CN113140757A - 氢气回流系统及应用于该系统的止回阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了氢气回流系统及应用于该系统的止回阀，其中，该系统包括：电堆；氢气输入管路，包含有回流驱动支路，而且，氢气输入管路的输出端连接于电堆的输入端，用于向电堆供应氢气；氢气回流管路，输入端连接于电堆的输出端，氢气回流管路的输出端连接于回流驱动支路，用于将电堆中未完全反应的氢气汇流至氢气输入管路；止回阀，设置于氢气回流管路上。可以通过氢气输入管路往电堆输入氢气，电堆在基于氢气反应后，电堆排出的氢气会流经止回阀后再汇流至氢气输入管道。在止回阀的作用下，这些氢气不会因为电堆的排气而被排出电堆的反应管道，使得这部分氢气可以被电堆再度利用，提高了氢气利用率，从而避免了损失。

Description

氢气回流系统及应用于该系统的止回阀

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢气回流系统及应用于该系统的止回阀。

背景技术

当前车用的燃料电池氢气侧供给均采用氢气回流设计，即:电堆的氢气过量供给，反应消耗后剩余的氢气重新回流至电堆。而且，氢气回流的驱动主要由氢气驱动设备完成，其中，该氢气驱动设备包括：进行主动驱动的氢气回流泵以及被动驱动的引射器。而常见燃料电池氢气侧的架构如图1所示，而且，在图1中是通过回流泵驱动氢气回流。

而且，根据图1所示，随着燃料电池电化学反应持续进行,燃料电池单体反应单元的空气侧的氮气会通过质子交换膜渗透到氢气侧并持续累积，由此会阻碍燃料电池的氢氧电化学反应。为缓解氮累积，燃料电池氢气侧系统中设置电控尾排阀，在尾排阀开启瞬时出堆混合气通过阀口排出，由此减弱氮气在氢气的浓度。另外，尾排阀瞬时开启会产生高流速气流流动，该气流会推动流道内的液态水，可同时起到辅助燃料电池系统水管理的效果。

但是，尾排阀开启瞬时会产生较强的泄压效果，由此会引起氢气回流路原本流向电堆入口方向气流反向流动，直接经尾排阀排出。因氢气回流路反流部分的气流未经电堆，导致电堆排出的混合气中的氢气未被完全利用，造成浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种氢气回流系统及应用于该系统的止回阀，其克服了以上技术问题。

为了实现上述目的，本申请第一方面提供了一种氢气回流系统，所述系统包括：电堆；氢气输入管路，包含有回流驱动支路，而且，所述氢气输入管路的输出端连接于所述电堆的输入端，用于向所述电堆供应氢气；氢气回流管路，输入端连接于所述电堆的输出端，所述氢气回流管路的输出端连接于所述回流驱动支路，用于将所述电堆中未完全反应的氢气汇流至所述氢气输入管路；止回阀，设置于所述氢气回流管路上。

可选的，所述回流驱动支路包括：引射器及呈并联设置的第一输入管路及第二输入管路；其中，所述引射器设置在所述第一输入管路上，而且，所述引射器的引流入口连接于所述止回阀。

可选的，还包括：第一控制阀，设置于所述第一输入管路上，而且，所述第一控制阀设置于所述引射器的上游。

可选的，还包括：第二控制阀，设置于所述第二输入管路上。

可选的，还包括：分水装置，设置于所述氢气回流管路上，而且，所述分水装置设置于所述止回阀的上游，用于从所述电堆排出的混合气体中分离出未完全反应的氢气，并将未完全反应的氢气输入至所述止回阀；排出管路，连接于所述分水装置，用于排出所述混合气体中除未完全反应的氢气之外的气体。

可选的，所述氢气输入管路包括：储氢装置，输出端连接于所述第一输入管路的输入端及所述第二输入管路的输入端；减压阀，设置于所述储氢装置与并联设置的所述第一输入管路以及所述第二输入管路之间的管路段上。

本申请第二方面提供了一种上述的止回阀，包括：止回管道，轴截面呈锥台状设置，而且，所述止回管道中面积较大的端面及所述止回管道中面积较小的端面分别连接有第一流通管道及第二流通管道；阀瓣，固定于所述止回管道的内壁上，而且，所述阀瓣的外表面与所述止回管道的内壁之间存在间隙；其中，所述阀瓣呈圆锥状设置，所述阀瓣与所述止回管道同轴，所述阀瓣的底面朝向所述阀瓣的顶点内凹以形成弧面；而且，所述阀瓣的底面设置于所述阀瓣的顶点及所述止回管道中面积较小的端面之间。

