本申请提供了燃料电池系统的阴极回路，包括：阴极供气管线，配置成连接在外部环境与燃料电池系统的电堆的阴极入口之间以供给空气；阴极排气管线，配置成将电堆的阴极出口与外部环境连通以排出阴极废气；在阴极供气与排气管线间设置的涡轮增压器，其包括同轴联接的空压机和涡轮机，空压机连接在阴极供气管线上且涡轮机连接在阴极排气管线上；及关于阴极废气的行进路径位于涡轮机上游的热交换装置，被配置成基于其热源温度与所排出的阴极废气温度的比较而使阴极废气与其选择性热交换。还提供了包括阴极回路的燃料电池系统。本申请能使涡轮机的能量回收效率提升、降低空压机能量消耗、改善工作效率，还能提高涡轮增压器的可靠性并延长使用寿命。延长使用寿命。延长使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统的阴极回路及包括其的燃料电池系统
[0001]本申请涉及燃料电池系统的领域，具体而言，涉及用于燃料电池系统的阴极回路、以及采用所述阴极回路的燃料电池系统。
技术介绍
[0002]在诸如质子交换膜燃料电池(PEMFC)之类的燃料电池系统中，目前通常采用涡轮增压器以取代传统的单独用于对供应空气进行压缩的二阶或一阶空压机。与单独使用空压机相比，涡轮增压器进一步包括对空压机进行驱动的涡轮机，以从阴极废气回收能量来协助压缩空气，从而提高燃料电池系统的工作效率。特别是，空压机被连接在燃料电池系统的电堆的阴极供气管线上以向电堆阴极供给空气，涡轮机则被连接在燃料电池系统的电堆的阴极排气管线上从而被从电堆阴极排出的阴极废气驱动。在实践操作中，能量(动力)回收的效率主要受到阴极废气的流率、压力比以及温度等参数的影响，其中上述参数的数值越高，则涡轮增压器的能量回收效率就越高。另一方面，能量回收效率越高，进而就越能够降低空压机的消耗，从而提升空压机压缩空气的效率以有助于向电堆阴极供给空气。
[0003]因此，目前存在对现有燃料电池系统的阴极回路进行改进以提升能量回收效率的需求。
技术实现思路
[0004]本申请旨在提供一种用于燃料电池系统的阴极回路及包括其的燃料电池系统，使得能够提升从阴极废气回收能量的效率从而降低空压机的消耗。
[0005]根据本申请的一个方面，提供一种用于燃料电池系统的阴极回路，包括：阴极供气管线，其被配置成连接在所述燃料电池系统的外部环境与所述燃料电池系统的电堆的阴极入口之间以供给空气；阴极排气管线，其被配置成将所述电堆的阴极出口与所述外部环境连通以将阴极废气从所述燃料电池系统排出；在所述阴极供气管线与所述阴极排气管线之间设置的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括同轴联接的空压机和涡轮机，其中所述空压机连接在所述阴极供气管线上且所述涡轮机连接在所述阴极排气管线上；以及热交换装置，其关于所述阴极废气的行进路径位于所述涡轮机的上游，所述热交换装置被配置成基于其热源温度与所排出的阴极废气的温度的比较而使所述阴极废气与所述热交换装置选择性进行热交换。
[0006]优选地，所述热交换装置为车辆中所使用的驱动电机。
[0007]优选地，所述驱动电机为车辆的主驱电机、对车辆中风扇进行驱动的电机、或者对车辆其它模块中使用的空压机进行驱动的电机中的一种或多种。
[0008]优选地，所述驱动电机的数量为一个或多个。
[0009]优选地，多个驱动电机以串联、并联或混联的方式连接。
[0010]可选地，对于以串联方式连接的多个驱动电机，每个驱动电机均设置有相应的温度传感器和截止阀，并且针对每个驱动电机还设置有相应的旁通支路和旁通阀，以使得在
其中一个驱动电机的运行温度高于阴极废气的温度时，所述阴极废气经由该驱动电机向阴极排气管线的下游传递；或者在所述其中一个驱动电机的运行温度不高于阴极废气的温度时，所述阴极废气经由所述旁通支路绕过该驱动电机向阴极排气管线的下游传递。
[0011]可选地，对于以并联方式连接的多个驱动电机，每个驱动电机均设置有相应的温度传感器和截止阀，并且在所述阴极排气管线上设置有绕过所述多个驱动电机的旁通支路和旁通阀，以使得在其中任一个驱动电机的运行温度高于阴极废气的温度时，所述阴极废气经由该驱动电机向阴极排气管线的下游传递；或者在所述多个驱动电机的运行温度均不高于阴极废气的温度时，所述阴极废气经由所述旁通支路绕过所述多个驱动电机向阴极排气管线的下游传递。
[0012]可选地，在所述阴极排气管线上于所述热交换装置的下游位置处设置有节流阀和/或水分离器。
[0013]可选地，在所述阴极供气管线与所述阴极排气管线之间还设置有将二者连通的压缩气体旁通支路，其用于使被所述空压机压缩后的空气直接从所述阴极供气管线进入所述阴极排气管线。
[0014]根据本申请的又一个方面，提供一种燃料电池系统，包括：电堆，其具有阳极和阴极，在所述阳极和所述阴极之间布置有质子交换膜；氢气供应装置，其用于向所述电堆的阳极供应氢气；以及根据以上
技术实现思路
所述的阴极回路，其中空气经由所述阴极回路中的阴极供气管线被供应至所述电堆的阴极，并且经所述空气与所述氢气之间化学反应后的阴极废气从所述电堆的阴极经由所述阴极回路中的阴极排气管线排出。
