CN114335610A - 燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统及其方法、车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统及其方法、车辆，步骤包括：燃料电池系统控制器监测燃料电池系统是否进入停机吹扫模式，若是，向电子三通阀发出吹扫工作模式请求；电子三通阀工作模式转为吹扫工作模式后，计算得到氢气循环泵的工作转速，并作为目标工作转速发送给氢气循环泵；氢气循环泵工作；在氢气循环泵工作期间，判断氢气实际进堆流量是否大于等于氢气进堆流量请求值，若是，燃料电池系统控制器判断电堆实时交流阻抗值是否大于设定值，若是，电子三通阀工作模式置为正常工作模式，氢气循环泵停止工作，本次停机吹扫过程结束。该方法提高了氢气利用率和燃料电池系统安全性，有效降低了停机吹扫过程消耗的能量。

Description

燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统及其方法、车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统及其方法、车辆。

背景技术

由于燃料电池具有零排放、高效率、低工作温度等特点，受到各大汽车厂商重视，被认为是最具前景的新能源汽车动力装置之一。然而，在环境温度低于零摄氏度时，燃料电池工作生成的副产物水可能结冰，从而堵塞反应气体流道，覆盖催化剂反应位点，导致燃料电池启动失败。为提高燃料电池在零下温度环境中的冷启动能力，已有大量研究人员对燃料电池低温冷启动过程进行了研究并提出各种策略。其中，燃料电池停机吹扫策略被证明是当前最有效的提升燃料电池低温冷启动性能的方法。

燃料电池的停机吹扫，即是指在燃料电池停机过程中采用大流量气体对燃料电池堆进行吹扫，带走电堆中残余的水，降低电堆内部含水量，从而减少低温下电堆内部的结冰量，有助于燃料电池的低温冷启动。目前，车载燃料电池系统停机吹扫过程中用到的吹扫气体通常为空气和氢气，此方法虽然比较简单，但耗能巨大：一方面，需要通入大量空气，使空压机负荷变重；另一方面，停机时直接通入的大量氢气随着电堆中的水一起被排出，造成氢气浪费，续驶里程下降。同时，若是排出的氢气浓度较高还可能存在安全问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统及其方法、车辆，能减少停机吹扫过程中的氢气排放，提高氢气利用率和燃料电池系统安全性，有效降低停机吹扫过程消耗的能量。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统，包括储氢瓶、瓶口阀、减压阀、氢气电磁阀、比例阀、氢气引射器、燃料电池堆、气水分离器、放水阀、氢气质量流量计、电子三通阀、氢气循环泵、燃料电池巡检系统和燃料电池系统控制器；

所述储氢瓶、瓶口阀、减压阀、氢气电磁阀、比例阀、氢气引射器和燃料电池堆的进气端依次连接，所述气水分离器侧面进气管与燃料电池堆的出气端连接，所述气水分离器内腔的放水孔与放水阀相接，所述气水分离器顶部排气管与电子三通阀进气端连接，所述电子三通阀的一出气端与氢气引射器连接，所述电子三通阀的另一出气端通过氢气循环泵连接至燃料电池堆的进气端，所述氢气质量流量计设置在燃料电池堆的出气端；所述氢气电磁阀、比例阀、电子三通阀、氢气循环泵、防水阀、氢气质量流量计和燃料电池巡检系统分别与燃料电池系统控制器连接，所述燃料电池巡检系统与燃料电池堆相连。

进一步，还包括应急泄压阀，所述减压阀和氢气电池阀之间的管道以及瓶口阀与减压阀之间的管道均与应急泄压阀连接。

本发明还提供了一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用方法，用于燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统，步骤包括：

（S1）燃料电池系统控制器监测燃料电池系统是否进入停机吹扫模式，若是，向电子三通阀发出吹扫工作模式请求，转至步骤（S2）；否则，电子三通阀继续保持正常工作模式不变，转至步骤（S1）；

