CN114678573A - 一种具有能量回收的燃料电池系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有能量回收的燃料电池系统及控制方法，包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，还包括膨胀机组件，膨胀机组件包括发电机、膨胀机和发电机控制器，发电机控制器控制发电机工作，发电机和膨胀机耦合在一起，从电堆模块排出的尾排气进入中冷器并作为中冷器的冷却源，利用尾排气对进入中冷器的高温压缩空气进行热交换，经过热交换后的尾排气从中冷器排出并输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动发电机转动进行发电提供电能，膨胀机不再连接空压机，减少膨胀机与空压机之间输送不稳定现象，结构简单，布局合理，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。

Description

一种具有能量回收的燃料电池系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种具有能量回收的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。燃料电池一般需要供氢系统、空气供应系统和冷却系统三大辅助系统。在空气供应系统中，为了保证燃料电池电堆内空气的供应量，一般都会使用空压机对空气进行增压以提高供气效率，但空压机出口排出的空气温度高达170℃-180℃，而燃料电池电堆要求的进气温度一般不高于80℃。因此，在高温空气进入燃料电池电堆之前，一般需要使用中冷器，用于对高温空气进行降温，以满足燃料电池电堆的空气进气温度要求。中冷器将空压机出口排出的170℃-180℃高温空气降到至燃料电池电堆要求的温度，则需要消耗冷却系统中的冷却功耗，或者其它功耗。另外，燃料电池运行时会排放较高压力和温度的气体，这部分压力和温度高于大气的气体，携带有较高的能量，通常会直接排出，不对尾气做任何处理，如此，这一部分的能量将被白白浪费。
所以需要设计一种具有能量回收的燃料电池空气供应系统，空气供应系统中的中冷器不需要消耗冷却系统中的冷却功耗，也能将空压机出口排出的170℃-180℃高温空气降到至燃料电池电堆要求的温度，并且能够回收燃料电池尾排气体中所蕴含的能量。
现有技术中，空气供应系统大部分都是利用水冷中冷器，从冷却系统中引入冷却液进入中冷器中，与空压机出口的高温空气进行热交换，将空压机出口的空气温度降至燃料电池电堆要求的温度，此方法将冷却系统的冷却负担，增加冷却系统中散热器的功耗。另外，在专利CN113809354A中，膨胀机与空压机的转轴连接于一体，因燃料电池尾排气体的气流和压力是不稳定，造成膨胀机内旋转叶片转动也是不稳定，进而造成空压机的转动时将会出现不稳定的抖动，难以有效精准的控制空压机的稳定转动，输出稳定的气流，但是燃料电池送入的空气必须精准的控制它的流量和压力，才能保证燃料电池的正常运行，输出稳定的电流。
发明内容：
本发明的目的是提供一种具有能量回收的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，膨胀机与空压机的转轴连接于一体，因燃料电池尾排气体的气流和压力是不稳定，造成膨胀机内旋转叶片转动也是不稳定，进而造成空压机的转动时将会出现不稳定的抖动，难以有效精准的控制空压机的稳定转动，造成一定的性能不足，且能效利用率较低的的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
一种具有能量回收的燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，其特征在于：还包括膨胀机组件，膨胀机组件包括发电机、膨胀机和发电机控制器，发电机控制器控制发电机工作，发电机和膨胀机耦合在一起，空气供应系统包括空压机和中冷器，外部空气经过空压机压缩形成高温压缩空气再经过中冷器的冷却后送到电堆模块的空气入口，从电堆模块排出的尾排气进入中冷器并作为中冷器的冷却源，利用尾排气对进入中冷器的高温压缩空气进行热交换，经过热交换后的尾排气从中冷器排出并输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动发电机转动进行发电提供电能。
上述所述的发电机产生的电能通过控制器输出直流电为储能装置充电或者为其他用电设备供电从而实现能量回收。
上述所述的膨胀机与电机同轴连接。
上述所述的膨胀机组件还包括变速装置，发电机与膨胀机分别耦合在变速装置的两端，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变速装置，变速装置起到变速作用，进而带动发电机转动发电提供电能。
上述所述的空气供应系统还包括空气过滤器、流量计、空压机和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，从膨胀机排出的尾排气经过增湿器处理后排出，尾排气体再进入到增湿器内，为进入电堆模块的空气进行加湿，保证进入电堆模块的空气湿度要求，同时在增湿器内再一次进行热交换，进一步降低送入电堆模块入口的空气温度。
上述所述的电堆模块的空气出口排出尾排气经过一个背压阀后进入中冷器的冷却入口，经过热交换后从中冷器的冷却出口排出。
上述所述的从膨胀机排出的尾排气经过增湿器处理后再经过消音器处理后排出。
上述所述的尾排气包括从电堆模块的空气出口排出的气体。
上述所述的尾排气还包括从电堆模块的氢气出口排出的混合气体经过水汽分离器分离后的部分气体。
一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于：所述的燃料电池系统是上述所述的一种燃料电池系统，该燃料电池系统还包括温度传感器和燃料电池系统控制器，电堆模块的空气出口排出尾排气经过一个背压阀后进入中冷器的冷却入口，电堆模块的空气入口处设有温度传感器，温度传感器检测电堆模块的空气入口处的空气温度，温度传感器将检测的温度信号传送到燃料电池系统控制器中，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器；
