一种燃料电池空气系统及使用方法与流程

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池空气系统及使用方法。

背景技术：

1、近年来，燃料电池系统不断朝着大功率、高效率的方向发展；在输出功率为150kw的燃料电池系统里，电堆作为系统的核心组件，其实际功率达到180kw；这是因为系统中存在寄生功耗，例如压缩机的能量消耗，其占据寄生功耗的80％，约为24kw。

2、现有技术中，为了提高燃料电池系统的效率，通常使用膨胀机进行能量回收；膨胀机从高压废气中回收电力，使得压缩机的效率提高33％，压缩机本身的功耗降到8kw。然而，膨胀机的入口气体为电堆的空气出口排出的湿空气，饱和湿空气夹带的小液滴会对膨胀机的叶片造成损坏，影响膨胀机的使用寿命。目前采取的方式是在膨胀机的入口前设置汽水分离器，但这种方式存在下列问题：(1)汽水分离器效率不高，仍会有小液滴损坏膨胀机叶片；(2)气体经过汽水分离器会有一部分能量浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种燃料电池空气系统及使用方法，可以利用压缩空气的废热将废气加热为不含液态水的干气体，有效提高压缩空气的能量利用率，同时避免膨胀机的叶片被损坏。

2、为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种燃料电池空气系统，包括：

4、压缩机，用于输出压缩气体；

5、中冷器，与所述压缩机进行连接，用于对所述压缩气体进行降温，以得到具有预设温度的冷却气体；

6、电堆，与所述中冷器进行连接，用于输入所述冷却气体；且所述冷却气体在所述电堆内发生电化学反应，以使所述电堆输出电能；

7、所述电堆还用于将电化学反应中的废气输送至所述中冷器；所述中冷器还用于使所述压缩气体与所述废气进行热交换，以对所述废气进行干燥处理；

8、所述燃料电池空气系统还包括：

9、膨胀机，与所述中冷器进行连接，用于输入干燥后的所述废气，以从干燥后的所述废气中回收能量。

10、可选的，所述中冷器包括：

11、热管，其进口端与所述压缩机的出口端连接，其出口端与所述电堆的进口端连接，用于输入所述压缩气体；

12、第一冷管，其进口端与所述电堆的出口端连接，其出口端与所述膨胀机的进口端连接，用于输入所述废气；

13、散热器，用于输送冷却液；

14、第二冷管，其进口端与所述散热器的出口端连接，其出口端与所述散热器的进口端连接；且所述第二冷管与所述散热器形成使所述冷却液流动的循环回路；

15、所述第一冷管、所述第二冷管皆与所述热管相邻设置，且所述热管包括靠近所述第一冷管侧的第一热管段以及靠近所述第二冷管侧的第二热管段。

16、可选的，所述第一热管段内的所述压缩气体与所述第一冷管内的所述废气进行热交换，且所述第一冷管的出口端输出干燥后的所述废气，所述第一热管段输出第一次降温的所述压缩气体至所述第二热管段；

17、所述第二热管段内的第一次降温的所述压缩气体与所述第二冷管内的所述冷却液进行热交换，且所述第二热管段输出第二次降温的所述压缩气体，第二次降温的所述压缩气体为所述冷却气体。

18、可选的，所述第一冷管与所述热管接触；和/或，所述第二冷管与所述热管接触。

19、可选的，所述第一冷管在所述热管上的正投影与所述第二冷管在所述热管上的正投影不重合。

20、可选的，所述中冷器还包括：温度检测装置，设置于所述第一热管段内，用于检测第一次降温的所述压缩气体的温度。

21、可选的，所述热管的出口端通过输气管与所述电堆的进口端连通；且所述输气管上设有增湿器，用于增加所述冷却气体的湿度。

22、可选的，所述压缩空气的温度大于150℃；所述预设温度为50℃～80℃。

23、可选的，所述废气的温度为50℃～70℃；干燥后的所述废气的温度大于100℃。

24、可选的，所述热管、所述第一冷管和所述第二冷管的材料为铝。

25、基于同一发明构思，本发明还提供一种如上所述的燃料电池空气系统的使用方法，包括：

26、使压缩机将压缩气体输送至中冷器；

27、使电堆将电化学反应中的废气输送至所述中冷器；

28、使所述中冷器中的所述压缩气体与所述废气进行热交换，以得到干燥后的废气并输送至膨胀机；

29、使所述膨胀机从干燥后的废气中回收能量。

30、本发明与现有技术相比至少具有以下优点之一：

31、本发明提供的一种燃料电池空气系统及使用方法，通过中冷器可以对压缩机输送的压缩气体进行降温，以得到具有预设温度的冷却气体并输送至电堆内，使得冷却气体在电堆内发生电化学反应；且电化学反应中的废气由电堆输送至中冷器，中冷器还用于使压缩气体与废气进行热交换，以对废气进行干燥处理并输送至膨胀机，使得膨胀机可以从干燥后的废气中回收能量。本发明中利用压缩空气的废热对废气进行加热，有效提高了压缩空气的能量利用率，避免了压缩空气的能量浪费。

32、本发明中压缩机输送的压缩气体先流入热管的第一热管段，此时压缩气体会与第一冷管内的废气进行第一次热交换，且在第一次热交换过程中废气会被压缩气体加热成不含液态水的干气体，从而得到干燥后的废气并输入膨胀机内，使得膨胀机进行能量回收，同时干燥后的废气对膨胀机的叶片无损坏，可以延长膨胀机的使用寿命，从而提高膨胀机的可靠性。

33、本发明中第一次热交换中压缩气体因有一部分热量用于加热废气会使自身的温度有一定的下降，从而得到第一次降温的压缩气体。若第一次降温的所述压缩气体的温度刚好等于预设温度时，可以使散热器不工作，从而节省散热器的功耗。

34、本发明中若第一次降温的所述压缩气体的温度不等于预设温度，第一次降温的压缩气体会在第二热管段内与第二冷管内的冷却液进行第二次热交换，以得到具有预设温度的冷却气体。由于第一次降温的压缩气体的温度低于压缩气体的温度，则相较于现有技术中直接将压缩气体调至预设温度的方式，本发明中将第一次降温的压缩气体调至预设温度的方式可以节省散热器的功耗。

技术特征：

1.一种燃料电池空气系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述中冷器(20)包括：

3.如权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，

4.如权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述第一冷管(240)与所述热管(210)接触；和/或，所述第二冷管(240)与所述热管(210)接触。

5.如权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述第一冷管(220)在所述热管(210)上的正投影与所述第二冷管(240)在所述热管(210)上的正投影不重合。

6.如权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述中冷器(20)还包括：温度检测装置，设置于所述第一热管段(2110)内，用于检测第一次降温的所述压缩气体的温度。

7.如权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述热管(210)的出口端(2102)通过输气管与所述电堆(30)的进口端连通；且所述输气管上设有增湿器，用于增加所述冷却气体的湿度。

8.如权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述压缩空气的温度大于150℃；所述预设温度为50℃～80℃；所述废气的温度为50℃～70℃；干燥后的所述废气的温度大于100℃。

9.如权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述热管(210)、所述第一冷管(220)和所述第二冷管(240)的材料为铝。

10.如权利要求1～9中任意一项所述的燃料电池空气系统的使用方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种燃料电池空气系统及使用方法，所述系统包括：压缩机，用于输出压缩气体；中冷器，与压缩机进行连接，用于对压缩气体进行降温，以得到具有预设温度的冷却气体；电堆，与中冷器进行连接，用于输入冷却气体；且冷却气体在电堆内发生电化学反应，以使所述电堆输出电能；电堆还用于将电化学反应中的废气输送至所述中冷器；中冷器还用于使压缩气体与废气进行热交换，以对废气进行干燥处理；膨胀机，与中冷器进行连接，用于输入干燥后的废气，以从干燥后的废气中回收能量。本发明利用压缩空气的废热将废气加热为不含液态水的干气体，有效提高压缩空气的能量利用率，同时避免膨胀机的叶片被损坏。

技术研发人员：任建宇,祖文强,姜远坤,宋永平,冯帝文,蒋永伟,朱荣杰,王涛
受保护的技术使用者：航天氢能（上海）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15