燃料电池系统尾排结构和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应用的技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统尾排结构和燃料电池系统。


背景技术：

2.目前燃料电池系统由气瓶内的氢气减压后，在电堆内部与经空压机升压后的空气进行反应，以完成对外界的电能输出。其中，该从电堆内部排出的反应后气体需从尾排处排出，保证新鲜气体持续循环，保证系统正常运行。
3.在实际应用中，燃料电池系统的空压机会对空气进行升压、增大空气流速，以保证电堆内部能够有足够的空气参与反应，维持燃料电池系统的高效运行。而空压机在为空气升压的过程中，也会因为对空气做功而导致空压机出气口处的气体温度上升，为了保证系统正常运行，该部分高温气体必须经中冷器冷却后才能进入增湿器，进而参与电堆反应。而从电堆内部排出的反应后气体需从尾排处排出，保证新鲜气体持续循环，保证系统正常运行。
4.然而搭载燃料电池系统的燃料电池汽车在倒车、高速运行或爬坡等应用场景中，容易出现异物进入尾排，造成尾排堵塞的情况；如，尾排意外戳到泥土、积雪、或是其他异物中，就会使得杂质从尾排出口进入尾排内，堵塞尾排，致使该燃料电池系统无法正常排气和启动，进而导致车辆在行驶时失去动力，发生危险。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种燃料电池系统尾排结构和燃料电池系统，以缓解由于尾排堵塞导致车辆行驶安全性较差的技术问题。
6.第一方面，本实用新型实施例提供了一种燃料电池系统尾排结构，包括：尾排结构主体、控制器以及紧急排空阀；所述尾排结构主体为内设中空通道的柱状结构，所述紧急排空阀设置在所述尾排结构主体的侧壁上；
7.所述控制器，与所述紧急排空阀相连接，在预设工况下，控制所述紧急排空阀开启，其中，呈开启状态的紧急排空阀用于目标物的排放。
8.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述尾排结构主体的侧壁上设置一个凹槽，所述凹槽用于装配安装法兰，所述安装法兰与所述凹槽的尺寸相匹配；
9.所述紧急排空阀，通过所述安装法兰和固定螺栓的配合，固定设置于所述尾排结构主体的圆筒侧壁上。
10.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述尾排结构主体的下底面为燃料电池系统的背压阀排气入口，所述尾排结构主体的上底面为燃料电池系统的尾排出口。
11.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其
中，在所述尾排结构主体的侧壁上还分别设置有燃料电池系统的分流阀排气入口和排氢排水管路入口。
12.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，还包括执行机构，与所述紧急排空阀相连接，用于控制所述紧急排空阀的开启和关闭。
13.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述紧急排空阀包括阀板；所述执行机构用于通过调整所述阀板的开度，所述紧急排空阀的开启和关闭。
14.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述执行机构包括电机和控制插接件；所述控制插接件，与所述控制器相连接，接收所述控制器发送的控制信号，控制所述电机进行旋转；所述电机，与所述控制插接件相连接，带动所述阀板旋转至预设开度。
15.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述目标物包括以下的一种或多种：空气、氢气、水和异物。
16.第二方面，本实用新型实施例还提供一种燃料电池系统，包括如上所述的燃料电池系统尾排结构，还包括与所述燃料电池系统尾排结构相连接的系统架构主体。
