一种燃料电池氢利用优化系统及氢利用优化方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池氢利用优化系统，尤其涉及一种燃料电池氢利用优化系统及氢利用优化方法。

背景技术

燃料电池系统的实际运行过程中，严格把控氢气利用率是主要的研究和探讨方向，在成熟的燃料电池系统当中，对氢气路管理的主要方法为通过氢气稳压阀或者氢喷射器对氢气的进堆气量进行一个有效的控制，通过氢气循环泵对电堆排出的余氢进行二次利用，通过对氢气尾排电磁阀与排水电磁阀的脉冲开闭时间的控制，在不影响电堆性能的前提下对氢气进行用量把控，通过控制开关机阶段氢气的吹扫时间来尽量提高氢气的利用率，在温度适宜的南方地区，这些方法皆可有效的对氢气用量进行把控，但是在大部分时间处于严寒气候的北方城市，因为考虑到关闭系统时需要尽量长时间对电堆的氢腔与空腔进行吹扫，以尽量的排出电堆在运行过程中所产生的水，防止在系统停机后因内部余水未能排出而产生冻结，对电堆内部的质子交换膜产生严重损害，此时在吹扫过程中所使用的氢气，完全没有办法产生能量就被排放入大气中去，从而使得整套燃料电池系统的氢气利用率严重降低，同时由于大量氢气用于吹扫反应水，大大降低了燃料电池汽车的续航里程。

CN114583216A公开了一种燃料电池快速停机吹扫方法、系统及存储介质，其中方法包括：接收停机指令后，控制氢气系统和空气系统中的一个停止向燃料电池供气；控制导通电子负载与燃料电池，并根据燃料电池的剩余电量调节电子负载的电流；其中，剩余电量与负载电流正相关；判断燃料电池的剩余电量是否满足预设停机电量范围；若满足，则控制断开电子负载与燃料电池的连接；控制氢气系统和空气系统均停止向燃料电池供气，并控制惰性气体吹扫系统同时向燃料电池的阳极端以及阴极端吹扫惰性气体以进行干燥处理。但是，该燃料电池快速停机吹扫方法需要额外引入惰性气体，工艺及使用的设备结构较为复杂且实际应用成本较高。

CN114447375A公开了一种燃料电池系统停机吹扫方法。该专利的技术方案为：一种燃料电池系统停机吹扫方法，包括以下步骤：第一阶段吹扫：设定第一阶段预设温度，使燃料电池入口或出口冷却介质温度维持在大于等于第一阶段预设温度；加载电流，对燃料电池进行吹扫，直至监测到电压小于预设电压值；第二阶段吹扫：对电堆进行强制降温，向电堆通入气体进行吹扫；设定第二阶段预设温度，当燃料电池入口或出口流体介质温度低于第二阶段设定温度时，或达到设定的吹扫时间，或达到设定的电压均值或最小值，则停止降温和吹扫。但是，该燃料电池系统停机吹扫方法在停机吹扫时仍旧使用氢气，这些氢气直接排入大气中，会造成能源的极大浪费。

目前公开的现有技术均具有一定的缺陷，存在着氢腔在低温吹扫过程中氢气直接排入大气而造成的氢气利用率低，燃料电池汽车的续航里程缩短的问题。因此，开发设计一种燃料电池氢利用优化系统及氢利用优化方法至关重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池氢利用优化系统及氢利用优化方法，本发明提供的燃料电池氢利用优化系统能够优化低温状态下的氢腔吹扫逻辑，低温吹扫时，空气供应器供应的空气通过空气支路进入第一气体管路，最后通过氢腔中，取代了低温吹扫过程中使用的氢气，减少了氢气的损耗，提升了氢气利用率，提升了燃料电池汽车的续航里程。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种燃料电池氢利用优化系统，所述燃料电池氢利用优化系统包括燃料电池，所述燃料电池包括氢腔与空腔，所述氢腔通过第一气体管路与氢气供应器连通，所述空腔通过第二气体管路与空气供应器连通，所述第一气体管路上设置有气体稳压器，所述第二气体管路上设置有空气支路，所述空气支路连接至所述气体稳压器的空气入口，所述空气支路上设置有控制阀。

本发明所述气体稳压器上分别设置有氢气入口及空气入口，氢气供应器通过第一气体管路连通至气体稳压器的氢气入口，空气支路连通至空气入口，气体稳压器上设置有气体出口，气体出口通过第一气体管路连通至氢腔。

本发明所述控制阀包括旁通阀。

本发明提供的燃料电池氢利用优化系统还具有检测大气温度的功能，当大气温度低于设定温度时，开启控制阀使空气供应器供应的空气能够从空气支路进入第一气体管路；当大气温度高于设定温度是，关闭控制阀使空气供应器供应的空气无法从空气支路进入第一气体管路。

