一种燃料电池汽车尾气混合系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种燃料电池汽车尾气混合系统及其控制方法 (Fuel cell automobile exhaust mixing system and control method thereof ) 是由 吴星成 贺翀 王子剑 陈明 王波 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃料电池汽车尾气混合系统及其控制方法,混合系统包括阳极尾气管道、阴极尾气管道、稀释气体管道、尾气混合器、混合排放管、控制器,所述尾气混合器内设有沿气体流向设置的混合腔室和消音腔室,所述阳极尾气管道、阴极尾气管道均与混合腔室连接,所述稀释气体管道与阴极尾气管道连接,所述混合排放管与消音腔室连接,所述稀释气体管道上设有调节阀,所述阴极尾气管道上设有单向阀,所述阳极尾气管道上设有第一氢浓度传感器,所述混合排放管上设有第二氢浓度传感器。本发明混合系统中采用了稀释气体管道通入稀释气体,稀释气体、阳极尾气、阴极尾气在尾气混合器内混合后排出,降低氢排放浓度,较大提升了整车氢安全。(The invention discloses a fuel cell automobile exhaust mixing system and a control method thereof, wherein the mixing system comprises an anode exhaust pipeline, a cathode exhaust pipeline, a diluent gas pipeline, an exhaust mixer, a mixing discharge pipe and a controller, a mixing chamber and a silencing chamber are arranged in the exhaust mixer along the gas flow direction, the anode exhaust pipeline and the cathode exhaust pipeline are both connected with the mixing chamber, the diluent gas pipeline is connected with the cathode exhaust pipeline, the mixing discharge pipe is connected with the silencing chamber, an adjusting valve is arranged on the diluent gas pipeline, a one-way valve is arranged on the cathode exhaust pipeline, a first hydrogen concentration sensor is arranged on the anode exhaust pipeline, and a second hydrogen concentration sensor is arranged on the mixing discharge pipe. The mixing system adopts the diluent gas pipeline to introduce the diluent gas, and the diluent gas, the anode tail gas and the cathode tail gas are mixed in the tail gas mixer and then discharged, thereby reducing the hydrogen emission concentration and greatly improving the hydrogen safety of the whole vehicle.)
技术领域
本发明涉及新能源汽车，具体地指一种燃料电池汽车尾气混合系统及其控制方法。
背景技术
为了更好的应对国家环境问题与能源问题，氢燃料电池汽车成为世界各国发展战略之一。氢燃料电池汽车的动力源来自燃料电池发动机，而燃料电池发动机是通过阳极进入的氢气与阴极进入的含氧气体(通常为空气)经催化剂产生化学反应，将化学能转换为电能的一种发电装置。而随着氢燃料电池汽车的不断广泛运用，越来越多的问题得以显现。随着燃料电池的运行，会有氢气随着废气(尾气)进入排气管，最后排入到大气，而氢气的低密度特性使氢气容易在排气管路中聚集，从而导致聚集氢气在排气管路中或排出后，存在局部区域氢气浓度急剧增大而爆燃危险。因此，必须控制氢燃料电池汽车的尾气中的氢气浓度在允许的爆燃阈值范围内，包含排气管中的局部氢浓度及排出车外的整体浓度。另外，相对传统汽车，氢燃料电池汽车的发动机噪声小很多，但主要由空压机运行引起的排气噪声突显，极大影响用户的乘坐舒适性，急需解决。同时，燃料电池乘用车空间小，混合器和消音器分散设置会造成空间的浪费，不利于节省空间。
公开号为CN110026101A的中国发明专利公开了一种氢燃料电池汽车排气混合装置，氢气混合器内部的前旋流叶片和后旋流叶片使其具有旋流效果，将氢气和水蒸气混合均匀。但该专利作用仅为将氢气混合均匀，若是氢气在混合气体中含量本来就超过阈值范围，混合再均匀也还是超过阈值范围，该专利无任何可稀释调节氢浓度的功能，无法始终保证排放氢气含量在阈值范围内。
因此，需要开发出一种结构简单、可调节排气管路气体的氢浓度、具有消音功能的燃料电池汽车尾气混合系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种结构简单、可调节排气管路气体的氢浓度、具有消音功能的燃料电池汽车尾气混合系统及其控制方法。
本发明的技术方案为：一种燃料电池汽车尾气混合系统，其特征在于，包括阳极尾气管道、阴极尾气管道、稀释气体管道、尾气混合器和控制器，
所述尾气混合器包括沿气体流向设置的混合腔室和消音腔室，所述阳极尾气管道、阴极尾气管道均与混合腔室连接用于将燃料电池的阳极尾气、阴极尾气引入混合腔室混合，所述稀释气体管道与阴极尾气管道连接用于将流向燃料电池阴极进口的新鲜空气引出部分至阴极尾气管道。
优选的，还包括混合排放管，所述混合排放管与消音腔室连接用于将消音后的混合尾气排入大气，所述稀释气体管道上设有调节阀，所述阴极尾气管道上在稀释气体管道连接处前方设有单向阀，所述阳极尾气管道上设有第一氢浓度传感器，所述混合排放管上设有第二氢浓度传感器，所述第一氢浓度传感器、第二氢浓度传感器、调节阀均与控制器电性连接。
进一步的，所述混合腔室与消音腔室同轴设置且消音腔室内径大于混合腔室内径，所述消音腔室轴向长度大于混合腔室轴向长度，所述混合腔室前端设有第一入口和第二入口、后端设有连通孔用于与消音腔室连通；
所述连通孔的流通截面积大于第一入口的流通截面积以及第二入口的流通截面积中任一个，所述连通孔的流通截面积小于第一入口的流通截面积与第二入口的流通截面积之和。
更进一步的，消音腔室后端设有混合出口与混合排放管连接，所述消音腔室、混合出口、连通孔同轴设置，所述消音腔室内壁设有多个消音板，所述消音板轴向间隔布置，相邻消音板在消音腔室内壁上径向相对，各消音板沿径向朝中心延伸或向后倾斜朝中心延伸，消音板朝中心延伸至端部位于消音腔室中心轴线处或超过消音腔室中心轴线处。
更进一步的，所述阳极尾气管道进口与燃料电池阳极出口连接、出口与混合腔室上的第一入口连接，所述阴极尾气管道进口与燃料电池阴极出口连接、出口与混合腔室上的第二入口连接，所述稀释气体管道进口与向燃料电池阴极进口提供新鲜空气的阴极进气管道连接、出口与阴极尾气管道连接。
本发明还提供一种燃料电池汽车尾气混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池开始运行，将燃料电池的阳极尾气、阴极尾气分别通过阳极尾气管道、阴极尾气管道进入尾气混合器，将稀释气体通入阴极尾气管道内，控制稀释气体流量为预设流量，稀释气体、阳极尾气、阴极尾气在尾气混合器内混合，尾气混合器内混合气体通过混合排放管排入大气，实时监测阳极尾气管道以及混合排放管上的氢浓度；
步骤二、判断阳极尾气管道上的氢浓度值P1与第一预设限值a的大小关系，若有P1＞a则进行下一步；
步骤三、计算氢浓度增量ΔP1＝P1-a，判断混合排放管上的氢浓度P2与第二预设限值b的大小关系，若P2≤b则保持稀释气体流量为预设流量；若P2＞b则根据计算得到的氢浓度增量ΔP1增加稀释气体流量，直至混合排放管上的氢浓度P2≤b则进行下一步；
步骤四、判断此时阳极尾气管道上的氢浓度值P1与第一预设限值a大小关系，若P1＞a则返回步骤三，若P1≤a则控制稀释气体流量恢复预设流量。
优选的，步骤一中，将稀释气体从稀释气体管道通入阴极尾气管道内，所述稀释气体管道用于将流向燃料电池阴极进口的新鲜空气引出部分至阴极尾气管道。
进一步的，步骤一中，控制稀释气体流量为预设流量具体为：控制设置于稀释气体管道上调节阀的开度为预设开度，所述调节阀用于调节稀释气体流量。
更进一步的，步骤三中，保持稀释气体流量为预设流量具体为：保持调节阀的开度为预设开度。
更进一步的，步骤三中，根据氢浓度增量ΔP1增加稀释气体流量具体为：根据氢浓度增量ΔP1增加调节阀的开度。
本发明的有益效果为：
1.混合系统中采用了稀释气体管道通入稀释气体，在阴极废气、阳极废气混合氢浓度超标时将混合气体稀释，解决了因尾气管路系统中局部区域氢气浓度急剧增大或将含高浓度氢气成分的尾气排入大气后氢气聚集而引起爆燃的风险问题，较大提升了整车氢安全。
2.尾气混合器既具有混合功能，又具有消声功能，将尾气混合器与排气消音器结合，解决了混合器和消音器分散设置造成空间浪费的问题。
3.尾气进入混合腔第一次混合和稀释，混合室内径必定大于气体管路内径，这种尺寸差异使得气体在混合室内膨胀扩散，消耗了能量、降低了气体流速，排气声也一定程度降低；混合腔中连通孔的流通截面积既大于第一入口的流通截面积以及第二入口的流通截面积中任一个，又小于第一入口的流通截面积与第二入口的流通截面积之和，从而连通孔对混合气体流出造成一定阻碍，使混合气体在混合腔进一步混合均匀。
4.混合气体进入消音腔时连通孔使混合气体快速流动，而消音板将气体扰流分散可改变气流方向、降低流速，排气噪声也得到了一定程度降低，同时通过消音板也可将尾气进行二次混合，确保气体混合稀释更均匀，最后通过混合器出口排出。
5.控制方法中，可实时监测阳极废气管道中的氢气浓度，一旦超过设定安全阈值可及时提升稀释气体进入混合器的量，从而达到快速降低局部氢气浓度及排入到大气中整体的氢气浓度。
6.控制方法中，可实时监测混合排放管上的氢气浓度，迅速判断混合气体的氢气浓度是否降低到安全阈值以内。两个氢浓度传感器与调节阀配合，快速准确的对稀释气体流量进行调节。
附图说明
图1为本发明燃料电池汽车尾气混合系统示意图
图2为燃料电池汽车尾气混合系统控制流程图
其中：1-阳极尾气管道2-阴极尾气管道3-稀释气体管道4-尾气混合器5-混合排放管6-调节阀7-单向阀8-第一氢浓度传感器9-第二氢浓度传感器10-控制器20-燃料电池21-阴极进气管道22-阳极进气管道41-混合腔室42-消音腔室43-连通孔44-第一入口45-第二入口46-消音板47-混合出口。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种燃料电池汽车尾气混合系统，包括阳极尾气管道1、阴极尾气管道2、稀释气体管道3、尾气混合器4、混合排放管5、控制器10，尾气混合器4内设有沿气体流向设置的混合腔室41和消音腔室42，阳极尾气管道1、阴极尾气管道2均与混合腔室41连接用于将燃料电池20的阳极尾气、阴极尾气引入混合腔室41混合，稀释气体管道3与阴极尾气管道2连接用于将流向燃料电池20阴极进口的新鲜空气引出部分至阴极尾气管道2，混合排放管5与消音腔室42连接用于将消音后的混合尾气排入大气。燃料电池20上设有阴极进气管道21与阴极进口连通，设有阳极进气管道22与阳极进口连通。本实施例中，气体流向为从前至后方向。
稀释气体管道3上设有调节阀6，阴极尾气管道2上在稀释气体管道3连接处前方设有单向阀7，阳极尾气管道1上设有第一氢浓度传感器8，混合排放管5上设有第二氢浓度传感器9，第一氢浓度传感器8、第二氢浓度传感器9、调节阀6均与控制器10电性连接。
