CN117855532B - 一种燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种燃料电池系统，包括电堆、空压机、中冷器、增湿器、分水器和膨胀机，空压机排出的气体依次流经中冷器和增湿器后进入电堆的入口，电堆的出口排出的气体依次流经增湿器和分水器后排出，空压机内设置有气冷管路，分水器的出口通过第一管路与气冷管路的入口连通，气冷管路的出口与膨胀机的入口连通，气冷管路流出的空气带动膨胀机和空压机同轴转动。相比于现有技术，本申请的燃料电池系统不仅能够充分利用空压机工作时产生的热量，还能有效降低空压机的电机温度，提高了整个燃料电池系统的可靠性和经济性。

Description

一种燃料电池系统

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统。

背景技术

随着人们对于环境保护意识的逐渐增强，燃料电池的应用逐渐广泛起来。目前，市面上的燃料电池一般包括电堆、空压机、中冷器、分水器、加湿器等几个部分组成。作为燃料电池系统的核心部件，空压机能够为电堆提供所需要的特定流量和压力的空气，由于大部分燃料电池系统的电堆对于空气压力的需求一般在200kpa以上，空压机的电机所消耗的功率通常非常大，一般占到系统功率的15%至20%之间。如此大的功率消耗，不仅不利于燃料电池系统的经济性，而且对空压机电机的散热也是一个比较大的考验。

为了降低空压机的电机功耗，现有技术提出了采用带能量回收式空压机的技术方案，通过电堆排出的空气来推动膨胀机做功，膨胀机与压气机进行同轴连接，从而达到降低电机功耗的目的。不过，由于膨胀机进口的空气温度并不高，基本是在70℃以下，因此能量回收的效果没有那么显著。

因此，如何降低空压机的功耗，提升燃料电池系统的经济性成为一个亟需解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中空压机功耗过高的问题，本发明通过利用空压机电机的热量对电堆出口的气体进行加热，提升进入膨胀机的气体温度，提升膨胀机的效率，通过膨胀机带动空压机工作，进而实现降低空压机电机功耗的目的。

本申请通过以下方式实现：本申请提供一种燃料电池系统，包括电堆、空压机、中冷器、增湿器、分水器和膨胀机，所述空压机排出的气体依次流经所述中冷器和所述增湿器后进入所述电堆的入口，所述电堆的出口排出的气体依次流经所述增湿器和所述分水器后排出，所述空压机的电机内设置有气冷管路，所述分水器的出口通过第一管路与所述气冷管路的入口连通，所述气冷管路的出口与所述膨胀机的入口连通，所述气冷管路流出的气体带动所述膨胀机和所述空压机同轴转动。

作为一种优选的实施方式，所述分水器的出口通过第二管路与所述膨胀机的入口连通，所述第一管路上还设置有控制所述第一管路通断的开关阀。

作为一种优选的实施方式，所述分水器的出口设置有第一温度传感器，所述空压机的电机内设置有第二温度传感器，所述开关阀被配置为当所述第一温度传感器检测的温度T1和所述第二温度传感器检测的温度T2满足预设条件时导通所述第一管路。

作为一种优选的实施方式，所述预设条件为：所述第二温度传感器检测的温度T2高于所述第一温度传感器检测的温度T1。

作为一种优选的实施方式，所述预设条件为：所述第二温度传感器检测的温度T2大于所述第一温度传感器检测的温度T1，且T2与T1的差值大于等于10℃。

作为一种优选的实施方式，所述开关阀为流量控制阀，所述开关阀被配置为根据所述第二温度传感器检测的温度T2与所述第一温度传感器检测的温度T1的差值大小控制所述第一管路的流量。

作为一种优选的实施方式，所述空压机的电机内还设置有水冷管路，所述水冷管路和所述气冷管路均螺旋环绕于所述空压机的电机内对电机进行冷却。

作为一种优选的实施方式，所述水冷管路的入口和所述气冷管路的入口设置在所述空压机的电机的一端，所述水冷管路的出口和所述气冷管路的出口设置在所述空压机的电机的另一端。

作为一种优选的实施方式，所述水冷管路与所述气冷管路交错设置。

作为一种优选的实施方式，所述空压机的上游还设置空气过滤器和空气流量计。

与现有技术相比，本申请至少具有如下技术效果：

1、本申请的燃料电池系统在空压机的电机内增设有气冷管路，通过将分水器的出口的气体通入到气冷管路内，利用分水器的出口的气体对空压机电机进行降温，同时，分水器的出口的气体经由空压机电机加热后再通入到膨胀机内，推动膨胀机做功，由于膨胀机与空压机同轴转动，故而本申请的燃料电池系统能够极大程度地降低空压机的电机功耗。相比于现有技术，本申请的燃料电池系统不仅能够充分利用空压机电机工作时产生的热量来提高膨胀机的回收功率，还能有效降低空压机的电机温度，避免空压机的电机过热损坏，在一定程度上提升了空压机的使用寿命，提高了整个燃料电池系统的可靠性和经济性。

