燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及一种燃料电池领域，具体地，涉及一种燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池作为车用动力必须经受启停，冷启动(或零下启动)、高电位、电压循环、大电流、空气杂质等复杂工况和严苛环境的考验，其中冷启动工况是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。中国的燃料电池技术路线要求冷启动工况需要满足-40℃环境下正常启动。
3.相关技术中，低温状态下，如果使用带涡轮的燃料电池系统的空压机，存在使用寿命低、加工制造成本高等问题。


技术实现要素：

4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
5.相关技术中，燃料电池空压机在燃料电池系统进行冷启动工况运行时，燃料电池系统启动时吹扫出的冰渣会撞击高速旋转的涡轮，对涡轮产生破坏性的冲蚀。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种结构简单、使用寿命长、成本低廉的燃料电池系统。
7.本发明实施例的燃料电池系统包括：空压机，所述空压机包括压缩组件和膨胀组件，所述压缩组件具有第一进口和第一出口，所述膨胀组件具有第二进口和第二出口，所述压缩组件用于压缩气体，所述膨胀组件可利用高压气体膨胀做功以驱动所述压缩组件；电堆，所述电堆一端与所述压缩组件的第一出口连通，以便所述压缩组件流出的压缩气流流入所述电堆，所述燃料电池系统具有第一状态和第二状态，在所述第一状态，所述电堆低温低速启动，所述电堆的另一端与所述膨胀组件的第二出口连通，以便经所述电堆流出的气体流入所述第二出口并通过所述第二出口流出所述空压机，在所述第二状态，所述电堆低温高速启动，所述电堆的另一端与所述膨胀组件的第二进口连通，以便经所述电堆流出的气体流入所述膨胀组件以驱动所述压缩组件。
8.本发明实施例的燃料电池系统，设置第一状态和第二状态，能够防止电堆产生的冰渣损坏膨胀组件，延长了燃料电池系统的使用寿命，降低了燃料电池系统的加工制造成本。
9.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括第三状态，在所述第三状态，所述电堆停机且所述电堆的另一端封闭。
10.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括三位三通阀，所述三位三通阀包括第一进气口、第一出气口和第二出气口，所述第一进气口与所述电堆的另一端连通，所述第一出气口与所述膨胀组件的第二进口连通，所述第二出气口与所述膨胀组件的第二出口连通，在所述第一状态，所述第一进气口和所述第二出气口连通，在所述第二状态，所述第一进气口和所述第一进气口连通。
11.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括：第一管，所述第一管的两端分别与所
述第一进气口与所述电堆的另一端连通，所述第一管的内径与所述电堆的另一端的口径相等；第二管，所述第二管的两端分别与所述第一出气口与所述膨胀组件的第二进口连通，所述第二管的内径与所述第一出口的口径相等；第三管，所述第三管的两端分别与所述第二出气口与所述膨胀组件的第二出口连通，所述第三管的内径小于所述第二出口的口径。
12.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括气体处理组件，所述气体处理组件与所述膨胀组件的第二出口连通，以便经所述膨胀组件流出的气体流入所述气体处理组件。
13.在一些实施例中，所述燃料电池系统从所述第一状态转换至所述第二状态，所述第一管和所述第三管连通，以便所述电堆在所述第一状态产生的气体排出所述第一管外。
14.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括气体过滤组件，所述气体过滤组件与所述压缩组件的第一进口连通，以便经所述气体过滤组件过滤后的气体流入所述第一进口。
15.在一些实施例中，所述压缩组件包括：壳体，所述第一进口、所述第一出口、所述第二进口和所述第二出口形成在所述壳体上，且所述第一进口和所述第一出口连通，所述第二进口和所述第二出口连通；第一叶轮，所述第一叶轮可转动地设在所述壳体内，所述第一叶轮设在所述第一进口与所述第一出口之间；电机，所述电机与所述第一叶轮相连，以便带动所述第一叶轮转动。
