CN113022333B - 一种燃料电池系统及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动车辆技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及车辆。其中，燃料电池系统包括：燃料电池模块；空气供给系统，包括供气机和供气管路；尾排管路；排氢进气管路，与封闭箱体连通；空气供给系统通过桥接支路与排氢进气管路连通，并用于向封闭箱体内补风，桥接支路上串接有电控阀，燃料电池系统还包括控制模块，电控阀与控制模块相连，控制模块根据电池系统输出电流控制电控阀的开度。本发明的燃料电池系统通过控制模块能够根据系统输出电流的大小控制电控阀的开度，实现对从空气供气系统分流流量的控制，使系统达到排氢进气管路的实际流量与需求流量向平衡，实现了电池系统低能耗、安全性高的性能优点。

Description

一种燃料电池系统及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池系统和车辆。
背景技术
随着人们对环境问题的逐步重视，电动车辆的研发和使用越来越普遍，而燃料电池作为一种高效的、清洁的能源转换装置，也越来越多的应用到电动车辆上，作为电动车辆的能源。
为了保证燃料电池系统的防尘防水，目前的普遍做法是将电池堆栈安装在封闭箱体内，但是由于燃料电池的特性，在电池堆栈运行时，氢气一般会外漏，这样就造成封闭箱体内往往会聚集一部分氢气。因此，为了保证燃料电池系统的安全，往往需要保持封闭箱体的通风，以将电池堆栈溢漏到封闭箱体内的氢气排出，避免封闭箱体内氢气聚集而发生危险。
目前也有部分燃料电池系统采用空压机分流的方式进行吹排气，且对电池堆栈吹气的空气流量与空压机流量呈正相关关系，这样将会导致空压机供给电池堆栈的反应气体被较多的分流，在保证对电池堆栈供气的前提下，需要空压机更高的转速，能耗升高；而在对电池堆栈的供气量降低时，从空压机分流出的吹排气也相应减少，此时将很容易导致封闭箱体内氢气聚集。因此，这种燃料电池系统在使用时并不安全可靠。
发明内容
本发明的目的在于提供一种排氢性能优异的燃料电池系统，此外，本发明的目的还在于提供一种使用上述燃料电池系统的车辆。
本发明的燃料电池系统包括：
燃料电池模块，包括封闭箱体以及安装在封闭箱体内的电池堆栈；
空气供给系统，包括供气机和供气管路，供气管路连通电池堆栈且在供气机工作时向电池堆栈供给反应所需的氧气；
尾排管路，连通电池堆栈并用于排出反应后的尾气；
排氢进气管路，与封闭箱体连通，用于向封闭箱体内吹风并带走封闭箱体内聚集的氢；
空气供给系统通过桥接支路与排氢进气管路连通，并用于向封闭箱体内补风，桥接支路上串接有电控阀，燃料电池系统还包括控制模块，电控阀与控制模块相连，控制模块根据电池系统输出电流控制电控阀的开度，以控制排氢进气管路从供气管路的分流流量。
本发明的燃料电池系统通过控制模块能够根据系统输出电流的大小控制电控阀的开度，进而实现对从空气供气系统分流流量的控制，使系统达到排氢进气管路的实际流量与需求流量向平衡，避免了分流流量与空压机流量相关而导致排氢供气流量不能合理控制，空压机能耗高或封闭箱体内氢气聚集的问题，实现了电池系统低能耗、安全性高的性能优点。
进一步地，封闭箱体上还连有排氢出气管路，排氢出气管路连通至尾排管路上。由于尾排管路和排氢出气管路内的气流都含有部分氢气，为了避免这些氢气直接排空，往往需要对排气进行处理，将排氢出气管路和尾排管路汇聚到一起，这样可以通过一套尾排处理装置即可实现对整个系统的排气处理，降低了系统成本，简化了系统结构。
