CN209087991U - 一种燃料电池及其空气供给系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及汽车辅件技术领域，公开了一种空气供给系统及包括该空气供给系统的燃料电池，空气供给系统包括空压机总成、增压空气供给主路及旁通支路，所述空压机总成的进气口连通外部环境，所述空压机总成的出气口通过所述增压空气供给主路与所述燃料电池的电池反应堆的阴极进气口连通；所述旁通支路的第一端与所述增压空气供给主路连通，所述旁通支路的第二端与所述空压机总成的进气口连通，所述旁通支路上设有能够控制气体从其第一端向其第二端单向流通的旁通控制阀。本实用新型的有益效果为：能够有效避免空压机总成在燃料电池的怠速工况下发生喘振现象。

Description

一种燃料电池及其空气供给系统

技术领域

本实用新型涉及汽车辅件系统技术领域，特别是涉及一种燃料电池及其空气供给系统。

背景技术

燃料电池汽车作为未来新能源汽车的重要技术方向，在近几年得到了快速发展，也得到了越来越多企业的关注及重视。燃料电池空气供给系统为电池反应堆提供一定压力的空气，当燃料电池进入怠速运行状态时，由于空压机总成低速运转，存在喘振风险。喘振现象发生时，由于气流强烈的脉动和周期性振荡会造成叶片强烈振动，使叶轮应力增加，噪音加剧，并可能损坏轴承、密封结构等，甚至造成停车或严重事故；目前，使用离心压缩机的燃料电池空气供给系统均未采取有效的预防喘振的措施。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种燃料电池及其空气供给系统，能够避免喘振现象发生。

为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种燃料电池的空气供给系统，其包括：空压机总成、增压空气供给主路及旁通支路，所述空压机总成的进气口连通外部环境，所述空压机总成的出气口通过所述增压空气供给主路与所述燃料电池的电池反应堆的阴极进气口连通；所述旁通支路的第一端与所述增压空气供给主路连通，所述旁通支路的第二端与所述空压机总成的进气口连通，所述旁通支路上设有能够控制气体从其第一端向其第二端单向流通的旁通控制阀。

作为优选方案，所述空压机总成包括驱动电机，以及连接于所述驱动电机的动力输出轴上的离心压缩机；所述驱动电机的动力输出轴外部支撑有气浮轴承，所述轴承驱动支路的一端连通所述增压空气供给主路，所述轴承驱动支路的另一端与所述气浮轴承的供气口连通。

作为优选方案，所述空压机总成还包括向心膨胀机，所述离心压缩机及所述向心膨胀机同轴设置于所述驱动电机的动力输出轴的两端。

作为优选方案，所述空气供给系统还包括循环支路，所述向心膨胀机的进气口和所述电池反应堆的阴极出气口之间通过所述循环支路连通。

作为优选方案，所述循环支路上还设有气液分离器，所述向心膨胀机的进气口通过所述气液分离器与所述电池反应堆的阴极出气口连通。

作为优选方案，所述空气供给系统还包括中冷器，所述中冷器设有第一冷却通道及第二冷却通道；所述第一冷却通道串联于所述增压空气供给主路上，所述第二冷却通道串联于所述旁通支路上。

作为优选方案，所述空气供给系统还包括膜增湿器，所述空气供给主路及所述循环支路均穿过所述膜增湿器，所述循环支路上流经所述膜增湿器的气体，能够对所述增压空气供给主路上流经所述膜增湿器的气体进行加湿。

作为优选方案，所述空气供给系统还包括空滤总成，所述空压机总成的进气口通过所述空滤总成与外部环境连通。

同样的目的，本实用新型第二方面还提供一种燃料电池，其包括电池反应堆、氢气供给系统及如第一方面所述的空气供给系统。

作为优选方案，所述氢气供给系统包括氢气引射器及间歇排氢阀，所述氢气引射器具有第一进气口，所述间歇排氢阀具有第一出气口；所述氢气引射器的第一进气口连通于车载氢气源，所述氢气引射器的出气口连通于所述电池反应堆的阳极进气口，所述间歇排氢阀的进气口与所述电池反应堆的阳极出气口连通，所述间歇排氢阀的出气口连通外部环境。

