一种燃料电池涡轮能量回收的空气系统及其控制方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池涡轮能量回收的空气系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着燃料电池系统功率的不断增大，对于燃料电池的综合效率考量要求逐渐提高，燃料电池技术方案逐渐采用涡轮能量回收的方案，以对尾排能量的回收利用提高燃料电池系统综合效率。但目前涡轮能量回收大部分在涡轮入口前端配置汽水分离器，以减少进入涡轮气流的液态水，防止液态水冲击叶轮。

2、现有方案尾排能量回收结构设计和功能单一，对燃料电池综合能量的利用率低，分水器的结构尺寸大，不利于燃料电池系统的集成,并且现有方案中无法对空气系统的热量进行有效控制。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的是提供一种燃料电池涡轮能量回收的空气系统及其控制方法，通过设置集成式分水蒸发器，以及和其并联的尾气直排通道，根据电堆的实际功率选择适当地尾气排放方式，减少尾气中的液态水，提高能量回收率。

3、(二)技术方案

4、为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种燃料电池涡轮能量回收的空气系统，包括涡轮空压机、集成式分水蒸发器、中冷器、加湿器和电堆；

5、所述涡轮空压机包括增压端和涡轮端，所述集成式分水蒸发器包括蒸发室和分水室；

6、所述增压端的出口和所述蒸发室的入口连接，所述蒸发室的出口和所述中冷器的入口连接，所述中冷器的出口和所述加湿器的第一入口连接，所述加湿器的第一出口和所述电堆的入口连接，所述电堆的出口和所述加湿器的第二入口连接，所述加湿器的第二出口和所述分水室的入口连接，所述分水室的出口和所述涡轮端的入口连接；

7、所述加湿器的第二出口与所述涡轮端的入口之间设置有与所述集成式分水蒸发器并联的尾气直排通道，所述尾气直排通道上设有尾排旁通阀。

8、通过这样的设置，增压端将高压高温空气依次经过蒸发室、中冷器和加湿器，沿电堆空气入口进入电堆，电堆将高湿度的尾排气体从电堆空气出口排出，经过加湿器后进入分水室或通过尾气直排通道，沿涡轮端排出。蒸发室吸收从增压端释放的高压高温空气的热量，一方面有效降低中冷器的负荷，使其性能需求降低，可配置更小的中冷器，整体结构更加紧凑；同时蒸发室吸收的热量用于对进入分水室的尾排气体进行加热，促进能量回收，并且对尾排气体内或沉积的液态水加热蒸发，避免液态水对涡轮端的叶轮冲击。通过设置集成式分水蒸发器和尾气直排通道并联，可根据系统的实际工况，确定尾气排放的方式，提高尾气排放和能量回收的效率。

9、优选的，所述集成式分水蒸发器内设有液位传感器和排水阀，所述液位传感器用于采集所述集成式分水蒸发器内的液位，所述排水阀用于对所述集成式分水蒸发器内的冷凝液体进行排放。

10、通过这样的设置，液位传感器能够采集集成式分水蒸发器内的实时液位，防止液位过高影响尾气的正常排放，同时设置排水阀，在极端状态下或系统运行结束后将液态水进行排放处理，减轻系统负荷。

11、优选的，所述空气系统还包括设置在所述涡轮端和所述集成式分水蒸发器之间的背压阀，所述背压阀和所述尾排旁通阀串联设置。

12、通过这样的设置，在进入涡轮端的尾排气体通道上设置背压阀，防止尾排气体回流，同时阻止涡轮端内的杂质进入尾排管道，对系统造成污染。

13、优选的，所述空气系统还包括设置在所述增压端上游侧的空气过滤器，所述空气过滤器和所述增压段的入口连接。

14、通过这样的设置，在大气进入增压端时，先通过空气过滤器，过滤掉空气中的灰尘和固体杂质，避免经过增压端释放的高压高温气体对系统的结构造成损害，同时过滤后的高温高压气体进入电堆后，电堆给系统提供稳定的能量。

15、根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池涡轮能量回收的空气系统的控制方法，所述控制方法包括：

16、在所述空气系统运行的过程中，获取电堆的实际功率pact；

17、根据电堆的实际功率pact所处的范围控制所述尾排旁通阀的开闭。

18、优选的，所述根据电堆实际功率pact所处的范围控制所述尾排旁通阀的开闭包括：

19、若pact＜plow，使所述尾排旁通阀开启；

20、若plow≤pact＜pmiddle，使所述尾排旁通阀关闭；

21、若pmiddle≤pact＜phigh，先使所述尾排旁通阀关闭，然后判断所述分水室内的液位h是否大于hmax，根据判断结果对所述尾排旁通阀进行控制；

22、若phigh≤pact，先使所述尾排旁通阀关闭，然后判断所述分水室内的液位h是否大于h1，根据判断结果对排水阀进行控制。

23、优选的，所述根据判断结果对所述尾排旁通阀进行控制包括：

24、若h＞hmax，使所述尾排旁通阀部分开启，所述分水室内的液位开始下降，当液位下降到h＜hmin时，使尾排旁通阀关闭；

25、若h≤hmax，使所述尾排旁通阀保持当前状态。

26、优选的，所述根据判断结果对排水阀进行控制包括：

27、若h＞h1，使排水阀开启；

28、若h≤h1，使排水阀关闭。

29、优选的，所述控制方法还包括：

30、在所述空气系统启动的过程中，使所述尾排旁通阀关闭，对所述分水室进行预热，所述蒸发室的热传导进行温度维持。

31、优选的，所述控制方法还包括：

32、在所述空气系统结束运行的过程中，使所述尾排旁通阀关闭，使排水阀开启以将所述分水室内的液态水排出，对分水室进行烘干。

33、通过设置集成式分水蒸发器，利用其蒸发室对增压端的高温高压气体进行降温吸热，并对进入分水室的尾排气体和液态水进行加热、蒸发，同时设置和集成式分水蒸发器并联的尾气直排通道，在尾气直排通道上设置尾排旁通阀，实现根据系统实际运行状态，确定尾排气体的释放方式。

34、(三)有益效果

35、本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

36、1、设置集成式分水蒸发器，实现对高温高压气体降温，有效降低中冷器的负荷，使得中冷器的需求降低，可配置更小的中冷器，同时蒸发室吸取的热量能够对尾分水室的尾排气体进行热传导，并对尾排气体内或分水室内的液态水进行蒸发，提高了尾排气体的排放能量，更利于在涡轮端的能量回收。

37、2、设置和集成式分水蒸发器并联的尾气直排通道，在尾气直排通道上设有尾排旁通阀，用于控制尾气直排通道的开闭，实现系统在不同功率运行环境下，选择合适的尾气排放方式，在不影响能量回收的情况下，提高尾气排放的效率。

38、3、通过在集成式分水蒸发器内设置液位传感器和排水阀，实现对系统运行过程中产生的液态水进行监测以及排放，并根据系统运行功率，选择对集成式分水蒸发器内的液态水采取蒸发或直排的方式，有利于系统的高效运转。

技术特征：

1.一种燃料电池涡轮能量回收的空气系统，其特征在于，包括涡轮空压机、集成式分水蒸发器、中冷器、加湿器和电堆；

2.根据权利要求1所述的燃料电池涡轮能量回收的空气系统，其特征在于，所述集成式分水蒸发器内设有液位传感器和排水阀，所述液位传感器用于采集所述集成式分水蒸发器内的液位，所述排水阀用于对所述集成式分水蒸发器内的冷凝液体进行排放。

3.根据权利要求2所述的燃料电池涡轮能量回收的空气系统，其特征在于，所述空气系统还包括设置在所述涡轮端和所述集成式分水蒸发器之间的背压阀，所述背压阀和所述尾排旁通阀串联设置。

4.根据权利要求3所述的燃料电池涡轮能量回收的空气系统，其特征在于，所述空气系统还包括设置在所述增压端上游侧的空气过滤器，所述空气过滤器和所述增压段的入口连接。

5.一种权利要求1-4中任意一项所述的燃料电池涡轮能量回收的空气系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述根据电堆实际功率pact所处的范围控制所述尾排旁通阀的开闭包括：

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据判断结果对所述尾排旁通阀进行控制包括：

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据判断结果对排水阀进行控制包括：

9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

10.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

技术总结
本发明公开了一种燃料电池涡轮能量回收的空气系统及其控制方法，旨在解决涡轮能量回收过程中，液态水对涡轮端的叶轮损伤和能量回收效率低的问题。空气系统包括涡轮空压机、集成式分水蒸发器、中冷器、加湿器和电堆，通过设置集成式分水蒸发器，利用其蒸发室对增压端的高温高压气体进行降温吸热，并对进入分水室的尾排气体和液态水进行加热、蒸发，同时设置和集成式分水蒸发器并联的尾气直排通道，在尾气直排通道上设置尾排旁通阀，实现根据系统实际运行状态，确定尾排气体的释放方式。

技术研发人员：刘伟,王福,陈赐辉,韩林,林志坤,董葳,邹岩国,冯雷
受保护的技术使用者：广东广晟氢能有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5