CN212625676U - 车用燃料电池的集成式空气系统和车用燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了车用燃料电池的集成式空气系统，所述集成式空气系统包括空压机、电机、涡轮器和空空中冷器；其中，所述电机的输出轴一端与所述空压机连接和另一端与所述涡轮器连接；所述空空中冷器包括气室和设置在所述气室内的冷却管路，所述空空中冷器设有与所述空压机的出气口连通的气室进气口和用于与电堆的空气进堆口连通的气室出气口，所述空空中冷器还设有用于与所述电堆的空气出堆口连通的冷却管路进气口和与所述涡轮器连通的冷却管路出气口；所述空空中冷器还包括分水单元，所述水分单元设置在所述空空中冷器的底部并且与所述冷却管路连通。本实用新型的集成式空气系统的零部件少，能耗低，可以改善燃料电池的效率。

Description

车用燃料电池的集成式空气系统和车用燃料电池

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，特别涉及车用燃料电池的集成式 空气系统和车用燃料电池。

背景技术

燃料电池系统逐步趋向低功耗、降成本方向发展，较好的利用余热和 减少零部件是降功耗、降成本的有效方式之一。燃料电池的空气系统的主 要功能是给燃料电池电堆提供具有给定压力、温度和湿度的空气，进而提 供足够的氧气进行电化学反应。空气系统通常包括压缩机、水冷式中冷器 和加湿器。压缩机的功能是将空气压缩至给定的压力，以符合燃料电池电 堆反应所需要的压力。经过压缩后的空气一般温度都会比较高，需要经过水冷式中冷器冷却，冷却控制的温度由电堆所需决定，通常在50～80℃之 间。同时，电堆反应对空气的湿度也有要求，一般在相对湿度RH70％～90％， 由此需要另一个零部件——加湿器。加湿器所需要的水通常从电堆的空气 出堆口的空气引入，以便利用电堆中H₂和O₂反应所产生的水。

燃料电池的空气系统的空压泵消耗功率大约占输出功率的20-30％， 是燃料电池的辅助系统中的耗能大户。提高空压机效率可以改善整个燃料 电池系统的效率。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术中存在的技术问题，提供 车用燃料电池的集成式空气系统和车用燃料电池，本实用新型的集成式空 气系统的零部件少，能耗低，可以改善燃料电池的效率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一方面，本实用新型提供了车用燃料电池的集成式空气系统，所述集 成式空气系统包括空压机、电机、涡轮器和空空中冷器；其中，

所述电机的输出轴一端与所述空压机连接和另一端与所述涡轮器连 接；

所述空空中冷器包括气室和设置在所述气室内的冷却管路，所述空空 中冷器设有与所述空压机的出气口连通的气室进气口和用于与电堆的空 气进堆口连通的气室出气口，所述空空中冷器还设有用于与所述电堆的空 气出堆口连通的冷却管路进气口和与所述涡轮器连通的冷却管路出气口；

所述空空中冷器还包括分水单元，所述水分单元设置在所述空空中冷 器的底部并且与所述冷却管路连通。

进一步地，所述空空中冷器包括第一端部和第二端部，所述气室设置 在所述第一端部和所述第二端部之间，所述第一端部和所述第二端部经由 所述冷却管路连通；所述第一端部经由隔板被分隔成进气端部和出气端 部，所述冷却管路进气口经由所述进气端部与所述冷却管路连通，所述冷 却管路出气口经由所述出气端部与所述冷却管路连通；所述第二端部为所 述分水单元。

进一步地，所述分水单元包括成束的中空纤维膜、2个封端结构、加 湿空气入口和加湿空气出口，所述成束的中空纤维膜设置在所述分水单元 内，所述加湿空气入口和所述加湿空气出口设置在所述分水单元的侧壁 上，所述成束的中空纤维膜的两端由2个所述封端结构封端并分别与所述 加湿空气入口和所述加湿空气出口连通。

进一步地，所述分水单元的底部设有用于排出所述水分单元中液态水 的排水阀。

进一步地，所述空压机是一级离心空压机。

进一步地，所述集成式空气系统还包括辅助中冷器，所述辅助中冷器 的空气进口与所述气室出气口连通，所述辅助中冷器的空气出口与所述空 气进堆口连通。

进一步地，所述集成式空气系统还包括可变喷嘴涡轮增压器，所述可 变喷嘴涡轮增压器的进气口与所述涡轮器连通。

另一方面，本实用新型还提供了车用燃料电池，所述车用燃料电池包 括电堆和所述的车用燃料电池的集成式空气系统，所述电堆的空气进堆口 与气室出气口连通，所述电堆的空气出堆口与冷却管路进气口连通。

本实用新型具有以下优势：

(1)本实用新型的集成式空气系统中，将空空中冷器与空压机相结 合，利用空压机的出气口的压缩空气与电堆的空气出堆口的排气的温差对 进入电堆的压缩空气在空空中冷器中进行冷却(热量交换)，提高了排气 能量的利用率，可以减少用于冷却压缩空气的中冷器的规格，甚至不设置 额外(辅助)中冷器就可将压缩空气冷却至目标温度，不仅提高了压缩空 气的密度，提高了进入燃烧电池电堆内的进气流量，进而提高了发电效率。 进一步地，本实用新型通过集成的方式(例如，将分水器集成到空空中冷 器)缩小了或减少了集成式空气系统的零部件，不仅容易操作，还提高了 空间利用率，节省空间，减小燃料电池体积，降低了燃料电池向的能耗， 成本低。同时，通过设置分水单元可以降低来自电堆的空气出堆口的排气 的相对湿度，减少液体水含量，对涡轮器冲击小，提高了系统的可靠性。

(2)本实用新型中可以采用一级离心空压机，不仅保证进入电堆的 压缩空气的压力，而且结构简单，可靠性高，简单易行。

(3)本实用新型中采用空空中冷器作为交换热量的装置，利用电堆 排出的温度较低的排气，与来自空压机的出气口的具有较高温度的压缩空 气在空空中冷器内进行热量交换，效率高，结构紧凑，简单易行。

(4)本实用新型的集成式空气系统还可以将加湿器集成到分水单元 中，进一步提高了集成式空气系统的集成度，使降低了燃料电池向的能耗， 成本低。

(5)本实用新型的集成式空气系统中，空压机和膨胀机(即涡轮器) 分开，涡轮器可单独发电，操作更加灵活。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步 理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构 成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型的车用燃料电池的集成式空气系统的一种实施方案 的结构示意图；

图2是分水单元的一种实施方案的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、空压机；2、电机；3、涡轮器；4、空空中冷器；401、气室进气 口；402、气室出气口；403、冷却管路出气口；404、冷却管路进气口； 405、气室；406、冷却管路；407、分水单元；408、成束的中空纤维膜； 409、封端结构；410、加湿空气入口；411、加湿空气出口；5、电堆；501、 空气进堆口；502、空气出堆口；6、可变喷嘴涡轮增压器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技 术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型 一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描 述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何 限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非 意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文 另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的 是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、 步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布 置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了 便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘 制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细 讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的 一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是 示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不 同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此， 一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一 步讨论。

一方面，本实用新型提供了车用燃料电池的集成式空气系统，所述集 成式空气系统包括空压机、电机、涡轮器和空空中冷器。

所述电机的输出轴一端与所述空压机连接和另一端与所述涡轮器连 接。

所述空空中冷器包括气室和设置在所述气室内的冷却管路，所述空空 中冷器设有与所述空压机的出气口连通的气室进气口和用于与电堆的空 气进堆口连通的气室出气口，所述空空中冷器还设有用于与所述电堆的空 气出堆口连通的冷却管路进气口和与所述涡轮器连通的冷却管路出气口。

