[發(fā)明專利]一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池汽車空氣供給系統(tǒng)及其控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910357989.4
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號(hào): CN109980251B
• 公開（公告）日: 2023-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閔海濤;王博石;于遠(yuǎn)彬;孫維毅;黃世佩;曹起銘;李卓昂;張明智
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/04298
• 分類號(hào): H01M8/04298;H01M8/04089;H01M8/04007;H01M8/0438;H01M8/0432
• 代理公司: 北京遠(yuǎn)大卓悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11369
• 代理人: 許小東

本發(fā)明公開一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池汽車空氣供給系統(tǒng)，包括：增壓回路，其包括依次連通的燃料電池電堆、渦輪機(jī)、第一壓縮機(jī)、第二壓縮機(jī)、第一中冷器、空氣壓縮機(jī)、換熱器和第二中冷器；余熱利用回路，其包括依次連接的有機(jī)工質(zhì)泵、換熱器和膨脹機(jī)；其中，所述第一壓縮機(jī)連接外部空氣，所述膨脹機(jī)與所述第二壓縮機(jī)連接，用于驅(qū)動(dòng)所述第二壓縮機(jī)工作；當(dāng)所述余熱利用回路開啟時(shí)，所述空氣壓縮機(jī)的余熱流入所述換熱器，并對所述有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行加熱，驅(qū)動(dòng)所述膨脹機(jī)壓縮所述第二壓縮機(jī)；當(dāng)所述余熱利用回路關(guān)閉時(shí)，所述第二壓縮機(jī)不工作，所述增壓回路為低壓增壓回路。本發(fā)明還提供一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池汽車空氣供給系統(tǒng)的控制方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體的是，本發(fā)明涉及一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池汽車空氣供給系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。因?yàn)槠渚哂懈咝?、零排放、低噪音和較低操作溫度等的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來車用動(dòng)力源的理想代替者，在質(zhì)子交換膜燃料電池中，氫氣和氧氣分別在陽極和陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。燃料電池中氧氣壓力與燃料電池系統(tǒng)的性能有直接的關(guān)系，提高空氣供氣壓力，不僅可以增大燃料電池系統(tǒng)功率密度，還可以減少系統(tǒng)尺寸，提高整體系統(tǒng)效率，因此空氣供給系統(tǒng)是燃料電池系統(tǒng)非常重要的組成部分。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前部分燃料電池車已進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。

空氣壓縮機(jī)是車用燃料電池陰極空氣供氣系統(tǒng)中的重要部件，其在對進(jìn)堆空氣進(jìn)行加壓后，可以提高燃料電池的功率密度和效率，但是空氣壓縮機(jī)引起的寄生功率損失較大，約占燃料電池輔助功率的80％，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，噪聲低和可靠性高的壓縮機(jī)目前的價(jià)格仍然較為昂貴。因此，如何減少空氣壓縮機(jī)的寄生功率的損失，提高燃料電池系統(tǒng)空氣供給系統(tǒng)的效率是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。

在中國專利申請文獻(xiàn)中申請?zhí)枮镃N201410841609.1的供氣系統(tǒng)中，將燃料電池廢氣的動(dòng)能回收轉(zhuǎn)換為機(jī)械功對空氣進(jìn)行初次壓縮，采用基于有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收利用將來自燃料電池的電堆的反應(yīng)余熱轉(zhuǎn)換為機(jī)械功對系統(tǒng)進(jìn)行次級壓縮，從而避免消耗燃料電池輸出功率來驅(qū)動(dòng)空氣供給系統(tǒng)。但是該發(fā)明存在以下不足：

1、該發(fā)明并未設(shè)計(jì)空氣壓縮機(jī)，因此在車用時(shí)，無法保證車輛啟動(dòng)或大功率運(yùn)行時(shí)能夠提供足夠的空氣量，同時(shí)也無法滿足車輛在復(fù)雜工況下對進(jìn)堆空氣量的精確控制。

2、該發(fā)明并未利用空氣壓縮機(jī)對空氣進(jìn)行壓縮后產(chǎn)生的高溫余熱，而此余熱遠(yuǎn)高于電堆工作溫度，可提供更高的有機(jī)朗肯循環(huán)效率，進(jìn)而提高空氣供給系統(tǒng)的效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一是設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池汽車空氣供給系統(tǒng)，在增壓回路中設(shè)置有空氣壓縮機(jī)并設(shè)置有余熱利用回路，能夠根據(jù)汽車需求功率精確控制空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將空氣壓縮機(jī)的余熱回收對增壓回路進(jìn)行次級增壓，降低壓縮機(jī)的寄生損失，提高燃料電池系統(tǒng)的凈輸出功率。

本發(fā)明的目的之二是設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池汽車空氣供給系統(tǒng)的控制方法，能夠根據(jù)空氣壓縮機(jī)出口處的溫度控制余熱利用回路的開啟或者關(guān)閉，降低壓縮機(jī)的寄生損失，提高燃料電池系統(tǒng)的凈輸出功率。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的燃料電池汽車空氣供給系統(tǒng)，包括：

增壓回路，其包括依次連接的燃料電池電堆、渦輪機(jī)、第一壓縮機(jī)、第二壓縮機(jī)、第一中冷器、空氣壓縮機(jī)、換熱器和第二中冷器；

余熱利用回路，其包括依次連接的有機(jī)工質(zhì)泵、換熱器和膨脹機(jī)；

其中，所述第一壓縮機(jī)連接外部空氣，所述膨脹機(jī)與所述第二壓縮機(jī)連接，用于驅(qū)動(dòng)所述第二壓縮機(jī)工作；

當(dāng)所述余熱利用回路開啟時(shí)，所述空氣壓縮機(jī)的余熱流入所述換熱器，并對所述有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行加熱，通過所述膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)所述第二壓縮機(jī)，所述增壓回路為中高壓增壓回路；