CN218867160U - 一种燃料电池用泵氧进气系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池用泵氧进气系统，包括通过管路依次连接的空气过滤器、气体压缩机、中冷器和加湿器，所述空气过滤器还连接外部供气设备，所述加湿器还连接燃料电池电堆的阴极进气口，在中冷器和加湿器之间还设有分子筛组件。与现有技术相比，本实用新型利用分子筛技术提高燃料电池阴极进气中氧气浓度，降低阴极传质过电势，提高电池性能。

Description

一种燃料电池用泵氧进气系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池用泵氧进气系统。

背景技术

燃料电池是一种利用氢气和氧气发生化学反应的发电装置。其阴极进气一般为空气。空气中氧气的体积分数为0.21。相同条件大电密下，阴极用纯氧作为燃料比用空气时，电池性能提高几十甚至上百毫伏。因此，如何提高阴极进气的氧气纯度显得尤为重要。

目前的燃料电池阴极进气系统一般包括空气过滤器、质量流量计、气体压缩机、中冷器、加湿器等，然后连接电堆并对电堆的阴极端供气，这种进气系统由于并未对空气进行任何提纯处理，所以适用的仍是阴极进气为空气的模式。经检索发现，现在也鲜有对传统燃料电池阴极进气系统进行改进使得其可以实现高纯度的氧气进气的研究。如中国专利CN113067012B公开的HT-PEMFC燃料电池的阴极进气控制系统及方法中，其以氧气的化学计量比为控制策略控制供空气模块的进空气的量实现便捷、低成本的阴极进气控制策略；当外界环境的氧气含量改变时，阴极进气模型使得本方法也具有很好的适用性。该专利也仍集中在对现有空气进气模式控制的调整，并未本质上改变进气中的成分。本实用新型也正是基于此而提出的。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了提供一种燃料电池用泵氧进气系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池用泵氧进气系统，包括通过管路依次连接的空气过滤器、气体压缩机、中冷器和加湿器，所述空气过滤器还连接外部供气设备，所述加湿器还连接燃料电池电堆的阴极进气口，其特征在于，在中冷器和加湿器之间还设有分子筛组件。

进一步的，所述分子筛组件包括若干并联设置的内置分子筛填料的分子筛吸附塔，所述中冷器的出气口还引出若干进气支路并分别对应连接所述分子筛吸附塔，所述分子筛吸附塔的出口还设置汇流合并的出气管路并再连接所述加湿器。

更进一步的，所述分子筛吸附塔包括分子筛塔体，以及设置在分子筛塔体内分子筛填料区，所述分子筛塔体上还设有分别连接所述进气管路和出气管路的塔体进气口和塔体出气口，所述分子筛填料区的一端连通所述塔体进气口，另一端则连通所述塔体出气口。

更优选的，所述分子筛吸附塔为轴向吸附塔或径向吸附塔。

更优选的，所述分子筛填料区由支撑网板围成。

更优选的，所述分子筛吸附塔的塔体出气口处还设有过滤网。

更优选的，所述分子筛填料区内还设有若干密闭通气孔的多孔挡板，且沿分子筛填料区的进气方向，所述多孔挡板呈倾斜设置。

更进一步的，所述进气支路上还设有进气阀，且每条进气支路还侧向引出一条反冲支路，在反冲支路上还设有反冲阀。

更优选的，相邻两个分子筛吸附塔的反冲支路相互连通。

更进一步的，所述分子筛吸附塔的出气管路与加湿器之间还设有缓冲罐与氧传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)与传统燃料电池阴极系统布置相比，增加了分子筛组件。进气氧气浓度可提升至50％以上，性能可提升20％以上。

(2)选用多塔并联分子筛结构，可以满足电堆不同工况气量需求。同时方便控制空间尺寸，可以更好的集成应用。

(3)设计轴向及径向吸附塔，轴向吸附结构简单，径向结构吸附结构稍复杂，但其吸附效率较轴向好。可结合实际工况使用。

(4)在分子筛填充区域设计挡板结构，增加气体与分子筛的接触面积，提高吸附效率，相同效率下，可以使设备尺寸更小，方便系统集成。

附图说明

图1为本实用新型的燃料电池用泵氧进气系统的结构示意图；

图2为分子筛组件的结构示意图；

图3为分子筛吸附塔的轴向布置示意图；

图4为分子筛吸附塔的径向布置示意图；

图5为分子筛填料区中的一种布置多孔挡板的示意图；

图6为分子筛填料区中的另一种布置多孔挡板的示意图；

图中标记说明：

1-空气过滤器，2-质量流量计，3-气体压缩机，4-中冷器，5-加湿器，6-燃料电池电堆，7-分子筛组件；

71-分子筛吸附塔，72-缓冲罐，73-氧传感器，74-氧气流量计，75-进气阀，76-反冲阀；

711-分子筛塔体，712-分子筛填料区，713-塔体进气口，714-塔体出气口，715-多孔挡板，716-过滤网，717-回流管，718-支撑网板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能的常规部件或常规结构。

为提高燃料电池阴极进气中氧气浓度，降低阴极传质过电势，提高电池性能等，本实用新型提供了一种燃料电池用泵氧进气系统，可参见图1至图2所示，包括通过管路依次连接的空气过滤器1、气体压缩机3、中冷器4和加湿器5，所述空气过滤器1还连接外部供气设备，所述加湿器还连接燃料电池电堆6的阴极进气口，其特征在于，在中冷器4和加湿器5之间还设有分子筛组件7。

在一些具体的实施方式中，所述分子筛组件7包括若干并联设置的内置分子筛填料的分子筛吸附塔71，所述中冷器4的出气口还引出若干进气支路并分别对应连接所述分子筛吸附塔71，所述分子筛吸附塔71的出口还设置汇流合并的出气管路并再连接所述加湿器5。另外，需要说明的是，分子筛填料可选用锂基吸附剂或沸石分子筛等可以吸附氮气从而提高空气气流中氧气浓度的常规市售吸附剂填料。

更具体的实施方式中，所述分子筛吸附塔71包括分子筛塔体711，以及设置在分子筛塔体711内分子筛填料区712，所述分子筛塔体711上还设有分别连接所述进气管路和出气管路的塔体进气口713和塔体出气口714，所述分子筛填料区712的一端连通所述塔体进气口713，另一端则连通所述塔体出气口714。

更优选的，所述分子筛吸附塔71为轴向吸附塔或径向吸附塔。具体的，当分子筛吸附塔71为轴向吸附塔时，其结构可以参见图3所示，此时，盛装分子筛填料的分子筛填料区712内的气体流动方向大致沿吸附塔轴向，同时，分子筛塔体711的塔体出气口714处还可以设有过滤网716；而当分子筛吸附塔71为径向吸附塔时，对应的结构示意图可以参考图4所示，此时，盛装分子筛填料的分子筛填料区712内的气体流动方向大致沿吸附塔径向，为方便引出气体，在分子筛填料区712的中心区域还设有一根回流管717，此回流管717的一端与塔体出气口714连通，另一端则通过一端开口的槽盖汇聚沿径向在分子筛填料区712流动的气流。

更优选的，所述分子筛填料区712由支撑网板718围成。

更优选的，所述分子筛填料区712内还设有若干密闭通气孔的多孔挡板715，且沿分子筛填料区712的进气方向，所述多孔挡板715呈倾斜设置。多孔挡板715的布置形式可以参考图5和图6但不限于此，多孔挡板715主要用于提高分子筛填料区712内的绕流效果，从而提高吸附剂的吸附效率。

更具体的实施方式中，所述进气支路上还设有进气阀75，且每条进气支路还侧向引出一条反冲支路，在反冲支路上还设有反冲阀76。

更优选的，相邻两个分子筛吸附塔71的反冲支路相互连通。

更具体的实施方式中，所述分子筛吸附塔71的出气管路与加湿器5之间还设有缓冲罐72与氧传感器73。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

为提高燃料电池阴极进气中氧气浓度，降低阴极传质过电势，提高电池性能等，本实施例提供了一种燃料电池用泵氧进气系统，可参见图1至图2所示，包括通过管路依次连接的空气过滤器1、气体压缩机3、中冷器4和加湿器5，空气过滤器1还连接外部供气设备，加湿器还连接燃料电池电堆6的阴极进气口，其特征在于，在中冷器4和加湿器5之间还设有分子筛组件7。

请再参见图2所示，分子筛组件7包括若干并联设置的内置分子筛填料的分子筛吸附塔71，中冷器4的出气口还引出若干进气支路并分别对应连接分子筛吸附塔71，分子筛吸附塔71的出口还设置汇流合并的出气管路并再连接加湿器5。

请再参见图3等所示，分子筛吸附塔71包括分子筛塔体711，以及设置在分子筛塔体711内分子筛填料区712，分子筛塔体711上还设有分别连接进气管路和出气管路的塔体进气口713和塔体出气口714，分子筛填料区712的一端连通塔体进气口713，另一端则连通塔体出气口714。

