一种燃料电池空气尾排系统及其控制方法

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池空气尾排系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着氢燃料电池行业的快速发展，为了满足重卡等应用需求，燃料电池系统功率开始从100kw逐渐上升至200、300kw。主流的两级压缩离心式空压机需要满足的空气流量和压缩比都要大幅度提高，空压机所消耗的寄生功耗与系统输出功率相比将达到20％以上，以200kw系统为例，两级压缩离心式空压机所消耗的辅助功率约为45kw。

2、为了能提升燃料电池系统电效率，需要降低空压机能耗，目前国内主流燃料电池空压机供应商的选择是探索开发更大功率级别的采用透平能量回收技术路线的空压机产品，利用涡轮膨胀做功的原理，把燃料电池电堆排气中的一部分能量加以回收利用，从而降低空压机对于自身能耗的需求。

3、然而燃料电池电堆排气中还有大量电化学反应产生的液态水和气态水，不仅会对空压机中的涡轮回收装置有腐蚀损伤影响寿命，还会在运行过程中，影响空压机高速旋转的稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在燃料电池电堆排气中还有大量电化学反应产生的液态水和气态水，不仅会对空压机中的涡轮回收装置有腐蚀损伤影响寿命，还会在运行过程中，影响空压机高速旋转的稳定性的缺陷而提供一种燃料电池空气尾排系统及其控制方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种燃料电池空气尾排系统，包括燃料电池系统，所述燃料电池空气尾排系统还包括依次设置在燃料电池系统空气尾排处的分水器、二次水处理装置、电子三通阀、空压机涡轮回收装置和尾排管；

4、所述二次水处理装置的两端连接有压差传感器，所述二次水处理装置的输出端连接有湿度传感器，所述二次水处理装置设有加热装置；所述电子三通阀还直接连接所述尾排管；

5、所述压差传感器和湿度传感器用于探测数据，判断二次水处理装置的吸附能力是否正常，若正常则通过电子三通阀连通二次水处理装置和空压机涡轮回收装置；若不正常，则通过电子三通阀连通二次水处理装置和尾排管；所述加热装置用于在所述二次水处理装置的吸附能力不正常时开启，恢复二次水处理装置的吸附能力。

6、进一步地，所述分水器用于对燃料电池系统产生的液态水进行一次分离，所述二次水处理装置内置吸附剂，用于对燃料电池系统产生的液态水和气态水进行二次吸附。

7、进一步地，所述压差传感器用于监控所述二次水处理装置前后端空气压力差，得到二次水处理装置在吸附水之后引起的流阻上升趋势。

8、进一步地，所述湿度传感器用于测量经过二次水处理装置后的空气湿度。

9、进一步地，所述燃料电池系统包括空气过滤器、空压机、中冷器、空气增湿器、燃料电池电堆和空气背压阀；

10、所述空气过滤器、空压机、中冷器和空气增湿器的输入端依次连接，所述空气增湿器的输出端连接所述空气背压阀，所述空气背压阀连接所述分水器，所述燃料电池电堆连接所述空气增湿器，所述燃料电池电堆和空气增湿器的连接处设有空进电堆温度压力一体传感器。

11、进一步地，所述空进电堆温度压力一体传感器用于反馈进入燃料电池电堆的空气温度和压力值；所述空气背压阀和空压机用于相互配合对进入燃料电池电堆的空气流流量和压力的进行调整。

12、进一步地，所述空压机用于将大气中的空气经由空气过滤器吸入，并进行压缩升温；所述中冷器用于对高温空气进行降温，以满足燃料电池电堆使用的空气温度；所述空气增湿器用于进行空气增湿。

13、进一步地，所述燃料电池空气尾排系统还包括控制器，该控制器分别连接电子三通阀、压差传感器、湿度传感器、加热装置、空压机、空气背压阀和空进电堆温度压力一体传感器。

14、一种如上所述的一种燃料电池空气尾排系统的控制方法，包括以下步骤：

15、s1：驱动所述燃料电池系统运行；

16、s2通过所述压差传感器和湿度传感器同时进行数据监测；

17、s3：若所述压差传感器监测到的压差值超过预设的第一压差值，或所述湿度传感器监测到的湿度值超过预设的第一湿度值，则进行步骤s4；否则执行步骤s8；

18、s4：执行步骤s5对二次水处理装置进行在线恢复处理；

19、s5：控制所述电子三通阀进行开关切换，使得二次水处理装置的输出直接连通尾排管，空气直接进入尾排管排出；同时开启所述加热装置对所述二次水处理装置进行加热，二次水处理装置受热析出的液态水直接吹出至尾排管；

