一种燃料电池空气系统的制作方法

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池空气系统。

背景技术：

1、燃料电池具有广泛的应用场景，其空气供应均由其空气系统提供。

2、现有燃料电池空气系统大多包括空压机、增湿器、中冷器等部件。空压机用于提供压缩空气，气体经过空压机压缩后温度会上升，一般通过增湿器将压缩后气体进行冷却。冷却后的气体经过中冷器及其他零部件后进入电堆。在燃料电池空气系统中还需要额外设置旁通管路及阀件，便于对系统尾排管路吹扫。现有的旁通阀件及旁通管路一般设置在增湿器之后，便于保障气体温度降低后对阀件无影响，但此设计影响了增湿器和中冷器的集成度，对系统设计极不友好，使得空气系统体积过大。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池空气系统，用以解决现有技术空气系统额外设置旁通管路及阀件导致集成度过低的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池空气系统，包括增湿器、入堆节气门、出堆节气门、旁通节气门和空压机；其中，

3、电堆的空气入口依次经入堆节气门、增湿器的支路一接空压机的压轮端出口，构成入堆主管路；电堆的空气尾气出口依次经出堆节气门、增湿器的支路二接空压机的涡轮端入口，构成尾排管路；

4、旁通节气门的输入端接空压机的压轮端出口，其输出端接空压机的涡轮端入口，其所在支路构成旁通管路，用于燃料电池开关机时打开，以对空压机的涡轮端以及燃料电池尾排管路执行热空气吹扫；

5、入堆主管路的口径为旁通管路的口径的1.5～2.5倍；旁通管路部分延伸至外部环境中，以使管路中气体与环境气体对流换热。

6、上述技术方案的有益效果如下：提供了一种基于膨胀机涡轮回收的空压机出口旁通管路及阀件设计方案。将旁通管路以及旁通节气门设置于增湿器的入口端支路上，提高了增湿器和中冷器的集成度度，降低了燃料电池系统尺寸边界，并有利于保护低温下对涡轮膨胀机进行吹扫，快速启动燃料电池。

7、基于上述燃料电池空气系统的进一步改进，该系统还包括：

8、空侧控制器，用于在燃料电池低温启动运行时，先关闭入堆节气门、出堆节气门，并打开旁通节气门、启动空压机，以通过旁通管路对空压机的涡轮端以及燃料电池尾排管路执行热空气吹扫；以及，吹扫完成后，打开入堆节气门、出堆节气门，并控制旁通节气门关闭或开度减小，以配合电堆启动，并且，控制电堆开始拉载电流；以及，识别燃料电池大功率运行时，关闭旁通节气门，调控空压机转速以使入堆空气流量达到目标值。

9、进一步，空侧控制器还用于在燃料电池关机时，先打开闭入堆节气门、出堆节气门，并关闭旁通节气门，以对电堆执行吹扫；以及，在电堆执行吹扫结束后，再关闭入堆节气门、出堆节气门，并打开旁通节气门，以对旁通路、空压机的涡轮端以及燃料电池尾排管路执行热空气吹扫。

10、进一步，该系统还包括：

11、中冷器，设于空压机、增湿器之间，用于空压机输出的气体进行降温；

12、空滤，设于空压机的压轮端入口处，用于过滤空气中的杂质、细菌；

13、流量计，设于空压机的压轮端入口处，用于采集入堆空气流量。

14、进一步，所述中冷器与增湿器集成于一体；并且，

15、入堆主管路、尾排管路的口径均大于65mm。

16、进一步，旁通节气门在旁通管路上的安装位置靠近空压机的涡轮端入口；并且，

17、空压机的压轮端出口处设有大口径变小口径三通管，其端口一接空压机的压轮端出口，其端口二接增湿器支路一输入端，其端口三接旁通节气门；该三通管的口径设置使得入堆节气门位置的气体流速相比空压机流速降低并达到预设流速范围；

18、旁通管路的尺寸设置使得旁通管路内部分气体与环境气体对流换热，入堆节气门位置的气体温度相比入堆主管路气体温度降低并达到预设温度范围。

19、进一步，空压机的涡轮端入口处设有开口向外的三通管，其端口一接增湿器支路二输出端，其端口二接旁通节气门，其端口三接空压机的涡轮端入口；该三通管的开口设置使得旁通节气门处的气体持续保持与出堆尾排空气进行换热，保证节气门的温度始终处于设计范围。

