一种用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置。


背景技术：

2.燃料电池发动机，是一种将燃料气和氧气发生电化学反应的化学能转变成电能的装置。其管路主要分为燃料气管路、空气管路以及水路，其中，燃料气管路的设计最为重要。
3.燃料气大多是易燃易爆的气体。例如氢气，分子量比其他气体的分子量小，可以渗透很多密封材料，例如管道、非焊接连接件和非金属密封件（垫片和填料等）都是潜在泄露点。同时，由于高浮性、扩散性，累积到爆炸极限将会引起安全事故。
4.现有技术一般会在发动机安装空间内设置相应的气体浓度传感器，实时监控燃料气的浓度，从而了解各部位的气体泄露情况，进而进行相应的排除泄露点操作。对于氢燃料电池发动机，氢气浓度传感器一般布置在舱室的最高点，或者在最容易发生气体泄露的部位，例如储氢气瓶、氢气加注口等处。
5.但燃料电池发动机内部存在很多半密闭空间，燃料气进入后并不容易排出，导致不能及时探测。并且，容易发生气体泄露的部位很多，导致需要布置的传感器数量过多。而且，由于具有一定的厚度导致传感器的探头永远不能位于舱室的最高点，从舱室的最高点至传感器自身厚度的范围内，存在检测盲区。目前的检测方法都是依靠燃料气自主的流动性，来捕捉泄露的燃料气，受外界气体流动的干扰影响较大，可能会造成燃料气泄露到其他舱室内，再次引起氢气聚集，造成进一步的危险性，另外，时效性较差，不能及时发现氢气的泄露。


技术实现要素：

6.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置，用以解决现有技术传感器数量过多且存在探测盲区、探测精度不高的问题。
7.一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置，包括顶盖（2）、通风管路（4）、燃料气浓度传感器（3）和风扇（5）；其中，顶盖（2）设于易发生燃料气泄露的待测目标（1）的上方，其开口覆盖整个待测目标（1）的上表面，并作为入风口连接通风管路（4）；燃料气浓度传感器（3）设于通风管路（4）的内部，其类型与燃料电池发动机适配；风扇（5）设于通风管路（4）的排风口，其吸气端朝向通风管路（4）的内侧，其排气端设于燃料电池发动机所在舱室外部的安全区域大气中。
8.上述技术方案的有益效果如下：通过设置顶盖（2）、通风管路（4）和风扇（5），能够进行待测目标（1）所在区域的气体的主动吸收，解决了发动机系统内半密闭空间内的可燃气体无法有效排出的问题，并且，对于多个泄露点，无需在每一泄露点上方布设燃料气浓度传感器（3），仅在通风管路（4）内布设一个或一组燃料气浓度传感器（3），降低了传感器的数
量和成本。由于采用了吸入式主动探测方式，解决了燃料气浓度传感器（3）自身厚度尺寸内不能探测的盲区问题。该装置具备主动探测与调控的能力，能够及时收集燃料气信息进行判断，避免氢气漂移到其他舱室发生进一步泄露，提高了检测效率。
9.基于上述装置的进一步改进，所述顶盖（2）采用内侧面为锥形开口的结构体，其下端面边缘与燃料电池发动机所在舱室的侧壁贴合，其上端面与通风管路（4）的进风口固定连接；并且，所述顶盖（2）和通风管路（4）均采用与燃料气类型匹配的阻燃料气渗透材料制备而成，或在与吸入气体直接接触的内侧面涂覆有阻燃料气渗透涂层。
10.进一步，该测控装置还包括安全维护控制器；其中，所述安全维护控制器，用于控制风扇（5）定期启动；以及，在风扇（5）每次启动后，根据燃料气浓度传感器（3）采集的数据实时识别燃料电池发动机的燃料气泄露状态，进而发出风扇继续开启或关闭的控制指令或发出停机故障检查告警信息；所述安全维护控制器的输入端与燃料气浓度传感器（3）的数据端连接，其输出端与风扇（5）的控制端连接。
