燃料电池反应气体压力的变压操作方法

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燃料电池反应气体压力的变压操作方法技术领域本发明涉及一种提髙燃料电池辅助系统效率的方法，来提髙发动机效率，即 燃料电池变压操作方法。通过采用变压操作方法，当负载变化大时，不但节省了 燃料消粍，提高了燃料效率，而且减少燃料电池操作成本，从而推动了燃料电池 的发展。背景技术目前燃料电池系统根銜共气压力不同分为常压系统励口压系统，当采用风机 常压供气时，燃料电池系统以常压空气作氧化剂，它是根据电池预置空气利用率和电池组工作电流密度控制Wl的产气量，一«用变频控制，的转速来控制产气量，其尾气需控制，过量氧气与氮气一起排入大气；当釆用加压空气（如： 2bar)后， 一般根据实验确定的空气利用率及电池组工作电流密度变频控制空压 机，进而控制其产气量，而加压操作中往往控制其尾气压力为恒定压力。 辅助系统效率为7,—辅助系统效率电池组输出功率，kW; P^—辅助系统消耗功率，kW。 要想提髙燃料电池系统的辅助系统效率，根据公式可以看出要尽量增加电池组输出功率Ps、减小辅助系统消耗功率Paux，要增加电池组输出功率Ps，除了改善电池组材料、结构外，还可以通过提髙电池组压力，提高电池组温度、增加空 气量等方法。从电化学动力学与电化学热力学看，提髙反应气压力均能改善电池性能，反 应气压力增加，能改善反应气通过电极扩散层向催化层的传质，减小浓差极化， 而且电池工作的电池密度越高，工作电压增加越大，但是随着电池反应气工作压 力的升高，电池性能改善幅度减小，而且电池组压力过高，将大大增加辅助系统 消耗功率，还增加了电池密封的难度，所以反应气一般均选常压到零点几个兆帕之间。\n依据电化学热力学，升髙电池工作》破，会导致电池电动势下降，消耗，提 高了燃料效率但依据电化学动力学，升髙电池工作温度，会加速氯电化学氧化， 尤其是氧电化学i^f、逸荧，斷氐化学级化。所以对于燃料电池，动力学因素起主 导作用，提高电池工作温度，提髙化学能至电能的转化效率。但由于膜耐温限制， 温度太高无法实现，而且温度升高水蒸汽分压也升髙不利因素已逐渐抵消了电池 极化的降低导致电池性能随电池工作温度升髙的获益。如目前采用的质子交粉莫的PEMFC电池运行温度一般在(K80t:之间，最髙不超过l(KTC。增加气量，空气侧即斷氏空气利用率，增加空气产气量，虽有利于燃料电池 系统的水及废热的排出，但增加产气量的同时，将大大增加辅助系统消耗功率。一M料电池空气利用率为40%~50%。燃料侧则增加回流量，但目前釆用的回流器回流范围比较窄，需配置多个回流器组合实现，增加了系统复杂性。要降低辅助系统消耗功率，应减小空压机，水泵、风扇等电气设备的功率， 尤其做为主要功率消耗设备的空压机，有的釆用能量回收装置，用尾气的余压来预增加进气的压力，从而减小了空压机的功耗，如中国专利号为02253030.4，发 明创造的名称为"燃料电池发动机复合式增压空气供给装置"，其主要技术特点是 包括排气膨胀器和两个增压器，即排气增压器和电驱动增压器，排气增压器与排 气膨胀器共轴而与电驱动增压器分开布置，两路进气管路经汇流管集中向燃料电 池堆供气。以上所述的方法虽然对燃料电池的输出功率起到了控制作用，但没提 到变压操作。 发明内容本发明提供一种燃料电池的变压操作方法（燃料电池节能方法)。通过空压 机在低压力下输入功率与燃料电池低压力下发出功率对比，采取空压机转速控制， 同时对燃料电池空气尾排节流来控制空压机的排气量及排气压力，实现燃料电池 在髙压力、高排气量的状态下输出髙功率，低压、低排气量的状态下输出低功的 燃料电池变压操作。本发明的技术方案是：一种燃料电池的变压操作方法，通过同时控制空压机转速及燃料电池空气尾 排孔的大小来控制空压机的排气量及排气压力，实»料电池在高压力、高排气 量的状态下输出髙功率，低压、低排气量的状态下输出低功率。