CN114122454A - 燃料电池及其空气供应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池及其空气供应系统，空气供应系统包括空压机，空压机具有供空气进入的进气口；中冷器，其进气口与空压机的出气口连接，出气口用于与燃料电池的电堆空气入口连接；与空压机传动连接的膨胀机，膨胀机的进气口用于与燃料电池的电堆尾气出口连接，膨胀机具有排气口。应用时将中冷器的出气口与燃料电池的电堆空气入口连接；膨胀机的进气口与燃料电池的电堆尾气出口连接；工作时，空气首先进入空压机进行压缩，然后进入中冷器进行冷却，冷却后的空气进入电堆进行反应，反应后的混合气由尾气出口进入膨胀机，对膨胀机叶轮做功，膨胀机的叶轮回收的能量作为动力回馈给空压机，从而降低了空压机的功耗，提高了燃料电池的整体效率。

Description

燃料电池及其空气供应系统
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供应系统，本发明还涉及一种燃料电池。
背景技术
燃料电池阴极侧反应需要一定流量和压力的压缩空气。目前，燃料电池中的压缩空气主要是通过空压机和背压阀配合提供。空压机功耗在燃料电池系统中所占的比重较高，影响了燃料电池系统的整体效率。
综上所述，如何提高燃料电池的整体效率，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于公开一种燃料电池的空气供应系统，以提高燃料电池的整体效率。
本发明的另一目的在于公开一种具有上述空气供应系统的燃料电池。
为了达到上述目的，本发明公开如下技术方案：
一种燃料电池的空气供应系统，包括：
用于提高空气压力的空压机，所述空压机具有供空气进入的进气口；
用于对空气降温的中冷器，所述中冷器的进气口与所述空压机的出气口连接，所述中冷器的出气口用于与燃料电池的电堆空气入口连接；
与所述空压机传动连接的膨胀机，所述膨胀机的进气口用于与所述燃料电池的电堆尾气出口连接，所述膨胀机具有排气口。
优选的，上述空气供应系统中，还包括设置在所述空压机与所述中冷器之间的换热器，所述空压机的出气口与所述中冷器的进气口通过所述换热器的热流体通道相连，所述电堆尾气出口与所述膨胀机的进气口通过所述换热器的冷流体通道相连。
优选的，上述空气供应系统中，还包括：
用于与所述燃料电池的电堆尾气出口连接的阴极分水器，所述阴极分水器的气体出口与所述膨胀机的进气口连接，所述阴极分水器的液体出口连接有排水阀。
优选的，上述空气供应系统中，所述膨胀机上设置有用于调节进气口的流通面积的调节机构。
优选的，上述空气供应系统中，所述空压机包括：
一级压缩机，具有供空气进入的进气口；
二级压缩机，所述二级压缩机的进气口与所述一级压缩机的出气口连接，所述二级压缩机的出气口与所述中冷器的进气口连接；
用于驱动所述一级压缩机和所述二级压缩机的驱动电机，所述驱动电机两端分别与所述一级压缩机和所述二级压缩机同轴连接。
优选的，上述空气供应系统中，所述一级压缩机、所述二级压缩机、所述驱动电机和所述膨胀机共轴设置。
优选的，上述空气供应系统中，所述一级压缩机、所述二级压缩机、所述驱动电机和所述膨胀机的转轴集成为一体。
从上述的技术方案可以看出，本发明公开的燃料电池的空气供应系统包括用于提高空气压力的空压机，空压机具有供空气进入的进气口；用于对空气降温的中冷器，中冷器的进气口与空压机的出气口连接，中冷器的出气口用于与燃料电池的电堆空气入口连接；与空压机传动连接的膨胀机，膨胀机的进气口用于与燃料电池的电堆尾气出口连接，膨胀机具有排气口。
应用时，将中冷器的出气口与燃料电池的电堆空气入口连接；膨胀机的进气口与燃料电池的电堆尾气出口连接；工作时，空气首先进入空压机进行压缩，然后进入中冷器进行冷却，冷却后的空气进入电堆进行反应，反应后的混合气由尾气出口进入膨胀机，对膨胀机叶轮做功，膨胀机的叶轮回收的能量作为动力回馈给空压机，从而降低了空压机的功耗；混合气进入膨胀机后温度降低、体积膨胀后从排气口排入尾排。
综上所述，本发明实现了电堆废气能量的回收，从而提高了燃料电池的整体效率。
