一种燃料电池空气供应装置的制作方法

本发明属于新能源汽车零部件的燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种燃料电池空气供应装置。

背景技术：

燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能的装置。在众多类型燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、比能高、启动快、寿命长、应用广泛等特点，被认为是最具应用前景的。在质子交换膜燃料电池中，氢和氧分别在阳极和阴极发生电化学反应产生电流。燃料电池中氧气压力与燃料电池系统的性能有直接关系，提高空气的供气压力(即氧气的分压力)，不仅可以增大燃料电池系统的能量密度，还可以减小系统尺寸，提高电池堆效率和改善水平衡。因此，空气供应系统是燃料电池一个重要组成部分。此外，由于质子交换膜燃料电池工作特点，要求供给燃料电池的空气必须是有一定湿度的。

现有技术中常用的质子交换膜燃料电池主要由燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给(供给及循环)系统、冷却水系统、数据采集及控制系统等组成。燃料电池系统中氢气供给系统和空气供给系统分别给电堆提供一定压力和流量的纯净氢气和空气，确保电堆持续产生电流；燃料电池堆反应产生的水和气经过水气分离系统后，分离出来的水流向加湿器，加湿器则向来自供气供应系统的反应空气提供适当的湿度，以便于提高燃料电池堆反应效率；冷却水系统将电堆产生的多余热量通过循环去离子水带出燃料电池堆，使燃料电池堆处于高效反应条件下工作。现有技术中，空气增湿都是通过专门的加湿器完成的，如中国专利号CN200810301505、CN201510187512等专利文献公开的燃料电池加湿器，他们的共同特点是加湿器体积较大，与空气供应系统中空气压缩机的大小相当，这不仅增加了燃料电池系统的体积和重量，也增加了燃料电池的成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单，能够有效确保空气供应装置向燃料电池堆供应符合湿度要求的空气，提高燃料电池堆的反应效率，提高燃料电池整体性能，同时取消加湿器设置，有效降低燃料电池的整体体积和重量，降低燃料电池成本的燃料电池空气供应装置。

要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：

本发明为一种燃料电池空气供应装置，所述的燃料电池包括燃料电池堆、空气供应装置、氢气供应装置、冷却水装置、水气分离装置、数据采集控制部件，所述的空气供应装置包括装置壳体，装置壳体上设置进气管和出气管，装置壳体内设置空气压缩机，空气压缩机的转子设置在靠近进气管的部位，进气管与进水管连接，进水管与水气分离装置连接。

所述的装置壳体内设置腔体，转子位于腔体内，腔体与进气管连通，所述的空气压缩机设置为能够带动从进气管进入腔体的空气和从进水管进入腔体的水进行混合的结构。

所述的进气管上设置多个进水孔，多个进水孔设置为沿进气管一周布置的结构，多个进水口按间隙布置，进水孔与进水管连通，水气分离装置分离出的水设置为能够输送到进水管的结构。

所述的空气压缩机与装置壳体固定连接，空气压缩机与电机连接，电机与能够控制电机启停及转速变化的控制开关连接。

所述的进气管与进气口连通，出气管与出气口连通，所述的进气管位置设置多孔状消声器，出气管位置设置整流板。

所述的电机带动空气压缩机转动时，进气管部位设置为处于负压状态的结构，所述的空气供应装置的出气管与燃料电池堆连接。

所述的装置壳体的腔体内壁与转子之间设置为存在间隙部的结构，所述的空气供应装置的进水孔设置为靠近进气口的结构。

所述的空气压缩机为螺杆式空气压缩机或罗茨式空气压缩机。

采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果：

本发明所述的燃料电池空气供应装置，燃料电池的燃料电堆反应产生的水和气经过水气分离装置进行分离，分离出的水直接引入空气供应装置，分离出的水通过进水管进入进气管，而空气也从进气管进入，这样，进入进气管的空气和水在输送到空气压缩机的转子部位，转子高速转动，将液态水和空气充分混合。此外，高速旋转的转子对空气做功压缩的过程，也是气体温度逐渐升高的过程，空气温度升高将有助于液态水的蒸发，促进水和气混合并进一步提高空气湿度。这样，能够实现水和空气的充分混合，从而提供符合燃料电池堆反应所需要的加湿空气，有效提高燃料电池堆的反应效率，提高了燃料电池的整体效率和性能。本发明所述的燃料电池空气供应装置，结构简单，能够有效确保空气供应装置向燃料电池堆供应符合湿度要求的空气，提高燃料电池堆的反应效率，提高燃料电池整体性能，同时取消加湿器设置，有效降低燃料电池的整体体积和重量，降低燃料电池成本，从而有效提高燃料电池市场竞争力。

附图说明

下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：

图1为本发明所述的燃料电池的整体结构示意图；

图2为本发明所述的燃料电池空气供应装置的剖视结构示意图；

附图中标记分别为：1、燃料电池堆；2、空气供应装置；3、氢气供应装置；4、冷却水装置；5、水气分离装置；6、数据采集控制部件；7、装置壳体；8、进气管；9、出气管；10、空气压缩机；11、转子；12、进水管；13、腔体；14、进水孔；15、电机；16、控制开关；17、进气口；18、出气口；19、多孔状消声器；20、整流板；21、能量管理系统。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：

如附图1、附图2所示，本发明为一种燃料电池空气供应装置，所述的燃料电池包括燃料电池堆1、空气供应装置2、氢气供应装置3、冷却水装置4、水气分离装置5、数据采集控制部件6，所述的空气供应装置2包括装置壳体7，装置壳体7上设置进气管8和出气管9，装置壳体7内设置空气压缩机10，空气压缩机10的转子11设置在靠近进气管8的部位，进气管8与进水管12连接，进水管12与水气分离装置5连接。上述结构，燃料电池的燃料电堆反应产生的水和气经过水气分离装置进行分离，分离出的水直接引入空气供应装置，分离出的水通过进水管进入进气管，而空气也从进气管进入，这样，进入进气管的空气和水再输送到空气压缩机的转子部位，转子高速转动，将液态水和空气充分混合。此外，高速旋转的转子对空气做功压缩的过程，也是气体温度逐渐升高的过程，空气温度升高将有助于液态水的蒸发，促进水和气混合并进一步提高空气湿度。这样，能够实现水和空气的充分混合，从而提供符合燃料电池堆1反应所需要的加湿空气，有效提高燃料电池堆的反应效率，提高了燃料电池的整体效率和性能。本发明所述的燃料电池空气供应装置，结构简单，能够有效确保空气供应装置向燃料电池堆供应符合湿度要求的空气，提高燃料电池堆的反应效率，提高燃料电池整体性能，同时取消加湿器设置，有效降低燃料电池的整体体积和重量，降低燃料电池成本，从而有效提高燃料电池市场竞争力。

所述的装置壳体7内设置腔体13，转子11位于腔体13内，腔体13与进气管8连通，所述的空气压缩机10设置为能够带动从进气管8进入腔体13的空气和从进水管12进入腔体13的水进行混合的结构。

所述的进气管8上设置多个进水孔14，多个进水孔14设置为沿进气管8一周布置的结构，多个进水口14按间隙布置，进水孔14与进水管12连通，水气分离装置5分离出的水设置为能够输送到进水管12的结构。上述结构的进水孔设置，有助于液态水能够被均匀的通过进气管吸入空气压缩机，促进气液混合。

所述的空气压缩机10与装置壳体7固定连接，空气压缩机10与电机15连接，电机15与能够控制电机15启停及转速变化的控制开关16连接。

所述的进气管8与进气口17连通，出气管9与出气口18连通，所述的进气管8位置设置多孔状消声器19，多孔状消声器的设置，能够有效降低燃料电池空气供应装置的噪声水平。出气管9位置设置整流板20。整流板不仅可以进一步促进水(液态水)气混合，提高空气湿度，还能对从出气口流出的加湿空气起到整流作用，进一步效改善空气供应装置的出气口的气动噪声，降低噪声。

所述的电机15带动空气压缩机10转动时，进气管8部位设置为处于负压状态的结构，负压状态使得经过水气分离装置分离出来的水可以经过重力自流或负压引流的方式通过进水管被输送到空气压缩机内，便于水气混合。空气供应装置2的出气管9与燃料电池堆1连接，加湿空气进入燃料电池堆进行反应。

所述的装置壳体7的腔体13内壁与转子11之间设置为存在间隙部的结构，所述的空气供应装置2的进水孔14设置为靠近进气口17的结构。由于空气压缩机运动部件热膨胀、载荷导致弯曲变形以及制造公差，所以空气压缩机设计制造时必须在腔体13内壁与转子11之间预留运行间隙部，以避免实际运转时转子之间及转子和装置壳体之间相互接触，设计的运行间隙引起的泄漏降低了空气压缩机的容积效率。来自进气口的液态水对压缩机内的运行间隙通道具有密封作用，从而显著地降低了内部泄漏量，提高了空气压缩机的容积效率，并降低了噪声。液态水的蒸发过程是个吸热过程，所以也对压缩空气起冷却作用。

所述的空气压缩机10为螺杆式空气压缩机或罗茨式空气压缩机。螺杆式空气压缩机或罗茨式空气压缩机相比离心式空气压缩机，驱动用电机的转速相对较低，因而电机的耐久性和可靠性大幅提升，提高使用寿命，降低维修成本。

本发明所述的燃料电池空气供应装置，外部空气首先经过空气滤清器的过滤后进入进气管，进气管内集成有多孔状消声器，多孔状消声器内孔径大小及多少由空气压缩机的气动噪声频谱特性及消声目标决定。来自燃料电池堆反应产生的水气经水气分离系统分离，分离出来的水由进水孔进入进气内，进水孔紧靠空气压缩机的进气口，且沿着进气管四周环向均匀分布。空气和液态水在装置壳体内经过高速旋转的转子混合和做功压缩，从出气口流入出气管。出气管内集成有整流板，整流板对来自出气口的高压湿空气起着整流和促进气液混合的作用，从出气管出来的高压湿空气流向燃料电池堆，参与燃料电池堆反应。

本发明所述的燃料电池空气供应装置，燃料电池的燃料电堆反应产生的水和气经过水气分离装置进行分离，分离出的水直接引入空气供应装置，分离出的水通过进水管进入进气管，而空气也从进气管进入，这样，进入进气管的空气和水在输送到空气压缩机的转子部位，转子高速转动，将液态水和空气充分混合。此外，高速旋转的转子对空气做功压缩的过程，也是气体温度逐渐升高的过程，空气温度升高将有助于液态水的蒸发，促进水和气混合并进一步提高空气湿度。这样，能够实现水和空气的充分混合，从而提供符合燃料电池堆反应所需要的加湿空气，有效提高燃料电池堆的反应效率，提高了燃料电池的整体效率和性能。本发明所述的燃料电池空气供应装置，结构简单，能够有效确保空气供应装置向燃料电池堆供应符合湿度要求的空气，提高燃料电池堆的反应效率，提高燃料电池整体性能，同时取消加湿器设置，有效降低燃料电池的整体体积和重量，降低燃料电池成本，从而有效提高燃料电池市场竞争力。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。