一种空气进排气控制装置及燃料电池发动机的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种空气进排气控制装置及燃料电池发动机。


背景技术：

2.燃料电池发动机，是一种通过氢气和氧气发生化学反应，将化学能转化为电能的装置。氧气通过空压机压缩后再进入电堆内部，未反应完的气体通过尾排管路排出。
3.但是，燃料电池发动机的尾排管路中的气体具有一定的动能和热能，如直接排出会造成一定的能量浪费。可对尾排中的气体能量进行一定的利用，如利用余热给整车进行加温，采用膨胀机进行能量回收等。
4.现有技术在通过膨胀机进行能量回收时，是将尾排中的水、气进行分离，气体进入膨胀机后再排出。但进入膨胀机的气体中仍含有一定的水汽和液态水，当在低温下运行时，膨胀机可能会出现结冰问题，以及分水件的排水口也可能会出现结冰问题。
5.现有技术缺乏一种有效低解决燃料电池发动机能量回收利用低，且低温下分水件和膨胀机容易出现结冰问题的装置。


技术实现要素：

6.本实用新型实施例旨在提供一种空气进排气控制装置及燃料电池发动机，用以解决现有燃料电池发动机能量回收利用率低，且低温下分水件和膨胀机容易出现结冰的问题。
7.一方面，本实用新型实施例提供了一种空气进排气控制装置，包括空压机、三通阀、分水器和控制器；其中，
8.空压机进一步包括电机，以及分别设置于电机两侧的压轮、涡轮；所述压轮、涡轮均采用密封结构，并分别设置进气口、排气口；
9.电堆的空气进气口通过三通阀的主路出口与空压机的压轮侧排气口连接，出气口经分水件的排气端与空压机的涡轮侧进气口连接；三通阀的旁通出口也与空压机的涡轮侧进气口连接；控制器的输出端分别与电机、三通阀的控制端连接。
10.上述技术方案的有益效果如下：解决了燃料电池发动机能量回收利用率低的问题，以及现有燃料电池发动机在低温下使用时分水件容易出现结冰的问题。具体地，空压机出口的气体温度较高，当燃料电池发动机在运行时，为避免运行时空压机出现喘振，可通过三通阀将空压机出口的部分气体通过旁通的方式排出，如直接排出至尾排管路中会造成该部分气体能量的浪费，将该部分气体出口连接至空压机涡轮端入口，提高了该部分气体能量的利用率。此外，当燃料电池发动机关机时可对空压机上的涡轮端及分水件的排水口进行吹扫，避免有液态水的残留，避免出现结冰现象，如出现结冰，仍可用空压机出口高温的气体进行化冰操作。
11.基于上述装置的进一步改进，所述空气进排气控制装置启动后，控制器通过驱动
电机转动带动压轮，以对空压机压轮侧的空气增压；从空压机涡轮侧输入的气体带动涡轮转动，为电机转动提供额外的驱动力。
12.进一步，该空气进排气控制装置还包括设置于空压机前端的空气过滤器；
13.所述空气过滤器的出气口与空压机的压轮侧进气口连接。
14.进一步，该空气进排气控制装置还包括中冷器；
15.所述中冷器设置于三通阀的主路出口、电堆的空气进气口之间。
16.进一步，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元；其中，
17.所述数据采集单元进一步包括分别设置于空压机的压轮侧进气口或出气口处的气体流量传感器，以及设置于电机转子处的速度传感器。
18.进一步，在整车开机时，控制器先控制三通阀的旁通出口打通、主路出口关闭，控制空压机通过三通阀的旁通出口对分水件的排水端、空压机的涡轮进行吹扫，吹扫结束后，再调整三通阀的旁通出口、主路出口的开度，控制空压机通过三通阀的主路出口对电堆提供发电所需空气；
19.在整车正常运行过程中，在气体流量传感器和电机转子处的速度传感器采集的数值接近喘振线时，控制器控制三通阀的旁通出口打开，以避开喘振；
20.在整车关机时，控制器先控制三通阀的旁通出口、主路出口开启到预设开度，控制空压机通过三通阀的主路出口对电堆进行吹扫，吹扫结束后，再控制三通阀的旁通出口打通、主路出口关闭，控制空压机通过三通阀的旁通出口对分水件的排水端、空压机的涡轮进行吹扫，直到达到事先标定的液态水以及冰消失的预设时间，关闭三通阀的旁通出口，关闭空压机。
21.进一步，该空气进排气控制装置还包括增湿器；
