一种高效燃料电池能量回收装置及控制方法制造方法及图纸

技术编号：44818154 阅读：2 留言：0更新日期：2025-03-28 20:06

本发明专利技术提供一种高效燃料电池能量回收装置及控制方法。装置包括空气进气控制模块、空气进气热管理模块、氢气进气模块和能量回收模块，空气进气控制模块与能量回收模块相连，能量回收模块通过空气进气热管理模块与电堆相连，氢气进气模块与电堆相连，电堆与能量回收模块相连形成回路，能量回收模块包括混合式膨胀机。本发明专利技术可最大程度利用燃料电池产生的废气能量，降低燃料电池系统寄生功率，提高燃料电池系统输出功率。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，具体而言，尤其涉及一种高效燃料电池能量回收装置及控制方法。

技术介绍

1、随着城市化、工业化的快速发展，我国对各类能源资源的需求日益增加，尤其对电力能源依赖程度日益加深，新能源相关行业也在快速发展。氢燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，实际运行氢燃料电池系统是通过空压机将压缩空气以及氢瓶内高压氢气输送到电堆，产生电能，电能用来驱动用电设备，而未参与反应的压缩空气和高压氢气则作为废气，排向大气，氢燃料电池系统运行过程有寄生功率产生，主要寄生功率是由为反应物提供进气动力的空气压缩机造成，使氢燃料电池系统输出功率降低，如何提高氢燃料电池系统系统输出功率，怎样降低空气压缩机的功耗，也成为业界主要攻克的难点。

2、氢燃料电池系统的空压机作为核心零部件，为电堆反应气体提供进气动力，需同时满足高压力大流量以及快速响应压力流量变化需求，因此需要空压机提供较高转数及较快速响应能力，需要较大功率驱动，这部分功率占据氢燃料电池系统寄生功率总量90％以上，因此，降低空压机功耗成为提高系统输出效率途径的重中之重。目前主要技术路线是膨胀机技术，通过将阴极排出的废气进行能量回收，阴极排出的气体属于无需二次做功的高温高压气体，进入膨胀机涡端产生动能，降低空压机电机功率，降低系统寄生功率，进而提升燃料电池系统输出效率。

3、但燃料电池系统除了阴极侧有废气产生，阳极侧也产生高温高压废气，且通常阳极侧的废气压力要高于阴极废气压力，二者温度基本相同，因此将阳极废气进行能量回收，对空压机功率降低具有更大帮助。</p>

4、目前已有技术方式均是仅单独对阴极侧产生的废气能量或单独对阳极废气能量进行回收，并未同时对阴极和阳极废气能量同时回收，原有技术对废气能量回收利用率不高，未实时控制空压机电机功率，对燃料电池系统整体输出功率提升效果不明显，不能最大程度利用废气能量。

5、本专利技术基于膨胀机技术路线，将阴极和阳极废气能量同时回收，最大程度利用废气产生的能量，同时根据不同工况下产生不同废气能量，控制叶轮角度，使膨胀机利用效率达到最优状态。

技术实现思路

1、根据上述提出的现有燃料电池在能量回收效率不足，不能有效降低燃料电池系统寄生功率的技术问题，而提供一种高效燃料电池能量回收装置及控制方法。本专利技术主要通过燃料电池运行时，在阴极出口和阳极出口同时产生废气，对阴极和阳极排出的高温高压气体进行能量回收，标定不同工况下空压机电机功率与vnt角度曲线，形成数据库，实时监测空压机功耗变化情况，实时调整vnt角度，控制膨胀机涡端回收效率，进而提升膨胀机整机电效率，最终降低燃料电池系统寄生功率，提高燃料电池系统输出功率。

2、本专利技术采用的技术手段如下：

3、一种高效燃料电池能量回收装置，包括：空气进气控制模块、空气进气热管理模块、氢气进气模块和能量回收模块，所述空气进气控制模块与能量回收模块相连，所述能量回收模块通过空气进气热管理模块与电堆相连，所述氢气进气模块与电堆相连，所述电堆与能量回收模块相连形成回路，所述能量回收模块包括混合式膨胀机；

