CN115360383B - 燃料电池发动机空气装置及燃料电池发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池发动机空气装置及燃料电池发动机。其中，燃料电池发动机空气装置，包括：空压机、换热装置、增湿器、中冷器和电堆；所述空压机包括压轮端和涡轮端，压轮端输出的空气在换热装置内与增湿器尾排出口排出的气体进行热交换，增湿器尾排出口排出的气体经过热交换后进入到涡轮端，经过热交换后的压轮端输出的空气在换热装置内再次与电堆冷却水进行热交换后进入增湿器，经增湿器后的气体经中冷器后流入电堆，电堆排出的气体进入增湿器后经增湿器尾排出口排出。使用空压机的压轮端的空气对进入涡轮端的空气进行加热，从而提高进入涡轮端空气的温度，从而达到提高回收效率的目的。

Description

燃料电池发动机空气装置及燃料电池发动机
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其是涉及一种燃料电池发动机空气装置及燃料电池发动机。
背景技术
燃料电池工作原理为通过氢气和空气中的氧气在电堆内部的催化剂表面发生反应，将化学能转化为电能。其中空气来源主要是通过空气压缩机来提供一定的流量和压力，为将电堆尾排中气体能量进行回收利用，一般采用带能量回收的空压机进行匹配。
采用空压机对电堆空气尾排中的气体能量进行回收利用时，由于尾排中空气温度一般不会高于电堆工作的温度，并且因存在增湿器，尾排中的气体会和增湿器中的低温气体进行换热，进一步导致进入空压机中的空气温度降低，导致回收效率降低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池发动机空气装置及燃料电池发动机，至少部分的解决现有技术中存在的回收效率低的问题。
第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池发动机空气装置，包括：空压机、换热装置、增湿器、中冷器和电堆；
所述空压机包括压轮端和涡轮端，压轮端输出的空气在换热装置内与增湿器尾排出口排出的气体进行热交换，增湿器尾排出口排出的气体经过热交换后进入到涡轮端，经过热交换后的压轮端输出的空气在换热装置内再次与电堆冷却水进行热交换后进入增湿器，经增湿器后的气体经中冷器后流入电堆，电堆排出的气体进入增湿器后经增湿器尾排出口排出；
电池发动机运行时，当设置在增湿器的空气入口处的第二温度传感器采集的空气温度低于进入增湿器内温度时，关闭电堆冷却水管道与换热装置之间的调节阀；第二温度传感器采集的空气温度升高时，打开调节阀避免进入增湿器空气温度升高。
可选的，还包括分水件，所述分水件的入口与增湿器尾排出口连通，所述分水件用于分离液态水。
可选的，所述分水件入口与增湿器尾排出口的管道上设置尾排节气门。
可选的，所述增湿器的空气入口处设置第二温度传感器。
可选的，所述中冷器的空气出口处设置第一温度传感器。
可选的，所述换热装置与电堆冷却水管道连通，换热装置与电堆冷却水管道之间设置调节阀。
可选的，所述空压机前端设置流量计，所述流量计前端设置空滤。
可选的，增湿器尾排出口排出的气体经过热交换后进入到涡轮端从而提供空压机的膨胀功；
膨胀功的计算公式为：
w=Q*Cp*T_in*(1-(Pout/Pin)^((r-1)/r))，w为膨胀功，Q为空压机气体流量，Cp为气体比热容，T_in为进气温度，Pout为空压机涡轮端出口压力，Pin为空压机进气压力，r为气体绝热指数。
第二方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池发动机，包括：第一方面任一所述的空气装置。
本发明提供的燃料电池发动机空气装置及燃料电池发动机，其中燃料电池发动机空气装置，设置可以空空换热和空水换热的换热装置，使用空压机的压轮端的空气对进入涡轮端的空气进行加热，从而提高进入涡轮端空气的温度，从而达到提高回收效率的目的。
进一步通过设置分水件，避免液态水进入空压机的涡轮端，降低空压机的流阻，进一步提高了空压机的膨胀功。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本公开实施例提供的一种燃料电池发动机空气装置的结构框图；
其中，1-电堆冷却水管道，2-电堆，3-调节阀，4-第一温度传感器，5-中冷器，6-增湿器，601-空气出口，602-空气入口，603-尾排入口，604-尾排出口，7-换热装置，8-尾排节气门，9-分水件，10-空压机，11-流量计，12-空滤。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
如图1所示，本实施例公开了一种燃料电池发动机空气装置，包括：空压机、换热装置、增湿器、中冷器和电堆；
所述空压机包括压轮端和涡轮端，压轮端输出的空气在换热装置内与增湿器尾排出口排出的气体进行热交换，增湿器尾排出口排出的气体经过热交换后进入到涡轮端，经过热交换后的压轮端输出的空气在换热装置内再次与电堆冷却水进行热交换后进入增湿器，经增湿器后的气体经中冷器后流入电堆，电堆排出的气体进入增湿器后经增湿器尾排出口排出。
可选的，还包括分水件，所述分水件的入口与增湿器尾排出口连通，所述分水件用于分离液态水。
可选的，所述分水件入口与增湿器尾排出口的管道上设置尾排节气门。
可选的，所述增湿器的空气入口处设置第二温度传感器。
可选的，所述中冷器的空气出口处设置第一温度传感器。
可选的，所述换热装置与电堆冷却水管道连通，换热装置与电堆冷却水管道之间设置调节阀。
可选的，所述空压机前端设置流量计，流量计包含环境温度测点。所述流量计前端设置空滤。
可选的，电池发动机运行时，当设置在增湿器的空气入口处的第二温度传感器采集的空气温度低于进入增湿器内温度时，关闭电堆冷却水管道与换热装置之间的调节阀；第二温度传感器采集的空气温度升高时，打开调节阀避免进入增湿器空气温度升高。
可选的，增湿器尾排出口排出的气体经过热交换后进入到涡轮端从而提供空压机的膨胀功；
膨胀功的计算公式为：
w=Q*Cp*T_in*(1-(Pout/Pin)^((r-1)/r))，w为膨胀功，Q为空压机气体流量，Cp为气体比热容，T_in为进气温度，Pout为空压机涡轮端出口压力，Pin为空压机进气压力，r为气体绝热指数。
空压机压轮端主要提供系统所需气体的流量和压力，出口空气经过压缩后温度较高，一般可达150℃以上，高温的气体通过换热装置进行空空换热，由于换热的空气为经过增湿器换热后的气体，温度一般在80℃左右，故，通过空空换热后的高温气体温度有所降低，但仍无法直接进入增湿器，故后端采用空水换热再次进行降温，空水换热中的冷却水采用与电堆冷却水并联的连接方式，水管路上有流量调节阀可实现此路水流量与增湿器出口路中冷器路的水流量的调节和开关控制。电堆空气出口经过增湿器和分水件后将部分液态水分离后，饱和的水蒸气及小粒径液态水进入空空换热器中，高温的空气会将空气温度升高，小粒径液态水汽化变为水蒸气，因此进入空压机涡轮端的气体为高温含水蒸气空气，液态水无法进入涡轮端内部。
当燃料电池系统运行时，当第二温度传感器采集的空气温度低于进入增湿器内温度时，水路调节阀关闭，降低对水流量需求，进一步降低冷却路中水泵转速，降低功耗；当第二温度传感器采集的空气温度开始升高时，则开始缓慢打开调节阀避免进入增湿器空气温度升高。当涡轮进口气体与空空中冷器换热温度升高后进去空压机的理论气体能量提高，如下公式所示：w=Q*Cp*T_in*(1-(Pout/Pin)^((r-1)/r))，Q为气体流量，Cp为气体比热容，T_in为进气温度，Pout为空压机涡轮出口压力，Pin为进气压力，r为气体绝热指数。故升高温度后进入空压机的理论空气膨胀功会升高，进一步可降低空压机功耗。
本公开实施例还提供了一种燃料电池发动机，包括：本实施例公开的的空气装置。
本实施例采用可调节式空水中冷器的水路流量，进一步可降低水泵功耗。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或AB或AC或BC，或ABC（即A和B和C）。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (9)

1.一种燃料电池发动机空气装置，其特征在于，包括：空压机、换热装置、增湿器、中冷器和电堆；
所述空压机包括压轮端和涡轮端，压轮端输出的空气在换热装置内与增湿器尾排出口排出的气体进行热交换，增湿器尾排出口排出的气体经过热交换后进入到涡轮端，经过热交换后的压轮端输出的空气在换热装置内再次与电堆冷却水进行热交换后进入增湿器，经增湿器后的气体经中冷器后流入电堆，电堆排出的气体进入增湿器后经增湿器尾排出口排出；
电池发动机运行时，当设置在增湿器的空气入口处的第二温度传感器采集的空气温度低于进入增湿器内温度时，关闭电堆冷却水管道与换热装置之间的调节阀；第二温度传感器采集的空气温度升高时，打开调节阀避免进入增湿器空气温度升高。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气装置，其特征在于，还包括分水件，所述分水件的入口与增湿器尾排出口连通，所述分水件用于分离液态水。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机空气装置，其特征在于，所述分水件入口与增湿器尾排出口的管道上设置尾排节气门。
4.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气装置，其特征在于，所述增湿器的空气入口处设置第二温度传感器。
5.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气装置，其特征在于，所述中冷器的空气出口处设置第一温度传感器。
6.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气装置，其特征在于，所述换热装置与电堆冷却水管道连通，换热装置与电堆冷却水管道之间设置调节阀。
7.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气装置，其特征在于，所述空压机前端设置流量计，所述流量计前端设置空滤。
8.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气装置，其特征在于，增湿器尾排出口排出的气体经过热交换后进入到涡轮端从而提供空压机的膨胀功；
膨胀功的计算公式为：
w=Q*Cp*T_in*(1-(Pout/Pin)^((r-1)/r))，w为膨胀功，Q为空压机气体流量，Cp为气体比热容，T_in为进气温度，Pout为空压机涡轮端出口压力，Pin为空压机进气压力，r为气体绝热指数。
9.一种燃料电池发动机，其特征在于，包括：权利要求1至8任一项所述的空气装置。
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