CN112234225A - 具有快速响应能力的燃料电池供气系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有快速响应能力的燃料电池供气系统，该燃料电池供气系统包括过滤器、空压机、储气罐、电子节气门和中冷器，所述空压机的进气端与所述过滤器的出气端连通；所述储气罐的进气端与所述空压机的出气端连通；所述电子节气门的进气端与所述储气罐的出气端连通；所述中冷器的进气端与所述电子节气门的出气端连通，且所述中冷器的出气端用于与燃料电池的进气端连通。本发明实现了燃料电池的快速响应，更有利于提高空压机的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有快速响应能力的燃料电池供气系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、工作温度低、零污染、能量密度高、启动迅速等优点，是一种高效、环境友好的新能源发电装置。
现有的燃料电池启动时，需要空压机将空气压缩至预设大小的压强后才可对燃料电池进行供气。但是这种供气方式在需要频繁启动燃料电池时，因空压机压缩空气需要一定的缓冲时间，从而导致燃料电池响应时间过长。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有快速响应能力的燃料电池供气系统，旨在解决燃料电池响应时间过长的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种具有快速响应能力的燃料电池供气系统，该燃料电池供气系统包括过滤器、空压机、储气罐、电子节气门和中冷器，所述空压机的进气端与所述过滤器的出气端连通；所述储气罐的进气端与所述空压机的出气端连通；所述电子节气门的进气端与所述储气罐的出气端连通；所述中冷器的进气端与所述电子节气门的出气端连通，且所述中冷器的出气端用于与燃料电池的进气端连通。
优选地，还包括用于采集输入所述空压机的空气的状态参数的第一采集单元和用于采集输入所述储气罐的空气的状态参数的第二采集单元。
优选地，还包括冷却系统，所述冷却系统包括水泵、电子风扇散热器和三通流量分配器，所述水泵的出水口与所述电子风扇散热器的进水口连通，所述三通流量分配器的进水口与所述电子风扇散热器的出水口连通，且所述三通流量分配器的其中一个出水口与所述中冷器的进水口连通，另一个出水口与所述空压机的进水口连通，所述中冷器的出水口与所述水泵的进水口连通，所述空压机的出水口与所述水泵的进水口连通。
优选地，还包括用于采集输入燃料电池的空气的状态参数的第三采集单元和用于采集输入所述中冷器的冷却液的状态参数的第四采集单元。
优选地，所述中冷器的出气口通过加湿器与燃料电池的进气端连通。
优选地，所述加湿器包括由全氟磺酸隔膜分隔开的储水汽空间和加湿空间，所述加湿器的进气口和出气口均与所述加湿空间连通，所述储水汽空间具有一个进水口和一个出水口，所述储水汽空间的进水口用于与燃料电池的出水口连通。
优选地，所述储水汽空间的进水口设有用于与燃料电池的出水口连通的汽水分离器。
优选地，还包括用于采集燃料电池输出的水汽的状态参数的第五采集单元。
优选地，所述储水汽空间的出水口设有依次连通的单向阀和背压阀，所述空压机的出气口设有与所述背压阀的进气口连通的防喘阀，所述汽水分离器的出水口设有排水阀。
本发明实施例提供的燃料电池供气系统，通过依次连通的过滤器、空压机、储气罐、电子节气门和中冷器，利用过滤器对空气进行过滤、空压机对空气进行压缩、储气罐储存气体、电子节气门控制储气罐输出空气流量的大小以及中冷器对储气罐输出的空气进行降温，从而方便对燃料电池进行供气。同时，通过储气罐存储气体，可在燃料电池启动时直接通过电子节气门对燃料电池进行供气。相对现有技术而言，本发明有利于缩短燃料电池的响应时间，更有利于避免空压机的频繁启动，从而提高空压机的使用寿命。
附图说明
图1为本发明中燃料电池供气系统一实施例的整体结构示意图；
图2为图1所示的冷却系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种具有快速响应能力的燃料电池供气系统，该燃料电池供气系统包括过滤器1、、空压机2、储气罐3、电子节气门4和中冷器5，所述空压机2的进气端与所述过滤器1的出气端连通；所述储气罐3的进气端与所述空压机2的出气端连通；所述电子节气门4的进气端与所述储气罐3的出气端连通；所述中冷器5的进气端与所述电子节气门4的出气端连通，且所述中冷器5的出气端可与燃料电池21的进气端连通。
