CN114388843B - 一种燃料电池系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及控制方法，燃料电池系统包括电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，冷却系统里面包括水泵，水泵驱动冷却液不断流动以带走热量，其特征在于：水泵是一种集成膨胀机的水泵，包括膨胀机、水泵泵体、水泵电机和水泵控制器，水泵控制器控制水泵电机工作，膨胀机耦合到水泵电机的转轴的一端，水泵电机的转轴的另一端耦合水泵泵体，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力，该结构布置合理、简单，有效解决燃料电池系统尾排气能量回收问题，利用率高，有效提高燃料电池系统效率。

Description

一种燃料电池系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及控制方法。
背景技术
燃料电池是一种通过氢气和氧气电化学反应产生电能的能量转换装置,具有能量转换效率高，结构简单、低噪音、无污染等优点。燃料电池通常工作在较高的操作压力下，即，进入电堆的空气需要被压缩到一定的压力，其中的氧气与电堆阳极的氢气进行电化学反应，产生电，并生成水和热量。前燃料电池普遍将反应完的气体通过尾排直接排出，不对尾排气做任何处理。但反应完排出的尾排气仍有较高的压力，这部分压力和温度高于大气的气体携带有较高的能量，导致燃料电池系统能效利用率较低的。
为了解决以上问题，也有部分采用带有涡轮膨胀机的空气压缩机，通过涡轮膨胀机回收排放出来的尾排气中的能量，降低空气压缩机的功耗,进而提高燃料电池系统的效率。
现有技术中，一些技术方案是利用尾排气输入膨胀机再驱动空气压缩机，涡轮膨胀机通常与空气压缩机同轴设计为一体，空气压缩机为单极离心式。离心式空压机通常采用空气轴承，集成膨胀机后，会对空气轴承的稳定性带来一些干扰。随着燃料电池系统功率的增大，对空气压力和流量的要求也越来越高，目前普遍采用双极离心式空压机，两级空气压缩机泵的头分别位于空压机电机的两端，对膨胀机的集成就会很复杂，有很大的难度，且造成一定的性能不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统及控制方法，能解决现有技术中燃料电池的电堆模块排出的尾排气输入到膨胀机，而膨胀机耦合到空气压缩机，但由于空气压缩机本身的技术要求高，现有产品的空气压缩机的驱动电机已经是双轴伸连接负载，集成膨胀机的技术难度大，造成一定的性能不足，能效利用率较低的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
一种燃料电池系统，包括电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，冷却系统里面包括水泵，水泵驱动冷却液不断流动以带走热量，其特征在于：水泵是一种集成膨胀机的水泵，包括膨胀机、水泵泵体、水泵电机和水泵控制器，水泵控制器控制水泵电机工作，膨胀机耦合到水泵电机的转轴的一端，水泵电机的转轴的另一端耦合水泵泵体，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力。
上述的电堆模块的输出端通过DC-DC升压变换器与高压电平台电连接，电堆模块输出的电能经过DC-DC升压变换器处理后存储在高压电平台中。
上述所述的水泵电机是集成电动机与发电机功能的一体机，水泵电机通过高压母线与蓄电池电连接，蓄电池提供的电能通过水泵控制器使水泵电机带动水泵泵体工作，或者膨胀机带动水泵泵体工作，或者膨胀机通过水泵电机和水泵控制器向蓄电池充电从而实现能量回收。
上述的膨胀机与水泵泵体同轴设置并布置在水泵电机的两端。
上述的膨胀机采用涡轮式膨胀机。
上述的水泵控制器直流输入源接入蓄电池高压母线。
上述的水泵泵体包括泵壳，泵壳里面设置泵腔，泵腔里面安装叶轮，泵壳上设置进水口与出水口与泵腔连通，水泵电机的转轴的另一端安装上叶轮。
上述的膨胀机的输出功率为P1，水泵泵体输出功率为P2，水泵控制器根据其输出功率为P1、水泵泵体输出功率为P2来控制水泵电机工作。
上述当膨胀机的输出功率P1小于水泵泵体输出功率P2，蓄电池输出电能驱动水泵电机，以补偿P1与P2之间的功率差值；当膨胀机的输出功率P1等于水泵泵体输出功率P2，由膨胀机提供全部水泵泵体所需功率；当膨胀机的输出功率P1大于水泵泵体输出功率P2时，膨胀机提供水泵泵体需求功率的同时，通过驱动水泵电机发电，对系统能量进行回收利用并传输到高压母线。
上述的水泵控制器里面有水泵泵体的设定工作转速V1，水泵泵体的设定工作转速V1是根据冷却系统要求而定，当膨胀机驱动水泵泵体未达到设定工作转速V1，蓄电池输出电能驱动水泵电机，以使水泵泵体达到设定工作转速V1；当膨胀机驱动水泵泵体达到设定工作转速V1时，由膨胀机独立驱动水泵泵体；当膨胀机驱动水泵泵体超过设定工作转速V1时，膨胀机提供水泵泵体需求功率的同时，通过驱动水泵电机发电，对系统能量进行回收利用并存储在高压电平台中。
上述的空气供应系统包括空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口；从电堆模块排出的尾排气再次经过增湿器的增湿处理、流经背压阀、除湿装置后送到水泵中的膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却液的流动提供动力。
上述的冷却系统包括恒温阀、散热器、加热器和水泵，散热器和加热器利用管路并联起来由恒温阀控制冷却液流向散热器或者加热器；水泵主要是为冷却液的流动提供动力。
上述的DC-DC升压变换器与蓄电池之间通过高压母线电连接，空气压缩机和水泵与高压母线电连接。
一种燃料电池系统的控制方法，所述的燃料电池系统是上述的燃料电池系统,其特征在于：其工作运行控制如下：
步骤1：在燃料电池系统启动前，水泵泵体通过蓄电池高压母线传输的能量转动；
步骤2：在燃料电池系统启动后，运行在较小功率时，尾排气的压力及热量均比较小，此时，膨胀机驱动水泵泵体的转速达不到燃料电池系统对水泵泵体的转速要求，膨胀机和蓄电池共同为水泵泵体提供能量；
步骤3：燃料电池系统运行在中小功率时，尾排气的压力及热量均稍大，此时，膨胀机驱动水泵泵体的转速达到燃料电池系统对水泵泵体的转速要求，膨胀机单独为水泵泵体提供能量；
步骤4：燃料电池系统运行在大功率时，尾排气的压力及热量均非常大，此时，膨胀机驱动水泵泵体的转速大于燃料电池系统对水泵泵体的转速要求，膨胀机为水泵泵体转动提供能量的同时通过水泵电机和水泵控制器向高压母线进行能量回收的传输，将回收的电能存储在高压电平台。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1）一种燃料电池系统，包括电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，冷却系统里面包括水泵，水泵驱动冷却液不断流动以带走热量，其特征在于：水泵是一种集成膨胀机的水泵，包括膨胀机、水泵泵体、水泵电机和水泵控制器，水泵控制器控制水泵电机工作，膨胀机耦合到水泵电机的转轴的一端，水泵电机的转轴的另一端耦合水泵泵体，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力，由于水泵的技术要求较低，集成膨胀机较为容易，结构简单，布局合理，带膨胀机的水泵以减少输入功率和回收能量为目标， 可以方便实施有效的控制策略，有效解决燃料电池系统尾排气能量回收问题，能量利用率高，有效提高燃料电池系统效率。
2）本发明的燃料电池系统的控制方法，控制策略简单有效，能有效提高燃料电池系统效率。
3）本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明
图1是为现有技术的燃料电池原理方框图；
图2是为本发明实施例一燃料电池系统的原理方框图；
图3是为本发明实施例一燃料电池系统的电气连接示意图；
图4是为本发明实施例一燃料电池系统的水泵的结构方框图；
