CN114709453A - 一种燃料电池电堆的空气控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆的空气控制系统及其方法，空气控制系统，包括燃料电池电堆、空压机、流量传感器、第一汽水分离器、第二汽水分离器和截止阀，空压机包括压缩叶轮、压缩腔体、回收叶轮、回收腔体、空气排气口和空气吸入口；压缩叶轮与回收叶轮固定连接，压缩叶轮位于压缩腔体内，回收叶轮位于回收叶轮内；压缩腔体连接燃料电池电堆的空气入口；流量传感器内设于空气吸入口，用于检测经过空气吸入口的空气流量；燃料电池电堆的空气出口连接截止阀和第一汽水分离器；截止阀连接第二汽水分离器；第一汽水分离器和第二汽水分离器均连接回收腔体。本发明通过对空气尾气进行回收利用，大大节省了燃料电池的电能量，具有节能作用。

Description

一种燃料电池电堆的空气控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及燃料电池电堆技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆的空气控制系统及其方法。
背景技术
燃料电池是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，相比煤、石油、天然气等传统能源有着巨大的优势，是解决环境污染和能源危机的有效手段，燃料电池的燃料一般是氢气、甲醇、甲烷等，空气或氧气等为氧化剂。
对应进入燃料电池电堆的空气，需要通过空压机的压缩，使得空气具备一定的流量进入燃料电池电堆。现有的技术中，都是空压机一直处于运行的状态中从而不间断地输送空气，燃料电池电堆出来的空气和水蒸气经过汽水分离器的作用下直接将空气排出外界，这一部分的空气能量大大浪费掉。另外，现有技术都是使用单一的高功率汽水分离器，使得汽水分离器一直处于高负荷的状态，若使用的汽水分离器是利用燃料电池电能量的，则会损耗许多电能量。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池电堆的空气控制系统及其方法，通过对空气尾气进行回收利用，大大节省了燃料电池的电能量，具有节能作用。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池电堆的空气控制方法，所述空气控制系统包括燃料电池电堆、空压机、流量传感器、第一汽水分离器、第二汽水分离器和截止阀，燃料电池电堆连接空压机、第一汽水分离器和截止阀，第一汽水分离器连接空压机，第二汽水分离器连接空压机和截止阀；所述空气控制方法包括以下步骤：
当燃料电池电堆运行低于一定功率时，关闭截止阀和开启第一汽水分离器，且空气流量计实时检测空压机的空气吸入口处的空气流量；
若空气吸入口处的空气流量小于第一目标流量时，开启空压机，空压机转动压缩叶轮来压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口，其中压缩腔体内的空气从空气吸入口流进来；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
若空气吸入口处的空气流量大于或等于第一目标流量时，关闭空压机；回收叶轮带动压缩叶轮旋转，使得压缩叶轮压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
步骤S2、当燃料电池电堆运行大于或等于一定功率时，开启截止阀、第一汽水分离器和第二汽水分离器，且流量传感器实时检测空压机的空气吸入口处的流量；
若空气吸入口处的空气流量小于第二目标流量时，开启空压机，空压机转动压缩叶轮来压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器和第二汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；第二汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第二汽水分离器的第二排水口排出液态水，空气从第二汽水分离器的第二排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
若空气吸入口处的空气流量大于或等于第二目标流量时，关闭空压机；回收叶轮带动压缩叶轮旋转，使得压缩叶轮压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器和第二汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；第二汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第二汽水分离器的第二排水口排出液态水，空气从第二汽水分离器的第二排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出。
进一步的，所述步骤S1中的一定功率设为45kW。
进一步的，所述第一目标流量小于第二目标流量。
进一步的，所述第一汽水分离器的功率小于第二分离器的功率。
本发明另一目的是提供一种燃料电池电堆的空气控制系统，包括燃料电池电堆和空压机，其特征在于，还包括流量传感器、第一汽水分离器、第二汽水分离器和截止阀，所述燃料电池电堆包括空气入口和空气出口，所述空压机包括压缩叶轮、压缩腔体、回收叶轮、回收腔体、空气排气口和空气吸入口，所述第一汽水分离器包括第一排水口和第一排气口，所述第二汽水分离器包括第二排水口和第二排气口；
所述压缩叶轮与回收叶轮固定连接，压缩叶轮位于压缩腔体内，回收叶轮位于回收叶轮内；
所述压缩腔体连接燃料电池电堆的空气入口，流量传感器内设于空气入口；燃料电池电堆的空气出口连接截止阀和第一汽水分离器；截止阀连接第二汽水分离器；第一汽水分离器的第一排气口和第二汽水分离器的第二排气口均连接空压机的回收腔体；
空压机的压缩叶轮用于压缩所述压缩腔体内的空气，并将压缩的空气输入燃料电池电堆内，其中压缩腔体内的空气从空气吸入口流进来；
所述流量传感器内设于空气吸入口，流量传感器用于检测经过空气吸入口的空气流量；
截止阀用于控制空气和水蒸气进出第二汽水分离器；
第一汽水分离器用于分离空气和水蒸气；
