一种多堆燃料电池系统的空气供应集成装置及其工作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种多堆燃料电池系统的空气供应集成装置及其工作方法。


背景技术：

2.全球能源危机以及新能源的快速发展，使得新能源和可再生能源技术备受关注，其中燃料电池作为一种新能源设备，以其能量效率高、环境噪声低和无污染等优点在交通运输、航空航天和分布式发电等领域备受关注。
3.燃料电池在使用时，通常是由多个燃料电池单堆组成多堆燃料电池提高输出功率，以满足大功率用电器需求，而为了满足多堆燃料电池大功率的空气供给，通常需要配备大功率的空压机或其他压气设备。此种设计导致多堆燃料电池系统的整体效率较低、能耗较高、且成本较高。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种多堆燃料电池系统的空气供应集成装置，该空气供应集成装置能提高多堆燃料电池系统的整体效率，并能降低多堆燃料电池系统的整体能耗和成本。
5.为实现上述目的，本发明提供一种多堆燃料电池系统的空气供应集成装置，包括空气进气单元、空气缓冲单元、管路单元及控制器；所述空气缓冲单元包括缓冲罐和安装在缓冲罐上的检测传感器，所述缓冲罐通过管路单元与空气进气单元相连通，且所述缓冲罐通过管路单元与多堆燃料电池的各个燃料电池单堆相连接，所述检测传感器和空气进气单元均与控制器相连接。
6.进一步地，所述检测传感器包括第一压力传感器，所述第一压力传感器与控制器相连接。
7.进一步地，所述检测传感器包括第一温度传感器，所述第一温度传感器与控制器相连接。
8.进一步地，所述空气进气单元包括空气源组件和减压及供气控制阀，所述缓冲罐通过管路单元的气源缓冲连通管路与空气源组件相连接，所述减压及供气控制阀设置在气源缓冲连通管路中，且所述减压及供气控制阀与控制器相连接。
9.进一步地，所述管路单元包括加湿管路和不加湿管路，所述加湿管路中设置有加湿装置和加湿通断阀，所述不加湿管路中设置有不加湿通断阀，所述加湿管路的进口端和不加湿管路的进口端均与缓冲罐相连接，所述加湿管路的出口端和不加湿管路的出口端均与多堆燃料电池的燃料电池单堆相连接。
10.进一步地，所述加湿管路和不加湿管路均通过进气汇集管路与全部燃料电池单堆相连接，所述进气汇集管路中设有第二温度传感器和第二压力传感器，所述第二温度传感器和第二压力传感器均与控制器相连接。
11.进一步地，所述管路单元包括多个并联的电堆进气管路，全部电堆进气管路的进口端均与缓冲罐相连接，全部电堆进气管路的出口端分别与多堆燃料电池的各个燃料电池单堆的阴极入口相连通，每个所述电堆进气管路中设置有与控制器相连接的电磁阀，所述控制器能控制电磁阀的开度。
12.进一步地，所述管路单元还包括多个并联的电堆出气管路，全部电堆出气管路的进口端分别与多堆燃料电池的各个燃料电池单堆的阴极出口相连通，每个所述电堆出气管路中设置有与控制器相连接的背压阀，所述控制器能控制背压阀的开度。
13.进一步地，所述管路单元包括排气总管路，全部电堆出气管路的出口端均与排气总管路相连通，所述排气总管路中设有水气分离器。
14.如上所述，本发明涉及的空气供应集成装置，具有以下有益效果：
15.本空气供应集成装置的工作原理为：空气进气单元通过管路单元向空气缓冲单元的缓冲罐压入空气，缓冲罐对空气进行储存、并在需要时通过管路单元向多堆燃料电池的各个燃料电池单堆供给空气；检测传感器实时检测缓冲罐中气体的设定参数、并将检测结果反馈给控制器；控制器根据检测传感器反馈的检测信息控制空气进气单元的工作状态，以保证缓冲罐内气体的设定参数处于设定参数范围内，且空气进气单元的工作效率不低于设定效率，即空气进气单元的工作效率处于高效率区间，且在该设定参数范围内时，缓冲罐中的气体能满足对多堆燃料电池的供给需求，此种工作方式，通过空气缓冲单元将空气进气单元压入的空气与多堆燃料电池所需的空气解耦，使空气进气单元不必完全跟随多堆燃料电池的需求进行空气供给，而是根据缓冲罐中气体参数进行空气供给，易于调控空气进气单元的工作状态，且更易于保证空气进气单元处于高效率的工作区间，降低空气进气单元的能耗，并能使所需的空气进气单元的最大功率较低，这样空气进气单元采用较低规格或型号就能满足需求，进而使得整个多堆燃料电池系统的能耗较低，效率更高，且成本较低。
16.本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种能提高多堆燃料电池系统的效率、并降低其能耗的工作方法。
17.为实现上述目的，本发明提供一种所述多堆燃料电池系统的空气供应集成装置的工作方法，包括如下步骤：
