CN115020758B - 一种燃料电池系统、阴极能量回收控制方法及装置 - Google Patents

一种燃料电池系统、阴极能量回收控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统、阴极能量回收控制方法及装置。该方法在确定电堆排出空气的压力Po大于涡轮有效运转的最低需求压力P1、电堆排出空气的温度To大于涡轮有效运转的最低需求温度T1、且空压机出口处空气的温度Tc大于电堆排出空气的温度To时，使电堆排出的空气先经过空空中冷器以获取空空中冷器回收的空压机出口废热，再经过涡轮以将电堆排出的空气带出的余热余压和空空中冷器回收的空压机出口废热进行能量回收。本发明充分利用空压机出口废热，进而利用涡轮对空压机提供动力，有效降低空压机功耗，整体方案简单易实现，保证了燃料电池系统能量密度的同时提高了燃料电池系统效率。

Description

一种燃料电池系统、阴极能量回收控制方法及装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统、阴极能量回收控制方法及装置。
背景技术
燃料电池系统是把把燃料(氢气)所具有的化学能在催化剂的作用下通过电化学反应直接转化为电能的装置，包括电堆、空气供给系统和氢气供给系统。氢气供给系统中设置有阳极回路，用来提供燃料电池系统反应所需的氢气。空气供给系统中设置有阴极回路，用来提供燃料电池系统反应所需的氧气(空气)，且阴极回路上一般设置有空压机、水空中冷器、增湿器，保证提供的氧气(空气)的压力、温度和湿度是满足需求的。
其中，空压机是空气供给系统的重要部件，更是整个空气供给系统中的主要耗能部件，其消耗功率通常占整个空气供给系统的20％～30％，对燃料电池系统效率影响较大。这与现如今的燃料电池系统逐步趋向低功耗、低成本方向发展的发展趋势是相悖的。
申请公布号为CN109980251A的中国发明专利公开了一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，在系统中增加有机朗肯循环余热回收利用回路以增加空气供给系统对燃料电池余热余压回收利用，该系统可提高燃料电池系统效率，但增加了过多的能量回收装置，降低了系统的能量密度。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池系统、阴极能量回收控制方法及装置，用以解决如何在保证系统能量密度的情况下提高燃料电池系统效率的问题。
为解决上述技术问题，本发明所包括的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：
本发明提供了一种燃料电池系统阴极能量回收控制方法，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、涡轮和空空中冷器；所述涡轮集成设置在空压机上；所述空空中冷器设置在空压机下游用于回收空压机出口废热；所述控制方法包括如下步骤：
1)检测电堆排出空气的压力Po和温度To、以及空压机出口处空气的温度Tc；
2)判断电堆排出空气的压力Po是否大于涡轮有效运转的最低需求压力P1，以及电堆排出空气的温度To是否大于涡轮有效运转的最低需求温度T1：
若电堆排出空气的压力Po大于涡轮有效运转的最低需求压力P1且电堆排出空气的温度To大于涡轮有效运转的最低需求温度T1，则判断空压机出口处空气的温度Tc是否大于电堆排出空气的温度To，若空压机出口处空气的温度Tc大于电堆排出空气的温度To，则使电堆排出的空气先经过空空中冷器以获取空空中冷器回收的空压机出口废热，再经过涡轮以将电堆排出的空气带出的余热余压和空空中冷器回收的空压机出口废热进行能量回收。
上述技术方案的有益效果为：本发明在空压机下游设置有空空中冷器，对空压机出口处的高温热能进行回收，以将电堆中由空气带出的余热余压和空压机出口处的高温热能共同作用于涡轮进行能量回收，利用涡轮对空压机提供动力，有效降低空压机功耗，充分利用空压机出口废热，减少能量损失，而且在空空中冷器下游设置有水空中冷器的情况下，可减少水空中冷器的散热需求，提高了燃料电池系统效率。整体方案简单，只需增加空空中冷器以及相应的能量回收支路即可，保证了燃料电池系统能量密度。
进一步的，步骤2)中，若空压机出口处空气的温度Tc小于等于电堆排出空气的温度To，则使电堆排出的空气直接经过涡轮以将电堆排出的空气带出的余热余压直接进行能量回收。
进一步的，步骤2)中，若电堆排出空气的压力Po小于等于涡轮有效运转的最低需求压力P1，或者电堆排出空气的温度To小于等于涡轮有效运转的最低需求温度T1，则使电堆排出的空气直接排出。
进一步的，步骤2)中，还包括将电堆排出的空气进行气液分离以得到干燥空气的步骤。
进一步的，所述燃料电池系统还包括增湿器，所述增湿器的第一进口用于连接空压机，第一出口连接电堆的空进口，第二进口用于将连接电堆的空出口，第二出口用于连接电堆的尾排口；步骤1)中，通过检测增湿器第二出口处的温度和压力来分别作为电堆排出空气的压力Po和温度To。
本发明还提供了一种燃料电池系统阴极能量回收控制装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的燃料电池系统阴极能量回收控制方法，并达到与该方法相同的有益效果。
本发明还提供了一种燃料电池系统，包括电堆和空气供给系统，所述空气供给系统包括空进支路、空出支路、能量回收支路、空压机、涡轮、空空中冷器、第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和控制装置；
所述电堆包括空进口和空出口；所述空进口连接所述空进支路，所述空进支路用于向电堆中输入反应所需的空气；所述空出口连接所述空出支路，所述空出支路连接尾排口，用于将电堆排出的空气和水通过尾排口排出；
所述空压机设置在所述空进支路上，所述涡轮集成设置在所述空压机上；
所述空空中冷器包括两个进口和两个出口，分别为第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述空空中冷器的第一进口和第一出口串设在空压机下游的空进支路上；
所述能量回收支路包括并联设置的两条回收分支路和第二回收分支路，两条回收分支路的一端均用于连接电堆的空出口，两条回收分支路的另一端均连接涡轮的进口，涡轮的出口用于连接尾排口，且空空中冷器的第二进口和第二出口串设在其中一条回收分支路上；
所述第一温度传感器用于检测电堆排出空气的温度To，所述第一压力传感器用于检测电堆排出空气的压力Po，所述第二温度传感器用于检测空压机出口处空气的温度Tc；
所述控制装置包括存储器和处理器，所处处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的燃料电池系统阴极能量回收控制方法。
上述技术方案的有益效果为：本发明的燃料电池系统在空压机下游的空进支路上设置有空空中冷器，对空压机出口处的高温热能进行回收，以将电堆中由空气带出的余热余压和空压机出口处的高温热能共同作用于涡轮进行能量回收，利用涡轮对空压机提供动力，有效降低空压机功耗，充分利用空压机出口废热，减少能量损失，而且在空空中冷器下游设置有水空中冷器的情况下，可减少水空中冷器的散热需求，提高了燃料电池系统效率。整体方案简单，只需增加空空中冷器以及相应的能量回收支路即可，保证了燃料电池系统能量密度。
进一步的，所述能量回收支路还包括回收总支路，两条回收分支路的一端均通过回收总支路以用于连接电堆的空出口；所述回收总支路上串设有分水器，以进行气液分离，得到液态水和干燥空气。
进一步的，所述燃料电池系统还包括增湿器，所述增湿器包括两个进口和两个出口，分别为第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述增湿器的第一进口和第一出口串设在空空中冷器的第一出口下游的空进支路上；所述增湿器的第二进口和第二出口串设在空出支路上，第二出口用于连接所述两条回收分支路的一端；所述第一温度传感和第一压力传感器设置在增湿器的第二出口处。
进一步的，在空压机上游的空进支路上设置有空气滤清器和流量计。
附图说明
图1是本发明的燃料电池系统空气供给系统的电路图；
其中，1-空压机，2-第一温压检测模块，3-空空中冷器，4-调压阀，5-第二温压检测模块，6-第一阀门，7-分水器，8-第二阀门，9-第三阀门，10-膨胀涡轮，11-第四阀门，12-尾排气体混合交汇口，13-空气滤清器，14-流量计，15-水空中冷器，16-增湿器，17-消音器，18-电堆；19-燃料电池系统控制器；
图2是本发明的燃料电池系统阴极能量回收控制方法的流程图；
图3是本发明的燃料电池系统阴极能量回收控制装置的结构图。
具体实施方式
燃料电池系统实施例：
本发明的一种燃料电池系统实施例，为氢燃料电池系统，包括电堆18、氢气供给系统和空气供给系统，用来把燃料(氢气)所具有的化学能在催化剂的作用下通过电化学反应直接转化为电能。其中，空气供给系统的电路图如图1所示，作用是把燃料电池系统反应所需的氧气(空气)。空气供给系统包括空进支路、空出支路、能量回收支路、空压机1、膨胀涡轮10、空空中冷器3、第一温压检测模块2、调压阀4、第二温压检测模块5、第一阀门6、分水器7、第二阀门8、第三阀门9、第四阀门11、尾排气体混合交汇口12、空气滤清器13、流量计14、水空中冷器15、增湿器16、消音器17、燃料电池系统控制器19，下面具体介绍。
空进支路上依次设置有空气滤清器13、流量计14、空压机1、第一温压检测模块2、空空中冷器3、水空中冷器15、增湿器16，该空进支路通过电堆的空进口连接至电堆18。其中，空压机1转子上集成设置有膨胀涡轮10，将电堆排气导入膨胀涡轮，用于回收空气压力、温度能量；第一温压检测模块2包括温度传感器和压力传感器，分别用于检测空压机出口处空气的温度Tc和压力；空空中冷器3的第一进口和第一出口串设在该空进支路上，用于回收空气入堆前的热量，即空压机出口废热；水空中冷器15的第一进口和第一出口串设在空进支路上，其第二进口和第二出口与冷却系统相连；增湿器16的第一进口和第一出口串设在该空进支路上。
其中，空压机转子上集成设置有膨胀涡轮的结构为：空压机泵头的压缩叶轮、电机、膨胀涡轮在同一个轴上，构成压缩叶轮-电机转子-膨胀涡轮转子，当废气进入膨胀涡轮做功，带动转子转动，膨胀涡轮对转子输出功，从而减小同一个轴上的电机带动压缩叶轮(对所需空气)做功的功耗。
电堆18的空出口连接有空出支路，空出支路上依次设置有调压阀4、增湿器16、第二温压检测模块5、第四阀门11、尾排气体混合交汇口12、消音器17，空出支路的另一端连接燃料电池系统的尾排口。其中，调压阀4用于保证电堆内的反应压力；增湿器16的第二进口和第二出口串设在该空出支路上；第二温压检测模块5包括温度传感器和压力传感器，分别用于检测增湿器湿侧出口空气压力Po、温度To(作为电堆排出空气的压力和温度)；尾排气体混合交汇口12为多条管路的交汇口。而且，尾排气体混合交汇口12设置有排氢阀，排氢阀排出的气体(主要为氢气、少量水、极少其他杂质气体)进入尾排气体混合交汇口管道内，并混合电堆排出的空气后再排出。
第二温压检测模块5和第四阀门11的串接点通过能量回收支路连接至膨胀涡轮10的进气口，膨胀涡轮10的出气口直接连接至尾排气体混合交汇口12。能量回收支路包括回收总支路、第一回收分支路和第二回收分支路；回收总支路的一端连接第二温压检测模块5和第四阀门11的串接点，另一端连接第一回收分支路的一端、以及第二回收分支路的一端，第一回收分支路的另一端和第二回收分支路的另一端均连接至膨胀涡轮10的进气口。回收总支路上串设有第一阀门6和分水器7；第一回收分支路上串设有第三阀门9和空空中冷器3，且空空中冷器3的第二进口和第二出口串设在该第一回收分支路上；第二回收分支路上串设有第二阀门8。该部分电路的设计，使得整个燃料电池系统可处于两种能量回收状态下：①能量回收状态1：第一阀门6和第二阀门8开启、第三阀门9和第四阀门11关闭状态下，膨胀涡轮只回收电堆中由空气带出的余热余压；②能量回收状态2：第一阀门6和第三阀门9开启、第二阀门8和第四阀门11关闭状态下，膨胀涡轮回收的能量除了电堆中由空气带出的余热余压外，还包括空空中冷器3回收的空压机出口废热。
燃料电池系统控制器19通过相应的线路连接第一温压检测模块2和第二温压检测模块5，以获取这些传感器检测的数据；燃料电池系统控制器19还通过相应的线路连接第一阀门6、第二阀门8、第三阀门9和第四阀门11，以控制这些阀门开启或关闭；燃料电池系统控制器19可以执行存储在存储器中的程序指令实现本发明的一种燃料电池系统阴极能量回收控制方法。在实施该方法前，需要先通过膨胀涡轮设计实验，获得涡轮有效运转的最低需求压力P1和最低温度T1。下面结合图2，对该方法进行详细说明。
步骤一，燃料电池启动，在燃料电池运行的初始状态下，控制第四阀门11开启，控制第一阀门6、第二阀门8和第三阀门9关闭，使电堆排出的空气(包含液态水)直接通过尾排排出。
步骤二，在燃料电池运行过程中，获取第一温压检测模块2和第二温压检测模块5检测的数据，包括空压机出口处空气的温度Tc、增湿器湿侧出口空气压力Po、增湿器湿侧出口空气温度To。
步骤三，对增湿器湿侧出口空气压力Po和增湿器湿侧出口空气温度To进行判断：
1、若Po≤P1或者To≤T1，说明电堆排出的空气和水能量较低，无需进行能量回收，此时控制第四阀门11开启，控制第一阀门6、第二阀门8和第三阀门9关闭，使电堆排出的空气(包含液态水)直接通过尾排口排出，系统处于燃料电池运行的初始状态下，并返回继续执行步骤二，进行周期性检测。
2、若Po＞P1且To＞T1，说明电堆排出的空气和水能量较高，需要进行能量回收，此时继续对空压机出口处空气的温度Tc进行判断：
若Tc≤To，说明此时空压机出口处温度并不是很高，控制阀门处于能量回收状态1：控制第一阀门6和第二阀门8开启，控制第三阀门9和第四阀门11关闭，电堆排出的空气(包含液态水)通过分水器7去除液态水，剩余的干燥空气直接进入膨胀涡轮10，膨胀涡轮10介入能量回收，最终通过尾排口排出。完成后返回继续执行步骤二，进行周期性检测。
若Tc＞To，说明此时空压机出口处温度较高，控制阀门处于能量回收状态2：控制第一阀门6和第三阀门9开启，控制第二阀门8和第四阀门11关闭，电堆排出的空气(包含液态水)先通过分水器7去除液态水，剩余的干燥空气进入空空中冷器3以获得空空中冷器3回收的空压机出口废热，获得更多的能量后才进入膨胀涡轮10，膨胀涡轮10介入能量回收，最终通过尾排口排出。完成后返回继续执行步骤二，进行周期性检测。
本发明在空压机的下游增加了空空中冷器，使得系统可处于这样一种能量回收状态，即膨胀涡轮回收的能量既有电堆中由空气带出的余热余压外，还有空空中冷器回收的空压机出口废热，一方面可将空压机出口产生的废热进行回收利用，另一方面还减少了空空中冷器后端的水空中冷器的散热需求，有效降低了空压机功耗的同时还提升了燃料电池系统效率。
本实施例中，通过检测增湿器湿侧出口空气压力和温度来作为电堆排出空气的压力和温度。作为其他实施方式，还可通过检测增湿器第二入口处空气压力和温度来作为电堆排出空气的压力和温度，此时第二温压检测模块5可设置在增湿器第二入口处。
方法实施例：
本发明的一种燃料电池系统阴极能量回收控制方法实施例，如燃料电池系统实施例中介绍的一种燃料电池系统阴极能量回收控制方法，其流程如图2所示，这里不再赘述。
装置实施例：
本发明的一种燃料电池系统阴极能量回收控制装置实施例，如图3所示，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的燃料电池实施例中介绍的一种燃料电池系统阴极能量回收控制方法。
其中，处理器可以为微处理器MCU、可编程逻辑器件FPGA等处理装置，例如系统实施例中介绍的燃料电池系统控制器。
存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如RAM、ROM等；也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘等；还可为利用光学方式存储信息的各式存储器，例如CD、DVD等；当然，还可为其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统阴极能量回收控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括电堆、空压机、涡轮和空空中冷器；所述涡轮集成设置在空压机上；所述空空中冷器设置在空压机下游用于回收空压机出口废热；所述控制方法包括如下步骤：
1）检测电堆排出空气的压力Po和温度To、以及空压机出口处空气的温度Tc；
2）判断电堆排出空气的压力Po是否大于涡轮有效运转的最低需求压力P1，以及电堆排出空气的温度To是否大于涡轮有效运转的最低需求温度T1：
若Po＞P1且To＞T1，则判断是否满足Tc＞To，若满足，则使电堆排出的空气先经过空空中冷器以获取空空中冷器回收的空压机出口废热，再经过涡轮以将电堆排出的空气带出的余热余压和空空中冷器回收的空压机出口废热进行能量回收；
若Tc≤To，则使电堆排出的空气直接经过涡轮以将电堆排出的空气带出的余热余压直接进行能量回收；
若Po≤P1或者To≤T1，则使电堆排出的空气直接排出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统阴极能量回收控制方法，其特征在于，步骤2）中，还包括将电堆排出的空气进行气液分离以得到干燥空气的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统阴极能量回收控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统还包括增湿器，所述增湿器的第一进口用于连接空压机，第一出口连接电堆的空进口，第二进口用于将连接电堆的空出口，第二出口用于连接电堆的尾排口；步骤1）中，通过检测增湿器第二出口处的温度和压力来分别作为电堆排出空气的压力Po和温度To。
4.一种燃料电池系统阴极能量回收控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1~3任一项所述的燃料电池系统阴极能量回收控制方法。
5.一种燃料电池系统，其特征在于，包括电堆和空气供给系统，所述空气供给系统包括空进支路、空出支路、能量回收支路、空压机、涡轮、空空中冷器、第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和控制装置；
所述电堆包括空进口和空出口；所述空进口连接所述空进支路，所述空进支路用于向电堆中输入反应所需的空气；所述空出口连接所述空出支路，所述空出支路连接尾排口，用于将电堆排出的空气和水通过尾排口排出；
所述空压机设置在所述空进支路上，所述涡轮集成设置在所述空压机上；
所述空空中冷器包括两个进口和两个出口，分别为第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述空空中冷器的第一进口和第一出口串设在空压机下游的空进支路上；
所述能量回收支路包括并联设置的两条回收分支路和第二回收分支路，两条回收分支路的一端均用于连接电堆的空出口，两条回收分支路的另一端均连接涡轮的进口，涡轮的出口用于连接尾排口，且空空中冷器的第二进口和第二出口串设在其中一条回收分支路上；
所述第一温度传感器用于检测电堆排出空气的温度To，所述第一压力传感器用于检测电堆排出空气的压力Po，所述第二温度传感器用于检测空压机出口处空气的温度Tc；
所述控制装置包括存储器和处理器，所处处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1所述的燃料电池系统阴极能量回收控制方法。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述能量回收支路还包括回收总支路，两条回收分支路的一端均通过回收总支路以用于连接电堆的空出口；所述回收总支路上串设有分水器，以进行气液分离，得到液态水和干燥空气。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括增湿器，所述增湿器包括两个进口和两个出口，分别为第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述增湿器的第一进口和第一出口串设在空空中冷器的第一出口下游的空进支路上；所述增湿器的第二进口和第二出口串设在空出支路上，第二出口用于连接所述两条回收分支路的一端；所述第一温度传感和第一压力传感器设置在增湿器的第二出口处。
8.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，在空压机上游的空进支路上设置有空气滤清器和流量计。
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