CN116575988B - 燃料电池系统用膨胀机及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统用膨胀机及燃料电池系统，属于燃料电池低温启动技术领域，解决了现有技术无法避免涡轮因低温结冰而导致损伤的问题。该装置包括膨胀机壳体，设于该壳体内的电机、叶轮、涡轮、温度传感器、电加热装置，设于该壳体外的加热装置控制器。膨胀机壳体上设有压气端进气口、压气端出气口、涡端进气口、涡端出气口。电机位于膨胀机壳体内中部，使得膨胀机壳体内两侧形成独立的压气腔、涡腔。电机的压气腔的输出轴上设有叶轮，电机的涡腔的输出轴上设有涡轮。温度传感器、电加热装置均设于涡端的膨胀机壳体内。该装置可实现涡轮的快速融冰破冰，降低低温环境、燃料电池系统异常停机情况下膨胀机涡轮损伤的风险。

Description

燃料电池系统用膨胀机及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池低温启动技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统用膨胀机及燃料电池系统。
背景技术
随着燃料电池市场的推广，经济性能成为燃料电池系统要重的指标。其中，膨胀机因其可对燃料电池系统尾排气体进行能量回收，备受关注，其通过降低功耗从而提升燃料电池系统的经济性能。但由于燃料电池系统本身特性，进入膨胀机涡端的气体会包含部分液态或者气态水，在低温情况下可能会出现结冰等现象，进而涡轮造成损伤，使得膨胀机故障。
目前，现有搭载膨胀机的燃料电池系统大多是通过控制策略来解决膨胀机涡端易损伤的问题，在燃料电池系统停机之前通过控制膨胀机工作，使高温压缩气体直接吹扫涡轮位置，从而降低涡端含水量，从而降低低温结冰损伤涡轮的风险。此外，现有专利CN202210577886.0采用的是电涡流加热和磁滞损耗加热方案来解决膨胀机低温结冰现象。
上述膨胀机均存在如下缺点：在低温环境且燃料电池系统异常情况突然停机的情况下，膨胀机涡轮因低温结冰导致的损伤几乎不可避免。通过吹扫虽然能降低风险，但吹扫时间的延长会影响客户感受。电涡流加热和磁滞加热方案，通过电流变化来进行加热，温度低会导致融冰时间长，融冰效果不明显，温度高会导致电机转子过热退磁出现故障。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池系统用膨胀机及燃料电池系统，用以解决现有技术无法避免涡轮因低温结冰而导致损伤的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池系统用膨胀机，包括膨胀机壳体，设于膨胀机壳体内的电机、叶轮、涡轮、温度传感器、电加热装置，以及设于膨胀机壳体外的加热装置控制器；其中，
膨胀机壳体上设有压气端进气口、压气端出气口、涡端进气口、涡端出气口；电机位于膨胀机壳体内中部，使得膨胀机壳体内两侧形成独立的压气腔、涡腔，压气腔与所述压气端进气口、压气端出气口连通，涡腔与所述涡端进气口、涡端出气口连通；电机的压气腔的输出轴上设有叶轮，电机的涡腔的输出轴上设有涡轮；温度传感器、电加热装置均设于涡端的膨胀机壳体内；加热装置控制器的输入端接温度传感器，输出端接电加热装置的控制端。
上述技术方案的有益效果如下：提供了一种涡轮自带加热装置的膨胀机。在低温环境下，在发动机工作前可通过电加热装置的工作，融化膨胀机涡轮端内部的冰。完成加热融冰之后，传递信号给加热装置控制器和发动机控制器，燃料电池系统正常启动，从而解决膨胀机涡轮低温结冰启动损伤的问题。
基于上述装置的进一步改进，加热装置控制器执行如下程序：
接收到燃料电池发动机控制器发出的开机指令后，获取温度传感器采集的实测涡端温度；
识别所述实测涡端温度是否低于设定值，如果是，向燃料电池发动机控制器发出禁止开机指令，同时，控制电加热装置启动，再执行下一步，否则，直接向燃料电池发动机控制器发出允许开机指令；
在电加热装置启动后，定时获取温度传感器采集的实测涡端温度，直到识别所述实测涡端温度高于设定值，向燃料电池发动机控制器发出允许开机指令，同时，控制电加热装置关闭。
进一步，压气腔的体积小于涡腔的体积。
进一步，电加热装置进一步包括PTC加热器或电热膜；其中，
PTC加热器，位于涡端的膨胀机壳体内，设于涡轮的上下两侧，或设置为环绕涡轮至少一圈；
电热膜，置于涡端的膨胀机壳体内壁上。
进一步，压气端进气口处的气体流向与叶轮的设置方向垂直，并与电机的压气腔的输出轴所在直线平行；并且，