18.空气进气单元通过管路单元向空气缓冲单元的缓冲罐压入空气，缓冲罐对空气进行储存、并在需要时通过管路单元向多堆燃料电池的各个燃料电池单堆供给空气；
19.检测传感器实时检测缓冲罐中气体的设定参数、并将检测结果反馈给控制器；
20.控制器根据检测传感器反馈的检测信息控制空气进气单元的工作状态，以保证缓冲罐中气体的设定参数处于设定参数范围内，且空气进气单元的工作效率不低于设定效率。
21.如上所述，本发明涉及的工作方法，具有以下有益效果：
22.本工作方法，通过空气缓冲单元将空气进气单元压入的空气与多堆燃料电池所需的空气解耦，使空气进气单元不必完全跟随多堆燃料电池的需求进行空气供给，而是根据缓冲罐中气体参数进行空气供给，易于调控空气进气单元的工作状态，且在此过程中空气进气单元的工作效率不低于设定效率，能有效防止空气进气单元处于低效率工作区间，保证空气进气单元处于高效率的工作区间，以降低空气进气单元的能耗，并能使所需的空气
进气单元的最大功率较低，这样空气进气单元采用较低规格或型号就能满足需求，进而使得整个多堆燃料电池系统的能耗较低，效率更高，且成本较低。
附图说明
23.图1为本发明实施例中多堆燃料电池系统的空气供应集成装置的结构示意图。
24.图2为本发明实施例中多堆燃料电池系统的空气供应集成装置的电功耗示意图。
25.图3为本发明实施例中多堆燃料电池系统的空气供应集成装置的最大电功率示意图。
26.元件标号说明
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空气源组件
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16
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第三压力传感器
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空气滤清器
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17
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多堆燃料电池
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压力表
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18
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燃料电池单堆
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第一手动阀
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19
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第四压力传感器
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减压及供气控制阀
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20
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背压阀
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第一温度传感器
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21
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水气分离器
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第一压力传感器
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22
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第二手动阀
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缓冲罐
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23