图5是为本发明实施例一燃料电池系统的水泵的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1、图2所示，燃料电池系统一般包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，供氢系统的输出端连接到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气；空气供应系统的输出端连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气；电堆模块的设置出氢口输出反应后的混合气体，混合气体水汽分离器进行水汽分离,分离出氢气、水汽和废气，分离后的氢气经过氢气循环泵重新输入到电堆模块的氢气入口，分离后的水汽和废气作为尾排气直接排出。电堆模块、供氢系统、空气供应系统和冷却系统受燃料电池系统控制器控制。上述的空气供应系统包括空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口；供氢系统包括比例阀、截止阀、泄压阀；高压氢气经过比例阀、截止阀，然后送到电堆模块的氢气入口；冷却系统包括恒温阀、散热器、加热器和水泵，散热器和加热器利用管路并联起来由恒温阀控制冷却液流向散热器或者加热器；水泵主要是为冷却液的流动提供动力。
如图2和图3、图4、图5所示，本实施例提供一种燃料电池系统，包括电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，冷却系统里面包括水泵，水泵驱动冷却液不断流动以带走热量，其特征在于：水泵是一种集成膨胀机的水泵，包括膨胀机1、水泵泵体2、水泵电机3和水泵控制器4，水泵控制器4控制水泵电机3工作，膨胀机1耦合到水泵电机3的转轴的一端，水泵电机3的转轴31的另一端耦合水泵泵体2，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机1，通过膨胀机1做功带动水泵泵体2运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力。由于水泵的技术要求较低，集成膨胀机较为容易，结构简单，布局合理，带膨胀机的水泵以减少输入功率和回收能量为目标， 可以方便实施有效的控制策略，有效解决燃料电池系统尾排气能量回收问题，能量利用率高，有效提高燃料电池系统效率。燃料电池的水泵功能单一，仅用于燃料电池电堆模块及系统部件的散热，功率较小，一般小于排放尾排气中蕴含的能量回收后带来的功率，方便制定控制策略及能量回收。
电堆模块的输出端通过DC-DC升压变换器与高压电平台电连接，电堆模块输出的电能经过DC-DC升压变换器处理后存储在高压电平台中。所述的水泵电机3是集成电动机与发电机功能的一体机，水泵电机3通过高压母线与蓄电池5电连接，蓄电池5提供的电能通过水泵控制器4使水泵电机3带动水泵泵体2工作，或者膨胀机1带动水泵泵体2工作，或者膨胀机1通过水泵电机3和水泵控制器4向蓄电池5充电从而实现能量回收。形成多种工作模式，便于制定各种控制策略，提高燃料电池系统效率。
本发明的高压电平台已经与DC-DC升压变换器是集成在一起，处于同一个箱体里面，DC-DC升压变换器的输出端连接到高压电平台的输入端，高压电平台的输出端连接在高压母线上，高压电平台是一个高压配电模块PDU，连接各个负载，用于为各负载供电，所述的负载包括空气压缩机、水泵、氢气循环泵、辅助DCDC等。
上述的膨胀机1与水泵泵体2同轴设置并布置在水泵电机3的两端，结构布置合理、紧奏。膨胀机与水泵电机转轴之间通过一减速装置连接。
上述的膨胀机1采用涡轮式膨胀机1，结构简单，方便集成。
上述的水泵控制器4直流输入源接入蓄电池5高压母线。蓄电池5是蓄电池，连接方便。
上述的水泵泵体2包括泵壳21，泵壳21里面设置泵腔22，泵腔22里面安装叶轮23，泵壳21上设置进水口211与出水口212与泵腔22连通，水泵电机3的转轴31的另一端安装上叶轮23，结构简单。
上述膨胀机1的输出功率为P1，水泵泵体2输出功率为P2，水泵控制器4根据其输出功率为P1、水泵泵体2输出功率为P2来控制水泵电机3工作。当膨胀机1的输出功率P1小于水泵泵体2输出功率P2，蓄电池5输出电能驱动水泵电机3，以补偿P1与P2之间的功率差值；当膨胀机1的输出功率P1等于水泵泵体2输出功率P2，由膨胀机1提供全部水泵泵体2所需功率；当膨胀机1的输出功率P1大于水泵泵体2输出功率P2时，膨胀机1提供水泵泵体2需求功率的同时，通过驱动水泵电机3发电，对系统能量进行回收利用并传送到高压母线中，这些回收并传送到高压母线的能量可以用来供应连接在高压电平台上的各种负载，也可以存储在蓄电池5中。
