CN219866589U - 空气阀门、燃料电池系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种空气阀门、燃料电池系统及车辆，该空气阀门应用于燃料电池技术领域，包括：具有密封和解封状态的空气阀板，在密封状态，隔绝气体进入电堆；检测空气阀板是否处于密封状态的检测器，其与空气阀板相连；分别与空气阀板和检测器相连的驱动器，其在对空气阀板施加密封驱动力后，检测到空气阀板未处于密封状态时，重新对空气阀板施加密封驱动力，直至达到密封状态。由此，该空气阀门无需反复修改模具尺寸，节约成本的同时改善维修周期；避免PWM占空比设定过大，造成的空气阀门元器件的损坏；通过增加检测器和控制逻辑实现对空气阀门的密封性检测，解决因阀门密封不严对电堆性能造成影响的问题，从而保证电堆正常运行。

Description

空气阀门、燃料电池系统及车辆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，并且更具体地，涉及燃料电池技术领域中一种空气阀门、燃料电池系统及车辆。

背景技术

燃料电池车辆上装有燃料电池系统，燃料电池组是燃料电池系统的主体，该燃料电池组由阳极(即氢电极或燃料电极)和阴极(即氧电极)构成，通过氢气和氧气相互反应产生电力，为燃料电池车辆进行供电。为了保证电堆的正常运行，燃料电池系统中会安装有空气阀门，其主要功能是实现燃料电池系统运行中进行空气压力调解、启动过程中降低尾排的氢浓度以及停机后空气路密封，以保护电堆可以正常运行，提高电力产生效率。当燃料电池系统需求空气阀门关闭时，FCU(Fuel-cell Control Unit，燃料电池系统控制器)会对空气阀门输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)占空比目标值的指令对空气阀门进行控制，使其关闭，空气阀门关闭后会将阀板的状态信号反馈给FCU，FCU可以根据阀门反馈的信号判断空气阀门是否为正常关闭。

相关技术中，空气阀门只可以通过位置传感器反馈位置信号，当FCU接收到正常的位置信号时，便会判定空气阀门正常关闭。

然而，在位置信号正常时，空气阀板仍可能存在未密封的情况，此时就会有大量气体进入电堆，造成阴极侧压力异常升高，严重时甚至对电堆性能造成影响，亟待解决。

实用新型内容

本实用新型提供了一种空气阀门、燃料电池系统及车辆，该空气阀门无需反复修改模具尺寸，节约成本的同时改善维修周期；避免PWM占空比设定过大，造成的空气阀门中元器件的损坏；通过增加检测器和控制逻辑实现对空气阀门的密封性检测，解决因阀门密封不严对电堆性能造成影响的问题，从而保证电堆正常运行。

第一方面，提供了一种空气阀门，该空气阀门包括：

空气阀板，所述空气阀板具有密封状态和解封状态，其中，在所述密封状态，隔绝气体进入电堆；

检测所述空气阀板是否处于所述密封状态的检测器，所述检测器与所述空气阀板相连；以及

驱动器，所述驱动器分别与所述空气阀板和所述检测器相连，所述驱动器在对所述空气阀板施加密封驱动力后，所述检测器检测到所述空气阀板未处于所述密封状态时，重新对所述空气阀板施加密封驱动力，直至达到所述密封状态。

通过上述技术方案，能够在空气阀门关闭时，通过检测器对空气阀板的密封状态进行检测，以在空气阀板关闭不严时，通过驱动器反复对空气阀板施加密封驱动力，直至空气阀板达到密封状态。

结合第一方面，在某些可能的实现方式中，所述驱动器，包括：

传动装置，所述传动装置由多个齿轮组成，所述传动装置与所述空气阀板相连；

电路集成板，所述电路集成板分别与检测器和燃料电池主控制器FCU相连，所述电路集成板在所述检测器检测到所述空气阀板未处于所述密封状态，发送未封闭信号至FCU，并接收所述FCU基于所述未封闭信号发送的驱动力信号；

