CN112377432A - 一种循环泵、循环装置及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种循环泵、循环装置及燃料电池系统，涉及燃料电池技术领域，该循环泵包括：循环泵泵头；涡轮驱动组件，与循环泵泵头相连接，能够驱动循环泵泵头运转，涡轮驱动组件包括：壳体；涡轮，转动设置于壳体内，能够在气流的驱动下旋转，涡轮通过传动轴与循环泵泵头相连接；气流入口和气流出口，开设在壳体上；该循环泵利用涡轮驱动组件代替电机为循环泵泵头提供动力，节约电能并降低成本。

Description

一种循环泵、循环装置及燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种循环泵、循环装置及燃料电池系统。
背景技术
氢燃料电池在实际的应用过程中，必须与其他系统辅件共同组成燃料电池系统才能实现对外的功率输出，大功率的燃料电池系统一般包括供氢系统、氢循环系统、空气系统、冷却系统等。其中，氢循环系统的主要原理如图1所示，阳极端的氢气从供氢系统经过比例阀101供入电堆102；流出电堆的废气仍含有大量未反应的氢气，此时若废气直接排放，不仅会造成氢气的浪费，也会因高含氢量导致安全等其他问题；因此，燃料电池系统，尤其是大功率燃料电池系统中通常利用循环泵103将阳极流出的气体重新引回阴极入口端，构成氢循环系统。同时，将高含湿量的阳极出口气倒回入口侧，也有利于对入口气体进行增湿。
氢循环方案中，最常用的有氢气循环泵和引射器两种方案，氢气循环泵方案是指在系统中引入氢气循环泵，通过循环泵的循环作用将阳极出口气体泵回阳极入口；引射器方案是指在阳极入口处引入引射器，根据文丘里效应借助从供氢系统中供入新鲜氢气的动能带动阳极出口气体进行循环。两种方案比较来看，采用氢气循环泵可以覆盖所有工况下循环量的需求，且循环气体压力更稳定，但氢气循环泵需要外接电机进行驱动，消耗电堆发出的功率，降低系统输出效率；引射器方案不需要消耗额外功率，结构简单，但小流量下引射效果不佳，不能覆盖全部工况。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中氢气循环泵需要外接电机进行驱动，消耗电堆发出的功率，降低系统输出效率的缺点，提供一种循环泵、循环装置及燃料电池系统，该循环泵利用涡轮驱动组件代替电机为循环泵泵头提供动力，节约电能并降低成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种循环泵，包括：
循环泵泵头；
涡轮驱动组件，与所述循环泵泵头相连接，能够驱动所述循环泵泵头运转，所述涡轮驱动组件包括：
壳体；
涡轮，转动设置于所述壳体内，能够在气流的驱动下旋转，所述涡轮通过传动轴与所述循环泵泵头相连接；
气流入口和气流出口，开设在所述壳体上。
可选地，所述循环泵泵头为离心式循环泵泵头。
可选地，所述循环泵泵头上设置有入口和出口。
本发明还提供一种循环装置，包括：
上述的循环泵，所述循环泵泵头上设置有入口和出口；
输出管线，一端与所述出口相连接；
回流管线，一端与所述入口相连接；
第一气流管线，一端与所述气流入口相连接；
第二气流管线，一端与所述气流出口相连接。
可选地，所述第一气流管线上设置有第一控制阀。
可选地，所述第二气流管线上设置有截止阀。
可选地，还包括旁路管线，一端与所述第一气流管线相连接，另一端与所述第二气流管线相连接，所述旁路管线上设置有第二控制阀，所述第一控制阀和所述截止阀相对于所述旁路管线与所述第一气流管线和所述第二气流管线的连接处更靠近所述涡轮驱动组件。
本发明还提供一种燃料电池系统，包括：
燃料电池电堆，所述燃料电池电堆上设置有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口；
供氢装置，能够为燃料电池电堆提供氢气；
上述的循环装置；
所述输出管线的另一端与所述氢气入口相连接，所述回流管线的另一端与所述氢气出口相连接，所述第一气流管线的另一端与所述空气出口相连接。
可选地，所述供氢装置包括储氢罐、减压阀和喷氢组件，所述储氢罐通过送氢管线与所述喷氢组件相连接，所述减压阀设置在所述送氢管线上，所述喷氢组件能够通过所述氢气入口向所述燃料电池电堆内供氢。
可选地，还包括气水分离器，所述气水分离器设置在所述第一气流管线上。
本发明提供一种循环泵、循环装置及燃料电池系统，其有益效果在于：
1、该循环泵利用涡轮驱动组件代替电机为循环泵泵头提供动力，节约电能并降低成本；
2、该循环装置通过第一控制阀和第二控制阀的开度来控制涡轮的转速，进而控制循环泵泵头的输出转速，并具在气流出口端设置有截止阀，控制气流出口端压力，防止气体回流；
3、该燃料电池系统通过空气出口排出的空气气流驱动涡轮转动，进而驱动循环泵泵头，利用了空气循环过程中空气气流的能量，提高了能量利用率，减小了电能消耗，节省成本。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了现有技术中一种燃料电池系统中氢循环系统的原理图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种循环装置的结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种燃料电池系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、循环泵泵头；2、涡轮驱动组件；3、气流入口；4、气流出口；5、入口；6、出口；7、输出管线；8、回流管线；9、第一气流管线；10、第二气流管线；11、第一控制阀；12、截止阀；13、旁路管线；14、第二控制阀；15、燃料电池电堆；16、氢气入口；17、氢气出口；18、空气入口；19、空气出口；20、供氢装置；21、储氢罐；22、减压阀；23、喷氢组件； 24、送氢管线；25、气水分离器。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种循环泵，包括：
循环泵泵头；
涡轮驱动组件，与循环泵泵头相连接，能够驱动循环泵泵头运转，涡轮驱动组件包括：
壳体；
涡轮，转动设置于壳体内，能够在气流的驱动下旋转，涡轮通过传动轴与循环泵泵头相连接；
气流入口和气流出口，开设在壳体上。
具体的，该循环泵利用涡轮驱动组件代替传统的电机对循环泵泵头进行驱动，燃料电池出口端排出的空气通过气流入口进入具有涡轮的壳体内，驱动涡轮转动，进而带动循环泵泵头运行，无需消耗电能，降低运行成本。
可选地，循环泵泵头为离心式循环泵泵头。
具体的，空气气流速快，涡轮转速高时，优选使用离心式循环泵泵头与涡轮连接。
可选地，循环泵泵头上设置有入口和出口。
具体的，循环泵泵头运行时输送的气体通过入口进入，通过出口输出。
在一个示例中，气体为氢气。
本发明还提供一种循环装置，包括：
上述的循环泵，循环泵泵头上设置有入口和出口；
输出管线，一端与出口相连接；
回流管线，一端与入口相连接；
第一气流管线，一端与气流入口相连接；
第二气流管线，一端与气流出口相连接。
可选地，第一气流管线上设置有第一控制阀。
具体的，第一控制阀能够控制第一气流管线内气流的流速和气流入口端的压力，进而方便控制涡轮的转速。
可选地，第二气流管线上设置有截止阀。
具体的，涡轮驱动组件的壳体内的气流驱动涡轮转动后通过气流出口进入第二气流管线排出，截止阀的设置能够控制气流出口压力，防止气体向壳体内回流。
可选地，还包括旁路管线，一端与第一气流管线相连接，另一端与第二气流管线相连接，旁路管线上设置有第二控制阀，第一控制阀和截止阀相对于旁路管线与第一气流管线和第二气流管线的连接处更靠近涡轮驱动组件。
