CN113823815A - 一种燃料电池系统及工作控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，包括带控制器的空压机、中冷器、增湿器、电池电堆、背压阀、膨胀机、氢气循环泵。本发明还公开了一种燃料电池系统的工作控制方法。这种方法减少了系统功耗，减少低温启动时间，提高系统输出效率。这种系统，在系统集成设计中，省去了循环泵控制器空间，提高了氢气循环泵低温破冰能力，提高系统设计中集成度，可实现氢气循环泵、膨胀机、空压机零部件一体化设计趋势。

Description

一种燃料电池系统及工作控制方法

技术领域

本发明涉及新能源领域，具体是以空气作为动力驱动循环泵的一种燃料电池系统及工作控制方法。

背景技术

当今全球环境污染加重，温室气体排放居高不下，全球各国政府鼓励的新能源汽车进行推广应用。其中燃料电池车具有续驶里程长，零污染等特点。燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置。具体地，燃料电池的阳极通入氢气，阴极通入空气，燃料电池通过电化学反应产生电力、热量。多个燃料电池串联组成燃料电池堆，与供氢单元，供氧单元，燃料电池堆热管理单元，电气单元组成燃料电池系统。

发明内容

本发明的目的是针的现有技术的不足，而提供一种燃料电池系统及工作控制方法。这种方法可减少系统功耗，减少低温启动时间，提高系统输出效率。

实现本发明目的的技术方案是：

一种燃料电池系统，包括带控制器的空压机、中冷器、增湿器、电池电堆、背压阀、膨胀机、氢气循环泵，空压机的输入管路上设有空气过滤器和空气计量器，空压机、中冷器和增湿器依次连接，增湿器与电池电堆的第一输入管路和第一输出管路上分别设有第一传感器和第二传感器，增湿器的输出端与背压阀和膨胀机并联连接，其中增湿器往膨胀机的连接管路上依次设有第一电磁阀、第一分水器和节流阀，中冷器与第一电磁阀的输出端之间的管路上设有第二电磁阀，背压阀的输出管路上依次设有混合室和消音器，膨胀机与氢气循环泵连接，氢气循环泵与混合室的连接管路上设有第二分水器和排水电磁阀，膨胀机还与混合室连接，电池电堆还设有第二输入和第二输出管路，及第三输入和第三输出管路，其中第二输出管路与氢气循环泵的输入端连接，第二输出管路上设有第三传感器，第二输入管路与氢气循环泵的输出端连接，第二输入管路上设有第四传感器，电池电堆的第二输入管路由里往外还依次设有比例阀、电磁开关阀、第五传感器、过滤器和安全阀，形成氢气供给单元，其中氢气供给单元经第二输入管路、电池电堆、第二输出管路和氢气循环泵的回路形成氢气循环系统，

所述系统还包括热管理单元，热管理单元包括设在第三输出管路上的第八传感器和节温器，及设在第三输入管路上的水泵、水路过滤器、第六传感器和第七传感器，水泵还与节温器的输入端连接，节温器的输出端管路上设有加热器，加热器与水泵连接，水泵输入端的管路上设有带液位开关的补水箱，补水箱与节温器之间设有散热器，水路过滤器的输入端与节温器的输入端之间设有去离子器，水泵输出端与中冷器连接的管路上设有第三电磁阀，中冷器还与第三输出管路连接，第三输出管路经过第八传感器管路的端部通过补水箱与散热器连接。

