一种燃料电池空气尾排系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池空气尾排系统及其控制方法。

背景技术

随着氢燃料电池行业的快速发展，为了满足重卡等应用需求，燃料电池系统功率开始从100kW逐渐上升至200、300kW。主流的两级压缩离心式空压机需要满足的空气流量和压缩比都要大幅度提高，空压机所消耗的寄生功耗与系统输出功率相比将达到20％以上，以200kW系统为例，两级压缩离心式空压机所消耗的辅助功率约为45kW。

为了能提升燃料电池系统电效率，需要降低空压机能耗，目前国内主流燃料电池空压机供应商的选择是探索开发更大功率级别的采用透平能量回收技术路线的空压机产品，利用涡轮膨胀做功的原理，把燃料电池电堆排气中的一部分能量加以回收利用，从而降低空压机对于自身能耗的需求。

然而燃料电池电堆排气中还有大量电化学反应产生的液态水和气态水，不仅会对空压机中的涡轮回收装置有腐蚀损伤影响寿命，还会在运行过程中，影响空压机高速旋转的稳定性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在燃料电池电堆排气中还有大量电化学反应产生的液态水和气态水，不仅会对空压机中的涡轮回收装置有腐蚀损伤影响寿命，还会在运行过程中，影响空压机高速旋转的稳定性的缺陷而提供一种燃料电池空气尾排系统及其控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池空气尾排系统，包括燃料电池系统，所述燃料电池空气尾排系统还包括依次设置在燃料电池系统空气尾排处的分水器、二次水处理装置、电子三通阀、空压机涡轮回收装置和尾排管；

所述二次水处理装置的两端连接有压差传感器，所述二次水处理装置的输出端连接有湿度传感器，所述二次水处理装置设有加热装置；所述电子三通阀还直接连接所述尾排管；

所述压差传感器和湿度传感器用于探测数据，判断二次水处理装置的吸附能力是否正常，若正常则通过电子三通阀连通二次水处理装置和空压机涡轮回收装置；若不正常，则通过电子三通阀连通二次水处理装置和尾排管；所述加热装置用于在所述二次水处理装置的吸附能力不正常时开启，恢复二次水处理装置的吸附能力。

进一步地，所述分水器用于对燃料电池系统产生的液态水进行一次分离，所述二次水处理装置内置吸附剂，用于对燃料电池系统产生的液态水和气态水进行二次吸附。

进一步地，所述压差传感器用于监控所述二次水处理装置前后端空气压力差，得到二次水处理装置在吸附水之后引起的流阻上升趋势。

进一步地，所述湿度传感器用于测量经过二次水处理装置后的空气湿度。

进一步地，所述燃料电池系统包括空气过滤器、空压机、中冷器、空气增湿器、燃料电池电堆和空气背压阀；

所述空气过滤器、空压机、中冷器和空气增湿器的输入端依次连接，所述空气增湿器的输出端连接所述空气背压阀，所述空气背压阀连接所述分水器，所述燃料电池电堆连接所述空气增湿器，所述燃料电池电堆和空气增湿器的连接处设有空进电堆温度压力一体传感器。

进一步地，所述空进电堆温度压力一体传感器用于反馈进入燃料电池电堆的空气温度和压力值；所述空气背压阀和空压机用于相互配合对进入燃料电池电堆的空气流流量和压力的进行调整。

进一步地，所述空压机用于将大气中的空气经由空气过滤器吸入，并进行压缩升温；所述中冷器用于对高温空气进行降温，以满足燃料电池电堆使用的空气温度；所述空气增湿器用于进行空气增湿。

进一步地，所述燃料电池空气尾排系统还包括控制器，该控制器分别连接电子三通阀、压差传感器、湿度传感器、加热装置、空压机、空气背压阀和空进电堆温度压力一体传感器。

一种如上所述的一种燃料电池空气尾排系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：驱动所述燃料电池系统运行；

S2通过所述压差传感器和湿度传感器同时进行数据监测；

S3：若所述压差传感器监测到的压差值超过预设的第一压差值，或所述湿度传感器监测到的湿度值超过预设的第一湿度值，则进行步骤S4；否则执行步骤S8；

S4：执行步骤S5对二次水处理装置进行在线恢复处理；

S5：控制所述电子三通阀进行开关切换，使得二次水处理装置的输出直接连通尾排管，空气直接进入尾排管排出；同时开启所述加热装置对所述二次水处理装置进行加热，二次水处理装置受热析出的液态水直接吹出至尾排管；

