空气供应系统及包括其的燃料电池的制作方法

本技术涉及电池的，特别涉及一种空气供应系统及包括其的燃料电池。

背景技术：

1、燃料电池是一种将氢气和空气中的氧气在催化剂的作用下通过电化学反应产生电能的装置，其包括电堆和外壳，电堆被封装在外壳之内，两者之间有一定的间隙；氢气和氧气通入电堆，并在催化剂的作用下通过电化学反应产生电能。电堆是由若干片双极板和膜电极重复堆叠而成，由于堆叠工艺和零部件公差累计等问题，会存在少量电堆中的氢气外漏到电堆的封装壳体中，如果不及时进行吹扫促使其散去，极易造成燃料电池在运行过程中发生爆炸危险。此外，在实际使用环境下，温湿度变化会导致封装壳体内出现凝露，进而引起绝缘降低，甚至触发绝缘故障报警的问题。

2、燃料电池工作时，需要有空气供应系统、氢气供应系统、热管理系统、电堆系统、电气系统等辅助子系统参与，以有效协作，产生电能。

3、其中，空气供应系统是给电堆供应其进行电能反应所需的空气，并满足燃料电池在不同功率下的空气流量、压力、温度和湿度要求，同时也要保证未反应完的空气和生成的水顺利排放至大气中。

4、通常，空气供应系统包括空压机和增湿器等装置，空压机用于将外部空气增压，增湿器用于增压后的气体增加湿度，以得到符合系统运行要求的气源。其中，空压机是空气供应系统的核心部件，用于燃料电池的空压机主要有罗茨式、离心式、涡旋式、螺杆式等几种类型，离心式空压机因其在噪音、效率、体积等方面具有优势，成为市场主流产品。但离心式空压机等空压机有个重要特点，就是当空压机在低流量、高压比工作时，容易发生喘振。当离心式空压机发生喘振时，会导致空气流量不可控、噪声大、振动大和温升高等一系列连锁反应，严重时还可能会损坏离心式空压机、影响电堆的寿命；因此，当离心式空压机进入喘振区域时，需要将离心式空压机从喘振区中释放出来。

5、现有防喘振的技术方案中，存在结构复杂、不方便接线、布局不合理等缺点。此外，现有的燃料电池空气供应系统，其原理、结构复杂，占用空间较大，不利于燃料电池的体积比、质量比功率等参数优化，并且也影响了燃料电池的综合性能优化。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种空气供应系统及包括其的燃料电池。

2、本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种空气供应系统，向燃料电池电堆供应空气，包括进气管路和排气管路，

4、所述进气管路的入口连通外部空气源，依次通过空压机、中冷器和增湿器，直至与电堆的入口连通；所述电堆的出口与所述排气管路连通，所述排气管路通过所述增湿器后，其出口连通于外部环境；

5、所述进气管路上在所述增湿器与所述电堆之间还设有三通阀，所述三通阀的另一个端口还与第一旁通支路连通，所述第一旁通支路连通于外部环境。

6、本方案中，该空气供应系统通过在增湿器和电堆之间设置三通阀，并且三通阀的另一个端口通过第一旁通支路连通于外部环境，使得空压机的出口、中冷器、增湿器、三通阀和第一旁通支路构成了防喘振的支路；当空压机发生喘振时，该防喘振支路能够将空压机快速地从喘振区中释放出来。该空气供应系统不需要额外的防喘振元件，而是在已有的增湿器的基础上增加三通阀即构成了防喘振支路，简化了结构。并且利用三通阀，可以方便地调节进入电堆的气体压力，以让电堆获得更有利于电能反应所需要的气体；还可以调节从旁通支路释放的气体，以提高防喘振的效果。将三通阀设在增湿器与电堆之间，充分利用两者(增湿器与燃料电池)之间的充足空间进行连接操作，方便布置连接管线，布局更合理。

7、较佳地，所述空气供应系统还包括第二旁通支路，所述第二旁通支路的一端连通于所述中冷器，另一端连通于所述燃料电池的外壳与所述电堆之间的间隙空腔。

8、本方案中，通过第二旁通支路的一端连通中冷器，另一端连通于燃料电池的外壳和电堆之间的间隙空腔，使得经过中冷器降温后的部分空气能够通过第二旁通支路进入间隙空腔进行吹扫，带出电堆运行过程中产生的部分热量，也带出电堆运行过程中氢腔外漏到封装壳体中的少量氢气，防止氢气聚集，避免爆炸危险，提高系统运行的安全性。同时，进入间隙空腔内一定温度的空气也能将外壳内出现的凝露吹扫、去除，保证绝缘性能，避免触发绝缘故障报警，使得燃料电池整体运行稳定，降低故障率。

9、较佳地，所述增湿器包括至少两个入口和至少两个出口，所述增湿器的第一入口和第一出口设在所述进气管路上，所述增湿器的第一入口与所述中冷器连通，所述增湿器的第一出口与所述三通阀的进口端连通；

10、所述增湿器的第二入口和第二出口设在所述排气管路上，所述增湿器的第二入口与所述电堆的出口连通。

11、本方案中，通过增湿器的两组出入口组合(第一入口和第一出口构成第一出入口组合、第二入口和第二出口构成第二出入口组合)分别连通进气管路和排气管路，在增湿器和电堆之间构成连通回路，使得电堆进行电能反应(即氢气和氧气在催化剂作用下通过电化学反应产生电能)所产生的水蒸气通过第二入口回流至增湿器中，以将从第一入口进入的干空气增加湿度，以提供具有一定湿度的气体，有利于电堆内产生电能的电化学反应。本方案充分利用电堆自身产生的水蒸气进行增湿，而不需要其他的增湿设备，有利于简化结构和提高能源利用率。

12、较佳地，所述排气管路上还设有汇流管，用于将排放的空气汇流后从其出口端排出；包括与所述第一旁通支路和所述增湿器的第二出口连通的接口。

13、本方案中，通过上述设置的汇流管，将从第一旁通支路排出的气体、以及从增湿器排出的废气收集，集中排出到外部环境，而不是分散排出，避免对其他设备或环境的污染，也保护设备不受废气导致损伤(例如，高温或腐蚀带来的损伤)。

14、较佳地，所述空气供应系统还包括第三旁通支路，所述第三旁通支路的一端与所述燃料电池的外壳和所述电堆之间的间隙空腔连通，另一端与所述汇流管连通。

15、本方案中，通过上述设置的第三旁通支路与汇流管连通，将从第三旁通支路吹出的氢气和凝露水汽收集，从汇流管集中排出。

16、较佳地，所述汇流管与所述增湿器的第二出口之间还设有背压阀。

17、本方案中，通过上述设置的背压阀，可调节空气供应系统的管路中流通的气体压力和流量，使得能够保持用于电堆内气体反应所需的进气压力与流量；同时排放过高压力的气体，在管路上起到切断或节流的作用。

18、较佳地，所述汇流管的出口端设有消音器。

19、本方案中，通过消音器降低空气供应系统的噪音。

20、较佳地，所述空压机采用离心空压机，所述离心空压机的出气口与所述汇流管连通。

21、本方案中，通过离心空压机能够将进入空气增压，相比于其他类型空压机，采用离心空压机，有利于降低噪音、提高增压效率、减小设备体积。

22、较佳地，所述离心空压机包括空气轴承，所述空气轴承上设有出气接口，所述出气接口与所述汇流管连通。

23、本方案中，通过空气轴承上的出气接口，将空压机内不适用于电堆工作的空气气源引导至汇流管中排出，保证进入电堆内的有效气体。

24、一种燃料电池，所述燃料电池包括如上述的空气供应系统。

25、本方案中，该燃料电池通过上述空气供应系统，空压机的出口、中冷器、增湿器、三通阀和第一旁通支路构成了防喘振的支路；当空压机发生喘振时，该防喘振支路能够将空压机快速地从喘振区中释放出来。并且不需要额外的防喘振元件，而是在已有的增湿器的基础上增加三通阀即构成了防喘振支路，简化了结构。利用三通阀，可以方便地调节进入电堆的气体压力，以让电堆获得更有利于电能反应所需要的气体；还可以调节从旁通支路释放的气体，以提高防喘振的效果。将三通阀设在增湿器与电堆之间，充分利用两者(增湿器与燃料电池)之间的充足空间进行连接操作，方便布置连接管线，布局更合理。

26、本实用新型的积极进步效果在于：该空气供应系统及包括其的燃料电池通过在增湿器和电堆之间设置三通阀，并且三通阀的另一个端口通过第一旁通支路连通于外部环境，使得空压机的出口、中冷器、增湿器、三通阀和第一旁通支路构成了防喘振的支路；当空压机发生喘振时，该防喘振支路能够将空压机快速地从喘振区中释放出来。该空气供应系统不需要额外的防喘振元件，而是在已有的增湿器的基础上增加三通阀即构成了防喘振支路，简化了结构。并且利用三通阀，可以方便地调节进入电堆的气体压力，以让电堆获得更有利于电能反应所需要的气体；还可以调节从旁通支路释放的气体，以提高防喘振的效果。将三通阀设在增湿器与电堆之间，充分利用两者(增湿器与燃料电池)之间的充足空间进行连接操作，方便布置连接管线，布局更合理。