一种燃料电池能量回收系统及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池能量回收技术领域，特别是一种燃料电池能量回收系统及控制方法。


背景技术：

2.随着能源匮乏及环境问题的凸显，排放法规加严，燃料电池技术正逐步受到越来越多的关注，氢燃料电池是一种把化学能直接转换成电能的化学装置，又称为化学发生器，其工作原理是将氢和氧反应的化学能转换为电能的装置，氢燃料电池技术被认为是交通能源动力转型的重要环节而备受重视，质子交换膜燃料电池是目前燃料电池家族中最为成熟的代表，它以氢气和空气(空气中的氧气)做燃料发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的装置，反应生成水，它兼备无污染、高效率、适用广等优点，很可能称为传统内燃机之后车辆的主要动力源之一。
3.空气压缩机是燃料电池系统供气系统最核心的零部件，目前，燃料电池空气压缩机主要是单级增压器、或两级增压系统，但是这两种技术方案都给燃料电池系统带来了巨大的寄生功耗，系统不能够有效的利用燃料电池堆反应产物、热量、压力等能量，制约了燃料电池系统甚至是整车的效率提升，现在部分已经有了带膨胀端系统来对电堆的尾排气能量进行回收，但很少产品化。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有的燃料电池能量回收系统及控制方法中存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明所要解决的问题在于如何提供一种燃料电池能量回收系统及控制方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池能量回收系统，其包括回收单元，其包括，首次回收模块，其包括一级膨胀端、空气压缩机和第一旁通阀，所述一级膨胀端与所述空气压缩机进行同轴连接，所述第一旁通阀连接在所述一级膨胀端的两端，所述一级膨胀端为电动可调式膨胀端；以及，二次回收模块，其包括二级膨胀端、发电机和第二旁通阀，所述二级膨胀端与所述一级膨胀端进行连接，所述发电机与所述二级膨胀端进行同轴连接，所述第二旁通阀连接在二级膨胀端的两端。
8.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：所述二次回收模块还包括，第一三通阀，与所述一级膨胀端进行连接；换热器，其一端与所述第一三通阀进行连接，另一端与所述二级膨胀端进行连接；以及，第一传感器，设置于所述二级膨胀端的上游。
9.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：所述首次回收模块还包括第二传感器，设置于所述第一三通阀的上游。
10.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：所述空气压缩机包括，电机，与所述空气压缩机和一级膨胀端进行连接；以及，电机控制器，与所述电机进行连接。
11.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：还包括燃料反应单元，其包括，空气供应模块，其包括空气过滤器、中冷器和加湿器，所述空气过滤器与所述空气压缩机进行连接，所述中冷器与所述空气压缩机进行连接，所述加湿器与所述中冷器进行连接。
12.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：所述燃料反应单元还包括电堆模块，其包括，电堆膜极，与所述加湿器进行连接；储氢瓶，与所述电堆膜极进行连接；循环泵，分别与所述电堆膜极、所述储氢瓶进行连接；以及，逆变器，与所述电堆膜极进行连接。
13.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：还包括冷却单元，其包括热管理模块，分别与所述电机、所述电机控制器、所述循环泵，以及所述逆变器进行连接。
14.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：所述热管理模块内部设置有冷却液存储块和回收冷却液存储块。
15.作为本发明所述燃料电池能量回收系统的一种优选方案，其中：所述冷却单元还包括余热回收模块，其包括，第二三通阀，分别与所述热管理模块和所述换热器进行连接；散热器，与所述第二三通阀进行连接；水泵，分别与所述散热器和所述热管理模块进行连接；以及，第三传感器，设置于所述第二三通阀与所述热管理模块之间。
16.本发明其中另外一个目的是提供一种燃料电池能量回收系统的控制方法，通过系统中的传感器及特殊结构设计能够实现整个系统能量的精细管理。
17.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于实验室空气净化机的空气净化方法，其包括如下步骤：
18.关闭第一旁通阀，尾排气全部通过一级膨胀端；
19.打开第一旁通阀，调节通过一级膨胀端的流量；
20.第二传感器监测值高于第三传感器监测值，调节第一三通阀使尾排气直接进入二级膨胀端；
21.第三传感器监测值高于第二传感器监测值，调节第二三通阀使回收冷却液进入换热器，调节第一三通阀使尾排气分流，其中一分流进入换热器，与另一分流合流之后进入二级膨胀端。
22.本发明有益效果为布置一套燃料电池能量回收系统，使系统在低速、中速、高速阶段能够有效的回收燃料电池尾排气中的能量，并且不会阻碍电堆尾排气的流通，避免了对电堆性能的影响，可以有效利用燃料电池发动机冷却液中的能量来提升尾排气温度，提高二级膨胀端温度，增强其做功能力，通过换热器能够更加充分、精细的利用电堆能量，使整个系统能量利用率更高，在各工况中一级膨胀端、二级膨胀端各工况组合可以形成更加精确的控制和更高能量利用效率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
24.图1为燃料电池能量回收系统首次回收模块101的连接图。
25.图2为燃料电池能量回收系统二次回收模块102的连接图。
26.图3为燃料电池能量回收系统的整体结构图。
27.图4为实施例3中燃料电池能量回收系统在工况一情况下的连接图。
28.图5为实施例3中燃料电池能量回收系统在工况二情况下的连接图。
29.图6为实施例3中燃料电池能量回收系统在工况二另一情况下的连接图。
30.图7为实施例3中燃料电池能量回收系统在工况三情况下的连接图。
31.图8为实施例3中燃料电池能量回收系统在工况四情况下的连接图。
32.图9为实施例3中燃料电池能量回收系统在工况五情况下的连接图。
33.其中，a为空气进入的流通路线；b为尾排气的流通路线；c为冷却液的流通路线。
具体实施方式
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
35.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
36.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
37.实施例1
38.参照图1～5和图9，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种燃料电池能量回收系统，燃料电池能量回收系统包括回收单元100，回收单元100包括首次回收模块101和二次回收模块102。
39.具体的，首次回收模块101包括一级膨胀端101a、空气压缩机101b和第一旁通阀101c，一级膨胀端101a与空气压缩机101b进行同轴连接，第一旁通阀101c连接在一级膨胀端101a的两端，空气压缩机101b用于强制进气，为燃料电池的做空气供应，高温蒸汽经过空气压缩机101同轴连接的一级膨胀端101a，利用温度、压力和速度能量吹动一级膨胀端101a内的涡轮做功，以此能够减少空气压缩机101b工作时的功率输出，达到降低系统功耗的目的，电堆尾排能量过剩时，部分废气可以通过第一旁通阀101c导流至下游管路，以避免可能带来的阻塞问题。
40.进一步的，一级膨胀端101a为电动可调式膨胀端，可通过调节电动可调式膨胀端(vnt叶片角度)改变尾排气的气流角度，使尾排气流以更大的角度、更高的速度去吹膨胀端涡轮，使空气压缩机101同轴连接的一级膨胀端101a在低速、中速、高速等各个工况都能够
回收尾排气中的能量。
41.二次回收模块102包括二级膨胀端102a、发电机102b和第二旁通阀102f，二级膨胀端102a与一级膨胀端101a进行连接，经过一级膨胀端101a后的尾排气，再流经二级膨胀端102a，对尾排气二次回收利用，发电机102b与二级膨胀端102a进行同轴连接，二级膨胀端102a带动同轴连接的发电机102b产生电能，以此对尾排气二次回收利用，第二旁通阀102f连接在二级膨胀端102a的两端，对于某些极端工况在二级膨胀端102a位置添加第二旁通阀102f，以此来调节经过二级膨胀端的尾排气量。
42.在使用时，燃料电池反应堆内在产生电能的同时，产生温度为70～120℃的高温饱和水蒸气，通过燃料电池的排气口排出，高温蒸汽经过空气压缩机101同轴连接的一级膨胀端101a，利用温度、压力和速度能量吹动一级膨胀端101a内的涡轮做功，以此能够减少空气压缩机101b工作时的功率输出，达到降低系统功耗的目的；使用电动可调式膨胀端，可以通过调节vnt叶片的角度对尾气气流的角度、速度进行调节，以更好的驱动膨胀端，更充分的利用能量，使空气压缩机101同轴连接的一级膨胀端101a在低速、中速、高速等各个工况都能够回收尾排气中的能量。
43.经过空气压缩机膨胀端的尾气温度及压力下降，但仍然具有一定的能量，一级膨胀端101a后连接二级膨胀端102a，经过一级膨胀端101a后的尾排气，再流经二级膨胀端102a，二级膨胀端102a带动同轴连接的发电机102b产生电能，以此对尾排气二次回收利用，对于某些极端工况，如电堆负载急升，在二级膨胀端102a位置添加第二旁通阀102f，以此来调节经过二级膨胀端102a的尾排气量，如图9，使整个系统的排气背压能够有效降低，从而不至于影响电堆性能。
44.实施例2
45.参照图3和图6～7，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例。
46.具体的，空气压缩机101b包括电机101b-1和电机控制器101b-2，电机101b-1与空气压缩机101b和一级膨胀端101a进行连接，电机控制器101b-2，与电机101b-1进行连接，电机101b-1用于控制空气压缩机101b的启动。
47.进一步的，还包括燃料反应单元200，燃料反应单元200包括空气供应模块201，空气供应模块201包括空气过滤器201a、中冷器201b和加湿器201c，空气过滤器201a与空气压缩机101b进行连接，中冷器201b与空气压缩机101b进行连接，加湿器201c与中冷器201b进行连接，空气过滤器201a用于过滤吸入的空气，中冷器201b用于降低空气压缩机101b增压后的新鲜空气温度，提升空气的密度，降低电堆模块202的热负荷、增加电堆模块202的实际进气量，进而增加电堆模块202的功率，加湿器201主要是对进入电堆模块202的增压空气进行加湿，提升其湿度。
48.进一步的，燃料反应单元200还包括电堆模块202，电堆模块202包括电堆膜极202a、储氢瓶202b、循环泵202c和逆变器202d，电堆膜极202a与加湿器201c进行连接，空气通过加湿器201c后进入电堆膜极202a；储氢瓶202b与电堆膜极202a进行连接；循环泵202c，分别与电堆膜极202a、储氢瓶202b进行连接，通过储氢瓶202b向电堆膜极202a中供应氢气，循环泵202c将电堆膜极202a未反应氢气再循环至电堆膜极202a入口，提高氢利用率和氢安全性，将电化学反应生成水，包括水蒸气，供应至电堆膜极202a入口，改善电堆膜极202a湿润水平和提高水管理能力；逆变器202d，与电堆膜极202a进行连接，燃料反应单元200产生
的电能，电能通过逆变器进行调压供整个电器元件使用。
49.进一步的，还包括冷却单元300，其包括热管理模块301，分别与电机101b-1、电机控制器101b-2、循环泵202c，以及逆变器202d进行连接，热管理模块301内部设置有冷却液存储块301a和回收冷却液存储块301b，热管理模块301；在系统工作时，整个系统多个位置使用电机或者其他元器件能够产生热量，如循环泵202c电机、电机101b-1、电机控制器101b-2、逆变器202d等，并且为了保证这些部位能够可靠安全的运转，需要进行强制冷却，冷却液存储块301a用于存储冷却液，回收冷却液存储块301b用于存储流经冷却器件回收后的冷却液。
50.在使用时，启动空气压缩机101b，为燃料反应单元200提供氧气，氧气为空气中的氧气，进入的空气首先经过空气过滤器201a对其进行过滤，而后到达空气压缩机101b对空气进行压缩，然后达到中冷器201b，降低空气压缩机101b增压后的新鲜空气温度，提升空气的密度，降低电堆膜极202a的热负荷、增加电堆膜极202a的实际进气量，进而增加电堆膜极202a的实际进气量，进而增加电堆膜极202a的功率，再到达加湿器201，对进入电堆膜极202a的增压空气进行加湿，提升其湿度，最终进入电堆膜极202a；储氢瓶202b向电堆膜极202a中供应氢气，氢气和氧气在电堆膜极202a内产生化学反应，循环泵202c将电堆膜极202a未反应氢气再循环至电堆膜极202a入口，提高氢利用率和氢安全性，将电化学反应生成水供应至电堆膜极202a入口，改善电堆膜极202a湿润水平和提高水管理能力；逆变器202d与电堆膜极202a进行连接，燃料反应单元200产生的电能，电能通过逆变器202d进行调压供整个电器元件使用，循环泵202c电机、电机101b-1、电机控制器101b-2、逆变器202d等在工作时能够产生热量，需要对这些器件进行强制冷却，以保证这些器件能够可靠安全的运转。
51.实施例3
52.参照图3和图7～9，为本发明第三个实施例，该实施例基于前两个实施例。
53.具体的，二次回收模块102还包括第一三通阀102c、换热器102d和第一传感器102e，第一三通阀102c与一级膨胀端101a进行连接；换热器102d的一端与第一三通阀102c进行连接，另一端与二级膨胀端102a进行连接；第一传感器102e，设置于二级膨胀端102a的上游，第一三通阀102c用于控制尾排气经首次回收模块101能量回收之后是否要经过换热器102d与吸热的冷却液进行换热，若第一三通阀102c与换热器102d联通，尾排气进入换热器102d，与回收冷却液进行换热，增加尾排气的能量，进而增强其做功能力，第一传感器102e用于实时监测流向二级膨胀端102a前的尾排气温度，并且实时调节第一三通阀102c开度大小以改善其换热效果，后流入二级膨胀端进行做功发电进行能量回收；这样即利用了回收冷却液中的能量，也能够使尾排气中的能量进一步利用，使整个系统的效率更高。
54.进一步的，首次回收模块101还包括第二传感器101d，设置于第一三通阀102c的上游，第二传感器101d用于实时监测经过一级膨胀端101a消耗能量后的温度，第一三通阀102c用于控制经过一级膨胀端101a消耗能量后的尾排气的流向。
55.进一步的，冷却单元300还包括余热回收模块302，余热回收模块302包括第二三通阀302a、散热器302b、水泵302c和第三传感器302d；第二三通阀302a分别与热管理模块301、换热器102d，以及散热器302b进行连接，第二三通阀302a用于控制回收冷却液的流向，散热器302b用于对回收冷却液进行降温；水泵302c分别与散热器302b和热管理模块301进行连
接，抽吸经过散热器302b的冷却水使水在整个冷却单元300循环；第三传感器302d设置于第二三通阀302a与热管理模块301之间，用于实时监测热管理模块301出水温度。
56.在使用时，流经氢气循环泵电机、空气压缩机电机、空压机电机控制器、逆变器等元器件的冷却液温度上升，经过热管理模块301进入散热器302b使温度下降，水泵302c抽吸经过散热器302b的冷却液使水在整个冷却水路循环，水在进入散热器302b前已具有较高的热能，如果直接流入散热器302b能量被白白耗散掉，电堆膜极202a排除的废气经过一级膨胀端101a后，温度及压力下降，设置一条水路连接散热器302b前从各散热元器件回流的热水，引入换热器102d，对尾排气进行加热，增加其内蕴含的能量，首次回收模块101和二次回收模块102的两次能量回收能回收10％的能量。
57.本发明还涉及一种燃料电池能量回收系统的控制方法，其包括如下步骤：
58.关闭第一旁通阀101c，尾排气全部通过一级膨胀端101a；
59.打开第一旁通阀101c，调节通过一级膨胀端101a的流量；
60.第二传感器101d监测值高于第三传感器302d监测值，调节第一三通阀102c使尾排气直接进入二级膨胀端102a；
61.第三传感器302d监测值高于第二传感器101d监测值，调节第二三通阀302a使回收冷却液进入换热器102d，调节第一三通阀102c使尾排气分流，其中一分流进入换热器102d，与另一分流合流之后进入二级膨胀端102a。
62.具体的，在实际工况中，根据燃料电池发动机运行工况的不同，系统运行可以被区分为以下几个主要运行方式，其他未涉及的本系统依然可以通过传感器及阀门的调节实现，主要的使用场景如下：
63.工况一：对于一级膨胀端来说，若第一旁通阀101c关闭，尾气全部经过膨胀端对涡轮做功，同时调节涡端的流通截面积，最大限度的利用废气中的能量做功，如图4。
64.工况二：对于一级膨胀端来说，电堆尾排能量过剩时，部分废气可以通过第一旁通阀101c导流至下游管路，以避免可能带来的阻塞问题，如图5；对于某些电堆负载急升工况，需要保证排气系统顺畅，此时需要第一旁通阀101c打开，并根据上下油管路及电堆的功率等对第一旁通阀101c进行精确的调节控制，降低排气系统背压，保证尾排废气能够顺利的流通出去，不对电化学反应产生不利影响，如图6。
65.工况三：当第二传感器101d检测的温度高于第三传感器302d检测的温度时，此时经过一级膨胀端101a后的尾排气能量较高，则调节第一三通阀102c使尾排气直接进入二级膨胀端102a做功进行能量回收，调节第二三通阀302a控制回收冷却液流向散热器302b散热，如图7。
66.工况四：尾排气流经一级膨胀端101a做功后，其内蕴含的能量下降，若第三传感器302d高于第二传感器101d，尾排气直接流入二级膨胀端102a其做功效果必然下降，甚至起反作用，于是，调节第二三通阀302a控制回收冷却液流向换热器102d，调节第一三通阀102c使尾排气管路与换热器102d联通，使尾排气进入换热器102d，与回收的冷却液进行换热，从而增加尾排气的温度，进而增强其做功能力，第一传感器102e用于实时监测流向二级膨胀端102a前的尾排气温度，据此调节第一三通阀102c开度大小以改善其换热效果，如图8，这样即利用了冷却液中的能量，也能够使尾排气的能量进一步的回收利用，使整个系统效率更高。
67.工况五：对于某些极端工况，如某些电堆负载急升的工况，在二级膨胀端102a处添加第二旁通阀102f，以此来调节经过二级膨胀端102a的尾排气量，使整个系统的排气背压能够有效的降低，从而不影响电堆模块202性能，调节第二三通阀302a控制回收冷却液流向散热器302b散热，如图9。
68.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。