17.结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述系统架构主体包括：
18.空压机，与中冷器相连接，对空气进行升压、增大空气流速；
19.所述中冷器，还与分流阀和增湿器相连接，对所述空压机出口处的气体进行冷却；
20.所述增湿器，还分别与背压阀、后截止阀和截止阀相连接，对进堆前的气体进行增湿；
21.所述分流阀，还与所述燃料电池系统尾排结构相连接，用于通过开度调节电堆内部空气腔压力；
22.所述背压阀，还与所述燃料电池系统尾排结构相连接，用于调节所述燃料电池系统尾排结构中阀门的开度；
23.所述截止阀，还与传感器相连接，通过开度对进入电堆前的空气进行调节；
24.所述后截止阀，还与传感器相连接，通过开度电堆空气腔反应产物的排出进行调节；
25.所述传感器，还与所述电堆相连接，测量进入以及排出电堆后的温度压力信号。
26.本实用新型实施例带来了一种燃料电池系统尾排结构和燃料电池系统，通过为尾排结构上安装紧急排空阀，以保证在预设工况下，如在启动工况下，通过对空气路电堆入口、电堆出口分别设置的压力传感器进行监测；将采集到的入口压力和出口压力分别与压力阈值进行对比，以判断燃料电池系统的尾排是否可能堵塞，进而控制器能够根据堵塞情况控制紧急排空阀的开启和关闭，燃料电池系统可实现应急吹扫状态以及紧急运行状态，进而避免尾排堵塞问题的发生，保证车辆行驶可靠性。
27.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
28.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并
配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本实用新型实施例提供的一种燃料电池系统尾排结构示意图；
31.图2为本实用新型实施例提供的另一种燃料电池系统尾排结构示意图；
32.图3为本实用新型实施例提供的一种燃料电池系统尾排结构的拆解示意图；
33.图4为本实用新型实施例提供的一种紧急排空阀的开度控制示意图；
34.图5为本实用新型实施例提供的一种燃料电池系统的结构示意图。
35.图标：100-尾排出口；110-圆筒侧壁；120-阀板；200-背压阀排气入口；300-紧急排空阀；400-安装法兰；500-固定螺栓；600-电机；700-控制接插件；800-分流阀排气入口；900-排氢排水管路入口。
具体实施方式
36.为使本实用新型实施例的目的、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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
37.当前搭载燃料电池系统的燃料电池汽车在应用过程中，会出现尾排堵塞，进而排气不畅的情况，导致车辆高速行驶时失去动力，发生危险。
38.基于此，本实用新型实施例提供的一种燃料电池系统尾排结构和燃料电池系统，可以通过尾排结构上设置的紧急排空阀，在堵塞情况下进行紧急吹扫，进而避免由于尾排堵塞带来的车辆行驶异常情况。
39.下面通过实施例进行详细描述。
40.图1为本实用新型实施例提供的一种燃料电池系统尾排结构示意图。
41.如图1所示，燃料电池系统尾排结构包括尾排结构主体、紧急排空阀300以及控制器，该尾排结构主体为内设中空通道的柱状结构，包括圆柱、方柱、多棱柱等等；其中图1为一种优选示范例，即该尾排结构主体呈圆筒状，可理解为呈中空状态的圆柱形结构；在该尾排结构主体的圆筒侧壁110上可设置紧急排空阀300；
42.控制器，与紧急排空阀300相连接，在预设工况下，控制紧急排空阀300开启。
43.其中，预设工况可理解为实际应用过程中的尾排结构出现堵塞或可能出现堵塞的情况；在该预设工况发生的情况下，控制器可控制紧急排空阀300开启，该呈开启状态的紧急排空阀300能够排放目标物，以避免出现尾排堵塞。
44.在实际应用的优选实施例中，通过为尾排结构上安装紧急排空阀300，以保证在预设工况下，控制器能够控制紧急排空阀300的开启和关闭，燃料电池系统可实现应急吹扫状态以及紧急运行状态，进而避免尾排堵塞情况的发生，保证车辆行驶可靠性。
45.需要说明的是，尾排结构是汇集氢燃料电池系统反应后产物介质并排出系统外的组件。紧急排空阀300是一种电磁控制的蝶阀，可以根据需求调解阀门的开度，极限可实现全开或者全关的功能。在紧急情况下可打开，用于尾排气体排放。
46.在一些实施例中，如图2所示，该尾排结构主体的下底面为燃料电池系统的背压阀排气入口200，尾排结构主体的上底面为燃料电池系统的尾排出口100。即在尾排工作状态正常的情况下，燃料电池系统中的背压阀排气可通过该入口进入尾排，并从该尾排出口100顺利排出。
47.本实用新型实施例所提供的尾排结构包括尾排出口100和紧急排空阀300，即多个排放出口，因此，其还可称其为尾排多通结构。
48.在实际应用过程中，在尾排结构主体的圆筒侧壁110上还分别设置有燃料电池系统的分流阀排气入口800和排氢排水管路入口900。燃料电池系统中分流阀排气以及排氢排水管路中的氢气和水汽，均可通过上述入口进入尾排结构中，进而基于尾排出口100和/或紧急排空阀300进行排放。
49.需要说明的是，前述实施例中需要排放的目标物可包括以下的一种或多种：空气、氢气、水和异物等等。该异物可理解为车辆行驶过程中，尾排结构中误入的杂物。
50.在一些实施例中，图3示出一种尾排多通与紧急排空阀300之间的拆解结构，该尾排结构主体的圆筒侧壁110上可设置一个凹槽，该凹槽用于装配安装法兰400，安装法兰400与凹槽的尺寸相匹配；紧急排空阀300，通过安装法兰400和固定螺栓500的配合，固定设置于尾排结构主体的圆筒侧壁110上。
51.这里，紧急排空阀300与尾排结构之间可通过安装法兰400连接，便于拆装或更换组件，拓展性强。
52.作为一种可选的实施例，还可包括执行机构，与紧急排空阀300相连接，用于控制紧急排空阀300的开启和关闭。即控制器可通过与执行机构的信号交互，实现对紧急排空阀300工作状态的控制。
53.示例性地，该紧急排空阀300的阀门口可包括阀板120；执行机构用于通过调整阀板120的开度，紧急排空阀300的开启和关闭；换句话说，控制器发送控制信号给执行机构，以使执行机构根据该控制信号控制阀板120旋转相应的角度，进而使紧急排空阀300呈现相应的目标开度值(预设开度)；其中，如图4所示，该阀板120可旋转0
°
，此时开度为0；该阀板120可旋转45
°
，此时开度为50；该阀板120可旋转90
°
，此时开度为100。
54.在前述实施例的基础上，该执行机构可包括电机600和控制插接件；控制插接件，与控制器相连接，接收控制器发送的控制信号，控制电机600进行旋转；电机600，与控制插接件相连接，带动阀板120旋转至预设开度。
55.其中，该电机600可采用步进电机600；紧急排空阀300默认关闭，即为开度为0的状态。在实际使用中，可根据系统工况需求，通过控制接插件700控制电机600旋转，步进电机600带动阀板120轴与阀板120转动，进而实现开度调节。
56.在一些实施例中，本实用新型实施例还提供一种燃料电池系统，包括如上所述的燃料电池系统尾排结构，还包括与燃料电池系统尾排结构相连接的系统架构主体，如图5所示，可按照图5所示序号实现燃料电池系统的工作流程，其中该系统架构主体包括：
57.空压机，与中冷器相连接，对空气进行升压、增大空气流速，以保证电堆内部能够
有足够的空气参与反应，维持燃料电池系统的高效运行；
58.中冷器，还与分流阀和增湿器相连接，通过温度交换方式实现对空压机出口处的气体进行冷却；
59.增湿器，还分别与背压阀、后截止阀和截止阀相连接，对进堆前的气体进行增湿，保证增湿器出口的新鲜空气的湿度；
60.分流阀，还与燃料电池系统尾排结构相连接，用于通过开度调节电堆内部空气腔压力；可以根据需求调解该分流阀自身的开度，其极限可实现分流阀全开或者全关的功能。可通过调节其开度，实现电堆空气腔反应后产物的排放，并通过该处开度实现对电堆内部空气腔压力的调节。
61.背压阀，还与燃料电池系统尾排结构相连接，用于调节燃料电池系统尾排结构中阀门的开度；可根据需求调解该背压阀自身阀门的开度，极限可实现背压阀全开或者全关的功能。可将中冷器内完成降温的气体直接通过尾排排出。
