多级串联式能量回收空压机组

技术领域

本发明涉及空压机领域，尤其是涉及一种多级串联式能量回收空压机组。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有高效、清洁的优点，已成为能源动力领域的热门技术。继陆地交通运输行业的广泛应用，航空用燃料电池发动机也逐渐成为行业研究热点。一般飞机的巡航高度接近万米，为了确保可靠运行，对燃料电池发动机的海拔适应性有很高要求。

对于燃料电池系统，进入电堆的空气量和绝对压力是影响电堆工作状态和输出功率的关键参数，为了在不同海拔下保持相同的电堆输出功率，电堆入口处的绝对压力和气量应维持一致。因此，空压机需要同时在高低压比工况下运行，尤其是航空应用压比需求通常高达10，对空气供应系统的设计提出较高要求。一般车用燃料电池系统使用的单级或两级压缩空压机无法满足航空应用的海拔要求。此外，空压机的功耗随压比上升而迅速增大，导致燃料电池系统的效率降低。因此，设计效率高、海拔适应性强的空压机对航空用燃料电池系统具有重要意义。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

相关技术中的燃料电池空压机一般由一个电机驱动，无法通过提高电机功率和压气机尺寸的方式来实现高达10的压比需求，而且无法同时实现低负荷地面运行和高负荷的高空巡航工况。针对上述问题，相关技术中提出了多级空压机串联运行的方案，以提高空压机的压比，例如采用三级压缩的方案实现高压比运行，同时使用单级涡轮回收电堆废气能量，降低空压机的功耗。但是，单级涡轮无法实现在不同海拔高度的高效运行，因此系统无法在全工况中实现能量回收，影响系统效率。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种多级串联式能量回收空压机组。

本发明实施例的多级串联式能量回收空压机组，包括：至少两级空压机，每级空压机均包括压气机、电机和涡轮，所述电机的输出端和所述涡轮的输出端均与所述压气机连接，空气源与多级所述压气机的入口连通，多级所述压气机之间串联，至少部分相邻两级所述压气机之间设有用于切断连通的阀门；换热器，最后一级压气机的出口与所述换热器的热侧入口相连，压缩空气经所述换热器冷却后输入下游装置，下游装置的废气出口与至少一个所述涡轮连通，以使排出的废气进入所述涡轮膨胀做功。

本发明实施例的多级串联式能量回收空压机组包括多级空压机，每一级空压机中采用涡轮和电机同时驱动压气机，涡轮可以回收废气能量，降低空压机组的功耗，提高空压机组的整体效率，应用于燃料电池系统中可以提高燃料电池系统的效率。采用多级串联的空压机可以实现更高的压气机压比和涡轮膨胀比，满足高海拔、高压比的使用需求，同时可以灵活选择运行的空压机级数，实现不同海拔高度的多负荷运行需求，同时满足地面低负荷和高空高负荷的需求，实现全工况的高效运行。

因此，本发明实施例的多级串联式能量回收空压机组具有效率高、海拔适应性强的特点。

在一些实施例中，与所述废气出口连通的所述涡轮的出口与所述换热器的冷侧入口连通，膨胀做功后的低温气体进入所述换热器与压缩空气换热。

在一些实施例中，多级所述涡轮串联，相邻两级涡轮中，下级的涡轮的出口与上级涡轮的入口连通，所述换热器连接在相邻两级涡轮之间。

在一些实施例中，相邻两级压气机中，上级的压气机的出口与下级的压气机的入口连通，所述能量回收空压机组包括至少一个中冷器，所述中冷器串联在相连两级压气机之间，用于冷却压缩空气。

在一些实施例中，所述空压机包括低压级空压机和高压级空压机，所述低压级空压机包括低压压气机、低压级电机和低压涡轮，所述低压级电机的输出端和所述低压涡轮的输出端均与所述低压压气机连接，所述高压级空压机包括高压压气机、高压级电机和高压涡轮，所述高压级电机的输出端和所述高压涡轮的输出端均与所述高压压气机连接，所述低压压气机的出口与所述高压压气机的入口连通，所述低压压气机与所述高压压气机之间的连接管路上设有低压压气机出口阀，所述高压压气机的出口与所述换热器的热侧入口相连，所述下游装置的废气出口与所述高压涡轮连通。

