CN219716901U - 空气模块及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种空气模块及燃料电池系统，涉及燃料电池技术领域。该空气模块包括空压机、气液中冷器和电堆，空压机包括压端腔室和涡端腔室，压端腔室内安装有压端涡轮，涡端腔室内安装有涡端涡轮；气液中冷器包括第一通道和第二通道，压端腔室与第一通道的输入口流体连通，涡端腔室与第二通道的输出口流体连通；电堆包括进气口和排气口，进气口与第一通道的输出口流体连通，排气口与第二通道的输入口流体连通；第二通道内的流体与第一通道内的流体进行热交换。本实用新型提供的空气模块解决了现有技术中存在的混合尾气中的液态水滴冲击涡轮导致空压机使用寿命短的技术问题。

Description

空气模块及燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种空气模块及燃料电池系统。

背景技术

燃料电池的空气模块包括空压机、气液中冷器、加湿器和阀门，空气模块为电堆阴极提供空气。为了将电堆尾排中气体的能量进行回收利用，一般采用带能量回收的空压机进行匹配。具体地，从电堆排出的带有液态水或气态水的混合尾气带动空压机涡端的涡轮转动，该混合尾气的动能和热能被空压机所利用，降低了空压机的耗能。

从电堆排出的带有液态水的混合尾气进入空压机涡端涡轮时，液态水滴会对涡轮进行冲击，使得涡轮不稳定且表面涂层脱落，降低了空压机的使用寿命。为了降低液体水滴对涡轮的影响，现有技术中，在系统中增设气液分离器，在尾气进入到空压机涡端前先经过气液分离器，气液分离器分离尾气内的液态水。但是，因为气液分离器的体积大，液态水分离效率低，从而导致燃料电池系统集成难度大，体积密度低和空压机能量回收效率低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种空气模块及燃料电池系统，以缓解现有技术中存在的混合尾气中的液态水滴冲击涡轮导致空压机使用寿命短的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案在于：

第一方面，本实用新型提供的空气模块包括：

空压机，所述空压机包括压端腔室和涡端腔室，所述压端腔室内安装有压端涡轮，所述涡端腔室内安装有涡端涡轮；

气液中冷器，所述气液中冷器包括第一通道和第二通道，所述压端腔室与所述第一通道的输入口流体连通，所述涡端腔室与所述第二通道的输出口流体连通；

电堆，所述电堆包括进气口和排气口，所述进气口与所述第一通道的输出口流体连通，所述排气口与所述第二通道的输入口流体连通；

其中，所述第二通道内的流体与所述第一通道内的流体进行热交换。

更进一步地，所述空气模块包括冷却组件，所述气液中冷器包括冷却通道，所述冷却通道与所述冷却组件流体连通，以与所述第一通道内的流体进行热交换。

更进一步地，所述冷却组件包括：

冷却管道，所述冷却管道与所述冷却通道串联；

泵体，所述泵体安装于所述冷却管道；

散热组件，所述散热组件安装于所述冷却管道，用于对所述冷却管道内的冷却介质进行降温。

更进一步地，所述散热组件包括散热器和/或风扇。

更进一步地，所述冷却组件还包括：

阀门，所述阀门安装于所述冷却管道，且设有分支口；

分支管道，所述分支管道的一端与所述分支口连通，另一端与所述冷却管道流体连通，且与所述散热组件并联。

更进一步地，所述电堆与所述冷却管道流体连通，且与所述冷却通道并联。

更进一步地，所述空气模块还包括加湿器，所述加湿器包括第三通道和第四通道；

所述第三通道的两端分别与所述第一通道和所述进气口流体连通；

所述第四通道的两端分别与所述排气口和所述第二通道流体连通。

更进一步地，所述进气口和所述第三通道之间，以及所述排气口与所述第四通道之间均安装有截止阀。

更进一步地，所述空气模块还包括空气滤清器，所述空气滤清器与所述压端腔室的输入口流体连通。

第二方面，本实用新型提供的燃料电池系统包括如上述任一项所述的空气模块。

综合上述技术方案，本实用新型所能实现的技术效果分析如下：

本实用新型提供的空气模块包括空压机、气液中冷器和电堆，空压机包括压端腔室和涡端腔室，压端腔室内安装有压端涡轮，涡端腔室内安装有涡端涡轮；气液中冷器包括第一通道和第二通道，压端腔室与第一通道的输入口流体连通，涡端腔室与第二通道的输出口流体连通；电堆包括进气口和排气口，进气口与第一通道的输出口流体连通，排气口与第二通道的输入口流体连通；第二通道内的流体与第一通道内的流体进行热交换。使用该空气模块时，自空压机的压端腔室内输出的高压高温气体流经第一通道流入电堆的进气口；自电堆的排气口排出的带有液态水的混合尾气流经第二通道流入空压机的涡端腔室；第一通道内的高压高温气体与第二通道内的混合尾气进行热交换，实现对高压高温气体的降温冷却，和对混合尾气中液态水的气化；进而实现进入空压机的涡端腔室为气态水，减少液态水对涡端腔室内的涡端涡轮的冲击，延长了空压机的寿命；并且，因为进入涡端腔室的尾气温度高，则进一步减少了空压机的功耗，提高了燃料电池系统的效率。利用气液中冷器的第二通道对尾气进行汽化，无需安装气液分离器，避免了燃料电池系统集成难度大、体积密度低和空压机能量回收效率低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例提供的空气模块的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的空气模块中气液中冷器仅使用第二通道内流体对第一通道内流体进行降温时，第二通道输出口的流体湿度随电堆电流变化的趋势图。

