一种燃料电池系统用的空压机及燃料电池系统的制作方法

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1.本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统用的空压机及燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池系统是一种通过氢气和氧气电化学反应产生电能的能量转换装置，具有能量转换效率高，结构简单、低噪音、无污染等优点。目前的燃料电池系统一般需要供氢系统、空气供应系统和冷却系统三大辅助系统来维持整个系统的正常运行。
3.而在空气供应系统中，为了保证燃料电池电堆内空气的供应量，一般都会使用空压机对空气进行增压以提高供气效率，空压机是整个燃料电池系统中的耗能大户，消耗的功率约占燃料电池系统的电堆模块输出功率的15％-20％，为了节约能源，提高整个燃料电池的效率，通常会将膨胀机构到空压机上，膨胀机构通过回收燃料电池系统的电堆模块排出的高温尾排气体的能量来提高整个空压机的功率，在这过程中无需增加功耗，可节约能源；具体地，现有的空压机包括电机、压缩机构和膨胀机构，压缩机构和膨胀机构分别安装在电机的两端并与电机的转轴连接，膨胀机构包括第一蜗壳和第一风轮，第一蜗壳开设有第一空腔、第一流道和第一出气口，第一蜗壳的侧面设置有进气管道，进气管道的端部设置有第一进气口，第一出气口和第一流道分别与第一空腔连通，第一进气口与第一流道连通，第一风轮安装在第一空腔里并与电机的一端的转轴连接，压缩机构包括第二蜗壳和第二风轮，第二蜗壳开设有第二空腔、第二流道、第二进气口和第二出气口，第二进气口和第二流道分别与第二空腔连通，第二出气口与第二流道连通，第二风轮安装在第二空腔里并与所述电机的另一端的转轴连接，电机通过转轴带动第二风轮转动以压缩空气供燃料电池系统的电堆模块使用，而燃料电池系统的电堆模块反应产生尾排气经第一进气口流入第一流道后到达第一空腔以带动第一风轮旋转，从而带动电机的转轴旋转，以减小电机的能量损耗，从而可提高空压机的功率、实现能量回收；具体可参考公布号为cn 113339292 a，名称为一种带能量回收单元的燃料电池用可变截面空压机的发明专利申请，但该方案的涡端(即膨胀机构)的进气口是朝上布局的，使得涡端的蜗壳内部容易积水。
4.另外，由于燃料电池系统的电堆模块排出的高温尾排气体含水量非常高，若采用涡端(即膨胀机构)的进气口朝上布局的结构，在燃料电池系统停机后，尾排气体中的水分会冷凝成液态水汇集并滞留在膨胀机构的第一蜗壳内的最低处，在低温状态下液态水会凝结成冰，阻塞膨胀机构的第一蜗壳的第一流道，严重时，甚至会将第一风轮与第一蜗壳凝结在一起，从而导致尾排气体排出受阻，损坏空压机，为燃料电池系统带来风险。
5.为解决上述问题，已有人发明了一种防冷冻燃料电池冷启动系统，具体可参考公开号为cn 114256487 a，发明名称为防冷冻燃料电池冷启动系统、燃料电池系统及融冰方法的发明专利申请，该方案将电阻丝组件贴设在蜗壳表面，这样的结构可以对蜗壳进行加热，从而达到融冰的效果，但是由于蜗壳为不规则形状，很难将电阻丝组件完全贴于蜗壳的表面，使得操作起来很困难，并且对蜗壳表面大面积加热，需要消耗很多的电能。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种燃料电池系统用的空压机及燃料电池系统，能解决现有技术中蜗壳内部易积水，电阻丝组件安装困难的技术问题。
7.本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的。
