CN109921061A - 一种燃料电池供气***及供气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池供气***，包括氢气供给组件和空气供给组件；所述氢气供给组件包括储氢瓶、第一减压阀、第一稳压腔、分流阀、氢气涡轮机、第二稳压腔、第二减压阀、电磁球阀和氢气加湿器；所述空气供给组件包括依次管路连接的空气过滤器、空压机、节流阀、调压阀、中冷器和空气加湿器，所述空压机与氢气涡轮机通过刚性管路连接，空压机利用氢气涡轮机提供的能量对空气进行增压。本发明还公开了上述燃料电池供气***的供气方法。其能够有效利用供给过程所耗散的能量，减小***附件的功率消耗，间接增大燃料电池发动机的***效率。

Description

一种燃料电池供气***及供气方法

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机供给***，具体涉及一种燃料电池供气***及供气方法。

背景技术

鉴于当前全球传统能源紧缺，环境污染严重等现状，燃料电池发动机因具有高效率节能、零排放等特点为汽车行业未来发展点燃了新的方向。燃料电池的供给***作为发动机***的核心部分直接影响发动机工作的稳定性、功率的输出以及效率的提升，因此合理地设计燃料电池的供给***是燃料电池发动机性能提升的关键。

常规的燃料电池发动机供氧***中，为提高燃料电池发动机的效率，需要通过空压机消耗燃料电池发动机输出功率来对空气增压，降低了燃料电池发动机***效率。而供氢***中，氢气从高压储氢罐传送到电堆的过程需要经过一系列的降压，如从高压储氢罐70MPa压力降低至3bar左右，然后进入电堆，一方面加大了氢气降压的技术难度，另一方面也耗散了很大一部分能量。此外，在电堆中发生的氢气与氧气的电化学反应对氢气与氧气进入点对点同步性非常高，加大了对供氢***与空气供给***的控制难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池供气***及供气方法，其能够有效利用供给过程所耗散的能量，减小***附件的功率消耗，间接增大燃料电池发动机的***效率。

本发明所述的燃料电池供气***，包括氢气供给组件和空气供给组件；所述氢气供给组件包括储氢瓶、第一减压阀、第一稳压腔、分流阀、氢气涡轮机、第二稳压腔、第二减压阀、电磁球阀和氢气加湿器，所述储氢瓶、第一减压阀、第一稳压腔和分流阀依次管路连接，所述分流阀包括两个出口，一个出口管路连接氢气涡轮机，所述氢气涡轮机与氢气涡轮机连通，另一出口与氢气涡轮机和第二稳压腔之间的管路连接，所述第二稳压腔管路连接第二减压阀，第二减压阀、电磁球阀和氢气加湿器依次管路连接，所述氢气加湿器与燃料电池电堆管路连接；所述空气供给组件包括依次管路连接的空气过滤器、空压机、节流阀、调压阀、中冷器和空气加湿器，所述空气加湿器与燃料电池电堆管路连接，所述空压机与氢气涡轮机通过刚性管路连接，空压机利用氢气涡轮机提供的能量对空气进行增压。

进一步，所述储氢瓶的出口端设有第一流量传感器和第一压力传感器，所述第一稳压腔上设有第二压力传感器，所述分流阀与氢气涡轮机之间的管路上设有第二流量传感器，所述第二稳压腔上设有第三压力传感器，所述电磁球阀上设有第三流量传感器和第四压力传感器，所述节流阀上设有第四流量传感器和第五压力传感器，所述调压阀上设有第六压力传感器。

进一步，所述氢气涡轮机与第二稳压腔之间的管路上设有第一单向阀，防止第二稳压腔内的氢气逆流。

进一步，所述节流阀与调压阀之间的管路上设有第二单向阀，防止增压空气逆流。

进一步，还包括回氢组件，所述回氢组件包括回氢管路，该回氢管路一端与燃料电池电堆氢气出口管路连接，另一端管路连接到第二减压阀与电磁球阀之间的管路上。

进一步，所述回氢管路上设有第三单向阀，防止回氢组件中的氢气逆流。

一种上述的燃料电池供气***的供气方法，其包括如下步骤：

1)设定进入燃料电池电堆的氢气压力P_H、进入燃料电池电堆的空气压力P_A、进入燃料电池电堆的氢气流量Q_H、进入燃料电池电堆的空气流量Q_A和燃料电池电堆内氢气与空气之间的压力差△P₀的目标值；

2)开启燃料电池供气***，控制器采集储氢瓶出口端的压力P_H1、电磁球阀处氢气的压力P_H4和电磁球阀处氢气的流量Q_H3，计算储氢瓶的氢气输出流量Q_H1，计算公式为：

式中，λ为回氢当量比；

3)控制器向第一减压阀和分流阀输出调节信号，通过第一减压阀调节第一稳压腔的压力P_H2，通过分流阀调节进入氢气涡轮机的氢气流量Q_H2，通过氢气涡轮机的氢气流量Q_H2确定氢气涡轮机为空气增压提供的能量值；

4)控制器采集空气增压后的流量Q_A1并与进入燃料电池电堆的空气流量Q_A的设定值进行比较，若Q_A1＜Q_A，则返回步骤3)重新调节分流阀的分流流量，若Q_A1≥Q_A，则通过节流阀控制增压空气的进气量；

5)控制器采集空气增压后的压力P_A1并与进入燃料电池电堆的空气压力P_A的设定值进行比较，若P_A1＜P_A，则返回步骤3)重新调节分流阀，若P_A1≥P_A，则执行下一步；

6)控制器采集经调压阀调节后的空气压力P_A2并与进入燃料电池电堆的空气压力P_A的设定值进行比较，通过调压阀调节空气压力直至P_A2＝P_A；

7)控制器采集电磁球阀处氢气的压力P_H4并与经调压阀调节后的空气压力P_A2进行比较，若P_H4＜P_A2，则返回步骤3)重新调节第一减压阀和分流阀，若P_H4≥P_A2，则执行下一步；

8)控制器采集电磁球阀处氢气的压力P_H4和经调压阀调节后的空气压力P_A2，计算得到两者的差值△P并与燃料电池电堆内氢气与空气之间的压力差△P₀的目标值进行比较，若△P＞△P₀，控制器基于第二稳压腔的压力P_H3和进入燃料电池电堆的氢气压力P_H的差值向第二减压阀输出调节信号，直至△P≤△P₀，完成燃料电池氢气与空气的联合供给。

进一步，所述步骤3)中氢气涡轮机为空气增压提供的能量值为：

式中，P_T为氢气涡轮机提供的功率，为氢气的质量流量，η_T为氢气涡轮机的效率，(h_H2-h_H3)_TS为通过氢气涡轮机的等熵比焓降，其计算式为：

R为气体常数，T_H2为氢气进入氢气涡轮机前的温度，k_H为氢气的绝热系数，P_H3为第二稳压腔的压力，P_H2为第一稳压腔的压力。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明通过氢气涡轮机将氢气降压过程所释放的能量用于燃料电池的空气供给组件进行增压，一方面氢气通过氢气涡轮机实现了降压，另一方面利用氢气降压过程耗散能量为空压机提供动力，降低了空压机的功率消耗，实现了氢气压空气的同步供给，节约了燃料电池***的功率消耗，从而提高了燃料电池发动机***的输出效率。

2、本发明的供给方法保证了氢气涡轮机提供的功率满足空压机需求的功率，实现了精确控制氢气和空气的供给，提高了燃料电池的能量利用率。

附图说明

图1是本发明的燃料电池供气***的结构示意图；

图2是本发明的燃料电池供气方法的流程图。

图中，1—储氢瓶，2—第一减压阀，3—第一稳压腔，4—分流阀，5—氢气涡轮机，6—第二稳压腔，7—第二减压阀，8—电磁球阀，9—氢气加湿器，10—燃料电池电堆，11—空气过滤器，12—空压机，13—节流阀，14—调压阀，15—中冷器，16—空气加湿器，17—第一流量传感器，18—第一压力传感器，19—第二压力传感器，20—第二流量传感器，21—第三压力传感器，22—第四压力传感器，23—第三流量传感器，24—第四流量传感器，25—第五压力传感器，26—第六压力传感器，27—第一单向阀，28—第二单向阀，29—第三单向阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参见图1，所示的燃料电池供气***，包括氢气供给组件和空气供给组件。

所述氢气供给组件包括储氢瓶1、第一减压阀2、第一稳压腔3、分流阀4、氢气涡轮机5、第二稳压腔6、第二减压阀7、电磁球阀8和氢气加湿器9，所述储氢瓶1、第一减压阀2、第一稳压腔3和分流阀4依次管路连接，所述分流阀4包括两个出口，一个出口管路连接氢气涡轮机5，所述氢气涡轮机5与第二稳压腔6连通，另一出口与氢气涡轮机5和第二稳压腔6之间的管路连接，所述第二稳压腔6管路连接第二减压阀7，第二减压阀7、电磁球阀8和氢气加湿器9依次管路连接，所述氢气加湿器9与燃料电池电堆10管路连接。

所述空气供给组件包括依次管路连接的空气过滤器11、空压机12、节流阀13、调压阀14、中冷器15和空气加湿器16，所述空气加湿器16与燃料电池电堆10管路连接，所述空压机12与氢气涡轮机5通过刚性管路连接，空压12机利用氢气涡轮机5提供的能量对空气进行增压。氢气涡轮机5既能够起到氢气降压的作用，同时能够为空压机12提供动力，降低了空压机12的功率消耗，节约了燃料电池***的功率消耗，从而提高了燃料电池发动机***的输出效率。

为了精确检测供气***各个阶段的流量和压力，在所述储氢瓶1的出口端设有第一流量传感器17和第一压力传感器18，所述第一稳压腔3上设有第二压力传感器19，所述分流阀4与氢气涡轮机5之间的管路上设有第二流量传感器20，所述第二稳压腔6上设有第三压力传感器21，所述电磁球阀8上设有第三流量传感器23和第四压力传感器22，所述节流阀13上设有第四流量传感器24和第五压力传感器25，所述调压阀14上设有第六压力传感器26。

所述氢气涡轮机5与第二稳压腔6之间的管路上设有第一单向阀27，防止第二稳压腔6内的氢气逆流。所述节流阀13与调压阀14之间的管路上设有第二单向阀28，防止增压空气逆流。

所述燃料电池供气***还包括回氢组件，所述回氢组件包括回氢管路，该回氢管路一端与燃料电池电堆10氢气出口管路连接，另一端管路连接到第二减压阀7与电磁球阀8之间的管路上。所述回氢管路上设有第三单向阀29，防止回氢组件中的氢气逆流。回氢组件为现有设备，本发明不再赘述其结构，回氢组件的作用是分离出未反应氢气中的液态水以及废气，同时将处理后的氢气重新输入到氢气供给组件中，循环利用。

参见图2，所示的燃料电池供气***的供气方法，其包括如下步骤：

1、设定进入燃料电池电堆的氢气压力P_H、进入燃料电池电堆的空气压力P_A、进入燃料电池电堆的氢气流量Q_H、进入燃料电池电堆的空气流量Q_A和燃料电池电堆内氢气与空气之间的压力差△P₀的目标值。

2、开启燃料电池供气***，控制器通过第一压力传感器18采集储氢瓶出口端的压力P_H1，通过第四压力传感器22采集电磁球阀处氢气的压力P_H4，通过第三流量传感器23采集电磁球阀处氢气的流量Q_H3，根据采集得到的信息计算储氢瓶的氢气输出流量Q_H1，计算公式为：

确定储氢瓶的氢气输出流量Q_H1，计算公式为：

式中，P_H1为储氢瓶出口端的压力，λ为回氢当量比；P_H4为电磁球阀处氢气的压力，Q_H3为电磁球阀处氢气的流量。

3、控制器向第一减压阀和分流阀输出调节信号，通过第一减压阀调节第一稳压腔的压力P_H2，控制器通过第二压力传感器19采集第一稳压腔的压力P_H2，通过分流阀调节进入氢气涡轮机的氢气流量Q_H2，通过氢气涡轮机的氢气流量Q_H2确定氢气涡轮机为空气增压提供的能量值；

4、控制器通过第四流量传感器24采集空气增压后的流量Q_A1并与进入燃料电池电堆的空气流量Q_A的设定值进行比较，若Q_A1＜Q_A，则返回步骤3重新调节分流阀，若Q_A1≥Q_A，则通过节流阀控制增压空气的进气量。

5、控制器通过第五压力传感器25采集空气增压后的压力P_A1并与进入燃料电池电堆的空气压力P_A的设定值进行比较，若P_A1＜P_A，则返回步骤3重新调节分流阀，若P_A1≥P_A，则进入下一步。

6、控制器通过第六压力传感器26采集经调压阀调节后的空气压力P_A2并与进入燃料电池电堆的空气压力P_A的设定值进行比较，通过调压阀调节空气压力直至P_A2＝P_A。

7、控制器通过第四压力传感器22采集电磁球阀处氢气的压力P_H4并与经调压阀调节后的空气压力P_A2进行比较，若P_H4＜P_A2，则返回步骤3重新调节第一减压阀和分流阀，若P_H4≥P_A2，则进入下一步。

8、控制器通过第四压力传感器22采集电磁球阀处氢气的压力P_H4，通过第六压力传感器26采集经调压阀调节后的空气压力P_A2，计算得到两者的差值△P并与燃料电池电堆内氢气与空气之间的压力差△P₀的目标值进行比较，若△P＞△P₀，控制器基于第二稳压腔的压力P_H3和进入燃料电池电堆的氢气压力P_H的差值向第二减压阀输出调节信号，直至△P≤△P₀，完成燃料电池氢气与空气的联合供给。

氢气涡轮机内的热力学过程遵循热力学第一定律，即相同时间内高压氢气对氢气涡轮机做的功率满足空压机内空气增压所消耗的功率，即：P_T＝-P_C，P_T为氢气涡轮机提供的功率，其计算式为：

式中，为氢气的质量流量，η_T为氢气涡轮机的效率，(h_H2-h_H3)_TS为通过氢气涡轮机的等熵比焓降，其计算式为：

R为气体常数，T_H2为氢气进入氢气涡轮机前的温度，k_H为氢气的绝热系数，P_H3为第二稳压腔的压力，P_H2为第一稳压腔的压力。

P_C为空压机需求的功率，其计算式为：

式中，为空气的质量流量，η_C为空压机的效率，T_A0为环境温度，k_H为空气的绝热系数，P_A1为空气增压后的压力，P_A0为空气增压前的压力。

为了保证氢气和空气能够联合供给，需要满足：

式中，P_Tmin为氢气涡轮机提供的最低功率，P_Cmax为空压机需求的最大功率。

由于供气过程中氢气温度变化不大，氢气进入氢气涡轮机前的温度T_H2能够视为当前环境温度T_A0。在常温条件下，空气和氢气的绝热系数相等，k_A＝k_H＝1.4。氢气涡轮机在氢气降压过程中主要涉及机械损失，氢气涡轮机的效率η_T范围为0.95～0.99，取最低值0.95进行计算，空压机的效率η_C主要考虑绝热损失和机械损失，范围为0.75～0.85，取最低值0.75进行计算。储氢瓶的最低压力值为3.1MPa，该值能够根据具体情况设定，当储氢瓶内的压力低于该值时，则需要加氢使得压力满足设定值，氢气进入燃料电池电堆的压力不超过3bar，则P_H2min＝3.1MPa，P_H3max＝3bar，即

进入燃料电池电堆的空气压力不超过2.5bar，按最大值2.5bar进行计算，则有：

根据气体状态方程pV＝nRT能够得出：

式中，M_H＝2为氢气摩尔质量，M_A＝29为空气摩尔质量，

按照化学反应方程式：其中空气中氧气含量为21％，得出：

综合上述提供的数据能够得到：

因此，当燃料电池车载高压储氢瓶最低输出压力为3MPa，氢气进堆压力小于3bar，空气进堆压力小于2.5bar时，燃料电池供气中氢气降压过程所耗散的功率完全足以支撑空气增压所需功率。

Claims (8)

1.一种燃料电池供气***，其特征在于：包括氢气供给组件和空气供给组件；

所述氢气供给组件包括储氢瓶(1)、第一减压阀(2)、第一稳压腔(3)、分流阀(4)、氢气涡轮机(5)、第二稳压腔(6)、第二减压阀(7)、电磁球阀(8)和氢气加湿器(9)，所述储氢瓶(1)、第一减压阀(2)、第一稳压腔(3)和分流阀(4)依次管路连接，所述分流阀(4)包括两个出口，一个出口管路连接氢气涡轮机(5)，所述氢气涡轮机(5)与第二稳压腔(6)管路连接，另一出口与氢气涡轮机(5)和第二稳压腔(6)之间的管路连接，所述第二稳压腔(6)、第二减压阀(7)、电磁球阀(8)和氢气加湿器(9)依次管路连接，所述氢气加湿器(9)与燃料电池电堆(10)管路连接；

所述空气供给组件包括依次管路连接的空气过滤器(11)、空压机(12)、节流阀(13)、调压阀(14)、中冷器(15)和空气加湿器(16)，所述空气加湿器(16)与燃料电池电堆(10)管路连接，所述空压机(12)与氢气涡轮机(5)通过刚性管路连接，空压机(12)利用氢气涡轮机(5)提供的能量对空气进行增压。

2.根据权利要求1所述的燃料电池供气***，其特征在于：所述储氢瓶(1)的出口端设有第一流量传感器(17)和第一压力传感器(18)，所述第一稳压腔(3)上设有第二压力传感器(19)，所述分流阀(4)与氢气涡轮机(5)之间的管路上设有第二流量传感器(20)，所述第二稳压腔(6)上设有第三压力传感器(21)，所述电磁球阀(8)上设有第三流量传感器(23)和第四压力传感器(22)，所述节流阀(13)上设有第四流量传感器(24)和第五压力传感器(25)，所述调压阀(14)上设有第六压力传感器(26)。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池供气***，其特征在于：所述氢气涡轮机(5)与第二稳压腔(6)之间的管路上设有第一单向阀(27)，防止第二稳压腔(6)内的氢气逆流。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池供气***，其特征在于：所述节流阀(13)与调压阀(14)之间的管路上设有第二单向阀(28)，防止增压空气逆流。

5.根据权利要求1或2所述的燃料电池供气***，其特征在于：还包括回氢组件，所述回氢组件包括回氢管路，该回氢管路一端与燃料电池电堆(10)氢气出口管路连接，另一端管路连接到第二减压阀(7)与电磁球阀(8)之间的管路上。

6.根据权利要求5所述的燃料电池供气***，其特征在于：所述回氢管路上设有第三单向阀(29)，防止回氢组件中的氢气逆流。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的燃料电池供气***的供气方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)设定进入燃料电池电堆的氢气压力P_H、进入燃料电池电堆的空气压力P_A、进入燃料电池电堆的氢气流量Q_H、进入燃料电池电堆的空气流量Q_A和燃料电池电堆内氢气与空气之间的压力差△P₀的目标值；

2)开启燃料电池供气***，控制器采集储氢瓶出口端的压力P_H1、电磁球阀处氢气的压力P_H4和电磁球阀处氢气的流量Q_H3，计算储氢瓶的氢气输出流量Q_H1，计算公式为：

式中，λ为回氢当量比；

3)控制器向第一减压阀和分流阀输出调节信号，通过第一减压阀调节第一稳压腔的压力P_H2，通过分流阀调节进入氢气涡轮机的氢气流量Q_H2，通过氢气涡轮机的氢气流量Q_H2确定氢气涡轮机为空气增压提供的能量值；

4)控制器采集空气增压后的流量Q_A1并与进入燃料电池电堆的空气流量Q_A的设定值进行比较，若Q_A1＜Q_A，则返回步骤3)重新调节分流阀的分流流量，若Q_A1≥Q_A，则通过节流阀控制增压空气的进气量；

5)控制器采集空气增压后的压力P_A1并与进入燃料电池电堆的空气压力P_A的设定值进行比较，若P_A1＜P_A，则返回步骤3)重新调节分流阀，若P_A1≥P_A，则执行下一步；

6)控制器采集经调压阀调节后的空气压力P_A2并与进入燃料电池电堆的空气压力P_A的设定值进行比较，通过调压阀调节空气压力直至P_A2＝P_A；

7)控制器采集电磁球阀处氢气的压力P_H4并与经调压阀调节后的空气压力P_A2进行比较，若P_H4＜P_A2，则返回步骤3)重新调节第一减压阀和分流阀，若P_H4≥P_A2，则执行下一步；

8)控制器采集电磁球阀处氢气的压力P_H4和经调压阀调节后的空气压力P_A2，计算得到两者的差值△P并与燃料电池电堆内氢气与空气之间的压力差△P₀的目标值进行比较，若△P＞△P₀，控制器基于第二稳压腔的压力P_H3和进入燃料电池电堆的氢气压力P_H的差值向第二减压阀输出调节信号，直至△P≤△P₀，完成燃料电池氢气与空气的联合供给。

8.根据权利要求7所述的供气方法，其特征在于：所述步骤3)中氢气涡轮机为空气增压提供的能量值为：

式中，P_T为氢气涡轮机提供的功率，为氢气的质量流量，η_T为氢气涡轮机的效率，(h_H2-h_H3)_TS为通过氢气涡轮机的等熵比焓降，其计算式为：

R为气体常数，T_H2为氢气进入氢气涡轮机前的温度，k_H为氢气的绝热系数，P_H3为第二稳压腔的压力，P_H2为第一稳压腔的压力。