CN109888333B - 一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氢燃料电池技术领域，涉及一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置。本发明由氢气罐、燃烧器、蓄电池、电控开关、手动式压电陶瓷点火器、水箱、水泵、换热器、涡轮机、离合器、压气机、空气罐、电磁阀、氢燃料电池组等组成；燃烧器内有引射器、火花塞、燃烧室。燃烧室的排气管有两个支路各与涡轮机相通，两个涡轮机排气管与换热器相通。当需要启动燃料电池时，向燃烧器通入氢气，按下电控开关或手动式压电陶瓷点火器点燃氢气。燃烧废气吹动涡轮机一方面驱动水泵给换热器供水，另一方面驱动压气机给燃烧器和燃料电池泵入新鲜空气。两个涡轮机出来的高温废气进入换热器给水加热进而加热燃料电池组使其到达指定工作温度，此时燃料电池可正常启动。本发明可实现氢燃料电池的低温启动及应急启动，具有结构简单，可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置。
背景技术
燃料电池是一种能量转化装置，直接将化学能转换为电能。燃料电池可以分为磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，碱性燃料电池，固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池工作温度低，电流密度大，响应速度快，性能稳定。而且反应生成物只有水，不存在腐蚀性。因此，质子交换膜燃料电池在车辆交通和备用电源等领域具有广阔的市场前景。
但我国地大物博，南北气候差异巨大，北方常面临零下几十度低温情况。当燃料电池电堆处于零下几度甚至数十度低温环境中时，由于启动阶段电堆温度较低，燃料电池反应产生的水无法正常排出电堆，甚至结冰，导致电堆内部催化层被局部或者全部覆盖，其化学反应终止，从而使得电堆无法正常启动，更严重时会导致质子交换膜破损，损坏电堆。此外当蓄电池没电时，燃料电池也不能启动。因此，需要采用合理的方法来实现电堆在低温冷启动及蓄电没电时的应急启动。
发明内容
本发明的目的在于克服氢燃料电池在零度以下启动甚至在零下数度超低温启动以及蓄电池没电时应急启动等技术难题，提供一种结构简单可靠且稳定有效的氢燃料电池冷起动及应急启动装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：本发明所述的一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置，由冷却液管路a、氢气管a、氢气阀门a、氢气阀门b、氢气管b、氢气罐、燃烧器、蓄电池、电控开关、涡轮机a、离合器a、水泵、水箱、冷却液管路b、电动机a、冷却液管路c、排气管、换热器、电动机b、压气机、空气管路a、电磁阀a、空气罐、冷却液管路d、废气管路a、废气管路b、废气管路c、涡轮机b、离合器b、手动式压电陶瓷点火器、单向阀、电磁阀b、电磁阀c、空气管路b、燃料电池组组成；
其中氢气罐出口分为两个支路氢气管a和氢气管b；氢气罐通过氢气管a与燃料电池组相通，氢气阀门a串联在氢气管a上；氢气罐通过氢气管b与燃烧器相通，氢气阀门b串联在氢气管b上；燃烧器连接的废气管路b有两个支路，一路通到涡轮机a的进气口，另一路通到涡轮机b的进气口；涡轮机a通过离合器a和水泵轴的一端相连；水泵轴的另一端与电动机a相连， 水泵的进水口通过冷却液管路b与水箱相通，水泵的出水口通过冷却液管路c与换热器的进水口相通；换热器的两个进气口分别与涡轮机a和涡轮机b的排气口相通；换热器的排气口与排气管相通；换热器的出水口通过冷却液管路d与燃料电池组换热系统进水口相通；燃料电池组换热系统出水口通过冷却液管路a与水箱的进水口相通；涡轮机b通过离合器b与压气机轴的一端相连；压气机轴的另一端与电动机b相连；压气机的进气口与大气相通，它的出气口连接的空气管路a有两个支路，一条支路通过电磁阀a与空气罐进气口相通，另一条支路通过电磁阀b和单向阀和燃烧器的空气进气口相通；空气罐的出气口通过空气管路b与燃料电池组的进气口相通；电磁阀c串接在空气罐和燃料电池组之间；蓄电池通过导线与燃烧器上的火花塞a相连，中间串联有电控开关；手动式压电陶瓷点火器与燃烧器上的火花塞b相连。
