CN102163731A - 具有自由轮膨胀机的压缩机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有自由轮膨胀机的压缩机系统。公开了一种燃料电池系统，其采用膨胀机以从燃料电池系统所产生的阴极废气流体回收机械能，以产生扭矩。膨胀机通过自由轮装置联接到压缩机的轴，其中自由轮机构在膨胀机的驱动轴的旋转速率大于压缩机的轴的旋转速率时将扭矩从膨胀机传递至压缩机；以及在膨胀机的驱动轴的旋转速率大致等于或小于压缩机的轴的旋转速率时选择性地防止膨胀机用作限制器。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及包括联接到自由轮膨胀机的压缩机的燃料电池系统。
背景技术
氢是清洁的燃料且可用于在燃料电池系统中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质膜在阳极和阴极之间。阳极接收反应物（例如，氢气）且阴极接收氧化剂（例如，氧或空气）。氢气在阳极分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质膜到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质膜，且因而在输送至阴极之前被引导通过其它燃料电池系统部件。通常，多个燃料电池在燃料电池堆中组合，以用作能量源并且产生用于系统（例如，车辆）的期望功率。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些氧气作为阴极废气流体输出，所述阴极废气流体可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。
氧通过压缩机供应给燃料电池系统。压缩机通常由电机驱动，所述电机使用由燃料电池系统产生的能量的一部分。因此，未优化燃料电池系统的效率。
期望生产一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括联接到自由轮膨胀机的压缩机，其中膨胀机辅助电机来驱动压缩机并且优化燃料电池系统的效率。
自由轮膨胀机的优势在于，膨胀机可在宽泛流量和压力范围内辅助压缩机而不需要例如诸如致动器（例如，废气阀、可变涡轮几何结构）的附加部件。自由轮膨胀机是用于改善燃料电池系统效率的简易、成本效率高、自调节的机构。
发明内容
根据本发明且与本发明相一致，令人惊奇地发现一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括联接到自由轮膨胀机的压缩机，其中膨胀机辅助电机驱动压缩机并且优化燃料电池系统的效率。
在一个实施例中，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；以及自由轮机构，所述自由轮机构联接到压缩机和膨胀机，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器。
在另一实施例中，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机包括轴、入口和出口，其中所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机的轴，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；以及自由轮机构，所述自由轮机构包括驱动座圈、设置在驱动座圈中的从动座圈、以及设置在其间的至少一个扭矩传递元件，所述驱动座圈联接到膨胀机的轴且从动座圈联接到压缩机的轴，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中扭矩传递元件防止膨胀机用作压缩机的限制器。
在又一实施例中，一种操作燃料电池系统的方法，包括以下步骤：提供燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；提供用于压缩第一流体的压缩机，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；提供联接到压缩机的膨胀机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通；提供自由轮机构，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器；以及使得第二流体流动通过膨胀机以从其回收机械能并且产生扭矩以向压缩机提供动力。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；
压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；
膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；和
自由轮机构，所述自由轮机构联接到压缩机和膨胀机，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器。
2. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，膨胀机联接到压缩机的轴，以当膨胀机的轴的旋转速率大于压缩机的轴的旋转速率时沿第一方向推动压缩机的轴。
3. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，自由轮联接到膨胀机的轴，以当膨胀机的轴的旋转速率处于大致等于和小于压缩机的轴的旋转速率中的至少一种时防止膨胀机的轴逆向驱动。
4. 根据方案1所述的燃料电池系统，还包括热交换器，所述热交换器设置在压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通。
5. 根据方案4所述的燃料电池系统，其中，热交换器与膨胀机的入口流体连通。
6. 根据方案4所述的燃料电池系统，还包括湿化器，所述湿化器设置在热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通。
7. 根据方案6所述的燃料电池系统，其中，所述湿化器设置在燃料电池堆的阴极的出口和热交换器的入口之间并且与燃料电池堆的阴极的出口和热交换器的入口流体连通。
8. 根据方案1所述的燃料电池系统，还包括电机，所述电机联接到压缩机以向其提供动力。
9. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，第一流体是氧化剂。
10. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，第二流体是阴极废气流体。
11. 一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；
压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机包括轴、入口和出口，其中所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；
膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机的轴，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；和
自由轮机构，所述自由轮机构包括驱动座圈、设置在驱动座圈中的从动座圈、以及设置在驱动座圈和从动座圈之间的至少一个扭矩传递元件，所述驱动座圈联接到膨胀机的轴且从动座圈联接到压缩机的轴，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中扭矩传递元件防止膨胀机用作压缩机的限制器。
12. 根据方案11所述的燃料电池系统，其中，膨胀机联接到压缩机的轴，以当膨胀机的轴的旋转速率大于压缩机的轴的旋转速率时沿第一方向推动压缩机的轴。
13. 根据方案11所述的燃料电池系统，其中，自由轮联接到膨胀机的轴，以当膨胀机的轴的旋转速率处于大致等于和小于压缩机的轴的旋转速率中的至少一种时防止膨胀机的轴逆向驱动。
14. 根据方案11所述的燃料电池系统，还包括热交换器，所述热交换器设置在压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通，其中热交换器还与膨胀机的入口流体连通。
15. 根据方案14所述的燃料电池系统，还包括湿化器，所述湿化器设置在热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通，其中所述湿化器还与燃料电池堆的阴极的出口和热交换器的入口流体连通。
16. 根据方案11所述的燃料电池系统，还包括电机，所述电机联接到压缩机以沿第一方向推动压缩机的轴并且向压缩机提供动力。
17. 一种操作燃料电池系统的方法，包括以下步骤：
提供燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；
提供用于压缩第一流体的压缩机，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；
提供联接到压缩机的膨胀机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通；
提供自由轮机构，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器；以及
使得第二流体流动通过膨胀机以从其回收机械能并且产生扭矩以向压缩机提供动力。
18. 根据方案17所述的方法，还包括步骤：提供热交换器，所述热交换器设置在压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通；提供湿化器，所述湿化器设置在热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通；以及提供电机，所述电机联接到压缩机以向其提供动力。
19. 根据方案17所述的方法，其中，第一流体是氧化剂。
20. 根据方案17所述的方法，其中，第二流体是阴极废气流体。
附图说明
本发明的前述优势以及其它优势从优选实施例的下述详细说明结合附图考虑时将显而易见，在附图中：
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意流图；以及
图2是图1中所述的燃料电池系统的自由轮机构的示意图。
具体实施方式
下述详细说明和附图描述并阐述了本发明的示例性实施例。该说明和附图用于使得本领域技术人员能够实现并使用本发明，且决不旨在限制本发明的范围。在所公开的方法中，所示的步骤本质上是示例性的，且因此步骤的顺序不是必要或关键的。
图1描述了根据本发明实施例的燃料电池系统10。燃料电池系统10包括与燃料电池堆14流体连通的压缩机12。在所示的实施例中，压缩机12是电机驱动式压缩机。要理解的是，压缩机12可以是根据需要压缩流体的任何装置，例如离心空气压缩机、涡轮机、离心压缩机、混合流压缩机、鼓风机和风扇。电机18和自由轮膨胀机20均联接到压缩机12的旋转轴19。电机18和膨胀机20在第一方向上推进轴19，以驱动压缩机12。要理解的是，电机18根据需要可以是任何常规电机，例如电动马达。
膨胀机20通过自由轮机构（单向离合器机构）或超控离合器22联接到轴19。要理解的是，自由轮机构22根据需要可以是任何自由轮机构。还要理解的是，在需要时，电机18也可通过自由轮机构或超控离合器（未示出）联接到轴19。自由轮机构22允许膨胀机20的轴23在其旋转速率大致等于或小于压缩机12的轴19的旋转速率时独立地旋转。因此，自由轮机构22选择性地防止膨胀机20用作轴19的限制器，并且限制压缩机12的效率。当膨胀机20的轴23的旋转速率大于压缩机12的轴19的旋转速率时，自由轮机构22允许膨胀机20选择性地沿第一方向推进轴19。因此，膨胀机20向轴19增加动力并且减少对于电机18向压缩机12供应动力的要求。
如图2所示，自由轮机构22包括具有大致圆筒形状的驱动座圈100。要理解的是，驱动座圈100根据需要可具有任何形状和尺寸。驱动座圈100联接到膨胀机20的轴23。要理解的是，驱动座圈100可根据需要通过任何方法联接到膨胀机20。自由轮机构22还包括从动座圈102，所述从动座圈与驱动座圈100同心并且布置在驱动座圈100中。从动座圈102具有大致圆筒形状，但是应当理解的是，从动座圈102根据需要可具有任何形状和尺寸。从动座圈102包括在其中形成的中心孔104，以接收压缩机12的轴19。孔104的表面可包括在其中形成的至少一个凹槽106。轴19通常通过锁定机构（未示出）紧固到从动座圈内，所述锁定机构例如为花键或齿的阵列、带键的棒等等，其与在孔104的表面中形成的至少一个凹槽106协同工作。
扭矩传递元件108的阵列设置在驱动座圈100与从动座圈102之间。每个扭矩传递元件108包括配置有型面的锁定部分（未示出）。当从动座圈102在以箭头110示出的第一方向上的旋转速率小于驱动座圈100在以第二箭头112示出的第二方向上的旋转速率时，锁定部分楔入驱动座圈100与从动座圈102之间，从而允许扭矩从驱动座圈100传递至从动座圈102。扭矩传递元件108的锁定部分根据需要通过任何方法（例如，在锁定部分的重心处施加力、采用推动机构（例如，弹簧）等等）接合。然而，当驱动座圈100的旋转速率大致等于或小于从动座圈102的旋转速率时，扭矩传递元件108的锁定部分不接合，且因此不将扭矩从从动座圈102传递至驱动座圈100。因此，自由轮机构22的从动座圈102超控，并且防止膨胀机20的轴23的逆向驱动。自由轮机构22允许通过电机20、或通过膨胀机20、或者通过电机20和膨胀机20两者来驱动压缩机12，而不需要燃料电池系统10的进一步修改以及不采用附加控制。
压缩机12的入口12a通过管道28与用于存储氧化剂的氧化剂源24流体连通。氧化剂源24通常是空气源，例如气罐或大气。压缩机12的出口12b与阀31流体连通。如所示的，阀31设置在压缩机的再循环管道27中。然而，可使用其它配置。阀31控制至燃料电池堆14的氧化剂流量，并且防止压缩机12的冲击。在打开位置，阀31减少至燃料电池堆14的氧化剂流量并且增加来自于压缩机12的氧化剂流量。例如，阀31在燃料电池系统10的低功率操作状态下（即，当燃料电池堆14希望的氧化剂体积小于压缩机12所产生的最小氧化剂体积时）处于打开位置。在另一示例中，阀31在从燃料电池堆14的高功率操作状态过渡至燃料电池堆14的低功率操作状态时（即，当燃料电池堆14期望的氧化剂体积快速降低时）处于打开位置。在又另一实施例中，阀31在燃料电池堆14期望氧化剂流量比的压力大于可由压缩机12产生的流量比的压力时处于打开位置。
压缩机12的出口12b还通过管道28与热交换器30的第一入口30a流体连通。热交换器30在发动时以及在燃料电池堆14的低功率操作状态期间加热氧化剂、并且在燃料电池堆14的中等功率和高功率操作状态期间冷却氧化剂。要理解的是，可根据需要采用任何常规热交换器，例如外壳或管件热交换器、板式热交换器、空气冷却热交换器等等。除了第一入口30a以外，热交换器30还包括第一出口30b、第二入口30c和第二出口30d。第二出口30d通过管道28与膨胀机20的入口20a流体连通。热交换器30的第一出口30b通过管道28与湿化器32的第一入口32a流体连通。
在所示的实施例中，湿化器32是适于在氧化剂进入到燃料电池堆14中之前湿化氧化剂的水蒸气传输单元。要理解的是，湿化器32根据需要可以是任何湿化器。湿化器32包括由水蒸气可渗透膜分离的干侧和湿侧。干侧包括第一入口32a和第一出口32b，湿侧包括第二入口32c和第二出口32d。湿化器32的第二出口32d通过管道28与热交换器30的第二入口30c流体连通。第一出口32b通过管道28与燃料电池堆14的第一入口14a流体连通。
燃料电池堆14通常包括阴极、阳极和膜（燃料电池）的堆叠体，如上所述。要理解的是，燃料电池堆14中燃料电池的数量可以变化。燃料电池堆14的每个燃料电池具有由导电双极板（未示出）分离的一对MEA（未示出）。MEA和双极板在夹持板或端板（未示出）与端部接触元件（未示出）之间被堆叠在一起。
燃料电池堆14还包括第一出口14b、第二入口14c、和第二出口14d。要理解的是，燃料电池堆14中入口和出口的数量可基于例如使用的燃料电池堆的尺寸、燃料电池堆14所需的出口能量的量、以及其它设计因素而变化。第一出口14b通过管道28与湿化器32的第二入口32c流体连通。要理解的是，第一出口14b可根据需要与大气、其它燃料电池堆（未示出）、或其它系统部件流体连通。第二入口14c通过管道28与用于存储燃料的燃料源38流体连通。燃料源38通常是氢气源，例如燃料罐。第二出口14d与大气流体连通。要理解的是，第二出口14d可根据需要与排气系统或其它系统部件流体连通。
如所示的，燃料电池堆14包括第三入口14e，其与流体回收系统40的第一出口40b流体连通。流体回收系统40的入口40a通过管道28与膨胀机20的出口20b流体连通。流体回收系统40适于从阴极废气流体中回收水。流体回收系统40通常包括冷凝器（未示出）、流体贮存器（未示出）和泵（未示出）。流体回收系统40的第二出口40c与大气流体连通。要理解的是，流体回收系统40可根据需要包括其它系统部件。
在使用时，氧化剂被使得从氧化剂源24通过管道28流动到压缩机12的入口12a。在压缩机12中，氧化剂的体积减少，藉此增加其压力和温度。然后，氧化剂被使得从压缩机12的出口12b通过管道28流动到热交换器30的入口30a。在热交换器30中，取决于燃料电池堆14的操作状态，氧化剂被加热或冷却至期望温度。然后，调节的氧化剂被使得从热交换器30的出口30b通过管道28流动到湿化器32的干侧的第一入口32a。
在所示的实施例中，诸如空气的潮湿流体和阴极废气流体被使得流动通过湿化器32的湿侧。一起地，潮湿流体和阴极废气流体的水分含量比流经干侧的氧化剂的水分含量更高。来自于潮湿流体和阴极废气流体的水蒸气通过湿化器32的膜传送至流经其中的氧化剂。于是，该潮湿、调节的氧化剂被使得从湿化器32的第一出口32b通过管道28流动至燃料电池堆14的第一入口14a。
