CN109372775A - 一种燃料电池的两级压缩空气供给系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开提供一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，包括冷却系统、高压级压缩系统、低压级压缩系统和燃料电池堆，低压级压缩系统通过燃料电池排放的高压废气驱动涡轮，高压废气通过涡轮对外做功且体积膨胀，温度大幅度降低成为低温废气，经水汽分离后脱水，再将低温废气作为冷却源导入级间中冷器及二级冷却器，低温废气相较于压缩后的气体存在一定温度差，能够进行热交换并降低压缩后的气体温度；同时涡轮排气也冷却电机，涡轮出口、水汽分离装置与电机冷却通道组装为一体，该冷却方法减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，简化了整体结构，合理利用废气作为冷却源；同时能够回收电堆排气能量，减小系统能耗提高电堆输出功。

Description

一种燃料电池的两级压缩空气供给系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池的两级压缩空气供给系统。
背景技术
氢燃料电池是氢能利用的一种重要设备，通过氢气与氧气进行化学反应直接输出电能。氢燃料电池功率密度与空气供给系统供气压力及供气流量直接相关，供气压力高，氧气分压高，燃料电池反应速度加快，输出功率增大，国外霍尼韦尔生产的压缩系统压比可达4；供气流量大，参与化学反应的原料增多，输出功率增大。
目前燃料电池空气供给系统一般通过电机直接驱动压气机压缩空气，压气机形式一般为螺杆式、涡旋式与离心式。考虑到离心式压缩机体积小、噪音低等优点，在燃料电池空气压缩系统中应用越来越广泛。
采用电机直接驱动离心式压缩机存在两个问题：
一是压缩机驱动电机只能依靠燃料电池输出电能驱动，因此空气供给系统供气压力与流量
过高将导致压气机耗功增大，寄生功率增多，降低燃料电池输出功率。
二是整个压缩系统工作时，电机及中冷器需要冷却，传统的压缩系统必须设置专门的冷却系统，结构复杂。
因此高效、紧凑的空气供给系统是提高燃料电池功率密度的关键技术。本发明提出的两级空气压缩系统可以利用涡轮回收电堆排气能量，减小系统能耗提高电堆输出功率，同时本发明还提出利用涡轮排气冷却电机及级间中冷器，减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，实现了空气供给系统紧凑的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有燃料电池空气供给系统中的不足之处，提供了一种回收电堆排气能量，减小系统能耗提高电堆输出功率，利用涡轮排气作为级间中冷器的冷却气源，减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，简化了整体结构，合理利用废气作为冷却源，
保证了空气供给系统紧凑的燃料电池的两级压缩空气供给系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，包括冷却系统、高压级压缩系统、低压级压缩系
统和燃料电池堆，所述高压级压缩系统包括高速直驱电机和离心式压气机，所述低压级压
缩系统包括涡轮和低压级压气机，所述涡轮出口端设有水汽分离器；所述冷却系统包括级
间中冷器、二级冷却器和电机冷却通道，所述级间中冷器处于离心式压气机与低压级压气
机之间，所述水汽分离器上设有冷却气体出气歧管，所述涡轮的进气口与燃料电池堆的排
气口连通，所述级间中冷器冷却进气口与冷却气体出气歧管连通，所述二级冷却器处于离
心式压缩机出口端，所述低压级压气机与高压级压气机均设有旁通管路，旁通管路均布置
有旁通阀。相较于现有技术下大部分涡轮增压技术，通常将涡轮排出的废气直接舍弃的方
式，本发明利用燃料电池产生的高压废气通过涡轮对外做功且体积膨胀，温度大幅度降低
成为低温废气， 经水汽分离后脱水，再将低温废气作为冷却源导入级间中冷器及二级冷却
器，低温废气相较于压缩后的气体存在一定温度差，能够进行热交换并降低压缩后的气体
温度；同时涡轮排气也冷却电机，涡轮出口、水汽分离装置与电机冷却通道组装为一体，
该冷却方法减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，简化了整体结构。
作为优选，所述二级冷却器的冷却气体进口与冷却气体出气歧管连通。二级冷却器的冷却气体也采用涡轮排出的低温废气，简化冷却结构，高效利用废弃。
作为优选，所述低压级压气机包括压气机叶轮、压气机蜗壳，所述低压级涡轮包括涡轮叶轮、涡轮箱、中间壳体、润滑油通道和滑动轴承，所述涡轮叶轮与低压级压气机叶轮同轴刚性连接。
作为优选，所述高速直驱电机包括电机定子、电机转子以及控制系统，所述离心式压气机包括压气机叶轮、压气机蜗壳以及空气悬浮轴承，压气机主轴与电机转子同轴，所述气悬浮轴承为动压空气轴承。
作为优选，涡轮出口、水汽分离器与电机冷却通道同轴线组装为一体。同轴组装为一体提高了缩短了气体流动路径，提高了冷却效果。
作为优选，所述的涡轮为可变截面涡轮增压器，随实际燃料电池排气流量调节涡轮喷嘴环角度。利用可变截面涡轮增压器，可以根据燃料电池的高温废气流量随时调节涡轮的工况，为涡轮提供更良好的保护。
作为优选，所述水汽分离器为旋流式水汽分离器。
旋流式水汽分离器本发明中低压级压缩系统通过燃料电池排放的高压废气驱动涡轮，高压废气通过涡轮对外做功且体积膨胀，温度大幅度降低成为低温废气， 经水汽分离后脱水，再将低温废气作为冷却源导入级间中冷器及二级冷却器，低温废气相较于压缩后的气体存在一定温度差，能够进行热交换并降低压缩后的气体温度；同时涡轮排气也冷却电机，涡