图标：

100-空压机；110-压端腔室；120-涡端腔室；200-气液中冷器；300-电堆；310-截止阀；410-泵体；420-阀门；430-冷却管道；440-散热器；450-风扇；460-分支管道；500-加湿器；600-空气滤清器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

现有的燃料电池的空气模块中，从电堆排出的带有液态水的混合尾气进入空压机涡端涡轮，液态水滴会对涡轮进行冲击，使得涡轮不稳定且表面涂层脱落，降低了空压机的使用寿命。

有鉴于此，本实用新型实施例提供的空气模块包括空压机100、气液中冷器200和电堆300，空压机100包括压端腔室110和涡端腔室120，压端腔室110内安装有压端涡轮，涡端腔室120内安装有涡端涡轮；气液中冷器200包括第一通道和第二通道，压端腔室110与第一通道的输入口流体连通，涡端腔室120与第二通道的输出口流体连通；电堆300包括进气口和排气口，进气口与第一通道的输出口流体连通，排气口与第二通道的输入口流体连通；第二通道内的流体与第一通道内的流体进行热交换。使用该空气模块时，自空压机100的压端腔室110内输出的高压高温气体流经第一通道流入电堆300的进气口；自电堆300的排气口排出的带有液态水的混合尾气流经第二通道流入空压机100的涡端腔室120；第一通道内的高压高温气体与第二通道内的混合尾气进行热交换，实现对高压高温气体的降温冷却，以及对混合尾气中液态水的气化；进而实现进入空压机100的涡端腔室120为气态水，减少液态水对涡端腔室120内的涡端涡轮的冲击，延长了空压机100的寿命；并且，因为进入涡端腔室120的尾气温度高，则进一步减少了空压机100的功耗，提高了燃料电池系统的效率。利用气液中冷器200的第二通道对尾气进行汽化，无需安装气液分离器，避免了燃料电池系统集成难度大、体积密度低和空压机100能量回收效率低的问题。

以下表1为气液中冷器200中第二通道内的流体和第一通道内的流体进行热交换后，第二通道的输出口的流体的湿度随电堆300的电流大小变化的实验数据。

表1实验数据

组别	电流	湿度
			1	30	70.3
2	60	71.6
			3	90	73
4	120	73.3
			5	150	77.1
6	180	80.6
			7	210	82.5
8	240	83.3
			9	270	86.8
10	300	86.4
			11	330	91.2
12	360	89
			13	390	87.6
14	420	86.7
			15	450	87.7
16	480	87.2
			17	510	88.2
18	540	88.8

结合表1和图2可知，气液中冷器200中第二通道内的流体和第一通道内的流体进行热交换后，第二通道的输出口的流体的湿度未达到100％，则流体内不含液态水，均为气态尾气，减少了液态水对涡端腔室120内的涡端涡轮的冲击，延长了空压机100的寿命。

以下对空气模块的形状和结构进行详细说明：

本实用新型实施例的可选方案中，空气模块包括冷却组件，气液中冷器200包括冷却通道，冷却通道与冷却组件流体连通，以与第一通道内的流体进行热交换。

具体地，请参见图1，冷却组件向冷却通道内提供冷却液，冷却液流经冷却通道时，与第一通道内的高压高温气体进行热交换，实现对高压高温气体的进一步降温冷却。更进一步地，冷却组件设置有开关，第一通道内设置有传感器，传感器与开关信号连接；当传感器识别第一通道内流体温度超过设定值时，冷却组件的开关打开，向冷却通道输入冷却液；当传感器识别第一通道内流体温度满足设定值时，冷却组件的开关关闭。

冷却组件与冷却通道连通，实现向冷却通道内输送冷却液，进而实现冷却液对第一通道内的流体进行降温冷却。

本实用新型实施例的可选方案中，请参见图1，冷却组件包括冷却管道430、泵体410和散热组件，冷却管道430与冷却通道串联；泵体410安装于冷却管道430；散热组件安装于冷却管道430，用于对冷却管道430内的冷却介质进行降温。

具体地，本实施例中，冷却液设置为水，泵体410设置为水泵。

泵体410为输送冷却液提供动能，散热组件对在冷却管道430内循环的冷却液进行降温。

本实用新型实施例的可选方案中，散热组件包括散热器440和/或风扇450。

具体地，散热组件包括散热器440；或者，散热组件包括风扇450；或者，散热组件包括散热器440和风扇450。本实施例中，请参见图1，散热组件包括散热器440和风扇450。

