CN101425590B - 一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统 - Google Patents

一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统，包括氢气减压保护装置，该氢气减压保护装置设在截止阀和稳压阀之间，所述的氢气减压保护装置包括弹射泵、隔板、弹簧、活塞、压力差传感器，所述的隔板、弹簧、活塞依次设置在弹射泵的下端通道内，隔板通过弹簧与活塞相连，并将弹射泵的下端通道出口通过管道连接到弹射泵右端通道出口，使活塞下表面的压力与弹射泵右边通道出口处的压力相同，所述的隔板带有气孔，使活塞上表面的压力与隔板上方的压力相同，活塞上下表面产生压力差，再将该压力差或者弹簧的形变量通过传感器传送至控制器，该控制器可控制截止阀的开关，当氢气流量超过允许最大值时，驱动截止阀自动关闭，切断氢源。与现有技术相比，本发明具有结构简单、安全可靠等优点。

Description

一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统
技术领域
本发明涉及燃料电池的辅助装置，尤其涉及一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
图1为目前典型的燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆，2为储氢瓶或其他储氢装置，3为减压阀，4为空气过滤虑装置，5为空气压缩供应装置，6为氢气水-汽分离器，6’为空气水-汽分离器，7为水箱，8为冷却流体循环泵，9为散热器，10为氢循环泵，11为氢气增湿装置，12为空气增湿装置。
质子交换膜燃料电池作为运载工具的动力系统，用作发电站时一般以纯氢为燃料，以空气为氧化剂。目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所设计的燃料电池堆一般在压力下运行。对于这种较高压力运行的燃料电池堆，燃料电池堆与流体之间一般是通过调节减压阀来使空气/氢气压力符合工作压力的需要。但是当燃料电池堆或管路发生大量泄漏而引起氢气流量过大时，而减压阀不能及时切断氢源，易导致高压氢气体大量泄漏，严重时会引起火灾、爆炸。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可在氢气流量过大时，自动切断氢源的燃料电池发动机的氢气安全保护系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统，包括燃料电池堆，储氢装置，截止阀，稳压阀，氢气水-汽分离器，氢循环泵，氢气增湿装置，所述的储氢装置通过截止阀、稳压阀、氢气增湿装置连接到燃料电池堆上的氢气入口，燃料电池堆上的氢气出口，通过氢气水-汽分离器和氢循环泵连接到燃料电池堆的氢气入口，其特征在于，还包括传感器、控制器和氢气减压保护装置，该氢气减压保护装置设在截止阀和稳压阀之间，所述的传感器分别连接氢气减压保护装置和控制器，所述的氢气减压保护装置包括弹射泵、隔板、弹簧、活塞，所述的隔板、弹簧、活塞依次设置在弹射泵的下端通道内，隔板通过弹簧与活塞相连，并将弹射泵的下端通道出口通过管道连接到弹射泵右端通道出口，使活塞下表面的压力与弹射泵右边通道出口处的压力相同，所述的隔板带有气孔，使活塞上表面的压力与隔板上方的压力相同，氢气快速通过弹射泵左端通道进入弹射泵右端通道，在弹射泵下端通道上方形成真空，使活塞上下表面产生压力差，再将该压力差或者弹簧的形变量通过传感器传送至控制器，该控制器可控制截止阀的开关，当氢气流量超过允许最大值时，驱动截止阀自动关闭，切断氢源。
所述的传感器为压力差传感器，该压力差传感器设有三个接口，一个接口连接到弹射泵下端通道内活塞上方空间，一个接口连接到弹射泵下端通道出口活塞下方空间，另一个接口连接到截止阀上；压力差传感器探测到活塞上下表面的压力差，将该压力差传送到控制器，通过控制器控制截止阀开关，自动控制氢气的输送与切断。
所述的传感器分别连接弹簧和控制器，氢气流经氢气减压保护装置时，传感器可探测到弹簧形变产生的位移变量或形变回弹力，并将该位移变量或形变回弹力传送到控制器，通过控制器控制截止阀开关，自动控制氢气的输送与切断。
所述的弹射泵的左端、右端和下端设有通道，高压氢气从左端通道进入弹射泵，然后快速进入右端通道，使氢气减压的同时，在下端通道上方形成真空，将散溢到下端通道的氢气回收。
所述的隔板固定在弹射泵下端通道内，其上设有1～10个气孔，使弹射泵下端通道内活塞上方的气压相同。
所述的活塞设置在弹射泵下端通道内，可沿下端通道上下移动，并将其空间分隔成两个部分，当氢气流经弹射泵时，所述的两个部分形成压力差。