所述第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀规格型号相同。

所述第一传感器和第二传感器规格型号相同，第三传感器、第四传感器、第五传感器和第六传感器规格相同，第七传感器和第八传感器规格型号相同。

所述第一传感器和第二传感器为温压一体传感器。

所述第三传感器、第四传感器、第五传感器和第六传感器为压力传感器。

所述第七传感器和第八传感器为温度传感器。

所述第三输入管路经过散热器至第三输出管路的回路为大循环，第三输入管路经过节温器和加热器至第三输出管路的回路为小循环。

所述水泵、第三电磁阀和中冷器形成循环冷却支路。

所述安全阀的输入端外接低压供氢系统。

所述氢气循环泵与膨胀机的联轴器或齿轮连接。

所述膨胀机与氢气循环泵的壳体连接，方便热量传递。

所述第一分水器具备自动排水功能。

所述电池电堆外围还设有第九传感器，第九传感器为氢气浓度传感器。

一种燃料电池系统的工作方法，包括上述燃料电池系统，所述方法包括如下过程：

1）电磁开关阀开启及热管理单元小循环运转，同时空压机启动，一部分空气经过中冷器后，通过增湿器进入电池电堆，另一部分空气通过中冷器后，分流依次进入第二电磁阀和第一分水器，然后通过节流阀，进入膨胀机，通过节流阀的开度调节氢气循环泵转速，从而调节氢气循环系统中氢气回流量，电池电堆第一输入管路的入口压力主要由背压阀调节实现；

2）当燃料电池系统实现大功率运行时，采用尾气驱动膨胀机模式，第一电磁阀打开，空气通过空压机、中冷器、增湿器后进入电池电堆，反应后的气体通过增湿器后，一部分通过第一电磁阀、第一分水器和节流阀进入膨胀机，膨胀机驱动氢气循环泵实现氢气回流，氢气循环泵及膨胀机排出的氢气和空气尾排废气，经过混合室与另一路经过背压阀的空气混合排出。

一种燃料电池系统的控制方法，包括上述燃料电池系统，所述方法包括如下过程：

1）当燃料电池系统低功率运行时，按照电堆功率输出需求，计算空气流量需求，氢气循环泵转速需求，控制空压机转速，调节背压阀的开度，通过电池电堆第一输入管路入口端压力控制比例阀开度并调节节流阀开度，满足电池电堆消耗的同时，氢气循环压力平衡；

2）当燃料电池系统高功率运行时，按照电池电堆功率输出需求，通过进气压力及空气消耗流量需求，控制空压机转速，背压阀开度调节至30°~45°，预先标定，通过控制节流阀开度控制电池电堆第一输入管路入口压力，出现大功率变载时，背压阀与节流阀联动调节。

这种方法可减少系统功耗，减少低温启动时间，提高系统输出效率。这种系统，在系统集成设计中，省去了循环泵控制器空间，提高了氢气循环泵低温破冰能力，提高系统设计中集成度，可实现氢气循环泵、膨胀机、空压机零部件一体化设计趋势。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中低功率运行时的结构示意图；

图3为实施例中高功率运行时的结构示意图。

图中，1.空气过滤器 2.空气流量计 3.空压机31.控制器 4.中冷器 5.增湿器 6.第一传感器 7.第二传感器 8.背压阀 9.第一电磁阀 10.第二电磁阀 11.第二分水器 12.第一分水器 13.节流阀 14.氢气循环泵 15.膨胀机 16.混合室 17.消音器 18.比例阀19.电磁开关阀 20.过滤器 21.第五传感器 22.安全阀 23.补水箱231.液位开关 24.水泵25.加热器 26.节温器 27.水路过滤器 28.去离子器 29.第八传感器 30.第六传感器 31.第七传感器 32.第三传感器 33.第九传感器 34.第四传感器 35.第三电磁阀 36.电池电堆 37.散热器 38.第一输入管路 39.第一输出管路 40.第二输入管路 41.第二输出管路42.第三输入管路 43.第三输出管路 44.排水电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例的本发明作进一步的详细描述，但不是的本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种燃料电池系统，包括带控制器31的空压机3、中冷器4、增湿器5、电池电堆36、背压阀8、膨胀机15、氢气循环泵14，空压机3的输入管路上设有空气过滤器1和空气计量器2，空压机3、中冷器4和增湿器5依次连接，增湿器5与电池电堆36的第一输入管路38和第一输出管路39上分别设有第一传感器6和第二传感器7，增湿器5的输出端与背压阀8和膨胀机15并联连接，其中增湿器5往膨胀机15的连接管路上依次设有第一电磁阀9、第一分水器12和节流阀13，中冷器4与第一电磁阀9的输出端之间的管路上设有第二电磁阀10，背压阀8的输出管路上依次设有混合室16和消音器17，膨胀机15与氢气循环泵14连接，氢气循环泵14与混合室16的连接管路上设有第二分水器11和排水电磁阀44，膨胀机15还与混合室16连接，电池电堆36还设有第二输入40和第二输出管路41，及第三输入42和第三输出管路43，其中第二输出管路41与氢气循环泵14的输入端连接，第二输出管路41上设有第三传感器32，第二输入管路40与氢气循环泵14的输出端连接，第二输入管路40上设有第四传感器34，电池电堆36的第二输入管路40由里往外还依次设有比例阀18、电磁开关阀19、第五传感器21、过滤器20和安全阀22，形成氢气供给单元，其中氢气供给单元经第二输入管路40、电池电堆36、第二输出管路41和氢气循环泵14的回路形成氢气循环系统，

