CN112382779A - 一种带有能量回收系统的燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有能量回收系统的燃料电池装置，包括燃料电池反应堆和空气压缩组件，所述燃料电池反应堆包括燃料电池压缩空气进气口、燃料电池排气口和涡轮，所述空气压缩组件的出气口与所述燃料电池压缩空气进气口连接，所述空气压缩组件被设置为产生压缩空气作为所述燃料电池反应堆的反应原料，所述燃料电池反应堆的电力输出口与所述空气压缩组件的电力输入口连接，所述涡轮的进气口与所述燃料电池排气口连接。本发明可以回收经过燃料电池反应堆的压缩空气携带的能量，提高燃料电池的发电效率。

Description

一种带有能量回收系统的燃料电池装置
技术领域
本发明属于新能源领域，尤其涉及一种带有能量回收系统的燃料电池装置。
背景技术
燃料电池系统是一种高效清洁的新能源动力系统。燃料电池反应所需的原料是氢气和氧气，实际操作中采用氢气和空气。通过空气压缩机将空气压缩，然后送入燃料电池阴极，空气与阳极的氢气进行化学反应，生成的产物是电能和水，还有部分热量随着多余的空气排放到大气中，除此外没有其他对环境有污染的产物，所以燃料电池非常的清洁环保，目前各国都在大力推动氢燃料电池动力系统的开发推广。
燃料电池专用的空气压缩机是氢燃料电池动力系统中至关重要的一个部件，其作用是为燃料电池的阴极提供一定压力和一定流量的压缩空气，以满足燃料电池反应过程对于氧气的需求。目前燃料电池空压机有单级压缩的，也有两级压缩的。单级压缩即一个电机驱动一个压轮，而两级压缩就是一个电机驱动两个压轮，一个是低压级，另一个是高压级，高压级和低压级是串联的，空气经过低压级压缩后再进入高压级进行第二次压缩，所以两级压缩机比单级压缩机获得的空气压力和流量要高，可适用的燃料电池功率范围更大。
现有技术中，为了获取更高的燃料电池功率，更倾向于采用多级空气压缩机。较高压力和流速的空气，在流经燃料电池时，除了其中的氧气与氢气发生化学反应以外，反应过后的废气仍然保持较高的流速和压力。这些高流速废气如果直接排放到大气中，其携带的能量将被浪费。
因此，本领域技术人员期望研发一种带有能量回收系统的燃料电池装置，由多级空气压缩机产生的高速高压空气在经过燃料电池反应堆反应后，其携带的能量将被回收利用。
发明内容
本发明提供了一种带有能量回收系统的燃料电池装置，包括燃料电池反应堆和空气压缩组件，其特征在于，还包括燃料电池压缩空气进气口、燃料电池排气口和涡轮，所述空气压缩组件的出气口与所述燃料电池压缩空气进气口连接，所述空气压缩组件被设置为产生压缩空气作为所述燃料电池反应堆的反应原料，所述燃料电池反应堆的电力输出口与所述空气压缩组件的电力输入口连接，所述涡轮的进气口与所述燃料电池排气口连接。
进一步地，还包括发电机，所述涡轮被设置为带动所述发电机的输入轴转动，所述发电机的电力输出口与所述空气压缩组件的电力输入口连接。
进一步地，所述燃料电池反应堆包括氢气进气口、以及燃料电池出水口，作为反应原料的氢气从所述氢气进气口进入所述燃料电池反应堆，压缩空气从所述燃料电池压缩空气进气口进入所述燃料电池反应堆，反应产生的废水通过所述燃料电池出水口排出，反应产生的废气通过所述燃料电池排气口排出。
进一步地，所述空气压缩组件包括电机和压缩机，所述压缩机的出气口与所述燃料电池压缩空气进气口连接，所述压缩空气组件被设置为向所述燃料电池反应堆提供压缩空气。
进一步地，所述电机被设置为驱动所述压缩机转动。
进一步地，所述压缩机包括一级压缩机与二级压缩机，所述一级压缩机的进气口与大气连接，所述一级压缩机的出气口与所述二级压缩机的进气口连接，所述二级压缩机的出气口与所述燃料电池压缩空气进气口连接。
进一步地，所述一级压缩机的进气口与所述二级压缩机的进气口均远离所述电机设置，所述以及压缩机的出气口与所述二级压缩机的出气口均靠近所述电机设置。
进一步地，还包括中冷器，所述中冷器的进气口与所述二级压缩机的出气口连接，所述中冷器设置有两个出气口，其中一个出气口设置于所述电机的轴承位置。
进一步地，还包括加湿器，所述加湿器被设置为增加压缩空气的湿度。
进一步地，还包括空气过滤器，所述空气过滤器设置在所述一级压缩机的进气口处。
相对于现有技术而言，本申请提供的带有能量回收系统的燃料电池装置具有的技术效果为：能够回收燃料电池反应后的废气，将高流速高压力的废气中携带的能量转化为电能补充到电力系统中，降低整体的氢燃料电池的单位能耗，提高相同氢气储存量下整车的续航里程。同时降低了用氢成本，从而提高了氢燃料电池系统相对于其他原理电池系统的竞争力。
附图说明
图1是本申请的一个实施例的结构示意图；
图2是本申请的另一个实施例的结构示意图；
其中，10-燃料电池反应堆，11-氢气进气口，12-燃料电池压缩空气进气口，13-燃料电池出水口，15-燃料电池排气口，20-动力电池，30-涡轮，31-涡轮进气口，32-涡轮排气口，33-发电机，40-空气压缩组件，41-空气过滤器，42-一级压缩机，43-二级压缩机，44-电机，51-中冷器，52-加湿器。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1
如图1所示，在图1中，虚线表示气流方向，实现表示电力连接方向。本实施例包括燃料电池反应堆10。燃料电池反应堆10为燃料电池装置的最核心部件，将氢气和氧气作为原料，反应后产生电能和废水、废气，其中，废水通过燃料电池出水口13排出，废气通过燃料电池排气口15排出。燃料电池反应堆10上设置有氢气进气口11以及燃料电池压缩空气进气口12，氢气从氢气进气11进入反应堆，带有氧气的压缩空气通过燃料电池压缩空气进气口12进入反应堆。其中，压缩空气来自于空气压缩组件40。空气压缩组件40包括空气过滤器41、压缩组件、电机44。外界的空气经过空气过滤器41的过滤后，进入压缩组件。压缩组件在电机44的驱动下，增加空气的压力及流速，形成压缩空气。在一定范围内，压缩空气的压力越高、流速越快，即能使进入反应堆的氧气量越大，从而获得越高的燃料电池功率。因此本实施例中采用两组压缩机串联的方案，即压缩组件包括一级压缩机42以及二级压缩机43。
其中，一级压缩机42的进气口与空气过滤器41的出气口连接，常压的空气经过空气过滤器41的过滤后，进入一级压缩机42。压缩组件42在电机44的驱动下，对常压的空气进行压缩，得到一级压缩后的压缩空气。一级压缩机42的出气口与二级压缩机43的进气口连接，一级压缩后的空气进入到二级压缩机43内，二级压缩机43在同一个电机44的驱动下，对一级压缩后的空气进行再次加压、加速。优选地，一级压缩机42与二级压缩机43的进气口，均远离电机44设置，而一级压缩机42与二级压缩机43的出气口，均靠近电机44设置。由于压缩组件在电机44的驱动下进行转动，对空气进行加压的同时，由于空气产生的反作用力，会对压缩组件产生轴向作用力，从而形成轴向的运动趋势，从而对轴承的稳定性造成影响。当两组压缩组件反向设置，即如本实施例中的设置方式时，两组压缩组件所受到的空气反作用力方向相反，互相抵消，因此可以消除该轴向作用力对轴承的影响。
二级压缩机43的出气口与中冷器51的进气口连接，压缩空气流经中冷器51以后被冷却。冷却后的压缩空气一部分被引回电机44内部，直接对电机44的轴承进行冷却，另一部分流经加湿器52，进入到燃料电池反应堆10内作为原料参与反应。
在本实施例中，参与燃料电池反应完成后的废气通过燃料电池排气口15排出。由于排出的废气仍然具有较高的压力和流速，直接排放到大气浪费了其所携带的能量，因此本实施例中设置了涡轮30以及发电机33。涡轮30与发电机33共轴设置，或通过传动组合部件连接，使得涡轮30在转动时可以带动发电机33的输入轴一起转动。将燃料电池排气口15与涡轮进气口31连接，使得参与燃料电池反应后的高流速废气进入涡轮30，高流速废气带动涡轮30转动并释放其动能以后，形成的低流速废气再从涡轮排气口32排出到大气中。涡轮30在高速废气的带动下转动，同时带动发电机33发电。燃料电池反应堆10与发电机33产生的电能，除了可以给空气压缩组件40的电机44供电以外，同时也给电力系统中的其他负载供电。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1不同的是，燃料电池反应堆10与发电机33产生的电能，并不直接连接到电机44以及其他负载，而是通过动力电池20储存电能。当负载消耗功率小于发电功率时，多余的电能储存到动力电池20；当负载消耗功率大于发电功率时，能够从动力电池20中获取电能。这样发电功率就不需要随着负载消耗功率变化，也不会浪费电能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有能量回收系统的燃料电池装置，包括燃料电池反应堆和空气压缩组件，其特征在于，所述燃料电池反应堆包括燃料电池压缩空气进气口、燃料电池排气口和涡轮，所述空气压缩组件的出气口与所述燃料电池压缩空气进气口连接，所述空气压缩组件被设置为产生压缩空气作为所述燃料电池反应堆的反应原料，所述燃料电池反应堆的电力输出口与所述空气压缩组件的电力输入口连接，所述涡轮的进气口与所述燃料电池排气口连接。
2.如权利要求1所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括发电机，所述涡轮被设置为带动所述发电机的输入轴转动，所述发电机的电力输出口与所述空气压缩组件的电力输入口连接。
3.如权利要求2所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池反应堆包括氢气进气口、以及燃料电池出水口，作为反应原料的氢气从所述氢气进气口进入所述燃料电池反应堆，压缩空气从所述燃料电池压缩空气进气口进入所述燃料电池反应堆，反应产生的废水通过所述燃料电池出水口排出，反应产生的废气通过所述燃料电池排气口排出。
4.如权利要求3所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，所述空气压缩组件包括电机和压缩机，所述压缩机的出气口与所述燃料电池压缩空气进气口连接，所述压缩空气组件被设置为向所述燃料电池反应堆提供压缩空气。
5.如权利要求4所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，所述电机被设置为驱动所述压缩机转动。
6.如权利要求5所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，所述压缩机包括一级压缩机与二级压缩机，所述一级压缩机的进气口与大气连接，所述一级压缩机的出气口与所述二级压缩机的进气口连接，所述二级压缩机的出气口与所述燃料电池压缩空气进气口连接。
7.如权利要求6所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，所述一级压缩机的进气口与所述二级压缩机的进气口均远离所述电机设置，所述以及压缩机的出气口与所述二级压缩机的出气口均靠近所述电机设置。
8.如权利要求7所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括中冷器，所述中冷器的进气口与所述二级压缩机的出气口连接，所述中冷器设置有两个出气口，其中一个出气口设置于所述电机的轴承位置。
9.如权利要求8所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括加湿器，所述加湿器被设置为增加压缩空气的湿度。
10.如权利要求9所述的带有能量回收系统的燃料电池装置，其特征在于，还包括空气过滤器，所述空气过滤器设置在所述一级压缩机的进气口处。
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