CN216054827U - 一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统，至少包括依次设置的空气滤清器、空压机、板式膜富氧器、中冷器以及膜加湿器，空压机置于空气滤清器下游，板式膜富氧器置于空压机下游；中冷器置于板式膜富氧器下游，中冷器与板式膜富氧器和膜加湿器集成为一个整体。本技术方案通过采用板式膜富氧器将空压机压缩后的空气分离出的富氧气体进入中冷器，集成式设计极大节省了燃料电池系统的体积，降低热管理系统负担和零部件要求，减少整机的重量和零部件，减小了成本，便于质量监控，也提高了系统稳定性；利用双腔冷却空气，对压缩空气预降温后辅以液冷，降低冷却负担的同时提高尾气温度；高温尾气进入膨胀机进行能量回收，节能减排。

Description

一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池系统领域，具体为一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统。

背景技术

燃料电池作为一种清洁环保高效的能量转换装置，随着燃料电池技术的逐渐成熟，越来越受到各个国家的重视，尤其在我国获得飞速发展，其应用范围也越来越广。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有环保、高效、启动速度快、功率密度大等优点，是未来交通动力系统的主要竞争者之一，当氢气和空气中的氧气通过质子交换膜在催化剂的作用下进行电化学反应发电时为了提高发电效率，通常对空气进行压缩，主要目的是提高氧气的浓度从而实现有限反应体积下氢气与氧气更多的接触机会从而提高反应效率。目前的燃料电池发动机系统通常设有空气滤清器，空压机，中冷器，膜加湿器，空气依次经过上述部件经过过滤、压缩、降温、增湿后进入电堆。现有燃料电池系统体积大，消耗功率多，极大增加系统负担，增加成本，且浪费严重，空气中不参与反应的氮气含量过高，增加了中冷器、增湿器的负担。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统，以解决上述问题。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统，通过集成板式膜富氧器与中冷器、膜加湿器集成，节省系统体积，降低系统负担，解决背景技术中的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统，至少包括依次设置的空气滤清器、空压机、板式膜富氧器、中冷器以及膜加湿器，其中，所述空压机置于所述空气滤清器下游，所述空气滤清器将空气过滤后进入所述空压机压缩，形成压缩气体；所述板式膜富氧器置于所述空压机下游，对压缩气体进行氮氧分离去除部分氮气，分离出富氧气体；所述中冷器置于所述板式富氧器下游，所述中冷器与所述板式膜富氧器和所述膜加湿器集成为一个整体，所述中冷器位于所述板式富氧器与所述膜加湿器之间，所述板式膜富氧器分离后的富氧气体导入所述中冷器进行降温；降温后再进入所述膜加湿器中增湿。

进一步的，所述板式膜富氧器至少包括空气端板、富氧端板、流场板以及分离膜组件；其中所述空气端板和所述富氧端板位于板式膜富氧器的两端面，两者之间通过螺栓连接；所述空气端板上设置空气接口与所述空压机连通，所述富氧端板上设置富氧出口接口和氮气出口接口；所述富氧出口接口连通所述中冷器；所述流场板与所述分离膜组件设置于所述富氧端板和所述空气端板之间，且所述流场板和所述分离膜组件之间间隔设置，所述流场板与所述分离膜组件上对应设置有可供气体流通的通道。

进一步的，所述中冷器与所述板式膜富氧器及所述膜加湿器一体式集成的结构中，在所述膜加湿器上未与所述中冷器连接的一侧设置有一导流端盖，所述导流端盖与电堆连通，将增湿后的气体导入电堆中。

进一步的，所述中冷器采用气液双冷式中冷器，该中冷器至少包括冷却腔和散热管，所述冷却腔内具有相邻设置的气冷腔和液冷腔两个冷却空间；所述散热管位于所述冷却腔内部，并贯穿所述气冷腔和液冷腔。

进一步的，所述冷却腔中所述气冷腔和所述液冷腔的两端分别设置有冷却介质进出口，所述冷却腔内的介质来自燃料电池冷却系统内部，其中，所述气冷腔冷却介质为气体，采用的是所述膜加湿器排出的废气；所述液冷腔冷却介质为冷却液，来自于系统冷却循环水路。

进一步的，所述冷却腔中两个冷却腔体的设置位置为：所述气冷腔位于所述液冷腔上游，高温气体首先经过所述气冷腔进行预降温，再经过液冷腔补充降温，最后降至合适温度。

进一步的，所述气冷腔和液冷腔的降温可采用单一的所述气冷腔进行降温，当所述气冷腔降温不能达到燃料电池系统要求时，通过液冷腔补充降温。

进一步的，所述膜加湿器至少包括壳体，所述壳体的两侧设有加湿介质进出口，在所述壳体内部设置导流腔体，加湿介质进出口连通所述导流腔体；在所述壳体内部两侧所述导流腔体之间设有加湿模组，所述加湿模组至少设置有加湿膜管；所述壳体一侧与所述导流端盖连接。

