CN215008303U - 利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统及燃料电池系统、车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池领域，具体涉及一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统及燃料电池系统、车辆，包括在与燃料电池电堆的阴极室入口连接的空气进气管路上依次设置有空滤、空压机、中冷器及分子筛，所述分子筛设置在中冷器及燃料电池电堆之间，所述空气出气管路的出口与分子筛下游的空气进气管路相连通形成氧气循环管路；通过在空压机下游设置分子筛，增加分子筛的使用寿命，且能够实现吸附空气中的氮气，提升进入电堆中空气的氧气浓度，从而提高电堆的性能；同时通过氧气循环管路将电堆中的氧气湿度引入电堆，增加入堆气体湿度；另外，脱附的氮气能够直接用于电堆的吹扫，降低吹扫后的氧气残留，避免残留氧气对电堆造成的损害。

Description

利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统及燃料电池系 统、车辆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，具体涉及一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统及燃料电池系统、车辆。

背景技术

氧气是燃料电池的重要反应原料，现有燃料电池系统技术仅利用环境空气作为原料，并不对其进行任何成分处理，现有技术的空气系统由空滤、空压机、中冷器、增湿器组成，并配有节气门和三通阀等调节气体压力，氧气的浓度只能由空气流量中的氧气浓度决定，无法调节。由于氧气浓度的提高可以提高电堆性能，而自然环境中的空气氧含量太低，燃料电池入堆氧气浓度无法提高，限制了电堆的发电功率；而且一般入堆的空气比较干燥，其湿度不方便调节，或者调节湿度需要耗费较大功率，浪费成本且增大了整体能耗；另外，在吹扫电堆时，现有技术电堆的吹扫模式采用空气吹扫，吹扫后会有空气中的氧气残留，而氧气残留则会对电堆造成损害；上述方法均不利于提高系统效率和可靠性。而现有技术中尚没有能够较好的解决燃料电池系统调节空气中氧浓度的技术方案。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本实用新型实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统及燃料电池系统、车辆，利用分子筛分离技术解决了燃料电池阴极中氧含量对电堆的限制及入堆氧气湿度的问题。

作为本实用新型实施例的一个方面，提供了一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，包括与燃料电池电堆的阴极室入口连接的空气进气管路及与燃料电池电堆的阴极室出口连接的空气出气管路，所述空气进气管路上设置有空滤、空压机、中冷器及分子筛，所述空滤、空压机及中冷器依次连接，所述分子筛设置在中冷器及燃料电池电堆之间，所述分子筛还设置有与氮气脱附管路连接的脱气口，所述空气出气管路的出口与分子筛下游的空气进气管路相连通形成氧气循环路。

进一步地，所述氮气脱附管路包括氮气吹扫支路，所述氮气吹扫支路的两端分别与分子筛及燃料电池电堆的阴极室入口相连通。

进一步地，所述氮气脱附管路包括氮气尾排支路，所述氮气尾排支路的两端分别与分子筛及燃料电池电堆的氢气尾排管路相连通。

进一步地，所述氧气循环燃料电池空气处理系统还包括空气补充路，所述空气补充路的进气口设置在空压机与中冷器之间的空气进气管路，所述空气补充路的出气口设置在分子筛与燃料电池电堆之间的空气进气管路。

进一步地，所述低尾排燃料电池空气处理系统还包括空气补充路及增湿器，所述增湿器设置分子筛与电堆之间，所述空气补充路的进气口设置在空压机与中冷器之间的空气进气管路，所述空气补充路的出气口设置在分子筛与增湿器之间的空气进气管路，所述氧气循环路的出气口与增湿器相连通。

进一步地，所述分子筛至少包括第一分子筛及第二分子筛，所述第一分子筛与第二分子筛并联。

进一步地，所述氧气循环路上还设置有氧气循环泵或引射器；所述氮气脱附管路的氮气尾排支路和/或所述氮气吹扫支路上设置有三通阀。

进一步地，所述第一分子筛及第二分子筛分别与氮气脱附管路及空压机阀门之间设置阀门，第一分子筛与空压机连通时，第二分子筛与氮气脱附管路连通；第二分子筛与空压机连通时，第一分子筛与氮气脱附管路连通。

作为本实用新型实施例的又一个方面，提供了还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的阴极室入口与上述任意一实施例所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统的空气进气管路相连通。

