CN115036536B

CN115036536B - 一种车载燃料电池系统

Info

Publication number: CN115036536B
Application number: CN202210964813.7A
Authority: CN
Inventors: 聂慧凡; 王国栋; 付建伟; 邢磊; 郭宏伟; 胡永路; 李军; 候炎恒
Original assignee: Zhejiang Feixuan Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Feixuan Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2042-08-12
Also published as: CN115036536A

Abstract

本发明提供一种车载燃料电池系统，涉及燃料电池领域。车载燃料电池系统包括电堆和供氧装置，供氧装置包括空压机和加热器；空压机包括压端、涡端和电机，压端的出口与车载燃料电池系统的电堆的入口连通，涡端的入口通过加热器与电堆的出口连通。加热器对电堆的尾排进行加热，将其它形式的能量转化为尾排的热能。尾排能够携带更多的能量进入空压机的涡端，对涡端内的涡轮做功并提高涡轮做功效率。涡轮进一步驱动压端内的压轮给电堆供气，从而在不改变空压机的质量和体积的情况下增大空压机的功率，不会出现空压机的质量和体积超出设计要求而无法布置在车上的情况，也不会出现大功率车载空压机因配套技术不够成熟而容易失效的情况。

Description

一种车载燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种车载燃料电池系统。

背景技术

近年来，车载燃料电池系统飞速发展。电堆作为车载燃料电池系统的核心部件，其所需的功率也越来越大。

电堆在工作时通过空压机供氧，空气先经过空压机压缩，然后经过中冷器冷却，再经过加湿器加湿，最后进入电堆。

电堆功率变大后，对空压机的压比和流量的要求更高，需要空压机有更大的功率，进而导致空压机的体积和质量更大。在极限情况下，空压机的质量和体积会超出设计要求，无法布置在车上。此外，大功率车载空压机配套技术的可靠性有待提高，容易出现空压机失效的情况，导致电堆无法正常工作。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种车载燃料电池系统。

本发明提供如下技术方案：

一种车载燃料电池系统，包括电堆和供氧装置；

所述供氧装置包括空压机和加热器；

所述空压机包括压端、涡端和电机，所述压端受所述涡端和/或所述电机驱动，所述压端的出口与所述车载燃料电池系统的电堆的入口连通，所述涡端的入口通过所述加热器与所述电堆的出口连通；

所述电堆与所述加热器之间设有三通阀和分水器；

所述三通阀的入口与所述电堆的出口连通，所述三通阀的其中一个出口与所述分水器的入口连通，所述三通阀的另一个出口与所述加热器连通；

所述分水器的排气口与所述加热器连通。

作为对所述车载燃料电池系统的进一步可选的方案，所述车载燃料电池系统还包括控制器，所述控制器与所述三通阀电连接；

所述控制器可控制所述三通阀连通所述电堆与所述加热器，以增大所述电堆的功率；

所述控制器可控制所述三通阀连通所述电堆与所述分水器，以减小所述电堆的功率。

作为对所述车载燃料电池系统的进一步可选的方案，所述电堆与所述三通阀之间设有旁通阀，所述电堆的出口通过所述旁通阀与所述三通阀的入口连通。

作为对所述车载燃料电池系统的进一步可选的方案，所述车载燃料电池系统还包括控制器，所述控制器与所述旁通阀电连接；

所述控制器可控制所述旁通阀开启，以减小所述电堆的功率。

作为对所述车载燃料电池系统的进一步可选的方案，所述车载燃料电池系统还包括氧气供送单元，所述氧气供送单元与所述电堆的入口连通。

作为对所述车载燃料电池系统的进一步可选的方案，所述车载燃料电池系统还包括控制器，所述控制器与所述氧气供送单元电连接；

所述控制器可控制所述氧气供送单元向所述电堆供氧，以增大所述电堆的功率。

作为对所述车载燃料电池系统的进一步可选的方案，所述压端与所述电堆之间设有中冷器，所述压端的出口通过所述中冷器与所述电堆的入口连通，所述氧气供送单元通过所述中冷器与所述电堆的入口连通。

