CN100377408C - 燃料电池反应气体压力的变压操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高燃料电池辅助系统效率的方法，来提高发动机效率，即燃料电池变压操作方法，通过同时控制空压机转速及燃料电池空气尾排孔的大小来控制空压机的排气量及排气压力，实现燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率。本发明通过采用变压操作方法，当负载变化大时，不但节省了燃料消耗，提高了燃料效率，而且减少燃料电池操作成本，从而推动了燃料电池的发展。

Description

燃料电池反应气体压力的变压操作方法

技术领域

本发明涉及一种提高燃料电池辅助系统效率的方法，来提高发动机效率，即燃料电池变压操作方法。通过采用变压操作方法，当负载变化大时，不但节省了燃料消耗，提高了燃料效率，而且减少燃料电池操作成本，从而推动了燃料电池的发展。

背景技术

目前燃料电池系统根据供气压力不同分为常压系统及加压系统，当采用风机常压供气时，燃料电池系统以常压空气作氧化剂，它是根据电池预置空气利用率和电池组工作电流密度控制风机的产气量，一般采用变频控制风机的转速来控制产气量，其尾气需控制，过量氧气与氮气一起排入大气；当采用加压空气(如：2bar)后，一般根据实验确定的空气利用率及电池组工作电流密度变频控制空压机，进而控制其产气量，而加压操作中往往控制其尾气压力为恒定压力。

辅助系统效率为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{aux}}=\frac{P_s-P_{\mathrm{aux}}}{P_s}=1-\frac{P_{\mathrm{aux}}}{P_s}$

η_aux-辅助系统效率

P_s-电池组输出功率，kW；

P_aux-辅助系统消耗功率，kW。

要想提高燃料电池系统的辅助系统效率，根据公式可以看出要尽量增加电池组输出功率P_s、减小辅助系统消耗功率P_aux，要增加电池组输出功率P_s，除了改善电池组材料、结构外，还可以通过提高电池组压力，提高电池组温度、增加空气量等方法。

从电化学动力学与电化学热力学看，提高反应气压力均能改善电池性能，反应气压力增加，能改善反应气通过电极扩散层向催化层的传质，减小浓差极化，而且电池工作的电池密度越高，工作电压增加越大，但是随着电池反应气工作压力的升高，电池性能改善幅度减小，而且电池组压力过高，将大大增加辅助系统消耗功率，还增加了电池密封的难度，所以反应气一般均选常压到零点几个兆帕之间。

依据电化学热力学，升高电池工作温度，会导致电池电动势下降，消耗，提高了燃料效率但依据电化学动力学，升高电池工作温度，会加速氢电化学氧化，尤其是氧电化学还原速度，降低化学级化。所以对于燃料电池，动力学因素起主导作用，提高电池工作温度，提高化学能至电能的转化效率。但由于膜耐温限制，温度太高无法实现，而且温度升高水蒸汽分压也升高不利因素已逐渐抵消了电池极化的降低导致电池性能随电池工作温度升高的获益。如目前采用的质子交换膜的PEMFC电池运行温度一般在0～80℃之间，最高不超过100℃。

增加气量，空气侧即降低空气利用率，增加空气产气量，虽有利于燃料电池系统的水及废热的排出，但增加产气量的同时，将大大增加辅助系统消耗功率。一般燃料电池空气利用率为40％～50％。燃料侧则增加回流量，但目前采用的回流器回流范围比较窄，需配置多个回流器组合实现，增加了系统复杂性。

要降低辅助系统消耗功率，应减小空压机，水泵、风扇等电气设备的功率，尤其做为主要功率消耗设备的空压机，有的采用能量回收装置，用尾气的余压来预增加进气的压力，从而减小了空压机的功耗，如中国专利号为02253030.4，发明创造的名称为“燃料电池发动机复合式增压空气供给装置”，其主要技术特点是包括排气膨胀器和两个增压器，即排气增压器和电驱动增压器，排气增压器与排气膨胀器共轴而与电驱动增压器分开布置，两路进气管路经汇流管集中向燃料电池堆供气。以上所述的方法虽然对燃料电池的输出功率起到了控制作用，但没提到变压操作。

发明内容

本发明提供一种燃料电池的变压操作方法(燃料电池节能方法)。通过空压机在低压力下输入功率与燃料电池低压力下发出功率对比，采取空压机转速控制，同时对燃料电池空气尾排节流来控制空压机的排气量及排气压力，实现燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功的燃料电池变压操作。

本发明的技术方案是：

一种燃料电池的变压操作方法，通过同时控制空压机转速及燃料电池空气尾排孔的大小来控制空压机的排气量及排气压力，实现燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率。

所述燃料电池的变压操作具体步骤如下：

(1)先根据实际工况需要确定一组电池净输出功率；

(2)假定不同功率下的电流密度，根据空气利用率按40～50％计算出燃料电池输出功率对应的进气量，测出某一工作压力下的实际电流密度、电池输出电压及电池输出功率，调整进气量使实际电流密度与假定值一致，测出电池输出电压及电池输出功率，再改变工作压力，测出不同工作压力下、电流密度由小到大的对应的电池输出电压、电池输出功率的电池伏安特性曲线；

(3)模拟电池，测出空压机在不同排气压力下的排气量、消耗功率，排气量为电池消耗量与尾气量的总和，再改变转速，测出不同转速下的空压机性能曲线；

(4)根据电池伏安特性曲线的最高、最低工作压力下的电池组工作电流密度下燃料电池的进气量Q，电池输出电压V及电池输出功率P_S，查空压机特性曲线得出空压机消耗的功率P_aux；

(5)计算出此时的净输出功率P＝P_S-P_aux，如果净输出功率过高或过低，需调整工作压力或进气量，重新确定电池工作电流密度，确定燃料电池进气量，直到净输出功率为预定值；

(6)在空压机特性曲线最高、最低工作压力点连一直线，实现了燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率；

(7)在两点(空压机特性曲线最高、最低工作压力点)间根据工况需要取一些点，分别查得此点的空压机排气量、排气压力、消耗功率、对应的转速，根据气量对应的电池密度及工作压力查电池伏安特性曲线得出电池输出电压V及电池输出功率P_S，计算出此时的净输出功率P＝P_S-P_aux；

(8)如果净输出功率大于预定值，在排气量不变的情况下，调小工作压力，重新核定净输出功率，使净输出功率达到预定值；

(9)把最终确定的工作点连成一条曲线；

(10)通过变频控制空压机转速及空气尾排孔的大小控制燃料电池工作压力与进气量；

(11)做出一条燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率的工作曲线，从而实现变压操作。

空压机等熵理论功率

$P_{\mathrm{ad}}=\frac{W_{\mathrm{ad}}n}{60}$

n为转速rpm

$W_{\mathrm{ad}}=P_s{V}_S\frac{k}{k-1_s}({\mathrm{\ϵ}}^{\frac{k-1}{k}}-1)$

P_S：为压缩机的吸气压力MPa

V_s：为折算到进口吸气状态下的体积m³

ε：为压缩比

k：为气体的等熵指数

公式表明空压机的功率与单位时间内排气量、排气压力有关，当系统排气量大、排气压力高时，空压机功耗大，系统排气量小、排气压力低时，空压机功耗小。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用变压操作方法，当负载变化大时，不但节省了燃料，而且减少燃料电池操作成本，从而推动了燃料电池产业化的发展。

2、本发明对于燃料电池汽车发动机来说，当塞车或红灯时消耗很少的燃料。

附图说明

图1为空压机在不同转速下的排气量与排气压力的特性曲线。

图2为不同工作压力下、电流密度由小到大的对应的电池输出电压、电池输出功率的电池伏安特性曲线。

图3为本发明一个实施例用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器结构示意图。

图4为本发明一个实施例变压操作曲线。

具体实施方式

如图1所示空压机在不同转速下的排气量与排气压力的特性曲线。转速不变时，排气量随排气压力下降而增加。曲线1为燃料电池系统的管特性曲线。空气尾排节流到某一定值时，空压机的转速为n1，排气量为v1，排气压力为p1，空压机输入功率为P_aux；当电池输出功率减小，进入电池所需的空气量减小，空压机排气量随之减小时。

