CN102544552A - 燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，包括燃料源和燃料输送管路，在燃料输送管路上串联有阀门、压力调节器和共轨喷射装置，共轨喷射装置包括前、后两个燃料轨和并联在两个燃料轨之间的多个喷射器，喷射器的输入端都与前燃料轨相连接，喷射器的喷射端都与后燃料轨相连接。本发明可以充分发挥燃料电池系统的优点，有效解决燃料电池电堆的压力平衡问题，大大提高燃料电池电堆的寿命；精确快速控制燃料供给量，提高控制精度和动态响应速度；实现燃料电池系统、燃料电池发动机系统结构简单、成本低、寿命长和长久稳定、可靠运行，并适合应用于汽车等交通工具上，满足零排放、大功率和动态响应快的特殊需求。

Description

燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统
技术领域
本发明涉及燃料电池的燃料供应系统，具体涉及一种用于燃料电池或燃料电池发动机、多燃料发动机的共轨燃料供给系统。
背景技术
在新能源技术领域内，燃料电池系统及燃料电池发动机技术的核心部分是燃料电池电堆。燃料电池系统是围绕着燃料电池电堆，配以燃料供应系统、空气或氧气供应系统、冷却水系统以及控制系统构成的；燃料电池发动机是应用于交通运输设备的燃料电池系统。
大型燃料电池系统通常采用高压或加压方式操作。之所以在较高压力下操作燃料电池及燃料电池发动机系统，是因为高压下燃料电池电堆的交换电流密度增加，明显提高电池的开路电压，最终增加燃料电池的输出功率。另外，操作压力高，燃料电池电堆的入口空气加湿相对容易。这里的所说的高压或加压，是指施加到燃料电池电堆中PEM质子交换膜上的燃料系统压力、氧气或空气压力和冷却水压力值较高。在燃料电池电堆的应用中，为了延长质子交换膜的应用期限，应当保证上述几个压力值相同。追求压力平衡的目标，是提高燃料电池电堆及燃料电池系统和燃料电池发动机寿命的关键。由此可见，高压或加压燃料电池和燃料电池发动机系统除了具有上述优点外，它对燃料电池高压的空气系统、燃料系统以及冷却系统提出了更高的要求。其中之一就是：要求作用于燃料电池电堆中质子交换膜上的燃料压力、氧气或空气压力和冷却水压力要平衡，以提高质子交换膜的使用寿命。
另外，以往燃料电池系统、燃料电池发动机的燃料(氢气)供给系统或称输入回路，通常由减压缓冲阀、电磁阀、比例调节阀及氢气回流泵等元件构成，这些元件多在化工领域应用，具有成本高、温度范围有限、响应速度慢等缺陷，所构成的燃料电池系统或燃料电池发动机不适用于动态响应要求高的设备或场合应用，例如汽车上的应用。
再有，由于燃料供给系统的设计和零部件的局限性，系统无法精确控制燃料电池系统或燃料电池发动机的燃料供给量。
综上所述缺陷，现有燃料供给系统在某些领域(例如汽车上)应用时，所构成的燃料电池系统或燃料电池发动机的系统复杂、效率低、控制精度差，很难保证在变化工况条件下的压力平衡并影响系统使用寿命，更重要的是系统动态响应性能不好，无法超越传统发动机以满足实际应用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，以低成本、高可靠的方式实现燃料电池系统及多燃料发动机系统供给燃料的恒压输入控制、燃料供应的精确流量控制。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，包括燃料源和燃料输送管路，在所述燃料输送管路上串联有阀门、压力调节器和共轨喷射装置，所述共轨喷射装置包括前、后两个燃料轨和并联在所述两个燃料轨之间的多个喷射器，所述喷射器的输入端都与前燃料轨相连接，喷射器的喷射端都与后燃料轨相连接。
优选地，所述阀门为电磁阀或手动阀。
优选地，还包括增湿器与所述燃料输送管路相连接。
优选地，所述压力调节器设置在共轨喷射装置的上游。
优选地，所述压力调节器设置在共轨喷射装置的下游。
优选地，在所述共轨喷射装置下游的燃料输送管路上还设有油轨或压力缓冲罐。
本发明在燃料输送管路中引入了共轨喷射装置，通过喷射器的燃料喷射，可以对燃料起到缓冲和稳压的作用，通过控制喷射器的开度，可以控制燃料的流量和压力，具有动态响应快和成本低的优点。将本发明的共轨燃料供给系统，应用于固定式燃料电池发电系统、移动式燃料电池系统，可以充分发挥(高压或常压)燃料电池系统的优点，有效解决燃料电池电堆的压力平衡问题，大大提高燃料电池电堆的寿命；精确快速控制燃料供给量，提高控制精度和动态响应速度；实现燃料电池系统、燃料电池发动机系统结构简单、成本低、寿命长和长久稳定、可靠运行，并适合应用于汽车等交通工具上，满足零排放、大功率和动态响应快的特殊需求。该系统方案还可以用于实现多燃料发动机系统和燃料电池混合动力系统等。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统的第一种实施例。
