專利名稱：一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池的空氣系統(tǒng)，特別是一種引入陰極排氣再循環(huán)技術(shù)的先進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池空氣系統(tǒng)，屬于新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜氫氣燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell,簡(jiǎn)稱 PEMFC)以其效率高、零排放的優(yōu)點(diǎn)格外受到人們的青睞。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是一種電化學(xué)裝置，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程不受卡諾循環(huán)限制，理論效率較高。其消耗的燃料為氫氣，反應(yīng)產(chǎn)物是水，有害排放物為零，是最清潔的能源之一。因此燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可以用在備用電站、電動(dòng)汽車和移動(dòng)電源等領(lǐng)域。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括幾個(gè)主要組成部分，如附圖1所示，燃料電池電堆是其核心，電堆外圍還包括了氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、功率輸出系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等附件系統(tǒng)。氫氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為電堆提供氫氣供應(yīng)，需要根據(jù)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的氫氣壓力和流量；空氣系統(tǒng)則是為 電堆提供適量的氧化劑即空氣，需要根據(jù)工況調(diào)節(jié)進(jìn)入電堆的空氣的溫度、壓力和流量；增濕系統(tǒng)是為了保證進(jìn)入電堆的空氣的濕度在一定范圍，過(guò)干和過(guò)濕對(duì)質(zhì)子交換膜和電堆都有不利的影響，因此需要對(duì)進(jìn)入電堆的空氣進(jìn)行濕度控制；冷卻系統(tǒng)則通過(guò)冷卻劑循環(huán)的方式使電堆溫度保持合適水平，保證電堆穩(wěn)定可靠工作；功率輸出系統(tǒng)則是通過(guò)DC/DC裝置來(lái)調(diào)節(jié)電堆的輸出電壓和電流的大小和變化速率；控制系統(tǒng)是整個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的“大腦”，由其對(duì)電堆外圍的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，使得電堆處于最佳工作狀態(tài)，保證電堆長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。一種典型的燃料電池空氣系統(tǒng)由空壓機(jī)、散熱器、增濕器、冷凝器等部分組成，如附圖1中所示。環(huán)境空氣經(jīng)由空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入散熱器，由散熱器冷卻后進(jìn)入增濕器進(jìn)行增濕，增濕后進(jìn)入電堆進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，陰極側(cè)的氧氣會(huì)和來(lái)自陽(yáng)極的氫離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在輸出電能的同時(shí)生產(chǎn)水(氣態(tài)或者液態(tài))，并大部分由陰極空氣側(cè)流出，因此參與反應(yīng)后的陰極空氣氧氣含量下降，水含量(濕度)增加，在電堆出口空氣經(jīng)冷凝器回收水分后，通過(guò)流量控制閥2排入環(huán)境中。該空氣系統(tǒng)能夠通過(guò)空壓機(jī)、流量控制閥I和2的協(xié)調(diào)控制來(lái)控制進(jìn)入電堆的空氣流量和空氣壓力，能夠通過(guò)散熱器調(diào)整進(jìn)氣溫度，通過(guò)增濕器控制進(jìn)氣濕度。根據(jù)PEMFC的工作原理和性能特點(diǎn)可知，進(jìn)入電堆的空氣中氧氣的總量和參與反應(yīng)的氧氣量，稱之為過(guò)量系數(shù)或者當(dāng)量比，一般車用燃料電池的當(dāng)量比在1.5 3之間。顯然，進(jìn)入電堆的空氣流量和過(guò)量系數(shù)與空氣總量是耦合的關(guān)系，將隨著燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率變化為變化。同時(shí)，由于電堆內(nèi)部反應(yīng)生成的水(氣態(tài)或者液態(tài))需要經(jīng)過(guò)陰極反應(yīng)通道帶出，如果生成的液態(tài)水不及時(shí)排除，生成的水會(huì)阻礙流道，即所謂的水淹現(xiàn)象，導(dǎo)致電堆性能下降，影響燃料電池的使用。為了提高排水能力，需要提高空氣的流量或流速以便順利吹除液態(tài)水。在怠速或小負(fù)荷時(shí)，由于生成的水量偏小，如果一直保持較大的空氣流量，則容易把流道和質(zhì)子交換膜表面水都吹干，導(dǎo)致膜過(guò)干而性能下降；如果一直保持較小的空氣流量，則不容易吹走流道內(nèi)的液態(tài)水而導(dǎo)致水淹。因此在怠速或小負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣總量不能一直減小，也就導(dǎo)致氧氣總量或者當(dāng)量比不能一直減小，往往過(guò)量系數(shù)保持在較高水平，這也就導(dǎo)致怠速或小負(fù)荷時(shí)燃料電池電壓較高(O. 9疒1. 2V)。而相關(guān)研究顯示，較高的工作電壓(O. 9疒1. 2V)對(duì)燃料電池壽命是極為不利的。研究表明，在怠速或小負(fù)荷工況下，如果降低氧的當(dāng)量比，可以有效降低燃料電池輸出電壓，從而保證燃料電池的使用壽命O如何使得陰極具有較高的氣體壓力和流量的同時(shí)，又保證其溫度和濕度在合適范圍，還要保證其中的氧氣的含量(分壓)較低，使得燃料電池的輸出電壓處于較低的水平，有利于燃料電池的耐久性，是空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。