CN103062011B - 活塞式气动循环气泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞式气动循环气泵，包括循环气泵泵体、气体换向机构、缓冲罐以及电堆，循环气泵泵体包括大气缸以及小气缸，大气缸内设有大活塞，小气缸内设有小活塞，小活塞将小气缸分为两个腔体，大活塞将大气缸分为两个腔体；气体换向机构包括二位五通换向阀以及倒换机构，倒换机构的一端与循环气泵泵体相连，另一端与二位五通换向阀相连；电堆的出气口通过第一单向阀与大气缸内的第三腔体相连通，电堆的出气口还通过第二单向阀与大气缸内的第四腔体相连通；第三腔体通过第三单向阀与缓冲罐的进气口相连通，第四腔体通过第四单向阀与缓冲罐的进气口相连通。通过压缩氢气减压时释放的膨胀功来实现氢气在电堆内循环流动。

Description

活塞式气动循环气泵

技术领域

本发明涉及活塞式气泵，更具体地说，是涉及一种活塞式气动循环气泵。

背景技术

质子交换膜燃料发动机系统是一种发电装置，它通过电化学反应将燃料（通常是氢气或甲醇）中的化学能直接转换成电能。与传统的发电装置不同，它不需将燃料中的化学能先转换成热能，然后再转换成电能。因此，与传统的发电装置相比燃料电池具有能量转换效率高，污染物排放少的显著优点。

为了保证质子传导膜燃料电池系统（简称PEMFCS）持续正常工作，需要及时将凝结于电堆阳极界面的液态水和杂质气体排出。现有的PEMFCS通常采取间歇排氢或电动气泵驱动的办法来实现电堆内的氢气流动，从而让流动的氢气将水和杂质气体带出电堆外。对于燃料电池汽车而言，电堆向外排氢气既浪费燃料（损失的H₂燃料多达5%）又有安全隐患，还会造成电堆内部压力波动，影响膜电极的使用寿命；以电动气泵来实现氢气循环流动则需要消耗电能，同时还会产生难以消除的噪声和震动，影响整车燃料经济性、安全性、舒适性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种活塞式气动循环气泵。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种活塞式气动循环气泵，包括循环气泵泵体、气体换向机构、缓冲罐以及电堆；

所述循环气泵泵体包括水平设置的大气缸以及小气缸，所述大气缸内设有大活塞，所述小气缸内设有小活塞，所述大活塞以及小活塞之间通过相对应的活塞杆相连；所述小活塞将小气缸分为两个腔体，其中大小气缸的分隔壁与小活塞之间形成第一腔体，另一个为第二腔体；所述大活塞将大气缸分为两个腔体，其中，大小气缸的分隔壁与大活塞之间形成第三腔体，另一个为第四腔体；

所述气体换向机构包括二位五通换向阀以及倒换机构，二位五通换向阀的两个工作口分别与第一腔体以及第二腔体相连通，二位五通换向阀的进气口与高压气源相连通；二位五通换向阀的回气口与缓冲罐的进气口相连通；所述倒换机构的一端与循环气泵泵体相连，另一端与二位五通换向阀相连；

所述电堆的进气口与所述缓冲罐的出气口相连通，所述电堆的出气口通过第一单向阀与第三腔体相连通，电堆的出气口还通过第二单向阀与第四腔体相连通；

所述第三腔体通过第三单向阀与缓冲罐的进气口相连通，所述第四腔体通过第四单向阀与缓冲罐的进气口相连通。

所述倒换机构包括两个常开磁开关以及磁环、所述二位五通换向阀为电磁式二位五通换向阀，

所述磁环设于小活塞上，所述常开磁开关设于小气缸上，所述常开磁开关的位置分别与小活塞在小气缸内行程两端的位置相对应；或者，所述磁环设于大活塞上，所述常开磁开关设于大气缸上，所述常开磁开关的位置分别与大活塞在大气缸内行程两端的位置相对应；

所述电磁式二位五通换向阀的两端分别设有线圈，所述任一线圈与任一常开磁开关之间形成控制回路。

所述倒换机构包括拨杆，所述二位五通换向阀为机械式二位五通换向阀，所述拨杆的内端与活塞杆连接固定，所述拨杆的外端呈凹形结构；所述机械式二位五通换向阀内包括阀体、两个阀芯以及从动杆，所述阀芯设于阀体内，所述从动杆的内端与阀芯相连，所述从动杆的的外端设有凸起，所述凸起伸入拨杆的凹形外端内，所述活塞杆、拨杆以及从动杆的轴线重合；

所述凹形外端的两侧分别设有挡块，挡块之间的距离为大活塞或小活塞的行程长度减去两个阀芯之间的间距长度。

所述循环气泵泵体包括同一轴线上的两个小气缸以及一个大气缸，所述两个小气缸对称设于大气缸的两侧，所述每个小气缸内分别设有一个小活塞、大气缸内设有两个大活塞。

所述循环气泵泵体包括同一轴线上的两个大气缸以及一个小气缸，所述两个大气缸对称设于小气缸的两侧，所述每个大气缸内分别设有一个大活塞、小气缸内设有两个小活塞。

所述循环气泵泵体包括一个大气缸以及一个小气缸，大气缸内设有一个大活塞、小气缸内设有一个小活塞。

所述循环气泵泵体包括两个大气缸以及两个小气缸，单个大气缸以及单个小气缸构成一气缸组，两个气缸组以镜像的结构对称排列。

与现有技术相比，采用本发明的一种活塞式气动循环气泵，通过二位五通换向阀控制小活塞在高压气体驱动下作往复运动，并由相应的单向阀控制低压气体在大活塞的驱动下循环流动。由于PEMFCS使用的氢气都来自高压气瓶，经减压后供电堆使用，因此利用压缩氢气减压时释放的膨胀功来实现氢气在电堆内循环流动，即利用压缩气体膨胀功输送低压气体的同时利用气体膨胀吸热的原理自行冷却，具有无功率消耗、无氢气损耗、无振动、无需稀释尾排氢气、效率高、节能等特点，使得系统的燃料经济性、安全性、舒适性都得到明显改进。

附图说明

图1是本发明的实施例1中过程一的结构示意图；

图2是本发明的实施例1中过程二的结构示意图；

图3是本发明的实施例2的结构示意图；

图4是本发明的循环气泵泵体的另一实施例的结构示意图；

图5是本发明的循环气泵泵体的又一实施例的结构示意图；

图6是本发明的循环气泵泵体的再一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

请参阅图1、图2所示的一种活塞式气动循环气泵，包括循环气泵泵体、气体换向机构12、缓冲罐13以及电堆14，

循环气泵泵体包括同一轴线上水平设置的两个小气缸111以及一个大气缸112，两个小气缸111对称设于大气缸112的两侧，每个小气缸111内分别设有一个小活塞113、大气缸112内设有两个大活塞114，大活塞114以及小活塞113之间通过相对应的活塞杆115相连；小活塞113将小气缸111分为两个腔体，其中大小气缸的分隔壁与小活塞之间形成第一腔体116，另一个为第二腔体117；所述大活塞114将大气缸112分为两个腔体，其中，大小气缸的分隔壁与大活塞之间形成第三腔体118，另一个为第四腔体119；

气体换向机构12包括电磁式二位五通换向阀121以及倒换机构，倒换机构包括两个常开磁开关122、126以及磁环123，电磁式二位五通换向阀121的两个工作口A、B分别与第一腔体116以及第二腔体117相连通，电磁式二位五通换向阀121的进气口P与高压气源15相连通；电磁式二位五通换向阀121的回气口R、S与缓冲罐13的进气口相连通；

磁环123设于小活塞113上，常开磁开关122、126设于小气缸11上，常开磁开关122、126的位置分别与小活塞在小气缸内行程两端的位置相对应；

电磁式二位五通换向阀121的两端分别设有线圈124、127，线圈124、常开磁开关126以及电源DC串联形成控制回路，所述线圈127、常开磁开关122以及电源DC串联形成控制回路，

