CN113629273A - 一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，包括引射器、氢气循环泵、电堆和气水分离器，氢气源通过管路连接所述引射器进口，所述氢气源与引射器之间的管路上依次连接有电磁开关阀和流量调节机构，所述引射器的出口连通所述电堆的进口，所述电堆的出口连通所述气水分离器的入口，所述气水分离器的出口连通所述氢气循环泵的进气口，所述氢气循环泵的出气口连通所述引射器的引射口。采用离心式氢气循环泵与引射器串联使用，低功率段使用循环泵提高循环比，高功率段使用引射器，提高燃料电池系统的净输出功率；离心式氢气循环泵在停机状态下流阻很小，避免了串联布局循环泵需要一直工作消耗功率的情况。

Description

一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统

技术领域

本发明涉及一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，属于氢燃料电池的氢气循环系统技术领域。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池要求所供应的氢气清洁无油，同时考虑输送氢气介质易燃易爆的特点，对供应系统防泄漏及可靠性也有很高要求。

应用于氢燃料电池的常规氢气循环系统中，如果只使用引射器进行氢气的循环，则引射器很难满足各功率段的氢气循环需求；只使用氢气循环泵进行氢气循环存在的问题是：在大功率燃料电池系统中消耗的功率大，而且存在体积大、重量大、噪音大等情况；常规使用的罗茨式循环泵在停机时，流阻很大，无法串联到氢气循环系统当中。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，采用离心式氢气循环泵与引射器串联使用，低功率段使用循环泵提高循环比，高功率段使用引射器，提高燃料电池系统的净输出功率；离心式氢气循环泵在停机状态下流阻很小，避免了串联布局循环泵需要一直工作消耗功率的情况。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，所述的串联氢气循环系统包括引射器、氢气循环泵、电堆和气水分离器，氢气源通过管路连接所述引射器进口，所述引射器的出口连通所述电堆的进口，所述电堆的出口连通所述气水分离器的入口，所述气水分离器的出口连通所述氢气循环泵的进气口，所述氢气循环泵的出气口连通所述引射器的引射口；

所述的氢气循环泵包括电机外壳、转轴、泵壳和叶轮，所述电机外壳与所述泵壳之间密封固定安装，所述电机外壳内部与所述泵壳之间构成电机内腔，所述泵壳内部设有泵内腔，所述转轴位于所述电机内腔和所述泵内腔的内部，所述转轴的中部穿过所述泵壳上端，所述转轴的上端与所述电机外壳上端转动连接，所述转轴的中部与所述泵壳转动连接；

所述电机内腔设有灌封定子和灌封转子，所述灌封定子固定安装于所述电机内腔的内壁，所述灌封转子固定安装于所述转轴上，所述灌封转子位于所述灌封定子的内部；所述泵壳上设有进气口和出气口，所述泵内腔设有叶轮，所述叶轮与所述转轴固定连接，所述泵内腔的内部设有加速流道，所述进气口和出气口均与所述加速流道相通。

本发明的有益效果是：离心式的氢气循环泵与引射器串联使用，低功率段使用氢气循环泵提高循环比，氢气循环泵运行弥补引射器循环能力不足的问题，高功率段使用引射器，提高燃料电池系统的净输出功率，所述氢气循环泵在停机状态下流阻很小，避免了串联布局循环泵需要一直工作消耗功率的情况，所以在高功率时，可以只使用引射器，避免使用氢气循环泵消耗功率；氢气循环泵与引射器串联使用，氢气循环系统控制更加简单，成本更低；

所述氢气循环泵运行时，氢气从进气口进入，通过叶轮的加速作用，氢气再加速流道内部加速后，从出气口流出，实现氢气的循环，所述氢气循环泵可以实现大流量的循环，叶轮可采用开放式，结构简单、可靠性好，体积小、重量轻，噪音少，有效提高氢燃料电池系统的功率密度；泵内腔里没有润滑油，从根本上避免漏油造成电堆失效的情况发生；加速流道通过进气口和出气口串联到氢气循环系统里，气体通过加速流道通过所述氢气循环泵，泵停止再运行时流阻小，有效降低整个氢燃料电池系统成本及控制难度；另外，电机外壳与泵壳之间密封固定安装，灌封转子和灌封定子均进行了灌封处理，可以有效避免氢气泄露，提高安全性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步的，所述氢气源与引射器之间的管路上依次连接有电磁开关阀和流量调节机构，所述的流量调节机构为比例阀或喷射器，所述流量调节机构集成在所述引射器上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过电磁开关阀控制新氢气进入氢气循环系统的通断，所述流量调节机构用于调节进入氢气循环系统的新氢气流量，比例阀和喷射器均可以实现氢气流量的调节，而且结构简单，使用方便，另外，流量调节结构在引射器上集成设计可以使结构更加紧凑。