作为优选方案，所述氢气供给系统还包括第一氢循环支路和第二氢循环支路；所述氢气引射器还具有第二进气口，所述间歇排氢阀还具有第二出气口；所述第一氢循环支路的一端连通所述间歇排氢阀的第二出气口，所述第一氢循环支路的另一端连通所述氢气引射器的第二进气口，所述第二氢循环支路的一端连通所述间歇排氢阀的第二出气口，所述第二氢循环支路的另一端连通所述电池反应堆的阴极进气口，且所述第二氢循环支路上设有循环泵，所述循环泵的进气口与所述间歇排氢阀的第二出气口连通，所述循环泵的出气口与所述电池反应堆的阴极进气口连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型实施例的空气供给系统及包括其的燃料电池，由于设置了旁通支路，旁通支路的两端分别连通增压空气供给主路及空压机总成的进气口，且在旁通支路上设有旁通控制阀；当燃料电池进入怠速运行状态时，将旁通控制阀打开，增压空气供给主路中部分可用的压缩空气经旁通支路再次从空压机总成的进气口流入空压机总成内，能够使空压机总成维持高速运转，保证空压机总成内的空气流量高于喘振极限，避免喘振现象，维护系统安全。

附图说明

图1是本实用新型实施例中一种燃料电池的结构示意图；

图中，1、空压机总成；11、驱动电机；12、离心压缩机；13、向心膨胀机；14、气浮轴承；2、增压空气供给主路；3、电池反应堆； 4、旁通支路；41、旁通控制阀；5、中冷器；6、膜增湿器；7、气液分离器；8、空滤总成；9、轴承驱动支路；10、循环支路；20、氢气引射器；30、间歇排氢阀；40、第一氢循环支路；50、第二氢循环支路；51、循环泵；60、尾排混合室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

如图1所示，本实用新型第一方面优选实施例提供一种燃料电池的空气供给系统，其包括：空压机总成1、增压空气供给主路2及旁通支路4，所述空压机总成1的进气口连通外部环境，所述空压机总成1的出气口通过所述增压空气供给主路2与所述燃料电池的电池反应堆3的阴极进气口连通；所述旁通支路4的第一端与所述增压空气供给主路2连通，所述旁通支路4的第二端与所述空压机总成1的进气口连通，所述旁通支路4上设有能够控制气体从其第一端向其第二端单向流通的旁通控制阀41；示例性地，旁通控制阀41为能够控制旁通支路1中的气体流通或者截止、以及调节气体流量大小的电磁阀。

基于上述技术方案，本实施例中提供一种燃料电池的空气供给系统，由于设置有旁通支路4，可通过控制设于旁通支路4上的旁通控制阀41的开启及关闭，从而使空压机总成1维持在高速运转状态，避免燃料电池在怠速运行状态中，由于空压机总成1需要维持低速运转造成喘振现象。具体地，在燃料电池进入怠速运行时，将旁通控制阀41 打开，增压空气供给主路2上部分可用的压缩空气从旁通支路4的第一端向其第二端流动，并从空压机总成1的进气口流入空压机总成1，保证空压机总成1内的气体流量高于喘振极限，维护空压机总成1的系统安全，且能够使空压机总成1维持高速运转。