8.本实用新型的一个目的是提供一种燃料电池系统用的空压机，包括电机、压缩机构和膨胀机构，压缩机构和膨胀机构分别安装在电机的两端并与电机的转轴连接，膨胀机构包括第一蜗壳和第一风轮，第一蜗壳开设有第一空腔、第一流道、第一进气口和第一出气口，第一蜗壳的侧面设置有进气管道，第一出气口和第一流道分别与第一空腔连通，第一进气口与第一流道连通，第一风轮安装在第一空腔里并与电机的一端的转轴连接；进气管道的端部设置有套管安装部，第一进气口位于套管安装部的端部且朝下布局，套管安装部外面套装有加热组件，加热组件用以加热第一蜗壳及经第一进气口进入的气体。
9.优选地，所述第一蜗壳上安装有温度传感器，温度传感器用以检测所述第一流道内的温度。
10.优选地，所述加热组件包括加热套管和安装在加热套管的内壁面上的加热丝，加热丝贴设于所述套管安装部的外面。
11.优选地，所述加热丝包括呈螺旋线段状的加热丝主体和分别连接于加热丝主体两端部的接线端，所述加热套管的侧壁上设置有供接线端伸出的通孔。
12.优选地，套管安装部是圆筒状，所述进气管道的外面设置有连接法兰，连接法兰位于套管安装部的上方，连接法兰上设置有若干安装孔，所述加热套管的端部的外侧面设置有若干凸起的安装脚，若干安装脚与若干安装孔对应，每一个安装脚上设置有螺孔，采用螺钉穿过安装孔后与对应的螺孔螺纹连接以使所述加热组件与所述进气管道固定安装。
13.优选地，压缩机构包括第二蜗壳和第二风轮，第二蜗壳开设有第二空腔、第二流道、第二进气口和第二出气口，第二进气口和第二流道分别与第二空腔连通，第二出气口与第二流道连通，第二风轮安装在第二空腔里并与所述电机的另一端的转轴连接。
14.本实用新型的另一个目的是提供一种燃料电池系统，燃料电池系统包括燃料电池系统控制器、电堆模块、供氢系统、空气供应系统和冷却系统，燃料电池系统控制器控制电堆模块、供氢系统、空气供应系统和冷却系统工作，空气供应系统包括空压机和空压机控制器，空压机控制器受控于燃料电池系统控制器，所述空压机采用上述所述的一种燃料电池系统用的空压机，空压机包括电机、压缩机构和膨胀机构，电机受控于空压机控制器，膨胀机构包括第一蜗壳，第一蜗壳开设有第一空腔、第一流道和第一出气口，第一蜗壳的侧面设置有进气管道，进气管道的端部设置有第一进气口，第一蜗壳上均安装有加热组件和温度传感器，加热组件套装在进气管道外面，加热组件受控于燃料电池系统控制器，压缩机构包括第二蜗壳，第二蜗壳开设有第二进气口和第二出气口，第二蜗壳的第二出气口连接到电堆模块的空气入口为电堆模块提供空气，电堆模块的空气出口连接到第一蜗壳的第一进气口以使排出的空气流入第一流道，温度传感器检测第一流道的温度并将温度信号传送至燃料电池系统控制器，燃料电池系统控制器根据温度信号控制加热组件通断电，并通过空压机控制器控制电机的运行状态。
15.优选地，所述空气供应系统还包括空气过滤器、流量计、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、所述空压机的压缩机构的第二进气口、所述空压机的压缩
机构的第二出气口、中冷器和增湿器后送到所述电堆模块的空气入口，所述冷却系统为所述电堆模块提供冷却液，同时为中冷器提供冷却液以便对外部输入空气进行一次冷却。
16.优选地，所述燃料电池系统还包括背压阀和分水器，所述电堆模块的空气出口排出的空气依次经过所述增湿器、背压阀、分水器和所述空压机的膨胀机构的第一进气口后从所述空压机的膨胀机构的第一出气口排出。
17.优选地，所述燃料电池系统还包括消音器，消音器用于消音排出从所述空压机的膨胀机构的第一出气口排出的空气及所述分水器分离出的水。
18.本实用新型与现有技术相比，具有如下效果：
19.1)本实用新型提供的燃料电池系统用的空压机，通过将位于套管安装部端部的第一进气口朝下布局，有利于将液态水汇集到进气口端并滴落，便于实现第一蜗壳的排水，避免第一蜗壳内部容易出现积水的现象，另外，将加热组件安装在第一蜗壳的进气口端，使加热组件得安装变得简单方便，可在确保能够对第一蜗壳进行加热的前提下，同时可对经第一进气口进入的气体进行加热，可有效提高加热效率。
20.2)本实用新型的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
21.图1是为本实用新型实施例一提供的空压机的立体结构示意图；
22.图2是为本实用新型实施例一提供的空压机的分解结构示意图；
23.图3是为本实用新型实施例一提供的空压机另一角度的分解结构示意图；
24.图4是为本实用新型实施例一提供的膨胀机构的立体结构示意图；
25.图5是为本实用新型实施例一提供的膨胀机构的主视结构示意图；
26.图6是为图5提供的a-a的剖面结构示意图；
27.图7是为本实用新型实施例一提供的加热组件的分解结构示意图；
28.图8是为本实用新型实施例二提供的燃料电池系统的方框示意图；
29.图9是为本实用新型实施例二提供的燃料电池系统控制原理的方框示意图；
30.图10是为本实用新型实施例二提供的燃料电池系统电气连接的示意图。
具体实施方式：
31.下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
32.实施例一：
33.如图1至图6所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统用的空压机，空压机201包括电机1、压缩机构2和膨胀机构3，本方案中所述的电机1为双轴伸电机1，压缩机构2和膨胀机构3分别安装在电机1的两端并与电机1的转轴连接，膨胀机构3包括第一蜗壳31和第一风轮32，第一蜗壳31开设有第一空腔33、第一流道34、第一进气口35和第一出气口36，第一蜗壳31的侧面设置有进气管道37，第一出气口36和第一流道34分别与第一空腔33连通，第一进气口35与第一流道34连通，第一风轮32安装在第一空腔33里并与电机1的一端的转轴连接；进气管道37的端部设置有圆筒状的套管安装部38，进气管道37与套管安装部38是一体的,第一进气口35位于套管安装部38的端部且朝下布局，第一蜗壳31上均安装有加热组件4和温度传感器5，加热组件4套装在套管安装部38的外面、用以加热第一蜗壳31及经第一进
气口35进入的气体，温度传感器5用以检测第一流道34内的温度，通过将位于套管安装部38端部的第一进气口35朝下布局，有利于将液态水汇集到进气口端并滴落，便于实现第一蜗壳31的排水，避免第一蜗壳31内部容易出现积水的现象，另外，将套管安装部38设计成圆筒状，使得加热组件4的安装变得简单方便，而且将加热组件4安装在第一蜗壳31的进气口端，可在确保能够对第一蜗壳31进行加热的前提下，同时可对经第一进气口35进入的气体进行加热，可有效提高加热效率。
34.如图6和图7所示，所述加热组件4包括加热套管41和安装在加热套管41的内壁面上的加热丝42，加热丝42贴设于所述套管安装部38的外面，加热丝42可通过镶嵌、贴片、插入、缠绕的安装方式安装在加热套管41的内壁面上。
35.如图7所示，所述加热丝42包括呈螺旋线段状的加热丝主体421和分别连接于加热丝主体421两端部的接线端422，所述加热套管41的侧壁上设置有供接线端422伸出的通孔411，设计合理，便于接线。
36.如图1至图6所示，所述进气管道37的外面设置有连接法兰6，连接法兰6位于套管安装部38的上方，连接法兰6上设置有若干安装孔61，所述加热套管41的端部的外侧面设置有若干凸起的安装脚7，若干安装脚7与若干安装孔61对应，每一个安装脚7上设置有螺孔71，采用螺钉穿过安装孔61后与对应的螺孔71螺纹连接以使所述加热组件4与所述进气管道37固定安装，拆装方便，便于后期的维修跟换，当空压机201的使用环境在0℃以上时，可取下加热组件4，通过本方案提供的安装方案使得空压机201可随时增加或取下加热组件4。
37.如图2和图3所示，压缩机构2包括第二蜗壳21和第二风轮22，第二蜗壳21开设有第二空腔23、第二流道24、第二进气口25和第二出气口26，第二进气口25和第二流道24分别与第二空腔23连通，第二出气口26与第二流道24连通，第二风轮22安装在第二空腔23里并与所述电机1的另一端的转轴连接。
38.实施例二：
39.如图8至图10所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统，燃料电池系统包括燃料电池系统控制器8、电堆模块9、供氢系统10、空气供应系统20和冷却系统30，燃料电池系统控制器8控制电堆模块9、供氢系统10、空气供应系统20和冷却系统30工作，空气供应系统20包括空压机201和空压机控制器202，空压机控制器202受控于燃料电池系统控制器8，所述空压机201采用实施例一所述的一种燃料电池系统用的空压机，空压机201包括电机1、压缩机构2和膨胀机构3，电机1受控于空压机控制器202，膨胀机构3包括第一蜗壳31，第一蜗壳31开设有第一空腔33、第一流道34和第一出气口36，第一蜗壳31的侧面设置有进气管道37，进气管道37的端部设置有第一进气口35，第一蜗壳31上均安装有加热组件4和温度传感器5，加热组件4套装在进气管道37外面，加热组件4受控于燃料电池系统控制器8，具体地，加热组件4的加热丝42与燃料电池系统控制器8电连接，压缩机构2包括第二蜗壳21，第二蜗壳21开设有第二进气口25和第二出气口26，第二蜗壳21的第二出气口26连接到电堆模块9的空气入口为电堆模块9提供空气，电堆模块9的空气出口连接到第一蜗壳31的第一进气口35以使排出的空气流入第一流道34，温度传感器5检测第一流道34的温度并将温度信号传送至燃料电池系统控制器8，燃料电池系统控制器8根据温度信号控制加热组件4的加热丝42通断电，并通过空压机控制器202控制电机1的运行状态，在本实施例中，电机1的运行状态包括降低电机1的运行功率和这停机处理，所述空压机控制器202实质为电机1控制器。
40.针对上述方案提供燃料电池系统的冷启动控制方法，具体的控制方法如下：
41.第一步：燃料电池系统开机启动自检，燃料电池系统控制器8获取温度传感器5的温度信号，若温度传感器5检测到的第一蜗壳31的第一流道34内的实时温度小于等于燃料电池系统控制器8的设定值温度，则燃料电池系统控制器8控制加热组件4的加热丝42通电加热，并向空压机控制器202发出指令以降低电机1的运行功率，使空压机201低功率运行，进入加热模式；
42.第二步：当温度传感器5检测到的第一蜗壳31的第一流道34内的实时温度大于燃料电池系统控制器8的设定值温度时，则燃料电池系统控制器8控制加热组件4的加热丝42断电停止加热，并向空压机控制器202发出指令以停止电机1运行，使空压机201停机，退出加热模式；
43.第三步：燃料电池系统自检结束，正常启动，进入正常工作模式。
44.作为一个优选方案，如图10所示，所述空气供应系统20还包括空气过滤器203、流量计204、中冷器205和增湿器206，外部空气依次经过空气过滤器203、流量计204、所述空压机201的压缩机构2的第二进气口25、所述空压机201的压缩机构2的第二出气口26、中冷器205和增湿器206后送到所述电堆模块9的空气入口，所述冷却系统30为所述电堆模块9提供冷却液，同时为中冷器205提供冷却液以便对外部输入空气进行一次冷却。
45.作为一个优选方案，如图10所示，所述燃料电池系统还包括背压阀40和分水器50，所述电堆模块9的空气出口排出的空气依次经过所述增湿器206、背压阀40、分水器50和所述空压机201的膨胀机构3的第一进气口35后从所述空压机201的膨胀机构3的第一出气口36排出。
46.作为一个优选方案，如图10所示，所述燃料电池系统还包括消音器60，消音器60用于消音排出从所述空压机201的膨胀机构3的第一出气口36排出的空气及所述分水器50分离出的水。
47.以上实施例为本实用新型的较佳实施方式，但本实用新型的实施方式不限于此，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。