CN217955921U - 一种燃料电池系统吹扫控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池吹扫技术领域，公开了一种燃料电池系统吹扫控制装置，包括：燃料电池电堆，设置在燃料电池电堆上的交流阻抗件；与燃料电池电堆连接直流电源变换器DCDC；与DCDC连接的燃料电池控制器FCU；用于将需求功率输入FCU的整车控制器VCU；氢气子系统、空气子系统、冷却子系统，均与燃料电池电堆连接；FCU控制燃料电池系统进行常温吹扫或监测堆温大于预设堆温后进行冷吹扫；交流阻抗件用于获取燃料电池电堆的在线阻抗值，燃料电池系统通过在线阻抗值判断吹扫是否完成。本装置去掉加热循环系统上的外加热器，通过FCU调控阴极计量比实现电堆升温代替现有的外加热器，有效保障了燃料电池系统因前置工况导致停机堆温不足的情况下也可以实现吹扫。

Description

一种燃料电池系统吹扫控制装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池吹扫技术领域，特别涉及一种燃料电池系统吹扫控制装置。

背景技术

燃料电池系统作为实现“碳中和”和“碳达峰”的重要技术路线，在国家大力提倡下，近年来技术革新不断。随着“示范运营”城市的政策落地，尤其是质子膜燃料电池迎来了行业发展的重要机遇。质子膜燃料电池是通过电化学反应将氢气能源转化为电能，在发电的同时会产生液态水。早冬日发动机不工作时，为避免系统内部液态水过多结冰而引发MEA、膜增湿器失效等可靠性问题，低温环境下停机必须经过吹扫，借以确保燃料电池系统内部存储水量不影响部件寿命和正常工作。

而当前随着燃料电池系统功率越来愈大的趋势，多数系统会集成膜增湿器确保其运行寿命，但增湿器的集成也会加大吹扫难度。一般来说，为实现吹扫完成，需要保持吹扫过程中对应电堆温度，由于使用场景和停机前置工况的不确定性，可能存在关机时燃料电池堆温尚未达到吹扫目标温度的情况，吹扫温度若偏低，可能会导致吹扫不完成，以致燃料电池系统内部水量过多结冰引发MEA、膜增湿器失效等可靠性问题。

现有技术一般在燃料电池系统上集成有外加热器，当遇到吹扫温度低于目标温度时，可以通过外部加热的方式提升堆温，确保吹扫完成，而若没有外加热的架构的燃料电池系统，一般要求电堆耐受多次冻融，损害电堆寿命。但在燃料电池系统外部增加外加热器，会使燃料电池系统的结构变得更为复杂，且成本相较更高，低温高耐受的电堆的设计的难度也更为大，材料成本也更高。

实用新型内容

为了解决燃料电池系统冷吹扫时，需要控制电堆温度，以此达到吹扫效果更好及提升电堆寿命，本实用新型提供了一种燃料电池系统吹扫控制装置，以解决燃料电池冷吹扫不便及需要损耗更多成本的问题。

本实用新型的技术内容如下：

一种燃料电池系统吹扫控制装置，所述装置包括：

燃料电池电堆，

交流阻抗件，设置在所述燃料电池电堆上；

直流电源变换器DCDC，与所述燃料电池电堆连接；

燃料电池控制器FCU，与所述直流电源变换器DCDC连接；

整车控制器VCU，用于将需求功率输入所述FCU；

氢气子系统、空气子系统、冷却子系统，均与所述燃料电池电堆连接；

其中，所述FCU控制燃料电池系统进行常温吹扫或监测堆温大于预设堆温后进行冷吹扫；

所述交流阻抗件用于获取所述燃料电池电堆的在线阻抗值，所述燃料电池系统通过在线阻抗值判断吹扫是否完成。

进一步地，所述装置还包括加热循环系统，所述加热循环系统与所述燃料电池电堆连接形成加热回路，所述加热循环系统包括节温器与水泵，所述燃料电池电堆通过所述加热循环系统控制循环回路内的冷却液流量及FCU降低燃料电池电堆阴极计量比提升堆温。

