동차주식회사 공기공급 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
CN112397745A (zh) 2021-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112397745B (zh) 一种空气系统及其控制方法、燃料电池发动机、车辆
CN110380086B (zh) 一种燃料电池辅助系统及停机阴极快速吹扫方法
CN209344234U (zh) 一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置
CN113629277B (zh) 一种燃料电池系统及其停机吹扫方法
CN115395050B (zh) 燃料电池系统
CN101728556B (zh) 用于燃料电池系统中主气流测量装置故障时的补救措施的方法
CN111354958B (zh) 一种燃料电池的阳极保护系统及控制方法
CN112216853A (zh) 一种燃料电池系统及其湿度控制方法
CN112133940A (zh) 一种燃料电池系统空气路控制系统及方法
CN110957507A (zh) 一种燃料电池供气装置及其控制方法
CN111769305B (zh) 一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统
CN114865009A (zh) 一种燃料电池气路控制系统及电堆进气压力控制方法
CN203326037U (zh) 一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统
CN112201809A (zh) 集成式燃料电池空气供给系统及燃料电池系统
CN215418249U (zh) 一种燃料电池供气装置及车辆
CN112751058B (zh) 一种性能恢复装置及其控制方法
CN113707911A (zh) 一种燃料电池的供气系统及供气方法
CN116314950B (zh) 氢燃料电池发动机性能活化装置及方法
CN116487654B (zh) 燃料电池阴极进气气体的湿度控制系统和车辆
CN220155570U (zh) 一种燃料电池系统
CN219246733U (zh) 一种燃料电池系统
CN114497631B (zh) 一种燃料电池空气系统及其控制方法
CN114744246B (zh) 一种燃料电池系统及其空气湿度调节方法
CN220420622U (zh) 燃料电池装置
JP7422122B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant