CN1996654A - 采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统 - Google Patents

Abstract

采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统属于车用燃料电池空气系统设计技术领域。其特征在于，在空气过滤器和空气加湿器之间有一个涡轮空压机，在涡轮空压机的出口端和空气加湿器的湿空气出口端之间连接一根旁通管道，在旁通管道上装有一个电动控制阀；在涡轮空压机的入口端安装一个空气流量计，其信号输出端连接燃料电池系统控制单元，在涡轮空压机的电控信号端口连接一个变频器的信号输入输出端口，该变频器的另一个信号输入输出端口连接燃料电池系统控制单元，电动控制阀的控制信号输入端连接燃料电池系统控制单元。本发明使得现有涡轮空压机能够满足车用燃料电池系统全工况宽流量范围工作的要求。

Description

采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统

技术领域：

采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统属于车用燃料电池空气系统设计技术领域。

技术背景：

燃料电池系统由燃料电池堆和空气系统、氢气系统等辅助系统组成。空气系统向燃料电池堆供应具有一定压力和湿度的空气，是燃料电池系统的重要组成部分。空气系统的性能对燃料电池系统的效率、体积、重量和响应速度等均具有重要影响。

空气系统的核心部件空压机是整个燃料电池系统的主要耗能部件。目前主要采用的旋涡式鼓风机和螺杆式空压机效率较低，消耗功率约占燃料电池堆输出功率的12％~20％，对燃料电池系统效率影响较大。目前采用的空压机在体积、重量、响应速度方面也与车用动力要求差距较大。

涡轮空压机具有效率高、体积小、重量轻、响应速度快等优点，能够很好满足车用动力的要求，在车用增压内燃机中得到了广泛应用。由于车用燃料电池系统的流量范围较宽，现有的涡轮空压机小流量工作稳定性差，较难满足其全工况流量要求，因此无法直接应用于车用燃料电池的空气系统。国内外对涡轮空压机应用于燃料电池系统进行了不少研究，主要是从部件角度出发，致力于提高涡轮空压机的流量范围。

发明目的：

本发明针对现有涡轮空压机无法直接应用于燃料电池空气系统的问题，从系统角度出发，提出一种采用涡轮空压机的燃料电池空气系统方案，采用现有涡轮空压机满足车用燃料电池系统全工况宽流量范围工作要求。

本发明含有空气过滤器(1)，空气加湿器(13)，其特征在于，在所述空气过滤器(1)和空气加湿器(13)之间有一个涡轮空压机(3)，在所述涡轮空压机(3)的出口端和空气加湿器(13)的湿空气出口端之间连接一根旁通管道，在所述旁通管道上装有一个电动控制阀(12)；在所述涡轮空压机(3)的入口端安装一个空气流量计(2)，其信号输出端连接燃料电池系统控制单元(7)，在所述涡轮空压机(3)的电控信号端口连接一个变频器(5)的信号输入输出端口，该变频器(5)的另一个信号输入输出端口连接所述燃料电池系统控制单元(7)，所述电动控制阀(12)的控制信号输入端连接所述燃料电池系统控制单元(7)。

试验证明，经过本发明对涡轮空压机和燃料电池空气的配合设计，使得现有涡轮空压机能够满足车用燃料电池系统全工况宽流量范围工作的要求，达到了预期的目的。

附图说明：

图1为采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统的结构示意图。

各标号含义为：1—空气过滤器，2—空气流量计，3—涡轮空压机，4—空气流量信号，5—变频器，6—空压机转速输入/输出信号，7—系统控制单元，8—负载功率输入信号，9—控制阀开度信号，11—被压阀，12—电动控制阀，13—空气加湿器，14—燃料电池堆，17—汽水分离器，10、15、16、18—空气管道。