如附圖1所示的當(dāng)前的燃料電池空氣系統(tǒng)中，沒(méi)有分別調(diào)整總空氣壓力和氧氣含量的能力。由于車用燃料電池的陰極反應(yīng)物為來(lái)自大氣中的空氣，而大氣的濕度和溫度條件隨緯度、海拔高度和季節(jié)等變化差異很大，可能出現(xiàn)高溫高濕(接近100%的相對(duì)濕度)，也可能出現(xiàn)高溫低濕(接近0%的相對(duì)濕度)。如附圖1中所示的空氣系統(tǒng)的另外一個(gè)缺點(diǎn)在于，不能滿足燃料電池在極端工作條件下的溫度和濕度靈活調(diào)整的能力在高溫低濕工作環(huán)境下，燃料電池如果長(zhǎng)期工作在怠速和小負(fù)荷工況下則容易出現(xiàn)膜干；在高溫高濕工作環(huán)境下，燃料電池如果長(zhǎng)期工作大負(fù)荷工況下則容易出現(xiàn)水淹。如附圖1所示的空氣系統(tǒng)的另外一個(gè)缺點(diǎn)在于，在停機(jī)后，整個(gè)空氣系統(tǒng)管路中的氧氣無(wú)法除盡，燃料電池靜置時(shí)空氣系統(tǒng)管路處于富氧狀態(tài)。在陽(yáng)極氫氣切斷之后，隨著靜置時(shí)間的增加，陰極側(cè)的氧氣在逐步將陽(yáng)極的氫氣消耗完后，會(huì)進(jìn)一步透過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極，使得陽(yáng)極也處于富氧狀態(tài)。這種富氧狀態(tài)會(huì)加速電堆的衰退，使得燃料電池壽命顯著縮短。如附圖1所示的空氣系統(tǒng)的另外一個(gè)缺點(diǎn)在于，為了保證電堆排水等功能，需要來(lái)自大氣的較多空氣進(jìn)入電堆，由于大氣中存在微粒和硫等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)將加快電堆的衰減；因此需要專門的機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾器來(lái)濾除這些雜質(zhì)；加大的空氣流量，意味著機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾器的體積和成本增 加，或者加快其有效壽命的衰減。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)陰極排氣再循環(huán)的空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可精確控制進(jìn)入電堆的空氣壓力、總流量、溫度、濕度和氧含量等條件參數(shù)，從而為電堆工作提供理想工作條件，達(dá)到提高電堆效率和延長(zhǎng)電堆壽命、低溫條件下加快電堆暖機(jī)過(guò)程、低濕環(huán)境條件下提高電堆增濕效果。本發(fā)明特征之一在于一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于是一種基于計(jì)算機(jī)輔助控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入電堆的空氣壓力、空氣總流量、空氣溫度、空氣濕度和空氣含氧量進(jìn)行同步控制的適用于最高工作壓力大于1. 5bar的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，含有控制部分和陰極排氣再循環(huán)部分，其中控制部分含有一個(gè)控制器，真空泵和真空罐以及七個(gè)各自由電磁閥和真空閥串接而成的控制閥，此處還有多個(gè)溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器共同組成的傳感器組，用S表示，向控制器發(fā)送傳感信號(hào)，其中，
各真空閥采用真空膜片閥，在閥桿上安裝有位置傳感器以實(shí)現(xiàn)閥流量的精確控制；各電磁閥信號(hào)輸入端并聯(lián)后經(jīng)一個(gè)壓力傳感器分別與所述控制器和真空泵的控制信號(hào)輸入端相連，所述控制器通過(guò)各個(gè)所述電磁閥的控制端來(lái)調(diào)整各所述電磁閥的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)各所述真空閥的真空度；陰極排氣再循環(huán)部分，包括機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置、進(jìn)排氣回路和排氣再循環(huán)回路，其中進(jìn)排氣回路包括進(jìn)氣通路和排氣通路，其中進(jìn)氣通路始自通大氣的所述機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置的空氣出口，依次含有第一傳感器組S1、空氣流量傳感器、第一控制閥V1、第二傳感器組S2、空氣壓縮機(jī)、第二控制閥V2、散熱器、第四控制閥V4、增濕器以及電堆的空氣入口，在所述散熱器的旁通回路上還設(shè)有第三控制閥V3，在所述增濕器旁通回路上還設(shè)有第五控制閥V5，其中，第二控制閥V2和第三控制閥V3是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體溫度閉環(huán)控制的進(jìn)氣溫度控制閥組，第四控制閥V4和第五控制閥V5是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體濕度閉環(huán)控制的氣體濕度控制閥組；排氣通路始自所述電堆的空氣出口，依次含有第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4以及第七控制閥V7 ；排氣再循環(huán)回路位于所述空氣壓縮機(jī)之前，始自經(jīng)過(guò)所述第四傳感器組S4的輸出端，終止到所述空氣壓縮機(jī)的入口處，連通了所述進(jìn)氣回路和排氣回路，形成了一條從所述電堆的空氣出口處依次經(jīng)過(guò)所述第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4、設(shè)在所述支路上的第六控制閥V6、空氣壓縮機(jī)、第二控制閥V2、散熱器、第三控制閥V3、第四控制閥V4、第五控制閥V6以及增濕器到達(dá)所述電堆空氣入口的排氣再循環(huán)回路，其中第六控制閥V6 