2、本发明的分水器的出口和膨胀机的入口之间还设置有第二管路，并且在第一管路上设置可控制第一管路开闭的开关阀，通过控制开关阀的开闭，能够选择性的控制是否将分水器出口的气体通入到空压机的电机内，能够有效避免气冷管路发生堵塞时整个燃料电池系统的能量回收过程失效。

3、本发明的分水器的出口设置第一温度传感器，并在空压机的电机内设置第二温度传感器，通过第一温度传感器检测分水器的出口的气体温度T1，通过第二温度传感器检测空压机的电机温度T2，开关阀在分水器的出口的气体温度T1与空压机的电机温度T2满足预设条件时导通第一管路。如此设置，由于本申请的燃料电池系统是通过对空压机的电机发热量进行回收推动膨胀机做功，但是由于将分水器的出口的气体通入到空压机的电机内增加了气体的流通路径，此过程气体的压力会有损失，有一定的能量损失，故而仅在空压机的电机温度T2和分水器的出口的气体温度T1满足预设条件时导通第一管路，能够有效地利用空压机的电机发热量，同时减少气路延长导致的能量损失。

4、本发明优选仅在空压机的电机温度T2高于分水器的出口的气体温度T1时开启第一管路，如此设置，分水器的出口的气体能够与空压机电机之间进行热交换，避免分水器的出口的气体温度过高反向加热空压机电机，能够保证整个燃料电池系统的可靠运行。

5、本发明优选仅在空压机的电机温度T2与分水器的出口的气体温度T1的差值大于等于10℃时才导通第一管路，将分水器的出口的气体导入到空压机的电机内，与空压机电机进行热量交换，一方面能够对空压机电机进行降温，另一方面能够提升该部分气体的温度，提升膨胀机的回收功率，进而实现有效降低空压机电机功耗的目的。

6、本发明的开关阀优选为流量控制阀，开关阀能够根据空压机的电机温度T2与分水器的出口的空气温度T1之间的温度差控制第一管路的流量，由于分水器的出口排出的部分气体流经空压机电机的气冷管路后再通入到膨胀机内，该部分气体的流通路径变长，会有一定的压力损失，故而根据空压机电机温度与分水器出口的气体温差控制进入空压机电机的气冷管路内的气体的流量能够保证充分热量交换的同时减少进入到膨胀机内的气体的压力损失，保证膨胀机能够充分做功，减少空压机的电机功耗。

7、本发明的空压机的电机内部还设置有水冷管路，水冷管路和气冷管路均螺旋环绕于空压机的电机内对电机进行冷却，通过同时设置水冷管路和气冷管路，水冷管路能够利用水比热容大的特点，对空压机电机进行充分散热，气冷管路能够对空压机电机进行补充散热，同时利用该部分热量加热进入到膨胀机内的气体，实现空压机电机散热同时进行能量回收，提升整个燃料电池系统的经济性。

8、本发明的水冷管路和气冷管路的入口优选设置在空压机的电机同一端，水冷管路和气冷管路的出口设置在空压机的电机的另一端，如此设置，能够保证沿着水流流动方向和气流流动方向的温度变化趋势相同，提升整个空压机电机的系统散热情况。

9、本发明的水冷管路和气冷管路优选交错设置，由于水冷管路和气冷管路沿着空压机的电机螺旋设置，无法完全包裹整个空压机电机，将水冷管路和气冷管路交错设置，二者之间能够互补，使得整个空压机电机能够均匀散热，电机的温度分布更加均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本申请的燃料电池系统的结构示意图。

图2是本申请的燃料电池系统的空压机电机的结构示意图。

图3是本申请的燃料电池系统的控制逻辑图。

图中各个标记的含义如下：1、空气过滤器；2、空气流量计；3、空压机；31、电机；4、中冷器；5、增湿器；6、电堆；7、分水器；8、第一温度传感器；9、膨胀机；10、开关阀；11、第一管路；12、气冷管路；13、第二管路；14、水冷管路。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“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申请和简化描述，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。而对于“上游”、“下游”等位置关系，是基于流体正常流动时位置关系。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，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，还可以是通信；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。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。

