集成式燃料电池空气供给系统及燃料电池系统的制作方法

本实用新型涉及燃料电池领域，具体涉及一种集成式燃料电池空气供给系统及燃料电池系统。

背景技术：

燃料电池是一种将燃料化学能直接转化为电能的装置，其原理是通过质子交换膜传导燃料质子，在外部通路输出电流的方式进行发电，产物仅仅由水组成。这是一种高效、环保的能源转换方式，其能量转换效率非常高，且转换方式不受卡诺循环限制。燃料电池广泛应用于新能源汽车、轮船、无人机及热电联供发电等领域。

在燃料电池系统中，空气系统提供的是所需的氧化剂。燃料电池系统工作过程中，来自空气系统的影响主要包括空气压力、流量、温度、湿度、电堆内部阴极产水量与输水能力以及空气供应的响应速度和稳定性等方面的因素。当满足所述条件时就要为系统考虑其可靠性，包括空压机启停次数、空压机耐久性、空滤更换周期和增湿器使用寿命等。

专利公开号为cn110957507的专利文献公开一种燃料电池供气装置及其控制方法，该方法所给出的空气系统空压机防喘振旁通流量方案为无能量回收，方案中还给出电堆入口端通过多个比例阀调节空气湿度，此无法在调节空气湿度时无法保证进入电堆的空气流量，在电堆空气进出口端没有截止功能。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提出一种集成式燃料电池空气供给系统，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种集成式燃料电池空气供给系统，该集成式燃料电池空气供给系统包括控制器单元、空气过滤器、空气压缩机、中冷器、集成式阀组、增湿器、水分离器和消音器，所述集成式阀组和所述空气压缩机分别与所述控制器单元连接；其中：所述空气压缩机包括有空气供给进口、空气供给出口、空气回收进口和空气回收出口，所述空气供给进口与所述空气过滤器连接，所述空气供给出口与所述中冷器连接；所述增湿器包括有干侧入口、干侧出口、湿侧入口和湿侧出口，所述干侧出口可与燃料电池堆的入口连接，所述湿侧入口可与燃料电池堆的出口连接，所述集成式阀组包括进气三通阀和排气三通阀，所述进气三通阀包括有进气入口和第一进气出口，所述进气入口与所述中冷器连接，所述进气出口与所述干侧入口连接，所述排气三通阀包括有第一排气入口和排气出口，所述第一排气入口与所述湿侧出口连接；所述水分离器包括有湿空气入口、分离水出口和干空气出口，所述湿空气入口与所述排气出口连接，所述干空气出口与所述空气回收进口连接，所述空气回收出口与所述消音器连接。

优选地，所述集成式阀组还包括用于调节所述燃料电池堆入口处空气湿度的湿度比例阀，所述湿度比例阀的一端可与所述燃料电池堆的出口连接，所述湿度比例阀的另一端与所述排气三通阀的第二排气入口连接。

优选地，所述增湿器的干侧出口端设有用于监测空气湿度的露点传感器，所述露点传感器与所述控制器单元连接。

优选地，所述集成式阀组还包括用于调节进入所述燃料电池堆的空气流量和压力的背压阀，所述背压阀的进口端与所述排气出口连接，所述背压阀的出口端与所述消音器连接。

优选地，所述集成式阀组还包括用于防止空气压缩机喘振的旁通比例阀，所述旁通比例阀的一端与所述进气三通阀的第二进气出口连接，所述旁通比例阀的另一端与所述空气压缩机的空气供给进口连接。

优选地，所述旁通比例阀的出口端设有旁路流量计，所述空气压缩机的空气供给进口端设有主路流量计，所述主路流量计与所述旁路流量计分别与所述控制器单元连接。

本实用新型还提出一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括前述各实施例记载的集成式燃料电池空气供给系统，所述集成式燃料电池空气供给系统包括控制器单元、空气过滤器、空气压缩机、中冷器、集成式阀组、增湿器、水分离器和消音器，所述集成式阀组和所述空气压缩机分别与所述控制器单元连接；其中：所述空气压缩机包括有空气供给进口、空气供给出口、空气回收进口和空气回收出口，所述空气供给进口与所述空气过滤器连接，所述空气供给出口与所述中冷器连接；所述增湿器包括有干侧入口、干侧出口、湿侧入口和湿侧出口，所述干侧出口可与燃料电池堆的入口连接，所述湿侧入口可与燃料电池堆的出口连接，所述集成式阀组包括进气三通阀和排气三通阀，所述进气三通阀包括有进气入口和第一进气出口，所述进气入口与所述中冷器连接，所述进气出口与所述干侧入口连接，所述排气三通阀包括有第一排气入口和排气出口，所述第一排气入口与所述湿侧出口连接；所述水分离器包括有湿空气入口、分离水出口和干空气出口，所述湿空气入口与所述排气出口连接，所述干空气出口与所述空气回收进口连接，所述空气回收出口与所述消音器连接。

与现有技术相比，本实用新型实施例的有益技术效果在于：

本实用新型实施例所提出的空气供给系统，其可对燃料电池堆所排出的废空气进行能量回收，以利用此能量辅助带动空气压缩机的电机旋转，从而实现对于燃料电池空气供给系统的能量回收。具体的，燃料电池堆所排出的废空气中包含有大量的氮气、未反应的氧气、水蒸气及其他气体，而由于废空气中还包含有液态水，因此废空气在经三通阀后需通过水分离器将其中所包含的液态水分离，而后再将废空气引入空气压缩机的空气回收进口中，以利用废空气所包含的能量带动空气压缩机的电机旋转，能量耗尽后的空气再经空气回收出口排出。

附图说明

图1为本实用新型集成式燃料电池空气供给系统一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型集成式燃料电池空气供给系统的空气压缩机的性能图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，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。

实施例一

本实用新型实施例提出一种集成式燃料电池空气供给系统，参见图1，该集成式燃料电池空气供给系统包括控制器单元10、空气过滤器20、空气压缩机30、中冷器40、集成式阀组50、增湿器60、水分离器70和消音器80，集成式阀组50和空气压缩机30分别与控制器单元10连接；其中：空气压缩机30包括有空气供给进口、空气供给出口、空气回收进口和空气回收出口，空气供给进口与空气过滤器20连接，空气供给出口与中冷器40连接；增湿器60包括有干侧入口、干侧出口、湿侧入口和湿侧出口，干侧出口可与燃料电池堆300的入口连接，湿侧入口可与燃料电池堆300的出口连接，集成式阀组50包括进气三通阀51和排气三通阀52，进气三通阀51包括有进气入口和第一进气出口，进气入口与中冷器40连接，进气出口与干侧入口连接，排气三通阀52包括有第一排气入口和排气出口，第一排气入口与湿侧出口连接；水分离器70包括有湿空气入口、分离水出口和干空气出口，湿空气入口与排气出口连接，干空气出口与空气回收进口连接，空气回收出口与消音器80连接。

本实用新型实施例所提出的控制器单元10分别与空气压缩机30和集成式阀组50电连接，以通过控制器单元10实现对于空气压缩机30和集成式阀组50的电控，也即控制器单元10可根据实际情况控制空气压缩机30的电机转速以及控制集成式阀组50中各阀门的通断。空气压缩机30具有空气供给进口和空气供给出口，空气供给进口通过管道与空气过滤器20连接，空气过滤器20用于对外部供给的空气进行过滤，其主要是通过多孔过滤材料从气固两相流中捕集粉尘，以保证供给给燃料电池堆300的空气的洁净程度，从而避免空气中所夹杂的粉尘对燃料电池堆300造成损坏。空气供给出口通过管道与中冷器40连接，因为经空气压缩机30压缩后的空气的温度较高，所以需对通过中冷器40对压缩后的空气进行降温，以使得压缩后的空气的温度能够适应燃料电池堆300。

