一种燃料电池空气子系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池空气子系统及其控制方法。


背景技术：

2.车载燃料电池系统一般由空气子系统、氢气子系统、热管理系统和控制系统组成，其中空气子系统主要由空气滤清器，空气压缩机，中冷器，增湿器、背压阀等部件组成，实现了燃料电池堆发电时对空气的供应需求。
3.现有的燃料电池系统原理如图1所示，空气子系统在工作时，外界的空气经过空气滤清器过滤杂质后由空气压缩机驱动后，再依次经过中冷器降温和加湿器加湿，达到燃料电池堆运行所需的温度、压力、湿度等状态，进入燃料电池堆进行电化学反应。空气在电堆流道反应后带出部分反应生成的水再重新进入加湿器，利用带出的水分对进入的空气进行加湿，最后再排出大气。
4.但是上述的空气子系统在工作时，进入电堆的空气湿度无法调节，系统高功率运行时电堆的阴极产生的水分较大，导致空气带出的水分较多，因此对进入电堆的空气的加湿量过大，可能出现水淹现象。系统低功率运行时空气压缩机的转速较低，容易出现喘振现象，若调高空压机的转速，保持怠速状态，则空气流量过大，会导致膜电极过干，电堆性能衰减；而且在停机吹扫时，由于要优先控制电堆膜电极的含水量，进入电堆的空气需保持一定的含水量，导致加湿器的水量偏高。
5.为了调节进入空气的温度，常用的做法是在中冷器与加湿器之间布置三通，三通布置旁通连接在加湿器与电堆的进气管路上，如图2所示，此时可通过控制旁通的气体流量调节入堆空气的湿度，但是系统在低功率运行时仍然会出现喘振现象，高功率运行时会出现电堆性能衰减，同时吹扫时加湿器的水量会偏高。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：提供一种空气燃料电池空气子系统，以控制入堆空气湿度的同时避免出现怠速状态下空压机喘振现象，降低加湿器中液态水含量的同时保持电堆湿度；本发明还提供了一种空气燃料电池空气子系统的控制方法。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种空气燃料电池空气子系统，包括空气过滤器、空压机、中冷器、加湿器和电堆，所述空气过滤器、所述空压机、所述中冷器以及所述加湿器顺次连接，所述电堆与所述加湿器之间还连接有排气管路，所述燃料电池空气子系统还包括四通阀，所述四通阀包括第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，所述加湿器的湿气出口与所述第一进气端连通，所述第一出气端与所述电堆连通，所述中冷器的出气口与所述第二进气端之间连接有第一旁路，所述第二出气端与所述排气管路之间连接有第二旁路，所述四通阀包括低功率工况、高功率工况、怠速工况、湿度调节工况和吹扫工况，所述第一进气端与所述第一出气端连通，所述第二进气端与所述第二出气端关闭时
所述四通阀处于低功率工况；所述第二进气端与所述第一出气端连通，所述第一进气端与所述第二出气端关闭时所述四通阀处于高功率工况；所述第一进气端、所述第一出气端与所述第二出气端连通，所述第二进气端关闭时所述四通阀处于怠速工况；所述第一进气端、所述第二进气端以及所述第一出气端连通，所述第二出气端关闭时所述四通阀处于湿度调节工况；所述第二进气端、所述第二出气端连通，所述第一进气端、所述第一出气端关闭时所述四通阀处于吹扫工况。
8.优选地，所述排气管路上还布置有节气门。
9.一种燃料电池空气子系统的控制方法，采用上述技术方案所述的燃料电池空气子系统，包括以下步骤，步骤一，采集单元采集车辆的状态，并将状态信号传输给控制单元；步骤二，控制单元根据状态信号判断燃料电池空气子系统的工况，并向燃料电池空气子系统的四通阀传输动作信号；步骤三，四通阀根据动作信号调节第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端的通断状态，从而调节四通阀的工况与车辆的状态相适配。
10.优选地，步骤三中，当燃料电池空气子系统处于湿度调节工况时，四通阀通过控制第一进气端、第二进气端的开度调节入堆空气的湿度。
11.优选地，当燃料电池空气子系统处于吹扫工况时，车辆处于停机状态。
