CN113960093B - 用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统及控制方法，该供气系统包括空气处理子系统、燃料电池环境舱子系统、供气后处理制冷子系统、供气前处理制冷子系统。本发明还公开了上述供气系统的工作方法。本发明针对燃料电池系统低温启动试验过程中连续吸气特性，对送入环境舱的高温高湿空气采用三级冷却除湿处理，采用双通道切换融霜的方法解决连续低温试验时冷却器结霜问题，使整个进气系统不因换热器结霜、结冰、结晶现象而导致不能持续供给低温新风，实现燃料电池及系统低温连续测试作业，保障燃料电池持续、安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池环境舱供气系统，具体涉及一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统及其工作方法。
背景技术
燃料电池作为一种车用新能源设备，越来越成为研究的热点，燃料电池因为其效率高、零排放、适应性强的优点被认为是最有前途的移动替代电源。
随着燃料电池技术的发展，对燃料电池进行试验的需求也越来越高，尤其低温启动与运行是燃料电池商业化必须解决的关键问题之一，燃料电池环境舱可提供不同压力、温度、湿度及进气状态的模拟条件，为燃料电池研究试验研究提供环境条件。
中国专利文献CN 206229373 U披露了一种用于燃料电池系统性能试验的环境舱，该专利中提到了通过新风阀控制进入舱内的新风量，新风与舱内原气体经过混合后流过循环风道进入舱内。
目前大多燃料电池环境舱的进气系统并未对环境新风处理到低温低湿状态送入环境舱内，因此在低温试验时，送入环境舱内的湿空气会在循环风换热器上出现析湿、凝露、结霜等现象，导致换热器表面形成冰层，换热效率下降，无法维持测试环境温度，影响燃料电池环境舱的测试工作。
针对燃料电池系统低温启动试验过程中连续吸气特性，为实现燃料电池及系统的低温连续测试作业，保障燃料电池持续、安全的运行，研发一种低温供气系统具有较为重要的现实意义和紧迫性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，以将环境新风处理到低温低湿状态送入环境舱内。
本发明的目的在于提供一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的工作方法。
为此，本发明提供了一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，包括空气处理子系统和燃料电池环境舱子系统，所述燃料电池环境舱子系统包括环境舱和燃料电池；所述空气处理子系统包括空气过滤装置、一级冷却器、变频风机、转轮除湿装置、二级冷却器、风阀A、三级冷却器A、三级冷却器B、以及风阀B，其中，环境空气先经过空气过滤装置进行过滤除尘除垢后，再经过一级冷却器进行预除湿和降温，将空气温度处理到转轮除湿装置要求的进风温度后，由变频风机提供动力，送入转轮除湿装置中对空气除湿，从转轮除湿装置出来的空气湿度降低、温度上升，经过二级冷却器干降温后，进入三级冷却器A或三级冷却器B进行冷却除湿，然后供给环境舱，其中，当环境空气进入三级冷却器A和三级冷却器B二者之一进行冷却除湿时，若投入运行的三级冷却器两端的压差大于设定值，则将另一三级冷却器投入冷却除湿运行，而该三级冷却器切换至加热融霜状态，以向环境舱持续供给新风。
本发明还提供了一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的控制方法，包括以下步骤：S1、在燃料电池环境舱入口风管上分别监测送风的流量L、温度T 和湿度RH，还监测三级冷却器A两端的压差△P1和三级冷却器B两端的压差△P2； S2、设定L、T、RH、△P的目标值；以及S3、调节变频风机运行频率、除湿机启停、一级冷却器和二级冷却器的运行状态、以及三级冷却器A和三级冷却器B的运行状态，使L、T、RH的监测值到达目标值，其中，当投入运行的三级冷却器A两端的压差△P1大于设定值△P时，控制风阀B开启和三级冷却器B投入冷却除湿运行，同时控制风阀A关闭和三级冷却器A切换至加热融霜状态，当投入运行的三级冷却器B两端的压差△P2大于设定值△P时，与三级冷却器A的运行状态再进行调换，以向环境舱201 持续供给新风。
本发明提出一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，针对燃料电池系统低温启动试验过程中连续吸气特性，对进入环境舱的高温高湿空气采用三级冷却除湿处理，并采用双通道切换融霜的方法解决了在低温试验时循环风冷却器结霜问题，从而实现燃料电池及系统的低温连续测试作业，保障燃料电池持续、安全的运行。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的结构示意图；
图2是根据本发明的供气前处理制冷子系统的的结构示意图；
图3是根据本发明的供气后处理制冷子系统的结构示意图；以及
图4是本发明一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的控制方法的流程图，
附图标记说明
100-空气处理子系统，101-压差传感器，102-空气过滤装置，103-一级冷却器，104-变速电机，105-变频风机，106-第一温度传感器，107-除湿装置，108-再生加热器，109-再生风机，110-二级冷却器，111-风阀A，112-压差传感器A，113-三级冷却器A， 114-集水盘，115-流量传感器，116-第二温度传感器，117-湿度传感器，118-压差传感器B，119-三级冷却器B，120-集水盘，121-风阀B，122-集水盘，123-除湿转轮，124- 集水盘；200-燃料电池环境舱系统，201-环境舱，202-燃料电池；300-供气后处理制冷子系统，301-油分离器，302-第二压缩机，303-第二气液分离器，304-膨胀阀B，305- 电磁阀B，306-第二干燥过滤器，307-第二冷凝器，308-膨胀阀A，309-电磁阀A；400- 供气前处理制冷系统，401-球阀，402-热气旁通阀，403-膨胀阀一，404-膨胀阀二，405- 第一气液分离器，406-第一压缩机，407-第一干燥过滤器，408-第一冷凝器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
根据本发明的系统，对送入环境舱的高温高湿空气，先经过空气过滤装置过滤除尘后，经过三级冷却除湿处理，采用双通道切换融霜的方法，为燃料电池环境舱连续供应干燥低温的新风，使燃料电池环境舱能够维持低温测试作业。
结合参照图1至图3，本发明的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统包括空气处理子系统100、燃料电池环境舱子系统200、供气前处理制冷子系统300、后处理制冷子系统400。
空气处理子系统100用于处理环境空气，包括空气过滤装置102、一级冷却器103、变频风机105、转轮除湿装置107、二级冷却器110、风阀A111和三级冷却器A113、风阀B121和三级冷却器B119。
环境空气依次经由空气过滤装置、一级冷却器、变频风机、转轮除湿装置、二级冷却器、风阀、三级冷却器后进入燃料电池环境舱。其中，三级冷却器为两个并联，由二级冷却器提供的空气择一地进入一个三级冷却器。
其中，高温高湿的环境空气进入空气处理机组100，先经过空气过滤装置102过滤除尘除垢后，再流经一级冷却器103，进行预除湿和降温，把空气温度处理到转轮除湿装置要求的进风温度后，由变频风机105提供动力，进入转轮除湿装置107对空气除湿，从转轮除湿装置出来的空气湿度降低，温度上升，流经二级冷却器110干降温，再切换进入三级冷却器A113或三级冷却器B119作为优选降温，送入燃料电池环境舱系统200。
空气过滤装置102两侧设有压差传感器101，通过压差值判定是否需要更换滤芯。
变频风机105上装有变速电机104。进入燃料电池环境舱的新风流量，可根据燃料电池试验要求，可通过变频风机实现对风量、风压的调节。
转轮除湿装置107由除湿转轮123、再生加热器108和再生风机109组成。转轮除湿装置通过转轮的旋转，使被除湿的空气所流经的除湿转轮123的扇形部分对湿空气进行除湿，而再生气流在再生风机109驱动下，经过再生风加热器108升温后，流过剩余扇形部分进行吸附剂的再生。被除湿的处理气流和再生气流逆流流动，实现转轮除湿装置107的再生及循环利用。
转轮除湿装置107前端设有第一温度传感器106；所述燃料电池环境舱201入口风管上设有流量传感器115、第二温度传感器116、湿度传感器117，分别监测送风的流量、温度和湿度。
三级冷却器A113和三级冷却器B119两端设有压差传感器，用于监测两侧压差，通过反馈控制，分别对变频风机105、转轮除湿装置107、风阀A 111、风阀B 121进行调节。
进入新风系统的高温高湿空气经过一级冷却器预除湿和二级冷却器降温后，再进入三级冷却除湿时，设有两个通道：一个风道为风阀A、三级冷却器A，另一风道为风阀B、三级冷却器B。
空气只通过上述某一风道，具体为：当三级冷却器A两侧的压差传感器A大于设定值时，关闭风阀A，同时开启风阀B以及三级冷却器A的加热功能，实现三级冷却器A的融霜工作，使空气经过风道B的冷却除湿，送入燃料电池环境舱系统，从而实现切换融霜功能。
同理，当三级冷却器B两侧的压差传感器B大于设定值时，关闭风阀B，同时开启风阀A以及三级冷却器B的加热功能，实现三级冷却器B的融霜工作，使空气经过风道A的冷却除湿，送入燃料电池环境舱系统，实现切换融霜功能，通过不断的融霜切换，使低温供气系统不会因换热器的结霜结冰、现象停机，从而保证燃料电池系统长时间连续运行。
一级冷却器103下布置集水盘124，二级换热器110下布置集水盘122，三级换热器A113下布置集水盘114，三级换热器B119下布置集水盘120。
燃料电池环境舱子系统200包括环境舱201和燃料电池202。
供气前处理制冷子系统为一级冷却器和二级冷却器提供冷源，用于冷却环境空气。
供气前处理制冷子系统400包括球阀401、热气旁通阀402、膨胀阀一403、膨胀阀二404、第一气液分离器405、第一压缩机406、第一干燥过滤器407、第一冷凝器 408、一级冷却器103、以及二级冷却器110。
供气前处理制冷子系统400中制冷剂经由管路依次通过第一压缩机406、第一冷凝器408、第一干燥过滤器407、膨胀阀一403、一级冷却器103、第一气液分离器405 形成制冷回路；其中膨胀阀二404、二级冷却器110与膨胀阀一403、一级冷却器103 并联；所述第一压缩机406出口另设通路，经由球阀401、热气旁通阀402与一级冷却器103连接，用于调节一级冷却器103的蒸发温度。
经过第一压缩机406压缩后的制冷剂进入第一冷凝器408，经过第一干燥过滤器407过滤后分为两路，一路流入一级冷却器103，一路流入二级冷却器110，最终回到第一气液分离器405，而后流回到第一压缩机406，形成制冷回路。
一级冷却器103入口管路处，设置有热气旁通管路，通过控制热气旁通阀402开闭，调节一级冷却器103的蒸发温度。防止一级冷却器结霜、结冰，堵塞风道。
供气后处理制冷子系统为三级冷却器A和三级冷却器B提供冷源，用于冷却环境空气。
供气后处理制冷子系统300包括油分离器301、第二压缩机302、第二气液分离器303、膨胀阀B304、电磁阀B305、第二干燥过滤器306、第二冷凝器307、膨胀阀A308、电磁阀A309、三级冷却器A113、以及三级冷却器B119。
其中，三级冷却器A113前端依次设有膨胀阀A308和电磁阀A309，所述三级冷却器B119前端依次设有膨胀阀B304和电磁阀B305。所述油分离器301的回油出口连接第二压缩机302的中间回油接口。
在供气后处理制冷子系统300中，制冷剂经由管路依次通过第二气液分离器303、第二压缩机302、油分离器301、第二冷凝器307、第二干燥过滤器306，分别与三级冷却器A113和三级冷却器B119串联接回第二气液分离器303形成制冷回路。
经过第二压缩机302压缩后的制冷剂，经过油分离器301进入第二冷凝器307冷凝后的制冷剂，干燥过滤后分两路，分别流经电磁阀A309、膨胀阀A308、三级冷却器A113或电磁阀B305、膨胀阀B304、三级冷却器B119，通过电磁阀A309和电磁阀B305的开闭，实现三级冷却器A113和三级冷却器B119进行融霜工作。
其中，三级冷却器A113和三级冷却器B119中分别设计有融霜电加热管，在需要融霜时打开其融霜加热管进行融霜。
下面对本供气系统的工作流程进行详细说明。