可选的，还包括：固定件，设置于所述阀瓣与所述止回管道的内壁之间，用于将所述阀瓣固定于所述止回管道的内壁上。

可选的，所述第一流通管道的横截面的面积小于所述止回管道中面积较大的端面的面积；所述第二流通管道的横截面的面积大于所述止回管道中面积较小的端面的面积。

可选的，所述止回阀包括：流体二极管止回阀。

本发明的有益效果为：可以通过氢气输入管路往电堆输入氢气，电堆在基于氢气反应后，电堆排出的氢气会流经止回阀后再汇流至氢气输入管道。在止回阀的作用下，这些氢气不会因为电堆的排气而被排出电堆的反应管道，使得这部分氢气可以被电堆再度利用，提高了氢气利用率，从而避免了损失。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中燃料电池氢气侧的架构示意图；

图2为本发明实施例中氢气回流系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中止回阀的立体结构示意图；

图4为本发明实施例中止回阀的正视图；

图5为本发明实施例中止回阀在A-A方向的截面示意图(一)；

图6为本发明实施例中止回阀在A-A方向的截面示意图(一)；

图7为本发明实施例中止回阀正向流动的流线分布图；

图8为本发明实施例中止回阀反向流动的流向分布图；

图9为未携带有止回阀时氢循环路射流-引流瞬态流量示意图；

图10为携带有止回阀时氢循环路射流-引流瞬态流量示意图。

其中，1、储氢装置；2、减压阀；3、第一控制阀；4、回流泵；5、电堆；6、入堆空气接口；7、出堆空气接口；8、分水装置；9、尾排阀；10、第二控制阀；11、止回阀；11a、止回阀正向入口；11b、导流结构支撑柱空腔；11c、导流结构实体；11d、反向流锥形过渡区；11e、止回阀反向入口；11f、反向流一次撞击区；11g、反向流加速撞击区；11h、混合流区；12、引射器；12a、射流入口；12b、引流入口；12c、引射器出口；13、阀瓣；141、止回管道；142、第一流通管道；143、第二流通管道；15、止回管道；16、第一流通管道；17、第二流通管道。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解本发明实施例，下面通过几个具体实施例对本发明的结构进行详细的阐述。

根据图2所示，本发明实施例提供了一种氢气回流系统，其中，该氢气回流系统为燃料电池氢气侧的系统架构，该所述系统包括：电堆5、氢气输入管路、氢气回流管路以及止回阀11。

其中，该电堆5包括但不限于氢燃料电池，在本实施例中，该电堆5示范性设置为氢燃料电池，而且，该电堆5是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。

而且，上述的氢气输入管路包含有回流驱动支路，而且，该氢气输入管路的输出端连接于所述电堆5的输入端，在本实施例中，该氢气输入管路用于向所述电堆5供应氢气。

上述的氢气回流管路的输入端连接于电堆5的输出端，该氢气回流管路的输出端连接于所述回流驱动支路，在本实施例中，该氢气回流管路用于将所述电堆5中未完全反应的氢气汇流至所述氢气输入管路。

当然，在本实施例中，该氢气回流管路上还设置有排气管道，用于将除回流的氢气之外的混合气排出。针对该排气管道，在下文中会有叙述，在此不做赘述。而且，该氢气回流管路上也设置有分离装置，用于将从电堆5排出的混合气中分理出氢气。

此外，上述的止回阀11设置于上述氢气回流管路上。故，在本实施例中，从电堆5排出的氢气流经止回阀11汇流至输入管道后，在止回阀11的作用下，这些氢气不会因为电堆5的排气而被排出电堆5的反应管道，使得这部分氢气可以被电堆5再度利用，从而避免了损失。其中，通过该止回阀11，可以使得从电堆5排出的氢气通畅流通至回流驱动支路，而并且阻止从回流驱动支路经过止回阀11方向的流体流通。

另外，在本实施例中，并不对该止回阀11的具体结果做出限定，只需其满足本实施例的要求即可。

就此，在本实施例中，可以通过氢气输入管路往电堆5输入氢气，电堆5在基于氢气反应后，电堆5排出的氢气会流经止回阀11后再汇流至氢气输入管道。在止回阀11的作用下，这些氢气不会因为电堆5的排气而被排出电堆5的反应管道，使得这部分氢气可以被电堆5再度利用，提高了氢气利用率，从而避免了损失。

