CN217387224U - 一种基于涡轮管的燃料电池*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，公开了一种基于涡轮管的燃料电池***，其包括空压机、电堆和涡流管；空压机包括电机、压缩机和涡轮膨胀机；压缩机用于为电堆供应所需空气，且其上具有压轮；涡轮膨胀机上具有用于辅助电机驱动压轮转动的涡轮，且涡轮和压轮分别设置于电机两侧；电堆的进气口通过电控三通阀与压缩机的出气口连接，其出气口与涡流管的进气口连接；涡流管用于分离电堆排出的含有液态水的气体，并将液态水从冷端出口排出；且涡流管的热端出口与涡轮膨胀机的进气口连接。本实用新型提供的基于涡轮管的燃料电池***能够提高分水效果，阻止液态水进入涡轮，以延长膨胀机的使用寿命。

Description

一种基于涡轮管的燃料电池***

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于涡轮管的燃料电池***。

背景技术

燃料电池是一种高效清洁的新能源动力***，空气压缩机将空气压缩，然后流入燃料电池阴极，空气与阳极的氢气进行化学反应，生成的产物是电能和水，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，所以燃料电池非常的清洁环保，目前各国都在大力推动燃料电池***的开发推广。

随着燃料电池技术的发展，为了满足客户的需求，燃料电池***的功率越做越大，相应地，其零部件的功耗也越来越高，这对燃料电池***的总效率十分不利，其中，空气压缩机是燃料电池***中耗能较大的零部件之一。目前，为了降低功耗，燃料电池***开始提倡使用带有涡轮膨胀机的空气压缩机来代替传统的空压机，将燃料电池排出的高压空气引流至与电机同轴安装的涡轮，以吹动涡轮转动，涡轮的转动会辅助电机驱动压缩机，大大降低了电机的耗能。但是，燃料电池排出的高压空气中含有大量液态水，而涡轮和电机是不耐水的，液态水进入涡轮和电机内，会造成涡轮和电机生锈，严重影响涡轮和电机的寿命。为了解决这一问题，现有的燃料电池***采用分水器将高压空气中的液态水分离出去，但分水器的分水效果不佳，仍会有部分液态水进入涡轮和电机内，影响涡轮和电机的寿命；而且传统的空压机压缩的高温气体一般通过中冷器降温，还需要额外安装水泵为中冷器提供冷却所需的液体，这对燃料电池***的负担较大。

综上，有必要设计一种基于涡轮管的燃料电池***，以解决上述问题。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型提供了一种基于涡轮管的燃料电池***，能够提高分水效果，阻止液态水进入涡轮，以延长膨胀机的使用寿命。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种基于涡轮管的燃料电池***，该燃料电池***包括空压机、电堆和涡流管；

空压机包括电机、压缩机和涡轮膨胀机；压缩机用于为电堆供应所需空气，且其上具有压轮；涡轮膨胀机上具有用于辅助电机驱动压轮转动的涡轮，且涡轮和压轮分别设置于电机两侧；

电堆的进气口通过电控三通阀与压缩机的出气口连接，其出气口与涡流管的进气口连接；

涡流管用于分离电堆排出的含有液态水的气体，并将液态水从冷端出口排出；且涡流管的热端出口与涡轮膨胀机的进气口连接；

其中，电机驱动压轮转动，并排出气体至电堆进行反应，电堆排出含有液态水的气体至涡流管，通过涡流管分水后，涡流管排出高温气体并带动涡轮转动，涡轮带动压轮转动。

进一步设置，前述的燃料电池***还包括换热器，换热器装设于压缩机的出气口和电控三通阀之间，用于冷却压缩机排出的高温高压气体。

如此设置，通过换热器能够控制入堆空气的温度，提高电堆的效率以及使用寿命。

进一步设置，前述的涡流管的冷端出口与换热器连接，用于为换热器提供冷却源。

如此设置，该燃料电池***无需安装水泵和中冷器来冷却压缩机排出的高温气体，而是直接通过涡流管排出的低温气体和液态水进行冷却，节约了功耗，减少了该燃料电池***的负担。

进一步设置，前述的燃料电池***还包括增湿器；增湿器装设于电控三通阀和电堆之间，其进气口通过电控三通阀与换热器的出气口连接，且其出气口与电堆的进气口连接。

如此设置，增湿器对从换热器出来的干气体进行增湿，再将增湿后的气体流入电堆进行反应，以维持电堆高效工作所需要的湿度环境，从而提高电堆的使用寿命。

进一步设置，前述的涡流管的进气端设有控制阀，用于控制涡流管的冷、热端气体的温度。

如此设置，通过控制阀能够控制涡流管的冷、热端气体的温度。

进一步设置，前述的涡流管的冷端出口和热端出口均设有温度传感器，分别用于感应从冷端出口和热端出口输出的气体温度。

如此设置，根据温度传感器的感应值，方便对涡流管的冷、热端气体的温度进行调节。

进一步设置，前述的燃料电池***还包括空气过滤器；空气过滤器的出气口与压缩机的进气口连接。

如此设置，空气过滤器用于过滤空气中的杂质，有效提高空压机的使用寿命。

进一步设置，前述的燃料电池***还包括消音器，电控三通阀、涡轮膨胀机和换热器均与消音器连通。

如此设置，消音器用于降低电控三通阀、涡轮膨胀机和换热器的管道噪声。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供的一种基于涡轮管的燃料电池***，具备以下有益效果：

空压机启动后，电机驱动压轮转动，对通过压轮的空气进行增压，然后后流入电堆进行反应；电堆反应后，排出含有液态水的高湿气体进入涡流管，涡流管对含有液态水的高湿气体进行分离，其中，大部分液态水随低温气体从冷端流出，而流入热端的少量的液态水经过高温变成水蒸气，并随高温气体从热端流出；从热端流出的高温气体流入涡轮膨胀机，带动涡轮转动，涡轮带动压轮转动，从而辅助电机驱动压轮转动，为电机提供额外的驱动力，大大降低了电机的耗能；

如此，本实用新型提供的燃料电池***通过涡流管能够对含有液态水的高湿气体进行分离，将从热端流出的高温气体流入涡轮膨胀机，而液态水因为高温无法流出热端，从而起到了阻止液态水进入涡轮的作用，大大提高了分水效果，延长了膨胀机的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型所述的燃料电池***的连接示意图。

附图标号：1、空气过滤器；2、空压机；21、电机；22、压缩机；23、涡轮膨胀机；3、换热器；4、电控三通阀；5、电堆；6、增湿器；7、控制阀；8、涡流管；81、冷端出口；82、热端出口；9、消音器；10、第一温度传感器；11、第二温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种基于涡轮管的燃料电池***，该燃料电池***能够提高分水效果，阻止液态水进入涡轮，以延长膨胀机的使用寿命。

该燃料电池***包括空压机2、电堆5和涡流管8。

空压机2包括电机21、压缩机22和涡轮膨胀机23；压缩机22用于为电堆5供应所需空气，且其上具有压轮；涡轮膨胀机23上具有用于辅助电机21驱动压轮转动的涡轮，且涡轮和压轮分别位于电机21两侧，压轮安装于电机21的输出轴上，由电机21驱动其转动；涡轮带动压轮转动，且涡轮和电机21带动压轮转动的方向一致，从而起到辅助电机21驱动压轮转动的作用，大大降低了电机21的耗能。

电堆5的进气口通过电控三通阀4与压缩机22的出气口连接，其出气口与涡流管8的进气口连接；

涡流管8用于分离电堆5排出的含有液态水的气体，并将低温气体和液态水从冷端出口81排出，高温气体从热端出口82排出；且涡流管8的热端出口82与涡轮膨胀机23的进气口连接；

其中，空压机2启动后，电机21驱动压轮转动，对通过压轮的空气进行增压，并排出气体至电堆5进行反应，电堆5排出含有液态水的气体至涡流管8，通过涡流管8分水后，涡流管8排出高温气体进入涡轮膨胀机23，吹动涡轮转动，涡轮带动压轮转动，从而辅助电机21驱动压轮转动，为电机21提供额外的驱动力，大大降低了电机21的耗能。

该燃料电池***还包括换热器3，换热器3安装于压缩机22的出气口和电控三通阀4之间，用于冷却从压缩机22排出的高温高压气体，如此，通过换热器3能够控制入堆空气的温度，提高电堆5的效率以及使用寿命。

涡流管8的冷端出口81与换热器3连接，从涡流管8的冷端出口81流出的低温气体和液态水能够作为换热器3的冷却源，冷却从压缩机22排出的高温高压气体；如此，该燃料电池***无需安装水泵和中冷器来冷却压缩机22排出的高温气体，而是直接通过涡流管8排出的低温气体和液态水进行冷却，节约了功耗，减少了该燃料电池***的负担。

该燃料电池***还包括增湿器6；增湿器6安装于电控三通阀4和电堆5之间，其进气口通过电控三通阀4与换热器3的出气口连接，其出气口与电堆5的进气口连接；如此，增湿器6对从换热器3出来的干气体进行增湿，再将增湿后的气体流入电堆5进行反应，以维持电堆5高效工作所需要的湿度环境，从而提高电堆5的使用寿命。

涡流管8的进气端安装有控制阀7，用于控制涡流管8的冷、热端气体的温度，以调节涡流管8的冷、热端气体温度成标定值。

涡流管8的热端出口82和冷端出口81分别装有第一温度传感器10和第二温度传感器11，第一温度传感器10用于感应从热端出口82排出的高温气体的温度，第二温度传感器11用于感应从冷端出口81排出的低温气体的温度，如此，方便对涡流管8的冷、热端气体的温度进行调节。

该燃料电池***还包括空气过滤器1；空气过滤器1的出气口与压缩机22的进气口连接，空气过滤器1用于过滤空气中的杂质，有效提高空压机2的使用寿命。

该燃料电池***还包括消音器9，电控三通阀4、涡轮膨胀机23和换热器3均与消音器9连通，消音器9用于降低电控三通阀4、涡轮膨胀机23和换热器3的管道噪声。

具体实施方式，如图1所示，本实用新型以一种基于涡轮管的燃料电池***举例，其主要包括：空气过滤器1、空压机2、换热器3、增湿器6、电堆5、涡流管8和消音器9；空压机2包括电机21、压缩机22和涡轮膨胀机23。

实际装配和使用时：(1)涡轮和压轮分别位于电机21两侧，其中，压轮通过联轴器固定安装于电机21的输出轴上；

(2)空气过滤器1的出气口与压缩机22的进气口连接，压缩机22的出气口与换热器3的进气口连接，换热器3的出气口通过电控三通阀4与增湿器6的进气口连接，换热器3的出气口连接，增湿器6的出气口与电堆5的进气口连接；电堆5的出气口通过控制阀7与涡流管8的进气口连接；涡流管8的热端出口82与涡轮膨胀机23的进气口连接；涡流管8的冷端出口81与换热器3连接；

(3)涡流管8的热端出口82装有第一温度传感器10，涡流管8的冷端出口81装有第二温度传感器11；

(4)电控三通阀4、涡轮膨胀机23和换热器3均与消音器9连通。

实际使用中的工作原理：

空气经过空气过滤器1过滤后进入空压机2；空压机2启动后，电机21驱动压轮转动，对通过压轮的空气进行增压后排出，然后换热器3对从压缩机22排出的高温高压气体进行冷却，冷却后的气体经过电控三通阀4流入增湿器6，增湿器6对从换热器3排出的干气体进行增湿，再流入电堆5进行反应；电堆5反应后，排出含有液态水的高湿气体进入涡流管8，涡流管8对含有液态水的高湿气体进行分离，其中，大部分液态水随低温气体从冷端出口81流出，并进入换热器3，作为换热器3的冷却源，冷却从压缩机22排出的高温高压气体；而流入热端的少量的液态水经过高温变成水蒸气，并随高温气体从热端出口82流出，高温气体流入涡轮膨胀机23，带动涡轮转动，涡轮带动压轮转动，从而辅助电机21驱动压轮转动，为电机21提供额外的驱动力，大大降低了电机21的耗能。

本实用新型提供的基于涡轮管的燃料电池***通过涡流管8替代分水器，对电堆5反应排出的含有液态水的高湿气体进行分离，将从涡流管8的热端出口82排出的高温气体流入涡轮膨胀机23，对涡轮膨胀机23做功，大大节省空压机2消耗的功耗，而液态水因为高温无法流出热端，从而起到了阻止液态水进入涡轮的作用，大大提高了分水效果，延长了膨胀机的使用寿命；且将从涡流管8的冷端排出的液态水和低温气体直接用于对空压机2出口的高温气体进行降温，无需额外安装水泵和中冷器来冷却，节约了功耗，减少了该燃料电池***的负担；且涡流管8为机械件，无需单独供电，也不存在能量损失，体积小，结构简单，易于布置。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，该燃料电池***包括空压机、电堆和涡流管；

空压机包括电机、压缩机和涡轮膨胀机；压缩机用于为电堆供应所需空气，且其上具有压轮；涡轮膨胀机上具有用于辅助电机驱动压轮转动的涡轮，且涡轮和压轮分别设置于电机两侧；

电堆的进气口通过电控三通阀与压缩机的出气口连接，其出气口与涡流管的进气口连接；

涡流管用于分离电堆排出的含有液态水的气体，并将液态水从冷端出口排出；且涡流管的热端出口与涡轮膨胀机的进气口连接；

其中，电机驱动压轮转动，并排出气体至电堆进行反应，电堆排出含有液态水的气体至涡流管，通过涡流管分水后，涡流管排出高温气体并带动涡轮转动，涡轮带动压轮转动。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括换热器，所述换热器装设于所述压缩机的出气口和电控三通阀之间，用于冷却所述压缩机排出的高温高压气体。

3.根据权利要求2所述的一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，所述涡流管的冷端出口与换热器连接，用于为所述换热器提供冷却源。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括增湿器；所述增湿器装设于所述电控三通阀和电堆之间，其进气口通过所述电控三通阀与所述换热器的出气口连接，且其出气口与所述电堆的进气口连接。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，所述涡流管的进气端设有控制阀，用于控制所述涡流管的冷、热端气体的温度。

6.根据权利要求5所述的一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，所述涡流管的冷端出口和热端出口均设有温度传感器，分别用于感应从冷端出口和热端出口输出的气体温度。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括空气过滤器；所述空气过滤器的出气口与压缩机的进气口连接。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于涡轮管的燃料电池***，其特征在于，所述燃料电池***还包括消音器，所述电控三通阀、涡轮膨胀机和换热器均与所述消音器连通。

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