CN111952635B - 燃料电池系统可调式空气供应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统可调式空气供应装置，其包括一级压缩机、二级压缩机、电机，所述一级压缩机的输出端与三通阀的入口连接，所述三通阀的第一出口与所述二级压缩机的输入端连接，所述三通阀的第二出口通过单向阀与二级压缩机的输出端连接；一级压缩机和二级压缩机与电机同轴相联。本发明通过调节三通阀、四通阀的开度，进而调节进入二级压缩机和单向阀的空气流量，即调节了一级压缩机和二级压缩机的流量分配与功率分配，降低压缩机功耗，实现了燃料电池系统不同工况下空气流量和压比的最佳匹配。通过三通阀、四通阀毫秒级的响应速度，在变载工况快速调节空气流量大小，来提供空气供应装置的响应速度，同时降低压缩机的喘振风险。

Description

燃料电池系统可调式空气供应装置
技术领域
本发明涉及一种空气供应系统，具体涉及一种燃料电池系统可调式空气供应装置。
背景技术
燃料电池系统包括电堆、空气系统、氢气系统、冷却系统以及相应控制系统。其中空气系统由空滤、空压机、增湿器和背压阀等组件构成，主要是为电堆提供运行时所需的空气，由于电堆在不同工况下的工作边界不同，对空气系统所供应空气的流量、温度、压力和湿度等参数需求也会相应发生变化。提高空气进堆的压力和流量，可以增大氧气分压和氧气计量比，减少欧姆损失和传质损失，提升电堆效率。为了实现更高的电堆进气压力和进气流量，需要采用压比更大和流量范围更宽的空压机，因此包含两级增压空压机的空气供应装置越来越来普遍。两级增压空压机包括一级压缩机、二级压缩机、电机以及控制器等，带两级增压空压机的空气供应装置压比大，流量宽，但总体效率低，功耗也更大，同时在快速加减载工况存在喘振风险或响应速度慢的问题。
公开号为CN 209312917 U，专利名称为用于大功率燃料电池的空气供应系统的专利公开了一种空气供应系统，该系统采用了两级压缩机的空气供应装置，两个压缩机均为离心式，其在所有工况都需要进入相同的流量，第一级压缩机做功后气体温度升高，高温空气进入第二级压缩机后会降低第二级压缩机工作效率，且两个压缩机都要对所有进入的空气进行做功，导致功耗较大。另外，流量输出的调节主要依靠电机转速的变化和背压阀联合工作，通过电机转速调节流量时，由于离心式压缩机转速与压比线性关联度大，而转速与流量线性关联不明显的固有特性，会导致流量调节响应速度慢。通过背压阀联合工作，快速调节流量时，又会增加压缩机的喘振风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统可调式空气供应装置，该装置解决了现有的燃料电池系统空气供应装置效率低，功耗大，动态过程响应速度慢且喘振风险高的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种燃料电池系统可调式空气供应装置，包括一级压缩机、二级压缩机、电机，所述一级压缩机的输出端与三通阀的入口连接，所述三通阀的第一出口与所述二级压缩机的输入端连接，所述三通阀的第二出口通过单向阀与二级压缩机的输出端连接；
一级压缩机和二级压缩机与电机同轴相联；
工作时，空气首先进入一级压缩机输入端，经过增压做功后到一级压缩机的输出端，然后进入三通阀入口，三通阀的第一出口的空气进入二级压缩机的输入端，经过再次增压做功后到二级压缩机输出端；三通阀第二出口的空气进入单向阀后，与二级压缩机输出端的空气混合。
按上述方案，所述二级压缩机的输出端通过喘振阀与一级压缩机的输入端连接。
按上述方案，所述喘振阀为机械控制阀，内置真空室和膜片弹簧装置。
按上述方案，在一级压缩机的输出端与三通阀的入口之间设置有中冷器。
本发明还提供一种燃料电池系统可调式空气供应装置，其包括一级压缩机、二级压缩机，所述一级压缩机的输出端与三通阀的入口连接，所述三通阀的第一出口与所述二级压缩机的输入端连接，所述三通阀的第二出口通过单向阀与二级压缩机的输出端连接；
一级压缩机和电机同轴连接，二级压缩机与第二电机同轴连接。
