一种燃料电池用离心式空压机防喘振结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池用离心式空压机防喘振结构及其控制方法，包括电堆以及进气管路；所述进气管路包括依次连接的空气滤清器、空气流量计、空压机、中冷器以及增湿器的第一侧，所述进气管路还包括第一调节支路以及第二调节支路，所述第一调节支路的入口端设置在所述空压机与所述中冷器之间，所述第一调节支路上设置有第一旁通阀；所述第二调节支路的入口端设置在所述中冷器与所述增湿器之间，所述第二调节支路上设置有第二旁通阀。通过本发明专利技术能够结合环境工况对空压机进行调节优化，在不增加空压机负荷以及确保燃料电池系统效率的前提下使得空压机避开喘振区，从而达到空压机防喘振的目的。防喘振的目的。防喘振的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用离心式空压机防喘振结构及其控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别涉及一种燃料电池用离心式空压机防喘振结构及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着燃料电池产业的发展，燃料电池系统的环境适应性越来越受到重视，尤其是环境（尤其是海拔以及环境温度等环境参数）适用性指标。空压机是燃料电池空气子系统核心的压力、流量调节部件，目前行业内最常用的空压机类型是离心式，离心式空压机具有噪音低、性能高、可通过空气轴承实现无油、压比合适、结构紧凑等优势，但离心式空压机有个重要特点就是当其工作在低流量、高压比的情况下容易发生气流振荡，通常称为喘振现象。当空压机发生喘振时，会导致空气流量不可控、噪声大、振动大和温升高等一些列连锁反应，严重时甚至可能会损坏空压机。空压机的工作介质是工作环境中的空气，不同环境工况下，环境气压以及环境空气密度等相应变化，容易引起空压机工作区间进入喘振区，不仅可能造成空压机自身损坏，也直接影响燃料电池系统的空气供应，严重时将损坏燃料电池堆。因此，如何防止空压机喘振具有重要意义。
[0003]目前行业内常用的防喘振方法之一是在电堆出口设置抽气装置，将空气路的流量快速抽出，加快电堆空气路的流速，相当于提高空压机工作流量，使空压机跳出喘振区；但此方法会导致进入电堆的空气流量高于需求流量，可能导致过量的空气降低电堆内膜电极湿度引起膜干现象，从而导致电堆性能降低，同时由于增大了空压机功率，也会导致降低燃料电池系统效率。还有一种防喘振方法是在空压机出口设置排气管路，提高空压机工作流量，多余的流量通过排气管路直接排放到大气中。此方法不影响电堆需求的压力、流量供应，但是会增加的空压机功耗，也会造成燃料电池系统效率降低。而且以上方法都是仅通过直接加大空压机工作流量以避开喘振区防止喘振现象，相应地会导致增大空压机的工作负荷，使得空压机功耗增大；且无法结合环境工况对空压机的调节优化。
[0004]
技术实现思路

本专利技术的主要目的是提出一种燃料电池用离心式空压机防喘振结构及其控制方法，旨在能够结合环境工况对空压机进行调节优化，在不增加空压机负荷以及确保燃料电池系统效率的前提下使得空压机避开喘振区，从而达到空压机防喘振的目的。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出一种燃料电池用离心式空压机防喘振结构，包括电堆以及进气管路，所述进气管路与所述电堆的空气入口连通；所述进气管路包括依次连接的空气滤清器、空气流量计、空压机、中冷器以及增湿器的第一侧，所述进气管路还包括第一调节支路以及第二调节支路，所述第一调节支路的入口端设置在所述空压机与所述中冷器之间，所述第一调节支路上设置有第一旁通阀；所述第二调节支路的入口端设置在所述中冷器与所述增湿器之间，所述第二调节支路上设置有第二旁通阀；所述第一调节支路以
及所述第二调节支路的出口端均设置在所述空气流量计与所述空压机之间。
[0006]可选地，所述空气滤清器与所述空气流量计之间设有第一温度传感器以及第一压力传感器，所述第一温度传感器以及所述第一压力传感器分别用于采集环境温度Ta以及环境气压Pa。
[0007]可选地，所述空气流量计与所述空压机之间设有第二压力传感器，所述空压机与所述中冷器之间设有第三压力传感器，所述第二压力传感器以及所述第三压力传感器分别用于采集所述空压机的入口处以及出口处的实时气压P1和P2；所述电堆的空气入口处设置有第四压力传感器，所述第四压力传感器用于采集入堆气压Pin。
[0008]可选地，所述空气流量计与所述空压机之间设有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于采集所述空压机入口处的实时温度Tin。
[0009]可选地，包括出气管路，所述出气管路与所述电堆的空气出口连通，所述出气管路包括依次连接的所述增湿器的第二侧、背压阀以及排气管。
[0010]为实现上述目的，本专利技术还提出一种燃料电池用离心式空压机防喘振控制方法，包括如下步骤：采集环境温度Ta以及环境气压Pa；判断环境温度Ta是否小于预设温度范围；若环境温度Ta小于预设温度范围，则将第一旁通阀的开度EB按照非线性函数EB=f（Ta）进行调节；否则，所述第一旁通阀关闭；判断环境气压Pa是否小于预设气压范围；若环境气压Pa小于预设气压范围，则将第二旁通阀的开度EP按照非线性函数EP=f（Pa）进行调节；否则，所述第二旁通阀关闭。
