一种氢能汽车燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种氢能汽车燃料电池系统。


背景技术：

2.与目前广泛采用的电力能源供应系统相比，氢能作为交通运输行业的储能物质，具有可以大规模稳定储存、持续供应、远距离运输、快速补充的特点和优势，在未来以分布式为主、零排放为特征的能源构架中，会存在一个氢能系统，与电力系统并存互补，共同满足交通运输、家庭生活、工业生产的能源需求。
3.燃料电池是一种以电化学反应方式将氢气与空气(氧气)的化学能转变为电能的能量转换装置。由于不经过高温燃烧过程，唯一排放产物是水，因此无污染物排放；同时只要能保障氢气的供给，燃料电池将会持续输出电能。由于燃料电池突破了热力学卡诺循环的效率限制，突破了传统能源动力的模式，已成为现代科技发展的前沿技术。目前，以燃料电池为动力源的新能源汽车有了最为显著的发展。包括丰田、本田、通用、奔驰在内的世界各大汽车制造商都在致力于燃料电池氢能汽车的研发，并逐步推向市场量产。
4.然而，现有的燃料电池氢能汽车存在燃料电池中电堆性能衰减较快的问题，这是制约燃料电池氢能汽车大规模商业化应用的重要因素之一。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在解决现有的燃料电池电堆中因各个单体电池电压的一致性不好造成的电堆性能衰减的技术问题。
6.本实用新型的实施例提供一种氢能汽车燃料电池系统，包括电堆、空气压缩机、出堆节气阀、氢气瓶、电压巡检模块和控制器；
7.所述电堆上设置有空气进气口、空气出气口、氢气进气口、氢气出气口、排氢阀和排水阀；所述出堆节气阀与所述空气出气口连通；
8.所述空气压缩机通过所述空气进气口与所述电堆连通；所述空气压缩机与所述空气进气口之间设置有入堆节气阀；所述入堆节气阀分别与所述空气压缩机和所述空气进气口连通；
9.所述氢气瓶通过所述氢气进气口与所述电堆连通；所述氢气瓶与所述氢气进气口之间设置有入堆氢气阀；所述入堆氢气阀分别与所述氢气瓶和所述氢气进气口连通；
10.所述控制器分别与所述空气压缩机、所述入堆节气阀、所述出堆节气阀、所述入堆氢气阀和所述电压巡检模块电性连接；所述电压巡检模块用于检测所述电堆中各个单体电池的电压。
11.在一些优选地实施例中，所述氢能汽车燃料电池系统还包括中冷器；所述中冷器设置在所述空气压缩机与所述空气进气口之间；所述空气压缩机通过所述中冷器与所述空气进气口连通。
12.在一些优选地实施例中，所述氢能汽车燃料电池系统还包括增湿器；所述增湿器
设置在所述空气压缩机和所述空气进气口之间；所述空气压缩机通过所述增湿器与所述空气进气口连通；所述出堆节气阀通过所述增湿器与所述空气出气口连通。
13.在一些优选地实施例中，所述氢能汽车燃料电池系统还包括氢气循环泵；所述氢气循环泵与所述控制器电性连接；所述氢气循环泵分别与所述氢气出气口和所述氢气进气口连通；所述氢气循环泵与所述氢气进气口之间设置有单向阀；所述单向阀分别与所述氢气循环泵和所述氢气进气口连通；所述氢气循环泵与所述单向阀配合用于将所述电堆中未反应完的氢气通过所述氢气进气口循环至所述电堆中。
14.在一些优选地实施例中，所述氢气瓶与所述入堆氢气阀之间还设置有减压阀；所述减压阀分别与所述氢气瓶和所述入堆氢气阀连通。
15.在一些优选地实施例中，所述入堆氢气阀与所述氢气进气口之间还设置有比例阀；所述比例阀分别与所述氢气进气口和所述入堆氢气阀连通；所述比例阀与所述控制器电性连接。
16.在一些优选地实施例中，所述氢能汽车燃料电池系统还包括水箱、和水泵；所述电堆上还设置有第一进水口和第一出水口；所述水箱通过所述中冷器与所述水泵的进水口连通；所述水泵的出水口与所述第一进水口连通；所述水泵的出水口还与所述水箱连通；所述第一出水口与所述水泵的进水口连通；所述水泵与所述控制器电性连接。
17.在一些更加优选地实施例中，所述氢能汽车燃料电池系统还包括散热器和节温器；所述散热器与所述控制器电性连接；所述节温器上设置有第二进水口、第三进水口和第二出水口；所述水泵的出水口与所述第二进水口连通；所述水泵的出水口还通过所述散热器与所述第三进水口连通；所述水箱通过所述散热器与所述水泵的出水口连通；所述第二出水口与所述第一进水口连通。
18.在一些优选地实施例中，所述氢能汽车燃料电池系统还包括温度传感器；所述温度传感器与所述控制器电性连接；所述温度传感器设置在所述电堆内，用于检测所述电堆中产生的水的温度。
