CN103178278A - 氢气液滴防止装置及应用该装置的燃料电池车 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种氢气液滴防止装置及应用该装置的燃料电池车，该燃料电池车是在燃料电池堆（2）的前端具备至少两处以上热交换机（10、20）利用燃料电池堆（2）流出的高温冷却水进行热交换，从而彻底防止从氢气槽（1）向燃料电池堆（2）流入的氢气和在燃料电池堆（2）再循环的未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）中的饱和水蒸气在外部低气温下形成液滴的现象，进而大幅改善冬季燃料电池车的冷却启动性。

Description

氢气液滴防止装置及应用该装置的燃料电池车
技术领域
 本发明涉及燃料电池车，包括可防止使用喷射器进行氢气再循环时液滴流入燃料电池堆而耐久性及输出功率下降的问题的氢气液滴防止装置及应用该氢气液滴防止装置的燃料电池车辆。
背景技术
与空气一起向燃料电池堆供应的氢的供应量一般约达需求量的1.5倍，以保证氢气的稳定供应。
超过所需供应量的氢气的一部分在燃料电池堆中无法产生反应，并且未反应氢气不排放到空气中，而是作为备用，使其重新流入堆入口，再次循环使用。
该装置称为氢气再循环装置。
一般使用的氢气再循环装置还具备风机和喷射器使燃料电池堆中未反应且呈减压状态的氢气升压至与供应压相同的压力。
风机为一种泵，利用高速电机旋转的叶轮使低氢气压上升，喷射器是向从氢气槽供应的高压氢气（10bar）喷射氢气使低氢气压上升。
图3是具备氢气再循环装置的普通燃料电池车结构示意图。
如图所示，燃料电池车具备热控制装置400，该热控制装置由在氢气槽100和燃料电池堆200之间具备供气阀100a的氢气线300连接，用循环冷却水的方式对燃料电池堆200实施热控制，并具备氢气再循环装置500而使燃料电池堆200中未反应的氢气再循环。
所述热控制装置400由利用冷却水对从燃料电池堆200产生的热进行冷却而抽吸（Pumping）冷却水的冷却泵，以及进行外部热交换的散热器和循环冷却水的冷却水线组成。
所述热控制装置400对约65度以上的冷却水实施热管理控制。
氢气再循环装置500由使再循环的氢气压力上升至供应压（10bar）水平的风机和为之与在氢气线300流动的氢气混合而进行喷射的喷射器组成，利用风机和喷射器方便控制和提高效率。
从所述氢气再循环装置500的原理来看，风机通过电机使叶轮旋转，抽吸出从燃料电池堆200再循环的余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）使其升压，则喷射器会利用流入燃料电池堆200的流体的流动能量，通过喷嘴和扩散器结构实施二次加压，然后使其再向燃料电池堆200循环。
所述喷射器同时可以实现将氢气槽100的氢气向燃料电池堆200供应的基本作用。
发明内容
技术课题
从燃料电池堆200流出且再循环的氢气中含有65度以上的100%饱和水蒸气，并因在此状态下流入喷射器之前的温度下降导致饱和水蒸气凝结而成为水的状态。
如上所述，因再循环氢气含有凝缩的水，使通过喷射器吸入的吸入量随之减少，燃料电池堆200则无法得到足够的氢气量。
尤其在冬天等气温低的环境下，从氢气槽产生的氢气产生液滴的几率较大，因而在喷射器中的再循环氢气与氢气混合时，饱和水蒸气凝缩而成的液滴堵塞喷口，使流入燃料电池堆的氢气不通畅甚至导致无法供应氢气。
如果所形成的液滴流入燃料电池堆200则降低燃料电池堆200的耐久性，而且燃料电池堆200的电输出功率也随之下降。
所述因冬季氢气液滴造成的冷却启动性恶化的现象，可以使用加热器加热氢气的方式解决，但用加热器加热需要消耗时间，并相应地延迟启动时间而造成不便。
鉴于所述问题，本发明的目的在于提供一种利用燃料电池堆的废热实施热交换而提高向燃料电池堆供应的氢气温度，以降低氢气的水分含量，尤其在外部气温低的状态下可彻底防止因氢气内所含水分而形成液滴的氢气液滴防止装置。
