氢气循环泵的运行控制方法及应用该泵的电堆系统与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢气循环泵的运行控制方法及应用该泵的电堆系统。

背景技术：

2.燃料电池是通过过饱和的氢气与空气中的氧气之间的电化学反应产生电能，其中，燃料电池反应后，排出的气体中含有大量未反应的氢气，这些氢气若直接排放到大气中，一方面是能源的浪费，另一方面是对环境造成污染，三是氢气易燃易爆会产生危险，因此，需要对这些氢气进行回收再利用。
3.目前，一般都是通过压缩机将氢气循环回燃料电池进行回收再利用，而现有的氢气循环泵一般采用的都是电机、增压气、齿轮室、控制器等结构组成，如何用一套控制策略来解决增压器破冰，齿轮室漏油检测，电机发热堵转检测以及氢泵泄漏检测等问题一直是业内比较难以解决的问题，上述问题已成为行业内亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种氢气循环泵的运行控制方法及应用该泵的电堆系统。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：氢气循环泵的运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1）由氢气管路周围的氢气浓度传感器判断氢气测浓度，如氢气浓度≥5%，则系统报警停机，反之则正常运行后续程序；步骤s2）电堆系统启动，氢气循环泵外侧的外界温度传感器反馈外界环境温度信号至氢气循环泵内部的控制器；步骤s3）控制器判断外界温度是否处于0℃以下，如果外界温度处于0℃以下，跳转步骤s4，若外界温度大于0℃，跳转步骤s6；步骤s4）控制器开启破冰模式，控制器以5.5nm的转矩正反转低速转动氢气循环泵的叶轮，以5s为一个周期，间隔时长3s，连续循环三个周期；步骤s5）控制器在三个周期内记录氢气循环泵的电流值i1，按照怠速工况由控制器给出指令，记录怠速工况下控制器输出的电流值i2，i2和i1的差值为
△
i，如果
△
i为正数，说明泵体怠速工况运行成立电流减小，跳转步骤s6；如果
△
i为零或负数，说明泵体没有按照怠速工况运行，系统处于破冰堵转状态，跳转步骤s3；步骤s6）控制器驱动氢气循环泵叶轮以怠速转速运行；步骤s7）控制器持续监控氢气循环泵电流值，控制器配合氢气循环泵电机定子内部的ntc温度控制探头，一起判断氢气循环泵运行状况，如果电机内部温度超出max最大值或电机电流超范围，跳转步骤s8，反之跳转步骤s9，其中，电机内部温度max最大值为180~200℃，电机电流范围为8~10a，电机电流大于10a时超范围；
步骤s8）电堆系统报警，氢气循环泵停止运行；步骤s9）油雾检测传感器工作，如果在氢气循环泵出口检测到油雾成分，表示氢气循环泵或系统有润滑油/液的泄漏，启动系统报警，反之系统正常运行。
6.一种应用氢气循环泵的燃料电池电堆系统，其特征在于，包括氢气罐、空气过滤器、水箱和电堆，所述电堆与负载之间的电路设有dc/dc转换器；所述氢气罐的出口通过氢气管路与氢气喷射器的入口连接，所述氢气喷射器的出口通过氢气管路与电堆的氢气入口连接，所述电堆的氢气出口通过氢气管路与气水分离器的入口连接，所述气水分离器的出口为氢气管路的出口，所述氢气喷射器的出口和气水分离器的出口之间设有氢气循环管路，所述氢气循环泵位于氢气循环管路上，所述氢气循环管路设有氢气浓度传感器、氢气循环泵和油雾检测传感器，所述氢气循环泵的外侧设有外界温度传感器，所述氢气循环泵的内部设有电机、内部温度传感器和控制器；所述空气过滤器的出口通过空气管路与空气压缩机的入口连接，所述空气压缩机的出口通过空气管路与加湿器的一入口连接，所述加湿器的出口与电子三通阀的第一端连接，所述电子三通阀的第二端与电堆的空气入口连接，所述比例阀的另一端通过空气管路与电子三通阀的第三端连接，所述电堆的空气出口与加湿器的另一入口之间设有空气循环管路，所述加湿器设有空气出口；所述水箱的出口通过冷却水管路与电子水泵的入口连接，所述电子水泵的出口通过冷却水管路与过滤器的入口连接，所述过滤器的出口通过冷却水管路与电子节温器的入口连接，所述电子节温器的出口通过冷却水管路与电堆的冷却水入口连接，电堆的冷却水出口与水箱的出口之间设有冷却水循环管路，所述冷却水循环管路设有散热器。