12.本发明实施例一种燃料电池空气子系统及其控制方法与现有技术相比，其有益效果在于：燃料电池空气子系统通过改变四通阀上的第一进气端、第二进气端、第一出气端、第二出气端的通断状态可以改变四通阀的工况，当四通阀处于低功率工况时，经过加湿器加湿的湿润气体经过第一进气端和第一出气端直接进入电堆，电堆产水量较少，湿润气体快速增加入堆空气的湿度，提高系统效率；当四通阀处于高功率工况时，经过中冷器降温的气体经过第二进气端和第一出气端直接进入电堆，快速降低电堆内的湿度，避免电堆因产水量较多而产生水淹；当四通阀处于怠速工况时，由于空压机有起飞转速要求，经过加湿器加湿的气体一部分经过第一进气端和第一出气端直接进入电堆、另一部分经过第一进气端和第二出气端进入排气管路，减小进入电堆的空气量，避免吹干膜电极，同时也不需要降低空压机转速，怠速工况下不会出现喘振现象；当四通阀处于调节湿度工况时，经过加湿器加湿的湿润气体经过第一进气端和第一出气端进入电堆，经过中冷器降温的气体经过第二进气端和第一出气端进入电堆，通过控制第一进气端、第二进气端的气体比例可以调节入堆空气的湿度；当四通阀处于吹扫工况时，经过中冷器制冷后的气体经第二进气端和第二出气端进入排气管路，降低加湿器以及阀件中的液态水含量，同时冷却后的气体不会进入电堆，保持电堆湿度，实现了控制入堆气体湿度的同时避免出现怠速状态下空压机喘振问题，并且降低加湿器以及阀件中液态水含量的同时保持电堆湿度。
附图说明
13.图1是现有的燃料电池空气子系统的结构示意图；
14.图2是现有的燃料电池空气子系统的另一结构示意图；
15.图3是本发明的燃料电池空气子系统的结构示意图；
16.图4是图3的燃料电池空气子系统的四通阀的结构示意图。
17.图中，1、空气过滤器；2、空压机；3、中冷器；4、加湿器；5、电堆；6、四通阀；61、第一进气端；62、第二进气端；63、第一出气端；64、第二出气端；7、第一旁路；8、第二旁路；9、节气
门；10、排气管路。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
19.本发明的一种燃料电池空气子系统的优选实施例，如图3与图4所示，该燃料电池空气子系统包括空气过滤器1、空压机2、中冷器3、加湿器4和电堆5，空气过滤器1、空压机2、中冷器3以及加湿器4顺次连接，空气过滤器1用于对进入燃料电池空气子系统的空气进行过滤净化，空压机2用于驱动空气流动，中冷器3用于对空气进行降温，加湿器4用于对空气进行加湿，满足燃料电池的电堆5运行所需的温度、湿度等状态，空气过滤器1、空压机2、中冷器3、加湿器4的具体结构为现有技术，此处不作详细叙述。
20.电堆5与加湿器4之间还连接有排气管路10，排气管路10与电堆5的阴极接口连接，用于将反应后的气体排出电堆5，电堆5的阴极反应后会产生水分，气体将水分带出电堆5后进入加湿器4，用于对进入电堆5的空气进行加湿，提高水分的利用率，节约能源。排气管路10的尾端与大气连通，用于将加湿后的气体排出至大气。
21.燃料电池空气子系统还包括四通阀6，四通阀6包括第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64，四通阀6包括第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64，加湿器4的湿气出口与第一进气端61连通，第一出气端63与电堆5连通，中冷器3的出气口与第二进气端62之间连接有第一旁路7，第二出气端64与排气管路10之间连接有第二旁路8。在本实施例中，第一旁路7的一端连接在中冷器3与加湿器4之间的气体管路上，从而实现与中冷器3的出气口连接。
22.四通阀6的第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64分别独立通断，通过控制第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64的通断状态可以改变四通阀6的工况，从而与车辆的状态相适应。
23.四通阀6包括低功率工况、高功率工况、怠速工况、湿度调节工况和吹扫工况，第一进气端61与第一出气端63连通，第二进气端62与第二出气端64关闭时四通阀6处于低功率工况；第二进气端62与第一出气端63连通，第一进气端61与第二出气端64关闭时四通阀6处于高功率工况；第一进气端61、第一出气端63与第二出气端64连通，第二进气端62关闭时四通阀6处于怠速工况；第一进气端61、第二进气端62以及第一出气端63连通，第二出气端64关闭时四通阀6处于湿度调节工况；第二进气端62、第二出气端64连通，第一进气端61、第一出气端63关闭时四通阀6处于吹扫工况。
