燃料电池的空气子系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池的空气子系统。


背景技术：

2.车载燃料电池系统一般由空气子系统、氢气子系统、热管理系统和控制系统组成，其中空气子系统主要由空气滤清器、空压机、中冷器、加湿器等部件组成，用于满足燃料电池堆发电时对空气的供应需求。
3.现有的燃料电池系统原理如图1所示，空气子系统在工作时，外界的空气经过空气滤清器过滤杂质后由空压机驱动后，再依次经过中冷器降温和加湿器加湿，达到燃料电池堆运行所需的温度、压力、湿度等状态，进入燃料电池堆进行电化学反应。空气在电堆流道反应后带出部分反应生成的水再重新进入加湿器，利用带出的水分对进入的空气进行加湿，最后再排出大气。
4.但上述的空气子系统在工作时，进入电堆的空气湿度无法调节，系统高功率运行时电堆的阴极产生的水分较大，导致空气带出的水分较多，因此对进入电堆的空气的加湿量过大，可能出现水淹现象。系统低功率运行时空气压缩机的转速较低，容易出现喘振现象，若调高空压机的转速，保持怠速状态，则空气流量过大，会导致膜电极过干，电堆性能衰减；而且在停机吹扫时，由于要优先控制电堆膜电极的含水量，进入电堆的空气需保持一定的含水量，导致加湿器的水量偏高。
5.为了调节进入空气的湿度，目前的做法是在加湿器与电堆之间布置三通阀，中冷器与加湿器之间的管路上再布置旁通管路连接至三通阀，如图2所示，此时可通过三通阀调节进入电堆的干湿空气流量比例，从而控制进入电堆的空气湿度，但是系统在低功率运行时仍然会出现喘振现象，若调高转速，保持怠速状态，则流量过大，导致膜电极过干，电堆性能衰减；且停机吹扫时，由于要优先控制电堆膜电极的含水量，使得加湿器的水量偏高，加湿器中真空玻纤管内外压差增大，影响加湿器寿命。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是：设计一种燃料电池的空气子系统，以控制入堆空气湿度的同时避免出现怠速状态下空压机喘振问题，且能够在保持电堆湿度的同时避免加湿器水量过高，还能降低空气入堆的压损，降低空压机辅耗。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种燃料电池的空气子系统，所述燃料电池包括电堆，包括：空气滤清器、空压机、中冷器、加湿器、四通阀、进气管路以及用于将空气排至大气中的排气管路；
8.所述加湿器具有进气口、湿气出口、湿气入口及排气口，所述排气口与所述进气管路连通；
9.所述空气滤清器、所述空压机、所述中冷器及所述进气口依次连通；
10.所述湿气出口通过所述进气管路与所述电堆连通；
11.所述四通阀具有第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，所述第一进气端与所述电堆连通，所述第二进气端与所述湿气出口之间连通有第一旁路，所述第一出气端与所述湿气入口连通，所述第二出气端与所述排气管路之间还连通有第二旁路。
12.优选的，所述进气管路上串联有第一节气门。
13.优选的，所述排气管路上串联有第二节气门。
14.优选的，所述四通阀还包括固定座，所述第一进气端、所述第二进气端、所述第一出气端及所述第二出气端均设于所述固定座的周壁上，且所述第一进气端与所述第二进气端相对设置，所述第一出气端与所述第二出气端相对设置。优选的，所述加湿器包括加湿器本体，所述湿气入口设于所述加湿器本体的前侧，所述第二旁路设于所述加湿器本体的内部，所述四通阀安装于所述加湿器本体的前侧，所述第一出气端与所述湿气入口抵接，所述第二出气端与所述加湿器本体抵接且通过所述第二旁路连接至所述排气管路。优选的，所述湿气出口包括第一出口及第二出口，所述第一出口与所述第二出口均设于所述加湿器本体的右端，所述第一出口通过所述进气管路与所述电堆连通，所述第二出口通过所述第一旁路与所述第二进气端连通。
15.优选的，还包括控制装置，所述控制装置分别与所述空气滤清器、空压机、中冷器、加湿器及所述四通阀通信连接。
16.本实用新型实施例一种燃料电池的空气子系统与现有技术相比，其有益效果在于：
17.本实用新型实施例的燃料电池的空气子系统，通过改变四通阀上的第一进气端、第二进气端、第二出气端及第二出气端的通断状态可以改变四通阀的工况，能够主动控制入堆空气的湿度和流量，在燃料电池停机吹扫时可控制加湿器液态水含量，避免加湿器低温启动时膜管冻结；在燃料电池正常运行时能够调节入堆空气的湿度，避免浪费空压机功耗，且在燃料电池高功率状态下能够降低加湿器效率，从而降低空气入堆的压损，降低空压机的辅耗。
附图说明
18.图1是现有的燃料电池的空气子系统的结构示意图；
19.图2是现有的燃料电池的空气子系统的另一结构示意图；
20.图3是本实用新型实施例的燃料电池的空气子系统的结构示意图；
21.图4是本实用新型实施例的燃料电池的空气子系统的四通阀的结构示意图；
22.图5是本实用新型实施例的燃料电池的空气子系统中四通阀及加湿器的结构示意图。
23.图中，1、电堆；2、空气滤清器；3、空压机；4、中冷器；5、加湿器；51、进气口；52、湿气出口；521、第一出口；522、第二出口；53、湿气入口；54、排气口；55、加湿器本体；6、四通阀；61、第一进气端；62、第二进气端；63、第一出气端；64、第二出气端；65、固定座；7、进气管路；71、第一节气门；8、排气管路；81、第二节气门；9、第一旁路；10、第二旁路。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下
实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
25.在本实用新型的描述中，应当理解的是，本实用新型中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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。
26.在本实用新型的描述中，应当理解的是，本实用新型中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，也可以是焊接连接；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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
27.本实用新型中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
28.如图3所示，本实用新型实施例优选实施例的一种燃料电池的空气子系统，所述燃料电池包括电堆1，包括：空气滤清器2、空压机3、中冷器4、加湿器5、四通阀6、进气管路7以及用于将空气排至大气中的排气管路8。
29.所述加湿器5具有进气口51、湿气出口52、湿气入口53及排气口54，所述排气口54与所述进气管路7连通，排气管路8与大气连通，用于将空气子系统中的空气排出至大气中。
30.所述空气滤清器2、所述空压机3、所述中冷器4及所述进气口51依次连通，其中，空气滤清器2用于对进入空气子系统的空气进行过滤净化，空压机3用于驱动空气流动，中冷器4用于对空气进行降温，加湿器5用于对空气进行加湿，以满足燃料电池的电堆1运行所需的压力、温度、湿度等状态，空气滤清器2、空压机3、中冷器4的具体结构和功能均为现有技术，此处不作详细叙述。
31.所述湿气出口52通过所述进气管路7与所述电堆1连通；
32.所述四通阀6具有第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64，所述第一进气端61与所述电堆1连通，所述第二进气端62与所述湿气出口52之间连通有第一旁路9，所述第一出气端63与所述湿气入口53连通，所述第二出气端64与所述排气管路8之间还连通有第二旁路10。
33.第一进气端61与电堆1的阴极接口连接，用于将反应后的空气排出电堆1，电堆1的阴极反应会产生水分，空气将水分带出电堆1后通过四通阀6的第一出气端63与加湿器5的湿气入口53连通，在加湿器5内部能对从进气口51进入加湿器5的空气加湿，提高水分的利用率，节约能源。
34.四通阀6包括低功率工况、高功率工况、怠速工况、湿度调节工况和吹扫工况，其第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64分别独立通断，通过控制装置控制第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63和第二出气端64的通断状态可以改变四通阀6的工况，从而与车辆的状态相适应。
35.当四通阀6处于低功率工况时，第一进气端61与第一出气端63连通，第二进气端62
和第二出气端64关闭。低功率工况下电堆1产水量较少，需要快速增加入堆空气的湿度以提高系统的工作效率，因此四通阀6将从电堆1阴极排出的携带有水分空气全部通至加湿器5中，以提高加湿器5的加湿效率，快速增加从湿气出口52进入电堆1的空气湿度，同时第二进气端62与第二出气端64关闭，防止湿气出口52处及电堆1阴极处的空气流失，保证系统效率的提高。
36.当四通阀6处于高功率工况时，第一进气端61与第二出气端64连通，第二进气端62与所述第一出气端63关闭。高功率工况下电堆1的产水量较多，因此需要快速降低入堆空气的湿度，此时四通阀6将从电堆1阴极排出的携带有水分空气全部直接通至排气管路8、第一出气端63关闭，能够降低加湿器5的加湿效率，降低进入电堆1的空气湿度，避免电堆1产生水淹，同时第二进气端62关闭，避免空气流失，保证进入电堆1的空气压力，降低空压机3的能耗。
