CN110247080B - 一种燃料电池动力系统的氢气循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，包括第一截止阀、比例调节阀、引射器、电堆进气模块、电堆总成、电堆出气模块、第二截止阀、吹扫阀和泄压阀，从电堆总成中未完全反应的氢气分成两路，其中一路氢气经电堆出气模块、第二截止阀直接回到引射器的引流口，再进入电堆总成中反应；当燃料电池动力系统处于高功率运转状态时，制器控制第二截止阀打开，氢气经第二截止阀直接回流到引射器，进入电堆总成中反应；当燃料电池系统处于低功率运转状态时，控制器控制第二截止阀关闭，氢气经吹扫阀吹扫排出，它提高整个系统的氢气的利用率、降低额外功耗，提高可靠性、体积更小，质量越轻，成本更低。

Description

一种燃料电池动力系统的氢气循环系统

技术领域：

本发明涉及一种燃料电池动力系统的氢气循环系统。

背景技术：

随着国民经济的持续增长，人们生活水平的不断提高，汽车已经成为人们出行的必备工具，传统燃油汽车保有量持续增加，随之而来的空气污染也是越来越严重。为了治理日趋严重的环境污染，世界各国都相继发布了传统燃料汽车禁售时间表。新能源汽车得到前所未有的重视，氢燃料电池汽车是新能源汽车的一种，具有清洁、环保、能量效率高、运行平稳、噪音小等优点。近年来，随着各国政府及研发机构对氢燃料电池领域研究持续不断的投入，技术也在不断的进步，目前氢燃料电池汽车逐步的进去人们的生活当中。

氢燃料电池动力系统是通过氢气和氧气的催化氧化反应，将化学能转换为电能，并且生成无任何污染的水，是汽车排放污染的终极解决方案。燃料电池动力系统运行时，一般会提供足够的氢气在电堆跟氧气反应，但是有部分未反应的氢气将会从电堆中排出。氢气循环系统就是将这一部分未反应的氢气重新送进电堆进行再利用，提高氢气的利用率，所以氢气循环系统在燃料电池动力系统中是很关键的构成部分。

氢气的利用率直接影响整个燃料电池动力系统的工作效率和整个系统的经济性。氢气作为一种可燃气体，如果燃料电池动力系统排放的尾气中氢气溶度过高就可能危害人的生命健康，也有可能引起爆炸。所以氢气循环系统的设计的好坏直接影响到整个氢燃料电池动力系统的安全性和经济性、可靠性。见图1所示，现有的燃料电池使用氢气循环泵的结构，使用氢气循环泵无论是在高功率和低功率的工作状态下，氢气循环泵一直在工作，如此增加了系统的额外功耗。并且氢气循环泵的体积占整个燃料电池动力系统比例也是比较大的，占用不少空间，增加整个动力系统的重量。

综上所述，目前的燃料电池动力系统中的氢气循环系统大部分都有氢气循环泵，无论是在高功率和低功率的工作状态下都在运作，增加整个系统的功耗，并且氢气循环系统体积大，质量大，增加了整个系统的体积和重量。所以需要设计一套更为为合理的氢气循环系统，解决以上的问题，提高整个系统的效率，使整个动力系统集成度更高，体积更小，质量越轻，成本更低。

发明内容：

本发明的目的是提供一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，解决现有技术中氢气循环系统大部分都有氢气循环泵，无论是在高功率和低功率的工作状态下都在运作，增加整个系统的功耗，并且氢气循环系统体积大，质量大，增加了整个系统的体积和重量的技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：它包括第一截止阀、比例调节阀、引射器、电堆进气模块、电堆总成、电堆出气模块、第二截止阀、吹扫阀和泄压阀，高压氢气经第一截止阀和比例调节阀后进入引射器的入口，引射器的喷射口喷出的氢气经过电堆进气模块后进入电堆总成中进行反应；从电堆总成中未完全反应的氢气分成两路，其中一路未完全反应氢气经电堆出气模块、第二截止阀直接回到引射器的引流口，再进入电堆总成中反应；另一路未完全反应氢气经电堆总成、电堆出气模块、吹扫阀后吹扫排出；所述电堆进气模块上连接有泄压阀，引射器出来氢气压力过大时通过泄压阀排出；燃料电池动力系统由燃料电池系统控制器控制，当燃料电池动力系统处于高功率运转状态时，燃料电池系统控制器控制第二截止阀打开，电堆总成中未完全反应的氢气经第二截止阀直接回流到引射器的引流口，进入电堆总成中反应；当燃料电池系统处于低功率运转状态时，燃料电池系统控制器控制第二截止阀关闭，电堆总成中未完全反应的氢气经吹扫阀吹扫排出。

上述所述的泄压阀排出的氢气与吹扫阀排出的氢气汇合后经氢气稀释装置进行稀释。

上述经过氢气稀释装置稀释的氢气从尾排出口排出，在尾排出口之前安装氢气浓度传感器，监测尾排末端的氢气浓度，排出的氢气经氢气稀释装置稀释到安全的浓度后直接排出。

上述所述的泄压阀集成在电堆进气模块上。

上述所述的高压氢气从氢气瓶中出来。

上述的燃料电池动力系统处于高功率运转状态是指输出功率大于等于某个阀值，燃料电池系统处于低功率运转状态是指输出功率小于某个阀值。

所述某个阀值是在40％-80％的燃料电池动力系统额定功率的范围。

上述的氢气浓度传感器将检测的信号送到燃料电池系统控制器处理，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置的开启与关闭，当燃料电池动力系统处于运转状态下，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置开启，将尾排管中少量的氢气稀释到安全浓度；当燃料电池动力系统处于停机或待机状态下，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置关闭。

上述的第一截止阀、第二截止阀、比例调节阀、泄压阀、吹扫阀、氢气稀释装置都由燃料电池系统控制器控制开启与关闭；在比例调节阀与引射器入口之间设置第一压力传感器，在电堆进气模块与电堆总成的氢气入口之间设置第二压力传感器，在电堆总成的氢气出口与电堆出气模块之间设置第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器的检测信号送到燃料电池系统控制器，第一压力传感器监测经比例调节阀出来的氢气压力，第二压力传感器和第三压力传感器分别监测电堆总成氢气入口和氢气出口的压力。

上述所述电堆进气模块上集成有泄压阀，当第二压力传感器监测到引射器出来的氢气压力过于设定的最高值时，燃料电池系统控制器控制泄压阀打开，高压氢气经泄压阀排出到尾排管中，经氢气稀释装置将氢气稀释到安全的浓度，通过尾排出口排放到空气中；当第二压力传感器监测到引射器出来的氢气压力正常，燃料电池系统控制器控制泄压阀关闭。

上述所述氢气浓度传感器设置于整个氢气循环系统的尾排末端，监测整个尾排末端的氢气浓度并将检测信号送到燃料电池系统控制器，若尾排氢气浓度超出安全排放标准，燃料电池系统控制器将发出警告。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1)本发明通过取消氢气循环泵，直接利用引射器减压增速的原理，将电堆总成中未反应的氢气重新喷射入电堆中进行反应。并且通过燃料电池系统控制器控制整个氢气循环系统在不同功率的运行状态下开启与关闭第二截止阀，来控制整个系统回氢的状态。如此，提高整个系统的氢气的利用率；降低系统是额外功耗，提高系统的可靠性；使整个动力系统集成度更高，体积更小，质量越轻，成本更低。

