CN219553679U - 燃料电池空气系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池空气系统，包括进气组件、混合器、氧气补偿系统、空压机、增压器、进气支路和第二比例阀。进气组件进气口与大气连通。进气组件的出气口与混合器连通。氧气补偿系统包括制氧装置和第一比例阀，制氧装置的出气口与混合器连通，用于向混合器补充供氧，第一比例阀设置于制氧装置与混合器的连通管路上。空压机进气口与混合器连通，出气口与燃料电池堆的空气进气口连通。增压器设置于混合器与空压机的连通管路上。进气支路一端连通至混合器与增压器的连通管路上，另一端连通至增压器与空压机的连通管路上。第二比例阀设置于进气支路上。

Description

燃料电池空气系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池空气系统。

背景技术

燃料电池在高海拔地区或高空运行时，由于空气绝对压力以及氧气浓度(空气中氧气所占百分比)的降低，极易造成燃料电池堆阴极的氧分压过低，进而导致燃料电池因欠气而出现性能降低，甚至出现燃料电池单片电压过低而导致反极，造成燃料电池损坏。

现有技术中，燃料电池在高海拔地区或高空运行时，通常通过提高空压机转速的方式缓解燃料电池堆性能的降低。然而由于空气绝对压力以及氧气浓度均随着海拔的升高而降低，导致燃料电池在高海拔运行时，提高空压机转速无法使阴极空气压力与过量空气系数与燃料电池在平原地区运行时阴极空气压力和过量空气系数均保持相同，具体地，提高空压机转速使燃料电池堆阴极空气压力与平原地区燃料电池堆阴极空气压力相等时，会出现过量空气系数偏低，而使燃料电池堆过量空气系数与平原地区燃料电池堆过量空气系数相等时，则会出现空气压力偏高，导致需要在燃料电池堆阴极空气压力与过量空气系数中做出取舍，进而导致燃料电池堆性能无法达到平原地区的水平。此外，受限于空压机的压比，在高海拔过高时，难以继续通过提高空压机转速将燃料电池堆的性能维持在最优范围。

因此，亟需一种燃料电池空气系统，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种燃料电池空气系统，提高燃料电池堆在高海拔地区和高空运行时的性能及使用寿命。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

燃料电池空气系统，包括：

进气组件，其进气口与大气连通；

混合器，所述进气组件的出气口与所述混合器连通；

氧气补偿系统，其包括制氧装置和第一比例阀，所述制氧装置的出气口与所述混合器连通，用于向所述混合器补充供氧，所述第一比例阀设置于所述制氧装置与所述混合器的连通管路上；

空压机，其进气口与所述混合器连通，出气口与燃料电池堆的空气进气口连通；

增压器，其设置于所述混合器与所述空压机的连通管路上；

进气支路，其一端连通至所述混合器与所述增压器的连通管路上，另一端连通至所述增压器与所述空压机的连通管路上；

第二比例阀，其设置于所述进气支路上。

作为优选，所述进气组件包括：

过滤器，其进气口与大气连通；

单向阀，所述过滤器的出气口与所述单向阀的进气口连通，所述单向阀的出气口与所述混合器连通。

作为优选，还包括第一氧气浓度传感器，所述第一氧气浓度传感器设置于所述过滤器与所述单向阀的连通管路上。

作为优选，还包括第二氧气浓度传感器，所述第二氧气浓度传感器设置于所述增压器与所述空压机的连通管路上。

作为优选，还包括：

第一压力传感器，其设置于所述过滤器与所述单向阀的连通管路上；

第二压力传感器，其设置于所述增压器与所述空压机的连通管路上。

作为优选，所述氧气补偿系统还包括缓冲罐，所述缓冲罐设置于所述氧气补偿系统的出气口与所述第一比例阀的连通管路上。

作为优选，还包括加湿器，所述空压机的出气口经所述加湿器的加湿端与所述燃料电池堆的空气进气口连通，所述燃料电池堆的空气出气口经所述加湿器的干燥端可选择地与大气连通。

作为优选，还包括中冷器，所述中冷器设置于所述空压机与所述加湿器的连通管路上。

作为优选，还包括第三比例阀，所述第三比例阀设置于所述空压机与所述中冷器的连通管路上。

作为优选，还包括第三压力传感器，所述第三压力传感器设置于所述中冷器与所述加湿器的连通管路上。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供一种燃料电池空气系统，燃料电池堆在高海拔地区或高空运行时，通过氧气补偿系统的制氧装置制成氧气，制成的氧气经第一比例阀进入混合器，与经进气组件进入混合器的空气混合，以提高混合器中的空气的氧气浓度，同时通过增压器对混合后的空气进行增压，以提高空压机进气口的空气压力，使空压机进气口处的空气压力和氧气浓度均与平原地区燃料电池堆的空压机前的空气压力和氧气浓度接近甚至相同，进而使燃料电池堆阴极的空气压力及过量空气系数均满足设计要求，以提高燃料电池堆性能和使用寿命。相比现有技术中通过提高空压机的转速以改善燃料电池堆在高海拔地区及高空运行时的性能，本实施例中以增压器配合氧气补偿系统实现对燃料电池堆阴极的空气压力及氧气浓度的补偿，对燃料电池堆的性能改善效果更好，并且不受空压机的压比限制，以一个小增压比的增压器即可满足对空压机进气压力的提升需要，使燃料电池堆能够更好地适应更高的海拔环境。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的燃料电池空气系统的结构示意图。