当然，为了控制更加简单，水泵控制器4根据水泵泵体2的实时转速与设定转速之差来做出控制策略。水泵控制器4里面有水泵泵体2的设定工作转速V1，水泵泵体2的设定工作转速V1是根据冷却系统要求而定，当膨胀机1驱动水泵泵体2未达到设定工作转速V1，蓄电池5输出电能驱动水泵电机3，以使水泵泵体2达到设定工作转速V1；当膨胀机1驱动水泵泵体2达到水泵泵体2的设定工作转速V1时，由膨胀机1独立驱动水泵泵体2；当膨胀机1驱动水泵泵体2超过设定工作转速V1时，膨胀机1提供水泵泵体2需求功率的同时，通过驱动水泵电机3发电，对系统能量进行回收利用并存储在高压电平台中，控制策略更加简化且有效实施能量回收及充分利用尾排气做工，提高燃料电池系统的能效指标。
本发明的工作原理：在燃料电池系统启动前，特别是冷启动前，需要水泵泵体2能独立转动，此时，水泵泵体2正常通过蓄电池5高压母线传输的能量转动；在燃料电池系统启动后，运行在较小功率时，尾排气的压力及热量均比较小，此时，膨胀机1驱动水泵泵体2的转速可能达不到系统对水泵泵体2的转速要求，膨胀机1和蓄电池5共同为水泵泵体2提供能量；燃料电池系统运行在中小功率时，尾排气的压力及热量均稍大，此时，膨胀机1驱动水泵泵体2的转速达到系统对水泵泵体2的转速要求，膨胀机1单独为水泵泵体2提供能量；燃料电池系统运行在大功率时，尾排气的压力及热量均非常大，此时，膨胀机1驱动水泵泵体2的转速大于系统对水泵泵体2的转速要求，膨胀机1为水泵泵体2转动提供能量的同时通过水泵电机3和水泵控制器4向高压母线进行能量回收的传输，有效解决燃料电池系统尾排气能量回收问题，有效提高燃料电池系统效率。
本发明的控制策略：a、燃料电池系统预启动阶段：蓄电池5通过高压母线为水泵泵体2转动提供能量来源；b、燃料电池系统启动后：膨胀机1驱动水泵泵体2旋转，同时蓄电池5利用高压母线为水泵泵体2提供能量来源，水泵控制器4根据系统的散热需求水泵泵体2需求转速进行输出能量的控制。
电堆模块的中氢气与空气中的氧气反应后形成尾排气，从电堆模块排出的尾排气再次经过增湿器的增湿处理、流经背压阀、除湿装置后送到水泵中的膨胀机1，通过膨胀机1做功带动水泵泵体2运转，为冷却液的流动提供动力。
为了进一步简化控制策略， 燃料电池系统分为连个阶段：一是预启动阶段；二是：燃料电池系统启动后的阶段，因此控制策略分为2步：
a、燃料电池系统预启动阶段：蓄电池通过高压母线为水泵转动提供能量来源；
b、燃料电池系统启动后阶段：膨胀机驱动水泵旋转，同时蓄电池的高压母线为水泵提供能量来源，水泵控制器根据系统的散热需求设定水泵需求转速进行输出能量的控制。
实施例二：
一种燃料电池系统的控制方法，所述的燃料电池系统是实施例一所述的一种燃料电池系统,其特征在于：其运行控制如下：
步骤1：在燃料电池系统启动前，水泵泵体2通过蓄电池5高压母线传输的能量转动；
步骤2：在燃料电池系统启动后，运行在较小功率时，尾排气的压力及热量均比较小，此时，膨胀机1驱动水泵泵体2的转速达不到燃料电池系统对水泵泵体2的转速要求，膨胀机1和蓄电池5共同为水泵泵体2提供能量；
步骤3：燃料电池系统运行在中小功率时，尾排气的压力及热量均稍大，此时，膨胀机1驱动水泵泵体2的转速达到燃料电池系统对水泵泵体2的转速要求，膨胀机1单独为水泵泵体2提供能量；
步骤4：燃料电池系统运行在大功率时，尾排气的压力及热量均非常大，此时，膨胀机1驱动水泵泵体2的转速大于燃料电池系统对水泵泵体2的转速要求，膨胀机1为水泵泵体2转动提供能量的同时通过水泵电机3和水泵控制器4向高压母线进行能量回收的传输。
本发明的控制策略简单有效，能有效提高燃料电池系统效率。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，冷却系统包括恒温阀、散热器、加热器和水泵，散热器和加热器利用管路并联起来由恒温阀控制冷却液流向散热器或者加热器；水泵为冷却液的流动提供动力，水泵驱动冷却液不断流动以带走热量，其特征在于：水泵是一种集成膨胀机的水泵，包括膨胀机(1)、水泵泵体(2)、水泵电机(3)和水泵控制器(4)，水泵控制器(4)控制水泵电机(3)工作，膨胀机(1)耦合到水泵电机(3)的转轴的一端，水泵电机(3)的转轴的另一端耦合水泵泵体(2)，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机(1)，通过膨胀机(1)做功带动水泵泵体(2)运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