CN104948503A - 空气压缩机以及具有空气压缩机的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气压缩机以及具有空气压缩机的燃料电池系统。其中，空气压缩机被配置成通过旋转叶轮来吸入和压缩空气，该空气压缩机包括：蜗壳，包括吸入空气的进气口和排出压缩空气的排气口，其中在排气口形成有用于使冷却液流经的冷却液流动路径。燃料电池系统包括：其中堆叠有燃料电池的电池堆；被配置成向电池堆供应氢气的氢气罐；空气压缩机，被配置成吸入并且压缩空气，将压缩空气经由加湿器供应给电池堆，并且在排气侧形成冷却液流动路径；以及空气冷却回路，其使冷却液通过电气冷却系统循环到冷却液流动路径。

Description

空气压缩机以及具有空气压缩机的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池车，以及应用到燃料电池车的燃料电池系统的空气压缩机的风冷结构。

背景技术

在燃料电池车中通常设有燃料电池系统，利用燃料电池，通过氢气与来自空气的氧气之间的电化学反应产生电能，作为用于驱动驱动电动机的动力源。

燃料电池系统包括其中堆叠有燃料电池的电池堆，向电池堆供应氢气的氢气供应系统，向电池堆供应空气的空气供应系统，以及将从电池堆产生的热量去除的冷却系统。典型地，空气供应系统可以包括空气压缩机，用于压缩空气并将压缩空气提供给电池堆；以及加湿器，利用在电池堆中产生的水分对压缩空气进行加湿。

然而，在电池堆的高功率运行条件下，因高压缩比以及大量空气，由空气压缩机压缩的空气的温度可升高到大约100℃至150℃。压缩空气的温度可能大于电池堆的正常运行温度，例如，大约60℃至80℃，因此可能会对加湿器的加湿效率和电池堆的工作效率不利。因此，对于燃料电池系统来说，有必要利用空气压缩机对供应到加湿器的高温压缩空气进行冷却。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种可利用简单配置对供应到燃料电池堆的高温压缩空气进行冷却的空气压缩机，以及具有该空气压缩机的燃料电池系统。

本发明的一个示例性实施例提供一种通过旋转叶轮来吸入和压缩空气的空气压缩机。该空气压缩机可包括：蜗壳，具有可吸入空气的进气口和可排出压缩空气的排气口。特别地，在排气口可形成有用于使冷却液流经的冷却液流动路径。

另外，在根据本发明实施例的空气压缩机中，该蜗壳可包括：冷却液循环壳体，其具有可流入冷却液的冷却液入口和可排出冷却液的冷却液出口，该冷却液循环壳体可安装在排气口的外周上。此外，在根据本发明示例性实施例的空气压缩机中，冷却液流动路径可形成在蜗壳中、冷却液循环壳体与排气口的外周之间。

此外，在根据本发明示例性实施例的空气压缩机中，在可与冷却液循环壳体相对应的排气口的内周上可形成有多个冷却翅片。该冷却翅片可以在排气口的内周向上以预定间隔彼此隔开布置，并且可被形成为沿着压缩空气的流向伸长。

另一方面，本发明提供一种燃料电池系统，其可包括：其中堆叠有燃料电池的电池堆；被配置成向电池堆供应氢气的氢气供应装置；以及被配置成向电池堆供应空气的空气供应装置，其中空气供应装置可以包括上述空气压缩机。此外，在根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，空气供应装置可包括与电池堆和空气压缩机连接的加湿器。

此外，燃料电池系统可包括：其中可堆叠有燃料电池的电池堆；被配置成向电池堆供应氢气的氢气罐；空气压缩机，被配置成吸入并且压缩空气，将压缩空气经由加湿器供应给电池堆，并且在排气侧形成冷却液流动路径；以及空气冷却回路，其被配置成使冷却液通过电气冷却系统循环到冷却液流动路径。

