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CN112928306B - 一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统 - Google Patents

一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统 Download PDF

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CN112928306B CN202110304296.6A CN202110304296A CN112928306B CN 112928306 B CN112928306 B CN 112928306B CN 202110304296 A CN202110304296 A CN 202110304296A CN 112928306 B CN112928306 B CN 112928306B
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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其包括：控制器，空气输送系统，氢气吹扫管，空气吹扫管，空气回收系统，进排气系统，氢气供给管路，湿度传感器，吹扫排放管，本发明有效解决了采用大功率空气增压器来满足轨道车辆燃料电池系统中的电堆响应所需的空气而造成的运行噪音大、布置空间大导致燃料电池系统集成度低、系统辅助功率消耗大导致燃料电池系统发电效率低、大功率空气增压器选型困难和定制开发采购成本高等缺点，又解决了现有燃料电池系统的停机吹扫保护工作采用独立的吹扫系统导致燃料电池系统集成度低、结构复杂冗余等缺点。

Description

一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统
技术领域
本发明涉及空气供给领域，尤其涉及一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统。
背景技术
为了满足高负载、大里程的轨道车辆对于燃料电池系统输出功率需求的增大，需要空气供给系统为燃料电池系统中的电堆提供满足其响应需求的空气。现有的技术手段是空气供给系统中采用大功率空气增压器来满足轨道车辆燃料电池系统中的电堆响应所需的空气，但是该技术手段具有以下缺点：
1、采用大功率空气增压器具有运行噪音大、布置空间大导致燃料电池系统集成度低和燃料电池系统的辅助功率消耗大导致系统发电效率低等缺点；
2、满足轨道车辆大功率燃料电池系统需求的空气增压器产品较少，导致空气增压器选型困难、若定制开发则采购成本高等缺点；
同时，现有的燃料电池系统的停机吹扫保护工作采取了独立的吹扫系统，导致燃料电池系统集成度低、结构复杂冗余等缺点。
发明内容
本发明提供一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，以克服技术问题。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，包括控制器，空气输送系统，空气吹扫管，进排气系统，氢气供给管路，湿度传感器，吹扫排放管，其特征在于：还包括氢气吹扫管和空气回收系统，氢气吹扫管用于排空氢气供给管路内剩余氢气，空气回收系统用于为空气输送系统提供空气压力和流量，并将电堆中未参与反应的剩余空气输送到空气输送系统中，空气输送系统、空气回收系统、吹扫排放管、氢气供给管路及湿度传感器与电堆相连接，氢气吹扫管的一端与空气吹扫管相连，氢气吹扫管的另一端与氢气供给管路相连接，空气吹扫管一端与空气输送系统相连接，空气吹扫管另一端与空气回收系统相连接，进排气系统与空气回收系统连接。
进一步的，氢气吹扫管还用于吹扫出燃料电池系统内电堆剩余存水。
进一步的，空气回收系统还用于吹扫出电堆中存水。
进一步的，氢气吹扫管包括氢气吹扫管路、单向阀b，氢气吹扫管路与空气吹扫管相连接，单向阀b与氢气供给管路相连接。
进一步的，空气回收系统包括空气回收管路、压力传感器b、电控截止阀b、喷射器、压力流量传感器、单向阀c、气水分离器、电控截止阀d、单向阀d，空气回收管路将压力传感器b、电控截止阀b、喷射器、压力流量传感器、单向阀c、气水分离器、电控截止阀d、单向阀d依次连接，单向阀d与空气输送系统相连接，进排气系统介于单向阀c与电控截止阀b之间，喷射器为空气回收系统提供空气压力和流量。
进一步的，空气输送系统包括空气输送管路、空气滤清器、压力传感器a、空气增压器、压力温度传感器、热交换器、温度传感器、单向阀a，空气输送管路将空气滤清器、压力传感器a、空气增压器、压力温度传感器、热交换器、温度传感器、单向阀a依次连接，单向阀a与空气反应侧相连接，空气输送系统为电堆提供空气。
进一步的，空气吹扫管包括电控截止阀c、空气吹扫管路，电控截止阀c连接于电控截止阀d和气水分离器之间的管路上，空气吹扫管路与氢气吹扫管路相连接，空气吹扫管用于吹扫出电堆内部的存水。
进一步的，进排气系统包括电控截止阀a、进排气管路，电控截止阀a一端介于单向阀c与电控截止阀b之间，电控截止阀a另一端连接进排气管路，进排气系统用于提供燃料电池系统吹扫所需的空气以及释放电堆内部压力。
进一步的，吹扫排放管还包括电控截止阀e。
同样的目的，本发明还提供一种轨道车辆用燃料电池系统，包含电堆及及第一方面所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：电堆包括氢气反应侧、吹扫排放侧、空气反应侧及空气排放侧，空气回收管路与空气排放侧相连，吹扫排放管与吹扫排放侧相连，氢气供给管路与氢气反应侧相连，单向阀a和电控截止阀c与空气反应侧相连。
本发明，有效解决了采用大功率空气增压器来满足轨道车辆燃料电池系统中的电堆响应所需的空气而造成的运行噪音大、布置空间大导致燃料电池系统集成度低、系统辅助功率消耗大导致燃料电池系统发电效率低、大功率空气增压器选型困难和定制开发采购成本高等缺点，又解决了现有燃料电池系统的停机吹扫保护工作采用独立的吹扫系统导致燃料电池系统集成度低、结构复杂冗余等缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统示意图；
图2为本发明公开的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统中空气输送系统示意图；
图3为本发明公开的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统中空气回收系统示意图；
图中：1、控制器，2、空气输送系统，201、空气输送管路，202、空气滤清器，203、压力传感器a，204、空气增压器，205、压力温度传感器，206、热交换器，207、温度传感器，208、单向阀a，3、氢气吹扫管，301、氢气吹扫管路，302、单向阀b，4、空气吹扫管，401、电控截止阀c，402、空气吹扫管路，5、空气回收系统，501、空气回收管路，502、压力传感器b，503、电控截止阀b，504、喷射器，505、压力流量传感器，506、单向阀c，507、气水分离器，508、电控截止阀d，509、单向阀d，6、进排气系统，601、电控截止阀a，602、进排气管路，7、氢气供给管路，8、湿度传感器，9、电堆，901、氢气反应侧，902、吹扫排放侧，903、空气反应侧，904、空气排放侧，10、吹扫排放管，1001、电控截止阀e。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例1提供了一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，包括控制器1，空气输送系统2，空气吹扫管4，进排气系统6，氢气供给管路7，湿度传感器8，吹扫排放管10，其特征在于：还包括氢气吹扫管3和空气回收系统5，氢气吹扫管3用于排空氢气供给管路7内剩余氢气，空气回收系统5用于为空气输送系统2提供空气压力和流量，并将电堆9中未参与反应的剩余空气输送到空气输送系统2中，空气输送系统2、空气回收系统5、吹扫排放管10、氢气供给管路7及湿度传感器8与电堆9相连接，氢气吹扫管3的一端与空气吹扫管4相连，氢气吹扫管3的另一端与氢气供给管路7相连接，空气吹扫管4一端与空气输送系统2相连接，空气吹扫管4另一端与空气回收系统5相连接，进排气系统6与空气回收系统5连接。
在具体实施例1中，氢气吹扫管3还用于吹扫出燃料电池系统内电堆9剩余存水。
在具体实施例1中，空气回收系统5还用于吹扫出电堆9中存水。
