技术领域
[0001] 本
发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池进气增压系统、燃料电池及燃料电池汽车。
背景技术
[0002] 燃料电池汽车是一种用车载燃料电池产生的电
力作为动力的汽车。目前被广泛采用的
质子交换膜燃料电池具有高效率、零排放和低噪音的特点，其采用高纯度氢气作为燃料，在燃料电堆中与空气中的
氧气发生化学反应产生
电能，作为驱动
电机的动力源。在现有燃料电池汽车的燃料电堆中，
化学能转变为电能的
能量转化效率仅在50％-60％之间，其余的能量转化为
热能。而燃料电堆对
工作温度要求较高，为了保证燃料电堆高效、安全的运行，需要把燃料电堆中的化学反应废热排出，其主要是通过循环
冷却水输送到外部
散热器进行排出，这部分能量没有得到有效利用，对整车经济性造成影响。
[0003] 为了提升燃料电池输出功率，常采用进气
增压器提升进入燃料电堆的空气
质量，以增大燃料电堆中参与化学反应的氢气和氧气量，实现增大燃料电池输出功率的目的。目前常用电动增压器实现燃料电池进气增压，但其动力源直接来自于燃料电堆产生的电能，因此，需要额外消耗一部分电能用于进气增压，对燃料电池汽车的续驶里程产生影响。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种燃料电池进气增压系统、燃料电池及燃料电池汽车，以对燃料电堆排出的废热进行
回收利用产生电能，并将该电能提供给增压模
块，进而节约一部分燃料电堆产生的电能，提升燃料电池汽车续驶里程。
[0005] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种燃料电池进气增压系统，包括：
[0007] 冷却回路，与燃料电堆连通，并用于冷却所述燃料电堆；
[0008] 增压模块，与所述燃料电堆连通，并用于为所述燃料电堆提供压缩空气；
[0009] 有机
朗肯循环回路，分别与所述冷却回路和所述增压模块连接，用于吸收所述冷却回路中的热能及以将所述热能转化为
动能，所述
有机朗肯循环回路能够将所述动能提供给所述增压模块。
[0010] 作为优选，还包括
驱动电机，所述驱动电机均与所述增压模块和所述有机朗肯循环回路驱动连接。
[0011] 作为优选，所述有机朗肯循环回路包括膨胀机，所述增压模块包括空气
压缩机，所述膨胀机与所述空气压缩机通过中间轴连接，所述驱动电机与所述中间轴驱动连接。
[0012] 作为优选，所述燃料电池进气增压系统还包括供电储电模块，与所述驱动电机电连接。
[0013] 作为优选，所述供电储电模块包括依次电连接的高压电池、DCDC转换器、低压电池和逆变器，所述逆变器与所述驱动电机电连接，以为所述驱动电机提供交流电，或将所述驱动电机产生的电能转变为直流电。
[0014] 作为优选，所述增压模块还包括增压中冷器，所述增压中冷器连接于所述空气压缩机和所述燃料电堆之间。
[0015] 作为优选，所述有机朗肯循环回路还包括有机工质
泵、
热交换器、第一三通
阀、
冷凝器和冷凝
风扇；所述冷凝风扇配合所述冷凝器设置，用于根据冷却风量要求对所述冷凝器中有机工质进行冷凝
[0016] 所述有机工质泵、所述热交换器、所述第一三通阀的入口、所述第一三通阀的第一出口、所述膨胀机和所述冷凝器依次连通形成第一环形回路；
[0017] 所述有机工质泵、所述热交换器、所述第一三通阀的入口、所述第一三通阀的第二出口和所述冷凝器依次连通形成第二环形回路。
[0018] 作为优选，所述冷却回路包括冷却工质泵和第二三通阀，所述冷却工质泵的入口与所述燃料电堆的冷却介质出口连通，所述第二三通阀的第一出口与所述热交换器连通，所述第二三通阀的第二出口与所述燃料电堆的冷却介质入口连通。
[0019] 一种燃料电池，包括燃料电堆和上所的燃料电池进气增压系统，所述燃料电池进气增压系统与所述燃料电堆连接。
[0020] 一种燃料电池汽车，包括上述的燃料电池。
[0021] 本发明的有益效果：冷却回路与燃料电堆连通，并用于冷却燃料电堆。增压模块与燃料电堆连通，并用于为燃料电堆提供压缩空气。有机朗肯循环回路分别与冷却回路和增压模块连接，用于吸收冷却回路中的热能以及将热能转化为动能，有机朗肯循环回路能够将动能提供给增压模块。通过有机朗肯循环回路将燃料电堆中的废热转变为动能，从而驱动增压模块工作，实现燃料电堆的进气增压功能，因此，节约了一部分燃料电堆产生的电能，提升燃料电池汽车续驶里程。