[0011]可选地，所述预设温度范围为25
±
5℃，所述预设气压范围为101.325
±
5kPaA。
[0012]可选地，所述非线性函数EB=f（Ta）的获取方法包括如下步骤：在
‑
30~20℃之间取若干温度点定义为t1、t2、
···
tn；在环境温度t1下，当空气经第一调节支路回流混合后再次进入空压机入口处的实时温度Tin达到25
±
5℃范围时，记录此时第一旁通阀开度EB1；其中空压机入口处的实时温度Tin通过第二温度传感器获得；重复上述步骤以获得多组环境温度tn与第一旁通阀开度EBn的对应关系，并将上述数据拟合得到非线性函数关系EB=f（Ta）。
[0013]可选地，所述非线性函数EP=f（Pa）的获取方法包括如下步骤：在80~95.325kPaA之间取若干气压点定义为p1、p2、
···
pn；在环境气压p1下，当空气经第二调节支路回流混合后再次进入空压机入口处的实时压力P1达到101.325
±
5kPaA范围时，记录此时第二旁通阀开度EP1；其中空压机入口处的实时压力P1通过第二压力传感器获得。
[0014]重复上述步骤以获得多组环境压力pn与第二旁通阀EPn的对应关系，并将上述数据拟合得到非线性函数关系EP=f（Pa）。
[0015]可选地，所述采集环境温度Ta以及环境气压Pa的步骤之后，还包括如下步骤：若环境温度Ta处于预设温度范围且环境气压Pa处于预设气压范围，则利用燃料电池PID控制算法，根据空压机工作流量M以及入堆气压Pin与当前电流In的对应关系获得入堆需求流量Mn和入堆需求压力Ptn；其中空压机工作流量M通过空气流量计获得，入堆空气压力Pin通过第四压力传感器获得；
根据所述入堆需求流量Mn对空压机转速进行调节，以及根据入堆需求压力Ptn对背压阀开度进行调节。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：现有的离心式空压机一般会有在25℃、1atm标准大气压（101.325kPaA）下测得的气动性能图，简称MAP，其代表在该环境工况下空压机工作流量
‑
压比的关系图，其中MAP上左边界线外即为空压机喘振区，高压比、小流量工况。防止空压机喘振就需要提高空气流量或者降低压比，使空压机工作在喘振线之下。在相关技术中，防喘振方法一般是直接加大空压机工作流量，如此会导致空压机负荷增加，或者，可能引入过量的空气进入电堆导致膜干现象降低电堆性能，进一步降低燃料电池系统输出功率和效率，且并没有对不同的环境工况变化进行优化。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用离心式空压机防喘振结构，其特征在于：包括电堆以及进气管路，所述进气管路与所述电堆的空气入口连通；所述进气管路包括依次连接的空气滤清器、空气流量计、空压机、中冷器以及增湿器的第一侧，所述进气管路还包括第一调节支路以及第二调节支路，所述第一调节支路的入口端设置在所述空压机与所述中冷器之间，所述第一调节支路上设置有第一旁通阀；所述第二调节支路的入口端设置在所述中冷器与所述增湿器之间，所述第二调节支路上设置有第二旁通阀；所述第一调节支路以及所述第二调节支路的出口端均设置在所述空气流量计与所述空压机之间。2.根据权利要求1所述的燃料电池用离心式空压机防喘振结构，其特征在于：所述空气滤清器与所述空气流量计之间设有第一温度传感器以及第一压力传感器，所述第一温度传感器以及所述第一压力传感器分别用于采集环境温度Ta以及环境气压Pa。3.根据权利要求1所述的燃料电池用离心式空压机防喘振结构，其特征在于：所述空气流量计与所述空压机之间设有第二压力传感器，所述空压机与所述中冷器之间设有第三压力传感器，所述第二压力传感器以及所述第三压力传感器分别用于采集所述空压机的入口处以及出口处的实时气压P1和P2；所述电堆的空气入口处设置有第四压力传感器，所述第四压力传感器用于采集入堆气压Pin。4.根据权利要求1所述的燃料电池用离心式空压机防喘振结构，其特征在于：所述空气流量计与所述空压机之间设有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于采集所述空压机入口处的实时温度Tin。5.根据权利要求1所述的燃料电池用离心式空压机防喘振结构，其特征在于：包括出气管路，所述出气管路与所述电堆的空气出口连通，所述出气管路包括依次连接的所述增湿器的第二侧、背压阀以及排气管。6.一种燃料电池用离心式空压机防喘振控制方法，其特征在于：包括如下步骤：采集环境温度Ta以及环境气压Pa；判断环境温度Ta是否小于预设温度范围；若环境温度Ta小于预设温度范围，则将第一旁通阀的开度EB按照非线性函数EB=f（Ta）进行调节；否则，所述第一旁通阀关闭；判断环境气压Pa是否小于预设气压范围；若环境气压Pa小于预设气压范围，则将第二旁通阀的开度EP按照非线性函数EP=f（Pa）进行调节；否则，所述第二旁通阀关闭。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘艳艳，曹桂军，
申请(专利权)人：深圳市氢蓝时代动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：