作为对所述车载燃料电池系统的进一步可选的方案，所述氧气供送单元包括储存件和调节阀，所述储存件的出口通过所述调节阀与所述中冷器连通。

本发明的实施例具有如下有益效果：

加热器对电堆在工作过程中产生的尾排进行加热，将其它形式的能量转换为尾排的热能，即在电堆出口尾排能量的基础上，额外增加了部分热能。这部分热能通过尾排进入空压机的涡端，对涡端内的涡轮做功，涡轮则驱动压端内的压轮给电堆供气，从而在不改变空压机的质量和体积的情况下增大空压机的功率，进而满足电堆在更大功率下的供氧需求。当电堆功率变大时，不会出现空压机的质量和体积超出设计要求而无法布置在车上的情况，也不会出现大功率车载空压机因配套技术不够成熟而容易失效的情况。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种车载燃料电池系统的整体结构示意图；

图2示出了径流式涡轮效率无因次特性曲线图；

图3示出了本发明实施例提供的一种车载燃料电池系统的电连接关系示意图。

主要元件符号说明：

1-空滤；2-流量计；3-空压机；3a-压端；3b-涡端；3c-电机；4-中冷器；5-增湿器；6-电堆；7-加热器；8-尾排管路；9-三通阀；10-分水器；11-旁通阀；12-氧气供送单元；12a-储存件；12b-调节阀；13-控制器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供一种供氧装置，应用于车载燃料电池系统。该供氧装置由空压机3和加热器7组成。

具体地，空压机3由压端3a、涡端3b和电机3c组成。压端3a内设有压轮，涡端3b内则设有涡轮。压轮既可以由电机3c驱动，也可以由涡轮驱动，还可以由电机3c和涡轮同时驱动。

此外，压端3a的出口与车载燃料电池系统的电堆6的入口连通，涡端3b的入口通过加热器7与电堆6的出口连通。其中，电堆6的入口是指作为氧化剂的空气入口，不包括燃料入口。

上述供氧装置对车载燃料电池系统供氧时，加热器7对电堆6在工作过程中产生的尾排进行加热，将其它形式的能量转换为尾排的热能，即在电堆6出口尾排能量的基础上，额外增加了部分热能。这部分热能通过尾排进入空压机3的涡端3b，对涡端3b内的涡轮做功，涡轮则驱动压端3a内的压轮给电堆6供气，从而在不改变空压机3的质量和体积的情况下增大空压机3的功率，进而满足电堆6在更大功率下的供氧需求。当电堆6功率变大时，不会出现空压机3的质量和体积超出设计要求而无法布置在车上的情况，也不会出现大功率车载空压机3因配套技术不够成熟而容易失效的情况。

实施例2

请参阅图1，本实施例提供一种车载燃料电池系统，具体为一种具有混合供氧及高效能量回收功能的氢燃料电池系统。该车载燃料电池系统包括空滤1、流量计2、中冷器4、增湿器5、电堆6、尾排管路8和上述供氧装置。

具体地，空滤1通过流量计2与压端3a的入口连通，压端3a的出口则依次通过中冷器4和增湿器5与电堆6的入口连通。其中，电堆6的入口是指作为氧化剂的空气入口，不包括燃料入口。

使用时，压轮旋转，将外部空气供送至电堆6。在此过程中，空滤1将空气中的微粒杂质滤除，流量计2实时监测供送至电堆6的空气的流量，中冷器4对空气进行冷却降温，增湿器5对空气进行增湿。

具体地，电堆6的出口依次通过增湿器5和加热器7与涡端3b的入口连通，涡端3b的出口则与尾排管路8连通。

使用时，电堆6产生的尾排（主要由反应生成的水和未充分反应的空气等组成）由电堆6的出口排出。尾排先经过增湿器5增湿，然后经过加热器7加热，再进入涡端3b的入口，对涡端3b内的涡轮做功，最后由涡端3b的出口排出至尾排管路8。

在此过程中，涡轮驱动压轮给电堆6供气，从而在不改变空压机3的质量和体积的情况下增大空压机3的功率，进而满足电堆6在更大功率下的供氧需求。当电堆6功率变大时，不会出现空压机3的质量和体积超出设计要求而无法布置在车上的情况，也不会出现大功率车载空压机3因配套技术不够成熟而容易失效的情况。