所述空空中冷器还包括分水单元，所述水分单元设置在所述空空中冷 器的底部并且与所述冷却管路连通。

如图1所示，本实用新型的集成式空气系统包括空压机1、电机2、 涡轮器3和空空中冷器4。

电机2的输出轴一端与空压机1连接和另一端与涡轮器3连接。

空空中冷器4包括气室405和设置在气室405内的冷却管路406，空 空中冷器4设有与空压机1的出气口连通的气室进气口401和用于与电堆 5的空气进堆口501连通的气室出气口402，空空中冷器4还设有用于与 电堆5的空气出堆口502连通的冷却管路进气口404和与涡轮器3连通的 冷却管路出气口403。

空空中冷器4还包括分水单元407，水分单元407设置在空空中冷器 4的底部并且与冷却管路406连通。

图1中，箭头表示气体(物流)的流动方向。

电堆5是氢气与氧气进行化学反应、将化学能转化为电能的场所。空 压机1用于向电堆5输送压缩空气，以保证电堆反应正常进行。空空中冷 器4中，来自空压机1的压缩空气进入并被冷却以降低压缩空气的温度， 提高压缩空气的密度，以提高进入电堆5内的进气流量，提高发电效率。

来自空气出堆口502的排气具有一定的压力和温度，仍带有较大的能 量。来自空气出堆口502的排气进入冷却管路406，对压缩空气进行冷却， 自身温度升高，然后再导入到涡轮器3中，用以推动空压机1的旋转，提 高了排气能量的利用率，从而达到节约能量的目的。同时，采用来自空气 出堆口502的排气冷却压缩空气，可以减少甚至不设置额外的中冷器就可 将压缩空气冷却至目标温度，缩小或减少了集成式空气系统的零部件，从 而降低压缩空气进入冷却装置时的温度，进而降低了冷却装置在对压缩空 气进行降温时的能量消耗，提升了燃料电池的发电效率。同时，通过设置 分水单元可以降低来自电堆的空气出堆口的排气的相对湿度，减少液体水 含量，对涡轮器冲击小，提高了系统的可靠性。本实用新型的集成式空气 系统还可以将加湿器集成到分水单元中，进一步提高了集成式空气系统的 集成度，使降低了燃料电池向的能耗，成本低。另外，采用空空中冷器作 为交换热量的装置，利用电堆排出的温度较低的排气，与来自空压机的出 气口的具有较高温度的压缩空气在空空中冷器内进行热量交换，效率高， 结构紧凑，简单易行。

本实用新型中，电堆是指氢燃料电池电堆。

在本实用新型的一个实施例中，空压机1可以是一级离心空压机或二 级离心空压机。本实用新型的一个优选实施例中采用一级离心空压机，由 此在基本可以保证进入电堆5的压缩空气的压力的情况下，结构简单，可 靠性高，更易于实现。

当然，本实用新型中可以采用本领域中已知的常规空压机及其布置， 本实用新型对其没有特殊要求。

在本实用新型的一个实施例中，空空中冷器4包括第一端部和第二端 部，气室405设置在第一端部和第二端部之间，第一端部和第二端部经由 冷却管路406连通；第一端部经由隔板被分隔成进气端部和出气端部，冷 却管路进气口404经由进气端部与冷却管路406连通，冷却管路出气口403 经由出气端部与冷却管路406连通；第二端部为分水单元407。

在本实用新型的一个实施例中，分水单元407包括成束的中空纤维膜 408、2个封端结构409、加湿空气入口410和加湿空气出口411，成束的 中空纤维膜408设置在分水单元407内，加湿空气入口410和加湿空气出 口411设置在分水单元407的侧壁上，成束的中空纤维膜408的两端由2 个封端结构409封端并分别与加湿空气入口410和加湿空气出口411连通。

本实用新型中，可以采用本领域中常规的中空纤维膜来形成成束的中 空纤维膜408。

在本实用新型的一个实施例中，分水单元407的底部设有用于排出水 分单元407中液态水的排水阀。

在本实用新型的一个实施例中，集成式空气系统还包括辅助中冷器， 辅助中冷器的空气进口与气室出气口402连通，辅助中冷器的空气出口与 空气进堆口501连通。在本实用新型的一个具体实施例中，辅助中冷器为 水冷式中冷器。

