CN108252760A - 发电机、包括该发电机的燃料电池氢能回收系统及汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发电机，包括外壳体，还包括贯穿该外壳体的管路；在所述管路中，设有一叶轮，所述叶轮的轴向上设有转轴；所述转轴轴向贯穿所述管路，可转动的固定于所述外壳体内壁；在所述转轴轴上，对称于所述管路分别固定安装一永磁转子；在所述外壳体的内壁，贴合有与其壳体轮廓所匹配的定子铁芯，所述定子铁芯内嵌缠绕线圈。对应还提供了包括该发电机的燃料电池氢能回收系统及汽车。当发电机被安装在氢气管路中时，叶轮的转动可以对高压氢气进行泄压，从而省去了一个减压部件。节约了经济、维护成本。另一方面，还可将高压氢气的压力能进行回收，转化为电能加以应用，提高燃料电池系统效率，降低能源损失。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种气动永磁发电机、包括该发电机的燃料电池氢能回收系统及汽车。
背景技术
随着环境问题日益被重视，国家大力发展清洁能源，氢能燃料电池产业飞速发展，燃料电池汽车开始逐渐进入规模化示范运行。现有燃料电池汽车，通常采用高压碳纤维氢气瓶组作为供氢系统，氢气充装前，需要先经过加压，加压过程中会消耗大量的电能。充装高压氢气后，在氢气使用之前，需要先经过两级减压，将高压氢气减压至合适的压力范围，才能进入电堆发生电化学反应。在普通减压阀减压过程中，高压氢气蕴含的大量压力能得到释放，没有进行有效回收利用，造成能源浪费。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种发电机。当发电机被安装在氢气管路中时，叶轮的转动可以对高压氢气进行泄压，从而省去了一个泄压部件。减少了管路中的器件，节约了经济、维护成本。另一方面，还可将高压氢气的压力进行回收，转化为电能加以应用，提高燃料电池系统效率，降低能源损失。
为实现上述发明目的，发电机包括外壳体，还包括贯穿该外壳体的管路；
在所述管路中，设有一叶轮，所述叶轮的轴向上设有转轴；
所述转轴轴向贯穿所述管路，可转动的固定于所述外壳体内壁；
在所述转轴轴上，对称于所述管路分别固定安装一永磁转子；
在所述外壳体的内壁，贴合有与其壳体轮廓所匹配的定子铁芯，所述定子铁芯内嵌缠绕线圈。
其中，在所述管路的两个端口，分别连接有高压快速接头；
所述高压快速接头包括公头和/或母头。
由上，在使用时，通过高压快速接头将气动永磁发电机连接于氢气供气管路中，从而实现气动永磁发电机与氢气供气管路的快速插接。相比于焊接或法兰等插接方式，采用高压快速接头可以大大加快气动永磁发电机的安装效率。
其中，在所述外壳体内壁上设有固定支架，所述固定支架中间设有圆形通孔；
所述转轴的两个端部分别连接一转珠轴承，所述转珠轴承内嵌安装于所述圆形通孔处。
由上，采用转珠轴承，一方面可以固定轴承，又使得转轴高速转动时摩擦力最小，减少热量的生成与聚集，不产生任何电火花。
其中，所述缠绕线圈的表面覆盖有一层绝缘塑料。
由上，绝缘塑料可以防止缠绕线圈的电流外漏。
其中，所述缠绕线圈的输出端连接一整流器。
由上，由于气动永磁发电机发的电是交流电，不能直接被空压机等用电设备使用，也不能直接为锂电池充电，需要先经过整流器整流，整流器将发出的交流电进行整流转换。
对应还包括一种燃料电池氢能回收系统，包括上述的发电机；
所述系统包括氢气供应子系统、空气供应子系统和供电子系统；
所述氢气供应子系统至少包括以下依次连接的：高压氢气瓶组、气动永磁发电机、减压阀，最终连接至燃料电池电堆的氢气入口；
空气供应子系统至少包括以下依次连接的：空气过滤器、空压机、中冷器、加湿器，最终连接至燃料电池电堆的空气入口；
所述供电子系统由所述气动永磁发电机的供电端引出，包括依次连接的整流器、锂电池、驱动电机。
由上，供电子系统利用气动永磁发电机将氢气的动能所转换的电能。由整流器将气动永磁发电机发出的交流电进行整流转换。转换后的直流电能储存于锂电池中，从而可以填补驱动电机在燃料电池系统动力不足时的能量需求。
其中，所述供电子系统中的锂电池还与所述空气供应子系统中的空压机电连接；
所述供电子系统还包括加热器，与所述锂电池电连接。
由上，供电子系统利用气动永磁发电机将氢气的动能所转换的电能，还可以供应空气供应子系统中空压机的用电需求。另外，在寒冷天气为燃料电池的加热器供电，以辅助燃料电池快速启动。
其中，所述燃料电池电堆的氢气出口与氢气入口之间，还连接有一条氢气回收管路，在所述氢气回收管路中，基于氢气流向依次设置有气水分离器和氢气循环泵。
由上，从燃料电池电堆排出的未反应完的氢气，经过气水分离器除去多余的水，再经过氢气循环泵加压，返回到氢气入口，从而提高氢气的利用率。
其中，在所述氢气供应子系统中的所述减压阀与燃料电池电堆氢气入口之间，还沿氢气流向依次设置有过滤器、第一电磁阀和比例电磁阀。
由上，开启第一电磁阀，经过减压阀减压至一固定压力的氢气，经过过滤器除去气体中的灰尘碎屑等杂质，再经过比例电磁阀调整压力与流量到合适的范围，最后以最适合反应的状态进入燃料电池电堆。
对应还包括一种汽车，包括前述燃料电池氢能回收系统。
由上，该汽车利用气动永磁发电机将氢气的动能所转换的电能。由整流器将气动永磁发电机发出的交流电进行整流转换。转换后的直流电能储存于锂电池中，从而可以填补汽车加速或爬坡时燃料电池系统动力不足时的能量需求，也可以供应空气供应子系统中空压机的用电需求。
附图说明
图1为燃料电池氢能回收系统的原理示意图；
图2为气动永磁发电机的剖面图；
图3为转轴、轴承和固定支架之间的结构示意图。
具体实施方式
下面参见图1～图3对本发明所述的发电机、包括该发电机的燃料电池氢能回收系统以及汽车进行详细说明。
如图1所示为系统的整体示意图，整个系统包括氢气供应子系统、空气供应子系统和供电子系统，在图中分别以单实线、双实线和虚线表示，本申请所述发电机为气动永磁发电机。
整个系统的工作原理如下：当燃料电池系统启动时，氢气供应子系统中的高压氢气瓶组101的瓶口阀自动打开，从高压氢气瓶组101中释放出的高压氢气经过气动永磁发电机102驱动，产生工作于供电子系统的交流电。经过所述气动永磁发电机102的氢气再经过一系列的处理后到达燃料电池电堆107，在所述燃料电池电堆107中，氢气与经过空气供应子系统而到达的氧气进行电化学反应。在上述过程中，气动永磁发电机102将高压氢气的压力能转换为电能，从而对供电子系统中的锂电池充电。
以下结合图2、3具体说明：图2所示为所述气动永磁发电机102的剖面图，包括外壳体1021，以及贯穿该外壳体1021的管路1020。在该管路1020的两个端口，分别连接有高压快速接头(公头、母头)。使用时，将所述高压快速接头分别连接于氢气供气管路100中，从而实现气动永磁发电机102与氢气供气管路100的快速插接。相比于焊接或法兰等连接方式，采用高压快速接头可以大大提高气动永磁发电机102的安装效率。具体的，在所述氢气供气管路100中，将所述气动永磁发电机102连接于高压氢气瓶组101的氢气输出口主管路中。
在所述管路1020中，设有一叶轮1025，在所述叶轮1025的轴向上设有贯穿所述叶轮1025的转轴1022。对应的，在所述管路1020的对应位置分别开有通孔(未图示)，以使轴承1022贯穿所述管路1020。
结合图3所示，该转轴1022的两个端部分别通过一转珠轴承10221可转动的连接于外壳体1021内壁。另外，在所述外壳体1021内壁上设有固定支架1028。固定支架1028中间设有圆形通孔，所述转珠轴承10221内嵌于所述通孔处。通过在固定支架1028四周的固定孔处旋入螺丝将固定支架1028固定于外壳体1021内壁。
在所述转轴1022上，对称于所述管路1020分别固定安装一永磁转子1027。从而当高压氢气经过叶轮1025时，推动叶轮1025高速旋转，进而带动转轴1022转动，最终两块永磁转子1027随着转轴1022而高速旋转。