混合腔室41与消音腔室42同轴设置且消音腔室42内径大于混合腔室41内径，消音腔室42轴向长度大于混合腔室41轴向长度，混合腔室41轴向前端设有第一入口44和第二入口45、后端设有连通孔43用于与消音腔室42连通。连通孔43的流通截面积S1大于第一入口44的流通截面积S2以及第二入口45的流通截面积S3中任一个，连通孔43的流通截面积S1小于第一入口44的流通截面积S2与第二入口45的流通截面积S3之和。混合腔室41横截面积远大于阳极尾气管道1流通截面积、远大于阴极尾气管道2流通截面积。
消音腔室42后端设有混合出口47与混合排放管5连接，消音腔室42、混合出口47、连通孔43同轴设置，消音腔室42内壁设有多个消音板46，消音板46轴向间隔布置，相邻消音板46在消音腔室42内壁上径向相对，各消音板46沿径向朝中心延伸或向后倾斜朝中心延伸，消音板46朝中心延伸至端部位于中心轴线处或超过中心轴线处。本实施例中，各消音板46沿径向朝中心延伸至消音腔室42中心轴线处。
阳极尾气管道1进口与燃料电池20阳极出口连接、出口与混合腔室41上的第一入口44连接，阴极尾气管道2进口与燃料电池20阴极出口连接、出口与混合腔室41上的第二入口45连接，稀释气体管道3进口与向燃料电池20阴极进口提供新鲜空气的阴极进气管道21连接、出口与阴极尾气管道2连接。
本实例中，稀释气体为新鲜空气，单向阀7用于防止稀释气体管道3出来的新鲜空气从阴极尾气管道2逆向进入燃料电池内部，控制器10为现有的燃料电池控制器FCU。
上述燃料电池汽车尾气混合系统的工作原理为：
稀释气体、阴极尾气通过第二入口45进入混合腔室41，阳极尾气通过第一入口44进入混合腔室41，将三者进行第一次混合和稀释，由于混合腔室41横截面积远大于阳极尾气管道1流通截面积、阴极尾气管道2流通截面积，气体在混合腔室41内膨胀扩散，降低了气体流速，排气声也一定程度降低。连通孔43(S1＞S2、S1＞S3且S1＜S2+S3)对混合气体流出造成一定阻碍，使混合气体在混合腔室41进一步混合均匀。混合气体进入消音腔室42时连通孔43使混合气体快速流动，而消音板46将气体扰流分散可改变气流方向、降低流速，排气噪声也得到了一定程度降低，同时通过消音板46也可将尾气进行二次混合，确保气体混合稀释更均匀，最后通过混合排放管5排出。
如图2所示，上述燃料电池汽车尾气混合系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池20开始运行，将燃料电池20的阳极尾气、阴极尾气分别通过阳极尾气管道1、阴极尾气管道2进入尾气混合器4，将稀释气体从稀释气体管道3通入阴极尾气管道2内，所述稀释气体管道3用于将流向燃料电池20阴极进口的新鲜空气引出部分至阴极尾气管道2，控制稀释气体流量为预设流量，即FCU控制调节阀6的开度为预设开度K0，调节阀6用于调节稀释气体管道3上稀释气体流量，稀释气体、阳极尾气、阴极尾气在尾气混合器4内混合，尾气混合器4内混合气体通过混合排放管5排入大气，FCU分别通过第一氢浓度传感器8、第二氢浓度传感器9实时监测阳极尾气管道1以及混合排放管5上的氢浓度；
步骤二、FCU判断阳极尾气管道1上的氢浓度值P1与第一预设限值a的大小关系，第一预设限值a预先存储于FCU内，若有P1＞a则进行下一步；
步骤三、FCU计算氢浓度增量ΔP1＝P1-a，判断混合排放管5上的氢浓度P2与第二预设限值b的大小关系，第二预设限值b预先存储于FCU内，
若P2≤b则保持稀释气体流量为预设流量，即FCU保持调节阀6的开度为预设开度K0，程序结束；
若P2＞b则根据所得的氢浓度增量ΔP1增加稀释气体流量，即FCU根据氢浓度增量ΔP1增加调节阀6的开度，直至混合排放管5上的氢浓度P2≤b则进行下一步；
步骤四、判断此时阳极尾气管道1上的氢浓度值P1与第一预设限值a大小关系，若P1＞a则返回步骤三，若P1≤a则控制稀释气体流量恢复预设流量，即FCU将调节阀6的开度恢复预设开度K0，程序结束。
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