本实施例中，如图1所示，过滤器1与空压机2的连通方式、储气罐3与空压机2的连通方式、电子节气门4与储气罐3的连通的方式以及中冷器5与电子节气门4的连通方式可通过导气管连通，导气管可以为金属材料制作，也可采用橡胶材料制作。为了方便导气管与各个部件的拆装，可通过喉箍对导气管进行固定。过滤器1对空气进行过滤，以有利于保护燃料电池21。同时，为了方便燃料电池21的快速响应，储气罐3会对空压机2压缩的空气进行存储，以有利于燃料电池21在下一次启动时，直接由电子节气门4控制储气罐3内的空气通过中冷器5输入燃料电池21，从而无需等待空压机2对空气进行压缩的时间。具体的，现有的空压机2对空气进行压缩到对燃料电池21进行供气需要1.5秒左右，而采用储气罐3存储一定量的空气后，在燃料电池21启动时只需通过电子节气门4即可对燃料电池21输入适量的空气，此时燃料电池21响应的时间可控制在1秒以内。同时，通过增加存储空气的储气罐3可以避免燃料电池21频繁启动而降低空压机2的使用寿命。电子节气门4可控制储气罐3输出空气的流量大小，以方便根据实际情况改变输入燃料电池21内空气的流量。由于空压机2对空气压缩会使空气的温度升高，中冷器5可对空压机2输出的空气进行降温，从而使空气符合燃料电池21要求。中冷器5与燃料电池21之间的管路上还设置有消音器，以方便消除输入燃料电池21的空气的噪音，从而有利于提高燃料电池21的使用寿命。整个供气系统的控制可以与燃料电池的控制器6共用，即可采用燃料电池控制器(FCU)的形式，当然也可以是单独设置相应的处理器，供气系统中的各个自动控制部件均与控制器6通信连接。本实施例中，通过依次连通的过滤器1、空压机2、储气罐3、电子节气门4和中冷器5，利用过滤器1对空气进行过滤、空压机2对空气进行压缩、储气罐3储存气体、电子节气门4控制储气罐3输出空气流量的大小以及中冷器5对储气罐3输出的空气进行降温，从而方便对燃料电池21进行供气。同时，通过储气罐3存储气体，有利于在燃料电池21启动时直接对燃料电池21进行供气，从而有利于缩短燃料电池21响应时间，实现了燃料电池的快速响应，更有利于避免空压机的频繁启动，从而提高空压机的使用寿命。
如图1和图2所示，为了方便对供气系统进行冷却，还是设置有冷却系统7，以方便对上述各个部件进行降温，以保证各个部件的使用寿命，冷却系统7包括水泵18、电子风扇散热器19、三通流量分配器20和第四采集单元11，且水泵18、电子风扇散热器19和三通流量分配器20依次通过导水管连通。此时，中冷器5、燃料电池6和空压机2均优选采水冷式，三通流量分配器20的其中一个出水口与中冷器5的进水口连通，三通流量分配器20的另一个出水口与空压机2的进水口连通，中冷器5的出水口与水泵18的进水口连通，空压机2的出水口与控制器6的进水口连通，控制器6的出水口与水泵18的进水口连通。水泵18的驱动电机优选采用伺服电机，从而有利于控制水泵18输出冷却液的流量大小。电子风扇散热器19用于对通过的冷却液降温，具体的布置形式可以是电子风扇散热器19包括散热本体和散热风扇，利用散热本体的表面进行热传递从而对冷却液进行降温，散热器本体的散热表面的大小可以根据实际情况进行选择，同时利用散热风扇加强空气的流通从而增加散热效率，通过控制散热风扇的转速即可控制冷却液的温度，具体可根据采集单元采集的数据控制散热风扇的转速。为了方便冷却液进行冷却，还可设置储水箱，储水箱优选采用膨胀水箱，方便适应存储的冷却液的温度变化，此时水泵18的进水口与水箱连通，中冷器5的出水口和控制器6的出水口均与储水箱连通。同时，为了对进入中冷器5和空压机2的冷却液进行过滤，电子风扇散热器19与三通流量分配器20之间还设置有液体过滤器，此时电子风扇散热器19的出水口与液体过滤器的进水口连通，三通流量分配器20的进水口与液体过滤器的出水口连通，液体过滤器优选采用Y型过滤器，从而有利于防止冷却液中的杂质进入空压机2和中冷器5，以此有利于防止冷却液中的杂质损坏空压机2和中冷器5。本实施例中，通过单独设置针对供气系统的冷却系统7，与燃料电池21共用一个冷却回路相比较，有利于减小冷却液中的离子析出率，以此提高燃料电池21中去离子罐的使用寿命。
