CN106486686A - 一种燃料电池压力平衡自动调节装置及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池压力平衡自动调节装置及燃料电池系统，其中，自动调节装置包括：具有腔体的壳体，用于密封壳体的上盖，位于壳体内部的转子；所述壳体包括：底座、与底座密封连接的外壳；所述转子设置在所述底座的中心区域；所述转子包括：转子本体、用于分隔所述腔体的第一摆页；所述外壳内壁设置有用于分隔所述腔体的第二摆页；所述第一摆页和所述第二摆页将所述腔体分隔为两个密封且独立的第一腔室和第二腔室；所述转子本体和所述第一摆页连接且设有进入第一腔室的第一气体通道；所述第二摆页设有进入第二腔室的第二气体通道。上述的燃料电池系统能够较好的提高燃料电池中膜电池的使用寿命，提高燃料电池系统的性能。

Description

一种燃料电池压力平衡自动调节装置及燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池压力平衡自动调节装置及燃料电池系统。

背景技术

伴随燃料电池技术日趋成熟，作为一种零污染，高效率，可以将化学能直接转变为电能的发电设备已经被越来越多的应用于通讯继站、车载动力、分布式电源等领域。

燃料电池的原理是氢气和氧气分别在膜电极两侧经催化后的氧化还原反应。在实际使用过程中，氧气一般以空气方式供应，即在实际的燃料电池工作过程中需要同时提供氢气和空气。

如图1所示，图1示出了现有的氢能源汽车内燃料电池的工作示意图，在图1中，氢能源汽车车载输氢系统中氢气瓶11和氢气减压器12是串联在氢气管路中。目前，氢气瓶11中储氢的压力高达35MPa以上，而具有膜电极的燃料电池13所提供的氢气的正常工作压力为0.16Mpa以下。燃料电池工作时，采用氢气减压器12将氢气瓶11输出的高压气体的压力降到燃料电池要求的正常工作压力，使得燃料电池的氢气和空气(如图1中空气压缩机提供的空气)的供气压力差值较小，保证燃料电池的膜电极的使用寿命。

然而，在实际应用过程中，由于氢气减压器12的特性，在不改变氢气减压器12内部调节阀位置和进口压力前提下，伴随所流经气体流量增加，输出至燃料电池的气体压力值逐渐减小。而燃料电池伴随工作电流增大，所需的氢气和空气流量都需要增大。这必然会导致燃料电池中氢气和空气的压力差值随着工作电流增大而增大，降低燃料电池的膜电极的使用寿命，造成燃料电池系统性能下降。

此外，业内人士为解决燃料电池侧空气和氢气压力平衡问题，采用使用高频电磁阀控制通断频率以实现氢气流量和压力的控制，然而，使用高频电池阀的故障率高，成本高，无法推广使用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种燃料电池压力平衡自动调节装置及燃料电池系统，用于提高燃料电池中膜电池的使用寿命，提高燃料电池系统的性能。

第一方面，本发明提供一种燃料电池压力平衡自动调节装置，包括：具有腔体的壳体，用于密封壳体的上盖，位于壳体内部的转子；

所述壳体包括：底座、与底座密封连接的外壳；所述转子设置在所述底座的中心区域；

所述转子包括：转子本体、用于分隔所述腔体的第一摆页；

所述外壳内壁设置有用于分隔所述腔体的第二摆页；

所述第一摆页和所述第二摆页将所述腔体分隔为两个密封且独立的第一腔室和第二腔室；

所述转子本体和所述第一摆页连接且设有进入第一腔室的第一气体通道；

所述第二摆页设有进入第二腔室的第二气体通道。

可选地，所述转子本体和所述第一摆页为一体结构；

所述转子本体包括：与所述第一摆页所在平面平行，且贯通所述转子本体的转子旋转轴；

所述转子旋转轴的一端设有凸出所述上盖的第一凸台，所述转子旋转轴的另一端设有凸出所述底座的第二凸台。

可选地，所述转子本体的上表面设置有凸出所述上盖的第一气体进气孔，所述转子本体的下表面设置有与减压器阀柄连接的连接口；

所述第一摆页朝向第一腔室的侧面设置有第一气体出气孔。

可选地，所述第一气体进气孔位于所述第一凸台上，所述连接口位于所述第二凸台上。

可选地，所述第一摆页的末端设有与外壳内壁密封接触的边壁密封线。

可选地，所述第二摆页的上表面设置有凸出所述上盖的第二气体进气孔，所述第二摆页朝向第二腔室的侧面设置有第二气体出气孔。

可选地，所述第二摆页的末端设有与转子本体密封接触的转子密封线。

可选地，壳体为圆柱体。

可选地，所述第一气体为氢气，所述第二气体为空气。

第二方面，本发明提供一种燃料电池系统，包括：位于氢气管路上的减压器和燃料电池；所述减压器的输出端连接所述燃料电池氢气进气口，其中，所述燃料电池系统还包括：上述任一所述的燃料电池压力平衡自动调节装置；