本发明提供的燃料电池氢利用优化系统能够优化低温状态下的氢腔吹扫逻辑，低温吹扫时，空气供应器供应的空气通过空气支路进入第一气体管路，最后通过氢腔中，取代了低温吹扫过程中使用的氢气，减少了氢气的损耗，提升了氢气利用率，提升了燃料电池汽车的续航里程。

作为本发明的一个优选技术方案，所述第二气体管路上设置有中冷器，所述中冷器上设置有支路出口，所述支路出口连通至所述空气支路。

本发明所述中冷器上设置有气体入口，空气供应器通过第二气体管路连通至中冷器的氢气入口，中冷器上分别设置有空气出口与支路出口，空气出口通过第二气体管路连通至空腔，支路出口连通至空气支路。

本发明所述中冷器用于对空气供应器供应的空气进行降温，并实现降温后空气的分流。

作为本发明的一个优选技术方案，所述控制阀与所述中冷器之间的空气支路上设置有单向阀。

本发明所述单向阀用于控制气体单向流动，避免第一气体管路中的气体反向流动至第二气体管路。

作为本发明的一个优选技术方案，所述空气支路的口径不小于所述第一气体管路的口径。

优选地，所述空气支路的口径等于所述第一气体管路的口径。

作为本发明的一个优选技术方案，所述控制阀的最大压力值不小于所述燃料电池的额定工况下所述氢腔的压力值的两倍。

优选地，所述控制阀的最大压力值为所述燃料电池的额定工况下所述氢腔的最大压力值的两倍。

作为本发明的一个优选技术方案，所述单向阀的最大压力值不小于所述燃料电池的额定工况下所述第一气体管路的压力值的三倍。

优选地，所述单向阀的最大压力值等于所述燃料电池的额定工况下所述第一气体管路的压力值的三倍。

作为本发明的一个优选技术方案，所述氢气供应器包括氢气储存器。

优选地，所述空气供应器包括空压机。

第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述燃料电池氢利用优化系统的氢利用优化方法，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于设定温度，调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开控制阀，空气供应器供应的空气在第二气体管路中分为两路，一路依次流经空气支路、控制阀、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔内，以排出氢腔内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔内，以排出空腔内的水。

本发明提供的氢利用优化方法，在大气温度低于设定温度时，阻断氢气的供应，使用空气供应器供应的空气来排出空腔内的水的同时，使用空气供应器供应的空气来替代吹扫过程中使用的氢气以排出氢腔中的水，降低了低温吹扫过程中的氢气消耗，提升了氢气利用率。

作为本发明的一个优选技术方案，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于设定温度，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭控制阀，氢气供应器通过第一气体管路向氢腔内通入氢气以排出氢腔内的水，空气供应器通过第二气体管路向空腔内通入空气以排出空腔内的水，直至燃料电池的电堆电压低于设定电压后调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开控制阀，空气供应器供应的空气在第二气体管路中分为两路，一路依次流经空气支路、控制阀、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔内，以排出氢腔内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔内，以排出空腔内的水。

本发明中燃料电池的电堆电压的采集为常规燃料电池自带的功能；当大气温度低于设定温度时，若直接调整气体稳压器阻断氢气的供应并打开控制阀，此时氢腔中仍具有一定浓度的氢气，而空气供应器供应的空气进入氢腔中，会将剩余的氢气直接排除大气中，从而造成氢气的损耗；因此当大气温度低于设定温度时，先充分利用氢腔中的氢气，等待燃料电池的电堆电压低于设定电压后，氢腔中的氢气浓度较低，再调整气体稳压器阻断氢气的供应并打开控制阀，使空气供应器供应的空气进入氢腔中，以排出氢腔内的水。

优选地，所述设定温度为-5～5℃，例如可以是-5℃、-4℃、-3℃、-2℃、-1℃、0℃、1℃、2℃、3℃、4℃或5℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0℃。

优选地，所述设定电压为0.1～0.3V，例如可以是0.1V、0.12V、0.14V、0.16V、0.18V、0.2V、0.22V、0.24V、0.26V、0.28V或0.3V，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0.2V。

作为本发明的一个优选技术方案，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于-5～5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭控制阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔，以排出氢腔内的水，空压机供应的空气经过中冷器进行降温后通入空腔，以排出空腔内的水，直至燃料电池的电堆电压低于0.1～0.3V后调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开控制阀，空压机供应的空气在第二气体管路上设置的中冷器中进行冷却后分为两路，一路依次流经空气支路、单向阀、控制阀、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔内，以排出氢腔内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔内，以排出空腔内的水；

