CN118039961A - 一种燃料电池***及燃料电池***的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种燃料电池***及燃料电池***的控制方法。燃料电池***包括电堆、空压机、第一冷媒***、控制器，空压机具有压端和涡端，第一冷媒***包括吸热换热器、放热换热器和冷媒流量泵，冷媒流量泵使冷媒在吸热换热器和放热换热器间循环，压端排出的空气与吸热换热器换热后通入电堆的入口，电堆的出口排出的空气与放热换热器换热后通入涡端，控制器被配置为根据涡端的入口压力以调整冷媒流量泵的转速。本申请的燃料电池***增设了第一冷媒***，第一冷媒***能够对空压机的压端排出的空气的热量进行回收并加热电堆排出的空气的温度，提升了空压机的涡端的能量回收效率。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池***及燃料电池***的控制方法。
背景技术
燃料电池作为一种清洁无污染的能量转化装置，已经开始应用于乘用车和商用车动力***。近年来，燃料电池在固定式发电领域也发挥了较大作用。在固定式发电领域采用燃料电池作为发电装置，可以充分利用所在地的氢气资源。在降低碳排放的同时，能够达成经济效益。固定式发电站上的燃料电池***与常规车用具有一定差异，主要体现在如下三个方面：1）运行工况比较稳定，除开关机外，没有急加急减的瞬态工况；2）固定场地工作，没有外界施加的振动激励；3）对产品的安全性、可靠性和寿命要求比较高。
传统的固定式发电站燃料电池***一般采用罗茨泵，由于罗茨泵的压缩机噪音较大，寿命难以满足用户的使用需求。空气轴承式的空压机在稳态大负荷、振动强度低的工况下有较高的寿命。但是，现有的空气轴承式的空压机的涡端的能量回收效率较低，难以满足固定式发电站的经济效益要求。
发明内容
为了解决现有技术中固定式发电站的燃料电池***能量回收效率低的问题，本申请通过增设第一冷媒***，对空压机排出的气体的热量进行回收，利用该部分热量加热进入空压机涡端的气体，提升空压机涡端的气体的温度，大大的提升了能量回收效率。
本申请通过以下方式实现：
本申请提供一种燃料电池***，包括电堆、空压机、第一冷媒***、控制器，所述空压机具有压端和涡端，所述第一冷媒***包括吸热换热器、放热换热器和冷媒流量泵，所述冷媒流量泵使冷媒在吸热换热器和放热换热器间循环，所述压端排出的空气与所述吸热换热器换热后通入所述电堆的入口，所述电堆的出口排出的空气与所述放热换热器换热后通入所述涡端，所述控制器被配置为根据所述涡端的入口压力以调整所述冷媒流量泵的转速。
本申请还提供一种燃料电池***的控制方法，包括上述燃料电池***，所述控制方法还包括：
获取所述空压机的当前转速和当前涡端入口压力P1；
查询所述空压机的当前转速对应的最优涡端入口压力P10；
比较当前涡端入口压力P1和最优涡端入口压力P10，若P1＞P10，则调小所述冷媒流量泵的转速，若P1＜P10，则调大所述冷媒流量泵的转速。
一种优选的实施方式，所述燃料电池***还设置有分水器，所述电堆的出口排出的空气流经所述分水器后流入所述放热换热器。
一种优选的实施方式，所述空压机还设置有第二冷媒***和与所述涡端同轴的涡轮，所述第二冷媒***内的冷媒与所述分水器分离的液态水换热后推动所述涡轮做功。
一种优选的实施方式，所述涡轮的出口设置有流量调节阀，所述控制器被配置为根据所述涡轮的入口压力以调整所述流量调节阀的开度。
本申请还提供一种燃料电池***的控制方法，包括上述燃料电池***，所述控制方法还包括：
获取所述空压机当前转速和当前涡轮入口压力P2；
查询所述空压机的当前转速对应的最优涡轮入口压力P20；
比较当前涡轮入口压力P2和最优涡轮入口压力P20，若P2＞P20，则调大所述流量调节阀的开度φ，若P2＜P20，则调小所述流量调节阀的开度φ。
一种优选的实施方式，所述燃料电池***还设置有储水罐，所述分水器分离的液态水与所述第二冷媒***内的冷媒换热后流入所述储水罐中。
一种优选的实施方式，所述电堆的入口和所述压端之间设置有中冷器，所述中冷器连接有第一热电联供管路。
一种优选的实施方式，所述电堆的出口和所述涡端的入口之间设置有分水器，所述分水器连接有第二热电联供管路。
一种优选的实施方式，所述燃料电池***还设置有增湿器。
与现有技术相比，本申请至少具有如下技术效果：
1、本申请的燃料电池***采用空气轴承式的空压机，能够对电堆排出的气体的热量进行回收，提升了整个***的经济性。为了进一步提升燃料电池***的能量回收效率，本申请的燃料电池***增设了第一冷媒***，第一冷媒***能够通过吸热换热器内的冷媒对空压机的压端排出的空气的热量进行回收，空压机的压排出的空气与冷媒换热后温度降低，无需设置中冷器，简化了燃料电池***，同时，由于电堆排出的空气也通入到了第一冷媒***的放热换热器内，放热换热器内的冷媒与该部分空气换热，将该部分空气加热，进而提升了进入到空压机涡端的空气的温度，提升了空压机涡端的能量回收效率。而且，由于空压机的涡端的气动要求比较高，本申请的控制器被配置为能够根据涡端的入口的压力调整冷媒流量泵的转速，进而通过调整冷媒流量泵转速的方式以调整涡端的入口压力，使得涡端具有最优的气动效率。
2、为了进一步提升燃料电池***的能量回收效率，本申请的燃料电池***还设置有分水器，分水器能够将电堆排出的空气中的水汽分离，分水器分离的液态水具有较高的温度，通过设置第二冷媒***对液态水的热量进行回收，并利用第二冷媒***内的冷媒推动涡轮做功，由于涡轮与空压机的涡端同轴转动，能够极大程度降低空压机的功耗，提升了整个***经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本申请实施例一的燃料电池***的示意图。
图2是本申请实施例二的燃料电池***的示意图。
图3是本申请实施例三的燃料电池***的示意图。
图4是本申请实施例四的燃料电池***的示意图。
图5是本申请实施例五的燃料电池***的控制方法的流程图。
图6是本申请实施例六的燃料电池***的控制方法的流程图。
图7是本申请实施例一和实施例二的换热曲线。
图中各个标记的含义如下：2、中冷器；4、节气门；5、增湿器；6、电堆；7、分水器；81、压端；82、涡端；83、涡轮；9、一体式换热器；91、吸热换热器；92、放热换热器；93、第二冷媒***；10、第一压力传感器；11、流量调节阀；12、储水罐；13、冷媒流量泵；14、第二压力传感器。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。而对于“上游”、“下游”等位置关系，是基于流体正常流动时位置关系。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
下面将结合附图1-6对本发明进行详细介绍。
实施例一：如图1所示，本实施例提供一种燃料电池***，具体的，本实施例的燃料电池***除了包括电堆6、空压机等常规元件外，还设置一体式换热器9，一体式换热器9内部设置能够进行热量交换的冷媒。具体的，空压机具有压端81和涡端82，空压机的压端81将空气压缩后通入一体式换热器9内，高温的空气与一体式换热器9内部的冷媒进行热量交换，经过热量交换的降温后的空气通入到电堆6内，在电堆6内进行电化学反应发电，电堆6排出的尾气再次通入到一体式换热器9内，与一体式换热器9内的冷媒再次进行热量交换，冷媒将热量传递给尾气，尾气继而通入到空压机的涡端82，用于推动空压机的涡端82做功，进而降低整个空压机的功耗，提升燃料电池***的经济性。
本申请的燃料电池***由于增设了一体式换热器9，一体式换热器9能够通过其内部的冷媒对空压机的压端81排出的空气的热量进行回收，空压机的压端81排出的空气与冷媒换热后温度降低，无需设置中冷器，简化了燃料电池***，同时，由于电堆6排出的空气也通入到了一体式换热器9内，一体式换热器9内的冷媒与该部分空气换热，将该部分空气加热，进而提升了进入到空压机的涡端82的空气的温度，提升了空压机的涡端82的能量回收效率。
本实施例的固定式发电站的燃料电池***还设置有增湿器5，从空压机的压端81排出的气体在进入到电堆6之前需要先通入到增湿器5内进行增湿，从而提升电堆6入口的空气的湿度，使其满足电堆6反应的需求。可以理解的是，增湿器5的出口可以设置节气门4。