所述系统还包括热管理单元，热管理单元包括设在第三输出管路43上的第八传感器29和节温器26，及设在第三输入管路42上的水泵24、水路过滤器27、第六传感器30和第七传感器31，水泵24还与节温器26的输入端连接，节温器26的输出端管路上设有加热器25，加热器25与水泵24连接，水泵24输入端的管路上设有带液位开关231的补水箱23，补水箱23与节温器26之间设有散热器37，水路过滤器27的输入端与节温器26的输入端之间设有去离子器28，水泵24输出端与中冷器4连接的管路上设有第三电磁阀35，中冷器4还与第三输出管路43连接，第三输出管路43经过第八传感器29管路的端部通过补水箱23与散热器37连接。

所述第一电磁阀9、第二电磁阀10和第三电磁阀35规格型号相同。

所述第一传感器6和第二传感器7规格型号相同，第三传感器32、第四传感器34、第五传感器21和第六传感器30规格相同，第七传感器31和第八传感器29规格型号相同。

所述第一传感器6和第二传感器7为温压一体传感器，本例型号为32MPP14-3-ENV。

所述第三传感器32、第四传感器34、第五传感器21和第六传感器30均为压力传感器，其中本例第三传感器32、第四传感器34、第六传感器21型号为AST400；第五传感器2例型号为 KIM10-16-B007。

所述第七传感器31和第八传感器29为温度传感器，本例型号为B5024R0765。

所述第三输入管路42经过散热器37至第三输出管路43的回路为大循环，第三输入管路42经过节温器26和加热器25至第三输出管路43的回路为小循环。

所述水泵24、第三电磁阀35和中冷器4形成循环冷却支路。

所述安全阀22的输入端外接低压供氢系统。

所述氢气循环泵14与膨胀机15的联轴器或齿轮连接。

所述膨胀机15与氢气循环泵14的壳体连接，方便热量传递。

所述第一分水器12具备自动排水功能。

所述电池电堆36外围还设有第九传感器33，第九传感器33为氢气浓度传感器。

一种燃料电池系统的工作方法，包括上述燃料电池系统，所述方法包括如下过程：

1）电磁开关阀19开启及热管理单元小循环运转，同时空压机3启动，一部分空气经过中冷器4后，通过增湿器5进入电池电堆36，另一部分空气通过中冷器4后，分流依次进入第二电磁阀10和第一分水器12，然后通过节流阀13，进入膨胀机15，通过节流阀13的开度调节氢气循环泵14转速，从而调节氢气循环系统中氢气回流量，电池电堆36第一输入管路38的入口压力主要由背压阀8调节实现；

2）当燃料电池系统实现大功率运行时，采用尾气驱动膨胀机15模式，第一电磁阀9打开，空气通过空压机3、中冷器4、增湿器5后进入电池电堆36，反应后的气体通过增湿器5后，一部分通过第一电磁阀9、第一分水器12和节流阀13进入膨胀机15，膨胀机15驱动氢气循环泵14实现氢气回流，氢气循环泵14和膨胀机15内做功后排出的空气和氢气尾排废气，经过混合室16与另一路经过背压阀8的空气混合排出。

一种燃料电池系统的控制方法，包括上述燃料电池系统，所述方法包括如下过程：

如图2所示，1）当燃料电池系统低功率运行时，按照电堆功率输出需求，计算空气流量需求，氢气循环泵转速需求，控制空压机3转速，调节背压阀8的开度，通过电池电堆36第一输入管路38入口端压力控制比例阀18开度并调节节流阀13开度，满足电池电堆36消耗的同时，氢气循环压力平衡；

