CN111342082B - 一种用于燃料电池系统的氢气循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池系统的氢气循环系统；包括膨胀机、燃料电池、高压氢罐、电动压缩机、电动机、逆变器、电磁阀、传感器、氢气循环泵、逆变器、气液分离器、燃料电池ECU、稀释器和消声器；所述燃料电池通过使来自氢气供应源的氢气和来自氧化剂气体供应源的氧化剂气体反应来产生电能，氢气循环泵设置在氢气循环路径中并且促使阳极出口的氢气循环通向燃料电池，并且利用燃料电池ECU通过与各个部件相连接，接收它们的电信号并且对其进行实时控制；本发明回收利用了高压氢气的压力能，使得高压氢罐中大量氢气的压力能未得到有效利用，相应提高了燃料电池能量利用率，并且提高了系统的稳定性和安全性。

Description

一种用于燃料电池系统的氢气循环系统

技术领域

本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池系统的氢气循环系统。

背景技术

近年来随着我国汽车保有量不断增长，石油需要量也不断增加，使得我国对外石油进口依存度不断提高，严重威胁能源安全。同时面对着日益紧张的环境污染以及能量来源的多样性，驱动电气化和能源多元化已经逐渐成为未来汽车发展方向，现代汽车发展的电动化也成为必然趋势。短期内传统内燃机车辆依然是主导地位，但是随着环境和能源问题的日益突出，各个国家纷纷公布传统内燃机汽车的禁售时间，新能源汽车成为世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点，其中氢燃料电池汽车以其高效率和零排放的特点被认为具有广阔的发展前景。目前的氢燃料电池体积较为紧凑、续航能力也更强，与电动车相比较而言在长距离行驶时，氢燃料电池汽车优势相对明显。氢燃料电池系统的电能由氢、氧化学反应的燃料电池组提供。

氢气循环系统属于燃料电池系统中一个重要的子系统，氢气循环系统负责向电堆连续提供一定压力和流量的高纯度氢气，保证燃料电池电堆中的电化学反应的正常进行，并且氢气循环系统通过对大量氢气的循环利用，保证了燃料电池内的水平衡，相应提高了系统的经济性。

近年来已经开发出使用燃料电池作为能量供应源的燃料电池系统，在一些燃料电池系统中采用了一种技术，通过使来自高压氢罐的氢气和经过压缩机得到的氧化剂气体反应来产生电能，氢气循环泵用于将从燃料电池中未完全反应后流出的少量氢气循环输送到燃料电池中再利用该气体。当车辆停止时，由燃料电池产生电能的正常操作也相应停止，此时会使燃料电池呈现高电势状态，如果保持这种状态，则会导致燃料电池中的催化剂减少并且使燃料电池的性能降低。同时，在车辆停止后由于系统未能充分地利用燃料电池中产生的电能而导致了能量的浪费。另外，由于很多燃料电池系统是在燃料电池阳极和供应氢气的高压氢罐之间直接单独放置一个电磁阀，这就使得高压氢罐装置中大量氢气的压力能也一直未得到有效地利用。

根据目前的研究状况来看，有文献报道了一种氢燃料电池系统中的氢气循环泵，该氢气循环泵包括电机、泵体和磁性连接结构；该氢气循环泵减少了氢气发生泄漏的现象，有效的提高了对氢气的密封性，但是尚未对系统中存在的能量损失问题提出可行的应对办法。此外，还有研究报道了一种适用于氢燃料电池汽车的压力能驱动氢气循环泵装置，其主要包括氢膨胀机和氢气泵组成的膨胀-压缩一体机；这种装置克服了传统电机驱动氢气循环泵泄露和润滑油污染问题，回收利用了高压氢气的压力能，相应提高了燃料电池能量利用率。但是，对于车辆停止后针对燃料电池系统中的电能的浪费情况未能提供解决办法。还有文献报道了一种用于燃料电池系统氢气循环系统，这种系统通过提高电堆阳极出口未反应氢气的压力来提高引射器工作性能，以降低了氢气循环泵的功耗和加工难度。但是，对于车辆停止时燃料电池中电能的损耗问题并没有提供有效的处理方法，这会影响燃料电池的使用性能，降低了能源利用率和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，提出了一种新颖的用于燃料电池系统的氢气循环系统，该系统不仅可以通过高压氢罐中氢气的压力能带动压缩机和氢气循环泵运转，而且能够在车辆停止时将燃料电池中的电能充分利用起来而不是直接浪费掉，进而提高能量利用效率。并且通过合理地使用燃料电池ECU来对相关器件进行实时地检测和控制，降低车辆停止期间燃料电池中电能的损失并且延长了燃料电池的使用寿命。