在具体实施例1中，氢气吹扫管3包括氢气吹扫管路301、单向阀b302，氢气吹扫管路301与空气吹扫管4相连接，单向阀b302与氢气供给管路7相连接。
在具体实施例1中，空气回收系统5包括空气回收管路501、压力传感器b502、电控截止阀b503、喷射器504、压力流量传感器505、单向阀c506、气水分离器507、电控截止阀d508、单向阀d509，空气回收管路501将压力传感器b502、电控截止阀b503、喷射器504、压力流量传感器505、单向阀c506、气水分离器507、电控截止阀d508、单向阀d509依次连接，单向阀d509与空气输送系统2相连接，进排气系统6介于单向阀c506与电控截止阀b503之间，喷射器504为空气回收系统5提供空气压力和流量。
在具体实施例1中，空气输送系统2包括空气输送管路201、空气滤清器202、压力传感器a203、空气增压器204、压力温度传感器205、热交换器206、温度传感器207、单向阀a208，空气输送管路201将空气滤清器202、压力传感器a203、空气增压器204、压力温度传感器205、热交换器206、温度传感器207、单向阀a208依次连接，单向阀a208与空气反应侧903相连接，空气输送系统2为电堆9提供空气。
在具体实施例1中，空气吹扫管4包括电控截止阀c401、空气吹扫管路402，电控截止阀c401连接于电控截止阀d508和气水分离器507之间的管路上，空气吹扫管路402与氢气吹扫管路301相连接，空气吹扫管4用于吹扫出电堆9内部的存水。
在具体实施例1中，进排气系统6包括电控截止阀a601、进排气管路602，电控截止阀a601一端介于单向阀c506与电控截止阀b503之间，电控截止阀a601另一端连接进排气管路602，进排气系统6用于提供燃料电池系统吹扫所需的空气以及释放电堆内部压力。
在具体实施例1中，吹扫排放管10还包括电控截止阀e1001。
同样的目的，本发明实施例2提供一种轨道车辆用燃料电池系统，包含电堆9及如上述所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：电堆9包括氢气反应侧901、吹扫排放侧902、空气反应侧903及空气排放侧904，空气回收管路501与空气排放侧904相连，吹扫排放管10与吹扫排放侧902相连，氢气供给管路7与氢气反应侧901相连，单向阀a208和电控截止阀c401与空气反应侧903相连。
氢气吹扫管的功能如下：(1)为燃料电池系统停机后的氢气供给管路进行吹扫排空氢气，避免停机后残余在管路里的氢气泄露造成危险；(2)燃料电池系统停机后将电堆的氢气反应侧内部的存水吹扫出电堆，避免在低温环境下电堆内部水结冰导致损坏电堆和氢气反应侧的存水过多造成电堆水淹损坏电堆等情况。
空气吹扫管在燃料电池系统停机后将电堆的空气反应侧内部的存水吹扫出电堆，避免在低温环境下造成电堆内部水结冰导致损坏电堆和空气反应侧的存水过多造成电堆水淹损坏电堆等情况。
空气回收系统的功能如下：(1)电堆排出的未参与反应的剩余空气输入到控制器控制的喷射器中，并在控制器精确控制经过喷射器的空气压力和流量后接入到空气输送系统中，喷射器与空气增压器协同工作为电堆响应提供所需的空气，解决了采用大功率空气增压器所带来的多种缺点；(2)负责燃料电池系统的停机吹扫保护工作。
进排气系统的功能如下：(1)当电堆内部压力大于其承受压力范围时，进排气系统的电控截止阀a开启并释放电堆内部压力直到满足其压力范围时关闭；(2)为燃料电池系统的停机吹扫保护工作提供吹扫所需的空气。
空气输送系统2和氢气供给管路7分别与电堆9的空气反应侧903和氢气反应侧901相连接，为电堆9的发电工作提供所需的空气和氢气；空气回收系统5与电堆9的空气排放侧904相连接，电堆9反应后未参与反应的剩余空气根据燃料电池系统需求选择可经过空气回收系统5回收利用，或经过排气系统6直接排放掉；吹扫排放管10与电堆9的吹扫排放侧902相连接，燃料电池系统的停机吹扫保护工作中对电堆9进行吹扫排出的气体和存水通过吹扫排放管10排出。
控制器1负责采集空气供给系统中的多种传感器反馈的信号，并根据反馈信号和系统功能的实现进行控制本系统中的执行部件动作。控制器1采集空气输送系统2、空气回收系统5、湿度传感器8的信号，控制器1控制空气输送系统2、空气吹扫管4、空气回收系统5、进排气系统6和吹扫排放管10执行指令。