电堆14的进气口与所述缓冲罐13的出气口相连通，所述电堆14的出气口通过第一单向阀16与第三腔体118相连通，电堆14的出气口还通过第二单向阀17与第四腔体119相连通；

所述第三腔体118通过第三单向阀18与缓冲罐13的进气口相连通，所述第四腔体119通过第四单向阀19与缓冲罐13的进气口相连通。

本实施例的工作过程如下：

再请参见图1的过程一：高压氢气减压至小气缸工作压力后进入电磁式二位五通换向阀的进气口P后由工作口A排出分别经A1口、A2口进入小气缸的第一腔体116，推动相对应的小活塞113向外边移动，此时第二腔体117容积减少，将第二腔体117内氢气分别由B1口、B2口排出合并后进入电磁式二位五通换向阀121的工作口A，经回气口S进入缓冲罐13最后进入电堆14。与此同时，小活塞113通过活塞杆115牵引大活塞114移动，第三腔体118容积减小，第四腔体119容积增大。第三腔体118中的氢气分别经X1口、X2口、第三单向阀18进入缓冲罐13最后进入电堆14；第四腔体119中氢气压力下降，电堆14中的氢气经第二单向阀17、Y口进入第四腔体119。此时，第一单向阀16、第四单向阀19为关闭状态。当小活塞移动至行程外端时，磁环123进入常开磁开关126的感应区域，常开磁开关126闭合使线圈124接通电源，电磁式二位五通换向阀121的阀芯移动至右面进入过程二。

再请参见图2的过程二：氢气进入电磁式二位五通换向阀121进气口P后由工作口B排出，分别经过B1口、B2口进入小气缸的第二腔体117，推动小活塞向中间移动。小气缸第一腔体116的容积减小，将腔内氢气由A1口、A2口压出合并后进入电磁式二位五通换向阀121的工作口A再经过回气口R进入缓冲罐13最后进入电堆14。同时大气缸的第三腔体118容积增大第四腔体119容积减小。第三腔体118中的氢气压力下降，电堆中的氢气经第一单向阀16、X1口、X2口进入第三腔体118中；第四腔体119中的氢气由Y口压出经过第四单向阀19进入缓冲罐13最后进入电堆14，此时，第二单向阀17、第三单向阀18为关闭状态。当小活塞移动至行程内端时，磁环123进入常开磁开关122的感应区域，常开磁开关122闭合使线圈127接通电源，电磁式二位五通换向阀121的阀芯移动至左侧，系统返回过程一。

总效果为高压氢气驱动小活塞带动大活塞往复运动将电堆中的氢气不断抽出送回，同时做完功的氢气进入电堆作为电堆的燃料。

由于对称布置的活塞组件结构和质量完全相同，两组活塞同步相向运动时惯性力互相平衡，对外作用力的合力为零，所以对置活塞式气动循环气泵工作时无振动。这也是本发明独特的优点之一。

需要说明的是，还可以将倒换机构中的磁环设于大活塞上，常开磁开关设于大气缸上，常开磁开关的位置分别与大活塞在大气缸内行程两端的位置相对应。

实施例2

再请参见图3所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：倒换机构包括拨杆151，二位五通换向阀为机械式二位五通换向阀152，拨杆151的内端与活塞杆115连接固定，拨杆151的外端呈凹形结构；机械式二位五通换向阀152内包括阀体153、两个阀芯154以及从动杆155，阀芯154设于阀体153内，从动杆155的内端与阀芯154相连，从动杆155的的外端设有凸起156，凸起156伸入拨杆151的凹形外端内，活塞杆115、拨杆151以及从动杆155的轴线重合；

凹形外端的两侧分别设有挡块157，挡块157之间的距离为大活塞或小活塞的行程长度减去两个阀芯之间的间距长度。

其余内容均与实施例1中所述相同。

需要说明的是，上述两个实施例中的循环气泵泵体的结构还可以如图4、图5、图6所示，

在图4中循环气泵泵体包括同一轴线上的两个大气缸以及一个小气缸，所述两个大气缸对称设于小气缸的两侧，所述每个大气缸内分别设有一个大活塞、小气缸内设有两个小活塞。

在图5中循环气泵泵体包括一个大气缸以及一个小气缸，大气缸内设有一个大活塞、小气缸内设有一个小活塞。

在图6中循环气泵泵体包括两个大气缸以及两个小气缸，单个大气缸以及单个小气缸构成一气缸组，两气缸组以镜像的结构对称排列，图中以两个小气缸在内侧，两个大气缸在外侧。需要说明的是，镜像的结构对称排列还包括两个大气缸在内侧，两个小气缸在外侧的排列结构。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种活塞式气动循环气泵，其特征在于：

包括循环气泵泵体、气体换向机构、缓冲罐以及电堆，

所述循环气泵泵体包括水平设置的大气缸以及小气缸，所述大气缸内设有大活塞，所述小气缸内设有小活塞，所述大活塞以及小活塞之间通过相对应的活塞杆相连；所述小活塞将小气缸分为两个腔体，其中大小气缸的分隔壁与小活塞之间形成第一腔体，另一个为第二腔体；所述大活塞将大气缸分为两个腔体，其中，大小气缸的分隔壁与大活塞之间形成第三腔体，另一个为第四腔体；

所述气体换向机构包括二位五通换向阀以及倒换机构，二位五通换向阀的两个工作口分别与第一腔体以及第二腔体相连通，二位五通换向阀的进气口与高压气源相连通；二位五通换向阀的回气口与缓冲罐的进气口相连通；所述倒换机构的一端与循环气泵泵体相连，另一端与二位五通换向阀相连；

所述电堆的进气口与所述缓冲罐的出气口相连通，所述电堆的出气口通过第一单向阀与第三腔体相连通，电堆的出气口还通过第二单向阀与第四腔体相连通；

所述第三腔体通过第三单向阀与缓冲罐的进气口相连通，所述第四腔体通过第四单向阀与缓冲罐的进气口相连通；

所述倒换机构包括两个常开磁开关以及磁环、所述二位五通换向阀为电磁式二位五通换向阀，

所述磁环设于小活塞上，所述常开磁开关设于小气缸上，所述常开磁开关的位置分别与小活塞在小气缸内行程两端的位置相对应；或者，所述磁环设于大活塞上，所述常开磁开关设于大气缸上，所述常开磁开关的位置分别与大活塞在大气缸内行程两端的位置相对应；

所述电磁式二位五通换向阀的两端分别设有线圈，所述任一线圈与任一常开磁开关之间形成控制回路。

2.根据权利要求1所述的活塞式气动循环气泵，其特征在于：

所述倒换机构包括拨杆，所述二位五通换向阀为机械式二位五通换向阀，所述拨杆的内端与活塞杆连接固定，所述拨杆的外端呈凹形结构；所述机械式二位五通换向阀内包括阀体、两个阀芯以及从动杆，所述阀芯设于阀体内，所述从动杆的内端与阀芯相连，所述从动杆的的外端设有凸起，所述凸起伸入拨杆的凹形外端内，所述活塞杆、拨杆以及从动杆的轴线重合；

所述凹形外端的两侧分别设有挡块，挡块之间的距离为大活塞或小活塞的行程长度减去两个阀芯之间的间距长度。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的活塞式气动循环气泵，其特征在于：

所述循环气泵泵体包括同一轴线上的两个小气缸以及一个大气缸，所述两个小气缸对称设于大气缸的两侧，所述每个小气缸内分别设有一个小活塞、大气缸内设有两个大活塞。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的活塞式气动循环气泵，其特征在于：

所述循环气泵泵体包括同一轴线上的两个大气缸以及一个小气缸，所述两个大气缸对称设于小气缸的两侧，所述每个大气缸内分别设有一个大活塞、小气缸内设有两个小活塞。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的活塞式气动循环气泵，其特征在于：

所述循环气泵泵体包括一个大气缸以及一个小气缸，大气缸内设有一个大活塞、小气缸内设有一个小活塞。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的活塞式气动循环气泵，其特征在于：

所述循环气泵泵体包括两个大气缸以及两个小气缸，单个大气缸以及单个小气缸构成一气缸组，两气缸组以镜像的结构对称排列。