一种空压机的进气管路及燃料电池系统、车辆的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池系统领域，具体涉及一种空压机的进气管路及燃料电池系统、车辆。


背景技术：

2.化石能源消耗带来了能源枯竭和环境污染日益严重，因此可再生能源的大规模开发和利用势在必行。氢气作为一种有效的储能方式，在可再生能源发电高峰期将电能转换为化学能储存在氢气当中，在用电高峰期将氢气携带的能量通过燃料电池重新转换为电能以供使用。氢燃料电池汽车具有零排放、无污染、高效的特点，是一种十分具有潜力的新能源汽车。
3.当氢燃料电池发动机匹配液氢或者高压氢气系统时，液氢或高压氢气在进入燃料电池电堆之前首先需要进行减压、汽化或升温到50℃左右，此过程需要吸收大量的热。燃料电池电堆在工作过程中会产生大量的余热，通常采用冷却液对电堆进行散热，以使电堆内部温度始终处于高效的工作温度范围内。
4.现有的系统液氢一般通过换热器与电堆的冷却液进行换热，从而实现氢气的气化和升温；或者直接通过与空气换热，现有空压机入口只有一个高位进气管，进气管上方安有空滤，没有冷却空气，空压机的入口温度为环境温度或者仓内温度；因此，现有技术中空压机入口温度受环境影响，导致空压机的功耗和空压机出口温度无法降低，存在优化的空间；且液氢气化和升温的冷却能力没有得到充分的利用。
5.为了充分利用液氢的冷却能力，可以利用液氢升温过程换热的冷空气对空压机进口气体降温，由于经过经过液氢换热器后，空气温度约为
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100℃，冷却空气相对常温空气密度较高流阻较小，导致冷却空气和常温大气混合处的压力不平衡，使得空压机入口流入更多的冷却空气，空压机进气温度越来越低，而最终无法正常工作。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本实用新型实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种空压机的进气管路及燃料电池系统、车辆，在实现空压机入口气体温度较低的同时，保证了冷却气流量和大气流量匹配。
7.作为本实用新型实施例的一个方面，提供了一种空压机的进气管路，所述进气管路包括常温大气管路及低温气体管路，所述常温大气管路的进气口与大气相连通，所述低温气体管路的进气口与低温气体相连通，所述低温气体管路低位连接于所述常温大气管路，所述常温大气管路与所述低温气体管路通过混合气体管路与空压机进气口连通。
8.进一步地，根据混合气体管路内的温度和/或压力确定所述常温大气管路与低温气体管路的长度和/或直径。
9.进一步地，所述常温大气管路与水平面平行设置，所述低温气体管路垂直设置在所述常温大气管路底侧。
10.进一步地，所述常温大气管路与混合气体管路同轴设置。
11.进一步地，所述常温大气管路、低温气体管路及混合气体管路内设置有温度传感器、流速传感器和/或压力传感器，常温大气管路和/或低温气体管路设置有长度调节机构。
12.进一步地，所述温度传感器、流速传感器、压力传感器及长度调节机构分别与控制系统电信号连接，所述控制系统根据获得的温度值、压力值计算所述常温大气管路及低温气体管路的流量比及长度，所述长度调节机构根据所述控制系统的输出信号调节所述常温大气管路和/或低温气体管路的长度。
13.进一步地，所述常温大气管路及低温气体管路的直径相同，所述常温大气管路长度与低温气体管路长度的比值设置为1:1.5
‑
2。
14.作为本实用新型实施例的在一方面，提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括空压机，所述空压机进气口与如上述的空压机的进气管路的混合气体管路的出气口连通。
15.进一步地，所述空压机的出气口与电堆空气路相连通，所述常温大气管路、混合气体管路及所述空压机进气口水平方向设置，所述低温气体管路竖直方向设置，所述低温气体管路进气口与换热器的空气出口相连通，所述换热器的空气入口与大气连通，所述换热器的氢气入口与氢瓶连通，所述换热器的氢气出口与电堆的氢气路相连通。
16.作为本实用新型实施例的又一方面，提供了一种车辆，所述车辆包括如上述实施例所述的燃料电池系统。
17.本实用新型实施例实现的技术效果包括：
18.本实施例通过将低温气体管路设置为常温大气管路的低位管路，利用低位进气管的设计重力使能，简单有效的解决了环境空气和冷却空气在空压机入口的压力平衡，并能够进一步通过低温气体管路及常温大气管路的长度或直径调节空压机入口的空气温度、压力，避免空压机流入过多低温空气，且操作简单。