在一些实施例中，所述高压涡轮的出口与所述换热器的冷侧入口连通，所述换热器的冷侧出口与所述低压涡轮的入口连通。

在一些实施例中，低压涡轮旁通管路，所述换热器的冷侧出口还与所述低压涡轮旁通管路的一端连通，所述低压涡轮旁通管路的另一端排空，所述换热器的冷侧出口可选择性地与所述低压涡轮或所述低压涡轮旁通管路连通。

在一些实施例中，多级串联式能量回收空压机组还包括：中冷器，所述中冷器串联在所述低压压气机与所述高压压气机之间，用于冷却所述低压压气机输出的压缩空气；和/或，过滤器，所述空气源的出口与所述过滤器连通，所述过滤器的出口与所述低压压气机和所述高压压气机中的每一者的入口连通。

在一些实施例中，所述低压涡轮和所述高压涡轮中的至少一者为可变几何涡轮。

在一些实施例中，多级串联式能量回收空压机组还包括电机冷却气管路，所述电机冷却气管路的一端与所述空气源的出口连通，另一端与所述电机的冷却入口连通。

附图说明

图1是本发明一种实施例的多级串联式能量回收空压机组。

图2是本发明另一种实施例的多级串联式能量回收空压机组。

附图标记：

过滤器1、压气机2、低压压气机2a、高压压气机2b、电机3、低压级电机3a、高压级电机3b、涡轮4、低压涡轮4a、高压涡轮4b、中冷器5、换热器6、燃料电池电堆7、进气旁通管路8、进口旁通阀81、低压压气机出口阀9、低压涡轮旁通管路10、低压涡轮旁通阀101、电机冷却气管路11。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的多级串联式能量回收空压机组，包括：至少两级空压机以及换热器6，每级空压机均包括压气机2、电机3和涡轮4，电机3的输出端和涡轮4的输出端均与压气机2连接，用于驱动压气机2压缩空气。空气源与多级压气机2的入口连通，多级压气机2之间串联，即相邻两级压气机2中，上级压气机2的出口与下级压气机2的入口连通，经过上级压气机2压缩后的压缩空气进入下级压气机2中进行进一步压缩，至少部分相邻两级压气机2之间设有用于切断连通的阀门，在一些工况下，关闭阀门，位于该阀门上游的压气机2停机使用。

换热器6具有热侧和冷侧，热侧流通的介质与冷侧流通的介质之间换热，热侧的介质温度降低而被冷却，冷侧的介质温度升高而被加热。最后一级压气机2的出口与换热器6的热侧入口相连，压缩空气进入换热器6的热侧，经换热器6冷却后输入下游装置，发生反应，所述下游装置的废气出口与至少一个涡轮4连通，以使排出的多余废气进入与其相连通的涡轮7中膨胀做功。

下文均以多级串联式能量回收空压机组应用于燃料电池系统中作为示例。在本发明实施例中，所述下游装置为燃料电池电堆7，空压机组用于向燃料电池电堆7提供反应所需的压缩空气，空气和氢气在电堆中反应。燃料电池电堆7的废气出口与至少一个涡轮4连通，燃料电池电堆7的废气出口排出的多余空气和水蒸气进入与其相连通的涡轮7中膨胀做功。

由于空气源与多级压气机2的入口连通，可选择性地将空气通入任一压气机2中，并将与空气源直接连接的压气机2上游的阀门关闭，以使位于该压气机2上游的其余压气机2停机，空气经过该压气机2压缩后向下游的压气机2流通，最后一级压气机2排出的压缩空气进入换热器6的热侧，降温后进入燃料电池电堆7参与反应。通过改变空气直接通入的压气机2的位置，调整空气压缩级数，改变压比。在燃料电池处于高负荷运行时，增加运作的压气机2的数量，提高空气的压比，空压机组处于高压比工况下运行，在燃料电池处于低负荷运行时，减少运作的压气机2的数量，降低空气的压比，空压机组处于低压比工况下运行。

