CN116799274A - 一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统及方法，所述系统包括电堆组，所述电堆组中设有多个电堆；进气歧管装置，所述进气歧管装置内设有稳压腔，所述稳压腔的一侧集成有各个电堆的进气口和通风口；排气歧管装置，所述排气歧管具有收集排气的通道，所述通道的一侧集成有各个电堆的排气口和通风排气口；压气机，所述压气机与进气歧管装置相连接；膨胀机，所述膨胀机与排气歧管装置相连接；本发明提供一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，各电堆的进气通道集成到一个歧管装置中，在该歧管中具有稳压腔，且在电堆进气节气门的调节下，实现各电堆的均匀进气，和进气压力和流量的定量控制。

Description

一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统及方法
技术领域
本发明涉及一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统及方法，属于燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池通过氢气和氧气之间的电化学反应，将其化学能直接转化为电能驱动机械运行。随着全球气候和能源枯竭的问题不断制约社会发展，以及氢燃料电池在乘用车和商用车等领域的应用，燃料电池在工程机械领域的研发和应用更具有重要意义及巨大的发展前景。
不同于乘用车和商用车的运行场景和工况特点，工程机械要求燃料电池能够进行长时间大功率的稳定输出，并能极快时间内完成加载和降载过程。燃料电池系统的动态输出性能往往由空气供给系统决定，特别的某些工程机械要求能在变海拔环境下稳定工作，供气压力高，氧气分压高，燃料电池反应速率加快，输出功率增大；供气流量大，参与化学反应的原料增多，输出功率增大。
在现有单电堆无法满足需要的时候，一般会选择多对并联系统来获得更高的功率输出。而受限于苛刻的安装空间要求，一般采用单空气供应系统满足多电堆需求。为了满足燃料电池供气压力需要，现一般采用二级增压离心压气机，但压气机的寄生功耗高，约占系统输出功率的20％，且在高增压比、小流量工况下易发送喘振，进气压力波动较大易造成质子交换膜损坏，压气机的实际工作范围窄；为了稳定供气，设置储气罐(缓冲罐)，不利于系统集成。
燃料电池工程机械运行过程中，由于振动或其它因素不可避免地发生气体从燃料电池电堆泄漏出来的现象，并在燃料电池封装箱内聚集，且空气中的氮气也会聚集在箱内，若不及时对封装箱内气体进行吹扫，一方面导致封装箱内气体过压，导致箱体变形，另一方面，不利于提高参与反应的氢气浓度，提高燃料电池输出功率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统及方法，提高燃料电池空气供应系统集成度、减少空压机的寄生功耗、能够对各电堆进行吹扫并满足各电堆空气均匀、精确供给。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，包括：
电堆组，所述电堆组中设有多个电堆；
进气歧管装置，所述进气歧管装置内设有稳压腔，所述稳压腔的一侧集成有各个电堆的进气口和通风口；
排气歧管装置，所述排气歧管具有收集排气的通道，所述通道的一侧集成有各个电堆的排气口和通风排气口；
压气机，所述压气机与进气歧管装置相连接；
膨胀机，所述膨胀机与排气歧管装置相连接。
进一步的，所述进气歧管装置上还集成有旁通路出口和旁通阀，所述进气歧管装置通过所述旁通路出口与膨胀机相连接。
进一步的，所述进气歧管装置的稳压腔内设有温度和压力传感器。
进一步的，所述各个电堆的进气口上集成有进气节气门，所述各个电堆的通风口上集成有通风节气门，所述进气歧管装置的进气口处设置有进气歧管截止阀。
进一步的，所述各个电堆的排气口处设置有背压阀，所述各个电堆的通风排气口处集成有通风单向截止阀。
进一步的，所述压气机与进气歧管装置之间设有中冷器。
进一步的，所述排气歧管装置与膨胀机之间设有混合分离器，所述混合分离器中设有泄压阀。
进一步的，所述膨胀机上连接有排放装置，用于将回收的气体排放至大气中。
进一步的，所述压气机由同轴连接电机驱动，所述膨胀机与电机同轴连接。
第二方面，本发明提供一种根据前述任一项所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统的控制方法，包括：