20、进一步，空侧控制器执行如下程序以完成燃料电池启动过程中空侧气体控制功能：

21、s1.接收到燃料电池的启动信号后，识别燃料电池是否低温启动，如果是，执行下一步，否则，直接打开入堆节气门、出堆节气门，并控制旁通节气门关闭，以配合电堆正常启动；

22、s2.关闭入堆节气门、出堆节气门，并打开旁通节气门、启动空压机，以通过旁通管路对空压机的涡轮端以及燃料电池尾排管路执行第一设定时间的热空气吹扫；

23、s3.吹扫完成后，打开入堆节气门、出堆节气门，并控制旁通节气门关闭或开度减小，以配合电堆正常启动，并且，控制电堆开始拉载电流；

24、s4.识别燃料电池正常启动后，关闭旁通节气门。

25、进一步，空侧控制器执行如下程序以完成燃料电池运行过程中空侧气体控制功能：

26、s5.识别燃料电池大功率运行时，关闭旁通节气门，控制空压机转速调整使入堆空气流量达到目标值。

27、进一步，空侧控制器执行如下程序以完成燃料电池关闭过程中吹扫控制功能：

28、s6.接收到燃料电池的关机信号后，先打开闭入堆节气门、出堆节气门，并关闭旁通节气门，以对电堆执行第二设定时间的吹扫；

29、s7.在电堆执行吹扫结束后，关闭入堆节气门、出堆节气门，并打开旁通节气门，以对旁通路、空压机的涡轮端以及燃料电池尾排管路执行第三设定时间的热空气吹扫；

30、s8.在热空气吹扫结束后，关闭旁通节气门，关闭空压机。

31、提供
技术实现要素：
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。

技术特征：

1.一种燃料电池空气系统，其特征在于，包括增湿器、入堆节气门、出堆节气门、旁通节气门和空压机；其中，

2.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的燃料电池空气系统，其特征在于，空侧控制器还用于在燃料电池关机时，先打开闭入堆节气门、出堆节气门，并关闭旁通节气门，以对电堆执行吹扫；以及，在电堆执行吹扫结束后，再关闭入堆节气门、出堆节气门，并打开旁通节气门，以对旁通路、空压机的涡轮端以及燃料电池尾排管路执行热空气吹扫。

4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池空气系统，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池空气系统，其特征在于，所述中冷器与增湿器集成于一体；并且，

6.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池空气系统，其特征在于，旁通节气门在旁通管路上的安装位置靠近空压机的涡轮端入口；并且，

7.根据权利要求6所述的燃料电池空气系统，其特征在于，空压机的涡轮端入口处设有开口向外的三通管，其端口一接增湿器支路二输出端，其端口二接旁通节气门，其端口三接空压机的涡轮端入口；该三通管的开口设置使得旁通节气门处的气体持续保持与出堆尾排空气进行换热，保证节气门的温度始终处于设计范围。

8.根据权利要求7所述的燃料电池空气系统，其特征在于，空侧控制器执行如下程序以完成燃料电池启动过程中空侧气体控制功能：

9.根据权利要求7或8所述的燃料电池空气系统，其特征在于，空侧控制器执行如下程序以完成燃料电池运行过程中空侧气体控制功能：

10.根据权利要求9所述的燃料电池空气系统，其特征在于，空侧控制器执行如下程序以完成燃料电池关闭过程中吹扫控制功能：

技术总结
本发明提供了一种燃料电池空气系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术空气系统额外设置旁通管路及阀件导致集成度过低的问题。该系统包括增湿器、入堆节气门、出堆节气门、旁通节气门和空压机。电堆的空气入口依次经入堆节气门、增湿器的支路一接空压机的压轮端出口，构成入堆主管路。电堆的空气尾气出口依次经出堆节气门、增湿器的支路二接空压机的涡轮端入口，构成尾排管路。旁通节气门的输入端接空压机的压轮端出口，其输出端接空压机的涡轮端入口，其所在支路构成旁通管路。入堆主管路的口径为旁通管路的口径的1.5～2.5倍。旁通管路部分延伸至外部环境中。该系统的设计有利于低温下对空压机涡轮端吹扫，快速启动燃料电池。

技术研发人员：李文文,方川,张潇丹,袁殿,李阳,渠海洋,尚泽,李庆雨,司宗正
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15