[发明专利]具有自由轮膨胀机的压缩机系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及包括联接到自由轮膨胀机的压缩机的燃料电池系统。

背景技术

氢是清洁的燃料且可用于在燃料电池系统中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质膜在阳极和阴极之间。阳极接收反应物（例如，氢气）且阴极接收氧化剂（例如，氧或空气）。氢气在阳极分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质膜到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质膜，且因而在输送至阴极之前被引导通过其它燃料电池系统部件。通常，多个燃料电池在燃料电池堆中组合，以用作能量源并且产生用于系统（例如，车辆）的期望功率。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些氧气作为阴极废气流体输出，所述阴极废气流体可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。

氧通过压缩机供应给燃料电池系统。压缩机通常由电机驱动，所述电机使用由燃料电池系统产生的能量的一部分。因此，未优化燃料电池系统的效率。

期望生产一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括联接到自由轮膨胀机的压缩机，其中膨胀机辅助电机来驱动压缩机并且优化燃料电池系统的效率。

自由轮膨胀机的优势在于，膨胀机可在宽泛流量和压力范围内辅助压缩机而不需要例如诸如致动器（例如，废气阀、可变涡轮几何结构）的附加部件。自由轮膨胀机是用于改善燃料电池系统效率的简易、成本效率高、自调节的机构。

发明内容

根据本发明且与本发明相一致，令人惊奇地发现一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括联接到自由轮膨胀机的压缩机，其中膨胀机辅助电机驱动压缩机并且优化燃料电池系统的效率。

在一个实施例中，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；以及自由轮机构，所述自由轮机构联接到压缩机和膨胀机，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器。

在另一实施例中，所述燃料电池系统包括：燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机包括轴、入口和出口，其中所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机的轴，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；以及自由轮机构，所述自由轮机构包括驱动座圈、设置在驱动座圈中的从动座圈、以及设置在其间的至少一个扭矩传递元件，所述驱动座圈联接到膨胀机的轴且从动座圈联接到压缩机的轴，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中扭矩传递元件防止膨胀机用作压缩机的限制器。

在又一实施例中，一种操作燃料电池系统的方法，包括以下步骤：提供燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；提供用于压缩第一流体的压缩机，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；提供联接到压缩机的膨胀机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通；提供自由轮机构，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器；以及使得第二流体流动通过膨胀机以从其回收机械能并且产生扭矩以向压缩机提供动力。

本发明涉及下述技术方案。

1. 一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，所述燃料电池堆包括具有入口和出口的阴极，其中第一流体流动通过阴极的入口且第二流体流动通过阴极的出口；

压缩机，用于压缩第一流体，所述压缩机的入口与第一流体的源流体连通，压缩机的出口与阴极的入口流体连通；

膨胀机，所述膨胀机联接到压缩机，其中膨胀机与阴极的出口流体连通，以从第二流体回收机械能并且产生扭矩以驱动压缩机；和

自由轮机构，所述自由轮机构联接到压缩机和膨胀机，用于将扭矩从膨胀机传递至压缩机，其中自由轮机构防止膨胀机用作压缩机的限制器。

2. 根据方案1所述的燃料电池系统，其中，膨胀机联接到压缩机的轴，以当膨胀机的轴的旋转速率大于压缩机的轴的旋转速率时沿第一方向推动压缩机的轴。