19.在一些优选地实施例中，所述氢能汽车燃料电池系统还包括dc
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dc升压器；所述dc
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dc升压器分别与所述电堆和所述控制器电性连接。
20.本实用新型的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型中的氢能汽车燃料电池系统，包括电堆、空气压缩机、出堆节气阀、氢气瓶、电压巡检模块和控制器；所述电堆上设置有空气进气口、空气出气口、氢气进气口、氢气出气口、排氢阀和排水阀；所述出堆节气阀与所述空气出气口连通；所述空气压缩机通过所述空气进气口与所述电堆连通；所述空气压缩机与所述空气进气口之间设置有入堆节气阀；所述入堆节气阀分别与所述空气压缩机和所述空气进气口连通；所述氢气瓶通过所述氢气进气口与所述电堆连通；所述氢气瓶与所述氢气进气口之间设置有入堆氢气阀；所述入堆氢气阀分别与所述氢气瓶和所述氢气进气口连通；所述控制器分别与所述空气压缩机、所述入堆节气阀、所述出堆节气阀、所述入堆氢气阀和所述电压巡检模块电性连接；通过所述电压巡检模块检测电堆中各个单体电池的电压值，并通过所述控制器判断所述单体电池的平均电压值是否小于第一预设阈值，同时判断所述单体电池的电压差值是否大于第二预设阈值；当所述单体电池的平均电压值小于第一预设阈值，或者所述单体电池的电压差值大于第二预设阈值时，所述控制器控制空气压缩机的转速提升至第三预设阈值；通过突然增加的空气扰动将所述电堆
中产生的水通过所述空气出气口吹扫至所述电堆的外部，防止因电堆中水蒸气过多而凝结成液态水影响所述单体电池电压的一致性，进而减缓所述电堆性能的衰减；另外，当所述空气压缩机以所述第三预设阈值运行的时间达到第四预设阈值，且所述控制器判断所述单体电池的平均电压值小于第一预设阈值或者所述单体电池的电压差值大于第二预设阈值时，所述控制器控制所述氢能汽车燃料电池系统停止工作，从而保证在无法通过提高所述空气压缩机转速解决所述单体电池一致性的问题时，通过关闭所述氢能汽车电池系统以达到减缓所述电堆性能衰减的目的。
附图说明
21.图1是本实用新型实施例1中氢能汽车燃料电池系统的结构示意图。
22.图2是图1中氢能汽车燃料电池系统的电路连接示意图。
23.图3是图1中氢能汽车燃料电池系统控制方法中开机步骤流程图。
24.图4是图1中氢能汽车燃料电池系统的控制方法流程图。
25.图5是图1中氢能汽车燃料电池系统控制方法中关机步骤流程图。
26.其中，1、空气压缩机；2、中冷器；3、增湿器；4、入堆节气阀；5、出堆节气阀；6、水箱；7、水泵；8、散热器；9、节温器；10、氢气瓶；11、减压阀；12、入堆氢气阀；13、比例阀；14、氢气循环泵；15、单向阀；16、排氢阀；17、电堆；18、电压巡检模块；19、dc
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dc升压器；20、控制器；21、排水阀；22、温度传感器。
具体实施方式
27.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。
28.请参考图1和2，本实用新型的实施例提供了一种氢能汽车燃料电池系统，包括电堆17、空气压缩机1、中冷器2、增湿器3、入堆堆节气阀、出堆节气阀5、氢气瓶10、减压阀11、入堆氢气阀12、比例阀13、氢气循环泵14、水箱6、水泵7、散热器8、节温器9、dc
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dc升压器19、电压巡检模块18和控制器20。
29.控制器20为mcu控制器，控制器20分别与空气压缩机1、入堆节气阀4、出堆节气阀5、入堆氢气阀12、比例阀13、氢气循环泵14、水泵7、散热器8、dc
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dc升压器19和电压巡检模块18电性连接；电压巡检模块18用于检测电堆17中各个单体电池的电压。
30.电堆17为pemfc电堆，电堆17的内部设置有多块单体电池(图中未视出)；电堆17上设置有空气进气口、空气出气口、氢气进气口、氢气出气口、排氢阀16和排水阀21；出堆节气阀5与所述空气出气口连通；电堆17内部设置温度传感器22，用于检测电堆17中产生的水的温度；温度传感器22与控制器20电性连接；排氢阀16用于将电堆17中未反应完全的氢气排出至外部；排水阀21用于将电堆17中产生的水排出至外部；排氢阀16和排水阀21分别与控制器20电性连接。
