[發明專利]一種具有能量回收模塊的燃料電池系統

有效

• 申請號: 202111543417.9
• 申請日: 2021-12-16
• 公開（公告）號: CN114243056B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 劉萬輝;趙雪源;余睿;易法兵;萬德鑫;李子君;熊振宇;張云;吉鵬宇;熊豪利;陳果;余瀟;鄧志凱;張蓓
• 申請（專利權）人: 中車株洲電機有限公司
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;F01D15/10;F01K25/08;F01K25/10;F04D25/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 田施雨

本發明公開了一種具有能量回收模塊的燃料電池系統，包括燃料電池電堆，連接燃料電池電堆的陽極進氣口并用于供應還原氣體的第一供氣模塊，連接燃料電池電堆的陰極進氣口并用于供應氧氣/空氣的壓縮供氣模塊，以及有機工質循環發電模塊；壓縮供氣模塊的中冷器之前的壓縮供氣管道連接第二換熱器，第二換熱器的一次側串接于壓縮供氣管道，第二換熱器的二次側串接于所述有機工質循環發電模塊。此外，還包括用來冷卻燃料電池電堆的熱量管理模塊，有機工質循環發電模塊首先通過第一換熱器吸收熱量管理模塊的熱量，然后借助第二換熱器吸收壓縮供氣模塊的熱量，充分回收系統能量，提升燃料電池系統的效率。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，特別涉及一種具有能量回收模塊的燃料電池系統。

背景技術

隨著全球氣候變化以及環境污染的日益加劇，降低化石燃料的使用比率，提高新能源的使用比率正成為全球各國的必然選擇。

氫燃料電池技術通過氧氣和氫氣反應，產生電能，同時產物為水，沒有任何污染物及二氧化碳排放，是一種真正的無污染綠色能源。太陽能、風能以及地熱能等存在間歇性、不穩定的問題，發出的電能很難直接與電網連接，而如果把這些不穩定的清潔電能用來電解水產生氫氣，通過氫氣將這些能量儲存起來，最后通過氫燃料電池技術把這些能量利用起來，這些能源將變成穩定、可靠且無污染的綠色能源。

當前應用較廣泛的燃料電池技術通常采用質子交換膜燃料電池系統，質子交換膜燃料電池具有較低的工作溫度，良好的啟動性能以及較高的功率密度，正在成為燃料電池汽車的主流技術方案。其主要由燃料電池電堆、空氣供應子系統、氫氣供應子系統以及熱管理系統四部分組成。質子交換膜燃料電池將化學能轉換為電能和水的同時，將釋放大量的熱量。同時為了減少貴金屬催化劑的使用，同時達到較高的反應效率，進入燃料電池電堆的空氣需要經過空壓機進行壓縮以達到一定的壓力，而作為空氣供應子系統的核心部件，空壓機消耗的電能將占到電堆輸出電能的15％左右。空氣經過空壓機的壓縮將變為高溫高壓的空氣，而反應后的空氣還具有較高的壓力。雙級空壓機工作原理為通過電機帶動雙級壓氣葉輪高速旋轉從而壓縮空氣，被雙級空壓機壓縮出來的空氣溫度通常較高，該溫度遠高于燃料電池電堆所需要的反應溫度，經過中冷、增濕等單元后，最后溫度、濕度、壓力、流量適宜的空氣將進入燃料電池電堆與氫氣進行反應。在目前車用燃料電池朝著大功率方向發展的背景下，空壓機的能耗也越來越大，限制了燃料電池的效率的進一步提升。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有能量回收模塊的燃料電池系統，該燃料電池系統能夠充分回收電堆以及壓縮空氣余熱，提升燃料電池系統的效率。

為實現上述目的，本發明提供一種具有能量回收模塊的燃料電池系統，包括燃料電池電堆，連接所述燃料電池電堆的陽極進氣口并用于供應還原氣體的第一供氣模塊，連接所述燃料電池電堆的陰極進氣口并用于供應氧氣/空氣的壓縮供氣模塊，以及有機工質循環發電模塊；

所述壓縮供氣模塊包括空壓機組以及連接所述空壓機組和所述陰極進氣口的壓縮供氣管道，所述壓縮供氣管道連接中冷器，所述中冷器和所述空壓機組之間串接有第二換熱器，所述第二換熱器的一次側串接于所述壓縮供氣管道，所述第二換熱器的二次側串接于所述有機工質循環發電模塊。

可選地，所述中冷器和所述陰極進氣口之間設有加濕器。

可選地，所述有機工質循環發電模塊包括第一膨脹渦輪、發電機、冷凝器、有機工質泵和所述第一換熱器，所述第一換熱器的二次側入口連接所述有機工質泵的出口，所述第二換熱器的二次側出口連接所述第一膨脹渦輪的入口，所述第一膨脹渦輪的出口連接所述冷凝器，所述第一膨脹渦輪和所述發電機同軸連接。

可選地，所述還原氣體為氫氣，所述第一供氣模塊包括氫氣罐、連接所述氫氣罐和所述陽極進氣口的第一供氣管道，設于所述第一供氣管道的調壓閥，以及設于所述調壓閥和所述陽極進氣口之間的氫氣循環裝置。

可選地，所述第一供氣模塊還包括氫氣回收管道，所述氫氣回收管道的兩端分別連接所述燃料電池的陽極排氣口和所述氫氣循環裝置。