该空气压缩机可包括蜗壳，该蜗壳包括可吸入空气的进气口和可排出压缩空气的排气口。此外，冷却液流动路径可布置在排气口。蜗壳可包括冷却液循环壳体，该冷却液循环壳体具有可流入冷却液的冷却液入口和可排出冷却液的冷却液出口，并且蜗壳安装在排气口的外周上。

在根据本发明示例性实施例的燃料电池系统中，冷却液流动路径可形成在冷却液循环壳体与排气口的外周之间。空气冷却回路通过冷却液管线将电气冷却系统与冷却流动路径连接。此外，空气冷却回路可通过冷却液管线将电气冷却系统与冷却液入口和冷却液出口连接。

附图说明

通过以下的详细描述，并结合附图，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将会更加显而易见，其中：

图1示出根据本发明示例性实施例的应用了示例性空气压缩机的示例性燃料电池系统；

图2示出根据本发明示例性实施例的用于示例性燃料电池系统的示例性空气压缩机；

图3示出根据本发明实施例的用于示例性燃料电池系统的示例性空气压缩机的主视图；

图4示出根据本发明示例性实施例的沿着图3中IV-IV线截取的示例性空气压缩机的剖视图；

图5示出根据本发明示例性实施例的沿着图3中V-V线截取的示例性空气压缩机的剖视图；

图6示出根据本发明示例性实施例的应用了示例性空气压缩机的示例性燃料电池系统的示例性操作步骤。

图1-6中提及的附图标记指代下文将进一步讨论的以下部件：

10：电池堆

20：氢气供应装置

21：氢气罐

30：空气供应装置

31：加湿器

100：空气压缩机

110：叶轮

130：蜗壳

131：进气口

133：排气口

151：冷却液流动路径

160：冷却液循环壳体

161：冷却液入口

163：冷却液出口

171：冷却翅片

180：空气冷却回路

181：冷却液管线

190：电气冷却系统

191：冷却液储存器

193：冷却液泵

200：燃料电池系统

具体实施方式

下面将参考示出本发明示例性实施例的附图，更详细地描述本发明。本领域技术人员应该清楚，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，所描述的示例性实施例还可具有不同方式的修改。

为了清楚地描述本发明，省略与说明不相关的部件，同时在整个说明书中，用相同的附图标记指代相同或类似的组件。为了理解且易于描述，任意地示出在图中所示的每个组件的尺寸和厚度，然而，本发明并非局限于此。为了清楚地表达，将若干部分和区域的厚度放大。此外，在下述详细说明中，具有相同关系的组件的名称被分成“第一”、“第二”等，但是本发明不必被限制到以下描述的顺序。

本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。还应该理解的是，在本说明书中使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其组合的存在或增加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。

除非明确指出或可从上下文明显看出，否则如本文中使用的术语“约”被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均数的两个标准偏差内。“约”可以被理解为在规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文可以明确知道，否则本文所提供的所有数值都可由术语“约”修正。

可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料)。如在本文中所引用的，混合动力车辆是具有两种或多种动力来源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆二者。

另外，在说明书中描述的“装置”、“方法”、“部件”、“构件”等，是指用来执行至少一种功能或操作的综合配置的单元。

图1示出根据本发明示例性实施例的应用了示例性空气压缩机的示例性燃料电池系统。参考图1，根据本发明示例性实施例的空气压缩机100可应用到燃料电池系统200，燃料电池系统200通过氢气和空气之间的电化学反应产生电能。

例如，根据本发明示例性实施例的燃料电池系统200可应用到燃料电池车，燃料电池车利用电能运行驱动电动机，并利用驱动电动机的驱动力使车轮工作。燃料电池系统200可包括：电池堆10；氢气供应装置20；和空气供应装置30。电池堆10、氢气供应装置20、以及空气供应装置30可由控制器执行。电池堆10是具有空气电极和燃料电极的燃料电池的发电组件。电池堆10可被供应来自氢气供应装置20的氢气，以及来自空气供应装置30的空气(例如，氧气)，通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能。

