一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法，通过控制器产生高频交流电流，作用在与控制器连接涡轮发电机的电机，电机带动涡轮泵头产生高频振动，使冰晶产生解体，与涵道产生摩擦，来使冻结部分冰体破碎。本发明专利技术带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统，能使得燃料电池系统调节尾气压力的目的，俗称背压功能，能量回收能够节省尾气能量的浪费，提升燃料电池系统的发电效率。本发明专利技术通过涡轮发电机的设置，通过控制与涡轮发电机连接的控制器的回馈电流，减少空气通过量来实现空气路背压，实现了能量回收，进一步的提高了燃料电池系统的效率。的提高了燃料电池系统的效率。的提高了燃料电池系统的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法。

技术介绍

[0002]燃料电池系统一般包括燃料电池电堆，以及用于向燃料电池电堆供应空气的空气供给系统、用于向燃料电池电堆供应氢气的氢气供给系统、用于对燃料电池电堆进行降温的循环冷却系统。经过燃料电池电堆后，未使用掉的空气作为尾排空气排出。
[0003]燃料电池系统工作过程中需要外加背压阀调节压力来使燃料电池性能达到最优化。一方面，通过阀门闭合角度来控制空气通过流量，过程中损失了大量的动能。一方面，燃料电池系统工作过程中空气与氢气反应发电并生成水，通过空气路尾排排出生成的水，当所述的情况在低温环境下，燃料电池系统停止工作的时候背压阀会被冻结，造成卡死现象，引起燃料电池系统故障，进一步损害背压阀。
[0004]授权公告号为CN214542300U的技术公开了一种高效燃料电池发动机，包括电堆、阴极加湿器、空气滤清器、空压机、DC/DC转换器、电堆散热系统、供氢系统及循环管路，所述电堆的电能输出端引出两条电路，一条电路与DC/DC转换器连接，另一条电路与锂电池和电机控制器连接；锂电池与电堆电能输出端之间连接24V降压DC/DC转换器，锂电池的电能输出端与空压机控制器连接；电堆的氢气进入管路上设置热交换器，热交换器与电堆连接；电堆阳极与供氢系统之间设置有阳极循环装置；燃料电池空气压缩供给系统采用了尾气能量回收节能涡轮设计。该现有技术中燃料电池空气压缩供给系统采用了尾气能量回收节能涡轮设计，虽然一定程度上能够实现回收能量的目的，但无法解决空气路尾排中水在低温下结冰引起相关结构被冻结的问题。
[0005]公开号为CN114388843A的专利技术公开了一种燃料电池系统及控制方法，燃料电池系统包括电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，冷却系统里面包括水泵，水泵驱动冷却液不断流动以带走热量，水泵是一种集成膨胀机的水泵，包括膨胀机、水泵泵体、水泵电机和水泵控制器，水泵控制器控制水泵电机工作，膨胀机耦合到水泵电机的转轴的一端，水泵电机的转轴的另一端耦合水泵泵体，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力。该现有技术中通过将尾排气输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力，有效解决燃料电池系统尾排气能量回收问题，但同样也无法解决决空气路尾排中水在低温下结冰引起相关结构被冻结的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法，能够为燃料电池空气路提供背压功能并且实现能量回收，解决了低温环境下尾排冻结的问题。
[0007]一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统，包括燃料电池电堆、用于向燃料电池电堆供应空气的空气供给系统、用于向燃料电池电堆供应氢气的氢气供给系统、用于对燃料电池电堆进行降温的循环冷却系统，所述燃料电池电堆具有空气出口，所述空气出口处连接有空气尾排管，所述尾气背压能量回收装置包括：
[0008]涡轮发电机，能够利用尾排空气进行发电，包括与所述空气尾排管衔接的涵道、设于所述涵道内并由风力驱动的涡轮泵头、以及与涡轮泵头通过轴连接器连接的电机，
[0009]温度传感器，用于检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的温度，
[0010]压力传感器，用于检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的气压，
[0011]控制器，接收温度传感器和压力传感器的信号，并通过AC线连接所述电机，所述控制器一方面根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器检测的实际气压大小的比较，通过控制电机向控制器输出电压时控制器处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器输出的回馈电流，从而控制涡轮泵头的转速，实现背压功能；所述控制器另一方面根据温度传感器检测到的温度高低来控制破冰程序，当温度传感器检测到的温度不高于设定温度值时，所述控制器向电机发出一个固定电压并采集产生的电流值，若电流值大于电机额定电流上限，则进行破冰。
[0012]在实现背压功能时，电机产生一个电压在经过控制器时，控制器通过控制加载的负载大小来实现控制输出电流大小的目的，而输出电流的大小确定后，回馈给电机，从而控制涡轮泵头的转速。
[0013]优选的，所述燃料电池电堆通过DC/DC模块向外供电，所述控制器通过DC线与DC/DC模块连接。
[0014]优选的，所述空气供给系统通过空气泵旋转供气或者由集中高压供气系统通过流量阀或减压阀供空气；所述氢气供给系统由集中高压供气系统通过减压阀供氢气。