所述的截止阀为电磁截止阀，当氢气流量超过允许最大值时，通过控制器驱动电磁截止阀自动关闭，切断氢源。
所述的截止阀为气动阀，当氢气流量超过允许最大值时，通过控制器驱动气动阀自动关闭，切断氢源。
所述的氢气流量的允许最大值根据燃料电池发动机的最大功率所需设定，所述的传感器的探测值a与活塞上下表面的压力差或弹簧形变产生的位移变量或形变回弹力Δb成线性关系：a＝kΔb，当探测值a大于允许最大氢气流量时，判定氢气泄漏，自动切断氢源。
与现有技术相比，本发明在氢气截至阀和稳压阀之间设置了氢气减压保护装置，该氢气减压保护装置设有与截止阀相连的压力差传感器，燃料电池正常运行时，将从氢源流出的氢气经过截止阀、氢气减压保护装置减压后，通过稳压阀将进入燃料电池的氢气压力稳定在固定值，当氢气流量过大时，氢气减压保护装置可自动控制截止阀切断氢源，防止氢气大量外泄冲破电极，引起火灾、爆炸。
附图说明
图1为现有燃料电池系统的结构示意图；
图2为本发明燃料电池系统的氢气循环系统结构示意图；
图3为本发明的氢气减压保护装置。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图2所示，一种50kw燃料电池系统的氢气循环系统，包括燃料电池堆1，储氢装置2，氢气减压保护装置13，压力差传感器14，截止阀3，控制器19，稳压阀17，氢气水-汽分离器6，氢循环泵10，氢气增湿装置11，所述的储氢装置2通过截止阀3、氢气减压保护装置13、稳压阀17、氢气增湿装置11连接到燃料电池堆1上的氢气入口，燃料电池堆1上的氢气出口，通过氢气水-汽分离器6和氢循环泵10，连接到燃料电池堆的氢气入口，所述的氢气减压保护装置13设在截止阀3和稳压阀17之间，压力差传感器14分别连接到氢气减压保护装置13和控制器19，该控制器19与截止阀3连接，控制器19通过压力差传感器14探测到的压力差判断氢气的流量，当氢气流量超过允许最大值时，控制器19驱动截止阀3自动关闭，切断氢源，当氢气流量正常时，控制器19驱动截止阀3自动开启，输送氢气。
如图3所述，上述燃料电池系统中的氢气减压保护装置13的结构示意图，所述的氢气减压保护装置13包括弹射泵、隔板18、弹簧16、活塞15、压力差传感器14、控制器19；所述的弹射泵设有左端通道131、右端通道132和下端通道133，所述的隔板18、弹簧16、活塞15依次设置在弹射泵的下端通道133内，隔板18通过弹簧16与活塞15相连，并将弹射泵的下端通道133出口通过管道连接到弹射泵右端通道132出口，使活塞15下表面的压力与弹射泵右边通道132出口处的压力相同，所述的隔板18固定在弹射泵下端通道133内，带有10个气孔，使活塞15上表面的压力与隔板18上方的压力相同，氢气从储氢装置2流出后，经过截止阀3，到达氢气减压保护装置13，快速通过弹射泵左边通道131，进入弹射泵右边通道132，将氢气压力减至5atm，经过稳压阀将氢气压力稳定在0.5atm后进入燃料电池堆1，此时，氢气减压保护装置13下端通道133上方形成真空，将溢出的氢气吸回，活塞15上下表面产生一个压力差，所述的压力差传感器14设有三个接口，一个接口连接到弹射泵下端通道133内活塞15上方空间，一个接口连接到弹射泵下端通道133出口活塞15下方空间，另一个接口连接到控制器19上；压力差传感器14探测到活塞15上下表面的压力差Δb，探测值a＝kΔb，将探测值a传送到控制器19上，氢气流量的允许最大值根据燃料电池发动机的最大功率50kw所需设定为500L/min，当氢气流量超过500L/min时，判定氢气大量泄漏，控制器19驱动截止阀3自动关闭，切断氢源。以免氢气大量充入燃料电池堆1冲破电极，引起火灾或爆炸。
所述的截止阀3为电磁截止阀，压力差传感器14将压力信号转换成电磁信号传送至控制器19，当氢气流量超过允许最大值500L/min时，控制器19驱动截止阀3自动关闭，切断氢源。
所述的活塞设置在弹射泵下端通道内，可沿下端通道上下移动，并将其空间分隔成两个部分，当氢气流经弹射泵时，所述的两个部分形成压力差。
实施例2
参见图1～图3，一种10kw燃料电池系统的氢气循环系统，氢气流量的允许最大值设定为100L/min，所述的传感器分别连接弹簧和截止阀，氢气流经氢气减压保护装置时，传感器可探测到弹簧形变产生的位移变量或形变回弹力Δb，探测值a＝kΔb，将探测值a传送到控制器，通过控制器控制截止阀开关来输送或切断氢气，所述的截止阀为气动阀，氢气从储氢装置流出后，经过截止阀，到达氢气减压保护装置，将氢气压力减至1atm，经过稳压阀将氢气压力稳定在1atm后进入燃料电池堆1，当氢气流量超过允许最大值100L/min时，控制器驱动气动阀自动关闭，切断氢源；所述的隔板上设有1个气孔，其余与上同。

Claims (7)

1.一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统，包括燃料电池堆，储氢装置，截止阀，稳压阀，氢气水-汽分离器，氢循环泵，氢气增湿装置，所述的储氢装置通过截止阀、稳压阀、氢气增湿装置连接到燃料电池堆上的氢气入口，燃料电池堆上的氢气出口，通过氢气水-汽分离器和氢循环泵连接到燃料电池堆的氢气入口，其特征在于，还包括传感器、控制器和氢气减压保护装置，该氢气减压保护装置设在截止阀和稳压阀之间，所述的传感器分别连接氢气减压保护装置和控制器，所述的氢气减压保护装置包括弹射泵、隔板、弹簧、活塞，所述的隔板、弹簧、活塞依次设置在弹射泵的下端通道内，隔板通过弹簧与活塞相连，并将弹射泵的下端通道出口通过管道连接到弹射泵右端通道出口，使活塞下表面的压力与弹射泵右边通道出口处的压力相同，所述的隔板带有气孔，使活塞上表面的压力与隔板上方的压力相同，氢气快速通过弹射泵左端通道进入弹射泵右端通道，在弹射泵下端通道上方形成真空，使活塞上下表面产生压力差，再将该压力差或者弹簧的形变量通过传感器传送至控制器，该控制器可控制截止阀的开关，当氢气流量超过允许最大值时，驱动截止阀自动关闭，切断氢源；
所述的隔板固定在弹射泵下端通道内，其上设有1～10个气孔，使弹射泵下端通道内活塞上方的气压相同；
所述的活塞设置在弹射泵下端通道内，可沿下端通道上下移动，并将其空间分隔成两个部分，当氢气流经弹射泵时，所述的两个部分形成压力差。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的氢气安全保护系统，其特征在于，所述的传感器为压力差传感器，该压力差传感器设有三个接口，一个接口连接到弹射泵下端通道内活塞上方空间，一个接口连接到弹射泵下端通道出口活塞下方空间，另一个接口连接到控制器上；压力差传感器探测到活塞上下表面的压力差，将该压力差传送到控制器，通过控制器控制截止阀开关，自动控制氢气的输送与切断。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的氢气安全保护系统，其特征在于，所述的传感器分别连接弹簧和控制器，氢气流经氢气减压保护装置时，传感器可探测到弹簧形变产生的位移变量或形变回弹力，并将该位移变量或形变回弹力传送到控制器，通过控制器控制截止阀开关，自动控制氢气的输送与切断。
4.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的氢气安全保护系统，其特征在于，所述的弹射泵的左端、右端和下端设有通道，高压氢气从左端通道进入弹射泵，然后快速进入右端通道，使氢气减压的同时，在下端通道上方形成真空，将散溢到下端通道的氢气回收。
5.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的氢气安全保护系统，其特征在于，所述的截止阀为电磁截止阀，当氢气流量超过允许最大值时，通过控制器驱动电磁截止阀自动关闭，切断氢源。
6.根据权利要求1所述的燃料电池发动机的氢气安全保护系统，其特征在于，所述的截止阀为气动阀，当氢气流量超过允许最大值时，通过控制器驱动气动阀自动关闭，切断氢源。
7.根据权利要求1或2或3所述的燃料电池发动机的氢气安全保护系统，其特征在于，所述的氢气流量的允许最大值根据燃料电池发动机的最大功率所需设定，所述的传感器的探测值a与活塞上下表面的压力差或弹簧形变产生的位移变量或形变回弹力△b成线性关系：a＝k△b，当探测值a大于允许最大氢气流量时，判定氢气泄漏，自动切断氢源。
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Patentee after: State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company

Patentee after: Shanghai Shen-Li High Tech Co., Ltd.

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Patentee before: Shanghai Shen-Li High Tech Co., Ltd.