此外，氢气供应装置20可包括氢气罐21，被配置成储存氢气并且向电池堆10供应氢气。空气供应装置30可包括空气压缩机100，被配置成吸入并压缩空气，并将被压缩的空气供应到电池堆10。此外，空气供应装置30可包括加湿器31，被配置成利用从电池堆10的空气电极排出的水分，对从空气压缩机100供应的压缩空气进行加湿，并且将加湿后的空气供应到电池堆10的空气电极。在本发明的示例性实施例中，空气压缩机100可被配置成通过旋转叶轮110吸入并压缩空气，并将压缩空气供应到加湿器31。空气压缩机100可被应用到普通车辆、混合动力车、电动汽车等。

下面将描述包括在示例性燃料电池车的示例性燃料电池系统200中的空气压缩机，作为一个例子。然而，应该理解，本发明的范围不必限制于此，本发明的技术精神可应用到采用用于各种用途的各种类型的空气供应结构的空气压缩机。在下文中，将参考图2和图3详细描述根据本发明示例性实施例的用于燃料电池系统的空气压缩机100的结构。

空气压缩机100可具有一种结构，其可利用简单配置，在空气排出侧对压缩空气进行冷却，以防止在高温(例如，预定温度)下被压缩的压缩空气流入加湿器31。具体地，在本发明的示例性实施例中，用于燃料电池系统的空气压缩机100可被配置成降低压缩空气的排出温度，以防止加湿器31的加湿效率和电池堆10的运行性能被劣化。

图2示出根据本发明示例性实施例的用于燃料电池系统的空气压缩机，图3示出根据本发明示例性实施例的用于燃料电池系统的空气压缩机的俯视图。参考图2和图3，空气压缩机100可包括蜗壳130,其具有涡形形状，或者也可以是漩涡形状，或螺旋形状。

蜗壳130可以具有可吸入空气的进气口131和可排出压缩空气的排气口133。上述叶轮110可安装在蜗壳130内。叶轮110可通过驱动轴(未示出)可旋转地安装在蜗壳130中，并且安装在空气吸入路径与压缩空气的排出路径之间。

图4示出沿着图3中的IV-IV线截取的示例性空气压缩机的剖视图，图5示出沿着图3中的V-V线截取的示例性空气压缩机的剖视图。参考图2至图4，在本发明的示例性实施例中，蜗壳130的排气口133可具有冷却液流动路径151，该路径151使冷却液可以流经以降低压缩空气的排出温度。

根据本发明的示例性实施例，当冷却液流动路径151围绕排气口133形成时，蜗壳130可包括冷却液循环壳体160，该壳体160可安装在排气口133的外周侧。冷却液循环壳体160可具有大于排气口133的外径的内径，并且可被固定在排气口133的外周上。冷却液循环壳体160在冷却液循环壳体160的内径表面与排气口133的外径表面之间可以形成具有预定间隔的通道。

例如，冷却液循环壳体160可具有这样的形状，其具有可从其圆筒体的两端朝向排气口133的外周弯曲的壁，并且可以形成位于冷却液循环壳体160的内径表面与排气口133的外径表面之间的通道。因此，在本发明的示例性实施例中，冷却液流动路径151可以形成在蜗壳130内、冷却液循环壳体160的内径表面与排气口133的外径表面之间。具体地，冷却液流动路径可以是冷却液流经的通道。

另外，冷却液可流入其中的冷却液入口161以及冷却液可通过其排出的冷却液出口163可形成在冷却液循环壳体160中。冷却液可通过冷却液入口161流入，并且可沿着冷却液流动路径151流动，然后可通过冷却液出口163排出。因此，空气压缩机100可具有穿过冷却液循环壳体160的冷却液流动路径151。此外，流动路径151可以围绕压缩空气通过其排出的排气口133而形成，以便通过沿着冷却液流动路径151循环的冷却液来降低压缩空气的排出温度。