进一步地，尾排管路的下游串接有气动涡轮，排氢进气管路上在与桥接支路交汇位置的上游串接有用于向排氢进气管路内供风的吸气助力机构，气动涡轮与吸气助力机构传动连接，且在气动涡轮被尾排气流的作用下转动时，带动吸气助力机构工作。这样能够最大程度的利用系统的排气动能，反过来实现对封闭箱体的供气，进一步降低了系统能耗。
更进一步地，所述吸气助力机构为从动涡轮，采用从动涡轮能够采用较为简单的传动结构实现与气动涡轮之间的传动，简化了传动结构，且传动效率高。
优选地，排氢进气管路的上游和供气机的进气侧均串接有空滤，保证进入封闭箱体内的空气为洁净空气，保证燃料电池堆栈的工作环境，保证燃料电池的工作寿命。
进一步地，排氢进气管路和供气机共用同一个空滤，减少系统部件，降低系统成本。
此外，排氢进气管路上在与桥接支路交汇位置的下游串接有流量计，用以检测总排氢进气量。系统运行时，流量计实时监测排氢进气管路的实际气体流量，并与实际需求流量进行对比，通过PID调节电控阀的开度，使之达到需求流量与实际流量的平衡，为系统保持最优的工作状态提供控制参数。
本发明的车辆，包括车架、燃料电池系统、电动机以及传动系统，燃料电池系统包括：
燃料电池模块，包括封闭箱体以及安装在封闭箱体内的电池堆栈；
空气供给系统，包括供气机和供气管路，供气管路连通封闭箱体且在供气机工作时向电池堆栈供给反应所需的氧气；
尾排管路，连通封闭箱体并用于排出反应后的尾气；
排氢进气管路，与封闭箱体连通，用于向封闭箱体内吹风并带走封闭箱体内聚集的氢；
空气供给系统通过桥接支路与排氢进气管路连通，并用于向封闭箱体内补风，桥接支路上串接有电控阀，燃料电池系统还包括控制模块，电控阀与控制模块相连，控制模块根据电池系统输出电流控制电控阀的开度，以控制排氢进气管路从供气管路的分流流量。
本发明的车辆所采用的燃料电池系统通过控制模块能够根据系统输出电流的大小控制电控阀的开度，进而实现对从空气供气系统分流流量的控制，使系统达到排氢进气管路的实际流量与需求流量向平衡，避免了分流流量与空压机流量相关而导致排氢供气流量不能合理控制，空压机能耗高或封闭箱体内氢气聚集的问题，实现了电池系统低能耗、安全性高的性能优点，进而也实现了车辆的低能耗、低故障率的优点。
进一步地，封闭箱体上还连有排氢出气管路，排氢出气管路连通至尾排管路上。由于尾排管路和排氢出气管路内的气流都含有部分氢气，为了避免这些氢气直接排空，往往需要对排气进行处理，将排氢出气管路和尾排管路汇聚到一起，这样可以通过一套尾气处理装置即可实现对整个系统的排气处理，降低了系统成本，简化了系统结构。
进一步地，尾排管路的下游串接有气动涡轮，排氢进气管路上在与桥接支路交汇位置的上游串接有用于向排氢进气管路内供风的吸气助力机构，气动涡轮与吸气助力机构传动连接，且在气动涡轮被尾排气流的作用下转动时，带动吸气助力机构工作。这样能够最大程度的利用系统的排气动能，反过来实现对封闭箱体的供气，进一步降低了系统能耗。
更进一步地，所述吸气助力机构为从动涡轮，采用从动涡轮能够采用较为简单的传动结构实现与气动涡轮之间的传动，简化了传动结构，且传动效率高。
优选地，排氢进气管路的上游和供气机的进气侧均串接有空滤，保证进入封闭箱体内的空气为洁净空气，保证燃料电池堆栈的工作环境，保证燃料电池的工作寿命。
进一步地，排氢进气管路和供气机共用同一个空滤，减少系统部件，降低系统成本。
此外，排氢进气管路上在与桥接支路交汇位置的下游串接有流量计，用以检测总排氢进气量。系统运行时，流量计实时监测排氢进气管路的实际气体流量，并与实际需求流量进行对比，通过PID调节电控阀的开度，使之达到需求流量与实际流量的平衡，为系统保持最优的工作状态提供控制参数。
附图说明
图1为本发明的燃料电池系统的实施例一的系统简图。
图中：1-封闭箱体；10-电池堆栈；11-排氢进气管路；12-排氢出气管路；13-尾排管路；2-供气管路；20-供气机；21-中冷器；22-增湿器；3-三通阀；4-桥接支路；40-电控阀；5-尾排管路；60-气动涡轮；61-从动涡轮；62-传动结构；7-流量计；8-空滤；9-尾排处理装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的车辆的具体实施例1：
本发明的车辆主要指电动车辆，包括车架，车架上相应的安装有车轮系统、驱动电机、传动与驱动电机和车轮系统的传动系统以及用于向驱动电机供电的燃料电池系统。
其中，燃料电池系统的系统简图如图1所示，包括燃料电池模块以及向燃料电池模块供应反应气体，即氢气和氧气（一般常用洁净空气），的反应气体供给系统。由于燃料电池的电池堆栈防尘防水的要求，往往需要将电池堆栈10布置在封闭箱体1中，而鉴于氢气在电池堆栈的反应过程中往往发生溢出现象，所以为了避免封闭箱体1中聚集大量氢气而造成安全隐患，燃料电池系统还包括用于排出封闭箱体中的聚集氢气的排氢系统。
具体地，图1中示出了用于向电池堆栈10供给洁净空气以做反应氧气的空气供给系统，至于用于向电池堆栈10供给氢气的供氢系统由于是较为常规和传统的供给方式而并未在图中显示。
空气供给系统包括供气机20和供气管路2，供气管路2连电池堆栈10且在供气机20工作时向电池堆栈10供给反应所需的洁净空气。供气管路2上适应的串接有中冷器21以对供气机20供入的高温高压空气进行降温处理，供气管路2上还串接有增湿器22以对供气机20供入的空气进行增湿处理。
电池堆栈10的反应尾气在经过增湿器22后通过尾排管路13输送到尾排管路5处，并通过后续管路上串接的尾排处理装置9后排空。
图1中还示出了排氢系统，具体地，排氢系统包括排氢进气管路11和排氢出气管路12，排氢进气管路11和排氢出气管路12均与封闭箱体1连通，排氢进气管路11用于向封闭箱体1内吹气，并通过排氢出气管路12将封闭箱体1内聚集的氢气带出后汇入尾排管路5。
其中，排氢进气管路11的进气来源有两方面。一方面，供气管路2上通过三通阀3连接有桥接支路4，桥接支路4的另一端通过另一三通阀3连接排氢进气管路11，桥接支路4上还串接有电控阀40，电控阀40与燃料电池系统的控制模块（图中未显示）连接，控制模块能够根据电池系统的输出电流控制电控阀40的开度，进而实现对从空气供气系统分流流量的控制。另一方面，尾排管路5和尾排处理装置9之间串接有气动涡轮60，排氢进气管路11上在三通阀3的上游串接有从动涡轮61，气动涡轮60和从动涡轮61之间通过传动结构62传动连接。在电池堆栈10的反应尾气和封闭箱体1中的排氢尾气通过尾排管路5并向尾排处理装置9流动的过程中，气动涡轮60被带动转动，气动涡轮60通过传动结构62带动从动涡轮61转动，进行实现向排氢进气管路中的吸气助力。此处需要特别说明的是，为了保证含有氢气的废气不会进入电池堆栈，气动涡轮和从动涡轮分别采用独立气腔，为了保证气动涡轮的使用寿命，气动涡轮由316L材质制造。
这样利用尾排的动能为排氢进气管路的吸气提供动力，且同时有供气系统分流给排氢进气管路补气，两者结合共同为排氢进气管路。燃料电池的系统输出电流在一定程度上取决于反应气体供气量，燃料电池的尾排量以及封闭箱体内的逸氢量也与反应气体供给量存在正相关关系，那么，排氢供气系统的进气量就在一定程度上取决于系统输出电流，那么控制模块通过系统输出电流控制电控阀的开度，能够使排氢供气管路中从供气管路中分流出来的分流流量和借助于尾排动能助力吸气的吸气量相协调，并最终使排氢进气管路的实际流量与需求流量相平衡。
