CN110459784B - 一种燃料电池发动机用空气供给系统及方法 - Google Patents

一种燃料电池发动机用空气供给系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机用空气供给系统及方法，能够回收燃料电池在变载输出过程中空压机由高转速向低转速转换过程中的动能，提高能量利用效率，并且提高空压机由高转速向低转速转变的响应速度。该系统包括空气滤清器、空压机和增湿器，环境空气经空气滤清器流进空压机，空气经空压机增压后流进增湿器，经增湿器增湿后流进燃料电池堆；所述空压机包括压缩机、空压机电机和空压机控制器。

Description

一种燃料电池发动机用空气供给系统及方法
技术领域
本公开涉及燃料电池发动机系统能量回收技术领域，具体涉及一种可能量回收的燃料电池发动机用空气供给系统及其工作方法。
背景技术
随着环境污染及能源短缺问题日益严峻，燃料电池发动机系统因其具有无污染、零排放、能量转化效率高的特点，被普遍认为是未来社会主要的能源动力装置之一。
空压机是给燃料电池系统燃料电池堆阴极提供氧气的主要部件，空压机由电机和膨胀机共同驱动，是车用燃料电池阴极供气系统的重要部件，通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池的功率密度和效率，减小燃料电池系统的尺寸。但空压机的寄生功耗很大，约占燃料电池辅助功能的80％，直接影响燃料电池发动机中的化学计量比，进而影响燃料电池系统的效率，现有的燃料电池发动机空气供给系统能耗较高。
发明内容
针对燃料电池发动机空气供给系统能耗高的问题，本公开提供了一种可能量回收的燃料电池发动机用空气供给系统及方法，能够回收燃料电池在变载输出过程中空压机由高转速向低转速转换过程中的动能，提高能量利用效率，并且提高空压机由高转速向低转速转变的响应速度。
本公开一方面提供的一种燃料电池发动机用空气供给系统的技术方案是：
一种燃料电池发动机用空气供给系统，该系统包括空气滤清器、空压机和增湿器，环境空气经空气滤清器流进空压机，空气经空压机增压后流进增湿器，经增湿器增湿后流进燃料电池堆。
进一步的，所述空压机包括压缩机、空压机电机和空压机控制器，所述压缩器的一端与空气滤清器连接，另一端与增湿器连接；所述空压机电机与压缩机连接，所述空压机控制器与空压机电机连接。
进一步的，所述空压机控制器还与储能电池连接，储能电池输出直流电至空压机控制器，空压机控制器将直流电转换为三相交流电后输出至空压机电机，空压机电机旋转带动压缩机旋转压气，实现空气增压。
进一步的，所述空压机控制器还通过CAN总线与燃料电池控制单元通讯连接，接收燃料电池控制单元发送的负扭矩命令，控制空压机电机将压缩机的动能转化为交流电能，空压机控制器将空压机电机输出的交流电转化为直流电后储存在储能电池中。
本公开另一方面提供的一种燃料电池发动机用空气供给系统的工作方法的技术方案是：
一种燃料电池发动机用空气供给系统的工作方法，该方法包括以下步骤：
环境空气经空气滤清器流进压缩机；
储能电池输出直流电至空压机控制器，空压机控制器将直流电转换为三相交流电后输出至空压机电机，空压机电机旋转带动压缩机旋转压气，实现空气增压；
增压后的空气流进增湿器，经增湿器增湿后流进燃料电池堆。
进一步的，还包括：
当燃料电池发动机需要停机时，空压机控制器接收到燃料电池控制单元发送的负扭矩命令后，控制空压机电机将压缩机的动能转化为交流电能；
空压机控制器将空压机电机输出的交流电转化为直流电后储存在储能电池中。
进一步的，还包括：
采集空压机电机的转速，当空压机电机转速下降至设定值时，停止向空压机控制器发送负扭矩命令。
本公开另一方面提供的一种燃料电池发动机系统的技术方案是：
一种燃料电池发动机系统，其特征是，该系统包括燃料电池堆和燃料电池发动机用空气供给系统，环境空气经燃料电池发动机用空气供给系统增压和增湿后流进燃料电池堆。
通过上述技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开能够回收空压机由高转速向低转速转换过程以及停机过程中的动能，提高能量利用效率；
(2本公开的空压机电机作为发电机时具有制动作用，提高了空压机由高转速向低转速转变的响应速度。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例一燃料电池发动机用空气供给系统的结构图；
其中，1、空气滤清器，2、空压机，3、压缩机，4、增湿器，5、燃料电池堆，6、空压机电机，7、储能电池，8、空压机控制器，9、燃料电池控制单元。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
针对燃料电池发动机关键零部件空压机寄生功耗高的问题，本实施例提供了一种可能量回收的燃料电池发动机用空气供给系统，该空气供给系统在燃料电池发动机由大功率工况向小功率工况转变以及发动机停机的过程中，利用空压机控制器控制空压机电机作为发电机运行，从而回收空压机由高转速向低转速转换过程中的动能，提高能量利用效率，与此同时，该空气供给系统提高了空压机由高转速向低转速转变的响应速度。
请参阅附图1，所述可能量回收的燃料电池发动机用空气供给系统由空气滤清器1、空压机2和增湿器4组成，环境空气经空气滤清器1流进空压机2，空气经空压机2增压后流进增湿器4，经增湿器4增湿后流进燃料电池堆5。
具体地，所述空压机2由压缩机3、空压机电机6和空压机控制器8组成，所述压缩器3的一端与空气滤清器1连接，另一端与增湿器4连接；所述压缩机3还与空压机电机6连接，所述空压机控制器8的一端与储能电池7连接；另一端与空压机电机6连接。