驱动电机，所述驱动电机分别与所述传动装置和所述电路集成板相连，所述驱动电机根据所述驱动力信号驱动所述多个齿轮对所述空气阀板施加密封驱动力。

通过上述技术方案，能够在检测器检测到空气阀板未处于密封状态时，通过电路集成板与FCU之间信号的传递，协同控制驱动电机重新对空气阀板施加密封驱动力，直至空气阀板达到密封状态。

结合第一方面，在某些可能的实现方式中，所述检测器，包括：

设置于所述空气阀板的表面的第一水平检测件，所述第一水平检测件检测所述空气阀板的第一水平倾角；

设置于所述电路集成板的倾角传感器，所述倾角传感器与所述第一水平检测件相连，所述倾角传感器在所述水平倾角大于预设角度时判定所述空气阀板未处于所述密封状态。

通过上述技术方案，能够对空气阀板的水平倾角进行检测，将空气阀板的水平倾角存在的偏差值传递给倾角传感器，由此可以检测空气阀板的密封状态。

结合第一方面和上述实现方式，在某些可能的实现方式中，所述检测器，还包括：

设置于所述空气阀板的表面且与所述第一水平检测件对称设置的第二水平检测件，所述第二水平检测件与所述倾角传感器相连，所述第二水平检测组件检测所述空气阀板的第二水平倾角。

通过上述技术方案，设置两个水平检测组件不仅能够更精确地判断空气阀板的水平倾角，还可以使空气阀板处于平衡状态。

结合第一方面和上述实现方式，在某些可能的实现方式中，所述空气阀门，还包括：

检测所述空气阀板实时位置的位置检测组件，所述位置检测组件分别与所述空气阀板和所述驱动器相连。

通过上述技术方案，能够对空气阀板的实时位置进行检测，结合倾角传感器的角度信号，对空气阀板是否处于密封状态进行综合判断，以提高密封检测的精确性。

结合第一方面和上述实现方式，在某些可能的实现方式中，所述位置检测组件为位置传感器。

通过上述技术方案，能够将空气阀板的实时位置信号传递至驱动器，以便于对空气阀板的密封性进行综合判断。

结合第一方面和上述实现方式，在某些可能的实现方式中，所述空气阀门，还包括：

用于与所述空气阀板形所述密封状态的阀座，所述阀座上设有凹槽；

设置于所述空气阀板顶部的阀板轴，所述阀板轴抵靠在凹槽内，使得所述阀座与所述空气阀板形成所述密封状态。

通过上述技术方案，能够通过阀座与阀板轴辅助空气阀门处于密封状态，进一步增强空气阀门的密封性。

结合第一方面和上述实现方式，在某些可能的实现方式中，所述空气阀门，还包括：

设置于所述空气阀板与所述阀座之间的密封件，所述密封件用于隔绝气体进入电堆。

通过上述技术方案，能够在空气阀门处于密封状态时，隔绝气体进入电堆，从而保护电堆性能。

第二方面，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：如第一方面或第一方面任意一种可能的实现方式中所述的空气阀门。

第三方面，提供一种车辆，包括如第二方面所述的燃料电池系统。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例提供的空气阀门的方框示意图；

图2是根据本实用新型的一个实施例的针对空气阀门密封性检测及修正策略的流程图；

图3是根据本实用新型的一个实施例的空气阀门的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、详尽地描述。其中，在本实用新型实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B：文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本实用新型实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为暗示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。

