CN112856233B - 一种质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，包括燃料电池、高压氢瓶、第一减压阀、引射器、汽水分离器、第一压力控制阀、第一压力传感器、高压容器、第一电磁阀、低压容器、隔膜泵、第二电磁阀，进气管路上依次设置高压氢瓶、第一减压阀、第一压力控制阀、引射器、第一压力传感器，支路上依次设有高压容器、第一电磁阀，第一输出回路上依次设置第二电磁阀、低压容器、隔膜泵，第一输出管路与进气管路形成回路。设计两个压力波发生器，能够有效增加氢气回路的瞬时压差，反复出现的膨胀和收缩的压力波有助于从膜电极组件中去除不需要的液体，保证膜电极组件良好的湿化，能将除去水分的氢气仍循环到燃料电池里，避免氢气的浪费。

Description

一种质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极组件必须保持湿润，燃料电池各单体才能有效工作。质子交换膜不仅起到电解质的作用，还能将反应物(氢气和空气)分离开来。如果在某个区域膜过于干燥，电化学反应可能停止。然而，如果膜过于湿润，以致在气体流道内生成水滴，反应物的传递就会受到阻碍。因此，对于PEMFC，良好的湿化是必要的，同时多余的水也必须从燃料电池中去除。由于燃料电池空气侧的气体流量较大，空气侧的水滴更容易去除。
在燃料电池的氢气供给系统中，现有技术中大多通过比例阀瞬时调高和调低，实现氢气的脉冲排放，但此方法受限于比例阀的量程，产生的瞬时压差较小，对燃料电池氢气路的吹扫效果较差。同时，此方法也会加重比例阀的负荷，影响其使用寿命，也不利于控制。
发明内容
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，克服现有技术通过比例阀瞬时调高和调低，实现氢气脉冲排放存在的瞬时压差小、吹扫效果差、影响比例阀寿命、不好控制等问题。
本发明提供的一种质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，包括燃料电池、高压氢瓶、第一减压阀、引射器、汽水分离器、第一压力控制阀和第一压力传感器，所述引射器设置在高压氢瓶与燃料电池阳极入口之间连通的进气管路上，所述第一减压阀设置在邻近高压氢瓶的进气管路上，所述汽水分离器设置在燃料电池阳极出口的第一输出管路上，所述第一压力控制阀设置在引射器前端的进气管路上，所述第一压力传感器设置在邻近燃料电池阳极入口的进气管路上，在现有技术的基础上，本发明进一步作出如下改进：所述系统还包括高压容器、第一电磁阀、低压容器、隔膜泵、第二电磁阀，所述高压容器设置在第一减压阀和第一压力控制阀之间进气管路的支路上，所述第一电磁阀也设置在所述支路上；所述第二电磁阀、低压容器、隔膜泵依次设置在燃料电池阳极出口与汽水分离器之间的第一输出管路上，所述第一输出管路与进气管路形成回路。
优选的，所述高压容器所在支路上还设置有第二压力调节阀和第二压力传感器。
优选的，所述燃料电池的阳极出口与引射器通过第二输出管路连接，且第二输出管路上设置第三电磁阀。
优选的，所述第二输出管路也具有一支路，该支路上设置第四电磁阀。
优选的，所述引射器由接受室、混合室、扩压器三部分组成，所述接受室内设置喷嘴，所述接受室具有一个工作流体入口和一个引射流体入口，所述工作流体入口连接喷嘴。
本发明的有益效果：
本专利通过设计两个压力波发生器，高压容器的压力来自高压氢瓶，低压容器的压力通过隔膜泵实现，能够有效增加氢气回路的瞬时压差，通过反复快速开启和关闭第一电磁阀和第二电磁阀，使得流道和膜电极组件之间的扩散层受到压力波的动态影响，并且反复出现的膨胀和收缩的压力波有助于从膜电极组件中去除不需要的液体，吹扫效果更好，保证膜电极组件良好的湿化，确保燃料电池的电化学反应不会出现异常；本专利所设计的两个压力波容器压力均很好控制，而且通过电磁阀启闭实现压力波瞬时传播也比比例阀更好控制；进气管路的支路和第一输出管路作为吹扫通路，吹扫通路上设置气液分离器，并且吹扫通路与进气管路连通，能将除去水分的氢气仍循环到燃料电池里，避免了氢气的浪费；在吹扫过程中，打开第四电磁阀，在气体流道或扩散层中形成的惰性气体(如积累的氮气)也会被带走，还有助于燃料电池性能的提高。
附图说明
图1为本发明燃料脉冲氢气供应系统的结构示意图；
图2为本发明燃料脉冲氢气供应系统引射器的结构示意图。
附图标注：
1、燃料电池，2、高压氢瓶，3、第一减压阀，4、引射器，5、汽水分离器，6、第一压力控制阀，7、第一压力传感器，8、高压容器，9、第一电磁阀，10、低压容器，11、隔膜泵,12、第二电磁阀，13、第二压力调节阀，14、第二压力传感器，15、第三电磁阀，16、第四电磁阀，20、进气管路，21、支路，30、第一输出管路，40、第二输出管路，41、第一支路，401、接受室，402、混合室，403、扩压器，404、喷嘴，405、工作流体入口，406、引射流体入口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。
实施例
参照图1，本实施例的质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统包括燃料电池1、高压氢瓶2、第一减压阀3、引射器4、汽水分离器5、第一压力控制阀6、第一压力传感器7、高压容器8、第一电磁阀9、低压容器10、隔膜泵11、第二电磁阀12，所述引射器4设置在高压氢瓶2与燃料电池1阳极入口之间连通的进气管路20上，所述第一减压阀3设置在邻近高压氢瓶2的进气管路20上，所述汽水分离器5设置在燃料电池1阳极出口的第一输出管路30上，所述第一压力控制阀6设置在引射器4前端的进气管路20上，所述第一压力传感器7设置在邻近燃料电池1阳极入口的进气管路20上，所述高压容器8设置在第一减压阀3和第一压力控制阀6之间进气管路20的支路21上，所述第一电磁阀3也设置在所述支路21上；所述第二电磁阀12、低压容器10、隔膜泵11依次设置在燃料电池1阳极出口与汽水分离器5之间的第一输出管路30上，所述第一输出管路30与进气管路20形成回路。