22.所述增湿器的空气进口与中冷器的输出端连接，空气出口与电堆的空气进气口连接，尾气进口与电堆的出气口连接，尾气出口与分水件的输入端连接。
23.进一步，该空气进排气控制装置，还包括进气节气门、尾排气节气门、尾排管路；
24.所述进气节气门的输入端与中冷器的输出端连接，输出端与增湿器的空气进口连接，控制端与控制器的输出端连接；
25.所述尾排气节气门的输入端与增湿器的尾气出口连接，输出端与分水件的输入端连接，控制端与控制器的输出端连接；
26.所述尾排管路的入口分别与空压机的涡轮侧出气口、分水件的排水端连接。
27.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了使用可靠性，避免气体泄露造成浪费。避免了将三通阀安装至中冷器后再进行旁通时空气温度低的问题。
28.另一方面，本实用新型实施例提供了一种包括上述空气进排气控制装置的燃料电池发动机，还包括电堆、氢气进气装置、发动机控制器；其中，
29.电堆的氢气进气口与氢气进气装置的输出端连接；发动机控制器的输出端分别与空气进排气控制装置、氢气进气装置的控制端连接。
30.基于上述发动机的进一步改进，该燃料电池发动机还包括氢气回收设备；其中，
31.所述氢气回收设备的进气口与分水件的排气端连接，其氢气出口与氢喷设备的进气口连接，尾气口与空压机的涡轮侧进气口连接；并且，
32.所述氢气进气装置进一步包括依次连接的氢源、氢喷设备；所述氢喷设备的出气口与电堆的氢气进气口连接。
33.提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
34.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。
35.图1示出了实施例1空气进排气控制装置的组成示意图；
36.图2示出了实施例2空气进排气控制装置的组成示意图；
37.图3示出了实施例2空气进排气控制装置的原理示意图。
具体实施方式
38.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。
39.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。
40.实施例1
41.本发明的一个实施例，公开了一种空气进排气控制装置，包括空压机、三通阀、分水器和控制器，如图1所示。
42.其中，空压机进一步包括电机，以及分别设置于电机两侧的压轮、涡轮；所述压轮、涡轮均采用密封结构，并分别设置进气口、排气口。
43.电堆的空气进气口通过三通阀的主路出口与空压机的压轮侧排气口连接，出气口经分水件的排气端与空压机的涡轮侧进气口连接；三通阀的旁通出口也与空压机的涡轮侧进气口连接；控制器的输出端分别与电机、三通阀的控制端连接。
44.实施时，控制器在空压机的入口空气流量高于空压机喘振线（参见专利201820798483.8或者专利202022204174.3）流量时，控制旁通出口完全打开;在空压机的入口空气流量低于空压机喘振线流量时，主路出口开度、旁通出口的开度设定为事先标定的值。
45.在低温下运行时，在整车开机时，控制器先控制三通阀的主路出口关闭，旁通出口打开，启动空压机，空气通过三通阀的旁通出口对分水件的排水端、空压机的涡轮进行吹扫，以消除液态水和冰，吹扫结束后，再控制空压机通过三通阀的主路出口对电堆提供发电
所需空气。
46.在整车关机时，三通阀的主路出口和旁通出口处于预设开度，空压机通过三通阀的主路出口对电堆进行吹扫，吹扫结束后，再控制空压机通过三通阀的旁通出口对分水件的排水端、空压机的涡轮进行吹扫，直到达到事先标定的液态水以及冰消失的预设时间，关闭三通阀的旁通出口，再关闭空压机。
47.与现有技术相比，本实施例提供的空气进排气控制装置解决了燃料电池发动机能量回收利用率低的问题，以及现有燃料电池发动机在低温下使用时分水件容易出现结冰的问题。具体地，空压机出口的气体温度较高，当燃料电池发动机在运行时，为避免运行时空压机出现喘振，可通过三通阀将空压机出口的部分气体通过旁通的方式排出，如直接排出至尾排管路中会造成该部分气体能量的浪费，将该部分气体出口连接至空压机涡轮端入口，提高了该部分气体能量的利用率。此外，当燃料电池发动机关机时可对空压机上的涡轮端及分水件的排水口进行吹扫，避免有液态水的残留，避免出现结冰现象，如出现结冰，仍可用空压机出口高温的气体进行化冰操作。
