CN109167087B - 一种燃料电池空气管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气管理系统，属于燃料电池技术领域。其包括空气管路，所述空气管路上设有沿空气的流向依次连通的空气净化元件、一级空气压缩组件、一级冷却器、二级空气压缩组件、二级冷却器、对空气进行增湿处理的水管理系统和燃料电池堆的进气口，燃料电池堆的出气口通过管线依次与水管理系统和涡轮膨胀器的进气口连通，涡轮膨胀器的出气口产生的低温气体为一级冷却器提供冷源，大大提高了燃料电池的能量转化率。本发明通过采用两级空气压缩增压的方式提高了燃料电池堆的工作压力，增加了燃料电池密度，性能优越，安全可靠。

Description

一种燃料电池空气管理系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池空气管理系统。
背景技术
在能源危机和环境保护的双重压力下，由于对高效、洁净能源的需求，燃料电池技术得到飞速发展。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,排出的产物主要是水、氮气和热。这种装置最大特点是其能量转换效率高达60%～80%，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，燃料电池不涉及燃烧，对环境无污染，以及燃料多样性等特点外，还由于其工作温度低，适宜于较频繁启动的场合，可用环境空气做氧化剂，因此被认为是取代目前汽车动力的最具可选性和竞争力的动力源之一。
众所周知，燃料电池的化学反应需要在较高的压力下进行，压力越高电池密度越高。目前，燃料电池的工作压力普遍较低（大都为0.1MPa～0.3MPa）（表压），并且燃料电池堆反应的化学能有50%以热能的形式浪费掉，不利于能源的高效利用。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的缺点，提供一种燃料电池空气管理系统，其通过采用两级空气压缩组件串联设计，大大提高了燃料电池的工作压力（可高达0.5MPa以上），解决了现有燃料电池工作压力低的技术问题；通过在燃料电池堆出气口设置回收其空气余压的涡轮膨胀器，涡轮膨胀器的出气口产生的低温气体为一级冷却器提供冷源，大大提高了燃料电池的能量转化率，解决了现有燃料电池不利于能源的高效利用的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池空气管理系统，包括空气管路，所述空气管路上设有沿空气的流向依次连通的空气净化元件、一级空气压缩组件、一级冷却器、二级空气压缩组件、二级冷却器、对空气进行增湿处理的水管理系统和燃料电池堆的进气口，燃料电池堆的出气口通过管线依次与水管理系统和涡轮膨胀器的进气口连通，涡轮膨胀器的出气口产生的低温气体为一级冷却器提供冷源。
作为本发明的一种改进，所述二级中间冷却器是采用可调速变频风扇抽吸低温环境大气来作为冷源，通过调整风机的转速，改变风机抽吸环境大气的风量，进而保证燃料电池堆的压缩空气进出口温度在合理的范围内，避免了质子膜出现微孔，氢气进入空气系统，导致严重的安全事故。
作为本发明的一种改进，所述一级空气压缩组件的压缩比可达2.8，二级空气压缩组件的压缩比可达2.3，两级总压缩比可达5以上，可使燃料电池堆的工作压力高达0.5MPa以上。
作为本发明的一种改进，所述燃料电池堆进气口处设有进口温度传感器和压力传感器，燃料电池堆出气口处设有出口温度传感器，空气净化元件和一级空气压缩组件之间的管路上设有流量传感器，控制系统根据所述传感器反馈的信号对整个系统进行相应控制，提高了整个系统的安全性及工作效率。
作为本发明的一种改进，一级空气压缩组件包括一级空气压缩机和为一级空气压缩机提供动力的一级高速电机，二级空气压缩组件包括二级空气压缩机和为二级空气压缩机提供动力的二级高速电机。
作为本发明的一种改进，一级高速电机和二级高速电机均为封闭式变频高速电机。
作为本发明的一种改进，封闭式变频高速电机为异步交流电机、无刷直流电机或开关磁阻电机，其转速为10000r/min～500000r/min。
作为本发明的一种改进，所述一级空气压缩组件、二级空气压缩组件均采用一种以空气为润滑剂的弹性箔片式空气动压轴承。其为燃料电池堆提供了无油、洁净的压缩空气，提高了燃料电池堆的安全性及性能，完全避免了采用润滑油（污染进入电池堆的空气）或水（效果较差，导致压缩机轴承寿命缩短，并且轴承还需要采用专用的自润滑材料以及金属表面还需要做特殊的表面处理，工艺复杂，同时由于水的存在容易造成压缩机的液击，限制了燃料电池空气系统向两级及两级以上压缩的发展）进行润滑的弊端，并且不会产生金属表面的摩擦耗功，提高了效率。
