一种燃料电池空气系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池空气系统。


背景技术：

2.燃料电池电堆排出的尾排气体温度通常在60摄氏度至90摄氏度之间，绝对压力在120kpa至280kpa之间，当前较为先进的技术是采用膨胀机进行能量回收。为节省空间、降低部件复杂度，常见的燃料电池空气系统是将空压机、控制电机、膨胀机三者同轴连接；经由控制电机驱动空压机压轮旋转，电堆排出气体驱动膨胀机旋转，减少电机扭矩，由此实现部分能量回收。
3.但是，燃料电池系统实车运行工况多变，包括启动、运行、变载、吹扫、待机等瞬态过程；运行环境条件多变，有可能经历最低零下40度的低温环境，高达60度以上的高温环境。燃料电池空气尾排气体中含有大量水汽，在低温条件下，尤其是低温冷启动条件下，水汽析出形成液态水发生结冰。按照现有技术的空气系统架构，液态水结冰可能导致膨胀机卡滞，由此造成空压机不能正常工作、进而造成燃料电池系统启动失效。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种燃料电池空气系统，该系统在低温条件下，尤其是低温冷启动条件下能够有效避免膨胀机卡滞导致的启动失败，有效拓宽了燃料电池系统的可靠性和适用范围。具体说明如下：
5.一种燃料电池空气系统，其基本构成包括空压机、中冷器、增湿器、燃料电池电堆、分水结构和膨胀机。
6.根据燃料电池空气系统中空气的输送路径，可以分为空气入堆管路和空气尾排管路两部分。在空气入堆管路上，至少设置有空压机、中冷器、增湿器，空气经过空压机压缩后进入中冷器冷却降温，再进入增湿器提高湿度后，进入燃料电池电堆参与电化学反应；在空气尾排管路上，至少设置有分水结构、膨胀机，从燃料电池电堆排出的湿空气先进入增湿器对入堆空气进行增湿，然后进入分水结构进行气液分离，最后进入膨胀机做功回收能量后排出。
7.所述空压机的出气管路上设置有三通阀，所述三通阀的第一出口连接至所述中冷器，第二出口连接至所述膨胀机的进气管路，从而形成从空压机直接连通至膨胀机的高温空气旁路，允许将空压机输出的高温空气的至少一部分直接输送至膨胀机。
8.所述膨胀机和空压机同轴设置，并且二者之间设置有驱动电机和电磁离合器，所述膨胀机的进气管路或膨胀机内部设置有第一温度传感器，所述电磁离合器根据第一温度传感器的监测结果执行断开或闭合动作。
9.进一步的，所述空压机的进气管路上设置有空气过滤器和流量计。
10.进一步的，所述燃料电池电堆的空气尾排管路上设置有尾排节气门。
11.进一步的，所述三通阀的第二出口根据所述第一温度传感器的监测结果执行开启
或关闭动作。优选的，所述三通阀的第二出口的开度根据所述第一温度传感器的监测结果进行调整，以便根据监测结果更准确的调控高温空气在第一出口和第二出口之间的分配情况。更优选的，所述空压机的出口管路上设置有第二温度传感器，所述三通阀的第二出口的开度根据所述第一温度传感器和第二温度传感器的监测结果进行调整，以便更准确的实现对膨胀机的温度控制。
12.在上述燃料电池空气系统的控制方法，包括：
13.读取第一温度传感器的监测结果并与预设阈值进行对比，当监测结果低于预设阈值时，使电磁离合器执行断开动作，从而停止防止膨胀机可能发生的结冰卡滞影响空压机的正常工作；当监测结果高于预设阈值时，使电磁离合器执行闭合动作，从而继续利用膨胀机回收能量并辅助空压机工作。具体的，使电磁离合器执行断开动作的预设阈值和使电磁离合器执行闭合动作的预设阈值可以相同也可以不同，本实用新型对此不作特殊的限制。
14.进一步的，当第一温度传感器的监测结果低于预设阈值时，使三通阀的第二出口开启，从而将空压机产生的高温空气直接输送至膨胀机的进气管路中，利用高温空气对膨胀机进行加热升温，避免可能发生的结冰或者消除膨胀机的结冰卡滞状态。具体的，使三通阀的第二出口开启的预设温度阈值可以根据实际需要进行设置，可以与电磁离合器执行断开/闭合动作的温度阈值相同或不同，本实用新型对此不作特殊的限制。
15.进一步的，三通阀的第二出口的开度能够根据所述第一温度传感器的监测结果进行调整，以便将膨胀机的温度控制在设计范围内。
16.更进一步的，三通阀的第二出口的开度能够根据所述第一温度传感器和第二温度传感器的监测结果进行调整，以便将膨胀机的温度更准确的控制在设计范围内。
17.本实用新型提供的燃料电池空气系统及其控制方法能够在温度过低的情况下利用离合器断开空压机和膨胀机的同轴状态，避免膨胀机因为低温结冰影响空压机的正常工作，并且还能够能够在必要时直接向膨胀机供应高温空气防止或消除结冰，从而使得该燃料电池空气系统在低温条件下，尤其是低温冷启动条件下能够有效避免膨胀机卡滞导致的启动失败，有效拓宽了燃料电池系统的可靠性和适用范围。