进一步地，所述燃料电池电堆冷却液进、出口端上均设置有温度传感器。

进一步地，所述燃料电池电堆空气进、出口端上连接有同一个增湿器。

进一步地，所述空气子系统包括空滤、流量计、空压机、中冷器、电控三通阀与尾排节气门，所述空滤、流量计、空压机、中冷器与电控三通阀依次连接，所述电控三通阀通过增湿器与燃料电池电堆连接，所述尾排节气门设置在燃料电池电堆空气出口端，所述燃料电池电堆通过增湿器与尾排节气门连接。

进一步地，所述氢气子系统包括氢气喷射器、引射器、入堆氢压传感器、安全阀、阳极分水件及尾排阀，所述氢气喷射器、引射器、入堆氢压传感器、安全阀、燃料电池电堆、阳极分水件与尾排阀依次连接，所述阳极分水件与引射器连接。

进一步地，所述冷却子系统包括散热器、去离子罐与补偿水箱，所述散热器两端分别与所述燃料电池电堆冷却液进、出口端连接，所述去离子罐两端分别与所述补偿水箱及燃料电池电堆冷却液进口端连接，所述补偿水箱还与所述燃料电池电堆冷却液出口端、水泵连接。

进一步地，所述装置还包括尾气回收部，所述尾气回收部与所述尾排阀、所述安全阀、所述尾排节气门及所述电控三通阀连接。

本实用新型的有益效果至少包括：本装置去掉加热循环系统上的外加热器，通过FCU调控阴极计量比实现电堆升温代替现有的外加热器，有效保障了燃料电池系统因前置工况导致停机堆温不足的情况下也可以实现吹扫，避免吹扫不完全导致系统失效情况的发生，以及避免损害电堆寿命；同时在基于无外加热器的电堆自加热，可以简化燃料电池系统的结构，降低整机成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种燃料电池系统吹扫控制装置结构示意图。

其中，附图标记为：

1-燃料电池电堆；2-交流阻抗件；3-直流电源变换器DCDC；4-燃料电池控制器FCU；5-整车控制器VCU；6-温度传感器；7-节温器；8-水泵；9-补偿水箱；10-去离子罐；11-散热器；12-空滤；13-流量计；14-空压机；15-中冷器；16-电控三通阀；17-尾排节气门；18-增湿器；19-氢气喷射器；20-引射器；21-入堆氢压传感器；22-安全阀；23-阳极分水件；24-尾排阀。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

结合图1所示，本实用新型提供了一种燃料电池系统吹扫控制装置，所述装置包括：

燃料电池电堆(1)，

交流阻抗件(2)，设置在所述燃料电池电堆(1)上；

直流电源变换器DCDC(3)，与所述燃料电池电堆(1)连接；

燃料电池控制器FCU(4)，与所述直流电源变换器DCDC(3)连接；

整车控制器VCU(5)，用于将需求功率输入所述FCU(4)；

氢气子系统、空气子系统、冷却子系统，均与所述燃料电池电堆(1)连接；

其中，所述FCU(4)控制燃料电池系统进行常温吹扫或监测堆温大于预设堆温后进行冷吹扫；

所述交流阻抗件(2)用于获取所述燃料电池电堆(1)的在线阻抗值，所述燃料电池系统通过在线阻抗值判断吹扫是否完成。

进一步地，所述装置还包括加热循环系统，所述加热循环系统与所述燃料电池电堆(1)连接形成加热回路，所述加热循环系统包括节温器(7)与水泵(8)，所述燃料电池电堆(1)通过所述加热循环系统控制循环回路内的冷却液流量及FCU降低燃料电池电堆(1)阴极计量比提升堆温。