此外，在本发明的示例性实施例中，为进一步改善通过排气口133排出的压缩空气的冷却效率，可以在与冷却液循环壳体160相对应的排气口133的内周上形成多个冷却翅片171。冷却翅片171可实现沿着冷却液流动路径151流动的冷却液和通过排气口133排出的压缩空气之间的热交换。冷却翅片171可被形成为在排气口133的内周上突出。具体地，冷却翅片171可被布置成在排气口133的内周方向上以预定间隔彼此隔开，并且可被形成为沿压缩空气的流向伸长。

在本发明的示例性实施例中，沿着冷却液流动路径151流动的冷却液的流量，以及冷却翅片171的数量、尺寸和长度可根据压缩空气的温度和压力而变化，并且不限于特定值。此外，应用空气压缩机100的燃料电池系统200可包括，使冷却液可以在排气口133的冷却液流动路径151中循环的空气冷却回路180，以便对通过空气压缩机100的排气口133排出的压缩空气进行冷却。

在本发明的示例性实施例中，空气冷却回路180可以由用于冷却诸如燃料电池车的电气部件(例如，电动机和逆变器)等发热部件的电气冷却系统190构成。电气冷却系统190可包括被配置成储存冷却液的冷却液储存器191，和被配置成将储存在冷却液储存器191中的冷却液供应到燃料电池车的电气组件的冷却液泵193。如在相关现有技术中所描述的那样，电气冷却系统190可作为燃料电池车中的电气冷却系统。

空气冷却回路180可通过冷却液管线181将电气冷却系统190的冷却液储存器191连接到上述冷却液流动路径151。即，空气冷却回路180可通过冷却液管线181将冷却液储存器191与冷却液循环壳体160的冷却液入口161和冷却液出口163连接。

在下文中，将参考前面已公开的、以及后续的附图详细描述空气压缩机所应用的燃料电池系统200的示例性操作步骤。图6示出应用了根据本发明示例性实施例的示例性空气压缩机的示例性燃料电池系统的示例性操作步骤。

如在上述附图以及图6中所示，首先，在本发明的示例性实施例中，当燃料电池系统200工作时，储存在氢气供应装置20的氢气罐21中的氢气可被供应到电池堆10，并且被压缩的空气可通过空气供应装置30的空气压缩机100被供应到电池堆10。空气压缩机100可被配置成通过旋转叶轮110，通过蜗壳130的进气口131吸入空气，对进入的空气进行压缩，并且将压缩空气通过排气口133排出。具体地，由空气压缩机100压缩的空气可通过空气供应管线供应到空气供应装置30的加湿器31，并且加湿器31可被配置成利用在电池堆10的空气电极产生的水分对压缩空气加湿，并且将经加湿的空气供应到电池堆10的空气电极。

同时，因增大的压缩比以及大量的空气，在电池堆10的高功率运行条件下由空气压缩机100压缩的空气的温度可升高到大约100℃至150℃。在本发明的示例性实施例中，通过蜗壳130的排气口133排出的压缩空气的温度可被降低。

因此，在本发明的示例性实施例中，电气冷却系统190的冷却液可通过空气冷却回路180循环到排气口133的上述冷却液流动路径151。换言之，通过空气冷却回路180的冷却液管线181，从电气冷却系统190的冷却液储存器191供应的冷却液，可沿着排气口133的冷却液流动路径151流动和循环。

具体地，冷却液可以通过冷却液循环壳体160的冷却液入口161流入冷却液流动路径151，可以沿着冷却液流动路径151流动，并且可以通过冷却液出口163排出。因此，冷却液可以在高温压缩空气可通过其排出的排气口133，循环通过冷却液流动路径151，以便利用冷却液与压缩空气之间的热交换来降低压缩空气的排出温度。

此外，在本发明的示例性实施例中，在进气口133的内周上可形成有多个冷却翅片171，以增加压缩空气和排气口133的接触面积。因此，在本发明的示例性实施例中，可以通过冷却翅片171来增大压缩空气与排气口133的接触面积，从而进一步改善沿冷却液流动路径151流动的冷却液与通过排气口133排出的压缩空气之间的热交换性能。

