CN112928307A - 一种燃料电池发动机的空气供气系统及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池发动机的空气供气系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机的空气供气系统及控制方法，包括燃料电池堆、供气管路、外排管路和重组气体循环管路，其中：所述供气管路包括与所述燃料电池堆连接的进气管路和出气管路，所述进气管路设有空压机和增湿器，所述增湿器通过所述进气管路和所述出气管路与所述燃料电池堆连接，所述增湿器还连接所述外排管路；所述外排管路上设有第二电子节气门；所述重组气体循环管路一端连接空压机的进气端，所述重组气体循环管路另一端连接于增湿器与第二电子节气门之间的外排管路上，所述重组气体循环管路依次设有第二水分离器和第一电子节气阀。本发明满足大功率燃料电池发动机的各项进气需求参数条件，实现电堆入口空气控制的稳定性。

Description

一种燃料电池发动机的空气供气系统及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机领域，具体涉及一种燃料电池发动机的空气供气系统及控制方法。
背景技术
对于大多数地面系统，利用空气中的氧比直接利用纯氧作为燃料电池系统的一部分更切合实际，在现有的燃料电池发动机的空气供气系统中，空气主要是由鼓风机(低压系统)或空压机(加压系统)提供的，且能够实现进入电堆的空气压力和进气流量的调节。在加压系统中，通过提高空压机的转速，加大空气进气量，使得空气附带一定压力而进入电堆。空压机需要根据燃料电池发动机的功率需求，从而调节自身的转速和空气压缩量，满足燃料电池电化学反应所需要的空气量。空气供给对燃料电池电堆反应起到了至关重要的作用，精确并快速的空气流量控制能够有效延长燃料电池使用寿命。
现有的空气供气系统主要有以下不足：空压机根据需求功率的变化不断变化工作模式，使得控制趋于复杂，不利于电化学反应过程的稳定进行；燃料电池发动机系统在高压大功率下，对空气供应流量的压力和湿度精度要求很高，否则电堆的输出功率难以达到最优状态，长此以往会造成电堆性能和寿命的衰减，而现有的供气系统无法满足同时调节。以上问题制约了燃料电池发动机的进一步的优化发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池发动机的空气供气系统及控制方法，满足大功率燃料电池发动机的各项进气需求参数条件，实现电堆入口空气控制的稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池发动机的空气供气系统，包括燃料电池堆、供气管路、外排管路和重组气体循环管路，其中：
所述供气管路包括与所述燃料电池堆连接的进气管路和出气管路，所述进气管路按照气体流动方向依次设有空压机和增湿器，所述增湿器通过所述进气管路和所述出气管路与所述燃料电池堆连接，所述增湿器还连接所述外排管路，所述空压机连接有空压机控制器；
所述外排管路上设有第二电子节气门；
所述重组气体循环管路一端连接所述空压机的进气端，所述重组气体循环管路另一端连接于所述增湿器与所述第二电子节气门之间的所述外排管路上，所述重组气体循环管路按照气体流动方向依次设有第二水分离器和第一电子节气阀。
作为本发明的进一步改进，所述进气管路按照气体流动方向还依次设有第一电磁阀、第一水分离器、空气过滤网、空气流量计和化学过滤器，所述化学过滤器的出气端连接所述空压机的进气端，所述空压机与所述增湿器之间的所述进气管路上还设有中冷器，所述增湿器与所述燃料电池堆之间的所述进气管路和所述出气管路上还分别设有供气参数传感器。
作为本发明的进一步改进，所述第一电子节气门与所述第二水分离器之间的所述重组气体循环管路上还设有储气罐。
作为本发明的进一步改进，所述空压机的出气端与所述第二电子节气门的排气端之间还连接有保护管路，所述保护管路上设有第二电磁阀。
作为本发明的进一步改进，所述燃料电池堆、供气管路、外排管路和重组气体循环管路均设置于同一保护外壳内。
作为本发明的进一步改进，所述中冷器与所述增湿器之间的所述进气管路与所述保护外壳之间设有外壳吹扫管路，所述外壳吹扫管路上设有第三电磁阀，所述保护外壳出气端连接所述外排管路。
本发明提供了一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，采用上述的燃料电池发动机的空气供气系统，包括以下步骤：
S1：根据需求的空气流量，通过空压机控制器调节空压机转速，直到空气进堆流量和压力值接近预定的目标值，暂定空压机转速；
S2：判断该空压机转速下的进堆空气压力是否达到预定的目标值，如果未达到，调节空压机转速和第二电子节气门的开度，修正空气进堆流量和压力同时达到预定的空气参数；如达到，进入步骤S3；