在所述外壳体1021的内壁，贴合有与其壳体轮廓所匹配的定子铁芯1026。另外，还包括缠绕线圈1023，内嵌于所述铁芯1026上。所述缠绕线圈1023的两输出端(正、负极)穿过所述定子铁芯1026并从所述外壳体1021引出，以连接整流器201。可选的，在所述缠绕线圈1023的表面覆盖有一层绝缘塑料，从而防止电流外漏。
前已述及，所述两块永磁转子1027保持高速转动，从而使两块永磁转子1027的磁场方向不断发生变化，使缠绕线圈1023因不断切割磁力线而产生电流。
本申请采用气动永磁发电机102充当高压氢气的第一减压部件，一方面对高压氢气瓶组101所释放的高压氢气进行泄压，从而省去了一个泄压部件(减压阀)。减少了管路中的器件，节约了(经济、维护)成本。另一方面，还可将高压氢气的压力能进行回收，转化为电能加以利用。
以一组4瓶35MPa-140L碳纤维氢气瓶供氢系统为例，一级减压阀出口要求的氢气压力约是1MPa，根据理想气体等温膨胀做功公式W＝nRTlnV2/V1，式中n表示气体物质的量，R表示摩尔气体常数，T表示绝对温度，lnV2/V1表示气体等温膨胀前后体积的对数值，V1、V2分别表示气体等温膨胀前、后的体积。
采用该计算式，计算出理论高压氢气从35MPa等温减压至1MPa时，在理想状态下(25℃)，压力能膨胀最大做功可发电16kWh。但从压力能转化成机械能，再转化为电能，过程中必然有能量损失，预计能量回收效率约在40％～50％。
在所述氢气供气管路100中的气动永磁发电机102下游，依次设置有(一级)减压阀103、过滤器104、第一电磁阀105和电磁比例阀106，而后连通至燃料电池电堆107的氢气入口。所述(一级)减压阀103用于将氢气压力减压到一个固定值，之后经过过滤器104除去气体中的灰尘碎屑等杂质，再经过电磁比例阀106调整压力与流量到合适的范围，最后进入燃料电池电堆107。
另外，空气供应子系统包括一空气供应管路300，以及设置在所述管路中的各个器件。所述器件依次包括：空气过滤器301、空压机302、中冷器(未图示)和加湿器303。空气供应管路300接收外部空气，首先经过空气过滤器301进行过滤，而后由空压机302压缩，压缩后的空气温度会升高到120℃-150℃左右，再经中冷器进行换热，降温至50℃-60℃，最后经过加湿器303加湿后，进入燃料电池电堆107的空气入口。
较佳的，在所述燃料电池电堆107的氢气出口与氢气入口之间，还包括一氢气回收管路，从燃料电池电堆107排出的未反应完的氢气，经过气水分离器108除去多余的水份，再经过氢气循环泵109加压，返回到氢气入口，从而提高氢气的利用率。
经过一定反应时间，待所述未反应完的氢气和氧气在所述燃料电池电堆107充分反应后，开启吹扫阀110，经所述燃料电池电堆107的氢气出口将残余氢气排出。
另一方面，开启第二电磁阀304，经所述燃料电池电堆107的空气出口将残余空气排出。
前述整流器201将气动永磁发电机102发出的交流电进行整流转换。转换后的直流电能储存于锂电池202中，从而可以填补汽车加速或爬坡时燃料电池系统动力不足时的能量需求。在现有技术的电路连接中，燃料电池电堆107通过DC-DC转换器204向驱动电机203供电，由所述驱动电机203工作以满足电动车的能量需求。
本实施例中，所述锂电池202也与所述驱动电机203连接，向其供电，从而可以填补燃料电池系统动力不足时的能量需求。
另外，直流电也可以供应空气供应子系统中空压机302的用电需求，还可以在寒冷天气为燃料电池的加热器203供电，以辅助燃料电池快速启动。
对应的，本申请还提供了一种包括汽车，不难理解，该汽车为燃料电池汽车。所述燃料电池汽车包括前述燃料电池氢能回收系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，例如，在所述高压氢气瓶组101的氢气入口，还连接有加注口111和单向阀112，以便于氢气的加注。