24.当四通阀6处于低功率工况时，低功率工况下电堆5产水量较少，需要增加膜电极的湿度以提高系统的工作效率，因此经过加湿器4加湿的湿润气体经过第一进气端61和第一出气端63直接进入电堆5，而第二进气端62和第二出气端64关闭后不会有气体流通，湿润气体快速增加入堆空气的湿度，提高系统效率。
25.当四通阀6处于高功率工况时，高功率工况下电堆5的产水量较多，因此需要降低电堆5内的湿度，此时经过中冷器3降温的气体经过第二进气端62和第一出气端63直接进入电堆5，而经过加湿器4的湿润气体不会由第一进气端61进入电堆5，第二出气端64关闭避免气体进入排气管路10，实现快速降低电堆5内的湿度，避免电堆5因产水量较多而产生水淹。
26.当四通阀6处于怠速工况时，由于空压机2有起飞转速要求，此时燃料电池空气子系统的进气量较大，容易吹干膜电极，如果降低空压机2的转速则会出现喘振现象。经过加湿器4加湿的气体一部分经过第一进气端61和第一出气端63直接进入电堆5、另一部分经过第一进气端61和第二出气端64进入第二旁路8后最终进入排气管路10，通过第二出气端64和第二旁路8进行分流以减小进入电堆5的空气量，避免气体全部进入电堆5吹干膜电极，同时也不需要降低空压机2转速，怠速工况下不会出现喘振现象。
27.当四通阀6处于调节湿度工况时，经过中冷器3降温的气体分成两路，一部分经过加湿器4加湿后经过第一进气端61和第一出气端63进入电堆5，给一部分由第一旁路7经过第二进气端62和第一出气端63进入电堆5，通过控制进入第一进气端61、第二进气端62的气体比例可以调节入堆空气的湿度。
28.当四通阀6处于吹扫工况时，经过中冷器3制冷后的气体经第二进气端62和第二出气端64进入排气管路10，降低加湿器4以及阀件中的液态水含量，同时第一进气端61和第一出气端63关闭后冷却后的气体不会进入电堆5，防止带走电堆5内的水分，保持电堆5湿度。
29.优选地，排气管路10上还布置有节气门9。
30.节气门9可以控制排气管路10内的气体流量，调节电堆5的反应速率。
31.本发明的一种燃料电池空气子系统的控制方法的优选实施例，即上述的燃料电池空气子系统的工作过程，包括以下步骤，步骤一，采集单元采集车辆的状态，并将状态信号传输给控制单元；步骤二，控制单元根据状态信号判断燃料电池空气子系统的工况，并向燃料电池空气子系统的四通阀6传输动作信号；步骤三，四通阀6根据动作信号调节第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64的通断状态，从而调节四通阀6的工况与车辆的状态相适配。
32.具体地，控制单元可以为车辆ecu系统，采集的车辆状态包括车辆的速度、油门开度、挡位等，以判断车辆的工况。
33.优选地，步骤三中，当燃料电池空气子系统处于湿度调节工况时，四通阀6通过控制第一进气端61、第二进气端62的开度调节入堆空气的湿度。
34.优选地，当燃料电池空气子系统处于吹扫工况时，车辆处于停机状态。
35.综上，本发明实施例提供一种燃料电池空气子系统及其控制方法，其燃料电池空气子系统通过改变四通阀上的第一进气端、第二进气端、第一出气端、第二出气端的通断状态可以改变四通阀的工况，当四通阀处于低功率工况时，经过加湿器加湿的湿润气体经过第一进气端和第一出气端直接进入电堆，电堆产水量较少，湿润气体快速增加入堆空气的湿度，提高系统效率；当四通阀处于高功率工况时，经过中冷器降温的气体经过第二进气端和第一出气端直接进入电堆，快速降低电堆内的湿度，避免电堆因产水量较多而产生水淹；当四通阀处于怠速工况时，由于空压机有起飞转速要求，经过加湿器加湿的气体一部分经过第一进气端和第一出气端直接进入电堆、另一部分经过第一进气端和第二出气端进入排气管路，减小进入电堆的空气量，避免吹干膜电极，同时也不需要降低空压机转速，怠速工况下不会出现喘振现象；当四通阀处于调节湿度工况时，经过加湿器加湿的湿润气体经过第一进气端和第一出气端进入电堆，经过中冷器降温的气体经过第二进气端和第一出气端进入电堆，通过控制第一进气端、第二进气端的气体比例可以调节入堆空气的湿度；当四通阀处于吹扫工况时，经过中冷器制冷后的气体经第二进气端和第二出气端进入排气管路，
降低加湿器以及阀件中的液态水含量，同时冷却后的气体不会进入电堆，保持电堆湿度，实现了控制入堆气体湿度的同时避免出现怠速状态下空压机喘振问题，并且降低加湿器以及阀件中液态水含量的同时保持电堆湿度。
36.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。