本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著燃料電池系統(tǒng)功率的不斷增大，對于燃料電池的綜合效率考量要求逐漸提高，燃料電池技術(shù)方案逐漸采用渦輪能量回收的方案，以對尾排能量的回收利用提高燃料電池系統(tǒng)綜合效率。但目前渦輪能量回收大部分在渦輪入口前端配置汽水分離器，以減少進入渦輪氣流的液態(tài)水，防止液態(tài)水沖擊葉輪。

2、現(xiàn)有方案尾排能量回收結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能單一，對燃料電池綜合能量的利用率低，分水器的結(jié)構(gòu)尺寸大，不利于燃料電池系統(tǒng)的集成,并且現(xiàn)有方案中無法對空氣系統(tǒng)的熱量進行有效控制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)及其控制方法，通過設(shè)置集成式分水蒸發(fā)器，以及和其并聯(lián)的尾氣直排通道，根據(jù)電堆的實際功率選擇適當?shù)匚矚馀欧欧绞?，減少尾氣中的液態(tài)水，提高能量回收率。

3、(二)技術(shù)方案

4、為解決上述問題，本發(fā)明的第一方面提供了一種燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)，包括渦輪空壓機、集成式分水蒸發(fā)器、中冷器、加濕器和電堆；

5、所述渦輪空壓機包括增壓端和渦輪端，所述集成式分水蒸發(fā)器包括蒸發(fā)室和分水室；

6、所述增壓端的出口和所述蒸發(fā)室的入口連接，所述蒸發(fā)室的出口和所述中冷器的入口連接，所述中冷器的出口和所述加濕器的第一入口連接，所述加濕器的第一出口和所述電堆的入口連接，所述電堆的出口和所述加濕器的第二入口連接，所述加濕器的第二出口和所述分水室的入口連接，所述分水室的出口和所述渦輪端的入口連接；

7、所述加濕器的第二出口與所述渦輪端的入口之間設(shè)置有與所述集成式分水蒸發(fā)器并聯(lián)的尾氣直排通道，所述尾氣直排通道上設(shè)有尾排旁通閥。

8、通過這樣的設(shè)置，增壓端將高壓高溫空氣依次經(jīng)過蒸發(fā)室、中冷器和加濕器，沿電堆空氣入口進入電堆，電堆將高濕度的尾排氣體從電堆空氣出口排出，經(jīng)過加濕器后進入分水室或通過尾氣直排通道，沿渦輪端排出。蒸發(fā)室吸收從增壓端釋放的高壓高溫空氣的熱量，一方面有效降低中冷器的負荷，使其性能需求降低，可配置更小的中冷器，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊；同時蒸發(fā)室吸收的熱量用于對進入分水室的尾排氣體進行加熱，促進能量回收，并且對尾排氣體內(nèi)或沉積的液態(tài)水加熱蒸發(fā)，避免液態(tài)水對渦輪端的葉輪沖擊。通過設(shè)置集成式分水蒸發(fā)器和尾氣直排通道并聯(lián)，可根據(jù)系統(tǒng)的實際工況，確定尾氣排放的方式，提高尾氣排放和能量回收的效率。

9、優(yōu)選的，所述集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)設(shè)有液位傳感器和排水閥，所述液位傳感器用于采集所述集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)的液位，所述排水閥用于對所述集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)的冷凝液體進行排放。

10、通過這樣的設(shè)置，液位傳感器能夠采集集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)的實時液位，防止液位過高影響尾氣的正常排放，同時設(shè)置排水閥，在極端狀態(tài)下或系統(tǒng)運行結(jié)束后將液態(tài)水進行排放處理，減輕系統(tǒng)負荷。

11、優(yōu)選的，所述空氣系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述渦輪端和所述集成式分水蒸發(fā)器之間的背壓閥，所述背壓閥和所述尾排旁通閥串聯(lián)設(shè)置。

12、通過這樣的設(shè)置，在進入渦輪端的尾排氣體通道上設(shè)置背壓閥，防止尾排氣體回流，同時阻止渦輪端內(nèi)的雜質(zhì)進入尾排管道，對系統(tǒng)造成污染。

13、優(yōu)選的，所述空氣系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述增壓端上游側(cè)的空氣過濾器，所述空氣過濾器和所述增壓段的入口連接。

14、通過這樣的設(shè)置，在大氣進入增壓端時，先通過空氣過濾器，過濾掉空氣中的灰塵和固體雜質(zhì)，避免經(jīng)過增壓端釋放的高壓高溫氣體對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)造成損害，同時過濾后的高溫高壓氣體進入電堆后，電堆給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能量。

15、根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)的控制方法，所述控制方法包括：

16、在所述空氣系統(tǒng)運行的過程中，獲取電堆的實際功率pact；

17、根據(jù)電堆的實際功率pact所處的范圍控制所述尾排旁通閥的開閉。

18、優(yōu)選的，所述根據(jù)電堆實際功率pact所處的范圍控制所述尾排旁通閥的開閉包括：

19、若pact＜plow，使所述尾排旁通閥開啟；

20、若plow≤pact＜pmiddle，使所述尾排旁通閥關(guān)閉；

21、若pmiddle≤pact＜phigh，先使所述尾排旁通閥關(guān)閉，然后判斷所述分水室內(nèi)的液位h是否大于hmax，根據(jù)判斷結(jié)果對所述尾排旁通閥進行控制；

22、若phigh≤pact，先使所述尾排旁通閥關(guān)閉，然后判斷所述分水室內(nèi)的液位h是否大于h1，根據(jù)判斷結(jié)果對排水閥進行控制。

23、優(yōu)選的，所述根據(jù)判斷結(jié)果對所述尾排旁通閥進行控制包括：

24、若h＞hmax，使所述尾排旁通閥部分開啟，所述分水室內(nèi)的液位開始下降，當液位下降到h＜hmin時，使尾排旁通閥關(guān)閉；

25、若h≤hmax，使所述尾排旁通閥保持當前狀態(tài)。

26、優(yōu)選的，所述根據(jù)判斷結(jié)果對排水閥進行控制包括：

27、若h＞h1，使排水閥開啟；

28、若h≤h1，使排水閥關(guān)閉。

29、優(yōu)選的，所述控制方法還包括：

30、在所述空氣系統(tǒng)啟動的過程中，使所述尾排旁通閥關(guān)閉，對所述分水室進行預(yù)熱，所述蒸發(fā)室的熱傳導進行溫度維持。

31、優(yōu)選的，所述控制方法還包括：

32、在所述空氣系統(tǒng)結(jié)束運行的過程中，使所述尾排旁通閥關(guān)閉，使排水閥開啟以將所述分水室內(nèi)的液態(tài)水排出，對分水室進行烘干。

33、通過設(shè)置集成式分水蒸發(fā)器，利用其蒸發(fā)室對增壓端的高溫高壓氣體進行降溫吸熱，并對進入分水室的尾排氣體和液態(tài)水進行加熱、蒸發(fā)，同時設(shè)置和集成式分水蒸發(fā)器并聯(lián)的尾氣直排通道，在尾氣直排通道上設(shè)置尾排旁通閥，實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)實際運行狀態(tài)，確定尾排氣體的釋放方式。

34、(三)有益效果

35、本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下有益的技術(shù)效果：

36、1、設(shè)置集成式分水蒸發(fā)器，實現(xiàn)對高溫高壓氣體降溫，有效降低中冷器的負荷，使得中冷器的需求降低，可配置更小的中冷器，同時蒸發(fā)室吸取的熱量能夠?qū)ξ卜炙业奈才艢怏w進行熱傳導，并對尾排氣體內(nèi)或分水室內(nèi)的液態(tài)水進行蒸發(fā)，提高了尾排氣體的排放能量，更利于在渦輪端的能量回收。

37、2、設(shè)置和集成式分水蒸發(fā)器并聯(lián)的尾氣直排通道，在尾氣直排通道上設(shè)有尾排旁通閥，用于控制尾氣直排通道的開閉，實現(xiàn)系統(tǒng)在不同功率運行環(huán)境下，選擇合適的尾氣排放方式，在不影響能量回收的情況下，提高尾氣排放的效率。

38、3、通過在集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)設(shè)置液位傳感器和排水閥，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的液態(tài)水進行監(jiān)測以及排放，并根據(jù)系統(tǒng)運行功率，選擇對集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)水采取蒸發(fā)或直排的方式，有利于系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)，其特征在于，包括渦輪空壓機、集成式分水蒸發(fā)器、中冷器、加濕器和電堆；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)，其特征在于，所述集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)設(shè)有液位傳感器和排水閥，所述液位傳感器用于采集所述集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)的液位，所述排水閥用于對所述集成式分水蒸發(fā)器內(nèi)的冷凝液體進行排放。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述渦輪端和所述集成式分水蒸發(fā)器之間的背壓閥，所述背壓閥和所述尾排旁通閥串聯(lián)設(shè)置。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述增壓端上游側(cè)的空氣過濾器，所述空氣過濾器和所述增壓段的入口連接。

5.一種權(quán)利要求1-4中任意一項所述的燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)電堆實際功率pact所處的范圍控制所述尾排旁通閥的開閉包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)判斷結(jié)果對所述尾排旁通閥進行控制包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)判斷結(jié)果對排水閥進行控制包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法還包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種燃料電池渦輪能量回收的空氣系統(tǒng)及其控制方法，旨在解決渦輪能量回收過程中，液態(tài)水對渦輪端的葉輪損傷和能量回收效率低的問題。空氣系統(tǒng)包括渦輪空壓機、集成式分水蒸發(fā)器、中冷器、加濕器和電堆，通過設(shè)置集成式分水蒸發(fā)器，利用其蒸發(fā)室對增壓端的高溫高壓氣體進行降溫吸熱，并對進入分水室的尾排氣體和液態(tài)水進行加熱、蒸發(fā)，同時設(shè)置和集成式分水蒸發(fā)器并聯(lián)的尾氣直排通道，在尾氣直排通道上設(shè)置尾排旁通閥，實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)實際運行狀態(tài)，確定尾排氣體的釋放方式。

技術(shù)研發(fā)人員：劉偉,王福,陳賜輝,韓林,林志坤,董葳,鄒巖國,馮雷
受保護的技術(shù)使用者：廣東廣晟氫能有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5