16.在一些实施例中，所述压缩组件还包括第二叶轮，所述第二叶轮可转动地设在所述壳体内，所述第二叶轮设在所述电机和所述第一出口之间，所述第二叶轮与所述电机相连，以便所述电机带动所述第二叶轮转动。
17.在一些实施例中，所述压缩组件包括涡轮，所述涡轮可转动地设在所述壳体内，所述涡轮位于所述第二进口和所述第二出口之间，所述涡轮与所述压缩组件同轴相连，以便所述涡轮驱动所述压缩组件。
附图说明
18.图1是本发明实施例的燃料电池系统的结构示意图。
19.图2是本发明实施例的燃料电池系统的空压机的结构示意图。
20.附图标记：
21.燃料电池系统100；
22.空压机1；压缩组件11；第一进口111；第一出口112；壳体1123；第一叶轮114；电机115；第二叶轮116；
23.膨胀组件12；第二进口121；第二出口122；涡轮123；
24.电堆2；
25.三位三通阀3；第一进气口31；第一出气口32；第二出气口33；
26.第一管4；第二管5；第三管6；气体过滤组件7；第四管8；气体处理组件9。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.下面参考附图描述根据本发明实施例的燃料电池系统。
29.如图1-2所示，根据本发明实施例的燃料电池系统包括空压机1和电堆2。
30.空压机1包括压缩组件11和膨胀组件12，压缩组件11具有第一进口111和第一出口112，膨胀组件12具有第二进口121和第二出口122，压缩组件11用于压缩气体，膨胀组件12可利用高压气体膨胀做功以驱动压缩组件11。具体地，如图1-2所示，空压机1可以为单机空压机或双极空压机，空气可从第一进口111流入压缩组件11，压缩组件11对空气进行压缩并从第一出口112流出压缩气体，压缩气体可从第二进口121流入膨胀组件12，经第二膨胀组件12膨胀驱动压缩组件11后，气体从第二出口122流出。
31.电堆2一端与压缩组件11的第一出口112连通，以便压缩组件11流出的压缩气流流入电堆2，燃料电池系统100具有第一状态和第二状态，在第一状态，电堆2低温低速启动，电堆2的另一端与膨胀组件12的第二出口122连通，以便经电堆2流出的气体流入第二出口122并通过第二出口122流出空压机1，在第二状态，电堆2低温高速启动，电堆2的另一端与膨胀组件12的第二进口121连通，以便经电堆2流出的气体流入膨胀组件12以驱动压缩组件11。
32.具体地，如图1-2所示，电堆2的进口与第一出口112连通，从而将压缩组件11压缩后的气体流入电堆2内做功，在第一状态，由于电堆2低温低速启动，电堆2内的冰渣将随着气体流出电堆2，因此，将电堆2的出口与第二出口122连通，从而将电堆2内的冰渣通过第二出口122排出电堆2，此时膨胀组件12不工作，在第二状态，由于电堆2低温高速启动，因此电堆2内的气体温度较高，不产生冰渣，第二进口121和电堆2的出口连通，从而电堆2产生的气体流入膨胀组件12以驱动膨胀组件12做功，膨胀组件12驱动压缩组件11做功。
33.本发明实施例的燃料电池系统100，设置第一状态和第二状态，在第一状态，由于电堆2产生冰渣，可直接将电堆2产生的气体排出，防止气体内的冰渣损坏膨胀组件12，在第二状态，电堆2不产生冰渣，可将电堆2产生的气体通入膨胀组件12，从而驱动膨胀组件12做功，由此，提高了空压机1的使用寿命，减小了燃料电池系统100的加工制造成本。
34.可以理解的是，燃料电池系统100在第一状态和第二状态的切换，可通过使用者进行人工切换，也可通过控制器进行切换，本发明实施例中不做限制。
35.在一些实施例中，燃料电池系统100还包括第三状态，在第三状态，电堆2停机且电堆2的另一端封闭。具体地，在第三状态，空压机1和电堆2均停机，且电堆2的出口封闭，从而避免环境大气进入电堆2，提高了电堆2的使用寿命。
36.在一些实施例中，燃料电池系统100还包括三位三通阀3，三位三通阀3包括第一进气口31、第一出气口32和第二出气口33，第一进气口31与电堆2的另一端连通，第一出气口32与膨胀组件12的第二进口121连通，第二出气口33与膨胀组件12的第二出口122连通，在第一状态，第一进气口31和第二出气口33连通，在第二状态，第一进气口31和第一进气口31连通。具体地，三位三通阀3可以为三位三通电磁阀。由此，通过三位三通阀3将燃料电池系统100分别调整至第一状态、第二状态和第三状态，提高了燃料电池系统100的自动化能力。
37.在一些实施例中，燃料电池系统100还包括：第一管4、第二管5和第三管6。
