一种燃料电池发动机

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及燃料电池发动机技术。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的装置，只发生电化学反应，没有燃烧过程。发动机将潜在的具有高可靠性和长寿命,并且燃料电池以氢气和氧气为燃料时生成水，没有污染且可以循环利用。燃料电池具有效率高、无污染、寿命长和高可靠性等优点，可作为汽车内燃机的替代产品，也可应用于小型集中供电或分散式供电系统中。由于燃料电池直接把化学能转化成电能，因而其效率通常远远高于内燃机，是绿色环保能源，极具发展潜力和应用前景。

然而，由于氢气是一种易燃易爆气体，因此燃料电池发动机的安全性是极为重要的。尤其是对于车载的燃料电池发动机而言，由于车辆的营运时间长、路况复杂，因此，本领域迫切需要开发具有高安全性能的车载燃料电池发动机。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有高安全性能的车载燃料电池发动机。

在本发明的第一方面，提供了一种燃料电池发动机，包括：

温度控制子系统、ECU子系统、供氢子系统以及供氧子系统，

所述的温度控制子系统包括：去离子过滤器、加热器以及散热器，还包括第一DC/DC模块，所述第一DC/DC模块用于将燃料电池电堆输出电压变换至整车负载电压平台，和第二DC/DC模块，所述第二DC/DC模块用于将母线电压降压至燃料电池发动机各子系统用电器电压平台；

所述供氢子系统包括：氢气进气高压组件、氢气换热组件、氢气分水组件、氢气回流组件、氢气缓冲组件和氢气尾排组件；

所述供氧子系统包括：空滤器、空压机、中冷器和增湿器；

其中，所述供氧子系统还包括：电堆吹扫子系统，所述电堆吹扫子系统集成于所述中冷器上，用于对燃料电池电堆外壳和电堆本体之间限定的腔体中的氢气进行吹扫。

在另一优选例中，所述电堆吹扫子系统包括：电堆吹扫墩头，所述电堆吹扫墩头设置于所述中冷器靠近空气出气口的倾斜面上。

在另一优选例中，所述的电堆吹扫墩头在靠近出气口处具有90°弯角结构，使得分流的用于吹扫的空气流路与所述中冷器中的空气流路正交，并且所述电堆吹扫墩头的管口朝向被设置为能够与燃料电池电堆的出气口连接。

在另一优选例中，所述电堆吹扫墩头的内径被配置为使得分流空气流量占所述中冷器空气流量的1-5％，较佳地1.5％～3％。

在另一优选例中，所述电堆吹扫墩头的内径为5mm～10mm，较佳地5～7mm。

在另一优选例中，所述电堆吹扫墩头上连接有第一电磁阀，所述第一电磁阀通过电连接至所述ECU子系统，由所述ECU子系统开关控制。

在另一优选例中，所述电堆吹扫子系统还包括：氢气浓度传感器，所述氢气浓度传感器设置于燃料电池电堆的通风出口，用于探测燃料电池电堆本体和电堆外壳之间的腔体的氢气浓度。

在另一优选例中，所述氢气浓度传感器与所述ECU子系统通过CAN总线连接，所述ECU子系统根据氢气浓度值不同与预设阈值比较，通过CAN生成多级执行命令，控制第一电磁阀的开闭、开度状态。

在另一优选例中，所述中冷器还包括：温压传感器，所述温压传感器设置于所述中冷器上，用于检测所述中冷器空气出气口的温度和压力。

在另一优选例中，所述中冷器上还设置有紧急排气墩头，所述紧急排气墩头连接有第二电磁阀，所述紧急排气墩头和第二电磁阀管路连接。

在另一优选例中，所述的第二电磁阀通过电连接至所述ECU子系统，并由所述ECU子系统开关控制。

在另一优选例中，所述ECU子系统根据温压传感器监测的温度和/或压力参数，并与预设阈值比较，通过CAN生成多级执行命令，控制第二电磁阀的开闭和开度状态。

在另一优选例中，所述的燃料电池发动机为车载的燃料电池发动机。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是根据本发明的燃料电池发动机的中冷器结构图。

