CN115172823A - 一种燃料电池空气系统及其压力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气系统及其压力控制方法，系统电堆、空压机、出口阀、背压阀、电流采集模块和控制模块；电堆的空气出口、出口阀和背压阀依次连接；所述空压机连接电堆的空气入口；所述电流采集模块连接电堆和所述控制模块；所述控制模块连接出口阀和背压阀；所述电流采集模块用于实时检测电堆的电流，并将电流值发送给所述控制模块；所述控制模块根据电流采集模块的实时电流和实际空气入口压力，控制出口阀和背压阀的开度。本发明通过出口阀和背压阀联合控制电堆空气出口侧的压力，有效降低电堆阴极空气流量与压力控制的耦合作用，提高压力控制稳定性。

Description

一种燃料电池空气系统及其压力控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池空气系统及其压力控制方法。
背景技术
氢燃料，是一种清洁、无污染的可再生能源，正在被越来越多的领域使用。氢燃料电池可以将氢气转化为电能和热能，氢燃料电池在工作时，不仅发电效率高，而且具有噪音小、无污染等优点。燃料电池系统包括氢气子系统和空气子系统，氢气子系统提供的氢气与空气子系统提供的空气在电堆内部进行电化学反应。
其中，燃料电池空气子系统给电堆供应的空气需要指定流量和压力，而空气流量与压力随电堆功率不同而不同。现有技术中，空气子系统主要包括空压机和背压阀，通过改变空压机转速来控制空气流量，通过改变背压阀的开度来控制空气压力。
现有技术存在以下缺陷和不足：1、空气的流量和压力控制之间存在耦合作用，即压力与流量的变化互相影响，当空压机为离心式空压机时，这种现象更加明显，因此背压阀控制压力出现扰动时，流量控制也会受到影响，造成流量与压力控制的持续波动；2、当背压阀进出口压力比值过大（大于2）时，将产生临界流，阀门出口流速超过音速，会发出巨大的噪音；3、背压阀长期承受较大的压差，影响阀门使用寿命。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池空气系统及其压力控制方法，通过出口阀和背压阀联合控制电堆空气出口侧的压力，有效降低电堆阴极空气流量与压力控制的耦合作用，提高压力控制稳定性，降低燃料电池系统噪音并延长出口阀和背压阀的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池空气系统，包括电堆、空压机和背压阀，所述电堆包括空气入口和空气出口；所述燃料电池空气系统还包括出口阀、电流采集模块和控制模块；
电堆的空气出口、出口阀和背压阀依次连接；所述空压机连接电堆的空气入口；所述电流采集模块连接电堆和所述控制模块；所述控制模块连接出口阀和背压阀；
所述电流采集模块用于实时检测电堆的电流，并将电流值发送给所述控制模块；所述控制模块根据电流采集模块的实时电流和实际空气入口压力，控制出口阀和背压阀的开度。
本发明另一目的是提供一种燃料电池空气系统的压力控制方法，其运行于所述的一种燃料电池空气系统上，包括以下步骤：
电流采集模块实时检测电堆的电流，并将电流值发送给所述控制模块；控制模块根据电流采集模块的实时电流和实际空气入口压力，控制出口阀和背压阀的开度，通过控制出口阀和背压阀的开度，从而达到控制电堆空气入口压力，使得电堆空气入口压力达到目标压力。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：通过出口阀和背压阀联合控制电堆空气出口侧的压力，有效降低电堆阴极空气流量与压力控制的耦合作用，提高压力控制稳定性，降低燃料电池系统噪音并延长出口阀和背压阀的使用寿命。
附图说明
图1为现有技术燃料电池空气系统的结构示意图。
图2为现有技术燃料电池空气系统的空气在经过电堆和背压阀后的压力变化图。
图3为本发明燃料电池空气系统的结构示意图。
图4为本发明燃料电池空气系统的空气在经过电堆、出口阀和背压阀后的压力变化图。
图5为本发明燃料电池空气系统的出口阀和背压阀的控制逻辑图。
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。
如图1所示，现有的燃料电池空气系统包括电堆1、空压机2和背压阀4，当电堆1出口只有一个背压阀4时，控制模块8通过调整背压阀开度控制电堆空气入口压力。燃料电池系统在特定功率正常运行情况下，控制模块8控制背压阀4处于第一开度，沿空气流量流动方向的压力分布如图2所示，电堆空气入口压力为P1，空气流经电堆时有一定压损，电堆空气出口压力变为P2，空气流经背压阀4时产生较大压损，背压阀4出口压力P0为环境压力。其中，背压阀4的进出口压差=P2-P0，进出口压力比=P2/P0，P1大于P2大于P0。
实施例1
本实施例公开一种燃料电池空气系统，在现有技术的基础上，在电堆1出口与背压阀4之间增加一个出口阀3，如图3所示，所述一种燃料电池空气系统包括电堆1、空压机2、出口阀3、背压阀4、空气流量传感器5、电堆空气入口压力传感器6、电流采集模块7和控制模块8；