图2是本发明燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统的第二种实施例。
图3是本发明燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统的第三种实施例。
图4是本发明燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统的第四种实施例。
图中：1、燃料源       2、阀门        3、压力调节器    4、燃料输送管路
      5、前燃料轨     5’、后燃料轨  6、喷射器        7、增湿器
      8、共轨喷射装置 9、油轨或压力缓冲罐
具体实施方式
本发明的第一实施如图1所示，燃料源1由高压氢瓶构成，其中包括缓冲阀和溢流阀等必要构成部件，当然在本发明中并不限于使用氢燃料，也可以是CNG(压缩天然气)、LPG(液化石油气)、汽油、乙醇汽油等其它可用的燃料。高压氢瓶1与一个燃料输送管路4相连接，可以为燃料电池或燃料电池发动机、多燃料发动机提供燃料。燃料输送管路4中依次串联有阀门2、压力调节器3和共轨喷射装置8，其中，共轨喷射装置8包括前、后两个燃料轨5、5’和并联在这两个燃料轨之间的多个喷射器6，每个喷射器6的输入端都与前燃料轨5相连接，喷射器6的喷射端都与后燃料轨5’相连接，喷射器6向后燃料轨5’中喷射燃料，起到缓冲和稳压的作用，通过控制喷射器6的开度，可以控制燃料的流量和压力。喷射器6的数量及喷射控制策略根据实际要求设定。
其中的阀门2可以是手动阀，也可以是电磁阀。压力调节器3将输入的高压力燃料(氢气)降压为适合燃料电池系统电堆应用的恒定压力，喷射器6根据燃料电池的运行工况，调节燃料(氢气)的输出，供给燃料电池系统电堆使用。在本实施例中，压力调节器3设置在共轨喷射装置8的上游，经过压力调节器3减压以后，到达共轨喷射装置8的氢气压力已大为降低，共轨喷射装置8无需承受很高的压力，这有利于降低共轨喷射装置8的成本。
本发明的第二实施例如图2所示，它是在第一实施例的基础上增加了增湿器7，增湿器7与燃料输送管路4的多个位置相连接，根据燃料电池对氢气(燃料)的湿度要求，配套增设增湿功能。为了进一步提高系统压力的稳定性，在共轨喷射装置8下游的燃料输送管路上还可以设置压力缓冲罐9；应用在多燃料发动机系统时，在共轨喷射装置8下游的燃料输送管路上可以设置油轨9。
本发明的第三实施例如图3所示，它与第一实施例的区别在于，压力调节器3设置在共轨喷射装置8的下游，由共轨喷射装置8输出的高压氢气再经过压力调节器3调压后供给燃料电池系统，在这种结构中，共轨喷射装置8需要承受较高的压力，但由于喷射器6的喷射压力高，在调节喷射器6的开度时，燃料压力的响应速度快，这有利于提高整个系统的动态响应速度。
本发明的第四实施例如图4所示，它是在第三实施例的基础上增加了增湿器7，分别与燃料输送管路的多个位置相连接，可以为燃料增湿。
本发明可以解决传统的燃料电池系统/燃料电池发动机或多燃料发动机燃料输入系统结构复杂、成本高，燃料电池电堆PEM质子交换膜受压力不平衡造成电堆及燃料电池系统寿命短问题；还体现燃料供给、输入系统燃料流量无法精确、快速控制的问题导致的动态响应速度慢，结果导致负载波动引起燃料电池的燃料输入压力波动或燃料输入变化引起的燃料电池输出波动，输出特性软的问题和长期运行稳定性差的问题等。该系统方案还可以实现在多燃料发动机系统和燃料电池混合动力系统上的应用。

Claims (6)

1.一种燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，包括燃料源和燃料输送管路，其特征是：在所述燃料输送管路上串联有阀门、压力调节器和共轨喷射装置，所述共轨喷射装置包括前、后两个燃料轨和并联在所述两个燃料轨之间的多个喷射器，所述喷射器的输入端都与前燃料轨相连接，喷射器的喷射端都与后燃料轨相连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，其特征是：所述阀门为电磁阀或手动阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，其特征是：还包括增湿器与所述燃料输送管路相连接。
4.根据权利要求1所述的燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，其特征是：所述压力调节器设置在共轨喷射装置的上游。
5.根据权利要求1所述的燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，其特征是：所述压力调节器设置在共轨喷射装置的下游。
6.根据权利要求1所述的燃料电池或多燃料发动机的共轨燃料供给系统，其特征是：在所述共轨喷射装置下游的燃料输送管路上还设有油轨或压力缓冲罐。
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