同样鉴于所述问题，本发明是在流入燃料电池堆之前，至少在两处以上利用从燃料电池堆产生的高温冷却水实施热交换，从而提供一种可彻底防止从氢气槽流入燃料电池堆的氢气中水分和在燃料电池堆中再循环的未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）内饱和水蒸气在低气温下形成液滴的方法的利用氢气液滴防止装置的燃料电池车。
技术方案
为实现所述目的，本发明涉及氢气液滴防止装置的特征在于，其组成包括热交换机：在为从氢气槽流出的氢气和从燃料电池堆流出的未反应余气供应至所述燃料电池堆而连接的氢气线，使冷却所述燃料电池堆的高温冷却水循环，用所述高温冷却水的废热提升所述氢气和所述未反应余气的温度，从而减少所述氢气所含水分和所述未反应余气所含饱和水蒸气的量。
所述热交换机与用于控制冷却水温以对所述燃料电池堆实施热控制的热控制装置连接而使所述高温冷却水循环。
所述热交换机安装在从所述燃料电池堆产生的高温冷却水向形成所述热控制装置而实施冷却水外部热交换的散热器流动之前被分支的位置。
所述热交换机的组成包括：内管，包住在所述氢气线流动的氢气或者所述未反应余气；外管，包住所述内管而其间所述高温冷却水流动着进行热交换。
所述内管为所述氢气线，所述外管为所述冷却水线
而且为实现所述目的，利用本发明涉及氢气液滴防止装置的燃料电池车，其特征在于，其组成包括：
氢气线，具备连接充填氢气的氢气槽和氢气流入的燃料电池堆之间并受控制的氢气供应阀；
热控制装置，用冷却水控制所述燃料电池堆发热；
氢气再循环装置，利用安装在所述氢气供应阀后端的所述氢气线，抽吸所述燃料电池堆内未反应余气与氢气混合在一起；
一对热交换机，使所述燃料电池堆产生的高温冷却水至少在两处以上位置进行循环从而对所述氢气和所述未反应余气全部进行加热。
所述一对热交换机中的一个热交换机位于所述氢气槽和所述氢气供应阀之间，另一个热交换机则位于所述氢气再循环装置和所述燃料电池堆之间。
所述一对热交换机的组成包括：内管，包住在所述氢气线流动的氢气或未反应余气；外管，包住所述内管而其间所述高温冷却水流动着进行热交换。
所述内管为所述氢气线，所述外管为所述冷却水线。
所述一对热交换机位于从所述燃料电池堆流出的高温冷却水向形成所述热控制装置而实施冷却水外部热交换的散热器流动之前被分支的位置。
有益效果
本发明是利用从燃料电池堆产生的废热实施热交换降低向燃料电池堆供应的氢气中的水分含量，从而彻底防止在低气温下因氢气内水分形成液滴的现象。
本发明是在向燃料电池堆供应氢气之前，至少在两处以上利用从燃料电池堆发生的废热实施热交换，从而彻底防止在低气温下从氢气槽流入燃料电池堆的氢气内水分以及在燃料电池堆再循环的未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）内饱和水蒸气转换成液滴的现象。
本发明是利用从燃料电池堆发生的废热实施热交换，清除在低气温下转换成液滴的氢气内水分。与使用加热器相比，本发明相对地减少消耗时间而大幅提高冷却启动性。
附图说明
图1是本发明涉及氢气液滴防止装置的结构图；
图2是本发明涉及使用氢气液滴防止装置的燃料电池车结构图；
图3是传统的燃料电池车结构图。
附图标记说明
1 : 氢气槽                    1a : 氢气供应阀
2 : 燃料电池堆
3 : 氢气线                    4 : 热控制装置
5 : 冷却水线                6 : 冷却泵
7 : 散热器                  8 : 氢气再循环装置
8a : 再循环线            8b : 喷射器
10,20 : 热交换机            11,21 : 内管
12,22 : 外管。
具体实施方式
图1是本实施例的氢气液滴防止装置的结构示意图。
如图所示，氢气液滴防止装置由充填氢气的氢气槽1；连接氢气流入燃料电池堆2的氢气线3；控制燃料电池堆2发热的热控制装置4；从燃料电池堆2抽吸未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）再供应至氢气线3的氢气再循环装置8；通过热控制装置4从燃料电池堆2废弃的废热与氢气再循环装置8进行热交换而清除通过氢气再循环装置8的氢气和未反应余气形成的淤滴的热交换机10组成。