4、所述空气进气控制模块用于将外界的空气输送至混合式膨胀机，所述混合式膨胀机用于产生高温高压空气，并将高温高压空气通过空气进气热管理模块输送至电堆进行化学反应；未参与反应的空气从电堆输送至能量回收模块产生压缩气体，该压缩气体传输至混合式膨胀机，通过能量回收模块后的空气废气排向大气；

5、所述氢气进气模块用于将高压氢气输送至电堆进行化学反应，未参与反应的氢气从电堆输送至能量回收模块产生压缩气体，该压缩气体传输至混合式膨胀机，通过能量回收模块后的氢气废气与新氢混合再次进入电堆。

6、进一步地，所述能量回收模块包括混合式膨胀机、空气分水器、氢气分水器、氢气排氢排水阀和vnt，所述混合式膨胀机包括空气废气涡轮增压器、氢气废气涡轮增压器、空压机和空压机电机，所述vnt包括vnt1和vnt2；

7、所述电堆通过空气分水器与空气废气涡轮增压器相连，所述电堆通过氢气分水器与氢气废气涡轮增压器相连，所述氢气分水器与氢气排氢排水阀相连，所述空气废气涡轮增压器和氢气废气涡轮增压器均与空压机相连，所述空压机与空压机电机相连，所述vnt1与氢气废气涡轮增压器相连，所述vnt2与空气废气涡轮增压器相连。

8、进一步地，所述空气进气控制模块包括背压阀、消音器和空气滤清器，所述空气滤清器与混合式膨胀机相连，所述消音器与背压阀相连，所述背压阀与空气废气涡轮增压器相连，所述空气分水器通过管路与消音器和背压阀之间的管路相连。

9、进一步地，所述空气进气热管理模块包括翅片式水冷中冷器，所述中冷器与混合式膨胀机和电堆相连。

10、进一步地，所述氢气进气模块包括依次相连的进气电磁阀、引射器和比例阀，所述引射器与氢气废气涡轮增压器相连，所述比例阀与电堆相连。

11、进一步地，所述空压机电机连接有电机电压传感器和电机电流传感器，所述vnt1连接有vnt1角度传感器，所述vnt2连接有vnt2角度传感器。

12、进一步地，所述空气滤清器与混合式膨胀机之间设置有空气流量计传感器。

13、进一步地，所述所述中冷器与电堆之间安装有空入压力传感器和空入温度传感器。

14、进一步地，所述引射器和比例阀之间安装有氢气入口压力传感器和氢气入口温度传感器。

15、本专利技术还提供了一种高效燃料电池能量回收装置的控制方法，包括如下步骤：

16、外界的空气通过空气滤清器过滤掉空气中有害杂质，进入空压机进行空气压缩，产生高温高压空气进入中冷器，中冷器将高温气体降温至目标温度，降温后的反应空气进入电堆进行化学反应，产生电能，未参与反应的空气经电堆的空气出口排出，该空气为气液混合状态，含有大量液态水，经空气分水器分水，分水后的空气进入混合式膨胀机的空气废气涡轮增压器，空气废气推动叶轮转动，产生压缩气体，该气体作为预压缩气体传输至空压机，使空压机进气具有一定动能，进而降低空压机功耗，通过空气废气涡轮增压器后的空气废气经消音器排向大气；

17、与此同时，氢气侧也同时进行相应的反应进程，高压氢气经氢气电磁阀、比例阀进入电堆进行化学反应，产生电能，未参与反应的氢气经电堆氢气出口排出，该氢气为气液混合状态，经氢气分水器分水，分水后氢气进入混合式膨胀机的氢气废气涡轮增压器，氢气废气推动叶轮转动，产生压缩气体，该气体作为预压缩气体传输至空压机，使空压机进气具有一定动能，进而降低空压机功耗，通过氢气废气涡轮增压器后的氢气废气进入氢气引射器，与新氢混合再次进入电堆；

18、与此同时，在不同工况运行时，标定不同工况下空压机电机功率与vnt角度曲线，形成数据库，实时监测当前空压机电机功率变化情况、空压机功耗变化情况，实时调整阴极和阳极的废气涡轮叶片角度，实时调整空压机电机功率，对废气能量利用率达到最大化，经过同时对阴极和阳极两个能量回收及空压功率实时监测，充分利用燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，包括：空气进气控制模块、空气进气热管理模块、氢气进气模块和能量回收模块，所述空气进气控制模块与能量回收模块相连，所述能量回收模块通过空气进气热管理模块与电堆(6)相连，所述氢气进气模块与电堆(6)相连，所述电堆(6)与能量回收模块相连形成回路，所述能量回收模块包括混合式膨胀机(19)；

2.根据权利要求1所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述能量回收模块包括混合式膨胀机(19)、空气分水器(10)、氢气分水器(26)、氢气排氢排水阀(27)和VNT，所述混合式膨胀机(19)包括空气废气涡轮增压器(20)、氢气废气涡轮增压器(21)、空压机(22)和空压机电机(24)，所述VNT包括VNT1(13)和VNT2(14)；

3.根据权利要求2所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述空气进气控制模块包括背压阀(15)、消音器(16)和空气滤清器(17)，所述空气滤清器(17)与混合式膨胀机(19)相连，所述消音器(16)与背压阀(15)相连，所述背压阀(15)与空气废气涡轮增压器(20)相连，所述空气

4.根据权利要求2所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述空气进气热管理模块包括翅片式水冷中冷器(9)，所述中冷器(9)与混合式膨胀机(19)和电堆(6)相连。

5.根据权利要求2所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述氢气进气模块包括依次相连的进气电磁阀(1)、引射器(2)和比例阀(5)，所述引射器(2)与氢气废气涡轮增压器(21)相连，所述比例阀(5)与电堆(6)相连。

6.根据权利要求2所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述空压机电机(24)连接有电机电压传感器(23)和电机电流传感器(25)，所述VNT1(13)连接有VNT1角度传感器(11)，所述VNT2(14)连接有VNT2角度传感器(12)。

7.根据权利要求3所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述空气滤清器(17)与混合式膨胀机(19)之间设置有空气流量计传感器(18)。

8.根据权利要求4所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述所述中冷器(9)与电堆(6)之间安装有空入压力传感器(7)和空入温度传感器(8)。

9.根据权利要求5所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述引射器(2)和比例阀(5)之间安装有氢气入口压力传感器(3)和氢气入口温度传感器(4)。

10.一种如权利要求1-9任意一项权利要求所述的高效燃料电池能量回收装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

...

【技术特征摘要】

2.根据权利要求1所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述能量回收模块包括混合式膨胀机(19)、空气分水器(10)、氢气分水器(26)、氢气排氢排水阀(27)和vnt，所述混合式膨胀机(19)包括空气废气涡轮增压器(20)、氢气废气涡轮增压器(21)、空压机(22)和空压机电机(24)，所述vnt包括vnt1(13)和vnt2(14)；

3.根据权利要求2所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述空气进气控制模块包括背压阀(15)、消音器(16)和空气滤清器(17)，所述空气滤清器(17)与混合式膨胀机(19)相连，所述消音器(16)与背压阀(15)相连，所述背压阀(15)与空气废气涡轮增压器(20)相连，所述空气分水器(10)通过管路与消音器(16)和背压阀(15)之间的管路相连。

4.根据权利要求2所述的高效燃料电池能量回收装置，其特征在于，所述空气进气热管理模块包括翅片式水冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯维国，王兴家，程兆群，吕善强，王宏双，李东明，丁鹏，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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