CN112421075A - 一种燃料电池发动机空气供给*** - Google Patents

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史艳彬
***
皮文列
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机空气供给***，包括：燃料电池电堆；供气主路，其一端与所述燃料电池电堆的阴极入口连接，另一端与外部环境连通，所述供气主路上设置有压气机；排气主路，其一端与所述燃料电池电堆的阴极出口连接，另一端与外部环境连通，所述排气主路上设置有涡轮机；供气旁通支路，其一端与所述供气主路连接且连接点位于所述压气机之后，另一端与所述排气主路连接且连接点位于所述涡轮机之前，所述供气旁通支路上设有旁通阀；驱动电机，所述驱动电机的输出轴的一端与所述压气机连接，所述驱动电机的输出轴的另一端与所述涡轮机连接。本发明燃料电池发动机空气供给***能回收燃料电池排气能量，同时避免压气机发生喘振。

Description

一种燃料电池发动机空气供给***
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机空气供给***。
背景技术
燃料电池是利用氢气和氧气发生电化学反应，将化学能转化为电能的能量转化装置。由于燃料电池具有高效率、无污染的特点，因此被广泛的应用于汽车领域，作为汽车的发动机。
为了使燃料电池高效、可靠的工作，需要为燃料电池阴极提供足够的空气，并且还要满足温度、湿度、压力的要求，因此需要设置空气供给***来为燃料电池提供空气。空压机作为空气供给***的重要部件，能为燃料电池提供足够的空气流量和压力，同时也是空气供给***中耗能最大的部件。随着燃料电池的功率越来越大，对空压机的压比和流量要求也越来越大，空压机的耗能也越来越高。另外，空压机一般采用离心式空压机，但离心式空压机在低负荷工况时会发生喘振，因为燃料电池电堆进入低负荷工况时需要的空气流量降低，容易导致压气机发生喘振，进而损坏压气机，影响空气供给***的工作稳定性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池发动机空气供给***，本发明的燃料电池发动机空气供给***能回收燃料电池排气能量，降低空压机能耗，同时避免压气机发生喘振。
本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池发动机空气供给***，包括：
燃料电池电堆；
供气主路，其一端与所述燃料电池电堆的阴极入口连接，另一端与外部环境连通，所述供气主路上设置有压气机；
排气主路，其一端与所述燃料电池电堆的阴极出口连接，另一端与外部环境连通，所述排气主路上设置有涡轮机；
供气旁通支路，其一端与所述供气主路连接且连接点位于所述压气机之后，另一端与所述排气主路连接且连接点位于所述涡轮机之前，所述供气旁通支路上设置有空气旁通阀；
驱动电机，所述驱动电机的输出轴的一端与所述压气机连接，所述驱动电机的输出轴的另一端与所述涡轮机连接。
可选的，所述排气主路上设置有背压阀，以通过调节所述背压阀来调节所述燃料电池电堆的阴极压力。
可选的，所述的燃料电池发动机空气供给***还包括涡轮机旁通支路，所述涡轮机旁通支路的两端分别连接至所述涡轮机的前后两端，所述涡轮机旁通支路上设置有涡轮机旁通阀。
可选的，所述的燃料电池发动机空气供给***还包括气液分离器，所述气液分离器设于所述排气主路上并设于所述背压阀与所述涡轮机之间。
可选的，所述供气主路上位于所述压气机与所述燃料电池电堆之间处设置有中冷器。
可选的，所述供气旁通支路与所述供气主路连接的一端设于所述压气机与所述中冷器之间，所述供气旁通支路与所述排气主路连接的一端设于所述气液分离器与所述涡轮机之间。
可选的，所述的燃料电池发动机空气供给***还包括加湿器以及加湿器旁通支路；
所述加湿器设于所述供气主路和所述排气主路上，以使所述排气主路中流经所述加湿器的气体能对所述供气主路上流经所述加湿器的气体进行加湿；
所述加湿器旁通支路上设置有加湿器旁通阀，所述加湿器旁通支路用于调节所述供气主路上经过所述加湿器的气量，或调节所述排气主路上经过所述加湿器的气量。
可选的，所述燃料电池电堆的所述阴极入口前端设置有进气停机阀；
所述燃料电池电堆的所述阴极出口前端设置有排气停机阀。
可选的，所述供气主路上位于所述压气机的前端设置有空气过滤器。
可选的，所述气液分离器的出液口依次连接有蓄水箱和排水阀。
