CN114151376A - 一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，第一管路上安装空压机，中冷器的出气端通过第二管路连通至增湿器的第一进气端，增湿器的第一出气端通过第三管路连通至电堆的空气进气端，混合器的干空气进气端通过第六管路连通至第二管路，第六管路上安装旁通电磁阀，本发明所述的一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，通过怠速或小电流工况所需空气流量及旁通流量计算(即发动机工作需要旁通放气时，通过控制器控制打开旁通电磁阀，将过量的空气旁通流向混合器)，有效避免了空压机发生喘振现象，满足了空压机怠速小负荷工作稳定性需求。

Description

一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置
技术领域
本发明属于燃料电池发动机技术领域，尤其是涉及一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置。
背景技术
空气压缩机是燃料电池空气供应系统最为重要的部件，其功能是为燃料电池发动机中电堆在不同工况工作时，提供满足电堆流量、压力、温度和湿度要求的空气；
燃料电池发动机尤其大功率发动机工作，要求大流量、高压比、高效、低噪音低振动的压缩机，而离心式空气压缩机具有排气量大、效率高、结构紧凑、体积小、重量轻、无油(气体不受油污染)以及正常工况下运转平稳、响应速度快等特点，被认为是较为理想的燃料电池发动机空气供应系统部件；
但当燃料电池发动机怠速、小负荷运行时，电堆阴极所需的空气流量降低，离心式空压机转速降低，导致离心式空压机工作点进入喘振区，系统发生“喘振”现象；喘振现象对燃料电池发动机有很大危害，不仅影响燃料电池发动机的性能，甚至会引发安全事故；
目前各高校及研究机构针对燃料电池发动机离心式空压机低速小负荷喘振问题研究取得一定成果；根据喘振曲线采用PID控制，在不同的压力偏差区间找到合适的控制参数，实现空压机适应负荷变化的快速性和稳定性；选用防喘阀，找出防喘阀的控制规律；这些方法虽然对防喘振有一定效果，但需进一步优化设计和控制策略，需做到合理选取防喘阀的开关比例与管径，选取及控制难度较大，目前解决喘振效果不明显。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，以避免空压机发生喘振现象。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，包括空气滤清器、空压机、增湿器、旁通电磁阀和混合器，空气滤清器通过第一管路连通至中冷器的进气端，第一管路上安装空压机，中冷器的出气端通过第二管路连通至增湿器的第一进气端，增湿器的第一出气端通过第三管路连通至电堆的空气进气端，增湿器的第二进气端通过第四管路连通至电堆的空气出气端，增湿器的第二出气端通过第五管路连通至混合器的湿空气进气端，第五管路上安装背压阀，混合器的干空气进气端通过第六管路连通至第二管路，第六管路上安装旁通电磁阀，混合器的出气端通过第七管路连通至大气，空压机、旁通电磁阀、背压阀分别信号连接至控制器。
进一步的，混合器的氢气进气端通过第八管路连通至电堆的氢气出气端，第八管路上安装排氢阀，排氢阀信号连接至控制器。
进一步的，排氢阀为电磁阀。
相对于现有技术，本发明所述的一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置具有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，控制策略简单、方便，根据空压机MAP图选取远离喘振线合适的工作点，通过怠速或小电流工况所需空气流量及旁通流量计算(即发动机工作需要旁通放气时，通过控制器控制打开旁通电磁阀，将过量的空气旁通流向混合器)，有效避免了空压机发生喘振现象，满足了空压机怠速小负荷工作稳定性需求。
(2)本发明所述的一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，流向混合器的过量的空气能够稀释发动机工作期间电堆的阳极通过排氢阀排到混合器的氢气，提高发动机氢安全性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置的示意图；
图2为本发明实施例所述的空压机转速-压比-流量MAP示意图。
附图标记说明：
1-空气滤清器；2-空压机；3-中冷器；4-增湿器；5-旁通电磁阀；6-背压阀；7-混合器；8-电堆；9-排氢阀。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置包括：包括空气滤清器1、空压机2、中冷器3、增湿器4、旁通电磁阀5、背压阀6和混合器7，空气滤清器1通过第一管路连通至中冷器3的进气端，第一管路上安装空压机2，中冷器3的出气端通过第二管路连通至增湿器4的第一进气端，增湿器4的第一出气端通过第三管路连通至电堆8的空气进气端，增湿器4的第二进气端通过第四管路连通至电堆8的空气出气端，增湿器4的第二出气端通过第五管路连通至混合器7的湿空气进气端，第五管路上安装背压阀6，混合器7的干空气进气端通过第六管路连通至第二管路，第六管路上安装旁通电磁阀5，混合器7的出气端通过第七管路连通至大气，空压机2、旁通电磁阀5、背压阀6分别信号连接至控制器，控制策略简单、方便，根据空压机MAP图选取远离喘振线合适的工作点，通过怠速或小电流工况所需空气流量及旁通流量计算(即发动机工作需要旁通放气时，通过控制器控制打开旁通电磁阀5，将过量的空气旁通流向混合器7)，有效避免了空压机2发生喘振现象，满足了空压机2怠速小负荷工作稳定性需求，控制器为PLC，且PLC型号为西门子S7-200 smart；
空气滤清器1型号为FC120，空压机2为离心式空压机，且型号为XT–FCC400，中冷器3型号为ASM-ZLQ-QSD120，旁通电磁阀5型号为DS6213EV_222153，增湿器4型号为H50N，电堆8型号为SFC-C9HD80，背压阀6型号为ZF510YT，混合器7型号为NEFC02-MIXER，排氢阀9型号为Burkert DS0201；
混合器7的氢气进气端通过第八管路连通至电堆8的氢气出气端，第八管路上安装排氢阀9，排氢阀9信号连接至控制器，排氢阀9为电磁阀，流向混合器7的过量的空气能够稀释发动机工作期间电堆8的阳极通过排氢阀9排到混合器7的氢气，提高发动机氢安全性。
本发明的工作原理：控制器分别控制空压机2、旁通电磁阀5、背压阀6工作，冷空气先经过空气滤清器1过滤，再通过空压机2增压后，流向中冷器3，之后气体分为两部分：一部分气体依次经过第六管路、旁通电磁阀5后流入混合器(这部分气体能够有效避免了空压机2发生喘振现象，满足了空压机2怠速小负荷工作稳定性需求，还能够稀释发动机工作期间电堆8的阳极通过排氢阀9排到混合器7的氢气，提高发动机氢安全性)，另一部分气体经过第二管路后流入增湿器4内部，被增湿器4加湿的气体通过第三管路后流入电堆8内部；电堆8内气体自空气出气端经过第四管路流入增湿器4的第二进气端，依次经过第五管路、背压阀6后从混合器7的湿空气进气端进入混合器7中，最终从混合器7的出气端排到大气中，发动机工作期间电堆8的阳极排出氢气，氢气依次经过第八管路、排氢阀9后排到混合器7中，氢气被之前从第六管路流入混合器7的空气稀释，提高发动机氢安全性。
如图2所示，此空压机转速-压比-流量MAP图是根据将本发明在试验台上实测数据得到的(试验时空压机2输入电压为650V，实验转速为30000、40000、50000、60000、70000、80000、90000、95000r/min由低向高进行，每一转速下，从阻塞流量向喘振流量进行测试，每一等转速线测量不少于五个工况点，测试完成后，降下转速，关闭空压机2)，测试过程为现有技术，根据电堆要求，燃料电池发动机怠速工况时，电堆8所需空气的过量比为4，从而根据电堆8参数计算其所需空气流量为13.6g/s。在实际发动机怠速运行时，为了避免空压机2发生喘振现象，根据空压机转速-压比-流量MAP图其工作点选择远离喘振线，这样会使空气过量，如图2的A点所示：空压机2取40000r/min、压比1.4、流量25g/s(大于13.6g/s)工作点，此时空压机2工作远离喘振线，但空气过量比达7.4，远大于4，而过大的空气计量比将导致电堆8膜干，使其性能下降，所以需将过量的空气旁通放掉(通过第五管路放走过量空气)，需要旁通放掉的空气流量为11.4g/s(放掉过量空气的方法已经在上述工作原理中说明，在此就不再加以赘述)，根据旁通电磁阀5阀芯流通面积决定开启时间，通过控制器控制，满足发动机怠速运行空气流量需求。
本发明的控制方式是通过控制器来控制的，控制器的控制电路通过本领域的技术人员编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，其特征在于：包括空气滤清器(1)、空压机(2)、增湿器(4)、旁通电磁阀(5)和混合器(7)，空气滤清器(1)通过第一管路连通至中冷器(3)的进气端，第一管路上安装空压机(2)，中冷器(3)的出气端通过第二管路连通至增湿器(4)的第一进气端，增湿器(4)的第一出气端通过第三管路连通至电堆(8)的空气进气端，增湿器(4)的第二进气端通过第四管路连通至电堆(8)的空气出气端，增湿器(4)的第二出气端通过第五管路连通至混合器(7)的湿空气进气端，第五管路上安装背压阀(6)，混合器(7)的干空气进气端通过第六管路连通至第二管路，第六管路上安装旁通电磁阀(5)，混合器(7)的出气端通过第七管路连通至大气，空压机(2)、旁通电磁阀(5)、背压阀(6)分别信号连接至控制器。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，其特征在于：混合器(7)的氢气进气端通过第八管路连通至电堆(8)的氢气出气端，第八管路上安装排氢阀(9)，排氢阀(9)信号连接至控制器。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置，其特征在于：排氢阀(9)为电磁阀。
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