[发明专利]一种燃料电池空气管理系统

说明书

本发明公开了一种燃料电池空气管理系统，属于燃料电池技术领域。其包括空气管路，所述空气管路上设有沿空气的流向依次连通的空气净化元件、一级空气压缩组件、一级冷却器、二级空气压缩组件、二级冷却器、对空气进行增湿处理的水管理系统和燃料电池堆的进气口，燃料电池堆的出气口通过管线依次与水管理系统和涡轮膨胀器的进气口连通，涡轮膨胀器的出气口产生的低温气体为一级冷却器提供冷源，大大提高了燃料电池的能量转化率。本发明通过采用两级空气压缩增压的方式提高了燃料电池堆的工作压力，增加了燃料电池密度，性能优越，安全可靠。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池空气管理系统。

背景技术

在能源危机和环境保护的双重压力下，由于对高效、洁净能源的需求，燃料电池技术得到飞速发展。燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,排出的产物主要是水、氮气和热。这种装置最大特点是其能量转换效率高达60%～80%，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，燃料电池不涉及燃烧，对环境无污染，以及燃料多样性等特点外，还由于其工作温度低，适宜于较频繁启动的场合，可用环境空气做氧化剂，因此被认为是取代目前汽车动力的最具可选性和竞争力的动力源之一。

众所周知，燃料电池的化学反应需要在较高的压力下进行，压力越高电池密度越高。目前，燃料电池的工作压力普遍较低（大都为0.1MPa～0.3MPa）（表压），并且燃料电池堆反应的化学能有50%以热能的形式浪费掉，不利于能源的高效利用。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的缺点，提供一种燃料电池空气管理系统，其通过采用两级空气压缩组件串联设计，大大提高了燃料电池的工作压力（可高达0.5MPa以上），解决了现有燃料电池工作压力低的技术问题；通过在燃料电池堆出气口设置回收其空气余压的涡轮膨胀器，涡轮膨胀器的出气口产生的低温气体为一级冷却器提供冷源，大大提高了燃料电池的能量转化率，解决了现有燃料电池不利于能源的高效利用的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池空气管理系统，包括空气管路，所述空气管路上设有沿空气的流向依次连通的空气净化元件、一级空气压缩组件、一级冷却器、二级空气压缩组件、二级冷却器、对空气进行增湿处理的水管理系统和燃料电池堆的进气口，燃料电池堆的出气口通过管线依次与水管理系统和涡轮膨胀器的进气口连通，涡轮膨胀器的出气口产生的低温气体为一级冷却器提供冷源。

作为本发明的一种改进，所述二级中间冷却器是采用可调速变频风扇抽吸低温环境大气来作为冷源，通过调整风机的转速，改变风机抽吸环境大气的风量，进而保证燃料电池堆的压缩空气进出口温度在合理的范围内，避免了质子膜出现微孔，氢气进入空气系统，导致严重的安全事故。

作为本发明的一种改进，所述一级空气压缩组件的压缩比可达2.8，二级空气压缩组件的压缩比可达2.3，两级总压缩比可达5以上，可使燃料电池堆的工作压力高达0.5MPa以上。

作为本发明的一种改进，所述燃料电池堆进气口处设有进口温度传感器和压力传感器，燃料电池堆出气口处设有出口温度传感器，空气净化元件和一级空气压缩组件之间的管路上设有流量传感器，控制系统根据所述传感器反馈的信号对整个系统进行相应控制，提高了整个系统的安全性及工作效率。

作为本发明的一种改进，一级空气压缩组件包括一级空气压缩机和为一级空气压缩机提供动力的一级高速电机，二级空气压缩组件包括二级空气压缩机和为二级空气压缩机提供动力的二级高速电机。

作为本发明的一种改进，一级高速电机和二级高速电机均为封闭式变频高速电机。

作为本发明的一种改进，封闭式变频高速电机为异步交流电机、无刷直流电机或开关磁阻电机，其转速为10000r/min～500000r/min。