具三通阀的涡轮发电机系统及尾气回收发电装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及具三通阀的涡轮发电机系统及尾气回收发电装置。


背景技术：

2.氢燃料电池系统是一种通过氢气和氧气发生化学反应将化学能转化为电能的装置，该化学反应实际为一种发电过程。氢燃料电池系统发电效率高、无噪声、无污染，是一种环境友好型的发电装置，已被广泛应用于新能源汽车等技术领域。氢燃料电池系统在发电过程中，为了保障氢气纯度和防止阳极侧水堵，需要排出未反应完的气体，这部分气体具有一定的动能和热能，直接排出会造成能量浪费。基于此，在部分氢燃料电池系统中设置有尾气回收装置，以将尾气回收用于诸如发电或循环利用等。
3.目前氢燃料电池系统中主流的尾气能量回收装置为电动空压机与透平机构共轴集成方案，即压机与透平机构同轴连接，透平机构可将燃料电池系统排出的尾气能量转化成机械能，通过共轴的方式传递至空压机，进而节省整个空气路系统的功耗。但是透平机构在低温、低流量等一些特殊工况下可能会影响整个燃料电池系统的正常启动或者工作效率。
4.氢燃料电池系统的尾气能量回收装置还可以采用电动空压机与涡轮增压器的组合方案，即电动空压机与涡轮增压器气路串联连接，轴系非同轴连接，涡轮增压器可将燃料电池系统排出的尾气能量转化成机械能压缩空气，再将压缩后的空气串入电动空压机中，降低电动空压机的负载，进而节省整个空气路系统的功耗。涡轮增压器在低温、低流量工况下，存在堵塞燃料电池系统空气路的可能，进而也可能影响整个燃料电池系统的正常启动或者工作效率。
5.此外，目前还有一部分氢燃料电池系统的尾气能量回收装置采用了电动空压机与涡轮发电机的组合方案，即电动空压机与涡轮发电机的电路串联连接，两者轴系无连接，涡轮发电机系统可将燃料电池系统排出的尾气能量转化成电能，再将此电能直接给电动空压机系统供电或存入蓄电池中，进而节省整个空气路系统的功耗。但是现有的这类方案仍未能够解决透平机构低温结冰启动困难、怠速低流量系统效率低、超流量损坏透平机构、透平机构故障失效引起整个系统无法正常工作以及仅适用于单燃料电池系统的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的部分或全部问题，本发明第一方面提供一种具三通阀的涡轮发电机系统，包括：
7.涡轮发电机，其在空气的推动下旋转发电；以及
8.三通阀，其第一接口与进气管道连通，第二接口与所述涡轮发电机的进气口连通，以及第三接口与排气管连通，用于对进入所述涡轮发电机的气体进行分流。
9.进一步地，所述涡轮发电机系统还包括分水器，其进气口与所述三通阀的第二接
口连通，出气口与涡轮发电机的进气口连通，以及出水口与排气管连通，所述分水器用于对进入涡轮发电机的气体进行汽水分离。
10.进一步地，所述涡轮发电机系统还包括压力传感器，设置于所述涡轮发电机的进气口处，用于实时监测进入所述涡轮发电机的空气压力，为三通阀的开度控制提供依据。
11.进一步地，所述涡轮发电机系统还包括控制器，其用于将所述涡轮发电机生成的三相交流电整流成直流电并输送出去。
12.进一步地，所述涡轮发电机系统还包括消音器，其设置于所述排气管出口处。
13.基于如前所述的涡轮发电机系统，本发明第二方面提供一种尾气回收发电装置，包括：
14.氢燃料电池系统；以及
15.如前所述的涡轮发电机系统，其中涡轮发电机的进气口与所述氢燃料电池系统的尾气排出管路连通。
16.进一步地，一个涡轮发电机系统与n个氢燃料电池系统的尾气排出管路连通，其中n为自然数。
17.进一步地，所述氢燃料电池系统包括：
