CN116779909B - 一种燃料电池空气供给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池空气供给系统，属于燃料电池技术领域。包括空压机、中冷器一、加湿器和电堆，所述空压机的压缩端出口依次与中冷器一、加湿器及电堆的空气进口连接；所述电堆的空气出口依次与加湿器、中冷器一和空压机的涡轮端入口连接；所述中冷器一包括主腔室一、副腔室一和副腔室二，所述主腔室一的入口与空压机的压缩端出口连接，所述主腔室一的出口与加湿器的压缩气入口连接，所述副腔室一的入口与加湿器的废气出口连接，副腔室一的出口与空压机的涡轮端入口连接。本发明通过降低进入空压机涡轮端废气中的冷凝水延长空压机的使用寿命；同时利用气水分离器排出的液态水与空压机的压缩端出口的压缩空气换热，降低冷却回路的散热压力。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池空气供给系统。
背景技术
燃料电池系统通过氧气和氢气在电堆中反应，产物只生成水，是一种环保无污染的发电设备，具有高效、环保、低噪声等特点。目前被广泛应用于汽车、可移动式电站等领域。现有的燃料电池系统空气供给主要靠空压机提供，空压机通过压缩空气做功为电堆提供合适的压力和流量的空气。空压机是燃料电池系统功耗最大的零部件，严重制约着燃料电池系统在大功率下的效率。
针对空压机在高转速下功耗过高的问题，目前采用的解决方案是利用电堆空气出口端排出的废气，驱动空压机一端与转轴相连接的涡轮做功，实现降低空压机功耗的目的。同时，由于电堆废气含有大量水，为避免液态水进入空压机与涡轮碰撞，需要将这部分液态水去除。为解决以上技术问题，现有的燃料电池系统主要在空压机涡轮端入口和加湿器之间增加气水分离器，去除电堆排出的废气因湿度过大产生的冷凝水。但是受气水分离器分离效率的限制，导致进入空压机涡轮的废气仍然含有一定量的冷凝水，这会导致涡轮受损影响系统使用寿命。同时经过气水分离器排出的液态水是一种良好的冷却介质，并未能被很好的利用。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种燃料电池空气供给系统，能够大幅减少进入空压机涡轮端废气中的冷凝水，延长空压机的使用寿命；同时控制气水分离器排出的液态水与空压机的压缩端出口的压缩空气换热，利用水的汽化潜热来降低冷却回路的散热压力。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种燃料电池空气供给系统，包括空压机、中冷器一、加湿器和电堆；所述空压机的压缩端出口依次与中冷器一、加湿器及电堆的空气进口连接构成压缩气进气管路；所述电堆的空气出口依次与加湿器、中冷器一和空压机的涡轮端入口连接构成废气排气管路；所述中冷器一包括主腔室一、副腔室一和副腔室二；所述主腔室一的入口与空压机的压缩端出口连接，所述主腔室一的出口与加湿器的压缩气入口连接；所述副腔室一的入口与加湿器的废气出口连接，所述副腔室一的出口与空压机的涡轮端入口连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述中冷器一和加湿器之间的压缩气进气管路上还设置有中冷器二；所述中冷器二包括主腔室二和副腔室三，所述主腔室二的两端连接压缩气进气管路。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电堆和中冷器二均连接有冷却回路；所述副腔室三的入口与冷却回路的冷却剂出口连接，所述副腔室三的出口与冷却回路的冷却剂入口连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述中冷器一和加湿器之间的废气排气管路上还设置有气水分离器；所述气水分离器的入口与加湿器的废气出口连接，所述气水分离器的气体出口与所述副腔室一的入口连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述气水分离器的液体出口连接有三通阀；所述三通阀的第一出口连接副腔室二的入口，所述副腔室二的出口连接空压机的涡轮端出口，所述三通阀的第二出口连接空压机的涡轮端出口。
