CN108590771B - 一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其包括压气机、燃料电池、电动机、能量回收涡轮和氢源，压气机的输入端连通大气，燃料电池的阳极输入端通过管道连接氢源，燃料电池的阴极输入端通过管道连接压气机，燃料电池的阴极输出端经管道连接能量回收涡轮；能量回收涡轮内设置有传动齿轮组，传动齿轮组的主动齿轮通过第一轴与电动机的输出端连接，传动齿轮组的从动齿轮通过第二轴连接压气机的压气机叶轮。本发明通过在压气机旁设置电动机和涡轮机并利用涡轮机回收燃料电池的排气系统中排出的能量用以驱动压气机从而有效地减少了电动机用于驱动压气机所消耗的功率，有效地提高了燃料电池的综合效率。

Description

一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池能量回收涡轮装置，属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置。
背景技术
目前燃料电池高压供气系统中提供空气的压气机耗能较大，压气机的耗功影响了燃料电池的综合发电效率，如果考虑回收涡轮装置进行部分能量的回收，则可以充分利用涡轮装置回收大部分压气机所消耗能量。
在中国发明专利CN201710244569的说明书中公开了一种燃料电池车排气系统能量回收结构，其在燃料电池车排气通道中增加涡轮驱动发电机，涡轮驱动发电机包括涡轮增压器、发电机及稳压电路，涡轮増压器的涡轮轴与发电机转子轴直接或通过齿轮减速器连接，发电机与稳压电路电连接；燃料电池车行驶过程中，利用排气系统排出的高压气体驱动涡轮旋转，涡轮带动发电机转子轴转动实现发电机发电，发电机输出的电压经过稳压电路输出稳定的直流电压，涡轮驱动发电机能够工作在驱动模式和扫气模式，辅助实现燃料电池堆空气系统压力和流量控制。通过在燃料电池车排气通道中増加涡轮驱动发电机，回收并再利用燃料电池车的排气能量，提高排气系统排气能量的利用率，且能够灵活使用回收的能量。该发明虽然给出了一种利用涡轮结构回收燃料电池排气系统排出的高压气体能量的结构和方法，但是首先，该发明的思路是将燃料电池排气系统排出的高压气体能量通过发电机回收发电，其并没有公开本发明所要解决的技术问题——即如何降低用于驱动压气机工作的电动机的能耗；其次，该发明相当于在现有技术的基础上另外增加了一套新的能量回收系统，新的能量回收系统必然会占用原设备的安装空间，导致需要对原设备的结构进行重新设计，因此该技术方案不经济。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其不仅结构简单，而且能够大大减少电动机驱动压气机所消耗的功率，有效地提高燃料电池综合效率。
为解决上述技术问题，本发明采用了这样一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其包括压气机、燃料电池、电动机、能量回收涡轮和氢源，所述压气机的输入端连通大气，所述燃料电池的阳极输入端通过管道连接氢源，所述燃料电池的阴极输入端通过管道连接压气机，所述燃料电池的阴极输出端经管道连接能量回收涡轮；所述能量回收涡轮内设置有传动齿轮组，所述传动齿轮组的主动齿轮通过第一轴与所述电动机连接，所述传动齿轮组的齿轮涡轮通过第二轴与所述压气机的压气机叶轮连接。
在本发明的一种优选实施方案中，所述第二轴为阶梯轴，所述阶梯轴上同轴间隔布置有用于限位所述齿轮涡轮的限位轴肩和用于连接所述压气机叶轮的连接轴肩。
在本发明的一种优选实施方案中，所述连接轴肩沿其周向布置有多个安装孔，所述压气机叶轮沿其周向布置有多个螺栓孔，所述安装孔的布置位置与所述螺栓孔的布置位置的相对应。
在本发明的一种优选实施方案中，所述第二轴的一端通过键与所述齿轮涡轮传动连接，所述第二轴的另一端通过螺栓与所述压气机叶轮固接连接。
在本发明的一种优选实施方案中，所述第一轴的一端通过键与所述主动齿轮传动连接，所述第一轴的另一端通过联轴器与所述电动机的转轴传动连接。
在本发明的一种优选实施方案中，所述电动机内安装有转速反馈电路，所述转速反馈电路包括转速调节器、电流调节器和转速传感器；所述转速调节器、所述电流和所述电动机依次串联连接后与所述转速传感器并联。
在本发明的一种优选实施方案中，所述电动机为永磁电动机。
在本发明的一种优选实施方案中，涡轮机为双转子气动马达。双转子气动马达的具体结构参见中国实用新型专利CN2583388Y。
本发明的有益效果是：本发明结构简单、使用方便，其通过使用带有传动齿轮组的能量回收涡轮分别连接电动机和压气机，从而有效地利用回收了燃料电池排气系统中排出气体所含有的能量用以驱动压气机工作，有效地减少了电动机用于驱动压气机所消耗的功率、提高了燃料电池的综合效率；同时，本发明只需要使用两根轴就可以在不改变原有设备中各零部件位置的前提下，直接通过轴就实现了压气机与涡轮、电动机与涡轮的直接传动，从而在能够减小电动机用于驱动压气机消耗的功率的前提下极大地缩小本发明所占用的安装空间、方便了本发明的安装和调试；本发明是通过转速反馈电路保证了电动机的恒定转速并利用电动机的转速特性曲线保证了在压气机工作的第二阶段电动机的低能耗，有效地提高了燃料电池的综合效率。
附图说明
图1是本发明实施例一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置的结构示意图；
图2是本发明实施例一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置中压气机通过第二轴与能量回收涡轮连接结构示意图；
图3是本发明实施例一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置中能量回收涡轮结构示意图；
图4是本发明实施例一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置中多能量回收涡轮特性曲线；
图5是本发明实施例一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置中电机功率控制图；