附图说明
18.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
19.图1给出了实施例中燃料电池空气系统的示意图；
20.图2给出了实施例中燃料电池空气系统的控制方法流程图。
21.附图标记说明：1-空滤；2-流量计；3-空压机；4-三通阀；5-中冷器；6-增湿器；7-燃料电池电堆；8-分水结构；9-膨胀机；10-驱动电机；11-电磁离合器；12-高温空气旁路；13-第一温度传感器；14-第二温度传感器。
具体实施方式
22.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，
提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
23.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
24.如图1所示，本实用新型的具体实施方式提供了一种燃料电池空气系统，包括空滤1、流量计2、空压机3、三通阀4、中冷器5、增湿器6、燃料电池电堆7、分水结构8和膨胀机9，在空压机3和膨胀机9之间设置有驱动电机10和电磁离合器11。
25.空滤1、流量计2、空压机3、三通阀4、中冷器5、增湿器6设置在燃料电池电堆7的空气入堆管路上。其中，空压机3由驱动电机10驱动，并且膨胀机9利用其回收的能量辅助空压机3工作，空压机3的出口管路上设置有第二温度传感器14；三通阀4的第一出口连接至中冷器5，第二出口直接连接至膨胀机9的进气管路；中冷器5利用冷却介质对空压机3产生的高温空气进行冷却降温，冷却介质的循环系统在此不作详述；增湿器6则是利用燃料电池电堆7排出的湿空气对入堆空气进行增湿，以符合燃料电池电堆7的工作要求。
26.分水结构8、膨胀机9则设置在燃料电池电堆7的空气尾排管路上。从燃料电池电堆7排出的湿空气首先进入增湿器6对对入堆空气进行增湿，然后进入分水结构8（例如常规的气液分离器）进行气液分离；分离后的气相部分进入膨胀机9做功回收能量，最后从燃料电池空气系统中排出。
27.特别的，膨胀机9内部设置有第一温度传感器13，当监测发现温度低于预设的第一阈值时，控制装置（未示出）则使电磁离合器11执行断开动作，以免膨胀机9的异常状态影响空压机3的正常工作；当监测发现温度高于预设的第一阈值时，再使电磁离合器11执行闭合动作。
28.三通阀4的第二出口直接连接至膨胀机9的进气管路，从而形成了从空压机3直接连通至膨胀机9的高温空气旁路12。在正常的工作状态下，三通阀4的第一出口处于开启状态，第二出口处于关闭状态，但是当第一温度传感器13监测发现温度低于预设的第二阈值时，则使第二出口处于开启状态，利用空压机3输出的高温空气对膨胀机9进行加热升温，第二出口的具体开度则根据所述第一温度传感器13和第二温度传感器14的监测结果进行控制。
29.关于温度监测的具体阈值，本领域技术人员可以根据实际情况进行灵活设置，上述第一、第二阈值可以相同也可以不同。
30.进一步的，本实施例提供了上述燃料电池空气系统的一种优选的控制方法，如图2所示，该控制方法包括以下步骤：
31.s1：读取第一温度传感器13和第二温度传感器14的监测结果；
32.s2：将第一温度传感器13的监测结果和预设的第一阈值、第二阈值进行对比，如果低于第一阈值，执行步骤s31；如果高于第一阈值但低于第二阈值，执行步骤s41；如果高于第二阈值，执行步骤s5；
33.s31：电磁离合器11执行断开动作，并使三通阀4第二出口开启，具体开度根据所述
第一温度传感器13和第二温度传感器14的监测结果进行控制；
34.s32：第一温度传感器13的监测结果高于第一阈值时，使电磁离合器11执行闭合动作，从而使膨胀机9能够利用其回收的能量辅助空压机3工作；
35.s33：当第一温度传感器13的监测结果高于第二阈值时，使三通阀4第二出口关闭，执行步骤s5；
36.s41：电磁离合器11执行闭合动作，并使三通阀4第二出口开启，具体开度根据所述第一温度传感器13和第二温度传感器14的监测结果进行控制；
37.s42：当第一温度传感器13的监测结果高于第二阈值时，使三通阀4第二出口关闭，执行步骤s5；
38.s5：使燃料电池空气系统进入常规运行，即：电磁离合器11处于闭合状态，三通阀4第二出口处于关闭状态。
39.上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。