需要说明的是，传统的技术方案是电堆6产生的尾排在不经过加热器7加热的情况下对涡轮做功，存在较多缺陷。

以100KW电堆6为例，其尾排中各组分的质量比和能量比如表1所示。

表1 尾排中各组分的质量比和能量比

由于电堆6尾排排温低，为了避免水汽膨胀结露造成涡轮水蚀或结冰等情况，约占尾排能量40%的水（包括液态水和水蒸气）需要借助分水器10排除，仅有占尾排能量60%的气体进入涡轮做功，涡前总能量有限。

在此基础上，电堆6尾排排温低也意味着涡前温度不高，涡轮运行点偏离最高效点（即最佳U/C点），涡轮做功效率较低，回收总能量小。

其中，U/C为涡端3b的速比，是与涡轮效率关联的最主要的无量纲参数。U为涡轮叶轮进口线速度，C为等熵膨胀速度。此外，C与涡轮前温度、膨胀比正相关，具体关系见下式：

式中ΔT为涡轮等熵膨胀前后温差，T₃为涡轮前温度，E_r为涡轮膨胀比，K为比热容比，c_p为定压比热容，c_v为定容比热容。

请参阅图2，根据径流式涡轮效率无因次特性曲线（参考《涡轮增压与涡轮增压器》正文p233，朱大鑫编著）可知，最佳涡轮效率出现在U/C为0.6-0.75的范围内。

当前应用较为普遍的燃料电池质子交换膜的工作温度在60-90℃附近，未来的高温质子交换膜的工作温度也低于200℃，明显低于增压器、燃气轮机等采用的径流涡轮在正常工况下的涡轮前温度（600-1000℃甚至更高）。此时，由于涡轮前温度偏低，导致U/C偏高，在0.85-1.1范围内，即处于径流式涡轮效率无因次特性曲线中U/C偏高的低效率区域。尤其是在非设计工况下，涡前温度更低，导致涡轮效率更低。

以100KW电堆6为例，假定涡轮效率为50%，则其最大能回收能量为（6.8+0.9）*50%=3.85KW，仅占全部尾排能量的30%。

显然，电堆6产生的尾排在不经过加热器7加热的情况下对涡轮做功时，对空压机3的功率的增幅很小，无法显著提升电堆6氧气供给，因而无法显著提高电堆6功率。

此外，当电堆6功率确定以后，电堆6尾排能量基本固定，输入涡轮的能量无法再做调节，特别是无法往更大功率趋势调节。

最后，即便经过分水器10处理，仍会有部分水分进入涡端3b。这部分水分因为无法获得与气流主流相同的运动速度，导致其在进入高速旋转的涡端3b时相对速度的方向也不同于气流主流。其中很大一部分水滴会撞击在叶片前缘靠近压力面的一侧，长期运行过程中会形成水蚀，降低涡端3b效率，甚至危及涡端3b的安全运行。实际测试结果显示，采用传统的技术方案，涡端3b处容易出现积水，积水容易灌入空压机3内部，引起空压机3失效。

与电堆6产生的尾排在不经过加热器7加热的情况下对涡轮做功相比，本实施例中通过设置加热器7对尾排进行加热，一方面能够提升尾排的能量，另一方面能够提高涡轮前温度。在线速度U不变的前提下，速比的分母C提升，U/C下降，使涡轮的U/C指数朝着涡轮的高效率区间移动。具体分析如下：

首先指定以下参数：

记电堆6功率为W_FC，单位为KW；

记消耗每单位空压机3功率的电堆6功率增量为ΔW_air，单位为KW；

记与不加热相比，加热后涡端3b输出功率增量为ΔW_T，单位为KW；

记与不加热相比，扣除加热功率W_H，系统输出净增量为ΔW_S，单位为KW；

记与不加热相比，加热后电堆6功率W_FC增量为ΔW_FC，单位为KW；

记尾排总功率为W_E，单位为KW；

记加热功率为W_H，单位为KW；

记不加热时涡端3b输出功率为W_T，单位为KW；

记加热后涡端3b输出功率为W_HT；

记无量纲加热功率为W_R=W_H/W_E；

记膨胀后无结露，临界无量纲加热功率为W_RCRI；

记不加热时（涡轮前温度为90℃）涡轮效率为η₀；

记加热后（涡轮前温度为T₃）涡轮效率为η_T3。

根据以上参数，给出尾排加热回收量化公式如下：

W_T=60%*W_E*η₀；

当W_R<W_RCRI时，W_HT=（60%+（W_R/W_RCRI）*40%+W_R）*W_E*η_T3；

当W_R≥W_RCRI时，W_HT=（60%+（W_RCRI/W_RCRI）*40%+W_R）*W_E*η_T3；

ΔW_T=W_HT-W_T；

ΔW_FC=ΔW_T*ΔW_air。

以100KW电堆6为例进行分析，空压机3功率为17.1KW，尾排总能量为12.8KW（水蒸气之外的气体占60%，水占40%），假定系统输出有效做功能量为50KW：