所述热控制装置4是由为利用冷却水冷却从燃料电池堆2产生的热而抽吸冷却水的冷却泵；与外部进行热交换的散热器；用于冷却水循环的冷却水线组成。
另外，所述氢气再循环装置8由根据供应压（10bar）使再循环的未反应余气压力上升的风机；喷射未反应余气使其与流入氢气线3的氢气相混合的喷射器组成。所述氢气再循环装置8与以同样目的用于燃料电池车的普通氢气再循环装置具有相同的运转方式和功能。
所述热交换机10由包住流入氢气线3的氢气或未反应余气的内管11；包住内管11并流入由热控制装置4供应的高温流体而进行热交换的外管12组成。
本实施例中所述内管11可以用氢气线3来取代。
所述热交换机10还可以再具备控制器和开关阀，以便高温流体通过热控制装置4进行循环，但在本实施例是由组成热控制装置4的冷却水线通过而不需要增设装置。
氢气液滴防止装置就是采用所述结构，大幅降低或清除本实施例中从氢气槽1中流出的氢气和从燃料电池堆2流出并再循环的未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）中的水分含量。
就氢气而言，从氢气槽1流出并流入氢气线3的氢气是在流入燃料电池堆2之前，与热交换机10进行热交换而升温，因此氢气内水分含量大幅下降或完全被清除后流入燃料电池堆2。
流入燃料电池堆2的氢气内水分含量是在流入燃料电池堆2之前减少或被清除从而在冬季等低气温下也可以彻底防止氢气因水分含量高而形成液滴的现象。
所述氢气液滴防止效果是在从燃料电池堆2流出并经过氢气再循环装置8之后重新流入燃料电池堆2的未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）中尤其突出。
因为所述未反应余气的饱和水蒸气含量相对高而经过热交换后清除率也随之提升。
就未反应余气而言，流入燃料电池堆2的氢气因未反应而产生的未反应余气，从燃料电池堆2流出并流入氢气再循环装置8，则所述未反应余气会与热交换机10进行热交换并升温而在未反应余气内饱和水蒸气含量大幅降低或者清除的状态下流入燃料电池堆2。
流入燃料电池堆2的未反应余气内饱和水蒸气含量是在流入燃料电池堆2之前大幅减少或被清除从而在冬季等低气温下仍然彻底防止氢气因高水分含量而形成液滴的现象。
因此使用所述氢气液滴防止装置的燃料电池车在冬季可以大幅改善冷却启动性。
图2是本实施例的利用氢气液滴防止装置的燃料电池车示意图。
如图所示，燃料电池车使用的氢气液滴防止装置是在流入燃料电池堆2之前的两处以上位置装配而大幅改善燃料电池车的冬季冷却启动性，同时提高产品效率。
本实施例的燃料电池车由连接充填氢气的氢气槽1并具备氢气供应阀1a的氢气线3；用冷却水控制燃料电池堆2发热的热控制装置4；安装于氢气供应阀1a的后端氢气线3而将从燃料电池堆2内抽吸出的未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）与氢气混合的氢气再循环装置8；使从燃料电池堆2中产生的高温冷却水至少在两处以上位置进行循环而对氢气和未反应余气全部进行加热的氢气液滴防止装置组成。
所述热控制装置4是由抽吸冷却水的冷却泵6和与外部进行热交换的散热器7以及冷却水循环用的冷却水线5组成，一般热管理控制是对从燃料电池堆2产生的约65度以上的冷却水实施控制。
所述氢气再循环装置8是由引导燃料电池堆2产生的未反应余气流动的再循环线8a，以及将再循环的未反应余气气压根据供应压（10bar）提升的风机和向流入氢气线3的氢气喷射未反应余气加以混合的喷射器8b组成，所述氢气再循环装置8与以同一目的适用于燃料电池车的普通氢气再循环装置具有相同的运转方式和功能。
所述氢气液滴防止装置是由从燃料电池堆2中产生的高温冷却水流入散热器7之前，在氢气再循环装置8的前端部位和后端部位循环而进行热交换的具有同一结构的一对热交换机10、20组成。