、第一控制閥Vl以及第七控制閥V7是一組實(shí)現(xiàn)靈活分配再循環(huán)的氣體體積流量和氧氣組分的比例，以達(dá)到調(diào)整進(jìn)入電堆的總氣體流量、總壓力、氧氣分壓目的的控制閥組；第六控制閥V6、第一控制閥V1、空氣流量傳感器和氧傳感器是一個(gè)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣回路氧含量閉環(huán)反饋控制的部件；全關(guān)狀態(tài)下的第一控制閥V1、第七控制閥V7和全開(kāi)狀態(tài)下的第六控制閥V6構(gòu)成了一個(gè)排氣再循環(huán)比例為100%的停機(jī)控制閥組；常閉狀態(tài)下的第一控制閥V1、第六控制閥V6、第七控制閥V7共三個(gè)控制閥構(gòu)成一組停機(jī)存放控制閥組；全關(guān)狀態(tài)下的第二控制閥V2、第四控制閥V4和全開(kāi)狀態(tài)下的第三控制閥V3、第五控制閥V5共同構(gòu)成了一個(gè)低溫冷機(jī)快速啟動(dòng)控制閥組；當(dāng)?shù)诹刂崎yV6的開(kāi)度大于第一控制閥V1、第七控制閥V7的開(kāi)度時(shí)所述第六控制閥V6、第一控制閥V1、第七控制閥V7共同構(gòu)成了一個(gè)怠速和小負(fù)荷下的高電位控制閥組，同時(shí)也是一個(gè)防止電堆長(zhǎng)期小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)水淹現(xiàn)象的控制閥組；在怠速和小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)開(kāi)度經(jīng)過(guò)調(diào)整的第四控制閥V4、第五控制閥V5共同構(gòu)成了防止電堆膜干的控制閥組。本發(fā)明特征之二在于一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于是一種基于計(jì)算機(jī)輔助控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入電堆的空氣壓力、空氣總流量、空氣溫度、空氣濕度和空氣含氧量進(jìn)行同步控制的適用于最高工作壓力小于等于1. 5bar的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，含有控制部分和陰極排氣再循環(huán)部分，其中控制部分含有一個(gè)控制器，真空泵和真空罐以及七個(gè)各自由電磁閥和真空閥串接而成的控制閥，此處還有多個(gè)溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器共同組成的傳感器組，用S表示，向控制器發(fā)送傳感信號(hào)，其中，各真空閥采用真空膜片閥，在閥桿上安裝有位置傳感器以實(shí)現(xiàn)閥流量的精確控制；各電磁閥信號(hào)輸入端并聯(lián)后經(jīng)一個(gè)壓力傳感器分別與所述控制器和真空泵的控制信號(hào)輸入端相連，所述控制器通過(guò)各個(gè)所述電磁閥的控制端來(lái)調(diào)整各所述電磁閥的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)各所述真空閥的真空度；陰極排氣再循環(huán)部分，包括機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置、進(jìn)排氣回路和排氣再循環(huán)回路，其中進(jìn)排氣回路包括進(jìn)氣通路和排氣通路，其中進(jìn)氣通路始自通大氣的所述機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置的空氣出口，依次含有第一傳感器組S1、空氣流量傳感器、第一控制閥V1、第二傳感器組S2、空氣壓縮機(jī)、第二控制閥V2、散熱器、第四控制閥V4、增濕器以及電堆的空氣入口，在所述散熱器的旁通回路上還設(shè)有第三控制閥V3，在所述增濕器旁通回路上還設(shè)有第五控制閥V5，其中，第二控制閥V2和第三控制閥V3是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體溫度閉環(huán)控制的進(jìn)氣溫度控制閥組，第四控制閥V4和第五控制閥V5是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體濕度閉環(huán)控制的氣體濕度控制閥組；排氣通路始自所述電堆的空氣出口，依次含有第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4以及第七控制閥V7 ；排氣再循環(huán)回路位于所述空氣壓縮機(jī)之后，始自經(jīng)過(guò)所述第四傳感器組S4的輸出端，終止到所述空氣壓縮機(jī)的出口處，連通了所述進(jìn)氣回路和排氣回路，形成了一條從所述電堆的空氣出口處依次經(jīng)過(guò)所述第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4、設(shè)在所述支路上的第六控制閥V6、空氣泵、第二控制閥V2、散熱器、第三控制閥V3、第四控制閥V4、第五控制閥V6以及增濕器到達(dá)所述電堆空氣入口的排氣再循環(huán)回路，其中第六控制閥V6、第一控制閥Vl以及第七控制閥V7是一組實(shí)現(xiàn)靈活分配再循環(huán)的氣體體積流量和氧氣組分的比例，以達(dá)到調(diào)整進(jìn)入電堆的總氣體流量、總壓力、氧氣分壓目的的控制閥組；第六控制閥V6、第一控制閥V1、空氣流量傳感器和氧傳感器是一個(gè)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣回路氧含量閉環(huán)反饋控制的部件；全關(guān)狀態(tài)下的第一控制閥V1、第七控制閥V7和全開(kāi)狀態(tài)下的第六控制閥V6構(gòu)成了一個(gè)排氣再循環(huán)比例為100%的停機(jī)控制閥組；常閉狀態(tài)下的第一控制閥V1、第六控制閥V6、第七控制閥V7共三個(gè)控制閥構(gòu)成一組停機(jī)存放控制閥組；全關(guān)狀態(tài)下的第二控制閥V2、第四控制閥V4和全開(kāi)狀態(tài)下的第三控制閥V3、第五控制閥V5共同構(gòu)成了一個(gè)低溫冷機(jī)快速啟動(dòng)控制閥組；

當(dāng)?shù)诹刂崎yV6的開(kāi)度大于第一控制閥V1、第七控制閥V7的開(kāi)度時(shí)所述第六控制閥V6、第一控制閥V1、第七控制閥V7共同構(gòu)成了一個(gè)怠速和小負(fù)荷下的高電位控制閥組，同時(shí)也是一個(gè)防止電堆長(zhǎng)期小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)水淹現(xiàn)象的控制閥組；在怠速和小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)開(kāi)度經(jīng)過(guò)調(diào)整的第四控制閥V4、第五控制閥V5共同構(gòu)成了防止電堆膜干的控制閥組。


圖1 一種典型的燃料電池空氣系統(tǒng)，圖例如下
— 氫氣回路— 冷卻介質(zhì)回路
_ 空氣回路
- 增濕回路
帶有排氣再循環(huán)的燃料電池空氣系統(tǒng)圖(再循環(huán)回路在空壓機(jī)或風(fēng)扇之前)帶有排氣再循環(huán)的燃料電池空氣系統(tǒng)圖(再循環(huán)回路在空壓機(jī)或風(fēng)扇之后)帶有排氣再循環(huán)的燃料電池空氣系統(tǒng)的典型實(shí)施例(再循環(huán)回路在空壓機(jī)或圖2圖3 圖4
風(fēng)扇之前)，圖例如下
—空氣回路 .......真空度回路 ---控制電路
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的2種帶有排氣再循環(huán)的燃料電池空氣系統(tǒng)分別如附圖2和附圖3所示，其工作特點(diǎn)如下所述。(I)再循環(huán)回路用一個(gè)排氣再循環(huán)回路將由電堆陰極出口排出的氣體再引入到電堆的入口回路；根據(jù)空氣系統(tǒng)工作壓力的范圍，有兩種方案可以選擇；第I種方案如附圖2所示，針對(duì)部件11 (電堆本體)的工作壓力較大(高壓電堆，例如電堆的最高工作壓力大于1. 5bar)的方案，可以將再循環(huán)回路(含管路和部件15即控制閥V6)安排在部件3 (空壓機(jī))之前；第2種方案如附圖3所示，針對(duì)部件11 (電堆本體)的工作壓力較小(低壓電堆)的方案，可以將再循環(huán)回路(含管路和部件15即控制閥V6)安排在部件3之后，同時(shí)在再循環(huán)回路上增加一個(gè)空氣驅(qū)動(dòng)部件18 (空氣壓縮機(jī)或者風(fēng)扇)，整個(gè)空氣系統(tǒng)可以根據(jù)需要安裝必要的溫度、壓力和相對(duì)濕度傳感器，來(lái)分別檢測(cè)大氣、部件3 (空壓機(jī)或者風(fēng)扇)出口、部件11 (電堆本體)的入口和出口以及部件15 (控制閥V6)入口前的氣體狀態(tài)。(2)空氣回路的溫度控制如附圖2和附圖3所示，為了靈活控制經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)或者風(fēng)扇之后的氣體溫度，在散熱器之前配置有部件4 (控制閥V2)和部件5 (控制閥V3)，可以靈活分配流經(jīng)散熱器的氣體流量，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入部件11 (電堆本體)的陰極氣體溫度的閉環(huán)控制；流量控制閥V2和V3的功能也可以由一個(gè)三通閥代替。(3)空氣回路的濕度控制如附圖2和附圖3所示，為了靈活控制進(jìn)入電堆的氣體濕度，在增濕器之前配置有部件7 (控制閥V4)和部件8 (旁通流量控制閥V5)，從而可以靈活分配流經(jīng)增濕器的氣體流量，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入部件11 (電堆本體)的陰極氣體的濕度；流量控制閥V4和V5的功能也可以由一個(gè)三通閥代替。(4)含氧量調(diào)節(jié)機(jī)理在附圖2和附圖3中，在排氣再循環(huán)回路上，設(shè)置有部件15(控制閥V6)，分別與空氣進(jìn)口回路上的部件2 (控制閥VI)和出口回路上的部件16 (控制閥V7)配合，實(shí)現(xiàn)靈活分配再循環(huán)的氣體體積流量和氧氣組分的比例，從而達(dá)到靈活調(diào)整進(jìn)入電堆的總氣體流量、總壓力和氧氣分壓的目的。例如當(dāng)部件11 (電堆本體)處于額度功率(大負(fù)荷)工作條件下，部件2 (控制閥VI)全開(kāi)，部件15 (控制閥V6)全關(guān)，這時(shí)排氣再循環(huán)比例為零，進(jìn)入部件11 (電堆本體)全部是新鮮空氣(氧氣含量為當(dāng)?shù)卮髿庵械难鯕夂?，支持電堆大負(fù)荷工作；此時(shí)空氣的工作壓力和總流量可以由部件3 (壓縮機(jī)或者空氣風(fēng)扇I)和部件16 (控制閥V7)來(lái)配合完成。當(dāng)電堆逐步減小功率時(shí)，由于所需的氧氣流量相應(yīng)減小，可將部件2 (控制閥VI)的開(kāi)度逐步開(kāi)小，部件15(控制閥V6)的開(kāi)度逐步變大，從而逐步提高排氣再循環(huán)的比例，其效果是氧氣流量降低，進(jìn)入部件11 (電堆本體)的總氣體流量和壓力可調(diào)；通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)V1、V6和V7的開(kāi)度，就可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的氣體總流量、總壓力和氧氣分壓(流量)的獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)了電堆的輸出電壓(主要受氧的分壓影響)和電堆排水(總流量和總壓力)的解耦控制。(5)含氧量閉環(huán)控制為了精確控制進(jìn)入部件11 (電堆本體)的氧氣含量比例，可以在空氣的入口回路上，設(shè)置有部件I即空氣流量傳感器，可以實(shí)測(cè)流經(jīng)部件2即控制閥Vl的新鮮空氣流量；在電 堆的空氣出口回路上，設(shè)置有部件14即氧傳感器以實(shí)測(cè)排氣中的氧氣含量；結(jié)合控制流經(jīng)部件15即控制閥V6的氣體量，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣回路的氧含量的閉環(huán)反饋控制；也可以不用氧傳感器，而是根據(jù)燃料電池的功率和效率，估計(jì)電堆內(nèi)部反應(yīng)消耗的氧氣量，從而可以估計(jì)出排氣中剩余的氧氣量；實(shí)現(xiàn)基于物理模型的氧含量狀態(tài)估計(jì)和閉環(huán)控制。(6)停機(jī)控制過(guò)程當(dāng)部件2 (控制閥VI)和部件16 (控制閥V7)全關(guān)而部件15(控制閥V6)全開(kāi)的條件下，達(dá)到排氣再循環(huán)的比例是100%，這時(shí)由于排氣多次通過(guò)再循環(huán)回路進(jìn)入部件11 (電堆本體)，其中的氧氣被逐步反應(yīng)掉，因此整個(gè)排氣中的氧氣含量逐步降低，直到為零，反應(yīng)停止，電堆進(jìn)入不反應(yīng)的自然狀態(tài)；這時(shí)整個(gè)陰極側(cè)的氣體成分主要包括水蒸氣和氮?dú)?，沒(méi)有氧氣，反應(yīng)自然停止，電堆不再輸出高電壓，從而可以自然停機(jī)以保護(hù)電堆的耐久性和壽命；此時(shí)空壓機(jī)和再循環(huán)回路配合，仍然可以產(chǎn)生期望的氣體流量和壓力，即可將電堆內(nèi)殘余的液態(tài)水排出，保證停堆后低溫條件下電堆內(nèi)部不會(huì)由于殘留有水而結(jié)冰所導(dǎo)致電堆的損壞?？紤]到停機(jī)之后，執(zhí)行器處于斷電狀態(tài)，可以將連接大氣的控制閥Vl和V7設(shè)計(jì)為常閉閥，斷電后自動(dòng)關(guān)斷和大氣的連接即可。(7)怠速和小負(fù)荷過(guò)程控制怠速和小負(fù)荷過(guò)程控制與上述停機(jī)過(guò)程相似，只是部件2 (控制閥VI)和部件16 (控制閥V7)不會(huì)全關(guān)死，而是根據(jù)功率需求保持適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度，即保證有適當(dāng)流量的氣體和外圍大氣進(jìn)行交換，而部件15 (控制閥V6)可以保持較大角度，即進(jìn)出部件11 (電堆本體)內(nèi)部的流量保持較大，這時(shí)氧濃度可以在09Γ20%之間靈活調(diào)整，保證燃料電池輸出電壓和功率都處于較低的水平，避免了怠速和小負(fù)荷時(shí)的高電壓出現(xiàn)；同時(shí)通過(guò)空壓機(jī)或者風(fēng)扇(附圖2中的部件3和附圖3中的部件18)驅(qū)動(dòng)再循環(huán)的氣體流量以保證排除長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行生成的液態(tài)水；從而避免了部件11 (電堆本體)長(zhǎng)期小負(fù)荷運(yùn)行容易水淹的問(wèn)題；通過(guò)調(diào)整部件7 (控制閥V4)和部件8 (控制閥V5)的開(kāi)度，可以靈活控制參與增濕的空氣量，又可避免怠速和小負(fù)荷條件下電堆膜干的問(wèn)題。上述在怠速和部分負(fù)荷條件下，通過(guò)排氣再循環(huán)回路的調(diào)節(jié)作用，可以保證和外圍大氣交換的氣體量較小，也就是降低了從機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾器進(jìn)入的新鮮空氣量，提高了機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾器的使用效率，可以有效延長(zhǎng)其使用壽命。(8)停車存放過(guò)程中，可以將部件2 (控制閥VI)和部件16 (控制閥V7)設(shè)置為斷電常閉的狀態(tài)，由于停機(jī)后部件11 (電堆本體)和再循環(huán)管路中的氣體成分主要為氮?dú)夂退魵舛鴽](méi)有氧氣，因此只有氮?dú)鈺?huì)滲透過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極，不會(huì)發(fā)生氧氣進(jìn)入陽(yáng)極側(cè)發(fā)生化學(xué)腐蝕反應(yīng)的情況，可以保證車輛長(zhǎng)時(shí)間存放缺不損害電堆的性能。(9)低溫冷機(jī)快速啟動(dòng)在低溫條件下，此時(shí)可以將部件4 (控制閥V2)和部件7(控制閥V4)關(guān)閉，將部件5 (控制閥V3)和部件8 (控制閥V5)全開(kāi)，可以通過(guò)再循環(huán)回路(部件15，控制閥V6)和空氣驅(qū)動(dòng)部件，對(duì)附圖2中的為部件3空壓機(jī)，對(duì)附圖3中為部件18(空氣風(fēng)扇2)，由于空壓機(jī)或者風(fēng)扇本身具有對(duì)空氣加壓加熱功能，或者配合專門的空氣加熱裝置(圖中未畫(huà)出)，可將進(jìn)入部件11 (電堆本體)的空氣快速加熱到零度以上，使得整個(gè)空氣系統(tǒng)快速升溫，從而保證電堆內(nèi)部可以順利發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，再利用電堆自身生產(chǎn)的熱進(jìn)一步加快冷機(jī)啟動(dòng)過(guò)程。待溫度達(dá)到一定值(暖機(jī)成功)之后，才開(kāi)始和散熱器和增濕器的換熱和增濕過(guò)程，從而可以大大縮短燃料電池系統(tǒng)的暖機(jī)過(guò)程。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，有以下優(yōu)點(diǎn)1、本方案由于引入了排氣再循環(huán)功能，使得進(jìn)入電堆的總流量、總壓力和氧氣流量可以獨(dú)立調(diào)整，從而做到了通過(guò)控制氧含量來(lái)限制電堆單片電壓的同時(shí)，還可以靈活調(diào)整總流量和總壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的排水控制，有效避免了在此類工況下由于進(jìn)氣總量減小而造成的水淹或者膜干現(xiàn)象，提高燃料電池壽命；2、本方案在燃料電池空氣系統(tǒng)的散熱器和增濕器都并聯(lián)了旁通管路及其控制閥，使得系統(tǒng)對(duì)進(jìn)氣溫度和濕度的控制更為靈活，`有利于進(jìn)入電堆的氣體能夠根據(jù)電堆狀況保持最佳的濕度、溫度，進(jìn)而可以提高電堆效率和耐久性；3、本方案引入了排氣再循環(huán)功能，可在停機(jī)過(guò)程中，迅速吹干電堆內(nèi)部的液態(tài)水，防止電堆在低溫條件下因內(nèi)部殘留的水結(jié)冰而損壞電堆；4、本方案的排氣再循環(huán)和停機(jī)控制策略，使得管道中的氧氣不斷減少直至耗盡；通過(guò)關(guān)閉與環(huán)境空氣相通的控制閥，使空氣系統(tǒng)形成閉合回路，停機(jī)過(guò)程中使整個(gè)管路中充滿惰性氣體氮?dú)?，避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)氧氣進(jìn)入陽(yáng)極腐蝕電堆的問(wèn)題，可以提高電堆壽命；5、本方案引入了排氣再循環(huán)功能，減小了進(jìn)入系統(tǒng)的新鮮空氣量，降低機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾器的負(fù)荷，提高了其使用壽命；6、本方案引入了排氣再循環(huán)功能和散熱、增濕的旁通控制相結(jié)合，可以加快電堆在低溫條件下的暖機(jī)速度；下面結(jié)合附圖4帶有排氣再循環(huán)的燃料電池空氣系統(tǒng)的典型實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。附圖2和附圖3中的流量控制閥V117可以采用不同的手段實(shí)現(xiàn)，既可以用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的電子節(jié)氣門，也可以采用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蝶閥。在本實(shí)施例中，采用了傳統(tǒng)汽車工業(yè)中成熟可靠、成本低和帶有位置反饋的真空膜片閥作為控制閥，其特點(diǎn)可以通過(guò)真空膜片兩端的真空度來(lái)控制閥桿和閥座的相對(duì)位置，即等效流通截面積；閥桿上安裝有位置傳感器以實(shí)現(xiàn)閥流量的精確控制。采用真空膜片閥作為執(zhí)行器的燃料電池空氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如附圖4中所示，真空泵19 (含真空儲(chǔ)壓罐)產(chǎn)生一定的真空度，燃料電池的控制器20可以分別通過(guò)調(diào)整電磁閥K1-K7的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)真空膜片閥V1-V7的真空度，也就改變了 VfV7的閥桿位置和等效流通截面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣回路的流量調(diào)整。安裝在VfV7上的位置傳感器信號(hào)連接到控制器20，反饋各自的閥桿位置信號(hào)，以便是實(shí)現(xiàn)控制閥的位置閉環(huán)控制，精確控制各自的流量。來(lái)自大氣的空氣首先進(jìn)入17 (機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置)，被濾除了顆粒和雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)2 (真空閥VI)的出口后，與來(lái)自排氣再循環(huán)通道的出口并聯(lián)，再連接到3 (空壓機(jī))的入口；空壓機(jī)3的出口連接到兩個(gè)通道入口，一個(gè)通道經(jīng)過(guò)部件4 (真空閥V2)與6 (散熱器)的入口相連，另一個(gè)通道為并聯(lián)的旁通管路，管路上有流量控制閥5 (真空閥V3)，可有效調(diào)控進(jìn)入散熱器的氣體流量；散熱器6的出口與并聯(lián)旁路的出口合并，并連接兩個(gè)通道的入口，一個(gè)通過(guò)經(jīng)過(guò)7 (真空閥V4)連接9 (增濕器)的入口，另一個(gè)通道為并聯(lián)的旁通管路，管路上有控制流量的8 (控制閥V5);增濕器9的出口及其旁通管路的出口合并后接11 (電堆本體)的入口 ；電堆11的出口接12 (冷凝器)的入口，冷凝器12用于對(duì)出口氣體進(jìn)行降溫并回收水分；冷凝器12的出口經(jīng)過(guò)14 (氧傳感器)后，將分為兩條管路，一條通過(guò)16 (真空閥V7)與大氣環(huán)境相通，即為排氣管路；另一條則進(jìn)入排氣再循環(huán)通道，該通道流經(jīng)15 (真空閥V6)后，其出口與2 (真空閥VI)的出口并聯(lián)，合并后再進(jìn)入3 (空壓機(jī))的入口。真空泵19 (含真空罐)通過(guò)電磁閥K1-K7分別于真空閥V1-V7相連，各電磁閥由燃料電池系統(tǒng)控制器進(jìn)行控制。根據(jù)空氣系統(tǒng)工作壓力的范圍，可將排氣再循環(huán)回路(含空氣管路和真空閥V6)安排在部件3 (空壓機(jī))的入口之前；也可將再循環(huán)回路(含空氣管路和真空閥V6)安排在部件3的出口之后，這時(shí)排氣再循環(huán)回路上要添加空氣驅(qū)動(dòng)裝置18 ;這時(shí)排氣再循環(huán)的出口和空壓機(jī)3的出口進(jìn)行并聯(lián)后，再進(jìn)入帶有真空閥V2和V3的散熱器及其旁通通道。本發(fā)明用于實(shí)際燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，控制器通過(guò)接收各傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電堆輸出的電壓、電流情況，以及氣體溫度、濕度、壓力狀態(tài)，通過(guò)對(duì)各電磁閥的控制實(shí)現(xiàn)各真空閥的不同開(kāi)度，從而隨時(shí)調(diào)整進(jìn)氣的氧氣濃度、濕度、溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電堆始終工作在較佳狀態(tài)，電壓維持在約O. 6V-0. 8V之間，無(wú)明顯水淹或膜干現(xiàn)象，使電堆的效率和壽命均達(dá)到優(yōu)化。下面將結(jié)合燃料電池電堆的具體工況對(duì)本發(fā)明對(duì)電堆的優(yōu)化效用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。大負(fù)荷狀態(tài)即為功率需求較大，燃料電池電堆處于較佳工作點(diǎn)的狀態(tài)。此時(shí)無(wú)需利用廢氣再循環(huán)來(lái)降低進(jìn)氣中的氧氣濃度， 故15 (真空閥V6)處于完全關(guān)閉狀態(tài)，廢氣全部通過(guò)16 (真空閥V7)排入環(huán)境中。而2 (真空閥VI)則處于全開(kāi)狀態(tài)，利于減少進(jìn)氣損失。此時(shí)主要發(fā)揮效用的是分別于散熱器2與增濕器3相并列的旁通回路，也即真空閥V2-V5。空壓機(jī)3的出口溫度正常時(shí)，散熱器6入口處的4 (真空閥V2)全開(kāi)，而旁通回路上的5 (真空閥V3)完全關(guān)閉，氣體全部通過(guò)散熱器6進(jìn)行冷卻。散熱器部分氣流走向如附圖4所示，箭頭方向即為氣流方向?？諌簷C(jī)出口溫度較低時(shí)，散熱器6旁通回路上的5 (真空閥V3)開(kāi)啟，相應(yīng)的控制電磁閥K2、K3相互配合控制，使真空閥V2與真空閥V3的開(kāi)度相互協(xié)調(diào)，調(diào)整進(jìn)入散熱器6的氣體流量。溫度越低，流經(jīng)散熱器6旁通回路的氣體流量比例越大。從而對(duì)增濕器9入口處的氣體溫度進(jìn)行控制，使之適宜進(jìn)入電堆。
環(huán)境空氣濕度較小時(shí)，增濕器9入口處的7 (真空閥V4)全開(kāi)，而其旁通回路上的8(真空閥V5)關(guān)閉，氣體全部通過(guò)增濕器9進(jìn)行增濕，使得進(jìn)氣濕度能夠滿足電堆要求。而當(dāng)環(huán)境空氣濕度較大時(shí)，增濕器9旁通回路上的真空閥V5開(kāi)啟，相應(yīng)的控制電磁閥K4、K5相互配合控制，使真空閥V4與真空閥V5的開(kāi)度相互協(xié)調(diào)，調(diào)整進(jìn)入增濕器9的氣體流量。環(huán)境濕度越大，流經(jīng)增濕器9旁通回路的氣體流量比例越大。從而對(duì)11電堆本體入口處的氣體濕度進(jìn)行調(diào)整，使之適宜進(jìn)入電堆。怠速/小負(fù)荷在怠速或小負(fù)荷工況下，除與散熱器6和增濕器9并聯(lián)的旁通回路和真空閥V2-V5發(fā)揮作用外，更為重要的則是真空閥V1、V6、V7開(kāi)度的相互配合。怠速或小負(fù)荷工況下，燃料電池工作在電流較小，電壓較高的狀態(tài)下，不利于其使用壽命的延長(zhǎng)。此時(shí)降低電壓的有效辦法即是采用濃度過(guò)電壓的概念，降低氧氣的過(guò)量系數(shù)。一種辦法就是降低空壓機(jī)功率，減少進(jìn)氣總量。該方法使得進(jìn)氣總量與電壓下降程度掛鉤，進(jìn)氣總量收到限制，而由于減少了氣體總量，使得氣體攜帶水分能力下降，易造成電堆的水淹現(xiàn)象。為避免該現(xiàn)象，本發(fā)明在燃料電池空氣系統(tǒng)中引入了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，可在不減少進(jìn)氣總量的情況下，有效降低氧氣的過(guò)量系數(shù)，達(dá)到限制燃料電池電壓的目的，同時(shí)進(jìn)氣總量仍然可控，并不受電壓下降程度限制。在怠速電壓較高時(shí)，用于控制廢氣再循環(huán)的真空閥V6開(kāi)啟，由冷凝器12出口排出的干燥、氧含量低的廢氣重新進(jìn)入進(jìn)氣管道中。真空閥V6的開(kāi)度越大、真空閥V7的開(kāi)度越小，則廢氣重新進(jìn)入進(jìn)氣管道中的比例越大，排出的廢氣比例越小，從而對(duì)進(jìn)氣中氧含量降低的貢獻(xiàn)就越大。該比值將不斷調(diào)整，直到電壓被限制在O. 8V以下。停機(jī)停機(jī)過(guò)程中的關(guān)鍵在于清除電堆中殘留的氧氣。散熱器6和增濕器9并聯(lián)的旁通回路，即真空閥V2-V5正常發(fā)揮作用。而真空閥Vl和V7逐漸關(guān)閉，真空閥V6開(kāi)啟，形成封閉循環(huán)，廢氣在整個(gè)空氣系統(tǒng)中來(lái) 回流動(dòng)，直至氧氣消耗殆盡后停機(jī)。此時(shí)，燃料電池系統(tǒng)空氣回路中僅有氮?dú)夂蜕僭S水蒸氣，可以認(rèn)為充滿惰性氣體，消除了在燃料電池停機(jī)存放過(guò)程中氧氣電堆的腐蝕的作用，可有效延長(zhǎng)電堆壽命。
權(quán)利要求
1.一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于是一種基于計(jì)算機(jī)輔助控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入電堆的空氣壓力、空氣總流量、空氣溫度、空氣濕度和空氣含氧量進(jìn)行同步控制的適用于最高工作壓力大于1. 5bar的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，含有控制部分和陰極排氣再循環(huán)部分，其中 控制部分含有一個(gè)控制器，真空泵和真空罐以及七個(gè)各自由電磁閥和真空閥串接而成的控制閥，此處還有多個(gè)溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器共同組成的傳感器組，用S表示，向控制器發(fā)送傳感信號(hào)，其中， 各真空閥采用真空膜片閥，在閥桿上安裝有位置傳感器以實(shí)現(xiàn)閥流量的精確控制；各電磁閥信號(hào)輸入端并聯(lián)后經(jīng)一個(gè)壓力傳感器分別與所述控制器和真空泵的控制信號(hào)輸入端相連，所述控制器通過(guò)各個(gè)所述電磁閥的控制端來(lái)調(diào)整各所述電磁閥的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)各所述真空閥的真空度； 陰極排氣再循環(huán)部分，包括機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置、進(jìn)排氣回路和排氣再循環(huán)回路，其中 進(jìn)排氣回路包括進(jìn)氣通路和排氣通路，其中 進(jìn)氣通路始自通大氣的所述機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置的空氣出口，依次含有第一傳感器組S1、空氣流量傳感器、第一控制閥V1、第二傳感器組S2、空氣壓縮機(jī)、第二控制閥V2、散熱器、第四控制閥V4、增濕器以及電堆的空氣入口，在所述散熱器的旁通回路上還設(shè)有第三控制閥V3，在所述增濕器旁通回路上還設(shè)有第五控制閥V5，其中，第二控制閥V2和第三控制閥V3是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體溫度閉環(huán)控制的進(jìn)氣溫度控制閥組，第四控制閥V4和第五控制閥V5是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體濕度閉環(huán)控制的氣體濕度控制閥組；排氣通路始自所述電堆的空氣出口，依次含有第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4以及第七控制閥V7 ； 排氣再循環(huán)回路位于所述空氣壓縮機(jī)之前，始自經(jīng)過(guò)所述第四傳感器組S4的輸出端，終止到所述空氣壓縮機(jī)的入口處，連通了所述進(jìn)氣回路和排氣回路，形成了一條從所述電堆的空氣出口處依次經(jīng)過(guò)所述第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4、設(shè)在所述支路上的第六控制閥V6、空氣壓縮機(jī)、第二控制閥V2、散熱器、第三控制閥V3、第四控制閥V4、第五控制閥V6以及增濕器到達(dá)所述電堆空氣入口的排氣再循環(huán)回路，其中 第六控制閥V6、第一控制閥Vl以及第七控制閥V7是一組實(shí)現(xiàn)靈活分配再循環(huán)的氣體體積流量和氧氣組分的比例，以達(dá)到調(diào)整進(jìn)入電堆的總氣體流量、總壓力、氧氣分壓目的的控制閥組； 第六控制閥V6、第一控制閥V1、空氣流量傳感器和氧傳感器是一個(gè)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣回路氧含量閉環(huán)反饋控制的部件； 全關(guān)狀態(tài)下的第一控制閥V1、第七控制閥V7和全開(kāi)狀態(tài)下的第六控制閥V6構(gòu)成了一個(gè)排氣再循環(huán)比例為100%的停機(jī)控制閥組； 常閉狀態(tài)下的第一控制閥V1、第六控制閥V6、第七控制閥V7共三個(gè)控制閥構(gòu)成一組停機(jī)存放控制閥組； 全關(guān)狀態(tài)下的第二控制閥V2、第四控制閥V4和全開(kāi)狀態(tài)下的第三控制閥V3、第五控制閥V5共同構(gòu)成了一個(gè)低溫冷機(jī)快速啟動(dòng)控制閥組； 當(dāng)?shù)诹刂崎yV6的開(kāi)度大于第一控制閥V1、第七控制閥V7的開(kāi)度時(shí)所述第六控制閥V6、第一控制閥V1、第七控制閥V7共同構(gòu)成了一個(gè)怠速和小負(fù)荷下的高電位控制閥組，同時(shí)也是一個(gè)防止電堆長(zhǎng)期小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)水淹現(xiàn)象的控制閥組； 在怠速和小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)開(kāi)度經(jīng)過(guò)調(diào)整的第四控制閥V4、第五控制閥V5共同構(gòu)成了防止電堆膜干的控制閥組。
