CN112599822A - 一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统及控制方法 - Google Patents

一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统及控制方法，包括电堆、进气口以及出水口，在进气口上连接空压机，在空压机与进气口之间设置至少两条并联的通气管道，在每条通气管道上设置过滤组件，在过滤组件的进气端设置供气控制阀，在通气管道上设置过滤箱体，在过滤箱体外部设置用于实现抽插动作的驱动组件，驱动组件驱动过滤组件运动；在过滤组件前方设置第一压力传感器，在过滤组件后方设置第二压力传感器；通过并联的通气管道单独控制可实现在不停机的情况下对堵塞过滤组件的自动化清洗。通过对过滤组件前后的通气管道内压力的判断，可实现对过滤组件堵塞的判断，实现精准维修；从而降低人工以及维修成本，提高氢燃料电池的发电效率。

Description

一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统及控制方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，尤其是涉及一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统及控制方法。
背景技术
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。由于氢燃料电池只产生水和热、运行安静且发电效率可达50％以上，故其具有无污染、无噪音以及高效率等优点，氢燃料电池被越来越多应用于各个行业中。
目前氢燃料电池在产生电能的过程中，基于成本考虑，一般都是用空气取代氧气，空气直接由空压机抽至管道中，通过管道内的过滤网后直接送入电堆内，然而空气中具有较多杂质，故管道中的滤网很容易发生堵塞，进入氢气堆的空气量可能会达不到要求，从而影响电堆中的化学反应，降低氢燃料电池的效率；故需要对滤网进行维修，此时需要将氢燃料电池关闭停止工作，同时需要人工拆卸滤网进行清洗，之后重新安装氢燃料电池继续工作，这种操作大大降低了氢燃料电池的效率，同时增加了人工成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可在线对滤网进行清洁且不会影响效率的用于氢燃料电池的空气供应过滤系统及控制方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，包括电堆、设置于电堆上的进气口以及出水口，在所述的进气口上连接有空压机，所述的空压机向电堆供应空气，在所述的空压机与进气口之间设置至少两条并联的通气管道，在每条所述的通气管道上设置过滤组件，在所述的过滤组件的进气端设置供气控制阀，在所述的通气管道上设置用于插入过滤组件的过滤箱体，在所述的过滤箱体外部设置用于实现抽插动作的驱动组件，所述的驱动组件驱动过滤组件运动；在所述的过滤组件前方的通气管道上设置第一压力传感器，在所述的过滤组件后方的通气管道上设置第二压力传感器。
进一步具体的，在所述的过滤箱体旁设置一滤网清洗箱，所述的驱动组件将过滤组件在过滤箱体与滤网清洗箱之间转移，在所述的滤网清洗箱上设置清洗进口以及清洗出口，所述的清洗进口与出水口通过水管连通，在所述的水管上设置清洗控制阀。
进一步具体的，在所述的滤网清洗箱上设置气体进口以及气体出口，在所述的气体进口处设置第三压力传感器，在所述的气体出口处设置第四压力传感器，在所述的气体进口处设置吹气控制阀，所述的气体进口通入氮气。
进一步具体的，所述的驱动组件为一设置于滤网清洗箱上的液压缸或者气缸，所述的液压缸或者气缸的轴固定于过滤组件上。
进一步具体的，所述的驱动组件包括设置于滤网清洗箱以及过滤箱体两侧的螺杆、设置于螺杆上的螺母以及驱动螺杆转动的电机，所述的螺母固定于过滤组件上。
进一步具体的，所述的过滤组件包括矩形外框、设置于矩形外框内部的滤网以及设置于矩形外框侧边上的密封圈。
进一步具体的，所述的空气供应过滤系统还包括氢燃料电池管理系统。
一种空气供应过滤系统的控制方法，
