CN115101777B - 高效稳定回收能量的燃料电池空气系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统及控制方法，包括空气流路和换热循环回路，空气流路包括依次连通的空压机、第一换热器、增湿器、电堆、第二换热器、膨胀机，第一换热器和第二换热器均设置有连通空气流路的第一换热通道、为换热循环回路一部分的第二换热通道，换热循环回路包括蓄热泵、蓄热罐，蓄热泵、蓄热罐与两个第二换热通道闭环连通形成换热循环回路，换热循环回路填充有换热介质。可有效地电堆阴极入口的空气温度和膨胀机入口处的尾气温度，即使在电堆工作负荷波动的情况下，也能保证电堆和膨胀机的正常工作。

Description

高效稳定回收能量的燃料电池空气系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池的技术领域，特别涉及一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统及控制方法。

背景技术

燃料电池一般需要供氢系统、空气供应系统、热管理子系统等辅助系统。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。空压机出口排出的空气温度可达170～180℃，而燃料电池电堆入口空气温度一般不超过80℃，因此高温空气需要先进入中冷器降温后，再通入燃料电池电堆。中冷器的冷却液在吸收高温空气的热量后进入散热器将热量排向大气。这些热量实际上是未经利用就被排出，而且还增加了散热器的工作负担。另外，燃料电池运行时会直接排出较高压力和温度的气体，这一部分能量也是被浪费掉。特别是近年来，为了满足重卡等应用需求，新开发的燃料电池系统功率已经达到120kw，甚至更高。随着电堆功率越来越高，空压机需要满足的空气流量和增压比都要大幅度提高，与之对应的被浪费的能量也越来越多。

为了解决上述问题，空压机供应商开发了带膨胀机的空压机，将燃料电池电堆尾气通入涡轮膨胀机做功，使得部分尾气能量得以回收利用。另外，有专利（CN114122454A、CN114678573A）提及到增加一个空空换热器，一侧是空压机出口的高温空气，另一侧是燃料电池电堆排出的尾气。一方面高温空气得到降温，还降低了散热器的工作负担；另一方面电堆尾气吸收了热量之后温度上升，做功能力得到提升，再通入膨胀机做功时可回收利用更多能量，而且温度的上升使得尾气中的部分水分蒸发，减小了对膨胀机的可靠性影响。

然而上述技术方案仍存在以下问题：1）空空换热器换热效率较低，要想回收到足够多的热量时需要选型具有足够大换热面积的换热器，这较大地增加了整个系统的体积。2）实际运行过程中燃料电池不可能一直工作在单一工况点，当燃料电池系统变工况运行时，由于空气供应系统的滞后特性，换热器两测的气体流量和温度不一定能达到设计需求。当空压机出口的空气得不到足够的降温时，电堆入口的空气温度过高，将影响电堆的工作效率和寿命；当电堆排出的尾气得不到足够的升温时，尾气中会含有较多的水分，对膨胀机有腐蚀损伤，将影响膨胀机的使用寿命。另外，进入膨胀机的气体能量变化过快时，将导致膨胀机输出能量不稳定，导致难以精确有效地控制空压机的稳定转动，无法稳定输出系统所需压力和流量的空气。

发明内容

本发明目的在于提供一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统及控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

首先本发明提供一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其包括：空气流路和换热循环回路，所述空气流路包括依次连通的空压机、第一换热器、增湿器、电堆、第二换热器、膨胀机，所述第一换热器和第二换热器均设置有连通所述空气流路的第一换热通道、为所述换热循环回路一部分的第二换热通道，所述换热循环回路包括蓄热泵、蓄热罐，所述蓄热泵、蓄热罐与两个第二换热通道闭环连通形成所述换热循环回路，所述换热循环回路填充有换热介质。

