CN110797553A - 一种氢气压力能综合利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氢气压力能综合利用系统，包括氢气储罐、喷嘴、换热器、叶轮、第一风机、燃料电池、燃料电池DCDC交换器，氢气储罐连接喷嘴，喷嘴朝向叶轮，氢气经过叶轮后输送至燃料电池，叶轮驱动连接第一风机，换热器的管道缠绕在喷嘴外侧，换热器中的介质经第一风机后进入燃料电池DCDC交换器，后循环至换热器中。本发明的有益效果：通过将氢气压力能转化为氢气动能，驱动叶轮转动，将氢气动能转换为叶轮机械能；且同时在氢气膨胀过程中，会吸收热量，通过换热器、第一风机、燃料电池DCDC交换器构成闭式循环结构，用以冷却燃料电池DCDC交换器，从而实现了氢气压力能的综合利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力能利用系统，尤其涉及的是一种氢气压力能综合利用系统。
背景技术
目前燃料电池系统在运行时需要进行冷却。小功率燃料电池使用风机提供的冷却空气进行冷却。大功率的燃料电池使用循环水泵提供的冷却水进行冷却。使用风机或循环水泵需要额外的电能，这降低了氢燃料电池系统的综合效率。储罐中氢气为高压形态，但燃料电池所需的氢气压力较低，这个压力差使得氢气蕴含着大量压力能。目前的燃料电池系统使用减压阀将氢气从高压降低到燃料电池所需的低压，在这个过程中氢气的压力能耗散损失了。
申请号：CN201720557257.6，一种氢燃料电池汽车高压储氢罐压力能回收装置，包括：高压氢气罐，压力能回收系统，所述压力能回收系统由膨胀机和换热器串联而成，高压氢气从高压氢气罐流出，经过膨胀机膨胀降压，将高压氢气压力能转换为膨胀功对外输出，再流入换热器吸热升温，提高膨胀机进气温度使其膨胀过程接近等温过程回收更多的膨胀功，其特征是：本发明的压力能回收系统由一级或多级膨胀机与换热器串联而成。该回收利用系统为了实现压力能回收，可回收效率低。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前氢气储罐压力能没有得到充分利用的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种氢气压力能综合利用系统，包括氢气储罐、喷嘴、换热器、叶轮、第一风机、燃料电池、燃料电池DCDC交换器，氢气储罐连接喷嘴，喷嘴朝向叶轮，氢气经过叶轮后输送至燃料电池，叶轮驱动连接第一风机，换热器的管道缠绕在喷嘴外侧，换热器中的介质经第一风机后进入燃料电池DCDC交换器，后循环至换热器中，换热器、第一风机、燃料电池DCDC交换器构成闭式循环结构。
本发明通过氢气储罐中的高压氢气由喷嘴喷出后，将氢气压力能转化为氢气动能，驱动叶轮转动，叶轮驱动第一风机转动，将氢气动能转换为叶轮机械能，叶轮机械能可用于驱动第一风机；且同时在氢气膨胀过程中，会吸收热量，通过换热器、第一风机、燃料电池DCDC交换器构成闭式循环结构，用以冷却燃料电池DCDC交换器，从而实现了氢气压力能的综合利用。
优选的，所述燃料电池上设有用于将空气输送至燃料电池的空气输送管道，还包括将空气导入燃料电池的第二风机，第二风机设置在空气输送管道上，叶轮驱动连接第二风机。
叶轮机械能还可用于驱动第二风机。
优选的，所述第一风机与第二风机安装在同一旋转轴上，叶轮通过旋转轴驱动连接第一风机与第二风机。
优选的，还包括用于过滤进入燃料电池的空气的过滤器，所述过滤器设置在用于将空气输送至燃料电池的空气输送管道。
过滤器与第二风机配合，用于导入新鲜空气，并滤除空气中的颗粒粉尘以及其他不利于燃料电池的有害物质。
优选的，还包括阀门，阀门设置在氢气储罐与喷嘴之间的管道上。
优选的，所述阀门为电磁阀或气动阀。
优选的，还包括用于控制氢气的压力的压力控制装置，设置在叶轮与燃料电池之间的管道上。
优选的，所述压力控制装置为背压阀或能调节启动压力的单向阀。
优选的，所述氢气储罐为高压氢气储罐、液氢储罐、合金储罐以及高压合金复合储罐中的一种。
优选的，所述叶轮后还包括能够实现变速的齿轮变速结构，齿轮变速结构驱动连接第一风机和第二风机。在大功率的燃料电池系统中可以在叶轮后增设齿轮变速机构，根据需要增设空气压缩机、循环泵等装置，齿轮变速结构提供不同转速需求，进一步增加压力能的利用率，其中，叶轮可以和齿轮变速结构设置成一体式结构。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过氢气储罐中的高压氢气由喷嘴喷出后，将氢气压力能转化为氢气动能，驱动叶轮转动，叶轮驱动第一风机转动，将氢气动能转换为叶轮机械能，叶轮机械能可用于驱动第一风机；且同时在氢气膨胀过程中，会吸收热量，通过换热器、第一风机、燃料电池DCDC交换器构成闭式循环结构，用以冷却燃料电池DCDC交换器，从而实现了氢气压力能的综合利用；
(2)过滤器与第二风机配合，用于导入新鲜空气，并滤除空气中的颗粒粉尘以及其他不利于燃料电池的有害物质；
(3)在大功率的燃料电池系统中可以在叶轮后增设齿轮变速机构，根据需要增设空气压缩机、循环泵等装置，齿轮变速结构提供不同转速需求，进一步增加压力能的利用率，其中，叶轮可以和齿轮变速结构设置成一体式结构。
附图说明
图1是本发明实施例一一种氢气压力能综合利用系统的结构示意图。
图中标号：氢气储罐1、阀门11、喷嘴2、换热器3、叶轮4、第一风机5、第二风机6、燃料电池7、燃料电池DCDC交换器8、过滤器9。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1所示，一种氢气压力能综合利用系统，包括氢气储罐1、喷嘴2、换热器3、叶轮4、第一风机5、第二风机6、燃料电池7、燃料电池DCDC交换器8、过滤器9；
氢气储罐1连接喷嘴2，喷嘴2朝向叶轮4，氢气经过叶轮4后输送至燃料电池7，叶轮4驱动连接第一风机5、第二风机6，换热器3的管道缠绕在喷嘴2外侧，换热器3中的介质经第一风机5后进入燃料电池DCDC交换器8，后循环至换热器3中，换热器3、第一风机5、燃料电池DCDC交换器8构成闭式循环结构，所述过滤器9设置在用于将空气输送至燃料电池7的空气输送管道。
所述氢气储罐1为高压氢气储罐、液氢储罐、合金储罐以及高压合金复合储罐中的一种。内存储着高压氢气。
氢气储罐1出气端还包括阀门11，阀门11设置在氢气储罐1与喷嘴2之间的管道上。优选的，所述阀门为电磁阀或气动阀。
高压氢气在阀门11的控制下进行氢气的释放。
其氢气释放时间t可根据下面方法估算：
假设每分钟开一次阀门，根据燃料电池的用氢压力P1，氢气离开喷嘴速度v1，高压氢气的压力P2，高压氢气的密度ρ，燃料电池对氢气的使用量X L/min。
则，总的氢气用量为X L。
根据伯努利方程可知，气体离开喷嘴的流速
阀门开启时间t为
当然实际中还需考虑气体的温度变化及可压缩性。
喷嘴2可以直接对着叶轮4，也可以形成阵列对着叶轮，使得每个喷嘴都可与垂直于叶轮叶面，以获得最高的动能利用率；从喷嘴2喷出的高速流体直接推动叶轮4旋转，叶轮4的旋转轴与第一风机5和第二风机6共轴，以此驱动第一风机5和第二风机6旋转。
第一风机5的空气出口端连接在燃料电池7的空气入口端，过滤器9的空气入口端连接在外接大气，第一风机5旋转通过过滤器9抽取新鲜空气，过滤器9能够将空气中的粉尘，气溶胶及其它有害杂质滤除避免污染燃料电池，第一风机5将为燃料电池提供冷却用空气及燃料电池运行所需要的氧气。
第二风机6的冷却介质出口连接在燃料电池DCDC交换器8的冷却介质入口上，第二风机的冷却介质入口连接在换热器3的冷却介质出口，换热器3的冷却介质入口与燃料电池DCDC交换器的冷却介质出口与换热器3的冷却介质入口相连，第二风机6与换热器3和燃料电池DCDC交换器8形成了燃料电池DCDC冷却介质循环回路。高压氢气在喷嘴处膨胀吸热现象为该冷却介质降温，使得冷却介质在换热器3中降温，第二风机6驱动冷却介质进入燃料电池DCDC交换器8，与燃料电池DCDC交换器8进行热交换，带走燃料电池DCDC交换器8中的热量后重回至换热器3处再次进行降温。
