氢燃料电池中的空气储罐和可变几何形状空气处理制造技术

一种用于燃料电池堆的空气处理系统，包括：设置在压缩机下游的气动存储设备；流量控制阀系统，其被配置为将气动存储设备的入口可操作地耦合到压缩机的出口，并被配置为将气动存储设备的出口可操作地耦合到燃料电池堆的入口；以及控制器，其被配置为响应于功率需求大于阈值，使流量控制阀打开以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。设备到燃料电池堆的空气流速率。设备到燃料电池堆的空气流速率。

【技术实现步骤摘要】
氢燃料电池中的空气储罐和可变几何形状空气处理
[0001]相关申请的交叉引用本非临时申请根据35 U.S.C.
§
119(e)和任何其它适用法律或法规，要求于 2021 年 2 月 10 日提交的美国非临时专利申请序列号 17/172,764的权益和优先权，其全部公开内容特此通过引用明确并入本文中。


[0002]本公开一般涉及用于操作氢燃料电池系统的系统和方法。

技术介绍

[0003]诸如车辆之类的燃料电池系统使用氢气或富氢气体来给电机提供动力。燃料电池堆可以从燃料电池中发生的电化学反应以直流电（DC）的形式生成电。燃料处理器将燃料转换成燃料电池可用的形式。如果系统由诸如甲醇、汽油、柴油或气化煤之类的富氢的常规燃料提供动力，则重整器可以将碳氢化合物转换成氢和碳化合物的气体混合物或重整产物。重整产物然后可以转换成二氧化碳，净化并再循环回到燃料电池堆中。

技术实现思路

[0004]一种用于燃料电池堆的空气处理系统，包括：设置在压缩机下游的气动存储设备；流量控制阀系统，被配置为将气动存储设备的入口可操作地耦合到压缩机的出口，并被配置为将气动存储设备的出口可操作地耦合到燃料电池堆的入口；以及控制器，被配置为响应于功率需求大于阈值，使流量控制阀打开以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
[0005]一种用于操作燃料电池堆的空气处理系统的方法，包括响应于功率需求大于阈值，控制流量控制阀以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。
[0006]一种用于燃料电池堆的空气处理系统，包括被配置为从燃料电池堆输出的排气回收能量的涡轮机、设置在涡轮机下游并被配置为向燃料电池堆供应第一体积的空气的压缩机、燃料电池堆上游的气动存储设备、以及被配置为响应于功率需求大于阈值功率需求的改变而从气动存储设备向燃料电池堆供应第二体积的空气的控制器，其中从涡轮机回收的能量被供应到涡轮机或控制器中的至少一个。
附图说明
[0007]详细描述特别参考以下附图，其中：图1是图示示例燃料电池系统的框图；图2是图示图1的燃料电池系统的示例空气处理系统的框图；以及图3是图示用于操作图2的空气处理系统的示例过程流程的框图。
具体实施方式
[0008]虽然本公开的概念易于进行各种修改和替代形式，但是特定的示例性实施例已经在附图中通过示例的方式示出并将被描述。然而，应当理解，不意图将本公开的概念限制于所公开的特定形式；相反，意图是覆盖落入如由所附权利要求限定的本专利技术的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
[0009]说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“说明性实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以包括或可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指代相同的实施例。另外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，主张结合其它实施例实现这样的特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内，无论是否明确描述。附加地，应当领会，以“至少一个A、B和C”的形式包括在列表中的项目可以意指（A）；（B）；（C）；（A和B）；（B和C）；（A和C）；或者（A、B和C）。类似地，以“A、B或C中的至少一个”的形式列出的项目可以意指（A）；（B）；（C）；（A和B）；（B和C）；（A和C）；或者（A、B和C）。
[0010]在一些情况下，所公开的实施例可以以硬件、固件、软件或其任何组合来实现。所公开的实施例还可以被实现为由一个或多个暂时性或非暂时性机器可读（例如，计算机可读）存储介质承载或存储在其上的指令，所述指令可以由一个或多个处理器读取和执行。机器可读存储介质可以体现为用于以机器（例如，易失性或非易失性存储器、介质盘或其它介质设备）可读的形式存储或传输信息的任何存储设备、机制或其它物理结构。
[0011]在附图中，一些结构或方法特征可以以特定布置和/或次序示出。然而，应当领会，可能不需要这样的特定布置和/或次序。而是，在一些实施例中，这样的特征可以以不同于说明性附图中所示出的方式和/或次序布置。附加地，在特定附图中包括结构或方法特征不意指暗示在所有实施例中都需要这样的特征，并且在一些实施例中，可以不包括其它特征或者可以与其它特征相组合。
[0012]燃料电池是电化学设备，其促进利用由使用等式（1）表达的化学反应产生的电能，使得：为了发生上面的反应，单个燃料电池（例如，电池）的有效面积可以是1 cm2，并且每个电池可以产生预定义量的电压，例如2.2伏（V）。电池产生的电流与其有效表面积成正比。燃料电池可以连接在一起以形成燃料电池堆（例如，堆组装件），其产生预定义水平的电流和电压。
[0013]为了使得能够连续产生能量，需要不断的氧气和氢气流传递通过电池。理想地，应该使用纯氧气和氢气作为反应物。然而，为了操作经济的利益，一些系统或车辆仅在车上存储氢气，并使用环境空气作为氧气源。
[0014]氢气在专门的储罐中通常存储在非常高的压强（例如300
‑
700巴）下。燃料电池堆组装件可以被配置为在预定义温度范围（例如60
‑
80℃（摄氏度））内操作。在一些实例中，燃料电池堆组装件的性能可能在更高的操作温度下（诸如当燃料电池堆的温度高于例如90℃时）恶化。燃料电池使用来自环境空气的氧气作为氧化剂来将存储在燃料存储储罐中的化学能转换成另一种形式。
[0015]燃料电池在满足期望的功率需求值中可能展现时间延迟（例如，瞬态迟滞）。在一些实例中，非常快的瞬变（例如，90kW系统中的150 kW/s）对燃料电池的损坏更大，并且可能必要先进的技术来限制燃料电池暴露于瞬变。燃料电池的耐久性可能受到燃料电池经历启动过程的次数影响。因此，燃料电池可以用作稳态能量产生设备，并且可以与被配置为处理瞬态负载的电池耦合。缓慢的瞬态操作也导致需要更大和更昂贵的电池系统来确保令人满意的电池寿命。
[0016]更准确地控制引入空气储罐的空气或氧化剂的压强使流量/压强瞬变最小化，由此改进堆耐用性并减少空气输送到堆的时间迟滞，缩短燃料电池堆的功率上升速率。在一些示例中，空气输送到堆中的时间迟滞可以从三秒或更多缩短到一秒或更少。附加地或替代地，当功率需求低于预定义阈值时，优化储罐压强可以调制辅助负载，从而避免不必要的断电事件。
[0017]在一个示例中，设置在空气处理系统的压缩机下游的加压空气存储设备（诸如空气储罐）可以快速（例如，一秒或更少）将空气流输送到燃料电池堆，由此减少或消除燃料输送和空气输送到燃料电池堆之间的时间迟滞。作为另一个示例，将一个或多个加压空气存储设备定位在压缩机下游使得能够当压缩机没有在操作时（诸如在由于从燃料电池堆汲取的功率小于预定义阈值所致的关闭事件期间）将空气输送到燃料电池堆。每个加压空气存储设备可以由压缩机经由一个或多个流量控制阀填充。作为仍另一个示例，布置在燃料电池堆的出口处（或附近）的可变几何形状的涡轮机，例如代替固定几何形状的涡轮机，可以准许使用来自加压空气存储设备的空气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池堆的空气处理系统，所述系统包括：压缩机；设置在压缩机下游的气动存储设备；流量控制阀系统，其被配置为将气动存储设备的入口可操作地耦合到压缩机的出口，并且被配置为将气动存储设备的出口可操作地耦合到燃料电池堆的入口；以及控制器，其被配置为响应于功率需求大于阈值，使流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到燃料电池堆的空气流速率。2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述流量控制阀系统包括：设置在第一管线中的第一流量控制阀，所述第一管线可操作地耦合气动存储设备的出口和燃料电池堆的入口；和设置在第二管线中的第二流量控制阀，所述第二管线将压缩机的出口可操作地耦合到气动存储设备的入口。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器被配置为独立于第一流量控制阀选择性地控制第二流量控制阀以向气动存储设备供应一定体积的空气。4.根据权利要求2所述的系统，进一步包括涡轮机，所述涡轮机可操作地耦合到压缩机，并被配置为从出自燃料电池堆排出的空气流回收能量，以增加系统中的压强。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述涡轮机包括可变几何形状涡轮机，其被配置为调制压缩机的操作速度、从燃料电池堆汲取的功率或压强比中的至少一个。6.根据权利要求4所述的系统，进一步包括第三流量控制阀，所述第三流量控制阀被配置为将气动存储设备可操作地耦合到涡轮机的入口，其中所述控制器被配置为选择性地使第三流量控制阀打开，以增加从气动存储设备到涡轮机的入口中的空气流速率，使得扭矩被施加到压缩机上，并且空气流被输送到燃料电池堆。7.一种用于操作燃料电池堆的空气处理系统的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：卡明斯公司，
类型：发明
国别省市：