本发明还公开了一种燃料电池，包括电堆，用于向所述电堆供应空气的空气供应系统，所述空气供应系统为上述任一种空气供应系统，由于上述空气供应系统具有上述效果，具有上述空气供应系统的燃料电池具有同样的效果，故本文不再赘述。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例公开的燃料电池的空气供应系统的工作原理图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种燃料电池的空气供应系统，提高了燃料电池的整体效率。
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。
请参考附图1，本发明实施例公开的燃料电池的空气供应系统，用于为燃料电池提供一定流量和压力的压缩空气，包括用于提高空气压力的空压机，空压机具有供空气进入的进气口；用于对空气降温的中冷器4，中冷器4的进气口与空压机的出气口连接，中冷器4的出气口用于与燃料电池的电堆5空气入口连接；与空压机传动连接的膨胀机9，膨胀机9的进气口用于与燃料电池的电堆5尾气出口连接，膨胀机9具有排气口。
如图1所示，中冷器4利用冷却水对压缩空气进行冷却，图中的双点划线箭头为中冷器4对应的冷却水流动方向。
应用时，将中冷器4的出气口与燃料电池的电堆5空气入口连接；膨胀机9的进气口与燃料电池的电堆5尾气出口连接；工作时，空气首先进入空压机进行压缩，然后进入中冷器4进行冷却，冷却后的空气进入电堆5进行反应，图中的实线箭头为压缩空气的流动方向；反应后的混合气由尾气出口进入膨胀机9，图中的虚线箭头为混合器的流动方向，对膨胀机9叶轮做功，膨胀机9的叶轮回收的能量作为动力回馈给空压机，从而降低了空压机的功耗；混合气进入膨胀机9后温度降低、体积膨胀后从排气口排入尾排。
综上所述，本发明实现了电堆5废气能量的回收，从而提高了燃料电池的整体效率。
优选的，空气供应系统还包括设置在空压机与中冷器4之间的换热器6，空压机的出气口与中冷器4的进气口通过换热器6的热流体通道相连，电堆5尾气出口与膨胀机9的进气口通过换热器6的冷流体通道相连。这样一来，空压机输出的压缩气体，先进入换热器6与电堆5尾气出口输出的混合气换热后，再进入中冷器4进行冷却。
本发明的换热器6可充分利用空压机出口压缩空气的高温条件加热电堆5尾气出口输出的混合气，可同时回收利用压缩机出口的高温压缩空气和电堆5尾排中的高温气体的能量，提高了膨胀机9的进气口气体温度，从而大大提高膨胀机9的做功效率，降低空压机功耗，进一步提高系统的效率；同时降低了进入中冷器4的压缩空气温度，减少了压缩机出口的高温压缩空气在中冷器4上浪费的能量，减小了中冷器4的体积。
可以理解的是，本发明也可以使电堆5尾气出口输出的混合气不经过换热器6，直接进入膨胀机9进行能量回收；可以不设置上述换热器6，或者使换热器6回收的热量用于其他用途。
进一步的技术方案中，空气供应系统还包括用于与燃料电池的电堆5尾气出口连接的阴极分水器7，阴极分水器7的气体出口与膨胀机9的进气口连接，阴极分水器7的液体出口连接有排水阀8。电堆5反应后的混合气先通过阴极分水器7进行分水，分离出的液态水通过排水阀8定期进行排水，图中的单点划线箭头为液态水的流动方向；分离出的混合气进入膨胀机9进行能量回收，能够避免混合气中的水分对膨胀机9叶片的冲击，从而延长膨胀机9使用寿命。
当然，本发明还可以不设置上述阴极分水器7，使燃料电池的电堆5尾气出口直接与换热器6或者膨胀机9连接，从而减少部件，节省占用空间。
膨胀机9是一种可回收能量的机械装置。膨胀机9主要分为非可变截面的膨胀机9和可变截面的膨胀机9。非可变截面膨胀机9入口流通面积不可变，其特性曲线是固定不变的；可变截面的膨胀机9入口流通面积可变，其特性曲线是可变的。
为了优化技术方案，膨胀机9上设置有用于调节进气口的流通面积的调节机构10。本实施例提供的空气供应系统引入了可变截面的膨胀机9，可利用可变截面的膨胀机9在全转速范围内高效回收电堆5出口混合气的能量，以驱动空压机电机，降低空压机功耗，从而提高系统效率。
本实施例通过调节可变截面的膨胀机9进气口的流通面积和空压机的驱动电机2转速来实现空压机输出一定流量和压力的压缩空气，调节机构10来调节膨胀机9入口的流通面积，可适时调整膨胀机9的特性曲线。同时通过可变截面的膨胀机9来实现背压阀的功能，取消了传统燃料电池系统用的背压阀，可简化系统装配，节约成本。
可变截面的膨胀机9包括多种形式的膨胀机9，主要有旋转叶片式可变截面的膨胀机9和移动式可变截面的膨胀机9等。本发明还可以采用不变截面的膨胀机9，在膨胀机9尾排出口外接背压阀。
具体的实施方式中，空压机包括一级压缩机1，具有供空气进入的进气口；二级压缩机3，二级压缩机3的进气口与一级压缩机1的出气口连接，二级压缩机3的出气口与中冷器4的进气口连接；用于驱动一级压缩机1和二级压缩机3的驱动电机2，驱动电机2两端分别与一级压缩机1和二级压缩机3同轴连接。
应用时，空气先进入一级压缩机1进行一级压缩，再进入二级压缩机3进行二级压缩，然后进入换热器6加热电堆5尾气出口排出的混合气，降温后进入中冷器4冷却后进入电堆5。
本实施例的空压机采用双级压缩，压力和流量范围较宽；并利用同一驱动电机2配合膨胀机9同时驱动一级压缩机1和二级压缩机3，结构更简单。
根据实际应用需求，本发明的空压机还可以采用一级压缩，即仅包括一级压缩机1。
为了简化结构，一级压缩机1、二级压缩机3、驱动电机2和膨胀机9共轴设置。可变截面的膨胀机9的叶轮与空压机的驱动电机2的主轴同轴，膨胀机9叶轮回收的能量直接通过驱动电机2的主轴回馈给驱动电机2，降低了驱动电机2的功耗。此时，膨胀机9与空压机连接比较紧凑，减小了占用空间；可以理解的是，膨胀机9还可以通过传动机构如齿轮传动机构与驱动电机2连接。
为了进一步优化上述技术方案，一级压缩机1、二级压缩机3、驱动电机2和膨胀机9的转轴集成为一体。本实施例将双级压缩的空压机和膨胀机9做成一体机，一级压缩机1、二级压缩机3、驱动电机2和膨胀机9形成的整体结构比较紧凑，大大降低了系统的装配难度，可一定程度降低系统成本和体积。
本发明实施例还公开了一种燃料电池，包括电堆5，用于向电堆5供应空气的空气供应系统，空气供应系统为上述任一项实施例提供的空气供应系统，提高了燃料电池的整体效率，其优点是由空气供应系统带来的，具体的请参考上述实施例中相关的部分，在此就不再赘述。
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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池的空气供应系统，其特征在于，包括：
用于提高空气压力的空压机，所述空压机具有供空气进入的进气口；
用于对空气降温的中冷器(4)，所述中冷器(4)的进气口与所述空压机的出气口连接，所述中冷器(4)的出气口用于与燃料电池的电堆(5)空气入口连接；
与所述空压机传动连接的膨胀机(9)，所述膨胀机(9)的进气口用于与所述燃料电池的电堆(5)尾气出口连接，所述膨胀机(9)具有排气口。
2.根据权利要求1所述的空气供应系统，其特征在于，还包括设置在所述空压机与所述中冷器(4)之间的换热器(6)，所述空压机的出气口与所述中冷器(4)的进气口通过所述换热器(6)的热流体通道相连，所述电堆(5)尾气出口与所述膨胀机(9)的进气口通过所述换热器(6)的冷流体通道相连。
3.根据权利要求1或2所述的空气供应系统，其特征在于，还包括：
用于与所述燃料电池的电堆(5)尾气出口连接的阴极分水器(7)，所述阴极分水器(7)的气体出口与所述膨胀机(9)的进气口连接，所述阴极分水器(7)的液体出口连接有排水阀(8)。
4.根据权利要求1所述的空气供应系统，其特征在于，所述膨胀机(9)上设置有用于调节进气口的流通面积的调节机构(10)。
5.根据权利要求1所述的空气供应系统，其特征在于，所述空压机包括：
一级压缩机(1)，具有供空气进入的进气口；
二级压缩机(3)，所述二级压缩机(3)的进气口与所述一级压缩机(1)的出气口连接，所述二级压缩机(3)的出气口与所述中冷器(4)的进气口连接；
用于驱动所述一级压缩机(1)和所述二级压缩机(3)的驱动电机(2)，所述驱动电机(2)两端分别与所述一级压缩机(1)和所述二级压缩机(3)同轴连接。
6.根据权利要求5所述的空气供应系统，其特征在于，所述一级压缩机(1)、所述二级压缩机(3)、所述驱动电机(2)和所述膨胀机(9)共轴设置。
7.根据权利要求6所述的空气供应系统，其特征在于，所述一级压缩机(1)、所述二级压缩机(3)、所述驱动电机(2)和所述膨胀机(9)的转轴集成为一体。
8.一种燃料电池，包括电堆(5)，用于向所述电堆(5)供应空气的空气供应系统，其特征在于，所述空气供应系统为如权利要求1-7任一项所述的空气供应系统。
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