37.当四通阀6处于怠速工况时，第二进气端62与第一出气端63连通，第一进气端61与第一出气端63连通，第二出气端64关闭。由于空压机3有起飞转速要求，此时燃料电池的空气子系统的进气量较大，容易吹干膜电极，如果降低空压机3的转速则会出现喘振现象。经过加湿器5加湿的空气一部分经过进气管路7直接进入电堆1、另一部分经过第二进气端62和第一出气端63进入加湿器5后进入排气管路8，同时电堆1排出的空气通过第一进气端61和第一出气端63进入加湿器5提高加湿器5的加湿效率，使进入电堆1的空气虽然量有所减少但湿度提高，保证电堆1的内部湿润，防止电堆1膜电极被吹干，同时也不需要降低空压机3转速，怠速工况下不会出现喘振现象。
38.当四通阀6处于湿度调节工况时，第一进气端61与第一出气端63连通，第一进气端61与第二出气端64连通，第二进气端62关闭时。通过调节第一出气端63及第二出气端64的开度来调节第一进气端61从第一出气端63、第二出气端64排出的空气的比例，从而调节进入湿气入口53的空气量。通过调节进入湿气入口53的空气量来调节加湿器5的加湿效率，以对进入电堆1的空气湿度进行调节，且不会浪费空压机3的功耗。
39.当四通阀6处于吹扫工况时，第二进气端62与第一出气端63连通，第二进气端62与第二出气端64连通，第一进气端61关闭。关闭第一进气端61防止电堆1内空气流失时带走电堆1内的水分，以保证电堆1的湿度；同时第二出气端64带走部分加湿器5内的水分，降低加湿器5及管路中的液态水含量，避免低温启动时加湿器5膜管冻结。
40.进一步地，所述进气管路7上串联有第一节气门71。
41.第一节气门71可以控制进气管路7内的空气流量，调节空气子系统的整体速率。
42.进一步地，所述排气管路8上串联有第二节气门81。第二节气门81可以控制排气管路8的压力，用来形成背压，稳定电堆内部压力。
43.进一步地，如图4所示，所述四通阀6还包括固定座65，所述第一进气端61、所述第二进气端62、所述第一出气端63及所述第二出气端64均设于所述固定座65的周壁上，且所述第一进气端61与所述第二进气端62相对设置，所述第一出气端63与所述第二出气端相对设置。便于第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63及第二出气端64之间的独立通断。
44.进一步地，如图5所示，所述加湿器5包括加湿器本体55，所述湿气入口53设于所述加湿器本体55的前侧，所述第二旁路10设于所述加湿器本体55的内部，所述四通阀6安装于所述加湿器本体55前侧，所述第一出气端63与所述湿气入口53抵接，所述第二出气端64与
所述加湿器本体55抵接且通过所述第二旁路10连接至所述排气管路8。第一出气端63与湿气入口53无需通过另外的管道连接，节省成本，且第二旁路10直接设于加湿器本体55内部，能优化空气子系统的整体结构。
45.进一步地，所述湿气出口52包括第一出口521及第二出口522，所述第一出口521与所述第二出口522均设于所述加湿器本体55的右端，所述第一出口521通过所述进气管路7与所述电堆1连通，所述第二出口522通过所述第一旁路9与所述第二进气端62连通，与加湿器5结构相适应，优化空气子系统的整体结构。
46.进一步地，还包括控制装置，所述控制装置分别与所述空气滤清器2、空压机3、中冷器4、加湿器5及所述四通阀6通信连接。
47.综上，本实用新型实施例提供一中燃料电池的空气子系统，其通过改变四通阀6上的第一进气端61、第二进气端62、第一出气端63及第二出气端64的通断状态可以改变四通阀6的工况，能够主动控制入堆空气的湿度和流量，在高功耗工况时能够直接降低加湿器5效率，从而降低空气入堆的压损，降低空压机3的辅耗；在怠速工况下能够控制入堆空气湿度避免电堆1中膜电极被吹干及空压机3的喘振问题；在燃料电池停机吹扫工况时可控制加湿器5液态水含量，在避免加湿器5低温启动时膜管冻结的同时保证电堆1湿度；在调节湿度工况时能够调节入堆空气的湿度，且避免造成空压机3功耗浪费。四通阀6与加湿器5之间连通减少了部分管道连接，系统集成度更高，同时提升了系统的体积比功率。
48.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，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技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。