一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，包括：增压回路，其包括依次连通的燃料电池电堆、涡轮机、第一压缩机、第二压缩机、第一中冷器、空气压缩机、换热器和第二中冷器；余热利用回路，其包括依次连接的有机工质泵、换热器和膨胀机；其中，所述第一压缩机连接外部空气，所述膨胀机与所述第二压缩机连接，用于驱动所述第二压缩机工作；当所述余热利用回路开启时，所述空气压缩机的余热流入所述换热器，并对所述有机工质进行加热，驱动所述膨胀机压缩所述第二压缩机；当所述余热利用回路关闭时，所述第二压缩机不工作，所述增压回路为低压增压回路。

Air supply system of fuel cell vehicle based on organic Rankine cycle

【技术实现步骤摘要】
一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统
本技术涉及燃料电池
，更具体的是，本技术涉及一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置。因为其具有高效率、零排放、低噪音和较低操作温度等的优点，被认为是未来车用动力源的理想代替者，在质子交换膜燃料电池中，氢气和氧气分别在阳极和阴极发生电化学反应产生电流。燃料电池中氧气压力与燃料电池系统的性能有直接的关系，提高空气供气压力，不仅可以增大燃料电池系统功率密度，还可以减少系统尺寸，提高整体系统效率，因此空气供给系统是燃料电池系统非常重要的组成部分。随着技术的进步，目前部分燃料电池车已进入商业运行。空气压缩机是车用燃料电池阴极空气供气系统中的重要部件，其在对进堆空气进行加压后，可以提高燃料电池的功率密度和效率，但是空气压缩机引起的寄生功率损失较大，约占燃料电池辅助功率的80％，同时结构紧凑、重量轻，噪声低和可靠性高的压缩机目前的价格仍然较为昂贵。因此，如何减少空气压缩机的寄生功率的损失，提高燃料电池系统空气供给系统的效率是当今的研究热点之一。在中国专利申请文献中申请号为CN201410841609.1的供气系统中，将燃料电池废气的动能回收转换为机械功对空气进行初次压缩，采用基于有机朗肯循环的余热回收利用将来自燃料电池的电堆的反应余热转换为机械功对系统进行次级压缩，从而避免消耗燃料电池输出功率来驱动空气供给系统。但是该技术存在以下不足：1、该技术并未设计空气压缩机，因此在车用时，无法保证车辆启动或大功率运行时能够提供足够的空气量，同时也无法满足车辆在复杂工况下对进堆空气量的精确控制。2、该技术并未利用空气压缩机对空气进行压缩后产生的高温余热，而此余热远高于电堆工作温度，可提供更高的有机朗肯循环效率，进而提高空气供给系统的效率。
技术实现思路
本技术的目的是设计开发了一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，在增压回路中设置有空气压缩机并设置有余热利用回路，能够根据汽车需求功率精确控制空气压缩机的转速，并将空气压缩机的余热回收对增压回路进行次级增压，降低压缩机的寄生损失，提高燃料电池系统的净输出功率。本技术提供的技术方案为：一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，包括：增压回路，其包括依次连接的燃料电池电堆、涡轮机、第一压缩机、第二压缩机、第一中冷器、空气压缩机、换热器和第二中冷器；余热利用回路，其包括依次连接的有机工质泵、换热器和膨胀机；其中，所述第一压缩机连接外部空气，所述膨胀机与所述第二压缩机连接，用于驱动所述第二压缩机工作；当所述余热利用回路开启时，所述空气压缩机的余热流入所述换热器，并对所述有机工质进行加热，通过所述膨胀机驱动所述第二压缩机，所述增压回路为中高压增压回路；当所述余热利用回路关闭时，所述第二压缩机不工作，所述增压回路为低压增压回路。优选的是，还包括：第一旁通电磁阀，其设置在所述增压回路上，且连接所述第二压缩机两端，用于旁通所述第二压缩机；第二旁通电磁阀，其设置在所述增压回路上，且连接所述换热器两端，用于旁通所述换热器；第三旁通电磁阀，其设置在所述余热利用回路上，且连接所述膨胀机两端，用于部分或者全部旁通所述膨胀机；其中，当所述余热利用回路关闭时，所述第一旁通电磁阀和第二旁通电磁阀开启；当所述余热利用回路开启时，所述第一旁通电磁阀和第二旁通电磁阀关闭。优选的是，还包括：空气滤清器，其设置在所述第一压缩机连接外部空气一侧；加湿器，其设置在所述增压回路上，且连接在所述第二中冷器和所述燃料电池电堆之间；冷凝器，其设置在所述余热利用回路上，且连接在所述膨胀机和所述有机工质泵之间；压力流量传感器，其设置在所述增压回路上，且连接在所述第一中冷器和所述空气压缩机之间，用于检测空气压缩机入口处的压力和流量；压力温度传感器，其设置在所述增压回路上，且连接在所述空气压缩机和所述换热器之间，用于检测空气压缩机出口处的压力和温度。优选的是，所述余热利用回路使用的有机工质为五氟丙烷。优选的是，还包括：控制器，其同时连接所述空气压缩机、压力流量传感器、压力温度传感器、第一旁通电磁阀、第二旁通电磁阀和第三旁通电磁阀。本技术所述的有益效果：(1)本技术设计开发的基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，在增压回路中设置有空气压缩机并设置有余热利用回路，能够根据汽车需求功率精确控制空气压缩机的转速，并将空气压缩机的余热回收对增压回路进行次级增压，余热利用回路利用了空气压缩后的废热，在实现同样压缩比的同时，降低了压缩机的寄生损失，减轻了中冷器的工作负荷，减少了电堆质量，提高燃料电池系统的净输出功率。同时，增压回路通过旁通电磁阀的控制可实现增压回路的低压增压和中高压增压。附图说明图1为本技术所述燃料电池汽车空气供给系统的结构示意图。图2为本技术所述燃料电池汽车空气供给系统的低压增压回路示意图。图3为本技术所述燃料电池汽车空气供给系统的中高压增压回路示意图。图4为本技术所述燃料电池汽车空气供给系统控制信号连接示意图。具体实施方式下面结合附图对本技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。如图1所示，本技术提供一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，包括：增压回路，其包括依次连通的燃料电池电堆100、涡轮机110、第一压缩机120、第二压缩机130、第一中冷器140、空气压缩机150、换热器160、第二中冷器170和加湿器180；余热利用回路，其包括依次连接的有机工质泵210、换热器160、膨胀机220和冷凝器230；所述的第一压缩机120连接外部空气，并在连接外部空气一侧连接有空气滤清器190，所述的膨胀机220与第二压缩机130连接，用于驱动第二压缩机130工作，进而对增压回路进行次级增压。余热利用回路在选择工质时，为避免在膨胀过程中进入气液两相区域，引发对膨胀机有害的“液击”现象，可以选择常用的五氟丙烷。在增压回路上设置有第一旁通电磁阀131，其连接第二压缩机130两端，用于旁通第二压缩机130，使得第二压缩机130不工作，不对增压回路进行次级增压；在增压回路上还设置有第二旁通电磁阀161，其连接换热器160两端，用于旁通换热器，当汽车需求功率较小时，空气压缩机150出口处的温度较低，此时空气压缩机150出口空气没有较多的热量，此时无需对空气压缩机进行热量回收，即可开启第二旁通电磁161阀旁通换热器160；在余热利用回路上设置有第三旁通电磁阀221，其连接膨胀机220两端，用于部分或者全部旁通膨胀机220。当余热利用回路关闭时，第一旁通电磁阀131和第二旁通电磁阀161开启；当余热利用回路开启时，第一旁通电磁阀131和第二旁通电磁阀161关闭。在增压回路上且位于空气压缩机150出口处设置有压力温度传感器152，用于检测空气压缩机出口处的压力和温度，并且在空气压缩机150入口处设置有压力流量传感器151，用于检测空气压缩机150入口处的压力和流量，确定是否需要对空气压缩机150进行余热回收。还包括控制器(ECU)，其与空气压缩机150、有机工质泵210、压力流量传感器151、压力温度传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，其特征在于，包括：增压回路，其包括依次连接的燃料电池电堆、涡轮机、第一压缩机、第二压缩机、第一中冷器、空气压缩机、换热器和第二中冷器；余热利用回路，其包括依次连接的有机工质泵、换热器和膨胀机；其中，所述第一压缩机连接外部空气，所述膨胀机与所述第二压缩机连接，用于驱动所述第二压缩机工作；当所述余热利用回路开启时，所述空气压缩机的余热流入所述换热器，并对所述有机工质进行加热，通过所述膨胀机驱动所述第二压缩机，所述增压回路为中高压增压回路；当所述余热利用回路关闭时，所述第二压缩机不工作，所述增压回路为低压增压回路。

【技术特征摘要】
1.一种基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，其特征在于，包括：增压回路，其包括依次连接的燃料电池电堆、涡轮机、第一压缩机、第二压缩机、第一中冷器、空气压缩机、换热器和第二中冷器；余热利用回路，其包括依次连接的有机工质泵、换热器和膨胀机；其中，所述第一压缩机连接外部空气，所述膨胀机与所述第二压缩机连接，用于驱动所述第二压缩机工作；当所述余热利用回路开启时，所述空气压缩机的余热流入所述换热器，并对所述有机工质进行加热，通过所述膨胀机驱动所述第二压缩机，所述增压回路为中高压增压回路；当所述余热利用回路关闭时，所述第二压缩机不工作，所述增压回路为低压增压回路。2.如权利要求1所述的基于有机朗肯循环的燃料电池汽车空气供给系统，其特征在于，还包括：第一旁通电磁阀，其设置在所述增压回路上，且连接所述第二压缩机两端，用于旁通所述第二压缩机；第二旁通电磁阀，其设置在所述增压回路上，且连接所述换热器两端，用于旁通所述换热器；第三旁通电磁阀，其设置在所述余热利用回路上，且连接所述膨胀机两端，用于部分或者全部旁通所述膨胀机；其中，当所述余热利用回路关闭时，所述第一旁...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵海涛，王博石，于远彬，孙维毅，黄世佩，曹起铭，李卓昂，张明智，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22