本发明实施例的多级串联式能量回收空压机组包括多级空压机，每一级空压机中采用涡轮和电机同时驱动压气机，涡轮可以回收废气能量，降低空压机组的功耗，提高空压机组的整体效率，应用于燃料电池系统中可以提高燃料电池系统的效率。采用多级串联的空压机可以实现更高的压气机压比和涡轮膨胀比，满足高海拔、高压比的使用需求，同时可以灵活选择运行的空压机级数，实现不同海拔高度的多负荷运行需求，同时满足地面低负荷和高空高负荷的需求，实现全工况的高效运行。

因此，本发明实施例的多级串联式能量回收空压机组具有效率高、海拔适应性强的特点。

在一些实施例中，与燃料电池电堆7的出口连通的涡轮4的出口与换热器6的冷侧入口连通，燃料电池电堆7中排出的废气进入涡轮4中膨胀做功，膨胀做功后的低温气体进入换热器6的冷侧，与热侧的高温压缩空气进行换热，降低压缩空气的温度，同时废气的温度升高，充分利用了燃料电池电堆7排出的废气中的冷量，利用这部分冷量将进入燃料电池电堆7之前的压缩空气进行冷却降温，满足燃料电池电堆7的压缩空气温度需求。

在一些实施例中，多级涡轮4串联，相邻两级涡轮4中，下级的涡轮4的出口与上级涡轮4的入口连通，废气在下级的涡轮4中膨胀做功后，进入上级的涡轮4中继续膨胀做功，最后废气可以被排入大气。换热器6连接在相邻两级涡轮4之间，在进入上级涡轮4之前，低温废气进入换热器6与高温压缩空气换热，以降低压缩空气的温度。

废气经过膨胀做功后压力降低，因此在相邻两级涡轮4中，有压力相对较高的高压涡轮和压力相对较低的低压涡轮，其中高压涡轮位于低压涡轮的下级，即所述高压涡轮为上述相邻两级涡轮4中的下级的涡轮4，所述低压涡轮为上述相邻两级涡轮4中的上级的涡轮4，废气先进入高压涡轮，在高压涡轮中膨胀做功后，再进入低压涡轮中进一步膨胀做功，由此充分地将燃料电池电堆的废气能量进行回收，进一步降低空压机组的功耗，提高空压机组的整体效率，进而提高燃料电池系统的效率。

换热器6连接在相邻两级涡轮4之间，废气经过换热器6温度升高，有助于提高低压涡轮的回收功，提高机组效率，同时避免低压涡轮出口结冰现象，提高了机组的可靠性，尤其适用于高海拔低温工况，使本发明实施例的空压机组能够保证在航空领域的高效可靠应用。

作为示例，如图1所示，换热器6连接在相邻两个涡轮4之间。在其他实施例中，空压机组包括数量大于两个的涡轮4，例如，空压机组包括三个涡轮4，换热器6可以连接在任意相邻的两个涡轮4之间，优选连接在最后两级涡轮4之间。

在一些实施例中，相邻两级压气机2中，上级的压气机2的出口与下级的压气机2的入口连通，能量回收空压机组包括至少一个中冷器5，中冷器5串联在相连两级压气机2之间，用于冷却压缩空气，压缩空气的温度降低，以降低下级的压气机2的压缩功，提高空压机组效率。

空气经过压气机2压缩后压力升高，因此在相邻两级压气机2中，有压力相对较高的高压压气机和压力相对较低的低压压气机，其中高压压气机位于低压压气机的下级，即所述高压压气机为上述相邻两级压气机2中的下级的压气机2，所述低压压气机为上述相邻两级压气机2中的上级的压气机2，空气先进入低压压气机，经低压压气机压缩后，再进入高压压气机中进一步压缩，并且在进入高压压气机之前，经过中冷器5进行冷却，以降低压缩空气的温度，中冷器5的设置有助于降低高压压气机压缩功，

下面根据图1描述本发明的一个具体实施例中的多级串联式能量回收空压机组，其中能量回收空压机组为两级串联式能量回收空压机组，包括两级空压机和换热器6，两级空压机分别为低压级空压机和高压级空压机，低压级空压机为上级空压机，高压级空压机为下级空压机。