当电堆需求流量较小时，维持压气机输出压力不变且处于高效率区，打开旁通阀，提高空压机的输出流量；
当电堆通风时，打开通风单向截止阀，并根据通风需要调节通风节气门开度，实现定量通风，通风结束时关闭通风单向截止阀和通风口节气门；
当进气歧管装置中压力过高时，打开旁通阀，降低进气歧管装置中的压力；
当排气背压过高时，打开混合分离器中的泄压阀，维持装置压力稳定。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1.本发明提供一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统及方法，各电堆的进气通道集成到一个歧管装置中，在该歧管中具有稳压腔，且在电堆进气节气门的调节下，实现各电堆的均匀进气，和进气压力和流量的定量控制。
2.进气管路和排气管路分别集成为进气歧管和排气歧管，减少了管路使用，系统集成度高；且歧管旁通路的设置，可以在小流量的情况下，拓宽空压机的工作范围，且额外旁通的压缩气体能量由膨胀机回收，减少能量损耗。
3.设置有通风路，可以利用进气歧管中的压缩气体进行电堆通风，实现电堆排气和排水。
4.膨胀机回收电堆排气以及通风排气能量，且在旁通路开启的情况下可以回收旁通路排气能量，回收能量高，降低空压机的寄生功耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的进气歧管装置结构示意图；
图3是本发明实施例提供的排气歧管装置结构示意图。
图中：1、进气歧管进气口；2、进气歧管截止阀；3、进气歧管；4、旁通阀；5、旁通路管道；6、电堆进气节气门；7、电堆进气口；8、电堆通风口；9、通风口节气门；10、温度和压力传感器；11、排气歧管；12、排气歧管出口；13、背压阀；14、电堆出气口；15、电堆通风出气口；16、通风单向截止阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-3所示，本实施例介绍一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，包括：电堆组、进气歧管装置、排气歧管装置、压气机、膨胀机；所述电堆组中设有多个电堆；所述进气歧管装置内设有稳压腔，所述稳压腔的一侧集成有各个电堆的进气口和通风口；所述排气歧管具有收集排气的通道，所述通道的一侧集成有各个电堆的排气口和通风排气口；所述压气机与进气歧管装置相连接；所述压气机由同轴连接电机驱动，所述膨胀机与排气歧管装置相连接，所述膨胀机与电机同轴连接；
在进一步实施例中，所述进气歧管装置上还集成有旁通路出口和旁通阀，所述进气歧管装置通过所述旁通路出口与膨胀机相连接；所述进气歧管装置的稳压腔内设有温度和压力传感器；所述各个电堆的进气口上集成有进气节气门，所述各个电堆的通风口上集成有通风节气门，所述进气歧管装置的进气口处设置有进气歧管截止阀；所述各个电堆的排气口处设置有背压阀，所述各个电堆的通风排气口处集成有通风单向截止阀；所述压气机与进气歧管装置之间设有中冷器；所述排气歧管装置与膨胀机之间设有混合分离器，所述混合分离器中设有泄压阀；所述膨胀机上连接有排放装置，用于将回收的气体排放至大气中。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及到的内容进行说明。
如图1-3所示，本实施例介绍一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，包括压气机、进气歧管装置、排气歧管装置、膨胀机、混合分离器和若干个燃料电池反应堆，压气机采用电辅助两级增压空压机，空压机由同轴连接电机驱动，且膨胀机与电机同轴连接；在进气歧管装置与膨胀机之间设置有旁通路，且由旁通阀控制开闭；
进气歧管装置，具有一定体积的稳压腔，集成有各个电堆的进气口和通风口，还集成有旁通路出口。在各电堆的进气口集成有进气节气门，在各电堆的通风口集成有通风节气门，在进气歧管装置的进气口处设置有进气歧管截止阀。在进气歧管的稳压腔内设置有温度和压力传感器。旁通路的设置，可以在电堆小流量工况点下，拓宽空压机的工作范围，降低喘振风险。
排气歧管装置，具有收集排气的通道，集成有各个电堆的排气口和通风排气口。在各个电堆的排气口处设置有背压阀，在各电堆的通风排气口集成有通风单向截止阀。