18.空压机，其用于压缩空气；以及
19.电堆，其连接至所述空压机的出气口，压缩后的空气在电堆中与氢气充分反应，并排出汽水混合尾气。
20.进一步地，所述空压机与所述涡轮发电机电连通，所述空压机采用所述涡轮发电机进行供电。
21.进一步地，所述氢燃料电池系统还包括进气空滤、进气流量计、中冷器、增湿器以及背压阀。
22.进一步地，所述尾气回收发电装置还包括蓄电池，所述蓄电池与所述涡轮发电机电连接，用于存储所述涡轮发电机生成的电能。
23.本发明提供的具三通阀的涡轮发电机系统及尾气回收发电装置，采用涡轮发电机系统回收氢燃料电池系统的尾气能量，将机械能转化成电能，并提供给氢燃料电池系统中的空压机使用或储存至蓄电池中。其中所述涡轮发电机系统中设置有三通阀，当流入的流量超出了涡轮发电机可承受的范围，即涡轮发电机系统处于超流量工况时，可通过精确控制所述三通阀的开度，将超出的流量排至旁通路中，从而保证涡轮发电机系统流入的流量在安全范围内，且可以保证涡轮发电机正常发电。由于设置有三通阀，涡轮发电机故障失效时，可控制三通阀使氢燃料电池系统的尾气完全接入涡轮发电机系统旁通路，使空气路保持畅通，保证氢燃料电池系统仍可以正常运行，解决了透平机构应用在燃料电池领域可靠性低的问题，大幅提高了整个燃料电池系统的可靠性。此外，当燃料电池系统处于低温工况时，可通过控制三通阀使氢燃料电池系统尾气完全接入涡轮发电机系统旁通路，保证燃料电池系统尾气排放通畅，进而实现正常冷启动，待燃料电池系统完成热机后，涡轮发电机就可顺利破冰，完成低温冷启动。氢燃料电池系统启动时，同样可通过控制三通阀使燃料电池系统尾气完全接入涡轮发电机系统旁通路，电堆中全部的液态水会流入旁通路，减少液态水对透平机构的冲击，大幅降低了液态水进入电机内腔的可能，进而降低叶轮腐蚀、电机绝缘故障和轴承生锈的风险。而当燃料电池系统运行在怠速或低流量工况，且尾气能量不足
以使涡轮发电机发电时，可控制涡轮发电机停机，并控制三通阀使氢燃料电池系统尾气完全接入涡轮发电机系统的旁通路，避免涡轮发电机耗功，进而提高整个空气路系统的效率，解决了传统膨胀机在低流量工况时，透平机构不回收能量反而耗功的问题。本技术中的涡轮发电机与空压机之间为独立轴设计，因此燃料电池系统运行在正常负载工况时，所述涡轮发电机的转速与电动空压机完全解耦，可运行至最优转速来使回收功率最大，进而使系统综合效率最高。本发明中的单个涡轮发电机系统可对多个燃料电池系统的尾气进行集中回收，不仅适用于单堆单路系统，仍适用于多堆多路系统以及多系统组合方案，大幅减少能量回收装置的数量，减少成本和体积。
附图说明
24.为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
25.图1示出本发明一个实施例的具三通阀的涡轮发电机系统的结构示意图；以及
26.图2示出本发明一个实施例的尾气回收发电装置的结构示意图。
具体实施方式
27.以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
28.在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
29.在本发明的实施例中，透平机械或透平机构是指流体叶轮机械，例如泵、风机和压缩机等。
