CN109768307A - 燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置及新能源汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置及新能源汽车，燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置包括氢气浓度检测单元和混合稀释单元，氢气浓度检测单元包括尾排主管路、抽样分支管路、气液分离器和氢气浓度传感器,利用气液分离器先将进入的尾排气进行大幅冷却降温降湿，使氢气浓度传感器使用环境优化，提高检测准确性，混合稀释单元包括风扇和通风气体分支管路，通风气体分支管路的出口端连接到尾排主管路上，风扇将外部空气吹入到通风气体分支管路的入口端，利用外部空气将尾排主管路里面的尾排气的氢气浓度进行稀释，利用外部空气将尾排主管路里面的尾排气的氢气浓度进行稀释，进一步提高安全性。
Description
技术领域：
本发明涉及燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置及新能源汽车。
背景技术：
燃料电池系统利用储存在气瓶中的氢气与来自空气的氧气之间发生电化学反应来产生电能，为用电设备提供动力来源。氢气与氧气由燃料电池交换膜隔开，但是不可避免的存在互相渗透的现象；在反应过程中，氢气路会聚集液态水，需要及时的排出，通常会利用吹扫电磁阀将氢气路的水及杂质排出到空气路出口混合以降低氢气浓度，避免发生爆燃。所以，燃料电池系统需要在空气路出口安装氢气浓度传感器，来对出口的氢气浓度进行实时监控和控制。氢气作为一种可燃气体，其爆炸极限为4％～75.6％。因此需要将排出的氢气浓度降到4％以下才会避免危险。
通常的，燃料电池运行温度较高，空气路出口气体为高温高湿，在这种使用环境下，需要使用特殊的氢气浓度传感器，一般为加热型氢气浓度传感器，使用成本非常高，而且性能不稳定，造成燃料电池系统维修保养成本高，甚至会影响燃料电池系统的安全性和使用性能。
在专利CN 208076472U中，使用了一种文丘里管和防水透气膜来避免氢浓度传感器在高温高湿环境下使用，但是该装置使尾排管流阻加大，且存在防水透气膜堵塞风险，易造成检测不准的现象。
在专利CN 108493467A中，使用了大量的阀类来控制燃料电池尾气含氢量，部件数量多，控制较为复杂，且没有解决普通氢气浓度传感器在高温高湿环境下的使用。
发明内容：
本发明的第一目的是提供燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置及新能源汽车，同时解决现有技术中存在的两个技术问题：1)氢气浓度检测在高温高湿环境下，检测的准确性和可靠性较低问题；2)尾排气的氢气浓度过高，存在危险隐患。
本发明的进一步目的是提供燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置及新能源汽车，解决现有技术中氢气浓度检测在高温高湿环境下，需要使用特殊的氢气浓度传感器，导致使用成本非常高，维修保养成本高的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：它包括氢气浓度检测单元和混合稀释单元，其中：所述的氢气浓度检测单元包括尾排主管路、抽样分支管路、气液分离器和氢气浓度传感器,其中所述的抽样分支管路的入口连接在尾排主管路的上游段，所述的气液分离器包括内壳体，内壳体内设置空腔，内壳体上设置尾排气出口管、尾排气入口管和冷凝水出口管，尾排气出口管、尾排气入口管和冷凝水出口管都与空腔连通，抽样分支管路的出口连接气液分离器的尾排气入口管，在气液分离器上安装氢气浓度传感器，利用尾排气出口管可直接排出进入抽样分支管路的尾排气，或者尾排气出口管通过一个辅助管路连接到尾排主管路的下游段，将进入抽样分支管路的尾排气重新回送到尾排主管路；混合稀释单元包括风扇和通风气体分支管路，通风气体分支管路的出口端连接到尾排主管路上，风扇将外部空气吹入到通风气体分支管路的入口端，利用外部空气将尾排主管路里面的尾排气的氢气浓度进行稀释。
上述所述的气液分离器还包括外壳体，内壳体的外面套装有外壳体，内壳体与外壳体之间的空隙形成风道，外壳体有一个进风口和一个出风管口，通风气体分支管路的入口端连接外壳体的出风管口，在外壳体的进风口处安装风扇，风扇将外部冷空气抽入风道，并吹在内壳体的外表面形成风冷的效果。
上述所述的内壳体的顶部凸出外壳体。