S3：根据需求的空气湿度大小判断增湿器是否满足湿度供应要求，如未满足，观察进堆空气相对湿度大小，调节第一电子节气门的开度，直到接近预定的需求空气湿度；如满足，结束调节。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S201：判断该空压机转速下的进堆空气压力是否达到预定的压力目标值，如果未达到，进入步骤S202；如达到，进入步骤S3；
S202：调节第二电子节气门的开度，直到进堆空气压力值接近预定的压力目标值；
S203：调节第二电子节气门引起的空气流量波动，通过同时微调修正空压机转速和第二电子节气门的开度，使得空气进气流量和压力同时满足预定的目标值。
本发明提供了一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，采用上述的燃料电池发动机的空气供气系统，包括以下步骤：
在准备停机前，当空气进堆压力显示一定低压时，关闭第一电磁阀、第三电磁阀和第二电子节气门，打开第一电子节气门，储气罐中气体进入供气管路，停机后，由蓄电池供电空压机，使其低转速运行；
待残存电压降至安全值后，打开第二电子节气门，进行放气，空气进堆压力显示归零后，关闭第二电子节气门，关闭空气供气系统。
本发明提供了一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，采用上述的燃料电池发动机的空气供气系统，包括以下步骤：
燃料发动机正常运行时，打开第三电磁阀，让压缩后的干空气吹扫入所述保护外壳的内腔。
本发明的有益效果：本发明系统根据发动机需求功率的大小，为达到该功率下的空气流量和压力，通过确定电动空压机目标转速和出堆空气的电子节气门的开度，以及通过增湿器和出堆的相对高湿的重组气体的循环利用再次进堆，压力和湿度能满足各种工况下的参数要求且控制精度更高，尤其大功率下空气进气参数的精确控制，进而提高了燃料电池的性能和使用寿命，同时本空气供气系统能够匹配不同类型的燃料电池电池，尤其是要求阴极空气侧高湿环境的电堆；另外，当带有一定温度的出堆相对高湿的重组气体再次循环进堆，对于低温环境下的冷启动起到了辅助加热增湿效果；同时，本系统在停机后，通过重组气体吹扫，能够快速将残存电压降至安全值，达到快速安全关机的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一的一种优选方式的系统结构示意图；
图2是本发明实施例三的一种优选方式的方法流程示意图；
图3是本发明实施例四的一种优选方式的方法流程示意图；
图中标号说明：1、第一电磁阀，2、第一水分离器，3、空气过滤网，4、化学过滤器，5、空压机，51、空压机控制器，6、中冷器，7、增湿器，8、电池燃料堆，9、第一电子节气门，10、储气瓶，11、第二水分离器，12、第二电子节气门，13、第二电磁阀，14、第三电磁阀，15、保护外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参考图1，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机的空气供气系统，包括燃料电池堆8、供气管路、外排管路和重组气体循环管路，其中：
供气管路包括与燃料电池堆8连接的进气管路和出气管路，进气管路按照气体流动方向依次设有空压机5和增湿器7，增湿器7通过进气管路和出气管路与燃料电池堆8连接，增湿器7还连接外排管路，空压机5连接有空压机控制器51；
外排管路上设有第二电子节气门12；
重组气体循环管路一端连接空压机5的进气端，重组气体循环管路另一端连接于增湿器7与第二电子节气门12之间的外排管路上，重组气体循环管路按照气体流动方向依次设有第二水分离器11和第一电子节气阀9。
根据发动机需求功率的大小，为达到该功率下的空气流量和压力，确定电动空压机5目标转速和出堆空气的第二电子节气门12的开度，通过空压机控制器51调节空压机5转速，湿度则根据电堆进口相对湿度大小，通过增湿器7和出堆的相对高湿的重组气体的循环利用，即通过调节第一电子节气门9调节循环气体量，通过添加循环重组气体来满足不同电堆空气湿度要求。其中，第二水分离器11用于循环重组气体的水分分离，同时，当带有一定温度的出堆相对高湿的重组气体再次循环进堆，对于低温环境下的冷启动起到了辅助加热增湿效果。
具体的，进气管路按照气体流动方向还依次设有第一电磁阀1、第一水分离器2、空气过滤网3、空气流量计和化学过滤器4，化学过滤器4的出气端连接空压机5的进气端，空压机5与增湿器7之间的进气管路上还设有中冷器6，增湿器7与燃料电池堆8之间的进气管路和出气管路上还分别设有供气参数传感器，相关参数传感器包括湿度传感器、压力传感器和温度传感器，整体用于对燃料电池堆8正常供气，供气参数传感器为系统检测提供空气供应进堆及出堆各项参数值。进一步的，空压机5的出气端与第二电子节气门12的排气端之间还连接有保护管路，保护管路上设有第二电磁阀13，此管路起到气压保护的作用，在管路内气体压力过高时，可打开。