图2是根据本发明的燃料电池发动机的电堆吹扫子系统控制图。

附图标记说明:

1-电堆

2-空压机

3-中冷器

31-电堆吹扫墩头

311-第一电磁阀

32-紧急排气墩头

321-第二电磁阀

33-温压传感器

34-空气进气口

35-空气出气口

36-冷却液进口

37-冷却液出口

4-增湿器

5-ECU子系统

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了结构新颖的燃料电池发动机。本发明的燃料电池发动机设有额外的电堆吹扫子系统，所述电堆吹扫子系统集成于所述中冷器上，用于对燃料电池电堆外壳和电堆本体之间限定的腔体中的氢气进行吹扫，从而进一步消除安全隐患，提高燃料电池发动机的安全性。此外，通过在中冷器进一步设置温压传感器，并监测中冷器的温度和/或压力，从而在必要情况下通过紧急排气管路进行紧急排气，也进一步提高了燃料电池发动机的安全性。在此基础上完成了本发明。

具体地，发明人在研发过程中发现，电堆本体里面有三个腔体，氢气和氧气在电堆本体里面反应。由于氢气的强扩散性，反应过程中氢气腔体会在某些情况下发生部分氢气渗出，使得电堆本体和电堆外壳之间腔体的氢气浓度越来越高。根据相关标准描述,氢气是一种易燃易爆气体，如果氢气集聚，体积浓度达到4％～75％，就存在燃烧甚至爆炸的危险。因此，本发明人通过设置额外的电堆吹扫子系统，并优化设计，将电堆吹扫子系统集成于所述中冷器上，从而获得了安全性能更为优异的燃料电池发动机。

根据本发明的燃料系统发动机至少具有以下技术效果：

①电堆吹扫子系统使得电堆本体与电堆外壳之间的氢气浓度能够管理，并在泄漏浓度达到阈值时，利用中冷器中的空气分流对电堆及时清扫，有效防止由于氢气聚集而产生的爆炸危险；

②通过在中冷器上设置温压传感器，使得中冷器内流通的空气的温度、压力能够管理，当压力达到一定阈值时，紧急排放墩头能够及时排气，防止经过空压机的空气流入中冷器时因压力过高而对零部件产生损坏；

③中冷器实现了多功能集成，将温压传感器、电堆吹扫墩头、紧急排气墩头集成，结构紧凑，最大程度的减小了占用空间，易于燃料电池系统布置；

④由于很多墩头和传感器接头都不需要额外加工，也减少了胶管等物料的使用，降低了开发成本；

⑤传感器接头和墩头焊接到中冷器上，长时间运行时，系统更稳定，降低了故障概率。

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

部分概念说明：

燃料电池发动机中，氧气被送入阴极，氢气被送入阳极，氢气和氧气反应产生电能。通常采用压缩机向燃料电池供应含氧空气。当将含氧空气输送到燃料电池时，空气的温度由压缩机的压缩力而升高。燃料电池在特定温度范围内能够有效地产生电能。然而，经过压缩机压缩后的含氧空气温度上升到120℃。如果将具有如此高温度的空气送入燃料电池，则无法实现有效的发电。因此，在向燃料电池供应空气之前，空气经过中冷器、被冷却到预定温度。中冷器是一种热交换器，就是能使两种或者两种以上的流体不直接接触，但是热量或者能量却发生了相互传递的设备。被冷却的含氧空气再经过增湿器后进入燃料电池组，该增湿器用于增加含氧空气的含水量。