通过压缩机100的排气口133排出、且因与如上所述的冷却液进行热交换而具有降低温度的压缩空气，可通过空气供应管线被供应到加湿器31。由于如上所述的空气压缩机100以及具有该空气压缩机100的燃料电池系统200，冷却液可以在空气压缩机100的排气口133通过冷却液流动路径151循环，从而使通过排气口133排出的压缩空气的温度降低。

因此，在本发明的各示例性实施例中，可防止高温压缩空气被供应到加湿器31，从而通过防止对加湿器31的材料的损坏以及增大压缩空气的相对湿度来提高加湿器31的加湿效率和耐久性。另外，在本发明的各个示例性实施例中，压缩空气的温度可使电池堆的正常工作(例如，在没有错误的情况下工作)达到最优，从而改善电池堆10的工作性能。

此外，在本发明的各个示例性实施例中，用于冷却压缩空气的冷却液流动路径151可围绕空气压缩机100的排气口133而形成，因此，可以省略用来冷却压缩空气的单独的热交换器或空气冷却器。因此，该发明可提供整个燃料电池系统200的简化配置，降低成本，并且还可通过确保额外的空间而进一步提供在车辆布局设计方面的优势。

尽管本发明已经结合目前被认为是示例性的实施例来描述，然而应该理解的是，本发明并不局限于所公开的示例性实施例，相反地，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和保护范围内的各种修改和等效配置。

Claims (13)

1.一种空气压缩机，被配置成通过旋转叶轮来吸入和压缩空气，所述空气压缩机包括：

蜗壳，包括吸入空气的进气口和排出压缩空气的排气口，

其中在所述排气口形成有用于使冷却液流经的冷却液流动路径。

2.如权利要求1所述的空气压缩机，其中所述蜗壳包括：

冷却液循环壳体，其具有流入冷却液的冷却液入口和排出冷却液的冷却液出口，所述冷却液循环壳体安装在所述排气口的外周上。

3.如权利要求2所述的空气压缩机，其中所述冷却液流动路径形成在所述蜗壳中、所述冷却液循环壳体与所述排气口的外周之间。

4.如权利要求3所述的空气压缩机，其中在与所述冷却液循环壳体相对应的所述排气口的内周上形成有多个冷却翅片。

5.如权利要求4所述的空气压缩机，其中所述冷却翅片在所述排气口的内周向上以预定间隔彼此隔开布置，并且被形成为沿着压缩空气的流向伸长。

6.一种燃料电池系统，包括：

其中堆叠有燃料电池的电池堆；

被配置成向所述电池堆供应氢气的氢气供应装置；以及

被配置成向所述电池堆供应空气的空气供应装置，

其中所述空气供应装置包括如权利要求1所述的空气压缩机。

7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述空气供应装置包括与所述电池堆和所述空气压缩机连接的加湿器。

8.一种燃料电池系统，包括：

其中堆叠有燃料电池的电池堆；

被配置成向所述电池堆供应氢气的氢气罐；

空气压缩机，被配置成吸入并且压缩空气，将压缩空气经由加湿器供应给所述电池堆，并且在排气侧形成冷却液流动路径；以及

空气冷却回路，其使冷却液通过电气冷却系统循环到所述冷却液流动路径。

9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述空气压缩机包括蜗壳，所述蜗壳包括吸入空气的进气口和排出压缩空气的排气口，并且所述冷却液流动路径布置在所述排气口。

10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述蜗壳包括冷却液循环壳体，所述冷却液循环壳体具有流入冷却液的冷却液入口和排出冷却液的冷却液出口，并且所述蜗壳安装在所述排气口的外周上。

11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述冷却液流动路径形成在所述冷却液循环壳体与所述排气口的外周之间。

12.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述空气冷却回路通过冷却液管线将所述电气冷却系统与所述冷却流动路径连接。

13.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述空气冷却回路通过冷却液管线将所述电气冷却系统与所述冷却液入口和所述冷却液出口连接。