力；所述的水泵电机(3)是集成电动机与发电机功能的一体机，水泵电机(3)通过高压母线与蓄电池(5)电连接，蓄电池(5)提供的电能通过水泵控制器(4)使水泵电机(3)带动水泵泵体(2)工作，或者膨胀机(1)带动水泵泵体(2)工作，或者膨胀机(1)通过水泵电机(3)和水泵控制器(4)向蓄电池(5)充电从而实现能量回收；水泵控制器(4)里面有水泵泵体(2)的设定工作转速V1，水泵泵体(2)的设定工作转速V1是根据冷却系统要求而定，当膨胀机(1)驱动水泵泵体(2)未达到设定工作转速V1，蓄电池(5)输出电能驱动水泵电机(3)，以使水泵泵体(2)达到设定工作转速V1；当膨胀机(1)驱动水泵泵体(2)达到水泵泵体(2)的设定工作转速V1时，由膨胀机(1)独立驱动水泵泵体(2)；当膨胀机(1)驱动水泵泵体(2)超过设定工作转速V1时，膨胀机(1)提供水泵泵体(2)需求功率的同时，通过驱动水泵电机(3)发电，对系统能量进行回收利用并存储在高压电平台中。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电堆模块的输出端通过DC-DC升压变换器与高压电平台电连接，电堆模块输出的电能经过DC-DC升压变换器处理后存储在高压电平台中。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于：膨胀机(1)与水泵泵体(2)同轴设置并布置在水泵电机(3)的两端。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：膨胀机(1)采用涡轮式膨胀机。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：水泵控制器(4)直流输入源接入蓄电池(5)高压母线。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种燃料电池系统，其特征在于：水泵泵体(2)包括泵壳(21)，泵壳(21)里面设置泵腔(22)，泵腔(22)里面安装叶轮(23)，泵壳(21)上设置进水口(211)与出水口(212)与泵腔(22)连通，水泵电机(3)的转轴(31)的另一端安装上叶轮(23)。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统，其特征在于：空气供应系统包括空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空气压缩机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口；从电堆模块排出的尾排气再次经过增湿器的增湿处理、流经背压阀、除湿装置后送到水泵中的膨胀机(1)，通过膨胀机(1)做功带动水泵泵体(2)运转，为冷却液的流动提供动力。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池系统，其特征在于：DC-DC升压变换器与蓄电池(5)之间通过高压母线电连接，空气压缩机和水泵与高压母线电连接。
9.一种燃料电池系统的控制方法，所述的燃料电池系统是权利要求1至8所述的任意一种燃料电池系统，其特征在于：其运行控制如下：
步骤1：在燃料电池系统启动前，水泵泵体(2)通过蓄电池(5)高压母线传输的能量转动；
步骤2：在燃料电池系统启动后，运行在较小功率时，尾排气的压力及热量均比较小，此时，膨胀机(1)驱动水泵泵体(2)的转速达不到燃料电池系统对水泵泵体(2)的转速要求，膨胀机(1)和蓄电池(5)共同为水泵泵体(2)提供能量；
步骤3：燃料电池系统运行在中小功率时，尾排气的压力及热量均稍大，此时，膨胀机(1)驱动水泵泵体(2)的转速达到燃料电池系统对水泵泵体(2)的转速要求，膨胀机(1)单独为水泵泵体(2)提供能量；
步骤4：燃料电池系统运行在大功率时，尾排气的压力及热量均非常大，此时，膨胀机(1)驱动水泵泵体(2)的转速大于燃料电池系统对水泵泵体(2)的转速要求，膨胀机(1)为水泵泵体(2)转动提供能量的同时通过水泵电机(3)和水泵控制器(4)向高压母线进行能量回收的传输。
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