2.一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于是一種基于計(jì)算機(jī)輔助控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入電堆的空氣壓力、空氣總流量、空氣溫度、空氣濕度和空氣含氧量進(jìn)行同步控制的適用于最高工作壓力小于等于1. 5bar的陰極排氣再循環(huán)系統(tǒng)，含有控制部分和陰極排氣再循環(huán)部分，其中 控制部分含有一個(gè)控制器，真空泵和真空罐以及七個(gè)各自由電磁閥和真空閥串接而成的控制閥，此處還有多個(gè)溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器共同組成的傳感器組，用S表示，向控制器發(fā)送傳感信號(hào)，其中， 各真空閥采用真空膜片閥，在閥桿上安裝有位置傳感器以實(shí)現(xiàn)閥流量的精確控制；各電磁閥信號(hào)輸入端并聯(lián)后經(jīng)一個(gè)壓力傳感器分別與所述控制器和真空泵的控制信號(hào)輸入端相連，所述控制器通過(guò)各個(gè)所述電磁閥的控制端來(lái)調(diào)整各所述電磁閥的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)各所述真空閥的真空度； 陰極排氣再循環(huán)部分，包括機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置、進(jìn)排氣回路和排氣再循環(huán)回路，其中 進(jìn)排氣回路包括進(jìn)氣通路和排氣通路，其中 進(jìn)氣通路始自通大氣的所述機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾裝置的空氣出口，依次含有第一傳感器組S1、空氣流量傳感器、第一控制閥V1、第二傳感器組S2、空氣壓縮機(jī)、第二控制閥V2、散熱器、第四控制閥V4、增濕器以及電堆的空氣入口，在所述散熱器的旁通回路上還設(shè)有第三控制閥V3，在所述增濕器旁通回路上還設(shè)有第五控制閥V5，其中，第二控制閥V2和第三控制閥V3是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體溫度閉環(huán)控制的進(jìn)氣溫度控制閥組，第四控制閥V4和第五控制閥V5是一個(gè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電堆的陰極氣體濕度閉環(huán)控制的氣體濕度控制閥組；排氣通路始自所述電堆的空氣出口，依次含有第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4以及第七控制閥V7 ； 排氣再循環(huán)回路位于所述空氣壓縮機(jī)之后，始自經(jīng)過(guò)所述第四傳感器組S4的輸出端，終止到所述空氣壓縮機(jī)的出口處，連通了所述進(jìn)氣回路和排氣回路，形成了一條從所述電堆的空氣出口處依次經(jīng)過(guò)所述第五傳感器組S5、冷凝器、氧傳感器、第四傳感器組S4、設(shè)在所述支路上的第六控制閥V6、空氣泵、第二控制閥V2、散熱器、第三控制閥V3、第四控制閥V4、第五控制閥V6以及增濕器到達(dá)所述電堆空氣入口的排氣再循環(huán)回路，其中 第六控制閥V6、第一控制閥Vl以及第七控制閥V7是一組實(shí)現(xiàn)靈活分配再循環(huán)的氣體體積流量和氧氣組分的比例，以達(dá)到調(diào)整進(jìn)入電堆的總氣體流量、總壓力、氧氣分壓目的的控制閥組； 第六控制閥V6、第一控制閥V1、空氣流量傳感器和氧傳感器是一個(gè)實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣回路氧含量閉環(huán)反饋控制的部件； 全關(guān)狀態(tài)下的第一控制閥V1、第七控制閥V7和全開(kāi)狀態(tài)下的第六控制閥V6構(gòu)成了一個(gè)排氣再循環(huán)比例為100%的停機(jī)控制閥組； 常閉狀態(tài)下的第一控制閥V1、第六控制閥V6、第七控制閥V7共三個(gè)控制閥構(gòu)成一組停機(jī)存放控制閥組； 全關(guān)狀態(tài)下的第二控制閥V2、第四控制閥V4和全開(kāi)狀態(tài)下的第三控制閥V3、第五控制閥V5共同構(gòu)成了一個(gè)低溫冷機(jī)快速啟動(dòng)控制閥組； 當(dāng)?shù)诹刂崎yV6的開(kāi)度大于第一控制閥V1、第七控制閥V7的開(kāi)度時(shí)所述第六控制閥V6、第一控制閥V1、第七控制閥V7共同構(gòu)成了一個(gè)怠速和小負(fù)荷下的高電位控制閥組，同時(shí)也是一個(gè)防止電堆長(zhǎng)期小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)水淹現(xiàn)象的控制閥組； 在怠速和小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)開(kāi)度經(jīng)過(guò)調(diào)整的第四控制閥V4、第五控制閥V5共同構(gòu)成了防止電堆膜干的控制閥組。
全文摘要
一種質(zhì)子交換膜燃料電池的空氣系統(tǒng)，屬于新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于用一個(gè)排氣再循環(huán)回路將由電堆陰極出口排出的氣體再引入到電堆的入口回路?？梢詥为?dú)調(diào)整進(jìn)入電堆的總流量、總壓力和氧氣流量，在限制電堆單片電壓的同時(shí)，有效避免了電堆的水淹或者膜干現(xiàn)象；可在停機(jī)過(guò)程中，迅速吹干電堆內(nèi)部的液態(tài)水，防止電堆在低溫條件下因內(nèi)部殘留的水結(jié)冰而損壞電堆；可在停機(jī)過(guò)程中使整個(gè)管路中充滿氮?dú)猓苊忾L(zhǎng)時(shí)間停機(jī)氧氣進(jìn)入陽(yáng)極腐蝕電堆；減小了進(jìn)入系統(tǒng)的新鮮空氣量，降低機(jī)械和化學(xué)過(guò)濾器的負(fù)荷。這些措施可以有效提高燃料電池的壽命和耐久性。同時(shí)引入了散熱、增濕的旁通控制，可以加快電堆在低溫條件下的暖機(jī)速度。
文檔編號(hào)H01M8/04GK103050723SQ20121058613
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者李建秋, 徐梁飛, 程思亮, 歐陽(yáng)明高 申請(qǐng)人:清華大學(xué)