作为本发明的一种优选技术方案，所述三通阀包括以下控制策略：
所述电堆的冷却液入口设置有温度传感器用于监测冷却液温度；
当冷却液温度低于50℃时，调整三通阀的开启角度为0度，此时气水分离器中的液态水经过三通阀的第二出口排出；
当冷却液温度高于50℃且低于60℃时，根据电堆功率和冷却液温度调整三通阀的开启角度为30~85度，此时气水分离器中的液态水一部分经过三通阀的第一出口进入中冷器一，另一部分经过三通阀的第二出口排出；
当冷却液温度高于60℃时，调整三通阀的开启角度为100度，此时气水分离器中的液态水经过三通阀的第一出口进入中冷器一。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电堆和加湿器之间的废气排气管路上设置有背压阀；所述背压阀用于调整进入电堆的空气流量和压力。
作为本发明的一种优选技术方案，所述空压机包括压气机、电机和涡轮；所述压气机包括空气入口和压缩气出口，所述压气机的压缩气出口连接主腔室一的入口；所述涡轮包括进气口和出气口，所述涡轮的进气口连接副腔室一的出口。
作为本发明的一种优选技术方案，所述压气机的空气入口连接有空气过滤器和流量计；所述空气过滤器用于去除进气的灰尘和有害气体；所述流量计用于监控进入电堆的进气流量。
作为本发明的一种优选技术方案，所述涡轮的出气口连接有消音器，所述消音器用于降低排气的噪音。
本发明的有益效果为：
（1）本发明在气水分离器和空压机涡轮入口之间设置有中冷器一，通过废气与高温的压缩气换热，降低废气相对湿度、减少废气中的冷凝水，延长了空压机使用寿命，同时也减小了冷却回路的散热压力；
（2）中冷器一设置有三个腔室，通过副腔室一和副腔室二中的介质和主腔室一介质进行换热，利用气水分离器排出的废气以及液态水对主腔室一中的压缩空气进行初步降温；
（3）通过在气水分离器的液体出口设置有三通阀，并通过三通阀控制策略快速地调整液态水的通道，有效利用液态水的汽化潜热为压缩空气降温；
（4）中冷器二与电堆均连接有冷却回路，中冷器二利用冷却回路在空气进入电堆之前，将空气进行降温控制，避免高温对质子交换膜的损害，并提高燃料电池的效率和寿命；同时电堆连接的冷却回路可以控制电堆的温度，确保其在适宜的工作范围内运行，从而提高系统的可靠性和稳定性。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明燃料电池空气供给系统的结构示意图；
图2为本发明中空压机的组成结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
请参阅图1，一种燃料电池空气供给系统，包括空气过滤器、空压机、中冷器一、中冷器二、加湿器、电堆、气水分离器和消音器；所述空气过滤器通过管路依次与空压机、中冷器一、中冷器二、加湿器及电堆的空气进口连接；所述电堆的空气出口通过管路依次与加湿器、气水分离器、中冷器一、空压机和消音器连接；所述空气过滤器与空压机之间的管路上设置有流量计；所述电堆的空气出口与加湿器之间的管路上设置有背压阀；所述中冷器二与电堆均连接有冷却回路；所述气水分离器的液体出口通过管路连接有三通阀；所述三通阀的第一出口通过管路连接中冷器一，所述三通阀的第二出口通过管路连接至消音器的入口。
所述空气过滤器用于去除进气的灰尘和有害气体杂质；所述流量计用于监控进入电堆的进气流量。
需说明的是，燃料电池的电堆是一种将氢气等燃料与氧气在催化剂的作用下进行化学反应产生电能的装置，由多个单元组成。每个单元包含阳极、阴极和质子交换膜，当燃料和氧气在阳极和阴极上分别发生氧化还原反应时，通过外部电路可以获取到电能。
空气过滤器主要包括滤网和吸附层，其中滤网用于过滤进入燃料电池的空气中的颗粒物和杂质，一般采用高效滤网，可以有效地捕获微小的颗粒物；吸附层利用化学吸附剂去除空气中的有害气体，如氮氧化物、硫化物等，常见的化学吸附剂包括活性炭、分子筛等。
需说明的是，进入燃料电池系统的空气中不能含有过多的颗粒物和有害气体，否则会堵塞燃料电池双极板中的气体通道和毒害催化剂，降低燃料电池的效率。因此，通过空气过滤器来保障进入燃料电池的空气质量。