2)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是现有技术中使用氢气循环泵的燃料电池的结构框图；

图2是本发明燃料电池动力系统的氢气循环系统的原理框图；

图3是本发明的引射器的立体图；

图4是本发明引射器的主视图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6本发明的电路方框图。

具体实施例：

图中标号：1-氢气瓶、2-截止阀、3-比例调节阀、4-引射器、5-电堆进气模块、6-电堆总成、7-电堆出气模块、8-截止阀、9-吹扫阀、10-泄压阀、11-氢气稀释装置、12-尾排出口、13-压力传感器、14-压力传感器、15-压力传感器、16-氢气浓度传感器、41-高压氢气入口、42-喷射口、43-引流口、44-喷咀、45-接受室、46-混合室、47-扩散室。

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2、图3、图4、图5、图6所示，本发明提供一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，包括第一截止阀2、比例调节阀3、引射器4、电堆进气模块5、电堆总成6、电堆出气模块7、第二截止阀8、吹扫阀9和泄压阀10，高压氢气经第一截止阀2和比例调节阀3后进入引射器4的入口41，引射器4的喷射口42喷出的氢气经过电堆进气模块5后进入电堆总成6中进行反应；从电堆总成6中未完全反应的氢气分成两路，其中一路未完全反应氢气经电堆出气模块7、第二截止阀8直接回到引射器4的引流口43，再进入电堆总成6中反应；另一路未完全反应氢气经电堆总成6、电堆出气模块7、吹扫阀9后吹扫排出；所述整个氢气循环系统都由燃料电池系统控制器17控制；所述电堆进气模块5上连接有泄压阀10，引射器4的喷射口42出来氢气压力过大时通过泄压阀10排出；燃料电池动力系统由燃料电池系统控制器17控制，当燃料电池动力系统处于高功率运转状态时，燃料电池系统控制器17控制第二截止阀8打开，电堆总成6中未完全反应的氢气经第二截止阀8直接回流到引射器4的引流口43，进入电堆总成6中反应；当燃料电池系统处于低功率运转状态时，燃料电池系统控制器17控制第二截止阀8关闭，电堆总成6中未完全反应的氢气经吹扫阀9吹扫排出。它使用引射器4和第二截止阀8组合，提高整个系统的效率，使整个动力系统集成度更高，体积更小，质量越轻，成本更低，降低系统是额外功耗，提高系统的可靠性。

假设高功率运转状态是指燃料电池动力系统输出功率大于或等于额定功率40％时的状态，假设低功率运转状态是指燃料电池动力系统输出功率小于额定功率40％时的状态。

上述的泄压阀10排出的氢气与吹扫阀9排出的氢气汇合后经氢气稀释装置11进行稀释，结构简单，布局合理。

上述经过氢气稀释装置11稀释的氢气从尾排出口12排出，在尾排出口12之前安装氢气浓度传感器16，监测尾排末端的氢气浓度，排出的氢气经氢气稀释装置11稀释到安全的浓度后直接排出，提高安全性。

上述的泄压阀10集成在电堆进气模块5上，集成度高，体积小，便于形成模块化。

上述的高压氢气从氢气瓶1中出来。

上述的燃料电池动力系统处于高功率运转状态是指输出功率大于等于某个阀值，燃料电池系统处于低功率运转状态是指输出功率小于某个阀值，所述某个阀值是在40％-80％的燃料电池动力系统额定功率的范围。

上述的氢气浓度传感器16将检测的信号送到燃料电池系统控制器17处理，燃料电池系统控制器17控制氢气稀释装置16的开启与关闭，当燃料电池动力系统处于运转状态下，燃料电池系统控制器17控制氢气稀释装置16开启，将尾排管中少量的氢气稀释到安全浓度；当燃料电池动力系统处于停机或待机状态下，燃料电池系统控制器17控制氢气稀释装置16关闭，自动化程度高，控制简单方便。