结合参照图1至图4，高温高湿的环境空气进入空气处理机组100后，先经过空气过滤装置102，进行过滤除尘除垢后，再经过一级冷却器103，进行预除湿和降温，将空气温度处理到转轮除湿装置要求的进风温度后，通过变频风机105的变速电机104 实现对风量的调节，风机为空气提供流动的动力，进入除湿装置107。
除湿空气所流经的除湿转轮123的扇形部分对湿空气进行二次除湿，再生空气在再生风机109驱动下，经过再生风加热器108升温后，流过剩余扇形部分进行吸附剂的再生。从除湿装置出来的空气湿度降低，温度上升。
二级冷却器110对除湿装置出来的空气进行干降温，此处二级冷却器时只会降温但不会除湿。在此过程中不会伴随着冷凝水的生成。
经过二级冷却器110干降温后，再进入三级冷却除湿时，有两个通道：其中一个风道为风阀A111、三级冷却器A 113，其中另一风道为风阀B 121、三级冷却器B 119。
空气只通过以上的一个风道。
当三级冷却器A 113两侧的压差传感器A 112大于设定值时，关闭风阀A 111，同时开启风阀B 121以及三级冷却器A 113的加热功能，实现三级冷却器A的融霜工作，使空气经过风道B的冷却除湿，送入燃料电池环境舱系统200，从而实现切换融霜功能。
当三级冷却器B 119两侧的压差传感器B 118大于设定值时，关闭风阀B 121，同时开启风阀A 111以及三级冷却器B119的加热功能，实现三级冷却器B的融霜工作，使空气经过风道A的冷却除湿，送入燃料电池环境舱系统200。
在供气后处理制冷子系统300中，通过电磁阀A309的开启，匹配通道A的开启运行状态，同时电磁阀B305关闭，通道B关闭，风阀B121关闭，三级冷却器B119 进行融霜工作，供气后处理制冷子系统300中的电磁阀与空气处理子系统100中的风阀及融霜加热三者耦合互锁，共同实现切换融霜功能，使低温供气系统不会因换热器出现结霜、结冰现象停机，从而保证燃料电池系统长时间连续运行。
供气前处理制冷子系统400中，热气旁通阀402的开度调节，可实现一级冷却器103的蒸发温度始终在0℃以上，保证新风在一级冷却器103上只除湿，而不会结霜或结冰。
本发明既实现了燃料电池环境舱进气的三级冷却除湿，又能通过切换融霜功能，使整个燃料电池环境舱的低温进气系统不会因为换热器的结霜、结冰、结晶现象而导致不能持续供给低温新风，从而实现燃料电池及系统的低温连续测试作业，为燃料电池及系统顺利完成低温启动与运行的测试试验工作创造了必要的环境条件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，其特征在于，包括空气处理子系统(100)和燃料电池环境舱子系统(200)，
所述燃料电池环境舱子系统(200)包括环境舱(201)和燃料电池(202)；
所述空气处理子系统(100)包括空气过滤装置(102)、一级冷却器(103)、变频风机(105)、转轮除湿装置(107)、二级冷却器(110)、风阀A(111)、三级冷却器A(113)、三级冷却器B(119)、以及风阀B(121)，
其中，环境空气先经过空气过滤装置(102)进行过滤除尘除垢后，再经过一级冷却器(103)进行预除湿和降温，将空气温度处理到转轮除湿装置(107)要求的进风温度后，由变频风机(105)提供动力，送入转轮除湿装置(107)中对空气除湿，从转轮除湿装置(107)出来的空气湿度降低、温度上升，经过二级冷却器(110)干降温后，进入三级冷却器A(113)或三级冷却器B(119)进行冷却除湿，然后供给环境舱(201)，
其中，当环境空气进入三级冷却器A(113)和三级冷却器B(119)二者之一进行冷却除湿时，若投入运行的三级冷却器两端的压差大于设定值，则将另一三级冷却器投入冷却除湿运行，而该三级冷却器切换至加热融霜状态，以向环境舱(201)持续供给新风。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，其特征在于，还包括：
供气前处理制冷子系统，用于向一级冷却器(103)和二级冷却器(110)提供冷源，以冷却环境空气，并使所述一级冷却器(103)的蒸发温度保持在0℃以上；
供气后处理制冷子系统，用于向三级冷却器A和三级冷却器B提供冷源，以选择性地冷却环境空气或者三级冷却器自身的加热融霜。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，其特征在于，
