CN105186016A - 一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，用于控制燃料电池系统氢气侧进气，该电控喷氢压力调节装置包括：燃料电池电堆：用以进行氢燃料电池的反应，产生电能；氢气侧进气压力控制组件：与燃料电池电堆的氢气进气管连接，用以控制氢气的进气压力以及氢气的回流；排水组件：与燃料电池电堆的氢气排气管连接，用以将废水排出；控制器：分别与氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件连接，用以控制氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件，调节氢气进气侧压力。与现有技术相比，本发明具有改善燃料电池工作环境、安全可靠、防倒流、回氢保温等优点。

Description

一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置
技术领域
本发明涉及燃料电池系统领域，尤其是涉及一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置。
背景技术
燃料电池供氢系统用于的燃料电池系统是一种电化学的反应装置，将氢气和含有氧气的空气作为燃料气体和氧化剂气体供入燃料电池堆中，在电化学反应作用下转换成电功率和水。质子交换膜燃料电池(PEMFC)一般包含2个多孔的导电电极层以及布置在之间的固体高分子电解质膜以形成膜电极组件(MEA)。为了加快所需的电化学反应，阳极电极和阴极电极均包含催化剂。这些催化剂分布在膜电极层的表面。
在阳极，氢气通过多孔电极层移动并且通过催化剂氧化以产生质子和电子。质子通过固体高分子电解质向阴极移动。氧气通过多孔阴极移动且在阴极催化剂处与通过膜的质子反应生成水。电子通过外部电路从阳极移动到阴极形成电流。
由于燃料电池反应过程中会消耗氢、氧及生成水，因此会导致燃料电池内部杂质气体及水的聚集，从而影响燃料电池的工作性能。因此，为了维持燃料电池的正常工作，反应气体流量必须足够大，以便能够将杂质气体和水分排出燃料电池内部。这个是为什么燃料气体和氧化剂气体的供给通常大于电化学反应需要的数量被供应到燃料电池的主要原因。
为了节省昂贵燃料的同时还能改善燃料电池系统的整体效率和反应气体的流动特性，燃料电池堆出口处的未反应燃料气体通常被再循环回燃料电池堆的入口处。换句话说，从燃料电池的阳极排释放的未反应燃气首先通过气体/水分离器将所含液态水分离，然后被引导回去与燃料电池阳极入口处新鲜燃料气体混合，以改善燃料电池阳极入口燃料气体的温度、湿度、电化学当量比特性。本发明中借助于引射器的压差对燃料电池堆出口未反应的燃气进行引射循环利用。使用引射器的优点在于，当引射器VENTURI效应操作时，它们具有比电驱动回氢泵更简单的结构且它们不需要任意润滑剂和寄生功耗，因为它们不包含任意运动部件，本身不消耗任何功率，使用引射器的缺点是在于它们具有窄操作范围。这个在汽车应用的情况中可能是个问题，其中燃料和氧化剂消耗率可能明显变化。但通过改变引射器入口压力可以增加引射器的工作范围，从而使其在较大的工况范围能够正常工作。
现有的技术方案主要有三种：1)通过氢气循环泵在燃料电池入口与氢出口形成压差，使得燃料电池中未反应的过量氢气循环。但是氢气循环泵的成本高，可靠性低，而且消耗的功率较大。2)采用引射器，虽然引射器VENTURI效应操作时，由于它们不包含任意运动部件，本身不消耗任何功率所以它们具有比电驱动回氢泵更简单的结构且它们不需要任意润滑剂和寄生功耗，而使用引射器的缺点是在于它们具有较窄操作范围，不能适用于汽车应用，当怠速时，氢气的消耗流量可能低于能产生VENTURI效应的最低值。3)采用氢气循环泵与引射器并联，虽然该方案可以采用一个较小功率的氢气循环泵解决引射器较窄工作范围的问题，但其在成本、可靠性及寄生功耗等方面的劣势无法回避。
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改善燃料电池工作环境、安全可靠、防倒流、回氢保温的燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，用于控制燃料电池系统氢气侧进气，该电控喷氢压力调节装置包括：
燃料电池电堆：用以进行氢燃料电池的反应，产生电能；
氢气侧进气压力控制组件：与燃料电池电堆的氢气进气管连接，用以控制氢气的进气压力以及氢气的回流；
排水组件：与燃料电池电堆的氢气排气管连接，用以将废水排出；
控制器：分别与氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件连接，用以控制氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件，调节氢气进气侧压力。
所述的排水组件包括汽水分离器和氢排电磁阀，所述的燃料电池电堆的氢气排气管、汽水分离器的出水口和氢排电磁阀依次连接，所述的氢排电磁阀与控制器连接。