在本实用新型的另一个实施例中，集成式空气系统未设置额外的中冷 器。

在本实用新型的一个实施例中，集成式空气系统还包括可变喷嘴涡轮 增压器(VNT)6，可变喷嘴涡轮增压器6的进气口与涡轮器3连通。本 实用新型中，通过设置可变喷嘴涡轮增压器6，便于调节进入涡轮器3中 的排气的压力。

另一方面，本实用新型还提供了车用燃料电池。

本实用新型的车用燃料电池包括电堆5和车用燃料电池的集成式空气 系统，电堆5的空气进堆口501与气室出气口402连通，电堆5的空气出 堆口502与冷却管路进气口404连通。

另外，本实用新型的车用燃料电池还可以包括诸如电堆冷却系统的其 他部件。本实用新型可以采用本领域中已知的其他部件。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、 左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或 位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实 用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相 对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、 “在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中 所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的 是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或 操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在 其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语 “在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该 器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这 里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件， 仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没 有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新 型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡 在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.车用燃料电池的集成式空气系统，其特征在于，所述集成式空气系统包括空压机(1)、电机(2)、涡轮器(3)和空空中冷器(4)；其中，

所述电机(2)的输出轴一端与所述空压机(1)连接和另一端与所述涡轮器(3)连接；

所述空空中冷器(4)包括气室(405)和设置在所述气室(405)内的冷却管路(406)，所述空空中冷器(4)设有与所述空压机(1)的出气口连通的气室进气口(401)和用于与电堆(5)的空气进堆口(501)连通的气室出气口(402)，所述空空中冷器(4)还设有用于与所述电堆(5)的空气出堆口(502)连通的冷却管路进气口(404)和与所述涡轮器(3)连通的冷却管路出气口(403)；

所述空空中冷器(4)还包括分水单元(407)，所述分水单元(407)设置在所述空空中冷器(4)的底部并且与所述冷却管路(406)连通。

2.根据权利要求1所述的车用燃料电池的集成式空气系统，其特征在于，所述空空中冷器(4)包括第一端部和第二端部，所述气室(405)设置在所述第一端部和所述第二端部之间，所述第一端部和所述第二端部经由所述冷却管路(406)连通；所述第一端部经由隔板被分隔成进气端部和出气端部，所述冷却管路进气口(404)经由所述进气端部与所述冷却管路(406)连通，所述冷却管路出气口(403)经由所述出气端部与所述冷却管路(406)连通；所述第二端部为所述分水单元(407)。

3.根据权利要求2所述的车用燃料电池的集成式空气系统，其特征在于，所述分水单元(407)包括成束的中空纤维膜(408)、2个封端结构(409)、加湿空气入口(410)和加湿空气出口(411)，所述成束的中空纤维膜(408)设置在所述分水单元(407)内，所述加湿空气入口(410)和所述加湿空气出口(411)设置在所述分水单元(407)的侧壁上，所述成束的中空纤维膜(408)的两端由2个所述封端结构(409)封端并分别与所述加湿空气入口(410)和所述加湿空气出口(411)连通。

4.根据权利要求3所述的车用燃料电池的集成式空气系统，其特征在于，所述分水单元(407)的底部设有用于排出所述分水单元(407)中液态水的排水阀。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的车用燃料电池的集成式空气系统，其特征在于，所述空压机(1)是一级离心空压机。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的车用燃料电池的集成式空气系统，其特征在于，所述集成式空气系统还包括辅助中冷器，所述辅助中冷器的空气进口与所述气室出气口(402)连通，所述辅助中冷器的空气出口与所述空气进堆口(501)连通。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的车用燃料电池的集成式空气系统，其特征在于，所述集成式空气系统还包括可变喷嘴涡轮增压器(6)，所述可变喷嘴涡轮增压器(6)的进气口与所述涡轮器(3)连通。

8.车用燃料电池，其特征在于，所述车用燃料电池包括电堆(5)和如权利要求1至7中任一项所述的车用燃料电池的集成式空气系统，所述电堆(5)的空气进堆口(501)与气室出气口(402)连通，所述电堆(5)的空气出堆口(502)与冷却管路进气口(404)连通。

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