进一步的，所述气水分离器上连接有排气管和排水管，所述排气管上设有排气阀，所述排水管上设有排水阀；

所述排气阀上带有电加热机构，所述排水阀上带有电加热机构，所述排气阀和排水阀均与所述的气水分离器集成安装。

采用上述进一步方案的有益效果是：当电堆的循环气体中氮气、水蒸气等其他气体浓度较高，而氢气浓度较低时，则打开排气阀，使循环气体通过排气管排出，提高燃料电池循环机构效率；排水管和排水阀用于排出气水分离器中的积水；加热机构的设置，使所述的氢气循环系统即使在极寒条件下也可以正常运行，避免因低温而导致排气阀和排水阀的开闭受影响。

进一步的，所述氢气循环泵包括控制器，所述控制器包括控制器外壳和控制器主板，所述控制器外壳与所述电机外壳通过螺栓固定连接安装，所述控制器外壳与所述电机外壳之间安装有密封O型圈，所述控制器外壳内部安装所述控制器主板，所述控制器外壳上设有控制器插座，所述控制器插座与所述控制器外壳之间密封处理。

采用上述进一步方案的有益效果是：控制器的设置，便于实现对氢气循环泵运行情况的控制，使用更加便利，所述氢气循环泵可以按照氢燃料电池的控制要求随时调整电机转速，满足氢气循环流量及压力的需求；另外控制器外壳与电机外壳之间安装密封O型圈，控制器插座与所述控制器外壳之间密封处理，可以有效避免氢气泄露，避免安全隐患。

进一步的，所述泵壳包括上泵壳和下泵壳，所述上泵壳与所述下泵壳之间构成泵内腔，所述上泵壳的上端与所述电机外壳通过螺栓固定连接，所述上泵壳与所述电机外壳之间安装有密封O型圈；所述上泵壳的下端与所述下泵壳通过螺栓固定连接，所述上泵壳与所述下泵壳之间安装有密封O型圈，所述转轴的中部与所述上泵壳转动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：泵壳采用上泵壳和下泵壳的分体设置，便于叶轮的安装与检修，使用方便；氢气时易爆易燃气体，密封O型圈的设置，可以避免氢气从所述氢气循环泵泄露出来，避免产生安全隐患。

进一步的，所述转轴的上端与所述电机外壳通过上轴承转动连接，所述转轴的中部与所述上泵壳通过下轴承转动连接，所述泵内腔内设有密封机构，所述密封机构为油封或气封，所述密封机构位于所述下轴承与叶轮之间。

采用上述进一步方案的有益效果是：密封机构的设置，可以避免润滑油进入泵内腔里，泵内部没有润滑油，可以从根本上避免漏油造成电堆失效的情况发生。

进一步的，所述上泵壳上设有上壳体流道，所述下泵壳上设有下壳体流道，所述上壳体流道与所述下壳体流道构成加速流道。

采用上述进一步方案的有益效果是：加速流道的设置，便于对气体进行加速，另外，氢气循环泵不运行时，气体可以通过加速流道通过氢气循环泵，流阻小。

进一步的，所述叶轮与所述转轴通过锁紧螺母固定连接，所述叶轮与所述锁紧螺母之间安装有止动垫片，所述锁紧螺母为反丝螺母，所述叶轮的上下表面及侧面均设有若干翅片。

采用上述进一步方案的有益效果是：止动垫片的设置，可以避免叶轮与转轴之间发生相对运动，使转轴可以更好的带动叶轮转动，另外锁紧螺母采用反丝螺母，可以避免转轴转动时，导致叶轮松动。

