專利名稱:采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)屬于車用燃料電池空氣系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆和空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)組成?？諝庀到y(tǒng)向燃料電池堆供應(yīng)具有一定壓力和濕度的空氣，是燃料電池系統(tǒng)的重要組成部分?？諝庀到y(tǒng)的性能對燃料電池系統(tǒng)的效率、體積、重量和響應(yīng)速度等均具有重要影響。
空氣系統(tǒng)的核心部件空壓機(jī)是整個燃料電池系統(tǒng)的主要耗能部件。目前主要采用的旋渦式鼓風(fēng)機(jī)和螺桿式空壓機(jī)效率較低，消耗功率約占燃料電池堆輸出功率的12％~20％，對燃料電池系統(tǒng)效率影響較大。目前采用的空壓機(jī)在體積、重量、響應(yīng)速度方面也與車用動力要求差距較大。
渦輪空壓機(jī)具有效率高、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好滿足車用動力的要求，在車用增壓內(nèi)燃機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。由于車用燃料電池系統(tǒng)的流量范圍較寬，現(xiàn)有的渦輪空壓機(jī)小流量工作穩(wěn)定性差，較難滿足其全工況流量要求，因此無法直接應(yīng)用于車用燃料電池的空氣系統(tǒng)。國內(nèi)外對渦輪空壓機(jī)應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了不少研究，主要是從部件角度出發(fā)，致力于提高渦輪空壓機(jī)的流量范圍。
發(fā)明目的本發(fā)明針對現(xiàn)有渦輪空壓機(jī)無法直接應(yīng)用于燃料電池空氣系統(tǒng)的問題，從系統(tǒng)角度出發(fā)，提出一種采用渦輪空壓機(jī)的燃料電池空氣系統(tǒng)方案，采用現(xiàn)有渦輪空壓機(jī)滿足車用燃料電池系統(tǒng)全工況寬流量范圍工作要求。
本發(fā)明含有空氣過濾器(1)，空氣加濕器(13)，其特征在于，在所述空氣過濾器(1)和空氣加濕器(13)之間有一個渦輪空壓機(jī)(3)，在所述渦輪空壓機(jī)(3)的出口端和空氣加濕器(13)的濕空氣出口端之間連接一根旁通管道，在所述旁通管道上裝有一個電動控制閥(12)；在所述渦輪空壓機(jī)(3)的入口端安裝一個空氣流量計(2)，其信號輸出端連接燃料電池系統(tǒng)控制單元(7)，在所述渦輪空壓機(jī)(3)的電控信號端口連接一個變頻器(5)的信號輸入輸出端口，該變頻器(5)的另一個信號輸入輸出端口連接所述燃料電池系統(tǒng)控制單元(7)，所述電動控制閥(12)的控制信號輸入端連接所述燃料電池系統(tǒng)控制單元(7)。
試驗(yàn)證明，經(jīng)過本發(fā)明對渦輪空壓機(jī)和燃料電池空氣的配合設(shè)計，使得現(xiàn)有渦輪空壓機(jī)能夠滿足車用燃料電池系統(tǒng)全工況寬流量范圍工作的要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。
圖1為采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
各標(biāo)號含義為1—空氣過濾器，2—空氣流量計，3—渦輪空壓機(jī)，4—空氣流量信號，5—變頻器，6—空壓機(jī)轉(zhuǎn)速輸入/輸出信號，7—系統(tǒng)控制單元，8—負(fù)載功率輸入信號，9—控制閥開度信號，11—被壓閥，12—電動控制閥，13—空氣加濕器，14—燃料電池堆，17—汽水分離器，10、15、16、18—空氣管道。
具體實(shí)施方式本發(fā)明的特征在于，在空氣過濾器1和空氣加濕器13之間有一個渦輪空壓機(jī)3，在渦輪空壓機(jī)3的出口端和空氣加濕器13的濕空氣出口端之間連接一根旁通管道，在旁通管道上裝有一個電動控制閥12；在所述渦輪空壓機(jī)3的入口端安裝一個空氣流量計2，其信號輸出端連接燃料電池系統(tǒng)控制單元7，在渦輪空壓機(jī)3的電控信號端口連接一個變頻器5的信號輸入輸出端口，該變頻器5的另一個信號輸入輸出端口連接燃料電池系統(tǒng)控制單元7，電動控制閥12的控制信號輸入端連接燃料電池系統(tǒng)控制單元7。
結(jié)合圖1進(jìn)一步說明，空氣過濾器1、空氣加濕器13、汽水分離器17、被壓閥19都按照車用燃料電池空氣系統(tǒng)的常規(guī)連接方法，本發(fā)明的特點(diǎn)在于，在空氣加濕器13的入口處增加了渦輪空壓機(jī)3，渦輪空壓機(jī)3的出口端和空氣加濕器13的濕空氣出口端之間連接一根旁通管道10，上面裝有一個電動控制閥12；通過電動控制閥12的調(diào)節(jié)，可以使空壓機(jī)運(yùn)行在安全工作的最小流量邊界。電動控制閥12的調(diào)節(jié)量是根據(jù)燃料電池系統(tǒng)控制單元7給出的信號確定的。