本發(fā)明涉及一種燃料電池車(chē)的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具體涉及一種采用渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的燃料電池車(chē)排氣系統(tǒng)能量回收結(jié)構(gòu)，用于回收燃料電池車(chē)的排氣能量。

背景技術(shù)：

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池由電解質(zhì)以及連接到電解質(zhì)兩側(cè)的多孔滲水陰極與陽(yáng)極組成。燃料電池的氧化劑通常直接采用氧氣或空氣，燃料使用甲醇或氫氣。燃料流向陽(yáng)極、空氣經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)增壓以及加濕處理后流向陰極，并在電極表面催化物的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。離子通過(guò)電解質(zhì)從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極，電子通過(guò)外電路形成電流。燃料電池輸出的電能經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理后成為燃料電池車(chē)的動(dòng)力源。

燃料電池發(fā)電時(shí)，需要連續(xù)不斷地向燃料電池中送入燃料和壓縮空氣。燃料電池消耗燃料和壓縮空氣中的部分氧氣，空氣中的氮?dú)?、剩余氧氣、水蒸氣以及各種惰性氣體作為尾氣排出。這些氣體在排出時(shí)仍具有較大壓力，通常為輸入氣體的70％～80％。為此回收排氣系統(tǒng)中這些氣體所含有的能量，能提高燃料電池車(chē)的整機(jī)效率。

能量回收的原理是將排氣系統(tǒng)排出氣體中含有的能量以機(jī)械能形式釋放出來(lái)。目前用于能量回收的主要裝置是渦輪增壓器。渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，利用排氣系統(tǒng)排出的高壓氣體慣性沖力推動(dòng)渦輪。渦輪增壓器中氣體從軸向進(jìn)入，從葉輪徑向離開(kāi)，通過(guò)改變氣體流動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)壓力的提高。

現(xiàn)有的排氣系統(tǒng)能量回收再利用方案中以將回收能量用于空氣壓縮機(jī)的為居多。原因是燃料電池車(chē)中的空氣壓縮機(jī)工作是以消耗燃料電池的輸出能量作為前提，并已成為燃料電池系統(tǒng)中最大的寄生能源消費(fèi)部件。故將經(jīng)過(guò)渦輪增壓器產(chǎn)生的增壓氣體輸入到空氣壓縮機(jī)，使得進(jìn)入燃料電池的空氣壓力和空氣密度都得到提高，從而增大燃料電池的輸出功率。同時(shí)能夠減小驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的電機(jī)輸出功率。但是，這種能量回收方法能夠再利用的能量方式比較單一，不夠靈活。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明提供一種燃料電池車(chē)排氣系統(tǒng)的能量回收結(jié)構(gòu)，用于回收并再利用燃料電池車(chē)的排氣能量，在不需要對(duì)原有燃料電池車(chē)的設(shè)備進(jìn)行較大改動(dòng)的前提下，提高排氣系統(tǒng)排氣能量的利用率，更重要的是能夠靈活使用回收的能量。

本發(fā)明擬通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種燃料電池車(chē)排氣系統(tǒng)能量回收結(jié)構(gòu)，燃料從氫氣罐經(jīng)過(guò)減壓閥進(jìn)入燃料電池陽(yáng)極；壓縮空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器流入空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將空氣壓縮后送入燃料電池陰極；在燃料電池車(chē)排氣通道中增加渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，所述渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)包括渦輪增壓器、發(fā)電機(jī)及穩(wěn)壓電路，渦輪增壓器的渦輪軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸連接，發(fā)電機(jī)與穩(wěn)壓電路電連接；燃料電池車(chē)行駛過(guò)程中,利用排氣系統(tǒng)排出的高壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)輸出的電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。

進(jìn)一步地，所述渦輪軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸同軸連接或通過(guò)齒輪變速機(jī)構(gòu)連接。

進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器用于計(jì)算發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，并結(jié)合空氣壓縮機(jī)、電機(jī)組成的供氣系統(tǒng)增壓裝置實(shí)現(xiàn)燃料電池組內(nèi)的壓力和流量控制。

更進(jìn)一步地，所述發(fā)動(dòng)機(jī)控制器還能根據(jù)工況使發(fā)電機(jī)在發(fā)電模式、驅(qū)動(dòng)模式及掃氣模式下切換，在發(fā)電模式下將排氣系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在驅(qū)動(dòng)模式下控制渦輪的轉(zhuǎn)速，在掃氣模式下加速燃料電池組內(nèi)的氣體流出。

進(jìn)一步地，所述穩(wěn)壓電路通過(guò)dc-dc變換器將發(fā)電機(jī)輸出的電能存儲(chǔ)到動(dòng)力電池或者低壓蓄電池。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過(guò)在燃料電池車(chē)排氣通道中增加渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，回收并再利用燃料電池車(chē)的排氣能量，在不需要對(duì)原有燃料電池車(chē)的設(shè)備進(jìn)行較大改動(dòng)的前提下，提高排氣系統(tǒng)排氣能量的利用率，更重要的是能夠靈活使用回收的能量。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有方案中用于回收燃料電池車(chē)排氣能量的排氣系統(tǒng)及供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2為本發(fā)明中用于回收燃料電池車(chē)排氣能量的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

其中：1-空氣過(guò)濾器，2-空氣壓縮機(jī)，3-電機(jī)，4-氫氣罐，5-減壓閥，6-燃料電池組，7-渦輪，8-發(fā)電機(jī)，9-穩(wěn)壓電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

一種燃料電池車(chē)排氣系統(tǒng)能量回收結(jié)構(gòu)，如圖2所示。燃料從氫氣罐4經(jīng)過(guò)減壓閥5將氫氣減壓至合適的壓力后進(jìn)入燃料電池6陽(yáng)極，壓縮空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器1后流入空氣壓縮機(jī)2，空氣壓縮機(jī)2與電機(jī)3連接，由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣壓縮機(jī)2在電機(jī)3的驅(qū)動(dòng)下將過(guò)濾后的空氣壓縮并加濕處理后送入輸氣管，經(jīng)燃料電池6的空氣入口進(jìn)入陰極。燃料電池車(chē)排氣通道中增加由渦輪增壓器、發(fā)電機(jī)及穩(wěn)壓電路等部分組成的渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，渦輪增壓器的渦輪7軸與發(fā)電機(jī)8轉(zhuǎn)子軸連接，發(fā)電機(jī)8與穩(wěn)壓電路9電連接。燃料電池車(chē)行駛過(guò)程中,利用排氣系統(tǒng)排出的高壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪7旋轉(zhuǎn)，渦輪7帶動(dòng)發(fā)電機(jī)8轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)8發(fā)電。由于排氣系統(tǒng)排出氣體驅(qū)動(dòng)渦輪7的轉(zhuǎn)速范圍較大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)8輸出電壓變化范圍寬，發(fā)電機(jī)輸出的電壓需經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路。

渦輪7的軸和發(fā)電機(jī)8轉(zhuǎn)子的軸既可以同軸連接，也可以通過(guò)齒輪變速機(jī)構(gòu)連接。渦輪7帶動(dòng)發(fā)電機(jī)8轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得轉(zhuǎn)子做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，形成電流。

發(fā)電機(jī)8還設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器主要完成如下工作：一是，根據(jù)空氣流量傳感器、渦輪7轉(zhuǎn)速等計(jì)算發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。二是，基于計(jì)算出的發(fā)電機(jī)發(fā)電量，與空氣壓縮機(jī)2、電機(jī)3組成的供氣系統(tǒng)增壓裝置協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)燃料電池組6內(nèi)的壓力和流量控制。三是，根據(jù)工況使發(fā)電機(jī)在發(fā)電模式、驅(qū)動(dòng)模式及掃氣模式下切換。在發(fā)電模式下將排氣系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在驅(qū)動(dòng)模式下控制渦輪的轉(zhuǎn)速，在掃氣模式下加速燃料電池組內(nèi)的氣體流出。

穩(wěn)壓電路9的功能有如下三點(diǎn)：一是穩(wěn)壓功能，即輸出穩(wěn)定的直流電壓。二是充電管理功能，通過(guò)dc-dc變換器將發(fā)電機(jī)輸出的電能存儲(chǔ)到動(dòng)力電池或者低壓蓄電池。三是供電功能，通過(guò)逆向dc-dc功能給發(fā)電機(jī)提供穩(wěn)定電壓。

本發(fā)明的工作原理為：

燃料電池發(fā)電時(shí)，需要連續(xù)不斷地向燃料電池中送入燃料和壓縮空氣。燃料電池消耗燃料和壓縮空氣中的部分氧氣，空氣中的氮?dú)?、剩余氧氣、水蒸氣以及各種惰性氣體作為尾氣從排氣系統(tǒng)排出。排氣系統(tǒng)排出的高壓尾氣驅(qū)動(dòng)渦輪7旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)8轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

發(fā)電機(jī)輸出的電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路9輸出穩(wěn)定的直流電壓，并通過(guò)dc-dc變換器存儲(chǔ)到動(dòng)力電池或者低壓蓄電池。根據(jù)工況還可直接給燃料電池車(chē)中其它負(fù)載提供電源。

發(fā)電機(jī)控制器根據(jù)空氣流量傳感器、渦輪7轉(zhuǎn)速等計(jì)算發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，并結(jié)合空氣壓縮機(jī)2、電機(jī)3組成的供氣系統(tǒng)增壓裝置實(shí)現(xiàn)燃料電池組6內(nèi)的壓力和流量控制。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例在本發(fā)明技術(shù)方案下給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本說(shuō)明書(shū)中附圖的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用于配合說(shuō)明書(shū)中所述內(nèi)容，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池車(chē)排氣系統(tǒng)能量回收結(jié)構(gòu)，在燃料電池車(chē)排氣通道中增加渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)包括渦輪增壓器、發(fā)電機(jī)及穩(wěn)壓電路，渦輪增壓器的渦輪軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸直接或通過(guò)齒輪減速器連接，發(fā)電機(jī)與穩(wěn)壓電路電連接；燃料電池車(chē)行駛過(guò)程中，利用排氣系統(tǒng)排出的高壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)輸出的電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓，渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)能夠工作在驅(qū)動(dòng)模式和掃氣模式，輔助實(shí)現(xiàn)燃料電池堆空氣系統(tǒng)壓力和流量控制。通過(guò)在燃料電池車(chē)排氣通道中增加渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，回收并再利用燃料電池車(chē)的排氣能量，提高排氣系統(tǒng)排氣能量的利用率，且能夠靈活使用回收的能量。

技術(shù)研發(fā)人員：高金武;胡云峰;尹海;陳虹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.14
技術(shù)公布日：2017.07.14