一种燃料电池阴极供气系统

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体的，涉及一种燃料电池阴极供气系统。

背景技术

由于石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭，作为可再生能源的氢能源逐渐进入人们的视野。近年来，国内大力发展新能源，燃料电池的重要性日益显现。现有的燃料电池使用氢气作为燃料，利用氢气和氧气的电化学反应产生电能、热能和水，对外输出能量。相比内燃机，燃料电池具有较高的效率和功率密度，广泛应用于新能源汽车领域。燃料电池的阴极供气系统向燃料电池系统提供一定压力和流量的空气，保证燃料电池电堆中的电化学反应的正常进行。阴极供气系统一般包括:空压机、冷却器、增湿器等零部件组成。目前，国内外氢燃料电池系统空压机普遍直接从大气中吸入空气，阴极供气系统提供的氧气含量较低。研究表明提高质子交换膜燃料电池阴极入口气体中的氧气浓度可以提高其效率，45%的氧气含量是推荐的最佳富氧浓度。

中国专利CN202223170112.0公开了一种燃料电池阴极供气系统，通过设置补氧管路，通过引射器连接到空气管路上对空气管路补充氧气，能够有效提升供气系统中的氧气浓度，满足燃料电池的最佳工作条件。然而，该系统存在的一个问题就是空气压缩功耗较高。

为了解决燃料电池阴极供气系统空气压缩功耗较高的问题，中国专利CN202222870090.2提供了另外一种阴极供气系统，其将燃料电池阴极出口排出的空气经过空压机压缩后和氧气源提供的氧气通过引射器引射后通入到阴极入口处，由于阴极出口排出的空气具有一定压力，能够降低空压机的功耗。然而，该方案中由于阴极出口的空气温度较高，直接通入空压机中及容易引起空压机故障，甚至停机。因此，亟需提供一种可靠且功耗较低的燃料电池阴极供气系统。

发明内容

为了解决现有技术中燃料电池阴极供气系统功耗高且容易高温故障的问题，本申请提供一种新的燃料电池阴极供气系统，通过将氧气源通过引射组件与空压机串联，利用低温的氧气对空压机进行降温，能够有效避免空压机高温故障的发生。

本申请通过以下方式实现：一种燃料电池阴极供气系统，包括氧气源、引射组件、空压机、加湿器及电堆，所述引射组件的第一入口与所述氧气源连通，所述引射组件的第二入口与大气连通，所述引射组件的出口与所述空压机的入口连通，所述空压机的出口与所述加湿器的入口连通，所述加湿器的出口与所述电堆的阴极入口连通，大气中的空气与氧气源提供的氧气经所述引射组件与所述空压机压缩后通入所述电堆。

作为优选，所述引射组件包括第一引射器和第二引射器。

作为优选，所述第一引射器的第一入口和所述第二引射器的第一入口均与所述氧气源连通，所述第一引射器的第二入口和所述第二引射器的第二入口均与大气连通，所述第一引射器的出口和所述第二引射器的出口均与所述空压机的入口连通。

作为优选，所述第一引射器的第一入口和所述第二引射器的第一入口均与所述氧气源连通，所述第一引射器的第二入口与大气连通，所述第一引射器的出口与所述第二引射器的第二入口连通，所述第二引射器的出口与所述空压机的入口连通。

作为优选，所述空压机的上游与下游之间并联有第三流量调节阀。

作为优选，所述引射组件的第一入口与氧气源之间设置有第一流量控制阀和第一流量计。

作为优选，所述空压机与所述加湿器之间设置有中冷器。

作为优选，所述引射组件的第二入口设置空气过滤器、第二流量控制阀和第二流量计。

与现有技术相比，本申请至少具有如下技术效果：

1、本申请的燃料电池阴极系统设置有氧气源，氧气源能够为供气系统提供足够多的氧气，满足燃料电池的最佳工作浓度需求；由于引射组件与空压机串联，也即引射组件引射来的空气经过引射组件和空压机的双重压缩，能够极大程度的降低空压机的功耗，节约能源；另外，由于引射组件与空压机串联，引射组件可以降低氧气的温度，低温的氧气通入到空压机内能够对空压机进行降温，避免空压机发出高温警报，甚至因为温度过高发生故障，另外，空压机内空气温度过低能够降低空压机冷却系统的冷却难度，进一步的降低功耗。