所述中冷器一用于空压机的压缩端出口的压缩空气和经过气水分离器的废气换热，初步降低压缩空气的温度并减小冷却回路的散热压力，同时能够提高废气温度并降低相对湿度，防止水蒸气冷凝进入空压机造成涡轮受损。
进一步地，所述中冷器二连接冷却回路，通过回路中的冷却剂为高温的压缩空气降温，使气体温度保持在75℃以下，防止高温气体进入加湿器和电堆造成损坏。
需说明的是，中冷器一包括三个腔室，主腔室一流通介质为空压机的压缩端出口的压缩空气，副腔室一流通介质为经过气水分离器的废气，副腔室二流通介质为经过气水分离器分离出的液态水；副腔室一和副腔室二中的介质和主腔室一介质换热，降低主腔室一介质温度；中冷器二包括两个腔室，主腔室二流通介质为中冷器一出口的经过初步降温的压缩空气，副腔室三流通介质为冷却回路的冷却剂。
可理解的是，主腔室一的入口与空压机的压缩端出口连接，主腔室一的出口与加湿器的压缩气入口连接；副腔室一的入口与加湿器的废气出口连接，副腔室一的出口与空压机的涡轮端入口连接；副腔室二的入口与三通阀的第一出口连接，副腔室二的出口与空压机的涡轮端出口连接；主腔室二的两端连接压缩气进气管路；副腔室三的入口与冷却回路的冷却剂出口连接，副腔室三的出口与冷却回路的冷却剂入口连接。
所述加湿器将进入电堆的干空气利用电堆排出的废气进行加湿，使进入电堆的空气湿度满足要求。
需说明的是，干燥的空气先经过加湿器加湿后进入到电堆中，以保证电堆中质子交换膜的水含量适当。
进一步地，电堆连接冷却回路，在正常运行阶段使电堆冷却液出口温度稳定在85℃以下，确保电堆在适宜的工作范围内运行，从而提高系统的可靠性和稳定性。
需说明的是，冷却回路主要包括冷却剂、循环泵、散热器和控制器；其中冷却剂用于吸收和转移电堆产生的热量以及降低压缩空气的温度；循环泵将冷却剂循环到电堆以及中冷器二中，以便吸收和转移热量，并将已加热的冷却剂送回散热器进行降温；散热器用于降低冷却剂的温度，以便再次循环到电堆和中冷器二中；控制器用于监测和控制进入电堆和中冷器二的冷却液温度。
所述背压阀用于调整进入电堆的空气的流量和压力。
可理解的是，背压阀用于维持燃料电池正极（氧化剂极）侧的稳定背压，有助于保持燃料电池的输出电压和功率稳定。
所述气水分离器用于将废气中的液态水与空气分离，防止大量液态水进入空压机造成涡轮受损。经过气水分离器得到的液态水，是一种优良的冷却介质，利用水的汽化潜热并通过三通阀的控制为压缩气体降温并减小冷却回路的散热压力。
可理解的是，气水分离器的液体出口与三通阀的入口连接，三通阀的第一出口与副腔室二的入口连接，三通阀的第二出口与空压机的涡轮端出口连接。
需说明的是，汽化潜热是指温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量。
可理解的是，气水分离器将分离出来的液态水送入三通阀的入口，通过三通阀调节液态水进入不同的管路，具体包括以下控制策略：
（1）电堆冷却液入口设置有温度传感器监测冷却液温度，当冷却液低于50℃时，冷却液需要快速升温，散热压力较低。三通阀开启角度为0度，此时气水分离器中的液态水经过三通阀直接进入消音器；
（2）当冷却液高于50℃且低于60℃时，冷却液温度需要保持相对稳定，散热压力适中。根据电堆功率和冷却液温度调整三通阀的开启角度为30~85度，此时气水分离器中的液态水经过三通阀，一部分进入中冷器一，然后进入消音器，另一部分直接进入消音器；
（3）当冷却液高于60℃时，冷却液温度较高，散热压力较大。三通阀开启角度为100度，此时气水分离器中的液态水经过三通阀直接进入中冷器一，然后进入消音器。
请参阅图2，所述空压机包括压气机、电机和涡轮，所述压气机的空气入口与空气过滤器连接，所述压气机的压缩气出口与主腔室一的入口连接，所述涡轮的进气口与副腔室一的出口连接，所述涡轮的出气口与消音器连接。所述压气机主要负责将进入压气机的空气压缩增压；所述电机为压气机提供动力，驱动压气机进行运转；所述涡轮由涡轮叶片组成，利用电堆排出的废气经过中冷器一进入涡轮做功，将流体的动能转化为机械能。
