CN106945560B - 一种燃料电池车排气系统能量回收结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池车排气系统能量回收结构，在燃料电池车排气通道中增加涡轮驱动发电机，涡轮驱动发电机包括涡轮增压器、发电机及稳压电路，涡轮增压器的涡轮轴与发电机转子轴直接或通过齿轮减速器连接，发电机与稳压电路电连接；燃料电池车行驶过程中，利用排气系统排出的高压气体驱动涡轮旋转，涡轮带动发电机转子轴转动实现发电机发电，发电机输出的电压经过稳压电路输出稳定的直流电压，涡轮驱动发电机能够工作在驱动模式和扫气模式，辅助实现燃料电池堆空气系统压力和流量控制。通过在燃料电池车排气通道中增加涡轮驱动发电机，回收并再利用燃料电池车的排气能量，提高排气系统排气能量的利用率，且能够灵活使用回收的能量。

Description

一种燃料电池车排气系统能量回收结构

技术领域

本发明涉及一种燃料电池车的排气系统结构，具体涉及一种采用涡轮驱动发电机的燃料电池车排气系统能量回收结构，用于回收燃料电池车的排气能量。

背景技术

燃料电池是一种能量转化装置，将燃料的化学能直接转化为电能。燃料电池由电解质以及连接到电解质两侧的多孔渗水阴极与阳极组成。燃料电池的氧化剂通常直接采用氧气或空气，燃料使用甲醇或氢气。燃料流向阳极、空气经过空气压缩机增压以及加湿处理后流向阴极，并在电极表面催化物的作用下发生电化学反应。离子通过电解质从一个电极转移到另一个电极，电子通过外电路形成电流。燃料电池输出的电能经过稳压处理后成为燃料电池车的动力源。

燃料电池发电时，需要连续不断地向燃料电池中送入燃料和压缩空气。燃料电池消耗燃料和压缩空气中的部分氧气，空气中的氮气、剩余氧气、水蒸气以及各种惰性气体作为尾气排出。这些气体在排出时仍具有较大压力，通常为输入气体的70％～80％。为此回收排气系统中这些气体所含有的能量，能提高燃料电池车的整机效率。

能量回收的原理是将排气系统排出气体中含有的能量以机械能形式释放出来。目前用于能量回收的主要装置是涡轮增压器。涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，利用排气系统排出的高压气体惯性冲力推动涡轮。涡轮增压器中气体从轴向进入，从叶轮径向离开，通过改变气体流动状态实现压力的提高。

现有的排气系统能量回收再利用方案中以将回收能量用于空气压缩机的为居多。原因是燃料电池车中的空气压缩机工作是以消耗燃料电池的输出能量作为前提，并已成为燃料电池系统中最大的寄生能源消费部件。故将经过涡轮增压器产生的增压气体输入到空气压缩机，使得进入燃料电池的空气压力和空气密度都得到提高，从而增大燃料电池的输出功率。同时能够减小驱动空气压缩机的电机输出功率。但是，这种能量回收方法能够再利用的能量方式比较单一，不够灵活。

发明内容

为了解决现有技术的以上不足，本发明提供一种燃料电池车排气系统的能量回收结构，用于回收并再利用燃料电池车的排气能量，在不需要对原有燃料电池车的设备进行较大改动的前提下，提高排气系统排气能量的利用率，更重要的是能够灵活使用回收的能量。

本发明拟通过以下技术方案实现：

一种燃料电池车排气系统能量回收结构，燃料从氢气罐经过减压阀进入燃料电池阳极；压缩空气经空气过滤器流入空气压缩机，空气压缩机在电机的驱动下将空气压缩后送入燃料电池阴极；在燃料电池车排气通道中增加涡轮驱动发电机，所述涡轮驱动发电机包括涡轮增压器、发电机及稳压电路，涡轮增压器的涡轮轴与发电机转子轴连接，发电机与稳压电路电连接；燃料电池车行驶过程中,利用排气系统排出的高压气体驱动涡轮旋转，涡轮带动发电机转子轴转动实现发电机发电，发电机输出的电压经过稳压电路输出稳定的直流电压。

进一步地，所述涡轮轴与发电机转子轴同轴连接或通过齿轮变速机构连接。

进一步地，所述发电机设有发动机控制器，发动机控制器用于计算发电机的发电量，并结合空气压缩机、电机组成的供气系统增压装置实现燃料电池组内的压力和流量控制。

更进一步地，所述发动机控制器还能根据工况使发电机在发电模式、驱动模式及扫气模式下切换，在发电模式下将排气系统的能量转化为机械能，在驱动模式下控制涡轮的转速，在扫气模式下加速燃料电池组内的气体流出。

进一步地，所述稳压电路通过DC-DC变换器将发电机输出的电能存储到动力电池或者低压蓄电池。

本发明具有以下优点：本发明通过在燃料电池车排气通道中增加涡轮驱动发电机，回收并再利用燃料电池车的排气能量，在不需要对原有燃料电池车的设备进行较大改动的前提下，提高排气系统排气能量的利用率，更重要的是能够灵活使用回收的能量。

附图说明

图1为现有方案中用于回收燃料电池车排气能量的排气系统及供气系统结构。

图2为本发明中用于回收燃料电池车排气能量的排气系统结构。

其中：1-空气过滤器，2-空气压缩机，3-电机，4-氢气罐，5-减压阀，6-燃料电池组，7-涡轮，8-发电机，9-稳压电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

一种燃料电池车排气系统能量回收结构，如图2所示。燃料从氢气罐4经过减压阀5将氢气减压至合适的压力后进入燃料电池6阳极，压缩空气经空气过滤器1后流入空气压缩机2，空气压缩机2与电机3连接，由电机带动转动，空气压缩机2在电机3的驱动下将过滤后的空气压缩并加湿处理后送入输气管，经燃料电池6的空气入口进入阴极。燃料电池车排气通道中增加由涡轮增压器、发电机及稳压电路等部分组成的涡轮驱动发电机，涡轮增压器的涡轮7轴与发电机8转子轴连接，发电机8与稳压电路9电连接。燃料电池车行驶过程中,利用排气系统排出的高压气体驱动涡轮7旋转，涡轮7带动发电机8转子轴转动实现发电机8发电。由于排气系统排出气体驱动涡轮7的转速范围较大，导致发电机8输出电压变化范围宽，发电机输出的电压需经过稳压电路。

涡轮7的轴和发电机8转子的轴既可以同轴连接，也可以通过齿轮变速机构连接。涡轮7带动发电机8转子轴转动，使得转子做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，形成电流。

发电机8还设有发动机控制器，发动机控制器主要完成如下工作：一是，根据空气流量传感器、涡轮7转速等计算发电机的发电量。二是，基于计算出的发电机发电量，与空气压缩机2、电机3组成的供气系统增压装置协调，实现燃料电池组6内的压力和流量控制。三是，根据工况使发电机在发电模式、驱动模式及扫气模式下切换。在发电模式下将排气系统的能量转化为机械能，在驱动模式下控制涡轮的转速，在扫气模式下加速燃料电池组内的气体流出。

稳压电路9的功能有如下三点：一是稳压功能，即输出稳定的直流电压。二是充电管理功能，通过DC-DC变换器将发电机输出的电能存储到动力电池或者低压蓄电池。三是供电功能，通过逆向DC-DC功能给发电机提供稳定电压。

本发明的工作原理为：

燃料电池发电时，需要连续不断地向燃料电池中送入燃料和压缩空气。燃料电池消耗燃料和压缩空气中的部分氧气，空气中的氮气、剩余氧气、水蒸气以及各种惰性气体作为尾气从排气系统排出。排气系统排出的高压尾气驱动涡轮7旋转，涡轮带动发电机8转子轴转动实现发电机发电。

发电机输出的电经过稳压电路9输出稳定的直流电压，并通过DC-DC变换器存储到动力电池或者低压蓄电池。根据工况还可直接给燃料电池车中其它负载提供电源。

发电机控制器根据空气流量传感器、涡轮7转速等计算发电机的发电量，并结合空气压缩机2、电机3组成的供气系统增压装置实现燃料电池组6内的压力和流量控制。

需要说明的是，本实施例在本发明技术方案下给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本说明书中附图的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书中所述内容，并非用以限定本发明可实施的限定条件。

Claims (5)

1.一种燃料电池车排气系统能量回收结构，燃料从氢气罐经过减压阀进入燃料电池阳极；压缩空气经空气过滤器流入空气压缩机，空气压缩机在电机的驱动下将空气压缩后送入燃料电池阴极；其特征在于，在燃料电池车排气通道中增加涡轮驱动发电机，所述涡轮驱动发电机包括涡轮增压器、发电机及稳压电路，涡轮增压器的涡轮轴与发电机转子轴连接，发电机与稳压电路电连接；燃料电池车行驶过程中,利用排气系统排出的高压气体驱动涡轮旋转，涡轮带动发电机转子轴转动实现发电机发电，发电机输出的电压经过稳压电路输出稳定的直流电压。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池车排气系统能量回收结构，其特征在于，所述涡轮轴与发电机转子轴同轴连接或通过齿轮变速机构连接。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池车排气系统能量回收结构，其特征在于，所述发电机设有发动机控制器，发动机控制器用于计算发电机的发电量，并结合空气压缩机、电机组成的供气系统增压装置实现燃料电池组内的压力和流量控制。

4.如权利要求3所述的一种燃料电池车排气系统能量回收结构，其特征在于，所述发动机控制器还能根据工况使发电机在发电模式、驱动模式及扫气模式下切换，在发电模式下将排气系统的能量转化为机械能，在驱动模式下控制涡轮的转速，在扫气模式下加速燃料电池组内的气体流出。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池车排气系统能量回收结构，其特征在于，所述稳压电路通过DC-DC变换器将发电机输出的电能存储到动力电池或者低压蓄电池。