CN217848007U - 一种空气系统与一种燃料电池发动机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种空气系统与一种燃料电池发动机，其中，空气系统应用于燃料电池发动机，包括进堆空气管路、出堆空气管路、空压机、热交换器、中冷器、加湿器和气水分离器，进堆空气管路在沿进气方向上依次串接空压机、热交换器、中冷器和加湿器，出堆空气管路在沿出气方向上依次串接加湿器、热交换器和气水分离器，进堆空气管路内的进堆空气与出堆空气管路内的废气能够通过热交换器进行热交换。本方案利用反应后的废气与高温新鲜空气进行热量交换，提升了废气的能量且降低了废气的相对湿度，从而降低对气水分离器的分离要求；同时，新鲜的高温进堆空气在进入中冷器之前经过前置降温，降低了对中冷器冷却能力的需求，提升了燃料电池发动机的效率。

Description

一种空气系统与一种燃料电池发动机

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种空气系统与一种燃料电池发动机。

背景技术

燃料电池将氢气的化学能转化为电能，在此过程中需要将空气源源不断地输入到燃料电池阴极侧，同阳极通过质子交换膜迁移到阴极侧的质子和经过外部负载的电子反应，生成水和电能。空气作为燃料电池重要的反应物，需要可靠的空气供应，并满足燃料电池系统对空气压力及温度的要求。现有技术中主流的空气供应方式为通过离心式电动空压机将空气增压后进行中冷及加湿后通入电堆进行反应。随着技术进步及提升发动机效率的需求，带涡轮机进行能量回收的空压机将成为燃料电池空气供应的主流路线。涡轮机回收电堆排气的残余能量，降低空压机的功耗，进而提高了燃料电池发动机的效率。

现有的燃料电池发动机空气系统中，新鲜空气被压缩为高压高温气体(温度高达200℃)，经过中冷器降温后，降低为发动机可接受的低温温度(约80℃)，降温后的空气再通过加湿器后进入电堆反应，从电堆反应后排出电堆的气体为含有液态水的饱和低温气体(约90℃)。为了保护高速旋转的涡轮机叶轮，需要利用气水分离器将排出电堆的液态水分离出来后，再将分离的气体进入涡轮机。现有系统需要较大的中冷器对高温气体降温，同时需要高效大体积的气水分离器进行液态水的分离，不利于零部件的小型化以及能量利用。

因此，如何实现空气系统的零部件的小型化以及合理利用能量，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种应用于燃料电池发动机的空气系统，该空气系统能够合理利用能量，实现中冷器和气水分离器的小型化。本实用新型的另一个目的在于提供一种包括上述空气系统的燃料电池发动机。

为了达到上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种空气系统，应用于燃料电池发动机，包括进堆空气管路、出堆空气管路、空压机、热交换器、中冷器、加湿器和气水分离器，所述进堆空气管路在沿进气方向上依次串接所述空压机、所述热交换器、所述中冷器和所述加湿器，所述出堆空气管路在沿出气方向上依次串接所述加湿器、所述热交换器和所述气水分离器，所述进堆空气管路内的进堆空气与所述出堆空气管路内的废气能够通过所述热交换器进行热交换。