48.实施例2
49.在实施例1的基础上进行改进，所述空气进排气控制装置启动后，控制器通过驱动电机转动带动压轮，以对空压机压轮侧的空气增压；从空压机涡轮侧输入的气体带动涡轮转动，为电机转动提供额外的驱动力。
50.优选地，该空气进排气控制装置还包括设置于空压机前端的空气过滤器。所述空气过滤器的出气口与空压机的压轮侧进气口连接。
51.优选地，该空气进排气控制装置还包括中冷器。所述中冷器设置于三通阀的主路出口、电堆的空气进气口之间。
52.优选地，该空气进排气控制装置还包括增湿器。所述增湿器的空气进口与中冷器的输出端连接，空气出口与电堆的空气进气口连接，尾气进口与电堆的出气口连接，尾气出口与分水件的输入端连接。
53.优选地，该空气进排气控制装置还包括进气节气门、尾排气节气门、尾排管路。
54.进气节气门的输入端与中冷器的输出端连接，输出端与增湿器的空气进口连接，控制端与控制器的输出端连接；
55.尾排气节气门的输入端与增湿器的尾气出口连接，输出端与分水件的输入端连接，控制端与控制器的输出端连接；
56.尾排管路的入口分别与空压机的涡轮侧出气口、分水件的排水端连接。
57.优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
58.数据采集单元进一步包括分别设置于空压机的压轮侧进气口或出气口处的气体流量传感器，以及设置于电机转子处的速度传感器。
59.在整车开机时，数据处理与控制单元控制器控制器先控制三通阀的旁通出口打通、主路出口关闭，控制空压机通过三通阀的旁通出口对分水件的排水端、空压机的涡轮进行吹扫，吹扫结束后，再调整三通阀的旁通出口、主路出口的开度，控制空压机通过三通阀的主路出口对电堆提供发电所需空气。
60.在整车正常运行过程中，在气体流量传感器和电机转子处的速度传感器采集的数值接近喘振线（参见专利201820798483.8或者专利202022204174.3）时，数据处理与控制单
元控制三通阀的旁通出口打开，以避开喘振。
61.在整车关机时，数据处理与控制单元先控制三通阀的旁通出口、主路出口开启到预设开度，控制空压机通过三通阀的主路出口对电堆进行吹扫，吹扫结束后，再控制三通阀的旁通出口打通、主路出口关闭，控制空压机通过三通阀的旁通出口对分水件的排水端、空压机的涡轮进行吹扫，直到达到事先标定的液态水以及冰消失的预设时间，关闭三通阀的旁通出口，关闭空压机。
62.与实施例1相比，本实施例提供的空气进排气控制装置通过增加的设备增加了使用可靠性，避免气体泄露造成浪费。避免了将三通阀安装至中冷器后再进行旁通时空气温度低的问题。
63.实施例3
64.本发明的另一个实施例，公开了一种燃料电池发动机，除了包括实施例1或2所述的空气进排气控制装置，还包括电堆、氢气进气装置、发动机控制器。
65.电堆的氢气进气口与氢气进气装置的输出端连接；发动机控制器的输出端分别与空气进排气控制装置、氢气进气装置的控制端连接。
66.实施例4
67.在实施例3的基础上进行改进，该燃料电池发动机还包括氢气回收设备。
68.该氢气回收设备的进气口与分水件的排气端连接，其氢气出口与氢喷设备的进气口连接，尾气口与空压机的涡轮侧进气口连接；并且，
69.优选地，氢气进气装置进一步包括依次连接的氢源、氢喷设备；所述氢喷设备的出气口与电堆的氢气进气口连接。
70.本实用新型不涉及任何软件方面的改进，仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。
71.以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、实际应用或对现有技术的改进，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。