62.截止阀，还与传感器相连接，通过开度对进入电堆前的空气进行调节；根据需求调解截止阀自身阀门的开度，极限可实现全开或者全关的功能。作为新鲜空气进入电堆前的调节开关，截止阀全关情况下，新鲜空气无法进入电堆。
63.后截止阀，还与传感器相连接，通过开度电堆空气腔反应产物的排出进行调节；根据需求调解后截止阀自身阀门的开度，极限可实现全开或者全关的功能。作为电堆空气腔反应产物排出电堆后的调节开关，后截止阀全关情况下，电堆空气腔反应产物无法排出电堆。
64.其中，上述分流阀、背压阀、截止阀和后截止阀均可选择电磁控制的蝶阀进行应用。
65.传感器，还与电堆相连接，测量进入以及排出电堆后的温度压力信号。该传感器包括入口传感器和出口传感器，入口传感器可理解为一种温度压力传感器，能够测量得到空气路气体进入电堆前的温度压力信号，并将信号传递至整车控制器fcu。出口传感器，能够测量得到空气路气体排出电堆后的温度压力信号，并将信号传递至fcu。
66.此外，该燃料电池系统还包括燃料电池电堆，高压母线、整车动力电池、整车驱动电机、整车控制器和其余组件；
67.其中，燃料电池电堆是燃料电池系统的核心，是电能产生的部位。电堆内部分为空气腔、氢气腔、冷却腔。氢气腔中的氢气与空气腔中的氧气在电堆内部发生电化学反应产生水。空气腔反应后的产物包含未反应完全的氧气、空气中除氧气之外的气体成分、以及极少量的氮氧化合物、以及反应产生的水。氢气腔反应后的产物包含反应产生的水、未反应完全的氢气、以及从空气侧渗透过来的氮气以及少量的空气成分。反应过程中的电子经外电路的定向移动产生了电流，即可通过电力输出机构对外输出电能。
68.高压母线将电堆与整车动力电池并联连接。一根母线电堆的正极与动力电池的正极；一根母线连接电堆的负极与动力电池的负极；如此，便可通过高压母线向空压机、整车驱动电机、及其余组件进行供电。且在供电时，会以燃料电池系统与整车动力电池两者之间，较高的电压值向搭载在高压母线上的零部件进行供电。
69.整车动力电池用于储存整车电能，保证在燃料电池系统未启动，或是燃料电池系统发电功率不足以支持整车电能消耗时，可以通过整车动力电池内储存的电能供应整车电
能消耗。整车动力电池内部有电池控制芯片，时刻监控电池的剩余电量，定义电池soc值。soc值代表电池目前剩余电量与电池充满状态的容量的比值，以百分数表示。当soc＝0时，电池电量完全耗光；当soc＝1时，电池电量完全充满。
70.整车驱动电机用于驱动整车行驶，为整车提供动力的驱动电机。
71.整车控制器，简称fcu，是整车内部控制系统运行的控制单元。可根据预先制定的策略，控制系统内部的执行期按照既定程序运行。
72.其余组件为整车必要的组件，例如加热器、空调压缩机、冷却水泵等组件，与本方案关联性较小，不做赘述。
73.本实用新型实施例提供的燃料电池系统，与上述实施例提供的燃料电池系统尾排结构具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
74.在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
75.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
76.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
77.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
78.另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。通过对空气路电堆入口、电堆出口分别设置的压力传感器监测入口压力和出口压力，将入口压力、出口压力分别与相应的压力阈值进行比对，以判断燃料电池系统的尾排是否可能堵塞，进而使控制器能够根据堵塞情况控制紧急排空阀的开启和关闭，燃料电池系统可实现应急吹扫状态以及紧急运行状态，进而避免尾排堵塞问题的发生，保证车辆行驶可靠性。