11.进一步，所述安全维护控制器进一步包括：数据采集单元，用于获取燃料气浓度传感器（3）采集的数据，得出通风管路（4）内吸入气体中燃料气的可燃气体组分构成和每一可燃气体组分的浓度，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于控制风扇（5）定期启动；以及，在风扇（5）每次启动后，根据燃料气的可燃气体组分构成和每一可燃气体组分的浓度实时识别燃料电池发动机的燃料气泄露状态，进而发出风扇（5）继续开启或关闭的控制指令，或发出停机故障检查告警信息；并且，该数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻燃料气的可燃气体组分构成和每一可燃气体组分的浓度。
12.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：控制风扇（5）定期启动；在风扇（5）每次启动后，获取当前时刻燃料气的可燃气体组分和每一可燃气体组分的浓度；识别所有可燃气体组分的浓度ρ是否均小于各自对应的无需报警值ρ0，如果是，判定燃料电池发动机正常工作，且待测目标（1）处无燃料气泄露，并发出关闭控制指令至风扇（5），否则，执行下一步；识别是否存在至少一种可燃气体组分的浓度ρ大于对应的待测目标（1）所在舱室能承受的极限浓度ρ
max
，如果是，判断燃料电池发动机工作存在极大风险，待测目标（1）处燃料气泄露严重，控制燃料电池发动机所在舱室的所有供电电源均关闭，并发出撤离告警信息，否则，执行下一步；识别是否存在至少一种可燃气体组分的浓度ρ处于对应的[ρ1，ρ
max
]之间，如果是，判定待测目标（1）处存在燃料气泄露并对燃料电池发动机工作有影响，控制燃料电池发动机停机，并发出停机故障检查告警信息，继续控制风扇（5）进行排气，否则，执行下一步；ρ1为可燃气体组分对应的报警值；识别是否存在至少一种可燃气体组分的浓度ρ处于对应的[ρ0，ρ1]之间，如果是，判
定待测目标（1）处存在轻微的燃料气泄露但不影响燃料电池发动机工作，发出继续监控告警，并继续控制风扇（5）进行排气，直到燃料电池发动机正常工作。
[0013]
进一步，所述顶盖（2）和通风管路（4）的连接部位设有至少一个密封件；其中，所述密封件采用与燃料气类型匹配的阻燃料气渗透材料制备而成。
[0014]
进一步，所述燃料气浓度传感器（3）包括氢气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、硫化氢浓度传感器、碳氢化合物气体浓度传感器中的至少一种。
[0015]
进一步，所述燃料电池发动机为氢燃料电池发动机、磷酸燃料电池发动机、硫化氢燃料电池发动机、碳氢化合物燃料电池发动机中的一种。
[0016]
进一步，所述风扇（5）为防爆型风扇。
[0017]
进一步，所述安全维护控制器还包括声光报警单元；其中，所述声光报警单元的输入端与数据处理与控制单元的输出端连接。
[0018]
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：1、风扇（5）为定期启动方式，燃料气浓度传感器3实时在线检测气体中设定燃料气的浓度，该浓度信号传递给控制器（ecu），进行浓度的判断。燃料气不限于氢气，也可以是其他介质气体，不限于单一气体组分，也可以是复合气体组分，根据需求设置多个不同种类的燃料气浓度传感器（3），具体组分可根据燃料电池发动机类型进行确定。
[0019]
2、增加风扇（5）后，可进行舱室内燃料气的主动吸收并排出至安全区域大气中，可以避免燃料电池发动机内部，或其他半密闭空间内的燃料气（氢气）不能及时排出的问题。不限于燃料电池发动机舱室的燃料气测控，也可以用于其他有燃料气泄露的空间，例如储气瓶的空间和舱室。
[0020]
3、对于存在多个泄漏点，无需在每个泄漏点的上方布置气体传感器，仅在顶盖上部的通风管路（4）内布置一个或一组燃料气浓度传感器（3）即可，降低了传感器的数量，降低了使用成本。
[0021]
4、该装置具备主动的燃料气探测能力，无盲区，检测效率高，调控速度快，能够有效避免燃料气漂移到其他舱室，提高燃料电池发动机的使用安全性。
[0022]
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
