CN112421072A - 一种供氢系统、燃料电池发动机及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种供氢系统、燃料电池发动机及车辆，涉及燃料电池车技术领域。该供氢系统包括：氢气供给管路，其上设置有氢气加热器和喷射引射器，氢气加热器的进气口被配置为与氢气供给源连通，氢气加热器的出气口与喷射引射器的入口连通，喷射引射器的出口被配置为与电堆的阳极入口连通；氢气循环管路，其进口端和出口端被配置为分别与电堆的阳极出口和喷射引射器的入口连通；排气阀，排气阀的一端与氢气循环管路连通，排气阀的另一端与供氢系统的外部连通。通过该供氢系统为电堆供应氢气时，可满足燃料电池发动机在全工况下的工作需求，功耗小，且在长期使用过程中可以保证氢气供应质量，保证电堆的反应效率。

Description

一种供氢系统、燃料电池发动机及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池车技术领域，尤其涉及一种供氢系统、燃料电池发动机及车辆。
背景技术
作为新能源车辆，燃料电池车因具有高效率和零排放的特点，有着广阔的发展前景。燃料电池发动机方案设计是燃料电池车的核心技术，决定了燃料电池车的性能和寿命。燃料电池发动机主要包括电堆、空气供应系统、供氢系统和水热管理系统等。其中，供氢系统主要包括氢气供给管路和氢气循环管路。具体地，氢气供给管路与电堆连接，以将氢供给源中的高纯度氢气连续提供给电堆，保证电堆中电化学反应的正常进行。氢气循环管路则同时连接电堆的出口和氢气供给管路，通过氢气循环管路可以将电堆中未利用的氢气循环至氢气供给管路中，实现氢气的更充分利用，提高系统的经济性。
目前，为实现氢气的循环供给，一些供氢系统中，在氢气循环管路上设置有氢循环泵，通过氢循环泵将氢气循环管路中的氢气送入氢气供给管路中。另一些供氢系统中，在氢气供给管路上设置有引射器，引射器入口同时与氢气循环管路连接，通过引射器可以将氢气循环管路中的氢气引入氢气供给管路中。
然而，以上设置存在以下问题：(1)当使用氢循环泵时，会产生额外的能耗，且噪音和振动较大；(2)当使用引射器时，虽然其可避免氢循环泵带来的问题，但氢气供应流量等参数无法调节，不能满足燃料电池发动机在全工况下的工作需求；(3)无论使用氢循环泵还是引射器，在氢气循环过程中，电堆产生的氮气等杂质都会混入氢气循环管路，之后这些混有杂质的氢气再进入电堆中，长时间使用会造成电堆的反应效率降低。
基于此，亟需一种供氢系统、燃料电池发动机及车辆，用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种供氢系统、燃料电池发动机及车辆，在为电堆供应氢气时，可满足燃料电池发动机在全工况下的工作需求，功耗小，且在长期使用过程中可以保证氢气供应质量，保证电堆的反应效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种供氢系统，用于为燃料电池发动机中的电堆供应氢气，所述供氢系统包括：
氢气供给管路，所述氢气供给管路上设置有氢气加热器和喷射引射器，所述氢气加热器的进气口被配置为与氢气供给源连通，所述氢气加热器的出气口与所述喷射引射器的入口连通，所述喷射引射器的出口被配置为与所述电堆的阳极入口连通；
氢气循环管路，所述氢气循环管路的进口端被配置为与所述电堆的阳极出口连通，所述氢气循环管路的出口端被配置为与所述喷射引射器的入口连通；
排气阀，所述排气阀的一端与所述氢气循环管路连通，所述排气阀的另一端与所述供氢系统的外部连通。
可选地，位于所述氢气加热器和所述喷射引射器之间的所述氢气供给管路上设置有供氢截止阀。
