CN115332572A - 一种燃料电池系统及其吹扫控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其吹扫控制方法，燃料电池系统包括燃料电池系统控制器、电堆模块、空气供应系统和冷却系统；空气供应系统包括空气滤清器、流量计、空压机、中冷器、电磁阀、加湿器和空压机控制器，空压机包括电机、压缩机和膨胀机；中冷器设有两路空气出口，分别为第一出气口和第二出气口，外部空气经过空气滤清器、流量计、空压机的压缩机、中冷器后分成两个通路，从电堆模块排出的空气和从电机排出的空气共同进入膨胀机以带动膨胀机转动用来降低电机的能量损耗，当燃料电池系统控制器收到停机指令后，保持空压机以低功率运行，关闭电磁阀与背压阀，使中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后吹扫膨胀机，并带动膨胀机转动。

Description

一种燃料电池系统及其吹扫控制方法

技术领域：

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统及其吹扫控制方法。

背景技术：

燃料电池系统是一种通过氢气和氧气电化学反应产生电能的能量转换装置，具有能量转换效率高，结构简单、低噪音、无污染等优点。目前的燃料电池系统一般需要供氢系统、空气供应系统和冷却系统三大辅助系统来维持整个系统的正常运行。

在空气供应系统中，为了保证燃料电池系统的电堆模块内空气的供应量，一般都会使用空压机对空气进行增压以提高供气效率，而空压机是整个燃料电池系统中的耗能大户，消耗的功率约占燃料电池电堆输出功率的15％-20％，为了节约能源，提高整个燃料电池系统的效率，通常会将膨胀机设计集成到空压机上，膨胀机通过回收燃料电池系统的电堆模块排出的高温尾排气体的能量来提高整个空压机的供气效率，同时可降低电机的能耗，在这过程中无需增加功耗，可节约能源。

但空压机在工作时会产生热量，为确保空压机的温度不会持续升高，一般会从外部或者空压机自身内部引入冷却空气对其内部的电机的定子和轴承系统进行冷却，但在对空压机进行冷却散热后的空气都是直接排出，没有另加利用，从而造成能源的浪费；另外，燃料电池系统的电堆模块排出的高温尾排气体含水量非常高，燃料电池系统停机后，尾排气体中的高温水气会在空气供应系统的管路和膨胀机内冷凝成液态水，长期滞留在膨胀机内的液态水会腐蚀风轮及蜗壳，并且在低温状态下，液态水会凝结成冰，将膨胀机内的叶轮与蜗壳凝结在一起，当燃料电池系统再次启动时，膨胀机内的风轮会因为结冰冻住而无法转动，如此尾排气体排出受阻，将会损坏膨胀机，甚至带来系统风险。为减少燃料电池系统的电堆模块排出的高温尾排气体中的水分，目前的做法都是在膨胀机的进气口侧设置分水器以分离进入膨胀机的气体的水分，具体可参考公开号为：CN114122454A，发明名称为：一种燃料电池及其空气供应系统的发明专利申请，该方案虽然在燃料电池尾排口的设置有阴极分水器，但是只能分离排出尾排气体中的部分液态水，高温尾排气体中的水气无法完全分离排出，带有水气的高温尾排气体中直接排入膨胀机内，燃料电池系统停机后，高温尾排气体中的水气会在膨胀机内冷凝成液态水，且在低温状态下，液态水会凝结成冰，为燃料电池系统带来风险。因此，在燃料电池系统停机后，对燃料电池系统的管路及膨胀机进行吹扫是必须的。

