CN218849529U - 一种燃料电池发动机空气子系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池发动机空气子系统，包括电堆、空气滤清器、空压机、中冷器、膜增湿器、气液分离器，空压机包括压轮和涡轮；空气滤清器、空压机压轮、中冷器依次连接，中冷器的空气侧输出端分别连接膜增湿器干侧的输入口和空压机的气冷入口，空压机的气冷出口与空压机涡轮连接，膜增湿器干侧输出口连接电堆的阴极入口，电堆的阴极出口连接膜增湿器的湿侧输入口，膜增湿器的湿侧输出口通过气液分离器连接空压机涡轮。本实用新型具有燃料电池阴极尾排气体和用于空压机冷却气体势能回收利用设计，同时通过控制三通阀调节进入膜增湿器的气体流量，调节气体压力损失，降低空压机功耗以及增加阴极尾排气体能量回收效率，提高燃料电池系统整体效率。
Description
技术领域
本专利涉及氢燃料电池动力能源技术领域，特别涉及一种燃料电池发动机空气子系统。
背景技术
随着环境问题日益突出以及世界各国环保意识增强，氢能作为一种清洁无污染的可再生绿色能源受到了世界各国的广泛关注。氢燃料电池作为一种使用氢能的能量转换装置，可以直接将氢气中的化学能转换为电能，具有能量转换效率高、无污染等优点。目前，氢燃料电池受到了世界主要国家的大力发展和推广，如中国、美国、日本、韩国、欧洲等。氢燃料电池发动机系统是在燃料电池电堆的基础上集成电堆高效稳定工作所需的所有零部件而成的。在燃料电池发动机系统中空气子系统是其重要组成部分，负责具有一定温度、压力、流量和湿度的空气的供应以及尾排气体和产物水的处理。燃料电池发动机在正常工作时，空气子系统中的空压机具有较高的功耗，严重影响着燃料电池发动机的输出功率和效率，而系统阴极尾排气体和用于空压机冷却的气体具有较高的温度、压力和流量，含有较多的可回收能量，直接将尾气排放到大气中不进行能量回收将造成大量的能量损失，不利于燃料电池发动机的发展和推广。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种燃料电池发动机空气子系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种燃料电池发动机空气子系统，所述燃料电池发动机包括电堆，所述空气子系统包括空气滤清器、空压机、中冷器、膜增湿器、气液分离器和连接管路，所述空压机包括同轴连接的空压机压轮和空压机涡轮；所述空气滤清器、空压机压轮、中冷器依次连接，所述中冷器的空气侧输出端分别连接膜增湿器干侧的输入口和空压机的气冷入口，空压机的气冷出口与空压机涡轮连接，所述膜增湿器的干侧输出口连接电堆的阴极入口，所述电堆的阴极出口连接膜增湿器的湿侧输入口，所述膜增湿器的湿侧输出口通过气液分离器连接空压机涡轮。
作为本实用新型进一步的方案：所述空气滤清器与空压机压轮之间依次连接有气体流量计和温压一体传感器TP1。
作为本实用新型进一步的方案：所述膜增湿器干侧的输入口处连接有第一三通阀，所述电堆阴极出口处连接有第二三通阀，所述中冷器的空气侧输出端通过第一三通阀连接膜增湿器干侧的输入口。
作为本实用新型进一步的方案：所述第一三通阀的第一接头与中冷器的空气侧输出端连接，第一三通阀的第二接头与膜增湿器干侧的输入口连接；所述电堆的阴极入口处连接有温压一体传感器TP2，所述膜增湿器干侧的输出口通过温压一体传感器TP2与电堆的阴极入口连接，所述第一三通阀的第三接头通过温压一体传感器TP2与电堆的阴极入口连接；
所述第二三通阀的第一接头与电堆的阴极出口连接，第二三通阀的第二接头与膜增湿器湿侧的输入口连接，第二三通阀的第三接头与气液分离器的输入口连接，所述膜增湿器湿侧的输出口与气液分离器的输入口连接，所述气液分离器的排气口与空压机涡轮连接。
作为本实用新型进一步的方案，所述气液分离器与空压机涡轮之间连接有节气门，所述空压机涡轮排气管路上连接有消声器，所述气液分离器的排气口依次连接节气门、空压机涡轮和消声器，所述气液分离器的排水口连接有排水阀，所述排水阀与消声器连接。
作为本实用新型进一步的方案：所述燃料电池发动机包括主控制器，所述第一三通阀和第二三通阀包括阀芯、电动装置，所述阀芯位于第一接头、第二接头和第三接头的交汇处，所述电动装置与阀芯电连接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型通过采用将燃料电池电堆排出的阴极尾排气体通入到空压机涡轮中以及中冷器冷却后的部分气体在给空压机降温后经连接管路进入到空压机涡轮中，可以高效回收燃料电池阴极尾排气体和空压机冷却管路气体中的能量，更大程度降低空压机功耗，提升燃料电池系统整体发电功率和效率；
通过调节三通阀的阀芯角度，进而控制进入膜增湿器干侧和湿侧的气体流量，调节气体压力损失，实现降低空压机功耗以及增加尾排气体能量回收效率的目的，最大程度提高燃料电池系统整体功率和效率；
同时具有空气变增湿功能，能够有效降低较大功率运行时燃料电池电堆水淹风险、空压机功耗，提高系统可靠性和安全性，以及能够更大程度回收尾排气体中能量；具有尾排气体能量回收时气液的分离设计，可有效降低尾排气体中含水量，避免空压机涡轮叶片被液态水冲击腐蚀，从而避免空压机失效，大大提高系统可靠性和安全性；具有排水阀的设计以及高效排水功能，可避免尾排气体流量和压力损失，进一步提高尾排气体利用率。
附图说明
图1为本实用新型燃料电池发动机空气子系统原理示意图；
图2为本实用新型燃料电池发动机空气子系统控制方法流程图。
图中：1-空气滤清器、2-气体流量计、3-空压机、31-空压机压轮、32-空压机涡轮、4-中冷器、5-第一三通阀、6-膜增湿器、7-电堆、8-第二三通阀、9-气液分离器、10-节气门、11-排水阀、12-消声器。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，本实用新型实施例中，一种燃料电池发动机空气子系统，所述燃料电池发动机包括电堆7，所述空气子系统包括空气滤清器1、空压机3、中冷器4、膜增湿器6、气液分离器9和连接管路，所述空压机3包括同轴连接的空压机压轮31和空压机涡轮32；所述空气滤清器1、空压机压轮31、中冷器4依次连接，所述中冷器4的空气侧输出口分别连接膜增湿器6干侧的输入口和空压机3的气冷入口，空压机3的气冷出口与空压机涡轮32连接，所述膜增湿器6的干侧输出口连接电堆7的阴极入口，所述电堆7的阴极出口连接膜增湿器6的湿侧输入口，所述膜增湿器6的湿侧输出口通过气液分离器9连接空压机涡轮32。所述燃料电池尾排气体势能回收利用设计，是通过将从燃料电池电堆7排出的阴极尾排气体通入到空压机涡轮32中；所述用于空压机3冷却的气体势能回收利用设计，是通过中冷器4冷却后的部分气体流经空压机3的空冷管路后从空压机3的气冷入口进入到空压机3本体中，在给空压机3本体降温后从空压机3的气冷出口流出，经过连接管路进入到空压机涡轮32中；进入空压机涡轮32的燃料电池电堆阴极尾排气体和用于空压机3冷却的气体具有较高压力，在流过空压机涡轮32时气体膨胀，带动与空压机压轮31端叶轮同轴的空压机涡轮32旋转，将气体势能转换为机械能，从而回收燃料电池电堆阴极尾排气体和用于空压机3冷却的气体中的能量，降低空压机3压缩空气所需的功耗。
进一步的，所述空气滤清器1与空压机压轮31之间依次连接有气体流量计2和温压一体传感器TP1。
进一步的，所述膜增湿器6干侧的输入口处连接有第一三通阀5，所述电堆7阴极出口处连接有第二三通阀8，所述中冷器4的空气侧输出端通过第一三通阀5连接膜增湿器6干侧的输入口。所述第一三通阀5的第一接头与中冷器6的空气侧输出端连接，第一三通阀5的第二接头与膜增湿器6干侧的输入口连接；所述电堆7的阴极入口处连接有温压一体传感器TP2，所述膜增湿器6干侧的输出口通过温压一体传感器TP2与电堆7的阴极入口连接，所述第一三通阀5的第三接头通过温压一体传感器TP2与电堆7的阴极入口连接；所述第二三通阀8的第一接头与电堆7的阴极出口连接，第二三通阀8的第二接头与膜增湿器6湿侧的输入口连接，第二三通阀8的第三接头与气液分离器9的输入口连接，所述膜增湿器6湿侧的输出口与气液分离器9的输入口连接，所述气液分离器9的排气口与空压机涡轮32连接。
进一步的，所述气液分离器9与空压机涡轮32之间连接有节气门10，所述空压机涡轮32排气管路上连接有消声器12，所述气液分离器9的排气口依次连接节气门10、空压机涡轮32和消声器12，所述气液分离器9的排水口连接有排水阀11，所述排水阀11与消声器12连接。所述气液分离器9布置在膜增湿器6和节气门10之间，能够避免布置在节气门10和空压机涡轮32之间由于节气门10流阻较大导致水蒸气分压降低促进液态水的蒸发，能够有效降低进入空压机涡轮32端气体中的含水量，减小水蒸气液化对空压机涡轮32叶片的冲击作用，避免空压机涡轮32叶片被液态水冲击腐蚀，从而避免空压机3失效，提高系统可靠性和安全性。排水阀11安装在与气液分离器9排水口连接的管路中，可避免液态水长排导致的尾排气体流量和压力损失，进一步提高尾排气体利用率，能够更大程度回收尾排气体中的能量。同时具有高效排水功能，通过将气液分离器9安装在膜增湿器6和节气门10之间能够使液态水上方的气体具有较大压力，促使排水阀11开启时液态水快速排出，从而减少排水阀11开启时间，实现高效排水功能。
进一步的，所述燃料电池发动机包括主控制器，所述第一三通阀5和第二三通阀8包括阀芯、电动装置，所述阀芯位于第一接头、第二接头和第三接头的交汇处，所述电动装置与阀芯电连接。主控制器控制电动装置，电动装置控制阀芯转动。
燃料电池发动机空气子系统控制方法，如图2所示，通过控制一三通阀5和第二三通阀8的阀芯角度，来实现控制进入膜增湿器干侧和湿侧的气体流量的目的，包括以下步骤：
S1、设定多个功率区间，根据不同功率区间对应标定第一三通阀5和第二三通阀8阀芯角度的数值；
S2、获取燃料电池电堆7正常运行时的输出功率；
S3、判断燃料电池电堆7正常运行时的输出功率对应的功率区间；
S4、根据燃料电池电堆7正常运行时的输出功率所对应的功率区间，控制第一三通阀5和第二三通阀8阀芯进行所在功率区间标定角度的调整。
进一步的，所述步骤S2中，燃料电池电堆7正常运行时的输出功率为P，所述步骤S1中，设定三个参考功率数值分别为P1、P2、P3，其中P1<P2<P3；
所述功率区间分别为P<P1、P1≤P<P2、P2≤P<P3和P≥P3，对应各功率区间标定第一三通阀和第二三通阀阀芯角度数值分别为ω1和ω2、ω3和ω4、ω5和ω6、ω7和ω8。
进一步的，所述步骤S3和步骤S4中，判断及控制过程如下：
若P<P1时，主控制器控制第一三通阀5和第二三通阀8阀芯角度分别调整为ω1和ω2；
若P1≤P<P2，主控制器控制第一三通阀5和第二三通阀8芯阀角度分别调整为ω3和ω4；
若P2≤P<P3，主控制器控制第一三通阀5和第二三通阀8阀芯角度分别调整为ω5和ω6；
若P≥P3时，主控制器控制第一三通阀5和第二三通阀8阀芯角度分别调整为ω7和ω8。
主控制器根据燃料电池发动机的数据采集系统采集到的当前燃料电池电堆7的输出功率，根据燃料电池电堆7的输出功率控制第一三通阀5和第二三通阀8的开度，具体控制过程如下：在燃料电池电堆7正常运行时，电堆功率为P，当P<P1时，第一三通阀5和第二三通阀8角度分别调为ω1和ω2；当P1≤P<P2时，第一三通阀5和第二三通阀8角度分别调为ω3和ω4；当P2≤P<P3时，第一三通阀5和第二三通阀8角度分别调为ω5和ω6；当P≥P3时，第一三通阀5和第二三通阀8角度分别调为ω7和ω8。从而调节进入膜增湿器6干侧输入口和湿侧输入口的气体流量，调节气体压力损失，以此来达到降低空压机3功耗以及增加尾排气体能量回收效率的目的，可以最大程度提高燃料电池系统整体功率和效率。具体如下：