所述高压氢瓶2用于储存和供应氢气，第一减压阀3用于给高压氢瓶2放出的氢气进行减压处理，最大可将压力从200bar降至8bar。为了保证后续引射器4的正常工作，第一减压阀3出口处需要保持相对较高的压力。在引射器4前端，第一压力控制阀6通过第一压力传感器7采集的压力信号来控制燃料电池1阳极入口的压力。在第一减压阀3和第一压力控制阀6之间，一部分氢气被分流并输送到高压容器8中。在第一输出管路30上，氢气从燃料电池1阳极出口周期性地被释放到低压容器10中，隔膜泵13用来给低压容器10创造低压环境，所述低压容器10内的压力一般低于燃料电池1运行压力20kpa，而燃料电池1运行压力随工况的变化而变化，不是固定值。当需要吹扫燃料电池1内部氢气时，快速开启第一电磁阀9和第二电磁阀12，产生的激波高速通过支路21、燃料电池1和第一输送回路30，使得任何可能在燃料电池1内部形成的水滴都会被有效吹扫到气液分离器5中去除，并且去除水分后的氢气仍送回进气管路20，有效防止燃料电池1内部的局部缺氢问题，避免氢气浪费。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述高压容器8所在支路21上还设置有第二压力调节阀13和第二压力传感器14。所述第二压力控制阀13利用第二压力传感器14采集的压力信号来控制高压容器8内的压力。所述高压容器8内的压力一般高于燃料电池1运行压力20kpa。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述燃料电池1的阳极出口与引射器4通过第二输出管路40连接，且第二输出管路40上设置第三电磁阀15。所述第二输出管路40的作用是将燃料电池1阳极出口的大部分气流再循环到引射器4，然后将氢气压力再次升高到燃料电池1阳极入口的水平，再循环到燃料电池1内。所述第三电磁阀15设置在第二输出管路40上，可以防止氢气吹扫时，压力波向第二输出管路40传播。在不进行氢气吹扫工作时，第三电磁阀15保持开启状态，当进行氢气吹扫工作时，需要将第三电磁阀15关闭。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述第二输出管路40具有第一支路41，该第一支路41上设置第四电磁阀16。通过所述第一支路41，可以排除必然积聚在系统内的惰性气体，例如积累的氮气，有助于提高燃料电池1的性能。
作为本实施例的一个优选实施方式，参照图2，所述引射器4由接受室401、混合室402、扩压器403三部分组成，所述接受室401内设置喷嘴404，所述接受室401具有一个工作流体入口405和一个引射流体入口406，所述工作流体入口405连接喷嘴404。所述引射器4的工作原理为：高压氢瓶1的高压气体在经过喷嘴404时，在接受室401产生低压区来卷吸来自燃料电池1阳极出口未消耗完的氢气，经混合室402和扩压器403输送到燃料电池1阳极入口。其作用是将两股压力不同的流体掺混形成一股处于中间压力的混合流体。
本实施例通过设计两个压力波发生器(高压容器、第一电磁阀；低压容器、第二电磁阀)，高压容器的压力来自高压氢瓶，低压容器的压力通过隔膜泵实现，能够有效增加氢气回路的瞬时压差，通过反复快速开启第一电磁阀和第二电磁阀，产生的激波高速通过氢气供给管道和燃料电池流道，使得任何可能在燃料电池内部形成的水滴都会被有效去除，并且能够为燃料电池提供额外的氢气，防止燃料电池的局部的缺氢问题。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，包括燃料电池、高压氢瓶、第一减压阀、引射器、汽水分离器、第一压力控制阀和第一压力传感器，所述引射器设置在高压氢瓶与燃料电池阳极入口之间连通的进气管路上，所述第一减压阀设置在邻近高压氢瓶的进气管路上，所述汽水分离器设置在燃料电池阳极出口的第一输出管路上，所述第一压力控制阀设置在引射器前端的进气管路上，所述第一压力传感器设置在邻近燃料电池阳极入口的进气管路上，其特征在于：还包括高压容器、第一电磁阀、低压容器、隔膜泵、第二电磁阀，所述高压容器设置在第一减压阀和第一压力控制阀之间进气管路的支路上，所述第一电磁阀也设置在所述支路上；所述第二电磁阀、低压容器、隔膜泵依次设置在燃料电池阳极出口与汽水分离器之间的第一输出管路上，所述第一输出管路与进气管路形成回路。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，其特征在于：所述高压容器所在支路上还设置有第二压力调节阀和第二压力传感器。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，其特征在于：所述燃料电池的阳极出口与引射器通过第二输出管路连接，且第二输出管路上设置第三电磁阀。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，其特征在于：所述第二输出管路也具有一支路，该支路上设置第四电磁阀。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的脉冲氢气供应系统，其特征在于：所述引射器由接受室、混合室、扩压器三部分组成，所述接受室内设置喷嘴，所述接受室具有一个工作流体入口和一个引射流体入口，所述工作流体入口连接喷嘴。
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