本燃料电池空气系统的有益效果是：燃料电池系统工作时，对于空气流路，外界空气进入空压机，空压机使气体压力增加、温度升高，随后气体进入第一换热器的第一换热通道降温到电堆入口所需温度，然后进入增湿器增湿，接着从电堆阴极入口进入电堆发生电化学反应，从电堆阴极出口出来的气体进入第二换热器的第一换热通道，在第二换热器中吸收热量，使得气体温度上升，湿度下降，随后进入膨胀机中做功；同时，对于换热循环回路，在蓄热泵的运行下，换热介质进入第一换热器的第二换热通道中吸收热量，使得自身温度上升，之后换热介质进入第二换热器的第二换热通道中释放热量，通过蓄热罐的蓄热和节流功能，换热介质进入蓄热罐中可实现停留存储，燃料电池系统即使小部分时间偏离额定工况工作，蓄热罐中的换热介质的温度不会出现很大的变化，此时可控制蓄热泵的运行功率，调节换热循环回路中换热介质的流通量，以控制第一换热器和第二换热器的换热量，进而可有效地电堆阴极入口的空气温度和膨胀机入口处的尾气温度，这样即使在电堆工作负荷波动的情况下，也能保证电堆和膨胀机的正常工作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述膨胀机连接有发电机。

本方案中的膨胀机可通过对发电机进行做功而产生电能，发电机可对外部或者空压机进行供电。

作为上述技术方案的进一步改进，所述膨胀机连接于所述空压机。

本方案中的膨胀机直接给空压机进行做功，此时的膨胀机的辅助做功，空压机在输出同样的压缩功的情况下，空压机电机可以少做功，也就减少了空压机电机功耗。

作为上述技术方案的进一步改进，所述空压机的进口连接有过滤器。外界空气首先经过过滤器进行过滤后再进入空压机，这样可提高空压机使用寿命，以及也提高进入空气流路的空气质量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆的阴极进口处和膨胀机的气体进口处均安装有温度传感器。

本方案通过温度传感器来实时检测电堆的阴极进口处和膨胀机的气体进口的温度，可实现自动化的控制。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆与第二换热器之间安装有汽水分离器。

从电堆阴极出口出来的气体首先进入汽水分离器除掉多余水分后再进入第二换热器的第一换热通道，降低第二换热器的负荷。

作为上述技术方案的进一步改进，所述换热介质为导热油。

这样本方案的第一换热器和第二换热器均为气液换热器，使得换热器的换热效率大大得到提升，更少的换热器体积可回收利用更多的热量。另一方面，换热介质为导热油，相比常用的液态水，导热油可在常压下达到100℃以上的温度，更高的温度意味着更高的能量转换效率。同时，典型的导热油工作温度在-100～400℃之间，不存在冬季冰冻导致无法流动的问题；并且第一换热器以导热油为换热介质，可替代常规的中冷器，且吸收的热量用来回收做功再利用，而不是直接通过散热器将热量排向外界，如此一来降低了散热器的工作负担，散热器体积可设计得更小，也更有利于保证燃料电池系统在夏季高温条件下正常工作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述蓄热罐为两个，分别为高温蓄热罐和低温蓄热罐，所述高温蓄热罐位于第一换热器出口与第二换热器入口之间，所述低温蓄热罐位于第二换热器出口与第一换热器入口之间。

本方案中的高温蓄热罐用于存储经过第一换热器加热后的高温换热介质，而低温蓄热罐用于存储经过第二换热器散热后的低温换热介质，高温蓄热罐内的高温换热介质用于调控膨胀机的气体进口温度，如果电堆阴极出口的尾气温度过低以及湿度过大，高温蓄热罐就有更多的高温换热介质流出，并流经第二换热器，更多的高温换热介质对经过第二换热器的尾气加热升温，如果电堆阴极出口的尾气温度过高，就减少高温蓄热罐高温换热介质流出量；

而低温蓄热罐内的低温换热介质用于调控电堆的阴极进口温度，如果空压机出口的高温空气过高，低温蓄热罐就有更多的低温换热介质流出，并流经第一换热器，更多的低温换热介质与经过第一换热器的高温空气进行换热，使得电堆的阴极进口的空气温度降低，如果电堆的阴极进口的空气温度过低，就减少低温蓄热罐低温换热介质流出量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述蓄热泵为两个，分别为高温蓄热泵和低温蓄热泵，所述高温蓄热泵安装于高温蓄热罐的出口，所述低温蓄热泵安装于低温蓄热罐的出口。

高温蓄热罐和低温蓄热罐各自配置蓄热泵来独立控制第一换热器与第二换热器中进入第二换热通道的导热油的流量，可精确有效地独立控制电堆阴极入口空气温度和膨胀机入口处的尾气温度。

此外本发明还提供一种燃料电池空气系统的控制方法，具体方法如下：

输入当前电堆阴极入口的需求温度，检测当前电堆阴极入口的温度，如果当前温度大于需求温度，增加低温蓄热泵流出流量，如果当前温度小于需求温度，减少低温蓄热泵流出流量；

输入膨胀机入口的需求温度，检测当前膨胀机入口的温度，如果当前温度大于需求温度，减少高温蓄热泵流出流量，如果当前温度小于需求温度，增加高温蓄热泵流出流量。

本发明的有益效果是：通过增加两个气液换热器（第一换热器与第二换热器）和两个蓄热罐（高温蓄热泵和低温蓄热泵）实现能量的高效回收利用和稳定的热管理，即使在电堆工作负荷波动的情况下，也能保证电堆和膨胀机的正常工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明所提供的燃料电池空气系统，其一实施例的示意图；

图2是本发明所提供的燃料电池空气系统，其一实施例的对电堆阴极入口温度控制的流程图；

图3是本发明所提供的燃料电池空气系统，其一实施例的对膨胀机入口温度控制的流程图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图3，本发明的一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统作出如下实施例：

如图1所示，本实施例的燃料电池空气系统包括空气流路、换热循环回路，其中空气流路包括有空压机100、第一换热器200、增湿器300、电堆400、第二换热器500和膨胀机600，空压机100、第一换热器200、增湿器300、电堆400、第二换热器500与膨胀机600通过管道依次连通。

其中第一换热器200设置有第一换热通道和第二换热通道，第二换热器500也设置有第一换热通道和第二换热通道，两个第一换热通道为所述空气流路的一部分，而换热循环回路包括蓄热泵、蓄热罐和上述的两个第二换热通道，换热循环回路通过两个第二换热通道、蓄热泵与蓄热罐闭环连通而成的。

其中，本实施例的换热循环回路内填充的换热介质为导热油，这样第一换热器200和第二换热器500均为气液换热器，相比于传统的气气换热器，本发明改用气液换热器，换热介质为导热油，使得换热器的换热效率大大得到提升，更少的换热器体积可回收利用更多的热量，另一方面，换热介质为导热油，相比常用的液态水，导热油可在常压下达到100℃以上的温度，更高的温度意味着更高的能量转换效率。同时，典型的导热油工作温度在-100～400℃之间，不存在冬季冰冻导致无法流动的问题。

燃料电池系统工作时，对于空气流路，外界空气进入空压机100，空压机100使气体压力增加、温度升高，随后气体进入第一换热器200的第一换热通道降温到电堆400入口所需温度，然后进入增湿器300增湿，接着从电堆400阴极入口进入电堆400发生电化学反应，从电堆400阴极出口出来的气体进入第二换热器500的第一换热通道，在第二换热器500中吸收热量，使得气体温度上升，湿度下降，随后进入膨胀机600中做功。

同时，对于换热循环回路，在蓄热泵的运行下，换热介质进入第一换热器200的第二换热通道中吸收热量，使得自身温度上升，之后换热介质进入第二换热器500的第二换热通道中释放热量，通过蓄热罐的蓄热和节流功能，换热介质进入蓄热罐中可实现停留存储，燃料电池系统即使小部分时间偏离额定工况工作，蓄热罐中的换热介质的温度不会出现很大的变化，此时可控制蓄热泵的运行功率，调节换热循环回路中换热介质的流通量，以控制第一换热器200和第二换热器500的换热量，进而可有效地电堆400阴极入口的空气温度和膨胀机600入口处的尾气温度，这样即使在电堆400工作负荷波动的情况下，也能保证电堆400和膨胀机600的正常工作。

其中第一换热器200以导热油为换热介质，可替代常规的中冷器，且吸收的热量用来回收做功再利用，而不是直接通过散热器将热量排向外界，如此一来降低了散热器的工作负担，散热器体积可设计得更小，也更有利于保证燃料电池系统在夏季高温条件下正常工作。

对于大功率电堆，额定工况下空压机100后的空气温度一般在150℃以上，这样第二换热器500的第一换热通道出口的尾气温度很容易在100℃以上，湿度处于较低水平，这样尾气进入膨胀机600工作时会最大可能减少水分对膨胀机600的腐蚀损失，延长膨胀机600的使用寿命。

本实施例中的膨胀机600与所述空压机100连接，膨胀机600直接给空压机100进行做功，此时的膨胀机600的辅助做功，空压机100在输出同样的压缩功的情况下，空压机100电机可以少做功，也就减少了空压机100电机功耗。

在其他一些实施例中，膨胀机600与外设的发电机连接，膨胀机600可通过对发电机进行做功而产生电能，发电机可对外部或者空压机100进行供电。

以及，空压机100的进口处安装有过滤器110，外界空气首先经过过滤器110进行过滤后再进入空压机100，这样可提高空压机100使用寿命，以及也提高进入空气流路的空气质量。

进一步地，在所述电堆400的阴极出口与第二换热器500的进口之间设有汽水分离器410，从电堆400阴极出口出来的气体首先进入汽水分离器410除掉多余水分后再进入第二换热器500的第一换热通道，降低第二换热器500的负荷。

更进一步地，本实施例设置有两个蓄热罐，两个蓄热罐分为高温蓄热罐700、低温蓄热罐800，高温蓄热罐700连接于第一换热器200的第二换热通道出口与第二换热器500的第二换热通道入口之间，而低温蓄热罐800连接于第二换热器500的第二换热通道出口与第一换热器200的第二换热通道入口之间，并且高温蓄热罐700和低温蓄热罐800各自配置蓄热泵，进而本实施例也设置有两个蓄热泵，两个蓄热泵分为高温蓄热泵710、低温蓄热泵810，高温蓄热泵710设置于高温蓄热罐700出口，而低温蓄热泵810设置于低温蓄热罐800的出口，这样可独立控制第一换热器200与第二换热器500中进入第二换热通道的导热油的流量。

其中高温蓄热罐700用于存储经过第一换热器200加热后的高温换热介质，而低温蓄热罐800用于存储经过第二换热器500散热后的低温换热介质，高温蓄热罐700内的高温换热介质用于调控膨胀机600的气体进口温度，如果电堆400阴极出口的尾气温度过低以及湿度过大，高温蓄热罐700就有更多的高温换热介质流出，并流经第二换热器500，更多的高温换热介质对经过第二换热器500的尾气加热升温，如果电堆400阴极出口的尾气温度过高，就减少高温蓄热罐700高温换热介质流出量。

而低温蓄热罐800内的低温换热介质用于调控电堆400的阴极进口温度，如果空压机100出口的高温空气过高，低温蓄热罐800就有更多的低温换热介质流出，并流经第一换热器200，更多的低温换热介质与经过第一换热器200的高温空气进行换热，使得电堆400的阴极进口的空气温度降低，如果电堆400的阴极进口的空气温度过低，就减少低温蓄热罐800低温换热介质流出量。

也是说，低温蓄热罐800中的低温导热油在低温蓄热泵810驱动下进入第一换热器200的第二换热通道中吸收热量，使得自身温度上升，随后进入高温蓄热罐700，高温蓄热罐700的高温导热油在高温蓄热泵710驱动下进入第二换热器500的第二换热通道中释放热量，使得自身温度下降，随后进入低温蓄热罐800，第二换热通道中的导热油可调整自身流量以确保电堆400阴极入口空气温度不会过高，以及膨胀机600入口处的尾气温度不会剧烈波动。

此外，所述电堆400的阴极进口处安装有第一温度传感器420，膨胀机600的气体进口处安装有第二温度传感器610，通过第一温度传感器420和第二温度传感器610来实时检测电堆400的阴极进口处和膨胀机600的气体进口的温度，可实现自动化的控制。

其中，带膨胀机600的压缩机系统可以是单级压缩也可以是多级压缩，可以是单级膨胀也可以是多级膨胀。

本实施例还设有主控制器，主控制器分别与第一温度传感器420、第二温度传感器610、低温蓄热泵810和高温蓄热泵710信号连接。

如图2和图3所示，本实施例还提供一种燃料电池空气系统的控制方法，具体方法如下：

输入当前电堆400阴极入口的需求温度，检测当前电堆400阴极入口的温度，如果当前温度大于需求温度，增加低温蓄热泵810流出流量，如果当前温度小于需求温度，减少低温蓄热泵810流出流量；

输入膨胀机600入口的需求温度，检测当前膨胀机600入口的温度，如果当前温度大于需求温度，减少高温蓄热泵710流出流量，如果当前温度小于需求温度，增加高温蓄热泵710流出流量。

通过增加两个气液换热器和两个蓄热罐实现能量的高效回收利用和稳定的热管理，即使在电堆400工作负荷波动的情况下，也能保证电堆400和膨胀机600的正常工作。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其特征在于：其包括：空气流路和换热循环回路，所述空气流路包括依次连通的空压机（100）、第一换热器（200）、增湿器（300）、电堆（400）、第二换热器（500）、膨胀机（600），所述第一换热器（200）和第二换热器（500）均设置有连通所述空气流路的第一换热通道、为所述换热循环回路一部分的第二换热通道，所述换热循环回路包括蓄热泵、蓄热罐，所述蓄热泵、蓄热罐与两个第二换热通道闭环连通形成所述换热循环回路，所述换热循环回路填充有换热介质；

所述蓄热罐为两个，分别为高温蓄热罐（700）和低温蓄热罐（800），所述高温蓄热罐（700）位于第一换热器（200）出口与第二换热器（500）入口之间，所述低温蓄热罐（800）位于第二换热器（500）出口与第一换热器（200）入口之间；

所述蓄热泵为两个，分别为高温蓄热泵（710）和低温蓄热泵（810），所述高温蓄热泵（710）安装于高温蓄热罐（700）的出口，所述低温蓄热泵（810）安装于低温蓄热罐（800）的出口。

2.根据权利要求1所述的一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其特征在于：所述膨胀机（600）连接有发电机。

3.根据权利要求1所述的一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其特征在于：所述膨胀机（600）连接于所述空压机（100）。

4.根据权利要求1所述的一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其特征在于：所述空压机（100）的进口连接有过滤器（110）。

5.根据权利要求1所述的一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其特征在于：所述电堆（400）的阴极进口处和膨胀机（600）的气体进口处均安装有温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其特征在于：所述电堆（400）与第二换热器（500）之间安装有汽水分离器（410）。

7.根据权利要求1所述的一种高效稳定回收能量的燃料电池空气系统，其特征在于：所述换热介质为导热油。

8.一种燃料电池空气系统的控制方法，其特征在于：其采用如权利要求1所述的燃料电池空气系统，具体方法如下：

输入当前电堆（400）阴极入口的需求温度，检测当前电堆（400）阴极入口的温度，如果当前温度大于需求温度，增加低温蓄热泵（810）流出流量，如果当前温度小于需求温度，减少低温蓄热泵（810）流出流量；

输入膨胀机（600）入口的需求温度，检测当前膨胀机（600）入口的温度，如果当前温度大于需求温度，减少高温蓄热泵（710）流出流量，如果当前温度小于需求温度，增加高温蓄热泵（710）流出流量。

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