19.另外，本实用新型实施例提供的燃料电池系统能够借助液氢的冷却能力降低空压机入口空气温度，从而降低空压机出口温度，能够减小或取消中冷器、散热器，降低了燃料系统辅件系统的功耗，同时实现降低空压机功耗；并且能够根据环境温度调节空压机入口温度，克服由于冷却气体的气压较低，使得流入的冷却气体增多，导致的空压机的入口的温度过低的问题。
20.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图等中所记载的结构来实现和获得。
21.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
22.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
23.图1为本实用新型一实施例的空压机的进气管路示意图；
24.图2为本实用新型一实施例的空压机的进气方法流程图。
25.附图说明：1、空压机；2、常温大气管路；3、低温气体管路；4、混合气体管路；5、换热
器。
具体实施方式
26.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
27.附图和以下说明描述了本实用新型的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本实用新型。为了教导本实用新型技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本实用新型的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本实用新型的多个变型。由此，本实用新型并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
28.实施例一
29.本实施例提供一种空压机的进气管路，如图1所示，所述进气管路包括常温大气管路2及低温气体管路3，所述常温大气管路2的进气口与大气相连通，所述低温气体管路3的进气口与低温气体相连通，所述低温气体管路3低位连接于所述常温大气管路2，所述常温大气管路2与所述低温气体管路3通过混合气体管路4与空压机1进气口连通。
30.在本实施例中，进入空压机的空气路径有两条，其一是l1长的常温大气管路，其二可以是与经过换热器5冷过后的低温气体连通的，长度为l2的低位低温进气管；通过采用低位进气借助气体本身的重力势能，能够实现低位进气的低温进气管路内冷却空气和常温大气管路的常温空气在空压机入口处的压力平衡，满足对常温空气和冷却空气的流量比例，即可以通过调节进气管路的直径、常温大气管路l1和低位的低温进气管路l2的长度实现压力平衡、温度可控，避免了冷却空气密度较大，流阻较低引起的压力不平衡等现象。
31.在一个实施例中，根据混合气体管路内的温度和/或压力确定所述常温大气管路与低温气体管路的长度和/或直径。在本实施例中，通过调节所述常温大气管路与低温气体管路的长度和直径，可以保证冷却空气和大气的流量比例，降低空压机入口气体温度，且该温度可以控制在空压机可以工作的温度范围内。
32.在一个实施例中，所述常温大气管路与水平面平行设置，所述低温气体管路垂直设置在所述常温大气管路底侧。在本实施例中可以更加方便的计算和调节需要的温度和长度的关系，减少计算带来的误差，但本实用新型实施例并不限定所述常温大气管路与低温气体管路垂直的一种情况，二者也可以设置多种角度，可以根据不同的空间需要对二者的位置进行变换，例如30度、60度等。
33.在一个实施例中，为了更加方便安装，所述常温大气管路与混合气体管路同轴设置，也可以为一个管路一体成型，例如，低温气体管路与水平方向的一管路呈t型连接，其连接处将管路划分为常温大气管路与混合气体管路。
34.在一个实施例中，所述常温大气管路、低温气体管路及混合气体管路内设置有温度传感器、流速传感器和/或压力传感器，常温大气管路和/或低温气体管路设置有长度调节机构。在本实施例中长度调节机构可以是手动的，也可以是电动，手动的结构可以包含螺栓连接加长管路，或者管路套接滑动等，电动的则是可以根据控制信号，与电机连接，电机驱动管路长短伸缩。
35.在一个实施例中，所述温度传感器、流速传感器、压力传感器及长度调节机构分别
与控制系统电信号连接，所述控制系统根据获得的温度值、压力值计算所述常温大气管路及低温气体管路的流量比及长度，所述长度调节机构根据所述控制系统的输出信号调节所述常温大气管路和/或低温气体管路的长度。在本实施例中，其控制系统可以是单独控制管路长度的控制模块，也可以将该功能集成在燃料电池系统的整个控制系统当中，能够实时根据燃料电池的运行状况调整管路长度，从而控制流量比，调整空压机进口的气体温度。
36.在一个实施例中，所述常温大气管路及低温气体管路的直径相同，所述常温大气管路长度与低温气体管路长度的比值设置为1:1.5
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2。在本实施例中，直接相同时更方便调节其长度，例如，可以是l1＝30mm,l2＝60mm；l1＝50mm,l2＝75mm，优选地，常温大气管路和低温进气管路的直径是φ80，l1＝40mm,l2＝70mm，也可以满足大功率燃料电池空压机的环境空气和冷却空气的流量比例分配。当然也可以直径也不相同，可以通过同时调整直径和长度进行流量比的调整。
37.实施例二
38.与上述实施例基于相同技术构思，参考图2所示，本实施例提供了一种空压机的进气方法，所述进气方法包括，
39.s11将空压机进气口与常温大气及低温气体的混合气体连通；
40.s12将所述低温气体管路设置为常温大气管路的低位管路，低温气体由下至上通过低温气体管路与常温大气管路的常温大气混合；
41.s13通过常温大气管路及低温气体管路的长度和/或直径调节空压机进气口混合气体温度及压力。
42.在本实施例中，通过低位低温气体管路和常温大气管路的设计，能够使常温大气管路和低温气体管路的流量分配可实现不同的大气温度都保证空压机温度较低，且空压机可工作的进气温度，使空压机入口温度可控，实现系统整体的优化设计。
43.实施例三
44.与上述实施例基于相同技术构思，本实施例将上述空压机的进气管路应用于燃料电池系统，其中，燃料电池系统电堆空气路与空压机1连通，空压机的进气口与上述任意一项所述的空压机的进气管路连接。
45.其中优选地，如图1所示，所述空压机1的出气口与电堆空气路相连通，所述常温大气管路2、混合气体管路4及所述空压机进气口水平方向设置，所述低温气体管路3竖直方向设置，所述低温气体管路3进气口与换热器5的空气出口相连通，所述换热器5的空气入口与大气连通，所述换热器5的氢气入口与氢瓶连通，所述换热器的氢气出口与电堆的氢气路相连通。其中的水平方向为与水平面平行，所述换热器为利用液氢的燃料电池换热器，其结构可以包括内环及外环，内环与外环通过若干翅片相连通，氢气入口设置在内环上，氢气出口设置在外环上，若干翅片与换热器的壳体之间形成空气流动腔，所述空气流动腔包括空气入口及空气出口，空气入口与环境大气相连通，空气出口与低温气体管路进气口相连通，能够通过竖直段的低温气体管路的长度及水平段的常温大气管路长度比调节低温气体与常温气体的流量比，从而控制进入空压机入口的混合气体的温度。
46.优选地，还可以通过燃料电池的控制系统实时获得常温大气管路、低温气体管路、混合气体管路的温度、压力，并实时计算最佳常温大气与低温气体的流量比，从而可以实现自动或手动调节常温大气管路、低温气体管路的长度。
47.在本实施例中，燃料电池系统充分利用了液氢中所蕴含的冷能，大大提高了燃料的能量利用率，通过利用氢瓶、换热器对空气进行降温，在减小或取消中冷器的情况下保证空压机出口温度较低，可以取消散热器，不需要额外的冷却介质，从而降低燃料系统辅件系统的功耗；并能进一步自动或手动通过调节低温气体管路、常温大气管路的长度调节进入空压机的气体温度，提升燃料电池系统的效率。
48.实施例四
49.与上述实施例基于相同技术构思，本实施例将上述燃料电池系统应用与车辆，提供一种包括上述任一实施例中燃料电池系统的车辆，本实施例中车辆的燃料电池系统中空压机的进气管路分别与常温大气及液氢与空气的换热器相连，充分利用了液氢中所蕴含的冷能，大大提高了燃料的能量利用率，降低了对中冷器及散热器的需求，结构更紧凑，能够节约空间，而且不需要额外的冷却介质，更加合理的利用燃料电池的综合能量，提升了燃料经济性节约成本，与此同时，还可以根据环境温度调节空压机入口的温度，避免了流入的大气温度过低，保证了燃料电池的运行效率。
50.为了精简本实用新型并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该实用新型的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。
51.上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。