CN117293368A - 一种尾排再利用的燃料电池以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种尾排再利用的燃料电池以及车辆，所述燃料电池包括空气分离器、加热器、电堆、轴流涡轮、发电电动机以及蓄电池；轴流涡轮带动发电电动机转动；发电电动机与蓄电池电性连接；电堆包括空气侧入口以及尾排口；空气分离器包括出口，其上设置有透氧膜；加热器设置在透氧膜上；所述尾排口、空气分离器出口分别通过轴流涡轮与空气侧入口连通；本发明通过电堆的尾排口与轴流涡轮的进口连通，加热分离出的高温高压氧气和尾排气体，能够推动轴流涡轮转动，进而带动发电电动机转动发电，实现燃料电池的能量的多级利用，而降温后混合气体进入电堆，实现增压增氧增湿，能够提升电堆的反应速率以及实现快速的冷启动。

Description

一种尾排再利用的燃料电池以及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种尾排再利用的燃料电池以及车辆。
背景技术
氧气是燃料电池的重要反应原料，现有燃料电池系统技术仅利用环境空气作为原料，并不对其进行任何成分处理，一方面由于自然环境中的空气氧含量太低，限制了电堆的发电功率。另外一方面，尾排的气体的能量直接被浪费掉了，降低了利用率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种尾排再利用的燃料电池以及车辆。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种尾排再利用的燃料电池，包括空气分离器、加热器、电堆、轴流涡轮、发电电动机以及蓄电池；
所述轴流涡轮带动发电电动机转动；所述发电电动机与蓄电池电性连接；
所述电堆包括空气侧入口以及尾排口；
所述空气分离器包括出口，所述空气分离器出口上设置有透氧膜；所述加热器设置在透氧膜上；
所述轴流涡轮包括进口和出口；所述尾排口、空气分离器出口分别与轴流涡轮进口连通；所述轴流涡轮出口与空气侧入口连通。
优选地，所述燃料电池还包括空压机，所述空压机、轴流涡轮二者共轴设置。
优选地，所述空压机、轴流涡轮以及发电电动机三者共轴设置。
优选地，所述加热器为氢气燃烧器；
燃料电池包括供氢系统，所述供氢系统与氢气燃烧器连通。
优选地，所述氢气燃烧室包括进口和出口，所述燃烧室进口与供氢系统连通，所述燃烧室出口与轴流涡轮进口连通。
优选地，所述空压机包括进口和出口，所述空压机进口与轴流涡轮出口连通，所述空压机出口与空气侧入口连通；
所述电堆包括空气侧出口，所述空气侧出口、空压机以及空气侧进口三者通过三通阀连通。
优选地，所述燃料电池还包括空滤，所述空滤与空压机进口连通。
优选地，所述透氧膜为含有钡钙钛矿材质的透氧膜。
优选地，所述空气分离器上设置有与空气侧入口直连的通道，所述燃料电池通过空气分离器分离后剩余的气体对燃料电池进行吹扫。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
一种车辆，包括上述的尾排再利用的燃料电池。
本发明的有益效果在于：通过电堆的尾排口与轴流涡轮的进口连通，通过加热分离出的高温高压氧气和尾排气体，能够推动轴流涡轮转动，进而带动发电电动机转动，并通过蓄电池进行收集，用于车辆的使用也可用于燃料电池的低温唤醒功能，实现燃料电池的能量的多级利用，而降温后高温氧气与尾排气体的水蒸气混合后进入电堆内进行反应，实现增压增氧增湿，能够大大的提升电堆的反应速率以及实现快速的冷启动；同时通过轴流涡轮，能够避免传统的膨胀机的离心叶片无法耐受小水滴而需要分水器，膨胀机效率不高的问题，提升了适用性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的一种尾排再利用的燃料电池的结构框图；
标号说明：1、空气分离器；11、透氧膜；2、加热器；3、电堆；31、空气侧入口；32、尾排口；33、空气侧出口；4、轴流涡轮；5、发电电动机；6、蓄电池；7、空压机；8、三通阀；9、空滤。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，一种尾排再利用的燃料电池，包括空气分离器1、加热器2、电堆3、轴流涡轮4、发电电动机5以及蓄电池6；
所述轴流涡轮4带动发电电动机5转动；所述发电电动机5与蓄电池6电性连接；
所述电堆3包括空气侧入口31以及尾排口32；
所述空气分离器1包括出口，所述空气分离器1出口上设置有透氧膜11；所述加热器2设置在透氧膜11上；
所述轴流涡轮4包括进口和出口；所述尾排口32、空气分离器1出口分别与轴流涡轮4进口连通；所述轴流涡轮4出口与空气侧入口31连通。
从上述描述可知，通过电堆3的尾排口32与轴流涡轮4的进口连通，通过加热分离出的高温高压氧气和尾排气体，能够推动轴流涡轮4转动，进而带动发电电动机5转动，并通过蓄电池6进行收集，用于车辆的使用也可用于燃料电池的低温唤醒功能，实现燃料电池的能量的多级利用，而降温后高温氧气与尾排气体的水蒸气混合后进入电堆3内进行反应，实现增压增氧增湿，能够大大的提升电堆3的反应速率以及实现快速的冷启动；同时通过轴流涡轮4，能够避免传统的膨胀机的离心叶片无法耐受小水滴而需要分水器，膨胀机效率不高的问题，提升了适用性。
进一步的，所述燃料电池还包括空压机7，所述空压机7、轴流涡轮4二者共轴设置。
从上述描述可知，通过空压机7、轴流涡轮4二者共轴设置，能够实现将由轴流涡轮4直接带动空压机7工作，实现混合气体的热能直接转化为机械能。
进一步的，所述空压机7、轴流涡轮4以及发电电动机5三者共轴设置。
从上述描述可知，通过空空压机7、轴流涡轮4以及发电电动机5三者共轴设置，由于三者基本都是同步工作，能够实现混合气体的热能直接转化为机械能；且在启动时，可以直接由发电电动机5进行启动，带动涡轮和空压机7，使得电堆3内部压力快速提升，实现电动增压。
进一步的，所述加热器为氢气燃烧器；
燃料电池包括供氢系统，所述供氢系统与氢气燃烧器连通。
进一步的，所述氢气燃烧室包括进口和出口，所述燃烧室进口与供氢系统连通，所述燃烧室出口与轴流涡轮4进口连通。
从上述描述可知，通过采用氢气燃烧室进行加热，能够直接使用燃料电池现有结构，同时氢气燃烧的温度更高，方便快速升温，同时实现透氧膜117的快速加热。
进一步的，所述空压机7包括进口和出口，所述空压机7进口与轴流涡轮4出口连通，所述空压机7出口与空气侧入口31连通；
所述电堆3包括空气侧出口33，所述空气侧出口33、空压机7以及空气侧进口三者通过三通阀8连通。
从上述描述可知，通过空气侧出口33以及空气侧进口的连通，形成氧气循环路，由于采用了透氧膜11，使得堆内的氧气含量高，不重复利用的话，难以用尽，进而造成浪费。
进一步的，所述燃料电池还包括空滤9，所述空滤9与空压机7进口连通。
从上述描述可知，通过空滤9的设置，燃料电池可以根据需要控制空压机7通过空滤9进行空气的补充，使得进入电堆3的混合气体达到最佳比例。
进一步的，所述透氧膜11为含有钡钙钛矿材质的透氧膜11。
从上述描述可知，含有钡钙钛矿材质的透氧膜11远离为高温富氧条件下，含钡(Ba)材料表面析出的BaO/BaO2纳米粒子对氧活化具有超高的活性，是氧交换反应的活性位点，因此含Ba钙钛矿氧化物表面高温氧活化和输运机制具有重要意义。
进一步的，所述空气分离器上设置有与空气侧入口直连的通道，所述燃料电池通过空气分离器分离后剩余的气体对燃料电池进行吹扫。
从上述描述可知，通过空气分离器分离后剩余的气体主要为氮气对燃料电池进行吹扫，实现氮气吹扫，减少或者避免空气中的氧气反而会对电堆造成损害，有利于提高系统效率和可靠性。
实施例一
一种尾排再利用的燃料电池，包括空气分离器、加热器、电堆、轴流涡轮、发电电动机以及蓄电池；
所述轴流涡轮带动发电电动机转动；所述发电电动机与蓄电池电性连接；