图中：

100、燃料电池堆；

11、进气组件；111、过滤器；112、单向阀；

12、混合器；

13、氧气补偿系统；131、制氧装置；132、第一比例阀；133、缓冲罐；

14、空压机；15、增压器；16、进气支路；17、第二比例阀；18、第一氧气浓度传感器；19、第二氧气浓度传感器；20、第一压力传感器；21、第二压力传感器；22、加湿器；23、中冷器；24、第三比例阀；25、第三压力传感器；26、第一温湿压传感器；27、第二温湿压传感器；28、背压阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池空气系统，包括进气组件11、混合器12、氧气补偿系统13、空压机14、增压器15、进气支路16和第二比例阀17。进气组件11的进气口与大气连通。进气组件11的出气口与混合器12连通。氧气补偿系统13包括制氧装置131和第一比例阀132，制氧装置131的出气口与混合器12连通，用于向混合器12补充供氧，制氧装置131可选用分子筛式制氧机，第一比例阀132设置于制氧装置131与混合器12的连通管路上。空压机14的进气口与混合器12连通，出气口与燃料电池堆100的空气进气口连通。增压器15设置于混合器12与空压机14的连通管路上，增压器15可选用螺杆式增压器或离心式增压器。进气支路16的一端连通至混合器12与增压器15的连通管路上，另一端连通至增压器15与空压机14的连通管路上。第二比例阀17设置于进气支路16上。

本实施例提供的燃料电池空气系统，燃料电池堆100在高海拔地区或高空运行时，通过氧气补偿系统13的制氧装置131制成氧气，制成的氧气经第一比例阀132进入混合器12，与经进气组件11进入混合器12的空气混合，以提高混合器12中的空气的氧气浓度，同时通过增压器15对混合后的空气进行增压，以提高空压机14进气口的空气压力，使空压机14进气口处的空气压力和氧气浓度均与平原地区燃料电池堆100的空压机14前的空气压力和氧气浓度接近甚至相同，进而使燃料电池堆100阴极的空气压力及过量空气系数均满足设计要求，以提高燃料电池堆100的性能和使用寿命。相比现有技术中通过提高空压机14的转速以改善燃料电池堆100在高海拔地区及高空运行时的性能，本实施例中以增压器15配合氧气补偿系统13实现对燃料电池堆100阴极的空气压力及氧气浓度的补偿，对燃料电池堆100的性能改善效果更好，并且不受空压机14的压比限制，以一个小增压比的增压器15即可满足对空压机14进气压力的提升需要，使燃料电池堆100能够更好地适应更高的海拔环境。

可选地，如图1所示，进气组件11包括过滤器111和单向阀112。过滤器111的进气口与大气连通，过滤器111的出气口与单向阀112的进气口连通，单向阀112的出气口与混合器12连通。过滤器111用于过滤由大气进入进气组件11的空气，单向阀112用于避免混合器12中的气体倒流经过滤器111进入大气。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括第一氧气浓度传感器18，第一氧气浓度传感器18设置于过滤器111与单向阀112的连通管路上。第一氧气浓度传感器18用于监测经进气组件11进入混合器12的空气的氧气浓度。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括第二氧气浓度传感器19，第二氧气浓度传感器19设置于增压器15与空压机14的连通管路上，通过第二氧气浓度传感器19监测经混合器12混合后的气体的氧气浓度，以判断向经混合器12混合后的气体的氧气浓度是否符合燃料电池堆100的需求。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括第一压力传感器20和第二压力传感器21。第一压力传感器20设置于过滤器111与单向阀112的连通管路上，用于监测经进气组件11进入混合器12的空气的压力。第二压力传感器21设置于增压器15与空压机14的连通管路上，用于监测增压器15增压后的空气的压力，以便判断增压器15增压后的空气压力是否符合要求。

可选地，如图1所示，氧气补偿系统13还包括缓冲罐133，缓冲罐133设置于氧气补偿系统13的出气口与第一比例阀132的连通管路上。缓冲罐133起到容纳氧气的作用，作为制氧装置131与混合器12之间的缓冲，以便通过第一比例阀132调节进入混合器12的氧气量。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括加湿器22，空压机14的出气口经加湿器22的加湿端与燃料电池堆100的空气进气口连通，燃料电池堆100的空气出气口经加湿器22的干燥端可选择地与大气连通。加湿器22用于调节进入燃料电池堆100的空气的湿度。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括中冷器23，中冷器23设置于空压机14与加湿器22的连通管路上。中冷器23用于调节进入燃料电池堆100的空气的温度。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括第三比例阀24，第三比例阀24设置于空压机14与中冷器23的连通管路上，用于调节进入燃料电池堆100的空气量。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括第一温湿压传感器26和第二温湿压传感器27。第一温湿压传感器26设置于加湿器22加湿端与燃料电池堆100的空气进气口之间的连通管路上，用于监测进入燃料电池堆100的空气的温度、湿度和压力，第二温湿压传感器27设置于燃料电池堆100的空气出气口与加湿器22干燥端之间的连通管路上，用于监测燃料电池堆100空气出气口排出的尾气的温度、湿度和压力，以监测燃料电池堆100的运行状态。