所述燃料电池的氢气进气口进入的氢气部分进入所述燃料电池压力平衡自动调节装置的第一腔室；

所述燃料电池的空气进气口进入的空气部分进入所述燃料电池压力平衡自动调节装置的第二腔室；

所述燃料电池压力平衡自动调节装置的转子连接所述减压器的阀柄。

由上述技术方案可知，本发明的一种燃料电池压力平衡自动调节装置及燃料电池系统，通过燃料电池系统中加入燃料电池压力平衡自动调节装置，使得将进入燃料电池之前进行反应的氢气和空气分别引入分割成两腔室的腔体内。伴随燃料电池的运行，由于减压器和空气压缩机的工作特性，当氢气和空气压力差不为零时，两腔室压差将推动分割两腔室的转子向压力低的方向旋转，同时带动减压阀的阀柄旋转，进而迅速调整了减压器的弹簧压力改变其工作点。从而实现实时自动调整燃料电池空气和氢气压力的目的，由此，可提高燃料电池中膜电池的使用寿命，提高燃料电池系统的性能。

附图说明

图1为现有的氢能源汽车内燃料电池的工作原理图；

图2A和图2B为本发明一实施例提供的燃料电池压力平衡自动调节装置的结构示意图；

图3A和图3B为本发明一实施例提供的壳体的结构示意图；

图4A至图4C为本发明一实施例提供的转子的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的上盖的示意图；

图6为本发明一实施例提供的氢能源汽车内燃料电池的工作原理图。

附图标记说明

氢气瓶11、氢气减压器12、燃料电池13；

燃料电池压力平衡自动调节装置19、壳体20、底座21、外壳22、第三通孔23、第一腔室24、第二腔室25、第二摆页26、第二气体进气孔27、第二气体出气孔28、转子密封线29、上盖30、第一通孔31、第二通孔32；

转子40、转子本体41、第一摆页42、第一气体进气孔43、第一气体出气孔44、边壁密封线45、与减压器阀柄连接的连接口46、转子旋转轴47、第一凸台48、第二凸台49。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图2A和图2B分别示出了为本发明一实施例提供的燃料电池压力平衡自动调节装置的结构示意图，图3A和图3B分别为图2B中壳体的结构示意图，图4A、图4B和图4C分别为图2B中转子的结构示意图，结合图2A至图4C所示，本实施例的燃料电池压力平衡自动调节装置包括：具有腔体的壳体20，用于密封壳体的上盖30，位于壳体20内部的转子40；

其中，如图3B所示，壳体20包括：底座21、与底座21密封连接的外壳22；图4A至图4C所示的转子40设置在底座21的中心区域；

如图3A所示，转子40包括：转子本体41、用于分隔所述腔体的第一摆页42；

本实施例中，外壳22内壁设置有用于分隔所述腔体的第二摆页26；

上述的第一摆页42和第二摆页26将所述腔体分隔为两个密封且独立的第一腔室24和第二腔室25；该处的第一腔室24和第二腔室25组成壳体20的腔体；

如图2B所示，转子本体41和第一摆页42连接且设有进入第一腔室24的第一气体通道；第二摆页26设有进入第二腔室25的第二气体通道。

需要说明的是，本实施例中的燃料电池压力平衡自动调节装置为盲管，气体由于压力不同可自行进入，但是气体不在该压力平衡自动调节装置中流动。

本实施例中的燃料电池压力平衡自动调节装置增加到燃料电池系统中，可使得进入燃料电池之前进行反应的氢气(即下述的第一气体)和空气(下述的第二气体)分别引入分割成两腔室的腔体内。伴随燃料电池的运行，由于减压器和空气压缩机的工作特性，当氢气和空气压力差不为零时，两腔室压差将推动分割两腔室的转子的第一摆页向压力低的方向旋转，同时带动减压阀的阀柄旋转，进而迅速调整了减压器的弹簧压力改变其工作点。从而实现实时自动调整燃料电池空气和氢气压力的目的，由此，可提高燃料电池中膜电池的使用寿命，提高燃料电池系统的性能。

在实际应用中，为使转子40能够在底座上旋转，可使转子本体41和第一摆页42为一体结构，且本实施例中的转子本体41可包括：与第一摆页42所在的平面平行，且贯通转子本体41的转子旋转轴47，如图4A、图4B、图4C所示。