S1、系统开启，其中第一进气支路开启，其它支路关闭，系统正常运行；
S2、当第一进气支路上的过滤组件发生堵塞时，首先打开其他任一支路继续供应气体，之后关闭第一进气支路；
S3、将第一进气支路上的过滤组件取下进行清理，清洗完成后将该过滤组件重新装回第一进气支路上。
进一步具体的，在步骤S2中判断过滤组件发生堵塞的方法为，采集第一压力传感器与第二压力传感器检测到的压力值并进行对比，若第二压力传感器检测到的压力值小于第一压力传感器压力值的90％，则该过滤组件发生堵塞。
进一步具体的，在步骤S3中判断过滤组件清洗完成的方法为，采集第三压力传感器与第四压力传感器检测到的压力值并进行对比，若第四压力传感器检测到的压力值大于第三压力传感器压力值的98％，则说明该过滤组件清洗完成。
本发明的有益效果是：通过采用上述系统及控制方法，通过并联至少两路通气管道，能够实现在线对过滤组件的清洗操作，不需要关闭氢燃料电池即可实现对过滤组件的清洗；通过对过滤组件前后的通气管道内压力的判断，可实现对过滤组件堵塞的判断，实现精准维修；从而降低人工以及维修成本，提高氢燃料电池的发电效率。
附图说明
图1是本发明空气供应过滤系统的结构示意图；
图2是本发明驱动组件的第一种方式的结构示意图；
图3是本发明驱动组件的第二种方式的结构示意图；
图4是本发明控制方法的流程示意图。
图中：1、电堆；2、空压机；3、第一进气主路；4、第二进气主路；5、第一进气支路；6、第二进气支路；7、过滤箱体；8、过滤组件；9、滤网清洗箱；10、供气控制阀；11、第一压力传感器；12、第二压力传感器；13、水管；14、清洗控制阀；15、吹气控制阀；16、第三压力传感器；17、第四压力传感器；81、矩形外框；82、滤网；83、液压缸；84、螺杆；85、螺母；86、电机。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，包括电堆1、设置于电堆1上的进气口以及出水口，在所述的进气口上连接有空压机2，所述的空压机2向电堆1供应空气，在所述的空压机2与进气口之间设置至少两条并联的通气管道，在本方案中，采用两条即可即第一进气支路5与第二进气支路6，从空压机2的出口连接第一进气主路3，第一进气支路5与第二进气支路6均与第一进气主路3连通，第一进气支路5与第二进气支路6后端连通并与第二进气主路4连接，第二进气主路4连接至进气口；在每条所述的通气管道上设置过滤组件8，在所述的过滤组件8的进气端设置供气控制阀10，在所述的通气管道上设置用于插入过滤组件8的过滤箱体7，在所述的过滤箱体7外部设置用于实现抽插动作的驱动组件，所述的驱动组件驱动过滤组件8运动；在所述的过滤组件8前方的通气管道上设置第一压力传感器11，在所述的过滤组件8后方的通气管道上设置第二压力传感器12；即在第一进气支路5、第二进气支路6上均设置有过滤组件8、供气控制阀10、过滤箱体7、驱动组件、第一压力传感器11以及第二压力传感器12。通过第一压力传感器11与第二压力传感器12检测到过滤组件8两侧的压力值进行对比，从而来判断第一进气支路5或者第二进气支路6是否发生堵塞，若发生堵塞则更换为其他支路进气同时拆卸过滤组件8进行清洗操作。
为了方便进行清洗，在所述的过滤箱体7旁设置一滤网清洗箱9，所述的驱动组件将过滤组件8在过滤箱体7与滤网清洗箱9之间转移，需要清洗的时候，驱动组件将过滤组件8转移至滤网清洗箱9内，清洗完毕之后，驱动组件将过滤组件8转移至过滤箱体7内；在所述的滤网清洗箱9上设置清洗进口以及清洗出口，所述的清洗进口与出水口通过水管13连通，在所述的水管13上设置清洗控制阀14，由电堆1产生的水对过滤组件8进行清洗，不会产生浪费；其中，过滤组件8包括矩形外框81、设置于矩形外框81内部的滤网82以及设置于矩形外框81侧边上的密封圈，矩形外框81可以根据需要制作成其它形状，密封圈设置于矩形外框81的左侧及右侧，相应的也可以在过滤箱体7及滤网清洗箱9上设置密封圈，其主要作用使得过滤组件8处于密封状态，保证内部气体不会外泄，同时在进行清洗时需要一定的水压，可以通过水泵实现，即在水管13上设置水泵。