31.空气压缩机1通过所述空气进气口与电堆17连通；空气压缩机1与所述空气进气口之间依次设置有中冷器2、增湿器3和入堆节气阀4；空气压缩机1依次通过中冷器2、增湿器3、入堆节气阀4和所述空气进气口与电堆17连通；空气压缩机1与中冷器2、增湿器3、入堆节气阀4和所述空气进气口配合将外界空气降温之后压输送至电堆17中。
32.出堆节气阀5通过增湿器3与所述空气出气口连通；出堆节气阀5与增湿器3和出堆节气阀5配合将电堆17中未反应的空气经增湿器3增湿后排出至电堆17的外部。
33.氢气瓶10通过所述氢气进气口与电堆17连通；氢气瓶10与所述氢气进气口之间设置有减压阀11、入堆氢气阀12和比例阀13；入堆氢气阀12依次通过减压阀11、入堆氢气阀12和比例阀13与所述氢气进气口连通；氢气循环泵14分别与所述氢气出气口和所述氢气进气口连通；氢气循环泵14与所述氢气进气口之间设置有单向阀15；单向阀15分别与氢气循环泵14和所述氢气进气口连通；氢气循环泵14与单向阀15配合用于将电堆17中未反应完的氢气通过所述氢气进气口循环至电堆17中。
34.进一步地，电堆17上还设置有第一进水口和第一出水口；节温器9上设置有第二进水口、第三进水口和第二出水口；水箱6通过中冷器2与水泵7的进水口连通；水泵7的出水口与所述第二进水口连通；所述第二出水口与所述第一进水口连通；所述第一出水口与水泵7的进水口连通，将电堆17中的冷却水循环至水泵7的进水口；水泵7的出水口还通过散热器8与所述第三进水口连通；水箱6通过散热器8与水泵7的出水口连通。节温器9可以根据预设的温度阈值来开启第二进水口和/或第三进水口；水泵7将水箱6中的水经过中冷器2冷却之后输送至散热器8和节温器9的所述第二进水口处；流经水泵7的部分冷却水经过散热器8进一步降温并被输送至节温器9的第三进水口；节温器9检测所述第二进水口和所述第三进水口的冷却水的水温，根据所述冷却水的水温是否低于预设的温度阈值来决定开启第二进水口和/或第三进水口；流经所述第二出水口的冷却水经过所述第一进水口进入到电堆17中，实现对电堆17的降温。同时，流经散热器8的少部分冷却水会回流到水箱6中。
35.参考图3
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5，本实施例中的氢能汽车燃料电池系统的控制方法包括如下步骤：
36.氢能汽车燃料电池系统的开机步骤：
37.t1、控制器20判断所述氢能汽车燃料电池系统的电路是否存在故障；如果存在故障，进入故障模式；如果不存在故障，则控制水泵7开启。
38.具体地，当控制器20判断所述氢能汽车燃料电池系统的电路存在故障时，可以向氢能汽车的仪表盘发出报警信息，所述报警信息包括蜂鸣或者提醒标志。
39.t2、控制器20控制排氢阀16和排水阀21全开，并控制氢气循环泵14开启。
40.排氢阀16和排水阀21的正常工作模式为关闭一定时间然后开启一定的时间，控制器20控制排氢阀16和排水阀21全开指，排氢阀16和排水阀21一直处于开启状态。
41.t3、控制器20控制入堆氢气阀12和比例阀13开启，氢气瓶10通过减压阀11、入堆氢气阀12、比例阀13和所述氢气进气口向电堆17输送氢气；利用通入氢气的瞬间产生的压力将电堆17内阳极侧残余的气体置换出来。
42.t4、当入堆氢气阀12和比例阀13的开启时间达到第五预设阈值时，控制器20控制排氢阀16的开关频率为第六预设值，并控制排水阀21的开关频率为第七预设阈值；然后控制入堆节气阀4和空气压缩机1开启；为了更加清楚的体现本实施例的方案，示例性地，空气压缩机1正常工作时的转速为20000r/min，不同型号规格的空气压缩机1正常工作时的转速是不一样的。
43.在本实施例中，所述第五预设阈值为5s；作为本实施例的变形，所述第五预设阈值还可以为4s或者6s。
44.具体地，在本实施例中，所述第六预设值为关闭12s，开启0.2s，即排氢阀16先关闭
12s，然后在开启0.2s，依次交替进行。
45.具体地，在本实施例中，所述第七预设值为关闭8s，开启0.3s，即排水阀21先关闭8s，然后在开启0.3s，依次交替进行。
46.氢能汽车燃料电池系统运行过程中的控制方法包括如下步骤：
47.s1、电压巡检模块18检测电堆17中各个单体电池的电压值，并发送至控制器20。