可选地，如图1所示，本实施例提供的燃料电池空气系统还包括第三压力传感器25，第三压力传感器25设置于中冷器23与加湿器22的连通管路上，用于监测中冷器23与加湿器22之间的空气压力，以便判断经空压机14加压，并经中冷器23降温后的空气的压力是否满足要求。

本实施例提供的燃料电池空气系统的控制方法简单介绍如下：

标定海平面的大气压力为P₀，氧气浓度为C₀，标定1000m海拔处的大气压力为P₁和氧气浓度为C₁(均为标况下)。

接收燃料电池启动指令后，监测过滤器111与单向阀112之间的空气中氧气浓度C₂以及压力P₂，以及增压器15与空压机14之间的空气中氧气浓度C₃以及压力P₃。

如果C₂≥C₁，也即是海拔不大于1000m时，则关闭氧气补偿系统13和增压器15，打开控制进气支路16的第二比例阀17，根据燃料电池堆100的标准性能，调节控制空压机14转速与背压阀28开度，以调节燃料电池堆100空气进气口的压力和流量，提高燃料电池堆100的性能与可靠性。由于海拔不大于1000m时，大气压及空气中的氧气浓度与平原地区相差不大，因此只通过调节空压机14转速和背压阀28开度即可实现对燃料电池堆100性能的改善。

如果过滤器111与单向阀112之间的空气中氧气浓度C₂＜C₁，也即是海拔大于1000m时，关闭控制进气支路16的第二比例阀17，打开氧气补偿系统13和增压阀15，根据过滤器111与单向阀112之间的空气中氧气浓度C₂和压力P₂，调节氧气补偿系统13的第一比例阀132的开度以及增压阀15的增压比，使得C₀≥C₃≥C₁，且P₀≥P₃≥P₁，保证空压机14进气口压力和氧气浓度与平原地区接近甚至相等，以改善燃料电池堆100性能。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.燃料电池空气系统，其特征在于，包括：

进气组件(11)，其进气口与大气连通；

混合器(12)，所述进气组件(11)的出气口与所述混合器(12)连通；

氧气补偿系统(13)，其包括制氧装置(131)和第一比例阀(132)，所述制氧装置(131)的出气口与所述混合器(12)连通，用于向所述混合器(12)补充供氧，所述第一比例阀(132)设置于所述制氧装置(131)与所述混合器(12)的连通管路上；

空压机(14)，其进气口与所述混合器(12)连通，出气口与燃料电池堆(100)的空气进气口连通；

增压器(15)，其设置于所述混合器(12)与所述空压机(14)的连通管路上；

进气支路(16)，其一端连通至所述混合器(12)与所述增压器(15)的连通管路上，另一端连通至所述增压器(15)与所述空压机(14)的连通管路上；

第二比例阀(17)，其设置于所述进气支路(16)上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述进气组件(11)包括：

过滤器(111)，其进气口与大气连通；

单向阀(112)，所述过滤器(111)的出气口与所述单向阀(112)的进气口连通，所述单向阀(112)的出气口与所述混合器(12)连通。

3.根据权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括第一氧气浓度传感器(18)，所述第一氧气浓度传感器(18)设置于所述过滤器(111)与所述单向阀(112)的连通管路上。

4.根据权利要求3所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括第二氧气浓度传感器(19)，所述第二氧气浓度传感器(19)设置于所述增压器(15)与所述空压机(14)的连通管路上。

5.根据权利要求2-4任一项所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括：

第一压力传感器(20)，其设置于所述过滤器(111)与所述单向阀(112)的连通管路上；

第二压力传感器(21)，其设置于所述增压器(15)与所述空压机(14)的连通管路上。

6.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述氧气补偿系统(13)还包括缓冲罐(133)，所述缓冲罐(133)设置于所述氧气补偿系统(13)的出气口与所述第一比例阀(132)的连通管路上。

7.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括加湿器(22)，所述空压机(14)的出气口经所述加湿器(22)的加湿端与所述燃料电池堆(100)的空气进气口连通，所述燃料电池堆(100)的空气出气口经所述加湿器(22)的干燥端可选择地与大气连通。

8.根据权利要求7所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括中冷器(23)，所述中冷器(23)设置于所述空压机(14)与所述加湿器(22)的连通管路上。

9.根据权利要求8所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括第三比例阀(24)，所述第三比例阀(24)设置于所述空压机(14)与所述中冷器(23)的连通管路上。

10.根据权利要求8所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括第三压力传感器(25)，所述第三压力传感器(25)设置于所述中冷器(23)与所述加湿器(22)的连通管路上。