进一步地，所述燃料电池电堆(1)冷却液进、出口端上均设置有温度传感器(6)。

进一步地，所述燃料电池电堆(1)空气进、出口端上连接有同一个增湿器(18)。

进一步地，所述空气子系统包括空滤(12)、流量计(13)、空压机(14)、中冷器(15)、电控三通阀(16)与尾排节气门(17)，所述空滤(12)、流量计(13)、空压机(14)、中冷器(15)与电控三通阀(16)依次连接，所述电控三通阀(16)通过增湿器(18)与燃料电池电堆(1)连接，所述尾排节气门(17)设置在燃料电池电堆(1)空气出口端，所述燃料电池电堆(1)通过增湿器(18)与尾排节气门(17)连接。

进一步地，所述氢气子系统包括氢气喷射器(19)、引射器(20)、入堆氢压传感器(21)、安全阀(22)、阳极分水件(23)及尾排阀(24)，所述氢气喷射器(19)、引射器(20)、入堆氢压传感器(21)、安全阀(22)、燃料电池电堆(1)、阳极分水件(23)与尾排阀(24)依次连接，所述阳极分水件(23)与引射器(20)连接。

进一步地，所述冷却子系统包括散热器(11)、去离子罐(10)与补偿水箱(9)，所述散热器(11)两端分别与所述燃料电池电堆(1)冷却液进、出口端连接，所述去离子罐(10)两端分别与所述补偿水箱(9)及燃料电池电堆(1)冷却液进口端连接，所述补偿水箱(9)还与所述燃料电池电堆(1)冷却液出口端、水泵(8)连接。

进一步地，所述装置还包括尾气回收部，所述尾气回收部与所述尾排阀(24)、所述安全阀(22)、所述尾排节气门(17)及所述电控三通阀(16)连接。

交流阻抗件(2)用以监测电堆阻抗值是否达到低温停机要求值。

引射器(20)可以通过氢气循环泵代替。

电控三通阀(16)可以通过进气阀代替。

预设堆温根据需求进行预设。

实施例2

通过实施例1，本实施例提供了一种无外加热器结构的燃料电池系统吹扫控制方法，包括以下步骤：

首先，燃料电池系统在开机时，会自行检查各子系统通讯及对应各监测传感器原位数值是否正常，然后根据上位机或用户需求，通过FCU控制DCDC对应根据系统设计时标定得到的标准P-I曲线进行电流拉载。

其次，FCU根据接收到的指令进行降载关机操作，一般控制DCDC进行电流卸载，同步控制氢空水路部件响应对应电流下流量和压力需求，FCU在卸载的同时，通过环境温度传感器或者数据云平台发布的日期及天气信息判断燃料电池系统是否需要进行冷吹扫。

若判断结果无需进行冷吹扫，即环境温度和天气信息显示气温会在0度以上，可执行常温吹扫，常温吹扫一般仅需去除电堆内部流道存水即可，因此用低频阻抗作为该步骤的跳出条件，若无在线交流阻抗，也可以通过固定吹扫时间为该步骤的跳出条件，吹扫完成后关机。

若判断结果需要进行冷吹扫，则进一步地判断电堆出口水温T_out是否高于预设标定温度T_set，若是，执行预设冷吹扫策略，若否，进入自加热状态至电堆出口水温高于预设标定温度后执行预设冷吹扫策略。

自加热状态包括降低阴极计量比λ，即在设定电流I下获得一个较低的整体电压值V，目的是为了降低燃料电池电堆电效率，提高对应热效率，同步控制冷却液流量，即控制冷却路小循环冷却液流量实现电堆快速暖机直至堆温达到T_set。

