CN215644595U - 一种用于氢燃料电池的压缩空气系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于氢燃料电池的压缩空气系统，包括空滤、一级压缩机、第一电机、一级压缩机出气管、二级压缩机、第二电机、第一阀门、二级压缩机进气管、二级压缩机出气管、中冷器、增湿器、氢气管、阴极、燃料电池堆、阳极、排气管、除湿器、第一膨胀机进气管、第二阀门、第一膨胀机出气管、第一膨胀机、第二膨胀机进气管、第二膨胀机出气管和第二膨胀机；第一电机的输出轴一头连接一级压缩机的压轮，另一头连接第二膨胀机的涡轮；第二电机的输出轴一头连接二级压缩机的压轮，另一头连接第一膨胀机的涡轮；两级串联压缩，第一膨胀机和第二膨胀机配合做功。本实用新型装置有更高的流量和压比，有更多的能量回收。

Description

一种用于氢燃料电池的压缩空气系统

技术领域

本实用新型涉及压缩空气系统领域，尤其涉及一种用于氢燃料电池的压缩空气系统。

背景技术

质子交换膜式的燃料电池系统是一种高效清洁的新能源动力系统，将压缩空气送入燃料电池阴极，压缩空气中的氧气与阳极的氢气进行电化学反应，生成的产物是电和水，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，因此，氢燃料电池动力系统得到大力开发推广。

燃料电池专用的压缩空气系统是氢燃料电池动力系统里面非常重要的一个部件，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，满足燃料电池化学反应对于空气中氧气的需求。目前市场上燃料电池空压机多为单级压缩机和两级压缩机。单级压缩即一个电机驱动一个压轮，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会更大一点，目前单级压缩多用于小功率燃料电池堆，两级压缩多用于中高功率燃料电池堆。

进入燃料电池的压缩空气仅有一部分氧气参与反应，其余压缩空气会被排出到大气中，被燃料电池排出的压缩空气仍然有很高的压力，所以这部分高压空气直接排放到大气中的话，高压气体所携带的能量也就被浪费掉了。

为了回收利用燃料电池高压废气中的能量，目前已经出现了带有涡轮膨胀机的空气压缩机，即涡轮膨胀机回收废气能量，辅助电机驱动压缩机，这样可以降低电机的耗能。不过涡轮膨胀机占用了原先两级压缩机中的一个位置，所以带有涡轮膨胀机的空压机受限于轴承的稳定性，只能采用单级压缩机。由于目前绝大多数高速电机的转速上限只能达到12万转，所以带有涡轮膨胀机的单级压缩机方案能够覆盖功率范围还是会受到限制，不适用于大功率燃料电池堆。

目前燃料电池应用的范围还主要集中在轻型商用车领域，比如公交车、物流车、货车等。而对于重型商用车，比如重型卡车、渣土车、重型机械等需求的电堆功率比轻型商用车要大很多，如果要将燃料电池用于重型商用车，则其配套的压缩空气的压力、流量要大很多。目前已有的单级压缩机、两级压缩机、带有膨胀机的单级压缩机均不能满足要求。如果继续提高电机功率和压气机尺寸以满足电堆要求的话会有弊端，比如无法兼顾低负荷和高负荷工况、电机功率过大，喘振余量不足等技术问题，而且成本也比较高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的用于氢燃料电池的压缩空气系统，解决耗能大和燃料电池功率小的问题。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是增大压缩空气的流量和压力，利用排气降低能耗。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于氢燃料电池的压缩空气系统，包括空滤、一级压缩机、第一电机、一级压缩机出气管、二级压缩机、第二电机、第一阀门、二级压缩机进气管、二级压缩机出气管、中冷器、增湿器、氢气管、阴极、燃料电池堆、阳极、排气管、除湿器、第一膨胀机进气管、第二阀门、第一膨胀机出气管、第一膨胀机、第二膨胀机进气管、第二膨胀机出气管和第二膨胀机；所述第一电机的输出轴一头连接所述一级压缩机的压轮，另一头连接所述第二膨胀机的涡轮；所述第二电机的输出轴一头连接所述二级压缩机的压轮，另一头连接所述第一膨胀机的涡轮；经所述一级压缩机压缩的空气进入所述二级压缩机，在所述二级压缩机内被压缩，从所述二级压缩机出来的压缩空气经所述中冷器冷却，后经所述增湿器加湿进入所述燃料电池堆，其中，部分氧气参与化学反应，排气为氢氧化学反应产生的水汽和多余的空气，所述排气先后进入所述第一膨胀机和所述第二膨胀机做功。

进一步地，所述空滤通过管子与所述一级压缩机的进气口连接。

进一步地，所述一级压缩机出气管一头与所述一级压缩机的出气口连接，另一头分两路，一路连接所述二级压缩机进气管，另一路连接压缩空气旁路，所述压缩空气旁路装有所述第一阀门。

进一步地，所述二级压缩机出气管与所述压缩空气旁路汇合连接所述中冷器的进气口。

进一步地，所述排气经所述排气管进入所述除湿器。

进一步地，与所述除湿器的出气口连接的管路分两路，一路与所述第一膨胀机进气管连接，另一路连接膨胀气旁路，所述膨胀气旁路装有所述第二阀门。

进一步地，所述第一膨胀机出气管与所述膨胀气旁路汇合连接所述第二膨胀机进气管。

进一步地，所述第二膨胀机的排气经所述第二膨胀机出气管排入大气。

进一步地，所述第一阀门和所述第二阀门为电控阀，受控制系统控制同时开闭。

进一步地，从所述增湿器出来的压缩空气经所述阴极的进气口进入所述燃料电池堆，所述排气管与所述阴极的排气口连接，所述氢气管与所述阳极的入气口连接。

本实用新型的技术效果是，本实用新型装置有两级压缩机串联，可以实现更高的压比；而且废气经过两次能量回收；两级膨胀机相比于现有的单级膨胀机，可以提高废气能量回收效率，降低电机的电能消耗。

本实用新型装置能实现一级压缩模式和两级压缩模式，根据电堆工况对压缩空气的需求量实现两组空压机灵活配合，适合需功率调整范围大的工况，同时产品开发难度低，可行性比较强。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的一个较佳实施例的一种用于氢燃料电池的压缩空气系统的示意图；

其中，1-空滤，2-一级压缩机，3-第一电机，4-一级压缩机出气管，5-二级压缩机，6-第二电机，7-第一阀门，8-二级压缩机进气管，9-二级压缩机出气管，10-中冷器，11-增湿器，12-氢气管，13-阴极，14-燃料电池堆，15-阳极，16-排气管，17-除湿器，18-第一膨胀机进气管，19-第二阀门，20-第一膨胀机出气管，21-第一膨胀机，22-第二膨胀机进气管，23-第二膨胀机出气管，24-第二膨胀机。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，一种用于氢燃料电池的压缩空气系统，包括空滤1、一级压缩机2、第一电机3、一级压缩机出气管4、二级压缩机5、第二电机6、第一阀门7、二级压缩机进气管8、二级压缩机出气管9、中冷器10、增湿器11、氢气管12、阴极13、燃料电池堆14、阳极15、排气管16、除湿器17、第一膨胀机进气管18、第二阀门19、第一膨胀机出气管20、第一膨胀机21、第二膨胀机进气管22、第二膨胀机出气管23和第二膨胀机24；第一电机3的输出轴一头连接一级压缩机2的压轮，另一头连接第二膨胀机24的涡轮；第二电机6的输出轴一头连接二级压缩机5的压轮，另一头连接第一膨胀机21的涡轮；经一级压缩机2压缩的空气进入二级压缩机5，在二级压缩机5内被压缩，从二级压缩机5出来的压缩空气经中冷器10冷却，后经增湿器11加湿进入燃料电池堆14，其中部分氧气参与化学反应；排气为氢氧化学反应产生的水汽和多余的空气，排气先后进入第一膨胀机21和第二膨胀机24做功。

空滤1通过管子与一级压缩机2的进气口连接，一级压缩机出气管4一头与一级压缩机2的出气口连接，另一头分两路，一路连接二级压缩机进气管8，另一路连接压缩空气旁路，压缩空气旁路装有第一阀门7。二级压缩机出气管9与压缩空气旁路汇合连接中冷器10的进气口。

排气经排气管16进入除湿器17，与除湿器17的出气口连接的管路分两路，一路与第一膨胀机进气管18连接，另一路连接膨胀气旁路，膨胀气旁路装有第二阀门19。第一膨胀机出气管20与膨胀气旁路汇合连接第二膨胀机进气管22。第二膨胀机24的排气经第二膨胀机出气管23排入大气。

排气管16与阴极13的排气口连接，氢气管12与阳极15的入气口连接。从增湿器11出来的压缩空气经阴极13的进气口进入燃料电池堆14，在此处，氢气与压缩空气里的氧气发生反应，化学反应产生电和水。

第一阀门7和第二阀门19为电控阀，受控制系统控制同时开闭。

实施例一

两级压缩模式的工作过程，需要大功率的情况下使用两级压缩模式。本装置控制系统控制第一阀门7和第二阀门19同时关闭，压缩空气旁路和膨胀气旁路都不通。开机启动第一电机3和第二电机6，一级压缩机2和二级压缩机5工作，空气经空滤1过滤，进入一级压缩机2压缩，出来通过一级压缩机出气管4和二级压缩机进气管8进入二级压缩机5，被压缩后出来，压缩空气通过二级压缩机出气管9进入中冷器10冷却，进入增湿器11加湿，从阴极13的进气口进入燃料电池堆14，氢气通过氢气管12和阳极15的入气口进入燃料电池堆14，在此处，氢气与压缩空气里的氧气发生反应，生成电和水。排气为氢氧化学反应产生的水汽和多余的空气，排气通过排气管16进入除湿器17除湿，通过第一膨胀机进气管18进入第一膨胀机21，因排气高温高压，排气推动第一膨胀机21的涡轮高速转动，因为第一膨胀机21的涡轮、二级压缩机5的压轮和第二电机6的输出轴是同轴，所以减少了第二电机6的输出功率，即达到节能的目的。从第一膨胀机21出来的排气通过第一膨胀机出气管20和第二膨胀机进气管22，进入第二膨胀机24，这时排气仍然有一定的温度和压力，可以推动第二膨胀机24的涡轮转动，因为第二膨胀机24的涡轮、一级压缩机2的压轮和第一电机3的输出轴是同轴，所以减少了第一电机3的输出功率，即达到节能的目的。一级压缩机2和二级压缩机5是串联的，而且废气经过两次能量回收；两级膨胀机相比于现有的单级膨胀机，可以提高废气的能量回收，回收更多的能量。

