专利名称：一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的空气系统，特别是一种引入阴极排气再循环技术的先进质子交换膜燃料电池空气系统，属于新能源汽车技术领域。
背景技术：
质子交换膜氢气燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell,简称 PEMFC)以其效率高、零排放的优点格外受到人们的青睐。燃料电池发电系统是一种电化学装置，将化学能直接转换为电能，其能量转换过程不受卡诺循环限制，理论效率较高。其消耗的燃料为氢气，反应产物是水，有害排放物为零，是最清洁的能源之一。因此燃料电池发电系统可以用在备用电站、电动汽车和移动电源等领域。燃料电池发电系统包括几个主要组成部分，如附图1所示，燃料电池电堆是其核心，电堆外围还包括了氢气系统、空气系统、增湿系统、冷却系统、功率输出系统和控制系统等附件系统。氢气系统主要负责为电堆提供氢气供应，需要根据运行工况调节进入电堆的氢气压力和流量；空气系统则是为 电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入电堆的空气的温度、压力和流量；增湿系统是为了保证进入电堆的空气的湿度在一定范围，过干和过湿对质子交换膜和电堆都有不利的影响，因此需要对进入电堆的空气进行湿度控制；冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证电堆稳定可靠工作；功率输出系统则是通过DC/DC装置来调节电堆的输出电压和电流的大小和变化速率；控制系统是整个燃料电池发电系统的“大脑”，由其对电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。一种典型的燃料电池空气系统由空压机、散热器、增湿器、冷凝器等部分组成，如附图1中所示。环境空气经由空压机压缩后进入散热器，由散热器冷却后进入增湿器进行增湿，增湿后进入电堆进行电化学反应，阴极侧的氧气会和来自阳极的氢离子发生化学反应，在输出电能的同时生产水(气态或者液态)，并大部分由阴极空气侧流出，因此参与反应后的阴极空气氧气含量下降，水含量(湿度)增加，在电堆出口空气经冷凝器回收水分后，通过流量控制阀2排入环境中。该空气系统能够通过空压机、流量控制阀I和2的协调控制来控制进入电堆的空气流量和空气压力，能够通过散热器调整进气温度，通过增湿器控制进气湿度。根据PEMFC的工作原理和性能特点可知，进入电堆的空气中氧气的总量和参与反应的氧气量，称之为过量系数或者当量比，一般车用燃料电池的当量比在1.5 3之间。显然，进入电堆的空气流量和过量系数与空气总量是耦合的关系，将随着燃料电池发电系统的输出功率变化为变化。同时，由于电堆内部反应生成的水(气态或者液态)需要经过阴极反应通道带出，如果生成的液态水不及时排除，生成的水会阻碍流道，即所谓的水淹现象，导致电堆性能下降，影响燃料电池的使用。为了提高排水能力，需要提高空气的流量或流速以便顺利吹除液态水。在怠速或小负荷时，由于生成的水量偏小，如果一直保持较大的空气流量，则容易把流道和质子交换膜表面水都吹干，导致膜过干而性能下降；如果一直保持较小的空气流量，则不容易吹走流道内的液态水而导致水淹。因此在怠速或小负荷时，进气总量不能一直减小，也就导致氧气总量或者当量比不能一直减小，往往过量系数保持在较高水平，这也就导致怠速或小负荷时燃料电池电压较高(O. 9疒1. 2V)。而相关研究显示，较高的工作电压(O. 9疒1. 2V)对燃料电池寿命是极为不利的。研究表明，在怠速或小负荷工况下，如果降低氧的当量比，可以有效降低燃料电池输出电压，从而保证燃料电池的使用寿命O如何使得阴极具有较高的气体压力和流量的同时，又保证其温度和湿度在合适范围，还要保证其中的氧气的含量(分压)较低，使得燃料电池的输出电压处于较低的水平，有利于燃料电池的耐久性，是空气系统设计的一个挑战。如附图1所示的当前的燃料电池空气系统中，没有分别调整总空气压力和氧气含量的能力。由于车用燃料电池的阴极反应物为来自大气中的空气，而大气的湿度和温度条件随纬度、海拔高度和季节等变化差异很大，可能出现高温高湿(接近100%的相对湿度)，也可能出现高温低湿(接近0%的相对湿度)。