可以理解的是，在燃料电池系统中进行电解反应时，氧化气体中的氮气、水以及潮湿水蒸气会一起从阴极穿过电解膜流到阳极一侧，因此，氮气和水蒸气(即反应后的废气)的局部压力增大，从而影响电堆性能。空气阀门在燃料电池系统中的主要功能是实现燃料电池系统运行中调节空气压力、启动过程中降低尾排的氢浓度以及停机后空气路密封从而保护电堆。当燃料电池系统需求空气阀门关闭时，FCU会对空气阀门输出PWM占空比目标值的指令对空气阀门进行控制，使其关闭，空气阀门关闭后会将阀板的状态信号反馈给FCU，FCU可以根据阀门反馈的信号判断空气阀门是否为正常关闭。

传统的控制方案中，空气阀门只会反馈位置信号，当FCU接收到位置信号正常时，便会判定空气阀门正常关闭，如果空气阀门存在设计、装配偏差或驱动力不足的问题时，此时空气阀门实际是处于未完全密封状态，系统依然继续工作，就会有大量气体进入电堆，造成阴极侧压力异常升高，严重时会对电堆性能造成影响。面对空气阀门关闭不严的问题，传统方案中一方面会反复修改模具，但是这会造成成本的增加以及周期的延长；另一方面会通过提高PWM占空比来增大驱动力，然而，当占空比增大后，电流也会随之增大，由此便可能造成元器件的损坏，从而造成空气阀门故障，可见以上两方面均不能从根本上解决空气阀门密封的问题。

接下来将对本实用新型实施例的应用场景或系统架构予以说明。

一般情况下，本实用新型实施例提出的空气阀门，通过空气阀板可以在其密封状态时，隔绝气体进入电堆；通过与空气阀板相连的检测器检测空气阀板是否处于密封状态，通过分别与空气阀板和检测器相连的驱动器，在对空气阀板施加密封驱动力后，检测器检测到空气阀板未处于密封状态时，重新对空气阀板施加密封驱动力，直至达到密封状态。由此，通过增加检测器实现对空气阀门的密封性检测，避免阀门密封不严对电堆性能造成的影响；避免反复修改模具，节约成本的同时改善了维修周期；避免了PWM占空比设定过大，造成的空气阀门中元器件的损坏；通过增加检测器和控制逻辑，可以提高控制精度，减低故障风险，以保证空气阀门的功能要求。

在对本实用新型实施例提供的空气阀门进行解释说明之前，先对本实用新型实施例涉及的燃料电池系统的结构进行说明。

一个完整的燃料电池供气系统(阴极)，通常包括：

(1)空气滤清器：用于过滤大气中的杂质和有害气体；

(2)空气流量传感器：用于控制空气的流量、压力等关键参数；

(3)空压机：用于压缩进入电堆的空气，提高空气的压强和密度，从而提升燃料电池的系统功率；

(4)中冷器：用于降低进入电堆的空气温度和提高相对湿度；

(5)加湿器：用于对空气进行适量加湿，利用排出的较湿的空气湿润交换膜；

(6)前后截止阀：用于封闭电堆阴极回路，防止不断有空气陆续进入电堆，影响电堆寿命；

(7)旁通阀：用于稀释尾排的氢气浓度，并在低流量时防止空压机出现喘振；

(8)背压阀：用于调节进堆压力。

需要说明的是，空气阀门的应用包括前后截止阀、旁通阀和背压阀，其结构及控制原理基本相似。

具体地，空气阀门的工作原理主要是根据车辆的行驶及燃料电池运行状况，FCU可以提高PWM信号给空气阀门，空气阀门内部的驱动器驱动电机带动齿轮组传递到阀板进行不同角度的开启来控制进气量，同时阀门位置传感器可以采集阀板的位置信号并反馈给FCU，进行开启阀门角度位置的判定和调整，断电后，空气阀门将完全关闭。然而，如果空气阀门关闭不严，会造成阴极侧压力异常升高，严重时会对电堆性能造成影响，造成空气阀门不严的原因主要有两方面，一方面因为尺寸设计和制造误差带来的影响，另一方面的原因可能是阀门接收到关闭指令后，由于驱动力不足，阀门并没有真正意义上呈封闭状态，可能存在一定的倾斜角度。

