CN100466354C - 气体供应回流泵送装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体供应回流泵送装置，主要用于燃料电池的气体供应和回流。其结构包括多位控制阀、缓冲罐和气体管路，其特征在于还包括一个由单缸异径双作用汽缸和/或异径波纹管组件构成的泵体，其中装有一只带轴的活塞，泵体内腔与轴颈和活塞分别构成了两端的高压气室和中间的低压气室，高压气室和低压气室上开有气孔，各气孔通过多位控制阀分别与高压气源、缓冲罐和/或燃料电池回流气源相连接；在高压气源和/或多位控制阀的换向驱动下，吸入燃料电池的回流气，并将已降压气源气体与回流气体混合后压入燃料电池。该泵能通过控制阀的换向实现连续运行，适应燃料电池的气体消耗变化，同时完成气体的混合加湿。
Description
技术领域
本发明涉及具有柔性工作件的和专门适应于可压缩流体的泵或泵送装置，尤其涉及用于氢质子交换膜燃料电池的氢气、氧气供应和回流装置。
背景技术
氢质子交换膜燃料电池电堆使用氢气和氧化剂作为反应物质，在交换膜两面之间产生电势，构成回路时，可以对外做功。燃料电池在工作时，必须有适当的温度和湿度条件，才能够正常工作，生成的水也必须从电堆排除。其中的湿度调节主要有流场外的外增湿和流场内的自增湿。对于水的排除，一般是使用过量的反应气体将水带出，对于氢气，在流场中的利用率就小于100％，过量的氢气与新供应的氢气混合，形成氢气的回流。如果氧化剂是氧气，同样要回流。
目前氢质子交换膜燃料电池的氢气、氧气供应和回流使用的主要方法有如下几种：
1.文丘里管射流泵。体积比较小，利用文丘里管射流原理完成燃料电池过量反应气体的回流，并与新供应气体的混合。但是该技术一般不能适应气体流量的大幅度变化，单一的文丘里管的适合工作量程范围比较小，采用多个量程文丘里管射流泵的并联或采用可变化喷嘴形状的结构，虽然可以解决一定的问题，但是增大结构体积和增加控制的复杂程度。
2.隔膜泵。需要额外的电动机，消耗电能，降低燃料电池系统的效率，并且隔膜泵的抗疲劳性能影响使用寿命。
3.涡轮泵。需要额外的电动机，消耗电能，降低燃料电池系统的效率，并且制造困难，流量适应性较差，存在着与文丘里管类似的工作量程范围比较小的问题。
由于燃料电池一般使用高压气源，而高压气源的降压时释放的能量可以用来完成电堆使用的过量气体的循环和新气体的增湿，因此，利用气源本身的能量来解决燃料电池电堆的气体回流和新气体的增湿，将提高燃料电池的效率，并降低电堆系统的控制难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种依靠燃料以及氧化剂气源的高压能量释放驱动的实现氢气、氧气供应和回流，完成新进入气体的增湿并具有适应燃料电池消耗速度变化的装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种气体供应回流泵送装置，包括多位控制阀、缓冲罐和气体管路，其特征在于还包括一个由单缸异径双作用汽缸和/或异径波纹管组件构成的泵体，其中装有一只带轴的活塞，泵体内腔与轴颈和活塞分别构成了位于左端的高压气室I和位于右端的高压气室II以及位于中间的左端低压气室I和右端低压气室II；所述高压气室I上开有气孔I，通过一个二位四通控制阀连接高压气源，高压气室II上有气孔II，通过该二位四通控制阀连接缓冲罐；所述低压气室I上开有气孔III，通过另一个二位四通控制阀与回流湿气出口相连接，低压气室II上开有气孔IV，通过该二位四通控制阀与缓冲罐连接；在高压气源和/或多位控制阀的换向驱动下，带轴活塞作右向和/或左向轴向移动，从而使通过气孔连接的外界气体在与之对应的气室中产生流动，保证高压气室I继续进入新的高压气体，左端低压气室I吸入来自燃料电池的回流气体；高压气室II向其连接的缓冲罐释放气体并降低压力，右端低压气室II的气体向缓冲罐移动并与高压气室释放的气体在缓冲罐中混合；混合后的气体通过气体入口进入燃料电池中。
所述的波纹管组件包括弹簧箱、联接法兰和联接套管，联接套上还开有连接气体管路的气孔。
所述的缓冲罐可以是固定体积的和/或具有平衡作用的汽缸、波纹管和/或弹性气囊。与现有技术相比较，本发明结构紧凑，利用高压气源直接驱动，提高了燃料电池的效率，并降低了电堆系统的控制难度。
所述泵送装置连续运行的工艺条件是所述的左端高压汽室I和左端低压气室I的总的气体压力大于右端高压气室II与低压气室II的总的气体压力，且其压力差值超过汽缸摩擦阻力和/或波纹管抵抗变形的弹性力。
附图说明
图1是本发明的基本结构示意图。
图2为本发明实施例1的结构示意图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图4为本发明实施例3的结构示意图。
图5为本发明实施例4的结构示意图。
图中：1、干气体，2、二位四通控制阀，3、二位三通控制阀，4、二位四通控制阀，5、左端高压气室I，6、右端高压气室II，7、左端低压气室I，8、右端低压气室II，9、回流湿气，10、缓冲罐，11、燃料电池气体入口，25、轴颈I，26、轴颈II，35、气孔I，36、气孔II，37、气孔III，38、气孔IV，278、活塞。
具体实施方式
如图1～图5所示的气体供应回流泵送装置，包括多位电磁控制阀、缓冲罐和气体管路，其特征在于还包括一个由单缸异径双作用汽缸和/或异径波纹管组件构成的泵体，其中装有一只带轴的活塞，泵体的中间具有较大的直径，与泵体形成低压汽缸；两端的直径比较小，而且尺寸相同，与轴颈I、II构成高压汽缸I、II。在中间的汽缸，活塞278将中间汽缸分割为低压气室I7和低压气室II8。两个低压气室均具有气孔，对于气室II8，是气孔II38；对于气室I7，也具有图中没有画出的相应的气孔III37。高压气室I5和高压气室II6分别具有气孔I35和气孔II36。在高压气室I5与低压气室I7的总的气体压力大于高压气室II6与低压气室II8的总的气体压力时，活塞具有两端不平衡的轴向推力，此时活塞可以移动。通过气孔连接的外界气体将在各对应气室中产生流动，此时高压气室I5继续进入高压的新气体，低压气室I7吸入来自燃料电池的回流低压气体；高压气室II6向其连接的缓冲罐10释放气体并降低压力，低压气室II8的气体向缓冲罐10移动并与高压气室II6释放的气体在缓冲罐10中混合。所述泵送装置连续运行的工艺条件是所述的左端高压汽缸I和左端低压气室I的总压力大于右端高压气室II与低压汽缸II的总压力且其压力差值应超过汽缸磨擦阻力和/或波纹管抵抗变形的弹性力。
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
图2是本发明的一种设计原理示意图。
从高压气源经过减压的气体1是干气体，通过4口2位阀2进入高压双作用汽缸的左端高压气室5。高压汽缸的右端高压气室6中的气体通过阀2进入低压缓冲罐10。同时，低压双作用汽缸的右端低压气室8中的湿气体通过4口2位阀4进入低压缓冲罐10，两种气体在此混合，新气体得到增湿，然后进入燃料电池的气体入口11。两个汽缸的右端气体的压强降低，左端总的压力大于右端的压力，产生活塞向右的移动。燃料电池的回流湿气体9经过4口2位阀4，进入低压双作用汽缸的左端低压气室7。
活塞移动到极限位置或一定的位置，触发行程开关，或按照燃料电池控制系统控制以上的阀2、4，活塞换向移动，从而实现泵的周期性运行，并使供应气体的速度与回流速度保持一定的比例。
具有缓冲气体供应波动的缓冲罐10，可以是固定体积的，也可以是具有压力平衡作用的汽缸或波纹管、弹性气囊。
实施例2
图3是本发明的一种设计原理的示意图。
从高压气源经过减压的气体1，通过4口2位阀2进入左端高压气室5。右端高压气室6中的气体通过阀2进入低压缓冲罐10。同时，低压双作用汽缸的右端低压气室8中的气体通过4口2位阀4进入低压缓冲罐10，两种气体在此混合，右端高压气室6中的气体和低压汽缸的右端低压气室8中的气体压强降低，活塞的两个方向的压力不平衡，产生活塞向右的移动。燃料电池的回流气体9经过4口2位阀4，进入低压双作用汽缸的左端低压气室7。其他参照例1。
实施例3
图4是本发明的一种设计原理示意图。
从高压气源经过减压的气体1，通过4口2位阀2进入波纹管5。波纹管5与波纹管7的相临端通过连接套固定在一起，两管的另外端头固定在泵体上，保持两个波纹管的总长度不变。波纹管5的截面积小于波纹管73的截面积。设计波纹管5的截面积与高压气源气压之积，大于波纹管7的截面积与燃料电池进口气压之积，并且差值超过波纹管抵抗变形的弹性力，同时波纹管5的截面积与燃料电池进口气压之积，小于波纹管7的截面积与燃料电池回流气压之积，并且差值超过波纹管抵抗变形的弹性力。波纹管5将波纹管7的气体挤压，推入低压缓冲罐10。设计波纹管8和波纹管6也是如此。
同时，波纹管6的气体通过4口2位阀2进入低压缓冲罐10，与来自波纹管7的两种气体在此混合，作为供应气体进入燃料电池的气体入口11。燃料电池的回流湿气体9经过阀4，进入波纹管8。其他参照例1。
实施例4
图5是本发明的一种设计原理示意图。
双作用低压汽缸的两端低压气室7和低压气室8分别连接有单作用高压汽缸的高压气室5和6。从高压气源经过减压的气体1，通过4口2位阀2进入高压汽缸的高压气室5。另外一只高压汽缸的高压气室6通过3口2位阀3，进入双作用低压汽缸的同侧低压气室8，并在此混合，通过4口2位阀4进入缓冲罐10，压入燃料电池的气体入口11。其它与以上实施例相似。
Claims (4)
1、一种气体供应回流泵送装置，包括多位控制阀、缓冲罐和气体管路，其特征在于还包括一个由单缸异径双作用汽缸和/或异径波纹管组件构成的泵体，其中装有一只带轴的活塞，泵体内腔与轴颈和活塞分别构成了位于左端的高压气室I(5)和位于右端的高压气室II(6)以及位于中间的左端低压气室I(7)和右端低压气室II(8)，高压气室I、II上分别开有气孔I、II(35、36)以及在低压气室I、II上分别开有气孔III、IV(37、38)，所述气孔I(35)通过一个二位四通控制阀与高压气源连接，气孔II(36)通过该二位四通控制阀通向缓冲罐(10)；所述气孔III(37)经过另一个二位四通控制阀与回流湿气出口相连接，气孔IV(38)则通过该二位四通控制阀通向缓冲罐(10)；在高压气源和/或多位控制阀的换向驱动下，带轴活塞作右向和/或左向轴向移动，从而使通过气孔连接的外界气体在与之对应的气室中产生流动，保证高压气室I(5)继续进入新的高压气体，低压气室I(7)吸入来自燃料电池的回流气体(9)；高压气室II(6)向其连接的缓冲罐(10)释放气体并降低压力，低压气室II(8)的气体向缓冲罐(10)移动并与高压气室II(6)释放的气体在缓冲罐中混合；混合后的气体通过气体入口(11)进入燃料电池中。
2、根据权利要求1所述的气体供应回流泵送装置，其特征在于所述的波纹管组件包括弹簧箱、联接法兰和联接套管，联接套上还开有连接气体管路的气孔。
3、根据权利要求1所述的气体供应回流泵送装置，其特征在于所述的缓冲罐可以是固定体积的和/或具有平衡作用的汽缸、波纹管和/或弹性气囊。
4、一种实施权利要求1所述气体供应回流泵送装置的方法，其特征在于使所述泵送装置连续运行的工艺条件是所述的左端高压汽室I(5)与左端低压气室I(7)的总的气体压力大于右端高压气室II(6)与右端低压气室II(8)的总的气体压力，且其压力差值超过汽缸摩擦阻力和/或波纹管抵抗变形的弹性力。
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