其中，转子旋转轴的一端设有凸出所述上盖的第一凸台48，转子旋转轴的另一端设有凸出底座21的第二凸台49。

应注意的是，第一摆页42转动时，转子旋转轴47也是旋转的，由此可带动转子旋转轴另一端的连接的减压阀的阀柄转动，实现减压阀的阀口开度。

本实施例中，上盖和底座以及外壳实现的是面密封，保证该装置内部的气体不泄漏，且第一腔室和第二腔室内气体不穿通。

此外，本实施例中转子本体41和第一摆页42连接且设有进入第一腔室24的第一气体通道，可通过在转子本体41的上表面设置有凸出上盖30的第一气体进气孔43，第一摆页42朝向第一腔室24的侧面设置有第一气体出气孔44，由此，可实现第一气体通道，保证第一气体如氢气可通过第一气体进气孔43、第一气体出气孔44进入第一腔室24。

本实施例中，转子本体41和第一摆页42密封连接且设有第一气体通道，以实现第一气体经由转子本体41、第一摆页42进入第一腔室24。

特别地，本实施例中的第一气体进气孔43可位于第一凸台48上，由此，第一气体进气孔43可为凸出上盖30的，方便通入第一气体。参照图5所示，上盖上设置有第一凸台48凸出上盖的第一通孔31。

进一步地，如图4C所示，图4C示出了转子的后视图，本实施例中转子本体41的下表面还设置有与减压器(如图6所示的氢气减压器12)阀柄连接的连接口46。在具体应用中，该连接口46可位于第二凸台49上，以实现带动阀柄转动。相应地，参照图3A和图3B所示，底座上设置有第二凸台凸出的第三通孔23。

上述的第一气体可为氢气，第二气体可为空气。在燃料电池系统中，燃料电池中氢气和空气进行氧化还原反应之前，为保证使用安全，氢气和空气是不能直接接触的，故本实施例的壳体20的腔体内的第一气体和第二气体是不能接触，壳体20的各部件的连接均是密封连接的。

为与第二腔室及外部隔离密封第一腔室的气体如氢气，在转子上下表面面均有密封线槽(图中未示出)，内部还可以压力密封胶条。在第一摆页42的末端有和外壳22内壁密封的边壁密封线45。

特别地，转子40的第一摆页42的末端设有与外壳22内壁密封接触的边壁密封线45，保证第一腔室24和第二腔室25的气体不相互泄漏。

进一步地，参照图3A所示，图3A示出了壳体的俯视图，外壳22内部固定的第二摆页26的上表面设置有凸出上盖30的第二气体进气孔27，第二摆页26朝向第二腔室25的侧面设置有第二气体出气孔28。

参照图5所示，上盖30上还设置有用于使第二气体进气孔27凸出的第二通孔32。在其他实施例中，第二气体进气孔27还可不凸出上盖30，可与上盖齐平，以使上盖30上的第二通孔32与第二气体进气孔27直通，且不在壳体20的腔体内泄漏第二气体即可。

特别需要说明的是，第二摆页26和壳体20的底座21也可为固定连接，且固定密封连接。优选地，第二摆页26的末端设有与转子本体41密封接触的转子密封线9，由此，保证第一腔室24和第二腔室25内各自气体的不泄漏。

本实施例的图2A至图3B分别示出的壳体均为圆柱体，在其他实施例中壳体可为其他形状，本实施例不对其限定，根据实际需要设置。

上述结构中第一气体如氢气通过转子轴向的第一气体进气孔43经由第一摆页42进入第一腔室，第二气体如空气通过外壳的第二摆页上的第二气体进气孔27进入第二腔室，以使空气和氢气分别位于摆页隔开的两个不同的腔室，两者压力变化时，实时带动转子第一摆页的旋转，进而带动转子底端连接的氢气减压器阀柄旋转。即。当氢气压力高于空气压时，转子的第一摆页因压差被推向空气侧，转子随之旋转带动转子底端相连接的氢气减压器阀柄。反之亦然。

上述的燃料电池压力平衡自动调节装置为纯机械装置，成本低，易于推广，优选作为燃料电池氢气减压器附属部件安装；结构简单，故障率低。

另外，在实际应用中，上述壳体的腔体内的氢气或空气在工作过程中可能会有微量会进入燃料电池，为此，可以使用油封润滑而不会影响燃料电池寿命，保证燃料电池中膜电极的使用寿命，提高燃料电池系统的性能，有效推广使用。