具体的，第一电子节气门9与第二水分离器11之间的重组气体循环管路上还设有储气罐10，重组气体可通过重组气体循环管路对燃料电池堆8进行吹扫，在停机后，打开第一电子节气门9，储气罐10中气体进入供气管路通过吹扫，能够快速将残存电压降至安全值，达到快速安全关机的效果。
实施例二
参考图1，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机的空气供气系统，包括实施例一中所述的空气供气系统，其中：
燃料电池堆、供气管路、外排管路和重组气体循环管路均设置于同一保护外15内。系统中，像电子节气门这类装置在使用时有很大噪音，传统的做法是在空压机5进出口处增加消声器，本申请则是将整个空气系统中的装置放置在保护外壳15内，与外界环境隔绝，最大程度的降低噪音；同时保护外壳15将空气系统与外界环境隔绝，避免了环境腐蚀，碰撞等外在因素带来的破坏，在一定程度起到保护作用；同时，在外部环境低温时，利用空压机5、中冷器6、增湿器7，管道等余热与环境交换热量，在密闭的保护外壳15内，防止了热量损失，起到保温效果，以及最大避免了外部低温环境对空气系统设备造成的额外耗能。另外，整个空气系统设备集成在保护外壳15内，降低整套系统的占用空间，且缩短了管道的使用长度，使得空气在管道内的压降减少，流阻减少，尽量降低了空气在管道内传送时造成的能耗。
进一步的，中冷器6与增湿器7之间的进气管路与保护外壳15之间设有外壳吹扫管路，外壳吹扫管路上设有第三电磁阀14，保护外壳15出气端连接外排管路，燃料电池正常运行时，打开第三电磁阀14，通过压差，让压缩后的干空气快速吹扫电堆的保护外壳15的内腔，对电堆的环境进行换气吹扫，外部环境高温时电堆保护外壳15内的空气对流起到散热效果，外部环境低温时电堆保护外壳15内的空气起到加热和保温效果，其次大流量的压缩空气持续吹扫，可以防止保护外壳15内出现电堆氢气泄露浓度较高时造成的潜在危险。
实施例三
参考图2，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，采用上述实施例一或实施例二中的燃料电池发动机的空气供气系统，包括以下步骤：
S1：根据需求的空气流量，通过空压机控制器51调节空压机5转速，直到空气进堆流量和压力值接近预定的目标值，暂定空压机5转速；
S2：判断该空压机5转速下的进堆空气压力是否达到预定的目标值，如果未达到，调节空压机5转速和第二电子节气门12的开度，修正空气进堆流量和压力同时达到预定的空气参数；如达到，进入步骤S3；
S3：根据需求的空气湿度大小判断增湿器是否满足湿度供应要求，如未满足，观察进堆空气相对湿度大小，调节第一电子节气门9的开度，直到接近预定的需求空气湿度；如满足，结束调节。
具体的，步骤S2具体包括以下步骤：
S201：判断该空压机5转速下的进堆空气压力是否达到预定的压力目标值，如果未达到，进入步骤S202；如达到，进入步骤S3；
S202：调节第二电子节气门12的开度，直到进堆空气压力值接近预定的压力目标值；
S203：调节第二电子节气门12引起的空气流量波动，通过同时微调修正空压机5转速和第二电子节气门12的开度，使得空气进气流量和压力同时满足预定的目标值。
即系统正常运行供气时，根据发动机需求功率的大小，为达到该功率下的空气流量和压力，确定电动空压机5目标转速和出堆空气的第二电子节气门12的开度，湿度则根据电堆进口相对湿度传感器反馈值的大小，通过增湿器7和出堆的相对高湿的重组气体的循环利用再次进堆来满足不同电堆空气湿度要求。同时，当带有一定温度的出堆相对高湿的重组气体再次循环进堆，对于低温环境下的冷启动起到了辅助加热增湿效果。
实施例四
参考图3，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，采用上述实施例一或实施例二中的燃料电池发动机的空气供气系统，包括以下步骤：
在准备停机前，当空气进堆压力显示一定低压时，空气回路关闭第一电磁阀1，第三电磁阀14和第二电子节气门12，此时储气瓶10中含有大量不含液体水的重组气体，打开第一电子节气门9，开度全开，停机后，由蓄电池供电空压机5，使其低转速运行，空气侧继续给电堆供重组气体；
待残存电压降至安全值后，打开第二电子节气门12，进行放气，空气进堆压力显示归零后，关闭第二电子节气门12，关闭空气供气系统。