該信號的確定由控制單元7根據(jù)空氣流量計2輸入的空氣流量4、變頻器5輸入的渦輪空壓機(jī)轉(zhuǎn)速6，以及燃料電池系統(tǒng)輸入的負(fù)載功率信號8，經(jīng)過優(yōu)化處理而得到，因此，在所述渦輪空壓機(jī)3的入口端安裝一個空氣流量計2，其信號輸出端連接燃料電池系統(tǒng)控制單元7，在渦輪空壓機(jī)3的電控信號端口連接一個變頻器5，該變頻器5具有兩個輸入輸出端口，其中一個連接渦輪空壓機(jī)3，另一個連接燃料電池系統(tǒng)控制單元7，變頻器5可以將渦輪空壓機(jī)3的轉(zhuǎn)速值輸出給控制單元7，也可以將執(zhí)行控制單元7發(fā)出的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)命令。系統(tǒng)中，空氣流量計采用奧眾AZ280 218 471空氣流量計，該流量計能夠精確測量空氣流量，且能將空氣流量轉(zhuǎn)化為電信號輸出。電動調(diào)節(jié)閥采用深圳潤川公司的DN15-300電動調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥能夠根據(jù)外部輸入信號，調(diào)節(jié)閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)控制空氣流量大小的目的。變頻器采用keb combivert f5-m變頻器。
系統(tǒng)的工作過程如下1、控制閥12初始為關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)控制單元7可以根據(jù)輸入的流量信號4和空壓機(jī)轉(zhuǎn)速信號6判斷渦輪式空壓機(jī)3的狀態(tài)(是否運(yùn)行穩(wěn)定，是否接近喘振邊界)；
2、燃料電池系統(tǒng)通過信號線8向系統(tǒng)控制單元7發(fā)送負(fù)載功率信號；3、系統(tǒng)控制單元根據(jù)輸入的負(fù)載功率信號和流量計反饋信號，通過變頻器調(diào)節(jié)渦輪式空壓機(jī)3的轉(zhuǎn)速，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行空氣流量要求；4、當(dāng)燃料電池系統(tǒng)小負(fù)荷運(yùn)行，空壓機(jī)運(yùn)行到接近喘振邊界，僅調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速不能滿足系統(tǒng)需求時，打開控制閥12，同時調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和控制閥開度，使空壓機(jī)始終運(yùn)行在安全工作的最小流量邊界，并滿足系統(tǒng)負(fù)載功率輸出需求。
權(quán)利要求
1.采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)，含有空氣過濾器(1)，空氣加濕器(13)，其特征在于，在所述空氣過濾器(1)和空氣加濕器(13)之間有一個渦輪空壓機(jī)(3)，在所述渦輪空壓機(jī)(3)的出口端和空氣加濕器(13)的濕空氣出口端之間連接一根旁通管道，在所述旁通管道上裝有一個電動控制閥(12)；在所述渦輪空壓機(jī)(3)的入口端安裝一個空氣流量計(2)，其信號輸出端連接燃料電池系統(tǒng)控制單元(7)，在所述渦輪空壓機(jī)(3)的電控信號端口連接一個變頻器(5)的信號輸入輸出端口，該變頻器(5)的另一個信號輸入輸出端口連接所述燃料電池系統(tǒng)控制單元(7)，所述電動控制閥(12)的控制信號輸入端連接所述燃料電池系統(tǒng)控制單元(7)。
2.如權(quán)利要求
1所述的采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣流量計(2)采用奧眾AZ280 218 471空氣流量計。
3.如權(quán)利要求
1所述的采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)，其特征在于，所述電動調(diào)節(jié)閥(12)采用DN15-300電動調(diào)節(jié)閥。
4.如權(quán)利要求
1所述的采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)，其特征在于，所述變頻器(5)采用keb combivert f5-m變頻器。
專利摘要
采用渦輪空壓機(jī)的車用燃料電池空氣系統(tǒng)屬于車用燃料電池空氣系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域：
。其特征在于，在空氣過濾器和空氣加濕器之間有一個渦輪空壓機(jī)，在渦輪空壓機(jī)的出口端和空氣加濕器的濕空氣出口端之間連接一根旁通管道，在旁通管道上裝有一個電動控制閥；在渦輪空壓機(jī)的入口端安裝一個空氣流量計，其信號輸出端連接燃料電池系統(tǒng)控制單元，在渦輪空壓機(jī)的電控信號端口連接一個變頻器的信號輸入輸出端口，該變頻器的另一個信號輸入輸出端口連接燃料電池系統(tǒng)控制單元，電動控制閥的控制信號輸入端連接燃料電池系統(tǒng)控制單元。本發(fā)明使得現(xiàn)有渦輪空壓機(jī)能夠滿足車用燃料電池系統(tǒng)全工況寬流量范圍工作的要求。
文檔編號B60L11/18GK1996654SQ200610169818
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日
發(fā)明者張揚(yáng)軍, 韓永杰, 諸葛偉林, 鄭新前, 汪茂海 申請人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan