CN110247083B - 一种燃料电池供氢系统及其应用的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池供氢系统及其应用的燃料电池系统，燃料电池供氢系统包括比例阀、引射器、小型氢气循环泵、进氢口接头、出氢口接头和回氢口接头及若干连接管路，比例阀一端利用连接管路与进氢口接头连接，比例阀另一端利用连接管路与引射器的入口端连接，引射器的出口端利用连接管路连接出氢口接头，回氢口接头与出氢口接头之间利用连接管路连接小型氢气循环泵，回氢口接头利用连接管路与引射器的引流入口连接；本发明采用单引射器+小型氢气循环泵的一体化设置，使燃料电池进氢调节装置同时满足低功率、高功率的不同引射要求，进氢调节及回氢调节同时进行，使进氢调节和氢气循环功能简单可靠,结构简单合理，适用范围广。

Description

一种燃料电池供氢系统及其应用的燃料电池系统

技术领域：

本发明涉及一种燃料电池供氢系统及其应用的燃料电池系统。

背景技术：

随着我国国民经济的持续增长，人民生活水平的不断提高，汽车已经成为人们出行的必备工具，随着燃油汽车尾排气对环境污染增加，让人们意识到发展新能源已经刻不容缓，新能源汽车被认为是能源转型的重要环节，而质子交换膜燃料电池汽车被认为目前新能源汽车产电量最为成熟的代表。它是以氢气与空气中的氧气发生化学反应产生电能，从而推动汽车前进。燃料电池汽车基本不产生二氧化碳，作为新一代新能源汽车，具有结构简单、对大气没有污染、节能高效等一系列优点。系统的优化及关键零部件的设计与开发能够让燃料电池动力系统寿命更长久，尾排氢气量更少，尾排氢气量可能危害人的生命健康。

现有的燃料电池系统中，对燃料电池电堆的氢气输入绝大部分采用隔膜式氢气循环泵，这种隔膜式氢气循环泵可将燃料电池电堆反应剩余的气体循环到电堆进气端。该种泵为主动增压式，结构复杂，成本高，耗能高，维护不方便。也有部分氢燃料电池采用引射器作为氢气循环装置，引射器不需要额外增加功耗，但是集成度低、适用范围小，生产制造工艺性差，使用效果并不理想。

现有的燃料电池系统中也有采用单引射器+截止阀组合控制的结构，但并不理想，功能过于简单，不能同时适合高功率和低功率的需求，适用范围小。

发明内容：

本发明的目的是提供一种燃料电池进氢调节装置及其应用的燃料电池系统，能解决现有燃料电池进氢装置采用单引射器导致不能同时适合高功率和低功率的需求，适用范围小的问题。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

本发明的第一个目的是提供一种燃料电池供氢系统，其特征在于：它包括比例阀、引射器、小型氢气循环泵、进氢口接头、出氢口接头和回氢口接头及若干连接管路，比例阀一端利用连接管路与进氢口接头连接，比例阀另一端利用连接管路与引射器的入口端连接，引射器的出口端利用连接管路连接出氢口接头，回氢口接头与出氢口接头之间利用连接管路连接小型氢气循环泵，回氢口接头利用连接管路与引射器的引流入口连接,上述的引射器安装在集块里面挖出的通道内，集块设有高压氢气入口、氢气供气出口和氢气循环入口，所述进氢口接头安装在高压氢气入口，所述出氢口接头安装在氢气供气出口，所述回氢口接头安装在氢气循环入口。

上述的引射器的出口端连接泄压阀。

上述在比例阀与引射器之间安装第一压力传感器，在引射器的出口端与出氢口接头之间安装第二压力传感器，在小型氢气循环泵与回氢口接头安装第三压力传感器。

上述所述的氢气循环入口利用外部连接管路与排气口联通，排气口连接吹扫阀，外部连接管路与排气口位于集块外部。

上述所述比例阀、泄压阀、第一压力传感器、第二压力传感器安装在集块上。

上述若干连接管路是在集块内部挖掘通道形成。

上述集块的底部和一个侧面分别安装有第一加热板和第二加热板。

上述所述小型氢气循环泵安装在集块的底部，小型氢气循环泵位于第一加热板的一侧。

上述所述小型氢气循环泵的底部设有安装脚。

本发明的第二个目的是提供一种燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器、燃料电池电堆和燃料电池供氢系统，其特征在于：所述燃料电池供氢系统为上述所述的燃料电池供氢系统，所述进氢口接头与高压氢气罐连接，出氢口接头与燃料电池电堆的氢气入口连接，回氢口接头与燃料电池电堆的氢气出口连接，燃料电池系统控制器控制比例阀、小型氢气循环泵开启或者关闭。

上述所述的引射器的入口端连接泄压阀，在比例阀与引射器之间安装第一压力传感器，在引射器的出口端与出氢口接头安装第二压力传感器，在小型氢气循环泵与回氢口接头安装第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器将不同部位的氢气管路压力信号传递到燃料电池系统控制器。

在燃料电池系统高功率输出状态下，燃料电池系统控制器关闭小型氢气循环泵，利用引射器的将回氢口接头返回的未反应氢气导入到引流入口，然后重新进入燃料电池电堆；在燃料电池系统低功率输出状态下，开启小型氢气循环泵，利用小型氢气循环泵将回氢口接头返回的未反应氢气直接导入到出氢口接头重新进入燃料电池电堆。

上述所述的燃料电池系统高功率输出状态是指功率输出达到额定功率的40％，燃料电池系统低功率输出状态是指功率输出小于额定功率的40％。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1)燃料电池供氢系统包括比例阀、引射器、小型氢气循环泵、进氢口接头、出氢口接头和回氢口接头及若干连接管路，比例阀一端利用连接管路与进氢口接头连接，比例阀另一端利用连接管路与引射器的入口端连接，引射器的出口端利用连接管路连接出氢口接头，回氢口接头与出氢口接头之间利用连接管路连接小型氢气循环泵，回氢口接头利用连接管路与引射器的引流入口连接；本发明采用单引射器+小型氢气循环泵的一体化设置，使燃料电池进氢调节装置同时满足低功率、高功率的不同引射要求，进氢调节及回氢调节同时进行，使进氢调节和氢气循环功能简单可靠,结构简单合理，适用范围广。

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是本发明实施例一燃料电池供氢系统的立体图；

图2是本发明实施例一燃料电池供氢系统另一角度的立体图；

图3是本发明实施例一燃料电池供氢系统的立体分解图；

图4是本发明实施例一燃料电池供氢系统的局部分解图；

图5是本发明实施例一燃料电池供氢系统的侧视图；

图6是图5中A-A的剖视图；

图7是本发明燃料电池供氢系统中的引射器的立体图；

图8是本发明燃料电池供氢系统中的引射器的分解图；

图9是本发明燃料电池供氢系统中的引射器的喷咀分解图；

图10是本发明燃料电池供氢系统中的引射器的混合室分解图；

图11是本发明燃料电池供氢系统中的引射器的引射套分解图；

图12是本发明燃料电池供氢系统中的引射器的侧视图；

图13是图12的B-B剖视图；

图14是本发明实施例二提供的燃料电池系统的连接示意图；

图15是燃料电池系统的控制示意图。

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7、图14所示，本实施例提供的是一种燃料电池供氢系统，其特征在于：它包括比例阀1、引射器2、小型氢气循环泵3、进氢口接头4、出氢口接头5和回氢口接头6及若干连接管路，比例阀1一端利用连接管路与进氢口接头4连接，比例阀1另一端利用连接管路与引射器2的入口端21连接，引射器2的出口端22利用连接管路连接出氢口接头5，回氢口接头6与出氢口接头5之间利用连接管路连接小型氢气循环泵3，回氢口接头6利用连接管路与引射器2的引流入口23连接，发明采用单引射器+小型氢气循环泵的一体化设置，使燃料电池进氢调节装置同时满足低功率、高功率的不同引射要求，进氢调节及回氢调节同时进行，使进氢调节和氢气循环功能简单可靠,结构简单合理，适用范围广。主要特点是：1)、单引射器与小型氢气循环泵组合，满足低功率精准控制回氢量、高功率高效运行要求；2)引射器组件模块化，对于变更设计只需更换引射组件；3)进氢调节及氢气循环功能简单可靠。4)、一体化设计，节省了安装空间。5)、生产、组装生产效率高，成本低。图14中带箭头的线表示连接管路。