优选地，所述空压机包括压气机和涡轮机，所述压气机串接于所述热交换器上游的所述进堆空气管路中，所述涡轮机串接于所述气水分离器下游的所述出堆空气管路中。

优选地，位于所述压气机的上游的所述进堆空气管路设置有空气滤清器。

优选地，位于所述涡轮机的下游的所述出堆空气管路设置有废气后处理装置。

优选地，所述热交换器为套管式热交换器或板式热交换器。

优选地，所述加湿器与所述热交换器之间的所述出堆空气管路通过三通换向阀连通有分支管路，所述分支管路的另一端连接所述气水分离器的进口。

优选地，所述空压机与所述热交换器之间的所述进堆空气管路设置有进气温度传感器，所述进气温度传感器连接有用于控制所述三通换向阀进行换向的阀门控制装置。

优选地，所述加湿器与所述三通换向阀之间的所述出堆空气管路设置有废气温度传感器，所述废气温度传感器连接于所述阀门控制装置。

优选地，所述中冷器与所述加湿器集成为一体。

本实用新型提供的空气系统，应用于燃料电池发动机，包括进堆空气管路、出堆空气管路、空压机、热交换器、中冷器、加湿器和气水分离器，所述进堆空气管路在沿进气方向上依次串接所述空压机、所述热交换器、所述中冷器和所述加湿器，所述出堆空气管路在沿出气方向上依次串接所述加湿器、所述热交换器和所述气水分离器，所述进堆空气管路内的进堆空气与所述出堆空气管路内的废气能够通过所述热交换器进行热交换。

本实用新型的工作原理如下：

外界的新鲜空气经空压机加压后变为高温空气，高温空气经过热交换器之后进入中冷器冷却，冷却后的新鲜进堆空气再经加湿器加湿后进入电堆参与反应，电堆排出的废气为低温湿空气，废气进入加湿器对新鲜进堆空气进行加湿，由加湿器排出的废气再进入热交换器与空压机加压后的高温空气进行热交换，然后，废气温度提升后进入气水分离器分离出液态水。

在上述过程中，废气与进堆空气在热交换器进行热交换后，废气的温度得到提升且相对湿度得到降低，从而减少废气颗粒液滴的数量和粒径，进而降低对气水分离器的分离要求，即，适用于更加小型化的气水分离器。同时，温度提升后的废气可以携带更多的能量进入空压机的涡轮机进行能量回收，从而降低空压机的功耗，提升燃料电池发动机的效率。从空压机排出的高温的新鲜进堆空气经过热交换器后温度降低，然后再进入中冷器进行冷却，从而降低了对中冷器的冷却需求，有利于减小中冷器的热交换面积，进而减小中冷器的体积，同时也减小了中冷器的冷却液需求量，可以使水泵排量降低，进而降低水泵功率，提升燃料电池发动机的效率。

本实用新型还提供了一种燃料电池发动机，包括上述任一种空气系统。该燃料电池发动机产生的有益效果的推导过程与上述空气系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型具体实施例中的空气系统的第一种布置形式示意图；

图2为本实用新型具体实施例中的空气系统的第二种布置形式示意图；

图3为本实用新型具体实施例中的空气系统的第三种布置形式示意图。

图1至图3中的各项附图标记的含义如下：

1-空气滤清器、2-压气机、3-热交换器、4-中冷器、5-加湿器、6-电堆、7-气水分离器、8-进气温度传感器、9-涡轮机、10-三通换向阀、11-进堆空气管路、12-出堆空气管路、13-分支管路、14-废气温度传感器。

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。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。

请参照图1至图3，图1为本实用新型具体实施例中的空气系统的第一种布置形式示意图；图2为本实用新型具体实施例中的空气系统的第二种布置形式示意图；图3为本实用新型具体实施例中的空气系统的第三种布置形式示意图。

本实用新型提供了一种空气系统，应用于燃料电池发动机，该空气系统具体包括进堆空气管路11、出堆空气管路12、空压机、热交换器3、中冷器4、加湿器5和气水分离器7，进堆空气管路11在沿进气方向上依次串接空压机、热交换器3、中冷器4和加湿器5，出堆空气管路12在沿出气方向上依次串接加湿器5、热交换器3和气水分离器7，进堆空气管路11内的进堆空气与出堆空气管路12内的废气能够通过热交换器3进行热交换。

本实用新型的工作原理如下：

外界的新鲜空气经空压机加压后变为高温空气，高温空气经过热交换器3之后进入中冷器4冷却，冷却后的新鲜进堆空气再经加湿器5加湿后进入电堆6参与反应，电堆6排出的废气为低温湿空气，废气进入加湿器5对新鲜进堆空气进行加湿，由加湿器5排出的废气再进入热交换器3与空压机加压后的高温空气进行热交换，然后，废气温度提升后进入气水分离器7分离出液态水。