发明内容：

本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统及其吹扫控制方法，能解决现有技术中对空压机进行冷却散热后的空气都是直接排出，没有另加利用，造成能源的浪费的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种燃料电池系统及其吹扫控制方法，能解决现有技术中的分水器无法将电堆模块的高温尾排气体中的水气完全分离排出，使得燃料电池系统停机后，尾排气体中的水气会在膨胀机内冷凝成液态水，且在低温状态下，液态水会凝结成冰，为燃料电池系统带来风险的技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统、空气供应系统和冷却系统；空气供应系统包括空气滤清器、流量计、空压机、中冷器、电磁阀、加湿器和空压机控制器，空压机包括电机、压缩机和膨胀机，压缩机和膨胀机分别安装在电机的两端并与电机的转轴的两端直接连接；中冷器设置有两路空气出口，分别为第一出气口和第二出气口，外部空气依次经过空气滤清器、流量计、空压机的压缩机、中冷器后分成两个通路，第一通路从中冷器的第一出气口开始，依次经过电磁阀、加湿器、电堆模块、背压阀、分水器和膨胀机，最后从膨胀机排出；第二通路从中冷器的第二出气口开始，依次经过电机和膨胀机，最后从膨胀机排出；从中冷器的第二出气口输出的低温压缩空气经过电机对电机进行散热，然后进入膨胀机后排出；燃料电池系统运行时，燃料电池系统控制器控制电磁阀导通以为电堆模块提供空气，从电堆模块的空气出口排出的空气和从电机排出的空气共同进入膨胀机以带动膨胀机转动用来降低电机的能量损耗，当燃料电池系统控制器接收到停机指令后，停止供氢系统的运行，保持空压机持续以低功率运行，并关闭电磁阀与背压阀，使中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后吹扫膨胀机，并持续带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗。

优选地，当所述燃料电池系统控制器接收到停机指令后，保持所述冷却系统的持续运行，使所述冷却系统可持续为所述中冷器提供冷却液以将所述压缩机输出的高温压缩空气进行冷却，然后输出低温压缩空气，低温压缩空气从所述中冷器的第二出气口输出后经过所述电机以对所述电机进行散热。

优选地，当所述燃料电池系统控制器接收到停机指令后，所述燃料电池系统控制器累计对所述膨胀机的吹扫时间，当对所述膨胀机的吹扫时间累计达到预设吹扫时间H时，视为完成吹扫，所述燃料电池系统控制器通过空压机控制器控制空压机停止运行，同时控制所述冷却系统停止运行。

优选地，从所述中冷器的第二出气口输出的低温压缩空气进入所述电机的内部以对所述电机内部的定子组件和轴承系统进行散热。

优选地，所述膨胀机设置有两路进气口，分别为第一进气口和第二进气口，所述分水器与所述膨胀机的第一进气口连接，所述电机与所述膨胀机的第二进气口连接。

优选地，所述膨胀机设置有一个进气口，所述分水器和所述电机分别与所述膨胀机的进气口连接。

优选地，所述电磁阀为两通阀。

优选地，所述膨胀机的出气口连接有一个消音器，消音器用于降低从膨胀机的排出气体时的噪音。

本发明的另一个目的是提供一种燃料电池系统的吹扫控制方法，采用上述所述的一种燃料电池系统，吹扫控制方法包括以下步骤：

步骤1：燃料电池系统控制器在运行过程中接收到停机指令后，停止供氢系统的运行，保持冷却系统的持续运行及空压机持续以低功率运行，并关闭电磁阀与背压阀，使中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后吹扫膨胀机，并持续带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗；

步骤2：燃料电池系统控制器累计对膨胀机的吹扫时间，当膨胀机的吹扫时间累计达到预设吹扫时间H时，视为完成吹扫，燃料电池系统控制器通过空压机控制器控制空压机停止运行，同时控制冷却系统停止运行；

步骤3：燃料电池系统控制器控制电磁阀与背压阀复位。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1)本发明提供的燃料电池系统，使从电堆模块的空气出口排出的空气和从电机排出的空气共同进入膨胀机后带动膨胀机转动，从而可以减少电机一转轴端的负载，通过回收冷却电机后所排出的空气的能量以降低电机的能量损耗，从而达到节约能源的目的。

2)本发明提供的燃料电池系统，在燃料电池系统停机后，通过中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后吹扫膨胀机，使得燃料电池系统停机后电堆模块的高温尾排气体中的水气冷凝成的液态水可快速排出膨胀机，有效清除膨胀机内部积聚的液态水，避免低温状态下膨胀机内部的液态水凝结成冰，确保燃料电池系统低温启动时，膨胀机内的第一风轮能够正常转动，且电堆模块的尾排气体能够顺利排出，使得燃料电池系统在低温状态下也能够正常启动和运行，还能避免滞留在膨胀机内部的液态水腐蚀零部件，可延长燃料电池系统的使用寿命，而且从电机排出的空气中的水分含量低，直接用从电机排出的空气对膨胀机进行吹扫，使得吹扫后膨胀机内部的空气相对干燥，可降低膨胀机内部的空气在燃料电池系统停机后冷凝成液态水的风险，从而避免膨胀机内部再次积聚过多的液态水，且中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后持续带动膨胀机转动，可以减少电机一转轴端的负载，通过回收冷却电机后所排出的空气的能量以降低电机的能量损耗，从而达到节约能源的目的，可充分利用冷却电机后所排出的空气。

3)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。

附图说明：

图1是为本发明实施例一提供的燃料电池系统的方框示意图；

图2是为本发明实施例一提供的燃料电池系统电气连接的示意图(膨胀机设置两个进气口)；

图3是为本发明实施例一提供的燃料电池系统电气连接的示意图(膨胀机设置一个进气口)；

图4是为本发明实施例一提供的燃料电池系统控制原理的方框示意图；

图5是为本发明实施例二提供的燃料电池系统的吹扫控制方法的流程方框示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器10、电堆模块20、供氢系统30、空气供应系统40和冷却系统50，燃料电池系统控制器10控制电堆模块20、供氢系统30、空气供应系统40和冷却系统50工作。

如图2至图4所示，空气供应系统40包括空气滤清器1、流量计2、空压机3、中冷器4、电磁阀5、加湿器6和空压机控制器7，三通阀和空压机控制器7受控于燃料电池系统控制器10，空压机3包括电机31、压缩机32和膨胀机33，电机31受控于空压机控制器7，压缩机32和膨胀机33分别安装在电机31的两端并与电机31的转轴的两端直接连接；具体地，膨胀机33包括第一蜗壳和第一风轮，压缩机32包括第二蜗壳和第二风轮，第一蜗壳和第二蜗壳均开设有进气口和出气口，其中，第一蜗壳上可以设置有一个进气口或者两个进气口，第一风轮与第二风轮电机31的转轴的两端直接连接，通过电机31带动压缩机32的第二风轮转动，可使进入压缩机32的外部空气可经压缩机32压缩后输出高温压缩空气，冷却系统50为电堆模块20提供冷却液，同时也为中冷器4提供冷却液以便对空压机3的压缩机32输出的高温压缩空气进行冷却。

如图2和图3所示，中冷器4设置有两路空气出口，分别为第一出气口和第二出气口，外部空气依次经过空气滤清器1、流量计2、空压机3的压缩机32、中冷器4后分成两个通路，第一通路从中冷器4的第一出气口开始，依次经过电磁阀5、加湿器6、电堆模块20、背压阀8、分水器9和膨胀机33，最后从膨胀机33排出；第二通路从中冷器4的第二出气口开始，依次经过电机31和膨胀机33，最后从膨胀机33排出；从中冷器4的第二出气口输出的低温压缩空气进入电机31的内部以对电机31内部的定子组件和轴承系统进行散热、散热后排出的空气进入膨胀机33后排出；具体地，燃料电池系统运行时，燃料电池系统控制器10控制电磁阀5导通以为电堆模块20提供空气，从电堆模块的空气出口排出的空气和从电机排出的空气共同进入膨胀机33后共同带动膨胀机33的第一风轮转动，从而可以减少电机31一转轴端的负载，通过回收冷却电机31后所排出的空气的能量以降低电机31的能量损耗，从而达到节约能源的目的。

当燃料电池系统控制器10接收到停机指令后，停止供氢系统30的运行，保持空压机3持续以低功率运行，并关闭电磁阀5与背压阀8，使中冷器4的第二出气口的低温压缩空气流经电机31后吹扫膨胀机33，并持续带动膨胀机33转动以降低电机31的能量损耗，在燃料电池系统停机后，通过中冷器4的第二出气口的低温压缩空气流经电机31后吹扫膨胀机33，使得燃料电池系统停机后电堆模块20的高温尾排气体中的水气冷凝成的液态水可快速排出膨胀机33，有效清除膨胀机33内部积聚的液态水，避免低温状态下膨胀机33内部的液态水凝结成冰，确保燃料电池系统低温启动时，膨胀机33内的第一风轮能够正常转动，且电堆模块20的尾排气体能够顺利排出，使得燃料电池系统在低温状态下也能够正常启动和运行，还能避免滞留在膨胀机33内部的液态水腐蚀零部件，可延长燃料电池系统的使用寿命，而且从电机31排出的空气中的水分含量低，直接用从电机31排出的空气对膨胀机33进行吹扫，使得吹扫后膨胀机33内部的空气相对干燥，可降低膨胀机33内部的空气在燃料电池系统停机后冷凝成液态水的风险，从而避免空气供应系统40的管路和膨胀机33内部再次积聚过多的液态水，且中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后持续带动膨胀机转动，可以减少电机31一转轴端的负载，通过回收冷却电机31后所排出的空气的能量以降低电机31的能量损耗，从而达到节约能源的目的，可充分利用冷却电机31后所排出的空气。

当所述燃料电池系统控制器10接收到停机指令后，保持所述冷却系统50的持续运行，使所述冷却系统50可持续为所述中冷器4提供冷却液以将所述压缩机32输出的高温压缩空气进行冷却，然后输出低温压缩空气，低温压缩空气从所述中冷器4的第二出气口输出后经过所述电机31以对所述电机31进行散热，延迟关闭冷却系统50，可以确保对工作时的空压机3继续进行冷却散热，从而更好地保护空压机3。

当所述燃料电池系统控制器10接收到停机指令后，所述燃料电池系统控制器10累计对所述膨胀机33的吹扫时间，当对所述膨胀机33的吹扫时间累计达到预设吹扫时间H时，视为完成吹扫，所述燃料电池系统控制器10通过空压机控制器7控制空压机3停止运行，同时控制所述冷却系统50停止运行；当然，为确保燃料电池系统下次开机后能够马上运行，在燃料电池系统控制器10控制所述冷却系统50停止运行及通过空压机控制器7控制空压机3停止运行后，还可控制燃料电池系统的其他零部件(供氢系统30、空气供应系统40和冷却系统50中受控于燃料电池系统控制器10的受控元件，如电磁阀5、背压阀8等元件)复位，再使燃料电池系统断电关机。

如图2所示，所述膨胀机33的第一蜗壳上设置有两路进气口，分别为第一进气口和第二进气口，所述分水器9与所述膨胀机33的第一进气口连接，所述电机31与所述膨胀机33的第二进气口连接，根据管路布局设计两个进气口，便于实现第一蜗壳与两个通路的连接；当然，为减少在膨胀机33的第一蜗壳上开口以保证膨胀机33的第一蜗壳的结构的整体性时，还可以只在所述膨胀机33的第一蜗壳上设置有一个进气口(如图3所示)，所述分水器9和所述电机31可通过采用Y型管接头与所述膨胀机33的第一蜗壳的进气口连接。

所述电磁阀5为两通阀，根据管路布局，选择适用的元器件，可控制制造成本。

如图2和图3所示，所述膨胀机33的出气口连接有一个消音器60，消音器60用于降低从膨胀机33的排出气体时的噪音，同时，膨胀机33内部的液态水和分水器9分离后的液态水也可经消音器60排出。

实施例二：

如图5所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统的吹扫控制方法，采用上述所述的一种燃料电池系统，吹扫控制方法包括以下步骤：

步骤1：燃料电池系统控制器10在运行过程中接收到停机指令后，停止供氢系统30的运行，保持冷却系统50的持续运行及空压机3持续以低功率运行，并关闭电磁阀5与背压阀8，使中冷器4的第二出气口的低温压缩空气流经电机31后吹扫膨胀机33，并持续带动膨胀机33转动以降低电机31的能量损耗；

步骤2：燃料电池系统控制器10累计对膨胀机33的吹扫时间，当膨胀机33的吹扫时间累计达到预设吹扫时间H时，视为完成吹扫，燃料电池系统控制器10通过空压机控制器7控制空压机3停止运行，同时控制冷却系统50停止运行；

步骤3：燃料电池系统控制器10控制电磁阀5与背压阀8复位。

在燃料电池系统控制器10控制电磁阀5与背压阀8复位后，再使燃料电池系统断电关机。

以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统、空气供应系统和冷却系统；其特征在于：

空气供应系统包括空气滤清器、流量计、空压机、中冷器、电磁阀、加湿器和空压机控制器，空压机包括电机、压缩机和膨胀机，压缩机和膨胀机分别安装在电机的两端并与电机的转轴的两端直接连接；

中冷器设置有两路空气出口，分别为第一出气口和第二出气口，外部空气依次经过空气滤清器、流量计、空压机的压缩机、中冷器后分成两个通路，第一通路从中冷器的第一出气口开始，依次经过电磁阀、加湿器、电堆模块、背压阀、分水器和膨胀机，最后从膨胀机排出；第二通路从中冷器的第二出气口开始，依次经过电机和膨胀机，最后从膨胀机排出；从中冷器的第二出气口输出的低温压缩空气经过电机对电机进行散热，然后进入膨胀机后排出；

燃料电池系统运行时，燃料电池系统控制器控制电磁阀导通以为电堆模块提供空气，从电堆模块的空气出口排出的空气和从电机排出的空气共同进入膨胀机以带动膨胀机转动用来降低电机的能量损耗，当燃料电池系统控制器接收到停机指令后，停止供氢系统的运行，保持空压机持续以低功率运行，并关闭电磁阀与背压阀，使中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后吹扫膨胀机，并持续带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：当所述燃料电池系统控制器接收到停机指令后，保持所述冷却系统的持续运行，使所述冷却系统可持续为所述中冷器提供冷却液以将所述压缩机输出的高温压缩空气进行冷却，然后输出低温压缩空气，低温压缩空气从所述中冷器的第二出气口输出后经过所述电机以对所述电机进行散热。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于：当所述燃料电池系统控制器接收到停机指令后，所述燃料电池系统控制器累计对所述膨胀机的吹扫时间，当对所述膨胀机的吹扫时间累计达到预设吹扫时间H时，视为完成吹扫，所述燃料电池系统控制器通过空压机控制器控制空压机停止运行，同时控制所述冷却系统停止运行。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：从所述中冷器的第二出气口输出的低温压缩空气进入所述电机的内部以对所述电机内部的定子组件和轴承系统进行散热。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述膨胀机设置有两路进气口，分别为第一进气口和第二进气口，所述分水器与所述膨胀机的第一进气口连接，所述电机与所述膨胀机的第二进气口连接。

6.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述膨胀机设置有一个进气口，所述分水器和所述电机分别与所述膨胀机的进气口连接。

7.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述电磁阀为两通阀。

8.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述膨胀机的出气口连接有一个消音器，消音器用于降低从膨胀机的排出气体时的噪音。

9.一种燃料电池系统的吹扫控制方法，其特征在于：采用如权利要求1至8任一项所述的一种燃料电池系统，吹扫控制方法包括以下步骤：

步骤1：燃料电池系统控制器在运行过程中接收到停机指令后，停止供氢系统的运行，保持冷却系统的持续运行及空压机持续以低功率运行，并关闭电磁阀与背压阀，使中冷器的第二出气口的低温压缩空气流经电机后吹扫膨胀机，并持续带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗；

步骤2：燃料电池系统控制器累计对膨胀机的吹扫时间，当膨胀机的吹扫时间累计达到预设吹扫时间H时，视为完成吹扫，燃料电池系统控制器通过空压机控制器控制空压机停止运行，同时控制冷却系统停止运行；

步骤3：燃料电池系统控制器控制电磁阀与背压阀复位。

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