如附图1中所示的空气系统的另外一个缺点在于，不能满足燃料电池在极端工作条件下的温度和湿度灵活调整的能力在高温低湿工作环境下，燃料电池如果长期工作在怠速和小负荷工况下则容易出现膜干；在高温高湿工作环境下，燃料电池如果长期工作大负荷工况下则容易出现水淹。如附图1所示的空气系统的另外一个缺点在于，在停机后，整个空气系统管路中的氧气无法除尽，燃料电池静置时空气系统管路处于富氧状态。在阳极氢气切断之后，随着静置时间的增加，阴极侧的氧气在逐步将阳极的氢气消耗完后，会进一步透过质子交换膜进入阳极，使得阳极也处于富氧状态。这种富氧状态会加速电堆的衰退，使得燃料电池寿命显著缩短。如附图1所示的空气系统的另外一个缺点在于，为了保证电堆排水等功能，需要来自大气的较多空气进入电堆，由于大气中存在微粒和硫等杂质，这些杂质将加快电堆的衰减；因此需要专门的机械和化学过滤器来滤除这些杂质；加大的空气流量，意味着机械和化学过滤器的体积和成本增 加，或者加快其有效寿命的衰减。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种能够实现阴极排气再循环的空气系统设计，可精确控制进入电堆的空气压力、总流量、温度、湿度和氧含量等条件参数，从而为电堆工作提供理想工作条件，达到提高电堆效率和延长电堆寿命、低温条件下加快电堆暖机过程、低湿环境条件下提高电堆增湿效果。本发明特征之一在于一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统，其特征在于是一种基于计算机辅助控制来实现对进入电堆的空气压力、空气总流量、空气温度、空气湿度和空气含氧量进行同步控制的适用于最高工作压力大于1. 5bar的阴极排气再循环系统，含有控制部分和阴极排气再循环部分，其中控制部分含有一个控制器，真空泵和真空罐以及七个各自由电磁阀和真空阀串接而成的控制阀，此处还有多个温度传感器、湿度传感器和压力传感器共同组成的传感器组，用S表示，向控制器发送传感信号，其中，
各真空阀采用真空膜片阀，在阀杆上安装有位置传感器以实现阀流量的精确控制；各电磁阀信号输入端并联后经一个压力传感器分别与所述控制器和真空泵的控制信号输入端相连，所述控制器通过各个所述电磁阀的控制端来调整各所述电磁阀的占空比，来调节各所述真空阀的真空度；阴极排气再循环部分，包括机械和化学过滤装置、进排气回路和排气再循环回路，其中进排气回路包括进气通路和排气通路，其中进气通路始自通大气的所述机械和化学过滤装置的空气出口，依次含有第一传感器组S1、空气流量传感器、第一控制阀V1、第二传感器组S2、空气压缩机、第二控制阀V2、散热器、第四控制阀V4、增湿器以及电堆的空气入口，在所述散热器的旁通回路上还设有第三控制阀V3，在所述增湿器旁通回路上还设有第五控制阀V5，其中，第二控制阀V2和第三控制阀V3是一个实现进入电堆的阴极气体温度闭环控制的进气温度控制阀组，第四控制阀V4和第五控制阀V5是一个实现进入电堆的阴极气体湿度闭环控制的气体湿度控制阀组；排气通路始自所述电堆的空气出口，依次含有第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4以及第七控制阀V7 ；排气再循环回路位于所述空气压缩机之前，始自经过所述第四传感器组S4的输出端，终止到所述空气压缩机的入口处，连通了所述进气回路和排气回路，形成了一条从所述电堆的空气出口处依次经过所述第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4、设在所述支路上的第六控制阀V6、空气压缩机、第二控制阀V2、散热器、第三控制阀V3、第四控制阀V4、第五控制阀V6以及增湿器到达所述电堆空气入口的排气再循环回路，其中第六控制阀V6 、第一控制阀Vl以及第七控制阀V7是一组实现灵活分配再循环的气体体积流量和氧气组分的比例，以达到调整进入电堆的总气体流量、总压力、氧气分压目的的控制阀组；第六控制阀V6、第一控制阀V1、空气流量传感器和氧传感器是一个实现整个空气回路氧含量闭环反馈控制的部件；全关状态下的第一控制阀V1、第七控制阀V7和全开状态下的第六控制阀V6构成了一个排气再循环比例为100%的停机控制阀组；常闭状态下的第一控制阀V1、第六控制阀V6、第七控制阀V7共三个控制阀构成一组停机存放控制阀组；全关状态下的第二控制阀V2、第四控制阀V4和全开状态下的第三控制阀V3、第五控制阀V5共同构成了一个低温冷机快速启动控制阀组；当第六控制阀V6的开度大于第一控制阀V1、第七控制阀V7的开度时所述第六控制阀V6、第一控制阀V1、第七控制阀V7共同构成了一个怠速和小负荷下的高电位控制阀组，同时也是一个防止电堆长期小负荷运行时出现水淹现象的控制阀组；在怠速和小负荷运行时开度经过调整的第四控制阀V4、第五控制阀V5共同构成了防止电堆膜干的控制阀组。