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气源缓冲连通管路
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流量计
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24
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加湿管路
[0036]
10
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不加湿通断阀
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25
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不加湿管路
[0037]
11
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加湿通断阀
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26
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进气汇集管路
[0038]
12
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加湿装置
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27
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电堆进气管路
[0039]
13
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第二温度传感器
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28
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电堆出气管路
[0040]
14
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第二压力传感器
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29
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排气总管路
[0041]
15
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电磁阀
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30
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流量检测连通管路
具体实施方式
[0042]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0043]
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0044]
如图1至图3所示，本实施例提供一种多堆燃料电池系统的空气供应集成装置，包括空气进气单元、空气缓冲单元、管路单元及控制器；空气缓冲单元包括缓冲罐8和安装在缓冲罐8上的检测传感器，缓冲罐8通过管路单元与空气进气单元相连通，且缓冲罐8通过管路单元与多堆燃料电池17的各个燃料电池单堆18相连接，检测传感器和空气进气单元均与
控制器相连接。本空气供应集成装置的工作原理为：空气进气单元通过管路单元向空气缓冲单元的缓冲罐8压入空气，缓冲罐8对空气进行储存、并在需要时通过管路单元向多堆燃料电池17的各个燃料电池单堆18供给空气；检测传感器实时检测缓冲罐8中气体的设定参数、并将检测结果反馈给控制器；控制器根据检测传感器反馈的检测信息控制空气进气单元的工作状态，以保证缓冲罐18内气体的设定参数处于设定参数范围内，且空气进气单元的工作效率不低于设定效率，即空气进气单元的工作效率处于高效率区间，且在该设定参数范围内时，缓冲罐8中的气体能满足对多堆燃料电池17的供给需求，此种工作方式，通过空气缓冲单元将空气进气单元压入的空气与多堆燃料电池17所需的空气解耦，使空气进气单元不必完全跟随多堆燃料电池17的需求进行空气供给，而是根据缓冲罐8中气体参数进行空气供给，易于调控空气进气单元的工作状态，且更易于保证空气进气单元处于高效率的工作区间，降低空气进气单元的能耗，并能使所需的空气进气单元的最大功率较低，这样空气进气单元采用较低规格或型号就能满足需求，进而使得整个多堆燃料电池系统的能耗较低，效率更高，且成本较低。
