燃料电池系统提升回收效率系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池领域，具体说是燃料电池系统提升回收效率系统及其控制方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种把化学能直接转换成电能的电化学装置，以氢气和氧气空气中的氧气作为燃料，反应生成仅为水和未参与反应的空气，发电效率可达55%或以上。具有无污染、高效率、低噪声、可应用范围广等优点，将成为未来替代传统内燃机的主要动力来源。
3.为了给燃料电池系统提供洁净的压缩空气，需要空气压缩机将空气压缩后并经过中冷器冷却后送入燃料电池阴极入口。目前市场上的成熟应用的燃料电池压缩机有螺杆式和离心式压缩机两种，其中螺杆式压缩机由于噪声大、功率密度低、不能实现100%无油等缺点，使用已逐渐减少并趋于淘汰。采用空气轴承的离心式压缩机，具有噪声低、100%无油等特点，是当前空气压缩机的首选方案，中、小发电功率的燃料电池系统多使用单级或两级压缩的形式。离心式空气压缩机由高电压控制器驱动高速电机并带动叶轮旋转进行空气的压缩，是燃料电池附件中寄生功耗最高的零部件，总消耗电功率可占电堆输出功率的15-30%。
4.提高空气压缩机的整机效率、降低空气压缩机的功耗，对于提高燃料电池系统总输出功率、降低氢气消耗量，十分关键。所以，对于中重型燃料电池系统，带能量回收的涡轮机空气压缩机，是主要的解决方案。涡轮机采用燃料电池电化学反应发热温度上升的阴极排出余热余压废气驱动涡轮机旋转，膨胀做功产生动力辅助空气压缩机的电力驱动，从而实现降低电力消耗的目的。
5.从现有技术逻辑角度的缺点包括：1.阴极出口含水量高，相对湿度一般在85%r.h.以上，露点温度和阴极出口废气温度接近，工作过程中在沿程管壁继而产生大量液滴形式的液态水，液态水随着废气进入涡轮机，对高速旋转的涡轮叶轮和叶片产生冲击，易导致叶轮和叶片机械损伤进而影响工作性能和寿命，严重时将导致空压机压缩机失效。
6.2.阴极出口使用气液分离器，将液态水分离一部分后再连接到涡轮机入口。缺点，由于阴极出口含水率高且工作中在长度较长的沿程管壁因冷凝产生大量液滴形式的液态水，液态水分离效率较低，仍有大量的液态水进入涡轮机造成叶轮和叶片损伤或失效；另外，气液分离器多采用离心或挡板等原理在工作中泄露了一部分的废气流量、压力损失较大并且损失了一部分热量，进入涡轮机的余热余压废气能量变少，涡轮机回收能量效率较低、气液分离器体积大、增加额外成本。
7.3.涡轮机叶轮和叶片采用基体材料加强或/和涂镀层工艺，结合气液分离器使用。缺点，由于气液分离器分离效率不高仍有大量的液态水进入涡轮机；采用基体材料加强或/和涂镀层工艺叶轮和叶片的涡轮机，在较短时间内可以减小失效可能性，但对于长寿命要求的车用燃料电池系统仍存在较大风险。
8.4.空气压缩机压缩后的高温空气经过中冷器冷却后再送入燃料电池阴极入口。缺
点，由于空气压缩机压缩后的空气最高可至180℃且流量较大，中冷器使用冷却水对该空气进行冷却，增加了燃料电池系统或整车的水热系统负担，同时压缩后的热空气能量未得以利用。
9.5.涡轮机壳体内以及涡轮叶轮和叶片处工作后还余存一定量的液态水，在低温环境内，液态水结冰有导致冷启动失败风险、降低空气压缩机使用寿命。
10.6.空气压缩机、气液分离器、中冷器在燃料电池系统上物理位置较远、布置分散、沿程管道较长，不利于燃料电池系统尺寸的减小和功率密度提升、沿程热量耗散和压力损失大。