实施例二

一级压缩模式的工作过程，需要小功率的情况下使用一级压缩模式。本装置控制系统控制第一阀门7和第二阀门19同时打开，压缩空气旁路和膨胀气旁路都通。开机启动第一电机3，一级压缩机2工作，第二电机6不启动，此时，二级压缩机5不工作，此时二级压缩机5的机内进气阀和第一膨胀机21的机内进气阀是关闭的。空气经空滤1过滤，进入一级压缩机2压缩，出来通过一级压缩机出气管4和压缩空气旁路进入中冷器10冷却，进入增湿器11加湿，从阴极13的进气口进入燃料电池堆14，氢气通过氢气管12和阳极15的入气口进入燃料电池堆14，在此处，氢气与压缩空气里的氧气发生反应，产生电能和水。排气为氢氧化学反应产生的水汽和多余的空气，排气通过排气管16进入除湿器17除湿，通过膨胀气旁路，进入第二膨胀机24，这时排气的温度和压力都比较高，可以推动第二膨胀机24的涡轮转动，因为第二膨胀机24的涡轮、一级压缩机2的压轮和第一电机3的输出轴是同轴，所以减少了第一电机3的输出功率，即达到节能的目的。在不需要很大的功率的工况下，只开动一级压缩机2工作，二级压缩机5不工作。排气通过膨胀气旁路直接进入第二膨胀机24，推动第二膨胀机24的涡轮转动。废气经过一次能量回收相比于没有单级膨胀机的空气压缩机，有能量回收，节约能源。

本实用新型装置有大功率模式和小功率模式，更适合需功率调整范围大的工况。合理调配，产品开发难度，同时提高能量回收效率。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型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实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实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)

1.一种用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，包括空滤、一级压缩机、第一电机、一级压缩机出气管、二级压缩机、第二电机、第一阀门、二级压缩机进气管、二级压缩机出气管、中冷器、增湿器、氢气管、阴极、燃料电池堆、阳极、排气管、除湿器、第一膨胀机进气管、第二阀门、第一膨胀机出气管、第一膨胀机、第二膨胀机进气管、第二膨胀机出气管和第二膨胀机；所述第一电机的输出轴一头连接所述一级压缩机的压轮，另一头连接所述第二膨胀机的涡轮；所述第二电机的输出轴一头连接所述二级压缩机的压轮，另一头连接所述第一膨胀机的涡轮；经所述一级压缩机压缩的空气进入所述二级压缩机，在所述二级压缩机内被压缩，从所述二级压缩机出来的压缩空气经所述中冷器冷却，后经所述增湿器加湿进入所述燃料电池堆，其中，部分氧气参与化学反应，排气为氢氧化学反应产生的水汽和多余的空气，所述排气先后进入所述第一膨胀机和所述第二膨胀机做功。

2.如权利要求1所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，所述空滤通过管子与所述一级压缩机的进气口连接。

3.如权利要求1所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，所述一级压缩机出气管一头与所述一级压缩机的出气口连接，另一头分两路，一路连接所述二级压缩机进气管，另一路连接压缩空气旁路，所述压缩空气旁路装有所述第一阀门。

4.如权利要求3所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，所述二级压缩机出气管与所述压缩空气旁路汇合连接所述中冷器的进气口。

5.如权利要求1所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，所述排气经所述排气管进入所述除湿器。

6.如权利要求1所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，与所述除湿器的出气口连接的管路分两路，一路与所述第一膨胀机进气管连接，另一路连接膨胀气旁路，所述膨胀气旁路装有所述第二阀门。

7.如权利要求6所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，所述第一膨胀机出气管与所述膨胀气旁路汇合连接所述第二膨胀机进气管。

8.如权利要求1所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，所述第二膨胀机的排气经所述第二膨胀机出气管排入大气。

9.如权利要求1所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，所述第一阀门和所述第二阀门为电控阀，受控制系统控制同时开闭。

10.如权利要求1所述的用于氢燃料电池的压缩空气系统，其特征在于，从所述增湿器出来的压缩空气经所述阴极的进气口进入所述燃料电池堆，所述排气管与所述阴极的排气口连接，所述氢气管与所述阳极的入气口连接。

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