如图1所示，低压级空压机包括低压压气机2a、低压级电机3a和低压涡轮4a，低压级电机3a的输出端和低压涡轮4a的输出端均与低压压气机2a连接，低压级电机3a和低压涡轮4a共同用于驱动低压压气机2a运作。具体地，低压级电机3a的输出轴的一端与低压压气机2a相连，另一端与低压涡轮4a相连，低压涡轮4a通过低压级电机3a的输出轴驱动低压压气机2a运作。

高压级空压机包括高压压气机2b、高压级电机3b和高压涡轮4b，高压级电机3b的输出端和高压涡轮4b的输出端均与高压压气机2b连接，高压级电机3b和高压涡轮4b共同用于驱动高压压气机2b运作。具体地，高压级电机3b的输出轴的一端与高压压气机2b相连，另一端与高压涡轮4b相连，高压涡轮4b通过高压级电机3b的输出轴驱动高压压气机2b运作。

低压涡轮4a和低压压气机2a同轴连接、高压涡轮4b与高压压气机2b同轴连接的结构，可以直接利用涡轮4回收的废气能量驱动压气机2，降低两级空压机的功耗，提高机组的整体效率。

如图1所示，能量回收空压机组包括中冷器5和过滤器1，空气源(大气)的出口与过滤器1连通，过滤器1的出口与低压压气机2a和高压压气机2b中的每一者的入口连通，过滤器1用于过滤空气。具体地，过滤器1邻近低压压气机2a设置，并通过进气旁通管路8与高压压气机2b相连，进气旁通管路8上设有用于控制空气流通的进口旁通阀81。低压压气机2a的出口与高压压气机2b的入口连通。低压压气机2a与高压压气机2b之间的连接管路上设有低压压气机出口阀9。在高压比工况下，进口旁通阀81关闭，低压压气机出口阀9开启，空气通过过滤器1进入低压压气机2a，从低压压气机2a输出后进入高压压气机2b进一步压缩；在低压比工况下，进口旁通阀81开启，低压压气机出口阀9关闭，空气通过过滤器1进入高压压气机2b，直接进入高压压气机2b压缩。

中冷器5串联在低压压气机2a与高压压气机2b之间，可利用环境中的低温空气冷却低压压气机2a输出的压缩空气，降低高压压气机压缩功，提高机组效率。在图1所示的实施例中，低压压气机出口阀9位于中冷器5的下游。

高压压气机2b的出口与换热器6的热侧入口相连，燃料电池电堆7的出口与高压涡轮4b连通。高压涡轮4b的出口与换热器6的冷侧入口连通，换热器6的冷侧出口与低压涡轮4a的入口连通，以使换热后的废气进入低压涡轮4a中进一步膨胀做功。

高压压气机2b的排气具有较高温度，而高压涡轮4b的排气温度较低，两者在换热器6中进行热交换，提高了高压涡轮4b排气的温度，使废气具有更多的能量，提高低压涡轮4a的回收功，进一步降低机组的功耗，提升效率。另一方面，低压涡轮4a进口温度提高，会使低压涡轮4a出口的温度也增大，避免高空低温环境的结冰现象，提高机组运行的可靠性。

如图1所示，多级串联式能量回收空压机组还包括低压涡轮旁通管路10，换热器6的冷侧出口还与低压涡轮旁通管路10的一端连通，低压涡轮旁通管路10的另一端排空，换热器6的冷侧出口可选择性地与低压涡轮4a或低压涡轮旁通管路10连通。在高压比工况下，低压级空压机运作，换热器6的冷侧出口与低压涡轮4a的入口连通，换热后的废气进入低压涡轮4a中进一步膨胀做功，在低压比工况下，低压级空压机不运作，换热器6的冷侧出口与低压涡轮旁通管路10连通，换热后的废气通过低压涡轮旁通管路10排空。如图1所示，低压涡轮旁通管路10上设有用于控制气体流通的低压涡轮旁通阀101。

