CN109411784A - 一种商用车燃料电池发动机供气*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种商用车燃料电池发动机供气***，包括内阻检测器、控制器、燃料电池电堆、氢气供给***和空气供给***。本发明的商用车燃料电池发动机供气***实现了氢气的循环利用，可对氢气和空气的供给流量和压力进行精确控制，保证燃料电池能够持续、稳定的发电。同时本发明可以对燃料电池电堆的内阻进行检测并判断质子交换膜湿度，通过调节尾排阀和增湿阀的开度，有效的对燃料电池内部进行水管理，提高了燃料电池效率和输出性能。

Description

一种商用车燃料电池发动机供气***
技术领域
本发明属于燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种商用车燃料电池发动机供气***。
背景技术
燃料电池发动机是燃料电池汽车的主要动力源，它是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。它的核心部件是由多个单电池串联组成的燃料电池堆，还装有氢气供给***、空气供给***、水热管理***和控制***等。只有这些辅助***匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机的正常运转。氢气供给***和空气供给***为电堆发电提供足够的氧化剂和还原剂，氢氧之间发生的电化学反应受到气体流量和气体压力的影响，这两个***需要在电堆工作时能够提供足够的反应气体流量和压力以满足其运行要求。
此外，燃料电池发电是水伴生的电化学反应，燃料电池内部反应生成的水以气态和液态存在于燃料电池中，其状态和含量与电池的性能直接相关。电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，水含量太少会导致膜干化，燃料电池内阻增大；若反应生成的过量的水没有及时排除，又会导致阴极水淹，降低反应效率，因此需要对燃料电池内部进行有效的水管理。燃料电池的内阻与质子交换膜的湿度之间存在着很大的关系，通过对电堆内阻的检测可以对膜的湿度进行估计。
发明内容
为满足燃料电池对持续稳定供气的需求，解决电堆内部湿度过低或水淹的问题，本发明提供一种商用车燃料电池发动机供气***。
本发明的商用车燃料电池发动机供气***，包括内阻检测器、控制器、燃料电池电堆、氢气供给***和空气供给***。
所述燃料电池电堆内部具有氢气和空气的流通通道以及氢气和空气的进口、出口。
所述氢气供给***包括储氢设备、减压阀、进气电磁阀、比例电磁阀、氢气压力传感器、气水分离器、排水阀、氢循环泵和止回阀，所述储氢设备管路连接减压阀、减压阀管路连接进气电磁阀、进气电磁阀管路连接比例电磁阀、比例电磁阀管路连接氢气压力传感器、氢气压力传感器管路连接到燃料电池电堆氢气进口；所述气水分离器具有进气口、出气口及出水口；所述燃料电池电堆氢气出口管路连接气水分离器进气口、气水分离器出气口管路连接氢循环泵、氢循环泵管路连接止回阀；所述止回阀管路连接到比例电磁阀与氢气压力传感器之间的管路上；所述气水分离器出水口连接有排水阀；所述储氢设备包括高压储氢瓶和一级减压装置。
所述空气供给***包括空气过滤器、空气流量计、空压机、中冷器、加湿器、空气温度传感器、空气压力传感器、增湿阀、尾排阀和背压阀；所述空气过滤器依次管路连接空气流量计、空压机、中冷器、加湿器、空气温度传感器、空气压力传感器，所述空气压力传感器另一端管路连接到燃料电池电堆空气进口；所述加湿器具有湿空气入口、尾气出口；所述空气排放管路一端与燃料电池电堆的空气出口相连，另一端管路并联有增湿阀和尾排阀，增湿阀的另一端与加湿器的湿空气入口相连；所述加湿器的尾气出口管路连接有背压阀，所述尾排阀的另一端管路的连接于加湿器与背压阀之间的管路上。
所述内阻检测器与燃料电池电堆通过电气连接。
所述控制器与内阻检测器、氢气供给***中的进气电磁阀、比例电磁阀、氢气压力传感器、排水阀、氢循环泵、空气供给***中的空气流量计、空压机、空气温度传感器、空气压力传感器、增湿阀、尾排阀和背压阀通过电气连接。
有益效果：本发明的商用车燃料电池发动机供气***实现了氢气的循环利用，可对氢气和空气的供给流量和压力进行精确控制，保证燃料电池能够持续、稳定的发电。同时本发明可以对燃料电池电堆的内阻进行检测并判断质子交换膜湿度，通过调节尾排阀和增湿阀的开度，有效的对燃料电池内部进行水管理，提高了燃料电池效率和输出性能。
附图说明
图1为本发明商用车燃料电池供气***示意图。
图中：1-储氢设备，2-减压阀，3-进气电磁阀，4-比例电磁阀，5-氢气压力传感器，6-气水分离器，7-排水阀，8-氢循环泵，9-止回阀，10-空气过滤器，11-空气流量计，12-空压机，13-中冷器，14-加湿器，15-空气温度传感器，16-空气压力传感器、17-增湿阀，18-尾排阀，19-背压阀，20-燃料电池电堆，21-内阻检测器，22-控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的燃料电池发动机供气***做进一步说明：
图1中，实线用于表示气体管路连接；实线上箭头用于示意管路中气体流向；虚线用于表示电路连接；虚线上箭头用于示意电路中信号传输方向。
本发明的燃料电池发动机供气***，包括燃料电池电堆20、内阻检测器21、控制器22、氢气供给***和空气供给***。
氢气供给***包括储氢设备1、减压阀2、进气电磁阀3、比例电磁阀4、氢气压力传感器5、气水分离器6、排水阀7、氢循环泵8和止回阀9；空气供给***包括空气过滤器10、空气流量计11、空压机12、中冷器13、加湿器14、空气温度传感器15、空气压力传感器16、增湿阀17、尾排阀18、背压阀19。
所述燃料电池电堆20内部具有氢气和空气的流通通道以及氢气和空气的进口、出口；所述氢气供给***和空气供给***分别与燃料电池电堆20通过气体管路连通；所述内阻检测器21与燃料电池电堆20通过电气连接；所述控制器22与内阻检测器21、氢气供给***中的进气电磁阀3、比例电磁阀4、氢气压力传感器5、排水阀7、氢循环泵8、空气供给***中的空气流量计11、空压机12、空气温度传感器15、空气压力传感器16、增湿阀17、尾排阀18、背压阀19通过电气连接。
所述氢气供给***中的储氢设备1包括高压储氢瓶和一级减压装置。
所述气水分离器6具有进气口、出气口和出水口。
如图1所示，所述储氢设备1与氢气进气管路前端连通，氢气进气管路末端与燃料电池电堆20的氢气进口连通；所述氢气进气管路沿氢气流动方向依次安装有减压阀2、进气电磁阀3、比例电磁阀4、氢气压力传感器5；所述氢气排放管路的一端与燃料电池电堆20的氢气出口连通，另一端与气水分离器6的进气口连通；气水分离器6的出气口依次管路连接氢循环泵8和止回阀9，止回阀9管路连接到比例电磁阀4与氢气压力传感器5之间的管路上；所述气水分离器6的出水口连接有排水阀7，所述排水阀7连接到排水管路上。
所述空气供给***中的空气进气管路末端与燃料电池电堆20的空气进口相连；所述空气进气管路沿着空气进气方向依次安装有空气过滤器10、空气流量计11、空压机12、中冷器13、加湿器14、空气温度传感器15、空气压力传感器16；所述加湿器14具有湿空气入口、尾气出口；所述空气排放管路一端与燃料电池电堆20的空气出口相连，另一端管路并联有增湿阀17和尾排阀18，增湿阀17的另一端与加湿器14的湿空气入口相连；所述加湿器14的尾气出口管路连接有背压阀19，所述尾排阀18的另一端管路的连接于加湿器14与背压阀19之间的管路上。
当燃料电池发动机启动时，氢气供给***中的减压阀2将储氢装置1中的高压氢气减压到燃料电池电堆20的需求压力，同时进气电磁阀3打开，氢气压力传感器5采集燃料电池电堆20氢气入口处的压力信号反馈给控制器22，控制器22根据返回信号控制比例电磁阀4的开度和氢循环泵8的转速，从而增大或减小进入燃料电池电堆20反应的氢气压力和流量，保证氢气在燃料电池电堆20中的反应浓度，有利于燃料电池稳定的发电；未反应的氢气由燃料电池电堆20的氢气出口进入气水分离器6中，经气水分离器6的作用分离出氢气中的液态水以及废气进入排水阀7，控制器22控制排水阀7每隔一段时间开启排出水和废气，避免进入电堆的氢气湿度过高造成水淹，防止水和氮气在氢气回路中的积累；在氢循环泵8的作用下经过气水分离器6处理后的未反应的氢气经管路、经单向阀9重新回到氢气进气管路中被循环利用，所述单向阀9可在氢循环泵8不工作时，防止氢气出现倒流。
当燃料电池发动机启动时，空气经空气过滤器10过滤后进入管道，空气流量计11、空气压力传感器16采集空气流量和压力信号反馈给控制器22，控制器22根据流量和压力信号对空压机12转速和背压阀19开度进行调节控制，精准控制空气在燃料电池电堆20中的流量和压力，保证燃料电池的发电效率；空气过滤器10可过滤掉空气中的颗粒物、硫化物和一氧化碳等有害气体，防止空气流道的堵塞以及催化剂的中毒；中冷器13将空气温度冷却到电堆许可进气温度，同时空气温度传感器15对电堆进口空气温度进行实时监测；内阻检测器21对燃料电池电堆20的内阻进行检测并确定质子交换膜的湿度，控制器22根据燃料电池电堆的内阻调节增湿阀17和尾排阀18的开度，若湿度过低，则减小或关闭尾排阀18，同时增加增湿阀17的开度，将更多反应后的尾排空气中的水分和热量通过加湿器14对进入电堆的干燥气体进行加湿；若湿度过高，则增加尾排阀18的开度，同时减小或关闭增湿阀17的开度，将电池电堆20反应后的尾排空气中的水分经尾排阀18、背压阀19排出，进而防止电堆水淹影响输出功率。
本发明的商用车燃料电池发动机供气***可对进气压力和流量进行精准控制，保证燃料电池持续稳定的发电，同时通过对燃料电池电堆内阻的检测和控制，实现燃料电池内部的湿度调节，提高了燃料电池发电效率，并为关机吹扫除水和低温启动时膜内水含量检测和控制提供有力手段。

Claims (2)

1.一种商用车燃料电池发动机供气***，其特征在于：包括：燃料电池电堆(20)、内阻检测器(21)、控制器(22)、氢气供给***和空气供给***，
所述燃料电池电堆(20)内部具有氢气和空气的流通通道以及氢气和空气的进口、出口；
所述氢气供给***包括储氢设备(1)、减压阀(2)、进气电磁阀(3)、比例电磁阀(4)、氢气压力传感器(5)、气水分离器(6)、排水阀(7)、氢循环泵(8)和止回阀(9)，所述储氢设备(1)管路连接减压阀(2)、减压阀(2)管路连接进气电磁阀(3)、进气电磁阀(3)管路连接比例电磁阀(4)、比例电磁阀(4)管路连接氢气压力传感器(5)、氢气压力传感器(5)管路连接到燃料电池电堆(20)氢气进口；所述气水分离器(6)具有进气口、出气口、出水口；所述燃料电池电堆(20)氢气出口管路连接气水分离器(6)进气口，气水分离器(6)出气口管路连接氢循环泵(8)，氢循环泵(8)管路连接止回阀(9)；所述止回阀(9)管路连接到比例电磁阀(4)与氢气压力传感器(5)之间的管路上；所述气水分离器(6)出水口管路连接有排水阀(7)，所述排水阀(7)连接到排水管路上；
所述空气供给***包括空气过滤器(10)、空气流量计(11)、空压机(12)、中冷器(13)、加湿器(14)、空气温度传感器(15)、空气压力传感器(16)、增湿阀(17)、尾排阀(18)和背压阀(19)；所述空气过滤器(10)依次管路连接空气流量计(11)、空压机(12)、中冷器(13)、加湿器(14)、空气温度传感器(15)、空气压力传感器(16)，所述空气压力传感器(16)另一端管路连接到燃料电池电堆(20)空气进口；所述加湿器(14)具有湿空气入口、尾气出口；所述空气排放管路一端与燃料电池电堆(20)的空气出口相连，另一端管路并联有增湿阀(17)和尾排阀(18)，增湿阀(17)的另一端与加湿器(14)的湿空气入口相连；所述加湿器(14)的尾气出口管路连接有背压阀(19)，所述尾排阀(18)的另一端管路的连接于加湿器(14)与背压阀(19)之间的管路上；
所述内阻检测器(21)与燃料电池电堆(20)通过电气连接；
所述控制器(22)与内阻检测器(21)、氢气供给***中的进气电磁阀(3)、比例电磁阀(4)、氢气压力传感器(5)、排水阀(7)、氢循环泵(8)、空气供给***中的空气流量计(11)、空压机(12)、空气温度传感器(15)、空气压力传感器(16)、增湿阀(17)、尾排阀(18)和背压阀(19)通过电气连接。
2.如权利要求1所述商用车燃料电池发动机供气***，其特征在于：所述储氢设备(1)包括高压储氢瓶和一级减压装置。
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