本发明还提供一种燃料电池系统可调式空气供应装置，包括一级压缩机、二级压缩机、电机，所述一级压缩机的输出端与四通阀的第一入口连接，所述四通阀的第一出口与所述二级压缩机的输入端连接，所述四通阀的第二出口通过单向阀与二级压缩机的输出端连接；所述四通阀的第二入口通过第二单向阀与一级压缩机的输入端连接；一级压缩机和二级压缩机与电机同轴相联；
工作时，一部分空气首先进入一级压缩机输入端，经过增压做功后到一级压缩机的输出端，然后进入四通阀的第一入口；另一部分空气由第二单向阀空气进入四通阀的第二入口，四通阀的第一出口的空气进入二级压缩机的输入端，经过再次增压做功后到二级压缩机的输出端，四通阀的第二出口的空气进入单向阀后，与二级压缩机的输出端的空气混合。
本发明的有益效果在于：
通过调节三通阀、四通阀的开度，进而调节进入二级压缩机和单向阀的空气流量，即调节了一级压缩机和二级压缩机的流量分配与功率分配，降低压缩机功耗，实现了燃料电池系统不同工况下空气流量和压比的最佳匹配。通过三通阀、四通阀毫秒级的响应速度，在变载工况快速调节空气流量大小，来提供空气供应装置的响应速度，同时降低压缩机的喘振风险。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
图4是本发明实施例4的结构示意图；
图5是本发明实施例5的结构示意图。
图中：1、一级压缩机；2、二级压缩机；3、电机；4、第二电机；5、三通阀；6、四通阀；7、单向阀；8、第二单向阀；9、喘振阀；10、中冷器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参见图1，一种燃料电池系统可调式空气供应装置，其包括一级压缩机1、二级压缩机2、电机3、三通阀5、单向阀7，一级压缩机1的输出端与三通阀5的入口连接，三通阀5的第一出口与二级压缩机2的输入端连接，三通阀5的第二出口通过单向阀7与二级压缩机2的输出端连接；一级压缩机1和二级压缩机2与电机3同轴相联。
工作时，空气首先进入一级压缩机1输入端，经过增压做功后到一级压缩机1的输出端，然后进入三通阀5的入口，三通阀5的第一出口的空气进入二级压缩机2的输入端，经过再次增压做功后到二级压缩机2输出端；三通阀5的第二出口的空气进入单向阀7后，与二级压缩机2的输出端的空气混合。
三通阀5可以控制不同开度，调节其第一出口和第二出口的空气流量分配，也就是进入二级压缩机2和单向阀7的空气流量分配，单向阀7可以是进入的空气的流动而不会出现倒流。当燃料电池系统处于小负荷工况，需求空气流量较小时，一级压缩机1能满足流量和压比需求，可以调节三通阀5的开度，减小第一出口进入二级压缩机2的流量，减小了二级压缩机2耗功，降低二级压缩机2出口空气温度，增加第二出口至单向阀7的空气流量。当燃料电池系统负荷由小增大时候，一级压缩机1不能完全满足流量和压比需求，调节三通阀5的开度，增加第一出口进入二级压缩机2的流量，减小第二出口至单向阀7的流量，满足需求的空气流量和压比。根据不同燃料电池系统负荷自动调节三通阀5的开度。
当燃料电池系统处于快速加载工况，可以快速增加三通阀5第一出口至二级压缩机2的空气流量，充分利用二级压缩机2做功，在相同电机转速可以实现更快的空气供应速度，同时随着电机转速逐渐增加，可进一步加快空气流量响应速度。当燃料电池相同处于快速减载工况，可以快速减小三通阀5第一出口至二级压缩机2的空气流量，增加第二出口空气流量，将空气旁通至单向阀7，快速降低总体空气流量和压比，同时随着电机转速逐渐降低可进一步加快空气流量响应速度，有效降低了仅依靠背压阀和电机转速调节空气流量和压力带来的喘振风险。
实施例2，参见图2，与实施例1所不同的是：二级压缩机2的输出端通过喘振阀9与一级压缩机1的输入端连接。本实施例中，喘振阀9为机械控制阀，内置真空室和膜片弹簧装置。利用喘振阀9两侧入口的压差驱动喘振阀9开启和关闭，进而可进一步降低燃料电池系统快速减载工况压缩机流量骤降带来的喘振风险。
实施例3，参见图3，与实施例1所不同的是：在一级压缩机1的输出端与三通阀5的入口之间设置有中冷器10。设置中冷器10的目的是降低二级压缩机2入口空气温度，提高二级压缩机2的效率，降低整个空气供应装置的功耗。