所述供气前处理制冷子系统(400)包括球阀(401)，热气旁通阀(402)，膨胀阀一(403)，膨胀阀二(404)，第一气液分离器(405)，第一压缩机(406)，第一干燥过滤器(407)，第一冷凝器(408)，一级冷却器(103)，二级冷却器(110)，
其中，所述第一压缩机(406)压缩后的制冷剂进入第一冷凝器(408)，经第一干燥过滤器(407)过滤后分为两路，一路流入一级冷却器(103)，一路流入二级冷却器(110)，流经第一气液分离器(405)，回到压缩机，形成制冷回路，
所述一级冷却器(103)入口管路处，设有热气旁通管路，通过控制热气旁通管路中热气旁通阀(402)开度，以此来调节一级冷却器(103)的蒸发温度。
4.根据权利要求2所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，其特征在于，
所述供气后处理制冷子系统(300)包括油分离器(301)，第二压缩机(302)，第二气液分离器(303)，膨胀阀B(304)，电磁阀B(305)，第二干燥过滤器(306)，第二冷凝器(307)，膨胀阀A(308)，电磁阀A(309)，三级冷却器A(113)，三级冷却器B(119)，
其中，所述供气后处理制冷子系统(300)中制冷剂经由管路依次通过第二气液分离器(303)、第二压缩机(302)、油分离器(301)、第二冷凝器(307)、第二干燥过滤器(306)，分别与三级冷却器A(113)和三级冷却器B(119)串联接回第二气液分离器(303)形成制冷回路，
其中，所述三级冷却器A(113)和三级冷却器B(119)内分别设置有融霜电加热管，该融霜电加热管在需要融霜时打开。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统，其特征在于，所述转轮除湿装置(107)前端设有第一温度传感器(106)，所述转轮除湿装置(107)由除湿转轮(123)、再生加热器(108)和再生风机(109)组成。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在环境舱(201)入口风管上分别监测送风的流量L、温度T和湿度RH，还监测三级冷却器A(113)两端的压差△P1和三级冷却器B(119)两端的压差△P2；
S2、设定L、T、RH、△P的目标值；以及
S3、调节变频风机运行频率、除湿机启停、一级冷却器(103)和二级冷却器(110)的运行状态、以及三级冷却器A(113)或三级冷却器B(119)的运行状态，使L、T、RH的监测值到达目标值，
其中，当投入运行的三级冷却器A(113)两端的压差△P1大于设定值△P时，控制风阀B(121)开启和三级冷却器B(119)投入冷却除湿运行，同时控制风阀A(111)关闭和三级冷却器A(113)切换至加热融霜状态，当投入运行的三级冷却器B(119)两端的压差△P2大于设定值△P时，与三级冷却器A(113)的运行状态再进行调换，以向环境舱(201)持续供给新风。
7.根据权利要求6所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的控制方法，其特征在于，通过压差传感器(101)检测所述空气过滤装置(102)两侧的压差，通过压差值判定是否需要更换滤芯。
8.根据权利要求6所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的控制方法，其特征在于，所述环境舱(201)入口风管上设有流量传感器(115)、第二温度传感器(116)、以及湿度传感器(117)，以分别监测送风的流量、温度和湿度。
9.根据权利要求6所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的控制方法，其特征在于，所述三级冷却器A(113)两端设有压差传感器A(112)，所述三级冷却器B(119)两端设有压差传感器B(118)，用于监测两侧压差。
10.根据权利要求6所述的用于燃料电池环境舱的切换融霜低温供气系统的控制方法，其特征在于，所述变频风机(105)上装有变速电机(104)，用于对进入燃料电池环境舱的新风流量进行调节。
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