CN114204069A - 一种能量回收式燃料电池空气供应系统 - Google Patents
一种能量回收式燃料电池空气供应系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114204069A CN114204069A CN202111486596.7A CN202111486596A CN114204069A CN 114204069 A CN114204069 A CN 114204069A CN 202111486596 A CN202111486596 A CN 202111486596A CN 114204069 A CN114204069 A CN 114204069A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuel cell
- air
- way valve
- air compressor
- communicated
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 79
- 238000011084 recovery Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 11
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 9
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 claims description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 4
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 7
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 abstract description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 12
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04052—Storage of heat in the fuel cell system
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
- H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04858—Electric variables
- H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
- H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
- H02N11/002—Generators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明燃料电能量回收领域，公开了一种能量回收式燃料电池空气供应系统，包括燃料电池电堆、空压机、三通阀一、三通阀二、换热室、能够通过温差发电的温差发电模块，以及用于存储温差发电模块所发电能的储能模块；所述空压机的出气口与燃料电池电堆阴极侧进气口、三通阀二的第一口连通，燃料电池电堆阴极侧出气口与三通阀一的第三口连通，三通阀一的第二口为废气排气口，三通阀一的第一口与三通阀二的第三口连通，三通阀二的第二口与换热室的进气口连通；既可以将燃料电池发动机正常运行过程中燃料电池电堆产生的废气余热回收至蓄电池中，还可以在低负载工况下对空压机的冗余能量进行吸收，缓解离心式空压机的喘振。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电能量回收领域，具体涉及一种能量回收式燃料电池空气供应系统。
背景技术
伴随着“碳达峰，碳中和”的迫切要求，氢氧燃料电池作为一种零污染、利用率高、成本低的绿色能源技术，通过利用氢气与氧气发生化学反应产生的化学能转化成电能，为新能源汽车的开发和推广开辟了新的发展方向。空气供应系统通过空压机2、中冷器3等辅助部件向氢氧燃料电池供应适宜温度、湿度、压力的空气，进而影响氢氧燃料电池的输出性能。在实际应用过程中，所需的空压机2转速会随着负载工况条件的变化而改变，对应的空压机2产生的冗余能量和反应过程中产生的高温废气很难被回收利用，造成氢氧燃料电池的能量利用效率低，并且低工况负载下还可能会造成空压机2喘振现象，降低空压机2寿命，甚至威胁到燃料电池电堆5的正常运行。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种能量回收式燃料电池空气供应系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种能量回收式燃料电池空气供应系统，包括燃料电池电堆、空压机、三通阀一、三通阀二、换热室、能够通过温差发电的温差发电模块，以及用于存储温差发电模块所发电能的储能模块；
所述空压机的出气口与燃料电池电堆阴极侧进气口、三通阀二的第一口连通，燃料电池电堆阴极侧出气口与三通阀一的第三口连通，三通阀一的第二口为废气排气口，三通阀一的第一口与三通阀二的第三口连通，三通阀二的第二口与换热室的进气口连通；
燃料电池的负载为B时，空压机的功率为B1，其中B1为空压机不发生喘振的最小功率；
当燃料电池的负载小于B时，空压机的功率为B1，此时空压机产生冗余空气，控制三通阀二的开度使空压机的冗余气体进入换热室，控制三通阀一的开度阻断三通阀二第三口与燃料电池电堆阴极侧出气口的连通；
燃料电池的负载大于或者等于B时，空压机的功率随着燃料电池负载的增大而增加，且空压机的功率大于或者等于B1，此时空压机无冗余空气产生，控制三通阀二开度使空压机气体完全不进入三通阀二，控制三通阀一开度使进入三通阀一的气体进入换热室。
进一步地，包括空气过滤器；所述空压机的进气口与空气过滤器连通；空气过滤器能够去除空气中的颗粒杂质。
进一步地，包括中冷器和膜加湿器；所述中冷器的进气口与空压机的出气口连通，且出气口与燃料电池电堆阴极侧进气口连通；膜加湿器设置在中冷器与燃料电池电堆连通的管路、以及三通阀一与燃料电池电堆连通的管路上；中冷器能够调节空气的温度，膜加湿器用于调节空气的湿度。
进一步地，所述换热室由可以隔绝换热室内外热量交换的绝热材料制成；换热室设置有相变材料，相变材料吸收换热室内气体的热量，并将热量传递给温差发电模块用于发电。
进一步地，所述温差发电模块包括导热片、半导体温差发电机；所述导热片一端与相连材料连接，且另一端与半导体温差发电机连接。