7.进一步地，所述氢气罐与氢气喷射器之间的氢气管路设有减压阀。
8.进一步地，所述电堆的氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口均设有温度传感器和压力传感器。
9.进一步地，所述电堆的冷却水出口设有温度传感器和压力传感器。
10.进一步地，所述氢气管路的出口设有尾排电磁阀。
11.进一步地，所述加湿器的出口通过空气管路与膨胀机的入口连接，所述膨胀机的出口通过空气管路与背压阀的入口连接，所述背压阀的出口作为空气管路的出口。
12.本发明弥补现有控制策略的不足，在电堆系统的氢气循环管路上设置氢气循环泵，并实施循环泵外部和内部的温度检测以及油雾浓度检测，提供了防漏油污染电堆、防氢气泄漏，电机堵转监测，电机破冰检测运行的策略。
附图说明
13.图1为本发明电堆系统结合氢气循环泵的结构示意图；图2为本发明电堆系统的整体结构示意图。
14.附图标记：1氢气罐、2第一减压阀、3第二减压阀、4过滤器5氢气喷射器、6第一三通、7电堆、8气水分离器、9第二三通、10氢气浓度传感器、11氢气循环泵、12油雾检测传感器、13尾排电磁阀14空气过滤器、15空气压缩机、16电子节温器、17加湿器、
18电子三通阀、19 dc/dc转换器、20负载、21膨胀机、22背压阀、23水箱、24电子风扇、25散热器、26电子水泵。
具体实施方式
15.下面将结合附图对本发明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做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。
16.本实施例公开了一种应用氢气循环泵的电堆系统，如图1所示，包括氢气罐1、空气过滤器14、水箱23和电堆7，电堆7与负载20之间的电路设有dc/dc转换器19。
17.如图2所示，氢气罐1的出口通过氢气管路与氢气喷射器5的入口连接，氢气喷射器5采用比例阀，氢气罐1与氢气喷射器5之间的氢气管路设有减压阀，如图1所示，减压阀包括串联的第一减压阀2和第二减压阀3。
18.氢气喷射器5的出口通过氢气管路与电堆7的氢气入口连接，电堆7的氢气出口通过氢气管路与气水分离器8的入口连接，气水分离器8的出口为氢气管路的出口，氢气管路的出口设有尾排电磁阀13。
19.氢气喷射器5的出口和气水分离器8的出口之间设有氢气循环管路，氢气循环泵11位于氢气循环管路上，氢气循环管路设有氢气浓度传感器10、氢气循环泵11和油雾检测传感器12，氢气循环泵11的外侧设有外界温度传感器，氢气循环泵11的内部设有电机、内部温度传感器和控制器。
20.氢气喷射器5的出口、电堆7的氢气入口以及氢气循环管路的出口端通过第一三通6连接呈一整体，气水分离器8的出口、尾排电磁阀13的入口以及氢气循环管路的入口端通过第二三通9连接呈一整体。
21.如图1所示，空气过滤器14的出口通过空气管路与空气压缩机15的入口连接，空气压缩机15的出口通过空气管路与加湿器17的一入口连接。
22.加湿器17的出口与电子三通阀18的第一端连接，电子三通阀18的第二端与电堆7的空气入口连接，比例阀的另一端通过空气管路与电子三通阀18的第三端连接，电堆7的空气出口与加湿器17的另一入口之间设有空气循环管路。
23.加湿器17设有空气出口，加湿器17的出口通过空气管路与膨胀机21的入口连接，膨胀机21的出口通过空气管路与背压阀22的入口连接，背压阀22的出口作为空气管路的出口。
24.水箱23的出口通过冷却水管路与电子水泵26的入口连接，电子水泵26的出口通过冷却水管路与过滤器4的入口连接，过滤器4的出口通过冷却水管路与电子节温器16的入口连接，电子节温器16的出口通过冷却水管路与电堆7的冷却水入口连接，电堆7的冷却水出口与水箱23的出口之间设有冷却水循环管路，冷却水循环管路设有散热器25，散热器25内置电子风扇24。
25.电堆7的氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口均设有温度传感器和压力传感器，电堆7的冷却水出口也设有温度传感器和压力传感器。
26.本实施例中，氢气循环泵11的运行控制方法包括以下步骤：步骤s1）在氢气路周围排布两个以上的氢气浓度感探测器，由氢气管路周围的氢
气浓度传感器10判断氢气测浓度，如氢气浓度≥5%，则系统报警停机，反之则正常运行后续程序；步骤s2）在氢气循环泵11的外侧安装外界温度传感器，电堆7系统启动，外界温度传感器反馈外界环境温度信号至氢气循环泵11内部的控制器；步骤s3）控制器判断外界温度是否处于0℃以下，如果外界温度处于0℃以下，跳转步骤s4，若外界温度大于0℃，跳转步骤s6；步骤s4）控制器开启破冰模式，控制器以5.5nm的转矩正反转低速转动氢气循环泵11的叶轮，以5s为一个周期，间隔时长3s，连续循环三个周期；步骤s5）控制器在上述三个周期内监控氢气循环泵11的电流值，判断堵转情况，如果电流值异常，重复步骤s3，反之则跳转步骤s6；判断方式具体为，控制器在三个周期内记录氢气循环泵11的电流值i1，按照怠速工况由控制器给出指令，记录怠速工况下控制器输出的电流值i2，i2和i1的差值为
△
i，如果
△
i为正数，说明泵体怠速工况运行成立电流减小，跳转步骤s6；步骤s6）控制器驱动氢气循环泵11叶轮以怠速转速运行；步骤s7）控制器持续监控氢气循环泵11电流值，控制器配合氢气循环泵11电机定子内部的ntc温度控制探头，一起判断氢气循环泵11运行状况，如果电机内部温度超出max最大值或电机电流超范围，跳转步骤s8，反之跳转步骤s9，其中，电机内部温度max最大值为180~200℃，电机电流范围为8~10a，电机电流大于10a时超范围；步骤s8）电堆7系统报警，氢气循环泵11停止运行。
27.步骤s9）油雾检测传感器12工作，如果在氢气循环泵11出口检测到油雾成分，表示氢气循环泵11或系统有润滑油/液的泄漏，启动系统报警，反之系统正常运行。
28.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。

技术特征：

1.氢气循环泵的运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1）由氢气管路周围的氢气浓度传感器判断氢气测浓度，如氢气浓度≥5%，则系统报警停机，反之则正常运行后续程序；步骤s2）电堆系统启动，氢气循环泵外侧的外界温度传感器反馈外界环境温度信号至氢气循环泵内部的控制器；步骤s3）控制器判断外界温度是否处于0℃以下，如果外界温度处于0℃以下，跳转步骤s4，若外界温度大于0℃，跳转步骤s6；步骤s4）控制器开启破冰模式，控制器以5.5nm的转矩正反转低速转动氢气循环泵的叶轮，以5s为一个周期，间隔时长3s，连续循环三个周期；步骤s5）控制器在三个周期内记录氢气循环泵的电流值i1，按照怠速工况由控制器给出指令，记录怠速工况下控制器输出的电流值i2，i2和i1的差值为
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i，如果
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i为正数，说明泵体怠速工况运行成立电流减小，跳转步骤s6；如果
