一种燃料电池发动机吹扫系统及其控制方法与流程

本发明涉及自动控制技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池发动机吹扫系统及其控制方法。

背景技术：

影响燃料电池低温启动性能的因素有很多，其中非常重要的一个方面是电堆低温冷启动的初始含水量。

现有技术中通常是在燃料电池发动机停机后，对其阴极/阳极进行空气吹扫以降低残存水含量，从而提高低温冷启动成功率。具体而言，现有技术中通常是通过空压机对电堆阴极/阳极空气吹扫，达到固定时间后即认为残余水含量去除完成结束吹扫。

发明人认为，现有技术存在以下缺陷和不足：

1、短时间的空气吹扫并不能完全去除阴极/阳极、膜残存水含量；

2、当水含量降低到一定程度时，持续的空气出扫收效甚微；

3、长时间的空气吹扫会造成空压机耗能大大增加，降低发动机整体效率。

技术实现要素：

本发明提供一种燃料电池发动机吹扫系统及其控制方法，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池发动机吹扫系统，包括：空气过滤器、空压机、中冷器、空气加湿器、氢气循环泵、氢气源；空气过滤器、空压机、中冷器、空气加湿器依次连接；氢气循环泵和氢气源连接；空气加湿器一端用于连接至电堆的阴极入口；氢气循环泵的入口用于连接至所述电堆的阳极出口；中冷器和电堆的阴极之间连接有加湿器旁通阀；中冷器和电堆的阳极入口之间连接有阳极吹扫切断阀；空气加湿器和电堆的阴极入口之间连接有电堆空气入口切断阀；空气加湿器和电堆的阴极出口之间连接有电堆空气出口切断阀；空气加湿器还连接有背压阀；电堆的阴极出口和氢气循环泵的入口之间连接有真空切断阀；电堆的阳极出口和氢气循环泵的入口之间连接有氢气尾排阀；电堆的阳极入口和氢气循环泵的出口之间连接有三通转向阀，三通转向阀的一端悬空；电堆的阳极入口和氢气源之间连接有氢气入口切断阀。

可选地，电堆的阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口分别设置有压力传感器，用于检测电堆的阴极/阳极的进出口压差。

可选地，氢气循环泵为一种容积式泵。

可选地，发动机停机后，通过冷却系统维持电堆处于大于0℃且大于环境温度；空压机和氢气循环泵运转；加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、真空切断阀、氢气尾排阀、氢气入口切断阀关闭；电堆空气入口切断阀、电堆空气出口切断阀器、背压阀打开；三通转向阀连通电堆的阳极入口和氢气循环泵的出口。

可选地，进行空气吹扫时，氢气尾排阀、加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、背压阀打开；当阴极/阳极进出口压差不再变化且持续吹扫一定时间后，空压机停运，加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、电堆空气入口切断阀、电堆空气出口切断阀器、背压阀、氢气尾排阀关闭。

可选地，进行抽真空时，真空切断阀打开，三通转向阀中连接氢气循环泵的出口和空气的两端连通，氢气循环泵转速提高，当阴极/阳极压力不再变化且持续一定时间后，停运氢气循环泵。

可选地，当阴极/阳极压力恢复到大气压后，关闭真空切断阀，三通转向阀连通电堆的阳极入口和氢气循环泵的出口。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种燃料电池发动机吹扫系统的控制方法，应用于如上述的燃料电池发动机吹扫系统，包括：在进行空气吹扫至阴极/阳极进出口压差不再变化且持续吹扫一定时间后，停运空压机，并关闭加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、电堆空气入口切断阀、电堆空气出口切断阀器、背压阀、氢气尾排阀；打开真空切断阀，连通三通转向阀中连接氢气循环泵的出口和空气的两端；提高氢气循环泵转速；当阴极/阳极压力不再变化且持续一定时间后，停运氢气循环泵；当阴极/阳极压力恢复到大气压后，关闭真空切断阀，三通转向阀连通电堆的阳极入口和氢气循环泵的出口。

可选地，在发动机停机之后，进行空气吹扫之前，还包括：通过冷却系统维持电堆处于大于0℃且大于环境温度；启动空压机和氢气循环泵；关闭加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、真空切断阀、氢气尾排阀、氢气入口切断阀；打开电堆空气入口切断阀、电堆空气出口切断阀器、背压阀；三通转向阀连通电堆的阳极入口和氢气循环泵的出口。

可选地，燃料电池发动机系统的控制方法，还包括：进行空气吹扫时，打开氢气尾排阀、加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、背压阀。

本发明实施例的创新点包括：

1、本发明采用氢气循环泵来抽真空，相对于空压机，氢气循环泵功率小，系统整体能耗降低；这是本发明实施例的创新点之一。

2、本发明相对于单一的空气吹扫，本申请结合吹扫和抽真空，由于抽真空过程迅速，整体吹扫时间减少；这是本发明实施例的创新点之一。

3、本发明结合吹扫和抽真空，使得残余水含量去除更加充分，从而提高燃料电池发动机低温启动成功率，这是本发明实施例的创新点之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的燃料电池发动机吹扫系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例公开了一种燃料电池发动机吹扫系统及其控制方法，以下进行详细说明。