上述在比例调节阀3与引射器4入口之间设置第一压力传感器13，在电堆进气模块5与电堆总成6的氢气入口之间设置第二压力传感器14，在电堆总成6的氢气出口与电堆出气模块7之间设置第三压力传感器15，第一压力传感器13、第二压力传感器14和第三压力传感器15的检测信号送到燃料电池系统控制器17。所述整个氢气循环系统中装有多个压力传感器，第一压力传感器13监测经比例调节阀3出来的氢气压力，第二压力传感器14和第三压力传感器15分别监测电堆总成6氢气入口和氢气出口的压力，便于做出各种控制。

所述氢气瓶1中的高压氢气经过截止阀2，再经比例调节阀3的调压，进入引射器4的高压氢气入口41，从引射器4的喷嘴44喷入接受室45内，将一同进入接受室45的电堆中未反应完的低压氢气，喷入混合室46及扩散室47，形成高压的混合气体从喷射口42喷出，经电堆进气模块5进入电堆总成6中与氧气反应产生电能。

所述电堆总成6中未反应的氢气经过电堆出气模块7出来，可再经截止阀8回到引射器4的引流口43,进入气体接受室45中，被引射器4的喷嘴44喷出的高压氢气吹入混合室46及扩散室47，经电堆进气模块5，再次进去电堆总成6中。另外，电堆总成6中未反应的氢气经过电堆出气模块7出来，也可经吹扫阀9吹扫进入尾排管，经过氢气稀释装置11稀释至安全的浓度，从尾排出口12排放到空气中。

所述电堆进气模块5上集成有泄压阀10，当压力传感器14监测到电堆总成6氢气入口压力高于设定的最高值时，燃料电池系统控制器17控制泄压阀10打开，高压氢气经泄压阀10排出到尾排管中，经氢气稀释装置11将氢气稀释到安全的浓度，从尾排出口12排放到空气中，控制自动化。

所述氢气浓度传感器16设置于氢气稀释装置11之后，监测整个尾排末端的氢气浓度，提高安全性。

上述的第一截止阀2、第二截止阀8、比例调节阀3、泄压阀9、吹扫阀10、氢气稀释装置11都由燃料电池系统控制器控制17开启与关闭；上述所述电堆进气模块5上集成有泄压阀10，当第二压力传感器14监测到引射器4出来的氢气压力过于设定的最高值时，燃料电池系统控制器17控制泄压阀10打开，高压氢气经泄压阀10排出到尾排管中，经氢气稀释装置11将氢气稀释到安全的浓度，通过尾排出口12排放到空气中；当第二压力传感器14监测到引射器4出来的氢气压力正常，燃料电池系统控制器控制泄压阀10关闭，如此，有效的提高系统的安全性。

上述所述氢气浓度传感器16设置于整个氢气循环系统的尾排末端，监测整个尾排末端的氢气浓度并将检测信号送到燃料电池系统控制器17，若尾排氢气浓度超出安全排放标准，燃料电池系统控制器17将发出警告，提示直观。

所述整个氢气循环系统都由燃料电池系统控制器17控制，燃料电池系统控制器17控制第二截止阀8的开启与关闭，当燃料电池动力系统处于高功率运转状态时，氢气供给充足、流量大，电堆总成6中未完全反应的氢气也比较多。此时，燃料电池系统控制器17控制第二截止阀8打开，电堆总成6中未反应的氢气从电堆出气模块7出来，经制第二截止阀8进入到引射器4中，再经电堆进气模块5回到电堆总成6中重新进行反应。如此，能够有效的提高动力系统中氢气的利用率。

所述当燃料电池系统处于低功率运转状态时，氢气供给少、流量小，电堆总成6中未完全反应的氢气比较少。此时，燃料电池系统控制器17控制第二截止阀8关闭，电堆总成6中少量未反应的氢气直接从电堆出气模块7经吹扫阀9吹扫，再经氢气稀释装置11将氢气稀释至安全的浓度，通过12尾排出口排放到空气中，提高安全性。