第二汽水分离器用于分离空气和水蒸气；
回收叶轮用于带动压缩叶轮旋转。
进一步的，所述第一汽水分离器的功率小于第二分离器的功率。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过回收利用燃料电池电堆未完全反应的空气，空气推动了空压机的压缩作用，大大节约了空压机所需要的电能量；另外，在燃料电池电堆的空气入口处的流量过高时，可直接停止空压机的运转，但空压机的压缩叶轮并没有停止转动和压缩空气，因为回收的空气在推动回收叶轮转动，从而带动了压缩叶轮转动，间断性地停止空压机的运作，可大大节约电能量；本发明使用两个一大一小功率的汽水分离器，燃料电池电堆在低功率运行的情况下，使用低功率的汽水分离器，而燃料电池电堆在高功率运行的情况下才会启动高功率的汽水分离器，这样做的好处是能够大大提升汽水分离器利用率，若采用的汽水分离器需要使用燃料电池的电能量的话，则会大大节约汽水分离器所使用的电能量。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池电堆的空气控制系统的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开一种燃料电池电堆的空气控制系统，包括燃料电池电堆1、空压机2、流量传感器3、第一汽水分离器4、第二汽水分离器5和截止阀6，所述燃料电池电堆1包括空气入口11和空气出口12，所述空压机2包括压缩叶轮21、压缩腔体22、回收叶轮23、回收腔体24、空气排气口25和空气吸入口26，所述第一汽水分离器4包括第一排水口41和第一排气口42，所述第二汽水分离器4包括第二排水口41和第二排气口42。
所述压缩叶轮21与回收叶轮23固定连接，压缩叶轮21位于压缩腔体22内，回收叶轮23位于回收叶轮23内。
所述压缩腔体22连接燃料电池电堆1的空气入口11，流量传感器3内设于空气吸入口26。燃料电池电堆1的空气出口12连接截止阀6和第一汽水分离器4。截止阀6连接第二汽水分离器5。第一汽水分离器4的第一排气口42和第二汽水分离器5的第二排气口42均连接空压机2的回收腔体24。
空压机2的压缩叶轮21用于压缩所述压缩腔体22内的空气，并将压缩的空气通过空气入口11输入燃料电池电堆1内，其中压缩腔体22内的空气从空气吸入口26流进来；空气在燃料电池电堆1内进行电化学反应，空气出口12将未进行电化学反应的空气和电化学反应的反应物水蒸气排出。
流量传感器3用于检测经过空气吸入口26的空气流量。
截止阀6用于控制空气和水蒸气进出第二汽水分离器5。
第一汽水分离器4用于分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器4的第一排水口41排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口42输入至空压机2的回收腔体24。
第二汽水分离5器用于分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第二汽水分离器5的第二排水口51排出液态水，空气从第二汽水分离器5的第二排气口52输入至空压机2的回收腔体24。
回收叶轮23用于：由于空气快速进入回收腔体24内，进而推动回收叶轮23旋转，使得回收叶轮23带动压缩叶轮21旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出。其中，回收叶轮23带动压缩叶轮21旋转，使得压缩叶轮21在压缩腔体22压缩空气，并将空气输入燃料电池电堆1内。
作为优选的，所述第一汽水分离器4的功率小于第二分离器的功率。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上公开一种燃料电池电堆的空气控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、当燃料电池电堆运行低于一定功率时，关闭截止阀和开启第一汽水分离器，且流量传感器实时检测空压机的空气吸入口处的空气流量；
若空气吸入口处的空气流量小于第一目标流量时，开启空压机，空压机转动压缩叶轮来压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口，其中压缩腔体内的空气从空气吸入口流进来；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
若空气吸入口处的空气流量大于或等于第一目标流量时，关闭空压机；回收叶轮带动压缩叶轮旋转，使得压缩叶轮压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出。
步骤S2、当燃料电池电堆运行大于或等于一定功率时，开启截止阀、第一汽水分离器和第二汽水分离器，且流量传感器实时检测空压机的空气吸入口处的流量；
若空气吸入口处的空气流量小于第二目标流量时，开启空压机，空压机转动压缩叶轮来压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器和第二汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；第二汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第二汽水分离器的第二排水口排出液态水，空气从第二汽水分离器的第二排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
若空气吸入口处的空气流量大于或等于第二目标流量时，关闭空压机；回收叶轮带动压缩叶轮旋转，使得压缩叶轮压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器和第二汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；第二汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第二汽水分离器的第二排水口排出液态水，空气从第二汽水分离器的第二排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出。
