[发明专利]一种燃料电池空气子系统及其控制方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池空气子系统及其控制方法，包括空气过滤器、空压机、中冷器、加湿器和电堆，电堆与加湿器之间还连接有排气管路，燃料电池空气子系统还包括四通阀，四通阀包括第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，加湿器的湿气出口与第一进气端连通，第一出气端与电堆连通，中冷器的出气口与第二进气端之间连接有第一旁路，第二出气端与排气管路之间连接有第二旁路。通过改变四通阀上的第一进气端、第二进气端、第一出气端、第二出气端的通断状态可以改变四通阀的工况，实现了控制入堆气体湿度的同时避免出现怠速状态下空压机喘振问题，并且降低加湿器以及阀件中液态水含量的同时保持电堆湿度。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池空气子系统及其控制方法。

背景技术

车载燃料电池系统一般由空气子系统、氢气子系统、热管理系统和控制系统组成，其中空气子系统主要由空气滤清器，空气压缩机，中冷器，增湿器、背压阀等部件组成，实现了燃料电池堆发电时对空气的供应需求。

现有的燃料电池系统原理如图1所示，空气子系统在工作时，外界的空气经过空气滤清器过滤杂质后由空气压缩机驱动后，再依次经过中冷器降温和加湿器加湿，达到燃料电池堆运行所需的温度、压力、湿度等状态，进入燃料电池堆进行电化学反应。空气在电堆流道反应后带出部分反应生成的水再重新进入加湿器，利用带出的水分对进入的空气进行加湿，最后再排出大气。

但是上述的空气子系统在工作时，进入电堆的空气湿度无法调节，系统高功率运行时电堆的阴极产生的水分较大，导致空气带出的水分较多，因此对进入电堆的空气的加湿量过大，可能出现水淹现象。系统低功率运行时空气压缩机的转速较低，容易出现喘振现象，若调高空压机的转速，保持怠速状态，则空气流量过大，会导致膜电极过干，电堆性能衰减；而且在停机吹扫时，由于要优先控制电堆膜电极的含水量，进入电堆的空气需保持一定的含水量，导致加湿器的水量偏高。

为了调节进入空气的温度，常用的做法是在中冷器与加湿器之间布置三通，三通布置旁通连接在加湿器与电堆的进气管路上，如图2所示，此时可通过控制旁通的气体流量调节入堆空气的湿度，但是系统在低功率运行时仍然会出现喘振现象，高功率运行时会出现电堆性能衰减，同时吹扫时加湿器的水量会偏高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种空气燃料电池空气子系统，以控制入堆空气湿度的同时避免出现怠速状态下空压机喘振现象，降低加湿器中液态水含量的同时保持电堆湿度；本发明还提供了一种空气燃料电池空气子系统的控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空气燃料电池空气子系统，包括空气过滤器、空压机、中冷器、加湿器和电堆，所述空气过滤器、所述空压机、所述中冷器以及所述加湿器顺次连接，所述电堆与所述加湿器之间还连接有排气管路，所述燃料电池空气子系统还包括四通阀，所述四通阀包括第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，所述加湿器的湿气出口与所述第一进气端连通，所述第一出气端与所述电堆连通，所述中冷器的出气口与所述第二进气端之间连接有第一旁路，所述第二出气端与所述排气管路之间连接有第二旁路，所述四通阀包括低功率工况、高功率工况、怠速工况、湿度调节工况和吹扫工况，所述第一进气端与所述第一出气端连通，所述第二进气端与所述第二出气端关闭时所述四通阀处于低功率工况；所述第二进气端与所述第一出气端连通，所述第一进气端与所述第二出气端关闭时所述四通阀处于高功率工况；所述第一进气端、所述第一出气端与所述第二出气端连通，所述第二进气端关闭时所述四通阀处于怠速工况；所述第一进气端、所述第二进气端以及所述第一出气端连通，所述第二出气端关闭时所述四通阀处于湿度调节工况；所述第二进气端、所述第二出气端连通，所述第一进气端、所述第一出气端关闭时所述四通阀处于吹扫工况。

优选地，所述排气管路上还布置有节气门。