进一步地，储能模块包括蓄电池以及DC/DC变换器；DC/DC变换器的一端与半导体温差发电机电连接，且另一端与蓄电池电连接。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明设计了一种基于温差发电的余热回收方案，既可以将燃料电池发动机正常运行过程中燃料电池电堆产生的废气余热回收至蓄电池中，还可以在低负载工况下对空压机的冗余能量进行吸收，缓解离心式空压机的喘振，实现了全功率范围内空气供应系统能量回收，提高氢氧燃料电池系统整体能量利用效率。
附图说明
图1为本发明空气供应系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
如图1所示，本发明中的空气供应系统包括空气过滤器1、空压机2、中冷器3、膜加湿器4、燃料电池电堆5、三通阀一8、三通阀二7、导热片9、热端10、冷端11、风扇12、换热室6、DC/DC变换器13、蓄电池14、控制器。
本发明中相互连通的两个部件之间能够以气体管道形式连通。
本发明中的燃料电池为氢氧燃料电池，氢氧燃料电池电堆通过催化氢气与氧气之间的电化学反应，将化学能转化为电能，作为氢氧燃料电池汽车的动力来源；空气从燃料电池电堆的阴极侧进气口流入、阴极侧出气口流出。
空气过滤器1、空压机2、中冷器3、膜加湿器4、三通阀一8构成燃料电池电堆5的空气供应模块；空气供应模块通过空气过滤器1对环境中的空气进行过滤、通过空压机2对空气进行压缩、通过中冷器3对空气降温、通过膜加湿器4对空气加湿，使空气达到合适的温度、压强、湿度，并且在燃料电池电堆5中与氢气发生反应后，从燃料电池电堆5阴极侧出口排出。
所述的空气供应模块在不同的负载工况条件，根据燃料电池电堆5的输出功率，调整空气流量输入。
温差发电模块从高温气体中吸收热量，并将热能转换成电能存储到蓄电池14当中。换热室由可以隔绝换热室内外热量交换的绝热材料制成；换热室设置有相变材料，相变材料吸收换热室内气体的热量，并将热量传递给温差发电模块用于发电。
具体来说，温差发电模块包括导热片9、半导体温差发电机、风扇12；半导体温差发电机包括冷端11、热端10、导热片9、P型半导体、N型半导体。当热量从导热片9传递到热端10，热端10与冷端11之间的温度差会造成半导体中自由电子的扩散，从而产生电势差，输出电能。
三通阀一8、三通阀二7均为电磁三通阀，均有三个可以与其他部件连通的口，电磁三通阀可以控制三个口的连通关系；控制器与三通阀一8、三通阀二7信号连接，能够控制三通阀一8、三通阀二7的阀门开度，实现对燃料电池空气供应系统的能量选择性回收。
空压机2的功率是随着燃料电池负载的大小变化的，当燃料电池负载大时，需要的空气量大，此时空压机2的功率相应增大；当燃料电池负载小时，需要的空气量小，此时空压机2的功率相应减小。燃料电池最大负载为A时，空压机2的功率为A1；燃料电池的负载为B时，空压机2的功率为B1，其中B1为空压机2不发生喘振的最小功率；也就是说，即使燃料电池的负载小于B，为了保证空压机2不发生喘振，空压机2的功率仍然需要保持在B1。所以根据空压机2是否产生冗余空气，分为两种情况：
第一种情况：为防止空压机2发生喘振现象，当燃料电池的负载小于B时，空压机2的功率为B1；此时空压机2产生冗余空气，控制三通阀二7的开度使空压机2的冗余气体进入换热室，控制三通阀一的开度阻断三通阀二7第三口与燃料电池电堆5阴极侧出气口的连通，防止换热室中冗余空气通过膜加湿器窜入燃料电池电堆5中，对燃料电池电堆5产生破坏，影响氢氧燃料电池的正常寿命；此时燃料电池电堆流出的气体，由三通阀一的第二口排出。
第二种情况：燃料电池的负载大于或者等于B时，空压机2的功率随着燃料电池负载的增大而增加，且空压机2的功率大于或者等于B1，燃料电池达到最大负载A时，空压机2的功率为A1；这种情况下空压机2无冗余空气产生，控制三通阀二7开度使空压机2气体完全不进入三通阀二7，控制三通阀一8开度使进入三通阀一8的气体进入换热室；既防止空压机输出空气窜入换热室，也防止换热室中的废气窜入空气供应模块，保证燃料电池电堆5功率正常输出。
本发明既可以回收燃料电池发动机正常运行过程中燃料电池电堆5产生的废气余热，还可以吸收低负载工况下空压机2的冗余能量，缓解离心式空压机2的喘振现象，实现了全功率范围内空气供应系统的能量回收，提高氢氧燃料电池系统整体能量利用效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种能量回收式燃料电池空气供应系统，其特征在于：包括燃料电池电堆、空压机、三通阀一、三通阀二、换热室、能够通过温差发电的温差发电模块，以及用于存储温差发电模块所发电能的储能模块；
所述空压机的出气口与燃料电池电堆阴极侧进气口、三通阀二的第一口连通，燃料电池电堆阴极侧出气口与三通阀一的第三口连通，三通阀一的第二口为废气排气口，三通阀一的第一口与三通阀二的第三口连通，三通阀二的第二口与换热室的进气口连通；
燃料电池的负载为B时，空压机的功率为B1，此时空压机不产生冗余空气，其中B1为空压机不发生喘振的最小功率；
当燃料电池的负载小于B时，空压机的功率仍保持为B1，此时空压机产生冗余空气，控制三通阀二的开度使空压机的冗余气体进入换热室，控制三通阀一的开度阻断三通阀二第三口与燃料电池电堆阴极侧出气口的连通；
燃料电池的负载大于或者等于B时，空压机的功率随着燃料电池负载的增大而增加，且空压机的功率大于或者等于B1，此时空压机无冗余空气产生，控制三通阀二开度使空压机气体完全不进入三通阀二，控制三通阀一开度使进入三通阀一的气体进入换热室。
2.根据权利要求1所述能量回收式燃料电池空气供应系统，其特征在于：包括空气过滤器；所述空压机的进气口与空气过滤器连通。
3.根据权利要求1所述能量回收式燃料电池空气供应系统，其特征在于：包括中冷器和膜加湿器；所述中冷器的进气口与空压机的出气口连通，且出气口与燃料电池电堆阴极侧进气口连通；膜加湿器设置在中冷器与燃料电池电堆连通的管路、以及三通阀一与燃料电池电堆连通的管路上。
4.根据权利要求1所述能量回收式燃料电池空气供应系统，其特征在于：所述换热室由能够隔绝换热室内外热量交换的绝热材料制成；换热室内设置有相变材料，相变材料吸收换热室内气体的热量，并将热量传递给温差发电模块用于发电。
5.根据权利要求4所述能量回收式燃料电池空气供应系统，其特征在于：所述温差发电模块包括导热片、半导体温差发电机；所述导热片一端与相连材料连接，且另一端与半导体温差发电机连接。
6.根据权利要求5所述能量回收式燃料电池空气供应系统，其特征在于：储能模块包括蓄电池以及DC/DC变换器；DC/DC变换器的一端与半导体温差发电机电连接，且另一端与蓄电池电连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111486596.7A CN114204069A (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种能量回收式燃料电池空气供应系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111486596.7A CN114204069A (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种能量回收式燃料电池空气供应系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114204069A true CN114204069A (zh) | 2022-03-18 |
Family
ID=80651176
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111486596.7A Withdrawn CN114204069A (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种能量回收式燃料电池空气供应系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114204069A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115064727A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-09-16 | 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 | 一种燃料电池发动机的空气供气系统、控制方法及飞机 |
| CN116442874A (zh) * | 2023-06-16 | 2023-07-18 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种燃料电池系统余热的利用装置、方法及汽车 |
-
2021
- 2021-12-07 CN CN202111486596.7A patent/CN114204069A/zh not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115064727A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-09-16 | 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 | 一种燃料电池发动机的空气供气系统、控制方法及飞机 |
| CN115064727B (zh) * | 2022-07-19 | 2023-12-22 | 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 | 一种燃料电池发动机的空气供气系统、控制方法及飞机 |
| CN116442874A (zh) * | 2023-06-16 | 2023-07-18 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种燃料电池系统余热的利用装置、方法及汽车 |
| CN116442874B (zh) * | 2023-06-16 | 2023-09-26 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种燃料电池系统余热的利用装置、方法及汽车 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111211338B (zh) | 一种高压质子交换膜燃料电池动力系统 | |
| CN103259031B (zh) | 一种质子交换膜燃料电池启动和停机控制方法 | |
| US8263279B2 (en) | Apparatus for optimized cooling of a drive unit and a fuel cell in a fuel cell vehicle | |
| CN112635793B (zh) | 一种双堆双循环的燃料电池系统 | |
| CN213660456U (zh) | 燃料电池散热系统 | |
| CN111403772A (zh) | 一种燃料电池冷启动装置及其控制方法 | |
| CN114204069A (zh) | 一种能量回收式燃料电池空气供应系统 | |
| CN113488681A (zh) | 一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统 | |
| CN103078125B (zh) | 一种水冷封闭型燃料电池电堆 | |
| CN111613813A (zh) | 一种燃料电池空气供给系统及其泄压控制方法 | |
| CN113851670A (zh) | 一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供方法 | |
| CN113839066A (zh) | 一种多电堆集成的长寿命燃料电池系统 | |
| CN112599832B (zh) | 一种车用质子交换膜燃料电池发动机的双电堆发电模块 | |
| CN207490021U (zh) | 一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统 | |
| CN100468076C (zh) | 具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统 | |
| CN109728324A (zh) | 一种带有冷却水水质控制的新能源客车燃料电池系统 | |
| CN116779909B (zh) | 一种燃料电池空气供给系统 | |
| CN201191632Y (zh) | 一种大功率燃料电池堆冷却系统 | |
| CN100511790C (zh) | 一种具有自起动功能的燃料电池发电系统 | |
| CN203119030U (zh) | 一种水冷封闭型燃料电池电堆 | |
| CN201191633Y (zh) | 燃料电池氢气循环利用装置 | |
| CN111883801A (zh) | 一种燃料电池空气系统 | |
| KR20100062093A (ko) | 왕복동 엔진의 과급기와 배기 가스를 이용한 연료전지 시스템 | |
| CN220873631U (zh) | 燃料电池热管理系统及车辆 | |
| CN214313274U (zh) | 便携式质子交换膜氢燃料电堆系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220318 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |