CN116134649A - 具有优化冷却的用于向燃料电池阴极供应加压空气的设备 - Google Patents

Abstract

公开了用于向燃料电池(100)的阴极(110)供应加压空气的设备，包括：压缩机(12)，被连接到空气入口管(14)和阴极的入口(112)，压缩机(12)被配置为接收源自空气入口管(14)的空气，以压缩空气并将空气供应到阴极(110)；电机(16)，被配置为驱动压缩机(12)并被壳体(18)包围；回收涡轮机(26)，被配置为膨胀源自阴极的出口(114)的含水空气(24)，以便经由涡轮机(26)的出口供应该经膨胀的空气(28)。该设备的特征在于，包括冷却通道(32)，冷却通道(32)被配置为接收经膨胀的空气(28)的至少一些，以冷却电机的壳体(18)和电机(16)。

Description

具有优化冷却的用于向燃料电池阴极供应加压空气的设备

技术领域

本发明涉及用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备。特别地，本发明涉及用于向优化的冷却燃料电池的阴极供应加压空气的优化的冷却设备，该优化的冷却设备包括机动压缩机或机动涡轮增压器，例如，该优化的冷却设备可以在例如航空、轨道、海上或汽车类型的交通工具中使用。

背景技术

加压空气供应设备在多种场景中使用，特别是在交通工具中使用，例如以便供应空气调节系统或燃料电池。

这些加压空气供应设备通常包括机动压缩机，并且优选地包括机动涡轮增压器，其中由电机驱动的压缩机允许生成加压空气。在这些设备中提及的重要问题是机动压缩机或机动涡轮增压器的电机的冷却。

一方面，在空气调节系统中，主要问题是确保这种冷却不会过度影响空气调节系统的性能和成本，特别是通过限制外部冷空气去除的使用和/或通过不引起对加压空气的附加需求来确保，这将导致能量消耗的增加。

如今，人们对提供配备有燃料电池的运输交通工具，特别是飞行器，有着强烈的热情，因为这些电池形成了清洁、可靠和灵活的能源。

构成燃料电池诸如氢电池的原理是基于二氢和二氧之间的氧化还原反应。这两个分子形成化学燃料，据此，能量可以存储在燃料电池应用中。

因此，这样的燃料电池是双电极发电机，该双电极发电机例如，经由在一个电极上的还原性燃料诸如氢气的氧化作用，加之在另一个电极上的氧化剂诸如空气中的氧气的还原作用，生产电能。

电池的氧化还原反应不仅生成电，还生成副产物，诸如水、热量和去氧空气。

特别地，在阳极处的氧化反应分解与催化剂接触的氢分子，以释放电子并释出热量。在阴极处的还原反应通过氧气与由氧化作用释放的电子之间的接触形成氧离子。此外，氢质子与氧离子重新结合以形成水。

氧阴极例如经由加压空气供应，该加压空气含有足够的氧气以使反应能够实现。

在航空、轨道、船舶或汽车交通工具中，加压空气由压缩机供应，压缩机被供应有收集到的空气，例如该收集到的空气经由外来空气入口从外面收集。

压缩机通常由电动机驱动，电动机通过轴与压缩机连接，以使压缩机旋转。

这种用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备的挑战之一是压缩机的驱动电机的冷却。

特别地，电机的冷却必须足够有效，以允许功率密度在质量和尺寸方面与集成到机载系统，特别是交通工具，例如飞行器，相兼容。

此外，必须控制加压空气供应设备的构件以及特别是空气压缩机电机经受的温度水平，以防止任意故障，并且该温度水平必须与在机载系统中所需要的可靠性水平相兼容，特别是与在航空应用中所需要的非常高水平的可靠性相兼容。

通过冷却电机消耗的能量必须保持较低，以便不会对嵌入了电机的系统的整体效率产生负面影响。这些对能量和效率的考虑特别是使控制燃料电池的整体效率并避免燃料电池系统过大成为可能。

最后，还必须在整体水平上研究效率，特别是在质量和复杂性方面，效率必须保持合理，以免交通工具的整体性能受到影响。

在现有技术中提出的解决方案包括通过与用作散热器的液体环路进行热交换来冷却电机。特别地，在某些系统中，特别是在机动车辆领域中，液体环路已经被用于冷却其它构件，并且被引导朝向电机以进行冷却。然而，在缺乏预先存在的液体环路的情况下，实施这种解决方案是复杂的，并且由于待冷却的附加构件，增加了现有液体环路中的复杂性和在性能上的下降。

另一种压缩机电机冷却解决方案包括利用收集到的空气进行通风，该收集到的空气从燃料供应回路或外面中的任一者中收集。

然而，在从燃料供应回路中收集空气的第一种情况下，空气必须已经被压缩，以从产生通风流速的过压中受益。这种压缩功被消耗在燃料电池中未使用的空气中，并且因此对系统的整体效率产生不利影响。

对于从外面收集空气的第二种情况，当交通工具停止时(特别是对于飞行器来说停止在地面上)，通风流速通常为零。风扇用于弥补这种通风不足，这增加了系统的复杂性，并降低了能量性能。更一般地，通风空气的收集导致交通工具的性能下降。

发明人寻求提出一种新型的设备，以向燃料电池供应加压空气，从而允许压缩机电机被适当地冷却。

发明内容

发明目的

本发明旨在于提供用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备，该设备使克服现有技术的吸收设备的缺点中的至少一个成为可能。

本发明特别旨在于在至少一个实施例中提供节能的供应设备。

本发明特别旨在于在至少一个实施例中提供供应设备，无论交通工具的状态和外面条件如何，该供应设备都能够使用。

本发明特别旨在于在至少一个实施例中提供小体积、低质量的供应设备。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于向至少一个燃料电池的至少一个阴极供应加压空气的设备，包括：

-空气入口管，

-压缩机，与空气入口管和阴极的入口连接，压缩机被配置为接收源自空气入口管的空气，以压缩源自空气入口管的空气，并向阴极供应加压空气，

-电机，通过传动轴与压缩机连接，电机被配置为驱动压缩机并被壳体包围，

-能量回收涡轮机，与阴极的出口连接，并且能量回收涡轮机被配置为膨胀源自阴极的出口的含水空气，以经由涡轮机的出口供应经膨胀的空气，经膨胀的空气被称作含水排放空气，

其特征在于，该设备包括冷却通道，冷却通道连接涡轮机的出口和电机的壳体，所述冷却通道被配置为接收含水排放空气的至少一些，以用所述含水排放空气的这一部分冷却电机壳体和电机，其中水呈现为悬浮液滴的形式。

因此，根据本发明的用于供应燃料电池的阴极的设备充分利用离开阴极的空气，使提供有效、节能的压缩机电机的冷却成为可能，该离开阴极的空气通常旨在现有技术中被排出。

离开阴极的空气最初在能量回收涡轮机中膨胀，这使回收可以在系统中使用的能量成为可能，以便提高整体能量效率。此外，在涡轮机中的膨胀具有降低含水空气的温度的作用，并具有使存在于含水空气中的水冷凝以形成悬浮的水滴的作用。

因此，含水排放空气在用于冷却电机壳体和电机方面特别有效。例如，含水排放空气被注入到壳体的外表面的冷却回路中。比电机更冷的这种排放空气将通过热传导冷却电机壳体和电机，并且在由电机和电机壳体释出的热量的存在下，在排放空气中悬浮的水将通过吸收该热量而蒸发，以便改善电机壳体和电机的冷却。

因此，使用含水排放空气使比现有技术的设备更有效地冷却成为可能，或者使用较低的空气流速以相同的方式冷却成为可能，这提高了供应设备、燃料电池以及嵌入了供应设备和燃料电池的交通工具的整体能量效率。

供应设备不依赖于用于冷却压缩机电机的外部系统，并且特别是在飞行器的示例中，当飞行器在地面上时，供应设备可以自主运行。

有利地并且根据本发明，能量回收涡轮机被布置在传动轴上。

根据本发明的这一方面，压缩机、涡轮机和电机通过传动轴连接，并且因此形成机动涡轮增压器。因此，由涡轮机回收的能量用于减少驱动压缩机所必需的电机能量消耗，这减少了由电机生成的热量。

有利地并且根据本发明，供应设备包括分叉，分叉被布置在涡轮机的出口和冷却通道之间，分叉包括入口，入口被配置为接收含水排放空气，并且分叉包括至少两个出口，第一出口被配置为将含水排放空气流中的一些引导到冷却通道，以及第二出口被配置为将含水排放空气流的另一部分引导到供应设备的排放出口。

根据本发明的这一方面，分叉使平衡涡轮机的出口处的压力成为可能；如果所有的含水排放空气都被送入到冷却通道中以冷却电机壳体和电机，则产生的压降可能降低系统的整体性能，特别是涡轮机的性能。

通过允许冷却通道和在分叉处的排放出口之间的流速的被动平衡，涡轮机以其最大性能运行(在涡轮机的入口和涡轮机的出口处的压力之间的比被优化)，因为来自涡轮机的出口下游的压降被优化，并且含水空气的冷却是有效的，这改善了电机和电机的壳体的冷却。

有利地并且根据本发明，分叉部被配置为使得悬浮在含水排放空气中的大部分水被引导到冷却通道。

根据本发明的这一方面，分叉优化了被送入冷却通道的排放空气和直接排出的排放空气的水分布。在排放空气中悬浮的水的存在不会影响压降性能，而是有利于冷却。因此，分叉被配置为使得大部分水被传输到冷却通道。这种配置可以主动地(受控的)或优选被动地(无需干预，这特别是限制了消耗的能量和系统的复杂性)完成。例如，分叉部具有这样的几何形状，即，在分叉中与冷却通道连接的第一出口基本上与排放空气的流的方向共线，以便将存在于流中的水主要引导朝向该出口，第二出口以不同的角度定向，使得水优选地被引导朝向第一出口。

有利地并且根据本发明，电机的壳体包括冷却翅片。

根据本发明的这一方面，翅片使电机和壳体的冷却最大化成为可能。翅片由导热材料制成，以最大化热交换。

根据本发明的其它变体，任意其它改善热交换的设备都可以被添加到电机壳体中。

有利地并且根据本发明，加压空气消耗器是燃料电池的阴极，加压空气消耗器的入口是阴极的入口，以及加压空气消耗器的出口是阴极的出口，消耗的空气是含水空气。

根据本发明的这一方面，当加压空气消耗器是燃料电池的阴极时，电机和电机壳体的冷却特别有效，因为离开阴极的空气由于在阴极中发生的反应而含水。因此，根据本发明的用于向燃料电池阴极供应加压空气的设备对于电机和电机壳体的这些冷却能力以及对于该设备的自主性特别有利，例如，在交通工具诸如飞行器中，只要燃料电池处于运行中，即使交通工具是静止的(对于飞行器来说静止在地面上)，也使有效地冷却电机和电机的壳体成为可能。

本发明还涉及向燃料电池的阴极供应加压空气的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-经由由电机驱动的压缩机压缩源自空气入口管的空气，并将加压空气输送到阴极的入口，

-经由能量回收涡轮机膨胀源自阴极的出口的含水空气，

-将被称作涡轮机的排放空气的经膨胀的空气的至少一些引导到压缩机电机的壳体，以冷却所述电机壳体和所述电机，经膨胀的空气载有呈现为悬浮液滴形式的水。

有利地，根据本发明的供应方法由根据本发明的供应设备实施。

有利地，根据本发明的供应设备实施根据本发明的供应方法。

本发明还涉及燃料电池系统，燃料电池系统包括燃料电池，燃料电池包括阴极和阳极，其特征在于，该燃料电池系统包括根据本发明的用于向阴极供应加压空气的设备。

本发明还涉及交通工具，交通工具包括燃料电池，燃料电池包括阴极和阳极，其特征在于，该交通工具包括根据本发明的用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备。

交通工具是例如汽车、航空、海上或轨道交通工具。

本发明还涉及供应设备、供应方法、燃料电池系统和交通工具，它们的特征在于由上述或以下提到的全部或一些特征组合而成。

附图说明

本发明的进一步目的、特征和优点将通过阅读以下描述而变得显而易见，该描述仅通过非限制性示例提供，并参考附图，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的用于向燃料电池的阴极供应加压空气的设备的示意图。

具体实施方式

为了说明和清晰起见，附图中未严格遵守尺寸和比例。

此外，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同、相似或类似的元素。

图1示意性地示出了供应设备10，供应设备10被设置为向燃料电池100的阴极110供应加压空气。燃料电池100以已知的方式包括阳极102，阳极102经由阳极入口104被供应有氢气，并经由阳极出口106排出过量的氢气。阳极102通过膜108与阴极110分隔开。

阴极110包括阴极入口112和阴极出口114，阴极入口112被供应有加压空气，阴极出口114在燃料电池100中的反应后排出加压空气的残余物，所述残余物形成去氧的含水的空气，该空气被称为含水空气。

阳极102由未示出的氢供应设备供应有氢气。

阴极110被供应有加压空气，特别是由压缩机12供应加压空气，压缩机12由空气入口管14供应空气。源自空气入口管14的空气是例如外来空气，或源自在交通工具上的另一个系统的空气，该交通工具携带燃料电池和加压空气供应设备10。例如，在飞行器中，空气可以从推进发动机或空气调节系统中获取。

压缩机12通过被壳体18包围的电机16旋转。电机使与压缩机12连接的传动轴19旋转。

被压缩机12压缩的加压空气20被直接传输到燃料电池100的阴极110，或者，如本实施例所示，加压空气20首先通过热交换器22，从而形成该热交换器22的热通流，以冷却加压空气20。

加压空气经由阴极入口112进入，然后通过阴极110。加压空气的氧气向在燃料电池中的反应供应氢气，以生成电能。

由于在燃料电池中发生的反应，经由阴极出口114离开阴极的空气是去氧的含水空气。在本实施例中，含水空气24可以用作热交换器22的冷通流，以便冷却加压空气20。

然后，含水空气24由供应设备10的能量回收涡轮机26膨胀。能量回收涡轮机26通过膨胀和冷却该含水空气24，并且通过将水冷凝成液滴的形式，使从含水空气24中回收能量成为可能。在本实施例中，能量回收涡轮机26与传动轴19连接，以便在驱动压缩机12时减少电机16的能量消耗。涡轮机26、电机16和压缩机12一起形成机动涡轮增压器。

在现有技术中，离开能量回收涡轮机的空气在能量回收之后被排出到外面。

在本发明的用于供应阴极的设备中，离开涡轮机的空气——被称作含水排放空气，被用作冷却源。

特别地，如本实施例所示，离开涡轮机26的含水排放空气28到达分叉30。该分叉包括与涡轮机26的出口连接的入口，并且使得能够：将含水排放空气28中的一些朝向第一出口朝向冷却通道32引导，以及将排放空气28的另一部分朝向外部引导到第一排放出口34a。

将含水排放空气28的在冷却通道32中循环的部分引导到电机的壳体18，以便冷却电机壳体18和电机16。为了便于冷却，电机的壳体18可以包括翅片(未示出)或任意其它改善热交换的装置。在由电机16因驱动压缩机12而生成的热量的作用下，通过蒸发悬浮在被引导到电机壳体18的排放空气28中的水滴来改善冷却。在冷却电机16和电机壳体18之后，空气经由第二排放出口34b排出，该第二排放出口34b可以与第一排放出口34a不同，或者可以与第一排放出口34a连接以形成单个排放出口。

分叉30可以被配置为使得将存在于排放空气28中的大部分水被引导朝向冷却通道32。

分叉30允许冷却通道32和电机壳体18处的压降的被动控制；在两个排放口处的压力是环境压力，并且对于含水排放空气28的在冷却通道32的分支中循环的部分和排放空气28的在通向第一排放出口34a的分支中循环的部分而言，分叉30处的压力是相同的，这使平衡两个分支之间的流速成为可能。

供应设备和燃料电池形成燃料电池系统，该燃料电池系统可以集成在汽车、轨道、海上或航空交通工具中。在飞行器中，燃料电池系统可以被集成到空气调节系统中。

Claims (8)

1.一种用于向至少一个燃料电池(100)的至少一个阴极(110)供应加压空气的供应设备，包括：

-空气入口管(14)，

-压缩机(12)，被连接到所述空气入口管(14)和所述阴极的入口(112)，并且被配置为：接收源自所述空气入口管(14)的空气，压缩源自所述空气入口管(14)的所述空气，并向所述阴极(110)供应加压空气，

-电机(16)，通过传动轴(19)被连接到所述压缩机(12)，所述电机(16)被配置为驱动所述压缩机(12)并被壳体(18)包围，

-能量回收涡轮机(26)，被连接到所述阴极的出口(114)，并且被配置为：膨胀源自所述阴极的所述出口(114)的含水空气(24)，以经由所述涡轮机(26)的出口供应经膨胀的空气，所述经膨胀的空气被称作含水排放空气(28)，

其特征在于，所述供应设备包括连接所述涡轮机(26)的所述出口和所述电机的所述壳体(18)的冷却通道(32)，所述冷却通道(32)被配置为：接收所述含水排放空气(28)的至少一些，以用所述含水排放空气(28)的所述至少一些冷却所述电机壳体(18)和所述电机(16)，其中所述水呈现为悬浮液滴的形式。

2.根据权利要求1所述的供应设备，其特征在于，所述能量回收涡轮机(26)被设置在所述传动轴(19)上。

3.根据权利要求1或2所述的供应设备，其特征在于，所述供应设备包括分叉(30)，所述分叉(30)被设置在所述涡轮机(26)的所述出口和所述冷却通道(32)之间，所述分叉包括被配置为接收所述含水排放空气(28)的入口，并且所述分叉包括至少两个出口，第一出口被配置为将所述含水排放空气流(28)中的一些引导到所述冷却通道(32)，以及第二出口被配置为将所述含水排放空气流(28)中的另一部分引导到所述供应设备的排放出口(34a)。

4.根据权利要求3所述的供应设备，其特征在于，所述分叉(30)被配置为使得在所述含水排放空气(28)中的大部分水被引导到所述冷却通道(32)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的供应设备，其特征在于，所述电机的所述壳体(18)包括冷却翅片。

6.一种用于向燃料电池(100)的阴极(110)供应加压空气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-经由由电机(16)驱动的压缩机(12)压缩源自空气入口管(14)的空气，并将加压空气(20)输送到所述阴极的入口(112)，

-经由能量回收涡轮机(26)膨胀源自所述阴极的出口(114)的含水空气(24)，

-将经膨胀的含水空气的至少一些引导到所述压缩机(12)电机的壳体(18)，以冷却所述电机壳体(18)和所述电机(16)，所述经膨胀的含水空气被称作所述涡轮机的含水排放空气(28)，其中所述水呈现为悬浮液滴的形式。

7.一种燃料电池系统，包括：燃料电池(100)，所述燃料电池(100)包括阴极(110)和阳极(102)，其特征在于，所述燃料电池系统包括根据权利要求1至6中任一项所述的用于向所述阴极供应加压空气的设备(10)。

8.一种交通工具，包括：燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池(100)，所述燃料电池(100)包括阴极(110)和阳极(102)，其特征在于，所述交通工具包括根据权利要求1至6中任一项所述的用于向所述燃料电池阴极供应加压空气的设备(10)。

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