作为本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种车辆，所述车辆包括如上任意一项实施例所述的燃料电池系统。

本实用新型实施例能够至少部分实现如下技术效果：

本实用新型将分子筛设置在空压机的下游，分子筛与空压机之间设置中冷器，从而实现利用分子筛吸附通过中冷器的空气，使氮气从空气中分离被吸附到分子筛，提升进入电堆中空气的氧气浓度，从而提高电堆的性能；将空压机设置在分子筛之前，分子筛的工作效率更高，寿命更长；而且，通过氧气循环管路能够有效的利用燃料电池排出的氧气中的水分，将电堆中的氧气湿度循环引入电堆，从而增加入堆气体湿度。另外，被吸附在分子筛的氮气还能够通过调节压力被脱附，脱附的氮气能够直接用于电堆的吹扫，降低吹扫后的氧气残留，避免残留氧气对电堆造成的损害；本实用新型还可以结合分子筛和空气补充路调节入堆氧气流量，使燃料电池的控制更灵活。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所记载的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型一实施例的利用分子筛的燃料电池阴极处理系统的示意图。

图2为本实用新型一实施例的利用分子筛的燃料电池阴极控制方法的流程图。图3为本实用新型一实施例的利用分子筛的低尾排燃料电池阴极处理系统的示意图。

图4为本实用新型一实施例的利用分子筛的低尾排燃料电池阴极控制方法的流程图。

图5为本实用新型一实施例的利用分子筛的氧气循环燃料电池阴极处理系统的示意图。

图6为本实用新型一实施例的利用分子筛的氧气循环燃料电池阴极控制方法的流程图。

附图说明：1、燃料电池电堆；2、空气进气管路；3、氮气脱附管路；4、空气补充路；5、氢气尾排管路；6、氧气循环路；21、空滤；22、空压机；23、分子筛；24、中冷器；25、增湿器；31、氮气排出支路；32、氮气吹扫支路；33、氮气尾排支路。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

附图和以下说明描述了本实用新型的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本实用新型。为了教导本实用新型技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本实用新型的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本实用新型的多个变型。

分子筛的吸附分离技术已在医疗、工业等多方面得到应用，分子筛吸附是一个物理过程，分子的偶极距越大，被吸引和吸附的越牢，氮和氧都是四极矩，且氮的四极距比氧大很多，因此，氮原子与阳离子之间的作用力更强，而被优先吸附。因此，分子筛能够利用混合气体中各组分差异来实现分离，分子筛不仅具有选择吸附性，而且其对吸附质的吸附量随吸附压力的变化而变化，当吸附质分压升高时，吸附剂对吸附质的吸附量增大；分压降低时，吸附量减小。本实用新型实施例将分子筛的特性与燃料电池系统的入堆空气相结合，能够在采用大气空气的基础上更好的利用氮气及氧气的特性，提高燃料电池系统的效率和可靠性。

实施例1

在本实施例中，提供了一种利用分子筛的燃料电池空气处理系统，参见附图1，所述燃料电池空气处理系统包括与燃料电池电堆1的阴极室入口连接的空气进气管路2，所述空气进气管路2上设置有空滤21、空压机22、中冷器24及分子筛23，所述空滤21、空压机22及中冷器24依次连接，所述分子筛23设置在中冷器24及燃料电池电堆1之间，所述分子筛23还与氮气脱附管路3连接。

通过本实施例结构能够通过空压机的吸附力将氮气吸附在分子筛上，分离氮气后，氧气通过空压机进入到电堆，提高了阴极氧气浓度，进而提高了电堆性能；而且，本实施例中空压机设置在分子筛之前，分子筛与空压机之间添加中冷器，能够使分子筛的工作效率更高，寿命更长。本实施例中，还可以设置干燥机等，用于调节入堆气体湿度。

优选地，所述氮气脱附管路3包括氮气吹扫支路32，所述氮气吹扫支路32的两端分别与分子筛23及燃料电池电堆1的阴极室入口相连通。在吹扫模式下，可以将脱附氮气用于吹扫，实现有效的改善原吹扫方案吹扫气体采用空气，而空气中含有氧气这一不利因素，用氮气吹扫可以有效的提高电堆性能。

优选地，所述燃料电池空气处理系统还包括空气补充路4，所述空气补充路4的进气口设置在空压机22与中冷器24之间的空气进气管路2，所述空气补充路4的出气口设置在分子筛23与燃料电池电堆1之间的空气进气管路2。空气补充路4能够有效方便的调节空压机输入燃料电池电堆的氧气的浓度，保证氧气浓度可以调节的范围变大，能够适合不同氧气浓度的需求，也可以通过中冷器及空气补充路调节入堆氧气浓度。

优选地，所述分子筛23至少包括第一分子筛及第二分子筛，所述第一分子筛与第二分子筛并联。由于吸附、脱附会有大的压力波动，通过两个分子筛交替使用能够有效避免压力波动，达到压力平衡。进一步地，分子筛也可以设置为多个并联，例如3、4、5或6个等，或者多个串联之后再进行并联，其安装方式可以根据需要合理配置。

优选地，所述氮气脱附管路3还包括氮气排出支路31，所述氮气排出支路31与大气相连通，所述氮气排出支路31上设置有三通阀。在燃料电池工作模式下，可以同时通过分子筛脱附，分子筛脱附的氮气可以在工作模式下直接排到大气。

优选地，所述空气补充路4还可以设置阀门，可以根据控制阀门的开度调节不同路径的空气进气量。

优选地，所述第一分子筛及第二分子筛分别与氮气脱附管路及空压机阀门之间设置阀门。本实施例中能够实现第一分子筛及第二分子筛单独的开闭，第一分子筛可以单独的与空压机连通，也可以单独的与氮气脱附管路连通，当然也可以通过调节阀门开度调节不同分子筛与各个管路的连通关系，例如可以空压机及阀门开度调节第一分子筛及第二分子筛的吸附压力，也可以每个分子筛23设置不同的压力调节结构。优选地，第一分子筛与空压机连通时，第二分子筛与氮气脱附管路连通；第二分子筛与空压机连通时，第一分子筛与氮气脱附管路连通，实现分子筛的交替使用，保证管路中的压力平衡；且能够在燃料电池阴极不间断工作的前提下，在线实现分子筛的氮气吸附、脱附过程，保证分子筛的持续使用。

本实施例还提供一种利用分子筛的燃料电池空气控制方法，首先进行分子筛23的安装，在与燃料电池电堆的阴极室入口连接的空气进气管路2上依次连通空滤21、空压机22、中冷器24及分子筛23，将所述分子筛23设置在空压机22下游，且分子筛上游设置中冷器，即设置在中冷器24与燃料电池电堆1之间；其中分子筛可以存储在存储罐中，也可以存储在袋体中，也可以安装在管路当中，安装方便，成本低。

安装好之后的控制方法包括：利用空压机的吸附力提升空气进气管路的压力，从而提高分子筛的吸附压力，增加分子筛的吸附力，使分子筛吸附分离空气中的氮气，从而得到氧气浓度提升的吸附后空气，空压机再将所述吸附后空气输入燃料电池电堆的阴极室入口，其中，输入电堆的吸附后空气中的氧气浓度高于大气空气中氧气浓度，而且其浓度可以通过控制空压机的参数进行调节。

优选地，为了保证压力平衡，使系统更稳定，可以将分子筛设置为并联的第一分子筛与第二分子筛，交替使用所述第一分子筛与第二分子筛实现氮气吸附及脱附过程的压力平衡；例如，当第一分子筛吸附到一定程度时，进行分子筛的交替，使第二分子筛处于燃料电池工作模式下进行氮气吸附，而第一分子筛进行氮气脱附，如此反复交替使用，实现燃料电池的平稳运行。

优选地，为了更有利于入口气体中氧气浓度的调节，及扩大调节的范围，还在空压机下游设置空气补充路，所述空气补充路的进气口设置在空压机与中冷器之间的空气进气管路，所述空气补充路的出气口设置在分子筛与燃料电池电堆之间的空气进气管路，通过空气补充路调节进入燃料电池电堆的氧气浓度。也可以通过中冷器进行调节。

优选地，可以通过空压机和其他设备降低分子筛的吸附压力，实现脱附分子筛吸附的氮气；脱附的氮气输入氮气脱附管路，在燃料电池工作模式将氮气通过氮气脱附管路的氮气排出支路排出至大气；在燃料电池吹扫模式将氮气通过氮气脱附管路的氮气吹扫支路输入燃料电池电堆的阴极室入口。