所述空压机控制器8即能实现直流电转变为交流电，也能实现交流电转换为直流电，所述空压机电机6即能作为电动机将电能转换为机械能，也能作为发电机将机械能转换为电能。所述空压机电机6作为电动机时，储能电池7输出直流电至空压机控制器8，空压机控制器8将直流电转换为三相交流电后输出至空压机电机6，空压机电机6旋转带动压缩机3旋转压气，实现空气增压；空压机电机6作为发电机时，压缩机3拖动空压机电机6旋转发电，生成的三相交流电经空压机控制器8转换为直流电后给储能电池7充电，电能储存在储能电池7内备用。
在燃料电池发动机变载输出过程中由大功率工况向小功率工况转变以及发动机停机的过程中，空压机控制器8控制空压机电机6作为发电机运行，从而回收空压机由高转速向低转速转换过程中的动能。
所述燃料电池发动机系统的运行由燃料电池控制单元FCU9进行控制，所述空压机控制器8与燃料电池控制单元FCU9通过CAN总线进行通讯，空压机控制器8根据接收到的来自FCU9的转速命令对空压机电机6进行调速，进而实现对压缩机3的转速调节。
当FCU9为响应负载需求，需要控制燃料电池发动机由大功率工况向小功率工况转变时，相应的，空压机的转速也需要由高转速向低转速转变，此时，FCU9通过CAN总线向空压机控制器8发送负扭矩命令(此工况下的电机控制为扭矩控制模式，具体负扭矩的值需要根据各工况进行标定)，空压机控制器8接收到负扭矩命令后，控制空压机电机6作为发电机运行，将压缩机3的动能转化为电能，进而经空压机控制器8转化为直流电后储存在储能电池7中，此过程中，FCU9时刻监控空压机电机6的转速，当达到目标低转速后，停止向空压机控制器8发送负扭矩命令，空压机2以此目标低转速稳定运行。
本实施例提出的空气供给系统能够回收空压机由高转速向低转速转换过程以及停机过程中的动能，提高能量利用效率，并且由于电机作为发电机时具有制动作用，与现有技术相比，该空气供给系统中空压机由高转速向低转速的转换会更迅速，即调速响应更快。
实施例二
本实施例提供一种可能量回收的燃料电池发动机用空气供给系统的工作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
S1，环境空气经空气滤清器1流进空压机的压缩机3；
S2，储能电池7输出直流电至空压机控制器8，空压机控制器8将直流电转换为三相交流电后输出至空压机电机6，空压机电机6旋转带动压缩机3旋转压气，实现空气增压；
S3，增压后的空气流进增湿器4，经增湿器4增湿后流进燃料电池堆5。
本实施例提出的可能量回收的燃料电池发动机用空气供给系统的工作方法还包括以下步骤：
S4，当燃料电池发动机需要停机时，FCU9通过CAN总线向空压机控制器8发送负扭矩命令，空压机控制器8接收到负扭矩命令后，控制空压机电机6作为发电机运行，将压缩机3的动能转化为电能，进而经空压机控制器8转化为直流电后储存在储能电池7中，此过程中，FCU9时刻监控空压机电机6的转速，当转速降至设定值时，停止向空压机控制器8发送负扭矩命令。
实施例三
本实施例提供一种燃料电池发动机系统，该系统包括燃料电池堆和燃料电池发动机用空气供给系统，所述燃料电池发动机用空气供给系统的输出端与燃料电池堆连接；环境空气经燃料电池发动机用空气供给系统增压和增湿后流进燃料电池堆。
其中，本实施例的燃料电池发动机用空气供给系统的具体结构请参阅前面实施例的相关描述，在此不做赘述。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种燃料电池发动机用空气供给系统，其特征是，包括空气滤清器、空压机和增湿器，环境空气经空气滤清器流进空压机，空气经空压机增压后流进增湿器，经增湿器增湿后流进燃料电池堆；
所述空压机包括压缩机、空压机电机和空压机控制器，所述压缩机的一端与空气滤清器连接，另一端与增湿器连接；所述空压机电机与压缩机连接，所述空压机控制器与空压机电机连接；
所述空压机控制器还与储能电池连接，储能电池输出直流电至空压机控制器，空压机控制器将直流电转换为三相交流电后输出至空压机电机，空压机电机旋转带动压缩机旋转压气，实现空气增压；
所述空压机控制器还通过CAN总线与燃料电池控制单元通讯连接，接收燃料电池控制单元发送的负扭矩命令，控制空压机电机将压缩机的动能转化为交流电能，空压机控制器将空压机电机输出的交流电转化为直流电后储存在储能电池中。
2.一种基于权利要求1所述的燃料电池发动机用空气供给系统的工作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
环境空气经空气滤清器流进压缩机；
储能电池输出直流电至空压机控制器，空压机控制器将直流电转换为三相交流电后输出至空压机电机，空压机电机旋转带动压缩机旋转压气，实现空气增压；
增压后的空气流进增湿器，经增湿器增湿后流进燃料电池堆。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机用空气供给系统的工作方法，其特征是，还包括：
当燃料电池发动机需要停机时，空压机控制器接收到燃料电池控制单元发送的负扭矩命令后，控制空压机电机将压缩机的动能转化为交流电能；
空压机控制器将空压机电机输出的交流电转化为直流电后储存在储能电池中。
4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机用空气供给系统的工作方法，其特征是，还包括：
采集空压机电机的转速，当空压机电机转速下降至设定值时，停止向空压机控制器发送负扭矩命令。
5.一种燃料电池发动机系统，其特征是，该系统包括燃料电池堆和权利要求1所述的燃料电池发动机用空气供给系统，环境空气经燃料电池发动机用空气供给系统增压和增湿后流进燃料电池堆。
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