例如，设定电池堆栈实际需求的排氢进气的恒定流量为Q，此恒定流量Q根据电池堆栈本体实际允许外漏量（L/min）及燃料电池发动机对于电池堆栈的氢浓度要求（＜b%）,进行参数输出，得到最小的通风量Q1，考虑到电池堆栈内可能存在死区及压力并非恒定，再乘以系数a，即Q=Q1×a。电池系统运行时，流量计实时监测电池堆栈排氢进气管路的实际气体流量Q2，并与Q进行对比，通过PID调节柱塞阀的开度，使之达到需求流量与实际流量的平衡。这样不仅保证了封闭箱体中的氢浓度能够可靠的保持在设定的范围内，而且在排氢过程中也不会造成能源浪费。
当然，本发明的电池燃料系统并不仅限于上述实施方式。
排氢进气管路上构成吸气助力机构的从动涡轮在其他实施方式中，也可以采用柱塞缸代替，气动涡轮的旋转动作经过传动结构转化为往复直线动作，并带动柱塞缸的活塞动作，从而实现对排氢进气管路补气。
或者，在其他实施方式中，根据具体系统的结构布置，排氢进气管路和供气机可以分别连接两个空滤。
再或者，在其他实施方式中，车辆中所采用的燃料电池系统也可以不在排氢进气管路上串接流量计，而通过控制模块根据系统电流实现电控阀的开度的开环控制。例如，在燃料电池系统正式投入运行之前，在排氢进气管路上串接流量计，通过试验得到不同系统输出电流与电控阀开度之间的关系，这样既可在实际使用时取消流量计。
本发明的燃料电池系统的实施例：其具体结构与上述车辆的实施例中燃料电池系统的结构相同，此处不再详细描述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其特征是，包括：
燃料电池模块，包括封闭箱体以及安装在封闭箱体内的电池堆栈；
空气供给系统，包括供气机和供气管路，供气管路连通电池堆栈且在供气机工作时向电池堆栈供给反应所需的氧气；
尾排管路，连通电池堆栈并用于排出反应后的尾气；
排氢进气管路，与封闭箱体连通，用于向封闭箱体内吹风并带走封闭箱体内聚集的氢；
空气供给系统通过桥接支路与排氢进气管路连通，并用于向封闭箱体内补风，桥接支路上串接有电控阀，燃料电池系统还包括控制模块，电控阀与控制模块相连，控制模块根据电池系统输出电流控制电控阀的开度，以控制排氢进气管路从供气管路的分流流量；
封闭箱体上还连有排氢出气管路，排氢出气管路连通至尾排管路上；
尾排管路的下游串接有气动涡轮，排氢进气管路上在与桥接支路交汇位置的上游串接有用于向排氢进气管路内供风的吸气助力机构，气动涡轮与吸气助力机构传动连接，且在气动涡轮被尾排气流的作用下转动时，带动吸气助力机构工作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，所述吸气助力机构为从动涡轮。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的燃料电池系统，其特征是，排氢进气管路的上游和供气机的进气侧均串接有空滤。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征是，排氢进气管路和供气机共用同一个空滤。
5.根据权利要求1-2任意一项所述的燃料电池系统，其特征是，排氢进气管路上在与桥接支路交汇位置的下游串接有流量计，用以检测总排氢进气量。
6.一种车辆，包括车架、燃料电池系统、电动机以及传动系统，其特征是，燃料电池系统为如权利要求1-5任意一项所述的燃料电池系统。
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