S6：若所述压差传感器监测到的压差值降低至预设的第二压差值，或所述湿度传感器监测到的湿度值降低至预设的第二湿度值，则进行步骤S7；

S7：控制所述电子三通阀进行开关切换，使得二次水处理装置的输出连接空压机涡轮回收装置，进行能量回收；同时关闭所述加热装置；

S8：二次水处理装置正常吸附液态水和气态水；

S9：控制所述电子三通阀使得二次水处理装置的输出连接空压机涡轮回收装置，进行能量回收。

进一步地，所述方法还包括：

根据所述空进电堆温度压力一体传感器反馈的进入燃料电池电堆的空气温度和压力值，控制所述空气背压阀和空压机，对进入燃料电池电堆的空气流流量和压力的进行调整。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过分水器和二次水处理装置对燃料电池系统空气尾排进行液态水和气态水的吸附。同时通过在线压差传感器、湿度传感器、加热装置和电子三通阀的联合使用，可对二次水处理装置内的吸附饱和情况进行在线恢复。减少了尾排液态水对空压机涡轮回收装置的腐蚀损伤和高速稳定性的影响，使空压机涡轮的能量回收实用性大大提高，提升了燃料电池系统效率。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种燃料电池空气尾排系统的架构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种燃料电池空气尾排系统的控制方法的逻辑示意图；

图中，1、空气过滤器，2、空压机，3、中冷器，4、空气增湿器，5、燃料电池电堆，6、空进电堆温度压力一体传感器，7、空气背压阀，8、分水器，9、压差传感器，10、二次水处理装置，11、加热装置，12、湿度传感器，13、电子三通阀，14、空压机涡轮回收装置，15、尾排管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池空气尾排系统，包括依次设置在燃料电池系统空气尾排处的分水器8、二次水处理装置10、电子三通阀13、空压机涡轮回收装置14和尾排管15；

二次水处理装置10的两端连接有压差传感器9，二次水处理装置10的输出端连接有湿度传感器12，二次水处理装置10设有加热装置11；电子三通阀13还直接连接尾排管15；

压差传感器9和湿度传感器12用于探测数据，判断二次水处理装置10的吸附能力是否正常，若正常则通过电子三通阀13连通二次水处理装置10和空压机涡轮回收装置14；若不正常，则通过电子三通阀13连通二次水处理装置10和尾排管15；加热装置11用于在二次水处理装置10的吸附能力不正常时开启，恢复二次水处理装置10的吸附能力。

分水器8用于对燃料电池电堆5电化学反应产生的液态水进行分离。

由于分水器8无法100％分离液态水和气态水，经过初步气液分离的空气从分水器8后端进入二次水处理装置10。二次水处理装置10内置水分吸附剂，可快速吸附未被分水器8分离的液态水和气态水。

二次水处理装置10装有的压差传感器9，可监测二次水处理装置10前后端的压力差，用于判断在相同空气流量下二次水处理装置10的流阻，以反馈吸附水饱和度。因为流阻偏大会导致空压机2的能耗增加，需要实时反馈二次水处理装置10吸水饱和度，以控制增加的能耗量。

二次水处理装置10带有的加热装置11。在需要进行吸附能力恢复时对二次水处理装置10进行加热，利用高温将吸附的液态水与内置吸附剂进行分离。

二次水处理装置10后端的湿度传感器12，可对经过二次水处理装置10的空气湿度进行监测，反馈其水分吸附饱和度。燃料电池系统长时间运行过程中，湿度传感器12反馈的湿度将缓慢增加，表明二次水处理装置10中的水分吸附能力逐渐下降。

通过监测压差传感器和湿度传感器信号，可判断二次水处理装置水分饱和度的下降情况。当触发停止阀值时，可停止加热，电子三通阀切回至空压机涡轮回收装置，此时燃料电池系统尾排空气可再次由分水器和二次水处理装置吸附液态水和气态水。尾排空气再次对空压机涡轮回收装置做功，进行能量回收。

二次水处理装置10后端与电子三通阀13相连，电子三通阀13可根据前端的二次水处理装置10吸附水能力状态调节空气路径。当二次水处理装置10吸附能力正常时，空气经过电子三通阀13进入空压机涡轮回收装置14，对涡轮做功，能量回收。当二次水处理装置10吸附能力偏弱需要恢复时，空气经过电子三通阀13直接进入尾排管15，直接排出。同时可开启加热装置11对二次水处理装置10的吸附水能力进行恢复处理。