30.发明人经过研究发现，现有的氢燃料电池系统中主流的尾气能量回收装置主要存在以下问题：透平机构低温结冰启动困难、怠速低流量系统效率低、超流量损坏透平机构、透平机构故障失效引起整个系统无法正常工作以及仅适用于单燃料电池系统。例如，对于空压机与透平机械同轴连接的方案而言，由于透平机构与空压机共轴，这就使得燃料电池系统处于低温工况时，透平机构结冰会导致空压机无法正常启动，进而影响整个燃料电池系统的正常启动，燃料电池系统处于怠速或低流量工况运行时，透平机构与空压机保持同转速运行，较低的流量无法保证透平机构可以有效回收能量，透平机构反而处于耗功状态，导致燃料电池系统综合效率较低，以及当燃料电池系统额定工况运行时，则无法保证空压机与透平机构均运行于最优转速，导致空压机系统额定效率较低，此外，透平机构故障失效时，透平机构与空压机共轴连接还会导致空压机以及整个燃料电池系统均无法正常工作。
又例如，对于电动空压机与涡轮增压器的组合方案而言，虽然轴系为非同轴连接，但是由于燃料电池系统与涡轮增压器之间只有一条气路连接，因此，在一些特殊工况下均会造成空气路堵塞：燃料电池系统处于低温工况时，涡轮增压器结冰会导致燃料电池系统空气路堵塞，电动空压机无法正常运转，进而影响整个燃料电池系统的启动；燃料电池系统处于怠速或低流量工况运行时，较低的流量无法保证涡轮增压器可以正常工作，同样造成空气路堵塞，导致电动空压机入口负压过高，空压机性能下降；涡轮增压器故障失效时，涡轮无法正常运转也会造成空气路堵塞，导致电动空压机无法正常工作。此外，透平机构或涡轮增压器均只能对单系统尾气能量进行回收，多系统组合使用时，需要多个透平机构或涡轮增压器，整体成本高，体积大，且当多个燃料电池系统组合应用，系统处于超流量工况时，回收气路会发生堵塞，进而损坏透平机构或涡轮增压器部件以及空气轴承。
31.基于上述发现，为了保证透平机构在各种工况下均可以正常且高效地运行，本发明一方面采用了透平机构与燃料电池系统不同轴的设计，另一方面还进一步地在透平机构的进气口处设置有旁通气路，以避免空气路的堵塞。具体而言，在本发明的实施例中，采用了涡轮发电机对燃料电池系统的尾气进行回收发电，且所述涡轮发电机系统的进气管道处设置有三通阀，可根据实际需求将燃料电池系统的尾气送至涡轮发电机和/或经由旁通路排出。
32.下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。
33.图1示出本发明一个实施例的具三通阀的涡轮发电机系统的结构示意图。
34.如图1所示，一种具三通阀的涡轮发电机系统，包括涡轮发电机101以及三通阀102。其中所述三通阀102的第一接口与涡轮发电机系统的进气管道连通，第二接口与所述涡轮发电机101的进气口连通，以及第三接口与排气管连通，用于对进入所述涡轮发电机的气体进行分流。
35.涡轮发电机在空气的推动下可以旋转发电，进而发出三相交流电。在本发明的一个实施例中，所述三相交流电可以被整流为直流电后通入单个或多个燃料电池系统的空压机的控制器中，为空压机供电，或者直接流入蓄电池中进行存储。因此，在本发明的一个实施例中，所述涡轮发电机系统还包括控制器103，其用于将所述涡轮发电机生成的三相交流电整流成直流电并输送至空压机的控制器或者蓄电池中。
36.为了避免涡轮发电机系统处于超流量工况，当涡前压力超出预设值时，控制所述三通阀102的开度，将超出的流量排至旁通路中，从而保证涡轮发电机系统流入的流量在安全范围内，且可以保证涡轮发电机正常发电。在本发明的一个实施例中，所述预设值通过前期标定测试得到。为了精确地控制所述三通阀的开度，在本发明的一个实施例中，在所述涡轮发电机101的进气口处还可设置压力传感器104，以实时监测进入所述涡轮发电机的空气流量，进而可以根据流量进一步地精确地控制所述三通阀的开度。