[0023]
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0024]
图1示出了实施例1燃料气浓度测控装置组成示意图；图2示出了实施例2燃料气浓度测控装置控制原理示意图。
[0025]
附图标记：1
‑ꢀ
待测目标；2
‑ꢀ
顶盖；3
‑ꢀ
燃料气浓度传感器；4
‑ꢀ
通风管路；5
‑ꢀ
风扇。
具体实施方式
[0026]
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0027]
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
[0028]
实施例1本发明的一个实施例，公开了一种用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置，如图1所示，包括顶盖2、通风管路4、燃料气浓度传感器3和风扇5。
[0029]
其中，顶盖2设于易发生燃料气泄露的待测目标的上方，其开口覆盖整个待测目标的上表面，并作为入风口连接通风管路4。
[0030]
顶盖2可以单独设计，或者直接将安装舱室顶部（预留通风管路4的连接部位）作为顶盖2。
[0031]
燃料气浓度传感器3设于通风管路4的内部，用于监测吸入的气体中燃料气的浓度，其类型与燃料电池发动机1适配。
[0032]
这里的燃料气与燃料电池发动机1的类型有关。对于氢燃料电池发动机，燃料气为氢气h2，燃料气浓度传感器3为氢气浓度传感器。对于磷酸燃料电池发动机，燃料气主要成分包括h2、co，燃料气浓度传感器3为氢气浓度传感器 co浓度传感器。对于硫化氢燃料电池发动机，燃料气主要成分为硫化氢，燃料气浓度传感器3为硫化氢浓度传感器。对于碳氢化合物燃料电池发动机，燃料气为碳氢化合物，例如对于甲烷燃料电池发动机，燃料气主要成分为甲烷，燃料气浓度传感器3为甲烷浓度传感器。
[0033]
风扇5设于通风管路4的排风口，其吸气端朝向通风管路4的内侧，其排气端设于燃料电池发动机1所在舱室外部的安全区域大气中，用于进行舱室内气体的主动吸收，起到吸风作用，可以避免燃料电池内部或半密闭空间内的氢气不能及时排出的问题。
[0034]
通风管路4的管路布置方式可不进行限定，根据需求进行调整。
[0035]
实施时，该装置可以保证待测目标1所在区域的安全，进而保证整车的安全运行。当车辆停放时，存储燃料气的储气瓶会泄漏出一定量的燃料气，通过风扇5可以引导泄漏出的燃料气不断向舱室外部的安全区域排出。特别是对于氢气，尤其氢气的密度较小，当发生泄漏时，泄漏出的氢气会向高处运动，当车辆行驶时，气流从顶盖2的入风口进入后从通风管路4的排风口排出，构成整个气流通路，使储氢舱的氢气浓度始终保持在安全范围内。该装置简便易行，对车辆的改动较小，可以使燃料电池发动机在行驶过程与停放过程中泄漏出的燃料气通过风扇5及时排出车外，避免聚集，保证储氢舱或燃料电池发动机所在区域的的氢气浓度始终处在安全范围内，保证整车运行安全。
[0036]
与现有技术相比，本实施例提供的测控装置通过设置顶盖2、通风管路4和风扇5，能够进行待测目标1所在区域的气体的主动吸收，解决了发动机系统内半密闭空间内的可
燃气体无法有效排出的问题，并且，对于多个泄露点，无需在每一泄露点上方布设燃料气浓度传感器3，仅在通风管路4内布设一个或一组燃料气浓度传感器3，降低了传感器的数量和成本。由于采用了吸入式主动探测方式，解决了燃料气浓度传感器3自身厚度尺寸内不能探测的盲区问题。该装置具备主动探测与调控的能力，能够及时收集燃料气信息进行判断，避免氢气漂移到其他舱室发生进一步泄露，提高了检测效率。
[0037]
实施例2在实施例1的基础上进行改进，待测目标1为燃料电池发动机1，或存储燃料气的储气瓶，或燃料电池发动机1所在的舱室，或储气瓶所在的舱室。
[0038]
风扇5的抽吸范围为燃料电池发动机、储气瓶所在的局部区域或整个舱室，吸力大小与风扇的功率有关，本领域技术人员能够理解。
[0039]
优选地，对于待测目标1为燃料电池发动机1所在舱室，顶盖2采用内侧面为锥形开口的结构体，其下端面边缘与燃料电池发动机1所在舱室的侧壁贴合，其上端面与通风管路4的进风口固定连接，以对整个舱室进行抽吸。
[0040]
锥形开口，可以使泄漏出的燃料气（氢气）自发或强制地排到车外，避免泄漏出的燃料气聚集而带来安全隐患。
[0041]
优选地，通风管路4的进风口设于顶盖2的最高点，便于气体朝上排出。
[0042]
优选地，顶盖2和通风管路4均采用与燃料气类型匹配的阻燃料气渗透材料制备而成，或在与吸入气体直接接触的内侧面涂覆有阻燃料气渗透涂层。对于氢气，相应的阻燃料气渗透材料可采用al2o3、cr2o3、y2o3、s12 、er2o3等中的一种。通常，单层氧化物阻氢涂层多为cr2o3，al2o3，而s12常和其它涂层复合使用。y2o3涂层氚的渗透率能下降两个数量级，且多与其它涂层复合使用。对于其他燃料气，可查阅相关技术手册与材料手册选定适合的阻燃料气渗透材料。
[0043]
优选地，该用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置还包括安全维护控制器。安全维护控制器的输入端与燃料气浓度传感器3的数据端连接，其输出端与风扇5的控制端连接。
[0044]
安全维护控制器，用于控制风扇5定期启动，以及，在风扇5每次启动后，根据燃料气浓度传感器3采集的数据实时识别燃料电池发动机的燃料气泄露状态，进而发出风扇5继续开启或关闭的控制指令，或发出停机故障检查告警信息。
[0045]
具体地，对于只包含一种可燃气体组分的燃料电池发动机，例如氢燃料电池发动机，当燃料气浓度传感器3采集的数据ρ（燃料气浓度）小于ρ0，则判定燃料电池发动机正常工作，安全维护控制器发出关闭控制指令至风扇5。ρ0为无需报警值，如图2所示。
[0046]
当燃料气浓度传感器3采集的数据ρ处于（ρ0，ρ1）之间，判定待测目标1（燃料电池发动机、储气瓶）存在轻微的燃料气泄露，安全维护控制器发出继续开启控制指令至风扇5，开启风扇5进行排气。ρ1为报警值。
[0047]
当燃料气浓度传感器3采集的数据ρ处于（ρ1，ρ
max
）之间，判定氢气浓度超标，燃料电池发动机无法继续运行，停机进行故障排查，并开启风扇5进行排气。ρ
max
为待测目标1舱室所能承受的最大值。
[0048]
当燃料气浓度传感器3采集的数据ρ大于ρ
max
，判定燃料电池发动机可能发生着火爆炸，需关闭所有电源，等待专业人员处理。
[0049]
上述ρ0、ρ1、ρ
max
均通过实验室标定获得。
[0050]
优选地，安全维护控制器包括进一步依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。其中，所述数据处理与控制单元具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻燃料气浓度传感器3采集的数据。
[0051]
数据采集单元，用于获取燃料气浓度传感器3采集的数据，得出通风管路4内吸入气体中燃料气的可燃气体组分构成和每一可燃气体组分的浓度，发送至数据处理与控制单元。
[0052]
数据处理与控制单元，用于控制风扇5定期启动；以及，在风扇5每次启动后，根据燃料气的可燃气体组分构成和每一可燃气体组分的浓度实时识别燃料电池发动机的燃料气泄露状态，进而发出风扇5继续开启或关闭的控制指令，或发出停机故障检查告警信息。
[0053]
优选地，对于包含一种以上可燃气体组分燃料气的燃料电池发动机，可燃气体组分的数量可以是1、2、3、4、5、6等，数据处理与控制单元执行如下程序：s1.控制风扇5定期启动；s2.在风扇5每次启动后，获取当前时刻燃料气的可燃气体组分和每一可燃气体组分的浓度；s3.识别所有可燃气体组分的浓度ρ是否均小于各自对应的无需报警值ρ0，如果是，判定燃料电池发动机正常工作，且待测目标1处无燃料气泄露，并发出关闭控制指令至风扇5，否则，执行下一步；s4.识别是否存在至少一种可燃气体组分的浓度ρ大于对应的待测目标1所在舱室能承受的极限浓度ρ
max
，如果是，判断燃料电池发动机工作存在极大风险，待测目标1处燃料气泄露严重，控制燃料电池发动机所在舱室的所有供电电源均关闭，并发出撤离告警信息，否则，执行下一步；s5.识别是否存在至少一种可燃气体组分的浓度ρ处于对应的[ρ1，ρ
max
]之间，如果是，判定待测目标1处存在燃料气泄露并对燃料电池发动机工作有影响，控制燃料电池发动机停机，并发出停机故障检查告警信息，继续控制风扇5进行排气，否则，执行下一步；ρ1为可燃气体组分对应的报警值；s6.识别是否存在至少一种可燃气体组分的浓度ρ处于对应的[ρ0，ρ1]之间，如果是，判定待测目标1处存在轻微的燃料气泄露但不影响燃料电池发动机工作，发出继续监控告警，并继续控制风扇5进行排气，直到燃料电池发动机正常工作（即所有可燃气体组分的浓度ρ均小于各自对应的无需报警值ρ0，发出关闭控制指令至风扇5）。
[0054]
上述程序只涉及燃料气的可燃气体组分，对于非可燃气体组分，例如氮气，一般对燃料电池发动机的使用安全性没有影响，因此未列入测控范围。
[0055]
优选地，顶盖2和通风管路4可采用密封件 螺栓连接的方式实现固定。顶盖2和通风管路4连接部位设有至少一个密封件。所述密封件采用与燃料气类型匹配的阻燃料气渗透材料制备而成。
[0056]
优选地，燃料气浓度传感器3包括氢气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、硫化氢浓度传感器、碳氢化合物气体浓度传感器中的至少一种。
[0057]
优选地，燃料电池发动机1为氢燃料电池发动机、磷酸燃料电池发动机、硫化氢燃料电池发动机、碳氢化合物燃料电池发动机中的一种。
[0058]
优选地，风扇5为防爆型风扇。
[0059]
优选地，控制器还包括声光报警单元。其中，所述声光报警单元的输入端与数据处理与控制单元的输出端连接，用于根据燃料气浓度传感器3采集的数据所处范围发出不同的声光报警。
[0060]
在上述方案中，配制声光报警单元后，当燃料气浓度传感器检测到氢气浓度达到设置的报警等级时，声光报警单元对外声光报警，提醒相关部门处理危险。
[0061]
优选地，该用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置还包括可充电电源，用于作为独立电源为风扇5和控制器供电。车辆行驶时可为其充电，当车辆停放、整车处于断电状态时，使得用于燃料电池发动机的燃料气浓度测控装置可以继续工作，监测待测目标1的氢气浓度，当浓度达到报警浓度时，可自动打开风扇5快速排出泄漏的氢气。
[0062]
优选地，顶盖2的入风口、通风管路4的排风口均分别设置有防水罩盖。
[0063]
与现有技术相比，本实施例提供的燃料气浓度测控装置具有如下有益效果：1、风扇5为定期启动方式，燃料气浓度传感器3实时在线检测气体中设定燃料气的浓度，该浓度信号传递给控制器（ecu），进行浓度的判断。燃料气不限于氢气，也可以是其他介质气体，不限于单一气体组分，也可以是复合气体组分，根据需求设置多个不同种类的燃料气浓度传感器3，具体组分可根据燃料电池发动机类型进行确定。
[0064]
2、增加风扇5后，可进行舱室内燃料气的主动吸收并排出至安全区域大气中，可以避免燃料电池发动机内部，或其他半密闭空间内的燃料气（氢气）不能及时排出的问题。不限于燃料电池发动机舱室的燃料气测控，也可以用于其他有燃料气泄露的空间，例如储气瓶的空间和舱室。
[0065]
3、对于存在多个泄漏点，无需在每个泄漏点的上方布置气体传感器，仅在顶盖上部的通风管路4内布置一个或一组燃料气浓度传感器即可，降低了传感器的数量，降低了使用成本。
[0066]
4、该装置具备主动的燃料气探测能力，无盲区，检测效率高，调控速度快，能够有效避免燃料气漂移到其他舱室，提高燃料电池发动机的使用安全性。
[0067]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。