一种燃料电池吹扫系统以及控制方法

文献发布时间：2023-06-19 10:51:07

技术领域

本发明涉及汽车燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池吹扫系统以及控制方法。

背景技术

燃料电池是一种把燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的化学装置。主流车载燃料电池使用质子交换膜燃料电池，其反应物为氢气和空气，发电的同时生成热和水。由于反应产生大量的水，停机时容易在电堆内部堆积，导致水淹现象，引起电堆性能衰减和影响下次正常启动。尤其是低温环境下，电堆中的水会结冰，对质子交换膜和电堆结构造成物理损伤，同时冰会堵塞电堆内部反应气体流道及电堆外部管路，影响电堆的正常启动和工作。综上，燃料电池停机时需要对电堆进行吹扫，降低水含量。

吹扫气体选择主要有两种：惰性气体(如氮气)和空气，考虑到成本和系统复杂度，多数选择空气作为吹扫气体。当前主要存在的问题在于，只针对电堆阴极的空气吹扫，而停机时残存水还存在于电堆阳极以及电堆外部管路等，吹扫不彻底影响燃料电池的正常工作。停机后利用空气经过空压机后升温对吹入电堆，以达到阴极膜电极“烘干”的效果，但是在环境温度很低的情况下，空气升温有限，“烘干”效率和效果有限。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种燃料电池吹扫系统以及控制方法，旨在燃料电池吹扫不彻底的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种燃料电池吹扫的控制方法，所述燃料电池系统包括电堆、空气系统、热管理系统和氢气系统，所述空气系统包括连接所述电堆设置的进气管路和出气管路，所述进气管路上设置有空压机和中冷器，所述热管理系统包括连接所述电堆设置的出水段和进水段、连接在所述出水段和进水段之间且相互并联设置的散热支路和加热支路、控制所述散热支路和所述加热支路连通的切换装置，所述散热支路上设置有散热器，所述加热支路上设置有加热器，所述进水段与所述中冷器相热接设置，以能够与所述中冷器进行热交换，所述氢气系统包括与所述电堆连接的氢气输入管路和氢气回收管路，所述氢气输入管路上设置有氢进比例阀，所述氢气回收管路上设置有氢气循环泵，所述燃料电池吹扫的控制方法包括以下步骤：

在电堆停止发电且开启吹扫之后，获取空气系统和氢气系统的吹扫预设参数、以及热管理系统的控制参数；

根据所述吹扫预设参数控制所述空压机转速、所述氢进比例阀开度以及所述氢气循环泵转速，并根据所述热管理系统的控制参数控制选择连通所述散热支路和所述加热支路，并控制对应的所述散热器与所述加热器的启闭；

获取所述电堆内交流阻抗的变化值，并根据所述电堆内的交流阻抗的变化值控制堆内吹扫结束。

可选的，所述热管理系统还包括对应设于所述电堆的进水口以及出水口的水进堆温度传感器以及水出堆温度传感器，所述根据所述热管理系统的控制参数控制选择连通所述散热支路和所述加热支路的步骤包括：

获得预设进水温度、预设出水温度以及预设散热支路和加热支路的连通状态；

获取所述水进堆温度传感器测得的实际进水温度、以及所述水出堆温度传感器测得的实际出水温度；

根据所述实际进水温度与所述预设进水温度之间的关系，以及所述实际出水温度与所述预设出水温度的关系，对应控制所述切换装置切换所述散热支路和所述加热支路。

可选的，所述根据所述实际进水温度与所述预设进水温度的之间的关系，以及所述实际出水温度与所述预设出水温度的关系，对应控制所述切换装置切换所述散热支路和所述加热支路的步骤包括：

当所述实际进水温度小于所述预设进水温度、所述实际出水温度小于所述预设出水温度时，关闭所述散热器，打开所述加热器，并控制所述切换装置切换至所述加热支路连通；

当所述实际出水温度大于所述预设出水温度时，关闭加热器；

当所述实际进水温度等于所述预设进水温度时，控制所述切换装置切换至所述散热支路连通，并打开所述散热器。

可选的，所述燃料电池还包括设于所述电堆的交流阻抗器；

所述获取所述电堆内交流阻抗的变化值，控制堆内吹扫结束的步骤之后，还包括：

获取堆内吹扫结束指令，控制所述空气系统断开与所述电堆的连接，控制所述空压机转速以及所述氢进比例阀开度，并关闭所述氢气循环泵；

获取电堆强制放电指令，控制电堆按预设放电电流进行放电，当电堆电压降至阈值以下时，控制所述电堆断电。

可选的，所述氢气系统包括还包括氢排阀，所述氢排阀连通所述氢气循环泵和所述出气管路，开启所述氢排阀以向所述出气管路内排出氢气；

所述获取电堆强制放电指令，控制电堆按预设放电电流进行放电，当电堆电压降至阈值以下时，控制所述电堆断电的步骤之后，还包括：

获取支路吹扫指令，控制所述空压机转速以及所述氢进比例阀开度，并间隔开启所述氢排阀；

达到预设吹扫时间后，关闭所述空压机、所述氢进比例阀以及所述氢排阀。

可选的，所述达到预设吹扫时间后，关闭所述空压机、所述氢进比例阀以及所述氢排阀的步骤之后，还包括：

获取冷却指令，控制所述切换装置切换所述散热支路连通，并开启所述散热器；

当所述实际出水温度低于预设停机温度时，关闭所述散热器，完成停机。

本发明还提供一种燃料电池吹扫系统，包括：

电堆；

空气系统，包括连接所述电堆设置的进气管路和出气管路，所述进气管路上设置有空压机和中冷器；

热管理系统，包括连接所述电堆设置的出水段和进水段、连接在所述出水段和进水段之间且相互并联设置的散热支路和加热支路、控制所述散热支路和所述加热支路连通的切换装置，所述散热支路上设置有散热器，所述加热支路上设置有加热器，所述进水段与所述中冷器相热接设置，以能够与所述中冷器进行热交换；