本实施例中，所述氢气再循环装置8的前端部位是指氢气槽1和氢气供应阀1a之间，后端部位是指喷射器8b和燃料电池堆2之间。
所述热交换机10、20是由包住在氢气线3流动的氢气或未反应余气的内管11、21，以及包住内管11、21以及从热控制装置4的冷却水线5流入的高温冷却水而进行热交换的外管12、22组成。
本实施例中，所述内管11、21可以由氢气线3来取代，而所述外管12、22则可以由冷却水线5取代。
如上所述，燃料电池车是具备使从燃料电池堆2产生的高温冷却水在两处以上位置进行热交换的氢气液滴防止装置，从氢气槽1产生的氢气与热交换机20进行热交换而升温，且从燃料电池堆2产生的未反应余气（氢气+氮气+饱和水蒸气）与另一热交换机10进行热交换而升温。
因此，不管是从氢气槽1产生的氢气，还是从燃料电池堆2产生的未反应余气，全部通过一对热交换机10、20进行热交换而升温，从而在水分含量和饱和水蒸气含量大幅减少或者清除的状态下流入燃料电池堆2。
因此在冬季等外部气温低的条件下可彻底防止流入燃料电池堆2的氢气和未反应余气形成液滴，而燃料电池车则利用氢气液滴防止装置，在冬季也可以大幅改善冷却启动性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢气液滴防止装置，其特征在于，包括：热交换机，所述热交换机将从氢气槽流出的氢气和从燃料电池堆流出的未反应余气供应至所述燃料电池堆而连接的氢气线，使冷却所述燃料电池堆的高温冷却水循环，用所述高温冷却水的废热提升所述氢气和所述未反应余气的温度，从而减少所述氢气所含水分和所述未反应余气所含饱和水蒸气的量。
2.根据权利要求1所述的氢气液滴防止装置，其特征在于，所述热交换机与为所述燃料电池堆实施热控制而控制冷却水温的热控制装置连接而使所述高温冷却水循环。
3.根据权利要求1所述的氢气液滴防止装置，其特征在于，所述热交换机安装在从所述燃料电池堆产生的高温冷却水向形成所述热控制装置而实施冷却水外部热交换的散热器流动之前被分支的位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的氢气液滴防止装置，其特征在于，所述热交换机的组成包括：内管，包住在所述氢气线流动的氢气或者所述未反应余气；
外管，包住所述内管而其间所述高温冷却水流动着进行热交换。
5.根据权利要求4所述的氢气液滴防止装置，其特征在于，所述内管为所述氢气线，所述外管为所述冷却水线。
6.一种利用氢气液滴防止装置的燃料电池车，其特征在于，包括：氢气线，具备连接充填氢气的氢气槽和氢气流入的燃料电池堆之间并受控制的氢气供应阀；
热控制装置，用冷却水控制所述燃料电池堆发热；
氢气再循环装置，利用安装在所述氢气供应阀后端的所述氢气线，抽吸所述燃料电池堆内未反应余气与氢气混合在一起；
一对热交换机，使所述燃料电池堆产生的高温冷却水至少在两处以上位置进行循环从而对所述氢气和所述未反应余气全部进行加热。
7.根据权利要求6所述的利用氢气液滴防止装置的燃料电池车，其特征在于，所述一对热交换机中的一个热交换机位于所述氢气槽和所述氢气供应阀之间，另一个热交换机则位于所述氢气再循环装置和所述燃料电池堆之间。
8.根据权利要求7所述的利用氢气液滴防止装置的燃料电池车，其特征在于，所述一对热交换机的组成包括：
内管，包住在所述氢气线流动的氢气或未反应余气；
外管，包住所述内管而其间所述高温冷却水流动着进行热交换。
9.根据权利要求8所述的利用氢气液滴防止装置的燃料电池车，其特征在于，所述内管为所述氢气线，所述外管为所述冷却水线。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的利用氢气液滴防止装置的燃料电池车，其特征在于，所述一对热交换机位于从所述燃料电池堆流出的高温冷却水向形成所述热控制装置而实施冷却水外部热交换的散热器流动之前被分支的位置。
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