一种燃料电池空气系统及发动机的制作方法

1.本实用新型涉及电堆防结冰技术领域，尤其是涉及一种燃料电池空气系统及发动机。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池在工作过程，阳极氢气和阴极氧气发生电化学反应产生水，在冬天的低温环境下，燃料电池关机后若没有及时排出燃料电池堆内的水分，残余的水分就会结冰。水结冰会破坏单电池的结构，引起结构变形，造成漏气，严重时甚至还会刺穿质子交换膜，造成阴阳极串气，进而造成电堆腐蚀等不可修复的损伤，从而大幅度降低燃料电池寿命。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型的第一个目的是提供一种燃料电池空气系统，旨在解决现有技术中燃料电池关机后不能及时排出燃料电池堆内的水分，造成残余水分结冰的问题。
4.本实用新型的第二个目的是提供一种发动机。
5.为了实现上述第一个目的，本实用新型提供了如下方案：
6.一种燃料电池空气系统，包括空压机、中冷器、加湿器、三通阀和电堆；
7.所述空压机的出口分别与所述中冷器的入口及所述三通阀的第一入口连通，所述中冷器的出口与所述加湿器的干侧入口连通，所述加湿器的干侧出口与所述三通阀的第二入口连通，所述三通阀的出口与所述电堆的空气入口连通，所述电堆的尾气出口与所述加湿器的湿侧入口连通；
8.当所述电堆正常发电时，所述三通阀的第二入口与所述三通阀的出口连通；
9.当所述电堆关机，且所述燃料电池空气系统所处外界环境的温度低于0℃时，所述三通阀的第一入口与所述三通阀的出口连通。
10.在一个具体的实施方案中，所述燃料电池空气系统还包括旁通管；
11.所述旁通管的入口与所述空压机的出口连通，所述旁通管的出口与所述三通阀的第一入口连通。
12.在另一个具体的实施方案中，所述燃料电池空气系统还包括吹扫阀；
13.所述吹扫阀的入口与所述三通阀的出口连通，所述吹扫阀的出口与所述电堆的排氢管路的入口连通，所述排氢管路的出口通过所述电堆的吹扫出口与所述加湿器的湿侧入口连通；
14.当发动机启动，且所述外界环境的温度低于0℃时，所述第一入口与所述三通阀的出口连通，且所述吹扫阀处于打开的状态。
15.在另一个具体的实施方案中，所述吹扫阀的开度可调。
16.在另一个具体的实施方案中，所述三通阀的开度可调。
17.在另一个具体的实施方案中，所述燃料电池空气系统还包括空气出口开关阀；
18.所述空气出口开关阀的入口与所述电堆的尾气出口连通，所述空气出口开关阀的出口与所述加湿器的湿侧入口连通。
19.在另一个具体的实施方案中，所述三通阀、所述吹扫阀及所述空气出口开关阀均为电控阀。
20.在另一个具体的实施方案中，所述燃料电池空气系统还包括温度传感器；
21.所述温度传感器设置在所述三通阀的出口与所述电堆的空气入口之间，用于检测进入所述电堆的空气的温度。
22.在另一个具体的实施方案中，所述燃料电池空气系统还包括空气过滤器；
23.所述空气过滤器的出口与所述空压机的入口连通。
24.根据本实用新型的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本实用新型范围内，是本实用新型具体实施方式的一部分。
25.本实用新型提供的燃料电池空气系统，当电堆正常发电时，使得三通阀的第二入口与三通阀的出口连通，外部空气进入空压机进行压缩，以一定的空压比和压强进入中冷器对空气进行冷却，冷却后由加湿器对入堆空气进行增湿，满足入堆空气的湿度，空气中的氧气进入电堆发生反应，而剩余的未参与反应氧气、氮气以及反应生成的水分等气体会从电堆的尾气出口经过加湿器的湿侧出口排到大气中。当电堆关机，且燃料电池空气系统所处外界环境的温度低于0℃时，使得三通阀的第一入口与三通阀的出口连通，外部空气进入空压机内，空压机由整车高压动力电池继续供电工作，经过空压机压缩后的热空气将会直接通过三通阀的第一入口及三通阀的出口流入电堆，对电堆的阴极流道进行热吹扫，在高温、高压的热空气流带动下，阴极的水分会迅速蒸发并被排出电堆，避免电堆在低温环境下结冰，进而避免了水结冰破坏单电池的结构引起燃料电池结构变形，造成漏气、阴阳极串气等问题，从而大幅度提高了燃料电池的寿命。
26.为了实现上述第二个目的，本实用新型提供了如下方案：
27.一种发动机，包括如上述中任一项所述的燃料电池空气系统。
28.由于本实用新型提供的发动机包括上述任意一项中的燃料电池空气系统，因此，燃料电池空气系统所具有的有益效果均是本实用新型公开的发动机所包含的。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出新颖性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本实用新型提供的燃料电池空气系统的示意图。
31.其中，图1中：
32.空压机1、中冷器2、加湿器3、三通阀4、电堆5、旁通管6、吹扫阀7、排氢阀501、箱体502、空气出口开关阀8、温度传感器9、空气过滤器10。
具体实施方式
33.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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出新颖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。
34.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”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，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位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.如图1所示，本实用新型第一方面提供了一种燃料电池空气系统，能够使得处于低温环境至的电堆5关机时，将电堆5内的水分排出，避免电堆5内水分结冰导致的燃料电池损坏的问题。
36.具体地，燃料电池空气系统包括空压机1、中冷器2、加湿器3、三通阀4和电堆5。
37.空压机1由整车高压动力电池供电，且空压机1的转速可调，通过调节空压机1的转速实现供给电堆5的空气压力的调节。
38.为了进一步便于调节空压机1压缩后的空气温度，本实用新型公开了三通阀4的开度可调。具体地，三通阀4为三通球阀。可以理解地，三通阀4为三通球阀仅是本实用新型的一个优选实施方式，在实际应用中，也可以设置三通阀4为其它类型的阀。
39.空压机1的出口分别与中冷器2的入口及三通阀4的第一入口连通，中冷器2的出口与加湿器3的干侧入口连通，加湿器3的干侧出口与三通阀4的第二入口连通，三通阀4的出口与电堆5的空气入口连通，电堆5的尾气出口与加湿器3的湿侧入口连通。
40.当电堆5正常发电时，三通阀4的第二入口与三通阀4的出口连通，三通阀4的第一入口与三通阀4的出口断开。外部空气进入空压机1进行压缩，以一定的空压比和压强进入中冷器2对空气进行冷却，冷却后由加湿器3对入堆空气进行增湿，满足入堆空气的湿度，空气中的氧气进入电堆5发生反应，而剩余的未参与反应氧气、氮气以及反应生成的水分等气体会从电堆5的尾气出口经过加湿器3的湿侧出口排到大气中。通过调节三通阀4的开度和控制空压机1的转速使空压机1压缩后的空气温度大约80℃-90℃，在高温、高压的热空气流带动下，电堆5阴极的水分会迅速蒸发并被排出电堆5。
41.当电堆5关机，且燃料电池空气系统所处外界环境的温度低于0℃时，三通阀4的第一入口与三通阀4的出口连通，三通阀4的第二入口与三通阀4的出口断开。外部空气进入空压机1内，空压机1由整车高压动力电池继续供电工作，经过空压机1压缩后的热空气将会直接通过三通阀4的第一入口及三通阀4的出口流入电堆5，对电堆5的阴极流道进行热吹扫，在高温、高压的热空气流带动下，阴极的水分会迅速蒸发并被排出电堆5，避免电堆5在低温环境下结冰，进而避免了水结冰破坏单电池的结构引起燃料电池结构变形，造成漏气、阴阳极串气等问题，从而大幅度提高了燃料电池的寿命。这样在长时间的低温环境中，燃料电池电堆5内部才不会结冰，在保护电堆5的情况下缩短了下次冷启动的时间。
42.需要说明的是，也可以设置三通阀4位于空压机1和中冷器2之间，即三通阀4具有1个入口和2个出口，三通阀4的入口与空压机1的出口连通，三通阀4的第一出口与中冷器2的入口连通，三通阀4的第二出口与加湿器3的湿侧出口连通。
43.在一些实施例中，燃料电池空气系统还包括旁通管6，旁通管6的入口与空压机1的
出口连通，旁通管6的出口与三通阀4的第一入口连通。
44.旁通管6可以为波纹管等可伸缩管，也可以是不锈钢管等。
45.在一些实施例中，燃料电池空气系统还包括吹扫阀7，吹扫阀7的入口与三通阀4的出口连通，吹扫阀7的出口与电堆5的排氢管路的入口连通，排氢管路的出口通过电堆5的吹扫出口与加湿器3的湿侧入口连通。
46.当发动机启动，且外界环境的温度低于0℃时，第一入口与三通阀4的出口连通，且吹扫阀7处于打开的状态。
47.空压机1压缩后的热空气一部分会经过吹扫阀7进入电堆5的箱体502内，并对箱体502内的排氢管路以及排氢管路上的排氢阀501进行加热吹扫，加速该部位的快速融化以及升温；另一部分热空气会进入到电堆5内部，通过双极板的阴极流道时，会将热量传导到石墨板和质子交换膜上，使阴极侧迅速升温解冻。
48.通过石墨板良好的导热性能，阳极侧和水路也会迅速升温解冻，因此，电堆5整体的温度会迅速升高。配合外部水路的加热措施，从而更快达到“热机”效果，使电堆5以最快速度进入待机状态。
49.进一步地，本实用新型公开了吹扫阀7的开度可调，便于调节进入排氢管路内的热空气量。
50.在一些实施例中，燃料电池空气系统还包括空气出口开关阀8，空气出口开关阀8的入口与电堆5的尾气出口连通，空气出口开关阀8的出口与加湿器3的湿侧入口连通。
51.为了便于控制三通阀4、吹扫阀7及空气出口开关阀8的开闭，本实用新型公开了三通阀4、吹扫阀7及空气出口开关阀8均为电控阀。
52.在一些实施例中，燃料电池空气系统还包括温度传感器9，温度传感器9设置在三通阀4的出口与电堆5的空气入口之间，用于检测进入电堆5的空气的温度，便于实时监控进入电堆5的空气的温度。
53.在一些实施例中，燃料电池空气系统还包括空气过滤器10，空气过滤器10的出口与空压机1的入口连通。
54.空气过滤器10用于过滤空气中的杂质，防止损伤空压机1和污染电堆5。
55.本实用新型具有如下优点：
56.(1)通过相同的操作条件，即转动三通阀4，使加热空气通过旁通管6直接流入电堆5，可实现关机后加热吹扫和冷启动时电堆5加热两种功能，在保证燃料电池空气路系统正常功能的情况下，用到的零部件较少，减少了系统布置成本；
57.(2)空压机1的转速和三通阀4的开度均可控，可实现入堆温度可调，可根据不同系统的调节不同的温度进行吹扫、加热；
58.(3)本实用新型通过加热吹扫功能，能够在普通吹扫的前提下加快电堆5阴极水分的排出，减少关机后空压机1的工作时间，降低关机后的能量消耗；
59.(4)本实用新型中，通过热气流对箱体502内部零部件和电堆5内部流道加热，可更快地实现电堆5的热机，缩短启动时间，减少冷启动的能量消耗。
60.本实用新型第二方面提供了一种发动机，包括如上述中任一项实施例中的燃料电池空气系统。
61.由于本实用新型提供的发动机包括上述任意一项实施例中的燃料电池空气系统，
因此，燃料电池空气系统所具有的有益效果均是本实用新型公开的发动机所包含的。
62.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
63.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。