技术实现要素：

11.本发明提供了一种结构简单、紧凑，能有效集成部件，提高使用安全可靠、寿命，提升能力回收效率、降低燃料电池或整体使用热负担，减少能耗损失的燃料电池系统提升回收效率系统及其控制方法。本发明采用的技术方案是：一种燃料电池系统提升回收效率系统，包括电堆、空气压缩机、涡轮机、压缩机电机，其特征在于：所述空气压缩机供气接一空空换热器一热程进口，一热程出口经中冷器后送气接电堆阴极入口，电堆阴极出口出气经气液分离器接空空换热器另一热程进口，另一热程出口经破冰辅助加热器供气接涡轮机，涡轮机驱动压缩机电机，压缩机电机带动空气压缩机，涡轮机外接尾排管。
12.所述电堆阴极出口出气经增湿器接气液分离器，气液分离器接空空换热器另一热程进口。
13.所述气液分离器为大液滴气液分离器。
14.所述中冷器后经增湿器送气接电堆阴极入口。
15.所述中冷器为水冷中冷器。
16.所述空气压缩机进气管设置空气过滤器。
17.所述空空换热器、中冷器、气液分离器、破冰辅助加热器集成为整装集成冷却器。
18.所述集成冷却器上开口直接接空气压缩机的出气口和涡轮机入气口。
19.对应涡轮机入气口的集成冷区器开口位置设置破冰辅助加热器。
20.一种燃料电池系统提升回收效率的方法，其特征在于：电堆阴极出口的高湿度余热余压废气先经过大液滴气液分离器对大液滴分离，再经过空空换热器另一热程与空气压缩机压缩后的高温高压新鲜空气一热程之间进行换热，高温高压空气将热量传至温度相对较低的高湿度废气中，降低自身温度同时对废气进行加热，根据湿空气焓湿变化原理，废气中的相对湿度和冷凝温度降低从而液态水粒径变小或直至不可见；压缩后的新鲜空气经过水冷中冷器进行温度调节，以满足进入电堆阴极入口的精确温度需求；经过空空换热器的废气，经过破冰辅助加热器在低温环境中根据系统破冰策略开启或关闭辅助加热功能来解决冷启动以及损伤涡轮叶轮或叶片的问题，破冰辅助加热器直接电加热或使用ptc进行加热，减少直至去除进入涡轮机的液态水，涡轮机在废气驱动下由压缩机电机驱动空气压缩机压缩作业。
21.本发明的有益效果是：1、首先电堆阴极出口废气先经过大液滴气液分离器对大液滴进行了分离，空空换
热器降低压缩空气温度的同时也对废气进行加热，根据湿空气焓湿变化原理，废气中的相对湿度和冷凝温度降低从而液态水粒径变小或直至不可见，再经过破冰辅助加热器直接电加热或使用ptc进行加热，非冷启动时可不使用破冰辅助加热器以进一步降低能耗。此时，进入涡轮机的废气中已不含有液态水，解决了现有技术方案中涡轮机入口液态水含量过高可靠性差寿命低的问题大；2、空气压缩机压缩后的热空气能量首先对废气进行加热利用，降温后再经水冷中冷器进一步冷却温度调节后进入增湿器增湿，最终送入电堆的阴极入口进行电化学发电，热能利用充分，有利于降低燃料电池系统或整车的水热系统负担；
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破冰辅助加热器在低温环境中根据系统破冰策略开启或关闭辅助加热功能来解决冷启动以及损伤涡轮叶轮或叶片的问题，解决余存液态水低温环境结冰，有冷启动时失败风险并且降低空气压缩机使用寿命的问题；4、空气压缩机、气液分离器、中冷器物理集成，较高效降低沿程热量耗散和压力损失大，集成度高。
22.本发明通过空空换热器使用经空气压缩机压缩后的高温空气加热电堆阴极出口的高湿度余热余压废气来大幅度降低相对湿度和冷凝温度进而减小液态水粒径，另外集成设计的集成冷却器降低管道沿程热量耗散和压力损失、尺寸更小更有利于燃料电池系统的体积降低和功率密度提升。
附图说明
23.图1为本发明系统原理图。
24.图中：空气过滤器1、空气压缩机2、压缩机出气口201、涡轮机202、空气压缩机高速电机203、空空换热器3、集成冷却器4、大液滴气液分离器5、增湿器6、电堆7、水冷中冷器8、破冰辅助加热器9、尾排管10。
具体实施方式
25.以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
26.图1所示：一种燃料电池系统提升回收效率系统，包括空气过滤器1、空气压缩机2、压缩机出气口201、涡轮机202、空气压缩机高速电机203、空空换热器3、集成冷却器4、大液滴气液分离器5、增湿器6、电堆7、水冷中冷器8、破冰辅助加热器9、尾排管10。
27.空气压缩机2的进气管上设置空气过滤器1进气，并压缩机出气口201供气接空空换热器3一热程进口，一热程出口经水冷中冷器8、增湿器6后送气接电堆7的阴极入口，电堆7的阴极出口出气经增湿器6、大液滴气液分离器5接空空换热器3另一热程进口，另一热程出口经破冰辅助加热器9供气接涡轮机202，涡轮机驱动空气压缩机高速电机203带动空气压缩机2，涡轮机202外接尾排管10。
28.在本实施例产品结构上，大液滴气液分离器5、空空换热器3、水冷中冷器8、破冰辅助加热器9采用集成设计组成一个整体的集成冷却器4，空气压缩机2的压缩机出气口201和涡轮机202入口直接安装在集成冷却器4上。破冰辅助加热器9装于涡轮机入口或集成冷器上或两者之间。
29.一种燃料电池系统提升回收效率的方法：新鲜的空气经空气过滤器1过滤后进入
空气压缩机2进行压缩，压缩后的高温压缩空气在空空换热器3内同从电堆阴极出口流入的高湿度余热余压废气进行换热冷却，在这之前电堆阴极出口废气先经过大液滴气液分离器5对大液滴进行了分离，空空换热器3降低压缩空气温度的同时也对废气进行加热，根据湿空气焓湿变化原理，废气中的相对湿度和冷凝温度降低从而液态水粒径变小或直至不可见，随后空空换热器3出口的压缩空气再经过一个小尺寸的水冷中冷器8进行温度调节后进入增湿器6增湿最终送入电堆7的阴极入口进行电化学发电。空空换热器3出口的废气，经过一个破冰辅助加热器9在低温环境中根据系统破冰策略开启或关闭辅助加热功能来解决冷启动以及损伤涡轮叶轮或叶片的问题，破冰辅助加热器9可采用直接电加热或使用ptc进行加热，非冷启动时可不使用破冰辅助加热器9以进一步降低能耗。此时，进入涡轮机202的废气中已不含有液态水，解决了现有技术方案中涡轮机入口液态水含量过高可靠性差寿命低的问题；同时由于废气温度经空空换热器3加热后，涡轮机的回收能量大幅提高，降低了空气压缩机高速电机203的电力消耗效率更高、节省了氢气消耗；另外压缩空气经空空换热器3冷却后温度已大幅降低，一个小尺寸的水冷中冷器8即可满足进入电堆阴极的温度调节需求，降低了燃料电池系统或整车的水热系统负担，压缩后的热空气能量也进行了利用，燃料电池系统效率得以进一步提升。
30.本实施例涡轮回收能量和效率更高，节能效果更明显；空气压缩机和冷却器集成度更高，降低尺寸和管道沿程能量损失。采用的控制方法可减少直至去除进入涡轮的液态水，解决了燃料电池系统使用涡轮机回收能量的最大缺点。