具体地，本实施例中，所述空压机总成1包括驱动电机11及连接于所述驱动电机11的动力输出轴上的离心压缩机12，所述离心压缩机 12的进气口为所述空压机总成1的进气口，所述离心压缩机12的出气口为所述空压机总成1的出气口，驱动电机11优选为高速永磁同步电机，为驱动离心压缩机12的主要动力源，所述驱动电机11的动力输出轴外部支撑有气浮轴承14；所述燃料电池空气供给系统还包括轴承驱动支路9，所述轴承驱动支路9的一端连通所述增压空气供给主路2，所述轴承驱动支路9的另一端与所述气浮轴承14的供气口连通。本实用新型中，通过气浮轴承14支撑驱动电机11的动力输出轴，能够实现全无油式离心空压系统；且气浮轴承14通过轴承驱动支路9提供空气驱动，即增压空气供给主路2上的部分压缩空气给气浮轴承14提供驱动力，在怠速工况下，能够保证气浮轴承14的空气压力；另外，由于在怠速工况下，离心压缩机12仍维持高速运转，不仅能够避免喘振现象发生，且延长了气浮轴承14的使用寿命。

示例性地，所述气浮轴承14为金属箔片气浮轴承。

优选地，为了回收能量，所述空压机总成1还包括向心膨胀机13，所述离心压缩机12及所述向心膨胀机14同轴设置于所述驱动电机11 的动力输出轴的两端，向心膨胀机13能够为离心压缩机12提供部分驱动力；所述空气供给系统还包括循环支路10，所述向心膨胀机13的进气口和所述电池反应堆3的阴极出气口之间通过所述循环支路10连通；在空压机总成1中集成了向心膨胀机13能够回收电池反应堆3从阴极出气口排出的部分反应气体，并用于驱动离心压缩机12转动；另外，本实施例中，由于离心压缩机12在燃料电池怠速工况下仍能维持高速运转，因此，可保证向心膨胀机13的回收效率。

为了去除进入向心膨胀机13前的从电池反应堆3的阴极排出的废气中的水份，所述循环支路10上还设有气液分离器7，所述向心膨胀机13的进气口通过所述气液分离器7与所述电池反应堆3的阴极出气口连通，具体地，气液分离器7的出气口与向心膨胀机13的进气口连通，气液分离器7的排液口直接连通外部环境；从电池反应堆3的阴极出气口排出的废气经过气液分离器7能够分离出液体，并将分离后的气体输送至向心膨胀机13内进行能量回收。

本实施例中，为了满足电池反应堆3阴极的空气供给需求，空气供给系统还包括中冷器5，所述中冷器5设有第一冷却通道及第二冷却通道；所述第一冷却通道串联于所述增压空气供给主路2上，所述第二冷却通道串联于所述旁通支路4上；空气经空压机总成1压缩后变成高温高压的压缩空气，压缩空气经中冷器5冷却后再进入电池反应堆3；另外，增压空气供给主路上2的部分高压空气经中冷器5在此冷却后重新流回至空压机总成1。

示例性地，旁通支路4上的旁通控制阀41安装在中冷器5的上游端，即旁通控制阀41的进气口与增压空气供给主路2相连通，旁通控制阀 41的出气口连通第二冷却通道的进气口，第二冷却通道的出气口连通空压机总成1的进气口。

同样地，为了满足电池反应堆3的空气供给需求，空气供给系统还包括膜增湿器6，所述空气供给主路2及所述循环支路10均穿过所述膜增湿器6，所述循环支路10上流经所述膜增湿器6的气体，能够对所述增压空气供给主路2上流经所述膜增湿器6的气体进行加湿；利用电池反应堆3的阴极废气为增压空气供给主路2上的空气进行加湿，以满足电池反应堆3的阴极供气需求。

进一步地，为了去除大气中颗粒物及有害成分，空气供给系统还包括空滤总成8，所述空压机总成1的进气口通过所述空滤总成8与外部环境连通，外部环境中的空气先经过空滤总成8进行净化过滤后，再经空压机总成1压缩，压缩后的洁净压缩空气输送至电池反应堆3 的阴极进气口。

同样的目的，本实用新型实施例的第二方面提出一种燃料电池，请继续参阅附图1所示，其包括电池反应堆3、氢气供给系统及如第一方面所述的空气供给系统；由于包括第一方面所述的空气供给系统，因此具有空气供给系统的全部有益效果，在此不作一一陈述。