氢气系统，包括与所述电堆连接的氢气输入管路和氢气回收管路，所述氢气输入管路上设置有氢进比例阀，所述氢气回收管路上设置有氢气循环泵；以及，

控制装置，与所述电堆、所述空气系统、所述热管理系统以及所述氢气系统之间电性连接，所述控制装置包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的燃料电池吹扫的控制程序，所述燃料电池吹扫的控制程序配置为实现上述的燃料电池吹扫的控制方法的步骤。

可选的，所述热管理系统还包括对应设于所述电堆的进水口以及出水口的水进堆温度传感器以及水出堆温度传感器，用以分别检测所述电堆的实际进水温度以及实际出水温度。

可选的，所述燃料电池吹扫系统还包括设于所述电堆的交流阻抗器，用用以检测所述电堆的内阻变化。

可选的，所述氢气系统包括还包括氢排阀，所述氢排阀连通所述氢气循环泵和所述出气管路，开启所述氢排阀以向所述出气管路内排出氢气。

本发明的技术方案中，所述热管理系统包括加热支路，在接收到吹扫指令时，通过所述加热支路对冷却水进行加热，迅速提高空气的温度，便于对所述电堆内部进行吹扫，且即使在环境温度较低的情况下，也可以达到排水效果，在温度达到最佳蒸发吹扫温度后，切换至所述散热支路，通过所述散热器调节所述冷却水的温度，防止温度过高损坏电堆，通过所述加热支路与所述散热支路的切换，加快吹扫所述电堆内的水分。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的燃料电池吹扫系统的一是实施例的连接结构示意图；

图2为本发明提供的燃料电池吹扫的控制方法一实施例的流程示意图；

图3为图2中S20的具体步骤的流程示意图；

图4为图3中S23的具体步骤的流程示意图

图5为图1中S30步骤之后的一实施例的流程示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1，本发明提供一种燃料电池吹扫系统100，包括电堆、空气系统、热管理系统、氢气系统以及控制装置；所述空气系统包括连接所述电堆1设置的进气管路和出气管路，所述进气管路上设置有空压机21和中冷器22；所述热管理系统包括连接所述电堆1设置的出水段和进水段、连接在所述出水段和进水段之间且相互并联设置的散热支路和加热支路、控制所述散热支路和所述加热支路连通的切换装置31，所述散热支路上设置有散热器32，所述加热支路上设置有加热器33，所述进水段与所述中冷器22相热接设置，以能够与所述中冷器22进行热交换；所述氢气系统包括与所述电堆1连接的氢气输入管路和氢气回收管路，所述氢气输入管路上设置有氢进比例阀41，所述氢气回收管路上设置有氢气循环泵42；所述控制装置与所述电堆1、所述空气系统、所述热管理系统以及所述氢气系统之间电性连接。

在本发明中，所述热管理系统包括加热支路，在接收到吹扫指令时，通过所述加热支路对冷却水进行加热，迅速提高空气的温度，便于对所述电堆1内部进行吹扫，且即使在环境温度较低的情况下，也可以达到排水效果，在温度达到最佳蒸发吹扫温度后，切换至所述散热支路，通过所述散热器32调节所述冷却水的温度，防止温度过高损坏电堆1，通过所述加热支路与所述散热支路的切换，加快吹扫所述电堆内的水分。

进一步的，为了便于检测所述电堆1内的冷却水温度，所述热管理系统还包括对应设于所述电堆1的进水口以及出水口的水进堆温度传感器23以及水出堆温度传感器24，用以分别检测所述电堆1的实际进水温度以及实际出水温度。便于判断所述电堆1内的温度是否处于最佳蒸发温度值，以便于控制所述加热器33以及所述散热器32的开启和关闭。

所述燃料电池吹扫系统100还包括设于所述电堆1的交流阻抗器51，用以检测所述电堆1的阻抗变化，进而推算所述电堆1内的含水量，以便于控制所述电堆堆内吹扫结束。

另外，所述氢气系统包括还包括氢排阀43，所述氢排阀43连通所述氢气循环泵和所述出气管路，开启所述氢排阀43以向所述出气管路内排出氢气。以便于吹扫收所述出气管路中的剩余水分。

请参阅图2，本发明提供的控制装置，所述控制装置与所述电堆1、所述空气系统、所述热管理系统以及所述氢气系统之间电性连接，用以控制所述燃料电池吹扫系统。

所述控制装置可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

如图2所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及智能摄影云台的摄影控制程序。

在图2所示的控制装置中，通过所述处理器1001调用存储器1005中存储的燃料电池的吹扫控制程序，并执行以下操作：

在电堆停止发电且开启吹扫之后，获取空气系统和氢气系统的吹扫预设参数、以及热管理系统的控制参数；

获取所述电堆内交流阻抗的变化值，并根据所述电堆内的交流阻抗的变化值控制堆内吹扫结束。