当燃料电池在较高功率运行时，自身产生的水较多，对空气入堆湿度要求降低，通过控制所述第一三通阀5阀芯的开度，来控制通过第一三通阀5的第二接头和第三接头的气体流量，一方面可以减少进入膜增湿器6干侧输入口的气体流量，实现空气的变增湿功能，降低燃料电池电堆7水淹风险，另一方面通过控制阀芯角度，部分或全部气体不经过膜增湿器6，通过第一三通阀5的第三接头直接进入到电堆7中，可以降低经过膜增湿器6干侧导致的气体压降，降低空压机压轮31出口空气压力需求，从而降低空压机3功耗，提升燃料电池系统整体发电功率和效率。
当燃料电池在较高功率运行时自身产生的水较多，对空气入堆湿度要求降低，通过控制所述第二三通阀8阀芯的开度，控制通过第二三通阀8的第二接头和第三接头的气体流量，一方面可以减少进入膜增湿器6湿侧输入口给干侧空气增湿的尾排气体流量，从而降低入堆空气的湿度，另一方面通过控制阀芯角度，部分或全部尾排气体不经过膜增湿器6湿侧输入口，直接通过第二三通阀8的第三接头进入到气液分离器9中，可以降低经过膜增湿器6湿侧导致的气体压降，从而提高进入空压机涡轮32气体压力。具有较高压力的气体在流过空压机涡轮32时气体膨胀，带动与空压机压轮31叶轮同轴的空压机涡轮32旋转，将气体势能转换为机械能，从而回收尾排气体中的能量，降低空压机3压缩空气所需的电功耗。进入空压机涡轮32的气体压力越高，能够回收的气体势能越多，因此该空气子系统控制方法可以进一步降低空压机3电功耗及提升燃料电池系统整体发电功率和效率。
本实用新型在使用时，大气依次经过空气滤清器1、气体流量计2、温压一体传感器TP1、空压机压轮31、中冷器4、第一三通阀5、膜增湿器6干侧输入口、温压一体传感器TP2，在达到电堆7所需的空气压力、温度、湿度后从阴极入口进入到电堆7中。在空气参与反应后残余的未反应的尾排气体通过阴极出口从电堆7中排出，依次经过第二三通阀8、膜增湿器6湿侧输入口、气液分离器9、节气门10、空压机涡轮32、消声器12最终排出到大气中，而液态水经过气液分离器9分离后经过排水阀11排出。
本实用新型中的空气子系统具有燃料电池电堆7阴极尾排气体和用于空压机3冷却的气体势能回收利用设计，可以更大程度回收利用燃料电池电堆7阴极尾排气体和冷却气体能量；通过调节三通阀的阀芯角度，进而控制进入膜增湿器6干侧输入口和湿侧输入口的气体流量，调节气体压力损失，降低空压机3功耗以及增加尾排气体能量回收效率，最大程度提高燃料电池系统整体功率和效率；具有空气变增湿功能，能够有效降低较大功率运行时燃料电池电堆7水淹风险、空压机3功耗，以及能够更大程度回收尾排气体中能量；气液分离器9的设计，具有尾排气体能量回收时气、水的分离设计，可有效降低尾排气体中含水量，避免空压机涡轮32叶片被液态水冲击腐蚀，从而避免空压机3失效，提高系统可靠性和安全性；同时具有排水阀11的设计以及高效排水功能，可避免尾排气体流量和压力损失，进一步提高尾排气体利用率，并减少排水阀11开启时间。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种燃料电池发动机空气子系统，所述燃料电池发动机包括电堆(7)，所述空气子系统包括空气滤清器(1)、空压机(3)、中冷器(4)、膜增湿器(6)、气液分离器(9)和连接管路，其特征在于，所述空压机(3)包括同轴连接的空压机压轮(31)和空压机涡轮(32)；所述空气滤清器(1)、空压机压轮(31)、中冷器(4)依次连接，所述中冷器(4)的空气侧输出端分别连接膜增湿器(6)干侧的输入口和空压机(3)的气冷入口，空压机(3)的气冷出口与空压机涡轮(32)连接，所述膜增湿器(6)的干侧输出口连接电堆(7)的阴极入口，所述电堆(7)的阴极出口连接膜增湿器(6)的湿侧输入口，所述膜增湿器(6)的湿侧输出口通过气液分离器(9)连接空压机涡轮(32)。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机空气子系统，其特征在于，所述空气滤清器(1)与空压机压轮(31)之间依次连接有气体流量计(2)和温压一体传感器TP1。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机空气子系统，其特征在于，所述膜增湿器(6)干侧的输入口处连接有第一三通阀(5)，所述电堆(7)阴极出口处连接有第二三通阀(8)，所述中冷器(4)的空气侧输出端通过第一三通阀(5)连接膜增湿器(6)干侧的输入口。