具体的，旁路管线能够实现对第一气流管线的分流，通过第一控制阀和第二控制阀的开度调节，能够控制第一气流管线和旁路管线内气流的流速和压力，进而控制涡轮的转速。
本发明还提供一种燃料电池系统，包括：
燃料电池电堆，燃料电池电堆上设置有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口；
供氢装置，能够为燃料电池电堆提供氢气；
上述的循环装置；
输出管线的另一端与氢气入口相连接，回流管线的另一端与氢气出口相连接，第一气流管线的另一端与空气出口相连接。
具体的，供氢装置为燃料电池电堆供氢，氢气从氢气入口进入燃料电池电堆，燃料电池电堆内反应后未反应的氢气通过氢气出口进入回流管线，进而进入循环泵泵头；与此同时，空压机向燃料电池电堆的空气入口内输入空气，反应后剩余的空气通过空气出口进入第一气流管线，进而通过气流入口进入涡轮驱动组件的壳体内，空气气流能够驱动涡轮转动，带动循环泵泵头转动，进而将通入循环泵泵头内的氢气通过出口、输出管线和氢气入口输送回燃料电池电堆内，进行进一步反应；这样就实现了利用空气气流驱动涡轮驱动组件，再通过涡轮驱动组件驱动循环泵泵头进行氢气循环输送的效果，无需为循环泵泵头连接电机，节省电能和成本。
可选地，供氢装置包括储氢罐、减压阀和喷氢组件，储氢罐通过送氢管线与喷氢组件相连接，减压阀设置在送氢管线上，喷氢组件能够通过氢气入口向燃料电池电堆内供氢。
可选地，还包括气水分离器，气水分离器设置在第一气流管线上。
具体的，燃料电池电堆内排出的未反应的氢气在通过第一气流管排出的过程中经过气水分离器，去除氢气内的水分，再进入涡轮驱动组件，对涡轮进行驱动。
实施例
如图2和图3所示，本发明提供一种循环泵，包括：
循环泵泵头1；
涡轮驱动组件2，与循环泵泵头1相连接，能够驱动循环泵泵头1运转，涡轮驱动组件包括：
壳体；
涡轮，转动设置于壳体内，能够在气流的驱动下旋转，涡轮通过传动轴与循环泵泵头1相连接；
气流入口3和气流出口4，开设在壳体上。
在本实施例中，循环泵泵头1为离心式循环泵泵头。
在本实施例中，循环泵泵头1上设置有入口5和出口6。
本发明还提供一种循环装置，包括：
上述的循环泵，循环泵泵头上设置有入口5和出口6；
输出管线7，一端与出口6相连接；
回流管线8，一端与入口5相连接；
第一气流管线9，一端与气流入口3相连接；
第二气流管线10，一端与气流出口4相连接。
在本实施例中，第一气流管线9上设置有第一控制阀11。
在本实施例中，第二气流管线10上设置有截止阀12。
在本实施例中，还包括旁路管线13，一端与第一气流管线9相连接，另一端与第二气流管线10相连接，旁路管线13上设置有第二控制阀14，第一控制阀11和截止阀12相对于旁路管线13与第一气流管线9和第二气流管线10的连接处更靠近涡轮驱动组件2。
本发明还提供一种燃料电池系统，包括：
燃料电池电堆15，燃料电池电堆15上设置有氢气入口16、氢气出口 17、空气入口18和空气出口19；
供氢装置20，能够为燃料电池电堆15提供氢气；
上述的循环装置；
输出管线7的另一端与氢气入口16相连接，回流管线8的另一端与氢气出口17相连接，第一气流管线9的另一端与空气出口19相连接。
在本实施例中，供氢装置包括储氢罐21、减压阀22和喷氢组件23，储氢罐21通过送氢管线24与喷氢组件23相连接，减压阀22设置在送氢管线24上，喷氢组件23能够通过氢气入口16向燃料电池电堆15内供氢。
在本实施例中，还包括气水分离器25，气水分离器25设置在第一气流管线9上。