有鉴于此，本实用新型实施例中的燃料电池中，所述氢气供给系统包括氢气引射器20及间歇排氢阀30；所述氢气引射器20具有第一进气口，所述间歇排氢阀30具有第一出气口；所述氢气引射器20的第一进气口连通于车载氢气源，所述氢气引射器20的出气口连通于所述电池反应堆3的阳极进气口，所述间歇排氢阀30的进气口与所述电池反应堆3的阳极出气口连通，所述间歇排氢阀30的出气口连通外部环境。在燃料电池的具体工作过程中，氢气引射器20吸收车载氢气源中的氢气，并将氢气输送至电池反应堆3的阳极进气口，从电池反应堆3的阳极出气口排出的气体流入间歇排氢阀30，间歇排氢阀30间歇开闭，以将电池反应堆3的阳极排出的氢气、水份和部分杂质气体排出。

示例性地，本实施例中的燃料电池堆3可采用金属双极板或石墨复合双极板燃料电池堆。

进一步地，为了回收阳极出气口排出的未反应的氢气，所述氢气供给系统还包括第一氢循环支路40和第二氢循环支路50；所述氢气引射器20还具有第二进气口，所述间歇排氢阀30还具有第二出气口；所述第一氢循环支路40的一端连通所述间歇排氢阀30的第二出气口，所述第一氢循环支路40的另一端连通所述氢气引射器20的第二进气口，所述第二氢循环支路50的一端连通所述间歇排氢阀30的第二出气口，所述第二氢循环支路50的另一端连通所述电池反应堆3的阴极进气口，且所述第二氢循环支路50上设有循环泵51，所述循环泵51的进气口与所述间歇排氢阀30的第二出气口连通，所述循环泵51的出气口与所述电池反应堆3的阴极进气口连通。其中，电池反应堆3阳极未反应的氢气一部分通过第一氢循环支路40从氢气引射器20的第二进气口流入，还有一部分未反应的氢气经第二氢循环支路50上的循环泵51加压后从电池反应堆3的阳极进气口再次输送至电池反应堆3进行反应。

示例性地，本实施例中，燃料电池还包括尾排混合室60，尾排混合室60连通间歇排氢阀30的第一出气口、向心膨胀机13的出气口及气液分离器7的排液口，尾排混合室60将最终电池反应堆3的阴极废气及阳极废气混合，达到排放安全标准后将混合气体排出至外部环境中。

具体地，上述燃料电池的工作过程为：环境中的常压空气首先进入空滤总成8，然后进入离心压缩机12增压，产生的高温高压空气进入增压空气供给主路2上，并由中冷器5进行冷却后，得到可用的压缩空气，可用的压缩空气大部分进入膜增湿器6，增湿后进入燃料电池堆3的阴极；反应完成后，阴极产生的废气及部分水一起从阴极出气口流出至膜增湿器6，能够为增压空气供给主路2上的压缩空气进行增湿，之后，废气进入气液分离器7，大部分气体脱除水份后进入向心膨胀机13，小部分气体和水份一起和经向心膨胀机13的出气口处的低压废气混合、以及间歇排氢阀30排出的气体在尾排混合室60内混合后，排放至外部环境中；另外，增压空气供给主路2上的部分压缩空气进入气浮轴承14，驱动气浮轴承14运转。

进一步地，在增压空气供给主路2上引出有旁通支路4，旁通支路 4的另一端连接至离心压缩机12的进气口，当燃料电池进入怠速工况时，旁通控制阀41打开，增压空气供给主路2上的部分压缩空气从旁通支路4再次进入离心压缩机12，保证离心压缩机12内的气体流量高于喘振极限，能够维护空气供给系统安全；同时离心压缩机12维持较高运转，使气浮轴承14的使用寿命得到提高，且向心膨胀机13的能量回收效率高。