可选地，所述喷射引射器包括一体化设置的喷射器和引射器，所述喷射器的入口分别与所述氢气加热器的出气口和所述氢气循环管路的出口端连通，所述喷射器的出口与所述引射器的出口连通，所述引射器的出口被配置为与所述电堆的阳极入口连通。
可选地，所述喷射引射器的出口与所述电堆的阳极入口之间的所述氢气供给管路连接有安全泄放阀。
可选地，所述氢气循环管路上设置有氢水分离器，所述氢水分离器的入口和所述电堆的阳极出口连通，所述氢水分离器的气体出口与所述喷射引射器的入口连通。
可选地，所述排气阀连接在所述氢水分离器的气体出口处。
可选地，所述供氢系统还包括储水罐和加湿器，所述储水罐的进水口与所述氢水分离器的液体出口连通，所述储水罐的出水口与所述加湿器的进水口连通，所述加湿器的出雾口与所述电堆的阴极入口连通。
可选地，在所述储水罐和所述加湿器之间的管路上设置有排水截止阀。
本发明还提供了一种燃料电池发动机，包括电堆和如上所述的供氢系统，所述喷射引射器的出口与所述电堆的阳极入口连通，所述氢气循环管路的进口端与所述电堆的阳极出口连通。
本发明还提供了一种车辆，包括氢气供给源和如上所述的燃料电池发动机，所述氢气供给源与所述氢气加热器的进气口连通。
本发明的有益效果：
1、通过氢气加热器可将来自氢气供给源的氢气加热到合适温度，再使加热后的氢气流经喷射引射器，通过喷射引射器调节氢气的供应压力和供应流量，最终能够将合适压力和合适流量的氢气供给电堆的阳极，满足电堆在全工况下的工作需求；
2、在喷射引射器的引流作用下，电堆中未反应的氢气可通过氢气循环管路进入喷射引射器内，与来自氢气供给源的氢气汇聚在一起再被送入电堆的阳极，实现氢气的循环，整体功耗小，且不会产生大的振动和噪音；
3、在该供氢系统的使用过程中，通过排气阀可以将电堆排出的含氮气等杂质的氢气排出到供氢系统外部，从而能够保证氢气供应质量，避免长期使用时电堆的反应效率降低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的供氢系统的整体结构示意图。
图中：
100、电堆；
1、氢气加热器；2、供氢截止阀；3、喷射引射器；31、喷射器；32、引射器；4、安全泄放阀；5、氢水分离器；6、排气阀；7、储水罐；8、排水截止阀；9、加湿器。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本实施例提供了一种供氢系统，用于为燃料电池发动机中的电堆100供应氢气。该供氢系统包括氢气供给管路、氢气循环管路和排气阀6。其中，在氢气供给管路上设置有氢气加热器1和喷射引射器3，氢气加热器1的进气口被配置为与氢气供给源连通，氢气加热器1的出气口和喷射引射器3的入口连通，喷射引射器3的出口被配置为与电堆100的阳极入口连通。氢气循环管路的进口端被配置为与电堆100的阳极出口连通，氢气循环管路的出口端被配置为与喷射引射器3的入口连通。排气阀6的一端与氢气循环管路连通，排气阀6的另一端与该供氢系统的外部连通。
按以上设置，通过氢气加热器1将来自氢气供给源的氢气加热到合适温度，再使加热后的氢气流经喷射引射器3，通过喷射引射器3调节氢气的供应压力和供应流量，最终能够将合适压力和合适流量的氢气供给电堆100的阳极，满足电堆100在全工况下的工作需求。此外可以理解的是，由于氢气供给更加符合电堆100使用需求，所以可提高电堆100反应效率。
同时，在喷射引射器3的引流作用下，电堆100中未反应的氢气可通过氢气循环管路进入喷射引射器3内，与来自氢气供给源的氢气汇聚在一起再被送入电堆100的阳极，实现氢气的循环，整体功耗小，且不会产生大的振动和噪音。
进一步地，在该供氢系统的使用过程中，通过排气阀6可以将电堆100排出的含氮气等杂质的氢气排出到供氢系统外部，从而能够保证氢气供应质量，避免长期使用时电堆100的反应效率降低。
可选地，氢气加热器1中可通入高温水，以加热进入氢气加热器1的氢气。由于氢气加热器1的结构为现有技术，所以在此不再赘述。