在上述过程中，废气与进堆空气在热交换器3进行热交换后，废气的温度得到提升且相对湿度得到降低，从而减少废气颗粒液滴的数量和粒径，进而降低对气水分离器7的分离要求，即，适用于更加小型化的气水分离器7。同时，温度提升后的废气可以携带更多的能量进入空压机的涡轮机9进行能量回收，从而降低空压机的功耗，提升燃料电池发动机的效率。从空压机排出的高温的新鲜进堆空气经过热交换器3后温度降低，然后再进入中冷器4进行冷却，从而降低了对中冷器4的冷却需求，有利于减小中冷器4的热交换面积，进而减小中冷器4的体积，同时也减小了中冷器4的冷却液需求量，可以使水泵排量降低，进而降低水泵功率，提升燃料电池发动机的效率。

优选地，空压机包括压气机2和涡轮机9，压气机2串接于热交换器3上游的进堆空气管路11中，涡轮机9串接于气水分离器7下游的出堆空气管路12中。其中，压气机2用于对新鲜空气进行加压，加压后的空气的温度升高。废气经过与压气机2出口的高温气体的热交换之后，温度得到提升，涡轮机9用于对废气的能量进行回收，从而为压气机2提供助力。

优选地，位于压气机2的上游的进堆空气管路11设置有空气滤清器1，用于对进入电堆6的空气进行过滤，确保参与反应的空气的清洁度符合要求。

优选地，位于涡轮机9的下游的出堆空气管路12设置有废气后处理装置，用于对废气进行进一步处理，降低废气中的污染物的含量，确保排放到环境中的废气满足排放标准。

优选地，热交换器3为套管式热交换器或板式热交换器。其中，套管式热交换器结构简单，能承受较高压力，应用很方便，同时，其具备传热系数大、传热推动力大等优点，广泛应用于各个行业中。板式热交换器的体积较小，重量较小，热交换效率较高，也适用于本方案。当然，本实用新型中还可以采用其他形式的热交换器3，本领域技术人员可以根据具体需要进行设置，本文不再一一列举。

优选地，加湿器5与热交换器3之间的出堆空气管路12通过三通换向阀10连通有分支管路13，分支管路13的另一端连接气水分离器7的进口。通过三通换向阀10的换向动作，可以控制废气的流向，即，当废气从加湿器5流出后可以通过三通换向阀10流向热交换器3或气水分离器7。当外界环境温度较低时，经过压气机2压缩后的空气的温度可能较低，而由电堆6排出的废气的温度可能高于压缩后的空气的温度，此时，如果仍将废气流向热交换器3，那么，废气的热量会传递给压缩后的空气，此时，不利于压缩后空气的进一步降温，反而起到了相反的作用，因此，此时可通过切换三通换向阀10并使废气流向气水分离器7，从而避免对压缩后空气的升温作用。

优选地，空压机与热交换器3之间的进堆空气管路11设置有进气温度传感器8，进气温度传感器8连接有用于控制三通换向阀10进行换向的阀门控制装置。进气温度传感器8可以实时监测压缩后空气的温度，阀门控制装置可以根据进气温度传感器8反馈的温度值判断压缩后的空气是否需要废气对其换热，例如，当外界环境温度较低时，且压缩后的空气温度小于等于预设温度时，阀门控制装置判断压缩后的空气不需要与废气进行换热，此时，阀门控制装置控制三通换向阀10换向至分支管路13导通的位置，废气则直接通过分支管路13进入气水分离器7；当压缩后的空气温度大于预设温度时，阀门控制装置控制三通换向阀10换向至与热交换器3导通的位置，废气则经过热交换器3与压缩后的空气进行换热，从而实现对压缩后的空气进行降温。其中，阀门控制装置可以采用单独设置的单片机控制器，也可以采用车辆自带的整车控制器等。