在本申请中，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。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述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申请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。

下面将结合附图1-3对本发明进行详细介绍。

实施例一:本实施例提供一种燃料电池系统，具体的，该燃料电池系统包括电堆6、空压机3、中冷器4、增湿器5、分水器7和膨胀机9等，其中，空压机3对空气进行压缩，为电堆6提供特定流量和压力的空气，供电堆6进行电化学反应。经过空压机3压缩的空气进入到中冷器4内，经由中冷器4进行冷却降温。冷却后的空气进入到增湿器5中增湿，进而保证电堆6入口的空气具有合适的温度和湿度，保证电堆6的电化学反应正常进行。从电堆6排出的气体再次通入到增湿器5对中冷器出口的气体进行增湿，增湿器出口的气体进入到分水器7内消除气体中携带的液态水。

为了降低空压机的电机31功耗，提升整个燃料电池系统的经济性，本实施例中空压机的电机31壳体内部设置有气冷管路12，分水器7的出口通过第一管路11与空压机的电机31壳体内的气冷管路12的入口连通，气冷管路12的出口与膨胀机9的入口连通，如此设置，经过分水器7除水的气体通入到空压机的电机31壳体气冷管路12内，一方面能够对空压机的电机31进行降温，避免空压机的电机31过热发生损坏，提升了整个燃料电池系统的可靠性；另一方面，进入到气冷管路12内的气体与空压机的电机31之间进行热量交换，能够对空压机的电机31工作时产生的热量进行回收，该部分气体的温度提升，再通入到膨胀机9内，能够带动膨胀机9做功，由于膨胀机9和空压机3同轴转动，进而实现降低空压机的电机31功耗的目的。而且，空压机的电机31功耗降低，能够进一步的降低空压机的电机31发热情况，提升空压机的使用寿命。

本实施例的燃料电池系统在空压机3的上游还设置有空气过滤器1和空气流量计2，空气过滤器1和空气流量计2设置在空压机3的入口处，空气过滤器1能够对进入到空压机3内的空气进行过滤，避免空气中的杂质对空压机3产生损害。空气流量计2能够控制进入到空压机3内的空气流量，进而控制进入到电堆6内的气体流量，实现电堆6的功率调节。

在本实施例中，空压机的电机31壳体内部还设置有水冷管路14，水冷管路14内通入冷却液，冷却液能够对空压机的电机31进行降温，避免空压机的电机31过热损坏。由于水的比热容较大，价格低廉，水冷管路14内通入的冷却液一般为流动的水。

在本实施例中，空压机的电机31壳体内部同时设置有水冷管路14和气冷管路12，水冷管路14和气冷管路12均螺旋环绕于空压机的电机31壳体内对电机31进行冷却，螺旋延伸的水冷管路14和气冷管路12的流通路径较长，能够在有限的流通空间内带走更多的热量，对整个空压机的电机31进行充分散热。另外，由于气冷管路12螺旋设置的路径较长，气冷管路12内的气体能够被充分加热，进一步提升了从气冷管路12排出的气体的温度，也即提升了进入到膨胀机9内的气体温度，提升了膨胀机9的做功能力，进而降低空压机的电机31功耗，提升整个燃料电池系统的经济性。

进一步的，在本实施例中，空压机的电机31壳体水冷管路14和气冷管路12的入口设置在空压机的电机31壳体的一端，水冷管路14和气冷管路12的出口设置在空压机的电机31壳体的另一端，如此设置，能够保证沿着水流流动方向和气流流动方向的温度变化趋势相同，提升整个空压机的电机31散热情况。另外，本实施例的水冷管路14和气冷管路12优选交错设置，由于水冷管路14和气冷管路12沿着空压机的电机31壳体螺旋设置，无法完全包裹整个空压机的电机31，将水冷管路14和气冷管路12交错设置，二者之间能够互补，使得整个空压机的电机31能够均匀散热，电机31温度的分布更加均匀。

实施例二:在本实施例中，分水器7的出口和膨胀机9的入口之间还设置有第二管路13，同时，第一管路11上设置有控制第一管路11通断的开关阀10。通过控制开关阀10的开闭，能够选择性的控制是否将分水器7出口的气体通入到空压机的电机31壳体内，能够有效避免气冷管路12发生堵塞时整个燃料电池系统的能量回收过程失效。另外，由于分水器7出口的气体经由空压机的电机31壳体气冷管路12流入膨胀机9的过程中存在一定的压力损失，故仅当气体流经气冷管路12回收的能量足以抵消该过程的压力损失时开启第一管路11对整个燃料电池系统才更为经济。故通过在第一管路11上设置开关阀10，能够合理的选择第一管路11开启的时机，提升膨胀机9的做功效果，降低空压机的电机31功耗。