进一步的，所述引射器上集成有安全阀和压力传感器；所述引射器集成在所述氢气循环泵的出气口，所述气水分离器集成在所述氢气循环泵的进气口。

采用上述进一步方案的有益效果是：当引射器出口压力过高时，安全阀泄压保护膜电极损坏，压力传感器采集压力数据便于调整比例阀开度或喷射器进气量；所述引射器、氢气循环泵和气水分离器之间的集成设计，可以取消掉引射器、氢气循环泵和气水分离器之间管路，从使结构更加紧凑。

进一步的，所述引射器、气水分离器、电机外壳、泵壳、叶轮可以为铝合金、不锈钢、PPA、PPS或PEEK等工程塑料材质。

采用上述进一步方案的有益效果是：多种材质均可适用于所述的串联氢气循环系统，从而制造更加方便，其中，PPS等工程塑料耐高温，耐腐蚀，具有优越的机械性能，化学稳定性好，在长期工作负荷和热负荷的作用下可以保持高的力学性能和尺寸稳定性，应用在氢气循环系统中可以有更长的使用寿命。

附图说明

图1为实施例中所述串联氢气循环系统的结构示意图；

图2为实施例中所述氢气循环泵的内部结构示意图；

图3为实施例中所述叶轮的结构示意图；

图中，1引射器，2氢气循环泵，3电堆，4气水分离器，5电磁开关阀，6流量调节机构，7排气管，8排水管，9排气阀，10排水阀；

2-1电机外壳，2-2转轴，2-3叶轮，2-4电机内腔，2-5泵内腔，2-6灌封定子，2-7灌封转子，2-8进气口，2-9出气口，2-10控制器外壳，2-11控制器主板，2-12控制器插座，2-13密封O型圈，2-14上泵壳，2-15下泵壳，2-16上轴承，2-17下轴承，2-18密封机构，2-19上壳体流道，2-20下壳体流道，2-21锁紧螺母，2-22止动垫片，2-23翅片，2-24散热片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，所述的串联氢气循环系统包括引射器1、氢气循环泵2、电堆3和气水分离器4，氢气源通过管路连接所述引射器1进口，所述引射器1的出口连通所述电堆3的进口，所述电堆3的出口连通所述气水分离器4的入口，所述气水分离器4的出口连通所述氢气循环泵2的进气口2-8，所述氢气循环泵2的出气口2-9连通所述引射器1的引射口；

如图2所示，所述的氢气循环泵2包括电机外壳2-1、转轴2-2、泵壳和叶轮2-3，所述电机外壳2-1与所述泵壳之间密封固定安装，所述电机外壳2-1内部与所述泵壳之间构成电机内腔2-4，所述泵壳内部设有泵内腔2-5，所述转轴2-2位于所述电机内腔2-4和所述泵内腔2-5的内部，所述转轴2-2的中部穿过所述泵壳上端，所述转轴2-2的上端与所述电机外壳2-1上端转动连接，所述转轴2-2的中部与所述泵壳转动连接；

所述电机内腔2-4设有灌封定子2-6和灌封转子2-7，所述灌封定子2-6固定安装于所述电机内腔2-4的内壁，所述灌封转子2-7固定安装于所述转轴2-2上，所述灌封转子2-7位于所述灌封定子2-6的内部；所述泵壳上设有进气口2-8和出气口2-9，所述泵内腔2-5设有叶轮2-3，所述叶轮2-3与所述转轴2-2固定连接，所述泵内腔2-5的内部设有加速流道，所述进气口2-8和出气口2-9均与所述加速流道相通。

具体的，所述氢气源与引射器1之间的管路上依次连接有电磁开关阀5和流量调节机构6，所述的流量调节机构6为比例阀或喷射器，所述流量调节机构6集成在所述引射器1上。

具体的，所述气水分离器4上连接有排气管7和排水管8，所述排气管7上设有排气阀9，所述排水管8上设有排水阀10；排水阀10用于排出积水，排水阀10用于排出氢气含量低的混合气体；

所述排气阀9上带有电加热机构，所述排水阀10上带有电加热机构，所述排气阀9和排水阀10均与所述的气水分离器4集成安装。

具体的，所述氢气循环泵2包括控制器，所述控制器包括控制器外壳2-10和控制器主板2-11，所述控制器外壳2-10与所述电机外壳2-1通过螺栓固定连接安装，所述控制器外壳2-10与所述电机外壳2-1之间安装有密封O型圈2-13，所述控制器外壳2-10内部安装所述控制器主板2-11，所述控制器外壳2-10上设有控制器插座2-12，所述控制器插座2-12与所述控制器外壳2-10之间密封处理。

具体的，所述泵壳包括上泵壳2-14和下泵壳2-15，所述上泵壳2-14与所述下泵壳2-15之间构成泵内腔2-5，所述上泵壳2-14的上端与所述电机外壳2-1通过螺栓固定连接，所述上泵壳2-14与所述电机外壳2-1之间安装有密封O型圈2-13，电机外壳2-1的外侧上设有散热片2-24；所述上泵壳2-14的下端与所述下泵壳2-15通过螺栓固定连接，所述上泵壳2-14与所述下泵壳2-15之间安装有密封O型圈2-13，所述转轴2-2的中部与所述上泵壳2-14转动连接。

具体的，所述转轴2-2的上端与所述电机外壳2-1通过上轴承2-16转动连接，所述转轴2-2的中部与所述上泵壳2-14通过下轴承2-17转动连接，所述泵内腔2-5内设有密封机构2-18，所述密封机构2-18为油封或气封，所述密封机构2-18位于所述下轴承2-17与叶轮2-3之间。

具体的，所述上泵壳2-14上设有上壳体流道2-19，所述下泵壳2-15上设有下壳体流道2-20，所述上壳体流道2-19与所述下壳体流道2-20构成加速流道。

具体的，所述叶轮2-3与所述转轴2-2通过锁紧螺母2-21固定连接，所述叶轮2-3与所述锁紧螺母2-21之间安装有止动垫片2-22，所述锁紧螺母2-21为反丝螺母，如图3所示，所述叶轮2-3的上下表面及侧面均设有若干翅片2-23。

具体的，所述引射器1上集成有安全阀和压力传感器，当引射器1出口压力过高时，安全阀泄压保护膜电极损坏，压力传感器采集压力数据便于调整比例阀开度或喷射器进气量。

具体的，所述引射器1集成在所述氢气循环泵2的出气口2-9，所述气水分离器4集成在所述氢气循环泵2的进气口2-8，从而可以取消掉引射器1、氢气循环泵2和气水分离器4之间管路，使结构更加紧凑。

具体的，所述引射器1、气水分离器4、电机外壳2-1、控制器外壳2-10、泵壳、叶轮2-3可以为铝合金、不锈钢、PPA、PPS或PEEK等工程塑料材质。

工作原理：

所述串联氢气循环系统适用于各种规格的氢燃料电池，小功率运行时，氢气先通过电磁开关阀5，然后通过比例阀或喷射器实现流量的调节，流量调节完成后氢气进入电堆3；电堆3中未反应完全的氢气、反应过程产生的液态水、水蒸气及阴极侧渗漏的氮气经过气水分离器4分离掉大部分液态水后，经氢气循环泵2增压，进入引射器1后再次进入电堆3，实现循环利用；

大功率运行时，氢气循环泵2停止工作，依靠引射器1自身的引射能力实现混合气体的循环利用，降低氢气循环系统功耗，提高氢气循环系统净输出。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述的串联氢气循环系统包括引射器(1)、氢气循环泵(2)、电堆(3)和气水分离器(4)，氢气源通过管路连接所述引射器(1)进口，所述引射器(1)的出口连通所述电堆(3)的进口，所述电堆(3)的出口连通所述气水分离器(4)的入口，所述气水分离器(4)的出口连通所述氢气循环泵(2)的进气口(2-8)，所述氢气循环泵(2)的出气口(2-9)连通所述引射器(1)的引射口；

所述的氢气循环泵(2)包括电机外壳(2-1)、转轴(2-2)、泵壳和叶轮(2-3)，所述电机外壳(2-1)与所述泵壳之间密封固定安装，所述电机外壳(2-1)内部与所述泵壳之间构成电机内腔(2-4)，所述泵壳内部设有泵内腔(2-5)，所述转轴(2-2)位于所述电机内腔(2-4)和所述泵内腔(2-5)的内部，所述转轴(2-2)的中部穿过所述泵壳上端，所述转轴(2-2)的上端与所述电机外壳(2-1)上端转动连接，所述转轴(2-2)的中部与所述泵壳转动连接；

所述电机内腔(2-4)设有灌封定子(2-6)和灌封转子(2-7)，所述灌封定子(2-6)固定安装于所述电机内腔(2-4)的内壁，所述灌封转子(2-7)固定安装于所述转轴(2-2)上，所述灌封转子(2-7)位于所述灌封定子(2-6)的内部；所述泵壳上设有进气口(2-8)和出气口(2-9)，所述泵内腔(2-5)设有叶轮(2-3)，所述叶轮(2-3)与所述转轴(2-2)固定连接，所述泵内腔(2-5)的内部设有加速流道，所述进气口(2-8)和出气口(2-9)均与所述加速流道相通。

2.根据权利要求1所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述氢气源与引射器(1)之间的管路上依次连接有电磁开关阀(5)和流量调节机构(6)，所述的流量调节机构(6)为比例阀或喷射器，所述流量调节机构(6)集成在所述引射器(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述气水分离器(4)上连接有排气管(7)和排水管(8)，所述排气管(7)上设有排气阀(9)，所述排水管(8)上设有排水阀(10)；

所述排气阀(9)上带有电加热机构，所述排水阀(10)上带有电加热机构，所述排气阀(9)和排水阀(10)均与所述的气水分离器(4)集成安装。

4.根据权利要求1所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述氢气循环泵(2)包括控制器，所述控制器包括控制器外壳(2-10)和控制器主板(2-11)，所述控制器外壳(2-10)与所述电机外壳(2-1)通过螺栓固定连接安装，所述控制器外壳(2-10)与所述电机外壳(2-1)之间安装有密封O型圈(2-13)，所述控制器外壳(2-10)内部安装所述控制器主板(2-11)，所述控制器外壳(2-10)上设有控制器插座(2-12)，所述控制器插座(2-12)与所述控制器外壳(2-10)之间密封处理。

5.根据权利要求1所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述泵壳包括上泵壳(2-14)和下泵壳(2-15)，所述上泵壳(2-14)与所述下泵壳(2-15)之间构成泵内腔(2-5)，所述上泵壳(2-14)的上端与所述电机外壳(2-1)通过螺栓固定连接，所述上泵壳(2-14)与所述电机外壳(2-1)之间安装有密封O型圈(2-13)；所述上泵壳(2-14)的下端与所述下泵壳(2-15)通过螺栓固定连接，所述上泵壳(2-14)与所述下泵壳(2-15)之间安装有密封O型圈(2-13)，所述转轴(2-2)的中部与所述上泵壳(2-14)转动连接。

6.根据权利要求5所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述转轴(2-2)的上端与所述电机外壳(2-1)通过上轴承(2-16)转动连接，所述转轴(2-2)的中部与所述上泵壳(2-14)通过下轴承(2-17)转动连接，所述泵内腔(2-5)内设有密封机构(2-18)，所述密封机构(2-18)为油封或气封，所述密封机构(2-18)位于所述下轴承(2-17)与叶轮(2-3)之间。

7.根据权利要求6所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述上泵壳(2-14)上设有上壳体流道(2-19)，所述下泵壳(2-15)上设有下壳体流道(2-20)，所述上壳体流道(2-19)与所述下壳体流道(2-20)构成加速流道。

8.根据权利要求6所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述叶轮(2-3)与所述转轴(2-2)通过锁紧螺母(2-21)固定连接，所述叶轮(2-3)与所述锁紧螺母(2-21)之间安装有止动垫片(2-22)，所述锁紧螺母(2-21)为反丝螺母，所述叶轮(2-3)的上下表面及侧面均设有若干翅片(2-23)。

9.根据权利要求1所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述引射器(1)上集成有安全阀和压力传感器；所述引射器(1)集成在所述氢气循环泵(2)的出气口(2-9)，所述气水分离器(4)集成在所述氢气循环泵(2)的进气口(2-8)。

10.根据权利要求1所述的一种应用于氢燃料电池的串联氢气循环系统，其特征在于，所述引射器(1)、气水分离器(4)、电机外壳(2-1)、泵壳、叶轮(2-3)可以为铝合金、不锈钢、PPA、PPS或PEEK材质。

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