如图1所示，为了增加燃料电池21的使用寿命，还设置有加湿器13，中冷器5的出气口与加湿器13的进气口连通，加湿器13的出气口可与燃料电池21连通，以方便对空气进行加湿，从而使输入燃料电池21的空气达到预设的湿度标准。加湿器13的一种布置形式可以是加湿器13内具有一个加湿空间，且加湿器的进气口和出气口均与该加湿空间连通，加湿的方式可以是加湿器内设置有雾化器，通过将水在加湿空间内进行雾化处理，从而可使通过加湿空间内的空气符合相应湿度后输入燃料电池21，其中雾化器的具体结构可参考现有的家庭加湿器。加湿器13的另一种布置形式还可以是加湿器13内具有由全氟磺酸隔膜分隔开的储水汽空间和加湿空间，此时，加湿器13的进气口和出气口均与通气空间连通。储水汽空间具有一个进水口和一个出水口，储水汽空间的进水口与燃料电池21的出水口连通，因燃料电池21排出的水具有一定的温度，所以燃料电池21排出的水分为气态水和液态水，从而可以利用使燃料电池21的气态水输入储水汽空间内，并使气态水可通过全氟磺酸隔膜的特性进入到加湿空间内，以此对加湿空间内的空气进行加湿。其中，分离燃料电池21排出水中的气态水和液态水的方法可以是设置汽水分离器，燃料电池21的出水口可与汽水分离器的入口连通，加湿器13的进水口与汽水分离器的出汽口连通。当然，燃料电池21排出的水中的气态水和液态水分离的方法还可以是利用T字形的管路分别连通加湿器13和燃料电池21，具体的连通方式为T字形管路的其中一个端口与燃料电池21连通，且该端口所在的一段管路优选呈水平状态布置，同时，该段管路的口径以同时能排出气态水和液态水为准，T字形管路的另一个端口与加湿器13的进水口连通，且该端口朝上布置，T字形的还有一个端口朝下布置并作为排出液态水的端口。
如图1所示，为了方便加湿器13的储水汽空间内的多余水汽排出，还设置有单向阀14和排水阀15。其中，加湿器13的出水口与单向阀14的入口连通，汽水分离器的出水口与排水阀15的进水口连通。还设置有防喘阀16和背压阀17，防喘阀16的进气口与空压机2的出气口连通，以有利于防止空压机2在输出的空气流量较小时出现喘振现象。同时，防喘阀16的出气口与背压阀17的入口连通，且单向阀14的出口还与背压阀17的入口连通。
如图1和图2所示，为了方便控制器对供气系统的控制，还设置有第一采集单元8、第二采集单元9、第三采集单元10、第四采集单元11和第五采集单元12。其中，第一采集单元8包括位于过滤器1和空压机2之间的第一气压传感器、第一温度传感器和气体流量传感器，以方便采集输入空压机2内的空气流量以及输入空压机前空气的流温度和压强数据，从而方便控制器6根据输入空压机2的空气的温度、压强和流量来控制空压机2的功率。第二采集单元9包括位于储气罐3和电子节气门4之间的第二气压传感器，以方便采集储气罐3排出的空气的气压数据，从而方便控制器6根据第二气压传感器采集的数据控制电子节气门4输出空气的流量大小。第三采集单元10包括位于加湿器13出气口的第三气压传感器和第二温度传感器，以方便采集输入燃料电池21的空气的温度和压强数据，从而控制器6根据第二温度传感器采集的温度数据来控制散热风扇的功率，如当第二温度传感器检测的温度超过预设数值时，控制器6控制散热风扇增大转速，从而增加冷却液的散热以降低冷却液的温度，也可以是控制器6控制水泵18增加功率以增加冷却液的流速，从而降低中冷器5内空气的温度。第四采集单元11包括位于三通流量分配器20和中冷器5之间的第三温度传感器，以方便采集电子风扇散热器19输出冷却液的温度，从而方便控制器6控制电子风扇散热器19的功率，如当冷却液的温度超过预设数值时，控制器6控制散热风扇增加转速以降低冷却液的温度。第五采集单元12包括位于汽水分离器的入口的第四温度传感器和第四气压传感器，以方便采集燃料电池21排出的气态水的温度和压强数据，从而方便控制器6根据进入储水汽空间内气态水的温度和压强来控制相应部件的运行。具体的，进入储水汽空间内的气态水的压强超过预设数值时，控制器6可控制背压阀17打开从而排出适量的气态水，还可以是进入储水汽空间内的气态水的温度超过预设数值时，控制器6即可控制散热扇增加转速，从而降低进过中冷器5的空气的温度。控制器6具体根据各个采集单元控制各个部件的方式可以为在燃料电池启动后，控制器根据燃料电池的功率并通过采集单元采集的空气的压强数据和流量数据来控制空压机的功率和电子节气门输出空气的流量。同时，控制器还可根据各个采集单元采集的空气的温度数据以及冷却液的温度和流量数据控制水泵和散热风扇的功率。上述采集单元中传感器的具体型号可以根据实际情况进行选择，在此不做详细说明。
本实施例中的燃料电池供气系统的控制方式可以如下所示：
根据燃料电池的启动功率控制电子节气门将储气罐内的空气输入燃料电池，在需要启动燃料电池时，因储气罐内会存储压缩空气，控制器可根据燃料电池预设的启动功率控制电子节气门打开由此使储气罐内的空气通过中冷器输入燃料电池，所以在向燃料电池输送空气时无需等待空压机对空气进行压缩的过程，以此缩短了燃料电池的响应时间。
当储气罐内的气压降低到预设数值时控制空压机运行并向储气罐内输入压缩后的空气，当然，在储气罐向空压机输送空气时，即可启动空压机对空气进行压缩并向储气罐输送压缩后的空气(即打开电子节气门和启动空压机可同步进行)。
中冷器对输入燃料电池的空气进行降温，因空压机压缩后的空气的温度会升高，所以在空气输入燃料电池前需对空气进行降温，空气经过中冷器时即可利用中冷器的散热特性对空气进行降温。
根据第一采集单元、第二采集单元和第三采集单元所采集的空气的状态参数和燃料电池的实时功率控制输入燃料电池的空气的流量，具体的，如根据采集单元采集的输入燃料电池的空气的流量数据来控制电子节气门打开开口的大小，以及根据采集单元采集的储气罐内空气压强数据来控制空压机的功率。通过收集各个采集单元采集的数据，从而有利于根据燃料电池的实时功率对各个部件进行精准的控制，如控制过滤器和空压机的功率以及电子节气门的输出空气流量的大小等。
以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。
Claims (9)
1.一种具有快速响应能力的燃料电池供气系统，其特征在于，包括过滤器、空压机、储气罐、电子节气门和中冷器，所述空压机的进气端与所述过滤器的出气端连通；所述储气罐的进气端与所述空压机的出气端连通；所述电子节气门的进气端与所述储气罐的出气端连通；所述中冷器的进气端与所述电子节气门的出气端连通，且所述中冷器的出气端用于与燃料电池的进气端连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池供气系统，其特征在于，还包括用于采集输入所述空压机的空气的状态参数的第一采集单元和用于采集输入所述储气罐的空气的状态参数的第二采集单元。
3.根据权利要求1所述的燃料电池供气系统，其特征在于，还包括冷却系统，所述冷却系统包括水泵、电子风扇散热器和三通流量分配器，所述水泵的出水口与所述电子风扇散热器的进水口连通，所述三通流量分配器的进水口与所述电子风扇散热器的出水口连通，且所述三通流量分配器的其中一个出水口与所述中冷器的进水口连通，另一个出水口与所述空压机的进水口连通，所述中冷器的出水口与所述水泵的进水口连通，所述空压机的出水口与所述水泵的进水口连通。
4.根据权利要求3所述的燃料电池供气系统，其特征在于，还包括用于采集输入燃料电池的空气的状态参数的第三采集单元和用于采集输入所述中冷器的冷却液的状态参数的第四采集单元。
5.根据权利要求1所述的燃料电池供气系统，其特征在于，所述中冷器的出气口通过加湿器与燃料电池的进气端连通。
6.根据权利要求5所述的燃料电池供气系统，其特征在于，所述加湿器包括由全氟磺酸隔膜分隔开的储水汽空间和加湿空间，所述加湿器的进气口和出气口均与所述加湿空间连通，所述储水汽空间具有一个进水口和一个出水口，所述储水汽空间的进水口用于与燃料电池的出水口连通。
7.根据权利要求6所述的燃料电池供气系统，其特征在于，所述储水汽空间的进水口设有用于与燃料电池的出水口连通的汽水分离器。
8.根据权利要求6所述的燃料电池供气系统，其特征在于，还包括用于采集燃料电池输出的水汽的状态参数的第五采集单元。
9.根据权利要求7所述的燃料电池供气系统，其特征在于，所述储水汽空间的出水口设有依次连通的单向阀和背压阀，所述空压机的出气口设有与所述背压阀的进气口连通的防喘阀，所述汽水分离器的出水口设有排水阀。
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