若大气温度不低于-5～5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭控制阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔，以排出氢腔内的水，空压机供应的空气经过中冷器进行降温后通入空腔，以排出空腔内的水。

本发明所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的燃料电池氢利用优化系统能够优化低温状态下的氢腔吹扫逻辑，低温吹扫时，空气供应器供应的空气通过空气支路进入第一气体管路，最后通过氢腔中，取代了低温吹扫过程中使用的氢气，减少了氢气的损耗，提升了氢气利用率，提升了燃料电池汽车的续航里程。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式提供的燃料电池氢利用优化系统的结构示意图。

其中，1-氢腔；2-空腔；3-氢气供应器；4-空气供应器；5-空气支路；6-控制阀；7-中冷器；8-单向阀。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要创新点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

在一个具体实施方式中，如图1所示，本发明提供了一种燃料电池氢利用优化系统，所述燃料电池氢利用优化系统包括燃料电池，所述燃料电池包括氢腔1与空腔2，所述氢腔1通过第一气体管路与氢气供应器3连通，所述空腔2通过第二气体管路与空气供应器4连通，所述第一气体管路上设置有气体稳压器，所述第二气体管路上设置有空气支路5，所述空气支路5连接至所述气体稳压器的空气入口，所述空气支路5上设置有控制阀6。

本发明所述气体稳压器上分别设置有氢气入口及空气入口，氢气供应器3通过第一气体管路连通至气体稳压器的氢气入口，空气支路5连通至空气入口，气体稳压器上设置有气体出口，气体出口通过第一气体管路连通至氢腔1。

本发明所述控制阀6包括旁通阀。

本发明提供的燃料电池氢利用优化系统还具有检测大气温度的功能，当大气温度低于设定温度时，开启控制阀6使空气供应器4供应的空气能够从空气支路5进入第一气体管路；当大气温度高于设定温度是，关闭控制阀6使空气供应器4供应的空气无法从空气支路5进入第一气体管路。

本发明提供的燃料电池氢利用优化系统能够优化低温状态下的氢腔1吹扫逻辑，低温吹扫时，空气供应器4供应的空气通过空气支路5进入第一气体管路，最后通过氢腔1中，取代了低温吹扫过程中使用的氢气，减少了氢气的损耗，提升了氢气利用率，提升了燃料电池汽车的续航里程。

进一步地，所述第二气体管路上设置有中冷器7，所述中冷器7上设置有支路出口，所述支路出口连通至所述空气支路5。

本发明所述中冷器7上设置有气体入口，空气供应器4通过第二气体管路连通至中冷器7的氢气入口，中冷器7上分别设置有空气出口与支路出口，空气出口通过第二气体管路连通至空腔2，支路出口连通至空气支路5。

本发明所述中冷器7用于对空气供应器4供应的空气进行降温，并实现降温后空气的分流。

进一步地，所述控制阀6与所述中冷器7之间的空气支路5上设置有单向阀8。

本发明所述单向阀8用于控制气体单向流动，避免第一气体管路中的气体反向流动至第二气体管路。

进一步地，所述空气支路5的口径不小于所述第一气体管路的口径。

进一步地，所述空气支路5的口径等于所述第一气体管路的口径。

进一步地，所述控制阀6的最大压力值不小于所述燃料电池的额定工况下所述氢腔1的压力值的两倍。

进一步地，所述控制阀6的最大压力值为所述燃料电池的额定工况下所述氢腔1的最大压力值的两倍。

进一步地，所述单向阀8的最大压力值不小于所述燃料电池的额定工况下所述第一气体管路的压力值的三倍。

进一步地，所述单向阀8的最大压力值等于所述燃料电池的额定工况下所述第一气体管路的压力值的三倍。

进一步地，所述氢气供应器3包括氢气储存器。

进一步地，所述空气供应器4包括空压机。

第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述燃料电池氢利用优化系统的氢利用优化方法，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于设定温度，调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开控制阀6，空气供应器4供应的空气在第二气体管路中分为两路，一路依次流经空气支路5、控制阀6、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔1内，以排出氢腔1内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔2内，以排出空腔2内的水。

本发明提供的氢利用优化方法，在大气温度低于设定温度时，阻断氢气的供应，使用空气供应器4供应的空气来排出空腔2内的水的同时，使用空气供应器4供应的空气来替代吹扫过程中使用的氢气以排出氢腔1中的水，降低了低温吹扫过程中的氢气消耗，提升了氢气利用率。

进一步地，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于设定温度，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭控制阀6，氢气供应器3通过第一气体管路向氢腔1内通入氢气以排出氢腔1内的水，空气供应器4通过第二气体管路向空腔2内通入空气以排出空腔2内的水，直至燃料电池的电堆电压低于设定电压后调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开控制阀6，空气供应器4供应的空气在第二气体管路中分为两路，一路依次流经空气支路5、控制阀6、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔1内，以排出氢腔1内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔2内，以排出空腔2内的水。

本发明中燃料电池的电堆电压的采集为常规燃料电池自带的功能；当大气温度低于设定温度时，若直接调整气体稳压器阻断氢气的供应并打开控制阀6，此时氢腔1中仍具有一定浓度的氢气，而空气供应器4供应的空气进入氢腔1中，会将剩余的氢气直接排除大气中，从而造成氢气的损耗；因此当大气温度低于设定温度时，先充分利用氢腔1中的氢气，等待燃料电池的电堆电压低于设定电压后，氢腔1中的氢气浓度较低，再调整气体稳压器阻断氢气的供应并打开控制阀6，使空气供应器4供应的空气进入氢腔1中，以排出氢腔1内的水。

进一步地，所述设定温度为-5～5℃，示例性地为0℃。

进一步地，所述设定电压为0.1～0.3V，示例性地为0.2V。

进一步地，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于-5～5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭控制阀6，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水，直至燃料电池的电堆电压低于0.1～0.3V后调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开控制阀6，空压机供应的空气在第二气体管路上设置的中冷器7中进行冷却后分为两路，一路依次流经空气支路5、单向阀8、控制阀6、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔1内，以排出氢腔1内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔2内，以排出空腔2内的水；

若大气温度不低于-5～5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭控制阀6，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水。

本发明所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。

实施例

本实施例提供了一种如图1所示的燃料电池氢利用优化系统，所述燃料电池氢利用优化系统包括燃料电池，所述燃料电池包括氢腔1与空腔2，所述氢腔1通过第一气体管路与氢气储存器连通，所述空腔2通过第二气体管路与空压机连通，所述第一气体管路上设置有气体稳压器，所述第二气体管路上设置有中冷器7，所述中冷器7上设置有支路出口，所述支路出口连通至空气支路5，所述空气支路5连接至所述气体稳压器的空气入口，所述空气支路5上设置有旁通阀，所述旁通阀与所述中冷器7之间的空气支路5上设置有单向阀8，所述空气支路5的口径等于所述第一气体管路的口径，所述旁通阀的最大压力值为所述燃料电池的额定工况下所述氢腔1的压力值的两倍，所述单向阀8的最大压力值等于所述燃料电池的额定工况下所述第一气体管路的压力值的三倍。

应用例1

本应用例提供了一种上述实施例中燃料电池氢利用优化系统的氢利用优化方法，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于0℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭旁通阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水，直至燃料电池的电堆电压低于0.2V后调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开旁通阀，空压机供应的空气在第二气体管路上设置的中冷器7中进行冷却后分为两路，一路依次流经空气支路5、单向阀8、旁通阀、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔1内，以排出氢腔1内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔2内，以排出空腔2内的水；

若大气温度不低于0℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭旁通阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水。

应用例2

本应用例提供了一种上述实施例中燃料电池氢利用优化系统的氢利用优化方法，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于-5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭旁通阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水，直至燃料电池的电堆电压低于0.1V后调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开旁通阀，空压机供应的空气在第二气体管路上设置的中冷器7中进行冷却后分为两路，一路依次流经空气支路5、单向阀8、旁通阀、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔1内，以排出氢腔1内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔2内，以排出空腔2内的水；

若大气温度不低于-5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭旁通阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水。

应用例3

本应用例提供了一种上述实施例中燃料电池氢利用优化系统的氢利用优化方法，所述氢利用优化方法包括：

若大气温度低于5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭旁通阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水，直至燃料电池的电堆电压低于0.3V后调整气体稳压器阻断氢气的供应，打开旁通阀，空压机供应的空气在第二气体管路上设置的中冷器7中进行冷却后分为两路，一路依次流经空气支路5、单向阀8、旁通阀、气体稳压器与第一气体管路后通入氢腔1内，以排出氢腔1内的水；另一路直接由第二气体管路通入空腔2内，以排出空腔2内的水；

若大气温度不低于5℃，调整气体稳压器打开氢气的供应，关闭旁通阀，氢气储存器供应的氢气经过气体稳压器进行稳压后通入氢腔1，以排出氢腔1内的水，空压机供应的空气经过中冷器7进行降温后通入空腔2，以排出空腔2内的水。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。