上述步骤中，作为优选的，一定功率设为45kW；
作为优选的，所述第一目标流量小于第二目标流量，第一目标流量和第二目标流量分别为100kg/h~250kg/h和250kg/h~350kg/h：
本发明通过回收利用燃料电池电堆未完全反应的空气，空气推动了空压机的压缩作用，大大节约了空压机所需要的电能量；另外，在燃料电池电堆的空气入口处的流量过高时，可直接停止空压机的运转，但空压机的压缩叶轮并没有停止转动和压缩空气，因为回收的空气在推动回收叶轮转动，从而带动了压缩叶轮转动，间断性地停止空压机的运作，可大大节约电能量。其中，由于汽水分离器的作用下，经过汽水分离器的空气是产生一定风速的，从而加强了空气的运动，加强了空气推动回收叶轮转动。本发明使用两个一大一小功率的汽水分离器，燃料电池电堆在低功率运行的情况下，使用低功率的汽水分离器，而燃料电池电堆在高功率运行的情况下才会启动高功率的汽水分离器，这样做的好处是能够大大提升汽水分离器利用率，若采用的汽水分离器需要使用燃料电池的电能量的话，则会大大节约汽水分离器所使用的电能量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (6)

1.一种燃料电池电堆的空气控制方法，其运行于空气控制系统中，所述空气控制系统包括燃料电池电堆、空压机、流量传感器、第一汽水分离器、第二汽水分离器和截止阀，燃料电池电堆连接空压机、第一汽水分离器和截止阀，第一汽水分离器连接空压机，第二汽水分离器连接空压机和截止阀；其特征在于，所述空气控制方法包括以下步骤：
步骤S1、当燃料电池电堆运行低于一定功率时，关闭截止阀和开启第一汽水分离器，且空气流量计实时检测空压机的空气吸入口处的空气流量；
若空气吸入口处的空气流量小于第一目标流量时，开启空压机，空压机转动压缩叶轮来压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口，其中压缩腔体内的空气从空气吸入口流进来；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
若空气吸入口处的空气流量大于或等于第一目标流量时，关闭空压机；回收叶轮带动压缩叶轮旋转，使得压缩叶轮压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
步骤S2、当燃料电池电堆运行大于或等于一定功率时，开启截止阀、第一汽水分离器和第二汽水分离器，且流量传感器实时检测空压机的空气吸入口处的流量；
若空气吸入口处的空气流量小于第二目标流量时，开启空压机，空压机转动压缩叶轮来压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器和第二汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；第二汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第二汽水分离器的第二排水口排出液态水，空气从第二汽水分离器的第二排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出；
若空气吸入口处的空气流量大于或等于第二目标流量时，关闭空压机；回收叶轮带动压缩叶轮旋转，使得压缩叶轮压缩空压机的压缩腔体内的空气，并将压缩的空气通过第一空气输出口输入至燃料电池电堆的空气入口；空气进入燃料电池电堆内部进行电化学反应后，未反应的空气夹带水蒸气从燃料电池电堆的空气出口进入第一汽水分离器和第二汽水分离器；第一汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第一汽水分离器的第一排水口排出液态水，空气从第一汽水分离器的第一排气口输入至空压机的回收腔体；第二汽水分离器分离空气和水蒸气，水蒸气形成液态水后从第二汽水分离器的第二排水口排出液态水，空气从第二汽水分离器的第二排气口输入至空压机的回收腔体；空气推动回收叶轮旋转，使得回收叶轮带动压缩叶轮旋转，最后空气从回收腔体的空气排气口排出。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的空气控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的一定功率设为45kW。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的空气控制方法，其特征在于，所述第一目标流量小于第二目标流量。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的空气控制方法，其特征在于，所述第一汽水分离器的功率小于第二分离器的功率。
5.一种燃料电池电堆的空气控制系统，包括燃料电池电堆和空压机，其特征在于，还包括流量传感器、第一汽水分离器、第二汽水分离器和截止阀，所述燃料电池电堆包括空气入口和空气出口，所述空压机包括压缩叶轮、压缩腔体、回收叶轮、回收腔体、空气排气口和空气吸入口，所述第一汽水分离器包括第一排水口和第一排气口，所述第二汽水分离器包括第二排水口和第二排气口；
所述压缩叶轮与回收叶轮固定连接，压缩叶轮位于压缩腔体内，回收叶轮位于回收叶轮内；
所述压缩腔体连接燃料电池电堆的空气入口；燃料电池电堆的空气出口连接截止阀和第一汽水分离器；截止阀连接第二汽水分离器；第一汽水分离器的第一排气口和第二汽水分离器的第二排气口均连接空压机的回收腔体；
空压机的压缩叶轮用于压缩所述压缩腔体内的空气，并将压缩的空气输入燃料电池电堆内，其中压缩腔体内的空气从空气吸入口流进来；
所述流量传感器内设于空气吸入口，流量传感器用于检测经过空气吸入口的空气流量；
截止阀用于控制空气和水蒸气进出第二汽水分离器；
第一汽水分离器用于分离空气和水蒸气；
第二汽水分离器用于分离空气和水蒸气；
回收叶轮用于带动压缩叶轮旋转。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池电堆的空气控制系统，其特征在于，所述第一汽水分离器的功率小于第二分离器的功率。
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