如图1、图2所示，当燃料电池系统启动运行后，空气输送系统2和氢气供给管路7分别为电堆9的发电工作提供反应所需的空气和氢气，此时控制器1控制电控截止阀c401、电控截止阀b503、电控截止阀d508、电控截止阀a601和电控截止阀e1001等关闭。空气经过空气输送系统2中的空气输送管路201进入，经过空气滤清器202过滤后到达空气增压器204的入口。空气增压器204将空气进行升压、增大空气流量后输送到热交换器206中进行气体冷却，控制器1通过温度传感器207实时监测经热交换器206冷却后的气体温度。若检测温度高于电堆9要求的气体温度范围时，控制器1控制热交换器206加大冷却散热功率，使气体温度满足电堆9需求的空气温度范围。控制器1通过压力传感器a203和压力温度传感器205实时监测空气输送系统2中的进气压力和进气温度，并根据监测的反馈信号精确控制调节空气增压器204的运行状态。经热交换器206冷却后的空气依次通过单向阀a208和空气反应侧903进入到电堆9中。氢气依次通过氢气供给管路7和氢气反应侧901进入到电堆9中。
如图1、图3所示，当空气增压器204满足电堆9响应需求的空气时，空气回收系统5中的压力传感器b502实时监测电堆9的空气排放侧904排出空气的压力。当压力传感器b502监测压力满足电堆9要求时，控制器1控制电控截止阀b503和电控截止阀a601关闭，保持电堆9的内部工作压力。当压力传感器b502监测压力超出电堆9要求时，控制器1控制电控截止阀b503关闭，进排气系统6中的电控截止阀a601打开，此时超压气体依次通过单向阀c506、进排气系统6排出；当压力传感器b502监测的空气压力满足电堆9的要求时控制器1控制电控截止阀a601关闭保持电堆9的内部工作压力，此后按此逻辑依次往复操作。
如图1、图3所示，当空气增压器204无法满足电堆9响应需求的空气时，控制器1控制电控截止阀b503、电控截止阀d508开启，电控截止阀a601和电控截止阀c401关闭。电堆9中未反应的剩余空气依次通过空气排放侧904、空气回收管路501、单向阀c506、电控截止阀b503输送到喷射器504中，控制器1控制喷射器504将电堆9响应需求而空气增压器204无法满足的空气精确控制压力和流量后输送到气水分离器507进行空气中气体和水分的分离，分离水分后的干燥空气依次通过电控截止阀d508、单向阀d509后连接到空气输送系统2中，与空气增压器204协同工作为电堆9响应提供需求的空气。控制器1通过压力流量传感器505信号实时监测喷射器504喷射气体的流量和压力，并根据电堆9响应需求进行控制调节喷射器504的工作状态。
如图1、图3所示，当燃料电池系统停机后，需要进行吹扫保护工作。吹扫保护工作的作用是燃料电池系统停机后将电堆9内部的存水吹扫出电堆，避免在低温环境下电堆内部水结冰导致损坏电堆和内部存水过多造成电堆水淹损坏电堆等情况。控制器1控制电控截止阀b503、电控截止阀a601、电控截止阀c401和电控截止阀e1001开启，控制电控截止阀d508关闭。吹扫空气依次通过进排气管路602和电控截止阀a601后连接到空气回收系统5中，并通过电控截止阀b503到达喷射器504，在单向阀c506作用下吹扫空气无法进入到电堆9中。控制器1通过控制喷射器504精确控制吹扫空气的压力和流量后将其输送到气水分离器507进行气水分离后，将分离后的干燥空气分别通过空气吹扫管4中的电控截止阀c401、空气吹扫管路402和氢气吹扫管3中的氢气吹扫管路301、单向阀b302后送入到电堆9的空气反应侧903、氢气反应侧901进行吹扫，并将吹扫后的水分和气体通过吹扫排放管10和电控截止阀e1001排出。控制器1通过湿度传感器8的信号实时监测电堆9的内部湿度，当湿度传感器8监测到电堆9的内部湿度满足湿度要求时，控制器1控制喷射器504停止工作，同时关闭电控截止阀a601和电控截止阀e1001。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，包括控制器(1)，空气输送系统(2)，空气吹扫管(4)，进排气系统(6)，氢气供给管路(7)，湿度传感器(8)，吹扫排放管(10)，其特征在于：还包括氢气吹扫管(3)和空气回收系统(5)，氢气吹扫管(3)用于排空氢气供给管路(7)内剩余氢气，空气回收系统(5)用于为空气输送系统(2)提供空气压力和流量，并将电堆(9)中未参与反应的剩余空气输送到空气输送系统(2)中，空气输送系统(2)、空气回收系统(5)、吹扫排放管(10)、氢气供给管路(7)及湿度传感器(8)与电堆(9)相连接，氢气吹扫管(3)的一端与空气吹扫管(4)相连，氢气吹扫管(3)的另一端与氢气供给管路(7)相连接，空气吹扫管(4)一端与空气输送系统(2)相连接，空气吹扫管(4)另一端与空气回收系统(5)相连接，进排气系统(6)与空气回收系统(5)连接。