[0045]
同时，本实施例提供一种多堆燃料电池系统的空气供应集成装置的工作方法，包括如下步骤：
[0046]
空气进气单元通过管路单元向空气缓冲单元的缓冲罐8压入空气，缓冲罐8对空气进行缓冲与储存、并在需要时通过管路单元分别向多堆燃料电池17的各个燃料电池单堆18供给空气，以进行电化学反应，并产生电能；
[0047]
检测传感器实时检测缓冲罐8中气体的设定参数、并将检测结果反馈给控制器；
[0048]
控制器根据检测传感器反馈的检测信息控制空气进气单元的工作状态，以保证缓冲罐8中气体的设定参数处于设定参数范围内，且空气进气单元的工作效率不低于设定效率。
[0049]
本工作方法，通过空气缓冲单元将空气进气单元压入的空气与多堆燃料电池17所需的空气解耦，使空气进气单元不必完全跟随多堆燃料电池17的需求进行空气供给，而是根据缓冲罐8中气体参数进行空气供给，易于调控空气进气单元的工作状态，且在此过程中空气进气单元的工作效率不低于设定效率，能有效防止空气进气单元处于低效率工作区间，保证空气进气单元处于高效率的工作区间，以降低空气进气单元的能耗，并能使所需的空气进气单元的最大功率较低，这样空气进气单元采用较低规格或型号就能满足需求，进而使得整个多堆燃料电池系统的能耗较低，效率更高，且成本较低。
[0050]
如图1所示，检测传感器包括用于检测缓冲罐8中气体压力的第一压力传感器7，该第一压力传感器7与控制器相连接。这样，控制器能根据第一压力传感器7反馈的气体压力信息控制空气进气单元的工作状态。同时，检测传感器还包括用于检测缓冲罐8中气体温度的第一温度传感器6，该第一温度传感器6与控制器相连接。这样，控制器同样能根据第一温度传感器6反馈的气体温度信息控制空气进气单元的工作状态，以保证缓冲罐8中气体的压力和温度分别处于设定的压力范围内和设定的温度范围内。
[0051]
如图1所示，本实施例中空气进气单元包括空气源组件1和减压及供气控制阀5，缓冲罐8的进气口通过管路单元的气源缓冲连通管路23与空气源组件1串联连接，减压及供气控制阀5设置在气源缓冲连通管路23中，且减压及供气控制阀5与控制器相连接。控制器通过控制减压及供气控制阀5的工作状态，能控制由空气源组件1产生的压缩空气在需要时向
缓冲罐8进行供给。本实施例中气源缓冲连通管路23中还设有空气滤清器2、压力表3、第一手动阀4。环境空气由空气源组件1提供，经过空气源组件1的压气机之后，通过管路单元依次经过空气滤清器2、压力表3、第一手动阀4、减压及供气控制阀5，进入空气缓冲单元的缓冲罐8。本实施例中空气进气单元向缓冲罐8压入的空气进气流量和压力与缓冲罐8内部设定压力有关，不必实时跟随多堆燃料电池17的需求，即空气进气单元的进气流量，不必与多堆燃料电池17的输出功率时刻跟随，通过空气缓冲单元的缓冲罐8对空气进行缓冲、存储，采用适当的缓冲罐压力控制策略，保证空气进气单元中压气机工作在高效率区间，降低压气机的电功耗和最大电功率。本实施例中缓冲罐8为有限体积的容腔，其体积和设定压力范围根据多堆燃料电池17中燃料电池单堆18的数目和实际工况确定，通过优化混合控制方法控制缓冲罐8内压力，保证空气进气单元高效工作，并满足多堆燃料电池17功率需求。空气进气单元中进气速率根据环境压力及空气缓冲单元内设定压力范围确定。
[0052]
如图1所示，本实施例中管路单元还包括与缓冲罐8的出气口相连通的流量检测连通管路30、加湿管路24、不加湿管路25、进气汇集管路26、电堆进气管路27、电堆出气管路28、及排气总管路29。其中，流量检测连通管路30中设有流量计9；加湿管路24中设有加湿通断阀11和加湿装置12，该加湿管路24的进口端和出口端分别与流量检测连通管路30和进气汇集管路26相连通；不加湿管路25中设有不加湿通断阀10，该不加湿管路25的进口端和出口端分别与流量检测连通管路30和进气汇集管路26相连通，不加湿管路25与加湿管路24呈并联连接，加湿通断阀11和不加湿通断阀10均与控制器相连接；进气汇集管路26中设有第二温度传感器13和第二压力传感器14，第二温度传感器13和第二压力传感器14均与控制器相连接；电堆进气管路27有多个，呈并联方式分布，其具体数量与燃料电池单堆18的数量相等，各个电堆进气管路27的进口端均与进气汇集管路26相连通，且各个电堆进气管路27的出口端分别与各个燃料电池单堆18的阴极入口相连通，每个电堆进气管路27中设有电磁阀15和第三压力传感器16，该电磁阀15和第三压力传感器16均与控制器相连接，电磁阀15的开度根据不同燃料电池单堆18的功率需求进行调节，具体操作方法由控制器来确定；电堆出气管路28的数量与燃料电池单堆18数量相等，且全部电堆出气管路28的进口端分别与各个燃料电池单堆18的阴极出口相连通，全部电堆出气管路28的出口端均与排气总管路29相连通，每个电堆出气管路28中设有第四压力传感器19和背压阀20，第四压力传感器19和背压阀20均与控制器相连接；排气总管路29中设有水气分离器21和第二手动阀22。