进一步的，所述中冷器与所述板式膜富氧器及所述膜加湿器一体式集成，所述板式膜富氧器与所述中冷器连通，所述中冷器与所述膜加湿器连通，所述中冷器内部所述散热管管口与所述膜加湿器内部的所述加湿膜管直接连通，分离后的富氧干空气由所述导流端盖进入所述中冷器后，首先经过所述散热管经过所述气冷腔，再经过所述液冷腔，冷却后进入所述加湿膜管，经过加湿模组加湿后由加湿器导入电堆。

进一步的，所述中冷器上具有高温气体出口，所述高温气体出口连通膨胀机，由所述膨胀机进行能量回收。

通过实施上述本实用新型提供的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，具有如下技术效果：

(1)本技术方案通过采用板式膜富氧器，将板式膜富氧器置于空压机之后，中冷器之前，将空压机出来的压缩空气分离去除部分氮气形成富氧气体再进入中冷器，降低中冷器及膜加湿器的负担，降低热管理系统负担和零部件要求；

(2)本技术方案将中冷器和板式膜富氧器及膜加湿器集成为一体，极大节省了燃料电池系统的体积，减少整机的重量和零部件，减小了成本，便于质量监控，也提高了系统稳定性；

(2)本技术方案中利用双腔冷却空气，对压缩空气预降温后辅以液冷，降低冷却负担的同时提高尾气温度；

(3)本技术方案高温尾气进入膨胀机进行能量回收，节能减排。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果：

图1是本实用新型实施例中板式膜富氧器中置式燃料电池系统结构示意图；

图2是图1中板式膜富氧器结构示意图；

图3是图1中中冷器结构示意图；

图4是图1中中冷器与膜加湿器集成结构示意图；

图中：

1、空气滤清器；2、空压机；3、中冷器；30、导流端盖；31、气冷腔；32、液冷腔；33、散热管；34、冷却介质进口；35、冷却介质出口；36、高温气体出口； 4、板式膜富氧器；40、空气端板；41、富氧端板；42、空气接口；43、富氧出口接口；44、空气流场板；45、富氧流场板；46、分离膜组件；47、螺栓；48、氮气出口接口；5、膜加湿器；50、电堆；51、壳体；6、膨胀机；

附图中箭头表示其他流向。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

下面采用实施例详细描述本实用新型的技术方案。

如图1所示是一种板式膜富氧器4中置式燃料电池系统，至少包括依次设置的空气滤清器1、空压机2、板式膜富氧器4、中冷器3以及膜加湿器5，其中，空压机2置于空气滤清器1下游，空气滤清器1将空气过滤后进入空压机2进行压缩，形成压缩气体；板式膜富氧器4置于空压机2下游，对压缩气体进行氮氧分离，分离出富氧气体；中冷器3置于板式膜富氧器4下游，中冷器3与板式膜富氧器4 及膜加湿器5集成为一个整体，中冷器3对板式膜富氧器4进入的富氧气体进行降温后，进入膜加湿器5中增湿。

如图2所示，板式膜富氧器4至少包括空气端板40、富氧端板41、流场板以及分离膜组件46；其中空气端板40和富氧端板41位于板式膜富氧器4的两端面，两者之间通过螺栓47连接；空气端板40上设置空气接口42与空压机2连通，富氧端板41上设置富氧出口接口43和氮气出口接口48；富氧出口接口43与中冷器 3连通，流场板与分离膜组件46设置于富氧端板41和空气端板40之间，且流场板和分离膜组件46之间间隔设置，流场板与分离膜组件46上对应设置有可供气体流通的通道，流场板具有A、B两个相反的板面，其中，A板面设置为空气流场板 44；B板面设置为富氧流场板45。

如图3-4所示，中冷器3与板式膜富氧器4及膜加湿器5一体式集成的结构中，在膜加湿器5上未连接中冷器3的一侧设置有一导流端盖30，该导流端盖30与电堆连通，将增湿后的气体导入电堆中。

中冷器3采用气液双冷式中冷器3，该中冷器3至少包括冷却腔和散热管33，冷却腔内具有相邻设置的气冷腔31和液冷腔32两个冷却空间；散热管33位于冷却腔内部，并贯穿气冷腔31和液冷腔32。

冷却腔中气冷腔31和液冷腔32的两端分别设置有冷却介质进出口(34、35)，冷却腔32内的介质来自燃料电池冷却系统内部，其中，气冷腔31冷却介质为气体，采用的是膜加湿器5排出的废气；液冷腔32冷却介质为冷却液，来自于系统冷却循环水路。