第二方面，本发明还提供一种燃料电池系统，如图6所示，该燃料电池系统包括：位于氢气管路上的减压器12和燃料电池13(通常为电料电池电堆13)；所述减压器12的输出端连接所述燃料电池13氢气进气口；其中，燃料电池系统还包括：上述任意实施例所述的燃料电池压力平衡自动调节装置19；

所述燃料电池的氢气进气口进入的氢气部分进入所述燃料电池压力平衡自动调节装置的第一腔室24；

所述燃料电池的空气进气口进入的空气部分进入所述燃料电池压力平衡自动调节装置的第二腔室25；

所述燃料电池压力平衡自动调节装置的转子40连接所述减压器的阀柄。

在实际操作中，燃料电池系统的氢气进入燃料电池之前还可部分通过上述任意实施例所述的燃料电池压力平衡自动调节装置的第一气体进气孔43进入第一腔室，以及燃料电池系统的空气进入燃料电池之前还可部分通过上述任意实施例所述的燃料电池压力平衡自动调节装置的第二气体进气孔27进入第二腔室，以便根据第一气体如氢气和第二气体如空气的压力差实现对减压阀阀柄的旋转，进而实现调整减压阀的开度，有效延长燃料电池的膜电极的使用寿命。

本实施例中使用简单机械结构的压力平衡自动调节装置，实现对减压器阀柄的旋转，即利用氢气和空气压差，带动氢气减压器调节阀柄旋转达到自动调压的目的。当氢气压力高于空气压力时，则使减压器阀柄向减小氢气压力方向旋转，反之向增大方向。从而实现对氢气压力与空气压力跟动，实时调整，完成标定不用再做维护。

上述实施例中将进入燃料电池之前进行反应的氢气和空气分别引入分割成两腔室的腔体内。伴随燃料电池运行，由于减压器和空气压缩机的工作特性，当氢气和空气压力差不为零时，两腔室压差将推动分割两腔的转子摆页向压力低的方向旋转，同时带动转子旋转轴旋转。由于该转子旋转轴与氢气减压阀阀柄连接，即立即调整了减压器的弹簧压力改变其工作点。若氢气压力高于空气压力，旋转轴则向减小氢气出口压力的阀柄方向旋转。若氢气压力低于空气压力，旋转轴则向增大氢气出口压力的阀柄方向旋转。从而实现实时自动调整燃料电池空气和氢气力的目的。在分割腔内氢气和空气压力也随之重新回到平衡，驱动减压器阀柄旋转的扭力也随之消失。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池压力平衡自动调节装置，其特征在于，包括：

具有腔体的壳体，用于密封壳体的上盖，位于壳体内部的转子；

所述壳体包括：底座、与底座密封连接的外壳；所述转子设置在所述底座的中心区域；

所述转子包括：转子本体、用于分隔所述腔体的第一摆页；

所述外壳内壁设置有用于分隔所述腔体的第二摆页；

所述第一摆页和所述第二摆页将所述腔体分隔为两个密封且独立的第一腔室和第二腔室；

所述转子本体和所述第一摆页连接且设有进入第一腔室的第一气体通道；

所述第二摆页设有进入第二腔室的第二气体通道。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转子本体和所述第一摆页为一体结构；

所述转子本体包括：与所述第一摆页所在平面平行，且贯通所述转子本体的转子旋转轴；

所述转子旋转轴的一端设有凸出所述上盖的第一凸台，所述转子旋转轴的另一端设有凸出所述底座的第二凸台。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述转子本体的上表面设置有凸出所述上盖的第一气体进气孔，所述转子本体的下表面设置有与减压器阀柄连接的连接口；

所述第一摆页朝向第一腔室的侧面设置有第一气体出气孔。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一气体进气孔位于所述第一凸台上，所述连接口位于所述第二凸台上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一摆页的末端设有与外壳内壁密封接触的边壁密封线。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二摆页的上表面设置有凸出所述上盖的第二气体进气孔，所述第二摆页朝向第二腔室的侧面设置有第二气体出气孔。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二摆页的末端设有与转子本体密封接触的转子密封线。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，壳体为圆柱体。

9.根据权利要求1至8任一所述的装置，其特征在于，所述第一气体为氢气，所述第二气体为空气。

10.一种燃料电池系统，包括：位于氢气管路上的减压器和燃料电池；所述减压器的输出端连接所述燃料电池氢气进气口，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：上述权1至权9任一所述的燃料电池压力平衡自动调节装置；

所述燃料电池的氢气进气口进入的氢气部分进入所述燃料电池压力平衡自动调节装置的第一腔室；

所述燃料电池的空气进气口进入的空气部分进入所述燃料电池压力平衡自动调节装置的第二腔室；

所述燃料电池压力平衡自动调节装置的转子连接所述减压器的阀柄。