附图说明
[0022] 图1是本发明
实施例提供的燃料电池进气增压系统的结构示意图；
[0023] 图2是本发明实施例提供的另一种燃料电池进气增压系统的结构示意图。
[0024] 图中：
[0025] 111、空气滤清器；112、空气压缩机；113、增压中冷器；
[0026] 121、储氢罐；122、氢气减压阀；
[0027] 131、有机工质泵；132、热交换器；133、第一三通阀；134a、第三管路；134b、第四管路；135、膨胀机；136、冷凝器；137、冷凝风扇；
[0028] 141、驱动电机；142、逆变器；143、低压电池；144、DCDC转换器；145、高压电池；
[0029] 151、冷却工质泵；152、第二三通阀；153a、第一管路；153b、第二管路；
[0030] 160、燃料电堆；170、中间轴；
具体实施方式
[0031] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
[0032] 本发明中限定了一些方位词，在未作出相反说明的情况下，所使用的方位词如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”这些方位词是为了便于理解而采用的，因而不构成对本发明保护范围的限制。
[0033] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接
接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0034] 在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035] 本实施例提供了一种燃料电池进气增压系统，用于燃料电池中，以对燃料电堆160排出的废热进行回收利用产生电能，并将该电能提供给增压模块。
[0036] 如图1所示，本实施例提供的燃料电池进气增压系统包括冷却回路、增压模块和有机朗肯循环回路。冷却回路与燃料电堆160连通，并用于冷却燃料电堆160。增压模块与燃料电堆160连通，并用于为燃料电堆160提供压缩空气。有机朗肯循环回路分别与冷却回路和增压模块连接，用于吸收冷却回路中的热能以及将热能转化为动能，有机朗肯循环回路能够将动能提供给增压模块。
[0037] 通过有机朗肯循环回路将燃料电堆160中的废热转变为动能，从而驱动增压模块工作，实现燃料电堆160的进气增压功能，因此，节约了一部分燃料电堆160产生的电能，提升燃料电池汽车续驶里程。
[0038] 当燃料电堆160刚刚开始工作时，其废热较少，有机朗肯循环回路产生的电能不足以驱动增压模块工作，因此，燃料电池进气增压系统还包括驱动电机141，驱动电机141均与增压模块和有机朗肯循环回路驱动连接。在满足空气增压需求的
基础上，有机朗肯循环回路还可以把多余的机械功输出给驱动电机141，此时驱动电机141作为发电机工作。
[0039] 在本实施例中，有机朗肯循环回路包括膨胀机135，增压模块包括空气压缩机112，膨胀机135与空气压缩机112通过中间轴170连接，驱动电机141与中间轴170驱动连接。
[0040] 增压模块还包括增压中冷器113，增压中冷器113连接于空气压缩机112和燃料电堆160之间。为了避免杂质进入燃料电堆160中，空气压缩机112的入口端还连接有过滤空气的空气滤清器111，空气滤清器111对空气进行过滤，把过滤后的清洁空气输出给空气压缩机112。
[0041] 空气压缩机112通过中间轴170接收驱动电机141或膨胀机135的输出旋转
扭矩，对进气空气进行增压。增压后的空气流经增压中冷器113，对增压后的空气进行冷却，然后输出给燃料电堆160。
[0042] 燃料电池进气增压系统还可以包括储氢罐121，储氢罐121与燃料电堆160连接，并用于为燃料电堆160提供氢气。储氢罐121作为高压氢气的储存装置，用于燃料电池的燃料存储。储氢罐121和燃料电堆160之间还设置有氢气减压阀122，氢气减压阀122用于对高压氢气进行泄压，把高压氢气转化为低压氢气，输送至燃料电堆160，与空气中的氧进行化学反应产生电能。
[0043] 冷却回路包括冷却工质泵151和第二三通阀152，冷却工质泵151的入口与燃料电堆160的冷却介质出口连通，第二三通阀152的第一出口与热交换器132连通，第二三通阀152的第二出口与燃料电堆160的冷却介质入口连通。
[0044] 燃料电堆160在由氢气和氧气发生化学反应产生电能的过程中，将有40％-50％的能量转化为热能，以余热的形式释放出来，由于燃料电堆160的工作过程，对温度要求较为敏感，因而这一部分余热需要由冷却系统带出燃料电堆160，以维持燃料电堆160的工作稳定。乙二醇与水的混合物常作为冷却工质用于余热的传递，由冷却工质泵151运转，实现冷却工质的回路循环。根据燃料电堆160冷却工质出口温度判定燃料电堆160是否有冷却需求，由第二三通阀152控制冷却工质的流向，通过第二三通阀152的第一出口和第二出口的开闭控制，可控制燃料电堆160冷却介质经由第二三通阀152的第一出口连接的第一管路153a流向有机朗肯循环回路中的热交换器132，或经由第二三通阀152的第二出口连接的第二管路153b不经
过热交换器132流向燃料电堆160的冷却介质入口，实现燃料电堆160的通过热交换器132散热或自循环两种循环模式。热交换器132可实现燃料电堆160余热与有机朗肯循环回路的热交换，把燃料电堆160需要散失的热量转移到有机朗肯循环回路中。
[0045] 有机朗肯循环回路还包括有机工质泵131、第一三通阀133、冷凝器136和冷凝风扇137；有机工质泵131、热交换器132、第一三通阀133的入口、第一三通阀133的第一出口、膨胀机135和冷凝器136依次连通形成第一环形回路。有机工质泵131、热交换器132、第一三通阀133的入口、第一三通阀133的第二出口和冷凝器136依次连通形成第二环形回路。冷凝风扇137配合冷凝器136设置，用于根据冷却风量要求对冷凝器136中有机工质进行冷凝。
[0046] 有机工质泵131可实现有机朗肯循环回路中液态工质的稳定循环和升压，把升压后的液态有机工质输送到热交换器132，液态有机工质在热交换器132与来自冷却回路中的余热进行热交换，把冷却回路中的余热转移到有机朗肯循环回路中，有机工质发生
相变作用，由高压液态转变为高压气态。第一三通阀133根据不同的应用场景，实现有机工质的不同流向，可实现有机工质由第一三通阀133的第一出口连接的第三管路134a流向膨胀机135，或经由第一三通阀133的第二出口连接的第四管路134b流向冷凝器136。膨胀机135是一种借助于高压气体驱动，输出
旋转机械功，同时把高压气体转化为低压气体的装置，高压气态工质在膨胀机135内进行膨胀，变为低压气体做功，驱动膨胀机135输出旋转机械功，由中间轴170把膨胀机135输出的机械扭矩传递给空气压缩机112，用于对空气进行增压。在满足空气增压需求的基础上，也可通过中间轴170，把多余的机械功输出给驱动电机141，此时驱动电机141作为发电机工作，产生的交流电经由逆变器142转换为直流电，输出给低压电池143，为其充电。冷凝器136可通过外部空气
对流，对流经其内部的低压气体进行散热，实现低压有机工质由气态向液态的相变过程。冷凝风扇137可实现冷凝器136的不同风量调节，控制有机工质的冷凝过程。工质泵131进一步把低压液态进行升压，实现朗肯循环回路中的工质流动。
[0047] 燃料电池进气增压系统还包括供电储电模块，供电储电模块与驱动电机141电连接。供电储电模块能够为驱动电机141提供电能，且当有机朗肯循环回路生产的动能过多时，驱动电机141还可以作为发电机，将多余的动能转化为电能，供电储电模块可以将该电能存储起来。
[0048] 供电储电模块包括依次电连接的高压电池145、DCDC转换器144、低压电池143和逆变器142，逆变器142与驱动电机141电连接，以为驱动电机141提供的交流电，或将驱动电机141产生的电能转变为直流电。当然，在其他实施例中，如图2所示，逆变器142与进气增压驱动电机141设置为集成式结构，以节省布置空间。逆变器142与进气增压驱动电机141集成式结构的具体形式为
现有技术，因此不在此赘述。
[0049] 如图1所示，在本实施例中，燃料电堆160采用高纯度氢气作为燃料，与空气中的氧气进行化学反应产生电能，电能可输出给高压电池145。DCDC转换器144可以把高压电池145的电能转化为低压电，为低压电池143充电。低压电池143作为驱动电机141和其他低压附属件的动力源，为低压
电子器件提供电能。逆变器142可把直流电转化为交流电，也可以把交流电转化为直流电。高压电池145作为燃料电池系统的高压电能存储装置，可向外输出高压电能，也可通过DCDC转换器144为低压电池143进行充电。驱动电机141置于空气压缩机112和膨胀机135的中间轴170上，接收逆变器142输出的交流电，把电能转化为机械能，输出旋转的扭矩。