燃料电池在发电过程中，为去除反应残余气体或泄漏气体，防止对电池造成损坏，采用对必要的部件进行吹扫的方式保证下次启动的顺利进行。常见的吹扫情形包括：①在关机前吹扫阴极因反应产生的大量堆积水，以防止当环境温度低于零度时残余水发生相变、体积膨胀、损坏电池；②反应过程中，电堆本体内部的氢气腔体会不断有少量氢气泄漏至电堆本体与电堆外壳之间，为防止氢气浓度过高带来爆炸危险，需要对电堆内的氢气进行吹扫。目前吹扫方式主要有：用空气直接吹扫，或者外接氮气进行吹扫。本发明采用空气吹扫。

下面概要说明本发明实施方式的部分创新点：

如图2所示，本发明提供一种燃料电池发动机系统。该系统包括：温度控制子系统、ECU子系统、供氢子系统以及供氧子系统。

供氢子系统包括：氢气进气高压组件、氢气换热组件、氢气分水组件、氢气回流组件、氢气缓冲组件和氢气尾排组件。

供氧子系统包括：空气过滤器(图中为未示出)、空压机2、中冷器3和增湿器4。燃料电池发动机开机时，外部空气通过空气过滤器、空压机2，流至中冷器3、增湿器4，流入燃料电池电堆。空气过滤器的输出端与空压机2的输入端管路连接，压缩后的空气进入中冷器3降温并通过增湿器4增加空气湿度后进入燃料电池的阴极，以适应燃料电池对阴极入口空气的湿度要求。

供氧子系统还包括电堆吹扫子系统，包括氢气浓度传感器、电堆吹扫墩头以及设置于电堆吹扫墩头31上的第一电磁阀311。电堆吹扫子系统集成于所述中冷器3上。

氢气浓度传感器设置于燃料电池电堆的通风出口。氢浓度传感器1是热电型传感器，其催化金属采用Pt，通过催化氢气与空气中的氧气发生化学反应产生热，是传感器热端和冷段间形成温差电势，实现氢气浓度向电信号的转变，从而检测氢气浓度。

ECU子系统布置在燃料电池发动机的电堆外侧的安全位置，该ECU子系统是可编程控制器(PLC)，主要部件包括CPU、基本接口电路、编程装置、电源等，通过24V低压电瓶取电，通过CAN信号接收氢浓度传感器1探测的氢气浓度的电信号，通过CPU进行计算分析，并发布各执行指令。

CAN总线仪表与ECU子系统连接，用于接收ECU子系统的指令，接收电堆本体和电堆外壳之间限定的腔体的氢气浓度值，根据接收的一级吹扫速度执行命令、二级吹扫速度执行命令，执行氢气浓度超限后的吹扫功能。

氢气浓度传感器通过CAN总线ECU子系统连接，将检测到的氢气浓度值传输至ECU子系统。ECU子系统收到电信号形式的氢浓度信号后，通过将电信号形式的氢浓度信号与预设阈值进行比较，来判断是否出现了氢泄漏，即当电信号形式的氢浓度信号小于或等于所述预设阈值时，则认为无氢泄漏；当所述电信号形式的氢浓度信号大于所述预设阈值时，则认为出现了氢泄漏，此时通过使能信号发生电路等类似电路产生电信号形式的使能信号，并将所述使能信号发送给电堆吹扫墩头31上的第一电磁阀311。ECU子系统上设置有开关可控制第一电磁阀311的开启与关闭状态。

电堆吹扫墩头31设置于中冷器3靠近空气出气口的倾斜面上，在靠近出气口处具有90°弯角结构，使得分流的用于吹扫的空气流路与所述中冷器3中的空气流路正交，使得所述电堆吹扫墩头31的管口朝向设置为能够与燃料电池电堆的出气口连接。第一电磁阀311位于电堆吹扫墩头上，用于接收ECU子系统的指令，执行电堆吹扫功能。

