CN116053521A - 一种燃料电池空气供应***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域,具体为一种燃料电池空气供应***及方法,包括空气过滤器、空气流量计;空压机低压级,所述空压机低压级进气口与所述空气流量计连接;中冷器,所述中冷器的进气口与所述空压机低压级的出气口连接;空压机高压级,所述空压机高压级的进气口与所述中冷器的出气口连接;所述空压机高压级的出气口与所述中冷器连接;所述中冷器后面依次连接增湿器、电堆。通过在燃料电池空气供应***中增加两条管路以及在中冷器内部再增加一道冷却腔,空压机上的低压级与高压级之间的级间管道也随之去掉了,空压机的成本能够得到降低,同时能有效降低空压机的功耗以提升燃料电池***的净输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域,具体为一种燃料电池空气供应***及方法。
背景技术
空压机作为燃料电池空气***中的核心零部件,能够为电堆提供其所需的特定流量和压力下的空气。大部分燃料电池***的电堆对于空气压力的最大需求均在200kPa以上,单级压缩式的离心空压机难以满足,因此,目前主流的空压机技术是采用两级压缩的形式,低压级与高压级通过一个级间管道进行连接。空压机所消耗的电源功率约占***功率的15%~20%,例如,对于一个120kW的燃料电池***,空压机在额定工况点的电功耗会在20kW左右。如果能在不影响入堆流量和压力的情况下,降低空压机的功耗,那么***的净输出功率将会得到有效提升。从热力学的角度而言,降低功耗主要有提高压气机的气动效率和降低气体的压缩功这两种形式。针对气动效率的话,目前大部分空压机厂家气动效率最高能做到80%左右,但基于离心压气机本身的工作特点,想把气动效率再往上做进一步的提升是非常困难的。因此,如何降低气体的压缩功是一个值得研究且更容易实现的技术方向。
发明内容
本发明主要是提供一种燃料电池空气供应***及方法,用以降低空压机的功耗,提高燃料电池的整体效率。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
第一方面,一种燃料电池空气供应***,包括,
空气过滤器、空气流量计;
空压机低压级,所述空压机低压级进气口与所述空气流量计连接;
中冷器,所述中冷器的进气口与所述空压机低压级的出气口连接;
空压机高压级,所述空压机高压级的进气口与所述中冷器的出气口连接;所述空压机高压级的出气口与所述中冷器连接;
所述中冷器后面依次连接增湿器、电堆。
进一步的,空气过滤器、空气流量计,所述空气流量计的进气口与所述空气过滤器的出气口相连;
进一步的,所述空压机低压级和空压机高压级之间设有电机;
进一步的,所述中冷器设有两条管路,所述中冷器包括两个进气口和两个出气口,所述两个进气口为第一进气口、第二进气口;所述两个出气口为第一出气口和第二出气口;
第一管道为:所述第一进气口连接空压机低压级的出气口,所述第二进气口连接空压机高压级的出气口;
第二管道为:所述第一出气口连接空压机高压级的进气口,所述第二出气口连接所述增湿器;
所述中冷器设有一个冷却液进口和冷却液出口。
进一步的,所述中冷器设有冷却液进口和冷却液出口,所述冷却液进口和所述冷却液出口分别位于所述中冷器两侧;
进一步的,通过所述增湿器连接电堆。
进一步的,背压阀,所述背压阀连接所述增湿器的出气口。
进一步的,气体压缩过程的技术功定义为:Wt=-∫v·dp
其中,Wt代表空压机在压缩气体过程中所消耗的技术功;
v代表气体的体积;
dp代表气体压缩后与压缩前的压差。
第二方面,一种燃料电池空气供应方法,采用权利要求1-8任一项所述的一种燃料电池空气供应***,所述方法包括如下步骤:
开启燃料电池空气供应***,启动空压机的电机,所述电机带动空压机低压级和空压机高压级的叶轮进行高速旋转;
空气过滤器的进口吸入空气,并对空气进行过滤,空气流量计测量进入空压机的气体质量流量;
进入空压机低压级和空压机高压级的气体,从空压机低压级的出口和空压机高压级的出口进入中冷器进行降温;
进入增湿器提高湿度,达到电堆对于空气压力、温度以及湿度的要求;
调节背压阀的阀门开度大小来控制整个空气供应***中的空气流量。
进一步的,在空气供应***中设有两条管路,所述中冷器包括两个进气口和两个出气口,所述两个进气口为第一进气口、第二进气口;所述两个出气口为第一出气口和第二出气口;
第一管道为:所述第一进气口连接空压机低压级的出气口,所述第二进气口连接空压机高压级的出气口;
第二管道为:所述第一出气口连接空压机高压级的进气口,所述第二出气口连接所述增湿器;
所述中冷器设有一个冷却液进口和冷却液出口。
有益效果:一种燃料电池空气供应***及方法,通过在燃料电池空气供应***中增加两条管路以及在中冷器内部再增加一道冷却腔,空压机上的低压级与高压级之间的级间管道也随之去掉了,空压机的成本能够得到降低,重要的是降低空压机的功耗以提升燃料电池***的净输出功率。
附图说明
图1为燃料电池空气供应***架构示意图;
图2为空压机结构示意图;
图3为中冷器结构示意图;
图4空压机的压缩P-V图。
附图标记说明:1、空气过滤器;2、空气流量计:3、空压机低压级;4、电机;5、空压机高压级;6、中冷器;7、增湿器;8、电堆;9、背压阀,10、冷却液进口;11、冷却液出口;12、第一进气口;13、第二进气口;14、第一出气口;15、第二出气口;16、低压级进气口;17、低压级出气口;18、高压级进气口;19、高压级出气口。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明涉及的一种燃料电池空气供应***及方法技术方案进一步详细说明。
如图1-3所示,一种燃料电池空气供应***,包括,
空气过滤器1、空气流量计2,所述空气流量计2的进气口与所述空气过滤器1的出气口相连;
空压机低压级3,所述空压机低压级进气口16与所述空气流量计2连接;
中冷器6,所述中冷器6的进气口与所述空压机低压级出气口17连接;
空压机高压级5,所述空压机高压级进气口18与所述中冷器6的出气口连接;所述空压机高压级出气口19与所述中冷器6连接;
所述空压机低压级3和空压机高压级5之间设有电机4;
所述中冷器6后面依次连接增湿器7、电堆8,通过所述增湿器7连接电堆8;还包括背压阀9,所述背压阀9连接所述增湿器7的出气口。
其中,空气过滤器1用于对进入空压机的气体中的杂质进行过滤;空气流量计2用于测量进入空压机的气体质量流量;空压机低压级3用于对进入空压机的空气进行一级压缩;中冷器6用于对空压机低压级3和空压机高压级5出口的气体进行冷却;空压机高压级5用于对中冷器6第一出气口12的气体进行压缩;增湿器7用于提高中冷器6第二出气口14的气体湿度;电堆8用于空气与氢气进行化学反应,从而输出电能;背压阀9用来调节进入空压机的气体流量大小;电机4用于驱动空压机低压级3和空压机高压级4叶轮的高速旋转。
进一步的,如图3所示,在空气供应***设有两条管路,所述中冷器6包括两个进气口和两个出气口,所述两个进气口为第一进气口12、第二进气口13;所述两个出气口为第一出气口14和第二出气口15;
第一管道为:所述第一进气口12连接空压机低压级3的出气口,所述第二进气口13连接空压机高压级5的出气口;
第二管道为:所述第一出气口14连接空压机高压级5的进气口,所述第二出气口15连接所述增湿器7。
进一步的,所述中冷器6设有一个冷却液进口10和一个冷却液出口11,所述冷却液进口10和所述冷却液出口11分别位于所述中冷器6两侧。
加级间冷却之后,虽然需要在空气供应***中增加两条管路以及在中冷器6内部再增加一道冷却腔,但空压机上的低压级与高压级之间的级间管道也随之去掉了,空压机的成本能够得到降低。
如图3所示,冷却腔位于中冷器6内部,对于传统的空气供应***而言,中冷器只有一个冷却腔,本发明是将冷却腔增加至了两个,两个冷却腔并排放置,互不连通。
具体的,两条管路指的是连接空压机低压级4出气口与中冷器6第一进气口12之间的管路,以及连接中冷器6第一出气口12与空压机高压级5进气口之间的管路。冷却腔内部流通的是高温气体,外部流通的是低温冷却液,两者之间进行热交换,从而对气体进行冷却。
如图4所示,其中1-a-2’为多变过程线,1-a’-2为等温过程线,常规的两级压缩可以看做是1-a-2’过程,其中,1-a是低压级的压缩过程,a-2’是高压级的压缩过程。而本发明中的低压级出口气体在中冷器6内进行冷却的过程则可看做是a-a’,然后a’-2则是高压级内的压缩过程。由气体压缩过程的技术功定义:Wt=-∫v·dp可知,过程曲线在纵轴上的投影面积可以表示技术功的大小。
其中,Wt代表空压机在压缩气体过程中所消耗的技术功;
v代表气体的体积;
dp代表气体压缩后与压缩前的压差。
从图中可以看出,阴影部分面积a-2’-2-a’是加级间冷却的两级压缩过程相比常规两级压缩过程所减少的功耗。
加级间冷却之后,虽然需要在空气供应***中增加两条管路以及在中冷器6内部再增加一道冷却腔,但空压机上的低压级与高压级之间的级间管道也随之去掉了,空压机的成本能够得到降低,同时也降低了空压机的功耗,达到节能的效果,提升燃料电池***的净输出功率。
一种燃料电池空气供应方法为 :
开启燃料电池空气供应***,启动空压机的电机,所述电机带动空压机低压级和空压机高压级的叶轮进行高速旋转;
空气过滤器的进口吸入空气,并对空气进行过滤,空气流量计测量进入空压机的气体质量流量;
进入空压机低压级和空压机高压级的气体,从空压机低压级的出口和空压机高压级的出口进入中冷器进行降温;
进入增湿器提高湿度,达到电堆对于空气压力、温度以及湿度的要求;
调节背压阀的阀门开度大小来控制整个空气供应***中的空气流量。
进一步的,所述空压机低压级对进入空压机的空气进行一级压缩,空压机高压级对中冷器第一出气口的气体进行压缩。
进一步的,在空气供应***中设有两条管路,所述中冷器包括两个进气口和两个出气口,所述两个进气口为第一进气口、第二进气口;所述两个出气口为第一出气口和第二出气口;
第一管道为:所述第一进气口连接空压机低压级的出气口,所述第二进气口连接空压机高压级的出气口;
第二管道为:所述第一出气口连接空压机高压级的进气口,所述第二出气口连接所述增湿器;
所述中冷器设有一个冷却液进口和冷却液出口。
具体的,***运行之后会启动空压机的电机,从而带动低压级和高压级的叶轮进行高速旋转,高速旋转的叶轮会从空气过滤器的进口吸入空气并进行压缩,我们可以通过调节电机转速来控制空压机的低压级和高压级出口的气体压力,然后低压级和高压级的出口气体进入中冷器进行降温,然后进入增湿器提高湿度,从而达到电堆对于空气压力、温度以及湿度的要求,最后,我们可以通过调节背压阀的阀门开度大小来控制整个空气供应***中的空气流量,通过在燃料电池空气供应***中增加两条管路以及在中冷器内部再增加一道冷却腔,空压机上的低压级与高压级之间的级间管道也随之去掉了,空压机的成本能够得到降低,同时也降低了空压机的功耗,达到节能的效果,提升燃料电池***的净输出功率。
本技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明,实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成,即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中,上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。另外,各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分,并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述或记载的部分,可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本公开的范围。
以上实施例仅用以说明本公开的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
空气过滤器、空气流量计;
空压机低压级,所述空压机低压级进气口与所述空气流量计连接;
中冷器,所述中冷器的进气口与所述空压机低压级的出气口连接;
空压机高压级,所述空压机高压级的进气口与所述中冷器的出气口连接;所述空压机高压级的出气口与所述中冷器连接;
所述中冷器后面依次连接增湿器、电堆。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
空气过滤器、空气流量计,所述空气流量计的进气口与所述空气过滤器的出气口相连。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
所述空压机低压级和空压机高压级之间设有电机。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
在空气供应***中设有两条管路,所述中冷器包括两个进气口和两个出气口,所述两个进气口为第一进气口、第二进气口;所述两个出气口为第一出气口和第二出气口;
第一管道为:所述第一进气口连接空压机低压级的出气口,所述第二进气口连接空压机高压级的出气口;
第二管道为:所述第一出气口连接空压机高压级的进气口,所述第二出气口连接所述增湿器;
所述中冷器设有一个冷却液进口和冷却液出口。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
所述中冷器设有冷却液进口和冷却液出口,所述冷却液进口和所述冷却液出口分别位于所述中冷器两侧。
6.根据权利要求4所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
通过所述增湿器连接电堆。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,还包括,
背压阀,所述背压阀连接所述增湿器的出气口。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
气体压缩过程的技术功定义为:Wt=-∫v·dp
其中,Wt代表空压机在压缩气体过程中所消耗的技术功;
v代表气体的体积;
dp代表气体压缩后与压缩前的压差。
9.一种燃料电池空气供应方法,采用权利要求1-8任一项所述的一种燃料电池空气供应***,其特征在于,包括,
开启燃料电池空气供应***,启动空压机的电机,所述电机带动空压机低压级和空压机高压级的叶轮进行高速旋转;
空气过滤器的进口吸入空气,并对空气进行过滤,空气流量计测量进入空压机的气体质量流量;
进入空压机低压级和空压机高压级的气体,从空压机低压级的出口和空压机高压级的出口进入中冷器进行降温;
进入增湿器提高湿度,达到电堆对于空气压力、温度以及湿度的要求;
调节背压阀的阀门开度大小来控制整个空气供应***中的空气流量。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池空气供应方法,其特征在于,包括,
在空气供应***中设有两条管路,所述中冷器包括两个进气口和两个出气口,所述两个进气口为第一进气口、第二进气口;所述两个出气口为第一出气口和第二出气口;
第一管道为:所述第一进气口连接空压机低压级的出气口,所述第二进气口连接空压机高压级的出气口;
第二管道为:所述第一出气口连接空压机高压级的进气口,所述第二出气口连接所述增湿器;
所述中冷器设有一个冷却液进口和冷却液出口。
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