CN110600769A - 氢气循环装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氢气循环装置，旨在实现氢气循环系统的集成。所述氢气循环装置，包括循环加压装置和汽水分离器，所述循环加压装置与所述汽水分离器相紧邻设置并形成一个整体，所述循环加压装置包括氢气进口、氢气出口和沿所述氢气进口到所述氢气出口依次设置的切断阀、比例阀和至少一路引射器，所述切断阀连接到所述氢气进口，所述切断阀与所述比例阀连接，所述比例阀与所述引射器连接，所述引射器连接到所述氢气出口，所述汽水分离器包括回氢口和出氢口，所述出氢口连接到引射器。本发明将氢气循环系统的所有部件集中到一个装置上，整体体积和重量可以减小70%以上，有助于提高燃料电池系统的功率密度和发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及氢气净化技术领域，尤其涉及一种氢气循环装置。
背景技术
氢气循环系统是燃料电池动力模块的重要单元，用于向燃料电池堆输送氢气，并对氢气尾气进行净化后循环利用。现有氢气循环系统大都是由分离原件组成的一个系统单元，系统单元里的大多数部件由不同的厂家供应，然后在分散地组成一个循环系统，而分散的系统部件繁多，集成度较差，会占据很大的空间，进而会增大整个燃料电池动力模块的体积。同时，在分散系统中，通常都会采用氢气循环泵为氢气的循环提供动力，氢气循环泵体积较大，功耗也较大，很不利于燃料电池系统功率密度的提高。
发明内容
鉴于以上内容，本发明提供一种氢气循环装置，旨在实现氢气循环系统的集成，进而降低氢气循环系统的体积和重量。
一种氢气循环装置，包括循环加压装置和汽水分离器，所述循环加压装置与所述汽水分离器相紧邻设置并形成一个整体，所述循环加压装置包括氢气进口、氢气出口和沿所述氢气进口到所述氢气出口依次设置的切断阀、至少一路比例阀和引射器的组合，所述切断阀连接到所述氢气进口，所述切断阀与所述比例阀连接，所述比例阀与所述引射器连接，所述引射器连接到所述氢气出口，所述汽水分离器包括回氢口和出氢口，所述出氢口连接到引射器。
进一步地，所述氢气循环装置还包括purge阀，所述purge阀设置在所述循环加压装置，所述循环加压装置还设置有purge出口，所述purge阀连接到所述purge出口。
进一步地，所述循环加压装置还包括泄压阀，所述泄压阀连接在所述引射器和所述氢气出口之间。
进一步地，所述循环加压装置还包括设置在所述切断阀和所述比例阀之间的通路上的第一压力传感器。
进一步地，所述氢气出口之前设置有第二压力传感器和\或第一温度传感器。
进一步地，所述引射器包括喷嘴和文丘里管，所述喷嘴出口插设入文丘里管的进口内，所述喷嘴与所述文丘里管的连接处设置有引射器混合室，所述出氢口与所述引射器混合室连通。
进一步地，所述循环加压装置包括第一壳体，所述氢气进口和所述氢气出口分别设置在所述第一壳体相对的两侧，所述引射器设置所述第一壳体内，所述切断阀和所述比例阀设置在所述第一壳体外，所述汽水分离器包括第二壳体，所述第一壳体与所述第二壳体紧邻设置。
进一步地，所述第一壳体设置在所述第二壳体上方，所述出氢口设置在所述第二壳体顶部，且设置在所述引射器下方。
进一步地，所述第二壳体内形成有第一腔体，所述第一腔体内交错设置有第一隔板和第二隔板。
进一步地，所述第一隔板和所述第二隔板至少占据所述第一腔体截面的一半。
进一步地，所述回氢口设置所述第一腔体的底部。
进一步地，所述回氢口一侧的所述第二壳体面上设置有排氮膜。
进一步地，所述第一腔体内的上部设有第二温度传感器和\或所述第一腔体内的下部设置有湿度传感器。
进一步地，所述第二壳体内的底部形成有第二腔体，所述第二腔体与所述第一腔体连通且位于所述第一腔体下方，所述第二腔体与所述第一腔体之间设置有第三隔板。
进一步地，所述第二腔体内的顶部设置有第一液位传感器和\或所述第二腔体底部设置有第二液位传感器。
进一步地，所述第二腔体底部设置有排水阀。
本发明有益效果：
（1）本发明将氢气循环系统的所有部件集中到一个装置上，整体体积和重量可以减小70%以上，有助于提高燃料电池系统的功率密度和发电效率；
（2）本发明可以极大地提高氢气循环系统的集成度，并大大简化了氢气循环系统的复杂程度，提高了氢气循环系统的可靠性和维护性；
（3）本发明使用引射器替代了具有机械转动部件的氢气循环泵，可有效降低整个BOP（Balance Of Plant，辅助部件）的功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的氢气循环装置的外部结构示意图；
图2是本发明实施例提供的氢气循环装置的内部结构示意图；
图3是本发明实施例提供的氢气循环装置的引射器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的双路引射器的爆炸结构示意图。
主要元件符号说明
氢气循环装置 10
循环加压装置 100
第一壳体 101
氢气进口 102
氢气出口 103
切断阀 104
第一连接管 105
比例阀 106
第一比例阀 1061
第二比例阀 1062
第二连接管 107
第一第二连接管 1071
第二第二连接管 1072
引射器 108
喷嘴 1081
文丘里管 1082
引射器混合室 1083
第一引射器 1084
第二引射器 1085
第三连接管 109
第一第三连接管 1091
第二第三连接管 1092
泄压阀 110
第一压力传感器 111
第二压力传感器 112
第一温度传感器 113
汽水分离器 200
第二壳体 201
第一腔体 202
第二腔体 203
回氢口 204
出氢口 205
第一隔板 206
第二隔板 207
第三隔板 208
第二温度传感器 209
湿度传感器 210
第一液位传感器 211
第二液位传感器 212
排水阀 213
排氮膜 214
purge阀 300
purge出口 301
第四连接管 302。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。为使本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
图1、图2示出了本实施例的氢气循环装置10的结构示意图，氢气循环装置10包括循环加压装置100和汽水分离器200，循环加压装置100与汽水分离器200相紧邻设置而形成一个整体。
循环加压装置100可以设置在汽水分离器200上方、下方或四周，本实施例示出了循环加压装置100设置在汽水分离器200上方的实施方式，并以此说明氢气循环装置10的技术特征。
如图1、图2所示，循环加压装置100包括第一壳体101，在第一壳体101相对的两个侧面上分别设置有氢气进口102和氢气出口103，氢气进口102与氢气源相连接，氢气出口103连接到电堆。
沿氢气进口102和氢气出口103依次设置有切断阀104、至少一路比例阀106和引射器108的组合，切断阀104与氢气进口102相连接，切断阀104通过第一连接管105与比例阀106相连接，比例阀106通过第二连接管107与引射器108相连接，引射器108通过第三连接管109连接到氢气出口103。氢气由氢气进口102进入循环加压装置100，经由切断阀104、比例阀106后进入引射器108内加压，然后由氢气出口103进入电堆内。
本实施例中，切断阀104起保护作用，用以在燃料电池系统发生故障或者储氢系统发生故障时候紧急切断氢气进口102，或\和在燃料电池系统停机时关断氢气进口102，保证不会有氢气渗透到电堆中损伤膜电极。
本实施例中，比例阀106可以为电磁比例阀，通过比例阀106可以有效稳定电堆进口的氢气压力。