所述的氢气侧进气压力控制组件包括氢气进气电磁阀、电控喷氢调节阀和回氢引射器，所述的氢气进气电磁阀、电控喷氢调节阀、回氢引射器和燃料电池电堆的氢气进气管依次连接，所述的回氢引射器的引射口与汽水分离器的出氢口通过管道连接。
所述的回氢引射器的引射口与汽水分离器的出氢口之间的管道上设有单向阀。
所述的回氢引射器的引射口与汽水分离器的出氢口之间的管道外侧包裹有保温层。
所述的氢气侧进气压力控制组件还包括分别与控制器连接的高压压力传感器和低压压力传感器，所述的高压压力传感器设置在氢气进气电磁阀的入口管道上，所述的低压压力传感器设置在燃料电池电堆的氢气进气管处。
所述的电控喷氢调节阀包括多个高频小流量电磁阀，所述的多个高频小流量电磁阀均与控制器连接。
当系统正常工作时，首先由高压压力传感器判断氢气压力是否正常，然后控制氢气进气电磁阀的开启，系统进入工作状态，然后控制器根据低压压力传感器的反馈值，调节电控喷氢调节阀内高频小流量电磁阀的开启数量及频率，对进入燃料电池电堆的压力值进行控制，最终使低压压力传感器的反馈值与目标设定值一致，保证燃料电池电堆的氢气进气管的氢气压力，在运行过程中，回氢引射器利用文丘里原理将燃料电池电堆排气管的氢气返回回氢引射器，在回氢引射器内部将其与电控喷氢调节阀供给过来的氢气进行混合，同时汽水分离器将燃料电池电堆排气管处的氢气中多余水分分离出来。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、改善燃料电池工作环境：本发明利用燃料电池电堆排气管处的高温、高湿氢气与电控喷氢调节阀供给的氢气在回氢引射器内部进行混合后提高进入燃料电池电堆氢气的温度与湿度，改善燃料电池的工作条件、提高了氢气的利用率。
二、安全可靠、防倒流：本发明在回氢引射器的引射口与汽水分离器的出氢口之间的管道上设有单向阀，防止由于压力的变化在瞬态过程中回氢引射器引射口的压力高于燃料电池出口处的压力，从而产生氢气由引射口处倒流至燃料电池电堆出口处，采用单向阀可以确保在任何情况下都不会产生氢气倒流现象。
三、回氢保温：由于燃料电池电堆出口的高温高湿的气体跟环境温度的温差很大，容易冷凝，减少了引射回去的水分，本发明在回氢引射器的引射口与汽水分离器的出氢口之间的管道外侧包裹有保温层，不仅减少了通过气水分离器排出的冷凝水，并且能够为回流的氢气保温。
四、操作范围宽：本发明采用电控喷氢调节阀和回氢引射器串联的结构，通过电控喷氢调节阀控制氢气的压力，结合回氢引射器的VENTURI效应能使本装置的操作范围得到较大的提升。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
其中，1、氢气进气电磁阀，2、电控喷氢调节阀，3、回氢引射器，4、燃料电池电堆，5、汽水分离器，6、单向阀，7、保温层，8、氢排电磁阀，9、高压压力传感器，10、低压压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，用于控制燃料电池系统氢气侧进气，该电控喷氢压力调节装置包括：
燃料电池电堆4：用以进行氢燃料电池的反应，产生电能；
氢气侧进气压力控制组件：与燃料电池电堆的氢气进气管连接，用以控制氢气的进气压力以及氢气的回流；
排水组件：与燃料电池电堆的氢气排气管连接，用以将废水排出；
控制器：分别与氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件连接，用以控制氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件，调节氢气进气侧压力。
排水组件包括汽水分离器5和氢排电磁阀8，燃料电池电堆的氢气排气管、汽水分离器5的出水口和氢排电磁阀8依次连接，氢排电磁阀8与控制器连接。
氢气侧进气压力控制组件包括氢气进气电磁阀1、电控喷氢调节阀2和回氢引射器3，氢气进气电磁阀1、电控喷氢调节阀2、回氢引射器3和燃料电池电堆的氢气进气管依次连接，回氢引射器3的引射口与汽水分离器5的出氢口通过管道连接。
回氢引射器3主要是利用文丘里原理，在工作过程中，由电控喷氢调节阀2供给的氢气在经过回氢引射器3时，利用气体流动所产生的动能与势能的变化，在引射口产生较低的压力，利用压力差将燃料电池电堆4排气管处的氢气引入回氢引射器3，从而达到与电控喷氢调节阀2供给的氢气进行混合的目的，以提高进入燃料电池电堆4氢气的温度与湿度，汽水分离器5主要是将燃料电池电堆4出口处多余的液态水排出，以免被引射回流的氢气带入回氢引射器3，影响系统的整体工作特性，单向阀6主要作用是在工作过程中，防止由于压力的变化在瞬态过程中回氢引射器3引射口的压力高于燃料电池电堆4出口处的压力，从而产生氢气由引射口处倒流至燃料电池电堆4出口处，采用单向阀6可以确保在任何情况下都不会产生氢气倒流现象。
