CN111769305B - 一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统，其构成包括燃料电池电堆、空气滤清器、离心式压缩机、可控回流阀、可控增湿阀、截止控制阀、旁通控制阀、增湿器、背压阀、消声器1、消声器2和中冷器。本发明集成了中冷器后旁通回路的空气路供应系统，可以在提高系统动态响应品质的同时，稳定压缩机的工作点，防止压缩机在降载过程中发生的喘振现象，提供防喘振机制，延长系统的寿命，提高系统的效率。

Description

一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池系统领域，涉及一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统。
背景技术
随着社会的快速发展，我国对于能源的依赖度不断增大，而能源是一个国家的命脉，能源风险将严重国家安全。燃料电池作为一种新能源技术，在近年来受到人们的广泛关注。燃料电池具有清洁、高效、无污染的特点。其中，运用最广的燃料电池系统当属质子交换膜燃料电池系统，简称PEMFC。其中，空气供应系统作为PEMFC系统的一大组成部分，而压缩机作为空气供应系统的核心部件，是制约系统动态响应的因素之一。本发明采用集成中冷器后旁通回路的空气供给路系统，以提高PEMFC系统的动态响应品质。
目前，使用离心式压缩机的燃料电池空气供给系统在预防喘振以及提高动力系统响应方面，大都采用燃料电池加动力电池构型，通过优化功率分流控制策略，包括基于工况合成算法或者预测模型来简单对需求功率进行预判进而优化燃料电池和动力电池的输出，鲜有在燃料电池系统构型层面对燃料电池动态响应和离心式压缩机的喘振问题进行优化。如中国专利公开号CN210224183U，公开日为2020年3月31日，发明名称为“一种燃料电池空气供应系统及其应用的燃料电池系统”，该发明的目的在于高度集成空气供给系统，简化整车的空气管路布局，同时兼顾空气的过滤，通过空气质量流量计实时监控空气流量，方便进行相关控制调节，但该系统未充分考虑到系统突然降载过程中空气压缩机的喘振问题。本发明针对现有技术的压缩机技术，在燃料电池系统构型方面提高燃料电池系统的动态响应能力，通过稳定压缩机的工作点，解决燃料电池降载过程中的压缩机喘振问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统。在现有的技术水平上，集成中冷器后旁通回路的空气供应路，以提高燃料电池系统的动态响应能力，为系统提供防喘振的机制，以延长系统的使用寿命。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统，其构成包括一个燃料电池电堆(6)、空气滤清器(1)、离心式压缩机(2)、可控回流阀(3)、可控增湿阀(4)、截止控制阀(5)、旁通控制阀(7)、增湿器(8)、背压阀(9)、消声器1(10)、消声器2(11)和中冷器(12)，其特征在于：
所述的空气滤清器(1)通过管路与所述的离心式压缩机(2)相连，在所述的空气滤清器(1)和所述的离心式压缩机(2)的管路中间设置一个三通管，三通管的两端分别与所述的空气滤清器(1)和所述的离心式压缩机(2)相连。所述的离心式压缩机(2)与所述的中冷器(12)、增湿器(8)、所述的燃料电池电堆(6)的空气路进气口通过管路依次连接，即所述的离心式压缩机(2)与所述的中冷器(12)通过管路连接，所述的中冷器(12)与所述的增湿器(8)通过管路连接，所述的增湿器(8)与所述的燃料电池电堆(6)的空气路进气口通过管路连接；在所述的中冷器(12)与所述的增湿器(8)的管路中间设置一个三通管，三通管另一端通过管路与所述的可控回流阀(3)入口相连，所述的可控回流阀(3)出口与所述的空气滤清器(1)和所述的离心式压缩机(2)之间的三通阀另一端通过管路相连；在所述的中冷器(12)与所述的可控回流阀(3)之间的管路上设置一个三通管，三通管的第三个端口与所述的可控增湿阀(4)相连，所述的可控增湿阀(4)通过三通管分别与所述的截止控制阀(5)和所述的旁通控制阀(7)的入口相连，所述的旁通控制阀(7)的出口与所述的燃料电池电堆(6)的空气路出气口相连；所述的燃料电池电堆(6)的空气路出气口通过三通管分别与所述的旁通控制阀(7)的出口和所述的增湿器(8)的回流入口相连，所述的增湿器(8)的回流出口通过管路与所述的背压阀(9)相连，所述的背压阀(9)与所述的消声器(10-11)依次通过管路相连。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
第一，通过背压阀和可控回流阀对供气管路中的气体进行协调控制，进而可以控制燃料电池堆的阴极流场压力，以改善燃料电池系统在变载过程中的动态响应品质；
第二，在系统的降载运行过程中，通过稳定压缩机的工作点，为燃料电池系统提供了防喘振的机制，可以延长系统的使用寿命；
第三，通过可控回流阀后端接入压缩机的进气管路，可以以此实现供给管路中的回流空气流量再利用，进而提高燃料电池系统的整体效率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明所述的一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统的结构示意图；
图中：1.空气滤清器 2.离心式压缩机 3.可控回流阀 4.可控增湿阀 5.截止控制阀 6.燃料电池电堆 7.旁通控制阀 8.增湿器 9.背压阀 10.消声器 111.消声器212.中冷器
具体实施方式
参阅图1，本发明提供一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统。在结构上包括一个燃料电池电堆(6)、空气滤清器(1)、离心式压缩机(2)、可控回流阀(3)、可控增湿阀(4)、截止控制阀(5)、旁通控制阀(7)、增湿器(8)、背压阀(9)、消声器1(10)、消声器2(11)和中冷器(12)。空气滤清器(1)通过管路与离心式压缩机(2)相连，在空气滤清器(1)和离心式压缩机(2)的管路中间设置一个三通管，三通管的两端分别与空气滤清器(1)和离心式压缩机(2)相连。离心式压缩机(2)与中冷器(12)、增湿器(8)、燃料电池电堆(6)的空气路进气口通过管路依次连接，即离心式压缩机(2)与中冷器(12)通过管路连接，中冷器(12)与增湿器(8)通过管路连接，增湿器(8)与燃料电池电堆(6)的空气路进气口通过管路连接；在中冷器(12)与增湿器(8)的管路中间设置一个三通管，三通管另一端通过管路与可控回流阀(3)入口相连，可控回流阀(3)出口与空气滤清器(1)和离心式压缩机(2)之间的三通阀另一端通过管路相连；在中冷器(12)与可控回流阀(3)之间的管路上设置一个三通管，三通管的第三个端口与可控增湿阀(4)相连，可控增湿阀(4)通过三通管分别与截止阀(5)和旁通控制阀(7)的入口相连，旁通控制阀(7)的出口与燃料电池电堆(6)的空气路出气口相连；燃料电池电堆(6)的空气路出气口通过三通管分别与旁通控制阀(7)的出口和增湿器(8)的回流入口相连，增湿器(8)的回流出口通过管路与背压阀(9)相连，背压阀(9)与消声器(10-11)依次通过管路相连。
空气经离心式压缩机(2)压缩后形成高温高压气体，经过中冷器(12)降温到阴极流场的进气需求温度，而后进入增湿器(8)将湿度调整到阴极流场进气需求温度。通过控制离心式压缩机(2)与背压阀(9)的开度来控制燃料电池电堆(6)阴极回路的流量和压力；通过对背压阀(9)的开度和可控回流阀(3)的开度进行协调控制，也可以达到控制燃料电池电堆(6)阴极回路的压力和流量的效果；通过对背压阀(9)、可控回流阀(3)和离心式压缩机(2)三者的协调控制，可以更有效的达到控制燃料电池电堆(6)阴极回路的压力和流量的作用，并且，可以改善燃料电池系统在变载过程中的动态响应品质。在系统的降载过程中，可以通过稳定离心式压缩机(2)的工作点，控制背压阀(9)和可控回流阀(3)的开度来控制阴极回路的流量和压力，避免离心式压缩机(2)发生喘振现象，从而使燃料电池系统有效达到防喘振的目的，提供防喘振的机制，延长系统的寿命。可控回流阀(3)后端接入压缩机的进气管路，还可以实现回流空气流量的再利用，降低系统损耗，提高系统的效率。