图6是本发明实施例一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置中电机转速特性线；
图中：1-压气机；2-燃料电池；3-电动机；4-能量回收涡轮；5-传动齿轮组；6-第一轴；7-第二轴；8-氢源；1.1-压气机叶轮；4.1-壳体；5.1-主动齿轮；5.2-齿轮涡轮；7.1-限位轴肩；7.2-连接轴肩；8.1-转速调节器；8.2-电流调节器；8.3-转速传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由说明书附图所示的一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置可知，本发明包括压气机1、燃料电池2、电动机3、能量回收涡轮4和氢源8；压气机1的输入端连通大气，燃料电池2的阳极输入端通过管道连接氢源8，燃料电池2的阴极输入端通过管道连接压气机1，燃料电池2的阴极输出端经管道连接能量回收涡轮4，本发明中能量回收涡轮4特指齿轮式涡轮；能量回收涡轮4内设置有传动齿轮组5，传动齿轮组5的主动齿轮5.1通过第一轴6连接与电动机3的输出端连接，传动齿轮组5的齿轮涡轮5.2通过第二轴7连接压气机1的压气机叶轮1.1。
进一步的，本发明中第二轴7为阶梯轴，阶梯轴上同轴间隔布置有用于限位齿轮涡轮5.2的限位轴肩7.1和用于连接压气机叶轮1.1的连接轴肩7.2。连接轴肩7.2沿其周向布置有多个安装孔，压气机叶轮1.1沿其周向布置有多个螺栓孔(或销钉孔)，安装孔的布置位置与螺栓孔的布置位置的相对应。第二轴7的一端通过键与齿轮涡轮5.2传动连接，第二轴7的另一端通过螺栓与压气机叶轮1.1固接连接。第一轴6的一端通过键与主动齿轮5.1传动连接，第一轴6的另一端通过联轴器与电动机3的转轴传动连接。
本发明的第一轴6和第二轴7的结构并不限于本发明中说明书所公开的具体结构，只要能够实现将电动机的动力传输给能量回收涡轮、将能量回收涡轮的回收的能量以及电动机的动力传输给压气机的技术方案均属于本发明的保护范围。
电动机3内安装有转速反馈电路，转速反馈电路包括转速调节器8.1、电流调节器8.2和转速传感器8.3；转速调节器8.1、电流调节器8.2和电动机3依次串联连接后与转速传感器8.3并联。电动机3为永磁电动机。
根据说明书附图5所示的电机转速特性线可知，电动机3在转速恒定的前提下，扭矩越小、耗功就越小。
本发明包括两个启动阶段：第一阶段，电动机3通过能量回收涡轮4内的传动齿轮组5传动驱动压气机1工作，电动机3承担压气机1功率的全部；第二阶段，燃料电池2的排出的气体经能量回收涡轮4由动能转化为机械能后，电动机3.1和涡轮机4同时驱动压气机1工作，电动机3.1承担压气机1功率的三分之一、涡轮机4承担压气机1功率的三分之二。涡轮机4为多齿式气动涡轮机。转速反馈电路3.2包括转速调节器、电流调节器和转速传感器；转速调节器、电流调节器和电动机3串联连接，转速传感器一端与电动机3连接、另一端与转速调节器连接。
本发明最大可以回收60％的压气机的能量，实现了燃料电池的高密度功率和高效供气的目的。本发明的燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置结构简单、控制方法科学、回收能量效率高，整体设计合理，实现了燃料电池供气系统高效可靠。
应当理解的是，以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，包括压气机(1)、燃料电池(2)、电动机(3)、能量回收涡轮(4)和氢源(8)，所述压气机(1)的输入端连通大气，所述燃料电池(2)的阳极输入端通过管道连接氢源(8)，所述燃料电池(2)的阴极输入端通过管道连接压气机(1)，所述燃料电池(2)的阴极输出端经管道连接能量回收涡轮(4)；其特征在于：所述能量回收涡轮(4)为齿轮式涡轮，所述能量回收涡轮(4)内设置有传动齿轮组(5)，所述传动齿轮组(5)的主动齿轮(5.1)通过第一轴(6)与所述电动机(3)的输出端连接，所述传动齿轮组(5)的齿轮涡轮(5.2)通过第二轴(7)与所述压气机(1)的压气机叶轮(1.1)连接；
所述电动机(3)内安装有转速反馈电路，所述转速反馈电路包括转速调节器(8.1)、电流调节器(8.2)和转速传感器(8.3)；所述转速调节器(8.1)、所述电流调节器(8.2)和所述电动机(3)依次串联连接后与所述转速传感器(8.3)并联。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其特征在于：所述第二轴(7)为阶梯轴，所述阶梯轴上同轴间隔布置有用于限位所述齿轮涡轮(5.2)的限位轴肩(7.1)和用于连接所述压气机叶轮(1.1)的连接轴肩(7.2)。
3.根据权利要求2所述一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其特征在于：所述连接轴肩(7.2)沿其周向布置有多个安装孔，所述压气机叶轮(1.1)沿其周向布置有多个螺栓孔，所述安装孔的布置位置与所述螺栓孔的布置位置的相对应。
4.根据权利要求2所述一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其特征在于：所述第二轴(7)的一端通过键与所述齿轮涡轮(5.2)传动连接，所述第二轴(7)的另一端通过螺栓与所述压气机叶轮(1.1)固接连接。
5.根据权利要求1所述一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其特征在于：所述第一轴(6)的一端通过键与所述主动齿轮(5.1)传动连接，所述第一轴(6)的另一端通过联轴器与所述电动机(3)的转轴传动连接。
6.根据权利要求1所述一种燃料电池系统高压比压气机及能量回收涡轮装置，其特征在于：所述电动机(3)为永磁电动机。
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