2.如权利要求1所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：氢气吹扫管(3)还用于吹扫出燃料电池系统内电堆(9)剩余存水。
3.如权利要求1所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：空气回收系统(5)还用于吹扫出电堆(9)中存水。
4.如权利要求1所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：氢气吹扫管(3)包括氢气吹扫管路(301)、单向阀b(302)，氢气吹扫管路(301)与空气吹扫管(4)相连接，单向阀b(302)与氢气供给管路(7)相连接。
5.如权利要求4所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：空气回收系统(5)包括空气回收管路(501)、压力传感器b(502)、电控截止阀b(503)、喷射器(504)、压力流量传感器(505)、单向阀c(506)、气水分离器(507)、电控截止阀d(508)、单向阀d(509)，空气回收管路(501)将压力传感器b(502)、电控截止阀b(503)、喷射器(504)、压力流量传感器(505)、单向阀c(506)、气水分离器(507)、电控截止阀d(508)、单向阀d(509)依次连接，单向阀d(509)与空气输送系统(2)相连接，进排气系统(6)介于单向阀c(506)与电控截止阀b(503)之间，喷射器(504)为空气回收系统(5)提供空气压力和流量。
6.根据权利要求5所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：空气输送系统(2)包括空气输送管路(201)、空气滤清器(202)、压力传感器a(203)、空气增压器(204)、压力温度传感器(205)、热交换器(206)、温度传感器(207)、单向阀a(208)，空气输送管路(201)将空气滤清器(202)、压力传感器a(203)、空气增压器(204)、压力温度传感器(205)、热交换器(206)、温度传感器(207)、单向阀a(208)依次连接，单向阀a(208)与空气反应侧(903)相连接，空气输送系统(2)为电堆(9)提供空气。
7.根据权利要求6所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：空气吹扫管(4)包括电控截止阀c(401)、空气吹扫管路(402)，电控截止阀c(401)连接于电控截止阀d(508)和气水分离器(507)之间的管路上，空气吹扫管路(402)与氢气吹扫管路(301)相连接，空气吹扫管(4)用于吹扫出电堆(9)内部的存水。
8.根据权利要求7所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：进排气系统(6)包括电控截止阀a(601)、进排气管路(602)，电控截止阀a(601)一端介于单向阀c(506)与电控截止阀b(503)之间，电控截止阀a(601)另一端连接进排气管路(602)，进排气系统(6)用于提供燃料电池系统吹扫所需的空气以及释放电堆(9)内部压力。
9.根据权利要求8所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：吹扫排放管(10)还包括电控截止阀e(1001)。
10.一种轨道车辆用燃料电池系统，包含电堆(9)及如权利要求9所述的一种轨道车辆用燃料电池系统的空气供给系统，其特征在于：电堆(9)包括氢气反应侧(901)、吹扫排放侧(902)、空气反应侧(903)及空气排放侧(904)，空气回收管路(501)与空气排放侧(904)相连，吹扫排放管(10)与吹扫排放侧(902)相连，氢气供给管路(7)与氢气反应侧(901)相连，单向阀a(208)和电控截止阀c(401)与空气反应侧(903)相连。
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