Claims (1)

1.一种兼顾压缩机工作点与动态响应能力的燃料电池系统，包括一个燃料电池电堆(6)、空气滤清器(1)、离心式压缩机(2)、可控回流阀(3)、可控增湿阀(4)、截止控制阀(5)、旁通控制阀(7)、增湿器(8)、背压阀(9)、消声器1(10)、消声器2(11)和中冷器(12)，其特征在于：
所述的空气滤清器(1)通过管路与所述的离心式压缩机(2)相连，在所述的空气滤清器(1)和所述的离心式压缩机(2)的管路中间设置一个三通管，三通管的两端分别与所述的空气滤清器(1)和所述的离心式压缩机(2)相连，所述的离心式压缩机(2)与所述的中冷器(12)、增湿器(8)、燃料电池电堆(6)的空气路进气口通过管路依次连接，即所述的离心式压缩机(2)与所述的中冷器(12)通过管路连接，所述的中冷器(12)与所述的增湿器(8)通过管路连接，所述的增湿器(8)与所述的燃料电池电堆(6)的空气路进气口通过管路连接；在所述的中冷器(12)与所述的增湿器(8)的管路中间设置一个三通管，三通管另一端通过管路与所述的可控回流阀(3)入口相连，所述的可控回流阀(3)出口与所述的空气滤清器(1)和所述的离心式压缩机(2)之间的三通阀另一端通过管路相连；在所述的中冷器(12)与所述的可控回流阀(3)之间的管路上设置一个三通管，三通管的第三个端口与所述的可控增湿阀(4)相连，所述的可控增湿阀(4)通过三通管分别与所述的截止控制阀(5)和所述的旁通控制阀(7)的入口相连，所述的旁通控制阀(7)的出口与所述的燃料电池电堆(6)的空气路进气口相连；所述的燃料电池电堆(6)的空气路出气口通过三通管分别与所述的旁通控制阀(7)的出口和所述的增湿器(8)的回流入口相连，所述的增湿器(8)的回流出口通过管路与所述的背压阀(9)相连，所述的背压阀(9)与所述的消声器(10-11)依次通过管路相连。
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