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i为零或负数，说明泵体没有按照怠速工况运行，系统处于破冰堵转状态，跳转步骤s3；步骤s6）控制器驱动氢气循环泵叶轮以怠速转速运行；步骤s7）控制器持续监控氢气循环泵电流值，控制器配合氢气循环泵电机定子内部的ntc温度控制探头，一起判断氢气循环泵运行状况，如果电机内部温度超出max最大值或电机电流超范围，跳转步骤s8，反之跳转步骤s9，其中，电机内部温度max最大值为180~200℃，电机电流范围为8~10a，电机电流大于10a时超范围；步骤s8）电堆系统报警，氢气循环泵停止运行；步骤s9）油雾检测传感器工作，如果在氢气循环泵出口检测到油雾成分，表示氢气循环泵或系统有润滑油/液的泄漏，启动系统报警，反之系统正常运行。2.一种应用氢气循环泵的电堆系统，其特征在于，包括氢气罐、空气过滤器、水箱和电堆，所述电堆与负载之间的电路设有dc/dc转换器；所述氢气罐的出口通过氢气管路与氢气喷射器的入口连接，所述氢气喷射器的出口通过氢气管路与电堆的氢气入口连接，所述电堆的氢气出口通过氢气管路与气水分离器的入口连接，所述气水分离器的出口为氢气管路的出口，所述氢气喷射器的出口和气水分离器的出口之间设有氢气循环管路，所述氢气循环泵位于氢气循环管路上，所述氢气循环管路设有氢气浓度传感器、氢气循环泵和油雾检测传感器，所述氢气循环泵的外侧设有外界温度传感器，所述氢气循环泵的内部设有电机、内部温度传感器和控制器；所述空气过滤器的出口通过空气管路与空气压缩机的入口连接，所述空气压缩机的出口通过空气管路与加湿器的一入口连接，所述加湿器的出口与电子三通阀的第一端连接，所述电子三通阀的第二端与电堆的空气入口连接，所述比例阀的另一端通过空气管路与电子三通阀的第三端连接，所述电堆的空气出口与加湿器的另一入口之间设有空气循环管路，所述加湿器设有空气出口；所述水箱的出口通过冷却水管路与电子水泵的入口连接，所述电子水泵的出口通过冷却水管路与过滤器的入口连接，所述过滤器的出口通过冷却水管路与电子节温器的入口连接，所述电子节温器的出口通过冷却水管路与电堆的冷却水入口连接，电堆的冷却水出口与水箱的出口之间设有冷却水循环管路，所述冷却水循环管路设有散热器。
3.根据权利要求2所述的应用氢气循环泵的电堆系统，其特征在于，所述氢气罐与氢气喷射器之间的氢气管路设有减压阀。4.根据权利要求2所述的应用氢气循环泵的电堆系统，其特征在于，所述电堆的氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口均设有温度传感器和压力传感器。5.根据权利要求2所述的应用氢气循环泵的电堆系统，其特征在于，所述电堆的冷却水出口设有温度传感器和压力传感器。6.根据权利要求2所述的应用氢气循环泵的电堆系统，其特征在于，所述氢气管路的出口设有尾排电磁阀。7.根据权利要求2所述的应用氢气循环泵的电堆系统，其特征在于，所述加湿器的出口通过空气管路与膨胀机的入口连接，所述膨胀机的出口通过空气管路与背压阀的入口连接，所述背压阀的出口作为空气管路的出口。

技术总结

本发明提供氢气循环泵的运行控制方法，包括：由氢气管路周围的氢气浓度传感器判断氢气测浓度，如氢气浓度≥5%，则系统报警停机，反之则正常运行后续程序；电堆系统启动，氢气循环泵外侧的外界温度传感器反馈外界环境温度信号至氢气循环泵内部的控制器；控制器判断外界温度是否处于0℃以下，如果外界温度处于0℃以下，开启破冰模式，控制器以5.5Nm的转矩正反转低速转动氢气循环泵的叶轮，以5s为一个周期，间隔时长3S，连续循环三个周期，若外界温度大于0℃，驱动氢气循环泵叶轮以怠速转速运行；油雾检测传感器工作，如果在氢气循环泵出口检测到油雾成分，表示氢气循环泵或系统有润滑油/液的泄漏，启动系统报警。启动系统报警。启动系统报警。