中冷器40对压缩后的空气进行降温，降温后的压缩空气将流经进气三通阀51，而后流经增湿器60，以通过增湿器60对待进入燃料电池堆300的空气进行增湿，以使其满足燃料电池堆300对于空气湿度的要求。增湿器60具有干侧入口、干侧出口、湿侧入口和湿侧出口，干侧入口通过管道与进气三通阀51连接，干侧出口通过管道与燃料电池堆300的入口连接，湿侧入口通过管道与燃料电池堆300的出口连接，湿侧出口通过管道与排气三通阀52连接。燃料电池堆300在反应过程中会产生水蒸气，其所排出的废气中也将包含有水蒸气，因此可以利用该水蒸气对从干侧入口进入的空气进行湿度交换，以使得待进入燃料电池堆300的空气湿度满足要求。在进行湿度交换后，从燃料电池堆300中所排出的废空气将经排气三通阀52排出至水分离器70，以通过水分离器70对废空气中所包含的液态水进行分离，分离后的液态水将通过增湿器60的分离水出口排放至外部，从而获得相对干燥的废空气，该干空气将通过增湿器60的干空气出口排出。增湿器60的干空气出口与空气压缩机30的空气回收进口通过管道连接，干空气出口排出的空气将通过空气回收进口流入至空气压缩机30内，以通过该干空气带动空气压缩机30的电机旋转，从而实现对于废空气的能量回收。

本实用新型实施例所提出的进气三通阀51和排气三通阀52分别具有进气截止功能和排气截止功能，进气截止功能是指通过进气三通阀51断开燃料电池堆300的空气供给管路，排气截止功能是指通过排气三通阀52断开燃料电池堆300的空气排放管路，也即通过进气三通阀51和排气三通阀52同时断开燃料电池堆300的空气供给管路和空气排放管路，以使部分空气封闭在燃料电池堆300内部。因为在燃料电池堆300内部封存有部分空气，所以可通过该部分空气将燃料电池堆300内部残留的氢气消耗完毕，空气侧反应后，剩余氮气将渗透到氢气侧，通过提高氮气含量对燃料电池堆300的质子交换膜起到保护作用，同时降低停机后燃料电池堆300阴极被空气氧化的速率(氮气为惰性气体，不会与质子交换膜发生反应)。

实施例二

本实用新型实施例所提出的集成式阀组50还包括用于调节燃料电池堆300入口处空气湿度的湿度比例阀53，湿度比例阀53的一端可与燃料电池堆300的出口连接，湿度比例阀53的另一端与排气三通阀52的第二排气入口连接。燃料电池系统高负载运行时，燃料与氧化剂反应速率提高，导致副产物水的产生速率加快，此时应提高阴极生成的水的输出速率，并且需要保证空气需求量和燃料电池堆300入口处的空气湿度。为达到上述要求，本实用新型实施例通过湿度比例阀53旁通燃料电池堆300出口的部分湿空气，以调节燃料电池系统高负载运行时的入口空气湿度。具体的，燃料电池堆300出口处所排放的废空气中，一部分经由增湿器60流入至排气三通阀52的第一排气入口，另一部分经湿度比例阀53后流入至排气三通阀52的第二排气入口，通过控制湿度比例阀53的开度，以调节废空气流入至增湿器60的流量。也即，燃料电池堆300所排放出的废空气会经过两路，分别是增湿器60所在一路以及湿度比例阀53所在一路，若湿度比例阀53的开度增大，则流经湿度比例阀53所在一路的废空气流量将增大，对应的流入增湿器60的废空气流量将减小。可以理解的是，若流入增湿器60的废空气流量减小，则其与从增湿器60的干侧入口流入的空气在进行湿度交换时所能达到的湿度较低，反之则湿度较高。本实施例通过湿度比例阀53可调节燃料电池堆300入口处空气湿度，以防止进入燃料电池堆300的空气湿度过大造成其内部出现“水淹”现象。

