CN115411317A - 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；空气供应系统包括三通阀，三通阀受控于燃料电池系统控制器，空压机包括电机、压缩机和膨胀机；外部空气经过空压机的压缩机后分成两个通路，当燃料电池系统控制器接收到停机指令后，停止供氢系统和冷却系统的运行，保持空压机持续以低功率运行，燃料电池系统控制器控制三通阀继续打开第一出气口，第一通路输入高温压缩空气对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗；随后控制三通阀关闭第一出气口、打开第二出气口以对第二通路中的膨胀机进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗。

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。

而在空气供应系统中，为了保证燃料电池电堆内空气的供应量，一般都会使用空压机对空气进行增压以提高供气效率。随着技术的发展，单台燃料电池系统的功率越做越大，其所需的空气供应量也越大，使得空压机的功率也越来越大，从而使空压机的功耗也越来越大。目前为了既能节约能源，又能提高压机的供气效率，现有的做法通常是将膨胀机集成到空压机上，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。

但是，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，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，燃料电池系统控制器控制电堆模块、供氢系统、空气供应系统和冷却系统工作；空气供应系统包括空气滤清器、流量计、空压机、三通阀、中冷器、增湿器和空压机控制器，三通阀和空压机控制器受控于燃料电池系统控制器，空压机包括电机、压缩机和膨胀机，电机受控于空压机控制器，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；三通阀设置有两路出口，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、空压机的压缩机后分成两个通路，第一通路从三通阀的第一出气口开始，依次经过中冷器、增湿器、电堆模块、背压阀、分水器和膨胀机，最后从膨胀机排出；第二通路从三通阀的第二出气口开始，依次经过单向阀和膨胀机，最后从膨胀机排出；燃料电池系统运行时，燃料电池系统控制器控制三通阀打开第一出气口、关闭第二出气口为电堆模块提供空气，当燃料电池系统控制器接收到停机指令后，停止供氢系统和冷却系统的运行，保持空压机持续以低功率运行，燃料电池系统控制器控制三通阀继续打开第一出气口，第一通路输入高温压缩空气对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗；随后控制三通阀关闭第一出气口、打开第二出气口以对第二通路中的膨胀机进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗。

优选地，于所述压缩机的进气口侧设置有一温度传感器，温度传感器用于检测外部空气温度，并将温度信号传送至所述燃料电池系统控制器，所述燃料电池系统控制器比较外部空气温度与设定温度的大小，并根据比较结果选择对应的第二通路预设吹扫时间对所述第二通路中的膨胀机进行吹扫，当完成对所述第二通路的吹扫后，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。

优选地，所述外部空气温度越高则对应的所述第二通路预设吹扫时间越短。

优选地，所述单向阀为挡板阀。

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，所述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，控制供氢系统和冷却系统停止工作、通过空压机控制器控制空压机持续以低功率运行；

步骤2：燃料电池系统控制器控制三通阀持续打开第一出气口以使压缩机输出的高温压缩空气可先对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗，并累计第一通路的吹扫时间；

步骤3：当第一通路的吹扫时间累计达到第一通路预设吹扫时间H1时，视为完成第一通路的吹扫，然后燃料电池系统控制器控制三通阀打开第二出气口、关闭第一出气口以对第二通路的膨胀机进行吹扫。

优选地，所述吹扫控制方法还包括以下步骤：

步骤4：燃料电池系统控制器通过温度传感器获取外部空气温度TX，并分别比较外部空气温度TX与第一设定温度T1、第二设定温度T2的大小，根据比较结果选择对应的第二通路预设吹扫时间对第二通路的膨胀机进行吹扫，其中，T1＜T2；