冷却腔中两个冷却腔体的设置位置为：气冷腔31位于液冷腔32上游，高温气体首先经过气冷腔31进行预降温，再经过液冷腔32补充降温，最后降至合适温度。

气冷腔31和液冷腔32的降温可采用单一的气冷腔31进行降温，当气冷腔31 降温不能达到燃料电池系统要求时，通过液冷腔32补充降温。

膜加湿器5至少包括壳体51，壳体51的两侧设有加湿介质进出口，在壳体51 内部设置导流腔体，加湿介质进出口连通导流腔体；在壳体51内部两侧导流腔体之间设有加湿模组(附图未显示)，加湿模组至少设置有加湿膜管；壳体51一侧与导流端盖30连接。

中冷器3与板式膜富氧器4及膜加湿器5一体式集成，中冷器3与板式膜富氧器4连通，中冷器3与膜加湿器5连通，中冷器3内部散热管33管口与膜加湿器 5的加湿膜管直接连通，板式膜富氧器4分离出的富氧干空气由导流端盖30进入中冷器3后，首先经过散热管33经过气冷腔31，再经过液冷腔32，冷却后进入加湿膜管，经过加湿模组加湿后由膜加湿器5导入电堆50。

中冷器3上具有高温气体出口36，高温气体出口36连通膨胀机6，由膨胀机 6进行能量回收。

基于上述板式膜富氧器中置式燃料电池系统，该板式膜富氧器4将空压机 2出来的压缩空气分离去除部分氮气形成富氧气体再进入中冷器3，降低中冷器3及膜加湿器5的负担，降低热管理系统负担和零部件要求；将中冷器3和板式膜富氧器4及膜加湿器5集成为一体，极大节省了燃料电池系统的体积，减少整机的重量和零部件，减小了成本，便于质量监控，也提高了系统稳定性。

需要补充说明的是，除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”“端”、“侧”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何用途或者适应性变化，这些用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由权利要求书指出。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围的前提下进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，至少包括依次设置的空气滤清器、空压机、板式膜富氧器、中冷器以及膜加湿器，其中，所述空压机置于所述空气滤清器下游，所述板式膜富氧器置于所述空压机下游；所述中冷器置于所述板式富氧器下游，所述中冷器与所述板式膜富氧器和所述膜加湿器集成为一个整体，所述中冷器位于所述板式富氧器与所述膜加湿器之间。

2.如权利要求1所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述板式膜富氧器，至少包括空气端板、富氧端板、流场板以及分离膜组件；其中所述空气端板和所述富氧端板位于板式膜富氧器的两端面，两者之间通过螺栓连接；所述空气端板上设置空气接口与所述空压机连通，所述富氧端板上设置富氧出口接口和氮气出口接口；所述富氧出口接口连通所述中冷器；所述流场板与所述分离膜组件设置于所述富氧端板和所述空气端板之间，且所述流场板和所述分离膜组件之间间隔设置，所述流场板与所述分离膜组件上对应设置有可供气体流通的通道。

3.如权利要求2所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述中冷器与所述板式膜富氧器及所述膜加湿器一体式集成的结构中，在所述膜加湿器上与所述中冷器连接的一侧设置有一导流端盖，所述导流端盖与电堆连通。

4.如权利要求3所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述中冷器采用气液双冷式中冷器，该中冷器至少包括冷却腔和散热管，所述冷却腔内具有相邻设置的气冷腔和液冷腔两个冷却空间；所述散热管位于所述冷却腔内部，并贯穿所述气冷腔和液冷腔。

5.如权利要求4所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述冷却腔中所述气冷腔和所述液冷腔的两端分别设置有冷却介质进出口，所述冷却腔内的介质来自燃料电池冷却系统内部，其中，所述气冷腔冷却介质为气体，采用的是所述膜加湿器排出的废气；所述液冷腔冷却介质为冷却液，来自于系统冷却循环水路。

6.如权利要求5所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述冷却腔中两个冷却腔体的设置位置为：所述气冷腔位于所述液冷腔上游。

7.如权利要求6所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述气冷腔和液冷腔的降温可采用单一的所述气冷腔进行降温，当所述气冷腔降温不能达到燃料电池系统要求时，通过液冷腔补充降温。

8.如权利要求7所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述膜加湿器至少包括壳体，所述壳体的两侧设有加湿介质进出口，在所述壳体内部设置导流腔体，加湿介质进出口连通所述导流腔体；在所述壳体内部两侧所述导流腔体之间设有加湿模组，所述加湿模组至少设置有加湿膜管；所述壳体一侧与所述导流端盖连接。

9.如权利要求8所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述中冷器与所述板式膜富氧器及所述膜加湿器一体式集成，所述板式膜富氧器与所述中冷器连通，所述中冷器与所述膜加湿器连通，所述中冷器内部所述散热管管口与所述膜加湿器内部的所述加湿膜管直接连通。

10.如权利要求9所述的板式膜富氧器中置式燃料电池系统，其特征在于，所述中冷器上具有高温气体出口，所述高温气体出口连通膨胀机进行能量回收。

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