一种燃料电池系统及其能量回收控制方法技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池领域，公开了一种燃料电池系统及其能量回收控制方法，根据实际空气流量和需求空气流量的大小关系确定电堆的阴极压力是否符合要求，在电堆的阴极压力不符合要求时，根据电堆的空气进口的空气流量、空气进口的进气压力和空压机转速之间的对应关系，确定与需求空气流量对应的目标进气压力和目标转速；基于空气进口的进气压力和调压阀的开度之间的对应关系，确定与目标进气压力对应的目标开度；之后调节空压机的转速至目标转速，同时调节调压阀的开度至目标开度，能够实现在调节空压机转速的同时调节调压阀的开度，实现满足电堆流量要求的同时，减小涡轮机的转速调节对电堆阴极压力的影响，稳定电堆的阴极压力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统及其能量回收控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其能量回收控制方法。

技术介绍

[0002]燃料电池系统中电堆的电化学反应需要不断供给氧气，此过程中利用空压机对外界空气进行压缩，之后通过中冷器对压缩后的空气进行降温，再通过加湿器对降温后的空气加湿，之后将空气引入电堆内，空气中的氧气参与电化学反应，残余气体将会通过排气尾管直接排入大气中。
[0003]在该过程中，空压机持续做功会消耗大量电能，增加了燃料电池系统的寄生功率，使得燃料电池系统效率下降，而通过排气尾管排放的气体中蕴含部分能量，将电化学反应后的残余气体直接排放至大气中会造成能量的浪费。
[0004]为了解决上述技术问题，现有技术引入了采用具有能量回收的空压机，具体地，利用电化学反应后的残余气体辅助驱动空压机的涡轮转动，实现了对电化学反应后的残余气体中的能量进行回收利用的效果。
[0005]由于燃料电池的工作功率较低时，空压机的供气量较少，此时电化学反应后的残余气体对空压机涡轮端的辅助效果并不明显，甚至会影响电堆内的压力稳定性，以致对电堆的输出性能造成影响。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种燃料电池系统及其能量回收控制方法，能够实现在调节空压机转速的同时调节调压阀的开度，实现满足电堆流量要求的同时，减小涡轮机的转速调节对电堆阴极压力的影响，稳定电堆的阴极压力。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种燃料电池系统，包括：电堆，所述电堆具有空气进口和空气出口；涡轮空压机，其包括涡轮机、压气机和电机，所述涡轮机和所述压气机通过连接轴相连，所述电机用于驱动所述连接轴转动；所述涡轮机的进口与所述空气出口连通；调压阀，所述空气出口通过所述调压阀与所述涡轮机的进口连通；流量检测单元，用于检测送入所述空气进口的实际空气流量；控制单元，所述控制单元能够获取需求空气流量，根据实际空气流量和需求空气流量的大小关系确定所述电堆的阴极压力是否符合要求，并在电堆的阴极压力不符合要求时，根据电堆的空气进口的空气流量、空气进口的进气压力和空压机转速之间的对应关系，确定与需求空气流量对应的目标进气压力和目标转速，并基于空气进口的进气压力和调压阀的开度之间的对应关系，确定与目标进气压力对应的目标开度；所述控制单元还能够调节空压机的转速至目标转速，同时调节调压阀的开度至目标开度。
[0008]作为上述的燃料电池系统的一种可选技术方案，所述燃料电池系统还包括：
压力检测单元，用于检测所述空气进口的气体压力。
[0009]作为上述的燃料电池系统的一种可选技术方案，所述燃料电池系统包括：封装结构，所述电堆封装于所述封装结构内，所述封装结构具有排气口；吹扫单元，所述吹扫单元具有相互连通的第一气体进口、第二气体进口和混合气体出口，所述第一气体进口与所述排气口连通，所述第二气体进口与所述空气出口连通；所述吹扫单元被配置为：能够在所述空气出口排出的气体由所述第一气体进口进入所述吹扫单元内时，使所述封装结构内的气体经所述排气口、所述第二气体进口进入所述吹扫单元，并在混合后经所述混合气体出口排出。
[0010]作为上述的燃料电池系统的一种可选技术方案，所述燃料电池系统还包括：氢气储罐，用于存储氢气；开关阀组，所述开关阀组的进口与所述氢气储罐连通；预热器，所述预热器具有氢气通道和预热通道，所述开关阀组的出口通过所述氢气通道与所述电堆的氢气进口连通，所述空气出口与所述预热通道的进口连通。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种基于上述任一方案所述的燃料电池系统的能量回收控制方法，包括以下步骤：获取实际空气流量和需求空气流量，根据实际空气流量和需求空气流量的大小关系确定电堆的阴极压力是否符合要求；在电堆的阴极压力不符合要求时，根据电堆的空气进口的空气流量、空气进口的进气压力和空压机转速之间的对应关系，确定与需求空气流量对应的目标进气压力和目标转速；基于空气进口的进气压力和调压阀的开度之间的对应关系，确定与目标进气压力对应的目标开度；调节空压机的转速至目标转速，同时调节调压阀的开度至目标开度。
[0012]作为上述的燃料电池系统的能量回收控制方法的一种可选技术方案，将燃料电池系统的功率按照由小至大的顺序分为至少两个功率区间，所述调节空压机的转速至目标转速，同时调节调压阀的开度至目标开度，包括：获取电堆空气进口的实际空气流量，基于电堆空气进口的进气流量和燃料电池系统的功率之间的对应关系，确定与需求空气流量对应的目标功率，及与实际空气流量对应的实际功率；若目标功率所在功率区间与实际功率所在功率区间不一致，则确定目标功率所在功率区间与实际功率所在功率区间之间的临界功率；根据临界功率确定与其对应的电堆空气进口的临界进气流量，根据临界进气流量确定与其对应的空压机的临界转速和调压阀的临界开度；先调节空压机的转速至临界转速，之后再调节空压机的转速至目标转速；同时先调节调压阀的开度至临界开度，之后再调节调压阀的开度至目标开度。
[0013]作为上述的燃料电池系统的能量回收控制方法的一种可选技术方案，调节空压机的转速至目标转速，且调节调压阀的开度至目标开度之后，还包括：根据电堆空气进口的进气流量和电堆空气进口的进气压力之间的对应关系，确定与实际空气流量对应的目标进气压力；
获取电堆空气进口的实际进气压力，根据实际进气压力和目标进气压力的大小关系确定电堆的阴极压力是否符合要求；若电堆的阴极压力不符合要求，则减小电堆的电流，或控制燃料电池系统关机。
[0014]作为上述的燃料电池系统的能量回收控制方法的一种可选技术方案，若根据实际进气压力和目标进气压力的大小关系确定电堆的阴极压力不符合要求，则减小电堆的电流，或控制燃料电池系统关机，包括：获取实际进气压力和目标进气压力的压力差值；若所述压力差值的绝对值大于等于第一预设压力差值，则电堆的阴极压力不符合要求，控制燃料电池系统关机；若所述压力差值的绝对值小于第一预设压力差值且大于等于第二预设压力差值，则电堆的阴极压力不符合要求，减小电堆的电流；所述第一预设压力差值大于所述第二预设压力差值。
[0015]作为上述的燃料电池系统的能量回收控制方法的一种可选技术方案，若根据实际进气压力和目标进气压力的大小关系确定电堆的阴极压力不符合要求，在减小电堆的电流，或控制燃料电池系统关机之前，还包括：判断实际进气压力是否大于目标进气压力；若实际进气压力大于目标进气压力，则增大调压阀的开度以使压力差值的绝对值小于第二预设压力差值；若实际进气压力小于目标进气压力，则减小调压阀的开度，以使压力差值的绝对值小于第二预设压力差值。
[0016]作为上述的燃料电池系统的能量回收控制方法的一种可选技术方案，在减小调压阀的开度以及增大调压阀的开度的过程中，获取调压阀的实际开度与目标开度之间的开度差值；若开度差值的绝对值大于预设开度差值时，所述压力差值的绝对值不小于第二预设压力差值，则减小电堆的电流，或控制燃料电池系统关机。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：电堆（1），所述电堆（1）具有空气进口和空气出口；涡轮空压机，其包括涡轮机（41）、压气机（43）和电机（42），所述涡轮机（41）和所述压气机（43）通过连接轴相连，所述电机（42）用于驱动所述连接轴转动；所述涡轮机（41）的进口与所述空气出口连通；调压阀（13），所述空气出口通过所述调压阀（13）与所述涡轮机（41）的进口连通；流量检测单元（3），用于检测送入所述空气进口的实际空气流量；控制单元，所述控制单元能够获取需求空气流量，根据实际空气流量和需求空气流量的大小关系确定所述电堆（1）的阴极压力是否符合要求，并在所述电堆（1）的阴极压力不符合要求时，根据所述电堆（1）的空气进口的空气流量、空气进口的进气压力和空压机转速之间的对应关系，确定与需求空气流量对应的目标进气压力和目标转速，并基于空气进口的进气压力和调压阀（13）的开度之间的对应关系，确定与目标进气压力对应的目标开度；所述控制单元还能够调节空压机的转速至目标转速，同时调节调压阀（13）的开度至目标开度。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：压力检测单元（6），用于检测所述空气进口的气体压力。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：封装结构（12），所述电堆（1）封装于所述封装结构（12）内，所述封装结构（12）具有排气口；吹扫单元（11），所述吹扫单元（11）具有相互连通的第一气体进口、第二气体进口和混合气体出口，所述第一气体进口与所述排气口连通，所述第二气体进口与所述空气出口连通；所述吹扫单元（11）被配置为：能够在所述空气出口排出的气体由所述第一气体进口进入所述吹扫单元（11）内时，使所述封装结构（12）内的气体经所述排气口、所述第二气体进口进入所述吹扫单元（11），并在混合后经所述混合气体出口排出。4.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：氢气储罐（8），用于存储氢气；开关阀组（9），所述开关阀组（9）的进口与所述氢气储罐（8）连通；预热器（10），所述预热器（10）具有氢气通道和预热通道，所述开关阀组（9）的出口通过所述氢气通道与所述电堆（1）的氢气进口连通，所述空气出口与所述预热通道的进口连通。5.一种如权利要求1至4任一项所述燃料电池系统的能量回收控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取实际空气流量和需求空气流量，根据实际空气流量和需求空气流量的大小关系确定电堆的阴极压力是否符合要求；在电堆（1）的阴极压力不符合要求时，根据电堆（1）的空气进口的空气流量、空气进口的进气压力和空压机转速之间的对应关系，确定与需求空气流量对应的目标进气压力和目标转速；基于空气进口的进气压力和调压阀（13）的开度之间的对应关系，确定与目标进气压力对应的目标开度；
调节空压机的转速至目标转速，同时调节调压阀（13）的开度至目标开度。6.根据权利要求5所述的燃料电池系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明阳，张驰，王彦波，赵小军，任伟，
申请(专利权)人：山东国创燃料电池技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：