步骤5：完成对第二通路的吹扫后，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。

优选地，步骤4中所述的第二通路预设吹扫时间包括第二通路第一预设吹扫时间H2、第二通路第二预设吹扫时间H3和第二通路第三预设吹扫时间H4；当TX≤T1时，燃料电池系统控制器选择H2对第二通路的膨胀机进行吹扫；当T1＜TX＜T2时，燃料电池系统控制器选择H3对第二通路的膨胀机进行吹扫；当TX≥T2时，燃料电池系统控制器选择H4对第二通路的膨胀机进行吹扫；其中，H2＞H3＞H4。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1)本发明提供燃料电池系统，在燃料电池系统停机后，通过由空压机的压缩机输出的高温压缩空气先对第一通路进行吹扫，使得空气供应系统的管路中的液态水可被吹扫到膨胀机内部，然后再通过对第二通路中的膨胀机进行吹扫，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，有效清除空气供应系统中的管路及膨胀机内部积聚的液态水，避免低温状态下空气供应系统中的管路及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，还能避免滞留在空气供应系统的管路和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，而且高温压缩空气中的水分含量低，直接用高温压缩空气对第一通路和第二通路中的膨胀机进行吹扫，使得吹扫后空气供应系统的管路和膨胀机内部的空气相对干燥，可降低空气供应系统的管路和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，从而避免空气供应系统的管路和膨胀机内部再次积聚过多的液态水；另外，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，当压缩机输出的高温压缩空气吹入膨胀机时，高温压缩空气带动膨胀机转动，从而可以减少电机一转轴端的负载，通过回收压缩机输出的高温压缩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；

图3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4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；

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逻辑方框示意图。

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、图2和图3所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统，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。

空气供应系统40包括空气滤清器1、流量计2、空压机3、三通阀4、中冷器5、增湿器6和空压机控制器7，三通阀4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，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。

如图2所示，三通阀4设置有两路出口，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后分成两个通路，第一通路从三通阀4的第一出气口开始，依次经过中冷器5、增湿器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的第一蜗壳的出气口排出；第二通路从三通阀4的第二出气口开始，依次经过单向阀60和膨胀机33，最后从膨胀机33的第一蜗壳的出气口排出；燃料电池系统运行时，燃料电池系统控制器10控制三通阀4打开第一出气口、关闭第二出气口为电堆模块20提供空气。

如图2所示，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和冷却系统50的运行，保持空压机3持续以低功率运行，燃料电池系统控制器10控制三通阀4继续打开第一出气口，第一通路输入高温压缩空气对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气从膨胀机33的第一蜗壳的进气口进入第一蜗壳内部以带动第一风轮转动以降低电机31的能量损耗；随后控制三通阀4关闭第一出气口、打开第二出气口以对第二通路中的膨胀机33进行吹扫，且高温压缩空气从膨胀机33的第一蜗壳的进气口进入第一蜗壳内部以带动第一风轮转动以降低电机31的能量损耗；在本实施例中，保持空压机3持续以低功率运行是为了确保压缩机32能够持续输出高温压缩空气以实现空气供应系统40中的管路及膨胀机33内部的液态水的吹扫，且低功率运行能降低能源消耗。

在燃料电池系统停机后，通过由空压机3的压缩机32输出的高温压缩空气先对第一通路进行吹扫，使得空气供应系统40的管路中的液态水可被吹扫到膨胀机33内部，然后再通过对第二通路中的膨胀机33进行吹扫，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，有效清除空气供应系统40中的管路及膨胀机33内部积聚的液态水，避免低温状态下空气供应系统40中的管路及膨胀机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，还能避免滞留在空气供应系统40的管路和膨胀机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，而且高温压缩空气中的水分含量低，直接用高温压缩空气对第一通路和第二通路中的膨胀机33进行吹扫，使得吹扫后空气供应系统40的管路和膨胀机33内部的空气相对干燥，可降低空气供应系统40的管路和膨胀机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；另外，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，当压缩机32输出的高温压缩空气吹入膨胀机33时，高温压缩空气带动膨胀机33的第一风轮转动，从而可以减少电机31一转轴端的负载，通过回收压缩机32输出的高温压缩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。