回氢引射器3的引射口与汽水分离器5的出氢口之间的管道上设有单向阀6，回氢引射器3的引射口与汽水分离器5的出氢口之间的管道外侧包裹有保温层7，氢气侧进气压力控制组件还包括分别与控制器连接的高压压力传感器9和低压压力传感器10，高压压力传感器9设置在氢气进气电磁阀1的入口管道上，低压压力传感器10设置在燃料电池电堆的氢气进气管处，高压压力传感器9与氢气进气电磁阀1用于对系统工作条件进行判断，以确保系统的工作状态正常及进行相应保护，低压压力传感器10主要用于对燃料电池电堆4入口管道上的压力进行实时监控与反馈，然后由控制器对电控喷氢调节阀2的工作进行闭环控制，从而使该处的压力值与压力的目标设定值一致。
电控喷氢调节阀2包括多个高频小流量电磁阀，多个高频小流量电磁阀均与控制器连接，根据设定的目标压力值，由控制器对高频小流量电磁阀的开启数量及频率进行控制，从而使系统的实际压力值与设定值一致，同时还需保证氢气的供给量能够满足燃料电池电堆需求。
当燃料电池系统工作时，氢气供给首先由高压压力传感器9将当前氢气压力上传至系统控制器判断氢气压力是否正常，压力正常则开启氢气进气电磁阀1，氢气供给至电控喷氢调节阀2，此时系统控制器根据低压压力传感器10的反馈值调节电控喷氢调节阀2内多个高频小流量电磁阀的开启数量与频率，调节到低压压力传感器10反馈的压力值至目标设定值。
在电控喷氢调节阀2调节氢气供给系统压力的同时，由于燃料电池电堆4工作过程会消耗氢气，而氢气供给补充的氢气会通过切断氢气进气电磁阀1、电控喷氢调节阀2、回氢引射器3进入燃料电池电堆4，回氢引射器3中氢气在文丘里原理的作用下，氢气的动能与势能进行转换，从而在回氢引射器3内部产生了低于燃料电池电堆4出口处的压力，因此在压力差的作用下将燃料电池电堆4出口处未反应的氢气回流至回氢引射器3，与电控喷氢调节阀2供给过来的干氢气混合后循环利用。
回氢引射循环氢气供给系统的主要目的是利用燃料电池电堆4排出口处的高温、高湿氢气与电控喷氢调节阀2供给的氢气在回氢引射器3内部进行混合后提高进入燃料电池电堆4氢气的温度与湿度，改善燃料电池的工作条件；同时由于燃料电池工作条件的改善，减少了氢排电磁阀8的开启频率从而了氢气的排出量，相应提高了氢气利用率。
由于燃料电池电堆4出口的高温高湿的气体跟环境温度的温差很大，容易冷凝，减少引射回去的水分，在管路的外面包裹了一层保温层7，减少了通过气水分离器排出的冷凝水。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，用于控制燃料电池系统氢气侧进气，其特征在于，该电控喷氢压力调节装置包括：
燃料电池电堆(4)：用以进行氢燃料电池的反应，产生电能；
氢气侧进气压力控制组件：与燃料电池电堆的氢气进气管连接，用以控制氢气的进气压力以及氢气的回流；
排水组件：与燃料电池电堆的氢气排气管连接，用以将废水排出；
控制器：分别与氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件连接，用以控制氢气侧进气压力控制组件和氢气排气组件，调节氢气进气侧压力。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，其特征在于，所述的排水组件包括汽水分离器(5)和氢排电磁阀(8)，所述的燃料电池电堆的氢气排气管、汽水分离器(5)的出水口和氢排电磁阀(8)依次连接，所述的氢排电磁阀(8)与控制器连接。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，其特征在于，所述的氢气侧进气压力控制组件包括氢气进气电磁阀(1)、电控喷氢调节阀(2)和回氢引射器(3)，所述的氢气进气电磁阀(1)、电控喷氢调节阀(2)、回氢引射器(3)和燃料电池电堆的氢气进气管依次连接，所述的回氢引射器(3)的引射口与汽水分离器(5)的出氢口通过管道连接。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，其特征在于，所述的回氢引射器(3)的引射口与汽水分离器(5)的出氢口之间的管道上设有单向阀(6)。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，其特征在于，所述的回氢引射器(3)的引射口与汽水分离器(5)的出氢口之间的管道外侧包裹有保温层(7)。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，其特征在于，所述的氢气侧进气压力控制组件还包括分别与控制器连接的高压压力传感器(9)和低压压力传感器(10)，所述的高压压力传感器(9)设置在氢气进气电磁阀(1)的入口管道上，所述的低压压力传感器(10)设置在燃料电池电堆的氢气进气管处。
7.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统的电控喷氢压力调节装置，其特征在于，所述的电控喷氢调节阀(2)包括多个高频小流量电磁阀，所述的多个高频小流量电磁阀均与控制器连接。
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