本发明特征之二在于一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统，其特征在于是一种基于计算机辅助控制来实现对进入电堆的空气压力、空气总流量、空气温度、空气湿度和空气含氧量进行同步控制的适用于最高工作压力小于等于1. 5bar的阴极排气再循环系统，含有控制部分和阴极排气再循环部分，其中控制部分含有一个控制器，真空泵和真空罐以及七个各自由电磁阀和真空阀串接而成的控制阀，此处还有多个温度传感器、湿度传感器和压力传感器共同组成的传感器组，用S表示，向控制器发送传感信号，其中，各真空阀采用真空膜片阀，在阀杆上安装有位置传感器以实现阀流量的精确控制；各电磁阀信号输入端并联后经一个压力传感器分别与所述控制器和真空泵的控制信号输入端相连，所述控制器通过各个所述电磁阀的控制端来调整各所述电磁阀的占空比，来调节各所述真空阀的真空度；阴极排气再循环部分，包括机械和化学过滤装置、进排气回路和排气再循环回路，其中进排气回路包括进气通路和排气通路，其中进气通路始自通大气的所述机械和化学过滤装置的空气出口，依次含有第一传感器组S1、空气流量传感器、第一控制阀V1、第二传感器组S2、空气压缩机、第二控制阀V2、散热器、第四控制阀V4、增湿器以及电堆的空气入口，在所述散热器的旁通回路上还设有第三控制阀V3，在所述增湿器旁通回路上还设有第五控制阀V5，其中，第二控制阀V2和第三控制阀V3是一个实现进入电堆的阴极气体温度闭环控制的进气温度控制阀组，第四控制阀V4和第五控制阀V5是一个实现进入电堆的阴极气体湿度闭环控制的气体湿度控制阀组；排气通路始自所述电堆的空气出口，依次含有第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4以及第七控制阀V7 ；排气再循环回路位于所述空气压缩机之后，始自经过所述第四传感器组S4的输出端，终止到所述空气压缩机的出口处，连通了所述进气回路和排气回路，形成了一条从所述电堆的空气出口处依次经过所述第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4、设在所述支路上的第六控制阀V6、空气泵、第二控制阀V2、散热器、第三控制阀V3、第四控制阀V4、第五控制阀V6以及增湿器到达所述电堆空气入口的排气再循环回路，其中第六控制阀V6、第一控制阀Vl以及第七控制阀V7是一组实现灵活分配再循环的气体体积流量和氧气组分的比例，以达到调整进入电堆的总气体流量、总压力、氧气分压目的的控制阀组；第六控制阀V6、第一控制阀V1、空气流量传感器和氧传感器是一个实现整个空气回路氧含量闭环反馈控制的部件；全关状态下的第一控制阀V1、第七控制阀V7和全开状态下的第六控制阀V6构成了一个排气再循环比例为100%的停机控制阀组；常闭状态下的第一控制阀V1、第六控制阀V6、第七控制阀V7共三个控制阀构成一组停机存放控制阀组；全关状态下的第二控制阀V2、第四控制阀V4和全开状态下的第三控制阀V3、第五控制阀V5共同构成了一个低温冷机快速启动控制阀组；
当第六控制阀V6的开度大于第一控制阀V1、第七控制阀V7的开度时所述第六控制阀V6、第一控制阀V1、第七控制阀V7共同构成了一个怠速和小负荷下的高电位控制阀组，同时也是一个防止电堆长期小负荷运行时出现水淹现象的控制阀组；在怠速和小负荷运行时开度经过调整的第四控制阀V4、第五控制阀V5共同构成了防止电堆膜干的控制阀组。
图1 一种典型的燃料电池空气系统，图例如下
— 氢气回路— 冷却介质回路
_ 空气回路
- 增湿回路
带有排气再循环的燃料电池空气系统图(再循环回路在空压机或风扇之前)带有排气再循环的燃料电池空气系统图(再循环回路在空压机或风扇之后)带有排气再循环的燃料电池空气系统的典型实施例(再循环回路在空压机或图2图3 图4
风扇之前)，图例如下
—空气回路 .......真空度回路 ---控制电路