涡端出气口处的气体流向与涡轮的设置方向垂直，并与电机的涡腔的输出轴所在直线平行。
进一步，在涡端进气口处还集成了气液分离器；其中，
气液分离器具有入口、出液口、出气口，其入口用于连接电堆，其出液口连接尾排管道，其出气口作为涡端进气口。
进一步，电加热装置进一步包括作为主加热模块的电热膜和作为辅助加热模块的PTC加热器；并且，
加热装置控制器执行如下程序：
接收到燃料电池发动机控制器发出的开机指令后，获取温度传感器采集的实测涡端温度；
识别所述实测涡端温度是否低于第一温度阈值，如果是，向燃料电池发动机控制器发出禁止开机指令，同时，控制电加热装置中的电热膜、PTC加热器均启动并加热设定时间time，再执行下一步；否则，直接执行下一步；
识别所述实测涡端温度是否低于第二温度阈值，如果是，仅控制电加热装置中的PTC加热器启动，定时获取温度传感器采集的实测涡端温度，直到识别所述实测涡端温度高于设定值，向燃料电池发动机控制器发出允许开机指令，同时，控制PTC加热器关闭；其中，第一温度阈值＜第二温度阈值＜设定值。
进一步，设定时间time通过下面公式确定：
time＝a(T2-T1)2+b(T2-T1)+c，
式中，a、b、c为根据实验室内低温结冰现象消除的最短加热时间标定的系数；T2为温度传感器采集的实测涡端温度，T1为实验室内低温结冰现象消除的涡端温度。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、可替代现有燃料电池系统停机吹扫策略，从而实现快速融冰，降低低温环境、燃料电池系统异常停机情况下，膨胀机涡轮损伤的风险。
2、可缩短燃料电池系统停机吹扫时间，提升客户感受。
另一方面，本发明实施例提供了燃料电池系统，除包括上述膨胀机外，还包括空滤器、尾排装置、阀门、电堆；其中，
空滤器输出的空气经膨胀机的压气端进入电堆的空气入口；
电堆排出的尾气经阀门进入膨胀机的涡端，再进入尾排装置。
进一步，该燃料电池系统还包括：
空压机，其输入端接空滤器，其输出端接引射器的射流入口；
引射器，其引流入口接膨胀机的压气端出气口，其汇流出口接电堆的空气入口；
发动机控制器，其输出端接空压机的控制端。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1膨胀机的内部结构示意图；
图2示出了实施例2电加热装置的控制流程示意图；
图3示出了实施例3膨胀机在燃料电池系统的应用示意图。
附图标记
1-压气端进气口；2-叶轮；3-电机；4-电机的输出轴；5-压气端出气口；6-加热装置控制器；7-温度传感器；8-电加热装置；9-涡轮；10-涡端出气口；11-涡端进气口；t实际值-实测涡端温度；t设定值-设定值(涡轮正常工作时的涡端温度)。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
为了更容易理解发明内容，下面先介绍本发明涉及的技术术语。
燃料电池：一种能量转化装置,把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。
空压机：燃料电池空气路的核心部件，主要布置在空气过滤器(简称空滤)之后、电堆之前，通过控制器来实现空压机在不同工况下工作，进而为燃料电池系统提供压缩空气。
膨胀机：燃料电池空气路的核心部件，功能作用与空压机相同。与空压机的区别是，空压机由电机及压气机组成，膨胀机在空压机基础上在电机另一端增加了涡轮。在工作过程中通过其涡轮对燃料电池系统尾排气体进行能量回收，从而可降低燃料电池系统功耗。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池系统用膨胀机，如图1所示，包括膨胀机壳体，设于膨胀机壳体内的电机3、叶轮2、涡轮9、温度传感器7、电加热装置8，设于膨胀机壳体外的加热装置控制器6。
其中，膨胀机壳体上设有压气端进气口1、压气端出气口5、涡端进气口11、涡端出气口10。
电机3位于膨胀机壳体内中部，使得膨胀机壳体内两侧形成独立的压气腔、涡腔，压气腔与所述压气端进气口1、压气端出气口5连通，涡腔与所述涡端进气口11、涡端出气口10连通。
电机的输出轴4分别伸入压气腔、涡腔内。电机3的压气腔的输出轴上设有叶轮2，电机3的涡腔的输出轴上设有涡轮9。
温度传感器7、电加热装置8均设于涡端的膨胀机壳体内。加热装置控制器6的输入端接温度传感器7，输出端接电加热装置8的控制端。