需要说明的是，在对第一通路进行吹扫时，由于高温压缩空气在管路中流动时有损耗，因此，经过对第一通路进行吹扫后，空气供应系统40的管路中的液态水大部分会被吹扫到膨胀机33内部，而只有小部分会从膨胀机33的出气口排出，故还需对膨胀机33进行吹扫，因此，在完成第一通路的吹扫后，还需控制三通阀4关闭第一出气口、打开第二出气口以对第二通路中的膨胀机33进行吹扫，由于第二通路的管路短，可有效减少压缩机32输出的高温压缩空气的损耗，保证压缩机32输出的高温压缩空气在进入膨胀机33时有足够的气压，从而确保可有效地清除积聚在膨胀机33的第一蜗壳内部的液态水；先对第一通路进行吹扫后对第二通路进行吹扫的吹扫顺序的安排合理，可有效减少空气供应系统40中的管路及膨胀机33内部的液态水。

如图2和图3所示，于所述压缩机32的进气口侧设置有一温度传感器70，温度传感器70用于检测外部空气温度，并将温度信号传送至所述燃料电池系统控制器10，所述燃料电池系统控制器10比较外部空气温度与设定温度的大小，并根据比较结果选择对应的第二通路预设吹扫时间对所述第二通路中的膨胀机33进行吹扫，具体地，所述外部空气温度越高则对应的所述第二通路预设吹扫时间越短；外部空气温度越低，膨胀机33内部的液态水的分子结构越稳定，故所需的吹扫时间需要足够长才能确保尽可能清除膨胀机33内部的液态水，通过监测外部空气温度来选择相应的第二通路的吹扫时间，实现智能控制，在确保能够将膨胀机33内的液态水吹出的前提下，可以更好地控制能源消耗，起到节约能源的作用。

当完成对所述第二通路的吹扫后，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；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通过空压机控制器7控制空压机3停止运行后，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，如三通阀、空压机及背压阀等元件)复位，再使燃料电池系统断电关机。

所述单向阀60为挡板阀，可防止电堆模块20的尾排气出现逆流，导致压缩机32损坏，又可为给空压机3提供一定的背压，确保压缩机32输出的高温压缩空气进入到膨胀机33时能够推动膨胀机33的风轮转动，利于空压机3内部的空气轴承的正常工作；本实施例中的挡板阀为电子挡板阀或者机械挡板阀。

在本实施例中，挡板阀优选为电子挡板阀，当挡板阀选用电子挡板阀时，挡板阀受控于燃料电池系统控制器10，便于实现智能控制。

如图2所示，所述膨胀机33的出气口连接有一个消音器80，消音器80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排出。

实施例二：

如图1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，采用实施例一所述的一种燃料电池系统，所述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，控制供氢系统30和冷却系统50停止工作、通过空压机控制器7控制空压机3持续以低功率运行。

步骤2：燃料电池系统控制器10控制三通阀4持续打开第一出气口以使压缩机32输出的高温压缩空气可先对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机33转动以降低电机31的能量损耗，并累计第一通路的吹扫时间。

步骤3：当第一通路的吹扫时间累计达到第一通路预设吹扫时间H1时，视为完成第一通路的吹扫，然后燃料电池系统控制器10控制三通阀4打开第二出气口、关闭第一出气口以对第二通路的膨胀机33进行吹扫。

步骤4：燃料电池系统控制器10通过温度传感器70获取外部空气温度TX，并分别比较外部空气温度TX与第一设定温度T1、第二设定温度T2的大小，根据比较结果选择对应的第二通路预设吹扫时间对第二通路的膨胀机33进行吹扫，其中，T1＜T2。