具体实施例方式本发明的2种带有排气再循环的燃料电池空气系统分别如附图2和附图3所示，其工作特点如下所述。(I)再循环回路用一个排气再循环回路将由电堆阴极出口排出的气体再引入到电堆的入口回路；根据空气系统工作压力的范围，有两种方案可以选择；第I种方案如附图2所示，针对部件11 (电堆本体)的工作压力较大(高压电堆，例如电堆的最高工作压力大于1. 5bar)的方案，可以将再循环回路(含管路和部件15即控制阀V6)安排在部件3 (空压机)之前；第2种方案如附图3所示，针对部件11 (电堆本体)的工作压力较小(低压电堆)的方案，可以将再循环回路(含管路和部件15即控制阀V6)安排在部件3之后，同时在再循环回路上增加一个空气驱动部件18 (空气压缩机或者风扇)，整个空气系统可以根据需要安装必要的温度、压力和相对湿度传感器，来分别检测大气、部件3 (空压机或者风扇)出口、部件11 (电堆本体)的入口和出口以及部件15 (控制阀V6)入口前的气体状态。(2)空气回路的温度控制如附图2和附图3所示，为了灵活控制经过压缩机或者风扇之后的气体温度，在散热器之前配置有部件4 (控制阀V2)和部件5 (控制阀V3)，可以灵活分配流经散热器的气体流量，来实现进入部件11 (电堆本体)的阴极气体温度的闭环控制；流量控制阀V2和V3的功能也可以由一个三通阀代替。(3)空气回路的湿度控制如附图2和附图3所示，为了灵活控制进入电堆的气体湿度，在增湿器之前配置有部件7 (控制阀V4)和部件8 (旁通流量控制阀V5)，从而可以灵活分配流经增湿器的气体流量，来实现进入部件11 (电堆本体)的阴极气体的湿度；流量控制阀V4和V5的功能也可以由一个三通阀代替。(4)含氧量调节机理在附图2和附图3中，在排气再循环回路上，设置有部件15(控制阀V6)，分别与空气进口回路上的部件2 (控制阀VI)和出口回路上的部件16 (控制阀V7)配合，实现灵活分配再循环的气体体积流量和氧气组分的比例，从而达到灵活调整进入电堆的总气体流量、总压力和氧气分压的目的。例如当部件11 (电堆本体)处于额度功率(大负荷)工作条件下，部件2 (控制阀VI)全开，部件15 (控制阀V6)全关，这时排气再循环比例为零，进入部件11 (电堆本体)全部是新鲜空气(氧气含量为当地大气中的氧气含量)，支持电堆大负荷工作；此时空气的工作压力和总流量可以由部件3 (压缩机或者空气风扇I)和部件16 (控制阀V7)来配合完成。当电堆逐步减小功率时，由于所需的氧气流量相应减小，可将部件2 (控制阀VI)的开度逐步开小，部件15(控制阀V6)的开度逐步变大，从而逐步提高排气再循环的比例，其效果是氧气流量降低，进入部件11 (电堆本体)的总气体流量和压力可调；通过控制系统调节V1、V6和V7的开度，就可以实现进入电堆的气体总流量、总压力和氧气分压(流量)的独立控制，从而实现了电堆的输出电压(主要受氧的分压影响)和电堆排水(总流量和总压力)的解耦控制。(5)含氧量闭环控制为了精确控制进入部件11 (电堆本体)的氧气含量比例，可以在空气的入口回路上，设置有部件I即空气流量传感器，可以实测流经部件2即控制阀Vl的新鲜空气流量；在电 堆的空气出口回路上，设置有部件14即氧传感器以实测排气中的氧气含量；结合控制流经部件15即控制阀V6的气体量，可实现整个空气回路的氧含量的闭环反馈控制；也可以不用氧传感器，而是根据燃料电池的功率和效率，估计电堆内部反应消耗的氧气量，从而可以估计出排气中剩余的氧气量；实现基于物理模型的氧含量状态估计和闭环控制。(6)停机控制过程当部件2 (控制阀VI)和部件16 (控制阀V7)全关而部件15(控制阀V6)全开的条件下，达到排气再循环的比例是100%，这时由于排气多次通过再循环回路进入部件11 (电堆本体)，其中的氧气被逐步反应掉，因此整个排气中的氧气含量逐步降低，直到为零，反应停止，电堆进入不反应的自然状态；这时整个阴极侧的气体成分主要包括水蒸气和氮气，没有氧气，反应自然停止，电堆不再输出高电压，从而可以自然停机以保护电堆的耐久性和寿命；此时空压机和再循环回路配合，仍然可以产生期望的气体流量和压力，即可将电堆内残余的液态水排出，保证停堆后低温条件下电堆内部不会由于残留有水而结冰所导致电堆的损坏。考虑到停机之后，执行器处于断电状态，可以将连接大气的控制阀Vl和V7设计为常闭阀，断电后自动关断和大气的连接即可。