混合分离器，采用离心分离和过滤分离等方式分离排气中的水等，降低对膨胀机的损耗，增加使用寿命，并集成泄压阀。膨胀机回收电堆排气、电堆通风排气和旁通排气的能力，降低空压机的寄生功耗。
该空气供给系统的控制方法如下：
根据各电堆阳极氢气实际供应量，确定各电堆的氧气(空气)需求量，压气机供应总的需求流量并经过歧管维持各电堆入堆空气压力一致且稳定，根据歧管中的温度信息、压力信息和流量信息，调节各电堆进气节气门开度，满足各电堆进气需要。
当电堆需求流量较小时，维持空压机输出压力不变且处于高效率区，打开旁通阀，提高空压机的输出流量，避免空压机发生喘振。
当电堆通风时，打开通风单向截止阀，并根据通风需要调节通风节气门开度，实现定量通风，降低通风功率损耗，并实现吹扫和排水的功能。通风结束时关闭单向截止阀和通风节气门。
当进气歧管中压力过高时，打开旁通阀，降低进气歧管中的压力。
当排气背压过高时，打开混合分离器中的泄压阀，维持装置压力稳定。
实施例2
本实施例提供一种根据实施例1中任一项所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统的控制方法，包括：
当电堆需求流量较小时，维持压气机输出压力不变且处于高效率区，打开旁通阀，提高空压机的输出流量；
当电堆通风时，打开通风单向截止阀，并根据通风需要调节通风节气门开度，实现定量通风，通风结束时关闭通风单向截止阀和通风口节气门；
当进气歧管装置中压力过高时，打开旁通阀，降低进气歧管装置中的压力；
当排气背压过高时，打开混合分离器中的泄压阀，维持装置压力稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，包括：
电堆组，所述电堆组中设有多个电堆；
进气歧管装置，所述进气歧管装置内设有稳压腔，所述稳压腔的一侧集成有各个电堆的进气口和通风口；
排气歧管装置，所述排气歧管具有收集排气的通道，所述通道的一侧集成有各个电堆的排气口和通风排气口；
压气机，所述压气机与进气歧管装置相连接；
膨胀机，所述膨胀机与排气歧管装置相连接。
2.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述进气歧管装置上还集成有旁通路出口和旁通阀，所述进气歧管装置通过所述旁通路出口与膨胀机相连接。
3.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述进气歧管装置的稳压腔内设有温度和压力传感器。
4.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述各个电堆的进气口上集成有进气节气门，所述各个电堆的通风口上集成有通风节气门，所述进气歧管装置的进气口处设置有进气歧管截止阀。
5.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述各个电堆的排气口处设置有背压阀，所述各个电堆的通风排气口处集成有通风单向截止阀。
6.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述压气机与进气歧管装置之间设有中冷器。
7.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述排气歧管装置与膨胀机之间设有混合分离器，所述混合分离器中设有泄压阀。
8.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述膨胀机上连接有排放装置，用于将回收的气体排放至大气中。
9.根据权利要求1所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统，其特征在于，所述压气机由同轴连接电机驱动，所述膨胀机与电机同轴连接。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的工程机械多堆并联燃料电池空气供给系统的控制方法，其特征在于，包括：
当电堆需求流量较小时，维持压气机输出压力不变且处于高效率区，打开旁通阀，提高空压机的输出流量；
当电堆通风时，打开通风单向截止阀，并根据通风需要调节通风节气门开度，实现定量通风，通风结束时关闭通风单向截止阀和通风口节气门；
当进气歧管装置中压力过高时，打开旁通阀，降低进气歧管装置中的压力；
当排气背压过高时，打开混合分离器中的泄压阀，维持装置压力稳定。
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