CN117476993A - 一种燃料电池空气系统、控制方法以及车辆 - Google Patents

一种燃料电池空气系统、控制方法以及车辆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池空气系统、控制方法以及车辆，燃料电池包括电堆，所述电堆具有空气侧入口，所述空气系统包括控制器、空压机、储气装置以及空气阀，所述空压机、储气装置、空气阀以及空气侧入口依次连通；所述控制器根据电堆的需要由储气装置内通过空气阀向空气侧入口送入空气；本发明通过增设储气装置以及空气阀，由于储气装置存储一定压力的空气，只需要低压供电控制空气阀来给电堆提供符合要求的压力和流量来启动，电堆可以实现无高压电下自启动，在空压机停转后可以避免急停，电堆仍然可以运转一定时间，如正常关机；通过空气阀控制储气装置来给电堆供气，可以更稳的控制空气压力，易于控制。

Description

一种燃料电池空气系统、控制方法以及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池空气系统、控制方法以及车辆。
背景技术
目前燃料电池发动机在启动时需要外部高压电源提供电能来驱动空压机，在整车应用时，一旦动力电池缺电，燃料电池发动机将无法启动；另一方面，在发动机运行过程中，如果空压机突然停转，将会导致发动机急停，在某些场景中可能会对发动机产生较大的影响；当前主流的空气路会增加增湿器对来对空气增湿，未来的趋势是取消增湿器。
即现有技术中存在的问题为：
1、空压机直接通过转速来控制空气的流量和压力，空压机停转或转速不足时会导致立即停机；并且直接通过空压机转速控制空气的流量和压力时，因为空压机存在工作区间和喘振线，在某些工作点参数压力调节比较难操作，同时对空压机的性能要求极高。
2、燃料电池发动机在启动时需要外部高压供电，不能实现自启动。
3、一旦动力电池亏电，发动机可能无法启动。
4、目前的空气路增湿主要有通过增湿器增湿和自增湿的方式，但自增湿的效果还不理想。
5、针对双堆或多堆供气时，空气流分配控制存在问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种供气更加稳定的燃料电池空气系统、控制方法以及车辆。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种燃料电池空气系统，燃料电池包括电堆，所述电堆具有空气侧入口，所述空气系统包括控制器、空压机、储气装置以及空气阀，所述空压机、储气装置、空气阀以及空气侧入口依次连通；
所述控制器根据电堆的需要由储气装置内通过空气阀向空气侧入口送入空气。
优选地，所述空气系统还包括引射装置，所述引射装置设置于空气阀与空气侧入口之间。
优选地，所述电堆还具有氢气侧出口；
燃料电池还包括分水件以及第一排水阀，所述分水件、第一排水阀分别与控制器电性连接；
所述空气系统还包括储水箱，所述储水箱内具有抽水管道，所述抽水管道与引射装置连通；
所述氢气侧出口、分水件、第一排水阀以及储水箱依次连通。
优选地，所述抽水管道上设置有电控阀，所述电控阀与控制器电性连接。
优选地，所述储水箱具有最大液位，所述储水箱在最大液位处设置有单向阀；
所述电堆还包括空气侧出口和尾排管，所述空气侧出口通过尾排管与外界连通；
所述单向阀与尾排管连通。
优选地，所述储水箱底部设置有第二排水阀，所述第二排水阀与尾排管连通；
所述第二排水阀与控制器电性连接。
优选地，所述空气阀的出口处设置有了流量计；
所述储气装置内设置有压力传感器；
所述流量计、压力传感器分别与控制器电性连接。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第二种技术方案为：
一种上述的燃料电池空气系统的控制方法，
燃料电池启动时，控制器控制空气阀释放储气装置的空气给电堆提供符合要求的压力和流量；
燃料电池启动后根据储气装置的需要控制器控制电堆向空压机输出高压向储气装置进行空气补充。
优选地，
燃料电池运行时，控制器根据电堆需要控制电控阀开度；
燃料电池关机前，控制器控制空压机向储气装置内充入足够燃料电池下次启动所需要的空气或达到储气装置的储气上限。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第三种技术方案为：
一种车辆，包括上述的燃料电池空气系统。