为了实现以上目的，本发明包括以下步骤：

一种燃料电池系统的氢气循环系统，包括膨胀机一、燃料电池、高压氢罐、压缩机、电动机一、逆变器、电磁阀三、传感器、氢气循环泵、电动机二、逆变器、膨胀机二、气液分离器、燃料电池ECU、稀释器和消声器。

所述的高压氢罐的一端设有两条支路；两条支路上分别设有电磁阀一与电磁阀二，通过电磁阀一与电磁阀二与膨胀机一和膨胀机二连接；所述的膨胀机一、电动机一和压缩机依次连接，构成膨胀机和压缩机一体化装置；

所述电动机一的一端还连接有逆变器；所述膨胀机一另一端与电磁阀三相连，膨胀机一与电磁阀三连接，且两者之间设有传感器和单向阀；

所述膨胀机二的一端与电磁阀三相连，膨胀机二与电磁阀三之间设有单向阀；

所述膨胀机二的另一端依次连接有电动机二和氢气循环泵，构成膨胀机和氢气循环泵一体化装置；所述电动机二与逆变器相连；

所述电磁阀三另一端与燃料电池的阳极相连，所述电磁阀三与燃料电池的阳极之间设有传感器；

所述燃料电池的阳极出口连接有气液分离器，气液分离器的一端与氢气循环泵相连；氢气循环泵与燃料电池的阳极相连；

所述燃料电池ECU分别与电磁阀、传感器、逆变器、传感器和逆变器电性连接，接收它们的电信号并且对相关部件进行实时控制。

优选的，所述气液分离器的另一端还依次连接有稀释器和消声器。

优选的，所述氢气循环泵与燃料电池之间还设有单向阀。

本发明还提供一种燃料电池系统的氢气循环系统的工作方法：

S1、高压氢罐用于储存氢气；工作时，开启电磁阀一、电磁阀二、单向阀和单向阀，通过利用高压氢罐中氢气的压力能带动压缩机和氢气循环泵工作，其间传感器将压力信息传送到燃料电池ECU；

S2、空气通过压缩机被输送到燃料电池的阴极，开启电磁阀三，氢气被输送到燃料电池的阳极，其间传感器将压力信息传送到燃料电池ECU；气液分离器将从燃料电池的阳极出口流出的氢气和水分离，氢气循环泵将此处氢气循环传输到燃料电池的阳极，稀释器和消声器将从气液分离器排出的烟雾和燃料电池的阴极出口流出的废气稀释后一起排出到燃料电池系统的外部；

S3、当氧化剂气体供应源向燃料电池停止供应氧化剂气体时，通过燃料电池ECU发送信息使压缩机停止工作，关闭电磁阀一、电磁阀二、单向阀和单向阀，通过燃料电池ECU利用燃料电池中产生的电能带动氢气循环泵运转；当氧化剂气体供应源向燃料电池正常供应氧化剂气体时，系统将继续如步骤S1和S2进行工作。

燃料电池系统正常运行时通过膨胀机将高压氢罐中氢气的压力能利用起来，为驱动压缩机和氢气循环泵提供能量，然后再通过单向阀和电磁阀将经由两个膨胀机流出的氢气利用起来供给燃料电池的阳极。当氧化剂气体供应源向燃料电池停止供应氧化剂气体时，通过燃料电池ECU发出指令使得氢气循环泵停止使用高压氢罐中的的压力能，将燃料电池中剩余的电能改为供应给氢气循环泵以带动其运转，以此可以减少能量损失。