实施例三

本实用新型实施例所提出的增湿器60的干侧出口端设有用于监测空气湿度的露点传感器90，露点传感器90与控制器单元10连接。本实施例中，通过露点传感器90可实时监测待进入燃料电池堆300的空气湿度，露点传感器90所监测的露点数据可被控制器单元10所采集，控制器单元10再判断该空气湿度是否达到入堆空气湿度的上限阈值。若超出设定阈值，则调节湿度比例阀53的开度，以减少增湿器60中废空气进入量，降低电堆入口空气与湿空气的水分的交换量，从而控制电堆入口空气湿度。

实施例四

本实用新型实施例所提出的集成式阀组50还包括用于调节进入燃料电池堆300的空气流量和压力的背压阀54，背压阀54的一端与排气出口连接，背压阀54的另一端与消音器80连接。本实施例中，通过背压阀54可调节进入燃料电池堆300的空气压力，从而实现满足功率需求的全工况控制。具体的，燃料电池系统高负载运行时，空气流量非常大，若关闭背压阀54，虽然能量回收效率高，但如此会导致燃料电池堆300入口处的压力过高。所以，本实施例在排气三通阀52的排气出口端设有背压阀54，以通过背压阀54进行泄压，从而达到调节燃料电池堆300入口处空气压力的目的。

实施例五

本实用新型实施例所提出的集成式阀组50还包括用于防止空气压缩机30喘振的旁通比例阀55，旁通比例阀55的一端与进气三通阀51的第二进气出口连接，旁通比例阀55的另一端与空气压缩机30的空气供给进口连接。燃料电池系统低负载运行时，空气压缩机30将运行在较小流量、较大压比(空气供给出口/空气供给进口)工况下，而在此工况下可能导致空压机运行在喘振线附近，为此需要提高空气供给进口处的压力。空压机喘振是：空气压缩机30在某个恒定转速下，当空气压缩机30流量因压比升高而减小到某一值，其出口压力和转速将出现剧烈波动现象。为达到燃料电池系统运行时所需的空气供给进口处的压力，应提高空气压缩机30的转速，而在提高空气压缩机30转速的同时，空气流量将会随之增大，并且超出燃料电池堆300运行时的需求值。为此，本实施例在进气三通阀51的第二进气出口端设有旁通比例阀55，以通过调节旁通比例阀55的开度将过量的空气流通到空气压缩机30的空气供给进口处，从而在防止出现喘振的同时实现对于空气能量的二次回收。

实施例六

本实用新型实施例所提出的旁通比例阀55的出口端设有旁路流量计100，空气压缩机30的空气供给进口端设有主路流量计200，主路流量计200与旁路流量计100分别与控制器单元10连接。本实施例中，通过主路流量计200可实时监测外部供给的空气流量，而通过旁路流量计100可实时监测通过旁路比例阀所回收的空气流量，控制器单元10可根据旁路流量计100和主路流量计200的监测数据计算得到进入燃料电池堆300的空气流量和空气压力。参见图2，为检测空气压缩机30输出流量对应的压比是否在喘振线附近，本实施例通过控制器单元10计算空气压缩机30的空气供给进口和空气供给出口处的空气压比值，并根据实时采集的空气总量和燃料电池堆300的工况需求空气流量进行比较，判断此时空气压缩机30的工况运行值是否在空压机性能图的喘振线附近。若空压机运行在可控流量区域内，则可关闭旁通比例阀55；若空压机运行在可控流量区域外，则需要提高空气压缩机30的转速，以使其运行在可控流量区域内，并配合调节旁通比例阀55开度，以旁通过量的空气并将其回收至空气压缩机30内。

本实用新型进一步提出的一种燃料电池系统包括集成式燃料电池空气供给系统，该集成式燃料电池空气供给系统的具体结构参照上述实施例，由于本燃料电池系统采用了上述所有实施例的所有技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的全部技术效果，在此不再一一赘述。

以上的仅为本实用新型的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本实用新型保护的范围，凡是在与本实用新型一个整体的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型保护的范围内。