在另一实施例中，上述的回流驱动支路包括：引射器12及呈并联设置的第一输入管路及第二输入管路；其中，所述引射器12设置在所述第一输入管路上，而且，所述引射器12的引流入口连接于所述止回阀11。

此外，在本实施例中，上述氢气回流系统还包括：第一控制阀3以及第二控制阀10。其中，该第一控制阀3设置于第一输入管路上，而且，该第一控制阀3设置于所述引射器12的上游。

而上述的第二控制阀10设置于所述第二输入管路上。

在本实施例中，该第一控制阀3及第二控制阀10均可为氢气控制阀。

具体的，在本实施例中，引射器12的引流入口12b连接止回阀11，引射器12的射流入口12a连接于第一控制阀3，引射器12的引射器出口12c连接于电堆5。

而且，该第二输入管道作为射流旁通通道以配合引射器12的应用。

即：本实施例中的氢气回流系统具体结构如图2所示。与常规燃料电池氢气侧系统架构相比，在本实施例中，氢气回流由引射器12驱动，引射器12中的的引流入口12b的上游增设止回阀11，并为配合引射器12应用，增加第二控制阀10及连接管路构成的射流旁通通道。

从而，结合该止回阀11及引射器12，在通过第一控制阀3控制引射器12上游的氢气供给压力不足，导致射流流量供给较低以及引流效应变弱的情况下，通过该止回阀11和引射器12的设置，以通过止回阀11克服电堆5进出口的阻力，避免原本流向电堆5入口方向的气流在氢气回流管路中反向流动。

在另一实施例中，针对上述的分离装置，其一种实现方式为：分水装置8。具体的，在本实施例中，该分水装置8设置于所述氢气回流管路上，而且，该分水装置8设置于止回阀11的上游。使得该分水装置8可以从电堆5排出的混合气体中分离出未完全反应的氢气，并将未完全反应的氢气输入至所述止回阀11；

此外，针对上述的排气管道，其一种实现方式为：排出管路，该排出管道连接于分水装置8，使得该排出管道用于排出所述混合气体中除未完全反应的氢气之外的气体。当然，在另一实施例中，该排出管道也可用于排出电堆5排出的液体。

在另一实施例中，上述的氢气输入管路包括：储氢装置1及减压阀2，其中，该储氢装置1的输出端连接于所述第一输入管路的输入端及所述第二输入管路的输入端；而减压阀2设置于所述储氢装置1与并联设置的所述第一输入管路以及所述第二输入管路之间的管路段上。

在本实施例中，该储氢装置1的一种选项为：氢瓶。

在另一实施例中，上述止回阀11包括：流体二极管止回阀11。

具体的，在另一实施例中，根据图3-图6所示，该止回阀11包括：止回管道141和阀瓣13。

其中，该止回管道141的轴截面呈锥台状设置，而且，该止回管道141中面积较大的端面及所述止回管道141中面积较小的端面分别连接有第一流通管道142及第二流通管道143；

在另一实施例中，该第一流通管道142的横截面的面积小于所述止回管道141中面积较大的端面的面积；而且，第二流通管道143的横截面的面积大于所述止回管道141中面积较小的端面的面积。

其中，该阀瓣13固定于止回管道141的内壁上，而且，所述阀瓣13的外表面与所述止回管道141的内壁之间存在间隙；其中，所述阀瓣13呈圆锥状设置，所述阀瓣13与所述止回管道141同轴，所述阀瓣13的底面朝向所述阀瓣13的顶点内凹以形成弧面；而且，该阀瓣13的底面设置于阀瓣13的顶点及止回管道141中面积较小的端面之间。

在另一实施例中，该止回阀11还包括：固定件，其中，该设置于所述阀瓣13与所述止回管道141的内壁之间，用于将所述阀瓣13固定于所述止回管道141的内壁上。

具体的，固定件示范性设置为呈柱状设置。而且，在本实施例中，在保证阀瓣13的固定强度的基础上，该固定件的外表面积设置为尽可能小，而且，在本实施例中，并不对该固定件的具体形状、尺寸或数量进行限定，只需其满足本实施例的要求即可。

而且，根据图5所示，该固定件的数量设置为一件，而且，该固定件固定于阀瓣13与止回管道141的内壁之间。

当然，根据图6所示，该固定件进行以下设置：该固定件的数量设置为两件，而且，这两个固定件同轴设置，且分别固定于阀瓣13的两侧，当然，每个固定件均固定于阀瓣13与止回管道141的内壁之间。