本实用新型实施例提供的一种空气阀门，便可以解决因尺寸设计误差或驱动力不足导致的空气阀门密封不严的问题。

图1是本实用新型实施例提供的一种空气阀门的装置示意图。

示例性的，如图1所示，该空气阀门10包括：空气阀板100、检测器200和驱动器300。

其中，空气阀板100具有密封状态和解封状态，其中，在密封状态，隔绝气体进入电堆；检测器200与空气阀板100相连，用于检测空气阀板100是否处于密封状态；驱动器300分别与空气阀板100和检测器200相连，驱动器300在对空气阀板100施加密封驱动力后，检测器200检测到空气阀板100未处于密封状态时，重新对空气阀板100施加密封驱动力，直至达到密封状态。

具体地，图2为本实用新型的一个实施例的针对空气阀门密封性检测及修正策略的流程图，如图2所示，当燃料电池系统需求空气阀门10关闭时，FCU会对空气阀门10输出PWM占空比目标值的指令，控制空气阀门10使其关闭，空气阀门10关闭后，可以通过检测器200检测空气阀板100是否处于密封状态，即检测器200可以对空气阀板100的水平倾角和实时位置进行检测，并将空气阀板100的水平倾角信号和位置信号反馈给FCU，FCU便可以根据空气阀门10反馈的水平倾角信号和位置信号，对空气阀门10是否为正常关闭进行判断，若反馈的水平倾角信号和位置信号均正常，则判定空气阀门10正常关闭，反之，若水平倾角信号异常，则判定空气阀门10未正常关闭，FCU在接收到异常信号后可以重新发送PWM占空比指令，以对空气阀板100重新施加密封驱动力，直至空气阀板100达到密封状态。

其中，FCU即燃料电池系统的主控制器，用于采集和处理系统所有传感器、执行器的状态及反馈数据，以对系统状态进行调节；PWM占空比指的是一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例，单位一般用％表示。

可选地，驱动器300，包括：传动装置、电路集成板和驱动电机，其中，传动装置由多个齿轮组成，与空气阀板100相连；电路集成板分别与检测器200和燃料电池主控制器FCU相连，电路集成板在检测器200检测到空气阀板100未处于密封状态时，发送未封闭信号至FCU，并接收FCU基于未封闭信号发送的驱动力信号；驱动电机分别与传动装置和电路集成板相连，驱动电机根据驱动力信号驱动多个齿轮对空气阀板100施加密封驱动力。

具体地，当检测器200检测到空气阀板100未处于密封状态时，电路集成板可以将未封闭信号(即异常信号)发送至FCU，同时接收FCU基于未封闭信号所发送的驱动力信号(即PWM占空比指令)，驱动电机便可以基于此驱动力信号驱动多个齿轮(即传动装置)对空气阀板100重新施加密封驱动力，直至空气阀板100达到密封状态。

可选地，检测器200包括：第一水平检测件和倾角传感器，其中，设置于空气阀板100的表面的第一水平检测件，用于检测空气阀板100的第一水平倾角；设置于电路集成板的倾角传感器与第一水平检测件相连，倾角传感器在水平倾角大于预设角度时判定空气阀板100未处于密封状态。

可选地，检测器200还包括：设置于空气阀板100的表面且与第一水平检测件对称设置的第二水平检测件，第二水平检测件与倾角传感器相连，第二水平检测组件检测空气阀板100的第二水平倾角。

其中，预设角度可以是本领域技术人员预先设定好的角度，也可以是通过有限次实验获取的角度，还可以是经过有限次计算机仿真得到的角度，此处不做具体限定。

具体地，本实用新型实施例在空气阀板100上新增加了水平检测装置，即第一水平检测件和第二水平检测件，由质地较薄的贴片组成，且二者关于空气阀板100成对称设置，用于检测空气阀板100的水平倾角，分别记为第一水平倾角和第二水平角；此外，该实施例还增设了倾角传感器(如霍尔传感器)，与第一水平检测件和第二水平检测件相连，当检测出水平倾角大于预设角度(如水平倾角大于5°)，即表明空气阀板100关闭不严，第一水平检测件和第二水平检测件便可以将倾角偏差值传递给倾角传感器，由此，倾角传感器判定空气阀板100关闭状态异常，即表明空气阀板100未处于密封状态。