需说明的是，压气机的空气入口即为空压机的压缩端入口，压气机的压缩气出口即为空压机的压缩端出口，涡轮的进气口即为空压机的涡轮端入口，涡轮的出气口即为空压机的涡轮端出口。
进一步地，空压机进气经过流量计进入压气机压缩得到一定流量和压力的空气，电堆排出的废气经过中冷器一进入涡轮并驱动涡轮做功，最终经过涡轮排出至消音器。
所述消音器用于降低排气的噪音，具体通过减压、扩散和反射等方式减少空气在管道中通过的流速和阻尼效应，从而降低空气产生的噪声。
可理解的是，消音器与涡轮的出气口连接，涡轮的出气口即为空压机涡轮端的出气口。
本发明在气水分离器和空压机涡轮入口之间增加中冷器一，通过废气与高温的压缩气换热，降低废气相对湿度、减少废气中的冷凝水，有效解决了废气中冷凝水进入空压机涡轮造成损害的风险，延长了空压机使用寿命，大幅降低了燃料电池系统全生命周期的使用成本；同时通过与中冷器二相互协作，对于空压机的压缩端出口的压缩空气进行初步降温，减小了冷却回路的散热压力；另外在气水分离器中液态水出口设置有三通阀，并通过三通阀控制策略快速地调整液态水的通道，实现对经过气水分离器排出的液态水更为精确的控制利用，有效利用液态水的汽化潜热为压缩空气降温，大大减轻了冷却回路散热压力，提高了空气供给系统的效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种燃料电池空气供给系统，其特征在于：包括空压机、中冷器一、加湿器和电堆；所述空压机的压缩端出口依次与中冷器一、加湿器及电堆的空气进口连接构成压缩气进气管路；所述电堆的空气出口依次与加湿器、中冷器一和空压机的涡轮端入口连接构成废气排气管路；所述中冷器一包括主腔室一、副腔室一和副腔室二；所述主腔室一的入口与空压机的压缩端出口连接，所述主腔室一的出口与加湿器的压缩气入口连接；所述副腔室一的入口与加湿器的废气出口连接，所述副腔室一的出口与空压机的涡轮端入口连接；
所述中冷器一和加湿器之间的压缩气进气管路上还设置有中冷器二；所述中冷器二包括主腔室二和副腔室三，所述主腔室二的两端连接压缩气进气管路；
所述电堆和中冷器二均连接有冷却回路；所述副腔室三的入口与冷却回路的冷却剂出口连接，所述副腔室三的出口与冷却回路的冷却剂入口连接；
所述中冷器一和加湿器之间的废气排气管路上还设置有气水分离器；所述气水分离器的入口与加湿器的废气出口连接，所述气水分离器的气体出口与所述副腔室一的入口连接；
所述气水分离器的液体出口连接有三通阀；所述三通阀的第一出口连接副腔室二的入口；所述副腔室二的出口连接空压机的涡轮端出口；所述三通阀的第二出口连接空压机的涡轮端出口；
所述三通阀包括以下控制策略：
所述电堆的冷却液入口设置有温度传感器用于监测冷却液温度；
当冷却液温度低于50℃时，调整三通阀的开启角度为0度，此时气水分离器中的液态水经过三通阀的第二出口排出；
当冷却液温度高于50℃且低于60℃时，根据电堆功率和冷却液温度调整三通阀的开启角度为30～85度，此时气水分离器中的液态水一部分经过三通阀的第一出口进入中冷器一，另一部分经过三通阀的第二出口排出；
当冷却液温度高于60℃时，调整三通阀的开启角度为100度，此时气水分离器中的液态水经过三通阀的第一出口进入中冷器一；
所述电堆和加湿器之间的废气排气管路上设置有背压阀，所述背压阀用于调整进入电堆的空气流量和压力；
所述空压机包括压气机、电机和涡轮；所述压气机包括空气入口和压缩气出口，所述压气机的压缩气出口连接主腔室一的入口；所述涡轮包括进气口和出气口，所述涡轮的进气口连接副腔室一的出口。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气供给系统，其特征在于：所述压气机的空气入口连接有空气过滤器和流量计；所述空气过滤器用于去除进气的灰尘和有害气体；所述流量计用于监控进入电堆的进气流量。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池空气供给系统，其特征在于：所述涡轮的出气口连接有消音器；所述消音器用于降低排气的噪音。
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