在氢气循环泵及高压氢罐之间设置膨胀机二，氢气循环泵和膨胀机二共用一根轴构成一体化装置。根据本发明的要求，以氢气循环泵为主的氢气循环设置，将从燃料电池的阳极出口流出的氢气再次循环至燃料电池中；燃料电池ECU作为整个系统中接收和发送信号的控制中心，当氧化剂气体供应源向燃料电池停止供应氧化剂气体时，通过燃料电池ECU将燃料电池中产生的电能提供给氢气循环泵，并且利用燃料电池ECU向每个控制装置发出输出性能的指令而使燃料电池正常运行。

本发明的优点和技术效果是：

(1)本发明不仅可以通过高压氢罐中氢气的压力能带动压缩机和氢气循环泵运转，而且能够在车辆停止时将燃料电池中的电能充分利用起来而不是直接浪费掉，进而提高能量利用效率；并且通过合理地使用燃料电池ECU来对相关器件进行实时地检测和控制，降低车辆停止期间燃料电池中电能的损失并且延长了燃料电池的使用寿命。

(2)本发明回收利用了高压氢气的压力能，使得高压氢罐中大量氢气的压力能未得到有效利用，相应提高了燃料电池能量利用率，并且提高了系统的稳定性和安全性。

附图说明

图1是氢气循环系统的结构示意图。

图2为燃料电池系统的内部构造示意图。

附图标记：7-膨胀机，7a-传感器，7b-单向阀，8-燃料电池，9-高压氢罐，9a-电磁阀，9b-电磁阀，10-压缩机，10a-电动机，10b-逆变器，11-燃料电池ECU，12a-电磁阀，12b-传感器，13-氢气循环泵，13a-电动机，13b-逆变器，14-膨胀机，14a-单向阀，16-稀释器，17-气液分离器，18-消声器，19-DC/DC转换器，20-电压表，21-蓄电装置，22-燃料电池附件，23-车辆控制器，24-车辆负载部件，25-单向阀，101-燃料电池系统，110-膨胀机和压缩机一体化装置，100-膨胀机和氢气循环泵一体化装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施实例对本发明做进一步说明。

以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。

实施例1：

如图1所示，一种燃料电池系统的氢气循环系统，包括膨胀机一7、燃料电池8、用于储存氢气的高压氢罐9、用于输送含氧空气的压缩机10、电动机一10a、逆变器10b、电磁阀三12a、传感器12b、氢气循环泵13、电动机二13a、逆变器13b、膨胀机二14、气液分离器17、燃料电池ECU11、稀释器16和消声器18；其中燃料电池ECU 11用于控制与燃料电池系统101相关的每个装置；

高压氢罐9的一端设有两条支路；两条支路上分别设有电磁阀一9a与电磁阀二9b，通过电磁阀一9a与电磁阀二9b与膨胀机一7和膨胀机二14连接；所述的膨胀机一7、电动机一10a和压缩机10依次连接，构成膨胀机和压缩机一体化装置110；

电动机一10a的一端还连接有逆变器10b；所述膨胀机一7另一端与电磁阀三12a相连，膨胀机一7与电磁阀三12a连接，且两者之间设有传感器7a和单向阀7b；

膨胀机二14的一端与电磁阀三12a相连，膨胀机二14与电磁阀三12a之间设有单向阀14a；

膨胀机二14的另一端依次连接有电动机二13a和氢气循环泵13，构成膨胀机和氢气循环泵一体化装置100；所述电动机二13a与逆变器13b相连；

电磁阀三12a另一端与燃料电池8的阳极相连，所述电磁阀三12a与燃料电池8的阳极之间设有传感器12b；

燃料电池8的阳极出口连接有气液分离器17，气液分离器17的一端与氢气循环泵13相连；另一端还依次连接有稀释器16和消声器18；氢气循环泵13与燃料电池8的阳极相连，两者之间还设有单向阀25。