另外，本申请所述气动永磁发电机102不仅适用于燃料电池高压供氢系统中，不难理解，只要存在高压气体减压过程，都可以使用所述装置来实现减压能量的回收。总之，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发电机，包括外壳体(1021)，其特征在于，还包括贯穿该外壳体(1021)的管路(1020)；
在所述管路(1020)中，设有一叶轮(1025)，所述叶轮(1025)的轴向上设有转轴(1022)；
所述转轴(1022)轴向贯穿所述管路(1020)，可转动的固定于所述外壳体(1021)内壁；
在所述转轴(1022)轴上，对称于所述管路(1020)分别固定安装一永磁转子(1027)；
在所述外壳体(1021)的内壁，贴合有与其壳体轮廓所匹配的定子铁芯(1026)，所述定子铁芯(1026)内嵌缠绕线圈(1023)。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，在所述管路(1020)的两个端口，分别连接有高压快速接头；
所述高压快速接头包括公头和/或母头。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，在所述外壳体(1021)内壁上设有固定支架(1028)，所述固定支架(1028)中间设有圆形通孔；
所述转轴(1022)的两个端部分别连接一转珠轴承(10221)，所述转珠轴承(10221)内嵌安装于所述圆形通孔处。
4.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述缠绕线圈(1023)的表面覆盖有一层绝缘塑料。
5.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述缠绕线圈(1023)的输出端连接一整流器(201)。
6.一种燃料电池氢能回收系统，其特征在于，包括权利要求1～5所述的发电机；
所述系统包括氢气供应子系统、空气供应子系统和供电子系统；
所述氢气供应子系统至少包括以下依次连接的：高压氢气瓶组(101)、气动永磁发电机、减压阀(103)，最终连接至燃料电池电堆(107)的氢气入口；
空气供应子系统至少包括以下依次连接的：空气过滤器(301)、空压机(302)、中冷器、加湿器(303)，最终连接至燃料电池电堆(107)的空气入口；
所述供电子系统由所述气动永磁发电机的供电端引出，包括依次电连接的整流器(201)、锂电池(202)、驱动电机(203)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述供电子系统中的锂电池(202)还与所述空气供应子系统中的空压机(302)电连接；
所述供电子系统还包括加热器(203)，与所述锂电池(202)电连接。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述燃料电池电堆(107)的氢气出口与氢气入口之间，还连接有一条氢气回收管路，在所述氢气回收管路中，基于氢气流向依次设置有气水分离器(108)和氢气循环泵(109)。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述氢气供应子系统中的所述减压阀(103)与燃料电池电堆(107)氢气入口之间，还沿氢气流向依次设置有过滤器(104)、第一电磁阀(105)和比例电磁阀(106)。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求6-9任一所述燃料电池氢能回收系统。
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