所述电堆1包括空气入口和空气出口，空压机2连接电堆1的空气入口；
电堆1的空气出口、出口阀3和背压阀4依次连接；空气流量传感器5连接空压机2或者空气流量传感器5内置于空压机2，压力传感器6连接电堆1的空气入口或者压力传感器6内置于电堆1的空气入口；所述电流采集模块7连接电堆和所述控制模块8；所述控制模块8连接压力传感器6、出口阀3和背压阀4；
所述空气流量传感器5用于检测空压机入口的空气流量；所述压力传感器6用于检测所述电堆1空气入口的压力；
所述电流采集模块7用于实时检测电堆1的电流，并将电流值发送给所述PI控制模块8；所述控制模块8根据电流采集模块7的实时电流和实际空气入口压力，控制出口阀3和背压阀4的开度，通过控制出口阀3和背压阀4的开度，从而达到控制电堆1空气入口压力，使得电堆1空气入口压力达到目标压力。
如图4所示，燃料电池系统在与图2同样的特定功率正常运行情况下，控制模块8需要控制出口阀3处于第二开度和背压阀4处于第三开度；此时，电堆1空气入口压力同样为P1，电堆1空气出口压力同样为P2，出口阀3出口压力为P3，背压阀4出口压力P0（PO为环境压力）。其中，P1大于P2大于P3大于P0。
本实施例的燃料电池空气系统，通过调整出口阀3和背压阀4的开度共同控制电堆空气入口压力。图2和图4进行对比，图2和图4的燃料电池空气系统均在同一个特定功率正常运行情况下。本实施例的燃料电池空气系统沿空气流量流动方向的压力分布如图4所示，电堆1空气入口压力为P1，空气流经电堆时有一定压损，电堆1空气出口压力变为P2，空气流经出口阀3时产生部分压损，出口阀3出口压力变为P3，空气流经背压阀4时产生部分压损，背压阀4出口压力P0为环境压力。出口阀3进出口压力比=P2/P3，背压阀4的进出口压力比=P3/P0，背压阀4的进出口压差=P3-P0。增加出口阀3后，可以使背压阀进出压差减小，进出口压力比降低，从而抑制临界流出现。
将本实施例的燃料电池空气系统与现有技术的燃料电池空气系统进行对比：电堆空气出口管路总的流通系数为Kv0，Kv1为背压阀4流通系数，Kv2为出口阀3流通系数，当电堆出口只有背压阀4时（即现有技术的燃料电池空气系统）：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
当电堆出口有出口阀3和背压阀4时（本实施例的燃料电池空气系统）：
Figure 28164DEST_PATH_IMAGE002
可见本实施例的燃料电池空气系统增加出口阀3后，当背压阀4由于开度变化而流通系数Kv1变化时，对电堆1空气出口管路总的流通系数Kv0的影响变小，即对电堆1空气入口压力的控制权重减弱，因而背压阀4压力控制抗干扰能力增强，空压机2与背压阀4控制的耦合作用减弱，且出口阀3进出口压力差=P2-P3越大，效果越明显。
实施例2
本实施例是在实施例1一种燃料电池空气系统的基础上，公开一种燃料电池空气系统的压力控制方法，步骤包括：
如图5所示，在燃料电池系统运行状态下，空气入口目标压力随电堆电流变化，所述电流采集模块7用于实时检测电堆1的电流，并将电流值发送给所述控制模块8；所述控制模块8根据电流采集模块7的实时电流直接控制出口阀3的开度（不同电流对应不同出口阀3开度），而根据目标压力与实际空气入口压力的差值做PI控制来调整背压阀4的开度，从而控制电堆1空气入口压力，并使得电堆1空气入口压力达到目标压力。
本实施例通过控制模块8同时控制出口阀3和背压阀4的开度，从而控制了电堆1空气入口压力，使电堆1空气入口的实际压力达到目标压力。
本实施例通过出口阀和背压阀联合控制电堆空气出口侧的压力，有效降低电堆阴极空气流量与压力控制的耦合作用，提高压力控制稳定性，降低燃料电池系统噪音并延长出口阀和背压阀的使用寿命。
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 (2)

1.一种燃料电池空气系统，包括电堆、空压机和背压阀，所述电堆包括空气入口和空气出口；其特征在于，所述燃料电池空气系统还包括出口阀、电流采集模块和控制模块；
电堆的空气出口、出口阀和背压阀依次连接；所述空压机连接电堆的空气入口；所述电流采集模块连接电堆和所述控制模块；所述控制模块连接出口阀和背压阀；
所述电流采集模块用于实时检测电堆的电流，并将电流值发送给所述控制模块；所述控制模块根据电流采集模块的实时电流和实际空气入口压力，控制出口阀和背压阀的开度。
2.一种燃料电池空气系统的压力控制方法，其运行于权利要求1所述的一种燃料电池空气系统上，其特征在于，包括以下步骤：
电流采集模块实时检测电堆的电流，并将电流值发送给所述控制模块；控制模块根据电流采集模块的实时电流和实际空气入口压力，控制出口阀和背压阀的开度，通过控制出口阀和背压阀的开度，从而达到控制电堆空气入口压力，使得电堆空气入口压力达到目标压力。
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