CN113675431B - 一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法 - Google Patents

一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，包括燃料电池堆、空气供应子系统和氢气供应子系统，将空气供应子系统中空压机产生的热空气引入氢气供应子系统中的氢气循环泵，热空气在氢气循环泵内部进行破冰。热空气可快速填充满氢气循环泵内部，能够快速将转子的冰冻部位进行破冰融化，耗时短，破冰效果好，使氢气循环泵能够快速启动正常工作，保证整个燃料电池系统的正常运行。

Description

一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法。
背景技术：
目前发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节，为了保障燃料电池发动机正常工作，燃料电池发动机一般需要氢气供应子系统、空气供应子系统和循环水冷却管理子系统等辅助系统，大量的研究表明，高压、大流量的空气供应对提高现有燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。
对于空气供应子系统，一般都是通过空压机对空气进行增压，对于氢气供应子系统，一般都是通过氢气循环泵将这些含氢混合气体进行增压并循环回燃料电池进行回收再利用。工作时，由于燃料电池排出的含氢混合气体中会带有一些水蒸气，使用一段时间后便会在氢气循环泵的转子压缩腔内积攒一定量的水，冬天时，水蒸气会凝结成冰，从而将转子冻结，电机启动时电机主轴旋转，而转子冰冻不转，从而造成电机堵转，严重时甚至损坏电机。目前，虽然也有一些对氢气循环泵进行破冰的结构，比如在氢气循环泵的外壳内增加循环热水管路，但是由于电机定子和转子间存在间隙，这种破冰结构的热量需要从外向内逐渐渗透，消耗时间太长，达不到理想的破冰效果。氢气循环泵的冻结，导致整个燃料电池发动机无法工作，从而影响整个燃料电池系统的正常运行。
综上所述，氢气循环泵的冷启动破冰问题，已成为行业内亟需解决的技术难题。
发明内容：
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，解决了以往的氢气循环泵内部破冰时间长、破冰效果差的问题，解决了以往因氢气循环泵冻结影响整个燃料电池系统正常运行的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，包括燃料电池堆、空气供应子系统和氢气供应子系统，将空气供应子系统中空压机产生的热空气引入氢气供应子系统中的氢气循环泵，热空气在氢气循环泵内部进行破冰。
所述燃料电池堆包括空气侧和氢气侧；所述空气供应子系统包括空压机，空压机通过管路与中冷器连接，中冷器通过管路与空气侧的空气进口连接；所述氢气供应子系统包括氢源，氢源通过管路经第一开关阀和比例阀与氢气侧的氢气进口相连，氢气侧的氢气出口通过管路连接气水分离器，气水分离器与氢气循环泵的进气口相连，氢气循环泵的排气口通过管路经第二开关阀与氢气侧的氢气进口相连。
所述空压机与中冷器之间的管路上设有三通，三通通过管路经第三开关阀与氢气侧的氢气进口相连，空压机排出的热空气一方面经三通和中冷器进入空气侧，另一方面经三通和第三开关阀进入氢气侧，保持空气侧与氢气侧的压力平衡，然后从氢气侧的氢气出口进入气水分离器和氢气循环泵，热空气在氢气循环泵内部进行破冰。
所述空压机与中冷器之间的管路上设有三通和第四开关阀，气水分离器与氢气侧的氢气进口之间的管路上设有单向阀，三通通过管路经第三开关阀与气水分离器和单向阀之间、或气水分离器和氢气循环泵之间的管路相连，空压机排出的热空气经三通和第三开关阀进入气水分离器和氢气循环泵，热空气在气水分离器和氢气循环泵内部进行破冰。
所述空压机的进气口通过管路连接有空滤。
所述空气侧的空气出口通过管路连接背压阀。
所述氢气循环泵的排气口通过管路连接排氮阀。
本发明采用上述方案，具有以下优点：
将空气供应子系统中空压机产生的热空气引入氢气供应子系统中的氢气循环泵，热空气在氢气循环泵内部进行破冰，热空气可快速填充满氢气循环泵内部，能够快速将转子的冰冻部位进行破冰融化，耗时短，破冰效果好，使氢气循环泵能够快速启动正常工作，保证整个燃料电池系统的正常运行。
附图说明：
图1为本发明实施例1的结构原理示意图。
图2为本发明实施例2的结构原理示意图。
图中，1、燃料电池堆，2、空气侧，3、氢气侧，4、空压机，5、中冷器，6、空滤，7、背压阀，8、氢源，9、第一开关阀，10、比例阀，11、气水分离器，12、氢气循环泵，13、第二开关阀，14、排氮阀，15、三通，16、第三开关阀，17、第四开关阀，18、单向阀。
具体实施方式：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
实施例1：
如图1所示，一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，包括燃料电池堆1、空气供应子系统和氢气供应子系统，将空气供应子系统中空压机4产生的热空气引入氢气供应子系统中的氢气循环泵12，热空气在氢气循环泵12内部进行破冰。
所述燃料电池堆1包括空气侧2和氢气侧3；所述空气供应子系统包括空压机4，空压机4通过管路与中冷器5连接，中冷器5用于降低进入燃料电池堆1空气侧2的空气温度，中冷器5通过管路与空气侧2的空气进口连接；所述氢气供应子系统包括氢源8，氢源8通过管路经第一开关阀9和比例阀10与氢气侧3的氢气进口相连，氢气侧3的氢气出口通过管路连接气水分离器11，气水分离器11用于对水蒸气进行分离，气水分离器11与氢气循环泵12的进气口相连，氢气循环泵12的排气口通过管路经第二开关阀13与氢气侧3的氢气进口相连。
所述空压机4与中冷器5之间的管路上设有三通15，三通15通过管路经第三开关阀16与氢气侧3的氢气进口相连，空压机4排出的热空气一方面经三通15和中冷器5进入空气侧2，另一方面经三通15和第三开关阀16进入氢气侧3，保持空气侧2与氢气侧3的压力平衡，然后从氢气侧3的氢气出口进入气水分离器11和氢气循环泵12，热空气在氢气循环泵12内部进行破冰。
所述空压机4的进气口通过管路连接有空滤6，空滤6用于清除空气中的微粒杂质，避免微粒杂质进入到空压机4内部。
所述空气侧2的空气出口通过管路连接背压阀7。空气从背压阀进口进入，被膜片阻挡，于是空气对膜片产生向上的压力，当压力足够大时，弹簧被压缩，空气顶起膜片形成通道，从背压阀出口排出；若空气压力不够，就会形成憋压，使进口压力上升直到达到额定压力，顶起膜片形成通路。背压阀的额定压力可调节，一般通过调节弹簧上端的顶杆，从而调节弹簧的长度来实现，可作为安全阀使用。
所述氢气循环泵12的排气口通过管路连接排氮阀14，排氮阀14用于排出氢气中的氮气杂质。
工作原理：
先关闭第一开关阀9和第二开关阀13，打开第三开关阀16，然后启动空压机4，空压机4排出的热空气一方面经三通15和中冷器5进入燃料电池堆1的空气侧2，另一方面经三通15和第三开关阀16进入燃料电池堆1的氢气侧3，这样既保持了空气侧2与氢气侧3的压力平衡，避免了安全事故的发生，热空气又可以从氢气侧3的氢气出口进入气水分离器11和氢气循环泵12，对气水分离器11和氢气循环泵12进行破冰，热空气可快速填充满氢气循环泵12内部，能够快速将转子的冰冻部位进行破冰融化，在对氢气循环泵12内部破冰过程中，热空气可从排氮阀14排出。当氢气循环泵12破冰完成后，启动氢气循环泵12，同时打开第一开关阀9和第二开关阀13，关门第三开关阀16，这时，空压机4排出的热空气只经三通15和中冷器5进入燃料电池堆1的空气侧2，氢源8内的氢气经第一开关阀9和比例阀10进入燃料电池堆1的氢气侧3，空气侧2的空气与氢气侧3的氢气发生反应，排出的含氢混合气体从氢气侧3的氢气出口进入气水分离器11和氢气循环泵12，经氢气循环泵12增压后，再经第二开关阀13重新循环回燃料电池堆1的氢气侧3进行回收再利用。
实施例2：
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：
所述空压机4与中冷器5之间的管路上设有三通15和第四开关阀17，气水分离器11与氢气侧3的氢气进口之间的管路上设有单向阀18，三通15通过管路经第三开关阀16与气水分离器11和单向阀18之间、或气水分离器11和氢气循环泵12之间的管路相连，空压机4排出的热空气经三通15和第三开关阀16进入气水分离器11和氢气循环泵12，热空气在气水分离器11和氢气循环泵12内部进行破冰。