在本实施例中，燃料电池***还设置有分水器7，分水器7设置在电堆6的出口和一体式换热器9之间。由于电堆6的出口排出的空气含有大量的水蒸气，为了避免水蒸气进入到空压机的涡端82降低空压机的能量回收效率，在一体式换热器9的上游设置有分水器7，分水器7能够对电堆6排出的空气中的水蒸气进行分离。另外，将分水器7设置在一体式换热器9的上游，如此设置，分水器7内的水蒸气不会吸收一体式换热器9内的冷媒的热量，一体式换热器9内的冷媒携带的热量充分对空气进行加热，经过加热的空气进入到空压机的涡端82进行做功，整个***的能量回收效率极大程度的提高。
可以理解的是，本实施例的一体式换热器9指的是吸热放热一体的换热器，通过冷媒与空压机压端81排出的气体进行换热，降低进入到电堆6内的气体温度，同时冷媒的温度升高，电堆6反应后排出的气体（尾气）进入到冷媒内，高温的冷媒对尾气进行加热，加热后的尾气通入到空压机的涡端82，由于进行热量交换的冷媒是不变，根据热力学第二定律，进入到空压机的涡端82的气体的温度要小于空压机的压端81排出的气体的温度。空压机的压端81排出的空气和电堆6排出的空气同时与换热器9内的冷媒换热，能够及时换热。
可以理解的是，本实施例的一体式换热器9内部的冷媒可以是R134a（四氟乙烷）等冷媒。
可以理解的是，本实施例的燃料电池***由于应用于固定式发电站，发电功率较大，电堆6由多个子电堆并联组成。燃料电池***工作时，单个空压机为多个子电堆同时供气，多个子电堆排出的尾气合并到一个排气管后通入空压机的涡端82，也即，在本实施例中，多个子电堆并联形成一个电堆6。由单个空压机为多个子电堆供气，结构紧凑，效率比多个空压机分别供气的效率更高。
可以理解的是，本实施例中的空压机的压端81和涡端82同轴设置，涡端82在尾气的推动下转动带动压端81转动，进而降低空压机的功率，提升整个燃料电池***的经济性。
可以理解的是，本实施例的空压机为空气轴承式离心空压机，适合工况稳定、振动强度低、启停次数少的环境，用于固定发电站可以成倍增加空气轴承的使用寿命。
可以理解的是，本实施例的空压机由于具有涡端82，能够回收电堆6的排气能量，减小空压机功耗，提高固定发电站的发电效率。
实施例二：如图2所示，本实施例提供另一种燃料电池***，与实施例一不同的是，本实施例将实施例一的一体式换热器9替换为第一冷媒***，第一冷媒***包括吸热换热器91、放热换热器92和冷媒流量泵13，冷媒流量泵13使冷媒在吸热换热器91和放热换热器92间循环。
在本实施例中，空压机的压端81排出的压缩后的空气首先通入到吸热换热器91，吸热换热器91和放热换热器92内设置有冷媒，吸热换热器91和放热换热器92之间设置有冷媒流量泵13，冷媒流量泵13能够实现吸热换热器91和放热换热器92之间的冷媒循环，燃料电池***工作时，空压机的压端81排出的空气通入到吸热换热器91内，与吸热换热器91内的低温冷媒进行热量交换，进行热量交换后的空气通入到电堆6的入口，由于与低温的冷媒进行了热量交换，电堆6入口的空气温度降低，同时，冷媒的温度升高，吸热换热器91内的冷媒在热量交换后流入到冷媒流量泵13内，经过冷媒流量泵13输送到放热换热器92内，电堆6出口排出的尾气通入到放热换热器92内，与放热换热器92内的高温冷媒换热，换热后尾气的温度提升，冷媒的温度降低（低温的冷媒，回流到吸热换热器91内），尾气经过放热换热器92加热后在通入到空压机的涡端82冷媒在吸热换热器91和放热换热器92之间形成循环通路，能够通过控制冷媒流量泵13的转速控制热量回收情况，进而控制涡端82处的空气温度。相较于实施例一，本实施例中由于空压机压端81排出的空气和吸热换热器91内的冷媒，以及电堆6排出的空气和放热换热器92内的冷媒之间均具有较大温差，换热效率更高，热量回收效率明显提升。
实施例一和实施例二的换热过程如图7所示。其中，曲线A为实施例一的空压机的压端81排出的空气与一体式换热器9的换热过程，曲线B为电堆6排出的空气与一体式换热器9的换热过程，曲线C为实施例二的空压机的压端81排出的空气与吸热换热器91的换热过程，曲线D为实施例二的吸热换热器91内的冷媒换热过程，曲线E为实施例二的放热换热器92内的冷媒的换热过程，曲线F为实施例二的电堆6排出的空气的换热过程，从中可以看出，实施例二的电堆6排出的空气在与放热换热器92换热后具有更高的温度，实施例二的能量回收效率更高。
在本实施例中，空压机的涡端82的入口处设置有第一压力传感器10，燃料电池***的控制器能够控制冷媒流量泵13的转速以使得第一压力传感器10检测到的压力维持在涡端82的最优入口压力P10。这是由于空压机的涡端82对于气动的要求比较苛刻，匹配合适的流量和膨胀比才能获得较高的气动效率，故而本实施例通过实时控制冷媒流量泵13的转速以将第一压力传感器10检测的压力维持在预设值，使得空压机获得最佳的气动效率。可以理解的是，最优入口压力P10为使空压机获得最佳气动效率的压力。
可以理解的是，本实施例的冷媒流量泵13起到在吸热换热器91和放热换热器92之间运输冷媒的作用。在不需要控制冷媒流量时，冷媒流量泵13仅起到运输管道的作用，当然的，在其他需要控制吸热换热器91和放热换热器92之间冷媒流量时，冷媒流量泵13也能起到控制冷媒流量的作用。
本实施例的其他特征与实施例一均相同，在此不一一赘述。
实施例三：如图3所示，本实施例提供另一种固定式发电站的燃料电池***，与实施例二不同的是，本实施例的空压机还设置有与空压机同轴的涡轮83。
具体的，在本实施例中，分水器7的出口设置有第二冷媒***93，第二冷媒***93内的冷媒与分水器7分离的液态水换热后通入到涡轮83内，推动涡轮83做功后回流至第二冷媒***93，由于冷媒在第二冷媒***93和涡轮83之间循环，第二冷媒***93从液态水中回收的热量加热冷媒，受热膨胀的冷媒推动涡轮83做功，从而实现对液态水的能量回收，进一步提升整个燃料电池***的热回收效率。
在本实施例中，燃料电池***还设置有储水罐12，分水器7分离的液态水与热回收装置93内的冷媒换热后流入到储水罐12中，能够对该部分水源进行回收，使得整个燃料电池***的经济性提升。
在本实施例中，涡轮83的入口设置有第二压力传感器14，涡轮83的出口设置有流量调节阀11，燃料电池***的控制器能够控制流量调节阀11的开度控制第二压力传感器14检测到的压力维持在最优涡轮入口压力P20，这是由于涡轮83带动空压机做功对于气动的要求比较苛刻，匹配合适的流量和膨胀比才能获得较高的气动效率，故而需要控制涡轮83入口的压力。通常，最优涡轮入口压力P20为涡轮83最大气动效率对应的压力值。可以理解的是，本实施例的控制器和实施例二的控制器为同一控制器。
本实施例的其他特征与实施例二均相同，在此不一一赘述。
实施例四：如图4所示，本实施例提供另一种固定式发电站的燃料电池***，与实施例一不同的是，本实施例电堆6和空压机的压端81之间设置有中冷器2，中冷器2与外界连接有第一热电联供管路，电堆6的出口和涡端82之间设置有分水器7，分水器7连接有第二热电联供管路。通过设置第一热电联供管路和第二热电联供管路能够进一步的对燃料电池***的热量进行回收利用，提升整个燃料电池***的经济性。
本实施例的其他特征与实施例一均相同，在此不一一赘述。
实施例五：如图5所示，本实施例提供一种燃料电池***的控制方法，应用于实施例二的燃料电池***。
在本实施例中，燃料电池***的控制装置内存储有每个空压机转速对应的最优涡端入口压力P10。
本实施例的燃料电池***工作时，燃料电池***的控制装置实时获取空压机的当前转速和第一压力传感器10实时检测到的涡端82入口处的压力P1，随后查询当前空压机转速对应的最优涡端入口压力P10,燃料电池***的控制器将P1与P10进行实时比较，若P1＞P10，则控制调小冷媒流量泵13的转速，若P1＜P10，则控制调大冷媒流量泵13的转速。
本实施例将第一传感器10检测到的涡端82入口的压力P1作为反馈值，通过控制冷媒流量泵13的转速的方式实时调节空压机的涡端82的入口压力，使其快速维持在最优涡端入口压力，能够实现涡端气动精确匹配，具有最优的能量回收效果。
实施例六：如图6所示，本实施例提供一种燃料电池***的控制方法，应用于实施例三的燃料电池***。
在本实施例中，燃料电池***的控制装置内存储有每个空压机转速对应的最优涡轮入口压力P20。
本实施例的燃料电池***工作时，燃料电池***的控制装置实时获取空压机的当前转速和第二压力传感器14实时检测到的涡轮83入口处的压力P2，并查询当前空压机转速对应的最优涡轮入口压力P20,随后，燃料电池***的控制器将P2与P20进行实时比较，若P2＞P20，则控制调大流量调节阀11的开度φ，若P1＜P10，则控制调小流量调节阀11的开度φ。
本实施例将第二传感器14检测到的涡轮83入口的压力P2作为反馈值，通过控制流量调节阀11的开度φ的方式实时调节空压机的涡轮83的入口压力，使其快速维持在最优涡轮入口压力，能够实现涡轮83气动精确匹配，具有最优的能量回收效果。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明所作的均等变化与修饰，皆为本发明权利要求范围所涵盖，这里不再一一举例。
Claims (10)
1.一种燃料电池***，包括电堆、空压机、第一冷媒***、控制器，所述空压机具有压端和涡端，其特征在于，
所述第一冷媒***包括吸热换热器、放热换热器和冷媒流量泵，所述冷媒流量泵使冷媒在吸热换热器和放热换热器间循环，所述压端排出的空气与所述吸热换热器换热后通入所述电堆的入口，所述电堆的出口排出的空气与所述放热换热器换热后通入所述涡端，所述控制器被配置为根据所述涡端的入口压力以调整所述冷媒流量泵的转速。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还设置有分水器，所述电堆的出口排出的空气流经所述分水器后流入所述放热换热器。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池***，其特征在于，所述空压机还设置有第二冷媒***和与所述涡端同轴的涡轮，所述第二冷媒***内的冷媒与所述分水器分离的液态水换热后推动所述涡轮做功。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池***，其特征在于，所述涡轮的入口设置有流量调节阀，所述控制器被配置为根据所述涡轮的出口压力以调整所述流量调节阀的开度。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还设置有储水罐，所述分水器分离的液态水与所述第二冷媒***内的冷媒换热后流入所述储水罐中。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池***，其特征在于，所述电堆的入口和所述压端之间设置有中冷器，所述中冷器连接有第一热电联供管路。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池***，其特征在于，所述电堆的出口和所述涡端的入口之间设置有分水器，所述分水器连接有第二热电联供管路。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还设置有增湿器。
9.一种燃料电池***的控制方法，其特征在于，包括权利要求1所述的一种燃料电池***，所述控制方法还包括：
获取所述空压机的当前转速和当前涡端入口压力P1；
查询所述空压机的当前转速对应的最优涡端入口压力P10；
比较当前涡端入口压力P1和最优涡端入口压力P10，若P1＞P10，则调小所述冷媒流量泵的转速，若P1＜P10，则调大所述冷媒流量泵的转速。
10.一种燃料电池***的控制方法，其特征在于，包括权利要求4所述的燃料电池***，所述控制方法还包括：
获取所述空压机当前转速和当前涡轮入口压力P2；
查询所述空压机的当前转速对应的最优涡轮入口压力P20；
比较当前涡轮入口压力P2和最优涡轮入口压力P20，若P2＞P20，则调大所述流量调节阀的开度φ，若P2＜P20，则调小所述流量调节阀的开度φ。
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