加热装置控制器6可通过温度传感器7传递的温度信号的对比结果转换成控制信号，同时将指令输出给电加热装置8，以指导电加热装置8工作或者停机。
实施时，膨胀机可布置在空滤器和(空气过滤器)电堆中间，压气端进气口1接空滤器(空气过滤器)，压气端出气口5接电堆的空气进口，涡端进气口11接电堆的尾气出口，涡端出气口10接尾排装置。此外，膨胀机的布设方式也可参见现有专利CN202211024099.X、CN202111090775.9等。
电堆尾气进入膨胀机的涡腔内，驱动涡轮9运行，进而带动电机的输出轴4带动叶轮2转动，对进入膨胀机压气腔的空气或氧气进行压缩。
与现有技术相比，本实施例提供了一种涡轮自带加热装置的膨胀机。在低温环境下，在发动机工作前可通过电加热装置的工作，融化膨胀机涡轮端内部的冰。完成加热融冰之后，传递信号给加热装置控制器和发动机控制器，燃料电池系统正常启动，从而解决膨胀机涡轮低温结冰启动损伤的问题。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，如图2所示，加热装置控制器执行如下程序：
S1.接收到燃料电池发动机控制器发出的开机指令后，获取温度传感器7采集的实测涡端温度t实际值；
S2.识别所述实测涡端温度t实际值是否低于设定值t设定值，如果是，向燃料电池发动机控制器发出禁止开机指令，同时，控制电加热装置8启动，再执行下一步，否则，直接向燃料电池发动机控制器发出允许开机指令；
S3.在电加热装置8启动后，定时获取温度传感器7采集的实测涡端温度t实际值，直到识别所述实测涡端温度t实际值高于设定值t设定值，向燃料电池发动机控制器发出允许开机指令，同时，控制电加热装置8关闭。
优选地，压气腔的体积小于涡腔的体积。
可选地，电加热装置8进一步采用PTC加热器或电热膜。
PTC加热器(常用的PTC加热结构)，位于涡端的膨胀机壳体内，设于涡轮的上下两侧，或设置为环绕涡轮至少一圈。通过PTC内热敏电阻的工作实现温度上升，同时传递到涡端，实现破冰融。
电热膜，置于涡端的膨胀机壳体内壁上。电热膜加热之后使腔体内部温度升高从而实现破冰融冰。
优选地，压气端进气口1处的气体流向与叶轮2的设置方向垂直，并与电机3的压气腔的输出轴所在直线平行。并且，涡端出气口10处的气体流向与涡轮9的设置方向垂直，并与电机3的涡腔的输出轴所在直线平行。
优选地，该装置在涡端进气口11处还集成了气液分离器。
其中，气液分离器具有入口、出液口、出气口，其入口用于连接电堆，其出液口连接尾排管道，其出气口作为涡端进气口11。
与实施例1相比，本实施例方案具有如下有益效果：
1、可替代现有燃料电池系统停机吹扫策略，从而实现快速融冰，降低低温环境、燃料电池系统异常停机情况下，膨胀机涡轮损伤的风险。
2、可缩短燃料电池系统停机吹扫时间，提升客户感受。
实施例3
在实施例1的基础上，电加热装置进一步包括作为主加热模块的电热膜和作为辅助加热模块的PTC加热器。
PTC加热器，位于涡端的膨胀机壳体内，设于涡轮的上下两侧，或设置为环绕涡轮至少一圈。
电热膜，置于涡端的膨胀机壳体内壁上。
优选地，加热装置控制器执行如下程序完成快速：
S1*.接收到燃料电池发动机控制器发出的开机指令后，获取温度传感器7采集的实测涡端温度t实际值；
S2*.识别所述实测涡端温度t实际值是否低于第一温度阈值，如果是，向燃料电池发动机控制器发出禁止开机指令，同时，控制电加热装置8中的电热膜、PTC加热器均启动并加热设定时间time(快速加热阶段)，再执行下一步；否则，直接执行下一步；
S3*.识别所述实测涡端温度t实际值是否低于第二温度阈值，如果是，仅控制电加热装置8中的PTC加热器启动(均匀加热阶段)，定时获取温度传感器7采集的实测涡端温度t实际值，直到识别所述实测涡端温度t实际值高于设定值t设定值，向燃料电池发动机控制器发出允许开机指令，同时，控制PTC加热器关闭。其中，第一温度阈值＜第二温度阈值＜设定值t设定值。
电热膜采用的是一种通电后会发热的半透明聚酯膜，热转换效率高，耗电量少。而PTC加热器不仅能确保受热均匀，而且还具有抗腐蚀，保温性能好，寿命长等优点。上述方案克服了现有电涡流加热和磁滞加热方案温度低融冰效果不明显且温度高会导致电机转子故障的问题。
优选地，设定时间time通过下面公式确定：
time＝a(T2-T1)2+b(T2-T1)+c，
式中，a、b、c为根据实验室内低温结冰现象消除的最短加热时间标定的系数；T2为温度传感器7采集的实测涡端温度t实际值，T1为实验室内低温结冰现象消除的涡端温度。
与实施例2相比，本实施例提供的膨胀机可以更快速地融冰破冰，降低低温环境、燃料电池系统异常停机情况下，膨胀机涡轮损伤的风险。并可进一步缩短燃料电池系统停机吹扫时间，提升客户感受。
实施例4
本发明还公开了一种使用实施例1-3任一项所述膨胀机的燃料电池系统，该燃料电池系统中膨胀机的布置位置如图3所示。
本实施例仅对燃料电池系统的空气路进行了改进，对燃料电池系统的燃料气路、冷却液路并无改进，燃料电池系统的燃料气路、冷却液路可参见现有技术。
该燃料电池系统还包括空滤器(空气过滤器)、尾排装置、阀门、电堆。
其中，空滤器输出的空气经膨胀机的压气端进入电堆的空气入口。
电堆排出的尾气经阀门(可选电动阀门或手动阀门)进入膨胀机的涡端，再进入尾排装置。
优选地，该燃料电池还包括空压机、引射器、发动机控制器。
空压机，其输入端接空滤器，其输出端接引射器的射流入口，用于压缩空气。
引射器，其引流入口接膨胀机的压气端出气口5，其汇流出口接电堆的空气入口。
发动机控制器，其输出端接空压机、阀门的控制端，用于控制燃料电池的运行。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统用膨胀机，其特征在于，包括膨胀机壳体，设于膨胀机壳体内的电机(3)、叶轮(2)、涡轮(9)、温度传感器(7)、电加热装置(8)，设于膨胀机壳体外的加热装置控制器(6)；其中，
膨胀机壳体上设有压气端进气口(1)、压气端出气口(5)、涡端进气口(11)、涡端出气口(10)；电机(3)位于膨胀机壳体内中部，使得膨胀机壳体内两侧形成独立的压气腔、涡腔，压气腔与所述压气端进气口(1)、压气端出气口(5)连通，涡腔与所述涡端进气口(11)、涡端出气口(10)连通；电机(3)的压气腔的输出轴上设有叶轮(2)，电机(3)的涡腔的输出轴上设有涡轮(9)；温度传感器(7)、电加热装置(8)均设于涡端的膨胀机壳体内；加热装置控制器(6)的输入端接温度传感器(7)，输出端接电加热装置(8)的控制端；
电加热装置进一步包括作为主加热模块的电热膜和作为辅助加热模块的PTC加热器；PTC加热器，位于涡端的膨胀机壳体内，设于涡轮的上下两侧，或设置为环绕涡轮至少一圈；电热膜，置于涡端的膨胀机壳体内壁上；并且，
加热装置控制器执行如下程序：
接收到燃料电池发动机控制器发出的开机指令后，获取温度传感器(7)采集的实测涡端温度；
识别所述实测涡端温度是否低于第一温度阈值，如果是，向燃料电池发动机控制器发出禁止开机指令，同时，控制电加热装置(8)中的电热膜、PTC加热器均启动并加热设定时间time，再执行下一步；否则，直接执行下一步；设定时间time通过下面公式确定：
time＝a(T2-T1)2+b(T2-T1)+c，
式中，a、b、c为根据实验室内低温结冰现象消除的最短加热时间标定的系数；T2为温度传感器(7)采集的实测涡端温度，T1为实验室内低温结冰现象消除的涡端温度；
识别所述实测涡端温度是否低于第二温度阈值，如果是，仅控制电加热装置(8)中的PTC加热器启动，定时获取温度传感器(7)采集的实测涡端温度，直到识别所述实测涡端温度高于设定值，向燃料电池发动机控制器发出允许开机指令，同时，控制PTC加热器关闭；其中，第一温度阈值＜第二温度阈值＜设定值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统用膨胀机，其特征在于，压气腔的体积小于涡腔的体积。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统用膨胀机，其特征在于，压气端进气口(1)处的气体流向与叶轮(2)的设置方向垂直，并与电机(3)的压气腔的输出轴所在直线平行；并且，
涡端出气口(10)处的气体流向与涡轮(9)的设置方向垂直，并与电机(3)的涡腔的输出轴所在直线平行。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统用膨胀机，其特征在于，在涡端进气口(11)处还集成了气液分离器；其中，
气液分离器具有入口、出液口、出气口，其入口用于连接电堆，其出液口连接尾排管道，其出气口作为涡端进气口(11)。
5.一种燃料电池系统，其特征在于，除包括权利要求1-4任一项所述的膨胀机外，还包括空滤器、尾排装置、阀门、电堆；其中，
空滤器输出的空气经膨胀机的压气端进入电堆的空气入口；
电堆排出的尾气经阀门进入膨胀机的涡端，再进入尾排装置。
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