本实施例中的分子筛吸附塔71可以为轴向吸附塔或径向吸附塔。具体的，当分子筛吸附塔71为轴向吸附塔时，其结构可以参见图3所示，此时，盛装分子筛填料的分子筛填料区712内的气体流动方向大致沿吸附塔轴向，同时，分子筛塔体711的塔体出气口714处还可以设有过滤网716；而当分子筛吸附塔71为径向吸附塔时，对应的结构示意图可以参考图4所示，此时，盛装分子筛填料的分子筛填料区712内的气体流动方向大致沿吸附塔径向，为方便引出气体，在分子筛填料区712的中心区域还设有一根回流管717，此回流管717的一端与塔体出气口714连通，另一端则通过一端开口的槽盖汇聚沿径向在分子筛填料区712流动的气流。分子筛填料区712由支撑网板718围成。

另外，分子筛填料区712内还设有若干密闭通气孔的多孔挡板715，且沿分子筛填料区712的进气方向，多孔挡板715呈倾斜设置。多孔挡板715的布置形式可以参考图5和图6但不限于此，多孔挡板715主要用于提高分子筛填料区712内的绕流效果，从而提高吸附剂的吸附效率。

请再参见图2所示，进气支路上还设有进气阀75，且每条进气支路还侧向引出一条反冲支路，在反冲支路上还设有反冲阀76。相邻两个分子筛吸附塔71的反冲支路相互连通。分子筛吸附塔71的出气管路与加湿器5之间还设有缓冲罐72与氧传感器73。

本实施例的燃料电池用泵氧进气系统的工作过程为：空气经空气过滤器1过滤杂质，质量流量计2测量空气的质量流量。经气体压缩机3压缩为高压气体，再经中冷器4冷却。高压空气经过分子筛组件7，能够吸附空气的氮气，产出氧气。氧气经加湿器5加湿进入电堆参与反应。

分子筛组件7工作原理：请结合图2所示，以两个分子筛吸附塔71并排设置为例，其中一个分子筛吸附塔71(记为吸附塔A)的进气阀75打开，反冲阀76关闭，另一个分子筛吸附塔71(记为吸附塔B)的进气阀75关闭，反冲阀76打开。压缩空气进入吸附塔A，氮气和空气中CO₂等被吸附，分离的氧气排出，其中，一部分氧气进入缓冲罐72，另一小部分气体反吹处于解析状态的吸附塔B。而当吸附塔A内的吸附剂(即分子筛填料)达到临界吸附饱和状态时，吸附塔A的进气阀75关闭，反冲阀76打开，而吸附塔B的进气阀75打开，反冲阀76关闭，此时，吸附塔A处于反冲排气状态，而吸附塔B处于吸附状态，实现连续制氧。反冲阀76与进气阀75的启闭状态可根据吸附状态检测，以及氧气浓度检测及流量检测数据通过PLC等自动控制。本实用新型利用分子筛技术提高燃料电池阴极进气中氧气浓度，降低阴极传质过电势，提高电池性能。氧气纯度提高到50％以上时，电池电压在中高电密下，约提升80～120mV。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池用泵氧进气系统，包括通过管路依次连接的空气过滤器、气体压缩机、中冷器和加湿器，所述空气过滤器还连接外部供气设备，所述加湿器还连接燃料电池电堆的阴极进气口，其特征在于，在中冷器和加湿器之间还设有分子筛组件。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述分子筛组件包括若干并联设置的内置分子筛填料的分子筛吸附塔，所述中冷器的出气口还引出若干进气支路并分别对应连接所述分子筛吸附塔，所述分子筛吸附塔的出口还设置汇流合并的出气管路并再连接所述加湿器。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述分子筛吸附塔包括分子筛塔体，以及设置在分子筛塔体内分子筛填料区，所述分子筛塔体上还设有分别连接所述进气支路和出气管路的塔体进气口和塔体出气口，所述分子筛填料区的一端连通所述塔体进气口，另一端则连通所述塔体出气口。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述分子筛吸附塔为轴向吸附塔或径向吸附塔。

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述分子筛填料区由支撑网板围成。

6.根据权利要求3所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述分子筛吸附塔的塔体出气口处还设有过滤网。

7.根据权利要求3所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述分子筛填料区内还设有若干密闭通气孔的多孔挡板，且沿分子筛填料区的进气方向，所述多孔挡板呈倾斜设置。

8.根据权利要求2所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述进气支路上还设有进气阀，且每条进气支路还侧向引出一条反冲支路，在反冲支路上还设有反冲阀。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，相邻两个分子筛吸附塔的反冲支路相互连通。

10.根据权利要求2所述的一种燃料电池用泵氧进气系统，其特征在于，所述分子筛吸附塔的出气管路与加湿器之间还设有缓冲罐与氧传感器。

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