37.在本发明的一个实施例中，所述涡轮发电机系统采用氢燃料电池系统的尾气进行发电，而氢燃料电池系统的尾气通常为高温高压的汽水混合尾气，因此为了避免燃料电池系统启动时，电堆中大量的液态水冲进透平机械，即涡轮发电机的内腔，造成绝缘故障和轴承生锈的问题，在本发明的一个实施例中，所述涡轮发电机系统还包括分水器105。所述分水器105的进气口与所述三通阀的第二接口连通，出气口与涡轮发电机的进气口连通，以及出水口与排气管连通，所述分水器用于对进入涡轮发电机的气体进行汽水分离。其中经过
所述分水器105分离后的空气直接通入所述涡轮发电机101进行发电，分出的水则流入旁通路中，最终与通过所述三通阀第三接口排出的气体，以及涡轮发电机排出的空气一道经由排气管排出。由于涡轮发电机排气端噪音较大，因此，在本发明的一个实施例中，还可在所述排气管的出口处设置消音器106。
38.基于如前所述的涡轮发电机系统，图2示出本发明一个实施例的尾气回收发电装置的结构示意图。如图2所示，所述尾气回收发电装置包括氢燃料电池系统以及如前所述的涡轮发电机系统。所述涡轮发电机的进气口与所述氢燃料电池系统的尾气排出管路连通，进而可对所述氢燃料电池系统的尾气进行回收发电。
39.如图2所示，在本发明的一个实施例中，单个涡轮发电机系统可对多个氢燃料电池系统200、300、
…
、n00的尾气进行集中回收，即一个涡轮发电机系统中的涡轮发电机的进气口可以与多个氢燃料电池系统的尾气排出管路，进而使得所述涡轮发电机系统不仅适用于单堆单路系统，还可适用于多堆多路系统以及多系统组合方案，大幅减少能量回收装置的数量，减少成本和体积。
40.如图2所示，所述氢燃料电池系统包括进气空滤201、进气流量计202、空压机控制器203、空压机204、中冷器205、增湿器206、电堆207、以及背压阀208。其中空压机204用于压缩空气，并进一步地将压缩后的空气送入所述电堆207中与氢气进行充分反应。反应后会生成高温高压汽水混合尾气，通过所述背压阀208控制流入所述涡轮发电机系统。如前所述，所述涡轮发电机系统生成的电能，在整流成直流后还可为所述空压机204供电，实现循环利用，剩余电能则可以存储至蓄电池000中备用。
41.如前所述的尾气回收发电装置的工作流程如下：所述空压机204将空气压缩至电堆205与氢气充分反应后，单个或多个燃料电池系统排出的高温高压汽水混合尾气汇聚到一起，进入涡轮发电机系统100，所述高温高压汽水混合尾气首先通过所述三通阀102控制流向，且可以通过标定精确控制气体流入不同方向的比例。其中经由其第二接口流出的气体需要通过分水器105进行分水，经过分水器分离后的水流入旁通路中，空气直接通入涡轮发电机101，大量的空气推动涡轮发电机101旋转发电，生成三相交流电，所述三相交流电通过涡轮发电机控制器104整流成直流电后通入单个或多个燃料电池系统的空压机控制器203中，为空压机204供电或流入蓄电池000中。经由所述三通阀的第三接口排出的空气直接进入到旁通路中，与涡轮发电机101回收后的空气、所述分水器105分出的水汇合后，流经消音器106，从排气管排出。
42.本发明的涡轮发电机系统可将单个或多个燃料电池系统排出的高温高压尾气汇聚到一起后通入涡轮发电机中进行发电，不仅适用于单堆单路系统，仍适用于多堆多路系统以及多系统组合方案，大幅减少能量回收装置的数量，减少成本和体积。
43.由于设置有三通阀，因此在氢燃料电池系统处于低温工况、怠速或低流量工况，涡轮发电机无法正常启动时，以及涡轮发电机故障失效时，可以通过调整所述三通阀的开度，使得所述氢燃料电池系统的尾气全部经由三通阀的第三接口完全排入旁通路，保证气路畅通，进而使得氢燃料电池系统仍可以运行，解决了因透平机构失效而导致整个燃料电池系统故障停机的问题。
44.此外，一旦氢燃料电池系统运行在超负载工况，排出的流量超出涡轮发电机可承受的范围内，涡轮发电机系统处于超流量工况时，可通过精确控制三通阀的开度，将超出的
流量排至旁通路中，从而保证涡轮发电机系统流入的流量在安全范围内，且可以保证涡轮发电机正常发电。
45.由于所述涡轮发电机与氢燃料电池系统中的空压机之间为独立轴设计，因此燃料电池系统运行在正常负载工况时，涡轮发电机的转速与空压机完全解耦，因此可运行至最优转速来使回收功率最大，进而大幅提高了燃料电池系统的效率。
46.尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

技术特征：
1.一种具三通阀的涡轮发电机系统，其特征在于，包括：涡轮发电机，其在空气的推动下旋转发电；以及三通阀，其第一接口与进气管道连通，第二接口与所述涡轮发电机的进气口连通，以及第三接口与排气管连通，所述三通阀被配置为对进入所述涡轮发电机的气体进行分流。2.如权利要求1所述的涡轮发电机系统，其特征在于，还包括分水器，其进气口与所述三通阀的第二接口连通，出气口与所述涡轮发电机的进气口连通，以及出水口与排气管连通，所述分水器被配置为对进入涡轮发电机的气体进行汽水分离。3.如权利要求1所述的涡轮发电机系统，其特征在于，还包括压力传感器，设置于所述涡轮发电机的进气口处，且被配置为实时监测进入所述涡轮发电机的空气压力，以控制所述三通阀的开度。4.如权利要求1所述的涡轮发电机系统，其特征在于，还包括控制器，其被配置为将所述涡轮发电机生成的三相交流电整流成直流电并输出。5.如权利要求1所述的涡轮发电机系统，其特征在于，还包括消音器，其设置于所述排气管出口处。6.一种尾气回收发电装置，其特征在于，包括：氢燃料电池系统；以及如权利要求1至5任一所述的涡轮发电机系统，其中涡轮发电机的进气管道与所述氢燃料电池系统的尾气排出管路连通。7.如权利要求6所述的尾气回收发电装置，其特征在于，一个涡轮发电机系统与n个氢燃料电池系统的尾气排出管路连通，其中n为自然数。8.如权利要求6所述的尾气回收发电装置，其特征在于，所述氢燃料电池系统包括：空压机，其被配置为压缩空气，且所述空压机与所述涡轮发电机电连通，所述空压机采用所述涡轮发电机进行供电；以及电堆，其连接至所述空压机的出气口，压缩后的空气在电堆中与氢气充分反应，并通过尾气排出管理排出汽水混合尾气。9.如权利要求8所述的尾气回收发电装置，其特征在于，所述氢燃料电池系统还包括进气空滤、进气流量计、中冷器、增湿器以及背压阀。10.如权利要求6所述的尾气回收发电装置，其特征在于，还包括蓄电池，所述蓄电池与所述涡轮发电机电连接，其被配置为存储所述涡轮发电机生成的电能。

技术总结
本发明公开一种具三通阀的涡轮发电机系统，其包括涡轮发电机以及三通阀。其中涡轮发电机可在空气的推动下旋转以生成三相交流电，三通阀的第一接口与进气管道连通，第二接口与涡轮发电机的进气口连通，以及第三接口与排气管连通，用于对进入所述涡轮发电机的气体进行分流。当利用燃料电池为其进行发电时，可以保证燃料电池系统运行在低温、怠速、超负载等特殊工况时，燃料电池系统的尾气仍可正常排放，燃料电池系统仍可以正常运行，大幅提高了整个燃料电池系统的可靠性。燃料电池系统的可靠性。燃料电池系统的可靠性。


技术研发人员：袁羲鑫 王乾振 张涛 肖勇 桂康 徐大炎 刘华健 王同响
受保护的技术使用者：华涧新能源科技（上海）有限公司
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/4