上述的氢气循环入口103利用外部连接管路61与排气口11联通，排气口11连接吹扫阀，外部连接管路61与排气口11位于集块10外部，结构简单，安装方便。

上述的引射器2的出口端22连接泄压阀7，泄压阀7保证燃料电池供氢系统的使用安全。

上述在比例阀1与引射器2之间安装第一压力传感器12，在引射器2的出口端22与出氢口接头5之间安装第二压力传感器13，在小型氢气循环泵3与回氢口接头6安装第三压力传感器14，第一压力传感器12和第二压力传感器13用于检测氢气路的压力，反馈压力信号给控制器以调节比例阀1的大小，加强了燃料电池供氢系统的内部安全监控。

上述的引射器2安装在集块10里面挖出的通道内，集块10设有高压氢气入口101、氢气供气出口102和氢气循环入口103，所述进氢口接头4安装在高压氢气入口101，所述出氢口接头5安装在氢气供气出口102，所述回氢口接头6安装在氢气循环入口103，通过集块10使燃料电池供氢系统一体化设计，结构简单紧凑，节省了安装空间；生产、组装生产效率高，集成度高，成本低。

所述的比例阀1、泄压阀7、第一压力传感器12、第二压力传感器13安装在集块10上，一体化设计，结构简单紧奏。

若干连接管路是在集块10内部挖掘通道形成，结构布置合理。

集块10的底部和一个侧面分别安装有第一加热板104和第二加热板105，可以用于燃料电池供氢系统的冷启动,即使在环境温度较低时也能工作，提高可靠性。

所述小型氢气循环泵3安装在集块10的底部，小型氢气循环泵3位于第一加热板104的一侧，结构简单。

所述小型氢气循环泵3的底部设有安装脚31，便于燃料电池供氢系统安装。

如图7至图13所示，引射器2包括喷嘴1a、混合室2a、引射套3a、内密封圈4a和紧固螺钉5a，所述的引射套3a是圆筒体，引射套3a中间形成圆形的空腔31a，喷嘴1a和混合室2a分别套装在引射套3a的两端；混合室2a与引射套3a之间用内密封圈4a密封，喷嘴1a与引射套3a之间用内密封圈4a密封，紧固螺钉5a将喷嘴1a、混合室2a安装固定在引射套3a上，在引射套3a中部的壁面上开有缺口作为引流入口23，喷嘴1a中间设置第一流道11a作为做功高压流体的通道，喷嘴1a一端设置入口端21，喷嘴1a另一端是高压喷射口13a，混合室2a设置混合段流道21a和扩张段流道22a，高压喷射口13a喷射出来的做功高压流体与引流入口23流入的被引流流体在混合段流道21a混合，并经过扩张段流道22a后由出口端22引射出去，该结构可采用标准化、系列化设计，零件结构设计加工精度高、互换性好，制造成本低，以引射套不变的情况下，组合更换喷嘴和混合室，可以满足不同的性能需求，整个引射器的外轮阔是圆柱状，容易与整个氢气回路其他零件一体化集成，体积占用小。

喷嘴1a包括第一圆筒部14a和与第一圆筒部14a相连接的喷射部15a，第一圆筒部14a的外表面与引射套3a的内表面配合嵌套，在第一圆筒部14a的外表面与引射套3a的内表面之间设置内密封圈4a进行密封，密封效果好，装配精度高。

第一圆筒部14a的一端设置第一法兰翻边16a，在第一法兰翻边16a上设置若干第一安装孔17a，在引射套3a的前端面30a上设置若干个第一螺孔33a，第一安装孔17a与第一螺孔33a位置对应，紧固螺钉5a穿过第一安装孔17a旋进第一螺孔33a将喷嘴1a安装在引射套3a上，安装结构简单，装配精度高。

喷射部15a是一个圆锥体，所述引射套3a的缺口32a位于喷射部15a的中部的一侧，结构布置合理。

第一圆筒部14a的外表面设置至少一条第一环形凹槽141a，所述第一环形凹槽141a内安装有内密封圈4a，密封效果好。

混合室2a包括第二圆筒部23a，所述第二圆筒体23a的两端分别开设有混合段入口232a和扩张段出口233a，在第二圆筒部23a的外表面与引射套3a的内表面之间设置内密封圈4a进行密封，密封效果好。

所述第二圆筒部23a的一端设置有第二法兰翻边24a，所述第二法兰翻边24a上设置若干第二安装孔25a，所述引射套3a的后端面300a上设置多干第二螺孔34a，所述第二安装孔25a与第二螺孔34a位置对应，通过紧固螺钉5a穿过第二安装孔25a旋进第二螺孔34a将混合室2a安装在引射套3a上，安装结构简单，装配精度高。

所述第二圆筒部23a的外表面上设置至少一条第二环形凹槽231a，所述第二环形凹槽231a内安装有内密封圈4a，密封效果好，装配精度高。

所述第一法兰翻边16a的直径D1和第二法兰翻边24a的直径D2均小于或等于引射套3a的直径D3，所述喷嘴1a、混合室2a与引射套3a之间形成圆筒体，结构简单，整体安装占用空间小，容易与整个氢气回路其他零件一体化集成。

所述引射套3a的外表面两端分别设有若干第三环形凹槽35a和第四环形凹槽36a，所述引射套3a的缺口位于第三环形凹槽35a和第四环形凹槽36a之间，所述第三环形凹槽35a和第四环形凹槽36a内均安装有外密封圈6a，密封效果好。外密封圈6a与集块10里面挖出的通道内壁密封配合。密封效果好，安装方便，外密封圈6a和内密封圈4a都是O型密封圈。

实施例二：

如图1、图3、图14、图15所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器81、燃料电池电堆83和燃料电池供氢系统200，其特征在于：所述燃料电池供氢系统200为实施例一中所述的燃料电池供氢系统，所述进氢口接头4与高压氢气罐82连接，出氢口接头5与燃料电池电堆83的氢气入口连接，回氢口接头6与燃料电池电堆83的氢气出口831连接，燃料电池系统控制器81控制比例阀1、小型氢气循环泵3开启或者关闭，通过对燃料电池供氢系统200的改良，使燃料电池系统结构更简单、体积更小、使用更安全。

所述的引射器2的入口端21连接泄压阀7，在比例阀1与引射器2之间安装第一压力传感器12，在引射器2的出口端22与出氢口接头5安装第二压力传感器13，在小型氢气循环泵3与回氢口接头6安装第三压力传感器14，第一压力传感器12、第二压力传感器13和第三压力传感器14将不同部位的氢气管路压力信号传递到燃料电池系统控制器81。

在燃料电池系统高功率输出状态下，燃料电池系统控制器81关闭小型氢气循环泵3，利用引射器2的将回氢口接头6返回的未反应氢气导入到引流入口23，然后重新进入燃料电池电堆83；在燃料电池系统低功率输出状态下，开启小型氢气循环泵3，利用小型氢气循环泵3将回氢口接头6返回的未反应氢气直接导入到出氢口接头5重新进入燃料电池电堆83。

燃料电池系统高功率输出状态是指输出功率大于等于某个阀值，燃料电池系统低功率输出状态是指输出率小于某个阀值。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。可以设置为燃料电池系统高功率输出状态是指功率输出达到额定功率的40％，燃料电池系统低功率输出状态是指功率输出小于额定功率的40％。