所述燃料电池ECU11分别与电磁阀12、传感器12b、逆变器10b、传感器15b和逆变器13b电性连接，接收它们的电信号并且对相关部件进行实时控制。

氢气循环系统包括用于储存氢气的高压氢罐9、用于输送含氧空气的压缩机10和用于控制与燃料电池系统101相关的每个装置操作的燃料电池ECU 11；膨胀机一7、电动机一10a和压缩机10依次连接构成膨胀机和压缩机一体化装置110，通过利用高压氢罐9中大量的压力能带动该一体化装置110运转；由压缩机10流出的氧化剂气体被输送到燃料电池8的阴极，压缩机10的电动机一10a与逆变器10b相连接，并且燃料电池ECU 11通过控制逆变器10b来控制电机10a的转速以调节供应的电能。

通过电磁阀12a来调节供应到燃料电池8的氢气流量，并且将高压氢罐9输送的氢气供应到燃料电池8中的每个电池的阳极，其间设置有一个传感器12b用来检测从高压氢罐9供应到燃料电池8的氢气的压力，以便传输所感应到的压力信息。高压氢罐9处压强非常大，相比较而言燃料电池8所需要的氢气压强比较小。

传统的方法仅仅是通过配置电磁阀用来调节压差，使得供给到燃料电池8阳极的氢气量达到标准，这期间就损失了大量的压力能。

如图1中通过构建膨胀机和压缩机一体化装置110、膨胀机和氢气循环泵一体化装置100有效利用了高压氢罐9处的压力能。图1中所有单向阀都是为了防止氢气逆流，在燃料电池阳极出口设置气液分离器17，用于将阳极流出的氢气和水进行分离，并且使氢气流向氢气循环泵13、使水流入稀释器16；从燃料电池阴极流出的未使用完全的氧化剂气体直接接入稀释器16；此外，氢气循环泵13的电动机13a与逆变器13b电连接，氢气循环泵13与高压氢罐9之间又连接有膨胀机二14，电动机13a通过高压氢罐9和膨胀机二14供能。氢气循环泵13将未使用完全的氢气循环供应到燃料电池阳极，其间设置单向阀25防止氢气倒流。燃料电池ECU 11通过逆变器13b来控制氢气循环泵13的电动机13a的转速进而调节所供应的电能。

稀释器16出口还连接有消声器18，从气液分离器17排出的阳极的烟雾在被从阴极流出的含有大量空气的废气稀释后一起被排出到燃料电池系统101的外部。燃料电池ECU分别与电磁阀12、传感器12b、逆变器10b、传感器15b和逆变器13b电性连接，接收它们的电信号并且对相关部件进行实时控制。

图2是燃料电池系统101的内部构造图，重点显示了燃料电池系统101中的电气部件的配置。DC/DC转换器19，用于将输入电压转变为有效输出固定电压；电压表20，设置在燃料电池8和DC-DC转换器19之间实时检测电压；蓄电装置21用于存储由燃料电池8、逆变器10b和13b产生的电能；燃料电池附件22，用于操作燃料电池系统101。燃料电池ECU 11通过打开电磁阀12从高压氢罐9向燃料电池8供应氢气，并通过启动压缩机10将空气传送到燃料电池8，氢气和氧化剂气体反应后产生的电能存储在蓄电装置21中。同时，通过膨胀机二14提供动力驱动氢气循环泵13，使在燃料电池8阳极出口流出的氢气通过氢气循环泵13循环输送到燃料电池8阳极，换句话说，燃料电池ECU 11通过向每个装置发出输出性能的指令而使燃料电池8正常运行。当车辆的货物装卸工作完成之后，车辆进入空转状态并且车辆负载部件减少，从而不再需要燃料电池8的发电。这时燃料电池ECU11通过关闭电磁阀12、电磁阀15来中断高压氢罐9对阳极氢气的供应和对氢气循环泵13的供能，并且停止向压缩机10供电以使它停止。然后，当从电压表20接收的燃料电池8的电池电压超过预定电压阀值时，燃料电池ECU 11再次启动氢气循环泵1将阳极出口流出的氢气再循环到燃料电池8，此时氢气循环泵13由燃料电池8进行供能。此时，残留在燃料电池8中氧和氢经历电化学反应，残留的氧逐渐被消耗，导致由燃料电池8中的氧和氢产生的电势减小，在此期间产生的电能被用于激活氢气循环泵13。此操作的优势是在切断高压氢罐9中氢气供应的情况下，防止了燃料电池8的高电势，从而抑制燃料电池8的电池中的催化剂的劣化。并且这也减少了能量的浪费，能够有效地使用电能。当从电压表20接收的燃料电池8的电池电压低于预定电压阀值，燃料电池ECU11停止向氢气循环泵13供电，切换到继续通过膨胀机二14提供动力驱动氢气循环泵13。