进一步优选地，加湿器5与三通换向阀10之间的出堆空气管路12设置有废气温度传感器14，废气温度传感器14连接于阀门控制装置。此时，在系统运行过程中，不仅利用进气温度传感器8实时监测压缩后的空气的温度，而且还利用废气温度传感器14实时监测由电堆6排出的并且经过加湿器5之后的废气的温度，阀门控制装置可以根据这两个实时监测的温度值更加准确地做出判断。具体的，当进气温度传感器8监测的温度值小于等于废气温度传感器14监测的温度值时，控制三通换向阀10换向至与分支管路13导通的位置，此时不需要废气与进堆空气进行换热；当进气温度传感器8监测的温度值大于废气温度传感器14监测的温度值时，控制三通换向阀10换向至与热交换器3导通的位置，此时，利用温度较低的废气对温度较高的进堆空气进行降温。

优选地，中冷器4与加湿器5集成为一体。由于整车为燃料电池发动机提供的布置空间十分有限，传统的中冷器与加湿器为分体式设计，这样会增加加湿器与中冷器之间的管路空间，导致燃料电池发动机的布置空间需求变大，因此，本方案中将中冷器4与加湿器5集成在一起，不仅可以大大减小其占用的空间，便于燃料电池发动机的整体布置，而且还可以增加加湿器5内部管路的接触面积，提高加湿器5的增湿效率。

本实用新型具有以下有益效果：

1)本实用新型通过在中冷器4的前端布置热交换器3，用于反应后的废气与高温的新鲜空气进行能量交换，提升了废气的能量及降低了废气的相对湿度，进而降低了对气水分离器7的分离要求，相比于现有技术，本方案的气水分离器7不用长时间工作在高温环境中，因此，气水分离器7不必使用耐热性能更好的电磁阀，仅仅电磁阀的成本就节省了很多，使发动机的成本更低；

2)本方案使高温新鲜空气在进入中冷器4之前进行了前置降温，因此，降低了对中冷器冷却能力的需求，相比于现有技术，本方案的中冷器4的体积减小了1/4，并且提升了发动机的效率。

本实用新型还提供了一种燃料电池发动机，包括上述任一种空气系统。该燃料电池发动机产生的有益效果的推导过程与上述空气系统带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种空气系统，应用于燃料电池发动机，其特征在于，包括进堆空气管路、出堆空气管路、空压机、热交换器、中冷器、加湿器和气水分离器，所述进堆空气管路在沿进气方向上依次串接所述空压机、所述热交换器、所述中冷器和所述加湿器，所述出堆空气管路在沿出气方向上依次串接所述加湿器、所述热交换器和所述气水分离器，所述进堆空气管路内的进堆空气与所述出堆空气管路内的废气能够通过所述热交换器进行热交换。

2.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，所述空压机包括压气机和涡轮机，所述压气机串接于所述热交换器上游的所述进堆空气管路中，所述涡轮机串接于所述气水分离器下游的所述出堆空气管路中。

3.根据权利要求2所述的空气系统，其特征在于，位于所述压气机的上游的所述进堆空气管路设置有空气滤清器。

4.根据权利要求2所述的空气系统，其特征在于，位于所述涡轮机的下游的所述出堆空气管路设置有废气后处理装置。

5.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，所述热交换器为套管式热交换器或板式热交换器。

6.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，所述加湿器与所述热交换器之间的所述出堆空气管路通过三通换向阀连通有分支管路，所述分支管路的另一端连接所述气水分离器的进口。

7.根据权利要求6所述的空气系统，其特征在于，所述空压机与所述热交换器之间的所述进堆空气管路设置有进气温度传感器，所述进气温度传感器连接有用于控制所述三通换向阀进行换向的阀门控制装置。

8.根据权利要求7所述的空气系统，其特征在于，所述加湿器与所述三通换向阀之间的所述出堆空气管路设置有废气温度传感器，所述废气温度传感器连接于所述阀门控制装置。

9.根据权利要求1所述的空气系统，其特征在于，所述中冷器与所述加湿器集成为一体。

10.一种燃料电池发动机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的空气系统。

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