阴极计量比通过不同空气计量比下电堆电流与电堆电压的标定确定，即设定电流I及整体电压值V进行标定确定，对应整体电压值V可根据下列公式确定：

其中，t为设计加热时长，单位为秒，N为电堆片数；

dQ/dT为系统小循环整体热容，可通过材料计算或者实际测试标定而得；

T为实际堆温；V为整体电压，单位为V；I为拉载电流。

执行冷吹扫策略时，即提高空气路流量进行强制吹扫，同时监控整堆在线阻抗R值。

最后，判断电堆在线阻抗值R是否高于预设标定阻抗值R_set；

若是，停止冷吹扫后，接受燃料电池系统的关机指令，若否，继续冷吹扫。

R_set为低温停机要求值，可以根据不同环境温度需求进行变化，目的是为了保证冷吹扫完成但不过分吹扫，进一步提高燃料电池系统的可靠性和寿命。

本实施例可以适配储能装置，同步启动2个或多个以上的机组，综合减小储能装置需求及快速响应需求。

通过上述两个实施例，证实了本实用新型提供的技术方案，可以有效的保障燃料电池系统在没有集成外加热器时，在因前置工况导致停机堆温不足时也可以通过FCU控制电堆自加热及控制加热循环系统冷却液流量，以实现燃料电池系统的正常吹扫，同时通过监测交流阻抗件，以判断吹扫是否完成，在该装置实施过程中，不损害电堆寿命，并且简化了现有燃料电池系统的结构，节约了成本。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统吹扫控制装置，其特征在于：所述装置包括：

燃料电池电堆，

交流阻抗件，设置在所述燃料电池电堆上；

直流电源变换器DCDC，与所述燃料电池电堆连接；

燃料电池控制器FCU，与所述直流电源变换器DCDC连接；

整车控制器VCU，用于将需求功率输入所述FCU；

氢气子系统、空气子系统、冷却子系统，均与所述燃料电池电堆连接；

其中，所述FCU控制燃料电池系统进行常温吹扫或监测堆温大于预设堆温后进行冷吹扫；

所述交流阻抗件用于获取所述燃料电池电堆的在线阻抗值，所述燃料电池系统通过在线阻抗值判断吹扫是否完成；

所述装置还包括加热循环系统，所述加热循环系统与所述燃料电池电堆连接形成加热回路，所述加热循环系统包括节温器与水泵，所述燃料电池电堆通过所述加热循环系统控制循环回路内的冷却液流量及FCU降低燃料电池电堆阴极计量比提升堆温。

2.根据权利1所述的燃料电池系统吹扫控制装置，其特征在于：所述燃料电池电堆冷却液进、出口端上均设置有温度传感器。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统吹扫控制装置，其特征在于：所述燃料电池电堆空气进、出口端上连接有同一个增湿器。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统吹扫控制装置，其特征在于：所述空气子系统包括空滤、流量计、空压机、中冷器、电控三通阀与尾排节气门，所述空滤、流量计、空压机、中冷器与电控三通阀依次连接，所述电控三通阀通过增湿器与燃料电池电堆连接，所述尾排节气门设置在燃料电池电堆空气出口端，所述燃料电池电堆通过增湿器与尾排节气门连接。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统吹扫控制装置，其特征在于：所述氢气子系统包括氢气喷射器、引射器、入堆氢压传感器、安全阀、阳极分水件及尾排阀，所述氢气喷射器、引射器、入堆氢压传感器、安全阀、燃料电池电堆、阳极分水件与尾排阀依次连接，所述阳极分水件与引射器连接。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统吹扫控制装置，其特征在于：所述冷却子系统包括散热器、去离子罐与补偿水箱，所述散热器两端分别与所述燃料电池电堆冷却液进、出口端连接，所述去离子罐两端分别与所述补偿水箱及燃料电池电堆冷却液进口端连接，所述补偿水箱还与所述燃料电池电堆冷却液出口端、水泵连接。

7.根据权利要求4-5任一项所述的燃料电池系统吹扫控制装置，其特征在于：所述装置还包括尾气回收部，所述尾气回收部与所述尾排阀、所述安全阀、所述尾排节气门及所述电控三通阀连接。

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