[0015]根据本申请，能够使燃料电池系统中所使用的涡轮增压器的涡轮机的能量回收效率提升、降低涡轮增压器中空压机的能量消耗从而改善空压机的工作效率。此外，还能够有效降低进入到涡轮机中废气的湿度，减少水气对涡轮机的涡轮叶片的侵蚀，这能够降低涡轮叶片破裂的风险，提高涡轮增压器的可靠性并延长其使用寿命。
附图说明
[0016]下面将结合附图来更彻底地理解并认识本申请的上述和其它方面。应当注意的是，在本申请的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。需要说明的是，各附图中的元件彼此之间并非必须严格按比例绘制，其仅仅是出于清楚说明的目的而并非限制性的。其中：
[0017]图1示出了燃料电池系统的电堆及其阴极组成部分，其中包含根据本申请示例性实施例的阴极回路；
[0018]图2为根据本申请示例性实施例的阴极回路中所采用的以串联方式连接的驱动电机的示意图；
[0019]图3为根据本申请示例性实施例的阴极回路中所采用的以并联方式连接的驱动电机的示意图；
[0020]图4示出了采用根据本申请示例性实施例的阴极回路并进一步结合有其它部件的燃料电池系统的阴极组成部分。
具体实施方式
[0021]下面结合示例详细描述本申请的优选实施例。本领域技术人员应理解的是，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在不同的附图中，相同的部件用相同的附图标记表示，且为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本申请中的燃料电池系统及其阴极回路不可包括其它部件。应理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本申请的限制。
[0022]图1示意性地示出了一种示例性的燃料电池系统100及其阴极组成部分，其中该阴极组成部分包含根据本申请一优选实施例的用于该燃料电池系统的阴极回路。燃料电池系统100例如可以用于车辆中以提供电力，从而驱动车辆电机来提供动力或者使得车载系统执行各种功能。如图1所示，燃料电池系统100例如可以是质子交换膜燃料电池，并且包括电堆101。电堆101具有阳极102和阴极103。在燃料电池系统100运行期间，氢气经由氢气供应装置(图中未示出)被供给到电堆101的阳极102以及空气被供给到电堆的阴极103。进入阳极102的氢分子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由电堆101中的质子交换膜转移到阴极103，电子则通过外电路流向阴极103以形成电流。另一方面，参见图1中箭头所示路线，空气从阴极入口104被供入阴极103，空气中的部分氧气在阴极103首先与电子产生还原反应生成氧离子，进一步氧离子与从阳极本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池系统的阴极回路，其特征在于，包括：阴极供气管线(106)，其被配置成连接在所述燃料电池系统的外部环境与所述燃料电池系统的电堆(101)的阴极入口(104)之间以供给空气；阴极排气管线(107)，其被配置成将所述电堆(101)的阴极出口(105)与所述外部环境连通以将阴极废气从所述燃料电池系统排出；在所述阴极供气管线(106)与所述阴极排气管线(107)之间设置的涡轮增压器(200)，所述涡轮增压器(200)包括同轴联接的空压机(201)和涡轮机(202)，其中所述空压机(201)连接在所述阴极供气管线(106)上且所述涡轮机(202)连接在所述阴极排气管线(107)上；以及热交换装置(108)，其关于所述阴极废气的行进路径位于所述涡轮机(202)的上游，所述热交换装置(108)被配置成基于其热源温度与所排出的阴极废气的温度的比较而使所述阴极废气与所述热交换装置(108)选择性进行热交换。2.根据权利要求1所述的用于燃料电池系统的阴极回路，其特征在于，所述热交换装置(108)为车辆中所使用的驱动电机。3.根据权利要求2所述的用于燃料电池系统的阴极回路，其特征在于，所述驱动电机为车辆的主驱电机、对车辆中风扇进行驱动的电机、或者对车辆其它模块中使用的空压机进行驱动的电机中的一种或多种。4.根据权利要求2或3所述的用于燃料电池系统的阴极回路，其特征在于，所述驱动电机的数量为一个或多个。5.根据权利要求4所述的用于燃料电池系统的阴极回路，其特征在于，多个驱动电机以串联、并联或混联的方式连接。6.根据权利要求5所述的用于燃料电池系统的阴极回路，其特征在于，对于以串联方式连接的多个驱动电机，每个驱动电机均设置有相应的温度传感器和截止阀，并且针对每个驱动电机还设置有相应的旁通支路和旁通阀，以使得在其中一个驱动电机的运行温度高于阴极废气的温度时，所述阴极废气经由该驱动电机向阴极排气管线(107)的下游传...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘质冰，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：新型
国别省市：
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