CN220692065U - 适用于燃料电池电堆的空气系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，公开一种适用于燃料电池电堆的空气系统，包括依次连通的空气滤清器、一级空压机、一级中冷器、二级空压机、二级中冷器和增湿器，通过在一级空压机的后端也添加中冷器即一级中冷器，可降低二级空压机入口的气体温度，在理论上可以将等熵压缩的过程接近等温压缩，使空压机的理论所需功率下降即二级空压机的功率降低，而使二级空压机的实际工作点的压比提升，其实际工作性能将得到提升，即可提升燃料电池系统的整体发电功率，另外从燃料电池电堆的出口排出的带有一定水分的废气，也可再通过增湿器，在增湿器中进行热量及水分的传递，以作为增湿器的加湿来源，更加经济节能。

Description

适用于燃料电池电堆的空气系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种适用于燃料电池电堆的空气系统。

背景技术

空压机的功率在燃料电池系统附件中占据很大的比例，降低空压机的功率可以在燃料电池电堆发电效率不变的前提下，提升燃料电池系统的整体发电功率，同时可以提升空压机压缩性能。而一般采用降低空压机的工作压比来降低空压机的功率，以实现更高的空压机效率，但是空压机的工作压比降低则需要与燃料电池电堆设计相协调，这可能会损失燃料电池电堆的一部分峰值功率。

因此，亟需一种适用于燃料电池电堆的空气系统，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适用于燃料电池电堆的空气系统，能够降低空压机的功率，且提高空压机的工作压比，以提升燃料电池系统的整体发电功率，经济性能高。

如上构思，本实用新型所采用的技术方案是：

适用于燃料电池电堆的空气系统，包括空气滤清器、空压机组件、中冷器组件和增湿器，所述空压机组件包括一级空压机和二级空压机，所述中冷器组件包括一级中冷器和二级中冷器，所述空气滤清器连通于所述一级空压机的入口，所述一级空压机的出口连通于所述一级中冷器的入口，所述一级中冷器的出口连通于所述二级空压机的入口，所述二级空压机的出口连通于所述二级中冷器的入口；

所述增湿器具有第一气体通道和第二气体通道，所述二级中冷器的出口连通于所述第一气体通道，所述第一气体通道用于通过第一管路连通于所述燃料电池电堆的入口，所述第二气体通道用于通过第二管路连通于所述燃料电池电堆的出口。

可选地，冷却出水口与所述一级中冷器的冷却水进口相连通，所述一级中冷器的冷却水出口与所述二级中冷器的冷却水进口相连通，所述二级中冷器的冷却水出口与冷却回水口相连通，所述冷却出水口包括向所述一级中冷器提供冷却水的外部水源的出水口，所述冷却回水口包括所述外部水源的回水口。

可选地，所述一级中冷器的冷却水进口与所述二级中冷器的冷却水进口相连通且与冷却出水口相连通，所述一级中冷器的冷却水出口与所述二级中冷器的冷却水出口相连通且与冷却回水口相连通，所述冷却出水口包括向所述一级中冷器提供冷却水的外部水源的出水口，所述冷却回水口包括所述外部水源的回水口。

可选地，所述一级中冷器的冷却水进口与所述二级中冷器的冷却水进口分别与冷却出水口相连通，所述一级中冷器的冷却水出口与所述二级中冷器的冷却水出口分别与冷却回水口相连通，所述冷却出水口包括向所述一级中冷器和所述二级中冷器提供冷却水的外部水源的出水口，所述冷却回水口包括所述外部水源的回水口。

可选地，所述第一管路上设置有压力计，所述压力计用于检测所述燃料电池电堆的入口处的气压。

可选地，所述第二管路上设置有调节阀，所述调节阀用于调节所述第二管路的流通面积，所述调节阀与所述压力计信号连接。

可选地，所述第一管路上还设置有第一阀，所述第一阀用于实现所述第一管路的导通或关断。

可选地，所述压力计位于所述第一阀的下游。

可选地，所述空气滤清器和所述一级空压机通过进气管路连通，所述进气管路上设置有流量计，所述流量计用于检测所述进气管路内的气体流量。

可选地，所述适用于燃料电池电堆的空气系统还包括尾排管路，所述第二气体通道通过所述尾排管路连通大气。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出的适用于燃料电池电堆的空气系统，包括空气滤清器、空压机组件、中冷器组件和增湿器，空压机组件包括一级空压机和二级空压机，中冷器组件包括一级中冷器和二级中冷器。其中，空气滤清器连通于一级空压机的入口，一级空压机的出口连通于一级中冷器的入口，一级中冷器的出口连通于二级空压机的入口，二级空压机的出口连通于二级中冷器的入口。增湿器具有第一气体通道和第二气体通道，二级中冷器的出口连通于第一气体通道，第一气体通道用于通过第一管路连通于燃料电池电堆的入口，第二气体通道用于通过第二管路连通于燃料电池电堆的出口。即增压冷却后的气体在进入燃料电池电堆之前，可先利用增湿器增大其湿度，使其可为燃料电池电堆带入更多的水分，而从燃料电池电堆内排出的废气带有一定的水分，也可再通过增湿器，以在增湿器中进行热量及水分的传递，可以作为增湿器的加湿来源，经济节能。且通过在一级空压机的后端也添加中冷器即一级中冷器，可降低二级空压机入口的气体温度，在理论上可以将等熵压缩的过程接近等温压缩，使空压机的理论所需功率下降，即二级空压机的功率降低，而二级空压机实际工作点的压比提升，其实际工作性能将得到提升，即可提升燃料电池系统的整体发电功率，经济性能更高。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的适用于燃料电池电堆的空气系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的空压机功率变化示意图。