[0050] 本实施例提供的燃料电池进气增压系统具有四种工况，分别为驱动电机增压工况、联合驱动增压工况、有机朗肯循环增压工况和燃料电池停机工况。四种工况的具体情况如下。
[0051] 驱动电机增压工况：
[0052] 燃料电堆160开始启动，其内温度较低，低压电池143作为进气增压系统动力源，输出低压直流电到逆变器142，直流电经逆变器142转换为交流电，输出给驱动电机141，驱动电机141产生旋转机械能经由中间轴170，传递给空气压缩机112，为空气压缩机112提供动力，对进气空气进行增压。增压后的空气流经增压中冷器113进行冷却，冷却后的增压空气输出到燃料电堆160，与由储氢罐121经氢气减压阀122减压后的低压高纯度氢气，在燃料电堆160内部进行化学反应，产生电能。此时有机朗肯循环回路不工作，第二三通阀152控制燃料电堆160冷却工质经第二管路153b流入燃料电堆160，冷却系统实现自循环，无余热输出，膨胀机135随着同轴的驱动电机141空转。
[0053] 联合驱动增压工况：
[0054] 燃料电堆160内温度逐渐上升，当温度超过最佳工作温度范围，此时需要对燃料电堆160系统的余热进行散出，以保证燃料电堆160的工作温度稳定，第二三通阀152控制燃料电堆160冷却工质经管路流入热交换器132。此时有机朗肯循环回路开始工作，有机工质泵131，对有机朗肯循环回路中的有机工质进行升压，把升压后的液态有机工质输送到热交换器132，与来自燃料电池电堆冷却回路中的余热进行热交换，把燃料电池电堆冷却回路中的余热转移到有机朗肯循环回路中，有机工质发生相变作用，由高压液态转变为高压气态。高压气态工质流经膨胀机135，在膨胀机135内进行膨胀，变为低压气体做功，驱动膨胀机135输出旋转机械功。由膨胀机135产生旋转机械能经由中间轴170，传递给空气压缩机112。此时，有机朗肯循环回路逐渐介入空气压缩机112的驱动过程，仍不能保证完全满足进气增压驱动功的需求，仍然需要驱动电机141消耗一部分电能，为其进行动力补充，与有机朗肯循环回路联合为空气压缩机112提供动力，对进气空气进行增压。
[0055] 有机朗肯循环增压工况：
[0056] 随着燃料电堆160系统进一步工作，燃料电堆160温度继续上升，燃料电堆160可利用余热能量较高，此时需要对燃料电堆160系统的余热进行散出，以保证燃料电堆160系统的工作温度稳定，第二三通阀152控制燃料电堆160冷却工质经管路流入热交换器132。此时有机朗肯循环回路开始工作，有机工质泵131将有机朗肯循环回路中的有机工质进行升压，把升压后的液态有机工质输送到热交换器132，与来自冷却回路中的余热进行热交换，把冷却回路中的余热转移到有机朗肯循环回路中，有机工质发生相变，由高压液态转变为高压气态。高压气态工质流经膨胀机135，在膨胀机135内进行膨胀，变为低压气体做功，驱动膨胀机135输出旋转机械功。此时，有机朗肯循环回路能够完全满足进气增压驱动功的需求，由膨胀机135独立为空气压缩机112提供动力，对进气空气进行增压。
[0057] 当燃料电堆160余热能量较高，膨胀机135输出机械功超过空气压缩机112的所需功率时，可通过中间轴170，把多余的机械输出功输出给驱动电机141，此时驱动电机141作为发电机工作，产生的交流电经由逆变器142转换为直流电，输出给低压电池143，为其充电。
[0058] 燃料电池停机工况：
[0059] 在燃料电池系统停机工况下，燃料电堆160停止工作，此时为了保证燃料电堆160内部温度均匀，不产生局部高温，控制燃料电堆冷却系统继续运行一段时间，冷却回路中的第二三通阀152控制燃料电堆160冷却工质经管路流入热交换器132。同时有机朗肯循环仍参与工作，由第一三通阀133，控制有机工质流经第四管路134b，流到冷凝器136，不经过膨胀机135，实现燃料电堆160余热的转移，此种控
制模式可减少有机朗肯循环回路的阻力，同时延长膨胀机135的工作寿命。
[0060] 本实施例提供了一种燃料电池，燃料电池包括燃料电堆160和上述的燃料电池进气增压系统，燃料电池进气增压系统与燃料电堆160连接。
[0061] 本实施例提供了一种燃料电池汽车，燃料电池汽车包括上述的燃料电池。
[0062] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明
权利要求的保护范围之内。