图3示出了引射器108的示意图，引射器108包括喷嘴1081和文丘里管1082，喷嘴1081出口插入文丘里管1082进口内形成引射器108，喷嘴1081和文丘里管1082的连接处还设置有引射器混合室1083，引射器混合室1083与文丘里管1082之间通过开设在文丘里管1082上的连接孔连通，引射器混合室1083还与汽水分离器200连通。引射器108用于增加循环氢气的压力，喷嘴1081的进口与第二连接管107的出口连接，文丘里管1082的出口与第三连接管109的进口连接。
如图2所示，循环加压装置100可以包括一路比例阀106和引射器108的组合，一路比例阀106和引射器108可以覆盖燃料电池的功率为5~60kw。
图4示出了双路引射器的爆炸结构示意图，循环加压装置100还可以包括两路比例阀106和引射器108的组合，比例阀106包括第一比例阀1061和第二比例阀1062，引射器108包括第一引射器1084和第二引射器1085。其中，第一引射器1084和第二引射器1085均由喷嘴1081和文丘里管1082插接组合而成，第一引射器1084、第二引射器1085的喷嘴1081和文丘里管1082的连接处可以共同设置一个的与出氢口205连通的引射器混合室1083，或者第一引射器1084、第二引射器1085的喷嘴1081和文丘里管1082的连接处也可以分别设置一个的与出氢口205连通的引射器混合室1083。
如图4所示，切断阀104通过第一连接管105同时与第一比例阀1061和第二比例阀1062连接，第一比例阀1061通过第一第二连接管1071与第一引射器1084连接，第二比例阀1062通过第二第二连接管1072与第二引射器1085连接，第一引射器1084的出口通过第一第三连接管1091与氢气出口103连接，第二引射器1085的出口通过第二第三连接管1092与氢气出口103连接。氢气由氢气进口102进入循环加压装置100，经由切断阀104分别进入第一比例阀1061和第二比例阀1062内，进入第一比例阀1061的氢气在第一引射器1084内加压后由氢气出口103送入电堆内，进入第二比例阀1062的氢气在第二引射器1085内加压后由氢气出口103送入电堆内。
本实施例中，两路比例阀106和引射器108可以覆盖燃料电池的功率为5~120kw。
可以理解的，循环加压装置100还可以包括多于两路的比例阀106和引射器108的组合，以实现对更高燃料电池功率的覆盖。
如图1、图2所示，循环加压装置100还可以设置泄压阀110，泄压阀110设置在氢气出口103之前，泄压阀110可以在氢气出口103的氢气压力过高时适当泄压，以实现限度氢气出口103的氢气压力的作用。
如图1、图2所示，氢气循环装置10还可以设置purge阀300，purge阀300与汽水分离器200连通，purge阀300可以按一定的频率开启，以定期排除汽水分离器200中积聚的氮气、氢气自身富集的杂质气体和电堆反应带出的杂质气体。
purge阀300可以在设置在循环加压装置100上，purge阀300通过第四连接管302与汽水分离器200连通，循环加压装置100上设置有purge出口301，purge阀300连接到purge出口301，purge阀300通过purge出口301以实现定期排除汽水分离器200中积聚的氮气、氢气自身富集的杂质气体和电堆反应带出的杂质气体。
本实施例中，purge阀300可以为加热膜片隔离阀，以防止在低温环境停机时结冰而将铁芯与线圈冻住，避免影响低温启动开机性能。
如图1所示，循环加压装置100还可以设置第一压力传感器111和第二压力传感器112。第一压力传感器111设置在切断阀104和比例阀106之间的通路上，第一压力传感器111用于检测比例阀106前端的压力；第二压力传感器112设置在氢气出口103之前，第二压力传感器112用于检测氢气出口103的氢气压力，其中，第二压力传感器112可以与燃料电池的控制器连接，燃料电池的控制器可以根据第二压力传感器112检测的氢气出口103的氢气压力控制比例阀106的开度，以实现稳定氢气出口103的氢气压力。
其中，第二压力传感器112可以为平膜式压力传感器，以避免使用普通传感器时，在汽水分离器200未完全分离的液滴进入的传感器的小孔内，并在低温的环境时结冰而影响第二压力传感器112的正常工作，进而避免对燃料电池系统造成损坏。
如图1所示，循环加压装置100还可以设置第一温度传感器113，第一温度传感器113设置在氢气出口103之前，用于在低温启动时修正氢气出口103的氢气的流量。
如图1、图2所示，引射器108、第一连接管105、第二连接管107、第三连接管109和第四连接管302可以设置在第一壳体101的内部，切断阀104、比例阀106、purge阀300、泄压阀110、第一压力传感器111、第二压力传感器112和第一温度传感器113可以设置在第一壳体101的外表面上，其中，切断阀104、比例阀106、purge阀300和泄压阀110可以并列设置，以减少氢气循环装置10的体积。
如图1、图2所示，汽水分离器200可以设置有第二壳体201，第二壳体201与第一壳体101紧邻相连，且第二壳体201与第一壳体101内部相互隔离。
第二壳体201内形成有第一腔体202和第二腔体203，第一腔体202为分离室，用于分离氢气尾气中的氢气和液滴；第二腔体203为储液室，用于储存在第一腔体202中分离下来的水滴。
第二腔体203位于第一腔体202下方并与第一腔体202连通，第一腔体202和第二腔体203之间设置有第三隔板208。第三隔板208用于分离第一腔体202和第二腔体203，保证第二腔体203内的液体不会渗透到第一腔体202中。
如图1、图2所示，汽水分离器200设置有回氢口204和出氢口205，回氢口204可以设置在第一腔体202的底部或四周，出氢口205可以设置在第一腔体202的顶部，并可以设置在引射器混合室1083的下方，出氢口205与引射器混合室1083相连接。其中，在电堆内反应后的一部分氢气尾气经过回氢口204进入汽水分离器200，在汽水分离器200中气液分离后的氢气由出氢口205进入引射器混合室1083，并在引射器混合室1083中经加压后进入文丘里管1082与由氢气进口102进入的氢气混合，然后由氢气出口103引入电堆内再次反应。
本实施例中，出氢口205还可以与第四连接管302连接，进而实现purge阀300与汽水分离器200的连接。purge阀300可以定期排除积聚在出氢口205的氮气、氢气自身富集的杂质气体和电堆反应带出的杂质气体，以实现定期排除汽水分离器200中积聚的氮气、氢气自身富集的杂质气体和电堆反应带出的杂质气体。
如图2所示，第一腔体202内交错设置有第一隔板206和第二隔板207，第一隔板206和第二隔板207均可以至少占据第一腔体202截面的一半。第一隔板206和第二隔板207用于实现氢气尾气的汽水分离。
如图1、图2所示，第二腔体203底部可以设置有排水阀213，排水阀213用于定期排除第二腔体203内的积水。其中，排水阀213可以为加热隔离电磁阀，在低温启动前可以启动加热功能融化管道内的冰，以避免低温启动时管路内的结冰堵塞管路。
如图1、图2所示，汽水分离器200可以设置有第二温度传感器209和湿度传感器210，其中，第二温度传感器209和湿度传感器210均设置在第一腔体202内。第二温度传感器209用于检测出堆氢气的温度；湿度传感器210用于检测整个氢气路的湿度情况，进而从侧面监测燃料电池的反应情况。
如图1、图2所示，第二腔体203的上部和下部可以分别设置第一液位传感器211和第二液位传感器212，第一液位传感器211用于检测第二腔体203内的积水是否高于最高水位，第二液位传感器212用于检测第二腔体203内的积水是否低于最低水位。
其中，若第一液位传感器211检测到第二腔体203内水位高于最高水位时，则排水阀213启动，第二腔体203开始排除积水；若第二液位传感器212检测到第二腔体203内水位低于最低水位时，则排水阀213关闭，第二腔体203停止排除积水。第二腔体203内水位在最高水位和最低水位之间可以保证氢气循环装置10出于最佳运行状态。
如图1、图2所示，第二腔体203的壁面上还可以设置排氮膜214，排氮膜214用于选择性地排出氮气，进而降低purge阀300的工作频率，保障燃料电池的反应，提高氢气的利用率。
其中，排氮膜214可以为N1、N2或P3膜纤维等制成。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参见前述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各实施例技术方案的范围。
Claims (16)
1.一种氢气循环装置，包括循环加压装置和汽水分离器，其特征在于，所述循环加压装置与所述汽水分离器相紧邻设置并形成一个整体，所述循环加压装置包括氢气进口、氢气出口和沿所述氢气进口到所述氢气出口依次设置的切断阀、至少一路比例阀和引射器的组合，所述切断阀连接到所述氢气进口，所述切断阀与所述比例阀连接，所述比例阀与所述引射器连接，所述引射器连接到所述氢气出口，所述汽水分离器包括回氢口和出氢口，所述出氢口连接到引射器。
2.如权利要求1所述的氢气循环装置，其特征在于，所述氢气循环装置还包括purge阀，所述purge阀设置在所述循环加压装置，所述循环加压装置还设置有purge出口，所述purge阀连接到所述purge出口。
3.如权利要求1所述的氢气循环装置，其特征在于，所述循环加压装置还包括泄压阀，所述泄压阀连接在所述引射器和所述氢气出口之间。
4.如权利要求1所述的氢气循环装置，其特征在于，所述循环加压装置还包括设置在所述切断阀和所述比例阀之间的通路上的第一压力传感器。
5.如权利要求1所述的氢气循环装置，其特征在于，所述氢气出口之前设置有第二压力传感器和\或第一温度传感器。
6.如权利要求1所述的氢气循环装置，其特征在于，所述引射器包括喷嘴和文丘里管，所述喷嘴出口插设入文丘里管的进口内，所述喷嘴与所述文丘里管的连接处设置有引射器混合室，所述出氢口与所述引射器混合室连通。
7.如权利要求1~6中任意一项所述的氢气循环装置，其特征在于，所述循环加压装置包括第一壳体，所述氢气进口和所述氢气出口分别设置在所述第一壳体相对的两侧，所述引射器设置所述第一壳体内，所述切断阀和所述比例阀设置在所述第一壳体外，所述汽水分离器包括第二壳体，所述第一壳体与所述第二壳体紧邻设置。
8.如权利要求7所述的氢气循环装置，其特征在于，所述第一壳体设置在所述第二壳体上方，所述出氢口设置在所述第二壳体顶部，且设置在所述引射器下方。
9.如权利要求7所述的氢气循环装置，其特征在于，所述第二壳体内形成有第一腔体，所述第一腔体内交错设置有第一隔板和第二隔板。
10.如权利要求9所述的氢气循环装置，其特征在于，所述第一隔板和所述第二隔板至少占据所述第一腔体截面的一半。
11.如权利要求9所述的氢气循环装置，其特征在于，所述回氢口设置在所述第一腔体的底部。
12.如权利要求11所述的氢气循环装置，其特征在于，所述回氢口一侧的所述第二壳体面上设置有排氮膜。
13.如权利要求7所述的氢气循环装置，其特征在于，所述第一腔体内的上部设有第二温度传感器，和\或 所述第一腔体内的下部设置有湿度传感器。
14.如权利要求7所述的氢气循环装置，其特征在于，所述第二壳体内的底部形成有第二腔体，所述第二腔体与所述第一腔体连通且位于所述第一腔体下方，所述第二腔体与所述第一腔体之间设置有第三隔板。
15.如权利要求14所述的氢气循环装置，其特征在于，所述第二腔体内的顶部设置有第一液位传感器，和\或 所述第二腔体底部设置有第二液位传感器。
16.如权利要求14所述的氢气循环装置，其特征在于，所述第二腔体底部设置有排水阀。
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