CN110661020A - 一种燃料电池的空气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的空气系统，包括燃料电池电堆、用于产生并向燃料电池电堆输送压缩空气的压缩装置、用于对压缩空气进行降温的冷却装置以及换热器，换热器的第一进气口连通于压缩装置的出气口，换热器的第一出气口连通于冷却装置的进气口，冷却装置的出气口连通于燃料电池电堆的进气口，燃料电池电堆的出气口连通于换热器的第二进气口。利用燃料电池电堆排出的气温较低的气体，将压缩装置所产生的温度较高的压缩空气与燃料电池电堆排出的温度较低的气体先在换热器内进行热量交换，从而降低压缩空气进入冷却装置时的温度，进而降低了冷却装置在对压缩空气进行降温时的能量消耗，提升了燃料电池的发电效率。

Description

一种燃料电池的空气系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池的空气系统。
背景技术
随着现代船舶、汽车等耗能设备的不断增加和全球石油储量的不断减少，对新能源的开发和利用刻不容缓。在动力装置领域，由于燃料电池的功率密度和续航能力较传统锂电池等的传统电池能源具有明显的优势，被认为是未来具有巨大发展前景的新能源动力。
目前开发较为成熟的燃料电池为氢氧燃料电池，利用氢气和氧气在燃料电池中发生化学反应产生的热量来发电，而氢氧燃料电池的排气只有无污染的水和水蒸气。对于反应所需要的氢气，一般采用高压储氢管来储存和携带，而反应所需要的氧气一般利用空气压缩机从环境供给。
在现有技术中，为了提高燃料电池电堆的功率密度，需要降低电堆进口的进入燃料电池电堆的压缩空气的空气温度，从而提升其进气密度。但是在降低压缩空气的温度的过程中，消耗了消耗一部分的冷却介质的输运能量，从而降低了燃料电池系统效率。
因此，如何在对压缩空气降温的同时降低燃料电池消耗的能量，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种燃料电池的空气系统，有效地利用燃料电池电堆排气能量来对压缩空气的温度进行降温，以降低燃料电池能量的消耗。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种燃料电池的空气系统，包括燃料电池电堆、用于产生并向所述燃料电池电堆输送压缩空气的压缩装置、用于对所述压缩空气进行降温的冷却装置以及换热器，换热器的第一进气口连通于所述压缩装置的出气口，所述换热器的第一出气口连通于所述冷却装置的进气口，所述冷却装置的出气口连通于所述燃料电池电堆的进气口，所述燃料电池电堆的出气口连通于所述换热器的第二进气口。
优选的，所述压缩装置包括一级空气压缩机、二级空气压缩机以及电机，所述一级空气压缩机的出气口连接于所述二级空气压缩机的进气口，所述二级空气压缩机的出气口连接于所述换热器的第一进气口，所述电机分别驱动连接于所述一级空气压缩机与所述二级空气压缩机，以使空气从所述一级空气压缩机的进气口输入并分别经所述一级空气压缩机与所述二级空气压缩机压缩后从所述二级空气压缩机的出气口输出。
优选的，所述一级空气压缩机与所述二级空气压缩机均为离心式压缩机。
优选的，所述冷却装置为中冷器。
优选的，所述中冷器为水冷式中冷器。
优选的，还包括连接于所述电机的膨胀机，所述膨胀机的进气口连通于所述换热器的第二出气口。
优选的，所述电机通过第一连接轴连接于所述一级空气压缩机，所述电机通过第二连接轴连接于所述二级空气压缩机，所述膨胀机通过第三连接轴连接于所述第二连接轴，且所述第一连接轴、所述第二连接轴以及所述第三连接轴同轴。
本发明所提供的燃料电池的空气系统，包括燃料电池电堆、用于产生并向燃料电池电堆输送压缩空气的压缩装置、用于对压缩空气进行降温的冷却装置以及换热器；换热器的第一进气口连通于压缩装置的出气口，换热器的第一出气口连通于冷却装置的进气口，冷却装置的出气口连通于燃料电池电堆的进气口，燃料电池电堆的出气口连通于换热器的第二进气口。
由于换热器的第一进气口连接于压缩装置，第一出气口连接冷却装置，因此，压缩装置输出的温度较高的压缩空气会先进入换热器然后再进入冷却装置，换热器的第二进气口连接于燃料电池电堆的出气口，因此，从燃料电池电堆中排出的气温较低的气体会进入换热器，并与气温较高的压缩空气进行热量交换，从而可利用燃料电池电堆排出的气温较低的气体对压缩空气进行初步冷却，以降低压缩空气进入冷却装置内的温度，从而降低冷却装置的能耗，提高燃料电池的发电效率。
因此，本发明所提供的燃料电池的空气系统，利用燃料电池电堆排出的气温较低的气体，将压缩装置所产生的温度较高的压缩空气与燃料电池电堆排出的温度较低的气体先在换热器内进行热量交换，以初步降低压缩空气的温度，从而降低压缩空气进入冷却装置时的温度，进而降低了冷却装置在对压缩空气进行降温时的能量消耗，提升了燃料电池的发电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供燃料电池的空气系统具体实施例的示意图。
其中，1-燃料电池电堆、2-中冷器、3-换热器、4-一级空气压缩机、5-第一连接轴、6-电机、7-第二连接轴、8-二级空气压缩机、9-第三连接轴、10-膨胀机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种燃料电池的空气系统，有效地利用燃料电池电堆排气能量来对压缩空气的温度进行降温，以降低燃料电池能量的消耗。
请参考图1，图1为本发明所提供燃料电池的空气系统具体实施例的示意图。
本发明所提供的燃料电池的空气系统，包括燃料电池电堆1、用于产生并向燃料电池电堆1输送压缩空气的压缩装置、用于对压缩空气进行降温的冷却装置以及换热器3；换热器3的第一进气口连通于压缩装置的出气口，换热器3的第一出气口连通于冷却装置的进气口，冷却装置的出气口连通于燃料电池电堆1的进气口，燃料电池电堆1的出气口连通于换热器3的第二进气口。
请参考图1，其中，箭头为空气的流动方向。燃料电池电堆1为氧气的燃烧场所，以通过燃烧产生的热能来发电，压缩装置用于向燃料电池电堆1内输送压缩空气，以保证氢气的正常燃烧，冷却装置用于在压缩空气输入燃料电池电堆1前对压缩空气进行冷却，以降低压缩空气的温度，从而提高压缩空气的密度，以提高进入燃烧电池电堆内的进气流量，提高发电效率。
换热器3为用于交换热量的装置，由于换热器3的第一进气口连接于压缩装置，第一出气口连接冷却装置，因此，压缩装置输出的温度较高的压缩空气会先进入换热器3然后再进入冷却装置，换热器3的第二进气口连接于燃料电池电堆1的出气口，因此，从燃料电池电堆1中排出的气温较低的气体会进入换热器3，并与气温较高的压缩空气进行热量交换，从而可利用燃料电池电堆1排出的气温较低的气体对压缩空气进行初步冷却，以降低压缩空气进入冷却装置内的温度，从而降低冷却装置的能耗，提高燃料电池的发电效率。
因此，本发明所提供的燃料电池的空气系统，利用燃料电池电堆1排出的气温较低的气体，将压缩装置所产生的温度较高的压缩空气与燃料电池电堆1排出的温度较低的气体先在换热器3内进行热量交换，以初步降低压缩空气的温度，从而降低压缩空气进入冷却装置时的温度，进而降低了冷却装置在对压缩空气进行降温时的能量消耗，提升了燃料电池的发电效率。
在上述实施例的基础之上，考虑到压缩装置的具体设置方式，优选的，压缩装置包括一级空气压缩机4、二级空气压缩机8以及电机6，一级空气压缩机4的出气口连接于二级空气压缩机8的进气口，二级空气压缩机8的出气口连接于换热器3的第一进气口，电机6分别驱动连接于一级空气压缩机4与二级空气压缩机8，以使空气从一级空气压缩机4的进气口输入并分别经一级空气压缩机4与二级空气压缩机8压缩后从二级空气压缩机8的出气口输出。
本实施例中，压缩装置包括一级空气压缩机4和二级空气压缩机8，且一级空气压缩机4与二级空气压缩机8均通过电机6驱动，以及空气压缩机的出气口连接于二级空气压缩机8的进气口，二级空气压缩机8的出气口连接于换热器3的进气口，从而在电机6的驱动下，使空气从一级空气压缩机4的进气口进入，然后分别经一级空气压缩机4以二级空气压缩机8的对空气进行压缩后得到压缩空气，得到压缩空气，再后二级空气压缩机8的出气口输入至换热器3，以对压缩空气进行初步降温。采用两级压缩的方式，可保证压缩空气的具有较低的密度，进而保证燃料电池的发电效率。
在上述实施例的基础之上，优选的，一级空气压缩机4与二级空气压缩机8均为离心式压缩机。离心式压缩机具有气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小等优点。且运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少，因之备件需用量少，维护费用及人员少。
在上述实施例的，考虑到冷却装置的具体选择，优选的，冷却装置为中冷器2。中冷器2是电力、冶金、化工、矿山、汽车、轻工及重工等各种行业中普遍使用的冷却设备。利用中冷器2可使具有一定温差的两种流体介质实现热交换，从而达到降低热空气温度的效果，保证空气具有合适的使用效果，以实现对压缩空气的二次冷却，以将压缩空气的温度冷却的符合燃料电池电堆1的燃烧要求。具体的，中冷器2为水冷式中冷器。水冷式中冷器利用循环冷却水对通过中冷器2的空气进行冷却。具有冷却效率较高的优点，而且安装位置比较灵活，无需使用很长的连接管路，使得整个进气管路更加顺畅。
在任意上述实施例的基础之上，考虑到，空气压缩装置采用电驱动方式，而电能的来源为燃料电池产生的电能，目前的燃料电池系统中，空气压缩机所产生的电能损耗占燃料电池系统所有耗电附件耗费电能的60％以上，从而使的燃料电池系统的效率难以进一步提高，为进一步降低本发明所提供的燃料电池的空气系统能量消耗，提高燃料电池的发电有效率，优选的，还包括连接于电机6的膨胀机10，膨胀机10的进气口连通于换热器3的出气口。
本实施例中，在电机6上连接了膨胀机10，且膨胀机10的进气口连接于换热器3的第二出气口，以使从燃料电池电堆1排出的气体通过热换器与压缩气体进行热量交互升温后，将气体输入至膨胀机10，以便膨胀机10利用气体的热能向外做功，从而使膨胀机10作为电机6的辅助动力，降低电机6在驱动一级空气压缩机4与二级空气压缩机8的过程中的能耗，从而进一步提高燃料电池的发电效率。
在上述实施例的基础之上，考虑到电机6与一级空气压缩机4、二级空气压缩机8以及膨胀机10的具体连接方式的设置，优选的，电机6通过第一连接轴5连接于一级空气压缩机4，电机6通过第二连接轴7连接于二级空气压缩机8，膨胀机10通过第三连接轴9连接于第二连接轴7，且第一连接轴5、第二连接轴7以及第三连接轴9同轴。
即本实施例中，电机6的输出轴通过第一连接轴5与第二连接轴7分别连接于第一空气压缩机与第二空气压缩机，且膨胀机10通过第三连接轴9连接于第二连接轴7，且第一连接轴5、第二连接轴7以及第三连接轴9同轴，即第一连接轴5、第二连接轴7以及第三连接轴9在一条直线上，从而使膨胀机10为电机6提供辅助动力，降低电机6的驱动能耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供燃料电池的空气系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池的空气系统，其特征在于，包括燃料电池电堆(1)、用于产生并向所述燃料电池电堆(1)输送压缩空气的压缩装置、用于对所述压缩空气进行降温的冷却装置以及换热器(3)，所述换热器(3)的第一进气口连通于所述压缩装置的出气口，所述换热器(3)的第一出气口连通于所述冷却装置的进气口，所述冷却装置的出气口连通于所述燃料电池电堆(1)的进气口，所述燃料电池电堆(1)的出气口连通于所述换热器(3)的第二进气口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的空气系统，其特征在于，所述压缩装置包括一级空气压缩机(4)、二级空气压缩机(8)以及电机(6)，所述一级空气压缩机(4)的出气口连接于所述二级空气压缩机(8)的进气口，所述二级空气压缩机(8)的出气口连接于所述换热器(3)的第一进气口，所述电机(6)分别驱动连接于所述一级空气压缩机(4)与所述二级空气压缩机(8)，以使空气从所述一级空气压缩机(4)的进气口输入并分别经所述一级空气压缩机(4)与所述二级空气压缩机(8)压缩后从所述二级空气压缩机(8)的出气口输出。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的空气系统，其特征在于，所述一级空气压缩机(4)与所述二级空气压缩机(8)均为离心式压缩机。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的空气系统，其特征在于，所述冷却装置为中冷器(2)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池的空气系统，其特征在于，所述中冷器(2)为水冷式中冷器。
6.根据权利要求2至5任一项所述的燃料电池的空气系统，其特征在于，还包括连接于所述电机(6)的膨胀机(10)，所述膨胀机(10)的进气口连通于所述换热器(3)的第二出气口。
7.根据权利要求6所述的燃料电池的空气系统，其特征在于，所述电机(6)通过第一连接轴(5)连接于所述一级空气压缩机(4)，所述电机(6)通过第二连接轴(7)连接于所述二级空气压缩机(8)，所述膨胀机(10)通过第三连接轴(9)连接于所述第二连接轴(7)，且所述第一连接轴(5)、所述第二连接轴(7)以及所述第三连接轴(9)同轴。
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