空压机特性曲线不变(转速不变)的情况下，某些型式空压机可以采取空气尾排节流改变系统局部阻力系数，实质上改变管路特性曲线。由于管路局部阻力增大，燃料电池系统的管路特性曲线变陡，由曲线1移到曲线2，并与空压机性能曲线n1相交，此时的排气量由v1减到v2，排气压力由p1增至p2，由排气量减小Δv造成的功耗增量为-ΔP1，由排气压力增加Δp1造成的功耗增量为ΔP2，总的功耗增量为ΔP’＝-ΔP1+ΔP2，空压机的输入功率为P_aux1＝P_aux-ΔP1+ΔP2。由于减小气量的同时，压力升高，需额外消耗一部分功，并且燃料电池的工作压力不能无限升高，燃料电池系统一般不采用这种方式。

当采取恒压操作时，此时操作压力不变仍为p1，通过变频控制空压机转速改变空压机特性曲线，通过空气尾排节流改变燃料电池管路特性曲线，转速由n1降为n2，由于管路局部阻力增大，燃料电池系统的管路特性曲线变陡，燃料电池系统的管路特性曲线由曲线1改为曲线3，此时空压机性能曲线n2与燃料电池系统的管路特性曲线3相交，排气量由v1减到v2，由排气量减小Δv造成的功耗增量为-ΔP1，由排气压力造成的功耗增量为ΔP2为零，总的功耗增量为ΔP”＝-ΔP1，此时空压机的输入功率为P_aux2＝P_aux-ΔP1。

当采取变压操作时，通过变频控制空压机转速改变空压机特性曲线，通过空气尾排节流改变燃料电池管路特性曲线，转速由n1降为n3，排气压力由p1减至p3，由于管路局部阻力略微增大，燃料电池系统的管路特性曲线略微变陡，燃料电池系统的管路特性曲线由曲线1改为曲线4，此时空压机性能曲线n3与燃料电池系统的管路特性曲线1相交，此时的排气量减到v2，由排气量减小Δv造成的功耗增量为-ΔP1，由排气压力造成的功耗增量为-ΔP3，总的功耗增量为ΔP＝-ΔP1-ΔP3，此时空压机的输入功率为P_aux2＝P_aux-ΔP1-ΔP3。

由此看出：P_aux3＜P_aux2＜P_aux1。从空压机的角度看出，采用变压操作空压机消耗的功率最低、最节能。

下面比较恒压操作系统与变压操作系统电池的性能。图2为电池在不同压力下的伏安特性曲线。恒压操作条件下，随着电池输出功率的增加，输出电流增加，由于电池的欧姆内阻及极化内阻增加，输出电压下降。当电池进气量为v1，系统工作压力为p1时，电池输出的电压为U1，输出的电流为I1，输出的功率为P_s1，当系统工作压力降为p2时，电池输出的电压降为U1，输出的电流降为I1，输出的功率降为P_s2，由于P_s1＞P_s2，即恒压操作比变压操作输出的功率高。

根据公式辅助系统效率为 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{aux}}=\frac{P_s-P_{\mathrm{aux}}}{P_s}=1-\frac{P_{\mathrm{aux}}}{P_s},$ 变压操作与恒压操作相比较，虽然变压操作辅助系统消耗的功率P_aux减少的同时电池输出功率P_s将有所减少，但实验证明P_aux比P_s减少的更多，

将增加，辅助系统效率η_aux将提高，并且随着电池输出功率的减少幅度加大，当负载经常发生变化的情况下，变压操作总输出功率比恒压操作小，节省了燃料。

变压操作具体实施办法如下：

1、先根据实际工况需要确定一组电池净输出功率。

2、根据以往经验，假定不同功率下的电流密度，根据空气利用率(按40～50％)计算出燃料电池输出功率对应的进气量，测出某一工作压力下的实际电流密度、电池输出电压及电池输出功率。调整进气量使实际电流密度与假定值一致，测出电池输出电压及电池输出功率。再改变工作压力，测出不同工作压力下、电流密度由小到大的对应的电池输出电压、电池输出功率的电池伏安特性曲线，如图2。