作为本发明的一种改进，所述一级空气压缩机、二级空气压缩机和涡轮膨胀器均采用可变截面喷嘴环调控技术。通过改变空气流过喷嘴环的截面积，空气流量连续可调，进一步完善了燃料电池系统全流量范围工作的要求。
作为本发明的一种改进，所述二级空气压缩机、二级高速电机和涡轮膨胀器同轴相连，一级空气压缩机和一级高速电机同轴相连。涡轮膨胀器用于对燃料电池堆排出的高温高压气体膨胀降温，同时输出功率，减少压缩机对电能的消耗，进一步提高了燃料电池的能量转化率。
综上所述，本发明通过采用两级空气压缩增压（两级总压缩比可高达5以上）的方式提高了燃料电池堆的工作压力（高达0.5MPa以上），增加了燃料电池密度。同时，通过在燃料电池堆出气口设置回收其空气余压的涡轮膨胀器，涡轮膨胀器的出气口产生的低温气体为一级冷却器提供冷源，大大提高了燃料电池的能量转化率。本发明可为车辆、航天、航空等多个领域提供性能优越、可靠性高、续航能力强、污染小的新型电池，结构紧凑，布局合理。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中，1、空气净化元件；2、流量传感器；3、一级空气压缩机；4、一级高速电机；5、一级冷却器；6、一级空气压缩机喷嘴环控制器；7、一级高速电机控制器；8、二级空气压缩机；9、二级冷却器；10、变频风扇控制器；11、控制系统；12、进口温度传感器；13、压力传感器；14、燃料电池堆；15、储氢装置；16、出口温度传感器；17、水管理系统；18、可调速变频风扇；19、涡轮膨胀器；20、二级高速电机；21、涡轮膨胀器喷嘴环控制器；22、二级空气压缩机喷嘴环控制器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，一种燃料电池空气管理系统，包括空气管路，空气管路上设有沿空气的流向依次连通的空气净化元件1、一级空气压缩组件、一级冷却器5、二级空气压缩组件、二级冷却器9、对空气进行增湿处理的水管理系统17和燃料电池堆14的进气口，燃料电池堆14的出气口通过管线依次与水管理系统17和涡轮膨胀器19的进气口连通，涡轮膨胀器19的出气口产生的低温气体为一级冷却器5提供冷源，大大提高了燃料电池的能量转化率，储氢装置15通过管线为燃料电池堆14提供氢气，使其与进入燃料电池堆14的空气进行化学反应输出电能和热能。其中，空气净化元件1为空气净化器或空气过滤器。
一级空气压缩组件包括同轴相连的一级空气压缩机3和为一级空气压缩机3提供动力的一级高速电机4，二级空气压缩组件包括二级空气压缩机8和为二级空气压缩机8提供动力的二级高速电机20，二级空气压缩机8、二级高速电机20和涡轮膨胀器19同轴相连。作业时，涡轮膨胀器19回收空气压力能致使涡轮高速旋转，由空气压力能转变为机械能，替代了完全由高速电机消耗电能为压缩机提供动力的情况。由于涡轮膨胀器19的增加减少了对电能的消耗，所以大大提高了燃料电池化学能转化为电能的效率；另外，涡轮膨胀器19出口产生的低温气体为一级冷却器5提供冷源，进一步节省了电能的消耗，从而间接提高了燃料电池的能量转化率，进而提高燃料电池的整体性能。
优选地，一级高速电机4和二级高速电机20均为封闭式变频高速电机，其为异步交流电机、无刷直流电机或开关磁阻电机的一种或混合使用，其转速为10000r/min～500000r/min，具体可根据气流工作参数和功率等级而定。
优选地，一级空气压缩组件和二级空气压缩组件均采用一种以空气为润滑剂的弹性箔片式空气动压轴承。其为燃料电池堆提供了无油、洁净的压缩空气，提高了燃料电池堆的安全性及性能。
优选地，一级空气压缩机3、二级空气压缩机8和涡轮膨胀器19均采用可变截面喷嘴环调控技术。通过改变空气流过喷嘴环的截面积，空气流量连续可调，进一步完善了燃料电池系统全流量范围工作的要求。
为了保证燃料电池堆14进口空气温度在最佳温度（60℃～85℃）范围，以及燃料电池堆14反应时具有较高的工作压力(大于0.5MPa(表压))，在燃料电池堆进气口处设有进口温度传感器12和压力传感器13，进口温度传感器12和压力传感器13分别通过信号线与控制系统11连接，控制系统11在接收温度和压力反馈后，向变频风扇控制器10和一级高速电机控制器7发出调控信号，保证燃料电池堆14的进口空气温度在合适的范围内；燃料电池堆14出气口处设置出口温度传感器16，出口温度传感器16通过信号线与控制系统11连接。当燃料电池堆14的排气温度大于100℃时，由控制系统11向变频风扇控制器10发出调控信号，风机速度提高，环境大气流量增加，进入燃料电池堆14的空气温度降低，进而保证燃料电池堆14的出口空气温度小于100℃；在空气净化元件1和一级空气压缩机3之间的空气管路上设有流量传感器2，流量传感器2通过信号线与控制系统11连接，控制系统11得到流量传感器2的流量反馈后，向一级空气压缩机喷嘴环控制器6、二级空气压缩机喷嘴环控制器22或者涡轮膨胀器喷嘴环控制器21发出信号对各自的喷嘴环进行调节，保证需要的空气流量。