在本实施例中，分水器7的出口处设置有第一温度传感器8，第一温度传感器8用于检测分水器7出口的气体的温度，在空压机的电机31内设置有第二温度传感器，第二温度传感器用于检测空压机的电机31温度。第一温度传感器8和第二温度传感器将检测到的温度实时传输到燃料电池系统的控制装置内，控制装置判断第一温度传感器8检测到的温度T1和第二温度传感器检测到的温度T2是否满足开关阀10开启的预设条件，当满足预设条件时，控制开关阀10开启，从分水器7排出的气体一部分通过第二管路13直接通入膨胀机9，另一部分气体通过第一管路11进入到空压机的电机31壳体气冷管路12内，在气冷管路12内与空压机的电机31进行热量交换后通入到膨胀机9内，上述两部分气体共同推动膨胀机9做功并带动空压机3同轴转动，实现能量回收；当第一温度传感器8检测到的温度T1和第二温度传感器检测到的温度T2不满足开关阀10开启的预设条件时，控制装置控制开关阀10关闭，从分水器7排出的气体仅能通过第二管路13进入到膨胀机9内。

在本实施例中的一个优选的实施方式中，控制开关阀10开启的预设条件是：第二温度传感器检测的温度T2大于第一温度传感器8检测到的温度T1。如此设置，分水器7出口的气体温度低于空压机的电机31温度，分水器7的出口的气体能够与空压机的电机31之间进行热量交换，避免分水器7的出口的气体温度过高反向加热空压机的电机31，能够保证整个燃料电池系统的可靠运行。

在本实施例的另一个优选的实施方式中，控制开关阀10开启的预设条件是：空压机的电机31温度T2大于分水器7的出口的气体温度T1，且T2与T1的差值大于等于10℃时。如此设置，分水器7出口的气体与空压机的电机31之间具有较大的温差，将分水器7的出口的气体导入到空压机的电机31壳体内，能够与空压机的电机31进行充分且快速的热量交换，一方面能够对空压机的电机31进行降温，另一方面能够提升该部分气体的温度，提升膨胀机9的回收功率，进而实现有效降低空压机的电机31功耗的目的。

在本发明的另一个优选的实施方式中，开关阀10为流量控制阀，开关阀10能够根据第二温度传感器检测的温度T2和第一温度传感器8检测的温度T1的差值控制第一管路11的流量。当温差较大时，通过开关阀10调大第一管路11的流量，使得更多的气体流入到气冷管路12内，能够带走更多的热量，当温差较小时，通过开关阀10调小第一管路11的流量，减少进入到气冷管路12的气体，保证充分热交换的同时避免更多的气体流经第一管路11的压力损失。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明所作的均等变化与修饰，皆为本发明权利要求范围所涵盖，这里不再一一举例。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，包括电堆、空压机、中冷器、增湿器、分水器和膨胀机，所述空压机排出的气体依次流经所述中冷器和所述增湿器后进入所述电堆的入口，所述电堆的出口排出的气体依次流经所述增湿器和所述分水器后排出，其特征在于，

所述空压机的电机内设置有气冷管路，所述分水器的出口通过第一管路与所述气冷管路的入口连通，所述气冷管路的出口与所述膨胀机的入口连通，所述气冷管路流出的气体带动所述膨胀机和所述空压机同轴转动；

所述分水器的出口通过第二管路与所述膨胀机的入口连通，所述第一管路上还设置有控制所述第一管路通断的开关阀；

所述分水器的出口设置有第一温度传感器，所述空压机的电机内设置有第二温度传感器，所述开关阀被配置为当所述第二温度传感器检测的温度T2高于所述第一温度传感器检测的温度T1时导通所述第一管路。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述开关阀为流量控制阀，所述开关阀被配置为根据所述第二温度传感器检测的温度T2与所述第一温度传感器检测的温度T1的差值大小控制所述第一管路的流量。

3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述空压机的电机内还设置有水冷管路，所述水冷管路和所述气冷管路均螺旋环绕于所述空压机的电机内对电机进行冷却。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述水冷管路的入口和所述气冷管路的入口设置在所述空压机的电机的一端，所述水冷管路的出口和所述气冷管路的出口设置在所述空压机的电机的另一端。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述水冷管路与所述气冷管路交错设置。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于，所述空压机的上游还设置空气过滤器和空气流量计。