二次水处理装置恢复处理阶段需要时间较少，在燃料电池系统运行过程中就能进行。通过燃料电池系统尾排的大量空气，同时加热装置加热二次水处理装置，其中吸附的液态水会快速析出并经由电子三通阀直接排至尾排管排出。

作为一种优选的实施方式，燃料电池系统包括空气过滤器1、空压机2、中冷器3、空气增湿器4、燃料电池电堆5和空气背压阀7；

空气过滤器1、空压机2、中冷器3和空气增湿器4的输入端依次连接，空气增湿器4的输出端连接空气背压阀7，空气背压阀7连接分水器8，燃料电池电堆5连接空气增湿器4，燃料电池电堆5和空气增湿器4的连接处设有空进电堆温度压力一体传感器6。

燃料电池系统正常工作时，通过空压机2将大气中的空气经由空气过滤器1吸入，并进行压缩，伴随着空气升温。再通过中冷器3对高温空气进行降温，以满足燃料电池电堆5使用的空气温度。

干空气通过空气增湿器4进行增湿后，再进入燃料电池电堆5，进行电化学反应产生电能。空气背压阀7和空压机2进行配合，对进入的空气流流量和压力的进行调整。空进电堆温度压力一体传感器6反馈进入燃料电池电堆5的空气温度和压力值。

燃料电池空气尾排系统还包括控制器，该控制器分别连接电子三通阀13、压差传感器9、湿度传感器12、加热装置11、空压机2、空气背压阀7和空进电堆温度压力一体传感器6；控制器可执行下述控制方法。

如图2所示，本实施例还提供上述燃料电池空气尾排系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：驱动燃料电池系统正常运行；

S2通过压差传感器9和湿度传感器12同时进行数据监测，用于反馈二次水处理装置10的流阻和水分吸附饱和度；

S3：若压差传感器9监测到的压差值超过预设的第一压差值，或湿度传感器12监测到的湿度值超过预设的第一湿度值，则反馈信号至燃料电池系统控制器，进行步骤S4；否则执行步骤S8；

S4：执行步骤S5对二次水处理装置10进行在线恢复处理；

S5：控制电子三通阀13进行开关切换，使得二次水处理装置10的输出直接连通尾排管15，空气直接进入尾排管15排出；同时开启加热装置11对二次水处理装置10进行加热，二次水处理装置10受热析出的液态水直接吹出至尾排管15；

S6：若压差传感器9监测到的压差值降低至预设的第二压差值，或湿度传感器12监测到的湿度值降低至预设的第二湿度值，则反馈信号至燃料电池系统控制器，进行步骤S7；

S7：控制电子三通阀13进行开关切换，使得二次水处理装置10的输出连接空压机涡轮回收装置14，进行能量回收；同时关闭加热装置11，加热装置11停止加热二次水处理装置10；

S8：当压差传感器9和湿度传感器12监测到的压差值和湿度值均未超过预设的第一压差值和第一湿度值时，二次水处理装置10正常吸附液态水和气态水，二次水处理装置10正常吸附液态水和气态水；

S9：正常情况下，控制电子三通阀13使得二次水处理装置10的输出连接空压机涡轮回收装置14，空气进入空压机涡轮回收装置14，对涡轮做功进行能量回收；

S10：系统正常运行，实时监测压差传感器9和湿度传感器12反馈的信号，在线确认二次水处理装置10状态，配合电子三通阀13和加热装置11进行恢复调整

可选的，方法还包括：

根据空进电堆温度压力一体传感器6反馈的进入燃料电池电堆5的空气温度和压力值，控制空气背压阀7和空压机2，对进入燃料电池电堆5的空气流流量和压力的进行调整。

本发明对燃料电池空气尾排系统中增加分水器进行一次分离，在分水器后端增加二次水处理装置，对少量液态水和气态水进行二次吸收，使进入空压机涡轮回收装置的气体尽量干燥，有助于延长空压机涡轮回收装置寿命和稳定性。

本发明针对的燃料电池空气尾排系统及其控制方法，通过增加分水器进行初次气液分离，增加带有吸附剂的二次水处理装置进行液态水和气态水吸附。当二次水处理装置吸附能力减少或者本身流阻增加时，通过电子三通阀和加热装置降低二次水处理装置的吸附剂吸水饱和度，使其吸附能力恢复。该空气尾排系统及其控制方法可以使进入空压机涡轮回收装置的气体尽量干燥，有助于延长燃料电池系统用的空压机涡轮回收装置寿命和稳定性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。