具体实施方式：

本发明的特征在于，在空气过滤器1和空气加湿器13之间有一个涡轮空压机3，在涡轮空压机3的出口端和空气加湿器13的湿空气出口端之间连接一根旁通管道，在旁通管道上装有一个电动控制阀12；在所述涡轮空压机3的入口端安装一个空气流量计2，其信号输出端连接燃料电池系统控制单元7，在涡轮空压机3的电控信号端口连接一个变频器5的信号输入输出端口，该变频器5的另一个信号输入输出端口连接燃料电池系统控制单元7，电动控制阀12的控制信号输入端连接燃料电池系统控制单元7。

结合图1进一步说明，空气过滤器1、空气加湿器13、汽水分离器17、被压阀19都按照车用燃料电池空气系统的常规连接方法，本发明的特点在于，在空气加湿器13的入口处增加了涡轮空压机3，涡轮空压机3的出口端和空气加湿器13的湿空气出口端之间连接一根旁通管道10，上面装有一个电动控制阀12；通过电动控制阀12的调节，可以使空压机运行在安全工作的最小流量边界。电动控制阀12的调节量是根据燃料电池系统控制单元7给出的信号确定的。该信号的确定由控制单元7根据空气流量计2输入的空气流量4、变频器5输入的涡轮空压机转速6，以及燃料电池系统输入的负载功率信号8，经过优化处理而得到，因此，在所述涡轮空压机3的入口端安装一个空气流量计2，其信号输出端连接燃料电池系统控制单元7，在涡轮空压机3的电控信号端口连接一个变频器5，该变频器5具有两个输入输出端口，其中一个连接涡轮空压机3，另一个连接燃料电池系统控制单元7，变频器5可以将涡轮空压机3的转速值输出给控制单元7，也可以将执行控制单元7发出的转速调节命令。系统中，空气流量计采用奥众AZ280 218 471空气流量计，该流量计能够精确测量空气流量，且能将空气流量转化为电信号输出。电动调节阀采用深圳润川公司的DN15-300电动调节阀，该调节阀能够根据外部输入信号，调节阀的开度，从而实现控制空气流量大小的目的。变频器采用keb combivert f5-m变频器。

系统的工作过程如下：

1、控制阀12初始为关闭状态，系统控制单元7可以根据输入的流量信号4和空压机转速信号6判断涡轮式空压机3的状态(是否运行稳定，是否接近喘振边界)；

2、燃料电池系统通过信号线8向系统控制单元7发送负载功率信号；

3、系统控制单元根据输入的负载功率信号和流量计反馈信号，通过变频器调节涡轮式空压机3的转速，以满足系统运行空气流量要求；

4、当燃料电池系统小负荷运行，空压机运行到接近喘振边界，仅调节空压机转速不能满足系统需求时，打开控制阀12，同时调节空压机转速和控制阀开度，使空压机始终运行在安全工作的最小流量边界，并满足系统负载功率输出需求。

Claims (4)

1、采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统，含有空气过滤器(1)，空气加湿器(13)，其特征在于，在所述空气过滤器(1)和空气加湿器(13)之间有一个涡轮空压机(3)，在所述涡轮空压机(3)的出口端和空气加湿器(13)的湿空气出口端之间连接一根旁通管道，在所述旁通管道上装有一个电动控制阀(12)；在所述涡轮空压机(3)的入口端安装一个空气流量计(2)，其信号输出端连接燃料电池系统控制单元(7)，在所述涡轮空压机(3)的电控信号端口连接一个变频器(5)的信号输入输出端口，该变频器(5)的另一个信号输入输出端口连接所述燃料电池系统控制单元(7)，所述电动控制阀(12)的控制信号输入端连接所述燃料电池系统控制单元(7)。

2、如权利要求1所述的采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统，其特征在于，所述空气流量计(2)采用奥众AZ280 218 471空气流量计。

3、如权利要求1所述的采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统，其特征在于，所述电动调节阀(12)采用DN15-300电动调节阀。

4、如权利要求1所述的采用涡轮空压机的车用燃料电池空气系统，其特征在于，所述变频器(5)采用keb combivert f5-m变频器。

Images