下面基于图1为示例描述多级串联式能量回收空压机组的运作方法。

燃料电池系统高负荷运行时，空气从大气经过过滤器1后，进入低压压气机2a，在低压压气机2a中被压缩后进入中冷器5中降温，降温后的压缩空气进入高压压气机2b被进一步压缩。二次压缩后的空气从高压压气机2b输出后进入换热器6中被冷却降温，降温后的压缩空气进入燃料电池电堆7中发生化学反应。反应后的剩余空气和生成的部分水蒸气(废气)从燃料电池电堆7中排出，进入高压涡轮4b膨胀做功。膨胀后低温的废气进入换热器6与热侧流通的高温的压缩空气换热，废气的温度升高，随后进入低压涡轮4a进一步膨胀做功，最后废气从低压涡轮4a的出口被排入大气。其中高压涡轮4b和高压级电机3b共同带动高压压气机2b，低压涡轮4a和低压级电机3a共同驱动低压压气机2a。

燃料电池系统低负荷运行时，进口旁通阀81开启、低压压气机出口阀9关闭、低压涡轮旁通阀101开启。空气从过滤器1的出口由进气旁通管路8直接进入高压压气机2b，压缩后经过换热器6进入燃料电池电堆7。燃料电池电堆7的废气进入高压涡轮4b中膨胀后经过换热器6进入低压涡轮旁通管路10，经过低压涡轮旁通管路10排入大气。此时低压级空压机不运行，高压级空压机独立运行为燃料电池电堆7供气，实现高压级空压机的单级压缩运行方案。

本实施例采用两级串联的能量回收空压机组，可以实现更高的压气机压比和涡轮膨胀比，满足高海拔、高压比的使用需求；利用涡轮和电机同时驱动压气机，回收电堆废气能量，降低两级空压机的功耗，提高机组整体效率，提高燃料电池系统效率；设置进气旁通管路，可灵活选择单级空压机运行和两级空压机串联运行两种方案，同时满足地面低负荷和高空高负荷的需求，实现全工况的高效运行；中冷器和换热器，可以帮助降低高压压气机压缩功，提高低压涡轮回收功，提高机组效率，同时避免低压涡轮出口结冰现象，提高了机组的可靠性。

进一步地，在一些实施例中，电机3采用风冷的方案，能量回收空压机组还包括电机冷却气管路11，电机冷却气管路11的一端与空气源的出口连通，另一端与电机3的冷却入口连通，电机冷却气管路11用于引入空气冷却电机3。

作为示例，如图2所示，低压级电机3a和高压级电机3b均采用风冷方案，机组中设置有冷却气管路，电机冷却气管路11的一端连接过滤器1的出口，另一端连接低压级电机3a的冷却进口，低压级电机3a的冷却出口连通高压级电机3b的冷却进口，空气在低压级电机3a中冷却完低压级电机3a后，进入高压级电机3b冷却，最后排入大气。

在一些实施例中，低压涡轮4a和高压涡轮4b中的至少一者为可变几何涡轮，可实现灵活适应系统的高低负荷运行状态，提高废气能量回收效率，降低机组整体功耗。

在一些可选实施例中，低压涡轮4a为固定几何涡轮，高压涡轮4b为可变几何涡轮，在低负荷工况高压级空压机独立运行时，可以通过调节高压涡轮4b的几何灵活适应不同的燃料电池电堆运行点。在高负荷运行时，高压涡轮4b结合固定几何的低压涡轮4a共同实现高膨胀比运行。

在另一些可选实施例中，低压涡轮4a为可变几何涡轮，高压涡轮4b为固定几何涡轮，在低负荷工况高压级空压机独立运行时，高压涡轮4b固定几何独立运行，便于燃料电池系统控制。在高负荷运行时，高压涡轮4b结合可变几何的低压涡轮4a共同运行，灵活适应不同运行点。

在另一些可选实施例中，低压涡轮4a和高压涡轮4b均为可变几何涡轮，在低负荷工况高压级空压机独立运行时，可以通过调节高压涡轮4b的几何灵活适应不同的燃料电池电堆运行点。在高负荷运行时，可变几何的高压涡轮4b结合可变几何的低压涡轮4a共同运行，灵活适应不同运行点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。