其中叶轮4、第一风机5、第二风机6可以是一体式结构，集成在一个结构上。
其中，喷嘴2外周缠绕有通过冷却介质的换热器3的盘管，并可以增加使用肋片等加强换热。
本实施例还包括用于控制氢气的压力的压力控制装置71，设置在叶轮4与燃料电池7之间的管道上，压力控制装置71的出口端连接在燃料电池7的氢气入口端，。所述压力控制装置71为背压阀或能调节启动压力的单向阀。
本发明通过氢气储罐1中的高压氢气由喷嘴2喷出后，将氢气压力能转化为氢气动能，驱动叶轮4转动，将氢气动能转换为叶轮机械能，叶轮4驱动第一风机5、第二风机6转动，第二风机6用于导入空气；且同时在氢气膨胀过程中，会吸收热量，通过换热器3、第一风机5、燃料电池DCDC交换器8构成闭式循环结构，用以冷却燃料电池DCDC交换器8，从而实现了氢气压力能的综合利用。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：叶轮4可以由叶轮+齿轮变速结构替代。
叶轮旋转，将动力传输给齿轮箱，齿轮箱将叶轮的旋转动能经齿轮变速为合适转速传给第一风机和第二风机，或还可以在本系统上增设空气压缩机以及其他冷却循环泵，也可以由齿轮变速机构提供动能，该叶轮齿轮箱结构更适应于大功率的燃料电池系统中，通过上述方法最终实现氢气压力能的高效利用。
叶轮+齿轮变速结构可以是叶轮齿轮箱。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，包括氢气储罐、喷嘴、换热器、叶轮、第一风机、燃料电池、燃料电池DCDC交换器，氢气储罐连接喷嘴，喷嘴朝向叶轮，氢气经过叶轮后输送至燃料电池，叶轮驱动连接第一风机，换热器的管道缠绕在喷嘴外侧，换热器中的介质经第一风机后进入燃料电池DCDC交换器后循环至换热器中，换热器、第一风机、燃料电池DCDC交换器构成闭式循环结构。
2.根据权利要求1所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，所述燃料电池上设有用于将空气输送至燃料电池的空气输送管道，还包括将空气导入燃料电池的第二风机，第二风机设置在空气输送管道上，叶轮驱动连接第二风机。
3.根据权利要求2所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，所述第一风机与第二风机安装在同一旋转轴上，叶轮通过旋转轴驱动连接第一风机与第二风机。
4.根据权利要求1所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，还包括用于过滤进入燃料电池的空气的过滤器，所述过滤器设置在用于将空气输送至燃料电池的空气输送管道。
5.根据权利要求1所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，还包括阀门，阀门设置在氢气储罐与喷嘴之间的管道上。
6.根据权利要求5所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，所述阀门为电磁阀或气动阀。
7.根据权利要求1所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，还包括用于控制氢气的压力控制装置，设置在叶轮与燃料电池之间的管道上。
8.根据权利要求7所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，所述压力控制装置为背压阀或能调节启动压力的单向阀。
9.根据权利要求1所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，所述氢气储罐为高压氢气储罐、液氢储罐、合金储罐以及高压合金复合储罐中的一种。
10.根据权利要求2所述的一种氢气压力能综合利用系统，其特征在于，所述叶轮还包括能够实现变速的齿轮变速结构，齿轮变速结构驱动连接第一风机和第二风机。
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