综上，本发明提供的燃料电池系统使用时，供氢装置为燃料电池电堆 15供氢，氢气从氢气入口16进入燃料电池电堆15，燃料电池电堆15内反应后未反应的氢气通过氢气出口19进入回流管线8，进而进入循环泵泵头 1；与此同时，空压机向燃料电池电堆15的空气入口18内输入空气，反应后剩余的空气通过空气出口19进入第一气流管线9，进而通过气流入口3 进入涡轮驱动组件2的壳体内，空气气流能够驱动涡轮转动，带动循环泵泵头1转动，进而将通入循环泵泵头1内的氢气通过出口4、输出管线7和氢气入口16输送回燃料电池电堆15内，进行进一步反应；这样就实现了利用空气气流驱动涡轮驱动组件2，再通过涡轮驱动组件2驱动循环泵泵头 1进行氢气循环输送的效果，无需为循环泵泵头1连接电机，节省电能和成本。
为实现对循环泵泵头1的控制，通过调节第一控制阀11和第二控制阀 14的开度来调节第一气流管线9和旁路管线13内空气气流的流速和涡轮驱动组件2的气流入口3与气流出口4之间的压力差，并通过截止阀12控制气流出口4外端的压力，防止气体回流。在不需要循环泵工作时，可将第二控制阀14的开度调至最大，关闭第一控制阀11；在需要加大循环泵出力时，可将第二控制阀14的开度减小，调节第一控制阀11的开度增加涡轮驱动组件2的气流入口3端的压强；在需要循环泵最大出力时，可将第二控制阀14关闭，将第一控制阀11的开度调至最大，使阴极空气气流全部进入涡轮驱动组件2进行驱动。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种循环泵，其特征在于，包括：
循环泵泵头；
涡轮驱动组件，与所述循环泵泵头相连接，能够驱动所述循环泵泵头运转，所述涡轮驱动组件包括：
壳体；
涡轮，转动设置于所述壳体内，能够在气流的驱动下旋转，所述涡轮通过传动轴与所述循环泵泵头相连接；
气流入口和气流出口，开设在所述壳体上。
2.根据权利要求1所述的循环泵，其特征在于，所述循环泵泵头为离心式循环泵泵头。
3.根据权利要求1所述的循环泵，其特征在于，所述循环泵泵头上设置有入口和出口。
4.一种循环装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1-3任一项所述的循环泵，所述循环泵泵头上设置有入口和出口；
输出管线，一端与所述出口相连接；
回流管线，一端与所述入口相连接；
第一气流管线，一端与所述气流入口相连接；
第二气流管线，一端与所述气流出口相连接。
5.根据权利要求4所述的循环装置，其特征在于，所述第一气流管线上设置有第一控制阀。
6.根据权利要求4所述的循环装置，其特征在于，所述第二气流管线上设置有截止阀。
7.根据权利要求6所述的循环装置，其特征在于，还包括旁路管线，一端与所述第一气流管线相连接，另一端与所述第二气流管线相连接，所述旁路管线上设置有第二控制阀，所述第一控制阀和所述截止阀相对于所述旁路管线与所述第一气流管线和所述第二气流管线的连接处更靠近所述涡轮驱动组件。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池电堆，所述燃料电池电堆上设置有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口；
供氢装置，能够为燃料电池电堆提供氢气；
根据权利要求4-7任一项所述的循环装置；
所述输出管线的另一端与所述氢气入口相连接，所述回流管线的另一端与所述氢气出口相连接，所述第一气流管线的另一端与所述空气出口相连接。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述供氢装置包括储氢罐、减压阀和喷氢组件，所述储氢罐通过送氢管线与所述喷氢组件相连接，所述减压阀设置在所述送氢管线上，所述喷氢组件能够通过所述氢气入口向所述燃料电池电堆内供氢。
10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括气水分离器，所述气水分离器设置在所述第一气流管线上。
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