可以理解的是，由于倾角传感器质量较大，本实用新型实施例将倾角传感器设置在驱动器300的电路集成板上，水平检测装置设置在空气阀板100上，通过水平检测装置将倾角偏差信号传递给倾角传感器，以避免倾角传感器直接安装在空气阀板100上，因自身质量过大对空气阀板100的密封性能造成影响，两个水平检测件不仅可以更加精确地判断水平倾角，还可以使空气阀板100保持平衡状态。

可选地，空气阀门10还包括：检测空气阀板100实时位置的位置检测组件，位置检测组件分别与空气阀板100和驱动器300相连。

其中，位置检测组件为位置传感器。

可以理解的是，为保证反馈给FCU的空气阀板100的状态信号更加准确，本实用新型实施例除了设置倾角传感器反馈空气阀板100的水平倾角信号给FCU外，还设置了位置检测组件(即位置传感器)，可以实时检测空气阀板100的位置，并将空气阀板100的位置信号反馈给FCU，从而增加空气阀门10密封性检测的准确性，降低故障风险。

可选地，空气阀门10还包括：阀座和阀板轴，其中，阀座上设有凹槽，用于与空气阀板100形密封状态；阀板轴设置于空气阀板100顶部，阀板轴抵靠在凹槽内，使得阀座与空气阀板100形成密封状态。

可以理解的是，阀座上设有凹槽，设置于空气阀板100顶部的阀板轴抵靠在凹槽内，可以在空气阀门10进行关闭时，辅助阀座与空气阀板100形成密封状态。

可选地，空气阀门10还包括：设置于空气阀板100与阀座之间的密封件，密封件用于隔绝气体进入电堆。

具体地，空气阀门10与阀座之间还设置有密封件，在空气阀门10处于密封状态时，隔绝气体进入电堆，从而保护电堆性能。

为便于本领域技术人员进一步了解本实用新型实施例提出的空气阀门，下面结合图3做进一步说明。

示例性的，图3为根据本实用新型的一个实施例的空气阀门的结构示意图，如图3所示，该空气阀门10包括：空气阀板100、驱动器300，其中，驱动器300由驱动电机、传动装置、电路集成板、位置传感器和安装在电路集成板上的倾角传感器组成；阀座400、阀板轴500、壳体600、密封结构700(即密封件)和第一水平检测件201与第二水平检测件202组成的水平检测装置。

需要说明的是，与传统的空气阀门相比，本实用新型实施例增加了水平检测装置，该水平检测装置由两个厚度很薄，质量很轻的贴片组成，可以检测空气阀板100未处于密封状态时的水平倾角的偏差，并传递给倾角传感器；执行器中增加的倾角传感器，可以检测平面度、直线段和水平情况，在该实施例中主要用于检测空气阀门10的密封性能。

综上，本实用新型提出的空气阀门，通过空气阀板可以在其密封状态时，隔绝气体进入电堆；通过与空气阀板相连的检测器检测空气阀板是否处于密封状态，通过分别与空气阀板和检测器相连的驱动器，在对空气阀板施加密封驱动力后，检测器检测到空气阀板未处于密封状态时，重新对空气阀板施加密封驱动力，直至达到密封状态。由此，该空气阀门无需反复修改模具尺寸，节约成本的同时改善维修周期；避免PWM占空比设定过大，造成的空气阀门中元器件的损坏；通过增加检测器和控制逻辑实现对空气阀门的密封性检测，解决因阀门密封不严对电堆性能造成影响的问题，从而保证电堆正常运行。