[0015]本专利技术又提供了所述燃料电池系统的控制方法，由温度传感器检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的温度，由压力传感器检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的气压，由控制器接收温度传感器和压力传感器的信号，并通过AC线连接所述电机，由控制器根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器检测的实际气压大小的比较，通过控制电机向控制器输出电压时控制器处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器输出的回馈电流，从而控制涡轮泵头的转速，实现背压功能；
[0016]同时，当温度传感器检测到的温度不高于设定温度值时，由控制器根据温度传感器检测到的温度高低来控制破冰程序，所述控制器向电机发出一个固定电压并采集产生的电流值，若电流值大于电机额定电流上限，则进行破冰。
[0017]控制器控制背压功能时算法如下：
[0018]e(k)＝SP(k)
‑
PV(k)
[0019]其中，k是以时间t为一个周期时长时，时间k
×
t处采样信号的索引，比如，以1s为一个周期，即t＝1s，则k＝10时，就是取10s时候的值；如果以2s为一个周期，即t＝2s，则k＝10时，就是取20s时候的值。
[0020]e(k)表示当前误差，SP表示背压设定值，PV表示压力传感器检测的实际气压大小；
[0021]u
P
(k)如下列等式所示：
[0022]u
p
(k)＝k
c
×
e(k)
[0023]其中，k
c
表示控制器增益。增益就是根据控制器不同给的一个放大缩小的系数。控制器增益(k
c
)和比例带(PB)的关系为k
c
＝100/PB。比如，算法的数值是0～100，电机的电流是0～10，增益就是0～0.1。
[0024]u
I
(k)如下列等式所示：
[0025]u
I
(k)＝u
I
(k
‑
1)+(k
c
/T
i
)
×
(e(k)+e(k
‑
1))/2
×
Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统，包括燃料电池电堆、用于向燃料电池电堆供应空气的空气供给系统、用于向燃料电池电堆供应氢气的氢气供给系统、用于对燃料电池电堆进行降温的循环冷却系统，所述燃料电池电堆具有空气出口，其特征在于，所述空气出口处连接有空气尾排管，所述尾气背压能量回收装置包括：涡轮发电机，能够利用尾排空气进行发电，包括与所述空气尾排管衔接的涵道、设于所述涵道内并由风力驱动的涡轮泵头、以及与涡轮泵头通过轴连接器连接的电机，温度传感器，用于检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的温度，压力传感器，用于检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的气压，控制器，接收温度传感器和压力传感器的信号，并通过AC线连接所述电机，所述控制器一方面根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器检测的实际气压大小的比较，通过控制电机向控制器输出电压时控制器处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器输出的回馈电流，从而控制涡轮泵头的转速，实现背压功能；所述控制器另一方面根据温度传感器检测到的温度高低来控制破冰程序，当温度传感器检测到的温度不高于设定温度值时，所述控制器向电机发出一个固定电压并采集产生的电流值，若电流值大于电机额定电流上限，则进行破冰。2.根据权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池电堆通过DC/DC模块向外供电，所述控制器通过DC线与DC/DC模块连接。3.根据权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于，所述空气供给系统通过空气泵旋转供气或者由集中高压供气系统通过流量阀或减压阀供空气；所述氢气供给系统由集中高压供气系统通过减压阀供氢气。4.权利要求1～3任一所述燃料电池系统的控制方法，其特征在于，由温度传感器检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的温度，由压力传感器检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的气压，由控制器接收温度传感器和压力传感器的信号，并通过AC线连接所述电机，由控制器根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器检测的实际气压大小的比较，通过控制电机向控制器输出电压时控制器处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器输出的回馈电流，从而控制涡轮泵头的转速，实现背压功能；同时，当温度传感器检测到的温度不高于设定温度值时，由控制器根据温度传感器检测到的温度高低来控制破冰程序，所述控制器向电机发出一个固定电压并采集产生的电流值，若电流值大于电机额定电流上限，则进行破冰。5.根据权利要求4所述控制方法，其特征在于，控制器控制背压功能时算法如下：e(k)＝SP(k)
‑
PV(k)其中，k是以时间t为一个周期时长时，时间k
×
t处采样信号的索引，e(k)表示当前误差，SP表示背压设定值，PV表示压力传感器检测的实际气压大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡彬，丁佳力，陈俊杰，邹家辉，赵海敏，李洪军，熊云，
申请(专利权)人：浙江天能氢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：