在与氧化剂被使得流动至燃料电池堆14的同时，燃料被使得从燃料源38通过管道28流动至燃料电池堆14的第二入口14c。在燃料电池堆14中，潮湿、调节的氧化剂与燃料电化学反应，以产生电功率输出、热量、阳极废气流体、阴极废气流体以及其它反应副产物（例如，水）。于是，阳极废气流体通过第二出口14d排通到大气。可选地，阳极废气流体根据需要可在排通至大气之前流动通过排出系统。来自于燃料电池堆14的阴极废气流体被使得流动通过第一出口14b、通过管道28、到达湿化器32的第二入口32c。
在传输湿化器32中的水蒸气之后，阴极废气流体被使得流动通过第二出口32d、通过管道28、到达热交换器30的第二入口30c。在热交换器30中，阴极废气流体接收来自氧化剂的热能或者向热交换器30中的氧化剂提供热能，这取决于燃料电池系统10的操作状况。然后，阴极废气流体被使得流动通过热交换器30的第二出口30d、通过管道28、到达膨胀机20的入口20a。膨胀机20从阴极废气流体回收机械能，并且产生扭矩以驱动压缩机12的轴19。
在所示的实施例中，然后，阴极废气流体被使得流动通过膨胀机20的出口20b、通过管道28、到达流体回收系统40的入口40a。在流体回收系统40中，来自阴极废气流体的任何剩余水被回收，用于通过燃料电池堆14循环。然后，阴极废气流体被使得流动通过流体回收系统40的第二出口40c、通过管道28、到达大气。可选地，在需要时，阴极废气流体可在排通到大气或到其它系统部件之前流动通过排出系统（未示出）。然后，回收水被使得流动通过第一出口40b、通过管道28、到达燃料电池堆。
前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种讨论和附图以及权利要求将容易认识到：可以对本文进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；
压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；
膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；和
自由轮机构，所述自由轮机构联接到压缩机和膨胀机，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，膨胀机联接到压缩机的轴，以当膨胀机的轴的旋转速率大于压缩机的轴的旋转速率时沿第一方向推动压缩机的轴。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，自由轮联接到膨胀机的轴，以当膨胀机的轴的旋转速率处于大致等于和小于压缩机的轴的旋转速率中的至少一种时防止膨胀机的轴逆向驱动。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括热交换器，所述热交换器设置在压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与压缩机的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，热交换器与膨胀机的入口流体连通。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，还包括湿化器，所述湿化器设置在热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口之间并且与热交换器的出口和燃料电池堆的阴极的入口流体连通。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述湿化器设置在燃料电池堆的阴极的出口和热交换器的入口之间并且与燃料电池堆的阴极的出口和热交换器的入口流体连通。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括电机，所述电机联接到压缩机以向其提供动力。
9.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；
压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机包括轴、入口和出口，其中所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；
膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机的轴，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；和
自由轮机构，所述自由轮机构包括驱动座圈、设置在驱动座圈中的从动座圈、以及设置在驱动座圈和从动座圈之间的至少一个扭矩传递元件，所述驱动座圈联接到膨胀机的轴且从动座圈联接到压缩机的轴，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中扭矩传递元件防止膨胀机用作压缩机的限制器。
10.一种操作燃料电池系统的方法，包括以下步骤：
提供燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；
提供用于压缩第一流体的压缩机，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；
提供联接到压缩机的膨胀机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通；
提供自由轮机构，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器；以及
使得第二流体流动通过膨胀机以从其回收机械能并且产生扭矩以向压缩机提供动力。
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