CN112290058A - 用于燃料电池发动机的氢气涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器，包括涡轮机、压气机、连接轴、压力调节器以及空气压缩机；所述涡轮机与压气机通过连接轴连接；所述涡轮机出气口通过氢气管道与电池电堆连接，进气口通过氢气管道与压储氢容器连接，所述压力调节器设置在涡轮机出气口与电池电堆连接的氢气管道上；所述压气机的出气口通过空气管道依次与空气压缩机、电池电堆连接，出气口通过空气管道与空气滤清器连接。本发明通过采用连接轴将涡轮机、压气机相连接，通过在涡轮机与电池电推连接的氢气管道上设置压力调节器，利用高压氢气的动能和压力势能对空气管道中的空气升压来减少空压机的功率需求，进而可有效提高燃料电池发动机的整体效率。

Description

用于燃料电池发动机的氢气涡轮增压器

技术领域

本发明属于涡轮增压器技术领域，具体涉及一种用于燃料电池发动机的氢气涡轮增压器。

背景技术

燃料电池发动机由电堆、氢气系统、空气系统以及辅助系统组成。空气系统向电堆提供具有一定压力和湿度的空气，氢气系统向电堆提供具有一定压力和湿度的氢气。

空气系统一般使用空压机将空气升压到需要的压力，空压机由燃料电池发动机中的电能驱动，消耗的功率占燃料电池输出功率的12％-30％，对发动机的整体效率有很大影响。氢气系统中的氢气源可提供绝对压力高达30-50Mpa的氢气，由氢气管道中的多级减压装置将压力降低至2bar左右的绝对压力，而后提供至电堆，过程中浪费了大量的能量。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用涡轮机代替多级减压装置的氢气涡轮增压器，解决了现有多级减压装置产生的压力势能被浪费，从而导致燃料电池发动机整体效率低的问题。

本发明的目的还在于提供一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器，所述燃料电池发动机包括空气滤清器、高压储氢容器以及电池电堆，该氢气驱动涡轮增压器包括涡轮机、压气机、连接轴、压力调节器以及空气压缩机；所述涡轮机通过连接轴驱动压气机；所述高压储氢容器与涡轮机的进气口连接，所述涡轮机的出气口经过压力调节器与电池电堆连接；所述空气滤清器与压气机的进气口连接，所述压气机的出气口与空气压缩机的进气口连接，所述空气压缩机的出气口与电池电堆连接。

优选地，所述涡轮机的出气口通过氢气管道与电池电堆的氢气进口连接。

优选地，所述压气机的出气口通过空气管道与空气压缩机的进气口连接，所述空气压缩机的出气口通过空气管道与电池电堆的空气进口连接。

与现有技术相比，本发明涡轮增压器通过采用连接轴将涡轮机、压气机相连接，通过在涡轮机与电池电推连接的氢气管道上设置压力调节器，利用高压氢气的动能和压力势能对空气管道中的空气升压来减少空气压缩机的功率需求，进而防止了高压氢气的动能和压力势能被浪费，从而有效的提高了燃料电池发动机的整体效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器的结构示意图。

其中，1.涡轮机，2.压气机，3.连接轴，4.压力调节器，5.空气压缩机，6.空气滤清器，7.高压储氢容器，8.电池电堆。

具体实施方式

下面参考附图进一步描述本发明的实施方式，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施方式仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实施例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明实施例提供的一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器，如图1所示，所述燃料电池发动机包括空气滤清器6、高压储氢容器7以及电池电堆8连接，该氢气驱动涡轮增压器包括涡轮机1、压气机2、连接轴3、压力调节器4以及空气压缩机5，涡轮机1位于氢气管道之中，压气机2位于空气管道之中，涡轮机2和压气机6通过连接轴3连接；压力调节器4设置在涡轮机1出气口与电池电堆8连接的氢气管道上；空气压缩机5串联在压气机2出气口与电池电堆8连接的空气管道上；

具体的，涡轮机1通过连接轴3驱动压气机2；高压储氢容器7与涡轮机1的进气口连接，涡轮机1的出气口经过压力调节器4与电池电堆8连接；空气滤清器6与压气机2的进气口连接，压气机2的出气口与空气压缩机5的进气口连接，空气压缩机5的出气口与电池电堆8连接。

采用上述方案后，通过采用连接轴3将涡轮机1、压气机2相连接，通过在涡轮机1与电池电推8连接的氢气管道上设置压力调节器4，利用高压氢气的动能和压力势能对空气管道中的空气升压来减少空气压缩机5的功率需求，进而防止了高压氢气的动能和压力势能被浪费，从而有效的提高了燃料电池发动机的整体效率。

在一个实施例中，涡轮机1的出气口通过氢气管道与电池电堆8的氢气进口连接。

在一个实施例中，压气机2的出气口通过空气管道与空气压缩机5的进气口连接，压气机2的出气口通过空气管道与空气压缩机5的进气口连接，空气压缩机5的出气口通过空气管道与电池电堆8的空气进口连接。

在一个实施例中，连接轴3为涡轮机1和2压气机2的公共轴。

本发明实施例提供的一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器中各部件的具体连接关系为：涡轮机1的进气口通过氢气管道与高压储氢容器7连接，所述涡轮机1的出气口通过氢气管道经由压力调节器4接于燃料电池电堆8的氢气进口；所述压气机2的进气口通过空气管道与空气滤清器6的空气出口连接，所述压气机2的出气口通过空气管道与空气压缩机5的进气口连接，空气压缩机5的出气口通过空气管道接于电池电堆8的空气进口。

本发明实施例提供的一种燃料电池发动机用氢气驱动涡轮增压器的工作过程如下：

在氢气管道的一侧，高压储氢容器7提供的高压氢气流经氢气管道进入涡轮机1，在此过程中高压氢气推动涡轮机1做功将高压氢气的动能和压力势能通过涡轮机1转化为该氢气驱动涡轮增压器的机械能并通过连接轴3传递给压气机2；高压氢气经过涡轮机1降压后再通过压力调节器4调压至燃料电池电堆8要求的压力范围内，然后进入燃料电池电堆8中进行氢的催化氧化反应。

在空气管道侧，环境中的空气经过空气滤清器6滤清后进入压气机2，压气机2利用2连接轴3所传递过来的机械能将空气进行升压，从而将上述高压氢气驱动涡轮机1所产生的机械能转化为空气的压力势能和动能，将空气的压力升高；空气经过压气机2升压后有可能低于燃料电池电堆8对空气的压力需求，此时空气压缩机5根据需求对空气进行进一步升压至燃料电池电堆8所需要的空气压力，然后进入燃料电池电堆8与氢的氧化催化反应同步进行氧的催化还原反应进而输出电能。在此过程中，由于所述氢气驱动的涡轮增压器在空气压缩机5之前已经对空气进行了做功升压，因此降低了空气压缩机5的功耗需求，从而提高了燃料电池发动机整体的效率。

本发明氢气驱动涡轮增压器通过采用连接轴3将涡轮机1、压气机2相连接，通过在涡轮机1与电池电推8连接的氢气管道上设置压力调节器4，利用高压氢气的动能和压力势能对空气管道中的空气升压来减少空气压缩机7的功率需求，进而也防止了高压氢气的动能和压力势能被浪费，从而有效的提高了燃料电池发动机的整体效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器，所述燃料电池发动机包括空气滤清器、高压储氢容器以及电池电堆，其特征在于，该氢气驱动涡轮增压器包括涡轮机、压气机、连接轴、压力调节器以及空气压缩机；

所述涡轮机通过连接轴驱动压气机；

所述高压储氢容器与涡轮机的进气口连接，所述涡轮机的出气口经过压力调节器与电池电堆连接；

所述空气滤清器与压气机的进气口连接，所述压气机的出气口与空气压缩机的进气口连接，所述空气压缩机的出气口与电池电堆连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮机的出气口通过氢气管道与电池电堆的氢气进口连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于燃料电池发动机的氢气驱动涡轮增压器，其特征在于，所述压气机的出气口通过空气管道与空气压缩机的进气口连接，所述空气压缩机的出气口通过空气管道与电池电堆的空气进口连接。

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