2、本申请的引射组件包括第一引射器和第二引射器，氧气源提供的氧气经过第一引射器和第二引射器的引射，能够根据燃料电池运行工况合理分配空压机的运行工况，降低其功耗。

3、第一引射器和第二引射器并联，第一引射器和第二引射器均通过第一入口与氧气源连接，通过第二入口与大气连通，通过出口与空压机的入口连通，也即第一引射器与第二引射器能够完全独立工作，能够选择性的控制第一引射器和第二引射器的开启情况，进一步，第一引射器和第二引射器故障时整个系统还能正常工作，提升了供气系统的可靠性。

4、第一引射器和第二引射器串联，也即第一引射器的出口连接第二引射器的入口，如此设置，经过双重引射获得更为精确的氧气浓度，避免氧气浓度过高或过低的情况发生，同时，气体经过第一引射器和第二引射器的逐级压缩，进一步的降低了空压机的压缩难度，有利于降低系统功耗。

5、通过在空压机的上游和下游之间设置并联管路，并在并联管路上设置第三流量调节阀，在燃料电池系统低负载时，通过关闭流量调节阀能够使空气全部通过空压机压缩后通入阴极，当燃料系统处于高负载状态时，打开第三流量调节阀，关闭空压机，经过引射组件引射的气体直接通入并联管路到燃料电池阴极系统。

6、引射器组件和氧气源之间设置有第一流量控制阀和第一流量低，通过第一流量控制阀和第一流量计能够根据目标氧气浓度精确控制高压氧气流量，保证通入燃料电池阴极系统中的氧气精度。

7、空压机和加湿器之间设置有中冷器，中冷器能够对空压机出口排出的气体进行冷却，避免气体温度过高导致燃料电池故障。

8、引射组件的第二入口设置有空气过滤器、第二流量控制阀和第二流量计，设置空气过滤器能够过滤空气中的杂质，通过第二流量控制阀和第二流量计能够控制引射组件引射的空气流量，保证引射组件出口处的氧气浓度达到目标浓度，实现供气系统氧气浓度的精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例一的燃料电池阴极供气系统的示意图。

图2为本申请实施例二的燃料电池阴极供气系统的示意图。

图3为本申请实施例三的燃料电池阴极供气系统的示意图。

图4为本申请实施例四的燃料电池阴极供气系统的示意图。

附图标记：1、氧气源；2、开关阀；3、第一流量控制阀；31、第一子流量控制阀；32、第二子流量控制阀；4、第一流量计；41、第一子流量计；42、第二子流量计；5、引射组件；51、第一引射器；52、第二引射器；53、第三引射器；6、压力传感器；7、空压机；8、中冷器；9、温压一体传感器；10、加湿器；11、第一流量调节阀；12、电堆；13、第二流量调节阀； 14、第四流量调节阀；15、第二流量计；151、第三子流量计；152、第四子流量计；16、第二流量控制阀；161、第三子流量控制阀；162、第四子流量控制阀；17、空气过滤器；18、第三流量调节阀。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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发明的限制。而对于“上游”、“下游”等位置关系，是基于流体正常流动时位置关系。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，也可以是电连接，还可以是通信；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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1所示，本发明提供一种燃料电池阴极供气系统，具体的，燃料电池阴极供气系统包括串联设置的氧气源1、引射组件5，空压机7、加湿器10及电堆，其中，氧气源1与引射组件5的第一入口连通，引射组件5的第二入口与大气连通，引射组件5的出口与空压机7的入口连通，空压机7的出口与加湿器10的入口连通，加湿器10的出口与电堆的阴极入口连通。