38.第一管4的两端分别与第一进气口31与电堆2的另一端连通，第一管4的内径与电堆2的另一端的口径相等。具体地，如图1-2所示，第一管4的进口和第一进气口31连通，第一管4的出口与电堆2的出口连通，从而电堆2产生的气体通过第一管4流入三位三通阀3内，且第一管4的内径与电堆2的出口的口径相等，由此，降低从电堆2流入第一管4的气体的压力损失。
39.第二管5的两端分别与第一出气口32与膨胀组件12的第二进口121连通，第二管5的内径与第一出口112的口径相等。具体地，如图1-2所示，第二管5的进口与第一出气口32连通，第二管5的出口与第二进口121连通，从而电堆2产生的气体通过第一管4、三位三通阀3和第二管5流入膨胀组件12，使得膨胀组件12做功以驱动压缩组件11，且第二管5的内径与第二进口121的口径相等，由此，降低流入膨胀组件12内的气体的压力损失。
40.第三管6的两端分别与第二出气口33与膨胀组件12的第二出口122连通，具体地，如图1-2所示，第三管6的进口与第二出气口33连通，第三管6的出口与第二出口122连通，从而电堆2产生的气体通过第一管4、三位三通阀3排出和第三管6排出。
41.由于，电堆2在低温环境下高速运行时，如果电堆2的出堆的压力不能提高，换言之，电堆2的出气口的压力较小，将导致空压机1无法输出较高的压力。因此，在一些实施例中，第三管6的内径小于第二出气口33的口径。由此，使得气流经过第三管6时，气流压力损失增大，从而电堆2的出堆的压力就会被憋高，从而提高了空压机1的出口压力。
42.在一些实施例中，燃料电池系统100从第一状态转换至第二状态，第一管4和第三管6连通，以便电堆在第一状态产生的气体排出第一管4外。具体地，电堆2由低温低速转换成在低温高速启动后，将第一管4和第三管6连通一段时间，可以更有效率的吹扫掉冰渣。在燃料电池系统100运行一定时间后，此时第一管4和第三管6内已没有冰渣，切换三位三通阀3开关，使出第一管4和第二管5联通，电堆2的出堆废气此时进入涡轮123并驱动涡轮123。
43.由于燃料电池系统100的其他管路将产生的氢气和膨胀组件12流出的废气在膨胀组件12的第二出口122混合，因此，在一些实施例中，燃料电池系统100还包括气体处理组件9，气体处理组件9与膨胀组件12的第二出口122连通，以便经膨胀组件12流出的气体流入气体处理组件9。具体地，如图1所示，气体处理组件9的进口与第二出口122连通，以便气体处理组件9处理燃料电池系统100产生的氢气。
44.在一些实施例中，燃料电池系统100还包括第四管8，第四管8的两端分别与气体处理组件9和第二出口122连通，以便经膨胀组件12流出的气体通过第四管8流入气体处理组件9，在第一状态，电堆2与第四管8连通，以便经电堆2流出的气体通过第四管8流入气体处理组件9。具体地，如图1-2所示，第四管8的进口与第二出口122连通，第四管8的出口与气体处理组件9的进口连通，从而膨胀组件12做功后的气体通过第四管8流入气体处理组件9，且第三管6的出口可与第四管8的连通，使得电堆2在第一状态产生的气体依次通过第三管6、第四管8和气体处理组件9排入大气中，从而无需改变空压机1的结构形状，减小了燃料电池系统100的加工制造成本。
45.在一些实施例中，燃料电池系统100还包括气体过滤组件7，气体过滤组件7与压缩组件11的第一进口111连通，以便经气体过滤组件7过滤后的气体流入第一进口111。具体地，如图1所示，气体过滤组件7为气体过滤器，气体过滤组件7的出口与第一进口111连通，通过气体过滤组件7过滤气体中的杂质(小颗粒)后，流入压缩组件11，从而防止气体内的杂质损坏压缩组件11的内部元件，提高了压缩组件11的使用寿命。
46.在一些实施例中，压缩组件11包括壳体1123、第一叶轮114和电机115。
47.第一进口111、第一出口112、第二进口121和第二出口122形成在壳体1123上，且第一进口111和第一出口112连通，第二进口121和第二出口122连通。具体地，如图1-2所示，第一进口111形成在壳体1123的左端，第一出口112形成在壳体1123上，且第一进口111和第一
出口112沿左右方向间隔设置，第二出口122形成在壳体1123的右端，第二进口121形成在壳体1123上，且为位于第一出口112和第二出口122之间。
48.第一叶轮114可转动地设在壳体1123内，第一叶轮114设在第一进口111与第一出口112之间。电机115与第一叶轮114相连，以便带动第一叶轮114转动。具体地，如图2所示，第一叶轮114可转动地设在壳体1123内且位于壳体1123的左侧，第一叶轮114与第一进口111沿左右方向间隔相对设置，电机115设在壳体1123内且位于第一叶轮114的右侧，电机115的输出轴与第一叶轮114相连以带动第一叶轮114转动，从而使得第一叶轮114在壳体1123内压缩气体。
49.在一些实施例中，压缩组件11还包括第二叶轮116，第二叶轮116可转动地设在壳体1123内，第二叶轮116设在电机115和第一出口112之间，第二叶轮116与电机115相连，以便电机115带动第二叶轮116转动。具体地，如图2所示，第二叶轮116设在电机115的右侧且与电机115相连，第二叶轮116第一出口112沿内外方向间隔相对设置，由此，使得第二叶轮116进一步压缩气体，且第二叶轮116的设置，可以平衡电机115两侧的轴向力，提高了电机115的使用寿命。
50.在一些实施例中，压缩组件11包括涡轮123，涡轮123可转动地设在壳体1123内，涡轮123位于第二进口121和第二出口122之间，涡轮123与压缩组件11同轴相连，以便涡轮123驱动压缩组件11。具体地，如图2所示，涡轮123设在第二叶轮116的右侧且与第二叶轮116相连，涡轮123设在壳体1123内且与第二出口122沿左右方向相对设置，涡轮123与第二进口121沿内外方向相对设置，从第二进口121流入的压缩气体可驱动涡轮123转动，从而驱动第二叶轮116转动，由此降低了电机115的功率。
51.下面描述本发明实施例的燃料电池系统100的工作过程。
52.在第一状态，在电堆2低温低速启动时，打开三位三通阀3，使得第一管4和第三管6连通，从而使得电堆2吹扫的含冰渣废气不经过膨胀组件12内的涡轮123直接排到大气。
53.在第二状态，在低温高速启动时，第一管4和第三管6连通一段时间，由于连接到膨胀组件12出口的第三管6的管径较小，压损较大，可以使空压机1的第一出口112维持一定的高压，此时电堆2的出口的温度相对较高，可以更有效率的吹扫掉冰渣。在燃料电池系统100运行一定时间后，此时第一管4和第三管6内已没有冰渣，切换三位三通阀3开关，使出第一管4和第二管5联通，电堆2的出堆废气此时进入涡轮123并驱动涡轮123从而进入常规工作模式。
54.在第三状态，在燃料电池系统100停机后，切换三位三通阀3开关，封堵第一管4，此时环境大气无法通过膨胀组件12进入电堆2，三位三通阀3此时起到节气门的密封作用。
55.综上所示，本发明实施例的燃料电池系统100一方面可以有效避免低温启动时冰渣对涡轮123的破坏，延长涡轮123的使用寿命，另一方面，可以继承节气门的功能，即封闭第一管4，避免环境大气进入电堆2。
56.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“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发明和简化描述，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。
57.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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
58.在本发明中，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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发明中的具体含义。
59.在本发明中，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。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
60.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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发明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。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
61.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。