48.s2、控制器20计算并判断电堆17中的所述单体电池的平均电压值是否小于第一预设阈值，并判断所述单体电池的电压差值是否大于第二预设阈值；当所述单体电池的平均电压值小于第一预设阈值，或者所述单体电池的电压差值大于第二预设阈值时，控制器20控制空气压缩机1的转速提升至第三预设阈值，通过突然产生空气扰动，将电堆17中产生的水通过所述空气出气口吹扫至电堆17的外部；防止因电堆17中水蒸气过多而凝结成液态水影响所述单体电池电压的一致性，进而减缓电堆17性能的衰减。
49.具体地，在本实施例中，所述第一预设阈值为500mv；所述第二预设阈值为50mv；作为本实施例的变形，所述第一预设阈值还可以为550mv；所述第二预设阈值还可以为45mv或者55mv。
50.具体地，在本实施例中，所述第三预设阈值为22000r/min；作为本实施例的变形，所述第三预设阈值还可以为26000r/min。
51.s3、当空气压缩机1以所述第三预设阈值运行的时间达到第四预设阈值，且控制器20判断所述单体电池的平均电压值小于第一预设阈值或者所述单体电池的电压差值大于第二预设阈值时，控制器20控制所述氢能汽车燃料电池系统停止工作；从而保证在无法通过提高空气压缩机1转速解决所述单体电池一致性的问题时，通过关闭所述氢能汽车电池系统以达到减缓电堆17性能衰减的目的。
52.具体地，在本实施例中，所述第四预设阈值为0.5min；作为本实施例的变形，所述第四预设阈值还可以为2.5min。
53.进一步地，在步骤s3中，控制器20控制所述氢能汽车燃料电池系统停止工作的步骤如下：
54.p1、控制器20通过控制dc
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dc升压器19的输入电流，使得电堆17中各个单体电池的平均电压维持在770
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830mv之间；控制器20控制排氢阀16的开关频率为第八预设阈值，并控制排水阀21的开关频率为第九预设阈值，然后控制空气压缩机1的转速提升至第十预设阈值。
55.具体地，在本实施例中，所述第八预设阈值为关闭8s，开启0.3s，即排气阀先关闭8s，然后在开启0.3s，依次交替进行。
56.具体地，在本实施例中，所述第九预设阈值为关闭4s，开启0.3s，即排水阀21先关闭4s，然后在开启0.3s，依次交替进行；作为本实施例的变形，所述第九预设阈值还可以为关闭6s，开启0.3s，即排水阀21先关闭6s，然后在开启0.3s，依次交替进行。
57.具体地，在本实施例中，所述第十预设阈值为25000r/min；作为本实施例的变形所述第十预设阈值还可以为26000r/min。
58.p2、当空气压缩机1以所述第十预设阈值运行的时间达到第十一预设阈值时，控制器20控制dc
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dc升压器19的输出输入电流为0，然后控制dc
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dc升压器19关闭。
59.具体地，在本实施例中，所述第十一预设阈值为1.5min；作为本实施例的变形，所
述第一预设阈值还可以为2min。
60.p3、控制器20控制空气压缩机1、入堆节气阀4和出堆节气阀5关闭。
61.p4、当控制器20计算并判断所述单体电池的平均电压值小于第十二预设阈值时，控制器20控制氢气循环泵14、排氢阀16和排水阀21关闭。
62.具体地，在本实施例中，所述第十二预设阈值为180mv；作为本实施例的变形所述第十二预设阈值还可以为220mv。
63.p5、控制器20控制入堆氢气阀12和比例阀13关闭。
64.p6、当控制器20判断电堆17中水的温度低于第十三预设阈值时，控制水泵7和散热器8关闭。
65.具体地，在本实施例中，所述第十三预设阈值为20℃；作为本实施例的变形，所述第十三预设阈值还可以为45℃。
66.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
67.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
68.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。