如图3所示，2）当燃料电池系统高功率运行时，按照电池电堆功率输出需求，通过进气压力及空气消耗流量需求，控制空压机3转速，背压阀8开度调节至30°~45°，预先标定，通过控制节流阀13开度控制电池电堆36第一输入管路38入口压力，出现大功率变载时，背压阀8与节流阀13联动调节。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括带控制器的空压机、中冷器、增湿器、电池电堆、背压阀、膨胀机、氢气循环泵，空压机的输入管路上设有空气过滤器和空气计量器，空压机、中冷器和增湿器依次连接，增湿器与电池电堆的第一输入管路和第一输出管路上分别设有第一传感器和第二传感器，增湿器的输出端与背压阀和膨胀机并联连接，其中增湿器往膨胀机的连接管路上依次设有第一电磁阀、第一分水器和节流阀，中冷器与第一电磁阀的输出端之间的管路上设有第二电磁阀，背压阀的输出管路上依次设有混合室和消音器，膨胀机与氢气循环泵连接，氢气循环泵与混合室的连接管路上设有第二分水器和排水电磁阀，膨胀机还与混合室连接，电池电堆还设有第二输入和第二输出管路，及第三输入和第三输出管路，其中第二输出管路与氢气循环泵的输入端连接，第二输出管路上设有第三传感器，第二输入管路与氢气循环泵的输出端连接，第二输入管路上设有第四传感器，电池电堆的第二输入管路由里往外还依次设有比例阀、电磁开关阀、第五传感器、过滤器和安全阀，形成氢气供给单元，其中氢气供给单元经第二输入管路、电池电堆、第二输出管路和氢气循环泵的回路形成氢气循环系统，

所述系统还包括热管理单元，热管理单元包括设在第三输出管路上的第八传感器和节温器，及设在第三输入管路上的水泵、水路过滤器、第六传感器和第七传感器，水泵还与节温器的输入端连接，节温器的输出端管路上设有加热器，加热器与水泵连接，水泵输入端的管路上设有带液位开关的补水箱，补水箱与节温器之间设有散热器，水路过滤器的输入端与节温器的输入端之间设有去离子器，水泵输出端与中冷器连接的管路上设有第三电磁阀，中冷器还与第三输出管路连接，第三输出管路经过第八传感器管路的端部通过补水箱与散热器连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀规格型号相同。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器规格型号相同，第三传感器、第四传感器、第五传感器和第六传感器规格相同，第七传感器和第八传感器规格型号相同。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第三输入管路经过散热器至第三输出管路的回路为大循环，第三输入管路经过节温器和加热器至第三输出管路的回路为小循环。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述水泵、第三电磁阀和中冷器形成循环冷却支路。

6.一种燃料电池系统的工作方法，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项的燃料电池系统，所述方法包括如下过程：

1）电磁开关阀开启及热管理单元小循环运转，同时空压机启动，一部分空气经过中冷器后，通过增湿器进入电池电堆，另一部分空气通过中冷器后，分流依次进入第二电磁阀和第一分水器，然后通过节流阀，进入膨胀机，通过节流阀的开度调节氢气循环泵转速，从而调节氢气循环系统中氢气回流量，电池电堆第一输入管路的入口压力主要由背压阀调节实现；

2）当燃料电池系统实现大功率运行时，采用尾气驱动膨胀机模式，第一电磁阀打开，空气通过空压机、中冷器、增湿器后进入电池电堆，反应后的气体通过增湿器后，一部分通过第一电磁阀、第一分水器和节流阀进入膨胀机，膨胀机驱动氢气循环泵实现氢气回流，氢气循环泵及膨胀机排出的氢气和空气尾排废气，经过混合室与另一路经过背压阀的空气混合排出。

7.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项的燃料电池系统，所述方法包括如下过程：

1）当燃料电池系统低功率运行时，按照电堆功率输出需求，计算空气流量需求，氢气循环泵转速需求，控制空压机转速，调节背压阀的开度，通过电池电堆第一输入管路入口端压力控制比例阀开度并调节节流阀开度，满足电池电堆消耗的同时，氢气循环压力平衡；

2）当燃料电池系统高功率运行时，按照电池电堆功率输出需求，通过进气压力及空气消耗流量需求，控制空压机转速，背压阀开度调节至30°~45°，预先标定，通过控制节流阀开度控制电池电堆第一输入管路入口压力，出现大功率变载时，背压阀与节流阀联动调节。

Images