当然，上述的固定件与阀瓣13一体成型。

针对上述氢气回流系统及止回阀11结构，其中，该止回阀11的止回管道的内腔采用流体二极管止回阀11结构，具体如图3-图6所示，止回阀11的止回管道的内部设有止回阀正向入口11a、止回阀反向入口11e、以及用于支撑导流结构的柱体11b(即：上述的固定件)。其中，止回阀11的止回管道的内腔根据燃料电池氢气侧目标工况点的流通状态设置有针对性的流动优化，针对气流正向流通阶段，导流结构头部部锥形气流引流，而且，对于气流反流阶段，反向流锥形过渡区11d与导流结构实体11c的尾部区域形成反向流一次撞击区11f以及反向流加速撞击区11g，而且，止回管道中横截面面积较大的侧面形成有混合流区11h。由此起到削弱反向流通的效果。

采用本技术方案中的止回阀11结构并通过尺寸优化，实现止回阀11正向流动通畅，反向流动阻止的效果。

其中，图7为燃料电池氢回流系统小电密工况点止回阀11正向流动流线分布分析结果；图8为燃料电池氢回流系统小电密工况点止回阀11正向流动流线分布分析结果，在相同的氢气流量下止回阀11反向流通流动损失为正向流通流动损失约5倍。

应用于图2的氢气回流系统及止回阀11针对于抑制脉冲引射中的反流效果的评估。通过图9及图10的分析结果对比，脉冲射流低流量供给阶段的反流量减少近2倍。引射器12脉冲引射策略中的低流量下的反流虽未能完全避免，但显著减少。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、低”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢气回流系统，其特征在于，所述系统包括：

电堆；

氢气输入管路，包含有回流驱动支路，而且，所述氢气输入管路的输出端连接于所述电堆的输入端，用于向所述电堆供应氢气；

氢气回流管路，输入端连接于所述电堆的输出端，所述氢气回流管路的输出端连接于所述回流驱动支路，用于将所述电堆中未完全反应的氢气汇流至所述氢气输入管路；

止回阀，设置于所述氢气回流管路上。

2.根据权利要求1所述的氢气回流系统，其特征在于，所述回流驱动支路包括：引射器及呈并联设置的第一输入管路及第二输入管路；

其中，所述引射器设置在所述第一输入管路上，而且，所述引射器的引流入口连接于所述止回阀。

3.根据权利要求2所述的氢气回流系统，其特征在于，还包括：

第一控制阀，设置于所述第一输入管路上，而且，所述第一控制阀设置于所述引射器的上游。

4.根据权利要求2所述的氢气回流系统，其特征在于，还包括：

第二控制阀，设置于所述第二输入管路上。

5.根据权利要求1所述的氢气回流系统，其特征在于，还包括：

分水装置，设置于所述氢气回流管路上，而且，所述分水装置设置于所述止回阀的上游，用于从所述电堆排出的混合气体中分离出未完全反应的氢气，并将未完全反应的氢气输入至所述止回阀；

排出管路，连接于所述分水装置，用于排出所述混合气体中除未完全反应的氢气之外的气体。

6.根据权利要求2所述的氢气回流系统，其特征在于，所述氢气输入管路包括：

储氢装置，输出端连接于所述第一输入管路的输入端及所述第二输入管路的输入端；

减压阀，设置于所述储氢装置与并联设置的所述第一输入管路以及所述第二输入管路之间的管路段上。

7.一种权利要求1-6任一项所述的止回阀，其特征在于，包括：

止回管道，轴截面呈锥台状设置，而且，所述止回管道中面积较大的端面及所述止回管道中面积较小的端面分别连接有第一流通管道及第二流通管道；

阀瓣，固定于所述止回管道的内壁上，而且，所述阀瓣的外表面与所述止回管道的内壁之间存在间隙；

其中，所述阀瓣呈圆锥状设置，所述阀瓣与所述止回管道同轴，所述阀瓣的底面朝向所述阀瓣的顶点内凹以形成弧面；

而且，所述阀瓣的底面设置于所述阀瓣的顶点及所述止回管道中面积较小的端面之间。

8.根据权利要求7所述的止回阀，其特征在于，还包括：

固定件，设置于所述阀瓣与所述止回管道的内壁之间，用于将所述阀瓣固定于所述止回管道的内壁上。

9.根据权利要求7所述的止回阀，其特征在于，所述第一流通管道的横截面的面积小于所述止回管道中面积较大的端面的面积；

所述第二流通管道的横截面的面积大于所述止回管道中面积较小的端面的面积。

10.根据权利要求7所述的止回阀，其特征在于，所述止回阀包括：流体二极管止回阀。

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