图中：

1、空气滤清器；2、一级空压机；3、二级空压机；4、一级中冷器；5、二级中冷器；6、增湿器；7、燃料电池电堆；

10、第一管路；101、第一阀；102、压力计；20、第二管路；201、调节阀；30、进气管路；301、流量计；40、尾排管路。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。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。

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”、“左”、“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。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，本实施例提供一种适用于燃料电池电堆的空气系统，包括空气滤清器1、空压机组件、中冷器组件和增湿器6，空压机组件包括一级空压机2和二级空压机3，中冷器组件包括一级中冷器4和二级中冷器5。其中，空气滤清器1连通于一级空压机2的入口，一级空压机2的出口连通于一级中冷器4的入口，一级中冷器4的出口连通于二级空压机3的入口，二级空压机3的出口连通于二级中冷器5的入口，而增湿器6具有第一气体通道和第二气体通道，二级中冷器5的出口连通于第一气体通道，第一气体通道用于通过第一管路10连通于燃料电池电堆7的入口，第二气体通道用于通过第二管路20连通于燃料电池电堆7的出口。

本实施例所提供的适用于燃料电池电堆的空气系统从大气环境中获取气体，气体在经空气滤清器1过滤之后进入空压机组件进行压缩增压，而被增压的气体再经过中冷器组件冷却后进入增湿器6。即增压冷却后的气体在进入燃料电池电堆7之前，可先利用增湿器6增大其湿度，使其可为燃料电池电堆7带入更多的水分，而从燃料电池电堆7内排出的废气带有一定的水分，也可再通过增湿器6，以在增湿器6中进行热量及水分的传递，可以作为增湿器6的加湿来源，经济节能。另外，如图2所示，通过在一级空压机2的后端也添加中冷器即一级中冷器4，可降低二级空压机3入口的气体温度，在理论上可以将等熵压缩的过程接近等温压缩，使空压机的理论所需功率下降，即二级空压机3的功率降低。另外，空压机实际工作的性能为一定转速下，压比和流量是负相关的，这一转速和流量是修正转速N和修正流量m，且修正转速N、实际转速N、进气温度T、修正流量m、实际流量m，满足：即在相同转速下，二级空压机3的入口气体温度的降低，将使得空压机修正转速N提高和修正流量m降低，则二级空压机3实际工作点的压比提升，而空压机的最大压比得到提升后，其实际工作性能将得到提升，即可提升燃料电池系统的整体发电功率，经济性能更高。

具体实施时，一级中冷器4和二级中冷器5可根据实际的换热需求选择串联或者并联，以进一步实现经济性能最优。可选地，一级中冷器4和二级中冷器5串联，则冷却出水口与一级中冷器4的冷却水进口相连通，一级中冷器4的冷却水出口与二级中冷器5的冷却水进口相连通，二级中冷器5的冷却水出口与冷却回水口相连通，即冷却水先经过一级中冷器4进行热交换后，再进入二级中冷器5实现热交换。可选地，一级中冷器4和二级中冷器5串联，一级中冷器4和二级中冷器5可以为同一个芯体，也可以是两个单独芯体。其中，冷却出水口包括向一级中冷器4和/或二级中冷器5提供冷却水的外部水源的出水口，而冷却回水口包括外部水源的回水口。

可选地，一级中冷器4和二级中冷器5并联则具有如下两种结构，其一，即一级中冷器4的冷却水进口与二级中冷器5的冷却水进口分别与冷却出水口相连通，一级中冷器4的冷却水出口与二级中冷器5的冷却水出口分别与冷却回水口相连通。其二，即一级中冷器4的冷却水进口与二级中冷器5的冷却水进口相连通且与冷却出水口相连通，一级中冷器4的冷却水出口与二级中冷器5的冷却水出口相连通且与冷却回水口相连通。

进一步地，第一管路10上设置有压力计102，压力计102用于检测燃料电池电堆7的入口处的气压。优选地，压力计102靠近燃料电池电堆7设置。因压力计102用于检测燃料电池电堆7的入口处的气压，则为保证压力检测的精度，压力计102设置的越靠近燃料电池电堆7的入口越好。

更进一步地，第二管路20上设置有调节阀201，且调节阀201与压力计102信号连接。通过调节调节阀201的开度，可调节第二管路20的流通面积，以进一步改变燃料电池电堆7的出口处的背压。则当压力计102检测到燃料电池电堆7的入口处的实时气压大于预设气压时，可通过调大调节阀201的开度，以使实时气压减小。

可选地，第一管路10上还设置有第一阀101，第一阀101为关断阀，第一阀101用于实现第一管路10的导通或关断。即在系统关闭时，第一阀101和调节阀201均处于关闭状态，以使燃料电池电堆7处于负压环境。优选地，可在第二管路20上设置第二阀，第二阀为关断阀，调节阀201仅用于在第一阀101和第二阀均保持开的状态下调节开度，而在系统关闭时，仅关闭第一阀101和第二阀即可。

优选地，压力计102位于第一阀101的下游。即压力计102处于第一阀101和调节阀201之间，则当系统关闭时，仍可通过压力计102对于燃料电池电堆7的入口处进行压力检测，以判断第一阀101和调节阀201是否处于关断状态，即可判断第一阀101和调节阀201的密封性能是否良好。

可选地，空气滤清器1和一级空压机2通过进气管路30连通，进气管路30上设置有流量计301，流量计301与空压机组件信号连接。流量计301用于检测进气管路30上的气体流量，则当其所检测到的实时流量值低于预设流量值时，即可反馈相应信号至空压机组件，以使空压机的转速增加，从而提高空压机的产气量，满足系统所需，而当实时流量值高于预设流量值时，同样反馈相应信号至空压机组件，以使空压机的转速降低，从而减小空压机的产气量。

可选地，适用于燃料电池电堆的空气系统还包括尾排管路40，第二气体通道通过尾排管路40连通大气。

以上实施方式只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述实施方式限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，包括空气滤清器(1)、空压机组件、中冷器组件和增湿器(6)，所述空压机组件包括一级空压机(2)和二级空压机(3)，所述中冷器组件包括一级中冷器(4)和二级中冷器(5)，所述空气滤清器(1)连通于所述一级空压机(2)的入口，所述一级空压机(2)的出口连通于所述一级中冷器(4)的入口，所述一级中冷器(4)的出口连通于所述二级空压机(3)的入口，所述二级空压机(3)的出口连通于所述二级中冷器(5)的入口；

所述增湿器(6)具有第一气体通道和第二气体通道，所述二级中冷器(5)的出口连通于所述第一气体通道，所述第一气体通道用于通过第一管路(10)连通于燃料电池电堆(7)的入口，所述第二气体通道用于通过第二管路(20)连通于所述燃料电池电堆(7)的出口。

2.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，冷却出水口与所述一级中冷器(4)的冷却水进口相连通，所述一级中冷器(4)的冷却水出口与所述二级中冷器(5)的冷却水进口相连通，所述二级中冷器(5)的冷却水出口与冷却回水口相连通，所述冷却出水口包括向所述一级中冷器(4)提供冷却水的外部水源的出水口，所述冷却回水口包括所述外部水源的回水口。

3.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述一级中冷器(4)的冷却水进口与所述二级中冷器(5)的冷却水进口相连通且与冷却出水口相连通，所述一级中冷器(4)的冷却水出口与所述二级中冷器(5)的冷却水出口相连通且与冷却回水口相连通，所述冷却出水口包括向所述一级中冷器(4)提供冷却水的外部水源的出水口，所述冷却回水口包括所述外部水源的回水口。

4.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述一级中冷器(4)的冷却水进口与所述二级中冷器(5)的冷却水进口分别与冷却出水口相连通，所述一级中冷器(4)的冷却水出口与所述二级中冷器(5)的冷却水出口分别与冷却回水口相连通，所述冷却出水口包括向所述一级中冷器(4)和所述二级中冷器(5)提供冷却水的外部水源的出水口，所述冷却回水口包括所述外部水源的回水口。

5.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述第一管路(10)上设置有压力计(102)，所述压力计(102)用于检测所述燃料电池电堆(7)的入口处的气压。

6.根据权利要求5所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述第二管路(20)上设置有调节阀(201)，所述调节阀(201)用于调节所述第二管路(20)的流通面积，所述调节阀(201)与所述压力计(102)信号连接。

7.根据权利要求5所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述第一管路(10)上还设置有第一阀(101)，所述第一阀(101)用于实现所述第一管路(10)的导通或关断。

8.根据权利要求7所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述压力计(102)位于所述第一阀(101)的下游。

9.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述空气滤清器(1)和所述一级空压机(2)通过进气管路(30)连通，所述进气管路(30)上设置有流量计(301)，所述流量计(301)用于检测所述进气管路(30)内的气体流量。

10.根据权利要求1至9任一项所述的适用于燃料电池电堆的空气系统，其特征在于，所述适用于燃料电池电堆的空气系统还包括尾排管路(40)，所述第二气体通道通过所述尾排管路(40)连通大气。