在清洗之后，为了快速将过滤组件8吹干以及将附着在滤网82上的杂质吹掉，故在所述的滤网清洗箱9上设置气体进口以及气体出口，并在气体进口上通入氮气，同时在气体进口上安装吹气控制阀15用于控制气体进口的开启与关闭，通过水洗以及吹气，提高过滤组件8清洁的效率，在使用中吹气与冲水可以交替使用多次，来实现彻底清洁的目的。
进一步为了判断过滤组件8是否清理完成，在所述的气体进口处设置第三压力传感器16，在所述的气体出口处设置第四压力传感器17；通过第三压力传感器16与第四压力传感器17检测到过滤组件8两侧的压力值进行对比，从而来判断过滤组件8是否清理完成，若是则停止清理工作并通过驱动组件将过滤组件8转移至过滤箱体7内，若否则继续使用吹气与冲水交替进行清理。
为了实现自动控制以及自动冲洗的目的，空气供应过滤系统还包括氢燃料电池管理系统FCU，该氢燃料电池管理系统FCU用于接收第一压力传感器11、第二压力传感器12、第三压力传感器16以及第四压力传感器17的压力信号进行处理判断，并输出控制信号，该控制信号用于控制第一进气支路5或第二进气支路6的供气控制阀10、吹气控制阀15以及水管上的清洗控制阀14、水泵等的开启与关闭，同时也控制驱动组件的运动。
为了实现过滤组件8在过滤箱体7及滤网清洗箱9内的转移，驱动组件可以有多种结构形式，在本方案中主要采用两种形式：
如图2所示第一种采用液压缸83或者气缸实现，在过滤组件8的矩形外框81与滤网清洗箱9之间安装液压缸83或者气缸，液压缸83或者气缸的缸体固定在滤网清洗箱9上，其轴固定于矩形外框81上，通过氢燃料电池管理系统FCU发出的控制信号驱动液压缸83或者气缸的轴伸出或者缩回实现过滤组件8的转移。
如图3所示第二种采用螺杆84与电机86配合实现，在滤网清洗箱9以及过滤箱体7的两侧均设置有螺杆84，两个螺杆84固定后可围绕其轴线旋转，在两个螺杆84上分别各设置一螺母85，两个螺母85分别一一对应安装于矩形外框81的两侧框上，两个螺杆84根据需要可以通过两台电机86或者一台电机86进行控制，在本方案中采用一台电机86控制使其输出的动力能够更好的实现同步。
基于上述结构，提供一种空气供应过滤系统的控制方法，如图4所示下面以两条进气支路为例对该方法进行详细描述。
S1、首先系统开启使其处于正常工作状态，此时FCU控制空压机2及第一进气支路5的供气控制阀10打开，第二进气支路6的供气控制阀10关闭，空压机2通过第一进气支路5向电堆1进行供气操作，此时需要保证第一进气支路5前端的压力控制在170-190KPa，而当该压力值低于170KPa时，需要加大空压机2的功率进行增压操作。
S2、判断第一进气支路5上的过滤组件8是否发生堵塞，若是则FCU发出控制信号打开第二进气支路6的供气控制阀10，之后关闭第一进气支路5的供气控制阀10，使得进气从第一进气支路5变为第二进气支路6继续不间断的向电堆1进行供气操作。
在该步骤中，对过滤组件8是否堵塞的判断方法为，在整个供气过程中实时采集第一压力传感器11、第二压力传感器12的压力值并将两个压力值信号传输至FCU进行对比处理，当第二压力传感器12检测到的压力值P2小于第一压力传感器11检测到的压力值P1的90％，即P2＜90％P1，则说明该过滤组件8发生了堵塞，需要进行清洁处理。
S3、将第一进气支路5上的过滤组件8取下进行清理，清洗完成后将该过滤组件8重新装回第一进气支路5上，该操作FCU控制驱动组件实现过滤组件8的转移操作。
在该步骤中对第一进气支路5上的过滤组件8实现自动化清洗操作，FCU控制水泵、清洗控制阀14以及吹气控制阀15开启，通过水洗以及吹气操作进行自动化清洗，两者之间实现间隔清洗或者混合清洗，最后需要对清洗是否完成进行判断，而判断过滤组件8清洗完成的方法为，在整个清洗过程中实时采集第三压力传感器16、第四压力传感器17的压力值并将两个压力值信号传输至FCU进行对比处理，若第四压力传感器17检测到的压力值P4大于第三压力传感器16检测到的压力值P3的98％，即P4＞98％P3，则说明该过滤组件8清洗完成，可以通过FCU将过滤组件8插回过滤箱体7内。