其次，本实用新型实施例提供一种燃料电池系统，其包括图1实施例的空气阀门。

本实用新型提出的燃料电池系统，通过空气阀门，避免了反复修改模具尺寸，节约成本的同时改善维修周期；避免PWM占空比设定过大，造成的空气阀门中元器件的损坏；通过增加检测器和控制逻辑实现对空气阀门的密封性检测，解决因阀门密封不严对电堆性能造成影响的问题，从而保证电堆正常运行。

此外，本实用新型实施例还提供一种车辆，其包括上述的燃料电池系统。

本实用新型提出的车辆，通过燃料电池系统，避免了反复修改模具尺寸，节约成本的同时改善维修周期；避免PWM占空比设定过大，造成的空气阀门中元器件的损坏；通过增加检测器和控制逻辑实现对空气阀门的密封性检测，解决因阀门密封不严对电堆性能造成影响的问题，从而保证电堆正常运行。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上内容，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种空气阀门，其特征在于，包括：

空气阀板，所述空气阀板具有密封状态和解封状态，其中，在所述密封状态，隔绝气体进入电堆；

检测所述空气阀板是否处于所述密封状态的检测器，所述检测器与所述空气阀板相连；以及

驱动器，所述驱动器分别与所述空气阀板和所述检测器相连，所述驱动器在对所述空气阀板施加密封驱动力后，所述检测器检测到所述空气阀板未处于所述密封状态时，重新对所述空气阀板施加密封驱动力，直至达到所述密封状态。

2.根据权利要求1所述的空气阀门，其特征在于，所述驱动器，包括：

传动装置，所述传动装置由多个齿轮组成，所述传动装置与所述空气阀板相连；

电路集成板，所述电路集成板分别与检测器和燃料电池主控制器FCU相连，所述电路集成板在所述检测器检测到所述空气阀板未处于所述密封状态，发送未封闭信号至FCU，并接收所述FCU基于所述未封闭信号发送的驱动力信号；

驱动电机，所述驱动电机分别与所述传动装置和所述电路集成板相连，所述驱动电机根据所述驱动力信号驱动所述多个齿轮对所述空气阀板施加密封驱动力。

3.根据权利要求2所述的空气阀门，其特征在于，所述检测器，包括：

设置于所述空气阀板的表面的第一水平检测件，所述第一水平检测件检测所述空气阀板的第一水平倾角；

设置于所述电路集成板的倾角传感器，所述倾角传感器与所述第一水平检测件相连，所述倾角传感器在所述水平倾角大于预设角度时判定所述空气阀板未处于所述密封状态。

4.根据权利要求3所述的空气阀门，其特征在于，所述检测器，还包括：

设置于所述空气阀板的表面且与所述第一水平检测件对称设置的第二水平检测件，所述第二水平检测件与所述倾角传感器相连，所述第二水平检测件检测所述空气阀板的第二水平倾角。

5.根据权利要求1所述的空气阀门，其特征在于，还包括：

检测所述空气阀板实时位置的位置检测组件，所述位置检测组件分别与所述空气阀板和所述驱动器相连。

6.根据权利要求5所述的空气阀门，其特征在于，所述位置检测组件为位置传感器。

7.根据权利要求1所述的空气阀门，其特征在于，还包括：

用于与所述空气阀板形所述密封状态的阀座，所述阀座上设有凹槽；

设置于所述空气阀板顶部的阀板轴，所述阀板轴抵靠在凹槽内，使得所述阀座与所述空气阀板形成所述密封状态。

8.根据权利要求7所述的空气阀门，其特征在于，还包括：

设置于所述空气阀板与所述阀座之间的密封件，所述密封件用于隔绝气体进入电堆。

9.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8中任一项所述的空气阀门。

10.一种车辆，其特征在于，包括：如权利要求9所述的燃料电池系统。