综上，本实用新型实施例提供一种燃料电池及其空气供给系统，在空气供给系统上设置有旁通支路4，旁通支路4的一端连通增压空气供给主路2，另一端连通空压机总成1的进气口，当燃料电池处于怠速工况时，打开旁通支路4上的旁通控制阀41，增压空气供给主路2中的部分压缩空气能够经旁通支路4再次流入空压机总成1内，可维持空压机总成1的高速运转，保证空压机总成1内的气体流量高于喘振极限，避免喘振现象发生。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种燃料电池的空气供给系统，其特征在于，包括：空压机总成、增压空气供给主路及旁通支路，所述空压机总成的进气口连通外部环境，所述空压机总成的出气口通过所述增压空气供给主路与所述燃料电池的电池反应堆的阴极进气口连通；

所述旁通支路的第一端与所述增压空气供给主路连通，所述旁通支路的第二端与所述空压机总成的进气口连通，所述旁通支路上设有能够控制气体从其第一端向其第二端单向流通的旁通控制阀。

2.如权利要求1所述的空气供给系统，其特征在于，所述空压机总成包括驱动电机，以及连接于所述驱动电机的动力输出轴上的离心压缩机；

所述驱动电机的动力输出轴外部支撑有气浮轴承，所述燃料电池空气供给系统还包括轴承驱动支路，所述轴承驱动支路的一端连通所述增压空气供给主路，所述轴承驱动支路的另一端与所述气浮轴承的供气口连通。

3.如权利要求2所述的空气供给系统，其特征在于，所述空压机总成还包括向心膨胀机，所述离心压缩机及所述向心膨胀机同轴设置于所述驱动电机的动力输出轴的两端。

4.如权利要求3所述的空气供给系统，其特征在于，所述空气供给系统还包括循环支路，所述向心膨胀机的进气口和所述电池反应堆的阴极出气口之间通过所述循环支路连通。

5.如权利要求4所述的空气供给系统，其特征在于，所述循环支路上还设有气液分离器，所述向心膨胀机的进气口通过所述气液分离器与所述电池反应堆的阴极出气口连通。

6.如权利要求4所述的空气供给系统，其特征在于，还包括中冷器，所述中冷器设有第一冷却通道及第二冷却通道；所述第一冷却通道串联于所述增压空气供给主路上，所述第二冷却通道串联于所述旁通支路上。

7.如权利要求6所述的空气供给系统，其特征在于，还包括膜增湿器，所述空气供给主路及所述循环支路均穿过所述膜增湿器，所述循环支路上流经所述膜增湿器的气体，能够对所述增压空气供给主路上流经所述膜增湿器的气体进行加湿。

8.如权利要求1-7任一项所述的空气供给系统，其特征在于，还包括空滤总成，所述空压机总成的进气口通过所述空滤总成与外部环境连通。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括电池反应堆、氢气供给系统及如权利要求1-8任一项所述的空气供给系统。

10.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气供给系统包括氢气引射器及间歇排氢阀，所述氢气引射器具有第一进气口，所述间歇排氢阀具有第一出气口；

所述氢气引射器的第一进气口连通于车载氢气源，所述氢气引射器的出气口连通于所述电池反应堆的阳极进气口，所述间歇排氢阀的进气口与所述电池反应堆的阳极出气口连通，所述间歇排氢阀的出气口连通外部环境。

11.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气供给系统还包括第一氢循环支路和第二氢循环支路；所述氢气引射器还具有第二进气口，所述间歇排氢阀还具有第二出气口；

所述第一氢循环支路的一端连通所述间歇排氢阀的第二出气口，所述第一氢循环支路的另一端连通所述氢气引射器的第二进气口，所述第二氢循环支路的一端连通所述间歇排氢阀的第二出气口，所述第二氢循环支路的另一端连通所述电池反应堆的阴极进气口，且所述第二氢循环支路上设有循环泵，所述循环泵的进气口与所述间歇排氢阀的第二出气口连通，所述循环泵的出气口与所述电池反应堆的阴极进气口连通。