本发明的有益效果在于：通过增设储气装置以及空气阀，由于储气装置存储一定压力的空气，只需要低压供电控制空气阀来给电堆提供符合要求的压力和流量来启动发动机，发动机启动后即可给空压机输出高压，供空压机运行，在运行过程中空压机会根据需求及时给储气装置进行补充，以保持发动机持续稳定运行；可对氢燃料电池发动机空气供应以更宽泛的参数范围，同时对空压机的性能要求降低；电堆可以实现无高压电下自启动，在空压机停转后可以避免急停，电堆仍然可以运转一定时间，如正常关机；通过空气阀控制储气装置来给电堆供气，可以更稳的控制空气压力，易于控制；运行过程中电堆0功率输出怠速工况需求的工况参数，此空气系统可以很容易满足，空压机在短时0功率输出的过程中可以处于停止状态，能量消耗更少。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的一种燃料电池空气系统的系统框图；
标号说明：1、电堆；2、空气侧入口；3、空压机；4、储气装置；5、空气阀；6、引射装置；7、氢气侧出口；8、分水件；9、第一排水阀；10、储水箱；11、抽水管道；12、单向阀；13、空气侧出口；14、尾排管；15、第二排水阀；16、流量计；17、压力传感器。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，一种燃料电池空气系统，燃料电池包括电堆1，所述电堆1具有空气侧入口2，所述空气系统包括控制器、空压机3、储气装置4以及空气阀5，所述空压机3、储气装置4、空气阀5以及空气侧入口2依次连通；
所述控制器根据电堆1的需要由储气装置4内通过空气阀5向空气侧入口2送入空气。
从上述描述可知，通过增设储气装置4以及空气阀5，由于储气装置4存储一定压力的空气，只需要低压供电控制空气阀5来给电堆1提供符合要求的压力和流量来启动发动机，发动机启动后即可给空压机3输出高压，供空压机3运行，在运行过程中空压机3会根据需求及时给储气装置4进行补充，以保持发动机持续稳定运行；可对氢燃料电池发动机空气供应以更宽泛的参数范围，同时对空压机3的性能要求降低；电堆1可以实现无高压电下自启动，在空压机3停转后可以避免急停，电堆1仍然可以运转一定时间，如正常关机；通过空气阀5控制储气装置4来给电堆1供气，可以更稳的控制空气压力，易于控制；运行过程中电堆10功率输出怠速工况需求的工况参数，此空气系统可以很容易满足，空压机3在短时0功率输出的过程中可以处于停止状态，能量消耗更少。
进一步的，所述空气系统还包括引射装置6，所述引射装置6设置于空气阀5与空气侧入口2之间。
进一步的，所述电堆1还具有氢气侧出口7；
燃料电池还包括分水件8以及第一排水阀9，所述分水件8、第一排水阀9分别与控制器电性连接；
所述空气系统还包括储水箱10，所述储水箱10内具有抽水管道11，所述抽水管道11与引射装置6连通；
所述氢气侧出口7、分水件8、第一排水阀9以及储水箱10依次连通。
从上述描述可知，通过增设储水箱10，将电堆1反应产生的液态水进行收集，然后通过引射装置6的压力，将水吸出，带入到电堆1内，进行增湿，实现反应水的重复利用，代替增湿器，降低成本。
进一步的，所述抽水管道11上设置有电控阀，所述电控阀与控制器电性连接。
从上述描述可知，通过电控阀与控制器电性连接，能够实现根据需要进行入堆湿度。
进一步的，所述储水箱10具有最大液位，所述储水箱10在最大液位处设置有单向阀12；
所述电堆1还包括空气侧出口13和尾排管14，所述空气侧出口13通过尾排管14与外界连通；
所述单向阀12与尾排管14连通。
从上述描述可知，通过尾排管14与单向阀12连通，能够实现反应后的气体将单向阀12排入尾排管14内的水排出。
进一步的，所述储水箱10底部设置有第二排水阀15，所述第二排水阀15与尾排管14连通；
所述第二排水阀15与控制器电性连接。
进一步的，所述空气阀5的出口处设置有了流量计16；
所述储气装置4内设置有压力传感器17；
所述流量计16、压力传感器17分别与控制器电性连接。
一种上述的燃料电池空气系统的控制方法，
燃料电池启动时，控制器控制空气阀5释放储气装置4的空气给电堆1提供符合要求的压力和流量；
燃料电池启动后根据储气装置4的需要控制器控制电堆1向空压机3输出高压向储气装置4进行空气补充。
进一步的，燃料电池运行时，控制器根据电堆1需要控制电控阀开度；
燃料电池关机前，控制器控制空压机3向储气装置4内充入足够燃料电池下次启动所需要的空气或达到储气装置4的储气上限。
从上述描述可知，通过控制器控制空压机3向储气装置4内充入足够燃料电池下次启动所需要的空气或达到储气装置4的储气上限，能够方便下次启动，无需电堆1输出高压。
一种车辆，包括上述的燃料电池空气系统。
实施例一
一种燃料电池空气系统，燃料电池包括电堆，所述电堆具有空气侧入口，所述空气系统包括控制器、空压机、储气装置以及空气阀，所述空压机、储气装置、空气阀以及空气侧入口依次连通；
所述控制器根据电堆的需要由储气装置内通过空气阀向空气侧入口送入空气。
所述空气系统还包括引射装置，所述引射装置设置于空气阀与空气侧入口之间。