所述燃料电池的变压操作具体步骤如下：(1) 先根据实际工况需要确定一组电池净输出功率；(2) 假定不同功率下的电流密度，根据空气利用率按40~50%计算出燃料电 池输出功率对应的进气量，测出某一工作压力下的实际电流密度、电池输出电压及电池输出功率，调整进气量使实际电流密度与假定值一致，测出电池输出电压 及电池输出功率，再改变工作压力，测出不同工作压力下、电流密度由小到大的对应的电池输出电压、电池输出功率的电池伏安特性曲线；(3) 模拟电池，测出空压机在不同排气压力下的排气量、消耗功率，排气量 为电池消耗量与尾气量的总和，再改变转速，测出不同转速下的空压机性能曲线;(4) 根据电池伏安特性曲线的最高、最低工作压力下的电池组工作电流密度 下燃料电池的进气量Q，电池输出电压V及电池输出功率Ps，查空压机特性曲线得出空压机消耗的功率Paux;(5) 计算出此时的净输出功率P^Ps"Paux，如果净输出功率过高或过低，需 调整工作压力或进气量，重新确定电池工作电流密度，确^M料电池进气量，直到净输出功率为预定值；(6) 在空压机特性曲线最髙、最低工作压力点连一直线，实现了燃料电池在 高压力、高排气i的状态下输出髙功率，低压、低排气量的状态下输出低功率；(7) 在两点（空压机怜性曲线最高、最低工作压力点）间根据工况需要取一 些点，分别查得此点的空压机排气量、排气压力、消耗功率、对应的转速，根据 气量对应的电池密度及工作压力查电池伏安特性曲线得出电池输出电压V及电池 输出功率Ps，计算出此时的净输出功率IH?s-P^;(8) 如果净输出功率大于预定值，在排气量不变的情况下，调小工作压力， 重新核定净输出功率，使净输出功率达到预定值；(9) 把最终确定的工作点连成一条曲线；(10) 通过变频控制空压机转速及空气尾排孔的大小控制燃料电池工作压力 与进气量；(11) 做出一条燃料电池在髙压力、髙排气量的状态下输出高功率，低压、 低排气量的状态下输出低功率的工作曲线，从而实现变压操作。空压机等熵理论功率formula see original document page 6n为转速ipm formula see original document page 7Ps :为压缩机的吸气压力MPa Vs :为折算到进口吸气状态下的体积m3 e:为压缩比 k:为气体的等熵指数 公式表明空压机的功率与单位时间内排气量、排气压力有关，当系统排气量大、排气压力高时，空压机功耗大，系统排气量小、排气压力低时，空压机功粍 小。本发明的有益效果是：1、 本发明通过采用变压操作方法，当负载变化大时，不但节省了燃料，而且 减少燃料电池操作成本，从而推动了燃料电池产业化的发展。2、 本发明对于燃料电池汽车发动机来说，当塞车或红灯时消耗很少的燃料。 附困说明图1为空压机在不同转速下的排气量与排气压力的特性曲线。图2为不同工作压力下、电流密度由小到大的对应的电池输出电压、电池输 出功率的电池伏安特性曲线。图3为本发明一个实施例用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器 结构示意图。图4为本发明 一个实施例变压操作曲线。具体实施方式如图1所示空压机在不同转速下的排气量与排气压力的特性曲线。转速不变时，排气i随排气压力下降而增加。曲线i为燃料电池系统的管特性曲线。空气尾排节流到某一定值时，空压机的转速为nl，排气量为vl，排气压力为pl，空压机输入功率为Paux;当电池输出功率减小，进入电池所需的空气量减小，空压机排气量随之减小时。空压机特性曲线不变（转速不变）的情况下，某些型式空压机可以釆取空气 尾排节流改变系统局部阻力系数，实质上改变管路特性曲线。由于管路局部阻力增大，燃料电池系统的管路特性曲线变陡，由曲线1移到曲线2，并与空压机性 能曲线nl相交，此时的排气量由vl减到v2,排气压力由pl增至p2,由排气量 减小厶V造成的功粍增1:为-AP1，由排气压力增加厶pl造成的功粍增量为AP2， 总的功耗增量为厶P，^厶P1+AP2，空压机的输入功率为P腿产P鹏-AP1+AP2。 由于减小气量的同时，压力升髙，需额外消粍一部分功，并且燃料电池的工作压 力不能无限升高，燃料电池系统一般不采用这种方式。当采取恒压操作时，此时操作压力不变仍为pl,通过变频控制空压机转速改变空压机特性曲线，通过空气尾排节流改变燃料电池管路特性曲线，转速由nl 降为n2，由于管路局部阻力增大，燃料电池系统的管路特性曲线变陡，燃料电池 系统的管路特性曲线由曲线l改为曲线3，此时空压机性能曲线n2与燃料电池系 统的管路特性曲线3相交，排气量由vl减到v2，由排气量减小Av造成的功絲 量为-APl，由排气压力造成的功耗增量为AP2为零，总的功耗增量为AP";APl，此时空压机的输入功率为Paux:TPaux-APl。当采取变压操作时，通过变频控制空压机转速改变空压机特性曲线，通过空气尾排节流改变燃料电池管路特性曲线，转速由nl降为n3,排气压力由pl减至 p3,由于管路局部阻力B^m增大，燃料电池系统的管路特性曲线«变陡，燃料 电池系统的管路特性曲线由曲线1改为曲线4，此时空压机性能曲线n3与燃料电 池系统的管路特性曲线1相交，此时的排气量减到v2，由排气量减小Av造成的 功耗增量为-APl，由排气压力造成的功耗增量为-AP3，总的功耗增量为AP"二△ P1-AP3,此时空压机的输入功率为P旭fP咖-厶Pl-AP3。由此看出：Paux3〈Paux2〈Pa^。从空压机的角度看出，釆用变压操作空压机 消耗的功率最低、最节能。下面比较恒压操作系统与变压操作系统电池的性能。图2为电池在不同压力 下的伏安特性曲线。恒压搡作^fKf，随着电池输出功率的增加，输出电流增加， 由于电池的的母内PJ及极化内M加，输出电压下降。当电池进气量为vl,系统 工作压力为pl时，电池输出的电压为U1，输出的电流为Il，输出的功率为Py,当系统工作压力降为p2时，电池输出的电压降为Ul,输出的电流降为Il，输出的功率降为P^，由于Ps,〉P32,即恒压操作比变压操作输出的功率高。根据公式辅助系统效率为7。M =^^=1-^ ，变压操作与恒压操作相比较，虽然变压操作辅助系统消耗的功率Paux减少的同时电池输出功率Ps将有所减\n少，但实验证明Paux比Ps减少的更多，，将增加，辅助系统效率l将提高，并且随着电池输出功率的减少幅度加大，当负载经常发生变化的情况下，变压操 作总输出功率比恒压操作小，节省了燃料。 变压操作具体实施办法如下：1、 先根据实际工况需要确定一组电池净输出功率。2、 根据以往经验，假定不同功率下的电流密度，根据空气利用率(按4(^50%) 计算出燃料电池输出功率对应的进气量，测出某一工作压力下的实际电流密度、 电池输出电压及电池输出功率。调整进气量使实际电流密度与假定值一致，测出 电池输出电压及电池输出功率。再改变工作压力，测出不同工作压力下、电流密 度由小到大的对应的电池输出电压、电池输出功率的电池^犬安特性曲线，如图2。3、 模拟电池，测出空压机在不同排气压力下的排气量（电池消耗量与尾气量 的总和)、消耗功率，再改变转速，测出不同转速下的空压机性能曲线，如图l。4、 根据电池伏安怜性曲线的最髙、最低工作压力下的电池组工作电流密度下 燃料电池的进气量Q，电池输出电压V及电池输出功率Ps,查空压机特性曲线得 出空压机消耗的功率Paux (考虑除空压机外辅助系统消耗的功率）。5、 计算出此时的净输出功率P^Ps-P皿，如果净输出功率过高或过低，需调 整工作压力或进气量，重新确定电池工作电流密度，确定燃料电池进气量，直到 净输出功率为预定值。6、 然后在图1空压机铮性曲线最高、最低工作压力点连一直线，基本实现了 燃料电池在高压力、髙排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输 出低功率。7、 在两点间根据工况需要取一些点，分别查得此点的空压机排气量、排气压 力、消耗功率，对应的转速。根据气量对应的电池密度及工作压力查电池伏安特 性曲线得出电池输出电压V及电池输出功率Ps,计算出此时的净输出功率P^Ps-Paux;8、 如果净输出功率大于预定值，在排气量不变的情况下，调小工作压力，重 新核定净输出功率，使净输出功率达到预定值。9、 把最终确定的工作点连成一条曲线，如图l中曲线l。10、 通过变频控制空压机转速及空气尾排孔的大小控制燃料电池工作压力与\n进气量。11、从而做出一条燃料电池在髙压力、髙排气量的状态下输出高功率，低压、 低排气量的状态下输出低功率的工作曲线。如图3所示，用于燃料电池发动机系统的数字式变压搡作执行器，执行器包 括第一电磁阀进口支管1、连接电池出口管2、第一电磁阀3、电磁阀进口总管4、 第二电磁阀进口支管5、第二电磁阀6、第三电磁阀进口支管7、第三电磁阀8、 第三限流孔9、第三电磁阀出口支管10、电磁阀出口总管ll、第二限流孔12、第 二电磁阀出口支管13、第一限流孔14、第一电磁阀出口支管15、连通大气管16， 与电磁阀进口总管4相连的连接电池出口管2分三路，第一路经第一电磁阀进口 支管l、第一电磁阀3、第一限流孔14至第一电磁阀出口支管15，第二路经第二 电磁阀进口支管5、第二电磁阀6、第二P艮流孔12至第二电磁阀出口支管13,第 三路经第三电磁阀进口支管7、第三电磁阀8、第三限流孔9至第三电磁阀出口支 管10，第一电磁阀出口支管15、第二电磁阀出口支管13、第三电磁闳出口支管 IO汇成电磁阀出口总管11，电磁阀出口总管11与大气相通。上述结构通过优化三个带限流孔的阀排列组合成7种组合开关状态，使空气 尾排形成7个由小到大的局部阻力系数把燃料电池分为7个工作点，这7种状态 下空压机有固定的转速，从而实«料电池工作压力及排气量由低到高的数字化 调节，为燃料电池的变压搡作提供了可实施方案。变压搡作具体实施办法如下：1、 在空压机的输出端设置数字式变压操作执行器，基朱原则为燃料电池在高 压力、高排气量的状态下输出髙功率，低压、低排气量的状态下输出低功率。2、 根据实际工况的系统净输出功率、电池伏安特性曲线、空压机性能曲线找 出最高、最低工作点的燃料电池工作压力p，进气量v,电池输出功率，输出电压、 输出电流、空压机消耗的功率。3、 根据一个实例表1所测得的空压机数据整理成如下模型，模型中的具体系 数可根据实际系统运行数据回归得出：函数关系式l V- oc xp函数关系式2 p= p xv函数关系式3 N= Y x pa x vb符号说明：v:气量（m3/hr)P:电堆功率（kW)p:系统压力（MPa)N:空压机转速（rpm) Y、 ot、 p、 a 、 b:函数回归系数4、 在空压机的输出端设置具有三个开关电磁阀及P艮流板的执行器，通过三个 阀开关状态不同组合成7档操作条件。5、 燃料电池的中央处理器（ECU)根据上述模型（函数关系）预测当发动 机需要发出某一功率P时的系统所需的空气流量v、系统压力p,并根据这样的 预测计算出所需空压机转速N及每个阀的开关状态，有效的控制空压机的排气量 v,即控制了燃料电池的进气量及工作压力。6、 其中一个实例工作状态如图4，从而实现了燃料电池发动机系统的数字式 变压操作。表l 150KW空压机性能标定table see original document page 11\n

序号	公开(公告)号	公开(公告)日	申请日	专利名称	申请人
1	CN1339180A	2002-03-06	2000-01-18	用于调节燃料电池组功率的装置和方法无效专利	西门子公司
2	CN2567791Y	暂无	2002-09-06	燃料电池发动机复合式增压空气供给装置失效专利	清华大学
3	US6093502A	暂无	1998-10-28	Fuel cell with selective pressure variation and dynamic inflection有效专利	Charles M. Carlstrom; Jr.;William B. Maynard
4	CN1536699A	2004-10-13	2003-04-08	燃料电池组的控制装置及方法有效专利	亚太燃料电池科技股份有限公司

序号	公开(公告)号	公开(公告)日	申请日	专利名称	申请人
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