79.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技
术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种燃料电池系统尾排结构，其特征在于，包括：尾排结构主体、控制器以及紧急排空阀；所述尾排结构主体为内设中空通道的柱状结构，所述紧急排空阀设置在所述尾排结构主体的侧壁上；所述控制器，与所述紧急排空阀相连接，在预设工况下，控制所述紧急排空阀开启，其中，呈开启状态的紧急排空阀用于目标物的排放。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统尾排结构，其特征在于，所述尾排结构主体的侧壁上设置一个凹槽，所述凹槽用于装配安装法兰，所述安装法兰与所述凹槽的尺寸相匹配；所述紧急排空阀，通过所述安装法兰和固定螺栓的配合，固定设置于所述尾排结构主体的侧壁上。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统尾排结构，其特征在于，所述尾排结构主体的下底面为燃料电池系统的背压阀排气入口，所述尾排结构主体的上底面为燃料电池系统的尾排出口。4.根据权利要求1所述的燃料电池系统尾排结构，其特征在于，在所述尾排结构主体的侧壁上还分别设置有燃料电池系统的分流阀排气入口和排氢排水管路入口。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统尾排结构，其特征在于，还包括执行机构，与所述紧急排空阀相连接，用于控制所述紧急排空阀的开启和关闭。6.根据权利要求5所述的燃料电池系统尾排结构，其特征在于，所述紧急排空阀包括阀板；所述执行机构用于通过调整所述阀板的开度，所述紧急排空阀的开启和关闭。7.根据权利要求6所述的燃料电池系统尾排结构，其特征在于，所述执行机构包括电机和控制插接件；所述控制插接件，与所述控制器相连接，接收所述控制器发送的控制信号，控制所述电机进行旋转；所述电机，与所述控制插接件相连接，带动所述阀板旋转至预设开度。8.根据权利要求1所述的燃料电池系统尾排结构，其特征在于，所述目标物包括以下的一种或多种：空气、氢气、水和异物。9.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的燃料电池系统尾排结构，还包括与所述燃料电池系统尾排结构相连接的系统架构主体。10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述系统架构主体包括：空压机，与中冷器相连接，对空气进行升压、增大空气流速；所述中冷器，还与分流阀和增湿器相连接，对所述空压机出口处的气体进行冷却；所述增湿器，还分别与背压阀、后截止阀和截止阀相连接，对进堆前的气体进行增湿；所述分流阀，还与所述燃料电池系统尾排结构相连接，用于通过开度调节电堆内部空气腔压力；所述背压阀，还与所述燃料电池系统尾排结构相连接，用于调节所述燃料电池系统尾排结构中阀门的开度；所述截止阀，还与传感器相连接，通过开度对进入电堆前的空气进行调节；所述后截止阀，还与传感器相连接，通过开度电堆空气腔反应产物的排出进行调节；所述传感器，还与所述电堆相连接，测量进入以及排出电堆后的温度压力信号。

技术总结
本实用新型提供了一种燃料电池系统尾排结构和燃料电池系统，涉及燃料电池系统应用的技术领域，包括：尾排结构主体、控制器以及紧急排空阀；尾排结构主体为内设中空通道的柱状结构，紧急排空阀设置在尾排结构主体的侧壁上；控制器，与紧急排空阀相连接，在预设工况下，控制紧急排空阀开启，其中，呈开启状态的紧急排空阀用于目标物的排放，以缓解由于尾排堵塞导致车辆行驶安全性较差的技术问题。致车辆行驶安全性较差的技术问题。致车辆行驶安全性较差的技术问题。


技术研发人员：原强 郭晓亮
受保护的技术使用者：未势能源科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/9/3