可选地，喷射引射器3包括一体化设置的喷射器31和引射器32，以保证结构紧凑，减小供氢系统整体的重量和体积。其中，喷射器31的入口分别与氢气加热器1的出气口和氢气循环管路的出口端连通，喷射器31的出口与引射器32的出口连通，引射器32的出口与电堆100的阳极入口连通，从而可保证喷射器31和引射器32完全发挥其本身作用。由于喷射器31和引射器32的结构均为现有技术，所以在此不再赘述。
本实施例中，如图1所示，在位于氢气加热器1和喷射引射器3之间的氢气供给管路上还设置有供氢截止阀2，以更便于控制氢气的供给。具体地，当该供氢系统所在的燃料电池发动机处于停机状态时，关闭供氢截止阀2，可避免氢气供给源中的氢气进入该供氢系统。而在燃料电池发动机处于开机状态，当氢气加热器1在规定时间内将氢气加热到所需温度时，打开供氢截止阀2，则可向电堆100供给氢气。进一步地，供氢截止阀2为由燃料电池控制单元控制的开关阀。
可选地，如图1所示，在喷射引射器3的出口与电堆100的阳极入口之间的氢气供给管路连接有安全泄放阀4。当氢气供给管路中的氢气压力达到预设安全压力时，安全泄放阀4开启，将超压氢气泄出，从而能够保证供气安全。
下面，对氢气循环管路的具体设置进行介绍。
可选地，如图1所示，在氢气循环管路上设置有氢水分离器5，氢水分离器5的入口和电堆100的阳极出口连通，氢水分离器5的气体出口与喷射引射器3的入口连通。当电堆100中未反应的氢气进入氢气循环管路后，通过氢水分离器5可将这些氢气中的水分离出，并将不含水的氢气送入喷射引射器3，保证氢气质量。
本实施例中，排气阀6连接在氢水分离器5的气体出口处，以在氢气中含氮气等杂质较多时及时将这些氢气排出到供氢系统的外部，更便于使用。
可选地，供氢系统还包括储水罐7和加湿器9。其中，储水罐7的进水口与氢水分离器5的液体出口连通，从而可以将氢水分离器5中分离出的水排入储水罐7中。进一步地，储水罐7的出水口与加湿器9的进水口连通，加湿器9的出雾口与电堆100的阴极入口连通。此时，储水罐7中的水可进入加湿器9中，进而通过加湿器9产生水雾，并将水雾送入电堆100中，从而能够减少外部水使用量，降低燃料电池发动机中的水资源消耗。
可选地，在储水罐7和加湿器9之间的管路上还设置有排水截止阀8，以便于使用。本实施例中，排水截止阀8的使用如下：当储水罐7中的水达到一定高度或容积后，开启排水截止阀8，将储水罐7中的水送入加湿器9；当储水罐7中的水减少至一定高度或容积后，关闭排水截止阀8，避免氢气循环管路中的氢气通过储水罐7进入加湿器9。
进一步地，以整体结构设置而言，可将氢水分离器5、储水罐7、排水截止阀8和排气阀6集成为一体，以节约安装空间，并减少连接结构的设置，降低气液泄漏的风险。
本实施例还提供了一种燃料电池发动机，其包括电堆100和如上所述的供氢系统。其中，电堆100具有阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口。供氢系统中喷射引射器3的出口和电堆100的阳极入口连通，以将氢气供给电堆100。电堆100的阳极出口则与供氢系统中氢气循环管路的进口端连通，以使电堆100中未反应的氢气可以进入氢气循环管路中，进而实现氢气循环。
本实施例还提供了一种车辆，其包括氢气供给源和如上所述的燃料电池发动机。其中，氢气供给源和燃料电池发动机中氢气加热器1的进气口连通，以提供氢气。具体地，氢气供给源可以为氢罐。
进一步地，对于氢气加热器1而言，可使用车辆中的冷却系统为氢气加热器1提供高温水，以进一步节约能源。
综上，本实施例提供了一种供氢系统、燃料电池发动机和车辆，其具有以下优点：
(1)通过氢气加热器1和喷射引射器3的联合作用可精确控制氢气的供应压力和供应流量，功耗小，且能满足电堆100在全工况下的工作需求，提高电堆100反应效率；