本发动机采用的CAN总线仪表具有通讯功能，采用的第一电磁阀311具有通讯和空气流量控制功能。

当第一电磁阀311处于打开状态，中冷器3的电堆吹扫墩头31的管路实现通路，在中冷器内流通的空气实现分流，一部分空气经由电堆吹扫墩头31进入电堆进行吹扫功能，将电堆本体与电堆外壳之间限定的腔体内的氢气向外界排放的目的。当第一电磁阀311处于打开状态，ECU子系统又将氢气浓度值根据不同预设限值比较，生成一级吹扫速度执行命令、二级吹扫速度执行命令，分级执行CAN总线仪表的一级吹扫速度执行命令、二级吹扫速度执行命令。所述ECU子系统根据接收的氢气浓度值，当氢气浓度低于设定阈值时，发送恢复命令至与CAN总线连接的第一电磁阀311，执行关闭第一电磁阀311。可以理解的是，在未接收到所述电信号形式的使能信号时，所述第一电磁阀311保持关闭状态。

根据本发明，中冷器3上还具有温压传感器33、紧急排放墩头32以及第二电磁阀321。温压传感器33电连接于中冷器3腔体上，并且与ECU子系统电连接。紧急排放墩头323设置于中冷器3空气出气口的一侧，与第二电磁阀321通过胶管相连，出口连接到燃料电池发动机的尾排子系统，再排入大气。

燃料电池发动机开机时，外部空气通过空气过滤器、空压机2，流至中冷器3、增湿器4，流入燃料电池电堆。空气过滤器的输出端与空压机2的输入端管路连接，压缩后的空气进入中冷器3降温并通过增湿器4增加空气湿度后进入燃料电池的阴极，以适应燃料电池对阴极入口空气的湿度要求。

温压传感器33通过CAN总线ECU子系统连接，将检测到的中冷器3内温度值和/或压力值传输至ECU子系统。ECU子系统收到电信号形式的温度和/或压力信号后，通过将电信号形式的温度和/或压力信号与预设阈值进行比较，来判断是否中冷器3内的压力值是否达到预警压力值，即当电信号形式的温度和/或压力信号小于或等于所述预设阈值时，则认为压力处于正常水平；当所述电信号形式的温度和/或压力信号大于所述预设阈值时，则认为出现中冷器内压力过高预警，此时通过使能信号发生电路等类似电路产生电信号形式的使能信号，并将所述使能信号发送给紧急排气墩头上的第二电磁阀321。ECU子系统上设置有开关可控制第二电磁阀321的开启与关闭状态。

为了能够更好地理解本发明的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本发明保护范围的限制。

供氧子系统包括：空气过滤器(图中为未示出)、空压机2、中冷器3和增湿器4。燃料电池发动机开机时，外部空气通过空气过滤器、空压机2，流至中冷器3、增湿器4，流入燃料电池电堆。空气过滤器的输出端与空压机2的输入端管路连接，压缩后的空气进入中冷器3降温并通过增湿器4增加空气湿度后进入燃料电池的阴极，以适应燃料电池对阴极入口空气的湿度要求。

供氧子系统还包括电堆吹扫子系统，包括氢气浓度传感器、电堆吹扫墩头以及设置于电堆吹扫墩头31上的第一电磁阀311。电堆吹扫子系统集成于所述中冷器3上。

氢气浓度传感器设置于燃料电池电堆的通风出口。

ECU子系统布置在燃料电池发动机的电堆上，氢气浓度传感器通过CAN总线ECU子系统连接，将检测到的氢气浓度值传输至ECU子系统。ECU子系统内存储有氢气浓度的预设阈值：3000ppm，即将接受到的信号形式的氢浓度信号与3000ppm进行比较，若信号值大于3000ppm即开启第一电磁阀311。ECU子系统内还存储有2个阈值：3000ppm、6000ppm,分别对应于一级吹扫速度执行命令：第一电磁阀311半开状态、二级吹扫速度执行命令：第一电磁阀311全开状态。