现有技术中的燃料电池阴极供气系统空压机7通常与引射器并联设置，整个系统的功耗较高，为了解决阴极供气系统功耗较高的问题，现有技术提供了另一种阴极供气系统，通过将阴极出口的空气通过空压机7压缩后通入到引射器的入口中，将阴极出口的尾气重复利用，能够降低整个系统的功耗，但是阴极出口的空气温度较高，直接通入空压机7容易导致空压机7高温故障。本申请通过将引射组件5与空压机7串联设置，从氧气源1排出的氧气经由引射组件5和空气引射后通入到空压机7后，经过空压机7压缩后在加湿器10内加湿后通入到电堆的阴极入口参与化学反应，由于通入空压机7内的空气为经过引射器的引射，在第一程度上能够降低空压机7的功耗，另外，由于氧气源1提供的氧气的温度较低，能够有效较低空压机7的温度，避免空压机7高温故障导致整个供气系统瘫痪，极大程度的提升了阴极供气系统的可靠性。

在本申请中，电堆阴极出口排出的尾气可以直接通入到引射组件5的第二入口，可以通到空压机7的入口。当阴极出口排出的尾气通入到引射组件5的第二入口时，高温高压的尾气能够与氧气源1提供的氧气在引射器内缓混合，温度降低，避免通入到空压机7中发生故障；当阴极出口排出的尾气直接通入到空压机7的入口时，引射组件5排出的低温气体与高温的尾气在空压机7内混合，也能避免空压机7温度过高发生故障。

在本申请中，氧气源1为氧气罐或氧气瓶，氧气通过液化压缩存储于氧气源1内，氧气通入到供气系统时会发生汽化，汽化的氧气具有较低的温度，能够对整个供气系统进行降温。

在本申请中，氧气源1与引射组件5设置有开关阀2，通过开关阀2能够控制氧气源1和引射组件5的通断。进一步的，开关阀2和引射组件5的第一入口之间还设置第一调节阀和第一流量计4，引射组件5的第二入口设置有空气过滤器17、第二流量控制阀16、第二流量计15，通过第一流量控制阀3和第一流量计4的连锁控制能够控制吸入引射组件5中的氧气含量，通过第二流量控制阀16和第二流量计15的连锁控制能够控制吸入引射组件5中的空气含量，通过第一流量控制阀3、第一流量计4、第二流量控制阀16、第二流量计15的共同作用能够保证供气管路中的氧气含量为目标含量，实现氧气浓度的精确控制。另外，通过在引射组件5的第二入口设置空气过滤器17能够过滤空气中的杂质。

在本申请中，空压机7和加湿器10之间还设置有中冷器8，中冷器8能够冷却从空压机7出口排出的空气，避免空气过热通入到电堆的阴极对电堆产生损害。可以理解的是，由于本发明空气经过引射组件5和空压机7的双重压缩，空压机7的功耗低，空气机排出的空气的温度相对较低，可以不设置中冷器8，但是为了避免高温故障，本申请的供气系统优选设置有中冷器8。另外，为了检测整个供气系统的温度和压力，引射组件5的空压机7之间还设置有压力传感器6，中冷器8和加湿器10之间还设置有温压一体传感器9。

在本申请中，加湿器10与电堆的阴极入口和阴极出口之间分别设置有第一流量调节阀11和第二流量调节阀13，通过第一流量调节阀11和第二流量调节阀13在电堆不工作时关闭能够确保电堆空气管路密封。另外，为了避免空压机7发生喘振，空压机7的出口还设置第四流量调节阀14。

可以理解的是，引射组件5可以由一个引射器组成，引射组件5也可以有多个引射器串联或并联形成。当引射组件5包括多个引射器时，引射组件5的第一入口与氧气源1连通指的是其中至少一个引射器的第一入口与氧气源1连通，引射组件5的第二入口与大气连通指的是至少一个引射器的第二入口与大气连通，引射组件5的出口与空压机7的入口连通指的是至少一个引射器的出口与空压机7的入口连通。

实施例二。

与实施例一不同的是，本实施例提供另一种燃料电池阴极供气系统。

如图2所示，在本实施例中，空压机7的上游和下游之间连接有并联管路，并联管路上设置有第三流量调节阀18。通过在空压机7的上游和下游之间设置并联管路，并在并联管路上设置第三流量调节阀18，在燃料电池系统低负载时，通过关闭第三流量调节阀18能够使空气全部通过空压机7压缩后通入阴极，当燃料系统处于高负载状态时，打开第三流量调节阀18，关闭空压机7，经过引射组件5引射的气体直接通入并联管路到燃料电池阴极系统。

本实施例燃料电池阴极供气系统的其它结构和效果均与实施例一一致，不再赘述。

实施例三。

与实施例一不同的是，本实施例提供另一种燃料电池阴极供气系统。

如图3所示，在本实施例中，引射组件5包括第一引射器51和第二引射器52，其中，第一引射器51和第二引射器52的第一入口均与氧气源1连通，第一引射器51和第二引射器52的第二入口均与大气连通，第一引射器51和第二引射器52的出口均与空压机7的入口连通。如此设置，第一引射器51和第二引射器52均通过第一入口与氧气源1连接，通过第二入口与大气连通，通过出口与空压机7的入口连通，也即第一引射器51和第二引射器52并联，第一引射器51与第二引射器52能够完全独立工作，能够选择性的控制第一引射器51和第二引射器52的开启情况，进一步，第一引射器51和第二引射器52故障时整个系统还能正常工作，提升了供气系统的可靠性。

在本实施例中，第一流量控制阀3包括第一子流量控制阀31和第二子流量控制阀32，第一流量计4包括第一子流量计41和第二子流量计42，第一子流量控制阀31和第一子流量计41能够联动控制第一引射器51吸入的氧气流量，第二子流量控制阀32和第二子流量计42联动控制第二引射器52吸入的氧气含量。

在本实施例中，第二流量控制阀16包括第三子流量控制阀161和第四子流量控制阀162，第二流量计15包括第三子流量计151和第四子流量计152，第三子流量控制阀161和第三子流量计151能够联动控制第一引射器51吸入的空气流量，第四子流量控制阀162和第四子流量计152连通控制第二引射器52吸入的空气含量。

本实施例燃料电池阴极供气系统的其它结构和效果均与实施例一一致，不再赘述。

实施例四。

与实施例一不同的是，本实施例提供另一种燃料电池阴极供气系统。

如图4所示，在本实施例中，引射组件5包括第一引射器51和第二引射器52，其中，第一引射器51和第二引射器52的第一入口均与氧气源1连通，第一引射器51的第二入口与大气连通，第一引射器51的出口与第二引射器52的第二入口连通，第二引射器52的出口与空压机7的入口连通。如此设置，经过第一引射器51和第二引射器52的双重引射获得更为精确的氧气浓度，避免氧气浓度过高或过低的情况发生，同时，气体经过第一引射器51和第二引射器52的逐级压缩，进一步的降低了空压机7的压缩难度，有利于降低系统功耗。

在本实施例中，第一流量控制阀3包括第一子流量控制阀31和第二子流量控制阀32，第一流量计4包括第一子流量计41和第二子流量计42，第一子流量控制阀31和第一子流量计41能够联动控制第一引射器51吸入的氧气流量，第二子流量控制阀32和第二子流量计42联动控制第二引射器52吸入的氧气含量。

本实施例燃料电池阴极供气系统的其它结构和效果均与实施例一一致，不再赘述。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明所作的均等变化与修饰，皆为本发明权利要求范围所涵盖，这里不再一一举例。