(2)喷射引射器3为一体化设置的喷射器31和引射器32，使得整体结构简单紧凑，重量较轻；
(3)通过设置氢水分离器5和排气阀6，既可将循环氢气中的液态水分离出，又可及时将含杂质的氢气排出，从而保证氢气质量，使电堆100在长时间工作时仍能保持较高的反应效率；
(4)通过将氢水分离器5分离出的液态水供至加湿器9，再由加湿器9供至电堆100，实现了液态水的循环利用，降低了水消耗，工作效率高。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种供氢系统，用于为燃料电池发动机中的电堆(100)供应氢气，其特征在于，包括：
氢气供给管路，所述氢气供给管路上设置有氢气加热器(1)和喷射引射器(3)，所述氢气加热器(1)的进气口被配置为与氢气供给源连通，所述氢气加热器(1)的出气口与所述喷射引射器(3)的入口连通，所述喷射引射器(3)的出口被配置为与所述电堆(100)的阳极入口连通；
氢气循环管路，所述氢气循环管路的进口端被配置为与所述电堆(100)的阳极出口连通，所述氢气循环管路的出口端被配置为与所述喷射引射器(3)的入口连通；
排气阀(6)，所述排气阀(6)的一端与所述氢气循环管路连通，所述排气阀(6)的另一端与所述供氢系统的外部连通。
2.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，位于所述氢气加热器(1)和所述喷射引射器(3)之间的所述氢气供给管路上设置有供氢截止阀(2)。
3.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，所述喷射引射器(3)包括一体化设置的喷射器(31)和引射器(32)，所述喷射器(31)的入口分别与所述氢气加热器(1)的出气口和所述氢气循环管路的出口端连通，所述喷射器(31)的出口与所述引射器(32)的出口连通，所述引射器(32)的出口被配置为与所述电堆(100)的阳极入口连通。
4.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，所述喷射引射器(3)的出口与所述电堆(100)的阳极入口之间的所述氢气供给管路连接有安全泄放阀(4)。
5.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于，所述氢气循环管路上设置有氢水分离器(5)，所述氢水分离器(5)的入口和所述电堆(100)的阳极出口连通，所述氢水分离器(5)的气体出口与所述喷射引射器(3)的入口连通。
6.根据权利要求5所述的供氢系统，其特征在于，所述排气阀(6)连接在所述氢水分离器(5)的气体出口处。
7.根据权利要求5所述的供氢系统，其特征在于，所述供氢系统还包括储水罐(7)和加湿器(9)，所述储水罐(7)的进水口与所述氢水分离器(5)的液体出口连通，所述储水罐(7)的出水口与所述加湿器(9)的进水口连通，所述加湿器(9)的出雾口与所述电堆(100)的阴极入口连通。
8.根据权利要求7所述的供氢系统，其特征在于，在所述储水罐(7)和所述加湿器(9)之间的管路上设置有排水截止阀(8)。
9.一种燃料电池发动机，包括电堆(100)，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一项所述的供氢系统，所述喷射引射器(3)的出口与所述电堆(100)的阳极入口连通，所述氢气循环管路的进口端与所述电堆(100)的阳极出口连通。
10.一种车辆，包括氢气供给源，其特征在于，还包括如权利要求9所述的燃料电池发动机，所述氢气供给源与所述氢气加热器(1)的进气口连通。
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