一种利用高压氢气的空气增压系统和方法技术方案

本发明专利技术属于氢燃料电池技术领域，涉及氢燃料电池汽车，具体涉及一种利用高压氢气的空气增压系统和方法。系统中包括：多级膨胀装置，由若干膨胀机串联和/或并联形成，用于将氢燃料电池汽车的氢气源中的高压氢气转化为低压氢气并输出机械能；空气压缩机，用于将环境空气加压；发电装置，将多级膨胀装置输出的机械能转化为电能，并将所述电能输送至空气压缩机，使空气压缩机运行；换热器，用于将多级膨胀装置输出的低压氢气与空气压缩机输出的增压空气进行换热，并将换热后的低压氢气和增压空气输送至氢燃料电池汽车中的氢燃料电池。本发明专利技术能够解决氢燃料电池汽车中氢燃料电池高压氢气减压时的能量浪费和空气增压及降温时的能量消耗问题。量消耗问题。量消耗问题。

【技术实现步骤摘要】
一种利用高压氢气的空气增压系统和方法


[0001]本专利技术属于氢燃料电池
，涉及氢燃料电池汽车，具体涉及一种利用高压氢气的空气增压系统和方法。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]为了保证氢燃料电池汽车有较大的续航能力，储氢系统必须储存较多的氢气，为了在有限体积内存储更多的氢气，必须提高储氢密度，所以现有的氢燃料电池汽车储氢的压力较高，储氢压力为35MPa或者70MPa。氢气加压到35MPa或者70MPa需要耗费大量的能量，然而，专利技术人研究发现，氢燃料电池在正常工作时正常的供氢压力在1MPa左右或者更低(0.2MPa)，氢气在储存增压时的能量经过减压阀的减压过程中被浪费，造成能量损失。燃料电池在工作时还需要一定压力的压缩空气，压缩空气需要空气压缩机压缩大气进行供应，并且压缩完的空气还需要中冷器来进行降温，这也需要耗费一定的能量，降低了燃料电池的能量利用效率。

技术实现思路

[0004]为了解决氢燃料电池汽车中氢燃料电池高压氢气减压时的能量浪费和空气增压及降温时的能量消耗问题，本专利技术的目的是提供一种利用高压氢气的空气增压系统和方法，降低能耗，从而提高燃料电池能量利用率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一方面，一种利用高压氢气的空气增压系统，包括：
[0007]多级膨胀装置，由若干膨胀机串联和/或并联形成，设置为用于将氢燃料电池汽车的氢气源中的高压氢气转化为低压氢气并输出机械能；
[0008]涡轮增压机，设置为利用多级膨胀装置输出的机械能将环境空气加压；
[0009]换热器，设置为用于将多级膨胀装置输出的低压氢气与空气压缩机输出的增压空气进行换热，并将换热后的低压氢气和增压空气输送至氢燃料电池汽车中的氢燃料电池。
[0010]由于氢燃料电池汽车中的氢气源的压力较高，同时氢燃料电池汽车内的空间较小，因而设置多级膨胀装置，通过多个膨胀机的串联，提高空间利用率，而且能够将氢气降至燃料电池的工作需要。
[0011]设置涡轮增压机能够使高压氢气膨胀直接带动涡轮增压机对空气进行增压，降低能耗。
[0012]空气压缩机将空气进行压缩，压缩后的空气温度升高，然而，氢燃料电池的最佳工作温度为70～80℃，若空气温度过高，会增加电池反应堆的热负荷，还会影响进气量，因而需要将压缩后的空气进行降温，而多级膨胀装置不仅能够将压缩气体膨胀降压，还能降低
膨胀降压的低压氢气的温度，通过换热器能够利用低温的低压氢气作为冷源降低压缩后的空气的温度，从而省略中冷器，降低能耗，节约空间。
[0013]另一方面，一种利用高压氢气的空气增压系统，包括：
[0014]多级膨胀装置，由若干膨胀机串联和/或并联形成，设置为用于将氢燃料电池汽车的氢气源中的高压氢气转化为低压氢气并输出机械能；
[0015]空气压缩机，设置为用于将环境空气加压；
[0016]发电装置，设置为将多级膨胀装置输出的机械能转化为电能，并将所述电能输送至空气压缩机，使空气压缩机运行；
[0017]换热器，设置为用于将多级膨胀装置输出的低压氢气与空气压缩机输出的增压空气进行换热，并将换热后的低压氢气和增压空气输送至氢燃料电池汽车中的氢燃料电池。
[0018]由于氢燃料电池汽车中的氢气源的压力较高，同时氢燃料电池汽车内的空间较小，因而设置多级膨胀装置，通过多个膨胀机串联的串联，提高空间利用率，而且能够将氢气降至燃料电池的工作需要。
[0019]膨胀机能够利用压缩气体膨胀降压向外输出机械能，由于多级膨胀机串联，直接将机械能直接用于空气压缩机，会浪费部分机械能，因而设置发电装置，通过发电装置将机械能转化成电能统一传输至空气压缩机，能够更好地综合利用高压氢气转化为低压氢气产生的机械能，从而降低能耗。
[0020]空气压缩机将空气进行压缩，压缩后的空气温度升高，然而，氢燃料电池的最佳工作温度为70～80℃，若空气温度过高，会增加电池反应堆的热负荷，还会影响进气量，因而需要将压缩后的空气进行降温，而多级膨胀装置不仅能够将压缩气体膨胀降压，还能降低膨胀降压的低压氢气的温度，通过换热器能够利用低温的低压氢气作为冷源降低压缩后的空气的温度，从而省略中冷器，降低能耗，节约空间。
[0021]由于燃料电池产生的气体压力较高，直接排出，会导致能量损失，为了进一步利用这部分能量，进一步地，包括空气膨胀机，设置为用于将氢燃料电池排放的气体进行降压并输出机械能，将空气膨胀机输出的机械能输送至发电装置。能够进一步提高能量利用率，降低能耗。
[0022]第三方面，一种利用高压氢气的空气增压方法，提供上述利用高压氢气的空气增压系统；
[0023]将氢燃料电池汽车内储存的35～70MPa氢气输送至多级膨胀装置进行降压，产生机械能和温度降低的0.2～1.2MPa氢气，将多级膨胀装置产生的机械能驱动涡轮增压机对空气进行压缩，将压缩后的空气与0.2～1.2MPa氢气进行换热，使压缩后的空气降温，然后将换热后的压缩后的空气与0.2～1.2MPa氢气输送至氢燃料电池。
[0024]第四方面，一种利用高压氢气的空气增压方法，提供上述利用高压氢气的空气增压系统；
[0025]将氢燃料电池汽车内储存的35～70MPa氢气输送至多级膨胀装置进行降压，产生机械能和温度降低的0.2～1.2MPa氢气，将多级膨胀装置产生的机械能用于发电，并用电能驱动空气压缩机对空气进行压缩，将压缩后的空气与0.2～1.2MPa氢气进行换热，使压缩后的空气降温，然后将换热后的压缩后的空气与0.2～1.2MPa氢气输送至氢燃料电池。
[0026]本专利技术的有益效果在于：
[0027]1.本专利技术把氢气从高压状态释放到低压状态过程中产生的能量通过电机运用到对大气进行压缩产生压缩空气供燃料电池使用，节省了现有燃料电池中空气压缩机对电能的消耗，提高了能量利用率。
[0028]2.氢气在经过膨胀系统的膨胀后温度会降低，大气在经过压缩后会升高温度，本专利技术中利用换热器使低温氢气和高温空气进行热量的传递，使氢气和空气满足燃料电池的工作要求，换热器对压缩空气的降温过程替代了现有燃料电池中空气中冷器的作用，减少了对电能的消耗。
[0029]3.本专利技术中对燃料电池产生的空气经空气膨胀机膨胀后再排入大气，空气膨胀机产生的能量被用于压缩大气供燃料电池使用，对燃料电池的能量进行充分的利用，同时还可以减少用于压缩空气的电能。
附图说明
[0030]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0031]图1为本专利技术实施例1的利用高压氢气的空气增压系统的结构示意图；
[0032]其中，1、高压氢气室；2、多级膨胀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用高压氢气的空气增压系统，其特征是，包括：多级膨胀装置，由若干膨胀机串联和/或并联形成，设置为用于将氢燃料电池汽车的氢气源中的高压氢气转化为低压氢气并输出机械能；涡轮增压机，设置为利用多级膨胀装置输出的机械能将环境空气加压；换热器，设置为用于将多级膨胀装置输出的低压氢气与空气压缩机输出的增压空气进行换热，并将换热后的低压氢气和增压空气输送至氢燃料电池汽车中的氢燃料电池。2.如权利要求1所述的利用高压氢气的空气增压系统，其特征是，包括空气膨胀机，设置为用于将氢燃料电池排放的气体进行降压并输出机械能，将空气膨胀机输出的机械能驱动涡轮增压机。3.一种利用高压氢气的空气增压系统，其特征是，包括：多级膨胀装置，由若干膨胀机串联形成，设置为用于将氢燃料电池汽车的氢气源中的高压氢气转化为低压氢气并输出机械能；空气压缩机，设置为用于将环境大气加压；发电装置，设置为将多级膨胀装置输出的机械能转化为电能，并将所述电能输送至空气压缩机，使空气压缩机运行；换热器，设置为用于将多级膨胀装置输出的低压氢气与空气压缩机输出的增压空气进行换热，并将换热后的低压氢气和增压空气输送至氢燃料电池汽车中的氢燃料电池。4.如权利要求3所述的利用高压氢气的空气增压系统，其特征是，包括空气膨胀机，设置为用于将氢燃料电池排放的气体进行降压并输出机械能，将空气膨胀机输出的机械能输送至发电装置。5.如权利要求1或3所述的利用高压氢气的空气增压系统，其特征是，包括辅热装置，用于对换热器进行加热。6.如权利要求1或3所述的利用高压氢气的空气增压系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲延芬，王刚，施月杰，
申请(专利权)人：济南新材料产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：