3、模拟电池，测出空压机在不同排气压力下的排气量(电池消耗量与尾气量的总和)、消耗功率，再改变转速，测出不同转速下的空压机性能曲线，如图1。

4、根据电池伏安特性曲线的最高、最低工作压力下的电池组工作电流密度下燃料电池的进气量Q，电池输出电压V及电池输出功率P_S，查空压机特性曲线得出空压机消耗的功率P_aux(考虑除空压机外辅助系统消耗的功率)。

5、计算出此时的净输出功率P＝P_S-P_aux，如果净输出功率过高或过低，需调整工作压力或进气量，重新确定电池工作电流密度，确定燃料电池进气量，直到净输出功率为预定值。

6、然后在图1空压机特性曲线最高、最低工作压力点连一直线，基本实现了燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率。

7、在两点间根据工况需要取一些点，分别查得此点的空压机排气量、排气压力、消耗功率，对应的转速。根据气量对应的电池密度及工作压力查电池伏安特性曲线得出电池输出电压V及电池输出功率P_S，计算出此时的净输出功率P＝P_S-P_aux；

8、如果净输出功率大于预定值，在排气量不变的情况下，调小工作压力，重新核定净输出功率，使净输出功率达到预定值。

9、把最终确定的工作点连成一条曲线，如图1中曲线1。

10、通过变频控制空压机转速及空气尾排孔的大小控制燃料电池工作压力与进气量。

11、从而做出一条燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率的工作曲线。

如图3所示，用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器，执行器包括第一电磁阀进口支管1、连接电池出口管2、第一电磁阀3、电磁阀进口总管4、第二电磁阀进口支管5、第二电磁阀6、第三电磁阀进口支管7、第三电磁阀8、第三限流孔9、第三电磁阀出口支管10、电磁阀出口总管11、第二限流孔12、第二电磁阀出口支管13、第一限流孔14、第一电磁阀出口支管15、连通大气管16，与电磁阀进口总管4相连的连接电池出口管2分三路，第一路经第一电磁阀进口支管1、第一电磁阀3、第一限流孔14至第一电磁阀出口支管15，第二路经第二电磁阀进口支管5、第二电磁阀6、第二限流孔12至第二电磁阀出口支管13，第三路经第三电磁阀进口支管7、第三电磁阀8、第三限流孔9至第三电磁阀出口支管10，第一电磁阀出口支管15、第二电磁阀出口支管13、第三电磁阀出口支管10汇成电磁阀出口总管11，电磁阀出口总管11与大气相通。

上述结构通过优化三个带限流孔的阀排列组合成7种组合开关状态，使空气尾排形成7个由小到大的局部阻力系数把燃料电池分为7个工作点，这7种状态下空压机有固定的转速，从而实现燃料电池工作压力及排气量由低到高的数字化调节，为燃料电池的变压操作提供了可实施方案。

变压操作具体实施办法如下：

1、在空压机的输出端设置数字式变压操作执行器，基本原则为燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率。

2、根据实际工况的系统净输出功率、电池伏安特性曲线、空压机性能曲线找出最高、最低工作点的燃料电池工作压力p，进气量v，电池输出功率，输出电压、输出电流、空压机消耗的功率。

3、根据一个实例表1所测得的空压机数据整理成如下模型，模型中的具体系数可根据实际系统运行数据回归得出：

函数关系式1    v＝α×P

函数关系式2    p＝β×v

函数关系式3    N＝γ×p^a×v^b

符号说明：

v：气量(m³/hr)

P：电堆功率(kW)

p：系统压力(MPa)

N：空压机转速(rpm)

γ、α、β、a、b：函数回归系数

4、在空压机的输出端设置具有三个开关电磁阀及限流板的执行器，通过三个阀开关状态不同组合成7档操作条件。

5、燃料电池的中央处理器(ECU)根据上述模型(函数关系)预测当发动机需要发出某一功率P时的系统所需的空气流量v、系统压力p，并根据这样的预测计算出所需空压机转速N及每个阀的开关状态，有效的控制空压机的排气量v，即控制了燃料电池的进气量及工作压力。