(7)怠速和小负荷过程控制怠速和小负荷过程控制与上述停机过程相似，只是部件2 (控制阀VI)和部件16 (控制阀V7)不会全关死，而是根据功率需求保持适当的开度，即保证有适当流量的气体和外围大气进行交换，而部件15 (控制阀V6)可以保持较大角度，即进出部件11 (电堆本体)内部的流量保持较大，这时氧浓度可以在09Γ20%之间灵活调整，保证燃料电池输出电压和功率都处于较低的水平，避免了怠速和小负荷时的高电压出现；同时通过空压机或者风扇(附图2中的部件3和附图3中的部件18)驱动再循环的气体流量以保证排除长时间运行生成的液态水；从而避免了部件11 (电堆本体)长期小负荷运行容易水淹的问题；通过调整部件7 (控制阀V4)和部件8 (控制阀V5)的开度，可以灵活控制参与增湿的空气量，又可避免怠速和小负荷条件下电堆膜干的问题。上述在怠速和部分负荷条件下，通过排气再循环回路的调节作用，可以保证和外围大气交换的气体量较小，也就是降低了从机械和化学过滤器进入的新鲜空气量，提高了机械和化学过滤器的使用效率，可以有效延长其使用寿命。(8)停车存放过程中，可以将部件2 (控制阀VI)和部件16 (控制阀V7)设置为断电常闭的状态，由于停机后部件11 (电堆本体)和再循环管路中的气体成分主要为氮气和水蒸气而没有氧气，因此只有氮气会渗透过质子交换膜进入阳极，不会发生氧气进入阳极侧发生化学腐蚀反应的情况，可以保证车辆长时间存放缺不损害电堆的性能。(9)低温冷机快速启动在低温条件下，此时可以将部件4 (控制阀V2)和部件7(控制阀V4)关闭，将部件5 (控制阀V3)和部件8 (控制阀V5)全开，可以通过再循环回路(部件15，控制阀V6)和空气驱动部件，对附图2中的为部件3空压机，对附图3中为部件18(空气风扇2)，由于空压机或者风扇本身具有对空气加压加热功能，或者配合专门的空气加热装置(图中未画出)，可将进入部件11 (电堆本体)的空气快速加热到零度以上，使得整个空气系统快速升温，从而保证电堆内部可以顺利发生电化学反应，再利用电堆自身生产的热进一步加快冷机启动过程。待温度达到一定值(暖机成功)之后，才开始和散热器和增湿器的换热和增湿过程，从而可以大大缩短燃料电池系统的暖机过程。本发明采用以上技术方案，有以下优点1、本方案由于引入了排气再循环功能，使得进入电堆的总流量、总压力和氧气流量可以独立调整，从而做到了通过控制氧含量来限制电堆单片电压的同时，还可以灵活调整总流量和总压力来实现可靠的排水控制，有效避免了在此类工况下由于进气总量减小而造成的水淹或者膜干现象，提高燃料电池寿命；2、本方案在燃料电池空气系统的散热器和增湿器都并联了旁通管路及其控制阀，使得系统对进气温度和湿度的控制更为灵活，`有利于进入电堆的气体能够根据电堆状况保持最佳的湿度、温度，进而可以提高电堆效率和耐久性；3、本方案引入了排气再循环功能，可在停机过程中，迅速吹干电堆内部的液态水，防止电堆在低温条件下因内部残留的水结冰而损坏电堆；4、本方案的排气再循环和停机控制策略，使得管道中的氧气不断减少直至耗尽；通过关闭与环境空气相通的控制阀，使空气系统形成闭合回路，停机过程中使整个管路中充满惰性气体氮气，避免长时间停机氧气进入阳极腐蚀电堆的问题，可以提高电堆寿命；5、本方案引入了排气再循环功能，减小了进入系统的新鲜空气量，降低机械和化学过滤器的负荷，提高了其使用寿命；6、本方案引入了排气再循环功能和散热、增湿的旁通控制相结合，可以加快电堆在低温条件下的暖机速度；下面结合附图4带有排气再循环的燃料电池空气系统的典型实施例，对本发明进行详细描述。附图2和附图3中的流量控制阀V117可以采用不同的手段实现，既可以用传统发动机控制系统中的电子节气门，也可以采用由电机驱动的蝶阀。在本实施例中，采用了传统汽车工业中成熟可靠、成本低和带有位置反馈的真空膜片阀作为控制阀，其特点可以通过真空膜片两端的真空度来控制阀杆和阀座的相对位置，即等效流通截面积；阀杆上安装有位置传感器以实现阀流量的精确控制。采用真空膜片阀作为执行器的燃料电池空气系统实现方式如附图4中所示，真空泵19 (含真空储压罐)产生一定的真空度，燃料电池的控制器20可以分别通过调整电磁阀K1-K7的占空比，来调节真空膜片阀V1-V7的真空度，也就改变了 VfV7的阀杆位置和等效流通截面积，实现对空气回路的流量调整。