出堆重组气体再次进堆吹扫的使用，尤其是在降载停机时，显得格外重要，在发动机降载停机后，残存电压过高，短时间难以快速消去，此时阳极则继续吹扫氢气，阴极则停止用空气压缩进堆，选择出堆外排的重组气体再次压缩进堆，短时间内阴极残存空气被快速消耗殆尽，残存电压也就快速下降，当电压低于安全值后，关闭吹扫。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机的空气供气系统，其特征在于：包括燃料电池堆、供气管路、外排管路和重组气体循环管路，其中：
所述供气管路包括与所述燃料电池堆连接的进气管路和出气管路，所述进气管路按照气体流动方向依次设有空压机和增湿器，所述增湿器通过所述进气管路和所述出气管路与所述燃料电池堆连接，所述增湿器还连接所述外排管路，所述空压机连接有空压机控制器；
所述外排管路上设有第二电子节气门；
所述重组气体循环管路一端连接所述空压机的进气端，所述重组气体循环管路另一端连接于所述增湿器与所述第二电子节气门之间的所述外排管路上，所述重组气体循环管路按照气体流动方向依次设有第二水分离器和第一电子节气阀。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机的空气供气系统，其特征在于：所述进气管路按照气体流动方向还依次设有第一电磁阀、第一水分离器、空气过滤网、空气流量计和化学过滤器，所述化学过滤器的出气端连接所述空压机的进气端，所述空压机与所述增湿器之间的所述进气管路上还设有中冷器，所述增湿器与所述燃料电池堆之间的所述进气管路和所述出气管路上还分别设有供气参数传感器。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机的空气供气系统，其特征在于：所述第一电子节气门与所述第二水分离器之间的所述重组气体循环管路上还设有储气罐。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机的空气供气系统，其特征在于：所述空压机的出气端与所述第二电子节气门的排气端之间还连接有保护管路，所述保护管路上设有第二电磁阀。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机的空气供气系统，其特征在于：所述燃料电池堆、供气管路、外排管路和重组气体循环管路均设置于同一保护外壳内。
6.如权利要求5所述的一种燃料电池发动机的空气供气系统，其特征在于：所述中冷器与所述增湿器之间的所述进气管路与所述保护外壳之间设有外壳吹扫管路，所述外壳吹扫管路上设有第三电磁阀，所述保护外壳出气端连接所述外排管路。
7.一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的燃料电池发动机的空气供气系统，所述方法包括以下步骤：
S1：根据需求的空气流量，通过空压机控制器调节空压机转速，直到空气进堆流量和压力值接近预定的目标值，暂定空压机转速；
S2：判断该空压机转速下的进堆空气压力是否达到预定的目标值，如果未达到，调节空压机转速和第二电子节气门的开度，修正空气进堆流量和压力同时达到预定的空气参数；如达到，进入步骤S3；
S3：根据需求的空气湿度大小判断增湿器是否满足湿度供应要求，如未满足，观察进堆空气相对湿度大小，调节第一电子节气门的开度，直到接近预定的需求空气湿度；如满足，结束调节。
8.如权利要求7所述的一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
S201：判断该空压机转速下的进堆空气压力是否达到预定的压力目标值，如果未达到，进入步骤S202；如达到，进入步骤S3；
S202：调节第二电子节气门的开度，直到进堆空气压力值接近预定的压力目标值；
S203：调节第二电子节气门引起的空气流量波动，通过同时微调修正空压机转速和第二电子节气门的开度，使得空气进气流量和压力同时满足预定的目标值。
9.一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的燃料电池发动机的空气供气系统，所述方法包括以下步骤：
在准备停机前，当空气进堆压力显示一定低压时，关闭第一电磁阀、第三电磁阀和第二电子节气门，打开第一电子节气门，储气罐中气体进入供气管路，停机后，由蓄电池供电空压机，使其低转速运行；
待残存电压降至安全值后，打开第二电子节气门，进行放气，空气进堆压力显示归零后，关闭第二电子节气门，关闭空气供气系统。
10.一种燃料电池发动机的空气供气控制方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的燃料电池发动机的空气供气系统，所述方法包括以下步骤：
燃料发动机正常运行时，打开第三电磁阀，让压缩后的干空气吹扫入所述保护外壳的内腔。
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