综上，通过上述系统以及控制方法的使用，实现了氢燃料电池不停机的情况下对过滤组件8的清洗操作，通过对过滤组件8前后的通气管道内压力的判断，可实现对过滤组件8堵塞的判断，实现精准维修；从而降低人工以及维修成本，提高氢燃料电池的发电效率。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，包括电堆(1)、设置于电堆(1)上的进气口以及出水口，在所述的进气口上连接有空压机(2)，所述的空压机(2)向电堆(1)供应空气，其特征在于，在所述的空压机(2)与进气口之间设置至少两条并联的通气管道，在每条所述的通气管道上设置过滤组件(8)，在所述的过滤组件(8)的进气端设置供气控制阀(10)，在所述的通气管道上设置用于插入过滤组件(8)的过滤箱体(7)，在所述的过滤箱体(7)外部设置用于实现抽插动作的驱动组件，所述的驱动组件驱动过滤组件(8)运动；在所述的过滤组件(8)前方的通气管道上设置第一压力传感器(11)，在所述的过滤组件(8)后方的通气管道上设置第二压力传感器(12)。
2.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，其特征在于，在所述的过滤箱体(7)旁设置一滤网清洗箱(9)，所述的驱动组件将过滤组件(8)在过滤箱体(7)与滤网清洗箱(9)之间转移，在所述的滤网清洗箱(9)上设置清洗进口以及清洗出口，所述的清洗进口与出水口通过水管(13)连通，在所述的水管(13)上设置清洗控制阀(14)。
3.根据权利要求2所述的用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，其特征在于，在所述的滤网清洗箱(9)上设置气体进口以及气体出口，在所述的气体进口处设置第三压力传感器(16)，在所述的气体出口处设置第四压力传感器(17)，在所述的气体进口处设置吹气控制阀(15)，所述的气体进口通入氮气。
4.根据权利要求2所述的用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，其特征在于，所述的驱动组件为一设置于滤网清洗箱(9)上的液压缸(83)或者气缸，所述的液压缸(83)或者气缸的轴固定于过滤组件(8)上。
5.根据权利要求2所述的用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，其特征在于，所述的驱动组件包括设置于滤网清洗箱(9)以及过滤箱体(7)两侧的螺杆(84)、设置于螺杆(84)上的螺母(85)以及驱动螺杆(84)转动的电机(86)，所述的螺母(85)固定于过滤组件(8)上。
6.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，其特征在于，所述的过滤组件(8)包括矩形外框(81)、设置于矩形外框(81)内部的滤网(82)以及设置于矩形外框(81)侧边上的密封圈。
7.根据权利要求6所述的用于氢燃料电池的空气供应过滤系统，其特征在于，所述的空气供应过滤系统还包括氢燃料电池管理系统。
8.一种空气供应过滤系统的控制方法，其特征在于，
S1、系统开启，其中第一进气支路(5)开启，其它支路关闭，系统正常运行；
S2、当第一进气支路(5)上的过滤组件(8)发生堵塞时，首先打开其他任一支路继续供应气体，之后关闭第一进气支路(5)；
S3、将第一进气支路(5)上的过滤组件(8)取下进行清理，清洗完成后将该过滤组件(8)重新装回第一进气支路(5)上。
9.根据权利要求8所述的空气供应过滤系统的控制方法，其特征在于，在步骤S2中判断过滤组件(8)发生堵塞的方法为，采集第一压力传感器(11)与第二压力传感器(12)检测到的压力值并进行对比，若第二压力传感器(12)检测到的压力值小于第一压力传感器(11)压力值的90％，则该过滤组件(8)发生堵塞。
10.根据权利要求8所述的空气供应过滤系统的控制方法，其特征在于，在步骤S3中判断过滤组件(8)清洗完成的方法为，采集第三压力传感器(16)与第四压力传感器(17)检测到的压力值并进行对比，若第四压力传感器(17)检测到的压力值大于第三压力传感器(16)压力值的98％，则说明该过滤组件(8)清洗完成。
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