优选地，如图2所示，提供一种利用分子筛的燃料电池空气控制方法，包括：

S101启动燃料电池电堆，开启燃料电池空气处理系统中氮气排出支路的阀门；

S102根据燃料电池电堆性能确定入堆的氧气浓度目标需求；

S103通过控制阀门开度分配空气进气管路进入中冷器与空气补充路的空气流量；

S104按照预设条件控制第一分子筛及第二分子筛与空压机交替连通；

S105判断是否到达吹扫时机，若是，则转至S106；若否，则转至S104；

S106关闭燃料电池空气处理系统中氮气排出支路的阀门；

S107降低空压机转速，减小空压机下游的阀门的开度；

S108确定吹扫结束，关机。

本实施例中，在空气进气管路中将分子筛设置在空压机的下游游，分子筛与空压机之间添加中冷器，还可以添加干燥机等，利用空压机增加其中一分子筛的吸附压力，实现了分子筛大量自动的吸附空气中的氮气；空压机将分子筛吸附后的空气(氧气浓度高)输入燃料电池电堆的阴极室入口；在S101中，可以设置不同的管路，通过控制阀门将经过分子筛的气体匹配进入空压机或排至大气；在S102中，根据电堆性能需要，预先计算提高多少氧气浓度能够对应提高多少电堆性能，在S103中根据预设的目标进行流量的分配，其中，进入中冷器的高温高压气体通过中冷器进行降温后再通过分子筛，可以增加分子筛的使用寿命，分子筛进行氮气的吸附，输出的气体为高浓度的氧气，其氧气浓度可以通过计算或实验获得，通过空气补充路的气体为大气中的空气，其中氧气浓度可知，可以根据预设的氧的浓度需求，分别计算不同管路的气体流量，再根据流量分配阀门开度；在S104步骤中，预设条件可以是预设时间，例如当到达1小时后，切换分子筛阀门，将吸附中的分子筛与氮气排出支路连通，另一分子筛，即脱附后的分子筛与空压机连通，进行交替使用，与氮气排出支路连通的分子筛，由于吸附压力降低，分子筛吸附的氮气自动脱附，并通过氮气脱附管路排出至大气。即分子筛在减压时将吸附的氮气从分子筛脱附下来，排放回环境空气中，再下一次加压时又可以重新吸附氮气从而提升氧气浓度，整个过程形成周期性的动态循环过程；在S106、S107中，在燃料电池吹扫模式下，能够根据吹扫流量需求，利用分子筛脱附的氮气进行吹扫，通过氮气脱附管路的氮气吹扫支路输入燃料电池电堆的阴极室入口，从而避免吹扫中残留氧；其中，缓慢降低空压机转速，及减小空压机下游的阀门的开度，能够避免空压机喘振等现象，保证氮气吹扫过程更稳定。

基于同一实用新型构思，本实施例还提供了一种燃料电池系统、车辆，由于该燃料电池系统、车辆所解决问题的原理与前述实施例的一种利用分子筛的燃料电池空气处理系统相似，因此本实施例的实施可以参见前述一种利用分子筛的燃料电池空气处理系统的实施，重复之处不再赘述。

本实用新型实施例还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的阴极室入口与上述任意一实施例所述的利用分子筛的燃料电池空气处理系统的空气进气管路相连通。本实施例的燃料电池系统能够调节氧气的浓度，具有较高的效率和可靠性。

本实用新型实施例还提供了一种车辆，所述车辆包括如上任意实施例所述的燃料电池系统。

实施例2

基于与实施例1同一实用新型构思，本实施例提供一种利用分子筛的低尾排燃料电池空气处理系统，参考附图3，包括与燃料电池电堆1阴极室入口连接的空气进气管路2，所述空气进气管路2上设置有空滤21、空压机22、中冷器24及分子筛23，所述空滤21、空压机22及中冷器24依次连接，所述分子筛23设置在中冷器24及燃料电池电堆1之间，所述分子筛23还与氮气脱附管路3连接，所述氮气脱附管路3上设置有氮气尾排支路33，所述氮气尾排支路33与燃料电池电堆的氢气尾排管路5相连通。本实施例中，分子筛与空压机之间添加中冷器和干燥机等，不仅能够提高氧气浓度，还能够利用分子筛出来的氮气通过氮气尾排支路降低尾排氢浓度，中冷器还可以通过空气补充路调节入堆氧气浓度。

优选地，所述氮气脱附管路3包括氮气吹扫支路32，所述氮气吹扫支路32的两端分别与分子筛23及燃料电池电堆1的阴极室入口相连通。在吹扫模式下，可以将脱附氮气用于吹扫，实现有效的改善原吹扫方案吹扫气体采用空气，而空气中含有氧气这一不利因素，用氮气吹扫可以有效的提高电堆性能。

优选地，所述低尾排燃料电池空气处理系统还包括空气补充路4，所述空气补充路4的进气口设置在空压机22与中冷器24之间的空气进气管路2，所述空气补充路4的出气口设置在分子筛23与燃料电池电堆1之间的空气进气管路2；空气补充路4将空压机出口空气直接引入电堆能够更有效方便的调节入燃料电池电堆的氧气的浓度，保证氧气浓度可以调节的范围变大，能够适合不同氧气浓度的需求。

优选地，所述低尾排燃料电池空气处理系统还包括空气补充路4及增湿器25，所述增湿器5设置分子筛23与燃料电池电堆1之间，所述空气补充路4的进气口设置在空压机22与中冷器24之间的空气进气管路2，所述空气补充路4的出气口设置在分子筛23与增湿器25之间的空气进气管路2。本实施例中在分子筛后面设置增湿器可以直接提高入堆氧气湿度。

优选地，所述分子筛23至少包括第一分子筛及第二分子筛，所述第一分子筛与第二分子筛并联。由于吸附、脱附会有大的压力波动，通过两个分子筛交替使用能够有效避免压力波动，达到压力平衡。进一步地，分子筛也可以设置为多个并联，或者多个串联之后再进行并联，其安装方式可以根据需要合理配置。

优选地，为了方便控制，例如吹扫模式及正常工作模式的切换，可以分别在氮气脱附管路3、氮气尾排支路33、所述氮气吹扫支路32上设置有三通阀，可以每个管路均安装对应阀门，也可以在其中一个管路上设置一个三通阀。在燃料电池工作模式下，可以同时进行分子筛脱附，分子筛脱附的氮气通过燃料电池电堆的氢气尾排管路输出，从而降低氢气的浓度，提升安全性能。

本实施例还提供一种利用分子筛的低尾排燃料电池空气控制方法，首先，将与燃料电池电堆的阴极室入口连接的空气进气管路上的空滤、空压机中冷器及分子筛依次连接，将所述分子筛设置在中冷器与燃料电池电堆之间；设置所述分子筛的氮气脱附管路，并将其中氮气脱附管路的氮气尾排支路与燃料电池电堆的氢气尾排管路的相连通，使脱附的氮气通过氢气尾排管路排除。

安装好之后的处理流程包括：通过空压机的吸附力增加分子筛的吸附压力，分子筛吸附空气中的氮气，使氮气从空气中分离，分离得到吸附后空气，吸附后空气中的氧气浓度较高，空压机将所述吸附后空气输入燃料电池电堆的阴极室入口；保证入堆的氧气浓度升高且能够控制；当降低分子筛的吸附压力时，分子筛脱附吸附的氮气，将所述脱附的氮气通过氮气脱附管路上设置的氮气尾排支路输入燃料电池电堆的氢气尾排管路。

优选地，为了保证压力平衡，使系统更稳定，可以将分子筛设置为并联的第一分子筛与第二分子筛，交替使用所述第一分子筛与第二分子筛实现氮气吸附及脱附过程的压力平衡；例如，当第一分子筛吸附到一定程度时，进行分子筛的交替，使第二分子筛处于燃料电池工作模式下进行氮气吸附，而第一分子筛进行氮气脱附，如此反复交替使用，实现燃料电池的平稳运行。

优选地，为了更有利于入口气体中氧气浓度的调节，及扩大调节的范围，在燃料电池电堆与分子筛之间设置空气补充路及增湿器，将所述增湿器设置在分子筛与电堆之间，所述空气补充路的进气口设置在空压机与中冷器之间的空气进气管路，所述空气补充路的出气口设置在分子筛与增湿器之间的空气进气管路。

通过空气补充路调节进入燃料电池电堆的氧气浓度。

优选地，可以通过空压机和其他设备降低分子筛的吸附压力，实现脱附分子筛吸附的氮气；脱附的氮气输入氮气脱附管路，在燃料电池工作模式将氮气通过氮气脱附管路的氮气尾排支路输入氢气尾排管路排出；在燃料电池吹扫模式将氮气通过氮气脱附管路的氮气吹扫支路输入燃料电池电堆的阴极室入口。

优选地，如图4所示，提供一种利用分子筛的低尾排燃料电池空气控制方法，包括：

S201启动燃料电池电堆，开启低尾排燃料电池空气处理系统中氮气排出支路的阀门；

S202根据燃料电池电堆性能确定入堆的氧气浓度目标需求；

S203通过控制阀门开度分配空气进气管路进入中冷器与空气补充路的空气流量；

S204将脱附后的氮气通过氢气尾排管路排出；

S205按照预设条件控制第一分子筛及第二分子筛与空压机交替连通；

S206判断是否到达吹扫时机，若是，则转至S207；若否，则转至S205；

S207关闭低尾排燃料电池空气处理系统中氮气排出支路的阀门；

S208降低空压机转速，减小空压机下游的阀门的开度；

S209确定吹扫结束，关机。

本实施例中，分子筛吸附的氮气可以由于降低压力，自行脱附，也可以通过外接的降低压力或其他方式实现脱附，脱附的氮气通过氮气脱附管路上设置的氮气尾排支路输入燃料电池电堆的氢气尾排管路，从而实现减少尾排中氢的浓度。其中在S206到达吹扫时机为燃料电池电堆在要关机状态下，需要避免电堆中含有水存留，影响性能；在S209确定吹扫结束的时机根据燃料电池系统计算不会有水存留或结冰。

基于同一实用新型构思，本实施例还提供了一种燃料电池系统、车辆，由于该燃料电池系统、车辆所解决问题的原理与前述实施例的一种利用分子筛的低尾排燃料电池空气处理系统相似，因此本实施例的实施可以参见前述一种利用分子筛的低尾排燃料电池空气处理系统的实施，重复之处不再赘述。

本实用新型实施例还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的阴极室入口与上述任意一实施例所述的利用分子筛的低尾排燃料电池空气处理系统的空气进气管路相连通。本实施例的燃料电池系统能够调节氧气的浓度，具有较高的效率和可靠性，其能够有效降低氢气排放的浓度。

本实用新型实施例还提供了一种车辆，所述车辆包括如上任意实施例所述的燃料电池系统。

实施例3

基于与实施例1同一实用新型构思，本实施例提供一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，参考附图5，包括与燃料电池电堆1阴极室入口连接的空气进气管路2，及与燃料电池电堆的阴极室出口连接的空气出气管路，所述空气进气管路2上设置有空滤21、空压机22、中冷器24及分子筛23，所述空滤21、空压机22及中冷器24依次连接，所述分子筛23设置在中冷器24及燃料电池电堆1之间，所述分子筛23还设置有与氮气脱附管路3连接的脱气口，所述空气出气管路的出口与空压机下游的空气进气管路相连通形成氧气循环管路6。在本实施例中，提高氧气浓度的同时，还能够通过设计的氧气循环管路更有效的利用氧气，将电堆的氧气湿度引入电堆，从而增加入堆气体增湿。其中氧气循环路可以用氧气循环泵或者引射器等设备更有效的利用了氧气的循环，提高氧气利用率。

优选地，所述氮气脱附管路3包括氮气吹扫支路32，所述氮气吹扫支路32的两端分别与分子筛23及燃料电池电堆1的阴极室入口相连通。在吹扫模式下，可以将脱附氮气用于吹扫，实现有效的改善原吹扫方案吹扫气体采用空气，而空气中含有氧气这一不利因素，用氮气吹扫可以有效的提高电堆性能。

优选地，所述氮气脱附管路3包括氮气尾排支路33，所述氮气尾排支路33的两端分别与分子筛23及燃料电池电堆1的氢气尾排管路5相连通。在正常工作模式下，可以利用分子筛出来的氮气通过氮气尾排支路33降低尾排氢浓度。

优选地，所述低尾排燃料电池空气处理系统还包括空气补充路4，所述空气补充路4的进气口设置在空压机22与中冷器24之间的空气进气管路2，所述空气补充路4的出气口设置在分子筛23与燃料电池电堆1之间的空气进气管路2；空气补充路4将空压机出口高压空气直接引入电堆能够更有效方便的调节入燃料电池电堆的氧气的浓度，保证氧气浓度可以调节的范围变大，能够适合不同氧气浓度的需求。

优选地，所述低尾排燃料电池空气处理系统还包括空气补充路4及增湿器25，所述增湿器5设置分子筛23与燃料电池电堆1之间，所述空气补充路4的进气口设置在空压机22与中冷器24之间的空气进气管路2，所述空气补充路4的出气口设置在分子筛23与增湿器25之间的空气进气管路2。

优选地，所述分子筛23至少包括第一分子筛及第二分子筛，所述第一分子筛与第二分子筛并联。由于吸附、脱附会有大的压力波动，通过两个分子筛交替使用能够有效避免压力波动，达到压力平衡。进一步地，分子筛也可以设置为多个并联，或者多个串联之后再进行并联，其安装方式可以根据需要合理配置。

优选地，为了方便控制，例如吹扫模式及正常工作模式的切换，可以分别在氮气脱附管路3、氮气尾排支路33、所述氮气吹扫支路32上设置有三通阀，可以每个管路均安装对应阀门，也可以在其中一个管路上设置一个三通阀。在燃料电池工作模式下，可以同时进行分子筛脱附，分子筛脱附的氮气通过燃料电池电堆的氢气尾排管路输出，从而降低氢气的浓度，提升安全性能。

本实施例还提供一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气控制方法，首先，将与燃料电池电堆的阴极室入口连接的空气进气管路上的空滤、空压机中冷器及分子筛依次连接，将所述分子筛设置在中冷器与燃料电池电堆之间；设置所述分子筛的氮气脱附管路，并将燃料电池电堆的空气出气管路与设置在所述空压机下游的空气进气管路连通形成氧气循环管路6。

安装好之后的处理流程包括：通过空压机的吸附力增加分子筛的吸附压力，分子筛吸附空气中的氮气，使氮气从空气中分离，分离得到吸附后空气，吸附后空气中的氧气浓度较高，空压机将所述吸附后空气输入燃料电池电堆的阴极室入口，且燃料电池的空气出气管路与空气进气管路连通形成氧气循环管路，氧气循环管路将从电堆排出的湿度较高的氧气带入进气管路，从而提高进入电堆的气体湿度，能够有效为入电堆气体增湿；保证入堆的氧气浓度升高且能够控制；当降低分子筛的吸附压力时，分子筛脱附吸附的氮气，将所述脱附的氮气通过氮气脱附管路排除。

优选地，为了保证压力平衡，使系统更稳定，可以将分子筛设置为并联的第一分子筛与第二分子筛，交替使用所述第一分子筛与第二分子筛实现氮气吸附及脱附过程的压力平衡；例如，当第一分子筛吸附到一定程度时，进行分子筛的交替，使第二分子筛处于燃料电池工作模式下进行氮气吸附，而第一分子筛进行氮气脱附，如此反复交替使用，实现燃料电池的平稳运行。

优选地，为了更有利于入口气体中氧气浓度的调节，及扩大调节的范围，在燃料电池电堆与分子筛之间设置空气补充路及增湿器，将所述增湿器设置在分子筛与电堆之间，所述空气补充路的进气口设置在空压机与中冷器之间的空气进气管路，所述空气补充路的出气口设置在分子筛与增湿器之间的空气进气管路，通过空气补充路调节进入燃料电池电堆的氧气浓度。

优选地，可以通过空压机和其他设备降低分子筛的吸附压力，实现脱附分子筛吸附的氮气；脱附的氮气输入氮气脱附管路，在燃料电池工作模式将氮气通过氮气脱附管路的氮气尾排支路输入氢气尾排管路排出；在燃料电池吹扫模式将氮气通过氮气脱附管路的氮气吹扫支路输入燃料电池电堆的阴极室入口。

优选地，如图6所示，提供一种利用分子筛的氧气循环低尾排燃料电池空气控制方法，包括：

S301启动燃料电池电堆，开启氧气循环燃料电池空气处理系统中氮气排出支路的阀门；

S302根据燃料电池电堆性能确定入堆的氧气浓度目标需求；

S303通过控制阀门开度分配空气进气管路进入中冷器与空气补充路的空气流量；

S304将脱附后的氮气通过氢气尾排管路排出；

S305按照预设条件控制第一分子筛及第二分子筛与空压机交替连通；

S306控制开启氧气循环管路中的阀门，将电堆排出的氧气输入空气进气管路；

S307判断是否到达吹扫时机，若是，则转至S308；若否，则转至S305；

S308关闭氧气循环燃料电池空气处理系统中氮气排出支路的阀门；

S309降低空压机转速，减小空压机下游的阀门的开度；

S310确定吹扫结束，关机。

本实施例中，在S306中，除提高氧气浓度外，还设计了氧气循环管路，能够更有效的利用电堆的氧气湿度为入电堆气体增湿。也可以结合增湿器控制入堆气体湿度，更有利于调节及降低成本。

基于同一实用新型构思，本实施例还提供了一种燃料电池系统、车辆，由于该燃料电池系统、车辆所解决问题的原理与前述实施例的一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统相似，因此本实施例的实施可以参见前述一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统的实施，重复之处不再赘述。

本实用新型实施例还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的阴极室入口与上述任意一实施例所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统的空气进气管路相连通。本实施例的燃料电池系统能够调节氧气的浓度，具有较高的效率和可靠性，且能够保证入堆氧气的湿度。

本实用新型实施例还提供了一种车辆，所述车辆包括如上任意实施例所述的燃料电池系统。

在上述实施例中，可以按照氧气浓度需求匹配对应的分子筛的量或其他参数，从而实现按照需求提高电堆性能，可以利用空气补充路调节入堆氧气浓度，及实现氮气吹扫，降低尾排氢浓度，实施3中还能够实现氧气的循环，更方便地调节入堆气体的湿度。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该实用新型的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，包括与燃料电池电堆的阴极室入口连接的空气进气管路及与燃料电池电堆的阴极室出口连接的空气出气管路，其特征在于，所述空气进气管路上设置有空滤、空压机、中冷器及分子筛，所述空滤、空压机及中冷器依次连接，所述分子筛设置在中冷器及燃料电池电堆之间，所述分子筛还设置有与氮气脱附管路连接的脱气口，所述空气出气管路的出口与分子筛下游的空气进气管路相连通形成氧气循环路。

2.如权利要求1所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，其特征在于，所述氮气脱附管路包括氮气吹扫支路，所述氮气吹扫支路的两端分别与分子筛及燃料电池电堆的阴极室入口相连通。

3.如权利要求1所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，其特征在于，所述氮气脱附管路包括氮气尾排支路，所述氮气尾排支路的两端分别与分子筛及燃料电池电堆的氢气尾排管路相连通。

4.如权利要求1所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，其特征在于，所述氧气循环燃料电池空气处理系统还包括空气补充路，所述空气补充路的进气口设置在空压机与中冷器之间的空气进气管路，所述空气补充路的出气口设置在分子筛与燃料电池电堆之间的空气进气管路。

5.如权利要求1所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，其特征在于，所述氧气循环燃料电池空气处理系统还包括空气补充路及增湿器，所述增湿器设置分子筛与电堆之间，所述空气补充路的进气口设置在空压机与中冷器之间的空气进气管路，所述空气补充路的出气口设置在分子筛与增湿器之间的空气进气管路，所述氧气循环路的出气口与增湿器相连通。

6.如权利要求1所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，其特征在于，所述分子筛至少包括第一分子筛及第二分子筛，所述第一分子筛与第二分子筛并联。

7.如权利要求2所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，其特征在于，所述氧气循环路上还设置有氧气循环泵或引射器；所述氮气脱附管路的氮气尾排支路和/或所述氮气吹扫支路上设置有三通阀。

8.如权利要求6所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统，其特征在于，所述第一分子筛及第二分子筛分别与氮气脱附管路及空压机阀门之间设置阀门，第一分子筛与空压机连通时，第二分子筛与氮气脱附管路连通；第二分子筛与空压机连通时，第一分子筛与氮气脱附管路连通。

9.一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆的阴极室入口与如权利要求1-8任意一项所述的利用分子筛的氧气循环燃料电池空气处理系统的空气进气管路相连通。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求9所述的燃料电池系统。

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