6、其中一个实例工作状态如图4，从而实现了燃料电池发动机系统的数字式变压操作。

表1 150KW空压机性能标定

功率KW	尾排量m<sup>3</sup>/h	进气压力MPa	转速rpm	150KW空压机	输入电压V	消耗功率KW	电机温度℃	出气温度℃
									8	31	0.048	505	6	367	4	23.8	26.4
33	114	0.072	1191	13.8	370	9	27.8	33
									58	204	0.108	1865	24.3	366	15	34.9	40.7
84	294	0.114	2460	31.5	363.5	20	44.8	46.1
									109	385	0.15	3088	41.2	359	26	51	51.7
134	485	0.155	3760	50.2	355	31	60	54.9
									134	510	0.175	4000	54.2	351	33	65	59.4
160	570	0.193	4500	63	348	38	76.4	61

Claims (2)

1.一种燃料电池反应气体压力的变压操作方法，其特征在于：通过同时控制空压机转速及燃料电池空气尾排孔的大小来控制空压机的排气量及排气压力，实现燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率；变压操作具体步骤如下：

(1)先根据实际工况需要确定一组电池净输出功率；

(2)假定不同功率下的电流密度，根据空气利用率按40～50％计算出燃料电池输出功率对应的进气量，测出某一工作压力下的实际电流密度、电池输出电压及电池输出功率，调整进气量使实际电流密度与假定值一致，测出电池输出电压及电池输出功率，再改变工作压力，测出不同工作压力下、电流密度由小到大的对应的电池输出电压、电池输出功率的电池伏安特性曲线；

(3)模拟电池，测出空压机在不同排气压力下的排气量、消耗功率，排气量为电池消耗量与尾气量的总和，再改变转速，测出不同转速下的空压机性能曲线；

(4)根据电池伏安特性曲线的最高、最低工作压力下的电池组工作电流密度下燃料电池的进气量Q，电池输出电压V及电池输出功率P_S，查空压机特性曲线得出空压机消耗的功率P_aux；

(5)计算出此时的净输出功率P＝P_S-P_aux，如果净输出功率过高或过低，需调整工作压力或进气量，重新确定电池工作电流密度，确定燃料电池进气量，直到净输出功率为预定值；

(6)在空压机特性曲线最高、最低工作压力点连一直线，实现了燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率；

在空压机的输出端设置数字式变压操作执行器，基本原则为燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率；

根据实际工况的系统净输出功率、电池伏安特性曲线、空压机性能曲线找出最高、最低工作点的燃料电池工作压力p，进气量v，电池输出功率，输出电压、输出电流、空压机消耗的功率；

所测得的空压机数据整理成如下模型，模型中的具体系数可根据实际系统运行数据回归得出：

函数关系式1    v＝α×P

函数关系式2    p＝β×v

函数关系式3    N＝γ×p^a×v^b

符号说明：

v：气量(m³/hr)

P：电堆功率(kW)

p：系统压力(MPa)

N：空压机转速(rpm)

γ、α、β、a、b：函数回归系数

在空压机的输出端设置具有三个开关电磁阀及限流板的执行器，通过三个阀开关状态不同组合成7档操作条件；

燃料电池的中央处理器根据上述模型预测当发动机需要发出某一功率P时的系统所需的空气流量v、系统压力p，并根据这样的预测计算出所需空压机转速N及每个阀的开关状态，有效的控制空压机的排气量v，即控制了燃料电池的进气量及工作压力；

(7)在两点间根据工况需要取一些点，分别查得此点的空压机排气量、排气压力、消耗功率、对应的转速，根据气量对应的电池密度及工作压力查电池伏安特性曲线得出电池输出电压V及电池输出功率P_S，计算出此时的净输出功率P＝P_S-P_aux；

(8)如果净输出功率大于预定值，在排气量不变的情况下，调小工作压力，重新核定净输出功率，使净输出功率达到预定值；

(9)把最终确定的工作点连成一条曲线；

(10)通过变频控制空压机转速及空气尾排孔的大小控制燃料电池工作压力与进气量；

(11)做出一条燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率的工作曲线，从而实现变压操作。

2.按照权利要求1所述燃料电池反应气体压力的变压操作方法，其特征在于：所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。

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