安装在VfV7上的位置传感器信号连接到控制器20，反馈各自的阀杆位置信号，以便是实现控制阀的位置闭环控制，精确控制各自的流量。来自大气的空气首先进入17 (机械和化学过滤装置)，被滤除了颗粒和杂质，经过2 (真空阀VI)的出口后，与来自排气再循环通道的出口并联，再连接到3 (空压机)的入口；空压机3的出口连接到两个通道入口，一个通道经过部件4 (真空阀V2)与6 (散热器)的入口相连，另一个通道为并联的旁通管路，管路上有流量控制阀5 (真空阀V3)，可有效调控进入散热器的气体流量；散热器6的出口与并联旁路的出口合并，并连接两个通道的入口，一个通过经过7 (真空阀V4)连接9 (增湿器)的入口，另一个通道为并联的旁通管路，管路上有控制流量的8 (控制阀V5);增湿器9的出口及其旁通管路的出口合并后接11 (电堆本体)的入口 ；电堆11的出口接12 (冷凝器)的入口，冷凝器12用于对出口气体进行降温并回收水分；冷凝器12的出口经过14 (氧传感器)后，将分为两条管路，一条通过16 (真空阀V7)与大气环境相通，即为排气管路；另一条则进入排气再循环通道，该通道流经15 (真空阀V6)后，其出口与2 (真空阀VI)的出口并联，合并后再进入3 (空压机)的入口。真空泵19 (含真空罐)通过电磁阀K1-K7分别于真空阀V1-V7相连，各电磁阀由燃料电池系统控制器进行控制。根据空气系统工作压力的范围，可将排气再循环回路(含空气管路和真空阀V6)安排在部件3 (空压机)的入口之前；也可将再循环回路(含空气管路和真空阀V6)安排在部件3的出口之后，这时排气再循环回路上要添加空气驱动装置18 ;这时排气再循环的出口和空压机3的出口进行并联后，再进入带有真空阀V2和V3的散热器及其旁通通道。本发明用于实际燃料电池系统进行工作时，控制器通过接收各传感器信号，实时监测电堆输出的电压、电流情况，以及气体温度、湿度、压力状态，通过对各电磁阀的控制实现各真空阀的不同开度，从而随时调整进气的氧气浓度、湿度、温度、压力等状态参数，实现电堆始终工作在较佳状态，电压维持在约O. 6V-0. 8V之间，无明显水淹或膜干现象，使电堆的效率和寿命均达到优化。下面将结合燃料电池电堆的具体工况对本发明对电堆的优化效用进行详细说明。大负荷状态即为功率需求较大，燃料电池电堆处于较佳工作点的状态。此时无需利用废气再循环来降低进气中的氧气浓度， 故15 (真空阀V6)处于完全关闭状态，废气全部通过16 (真空阀V7)排入环境中。而2 (真空阀VI)则处于全开状态，利于减少进气损失。此时主要发挥效用的是分别于散热器2与增湿器3相并列的旁通回路，也即真空阀V2-V5。空压机3的出口温度正常时，散热器6入口处的4 (真空阀V2)全开，而旁通回路上的5 (真空阀V3)完全关闭，气体全部通过散热器6进行冷却。散热器部分气流走向如附图4所示，箭头方向即为气流方向。空压机出口温度较低时，散热器6旁通回路上的5 (真空阀V3)开启，相应的控制电磁阀K2、K3相互配合控制，使真空阀V2与真空阀V3的开度相互协调，调整进入散热器6的气体流量。温度越低，流经散热器6旁通回路的气体流量比例越大。从而对增湿器9入口处的气体温度进行控制，使之适宜进入电堆。
环境空气湿度较小时，增湿器9入口处的7 (真空阀V4)全开，而其旁通回路上的8(真空阀V5)关闭，气体全部通过增湿器9进行增湿，使得进气湿度能够满足电堆要求。而当环境空气湿度较大时，增湿器9旁通回路上的真空阀V5开启，相应的控制电磁阀K4、K5相互配合控制，使真空阀V4与真空阀V5的开度相互协调，调整进入增湿器9的气体流量。环境湿度越大，流经增湿器9旁通回路的气体流量比例越大。从而对11电堆本体入口处的气体湿度进行调整，使之适宜进入电堆。怠速/小负荷在怠速或小负荷工况下，除与散热器6和增湿器9并联的旁通回路和真空阀V2-V5发挥作用外，更为重要的则是真空阀V1、V6、V7开度的相互配合。怠速或小负荷工况下，燃料电池工作在电流较小，电压较高的状态下，不利于其使用寿命的延长。此时降低电压的有效办法即是采用浓度过电压的概念，降低氧气的过量系数。一种办法就是降低空压机功率，减少进气总量。该方法使得进气总量与电压下降程度挂钩，进气总量收到限制，而由于减少了气体总量，使得气体携带水分能力下降，易造成电堆的水淹现象。为避免该现象，本发明在燃料电池空气系统中引入了废气再循环系统，可在不减少进气总量的情况下，有效降低氧气的过量系数，达到限制燃料电池电压的目的，同时进气总量仍然可控，并不受电压下降程度限制。在怠速电压较高时，用于控制废气再循环的真空阀V6开启，由冷凝器12出口排出的干燥、氧含量低的废气重新进入进气管道中。真空阀V6的开度越大、真空阀V7的开度越小，则废气重新进入进气管道中的比例越大，排出的废气比例越小，从而对进气中氧含量降低的贡献就越大。该比值将不断调整，直到电压被限制在O. 8V以下。停机停机过程中的关键在于清除电堆中残留的氧气。散热器6和增湿器9并联的旁通回路，即真空阀V2-V5正常发挥作用。而真空阀Vl和V7逐渐关闭，真空阀V6开启，形成封闭循环，废气在整个空气系统中来 回流动，直至氧气消耗殆尽后停机。此时，燃料电池系统空气回路中仅有氮气和少许水蒸气，可以认为充满惰性气体，消除了在燃料电池停机存放过程中氧气电堆的腐蚀的作用，可有效延长电堆寿命。
权利要求
1.一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统，其特征在于是一种基于计算机辅助控制来实现对进入电堆的空气压力、空气总流量、空气温度、空气湿度和空气含氧量进行同步控制的适用于最高工作压力大于1. 5bar的阴极排气再循环系统，含有控制部分和阴极排气再循环部分，其中 控制部分含有一个控制器，真空泵和真空罐以及七个各自由电磁阀和真空阀串接而成的控制阀，此处还有多个温度传感器、湿度传感器和压力传感器共同组成的传感器组，用S表示，向控制器发送传感信号，其中， 各真空阀采用真空膜片阀，在阀杆上安装有位置传感器以实现阀流量的精确控制；各电磁阀信号输入端并联后经一个压力传感器分别与所述控制器和真空泵的控制信号输入端相连，所述控制器通过各个所述电磁阀的控制端来调整各所述电磁阀的占空比，来调节各所述真空阀的真空度； 阴极排气再循环部分，包括机械和化学过滤装置、进排气回路和排气再循环回路，其中 进排气回路包括进气通路和排气通路，其中 进气通路始自通大气的所述机械和化学过滤装置的空气出口，依次含有第一传感器组S1、空气流量传感器、第一控制阀V1、第二传感器组S2、空气压缩机、第二控制阀V2、散热器、第四控制阀V4、增湿器以及电堆的空气入口，在所述散热器的旁通回路上还设有第三控制阀V3，在所述增湿器旁通回路上还设有第五控制阀V5，其中，第二控制阀V2和第三控制阀V3是一个实现进入电堆的阴极气体温度闭环控制的进气温度控制阀组，第四控制阀V4和第五控制阀V5是一个实现进入电堆的阴极气体湿度闭环控制的气体湿度控制阀组；排气通路始自所述电堆的空气出口，依次含有第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4以及第七控制阀V7 ； 排气再循环回路位于所述空气压缩机之前，始自经过所述第四传感器组S4的输出端，终止到所述空气压缩机的入口处，连通了所述进气回路和排气回路，形成了一条从所述电堆的空气出口处依次经过所述第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4、设在所述支路上的第六控制阀V6、空气压缩机、第二控制阀V2、散热器、第三控制阀V3、第四控制阀V4、第五控制阀V6以及增湿器到达所述电堆空气入口的排气再循环回路，其中 第六控制阀V6、第一控制阀Vl以及第七控制阀V7是一组实现灵活分配再循环的气体体积流量和氧气组分的比例，以达到调整进入电堆的总气体流量、总压力、氧气分压目的的控制阀组； 第六控制阀V6、第一控制阀V1、空气流量传感器和氧传感器是一个实现整个空气回路氧含量闭环反馈控制的部件； 全关状态下的第一控制阀V1、第七控制阀V7和全开状态下的第六控制阀V6构成了一个排气再循环比例为100%的停机控制阀组； 常闭状态下的第一控制阀V1、第六控制阀V6、第七控制阀V7共三个控制阀构成一组停机存放控制阀组； 全关状态下的第二控制阀V2、第四控制阀V4和全开状态下的第三控制阀V3、第五控制阀V5共同构成了一个低温冷机快速启动控制阀组； 当第六控制阀V6的开度大于第一控制阀V1、第七控制阀V7的开度时所述第六控制阀V6、第一控制阀V1、第七控制阀V7共同构成了一个怠速和小负荷下的高电位控制阀组，同时也是一个防止电堆长期小负荷运行时出现水淹现象的控制阀组； 在怠速和小负荷运行时开度经过调整的第四控制阀V4、第五控制阀V5共同构成了防止电堆膜干的控制阀组。