所述的燃烧器由喷嘴、引射器、火花塞a、燃烧室、火花塞b组成，其中喷嘴布置在引射器进口处；引射器出口与燃烧室的进气口相通；火花塞a和火花塞b布置在引射器出口处；燃烧室的出口与废气管路b相通。
本发明装置的工作过程如下：
启动燃料电池时，氢气阀门b开启，喷嘴喷出的氢气进入引射器后，压力减小速度增加，由于惯性进入燃烧室中与燃烧室内空气混合形成可然混合气，蓄电池有电时，按下电控开关可燃混合气由电池供电的火花塞a点燃，在燃烧室形成稳定的燃烧。当蓄电池没电时，可按压手动式压电陶瓷点火器给火花塞b供电，点燃混合气，形成稳定的燃烧。燃烧产生的高温废气从燃烧室出来后通过废气管路b分成两路。一路高温废气驱动涡轮机a，涡轮机a驱动水泵将冷水泵入换热器中与两个涡轮排出的高温废气换热产生热水，换热后的低温废气经排气管排出。水泵进而将热水泵入燃料电池组换热系统使燃料电池升温到启动所需温度。另一路高温废气驱动涡轮机b旋转，涡轮机b驱动压气机工作。压气机泵入的空气一部分通过电磁阀a储存在空气罐中作为氢燃料电池的空气源，当空气管路a中的空气压力达到一定值时，一部分空气通过电磁阀b和单向阀进入燃烧器使氢气能够充分燃烧。单向阀使燃烧器对两个涡轮机能够始终建立正向压力，避免燃烧器中的燃气泄漏回流。
当燃料电池温度到指定工作温度后，氢气阀门b关闭，燃烧停止。离合器a断开，水泵由电动机a驱动，作为冷却系统的水泵运转。离合器b断开，压气机由电动机b驱动，泵的空气存入空气罐内作为氢燃料电池的空气源。燃料电池组就能持续稳定工作。
与现有技术相比本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置，氢气可在低温超低温燃烧，可实现氢燃料电池的低温及超低温启动；
2.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置可实现蓄电池没电时燃料电池的应急启动；
3.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置可为燃料电池提供空气源。
4.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置结构简单，制造方便，易于推广。
附图说明
图1是基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置的系统分布图；
图2是图1燃烧器的放大图。
其中，冷却液管路a1、氢气管a2、氢气阀门a3、氢气阀门b4、氢气管b5、氢气罐6、燃烧器7、蓄电池8、电控开关9、涡轮机a10、离合器a11、水泵12、水箱13、冷却液管路b14、电动机a15、冷却液管路c16、排气管17、换热器18、电动机b19、压气机20、空气管路a21、电磁阀a22、空气罐23、冷却液管路d24、废气管路a25、废气管路b26、废气管路c27、涡轮机b28、离合器b29、手动式压电陶瓷点火器30、单向阀31、电磁阀b32、电磁阀c33、空气管路b34、燃料电池组35、喷嘴36、引射器37、火花塞a38、燃烧室39、火花塞b40。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1是基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置的系统分布图；
图2是图1燃烧器7的放大图。
本发明由冷却液管路a1、氢气管a2、氢气阀门a3、氢气阀门b4、氢气管b5、氢气罐6、燃烧器7、蓄电池8、电控开关9、涡轮机a10、离合器a11、水泵12、水箱13、冷却液管路b14、电动机a15、冷却液管路c16、排气管17、换热器18、电动机b19、压气机20、空气管路a21、电磁阀a22、空气罐23、冷却液管路d24、废气管路a25、废气管路b26、废气管路c27、涡轮机b28、离合器b29、手动式压电陶瓷点火器30、单向阀31、电磁阀b32、电磁阀c33、空气管路b34、燃料电池组35组成；