本发明的工作原理如下：空气首先进入空气净化器1，经净化后的空气进入可变截面喷嘴环的一级空气压缩机3，在一级高速电机4的驱动下增压；之后被压缩增压的空气进入一级冷却器5，利用涡轮膨胀器19出口的低温气体作为冷源降低一次压缩后的空气温度；被一级冷却器5降温后的空气进入由二级高速电机20驱动的二级空气压缩机8进一步增压；二次压缩增压后的空气温度较高，为了保证燃料电池堆进口的空气在60℃～85℃范围内，故在二级空气压缩机后设置一个二级冷却器9，二级冷却器9是采用可调速变频风扇18抽吸低温环境大气来作为冷源，降低二次压缩增压后的空气温度，通过调整风机的转速，改变风机抽吸环境大气的风量，进而保证燃料电池堆14的压缩空气进出口温度在合理的范围内，避免了质子膜出现微孔，氢气进入空气系统，导致严重的安全事故。使最终进入燃料电池堆14的空气温度不高于100℃（控制在60℃～85℃），避免发生空气温度过高（高于100℃）而导致燃料电池堆14失效的现象，经过二级冷却器9降温后的空气进入水管理系统17进行增湿等处理，然后进入燃料电池堆14与氢气进行化学反应输出电能和热能。
本实施例并非对本发明的形状、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池空气管理系统，包括空气管路，其特征在于：所述空气管路上设有沿空气的流向依次连通的空气净化元件（1）、一级空气压缩组件、一级冷却器（5）、二级空气压缩组件、二级冷却器（9）、对空气进行增湿处理的水管理系统（17）和燃料电池堆（14）的进气口，燃料电池堆（14）的出气口通过管线依次与水管理系统（17）和涡轮膨胀器（19）的进气口连通，涡轮膨胀器（19）的出气口产生的低温气体为一级冷却器（5）提供冷源；
所述二级冷却器（9）是采用可调速变频风扇（18）抽吸低温环境大气来作为冷源；
所述一级空气压缩组件的压缩比可达2.8，二级空气压缩组件的压缩比可达2.3。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气管理系统，其特征在于：所述燃料电池堆（14）进气口处设有进口温度传感器（12）和压力传感器（13），燃料电池堆（14）出气口处设有出口温度传感器（16），空气净化元件（1）和一级空气压缩组件之间的管路上设有流量传感器（2），控制系统（11）根据所述传感器反馈的信号对整个系统进行相应控制。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气管理系统，其特征在于：所述一级空气压缩组件包括一级空气压缩机（3）和为一级空气压缩机（3）提供动力的一级高速电机（4），二级空气压缩组件包括二级空气压缩机（8）和为二级空气压缩机（8）提供动力的二级高速电机（20）。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池空气管理系统，其特征在于：所述一级高速电机（4）和二级高速电机（20）均为封闭式变频高速电机。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池空气管理系统，其特征在于：所述封闭式变频高速电机为异步交流电机、无刷直流电机或开关磁阻电机，其转速为10000r/min～500000r/min。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种燃料电池空气管理系统，其特征在于：所述一级空气压缩组件和二级空气压缩组件均采用一种以空气为润滑剂的弹性箔片式空气动压轴承。
7.根据权利要求3至5任一项所述的一种燃料电池空气管理系统，其特征在于：所述一级空气压缩机（3）、二级空气压缩机（8）和涡轮膨胀器（19）均采用可变截面喷嘴环调控技术。
8.根据权利要求3至5任一项所述的一种燃料电池空气管理系统，其特征在于：所述二级空气压缩机（8）、二级高速电机（20）和涡轮膨胀器（19）同轴相连，一级空气压缩机（3）和一级高速电机（4）同轴相连。
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