图1为本发明一个实施例的包括该燃料电池发动机吹扫系统的燃料电池发动机系统的结构示意图。

如图1所示，燃料电池发动机吹扫系统主要由：空气过滤器1，空压机2，中冷器3，加湿器旁通阀4，阳极吹扫切断阀5，电堆空气入口切断阀6，电堆空气出口切断阀器7，空气加湿器8，背压阀9，真空切断阀10，氢气尾排阀11，氢气循环泵12，三通转向阀13，氢气入口切断阀14组成。

其中，空气过滤器1、空压机2、中冷器3、空气加湿器4依次连接；氢气循环泵12和氢气源连接；空气加湿器8一端用于连接至电堆的阴极入口；氢气循环泵12一端用于连接至电堆的阳极出口；中冷器3和电堆的阴极之间连接有加湿器旁通阀4；中冷器3和电堆的阳极入口之间连接有阳极吹扫切断阀5；空气加湿器8和电堆的阴极入口之间连接有电堆空气入口切断阀6；空气加湿器8和电堆的阴极出口之间连接有电堆空气出口切断阀7；空气加湿器8还连接有背压阀9；电堆的阴极出口和氢气循环泵12的入口之间连接有真空切断阀10；电堆的阳极出口和氢气循环泵12的入口之间连接有氢气尾排阀11；电堆的阳极入口和氢气循环泵12的出口之间连接有三通转向阀13，三通转向阀13的一端悬空；电堆的阳极入口和氢气源之间连接有氢气入口切断阀14。

三通转向阀13具有a、b、c三个方向，a端是氢气循环泵12的出口，b端是电堆的阳极；c端悬空。

在具体实施时，电堆的阴极入口、阴极出口、阳极入口和阳极出口分别设置有压力传感器p，用于检测电堆的阴极/阳极的进出口压差。

在具体实施时，氢气循环泵为一种容积式泵。

在具体实施时，发动机停机后，通过冷却系统维持电堆处于大于0℃且大于环境温度；空压机和氢气循环泵运转；加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、真空切断阀、氢气尾排阀、氢气入口切断阀关闭；电堆空气入口切断阀、电堆空气出口切断阀器、背压阀打开；三通转向阀连通电堆的阳极入口和氢气循环泵的出口。

在具体实施时，进行空气吹扫时，氢气尾排阀、加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、背压阀打开；当阴极/阳极进出口压差不再变化且持续吹扫一定时间后，空压机停运，加湿器旁通阀、阳极吹扫切断阀、电堆空气入口切断阀、电堆空气出口切断阀器、背压阀、氢气尾排阀关闭。

在具体实施时，进行抽真空时，真空切断阀打开，三通转向阀中连接氢气循环泵的出口和空气的两端连通，氢气循环泵转速提高，当阴极/阳极压力不再变化且持续一定时间后，停运氢气循环泵。

在具体实施时，当阴极/阳极压力恢复到大气压后，关闭真空切断阀，三通转向阀连通电堆的阳极入口和氢气循环泵的出口。

本申请实施例的燃料电池发动机吹扫系统的控制方法，应用于图1所示的燃料电池发动机吹扫系统。

实现过程如下：

发动机停机后，通过冷却系统维持电堆处于较高温度(大于0℃且大于环境温度)，此时各能动设备状态为：空压机2运转，加湿器旁通阀4关闭，阳极吹扫切断阀5关闭，电堆空气入口切断阀6打开，电堆空气出口切断阀器7打开，背压阀9打开，真空切断阀10关闭，氢气尾排阀11关闭，氢气循环泵12运转，三通转向阀13a、b连通，氢气入口切断阀14关闭；

进行空气吹扫，此时打开氢气尾排阀11，打开加湿器旁通阀4，打开阳极吹扫切断阀5，全开背压阀9，监测阴极/阳极进出口压差，当压差不再变化且持续吹扫一定时间后，停运空压机2，关闭打开加湿器旁通阀4，关闭阳极吹扫切断阀5，关闭电堆空气入口切断阀6，关闭电堆空气出口切断阀器7，关闭背压阀9，关闭氢气尾排阀11；

进行抽真空，打开真空切断阀10，使三通转向阀13a、c连通，提高氢气循环泵12转速，监测阴极/阳极压力变化，当阴极/阳极压力不再变化且持续一定时间后，停运氢气循环泵12；

完成吹扫过程，阴极/阳极压力恢复到大气压后，关闭真空切断阀10，使三通转向阀13a、b连通。

本发明采用氢气循环泵来抽真空，相对于空压机，氢气循环泵功率小，系统整体能耗降低；相对于单一的空气吹扫，本发明结合吹扫和抽真空，由于抽真空过程迅速，整体吹扫时间减少；本发明结合吹扫和抽真空，使得残余水含量去除更加充分，从而提高燃料电池发动机低温启动成功率。因此，本发明能够用较低的能耗在短时间内充分去除残余水含量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。