利用散热器440和风扇450对冷却管道430进行降温冷却，结构简单且便于安装和控制。

本实用新型实施例的可选方案中，冷却组件包括阀门420和分支管道460，阀门420安装于冷却管道430，且设有分支口；分支管道460的一端与分支口连通，另一端与冷却管道430流体连通，且与散热组件并联。

具体地，阀门420设置为三通阀，包括相互连通的进液阀口、出液阀口和分支口；分支管道460与散热组件并联，且两端分别与分支口和冷却管道430连通；当需要利用散热组件对冷却液进行降温冷却时，分支口关闭，出液阀门420打开，冷却液自进液阀口流入自出液阀口流出，并流经散热组件后流入冷却通道；当无需利用散热组件对冷却液进行降温冷却时，分支口打开，出液阀门420关闭，冷却液自进液阀口流入自分支口流出，并流经分支管道460后流入冷却通道。

阀门420安装于冷却管道430，通过控制阀门420可以实现对冷却液流通的路线进行控制，便于操作人员根据实际使用情况对冷却液的循环路线进行调整。

本实用新型实施例的可选方案中，电堆300与冷却管道430流体连通，且与冷却通道并联。

具体地，冷却管道430与电堆300的阴极侧流体连通。

冷却管道430起到对电堆300进行降温冷却的功能。

本实用新型实施例的可选方案中，空气模块还包括加湿器500，加湿器500包括第三通道和第四通道；第三通道的两端分别与第一通道和进气口流体连通；第四通道的两端分别与排气口和第二通道流体连通。

加湿器500对流经气液中冷器200后的空压机100输出的高温高压气体进行加湿；并对电堆300排出的混合尾气进行加湿。

本实用新型实施例的可选方案中，进气口和第三通道之间，以及排气口与第四通道之间均安装有截止阀310。

具体地，当燃料电池系统停机时，截止阀310关闭，隔绝电堆300内部空气与外界空气，防止停机后空气进入到电堆300的阴极侧，然后通过渗透作用进入到阳极侧，防止在阳极侧出现清空界面造成电堆300不可逆衰减，有助于提高燃料电池系统的耐久性。

本实用新型实施例的可选方案中，空气模块还包括空气滤清器600，空气滤清器600与压端腔室110的输入口流体连通。

空气滤清器600对输入空压机100的气体进行过滤，避免杂质损坏空压机100，延长了空压机100的使用寿命。

实施例二

本实用新型实施例提供的燃料电池系统包括了实施例一中的空气模块，因此也具备了实施例一中的一切有益效果，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种空气模块，其特征在于，包括：

空压机(100)，所述空压机(100)包括压端腔室(110)和涡端腔室(120)，所述压端腔室(110)内安装有压端涡轮，所述涡端腔室(120)内安装有涡端涡轮；

气液中冷器(200)，所述气液中冷器(200)包括第一通道和第二通道，所述压端腔室(110)与所述第一通道的输入口流体连通，所述涡端腔室(120)与所述第二通道的输出口流体连通；

电堆(300)，所述电堆(300)包括进气口和排气口，所述进气口与所述第一通道的输出口流体连通，所述排气口与所述第二通道的输入口流体连通；

其中，所述第二通道内的流体与所述第一通道内的流体进行热交换。

2.根据权利要求1所述的空气模块，其特征在于，所述空气模块包括冷却组件，所述气液中冷器(200)包括冷却通道，所述冷却通道与所述冷却组件流体连通，以与所述第一通道内的流体进行热交换。

3.根据权利要求2所述的空气模块，其特征在于，所述冷却组件包括：

冷却管道(430)，所述冷却管道(430)与所述冷却通道串联；

泵体(410)，所述泵体(410)安装于所述冷却管道(430)；

散热组件，所述散热组件安装于所述冷却管道(430)，用于对所述冷却管道(430)内的冷却介质进行降温。

4.根据权利要求3所述的空气模块，其特征在于，所述散热组件包括散热器(440)和/或风扇(450)。

5.根据权利要求3所述的空气模块，其特征在于，所述冷却组件还包括：

阀门(420)，所述阀门(420)安装于所述冷却管道(430)，且设有分支口；

分支管道(460)，所述分支管道(460)的一端与所述分支口连通，另一端与所述冷却管道(430)流体连通，且与所述散热组件并联。

6.根据权利要求3所述的空气模块，其特征在于，所述电堆(300)与所述冷却管道(430)流体连通，且与所述冷却通道并联。

7.根据权利要求1-6任一项所述的空气模块，其特征在于，所述空气模块还包括加湿器(500)，所述加湿器(500)包括第三通道和第四通道；

所述第三通道的两端分别与所述第一通道和所述进气口流体连通；

所述第四通道的两端分别与所述排气口和所述第二通道流体连通。

8.根据权利要求7所述的空气模块，其特征在于，所述进气口和所述第三通道之间，以及所述排气口与所述第四通道之间均安装有截止阀(310)。

9.根据权利要求1所述的空气模块，其特征在于，所述空气模块还包括空气滤清器(600)，所述空气滤清器(600)与所述压端腔室(110)的输入口流体连通。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的空气模块。