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统的氢气循环系统，其特征在于，包括膨胀机一(7)、燃料电池(8)、高压氢罐(9)、压缩机(10)、电动机一(10a)、逆变器(10b)、电磁阀三(12a)、传感器(12b)、氢气循环泵(13)、电动机二(13a)、逆变器(13b)、膨胀机二(14)、气液分离器(17)、燃料电池ECU(11)、稀释器(16)和消声器(18)；

所述的高压氢罐(9)的一端设有两条支路，两条支路上分别设有电磁阀一(9a)与电磁阀二(9b)，通过电磁阀一(9a)与电磁阀二(9b)与膨胀机一(7)和膨胀机二(14)连接；所述的膨胀机一(7)、电动机一(10a)和压缩机(10)依次连接，构成膨胀机和压缩机一体化装置(110)；

所述电动机一(10a)的一端还连接有逆变器(10b)；所述膨胀机一(7)另一端与电磁阀三(12a)相连，膨胀机一(7)与电磁阀三(12a)连接，且两者之间设有传感器(7a)和单向阀(7b)；

所述膨胀机二(14)的一端与电磁阀三(12a)相连，膨胀机二(14)与电磁阀三(12a)之间设有单向阀(14a)；

所述膨胀机二(14)的另一端依次连接有电动机二(13a)和氢气循环泵(13)，构成膨胀机和氢气循环泵一体化装置(100)；所述电动机二(13a)与逆变器(13b)相连；

所述电磁阀三(12a)另一端与燃料电池(8)的阳极相连，所述电磁阀三(12a)与燃料电池(8)的阳极之间设有传感器(12b)；

所述燃料电池(8)的阳极出口连接有气液分离器(17)，气液分离器(17)的一端与氢气循环泵(13)相连；氢气循环泵(13)与燃料电池(8)的阳极相连；

所述燃料电池ECU(11)分别与电磁阀(12)、传感器(12b)、逆变器(10b)、传感器(15b)和逆变器(13b)电性连接，接收它们的电信号并且对其进行实时控制。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的氢气循环系统，其特征在于，所述气液分离器(17)的另一端还依次连接有稀释器(16)和消声器(18)。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的氢气循环系统，其特征在于，所述氢气循环泵(13)与燃料电池(8)之间还设有单向阀(25)。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种燃料电池系统的氢气循环系统的工作方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1.高压氢罐(9)用于储存氢气；工作时，开启电磁阀一(9a)、电磁阀二(9b)、单向阀(7b)和单向阀(14a)，通过利用高压氢罐(9)中氢气的压力能带动压缩机(10)和氢气循环泵(13)工作，其间传感器(7a)将压力信息传送到燃料电池ECU(11)；

S2.空气通过压缩机(10)被输送到燃料电池(8)的阴极，开启电磁阀三(12a)，氢气被输送到燃料电池(8)的阳极，其间传感器(12b)将压力信息传送到燃料电池ECU(11)；气液分离器(17)将从燃料电池(8)的阳极出口流出的氢气和水分离，氢气循环泵(13)将此处氢气循环传输到燃料电池(8)的阳极，稀释器(16)和消声器(18)将从气液分离器(17)排出的烟雾和燃料电池(8)的阴极出口流出的废气稀释后一起排出到燃料电池系统的外部；

S3.当氧化剂气体供应源向燃料电池(8)停止供应氧化剂气体时，通过燃料电池ECU(11)发送信息使压缩机(10)停止工作，关闭电磁阀一(9a)、电磁阀二(9b)、单向阀(7b)和单向阀(14a)，通过燃料电池ECU(11)利用燃料电池(8)中产生的电能带动氢气循环泵(13)运转；当氧化剂气体供应源向燃料电池(8)正常供应氧化剂气体时，系统将继续如步骤S1和S2进行工作。

Images