控制燃料电池系统的进气压力和排气背压的空气管理系统和方法与流程

本发明涉及用于控制燃料电池系统的进气压力和排气背压的空气管理系统。本发明还涉及包括这种空气管理系统和一个或多个燃料电池系统的设备、包括这种设备的车辆、以及用于控制燃料电池系统的进气压力和排气背压的方法。本发明可以应用于重型车辆，例如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是也可以用于其它车辆，例如乘用轿车和越野车。本发明也可以应用于船舶和固定式应用，例如连接到电网的补充发电机或独立于电网的发电机。

背景技术：

1、燃料电池系统可以用作用于为电动车辆供电的蓄电池的替代方案或补充，但也可以用于固定式应用，例如连接到电网的发电机和独立于电网的发电机。

2、燃料电池通常使用氢气和来自环境空气的氧气作为反应物。氢气由储氢系统供应，而环境空气被用作氧气源。燃料电池对压力变化敏感，并且通常必须在设定的压力下或在有限的压力范围内运行，以免于劣化或缩短燃料电池寿命的风险。此外，压力的变化将影响效率，从而影响燃料电池系统的性能。然而，环境空气压力会受到变化，例如取决于海拔高度，其中，与海平面处的正常压力～101kpa相比，海拔高度每升高100米，压力将下降约1kpa。

3、高海拔处的降低的环境压力将限制燃料电池系统的功率输出。这对重型车辆来说尤其成问题，因为高海拔往往与陡峭的山坡相关联，在这些地方需要高功率能力。特别地，在相对高的环境温度下，这是个挑战。

4、燃料电池系统通常作为独立的单元交付，其除了燃料电池堆之外还包括用于“周边设备”(bop)的控制系统，所述“周边设备”(bop)即辅助部件和系统，例如阀、压缩机、空气过滤器、控制电路等。在针对上述问题的当前解决方案中，燃料电池系统因此可以设置有包括一个或多个压缩机和阀的内置式压力控制系统。

5、wo2021/092021公开了这样的燃料电池系统：其包括具有两个空气压缩机的内置式压力控制系统，其中一个空气压缩机连接到涡轮机。

6、然而，在可能在高海拔下操作的由燃料电池驱动的车辆和建筑机械中，以及在位于高海拔处的固定式发电机和类似装置中，需要用于压力控制的更灵活的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供至少在某些方面得到改进的解决方案，以用于控制在高海拔处运行的燃料电池系统的空气压力。特别地，其目的是提供这样的可与各种不同的燃料电池系统一起使用的解决方案。

2、根据本发明的第一方面，所述主要目的至少通过下文所述的空气管理系统来实现。

3、因此，提供了一种用于控制燃料电池系统的进气压力和排气背压的空气管理系统。该空气管理系统包括：

4、-空气加压装置，该空气加压装置被布置成向燃料电池系统的空气压缩机供应进气(intakeair)，

5、-压力调节装置，该压力调节装置被布置用于调节排气背压，

6、-压力检测装置，该压力检测装置用于检测环境空气压力，

7、-控制装置，该控制装置被配置成根据所检测到的环境空气压力来控制空气加压装置和压力调节装置，其中，该控制装置被配置成将进气压力控制到预定的第一压力水平，并将排气背压控制到预定的第二压力水平。

8、通过提供这样的空气管理系统，可以独立于燃料电池系统本身来控制燃料电池系统所经受的进气压力和排气背压。因此，通常包括其自身的空气压缩机和阀的燃料电池系统可以在任何时候都被供应有适当的压力(例如与正常海平面环境压力相对应的压力水平)的空气。因此，该空气管理系统用于保护燃料电池系统及其部件免受环境压力的非期望变化的影响。因此，能够减少燃料电池系统部件的磨损，从而也能够以减少检修需求。

9、该空气管理系统在燃料电池操作的车辆中特别有用，因为车辆将根据当前海拔而经受不同的环境压力。然而，该空气管理系统对于不受海拔变化影响的固定式燃料电池发电机和类似装置也可以是有用的，因为它允许将针对在海平面环境压力下运行而优化的燃料电池系统调整为在高海拔处运行，而不必为此改变或操纵燃料电池系统本身。因此，该空气管理系统用作可以用于使燃料电池系统适应在高海拔处运行的附加系统。

10、通过提供与燃料电池系统分开的空气管理系统，还可以使用单个空气管理系统来控制多个燃料电池系统的空气压力(进气压力)和排气背压。与使用多个独立的燃料电池系统单元的应用相比，这提高了效率和简单性。该空气管理系统易于扩展，以同时控制多个燃料电池系统的压力。

11、该控制装置可以优选与燃料电池系统的一个或多个燃料电池系统控制单元是分开的，但该控制装置可以通信地连接到这样的控制单元。这种分开的控制装置确保了空气管理系统独立于燃料电池系统，并且可以独立于燃料电池系统操作。当空气管理系统位于车辆中时，该控制装置还可以与车辆的其它控制单元和控制系统通信地连接。

12、可选地，该控制装置被配置成响应于所检测到的环境空气压力低于阈值而激活空气加压装置和压力调节装置。该阈值可以被设定为使燃料电池系统的劣化和效率保持在可接受水平的值。使用阈值防止了当压力处于可接受水平(即，高于该阈值)时不必要地使用空气管理系统。

13、可选地，该阈值被设定为对应于正常海平面环境压力或更小的值，例如与正常海平面环境压力相差小于10％、优选相差小于5％、更优选相差小于4％的值。优选地，该值被设定为小于正常海平面环境压力，使得空气加压装置和压力调节装置不会由于例如正常天气相关的压力变化而被激活。正常海平面环境压力的90％、95％和96％的阈值分别大致对应于海平面以上1000米、海平面以上500米和海平面以上400米的海拔高度。这样的压力差处于正常天气相关的压力变化之外。

14、除了在环境空气压力低于阈值时激活空气加压装置之外，该控制装置可以被配置成在需要功率提升(powerboost)时暂时激活空气加压装置。对于车辆，这可能发生在陡峭的爬坡或超车期间。

15、可选地，该控制装置被配置成通信地连接到燃料电池系统控制单元，其中，所述阈值是根据从燃料电池系统控制单元接收的信号而设定的。这允许使该阈值适应于燃料电池特性。例如，该阈值可以因为燃料电池随时间劣化而改变。所述信号可以是与燃料电池特性有关的信号，例如燃料电池效率和温度。

16、当该控制装置被通信地连接到一个或多个燃料电池系统控制单元时，该控制装置还可以或替代地被配置成响应于燃料电池系统在当前环境条件下已达到其最大功率能力而激活空气加压装置和/或压力调节装置。以这种方式，一方面，可以通过至少增加进气压力来实现功率提升。所述预定的第一压力水平和预定的第二压力水平在本文中可以不同。另一方面，除了检测到环境空气压力低于预定的阈值之外，当来自燃料电池系统控制单元的信号表明燃料电池系统本身不再能够对压力变化进行补偿时，可以对降低的环境空气压力进行补偿。燃料电池的控制系统通常将能够补偿一些环境空气压力变化，而该空气管理系统可以用来补偿较大的变化和与最佳压力水平的较长偏差。

17、可选地，所述第一压力水平等于第二压力水平。这通常对于高海拔运行和补偿降低的环境空气压力来说是希望的，其中，该空气管理系统可以用于“模拟”正常海平面环境空气压力。

18、可选地，该控制装置被配置成将进气压力和排气背压控制到与至少正常海平面环境压力相对应的预定压力水平，例如控制到对应于正常海平面环境压力的压力水平。正常海平面环境压力是地球在海平面处的平均大气压力，即，约101kpa。

19、可选地，所述第一压力水平高于第二压力水平。这对于燃料电池系统的功率提升可能是有用的。

20、可选地，该空气管理系统还包括压缩氧气储罐，该压缩氧气储罐能够流体连接到燃料电池系统的空气压缩机。可以提供可控阀，以用于将压缩氧气储罐流体连接到燃料电池系统的空气压缩机。来自该罐的氧气还可以用于进一步增加流向燃料电池系统的氧气，特别是在高海拔处，并且可以用作空气加压装置的补充。这在要求来自燃料电池系统的额外功率时特别有用，例如在由燃料电池系统供电的车辆的陡峭爬坡期间。这种额外的氧气供应也可以用于实现比其它方式更快的功率梯度(powergradient)。这对于需要遵循特定负载的功率需求的燃料电池发电机来说可能特别有价值。例如，当被提供为建筑工地处的离网发电机时，各种负载(例如泵、钻头和机器)的激活和停用可能导致功率需求的快速变化。如果即将到来的负载是已知的，则可以精确地调整额外的氧气供应。与使用涡轮相比，这是一种在压力变化不快的情况下快速提高功率的方法，因为可以通过添加来自压缩氧气储罐的氧气来增加进气中的氧气的比例。这种进气的富集可以被称为“氧气增加”。

21、可选地，该空气管理系统还包括冷却装置，该冷却装置被布置用于冷却从空气加压装置供应到燃料电池系统的空气压缩机的进气。这可以在环境空气温度高时进一步提高燃料电池系统的效率，因为该冷却允许每单位压力有更高的氧气质量流量。

22、可选地，该空气管理系统还被配置成确定环境空气的空气密度，其中，该控制装置被配置成控制空气加压装置以向至少一个燃料电池系统提供预定质量流量的氧气。这具有进一步稳定燃料电池系统运行条件的优点。

23、可选地，该压力调节装置包括阀和膨胀机中的至少一种，该阀和膨胀机适于布置在所述至少一个燃料电池系统的排气出口中。通过提供包括膨胀机的压力调节装置，可以减少能量浪费，因为该膨胀机可以有助于空气加压装置的驱动。通过提供阀形式的压力调节装置，实现了较不复杂的控制系统。

24、当压力调节装置包括膨胀机时，在一些实施例中，该膨胀机和空气加压装置(例如压缩机)可以设置在公共轴上，使得空气加压装置至少部分地由该膨胀机驱动。然而，该膨胀机和空气加压装置也可以作为单独的部件提供，这需要更好地控制排气背压，该控制独立于空气加压装置。

25、在一些实施例中，该压力调节装置可以包括串联地布置的膨胀机和一个或多个阀。

26、根据本发明的第二方面，所述主要目的至少通过包括至少一个燃料电池系统和根据第一方面的空气管理系统的设备来实现，其中，该空气加压装置流体连接到所述至少一个燃料电池系统的空气压缩机，并且其中，该压力调节装置布置在所述至少一个燃料电池系统的排气出口中。第二方面的优点和优选实施例在很大程度上对应于第一方面的优点和优选实施例。

27、可选地，该设备包括两个或更多个燃料电池系统，每个燃料电池系统均包括空气压缩机，其中，空气加压装置被布置成向所述两个或更多个燃料电池系统中的所有燃料电池系统供应进气，和/或其中，压力调节装置被布置在所述两个或更多个燃料电池系统的公共排气出口中。因此，使用一个公共的空气管理系统来控制所有燃料电池系统的进气压力和/或排气背压，优选控制进气压力和排气背压二者。

28、根据本发明的第三方面，所述主要目的至少通过包括根据第二方面的设备的车辆来实现，其中，所述至少一个燃料电池系统被配置用于向车辆供电。该车辆例如可以是重型车辆，例如卡车、公共汽车或建筑机械。除了燃料电池系统之外，该车辆还可以包括一个或多个蓄电池，以用于为该车辆供电并用于储存由燃料电池系统产生的多余电能。

29、根据本发明的第四方面，所述主要目的至少通过以下方法来实现，该方法用于使用根据第一方面的空气管理系统来控制燃料电池系统的进气压力和排气背压。该方法包括：

30、-检测环境空气压力，

31、-根据所检测到的环境空气压力来控制空气加压装置，以便以预定的第一压力水平向燃料电池系统的空气压缩机供应进气，

32、-根据所检测到的环境空气压力来控制压力调节装置，以将排气背压调节到预定的第二压力水平。

33、可选地，仅响应于检测到环境空气压力低于阈值才激活该空气加压装置和压力调节装置。当该压力调节装置是阀时，在本文中，当它被控制到除了全开状态以外的状态时，认为它是激活的。

34、可选地，该方法进一步包括：确定环境空气的空气密度并根据所确定的空气密度来控制空气加压装置，以向燃料电池系统的空气压缩机提供预定质量流量的氧气。这将导致燃料电池系统的更稳定的运行。

35、在以下描述中公开了本发明的其它优点和有利特征。