上述所述的抽样分支管路内径D2小于尾排主管路的内径D1。
上述所述的内壳体的顶部设置尾排气出口管，在内壳体的底部设置有尾排气入口管和冷凝水出口管。
上述的内壳体顶部壁面上开有探测孔,探测孔与空腔连通，氢气浓度传感器安装在内壳体上，且氢气浓度传感器的探头部伸入到探测孔里面以感应氢气浓度。
上述的探测孔的位置靠近尾排气出口管。
上述在探测孔的周围的内壳体壁面上设置第一安装平台，氢气浓度传感器安装在安装平台上。
上述所述的氢气浓度传感器是采用非加热型氢气浓度传感器。
上述的外壳体的进风口的位置设置第二安装平台，风扇安装在第二安装平台上。
上述的第二安装平台与第一安装平台错开一个角度。
一种新能源汽车，包括车辆本体、驱动电机和燃料电池，其中驱动电机和燃料电池安装在车辆本体上，驱动电机为车辆本体提供动力，燃料电池为驱动电机提供电能，燃料电池包括电堆模块、电气控制组件、氢气路系统、冷却回路系统和空气路系统，所述的电堆模块由若干个燃料电池单体由下至上堆叠而成，所述的氢气路系统包括进氢阀门组件、氢气循环泵和吹扫阀；所述的空气路系统包括空气压缩机、空气冷却器、加湿器；在空气路系统的出口安装有燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置是上述所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1)本发明的氢气浓度检测单元包括尾排主管路、抽样分支管路、气液分离器和氢气浓度传感器,其中所述的抽样分支管路的入口连接在尾排主管路的上游段，所述的气液分离器包括内壳体，内壳体内设置空腔，内壳体上设置尾排气出口管、尾排气入口管和冷凝水出口管，尾排气出口管、尾排气入口管和冷凝水出口管都与空腔连通，抽样分支管路的出口连接气液分离器的尾排气入口管，在气液分离器上安装氢气浓度传感器，利用尾排气出口管可直接排出进入抽样分支管路的尾排气，或者尾排气出口管通过一个辅助管路连接到尾排主管路的下游段，将进入抽样分支管路的尾排气重新回送到尾排主管路。利用气液分离器先将进入尾排氢气浓度检测装置的尾排气进行气液分离，降低尾排气的湿度，同时利用气液分离器对进入尾排氢气浓度检测装置的尾排气进行冷却降温，从而提高氢气浓度检测准确性和可靠性，与此同时，由于本发明的燃料电池尾排氢气浓度检测装置先将进入的尾排气进行大幅冷却降温降湿，使氢气浓度传感器使用环境优化，可以采用市场上通用的非加热型氢气浓度传感器，无需专门特制氢气浓度传感器，因此可以大幅降低成本。
2)本发明的混合稀释单元包括风扇和通风气体分支管路，通风气体分支管路的出口端连接到尾排主管路上，风扇将外部空气吹入到通风气体分支管路的入口端，利用外部空气将尾排主管路里面的尾排气的氢气浓度进行稀释，降低燃料电池尾排气中氢气的浓度和温度，大幅提高安全性。
3)本发明的新能源汽车，由于采用的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置的检测准确性和可靠性高，从而提高燃料电池系统安全性和可靠性，降低成本。
4)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
图1本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例一的气液分离器和氢气浓度传感器、风扇的安装示意图；
图3是本发明实施例一的气液分离器的主视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是图3的B-B剖视图；
图6是本发明实施例二的结构示意图；
图7是本发明实施例三的结构示意图；
图8是本发明实施例三的电路方框图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图1至图5所示，本实施例提供一种燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，包括氢气浓度检测单元和混合稀释单元，其中：
所述的氢气浓度检测单元包括尾排主管路5、抽样分支管路4、气液分离器2和氢气浓度传感器1,其中所述的抽样分支管路4的入口41连接在尾排主管路5的上游段51，所述的气液分离器2包括内壳体20，内壳体20内设置空腔2b，内壳体20上设置尾排气出口管2c、尾排气入口管2d和冷凝水出口管2e，尾排气出口管2c、尾排气入口管2d和冷凝水出口管2e都与空腔2b连通，抽样分支管路4的出口42连接气液分离器2的尾排气入口管2d，在气液分离器2上安装氢气浓度传感器1，尾排气出口管2c通过一个辅助管路3连接到尾排主管路5的下游段52，将进入抽样分支管路4的尾排气重新回送到尾排主管路5。尾排主管路5的上游段51是尾排气进入段，尾排主管路5的下游段52是尾排气排出段。利用气液分离器先将进入尾排氢气浓度检测装置的尾排气进行气液分离，降低尾排气的湿度，同时利用气液分离器对进入尾排氢气浓度检测装置的尾排气进行冷却降温，从而提高氢气浓度检测准确性和可靠性，与此同时，由于本发明的燃料电池尾排氢气浓度检测装置先将进入的尾排气进行大幅冷却降温降湿，使氢气浓度传感器使用环境优化，可以采用市场上通用的氢气浓度传感器，无需专门特制氢气浓度传感器，因此可以大幅降低成本。
混合稀释单元包括风扇6和通风气体分支管路7，通风气体分支管路7的出口端连接到尾排主管路5上，风扇6将外部冷空气吹入到通风气体分支管路7的入口端，利用外部空气将尾排主管路5里面的尾排气的氢气浓度进行稀释，结构简单合理，实施容易可靠。
所述的气液分离器2还包括外壳体21，内壳体20的外面套装有外壳体21，内壳体20与外壳体21之间的空隙形成风道2a，外壳体21有一个进风口2j和一个出风管口2k，通风气体分支管路7的入口端连接外壳体21的出风管口2k，在外壳体21的进风口2j处安装风扇6，风扇6将外部冷空气抽入风道2a，并吹在内壳体20的外表面形成风冷的效果，更有利于内壳体20的散热，且结构紧凑，布局合理，集成度高，有利于降低产品成本，安装方便。
内壳体20的顶部凸出外壳体21，便于布置安装平台2g安装氢气浓度传感器1，结构简单合理，节省成本。
所述抽样分支管路4内径D2小于尾排主管路5的内径D1，管径较小的抽样分支管路4形成负压，管径较大的尾排主管路5里面的尾排气被吸入到抽样分支管路4内。
上述的抽样分支管路4内径D2与辅助管路3的内径D3相同或者不同，没有具体要求。
上述所述的气液分离器2是自然冷却冷凝器或者是风冷冷凝器或者是液冷冷凝器，各种冷凝器容易获得，结构简单，成本低。
上述所述的内壳体20的顶部设置尾排气出口管2c，在内壳体20的底部设置有尾排气入口管2d和冷凝水出口管2e,利用冷凝水出口管2e排出内壳体20内的空腔2b收集的水份，结构简单，布局合理，便于检测。
上述在内壳体20壁面上开有探测孔2f,探测孔2f与空腔2b连通，氢气浓度传感器1安装在内壳体20上，且氢气浓度传感器1的探头部伸入到探测孔2f里面以感应氢气浓度,结构简单，安装方便。
上述的探测孔2f的位置靠近尾排气出口管2c,提高检测的准确性、可靠性，因为靠近排气出口管2c的尾排气已经进行大幅冷却降温降湿。
上述在探测孔2f的周围的内壳体壁面上设置安装平台2g，氢气浓度传感器安装在安装平台2g上，安装简单方便。
上述所述的氢气浓度传感器1是非加热型氢气浓度传感器，有利于降低成本，取材容易方便，维修成本低。
上述的外壳体21的进风口2j的位置设置第二安装平台2i，风扇6安装在第二安装平台2i上，结构简单，安装方便。
上述的第二安装平台2i与第一安装平台2g错开一个角度,便于安装，避免产生干涉。
实施例二：
如图6所示，本实施例是对实施例一基础上的改动，改动点是：利用尾排气出口管2c直接排出进入分支管路4的尾排气，删除辅助管路3，结构更简单。
实施例三：
一种新能源汽车，包括车辆本体、驱动电机和燃料电池，其中驱动电机和燃料电池安装在车辆本体上，驱动电机为车辆本体提供动力，燃料电池为驱动电机提供电能，如图7、图8所示，燃料电池包括电堆模块、电气控制组件、氢气路系统、冷却回路系统和空气路系统，所述的电堆模块由若干个燃料电池单体由下至上堆叠而成，所述的氢气路系统包括进氢阀门组件、氢气循环泵和吹扫阀；所述的空气路系统包括空气压缩机、空气冷却器、加湿器；在空气路系统的出口安装有燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置是实施例一或者实施例二所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置
燃料电池的空气路出口气体为高温高湿，利用实施例一、实施例二的气液分离器先将进入尾排氢气浓度检测装置的尾排气进行气液分离，降低尾排气的湿度，同时利用气液分离器对进入尾排氢气浓度检测装置的尾排气进行冷却降温，从而提高氢气浓度检测准确性和可靠性，使燃料电池系统更安全和使用性能更好。利用外部空气将尾排主管路5里面的尾排气的氢气浓度进行稀释，结构简单合理，实施容易可靠，进一步提高安全性，有利于排出的尾气中氢气浓度大幅降低，避免爆炸的危险。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：它包括氢气浓度检测单元和混合稀释单元，其中：
所述的氢气浓度检测单元包括尾排主管路、抽样分支管路、气液分离器和氢气浓度传感器,其中所述的抽样分支管路的入口连接在尾排主管路的上游段，所述的气液分离器包括内壳体，内壳体内设置空腔，内壳体上设置尾排气出口管、尾排气入口管和冷凝水出口管，尾排气出口管、尾排气入口管和冷凝水出口管都与空腔连通，抽样分支管路的出口连接气液分离器的尾排气入口管，在气液分离器上安装氢气浓度传感器，利用尾排气出口管可直接排出进入抽样分支管路的尾排气，或者尾排气出口管通过一个辅助管路连接到尾排主管路的下游段，将进入抽样分支管路的尾排气重新回送到尾排主管路；
混合稀释单元包括风扇和通风气体分支管路，通风气体分支管路的出口端连接到尾排主管路上，风扇将外部空气吹入到通风气体分支管路的入口端，利用外部空气将尾排主管路里面的尾排气的氢气浓度进行稀释。
2.根据权利要求1所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：所述的气液分离器还包括外壳体，内壳体的外面套装有外壳体，内壳体与外壳体之间的空隙形成风道，外壳体有一个进风口和一个出风管口，通风气体分支管路的入口端连接外壳体的出风管口，在外壳体的进风口处安装风扇，风扇将外部冷空气抽入风道，并吹在内壳体的外表面形成风冷的效果。
3.根据权利要求2所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：内壳体的顶部凸出外壳体。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：所述的抽样分支管路内径D2小于尾排主管路的内径D1。
5.根据权利要求4所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：所述的内壳体的顶部设置尾排气出口管，在内壳体的底部设置有尾排气入口管和冷凝水出口管。
6.根据权利要求5所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：在内壳体顶部壁面上开有探测孔,探测孔与空腔连通，氢气浓度传感器安装在内壳体上，且氢气浓度传感器的探头部伸入到探测孔里面以感应氢气浓度。
7.根据权利要求6所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：探测孔的位置靠近尾排气出口管。
8.根据权利要求7所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：在探测孔的周围的内壳体壁面上设置第一安装平台，氢气浓度传感器安装在安装平台上。
9.根据权利要求8所述燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：所述的氢气浓度传感器是非加热型氢气浓度传感器。
10.根据权利要求7所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：外壳体的进风口的位置设置第二安装平台，风扇安装在第二安装平台上。
11.根据权利要求10所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：第二安装平台与第一安装平台错开一个角度。
12.一种新能源汽车，包括车辆本体、驱动电机和燃料电池，其中驱动电机和燃料电池安装在车辆本体上，驱动电机为车辆本体提供动力，燃料电池为驱动电机提供电能，燃料电池包括电堆模块、电气控制组件、氢气路系统、冷却回路系统和空气路系统，所述的电堆模块由若干个燃料电池单体由下至上堆叠而成，所述的氢气路系统包括进氢阀门组件、氢气循环泵和吹扫阀；所述的空气路系统包括空气压缩机、空气冷却器、加湿器；在空气路系统的出口安装有燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置，其特征在于：所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置是上述权利要求1至11任意一项所述的燃料电池尾排氢气浓度检测及混合稀释装置。
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