工作原理：
先关闭第一开关阀9、第二开关阀13和第四开关阀17，打开第三开关阀16，然后启动空压机4，空压机4排出的热空气不进入燃料电池堆1的空气侧2，而是经三通15和第三开关阀16直接进入气水分离器11和氢气循环泵12，单向阀18可避免热空气进入燃料电池堆1的氢气侧3，这样空气侧2与氢气侧3都没有热空气进入，既保持了空气侧2与氢气侧3的压力平衡，避免了安全事故的发生，热空气又可以对气水分离器11和氢气循环泵12进行破冰，热空气可快速填充满氢气循环泵12内部，能够快速将转子的冰冻部位进行破冰融化，在对氢气循环泵12内部破冰过程中，热空气可从排氮阀14排出。当氢气循环泵12破冰完成后，启动氢气循环泵12，同时打开第一开关阀9、第二开关阀13和第四开关阀17，关门第三开关阀16，这时，空压机4排出的热空气只经三通15、第四开关阀17和中冷器5进入燃料电池堆1的空气侧2，氢源8内的氢气经第一开关阀9和比例阀10进入燃料电池堆1的氢气侧3，空气侧2的空气与氢气侧3的氢气发生反应，排出的含氢混合气体从氢气侧3的氢气出口经单向阀18进入气水分离器11和氢气循环泵12，经氢气循环泵12增压后，再经第二开关阀13重新循环回燃料电池堆1的氢气侧3进行回收再利用。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，其特征在于：包括燃料电池堆、空气供应子系统和氢气供应子系统，将空气供应子系统中空压机产生的热空气引入氢气供应子系统中的氢气循环泵，热空气在氢气循环泵内部进行破冰；
所述燃料电池堆包括空气侧和氢气侧；所述空气供应子系统包括空压机，空压机通过管路与中冷器连接，中冷器通过管路与空气侧的空气进口连接；所述氢气供应子系统包括氢源，氢源通过管路经第一开关阀和比例阀与氢气侧的氢气进口相连，氢气侧的氢气出口通过管路连接气水分离器，气水分离器与氢气循环泵的进气口相连，氢气循环泵的排气口通过管路经第二开关阀与氢气侧的氢气进口相连；
所述空压机与中冷器之间的管路上设有三通，三通通过管路经第三开关阀与氢气侧的氢气进口相连，空压机排出的热空气一方面经三通和中冷器进入空气侧，另一方面经三通和第三开关阀进入氢气侧，保持空气侧与氢气侧的压力平衡，然后从氢气侧的氢气出口进入气水分离器和氢气循环泵，热空气在氢气循环泵内部进行破冰。
2.一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，其特征在于：包括燃料电池堆、空气供应子系统和氢气供应子系统，将空气供应子系统中空压机产生的热空气引入氢气供应子系统中的氢气循环泵，热空气在氢气循环泵内部进行破冰；
所述燃料电池堆包括空气侧和氢气侧；所述空气供应子系统包括空压机，空压机通过管路与中冷器连接，中冷器通过管路与空气侧的空气进口连接；所述氢气供应子系统包括氢源，氢源通过管路经第一开关阀和比例阀与氢气侧的氢气进口相连，氢气侧的氢气出口通过管路连接气水分离器，气水分离器与氢气循环泵的进气口相连，氢气循环泵的排气口通过管路经第二开关阀与氢气侧的氢气进口相连；
所述空压机与中冷器之间的管路上设有三通和第四开关阀，气水分离器与氢气侧的氢气出口之间的管路上设有单向阀，三通通过管路经第三开关阀与气水分离器和单向阀之间、或气水分离器和氢气循环泵之间的管路相连，空压机排出的热空气经三通和第三开关阀进入气水分离器和氢气循环泵，热空气在气水分离器和氢气循环泵内部进行破冰。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，其特征在于：所述空压机的进气口通过管路连接有空滤。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，其特征在于：所述空气侧的空气出口通过管路连接背压阀。
5.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池氢气回路冷启动破冰方法，其特征在于：所述氢气循环泵的排气口通过管路连接排氮阀。
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