ECU子系统收到电信号形式的氢浓度信号后，通过将电信号形式的氢浓度信号与预设阈值进行比较，来判断是否出现了氢泄漏，当电信号形式的氢浓度信号大于3000ppm时，通过产生电信号形式的使能信号，使能信号发送给电堆吹扫墩头31上的第一电磁阀311,电磁阀311开启，中冷器内部的空气流路分流，通过电堆墩头31流入电堆，执行吹扫功能。

电堆吹扫墩头31设置于中冷器3靠近空气出气口的倾斜面上，在靠近出气口处具有90°弯角结构。电堆吹扫墩头31的内径为5～7mm，优选地，内径为6mm。电堆吹扫墩头31的管口朝向设置为能够与燃料电池电堆的出气口连接。通过电堆墩头31流入电堆的空气流量占中冷器3内部空气流量的1.5～3％。

当第一电磁阀311处于打开状态，ECU子系统将继续将氢气浓度值与不同预设限值比较，当氢气浓度cH2％:3000ppm≤cH2％＜6000ppm时，生成一级吹扫速度执行命令、第一电磁阀31执行半开状态。当cH2％≥6000ppm时，生成二级吹扫速度执行命令、第一电磁阀31执行全开状态。

吹扫过程中氢气浓度持续降低，电磁阀31的开度将根据氢气浓度传感器返回的信号值进行反馈调节。当氢气浓度cH2％:3000ppm≤cH2％＜6000ppm时，ECU子系统将二级吹扫命令切换至一级吹扫速度执行命令、第一电磁阀31执行半开状态。当cH2％＜3000ppm时，发送恢复命令至与CAN总线连接的第一电磁阀311，执行关闭第一电磁阀311。

中冷器3上还具有温压传感器33、紧急排放墩头32以及第二电磁阀321。温压传感器33电连接于中冷器3腔体上，并且与ECU子系统电连接。紧急排放墩头323设置于中冷器3空气出气口的一侧，连接于紧急排放电磁阀，紧急排放电磁阀出口连接到尾排系统。

燃料电池发动机开机时，外部空气通过空气过滤器、空压机2，流至中冷器3、增湿器4，流入燃料电池电堆。空气过滤器的输出端与空压机2的输入端管路连接，压缩后的空气进入中冷器3降温并通过增湿器4增加空气湿度后进入燃料电池的阴极，以适应燃料电池对阴极入口空气的湿度要求。

温压传感器33通过CAN总线ECU子系统连接，将检测到的中冷器3内温度值和/或压力值传输至ECU子系统。ECU子系统内存储有温度的预设阈值：85℃，即将接受到的电信号形式的温度和压力信号与预设值85℃进行比较。若温度信号值大于85℃，即开启第二电磁阀321。ECU子系统内还存储有压力的预设阈值：1.3Bar，即将接受到的电信号形式的压力信号与预设值1.3Bar进行比较，若压力信号值大于1.3Bar,即开启第二电磁阀321。

ECU子系统收到电信号形式的温度和/或压力信号后，通过将电信号形式的温度和/或压力信号与预设阈值进行比较，来判断是否中冷器3内的温度和/或压力值是否达到预警温度和/或压力值，即当电信号形式的温度和/或压力信号小于或等于所述预设阈值时，第二电磁阀321处于关闭状态；当所述电信号形式的温度和/或压力信号大于所述预设阈值时，则认为出现中冷器内温度和/或压力值过高预警，此时通过使能信号发生电路等类似电路产生电信号形式的使能信号，并将所述使能信号发送给紧急排气墩头32上的第二电磁阀321。

当经由温压传感器33传输的中冷器3出气口温度和压力同时满足以下条件：(一)温度值电信号低于85℃；(二)压力值电信号低于1.3Bar；则发送恢复命令至与CAN总线连接的第二电磁阀311，执行关闭第二电磁阀311。

在本发明提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本发明的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本发明的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所要求保护的范围。