其中氢气罐6出口分为两个支路氢气管a2和氢气管b5；氢气罐6通过氢气管a2与燃料电池组35相通，氢气阀门a3串联在氢气管a2上；氢气罐6通过氢气管b5与燃烧器7相通，氢气阀门b4串联在氢气管b5上；燃烧器7连接的废气管路b26有两个支路，一路通到涡轮机a10的进气口，另一路通到涡轮机b28的进气口；涡轮机a10通过离合器a11和水泵12轴的一端相连；水泵12轴的另一端与电动机a15相连， 水泵12的进水口通过冷却液管路b14与水箱13相通，水泵12的出水口通过冷却液管路c16与换热器18的进水口相通；换热器18的两个进气口分别与涡轮机a10和涡轮机b28的排气口相通；换热器18的排气口与排气管17相通；换热器18的出水口通过冷却液管路d24与燃料电池组35换热系统进水口相通；燃料电池组35换热系统出水口通过冷却液管路a1与水箱13的进水口相通；涡轮机b28通过离合器b29与压气机20轴的一端相连；压气机20轴的另一端与电动机b19相连；压气机20的进气口与大气相通，它的出气口连接的空气管路a21有两个支路，一条支路通过电磁阀a22与空气罐23进气口相通，另一条支路通过电磁阀b32和单向阀31和燃烧器7的空气进气口相通；空气罐23的出气口通过空气管路b34与燃料电池组35的进气口相通；电磁阀c33串接在空气罐23和燃料电池组35之间；蓄电池8通过导线与燃烧器7上的火花塞a38相连，中间串联有电控开关9；手动式压电陶瓷点火器30与燃烧器7上的火花塞b40相连。
所述的燃烧器7由喷嘴36、引射器37、火花塞a38、燃烧室39、火花塞b40组成，其中喷嘴36布置在引射器37进口处；引射器37出口与燃烧室39的进气口相通；火花塞a38和火花塞b40布置在引射器37出口处；燃烧室39的出口与废气管路b26相通。
引射器37为缩放性喷管。喷嘴36喷出的氢气进入引射器37后，压力减小，速度增加，由于惯性进入燃烧室39中。蓄电池8有电时，按下电控开关9可燃混合气由电池供电的火花塞a38点燃，在燃烧室39形成稳定的燃烧。当蓄电池8没电时，可按压手动式压电陶瓷点火器30给火花塞b40供电，点燃混合气。燃气通过换热系统加热燃料电池组35到启动温度并驱动压气机20给燃料电池组35提供空气，打开氢气阀门a3给燃料电池组提供氢气，燃料电池即可启动。燃料电池工作稳定后，氢气阀门b4关闭，燃烧停止，空气压气机和冷却系统通过电力继续运转，即可实现氢燃料电池的冷启动及蓄电池没电时的应急启动。
水泵12轴一端通过离合器a11与涡轮机a10连接，轴另一端与电动机a15连接。冷起动时，可燃混合气在燃烧器7中燃烧膨胀，燃烧废气推动涡轮机a10旋转，涡轮机a10驱动水泵12将冷水泵入换热器18中与高温废气换热产生热水。进而将热水泵入燃料电池组35使燃料电池升温到启动所需温度。换热后的废气由排气管17排出。燃料电池到适宜工作温度后，氢气阀门b4关闭，燃烧停止，离合器a11断开，水泵12由电动机a15驱动，作为冷却系统的水泵运转。
压气机20轴一端通过离合器b29与涡轮机b28连接，轴另一端与电动机b19连接。冷启动时，燃烧废气推动涡轮机b28旋转，涡轮机b28驱动压气机20工作。压气机20泵入的空气一部分通过电磁阀a22储存在空气罐23中作为氢燃料电池的空气源，当空气管路a21中的空气压力达到一定值时，一部分空气通过电磁阀b32和单向阀31进入燃烧器7中使氢气能够充分燃烧。燃料电池工作稳定后，氢气阀门b4关闭，燃烧停止，离合器b29断开，压气机20由电动机b19驱动，泵的空气存入空气罐23内作为氢燃料电池的空气源。
结合本发明装置各组件及其安装位置关系，该基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置技术方案的具体工作过程及控制原理如下：
当需要启动燃料电池组35时，氢气阀门b4开启，喷嘴36喷出的氢气进入引射器37后，压力减小速度增加，由于惯性进入燃烧室39中与燃烧室39内空气混合形成可然混合气，蓄电池8有电时，按下电控开关9可燃混合气由电池供电的火花塞a38点燃，在燃烧室形成稳定的燃烧。当蓄电池8没电时，可按压手动式压电陶瓷点火器30给火花塞b40供电，点燃混合气，形成稳定的燃烧。燃烧产生的高温废气从燃烧室出来后通过废气管路b26分成两路。一路高温废气驱动涡轮机a10，涡轮机a10驱动水泵12将冷水泵入换热器18中与两个涡轮机排出的高温废气换热产生热水，换热后的低温废气经排气管17排出。水泵12进而将热水泵入燃料电池组35换热系统使燃料电池升温到启动所需温度。另一路高温废气驱动涡轮机b28旋转，涡轮机b28驱动压气机20工作。压气机20泵入的空气一部分通过电磁阀a22储存在空气罐23中作为氢燃料电池的空气源，当空气管路a21中的空气压力达到一定值时，一部分空气通过电磁阀b32和单向阀31进入燃烧器7使氢气能够充分燃烧。单向阀31使燃烧器7对两个涡轮机能够始终建立正向压力，避免燃烧器7中的燃气泄漏回流。
当燃料电池温度到达适宜工作温度后，氢气阀门b4关闭，燃烧停止。离合器a11断开，水泵12由电动机a15驱动，作为冷却系统的水泵运转。离合器b29断开，压气机20由电动机b19驱动，泵的空气存入空气罐23内作为氢燃料电池的空气源。燃料电池组就能持续稳定工作。
Claims (1)
1.一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置，其特征在于，由冷却液管路a（1）、氢气管a（2）、氢气阀门a（3）、氢气阀门b（4）、氢气管b（5）、氢气罐（6）、燃烧器（7）、蓄电池（8）、电控开关（9）、涡轮机a（10）、离合器a（11）、水泵（12）、水箱（13）、冷却液管路b（14）、电动机a（15）、冷却液管路c（16）、排气管（17）、换热器（18）、电动机b（19）、压气机（20）、空气管路a（21）、电磁阀a（22）、空气罐（23）、冷却液管路d（24）、废气管路a（25）、废气管路b（26）、废气管路c（27）、涡轮机b（28）、离合器b（29）、手动式压电陶瓷点火器（30）、单向阀（31）、电磁阀b（32）、电磁阀c（33）、空气管路b（34）、燃料电池组（35）组成；
其中氢气罐（6）出口分为两个支路氢气管a（2）和氢气管b（5）；氢气罐（6）通过氢气管a（2）与燃料电池组（35）相通，氢气阀门a（3）串联在氢气管a（2）上；氢气罐（6）通过氢气管b（5）与燃烧器（7）相通，氢气阀门b（4）串联在氢气管b（5）上；燃烧器（7）连接的废气管路b（26）有两个支路，一路通到涡轮机a（10）的进气口，另一路通到涡轮机b（28）的进气口；涡轮机a（10）通过离合器a（11）和水泵（12）轴的一端相连；水泵（12）轴的另一端与电动机a（15）相连， 水泵（12）的进水口通过冷却液管路b（14）与水箱（13）相通，水泵（12）的出水口通过冷却液管路c（16）与换热器（18）的进水口相通；换热器（18）的两个进气口分别与涡轮机a（10）和涡轮机b（28）的排气口相通；换热器（18）的排气口与排气管（17）相通；换热器（18）的出水口通过冷却液管路d（24）与燃料电池组（35）换热系统进水口相通；燃料电池组（35）换热系统出水口通过冷却液管路a（1）与水箱（13）的进水口相通；涡轮机b（28）通过离合器b（29）与压气机（20）轴的一端相连；压气机（20）轴的另一端与电动机b（19）相连；压气机（20）的进气口与大气相通，它的出气口连接的空气管路a（21）有两个支路，一条支路通过电磁阀a（22）与空气罐（23）进气口相通，另一条支路通过电磁阀b（32）和单向阀（31）和燃烧器（7）的空气进气口相通；空气罐（23）的出气口通过空气管路b（34）与燃料电池组（35）的进气口相通；电磁阀c（33）串接在空气罐（23）和燃料电池组（35）之间；蓄电池（8）通过导线与燃烧器（7）上的火花塞a（38）相连，中间串联有电控开关（9）；手动式压电陶瓷点火器（30）与燃烧器（7）上的火花塞b（40）相连，所述的燃烧器（7）由喷嘴（36）、引射器（37）、火花塞a（38）、燃烧室（39）、火花塞b（40）组成，其中喷嘴（36）布置在引射器（37）进口处；引射器（37）出口与燃烧室（39）的进气口相通；火花塞a（38）和火花塞b（40）布置在引射器（37）出口处；燃烧室（39）的出口与废气管路b（26）相通。
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