[发明专利]一种燃料电池系统集成氢气吹扫装置和尾排稀释功能的空气子系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池系统集成氢气吹扫装置和尾排稀释功能的空气子系统及其控制方法，包括空气过滤器、空压机、中冷器、空气三通阀、燃料电池堆壳体、燃料电池堆、背压阀、燃料电池堆壳体排气管路、燃料电池堆阳极腔排气管路、燃料电池系统尾排和氢气浓度传感器。本发明提出的燃料电池系统集成氢气吹扫装置和尾排稀释功能的空气子系统及其控制方法，通过集成一个空气三通阀，同时实现了壳体通风功能和尾排氢气稀释功能，简化了空气子系统架构，减少了成本。

技术领域

本发明涉及车用燃料电池系统中空气子系统技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统集成氢气吹扫装置和尾排稀释功能的空气子系统及其控制方法。

背景技术

燃料电池系统发动机是一种用于新能源汽车用的动力系统。燃料电池系统发动机包括核心零部件(燃料电池电堆)、电辅件(空压机、增湿器、传感器、阀类零件、DCDC等)、热管理系统零部件(阳极热交换器、中冷器、节温器等)、连接的管路接头、机械结构等。

燃料电池系统的核心零部件，燃料电池电堆，是利用燃料氢气和氧化剂空气的电化学反应产生电能的电化学装置。因为电堆产生高压电能，所以通常需设计电堆的壳体对电堆进行密封处理，实现IP67或以上的防护等级。但是在电堆运行的过程中，如果电堆出现故障或者电堆密封性不好或者壳体内管路、接头密封不严时，可能会出现氢气泄露的情况。因电堆处于相对封闭的壳体内，通常需要增加通风，以便在氢气浓度上升到爆炸极限4％VOL前，通风控制壳体内氢气浓度。

另外，在燃料电池系统启动过程中，通常会先用氢气吹扫燃料电池电堆阳极腔，达到置换其中气体的目的，以保证阳极腔内部气体为纯氢气。在置换过程中，因氢气还未进行电化学反应，电堆置换后的排气为高浓度氢气。该高浓度氢气会通过尾排直接排出燃料电池系统。高浓度氢气的直接排出存在潜在风险，所以通常需要同时利用大量的空气对高浓度氢气进行稀释处理，降低氢气浓度。

现有常见的燃料电池系统空气子系统架构，其空气子系统通过空压机、中冷器、增湿器(根据电堆需求决定是否需要增加)调节进入电堆的空气的流量、湿度、温度，以实现电堆工况的调节。经过电堆出口的高湿度空气重新通入增湿器内，为增湿器的干空气进行加湿。通过背压阀调节进入电堆空气的压力。电堆氢气尾排、电堆壳体通风与电堆空气尾排混合后，作为燃料电池系统的尾排排出。

现有专利，专利申请号为CN201911039874.7，专利名称为“一种燃料电池系统的启动准备方法”，其公开的燃料电池系统空气子系统架构，如其供气组件所示，在空气压机的管路中分出两条支路，通过节流阀、管路通入电堆组件实现通风的功能；通过旁通组件实现将部分空气旁通后，直接与尾排氢气进行混合，达到稀释氢气浓度的效果。上述方案的缺点为设计较为复杂，且成本较高。该方案为了在空压机之后增加两个支路，需要在两个支路上分别增加一个电磁阀。该设计的鲁棒性较低，三个电磁阀需要通过控制器进行协调控制，控制不当会对燃料电池堆的发电状态和寿命造成严重的影响。

现有专利，专利申请号为CN201811169413.7，专利名称为“改进通风的燃料电池系统”，其公开的燃料电池系统空气子系统架构中，燃料电池电堆壳体的通风功能通过大气与空压机前管路中空气压力的压差形成的空气流实现。因为燃料电池系统的进气需要通过空气过滤，所以该方案在壳体进气的位置增加了两个通风过滤器。该方案的空气子系统架构中无通风功能。上述方案缺点为成本较高，且无尾排氢气稀释功能，并存在一定的风险。该方案为了混合空气进气与壳体通风的出气，需要在壳体上增加两个空气过滤器，此设计会增加壳体通风的成本；该方案只涉及了壳体通风，但是没有涉及尾排氢气的稀释，无法在燃料电池系统启动过程中实现稀释；另外，壳体通风的排气中可能含有一定浓度的氢气，与空压机后的气体混合后通入燃料电池的阴极室可能存在一定的风险。