实施例4，参见图4，一种燃料电池系统可调式空气供应装置，其包括一级压缩机1、二级压缩机2、电机3、第二电机4，一级压缩机1的输出端与三通阀5的入口连接，三通阀5的第一出口与二级压缩机2的输入端连接，三通阀5的第二出口通过单向阀7与二级压缩机2的输出端连接；一级压缩机1和电机3同轴连接，二级压缩机2与第二电机4同轴连接。一级压缩机1和电机3同轴连接，二级压缩机2与第二电机4同轴连接的作用是两个压缩机单独调节，增加了空气流量和压比调节的范围，提升了整车空气供应装置的工作效率，降低了功耗，也提升了动态响应速度。
实施例5，参见图5，一种燃料电池系统可调式空气供应装置，包括一级压缩机1、二级压缩机2、电机3、四通阀6、单向阀7、第二单向阀8。一级压缩机1的输出端与四通阀6的第一入口连接，四通阀6的第一出口与二级压缩机2的输入端连接，四通阀6的第二出口通过单向阀7与二级压缩机2的输出端连接；四通阀6的第二入口通过第二单向阀8与一级压缩机1的输入端连接；一级压缩机1和二级压缩机2与电机3同轴相联；
工作时，一部分空气首先进入一级压缩机1输入端，经过增压做功后到一级压缩机1的输出端，然后进入四通阀6的第一入口；另一部分空气由第二单向阀8空气进入四通阀6的第二入口，四通阀6的第一出口的空气进入二级压缩机2的输入端，经过再次增压做功后到二级压缩机2的输出端，四通阀6的第二出口的空气进入单向阀7后，与二级压缩机2的输出端的空气混合。在燃料电池系统小负荷工况开启四通阀6第二入口，使第二单向阀8入口空气流量增加，进一步减少由一级压缩机1增压后的高温空气进入二级压缩机2的比例，取而代之的是由第二单向阀8进入二级压缩机2的常温空气，降低空气供应装置的出口空气温度，提高工作效率，降低功率消耗。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统可调式空气供应装置，包括一级压缩机、二级压缩机、电机，其特征在于：所述一级压缩机的输出端与三通阀的入口连接，所述三通阀的第一出口与所述二级压缩机的输入端连接，所述三通阀的第二出口通过单向阀与二级压缩机的输出端连接；
一级压缩机和二级压缩机与电机同轴相联；
工作时，空气首先进入一级压缩机输入端，经过增压做功后到一级压缩机的输出端，然后进入三通阀入口，三通阀的第一出口的空气进入二级压缩机的输入端，经过再次增压做功后到二级压缩机输出端；三通阀第二出口的空气进入单向阀后，与二级压缩机输出端的空气混合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统可调式空气供应装置，其特征在于：所述二级压缩机的输出端通过喘振阀与一级压缩机的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统可调式空气供应装置，其特征在于：所述喘振阀为机械控制阀，内置真空室和膜片弹簧装置。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统可调式空气供应装置，其特征在于：在一级压缩机的输出端与三通阀的入口之间设置有中冷器。
5.一种燃料电池系统可调式空气供应装置，包括一级压缩机、二级压缩机、电机，其特征在于：所述一级压缩机的输出端与四通阀的第一入口连接，所述四通阀的第一出口与所述二级压缩机的输入端连接，所述四通阀的第二出口通过第一单向阀与二级压缩机的输出端连接；所述四通阀的第二入口通过第二单向阀与一级压缩机的输入端连接；一级压缩机和二级压缩机与电机同轴相联；
工作时，一部分空气首先进入一级压缩机输入端，经过增压做功后到一级压缩机的输出端，然后进入四通阀的第一入口；另一部分空气由第二单向阀空气进入四通阀的第二入口，四通阀的第一出口的空气进入二级压缩机的输入端，经过再次增压做功后到二级压缩机的输出端，四通阀的第二出口的空气进入第一单向阀后，与二级压缩机的输出端的空气混合。
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