步骤5：完成对第二通路的吹扫后，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。

步骤4中所述的第二通路预设吹扫时间包括第二通路第一预设吹扫时间H2、第二通路第二预设吹扫时间H3和第二通路第三预设吹扫时间H4；当TX≤T1时，燃料电池系统控制器10选择H2对第二通路的膨胀机33进行吹扫；当T1＜TX＜T2时，燃料电池系统控制器10选择H3对第二通路的膨胀机33进行吹扫；当TX≥T2时，燃料电池系统控制器10选择H4对第二通路的膨胀机33进行吹扫；其中，H2＞H3＞H4。

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 (8)

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，燃料电池系统控制器控制电堆模块、供氢系统、空气供应系统和冷却系统工作；其特征在于，

空气供应系统包括空气滤清器、流量计、空压机、三通阀、中冷器、增湿器和空压机控制器，三通阀和空压机控制器受控于燃料电池系统控制器，空压机包括电机、压缩机和膨胀机，电机受控于空压机控制器，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；

三通阀设置有两路出口，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、空压机的压缩机后分成两个通路，第一通路从三通阀的第一出气口开始，依次经过中冷器、增湿器、电堆模块、背压阀、分水器和膨胀机，最后从膨胀机排出；第二通路从三通阀的第二出气口开始，依次经过单向阀和膨胀机，最后从膨胀机排出；

燃料电池系统运行时，燃料电池系统控制器控制三通阀打开第一出气口、关闭第二出气口为电堆模块提供空气，当燃料电池系统控制器接收到停机指令后，停止供氢系统和冷却系统的运行，保持空压机持续以低功率运行，燃料电池系统控制器控制三通阀继续打开第一出气口，第一通路输入高温压缩空气对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗；随后控制三通阀关闭第一出气口、打开第二出气口以对第二通路中的膨胀机进行吹扫，且高温压缩空气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，于所述压缩机的进气口侧设置有一温度传感器，温度传感器用于检测外部空气温度，并将温度信号传送至所述燃料电池系统控制器，所述燃料电池系统控制器比较外部空气温度与设定温度的大小，并根据比较结果选择对应的第二通路预设吹扫时间对所述第二通路中的膨胀机进行吹扫，当完成对所述第二通路的吹扫后，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。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述外部空气温度越高则对应的所述第二通路预设吹扫时间越短。

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，所述单向阀为挡板阀。

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。

6.一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2至5任一项所述的一种燃料电池系统，所述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，控制供氢系统和冷却系统停止工作、通过空压机控制器控制空压机持续以低功率运行；

步骤2：燃料电池系统控制器控制三通阀持续打开第一出气口以使压缩机输出的高温压缩空气可先对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗，并累计第一通路的吹扫时间；

步骤3：当第一通路的吹扫时间累计达到第一通路预设吹扫时间H1时，视为完成第一通路的吹扫，然后燃料电池系统控制器控制三通阀打开第二出气口、关闭第一出气口以对第二通路的膨胀机进行吹扫。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统的吹扫控制方法，其特征在于，所述吹扫控制方法还包括以下步骤：

步骤4：燃料电池系统控制器通过温度传感器获取外部空气温度TX，并分别比较外部空气温度TX与第一设定温度T1、第二设定温度T2的大小，根据比较结果选择对应的第二通路预设吹扫时间对第二通路的膨胀机进行吹扫，其中，T1＜T2；

步骤5：完成对第二通路的吹扫后，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。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池系统的吹扫控制方法，其特征在于，步骤4中所述的第二通路预设吹扫时间包括第二通路第一预设吹扫时间H2、第二通路第二预设吹扫时间H3和第二通路第三预设吹扫时间H4；

当TX≤T1时，燃料电池系统控制器选择H2对第二通路的膨胀机进行吹扫；

当T1＜TX＜T2时，燃料电池系统控制器选择H3对第二通路的膨胀机进行吹扫；

当TX≥T2时，燃料电池系统控制器选择H4对第二通路的膨胀机进行吹扫；

其中，H2＞H3＞H4。

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