2.一种用于质子交换膜燃料电池的阴极排气再循环系统，其特征在于是一种基于计算机辅助控制来实现对进入电堆的空气压力、空气总流量、空气温度、空气湿度和空气含氧量进行同步控制的适用于最高工作压力小于等于1. 5bar的阴极排气再循环系统，含有控制部分和阴极排气再循环部分，其中 控制部分含有一个控制器，真空泵和真空罐以及七个各自由电磁阀和真空阀串接而成的控制阀，此处还有多个温度传感器、湿度传感器和压力传感器共同组成的传感器组，用S表示，向控制器发送传感信号，其中， 各真空阀采用真空膜片阀，在阀杆上安装有位置传感器以实现阀流量的精确控制；各电磁阀信号输入端并联后经一个压力传感器分别与所述控制器和真空泵的控制信号输入端相连，所述控制器通过各个所述电磁阀的控制端来调整各所述电磁阀的占空比，来调节各所述真空阀的真空度； 阴极排气再循环部分，包括机械和化学过滤装置、进排气回路和排气再循环回路，其中 进排气回路包括进气通路和排气通路，其中 进气通路始自通大气的所述机械和化学过滤装置的空气出口，依次含有第一传感器组S1、空气流量传感器、第一控制阀V1、第二传感器组S2、空气压缩机、第二控制阀V2、散热器、第四控制阀V4、增湿器以及电堆的空气入口，在所述散热器的旁通回路上还设有第三控制阀V3，在所述增湿器旁通回路上还设有第五控制阀V5，其中，第二控制阀V2和第三控制阀V3是一个实现进入电堆的阴极气体温度闭环控制的进气温度控制阀组，第四控制阀V4和第五控制阀V5是一个实现进入电堆的阴极气体湿度闭环控制的气体湿度控制阀组；排气通路始自所述电堆的空气出口，依次含有第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4以及第七控制阀V7 ； 排气再循环回路位于所述空气压缩机之后，始自经过所述第四传感器组S4的输出端，终止到所述空气压缩机的出口处，连通了所述进气回路和排气回路，形成了一条从所述电堆的空气出口处依次经过所述第五传感器组S5、冷凝器、氧传感器、第四传感器组S4、设在所述支路上的第六控制阀V6、空气泵、第二控制阀V2、散热器、第三控制阀V3、第四控制阀V4、第五控制阀V6以及增湿器到达所述电堆空气入口的排气再循环回路，其中 第六控制阀V6、第一控制阀Vl以及第七控制阀V7是一组实现灵活分配再循环的气体体积流量和氧气组分的比例，以达到调整进入电堆的总气体流量、总压力、氧气分压目的的控制阀组； 第六控制阀V6、第一控制阀V1、空气流量传感器和氧传感器是一个实现整个空气回路氧含量闭环反馈控制的部件； 全关状态下的第一控制阀V1、第七控制阀V7和全开状态下的第六控制阀V6构成了一个排气再循环比例为100%的停机控制阀组； 常闭状态下的第一控制阀V1、第六控制阀V6、第七控制阀V7共三个控制阀构成一组停机存放控制阀组； 全关状态下的第二控制阀V2、第四控制阀V4和全开状态下的第三控制阀V3、第五控制阀V5共同构成了一个低温冷机快速启动控制阀组； 当第六控制阀V6的开度大于第一控制阀V1、第七控制阀V7的开度时所述第六控制阀V6、第一控制阀V1、第七控制阀V7共同构成了一个怠速和小负荷下的高电位控制阀组，同时也是一个防止电堆长期小负荷运行时出现水淹现象的控制阀组； 在怠速和小负荷运行时开度经过调整的第四控制阀V4、第五控制阀V5共同构成了防止电堆膜干的控制阀组。
全文摘要
一种质子交换膜燃料电池的空气系统，属于新能源汽车技术领域，其特征在于用一个排气再循环回路将由电堆阴极出口排出的气体再引入到电堆的入口回路。可以单独调整进入电堆的总流量、总压力和氧气流量，在限制电堆单片电压的同时，有效避免了电堆的水淹或者膜干现象；可在停机过程中，迅速吹干电堆内部的液态水，防止电堆在低温条件下因内部残留的水结冰而损坏电堆；可在停机过程中使整个管路中充满氮气，避免长时间停机氧气进入阳极腐蚀电堆；减小了进入系统的新鲜空气量，降低机械和化学过滤器的负荷。这些措施可以有效提高燃料电池的寿命和耐久性。同时引入了散热、增湿的旁通控制，可以加快电堆在低温条件下的暖机速度。
文档编号H01M8/04GK103050723SQ20121058613
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者李建秋, 徐梁飞, 程思亮, 欧阳明高 申请人:清华大学