20、s6：若所述压差传感器监测到的压差值降低至预设的第二压差值，或所述湿度传感器监测到的湿度值降低至预设的第二湿度值，则进行步骤s7；

21、s7：控制所述电子三通阀进行开关切换，使得二次水处理装置的输出连接空压机涡轮回收装置，进行能量回收；同时关闭所述加热装置；

22、s8：二次水处理装置正常吸附液态水和气态水；

23、s9：控制所述电子三通阀使得二次水处理装置的输出连接空压机涡轮回收装置，进行能量回收。

24、进一步地，所述方法还包括：

25、根据所述空进电堆温度压力一体传感器反馈的进入燃料电池电堆的空气温度和压力值，控制所述空气背压阀和空压机，对进入燃料电池电堆的空气流流量和压力的进行调整。

26、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

27、本发明通过分水器和二次水处理装置对燃料电池系统空气尾排进行液态水和气态水的吸附。同时通过在线压差传感器、湿度传感器、加热装置和电子三通阀的联合使用，可对二次水处理装置内的吸附饱和情况进行在线恢复。减少了尾排液态水对空压机涡轮回收装置的腐蚀损伤和高速稳定性的影响，使空压机涡轮的能量回收实用性大大提高，提升了燃料电池系统效率。

技术特征：

1.一种燃料电池空气尾排系统，包括燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池空气尾排系统还包括依次设置在燃料电池系统空气尾排处的分水器(8)、二次水处理装置(10)、电子三通阀(13)、空压机涡轮回收装置(14)和尾排管(15)；

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气尾排系统，其特征在于，所述分水器(8)用于对燃料电池系统产生的液态水进行一次分离，所述二次水处理装置(10)内置吸附剂，用于对燃料电池系统产生的液态水和气态水进行二次吸附。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气尾排系统，其特征在于，所述压差传感器(9)用于监控所述二次水处理装置(10)前后端空气压力差，得到二次水处理装置(10)在吸附水之后引起的流阻上升趋势。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气尾排系统，其特征在于，所述湿度传感器(12)用于测量经过二次水处理装置(10)后的空气湿度。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气尾排系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括空气过滤器(1)、空压机(2)、中冷器(3)、空气增湿器(4)、燃料电池电堆(5)和空气背压阀(7)；

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池空气尾排系统，其特征在于，所述空进电堆温度压力一体传感器(6)用于反馈进入燃料电池电堆(5)的空气温度和压力值；所述空气背压阀(7)和空压机(2)用于相互配合对进入燃料电池电堆(5)的空气流流量和压力的进行调整。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池空气尾排系统，其特征在于，所述空压机(2)用于将大气中的空气经由空气过滤器(1)吸入，并进行压缩升温；所述中冷器(3)用于对高温空气进行降温，以满足燃料电池电堆(5)使用的空气温度；所述空气增湿器(4)用于进行空气增湿。

8.根据权利要求5所述的一种燃料电池空气尾排系统，其特征在于，所述燃料电池空气尾排系统还包括控制器，该控制器分别连接电子三通阀(13)、压差传感器(9)、湿度传感器(12)、加热装置(11)、空压机(2)、空气背压阀(7)和空进电堆温度压力一体传感器(6)。

9.一种如权利要求5-8任一所述的一种燃料电池空气尾排系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本发明涉及一种燃料电池空气尾排系统及其控制方法，方法包括依次设置在燃料电池系统空气尾排处的分水器、二次水处理装置、电子三通阀、空压机涡轮回收装置和尾排管；二次水处理装置的两端连接有压差传感器、输出端连接有湿度传感器、并设有加热装置；电子三通阀还直接连接尾排管；压差传感器和湿度传感器用于判断二次水处理装置的吸附能力是否正常，若正常则通过电子三通阀连通二次水处理装置和空压机涡轮回收装置；若不正常，则通过电子三通阀连通二次水处理装置和尾排管；加热装置用于恢复二次水处理装置的吸附能力。与现有技术相比，本发明减少了尾排液态水对空压机涡轮回收装置的腐蚀损伤和高速稳定性的影响，具有实用性高、效率高等优点。

技术研发人员：张存满,汪飞杰,明平文,杨代军,李冰
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12