一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置论文和设计-汪飞杰

全文摘要

本实用新型涉及一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，包括沿空气流动方向依次连接布置的空气过滤器、空气主路流量计、空压机、中冷器、增湿器和燃料电池电堆，所述增湿器的出气口还通过背压阀连接尾排管，从所述空压机的出口还另引一条空气旁路，该空气旁路的末端分为两条空气支路，其中一条连接尾排管，另一条接入中冷器与增湿器之间。与现有技术相比，本实用新型可以在燃料电池系统启动后快速有效将燃料电池系统维持在合理温度范围内，进而可提高燃料电池的性能和寿命。

主设计要求

1.一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，其特征在于，包括沿空气流动方向依次连接布置的空气过滤器、空气主路流量计、空压机、中冷器、增湿器和燃料电池电堆，所述增湿器的出气口还通过背压阀连接尾排管，从所述空压机的出口还另引一条空气旁路，该空气旁路的末端分为两条空气支路，其中一条连接尾排管，另一条接入中冷器与增湿器之间。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，其特征在于，所述增湿器的空气入口处设置有空气温度传感器，所述燃料电池电堆的电堆出水口还设置有电堆出水温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，其特征在于，所述的空气旁路的末端连接设置三通阀，该三通阀的另两个接口分别连接所述两条空气支路。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，其特征在于，所述的三通阀为电动三通阀。

5.根据权利要求1或3所述的一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，其特征在于，在连接尾排管的空气支路上还设置有空气支路流量计。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，其特征在于，所述空气控制装置还包括控制器。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于燃料电池系统技术领域，涉及一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂的电化学发电装置。由于其无污染，能量转换率高和响应速度快等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置。

燃料电池系统，是指包括(质子交换膜)燃料电池电堆或模块，及辅助系统(含空气供应系统、氢气供应系统、冷却系统、电气系统和控制系统等)成为独立的可运行的完整的功能单元。

燃料电池电堆希望在最适合的工作温度运行，以使燃料电池催化剂电化学效果最佳。所以燃料电池系统需要在启动后，尽快达到最佳工作温度，缩短低温运行时长。如何快速有效的升温，将提高燃料电池的效率和寿命。

空压机作为燃料电池系统的最主要部件，其性能决定燃料电池空气供应情况。空压机将大气增压后会增加空气温度。在燃料电池系统热机阶段，最大化地利用空压机出口的空气温度可以快速提高电堆的工作温度。

燃料电池电堆运行过程中，在一定湿度情况下，增加空气计量比，可改善动力学性能。但是燃料电池系统一般采用膜增湿器，加大空气流量会降低空气增湿器的增湿效果，从而降低电堆性能。所以加大空气流量和保持空气湿度两者需要达到平衡。

空压机工作有其特殊性，空压机增压的喘振线限制了低压比情况下流量不能太小，否则导致空压机部件的强烈机械振动和热端超温，并在很短的时间内造成部件的严重损坏。该特殊性限制了燃料电池系统低功率使用时，空气流量需远离喘振线，一般采取将空气流量放大的策略。但是大流量将降低增湿器的增湿效果，影响电堆性能。

因为有必要设计一种燃料电池系统热机的空气控制装置，用以控制进入燃料电池系统的空气的量和物性，进而实现对燃料电池系统的快速、高效热机。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，包括沿空气流动方向依次连接布置的空气过滤器、空气主路流量计、空压机、中冷器、增湿器和燃料电池电堆，所述增湿器的出气口还通过背压阀连接尾排管，从所述空压机的出口还另引一条空气旁路，该空气旁路的末端分为两条空气支路，其中一条连接尾排管，另一条接入中冷器与增湿器之间。

进一步的，所述增湿器的空气入口处设置有空气温度传感器，所述燃料电池电堆的电堆出水口还设置有电堆出水温度传感器。

进一步的，所述的空气旁路的末端连接设置三通阀，该三通阀的另两个接口分别连接所述两条空气支路。

更进一步的，所述的三通阀为电动三通阀。

进一步的，在连接尾排管的空气支路上还设置有空气支路流量计。

进一步的，所述空气控制装置还包括控制器。

燃料电池系统正常运行中，降低空气计量比，会增加电堆动力学损失，电堆自身产热增加，发电量减少。本发明正是在热机阶段中利用这一点，降低空气进入电堆的计量比，使电堆快速升温。同时进入增湿器的空气量下降，有利于空气增湿器的增湿效果。

此外，燃料电池系统中需要有中冷器，因为空压机正常工作时出口的增压气体温度超过100℃，高于电堆正常工作的运行温度，中冷器将空压机出口的空气温度降至电堆正常运行时候的温度。但是在启动阶段，因为中冷器内部温度较低，反而影响了电堆的快速升温。因此，本申请针对性的设计使用阀门开度可调的电动三通阀，将空压机出口的空气由电动三通阀旁通至中冷器之后，进入增湿器和电堆，避免中冷器的降温效果。同时，电动三通阀还可将空压机出口的空气由电动三通阀直接通至尾排管，减少进入电堆的空气量，增加电堆自身的发热量。

与现有技术相比，本实用新型可以在燃料电池系统启动阶段，利用电动三通阀的控制，对空压机出口的压缩热空气进行分流控制，将不同流量的热空气直接导入中冷器之后，进入增湿器，再去进入电堆，避免通过中冷器，导致降温。同时控制直接旁通至尾排消音器的流量，使进入电堆的空气计量比在一个较低水平，减少空气浓度，增加电堆动力学损失，从而增加电堆发热量。利用温度传感器和旁通路空气流量计信号，调整电动三通阀门的阀门角度，控制流量的分配，使得在电堆低功率情况下，进入增湿器的空气计量比较低，提高增湿器的增湿效果，有利于低功率热机时的性能。

附图说明

图1为本实用新型的空气控制装置的示意图；

图2为本实用新型的控制示意图；

图中标记说明：

1-空气过滤器，2-空气主路流量计，3-空压机，4-中冷器，5-电动三通阀，6-空气温度传感器，7-空气支路流量计，8-增湿器，9-燃料电池电堆，10-背压阀，11-尾排管，12-电堆出水温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中，控制器可以采用本领域常用的控制器等。

实施例1

一种燃料电池系统快速热机的空气控制装置，其结构参见图1所示，包括沿空气流动方向依次连接布置的空气过滤器1、空气主路流量计2、空压机3、中冷器4、增湿器8和燃料电池电堆9，增湿器8的出气口还通过背压阀10连接尾排管11，从空压机3的出口还另引一条空气旁路，该空气旁路的末端分为两条空气支路，其中一条连接尾排管11，另一条接入中冷器4与增湿器8之间。增湿器8的空气入口处设置有空气温度传感器6，燃料电池电堆9的电堆出水口还设置有电堆出水温度传感器12。空气旁路的末端连接设置三通阀，该三通阀的另两个接口分别连接两条空气支路。三通阀为电动三通阀5。在连接尾排管11的空气支路上还设置有空气支路流量计7。空气控制装置还包括控制器。

在具体工作时，大气通过空气过滤器1进入燃料电池系统，空气流量计可测得进入燃料电池系统的空气流量，空压机3将空气压缩至系统需要的压力和流量。热机阶段，大气中空气温度较低，经过空压机3压缩后，空气带有一定温度，若全部通过中冷器4进入增湿器8和燃料电池电堆9，空气温度将被迫降低。所以通过电动三通阀5将部分热空气直接分流进入增湿器8和燃料电池电堆9，增加电堆温度。

燃料电池系统热机阶段，燃料电池电堆9功率较低，空压机3因其喘振线限制，一般采取将空气流量放大的策略。过量的空气可由电动三通阀5旁通至尾排管11。这样可降低进入增湿器8的空气量，不仅可以提高增湿效果，同时增加燃料电池电堆9的动力学损失，增加了自身的发热量。

经过空压机3增压后的热空气部分通过中冷器4进入增湿器8，部分通过电动三通阀5进入增湿器8，两者混合后的温度由空气温度传感器6测量，反馈给控制器进行判断。当温度偏低时，经过中冷器4的空气流量将被减少，通过电动三通阀5进入增湿器8的空气量将被放大。

从空压机3被电动三通阀5旁通的气体部分直接经过尾排管11进入大气。该部分气体流量由空气支路流量计7测得，结合空气主路流量计2可计算实际进入燃料电池电堆9的空气流量，进而计算当前进入燃料电池电堆9的空气计量比。控制电动三通阀5，分配直接进入尾排管11的空气流量。

背压阀10和电动三通阀5内的两个阀门共同组成了该空气路背压的控制，直接影响进入燃料电池电堆9的空气压力。

进一步结合图2燃料电池系统热机过程中控制流程图来说明本实施例的空气控制装置的控制流程：

具体得，热机开始，判断电堆水出温度是否达到热机结束温度T1，若小于等于T1，进入热机阶段，先计算当前系统输出功率需求，设定空压机3和背压阀10开度，判定此时空气温度传感器6是否达到增湿器8入口温度上限T2值。

若此时空气温度达到T2值，则执行阀门控制策略A，调整背压阀10和电动三通阀5的阀门开度，减少经过电动三通阀5进入增湿器8的空气量，增加经过电动三通阀5直接进入尾排管11空气量，主要通过降低电堆空气计量比，利用自身热量升温。等待电堆水出温度达到热机结束温度T1，热机结束。

若此时空气温度还未达到T2值，则执行阀门控制策略B，调整背压阀10和电动三通阀5的阀门开度，增加经过电动三通阀5进入增湿器8的空气量，增加经过电动三通阀5直接进入尾排管11空气量。主要通过空压机3的热空气和降低电堆空气计量比，结合自身热量共同升温。同时判断空气温度传感器6温度信号是否达到增湿器8入口温度上限T2值。若达到，则执行阀门控制策略A。若未达到，等待电堆水出温度达到热机结束温度T1，热机结束。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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