本实施例中管路单元也与控制器相连接。本实施例中管路单元还设有接口，用以连接电堆水热管理单元。控制器能控制电磁阀15和背压阀20的开度。在非工作状态时，第一手动阀4与第二手动阀22处于常闭状态，工作时处于常开状态。本实施例中控制器，用于控制空气供应集成装置的各个单元正常工作，使其满足空气高效供给、功率需求以及缓冲罐8内的压力范围，具体用于控制多堆燃料电池17发电、空气进气单元进气、空气缓冲单元的空气压力、温度及湿度。且控制器还用于控制管路单元及多堆燃料电池17的执行部件。
[0053]
本实施例中工作方法具体包括如下步骤：由空气进气单元的空气源组件1供给的空气，依次经过空气滤清器2进行过滤，并经压力表3、第一手动阀4、减压及供气控制阀5进入空气缓冲单元的缓冲罐8中，该缓冲罐8对空气进行缓冲、储存；缓冲罐8中的空气流经流量计9，并根据需求可以经由加湿管路24或不加湿管路25进入进气汇集管路26，经过进气汇集管路26中第二温度传感器13和第二压力传感器14后，再分别由不同的电堆进气管路27进
入多堆燃料电池17的各个燃料电池单堆18进行电化学反应；反应后的气体从各个电堆阴极处的电堆出气管路28排出，流经背压阀20，各个电堆出气管路28中的排气经排气总管路29汇集后经由水气分离器21进行水气分离处理，出堆空气经第二手动阀22直接排出，水气分离器21收集纯净水；同时，缓冲罐8上设置的第一温度传感器6和第一压力传感器7分别将缓冲罐8内的温度信息和压力信息反馈给控制器，控制器根据反馈的温度信息和压力信息控制空气源组件1和减压及供气控制阀5的工作状态，以向缓冲罐8压入适量的空气，使得缓冲罐8中空气的压力处于设定压力范围内，且缓冲罐8内空气的温度处于设定温度范围内；当缓冲罐8内气体的压力高于设定压力限值时，该所述设定压力限值处于设定压力范围内，则采用定压控制策略，即控制器通过控制空气进气单元的工作状态，使缓冲罐8内压力维持当前压力值，且此时空气进气单元处于高效率的工作区间，缓冲罐8内的空气高于多堆燃料电池17的需求，控制器通过调节各个电磁阀15的开度，调节各个燃料电池单堆18的进气流量和压力，保证合适的空气进入多堆燃料电池17的各个燃料电池单堆18的阴极中进行电化学反应；当缓冲罐8内气体的压力低于设定压力限值时，则采用压力跟随控制策略；另外，控制器通过控制各个电堆出气管路28中背压阀20的开度，调节各个燃料电池单堆18阴极出口处的背压处于设定范围；这样，空气源组件1的进气速率不必实时根据多堆燃料电池17的需求功率进行设定，需根据缓冲罐8中压力或温度情况进行设定即可，且保证空气源组件1处于高效率的工作区间，简化了控制过程，降低了控制难度，并提高了整个系统的效率，降低了能耗。
[0054]
本空气供应集成装置及其工作方法，在满足多堆燃料电池17需求的同时，也能够使空气源组件1的压气机处于高效区间，通过设置缓冲罐8来实现空气源组件1进气速率不必跟随多堆燃料电池17需求功率，以降低多堆燃料电池系统寄生功率。
[0055]
另外，空气缓冲单元中空气供给量由全部燃料电池单堆18需求的总和确定，通过控制器调节电堆进气管路27中电磁阀15开度进而控制进入各个燃料电池单堆18的入堆空气流量。具体操作方法为：根据实际工况需求应用优化分堆方法确定多堆燃料电池17中单堆的数目以及单堆额定功率之后，控制器通过优化控制策略调节每个单元中电磁阀15以及背压阀20的开度，对多堆燃料电池17中不同单堆进行空气供给，同时控制空气进气单元进气以满足空气缓冲单元中缓冲罐8的压力范围，使得空气进气单元在高效区间内工作，不必根据多堆燃料电池17的需求功率进行跟随供给。另外，工作时根据多堆燃料电池17的工况，若需要对进入多堆燃料电池17的空气进行加湿处理时，控制器控制加湿通断阀11打开、且不加湿通断阀10关闭，以利用加湿装置12对空气进行加湿处理；若不需要对进入多堆燃料电池17的空气进行加湿处理时，则控制器控制不加湿通断阀10打开、而加湿通断阀11关闭。
[0056]
本发明可以通过空气缓冲单元，将空气进气单元压入的空气与多堆燃料电池17的全部燃料电池单堆18所需的空气解耦，使其在高效区间内工作且不必完全跟随多堆燃料电池17需求供给，针对具有不同功率等级和不同燃料电池单堆18数目的多堆燃料电池17，设置不同体积以及压力范围的缓冲罐8，采用适当的缓冲罐压力控制策略，能够最大限度地提升空气进气单元的系统效率以降低空气源组件1的压气机电功耗和最大电功率。
[0057]
本实施例中工作方法，根据工况需求和压气机工作特性，采用适当的缓冲罐压力控制策略，控制缓冲罐8压力维持在一定范围内且能够最大程度地降低压气机电功耗和最大电功率。所述缓冲罐压力控制策略具体为：针对缓冲罐8内部压力设定一压力限值，当多
堆燃料电池17需求压力超过此压力限值时采用跟随控制的策略，而当多堆燃料电池17需求压力低于此压力限值时则维持缓冲罐8内部压力为此压力限值不变。这样，缓冲罐8的压力经电磁阀15调节后能够满足多堆燃料电池17的各个燃料电池单堆18期望入堆压力。具体地，根据工况需求，采用优化分堆策略确定多堆燃料电池17中各个燃料电池单堆18的输出功率，进一步地根据各燃料电池单堆18的特性确定各燃料电池单堆18的期望入堆空气流量和期望入堆空气压力；进而，控制器通过控制相应的电磁阀15开度和背压阀20开度，调节进入该燃料电池单堆18的空气流量和空气压力。在控制输入变量时，由空气源组件1压入一定压力的空气，进入空气缓冲单元，使缓冲罐8维持在一定的压力范围内，保证空气缓冲单元向管路单元供给的空气量满足多堆燃料电池17的需求。同时，控制器收集各个单元的传感器信号，并控制各个执行单元进行反馈调节，保证多堆燃料电池系统的空气供应集成装置处于正常工作状态。
[0058]
本实施例对于不同的应用场景或工况，给出了普适性的控制策略，针对不同数目电堆的多堆燃料电池系统，实现空气供给以及优化节能控制。对于特定的应用场景或工况，使其实现设备的集成化和通用化。具体地，针对确定的应用场景和工况，应用优化分堆方法确定多堆燃料电池系统中各电堆的数目、额定功率及输出功率，通过优化计算方法设置不同体积和压力范围的缓冲罐8，应用适当的缓冲罐压力控制策略使得空压机只需保持缓冲罐8内的压力处于设定范围即可，不必实时跟随多堆燃料电池17需求，不仅易于实施，简化控制策略，且能维持空压机在高效区间内工作，并能使多堆燃料电池系统的输出效率明显提高。
[0059]
本实施例中空气供应集成装置，将其空气进气单元、空气缓冲单元、管路单元以及控制器集成到一起，不必根据多堆燃料电池17的各个单堆设置独立的、已有技术的空气进气模块，空气缓冲模块，管路模块以及控制器，只需根据多堆燃料电池17的需求进行便捷安装，即插即用，同时无需针对该系统设计开发尚未问世的相应系统部件。另外，本实施例中的空气源组件1、缓冲罐8、加湿装置12、多堆燃料电池17均具有外壳，空气源组件1的外壳顶部设置有空气入口，缓冲罐8顶部外壳设置有空气入口和空气出口，加湿装置12下端设置空气入口、上端设置空气出口，多堆燃料电池17设置有燃料电池单堆管路入口和出口。
[0060]
具体地，本实施例以c-wtvc循环工况、某款重型商用车为例,多堆燃料电池17最大需求功率为210kw，燃料电池单堆18数目为3，多堆燃料电池系统的空气供应集成装置如图1所描述。c-wtvc循环工况下多堆燃料电池系统总的需求功率为pdemand。应用优化分堆方法计算得出3个燃料电池单堆18的额定功率分别为20kw、70kw和120kw，以及各燃料电池单堆18的输出功率分别为pout1、pout2和pout3且满足pout1+pout2+pout3＝pdemand。根据各燃料电池单堆18的输出功率、电堆特性以及执行单元特性计算得到缓冲罐8的压力范围分别为：1.52～2.81bar。根据缓冲罐8的压力控制策略，具体为：当缓冲罐8内的压力高于2bar采用定压控制，当缓冲罐8内的压力低于2bar时采用压力跟随控制。如图2和图3所示，为采用该控制策略的多堆燃料电池系统的空气供应集成装置在c-wtvc工况下的电功耗及最大电功率，与采用210kw单堆燃料电池直接空气供给对比，在降低功耗和最大电功率方面有很大提升。可以根据此控制策略，为多堆燃料电池系统匹配更低功率的空气增压装置。
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综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟
悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。