在不对尾排进行加热的情况下，假定涡轮效率η₀=50%，则涡端3b输出功率W_T=12.8KW*60%*50%=3.84KW，电堆6功率为可以拓展为100+3.84/17.1*100=122.5KW。

在对尾排进行加热的情况下（注：尾排经过分水器10后进入加热器7，仅有气体成分参与做功），假定加热功率为W_H=10KW，涡轮效率η_T3=60%，则涡端3b的输出功率W_HT=（12.8KW*60%+10KW）*60%=10.608KW，电堆6的功率为可以拓展为100+10.608/17.1*100=162.0KW。

在对尾排进行加热的情况下（注：尾排经过三通阀9后进入加热器7，全部成分参与做功），假定加热功率为W_H=10KW，涡轮效率η_T3=60%，则涡端3b的输出功率W_HT=（12.8KW*（60%+40%）+10KW）*60%=13.68KW，电堆6的功率为可以拓展为100+13.68/17.1*100=180KW。

总之，对尾排进行加热以后，尾排的温度上升，涡端3b的效率提高，且涡端3b的全工况效率保持在较高水平，额外加热的能量10KW和水分中携带的40%原尾排能量（约5.1KW）也转移到涡端3b，涡端3b输出功率显著提高。此时，涡轮直接驱动压轮向电堆6供给更多氧气，同时匹配更多反应原料，从而在不增加空压机3质量和体积的情况下使电堆6功率显著上升，功率密度比大幅度提高。此外，通过灵活调整尾排加热能量，能够适应任何大功率车况。最后，尾排中的水分始终处于气态，不会出现水蚀现象。

请再次参阅图1，进一步地，车载燃料电池系统还包括三通阀9和分水器10，且三通阀9和分水器10设置在电堆6与加热器7之间。

其中，三通阀9具有一个入口和两个出口。三通阀9的入口与电堆6的出口连通，三通阀9的其中一个出口与分水器10的入口连通，三通阀9的另一个出口与加热器7连通。

分水器10的排气口与加热器7连通，分水器10的排水口则与尾排管路8连通。

当三通阀9连通电堆6与分水器10时，尾排经过分水器10处理，只有水蒸气之外的气体进入涡端3b做功，对电堆6功率的增幅可参考前述计算过程。

与三通阀9连通电堆6与分水器10相比，当三通阀9连通电堆6与加热器7时，尾排包含的能量全部进入涡端3b做功，对电堆6的功率的增幅更大。

进一步地，车载燃料电池系统还包括旁通阀11。旁通阀11设置在电堆6与三通阀9之间，电堆6的出口通过旁通阀11与三通阀9的入口连通。

当旁通阀11关闭时，整个车载燃料电池系统的工作状态与未设置旁通阀11时相同。

当旁通阀11开启时，进入涡端3b的尾排减少，减小涡轮做功大小，从而减少压缩空气进入电堆6，进而减小电堆6功率，扩大了调节范围。

进一步地，车载燃料电池系统还包括氧气供送单元12。

氧气供送单元12与电堆6的入口连通，可向电堆6供氧，减小对空压机3功率的需求。此外，当空压机3损坏时，短时间内可使用氧气供送单元12单独向电堆6供氧，使电堆6不至于立即停止工作。

进一步地，氧气供送单元12通过中冷器4与电堆6的入口连通。

氧气供送单元12供给的氧气温度较低，在进入中冷器4之前与空压机3压缩后的空气混合，对空气进行降温，能够减小对中冷器4的功率需求，从而减少中冷器4的体积、质量以及寄生功耗。

在本实施例中，氧气供送单元12由储存件12a和调节阀12b组成。其中，储存件12a用于储存氧气，储存件12a的出口通过调节阀12b与中冷器4连通。通过对调节阀12b的开度进行控制，能够调节储存件12a供给至电堆6的氧气的量。

在本实施例的一个具体实施方式中，储存件12a采用氧气瓶。

请参阅图3，进一步地，车载燃料电池系统还包括控制器13，且控制器13同时与三通阀9、旁通阀11、调节阀12b和加热器7电连接。

上述三通阀9、旁通阀11和调节阀12b均由阀门本体和执行器组成，控制器13具体是与执行器电连接。其中，执行器可以是气动执行器，也可以是电动执行器。

根据车况功率需求的不同，车载燃料电池系统具有五种工作状态。通过控制器13控制三通阀9、旁通阀11、调节阀12b和加热器7的开启和关闭，车载燃料电池系统可以实现在不同工作状态之间的切换，具体见下表：

表2 车载燃料电池系统控制表

如表2所示，车况功率需求为基本功率时，对应正常设计工况。控制器13控制旁通阀11、调节阀12b和加热器7关闭，并控制三通阀9连通电堆6与分水器10。电堆6的尾排经过分水器10处理，只有除水蒸气之外的气体进入涡端3b做功。

车况功率需求大于基本功率时，对应大功率工况。控制器13控制旁通阀11和调节阀12b关闭，控制加热器7开启，并控制三通阀9连通电堆6与分水器10。电堆6的尾排经过分水器10处理，除水蒸气之外的气体经过加热器7加热后进入涡端3b做功，涡前能量增大。此时，压轮能够压缩更多的空气并送入电堆6，配合供给更多的燃料，使得电堆6可以输出比正常工况更大的功率。

车况功率需求大于大功率时，对应更大功率工况。控制器13控制旁通阀11和调节阀12b关闭，控制加热器7开启，并控制三通阀9连通电堆6与加热器7。电堆6的尾排不经分水器10处理，经过加热器7加热后全部进入涡轮做功，涡前能量更大，电堆6可以输出比大功率工况更大的功率。

车况功率需求大于更大功率时，对应超大功率工况。控制器13控制旁通阀11关闭，控制调节阀12b和加热器7开启，并控制三通阀9连通电堆6与加热器7。在更大功率工况的基础上，储存件12a向电堆6供给氧气，电堆6可以输出比更大功率工况更大的功率。

此外，车况功率需求小于基本功率时，对应小功率工况。控制器13控制旁通阀11开启，控制调节阀12b和加热器7关闭，并控制三通阀9连通电堆6与分水器10。在正常设计工况的基础上，电堆6的一部分尾排旁通至其它管路，进入涡端3b的尾排减少，涡轮做功变小，压轮送入电堆6的空气减少，从而减小电堆6功率。

总之，通过控制器13对三通阀9、旁通阀11、调节阀12b和加热器7的开启和关闭进行控制，上述车载燃料电池系统能够适应大范围的车况功率变化，且不改变空压机3中电机3c的功率大小，不改变空压机3的质量和体积。

此外，上述车载燃料电池系统采用氧气瓶和空压机3共同混合供氧，可以在小功率需求时仅使用氧气瓶供氧，提高发动机的相应速度，并降低噪音。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种车载燃料电池系统，其特征在于，包括电堆和供氧装置；

所述供氧装置包括空压机和加热器；

所述电堆与所述加热器之间设有三通阀和分水器；

所述分水器的排气口与所述加热器连通。

2.根据权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述车载燃料电池系统还包括控制器，所述控制器与所述三通阀电连接；

3.根据权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述电堆与所述三通阀之间设有旁通阀，所述电堆的出口通过所述旁通阀与所述三通阀的入口连通。

4.根据权利要求3所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述车载燃料电池系统还包括控制器，所述控制器与所述旁通阀电连接；

5.根据权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述车载燃料电池系统还包括氧气供送单元，所述氧气供送单元与所述电堆的入口连通。

6.根据权利要求5所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述车载燃料电池系统还包括控制器，所述控制器与所述氧气供送单元电连接；

7.根据权利要求5所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述压端与所述电堆之间设有中冷器，所述压端的出口通过所述中冷器与所述电堆的入口连通，所述氧气供送单元通过所述中冷器与所述电堆的入口连通。

8.根据权利要求7所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述氧气供送单元包括储存件和调节阀，所述储存件的出口通过所述调节阀与所述中冷器连通。