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度高于某个设定温度值T1时，燃料电池系统控制器控制空压机及背压阀，降低空压机的转速从而降低空压机输出高温压缩空气的温度及压缩比，将背压阀的流道拓宽增加进入中冷器的尾排气的量，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度低于某个设定温度值T2时，燃料电池系统控制器控制空压机及背压阀，提升空压机的转速从而提高空压机输出高温压缩空气的温度及压缩比，将背压阀的流道缩窄减少进入中冷器的尾排气的量，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
所述的设定温度值T1大于设定温度值T2。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)一种具有能量回收的燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，其特征在于：还包括膨胀机组件，膨胀机组件包括发电机、膨胀机和发电机控制器，发电机控制器控制发电机工作，发电机和膨胀机耦合在一起，空气供应系统包括空压机和中冷器，外部空气经过空压机压缩形成高温压缩空气再经过中冷器的冷却后送到电堆模块的空气入口，从电堆模块排出的尾排气进入中冷器并作为中冷器的冷却源，利用尾排气对进入中冷器的高温压缩空气进行热交换，经过热交换后的尾排气从中冷器排出并输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动发电机转动进行发电提供电能，膨胀机不再连接空压机，减少膨胀机与空压机之间输送不稳定现象，可有效精准的控制空压机的稳定转动，结构简单，布局合理，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，控制简单，容易实现，实现成本低，保证燃料电池系统在最佳的温度范围内正常运行，节省能源，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是为本发明实施例一燃料电池系统的空气供应系统的原理图；
图2是为本发明实施例一燃料电池系统的供氢系统的原理图；
图3是为本发明实施例一燃料电池系统的膨胀机组件的方框图；
图4是为本发明实施例一燃料电池系统的控制原理图。
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至图4所示，一种具有能量回收的燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，其特征在于：还包括膨胀机组件，膨胀机组件包括发电机1、膨胀机3和发电机控制器4，发电机控制器4控制发电机1工作，发电机1和膨胀机3耦合在一起，空气供应系统包括空压机和中冷器，外部空气经过空压机压缩形成高温压缩空气再经过中冷器的冷却后送到电堆模块的空气入口，从电堆模块排出的尾排气进入中冷器并作为中冷器的冷却源，利用尾排气对进入中冷器的高温压缩空气进行热交换，经过热交换后的尾排气从中冷器排出并输入到膨胀机3，通过膨胀机3做功带动发电机1转动进行发电提供电能，膨胀机不再连接空压机，减少膨胀机与空压机之间输送不稳定现象，有效精准的控制空压机的稳定转动，结构简单，布局合理，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。空压机出口排出的空气温度高达170℃-180℃，相对低温的尾排气(一般温度在50度以下)在中冷器中与空压机输出高温高压空气进行热交换，将空压机输出的高温高压空气降至燃料电池电堆工作要求的温度。
发电机1产生的电能通过控制器4输出直流电为储能装置5充电或者为其他用电设备供电从而实现能量回收，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。
上述的膨胀机3与电机1同轴连接，结构布置合理。
上述的膨胀机组件还包括变速装置2，发电机1与膨胀机3分别耦合在变速装置2的两端，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机3，通过膨胀机3做功带动变速装置2，变速装置2起到变速作用，进而带动发电机1转动发电提供电能，通过变速装置可以提高电机的转速，从而提高电机的发电效率，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。
上述的空气供应系统还包括空气过滤器、流量计、空压机和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，从膨胀机3排出的尾排气经过增湿器处理后排出，尾排气体再进入到增湿器内，为进入电堆模块的空气进行加湿，保证进入电堆模块的空气湿度要求，同时在增湿器内再一次进行热交换，进一步降低送入电堆模块的空气入口的空气温度，进入膨胀机3中的尾排气经过膨胀机3内的叶片转动搅拌后，从而降低尾排气的温度，结构布置合理。
上述的电堆模块排出尾排气经过一个背压阀后进入中冷器的冷却入口，经过热交换后从中冷器的冷却出口排出，背压阀可以防止后面膨胀机组件停机时造成尾排气体反流。
上述的从膨胀机3排出的尾排气经过增湿器处理后再经过消音器处理后排出，有效降低燃料电池系统的整体噪音。
上述的尾排气包括从电堆模块的空气出口排出的气体。
上述的尾排气还包括从电堆模块的氢气出口排出的混合气体经过水汽分离器分离后的部分气体，可以更充分利用尾排气，提高能效。
实施例二：
如图1至图4所示，一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于：所述的燃料电池系统是上述所述的一种燃料电池系统，该燃料电池系统还包括温度传感器和燃料电池系统控制器，电堆模块的空气出口排出尾排气经过一个背压阀后进入中冷器的冷却入口，电堆模块的空气入口处设有温度传感器，温度传感器检测电堆模块的空气入口处的空气温度，温度传感器将检测的温度信号传送到燃料电池系统控制器中，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器；燃料电池系统控制器控制电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统的运作，使电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统配合工作进行发电，背压阀受燃料电池系统控制器控制，背压阀是可调节打开的程度，以满足不同流量需求。燃料电池系统控制器实时对空气流量计、空压机、背压阀、膨胀机组件、储能装置进行控制或监控。
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度高于某个设定温度值T1时，燃料电池系统控制器控制空压机及背压阀，降低空压机的转速从而降低空压机输出高温压缩空气的温度及压缩比，将背压阀的流道拓宽增加进入中冷器的尾排气的量，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度低于某个设定温度值T2时，燃料电池系统控制器控制空压机及背压阀，提升空压机的转速从而提高空压机输出高温压缩空气的温度及压缩比，将背压阀的流道缩窄减少进入中冷器的尾排气的量，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
所述的设定温度值T1大于设定温度值T2。
本发明控制简单，容易实现，实现成本低，保证燃料电池系统在最佳的温度范围内正常运行，节省能源，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 (10)

1.一种具有能量回收的燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，其特征在于：还包括膨胀机组件，膨胀机组件包括发电机(1)、膨胀机(3)和发电机控制器(4)，发电机控制器(4)控制发电机(1)工作，发电机(1)和膨胀机(3)耦合在一起，空气供应系统包括空压机和中冷器，外部空气经过空压机压缩形成高温压缩空气再经过中冷器的冷却后送到电堆模块的空气入口，从电堆模块排出的尾排气进入中冷器并作为中冷器的冷却源，利用尾排气对进入中冷器的高温压缩空气进行热交换，经过热交换后的尾排气从中冷器排出并输入到膨胀机(3)，通过膨胀机(3)做功带动发电机(1)转动进行发电提供电能。
2.根据权利要求1所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：发电机(1)产生的电能通过控制器(4)输出直流电为储能装置(5)充电或者为其他用电设备供电从而实现能量回收。
3.根据权利要求2所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：膨胀机(3)与电机(1)同轴连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：膨胀机组件还包括变速装置(2)，发电机(1)与膨胀机(3)分别耦合在变速装置(2)的两端，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机(3)，通过膨胀机(3)做功带动变速装置(2)，变速装置(2)起到变速作用，进而带动发电机(1)转动发电提供电能。
5.根据权利要求4所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：空气供应系统还包括空气过滤器、流量计、空压机和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，从膨胀机(3)排出的尾排气经过增湿器处理后排出，尾排气体再进入到增湿器内，为进入电堆模块的空气进行加湿，保证进入电堆模块的空气湿度要求，同时在增湿器内再一次进行热交换，进一步降低送入电堆模块入口的空气温度。
6.根据权利要求5所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：电堆模块的空气出口排出尾排气经过一个背压阀后进入中冷器的冷却入口，经过热交换后从中冷器的冷却出口排出。
7.根据权利要求6所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：从膨胀机(3)排出的尾排气经过增湿器处理后再经过消音器处理后排出。
8.根据权利要求7所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：所述的尾排气包括从电堆模块的空气出口排出的气体。
9.根据权利要求8所述的一种具有能量回收的燃料电池系统，其特征在于：所述的尾排气还包括从电堆模块的氢气出口排出的混合气体经过水汽分离器分离后的部分气体。
10.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于：所述的燃料电池系统是权利要求1至权利要求9所述的任意一种燃料电池系统，该燃料电池系统还包括温度传感器和燃料电池系统控制器，电堆模块的空气出口排出尾排气经过一个背压阀后进入中冷器的冷却入口，电堆模块的空气入口处设有温度传感器，温度传感器检测电堆模块的空气入口处的空气温度，温度传感器将检测的温度信号传送到燃料电池系统控制器中，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器；
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度高于某个设定温度值T1时，燃料电池系统控制器控制空压机及背压阀，降低空压机的转速从而降低空压机输出高温压缩空气的温度及压缩比，将背压阀的流道拓宽增加进入中冷器的尾排气的量，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
当温度传感器检测到输入电堆模块的空气温度低于某个设定温度值T2时，燃料电池系统控制器控制空压机及背压阀，提升空压机的转速从而提高空压机输出高温压缩空气的温度及压缩比，将背压阀的流道缩窄减少进入中冷器的尾排气的量，从而调节输入电堆模块的空气温度，保证输入电堆模块的空气温度达到要求；
所述的设定温度值T1大于设定温度值T2。
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