所述氢气稀释装置11设置于尾排末端，稀释尾排管中排出的氢气，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置11的开启与关闭，当燃料电池动力系统处于运转状态下，此时会有少量氢气排出，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置11的开启；当燃料电池动力系统处于停机或待机状态下，此时没有氢气排出，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置11的关闭。如此，减少额外功耗，节约能源。

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 (8)

1.一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：它包括第一截止阀、比例调节阀、引射器、电堆进气模块、电堆总成、电堆出气模块、第二截止阀、吹扫阀和泄压阀，高压氢气经第一截止阀和比例调节阀后进入引射器的入口，引射器的喷射口喷出的氢气经过电堆进气模块后进入电堆总成中进行反应；第一截止阀、第二截止阀、比例调节阀、泄压阀、吹扫阀都由燃料电池系统控制器控制开启与关闭；在电堆进气模块与电堆总成的氢气入口之间设置第二压力传感器,第二压力传感器的检测信号送到燃料电池系统控制器；

从电堆总成中未完全反应的氢气分成两路，其中一路未完全反应氢气经电堆出气模块、第二截止阀直接回到引射器的引流口，再进入电堆总成中反应；另一路未完全反应氢气经电堆总成、电堆出气模块、吹扫阀后吹扫排出；

所述电堆进气模块上连接有泄压阀，引射器出来氢气压力过大时通过泄压阀排出；当第二压力传感器监测到引射器出来的氢气压力过于设定的最高值时，燃料电池系统控制器控制泄压阀打开，高压氢气经泄压阀排出到尾排管中，经氢气稀释装置将氢气稀释到安全的浓度，通过尾排出口排放到空气中；当第二压力传感器监测到引射器出来的氢气压力正常，燃料电池系统控制器控制泄压阀关闭；

燃料电池动力系统由燃料电池系统控制器控制，当燃料电池动力系统处于高功率运转状态时，燃料电池系统控制器控制第二截止阀打开，电堆总成中未完全反应的氢气经第二截止阀直接回流到引射器的引流口，进入电堆总成中反应；当燃料电池系统处于低功率运转状态时，燃料电池系统控制器控制第二截止阀关闭，电堆总成中未完全反应的氢气经吹扫阀吹扫排出；

燃料电池动力系统处于高功率运转状态是指输出功率大于等于某个阀值，燃料电池系统处于低功率运转状态是指输出功率小于某个阀值；

所述的某个阀值是在40％-80％的燃料电池动力系统额定功率的范围。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：泄压阀排出的氢气与吹扫阀排出的氢气汇合后经氢气稀释装置进行稀释。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：经过氢气稀释装置稀释的氢气从尾排出口排出，在尾排出口之前安装氢气浓度传感器，监测尾排末端的氢气浓度，排出的氢气经氢气稀释装置稀释到安全的浓度后直接排出。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：泄压阀集成在电堆进气模块上。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：高压氢气从氢气瓶中出来。

6.根据权利要求3所述的一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：氢气浓度传感器将检测的信号送到燃料电池系统控制器处理，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置的开启与关闭，当燃料电池动力系统处于运转状态下，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置开启，将尾排管中少量的氢气稀释到安全浓度；当燃料电池动力系统处于停机或待机状态下，燃料电池系统控制器控制氢气稀释装置关闭。

7.根据权利要求3所述的一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：在比例调节阀与引射器入口之间设置第一压力传感器，在电堆总成的氢气出口与电堆出气模块之间设置第三压力传感器，第一压力传感器和第三压力传感器的检测信号送到燃料电池系统控制器，第一压力传感器监测经比例调节阀出来的氢气压力，第三压力传感器监测电堆总成氢气出口的压力。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池动力系统的氢气循环系统，其特征在于：所述氢气浓度传感器设置于整个氢气循环系统的尾排末端，监测整个尾排末端的氢气浓度并将检测信号送到燃料电池系统控制器，若尾排氢气浓度超出安全排放标准，燃料电池系统控制器将发出警告。