轮出口、水汽分离装置与电机冷却通道组装为一体，该冷却方法减少了冷却风扇、冷却通
道等部件的设置，简化了整体结构，合理利用废气作为冷却源；同时能够回收电堆排气能
量，减小系统能耗提高电堆输出功。
附图说明
图1是本发明的气体流向示意图；
图2是本发明的气体流向流程示意图；
图3是本发明的部分结构示意图；
图中：燃料电池堆1、低压级压气机2、涡轮3、水汽分离器4、高速直驱电机5、离心式压气机6、二级冷却器7、旁通阀8、级间中冷器9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1-3中所示，
旋流式水汽分离器一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，包括
冷却系统、高压级压缩系统、低压级压缩系统和燃料电池堆1，所述高压级压缩系统包括高
速直驱电机5和离心式压气机6，所述低压级压缩系统包括涡轮3和低压级压气机2，所述涡轮3出口端设有水汽分离器4；所述冷却系统包括级间中冷器9、二级冷却器7和电机冷却通道，所述级间中冷器处于离心式压气机6与低压级压气机2之间，所述水汽分离器上设有冷却气体出气歧管，所述涡轮3的进气口与燃料电池堆7的排气口连通，所述级间中冷器冷却进气口与冷却气体出气歧管连通，所述二级冷却器处于离心式压缩机出口端，所述低压级压气机与高压级压气机均设有旁通管路，旁通管路均布置有旁通阀8，所述二级冷却器的冷却气体进口与冷却气体出气歧管连通，所述低压级压气机包括压气机叶轮、压气机蜗壳，
所述低压级涡轮包括涡轮叶轮、涡轮箱、中间壳体 、润滑油通道和滑动轴承，所述涡轮叶
轮与低压级压气机叶轮同轴刚性连接，所述高速直驱电机5包括电机定子、电机转子以及控
制系统，所述离心式压气机包括压气机叶轮、压气机蜗壳以及空气悬浮轴承，压气机主轴
与电机转子同轴，所述气悬浮轴承为动压空气轴承，涡轮出口、水汽分离器与电机冷却通
道同轴线组装为一体，所述的涡轮3为可变截面涡轮增压器，随实际燃料电池排气流量调节
涡轮喷嘴环角度，所述水汽分离器为旋流式水汽分离器。
本发明中低压级压缩系统通过燃料电池排放的高压废气驱动涡轮，高压废气通过涡轮对外做功且体积膨胀，温度大幅度降低成为低温废气，经水汽分离后脱水，再将低温废气作为冷却源导入级间中冷器及二级冷却器，低温废气相较于压缩后的气体存在一定温度差，能够进行热交换并降低压缩后的气体温度，同时涡轮排气也冷却电机，涡轮出口、水汽分离
装置与电机冷却通道组装为一体，该冷却方法减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，
简化了整体结构，合理利用废气作为冷却源，同轴组装为一体提高了缩短了气体流动路径
，提高了冷却效果；同时能够回收电堆排气能量，减小系统能耗提高电堆输出功率。二级
冷却器的冷却气体也采用涡轮排出的低温废气，简化冷却结构，高效利用废弃；利用可变
截面涡轮增压器，可以根据燃料电池的高温废气流量随时调节涡轮的工况，为涡轮提供更
良好的保护。
上面结合附图对本发明实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本领域普通技术人员来说，还可以在不脱离本发明的前提下作若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，其特征在于，包括冷却系统、高压级压缩系统、低压级压缩系统和燃料电池堆（1），所述高压级压缩系统包括高速直驱电机（5）和离心式压气机（6），所述低压级压缩系统包括涡轮（3）和低压级压气机（2），所述涡轮（3）出口端设有水汽分离器（4）；所述冷却系统包括级间中冷器（9）、二级冷却器（7）和电机冷却通道，所述级间中冷器处于离心式压气机（6）与低压级压气机（2）之间，所述水汽分离器上设有冷却气体出气歧管，所述涡轮（3）的进气口与燃料电池堆（7）的排气口连通，所述级间中冷器冷却进气口与冷却气体出气歧管连通，所述二级冷却器处于离心式压缩机出口端，所述低压级压气机与高压级压气机均设有旁通管路，旁通管路均布置有旁通阀（8）。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，其特征在于，所述二级冷却器的冷却气体进口与冷却气体出气歧管连通。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，其特征在于，所述低压级压气机包括压气机叶轮、压气机蜗壳，所述低压级涡轮包括涡轮叶轮、涡轮箱、中间壳体、润滑油通道和滑动轴承，所述涡轮叶轮与低压级压气机叶轮同轴刚性连接。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，其特征在于，所述高速直驱电机（5）包括电机定子、电机转子以及控制系统，所述离心式压气[A1] 机包括压气机叶轮、压气机蜗壳以及空气悬浮轴承，压气机主轴与电机转子同轴，所述气悬浮轴承为动压空气轴承。
5.根据权利要求1或2 或3所述的一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，其特征在于，涡轮出口、水汽分离器与电机冷却通道同轴线组装为一体。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，其特征在于，所述的涡轮（3）为可变截面涡轮增压器，随实际燃料电池排气流量调节涡轮喷嘴环角度。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，其特征在于，所述水汽分离器为旋流式水汽分离器。
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