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池发动机空气子系统，其特征在于，所述第一三通阀(5)的第一接头与中冷器(4)的空气侧输出端连接，第一三通阀(5)的第二接头与膜增湿器(6)干侧的输入口连接；所述电堆(7)的阴极入口处连接有温压一体传感器TP2，所述膜增湿器(6)湿侧的输出口通过温压一体传感器TP2与电堆(7)的阴极入口连接，所述第一三通阀(5)的第三接头通过温压一体传感器TP2与电堆(7)的阴极入口连接；
所述第二三通阀(8)的第一接头与电堆(7)的阴极出口连接，第二三通阀(8)的第二接头与膜增湿器(6)湿侧的输入口连接，第二三通阀(8)的第三接头与气液分离器(9)的输入口连接，所述膜增湿器(6)湿侧的输出口与气液分离器(9)的输入口连接，所述气液分离器(9)的排气口与空压机涡轮(32)连接。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池发动机空气子系统，其特征在于，所述气液分离器(9)与空压机涡轮(32)之间连接有节气门(10)，所述空压机涡轮(32)排气管路上连接有消声器(12)，所述气液分离器(9)的排气口依次连接节气门(10)、空压机涡轮(32)和消声器(12)，所述气液分离器(9)的排水口连接有排水阀(11)，所述排水阀(11)与消声器(12)连接。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池发动机空气子系统，其特征在于，所述燃料电池发动机包括主控制器，所述第一三通阀(5)和第二三通阀(8)包括阀芯、电动装置，所述阀芯位于第一接头、第二接头和第三接头的交汇处，所述电动装置与阀芯电连接，所述主控制器与电动装置电连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhao Zhengshun Inventor after: Kong Hongbing Inventor after: Liu Yu Inventor after: Li Chaoming Inventor after: Hu Jun Inventor before: Chen Ruiyang Inventor before: Zhang Guoqing Inventor before: Li Chaoming Inventor before: Sun Zhendong Inventor before: Wang Jian Inventor before: Gui Wangsheng |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231022 Address after: 611731 No. 4799 Xiyuan Avenue, south area of modern industrial port, Pidu District, Chengdu, Sichuan Patentee after: Dongfang Electric (Chengdu) Hydrogen Fuel Cell Technology Co.,Ltd. Address before: 230001 building 19, Chuangzhi world, industrial investment, intersection of Beicheng Avenue and Fuyang North Road, Luyang District, Hefei City, Anhui Province Patentee before: Anhui li'anji Technology Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |