[实用新型]一种燃料电池的两级压缩空气供给系统

说明书

本实用新型公开提供一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，包括冷却系统、高压级压缩系统、低压级压缩系统和燃料电池堆，低压级压缩系统通过燃料电池排放的高压废气驱动涡轮，高压废气通过涡轮对外做功且体积膨胀，温度大幅度降低成为低温废气，经水汽分离后脱水，再将低温废气作为冷却源导入级间中冷器及二级冷却器，低温废气相较于压缩后的气体存在一定温度差，能够进行热交换并降低压缩后的气体温度；同时涡轮排气也冷却电机，涡轮出口、水汽分离装置与电机冷却通道组装为一体，该冷却方法减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，简化了整体结构，合理利用废气作为冷却源；同时能够回收电堆排气能量，减小系统能耗提高电堆输出功。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池的两级压缩空气供给系统。

背景技术

氢燃料电池是氢能利用的一种重要设备，通过氢气与氧气进行化学反应直接输出电能。氢燃料电池功率密度与空气供给系统供气压力及供气流量直接相关，供气压力高，氧气分压高，燃料电池反应速度加快，输出功率增大，国外霍尼韦尔生产的压缩系统压比可达4；供气流量大，参与化学反应的原料增多，输出功率增大。

目前燃料电池空气供给系统一般通过电机直接驱动压气机压缩空气，压气机形式一般为螺杆式、涡旋式与离心式。考虑到离心式压缩机体积小、噪音低等优点，在燃料电池空气压缩系统中应用越来越广泛。

采用电机直接驱动离心式压缩机存在两个问题：

一是压缩机驱动电机只能依靠燃料电池输出电能驱动，因此空气供给系统供气压力与流量过高将导致压气机耗功增大，寄生功率增多，降低燃料电池输出功率。

二是整个压缩系统工作时，电机及中冷器需要冷却，传统的压缩系统必须设置专门的冷却系统，结构复杂。

因此高效、紧凑的空气供给系统是提高燃料电池功率密度的关键技术。本发明提出的两级空气压缩系统可以利用涡轮回收电堆排气能量，减小系统能耗提高电堆输出功率，同时本发明还提出利用涡轮排气冷却电机及级间中冷器，减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，实现了空气供给系统紧凑的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有燃料电池空气供给系统中的不足之处，提供了一种回收电堆排气能量，减小系统能耗提高电堆输出功率，利用涡轮排气作为级间中冷器的冷却气源，减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，简化了整体结构，合理利用废气作为冷却源，保证了空气供给系统紧凑的燃料电池的两级压缩空气供给系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池的两级压缩空气供给系统，两级压缩空气供给系统包括冷却系统、高压级压缩系统、低压级压缩系统和燃料电池堆，所述高压级压缩系统包括高速直驱电机和离心式压气机，所述低压级压缩系统包括涡轮和低压级压气机，所述涡轮出口端设有水汽分离器；所述冷却系统包括级间中冷器、二级冷却器和电机冷却通道，所述级间中冷器处于离心式压气机与低压级压气机之间，所述水汽分离器上设有冷却气体出气歧管，所述涡轮的进气口与燃料电池堆的排气口连通，所述级间中冷器冷却进气口与冷却气体出气歧管连通，所述二级冷却器处于离心式压缩机出口端，所述低压级压气机与高压级压气机均设有旁通管路，旁通管路均布置有旁通阀。相较于现有技术下大部分涡轮增压技术，通常将涡轮排出的废气直接舍弃的方式，本发明利用燃料电池产生的高压废气通过涡轮对外做功且体积膨胀，温度大幅度降低成为低温废气，经水汽分离后脱水，再将低温废气作为冷却源导入级间中冷器及二级冷却器，低温废气相较于压缩后的气体存在一定温度差，能够进行热交换并降低压缩后的气体温度；同时涡轮排气也冷却电机，涡轮出口、水汽分离装置与电机冷却通道组装为一体，该冷却方法减少了冷却风扇、冷却通道等部件的设置，简化了整体结构。

作为优选，所述二级冷却器的冷却气体进口与冷却气体出气歧管连通。二级冷却器的冷却气体也采用涡轮排出的低温废气，简化冷却结构，高效利用废弃。