本发明的有益之处在于：在供气主路上设置了供气旁通支路，供气旁通支路连接至排气主路上，且供气旁通支路上设置有空气旁通阀，当燃料电池电堆进入低负荷工况时，空气旁通阀开启，将部分空气从供气主路旁通掉，从而保障压气机的流量大于喘振极限，同时保障燃料电池电堆所需的空气流量；排气主路设置有涡轮机，能够回收燃料电池排气能量，同时供气旁通支路旁通掉的空气可以对涡轮机做功，使得涡轮机回收压气机因防止喘振而额外消耗的部分能量，从而降低驱动电机的能耗。
附图说明
图1是本发明中燃料电池发动机空气供给***第一实施例的结构示意图；
图2是本发明中燃料电池发动机空气供给***第二实施例的结构示意图；
图3是本发明中燃料电池发动机空气供给***第三实施例的结构示意图；
图4是本发明中燃料电池发动机空气供给***第四实施例的结构示意图；
图5是本发明中燃料电池发动机空气供给***第五实施例的结构示意图；
图6是本发明中燃料电池发动机空气供给***第六实施例的结构示意图；
图7是本发明中燃料电池发动机空气供给***第七实施例的结构示意图。
图中：
101、燃料电池电堆；102、驱动电机；103、加湿器；104、加湿器旁通阀；
110、供气主路；111、压气机；112、进气停机阀；113、空气过滤器；114、中冷器；
120、供气旁通支路；121、空气旁通阀；
210、排气主路；211、涡轮机；212、背压阀；213、气液分离器；214、节流孔；215、蓄水箱；216、排水阀；217、排气停机阀；
220、涡轮机旁通支路；221、涡轮机旁通阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供了一种燃料电池发动机空气供给***，图1是本发明中燃料电池发动机空气供给***第一实施例的结构示意图，如图1所示，燃料电池发动机空气供给***包括燃料电池电堆101、供气主路110、排气主路210、供气旁通支路120以及驱动电机102。
供气主路110的一端与燃料电池电堆101的阴极入口连接，供气主路110另一端与外部环境连通，使得供气主路110能为燃料电池电堆101的阴极供气。供气主路110上设置有压气机111，压气机111将外部环境的空气压入供气主路110中，使空气流入燃料电池电堆101的阴极。
排气主路210的一端与燃料电池电堆101的阴极出口连接，另一端与外部环境连通，以使排气主路210将气体排至外界环境中。排气主路210上设置有涡轮机211，涡轮机211能利用排气主路210的空气做功。
驱动电机102的输出轴的一端与压气机111连接，驱动电机102的输出轴的另一端与涡轮机211连接，驱动电机102能驱动压气机111转动，且驱动电机102的另一端还与涡轮机211连接，使得涡轮机211回收的排气能量能够通过驱动电机102的输出轴直接传递到压气机111，降低驱动电机102的功耗。在一种实施方式中，驱动电机102的输出轴采用空气轴承支撑，空气轴承的供气管路集成在压气机111中，空气轴承的排气管路集成在涡轮机211中。
如图1所示，供气旁通支路120的一端与供气主路110连接，且连接点位于压气机111之后，供气旁通支路120的另一端与排气主路210连接，且连接点位于涡轮机211之前，这里的“前”和“后”都是基于空气的流向而言，空气先流过的地方为“前”，后流过的地方为“后”。供气旁通支路120上设置有空气旁通阀121，旁通阀是能够控制旁通支路中气体的流通和截止，以及调节流量大小的电磁阀。由于设置了供气旁通支路120，通过控制供气旁通支路120上的空气旁通阀121的开度大小，可以调节供气旁通支路120的气体流量，当燃料电池电堆101进入低负荷工况时，空气旁通阀121开启，将供气主路110的部分空气从供气旁通支路120旁通掉，从而保障压气机111的流量大于喘振极限，同时还能保障燃料电池电堆101所需的空气流量。由于供气旁通支路120的出口位于涡轮机211的入口前，供气旁通支路120的空气可以对涡轮机211做功，涡轮机211能够回收压气机111因防止喘振而额外消耗的部分能量，从而降低驱动电机102的能耗。
请参考图1，在一种实施方式中，排气主路210上设置有背压阀212，背压阀212能够控制燃料电池电堆101的阴极压力。涡轮机211在正常运行时，具有建立空气供给***压力的能力，空气供给***压力指的是燃料电池电堆101的阴极压力，因此，背压阀212尽量处于全开状态，这样有更多的空气流过涡轮机211，有利于涡轮机211回收更多的能量，当涡轮机211建立的压力不足时，也就是燃料电池电堆101的阴极压力不足时，调节背压阀212使背压阀212的开度变小，辅助涡轮机211建立空气供给***压力，使燃料电池电堆101的阴极有足够的压力。
进一步的，参考图1，燃料电池发动机空气供给***还包括涡轮机旁通支路220，涡轮机旁通支路220的两端分别连接至涡轮机211的前后两端，也就是说涡轮机旁通支路220的一端位于涡轮机211的入口前，涡轮机旁通支路220的另一端位于涡轮机211的出口后，涡轮机旁通支路220上设置有涡轮机旁通阀221，涡轮机旁通阀221与空气旁通阀121类似，涡轮机旁通阀221能控制涡轮机旁通支路220的流量。涡轮机旁通阀221通常处于关闭状态，当背压阀212全开，燃料电池电堆101的阴极压力依然大于目标压力时，调节涡轮机旁通阀221使涡轮机旁通阀221的开度变大，部分气体通过涡轮机旁通支路220流出，以降低燃料电池电堆101的阴极压力。
请继续参考图1，在一种实施方式中，燃料电池发动机空气供给***还包括气液分离器213，气液分离器213设置在排气主路210上并设置在背压阀212与涡轮机211之间。具体的，如图1所示，气液分离器213的进气口与背压阀212连接，气液分离器213的出气口与涡轮机211的入口连接，气液分离器213的出液口与外界环境相连，将分离出的液体排出。气液分离器213将燃料电池电堆101的阴极排气中的液态水分离出来，并排放到外界环境，剩余的气体进入涡轮机211，对涡轮机211做功，防止燃料电池电堆101排出的液态水损坏涡轮机211。较佳的，气液分离器213的出液口经节流孔214与外界环境连通。
图2是本发明中燃料电池发动机空气供给***第二实施例的结构示意图，如图2所示，气液分离器213的出液口依次连接有蓄水箱215和排水阀216，将气液分离器213分离的液体排至蓄水箱215后，再通过排水阀216来控蓄水箱215排水，这样可以使得排水可控，定期排一次即可，避免气液分离器213不停向外排水。
在一种实施方式中，如图1所示，燃料电池发动机空气供给***还包括加湿器103以及加湿器旁通支路，加湿器旁通支路上设置有加湿器旁通阀104，加湿器旁通阀104与空气旁通阀121类似，加湿器旁通阀104可以调节加湿器旁通支路的流量。加湿器103设置在供气主路110和排气主路210上，具体而言，如图1所述，供气主路110和排气主路210上的空气均经过加湿器103，通过供气主路110和排气主路210在加湿器103中进行湿气交换，排气主路210中空气中的水气进入供气主路110的空气中，实现对供气主路110中的空气进行加湿，具体的湿气交换原理为现有技术，在此不再赘述。加湿器旁通支路可以设置在供气主路110上，调节供气主路110上经过加湿器的气量，也可以将加湿器旁通支路设置在排气主路210上，调节排气主路210上经过加湿器的气量。图1所示中，将加湿器旁通支路设置在排气主路210上，如图1所示，燃料电池电堆101排出的空气到达加湿器103时，分成两路，一路进入加湿器103，另一路经过加湿器旁通支路上的加湿器旁通阀104，最后汇合后经过背压阀212，通过调节加湿器旁通阀104的开度大小可以调节排气主路210中通过加湿器旁通支路的气流量，进而控制排气主路210中经过加湿器103的气流量，实现对供气主路110上空气湿度的调节。如图3所示，将加湿器旁通支路设置在供气主路110上，供气主路110中的空气到达加湿器103时，分成两路，一路进入加湿器103，另一路经过加湿器旁通支路上的加湿器旁通阀104，最后汇合后进入燃料电池电堆101，通过调节加湿器旁通阀104的开度大小可以调节供气主路110中通过加湿器旁通支路的气流量，进而控制供气主路110中经过加湿器103的气流量，实现对供气主路110上空气湿度的调节。
请参考图1，燃料电池发动机空气供给***还包括进气停机阀112和排气停机阀217，进气停机阀112设置在燃料电池电堆101的阴极入口前端，排气停机阀217设置在燃料电池电堆101的阴极出口前端。设置停机阀可以保障燃料电池电堆101在停机时的湿度和清洁度，进气停机阀112紧邻燃料电池电堆101的阴极入口，排气停机阀217紧邻所燃料电池电堆101的阴极出口，当燃料电池电堆101停机时，进气停机阀112和排气停机阀217关闭，起到密封作用。
为了保障燃料电池发动机空气供给***中空气的清洁度，如图1所示，供气主路110上位于压气机111的前端处设置有空气过滤器113，空气过滤器113的入口与外部环境相连，空气过滤器113的出口与压气机111的入口相连，空气过滤器113可以去除外界环境中的颗粒物和有害成分。
请参考图1，燃料电池发动机空气供给***还包括中冷器114，中冷器114设置在供气主路110上位于压气机111与燃料电池电堆101之间，当设置了加湿器103时，中冷器114设置在位于压气机111与加湿器103之间。中冷器114可以控制燃料电池电堆101阴极的进气温度，使经过压气机111增压后的气体温度降低。
请参考图1，供气旁通支路120的两端在供气主路110和排气主路210上的位置可灵活调节。在一种实施方式中，如图1所示，供气旁通支路120与供气主路110连接的一端设置在压气机111与中冷器114之间，供气旁通支路120与排气主路210连接的一端设置在气液分离器213与涡轮机211之间。
在第另一种实施方式中，如图4所示，供气旁通支路120与供气主路110连接的一端设置在中冷器114与加湿器103之间，供气旁通支路120与排气主路210连接的一端设置在背压阀212与气液分离器213之间。
如图5所示，供气旁通支路120与供气主路110连接的一端设置在中冷器114与加湿器103之间，供气旁通支路120与排气主路210连接的一端设置在气液分离器213与涡轮机211之间。
如图6所示，供气旁通支路120与供气主路110连接的一端设置在压气机111与中冷器114之间，供气旁通支路120与排气主路210连接的一端设置在背压阀212与气液分离器213之间。
在一种实施方式中，如图7所示，燃料电池发动机空气供给***不需要设置加湿器103和加湿器旁通支路，简化了整体结构，节约了成本。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，包括：
燃料电池电堆(101)；
供气主路(110)，其一端与所述燃料电池电堆(101)的阴极入口连接，另一端与外部环境连通，所述供气主路(110)上设置有压气机(111)；
排气主路(210)，其一端与所述燃料电池电堆(101)的阴极出口连接，另一端与外部环境连通，所述排气主路(210)上设置有涡轮机(211)；
供气旁通支路(120)，其一端与所述供气主路(110)连接且连接点位于所述压气机(111)之后，另一端与所述排气主路(210)连接且连接点位于所述涡轮机(211)之前，所述供气旁通支路(120)上设置有空气旁通阀(121)；
驱动电机(102)，所述驱动电机(102)的输出轴的一端与所述压气机(111)连接，所述驱动电机(102)的输出轴的另一端与所述涡轮机(211)连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，所述排气主路(210)上设置有背压阀(212)，以通过调节所述背压阀(212)来调节所述燃料电池电堆(101)的阴极压力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，所述燃料电池发动机空气供给***还包括涡轮机旁通支路(220)，所述涡轮机旁通支路(220)的两端分别连接至所述涡轮机(211)的前后两端，所述涡轮机旁通支路(220)上设置有涡轮机旁通阀(221)。
4.根据权利要求2所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，还包括气液分离器(213)，所述气液分离器(213)设于所述排气主路(210)上并设于所述背压阀(212)与所述涡轮机(211)之间。
5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，所述供气主路(110)上位于所述压气机(111)与所述燃料电池电堆(101)之间处设置有中冷器(114)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，所述供气旁通支路(120)与所述供气主路(110)连接的一端设于所述压气机(111)与所述中冷器(114)之间，所述供气旁通支路(120)与所述排气主路(210)连接的一端设于所述气液分离器(213)与所述涡轮机(211)之间。
7.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，还包括加湿器(103)以及加湿器旁通支路；
所述加湿器(103)设于所述供气主路(110)和所述排气主路(210)上，以使所述排气主路(210)中流经所述加湿器(103)的气体能对所述供气主路(110)上流经所述加湿器(103)的气体进行加湿；
所述加湿器旁通支路上设置有加湿器旁通阀(104)，所述加湿器旁通支路用于调节所述供气主路(110)上经过所述加湿器(103)的气量，或调节所述排气主路(210)上经过所述加湿器(103)的气量。
8.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，所述燃料电池电堆(101)的所述阴极入口前端设置有进气停机阀(112)；
所述燃料电池电堆(101)的所述阴极出口前端设置有排气停机阀(217)。
9.根据权利要求1所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，所述供气主路(110)上位于所述压气机(111)的前端设置有空气过滤器(113)。
10.根据权利要求4所述的燃料电池发动机空气供给***，其特征在于，所述气液分离器(213)的出液口依次连接有蓄水箱(215)和排水阀(216)。
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