所述电堆还具有氢气侧出口；
燃料电池还包括分水件以及第一排水阀，所述分水件、第一排水阀分别与控制器电性连接；
所述空气系统还包括储水箱，所述储水箱内具有抽水管道，所述抽水管道与引射装置连通；
所述氢气侧出口、分水件、第一排水阀以及储水箱依次连通。
所述抽水管道上设置有电控阀，所述电控阀与控制器电性连接。
所述储水箱具有最大液位，所述储水箱在最大液位处设置有单向阀；
所述电堆还包括空气侧出口和尾排管，所述空气侧出口通过尾排管与外界连通；
所述单向阀与尾排管连通。
所述储水箱底部设置有第二排水阀，所述第二排水阀与尾排管连通；
所述第二排水阀与控制器电性连接。
所述空气阀的出口处设置有了流量计；
所述储气装置内设置有压力传感器；
所述流量计、压力传感器分别与控制器电性连接。
实施例二
一种实施例一所述的燃料电池空气系统的控制方法，
燃料电池启动时，控制器控制空气阀释放储气装置的空气给电堆提供符合要求的压力和流量；
燃料电池启动后根据储气装置的需要控制器控制电堆向空压机输出高压向储气装置进行空气补充；
燃料电池运行时，控制器根据电堆需要控制电控阀开度；
燃料电池关机前，控制器控制空压机向储气装置内充入足够燃料电池下次启动所需要的空气。
实施例三
一种实施例一所述的燃料电池空气系统的控制方法，
燃料电池启动时，控制器控制空气阀释放储气装置的空气给电堆提供符合要求的压力和流量；
燃料电池启动后根据储气装置的需要控制器控制电堆向空压机输出高压向储气装置进行空气补充；
燃料电池运行时，控制器根据电堆需要控制电控阀开度；
燃料电池关机前，控制器控制空压机向储气装置内充空气并达到储气装置的储气上限。
实施例四
一种车辆，包括实施例一所述的燃料电池空气系统。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池空气系统，燃料电池包括电堆，所述电堆具有空气侧入口，其特征在于，所述空气系统包括控制器、空压机、储气装置以及空气阀，所述空压机、储气装置、空气阀以及空气侧入口依次连通；
所述控制器根据电堆的需要由储气装置内通过空气阀向空气侧入口送入空气。
2.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述空气系统还包括引射装置，所述引射装置设置于空气阀与空气侧入口之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述电堆还具有氢气侧出口；
燃料电池还包括分水件以及第一排水阀，所述分水件、第一排水阀分别与控制器电性连接；
所述空气系统还包括储水箱，所述储水箱内具有抽水管道，所述抽水管道与引射装置连通；
所述氢气侧出口、分水件、第一排水阀以及储水箱依次连通。
4.根据权利要求3所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述抽水管道上设置有电控阀，所述电控阀与控制器电性连接。
5.根据权利要求3所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述储水箱具有最大液位，所述储水箱在最大液位处设置有单向阀；
所述电堆还包括空气侧出口和尾排管，所述空气侧出口通过尾排管与外界连通；
所述单向阀与尾排管连通。
6.根据权利要求5所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述储水箱底部设置有第二排水阀，所述第二排水阀与尾排管连通；
所述第二排水阀与控制器电性连接。
7.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述空气阀的出口处设置有了流量计；
所述储气装置内设置有压力传感器；
所述流量计、压力传感器分别与控制器电性连接。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的燃料电池空气系统的控制方法，其特征在于，
燃料电池启动时，控制器控制空气阀释放储气装置的空气给电堆提供符合要求的压力和流量；
燃料电池启动后根据储气装置的需要控制器控制电堆向空压机输出高压向储气装置进行空气补充。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，
燃料电池运行时，控制器根据电堆需要控制电控阀开度；
燃料电池关机前，控制器控制空压机向储气装置内充入足够燃料电池下次启动所需要的空气或达到储气装置的储气上限。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的燃料电池空气系统。
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