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)

1.一种燃料电池供氢系统，其特征在于：它包括比例阀(1)、引射器(2)、小型氢气循环泵(3)、进氢口接头(4)、出氢口接头(5)和回氢口接头(6)及若干连接管路，比例阀(1)一端利用连接管路与进氢口接头(4)连接，比例阀(1)另一端利用连接管路与引射器(2)的入口端(21)连接，引射器(2)的出口端(22)利用连接管路连接出氢口接头(5)，回氢口接头(6)与出氢口接头(5)之间利用连接管路连接小型氢气循环泵(3)，回氢口接头(6)利用连接管路与引射器(2)的引流入口(23)连接,引射器(2)安装在集块(10)里面挖出的通道内，集块(10)设有高压氢气入口(101)、氢气供气出口(102)和氢气循环入口(103)，所述进氢口接头(4)安装在高压氢气入口(101)，所述出氢口接头(5)安装在氢气供气出口(102)，所述回氢口接头(6)安装在氢气循环入口(103)。

2.根据权利要求1的所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：引射器(2)的出口端(22)连接泄压阀(7)。

3.根据权利要求2的所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：在比例阀(1)与引射器(2)之间安装第一压力传感器(12)，在引射器(2)的出口端(22)与出氢口接头(5)之间安装第二压力传感器(13)，在小型氢气循环泵(3)与回氢口接头(6)安装第三压力传感器(14)。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：所述比例阀(1)、泄压阀(7)、第一压力传感器(12)、第二压力传感器(13)安装在集块(10)上。

5.根据权利要求4的所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：氢气循环入口(103)利用外部连接管路(61)与排气口(11)联通，排气口(11)连接吹扫阀，外部连接管路(61)与排气口(11)位于集块(10)外部。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：若干连接管路是在集块(10)内部挖掘通道形成。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：集块(10)的底部和一个侧面分别安装有第一加热板(104)和第二加热板(105)。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：所述小型氢气循环泵(3)安装在集块(10)的底部，小型氢气循环泵(3)位于第一加热板(104)的一侧。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池供氢系统，其特征在于：所述小型氢气循环泵(3)的底部设有安装脚(31)。

10.一种燃料电池系统，包括燃料电池系统控制器(81)、燃料电池电堆(83)和燃料电池供氢系统(200)，其特征在于：所述燃料电池供氢系统(200)为权利要求1至权利要求9中任意一项所述的燃料电池供氢系统，所述进氢口接头(4)与高压氢气罐(82)连接，出氢口接头(5)与燃料电池电堆(83)的氢气入口连接，回氢口接头(6)与燃料电池电堆(83)的氢气出口(831)连接，燃料电池系统控制器(81)控制比例阀(1)、小型氢气循环泵(3)开启或者关闭。

11.根据权利要求10所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述的引射器(2)的入口端(21)连接泄压阀(7)，在比例阀(1)与引射器(2)之间安装第一压力传感器(12)，在引射器(2)的出口端(22)与出氢口接头(5)安装第二压力传感器(13)，在小型氢气循环泵(3)与回氢口接头(6)安装第三压力传感器(14)，第一压力传感器(12)、第二压力传感器(13)和第三压力传感器(14)将不同部位的氢气管路压力信号传递到燃料电池系统控制器(81)。

12.根据权利要求11所述的一种燃料电池系统，其特征在于：在燃料电池系统高功率输出状态下，燃料电池系统控制器(81)关闭小型氢气循环泵(3)，利用引射器(2)的将回氢口接头(6)返回的未反应氢气导入到引流入口(23)，然后重新进入燃料电池电堆(83)；在燃料电池系统低功率输出状态下，开启小型氢气循环泵(3)，利用小型氢气循环泵(3)将回氢口接头(6)返回的未反应氢气直接导入到出氢口接头(5)重新进入燃料电池电堆(83)；燃料电池系统高功率输出状态是指功率输出达到额定功率的40％，燃料电池系统低功率输出状态是指功率输出小于额定功率的40％。