所述电堆包括空气侧入口以及尾排口；
所述空气分离器包括出口，所述空气分离器出口上设置有透氧膜；所述加热器设置在透氧膜上；
所述轴流涡轮包括进口和出口；所述尾排口、空气分离器出口分别与轴流涡轮进口连通；所述轴流涡轮出口与空气侧入口连通。
所述燃料电池还包括空压机，所述空压机、轴流涡轮二者共轴设置。
所述空压机、轴流涡轮以及发电电动机三者共轴设置。
所述加热器为氢气燃烧器；
燃料电池包括供氢系统，所述供氢系统与氢气燃烧器连通。
所述氢气燃烧室包括进口和出口，所述燃烧室进口与供氢系统连通，所述燃烧室出口与轴流涡轮进口连通。
所述空压机包括进口和出口，所述空压机进口与轴流涡轮出口连通，所述空压机出口与空气侧入口连通；
所述电堆包括空气侧出口，所述空气侧出口、空压机以及空气侧进口三者通过三通阀连通。
所述燃料电池还包括空滤，所述空滤与空压机进口连通。
所述透氧膜为含有钡钙钛矿材质的透氧膜。
所述空气分离器上设置有与空气侧入口直连的通道，所述燃料电池通过空气分离器分离后剩余的气体对燃料电池进行吹扫。
实施例二
一种车辆，包括实施例一所述的尾排再利用的燃料电池。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种尾排再利用的燃料电池，其特征在于，包括空气分离器、加热器、电堆、轴流涡轮、发电电动机以及蓄电池；
所述轴流涡轮带动发电电动机转动；所述发电电动机与蓄电池电性连接；
所述电堆包括空气侧入口以及尾排口；
所述空气分离器包括出口，所述空气分离器出口上设置有透氧膜；所述加热器设置在透氧膜上；
所述轴流涡轮包括进口和出口；所述尾排口、空气分离器出口分别与轴流涡轮进口连通；所述轴流涡轮出口与空气侧入口连通。
2.根据权利要求1所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括空压机，所述空压机、轴流涡轮二者共轴设置。
3.根据权利要求2所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述空压机、轴流涡轮以及发电电动机三者共轴设置。
4.根据权利要求1所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述加热器为氢气燃烧器；
燃料电池包括供氢系统，所述供氢系统与氢气燃烧器连通。
5.根据权利要求4所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述氢气燃烧室包括进口和出口，所述燃烧室进口与供氢系统连通，所述燃烧室出口与轴流涡轮进口连通。
6.根据权利要求2所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述空压机包括进口和出口，所述空压机进口与轴流涡轮出口连通，所述空压机出口与空气侧入口连通；
所述电堆包括空气侧出口，所述空气侧出口、空压机以及空气侧进口三者通过三通阀连通。
7.根据权利要求6所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括空滤，所述空滤与空压机进口连通。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述透氧膜为含有钡钙钛矿材质的透氧膜。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的尾排再利用的燃料电池，其特征在于，所述空气分离器上设置有与空气侧入口直连的通道，所述燃料电池通过空气分离器分离后剩余的气体对燃料电池进行吹扫。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的尾排再利用的燃料电池。
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