（S2）电子三通阀接到吹扫工作模式请求后，电子三通阀工作模式转为吹扫工作模式：关闭其与氢气引射器连接的通口，打开其与氢气循环泵连接的通口，使氢气循环泵与气水分离器相通；

（S3）计算得到氢气循环泵的工作转速，并将该工作转速作为目标工作转速发送给氢气循环泵；

（S4） 氢气循环泵工作：回收气水分离器内腔上方的气体，然后将其从氢气循环泵（13）出气口送入燃料电池堆；

（S5）在氢气循环泵工作期间，燃料电池系统控制器判断氢气实际进堆流量是否大于等于氢气进堆流量请求值，若是，则进入步骤（S6）；否则，返回执行步骤（S3）；

（S6）燃料电池系统控制器判断电堆实时交流阻抗值是否大于设定值，若是，电子三通阀工作模式置为正常工作模式，氢气循环泵停止工作，本次停机吹扫过程结束；否则，返回执行步骤（S4）；其中，电堆实时交流阻抗值由燃料电池巡检系统反馈。

进一步，所述计算得到氢气循环泵的工作转速，具体执行以下步骤：

通过氢气进堆流量请求查询氢气进堆流量请求-氢气循环泵工作转速关系表获得氢气循环泵的工作转速。

本发明还提供了一种车辆，包括所述的燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统。

本发明与现有技术相比较具有以下优点：

本发明燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统及其方法、车辆，能够减少停机吹扫过程中的氢气排放，提高了氢气利用率和燃料电池系统安全性，同时能够有效降低停机吹扫过程消耗的能量，极大地解决了现有吹扫技术能耗大的问题。

附图说明

图1为本发明燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用方法的流程图；

图2为本发明燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统的的结构示意图。

图中：

1-储氢瓶、2-瓶口阀、3-减压阀、4-应急泄压阀、5-氢气电磁阀、6-比例阀、7-氢气引射器、8-燃料电池堆、9-气水分离器、10-放水阀、11-氢气质量流量计、12-电子三通阀、13-氢气循环泵，14-燃料电池系统控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

参见图2所示，本实施例还公开了一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统，包括储氢瓶1、瓶口阀2、减压阀3、氢气电磁阀5、比例阀6、氢气引射器7、燃料电池堆8、气水分离器9、放水阀10、氢气质量流量计11、电子三通阀12、氢气循环泵13、燃料电池巡检系统（CVM）和燃料电池系统控制器（FCU）14；

所述储氢瓶1、瓶口阀2、减压阀3、氢气电磁阀5、比例阀6、氢气引射器7和燃料电池堆8的进气端依次连接，所述气水分离器9侧面进气管与燃料电池堆8的出气端连接，所述气水分离器9内腔的放水孔与放水阀10相接，所述气水分离器9顶部排气管与电子三通阀12进气端连接，所述电子三通阀12的一出气端与氢气引射器7连接，所述电子三通阀12的另一出气端通过氢气循环泵13连接至燃料电池堆8的进气端，所述氢气质量流量计11设置在燃料电池堆8的出气端；所述氢气电磁阀5、比例阀6、电子三通阀12、氢气循环泵13、防水阀10、氢气质量流量计11和燃料电池巡检系统分别与燃料电池系统控制器14连接，所述燃料电池巡检系统与燃料电池堆8相连。

电子三通阀12在大流量吹扫时切换氢气流通管路，使氢气循环泵12与气水分离器9连通，气水分离器9中未反应的氢气在电子循环泵12的作用下再次进入燃料电池堆8，避免了气水分离器9长时间打开造成的氢气浪费，同时实现了阳极的大流量吹扫，提高了氢气使用率和系统安全性。

其中，储氢瓶1用于存储高压氢气，其内部的填充氢气压力大多为35-70MPa，以满足氢燃料汽车的高续航能力。瓶口阀2和储氢瓶1相连，其接头密封旋紧于储氢瓶1的瓶口中，出气口一端通过高压供氢管路与减压阀3的入口端相连。通过减压阀的调节，可以将入口端的高压氢气压力减至所需要的出口压力，并依靠氢气本身能量，使出口压力自动保持稳定。正常情况下，高压氢气经过减压阀3调节后依次流经氢气电磁阀5、比例阀6和氢进引射器7，最终进入燃料电池堆8参与反应。

氢气电磁阀5的作用相当于开关，在燃料电池工作时打开，允许氢气流过；在燃料电池不工作时关闭，阻止氢气流过，从而实现对氢气的开闭控制。比例阀6的作用是调节氢气进堆压力，确保氢气进堆压力和空气进堆压力的差值在一定范围内，既满足电堆输出需求，又能对电堆起到保护的作用。氢进引射器7在该结构中用于吸入燃料电池电堆阳极侧未反应完的氢气，气水分离器用于分离阳极侧的液态水和气体。三通阀12的两个通口则分别与氢气循环泵13和氢气引射器7连接，从而构成氢气循环回路。氢气质量流量计11被安装在燃料电池堆8进气端处，用于监测氢气进堆流量，并将氢气进堆流量实时反馈给燃料电池系统控制器14。CVM系统用于监测燃料电池，并实时反馈单体电压、电堆交流阻抗等信息给燃料电池系统控制器，以便于FCU对整个燃料电池系统进行计算和控制。

在本实施例中，还包括应急泄压阀4，所述减压阀3和氢气电池阀5之间的管道以及瓶口阀2与减压阀3之间的管道均与应急泄压阀4连接。应急泄压阀4安装在与外界出风口连通的导气管上，平时关闭，在供氢系统管路压力超过设定值时自动开启，便于控制器控制阀门损坏或管道堵塞时及时进行泄压，避免压力过大对各类监测阻流件造成损害。

参见图1所示，本实施例公开了一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用方法，用于燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统，步骤包括：

（S1）燃料电池系统控制器14监测燃料电池系统是否进入停机吹扫模式，若是，向电子三通阀12发出吹扫工作模式请求，转至步骤（S2）；否则，电子三通阀12继续保持正常工作模式不变，转至步骤（S1）；

（S2）电子三通阀12接到吹扫工作模式请求后，电子三通阀12工作模式转为吹扫工作模式：关闭其与氢气引射器7连接的通口，打开其与氢气循环泵13连接的通口，使氢气循环泵13与气水分离器9相通；

（S3）计算得到氢气循环泵13的工作转速，并将该工作转速作为目标工作转速发送给氢气循环泵13；燃料电池系统控制器14根据氢气进堆流量请求查询氢气进堆流量请求-氢气循环泵工作转速关系表获得氢气循环泵13的工作转速。氢气进堆流量请求-氢气循环泵工作转速关系表是氢气进堆流量请求和氢气循环泵13工作转速两者之间预先标定好的映射关系。

（S4） 氢气循环泵13工作：回收气水分离器9内腔上方的气体，然后将其从氢气循环泵13出气口送入燃料电池堆8；使回收的气体再次进到燃料电池堆8中参与反应，提高供氢系统的效率，节约能源，降低成本。

（S5）在氢气循环泵13工作期间，燃料电池系统控制器14判断氢气实际进堆流量是否大于等于氢气进堆流量请求值，若是，则进入步骤（S6）；否则，返回执行步骤（S3）；若氢气实际进堆流量小于氢气进堆流量请求值，需再次计算氢气循环泵13工作转速，返回执行步骤（S3）。

（S6）燃料电池系统控制器14判断电堆实时交流阻抗值是否大于设定值，若是，电子三通阀12工作模式置为正常工作模式，氢气循环泵13停止工作，本次停机吹扫过程结束；否则，返回执行步骤（S4）；其中，电堆实时交流阻抗值由燃料电池巡检系统反馈。其中，电子三通阀12正常工作模式下，电子三通阀12与氢气引射器7连接的通口是开通的，其与氢气循环泵13连接的通口是关闭的。若电堆实时交流阻抗值小于等于设定值，氢气循环泵13继续工作，使用大流量循环氢气继续对燃料电池堆8进行吹扫，直到电堆交流阻抗值高于设定值，然后发出上述请求并结束吹扫。

本实施例还公开了一种车辆，包括上述的燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统。

本发明燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统及其方法、车辆，能够减少停机吹扫过程中的氢气排放，提高了氢气利用率和燃料电池系统安全性，同时能够有效降低停机吹扫过程消耗的能量，极大地解决了现有吹扫技术能耗大的问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统，其特征在于，包括储氢瓶（1）、瓶口阀（2）、减压阀（3）、氢气电磁阀（5）、比例阀（6）、氢气引射器（7）、燃料电池堆（8）、气水分离器（9）、放水阀（10）、氢气质量流量计（11）、电子三通阀（12）、氢气循环泵（13）、燃料电池巡检系统和燃料电池系统控制器（14）；

所述储氢瓶（1）、瓶口阀（2）、减压阀（3）、氢气电磁阀（5）、比例阀（6）、氢气引射器（7）和燃料电池堆（8）的进气端依次连接，所述气水分离器（9）侧面进气管与燃料电池堆（8）的出气端连接，所述气水分离器（9）内腔的放水孔与放水阀（10）相接，所述气水分离器（9）顶部排气管与电子三通阀（12）进气端连接，所述电子三通阀（12）的一出气端与氢气引射器（7）连接，所述电子三通阀（12）的另一出气端通过氢气循环泵（13）连接至燃料电池堆（8）的进气端，所述氢气质量流量计（11）设置在燃料电池堆（8）的出气端；所述氢气电磁阀（5）、比例阀（6）、电子三通阀（12）、氢气循环泵（13）、防水阀（10）、氢气质量流量计（11）和燃料电池巡检系统分别与燃料电池系统控制器（14）连接，所述燃料电池巡检系统与燃料电池堆（8）相连。

2.根据权利要求1所述的燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统，其特征在于，还包括应急泄压阀（4），所述减压阀（3）和氢气电池阀（5）之间的管道以及瓶口阀（2）与减压阀（3）之间的管道均与应急泄压阀（4）连接。

3.一种燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用方法，其特征在于，用于如权利要求1或2所述燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统，步骤包括：

（S1）燃料电池系统控制器（14）监测燃料电池系统是否进入停机吹扫模式，若是，向电子三通阀（12）发出吹扫工作模式请求，转至步骤（S2）；否则，电子三通阀（12）继续保持正常工作模式不变，转至步骤（S1）；

（S2）电子三通阀（12）接到吹扫工作模式请求后，电子三通阀（12）工作模式转为吹扫工作模式：关闭其与氢气引射器（7）连接的通口，打开其与氢气循环泵（13）连接的通口，使氢气循环泵（13）与气水分离器（9）相通；

（S3）计算得到氢气循环泵（13）的工作转速，并将该工作转速作为目标工作转速发送给氢气循环泵（13）；

（S4） 氢气循环泵（13）工作：回收气水分离器（9）内腔上方的气体，然后将其从氢气循环泵（13）出气口送入燃料电池堆（8）；

（S5）在氢气循环泵（13）工作期间，燃料电池系统控制器（14）判断氢气实际进堆流量是否大于等于氢气进堆流量请求值，若是，则进入步骤（S6）；否则，返回执行步骤（S3）；

（S6）燃料电池系统控制器（14）判断电堆实时交流阻抗值是否大于设定值，若是，电子三通阀（12）工作模式置为正常工作模式，氢气循环泵（13）停止工作，本次停机吹扫过程结束；否则，返回执行步骤（S4）；其中，电堆实时交流阻抗值由燃料电池巡检系统反馈。

4.根据权利要求3所述燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用方法，其特征在于，所述计算得到氢气循环泵（13）的工作转速，具体执行以下步骤：

通过氢气进堆流量请求查询氢气进堆流量请求-氢气循环泵工作转速关系表获得氢气循环泵（13）的工作转速。

5.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的燃料电池停机吹扫时氢气回收再利用系统。

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