CN113707908A - 燃料电池系统中的供氢系统及供氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池系统中的供氢系统及供氢方法,其包括:中间容器,中间容器的内腔中设有一隔离部,隔离部将中间容器的内腔分为进氢腔和回氢腔,进氢腔连设有第一进氢管和第一出氢管,回氢腔连设有第二进氢管和第二出氢管;第一进氢管上设有第一控制阀,第一出氢管上设有第二控制阀,第二进氢管和第二出氢管上均设有单向阀;供氢容器与第一进氢管相连,第一出氢管与燃料电池堆的进氢口连通,向燃料电池堆送氢;回氢腔通过第二出氢管、第二进氢管与燃料电池堆构成氢循环回路。本发明在供氢和氢气循环过程中,无润滑油相关介质,不会对燃料电池堆产生污染,并且利用了车载储氢系统提供的高压氢气的高压能,提高了燃料电池净输出效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池车技术领域,特别是涉及一种燃料电池系统中的供氢系统及供氢方法。
背景技术
在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中,保持质子交换膜的水平衡对燃料电池堆的寿命有重要意义。一方面,水含量过低会产生干膜现象,妨碍质子的传输;另一方面,水含量过高会产生水淹现象,阻碍多孔介质中气体的扩散,导致电堆输出电压降低。此外,从阴极侧穿透到阳极的杂质气体不断累积,也会对电堆的性能造成影响。
针对以上堵水和气体渗透的问题,通常采用排氢的方法,将燃料电池堆内部生成的水和累积的杂质气体排出。排氢频率太低,容易导致堵水和杂质气体累积,从而导致电堆性能下降;排氢频率太高,则既浪费了氢气,又带来潜在危险。为保证PEMFC稳定高效运行,同时提高氢气利用率,通常采用氢气循环的方法,即氢气把燃料电池堆内部生成的水带出后,经水气分离装置将液态水分离,再将氢气循环送回到燃料电池堆阳极重复使用,同时对新鲜氢气进行加湿。
目前主要的氢气循环模式为爪式、涡旋式的,罗茨式等电机驱动的循环泵,其中,以某公司的爪式循环泵在国内份额最大,其技术相对成熟。但电机驱动形式的循环泵,都存在寄生功率的消耗,而其转子都是通过同步齿轮进行传动,而同步齿轮需要润滑油进行润滑所以需要设计齿轮室,在齿轮室中加入润滑油,齿轮室中的同步齿轮通过连接轴和转子轴相连,齿轮室和转子室之间需要设计油封装置,但是氢气循环泵在实际使用过程中还是存在润滑油从齿轮室向转子室渗透或者泄露的风险,导致燃料电池的电堆污染。
因此,需要一种新的供氢系统和供氢方法,避免污染燃料电池堆。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种燃料电池系统中的供氢系统及供氢方法,用于解决现有技术中在循环氢气的过程中容易将润滑油等带入燃料电池堆而将燃料电池堆污染的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种燃料电池系统中的供氢系统,其包括:
容置氢气的供氢容器;
中间容器,所述中间容器的内腔中设有一隔离部,所述隔离部将中间容器的内腔分为进氢腔和回氢腔,且所述进氢腔或回氢腔内具有与所述隔离部相连且用于隔离部复位的复位件,所述进氢腔连设有第一进氢管和第一出氢管,所述回氢腔连设有第二进氢管和第二出氢管;所述第一进氢管上设有第一控制阀,第一出氢管上设有第二控制阀,第二进氢管和第二出氢管上均设有单向阀;
所述供氢容器与所述第一进氢管相连,所述第一出氢管与燃料电池堆的进氢口连通,向燃料电池堆送氢;所述回氢腔通过第二出氢管、第二进氢管与燃料电池堆构成氢循环回路。
优选的,所述供氢系统中设有多个并联的中间容器。
优选的,所述第一控制阀和所述第二控制阀均为电磁比例阀。
优选的,所述隔离部包括弹性隔膜以及固定在弹性隔膜四周的连接框,所述连接框为刚性部件,所述连接框与所述中间容器的内壁密封固定相连。
优选的,所述复位件为水平设置的弹簧,弹簧的一端与所述隔离部的中间处相连,弹簧的另一端与所述中间容器的器壁相连。
优选的,所述隔离部的中间处设有刚性的连接部,所述弹簧与所述连接部固定相连。
本发明还提供一种燃料电池堆的供氢方法,其采用如上所述的燃料电池系统中的供氢系统向燃料电池堆供氢,通过控制第一控制阀和第二控制阀的启闭,供氢容器中的氢气通过进氢腔向燃料电池堆供氢,并且伴随使燃料电池堆的排出氢气循环利用。
优选的,在供氢的过程中,初始控制第一控制阀打开、第二控制阀关闭,供氢容器向进氢腔供氢,隔膜向回氢腔侧运动,回氢腔排空;再控制第一控制阀关闭、第二控制阀打开,进氢腔的氢气排出至燃料电池堆,隔膜向进氢腔侧运动,进而使燃料电池堆的排出氢气进入回氢腔;再重复控制第一控制阀打开、第二控制阀关闭,供氢容器向进氢腔供氢,同时回氢腔向燃料电池堆供氢;往复控制第一控制阀和第二控制阀的启闭,实现向燃料电池堆的供氢。
优选的,在供氢过程中,所述第一控制阀和所述第二控制阀均对输送氢气进行减压。
如上所述,本发明的燃料电池系统中的供氢系统及供氢方法,具有以下有益效果:采用带有隔离部和复位件的中间容器作为供氢系统的主要器件,其进氢腔充氢时使隔离部向回氢腔运动排空回氢腔,进氢腔排氢时向燃料电池堆供氢,同时回氢腔形成负压,便于将燃料电池堆未充分使用的氢气抽吸至回氢腔,以此通过进氢腔的充氢和排氢实现向燃料电池堆供氢和氢气的循环,而隔离部和复位件无需其他驱动单元,也无需增加润滑油等,因此,整个供氢系统实现了氢气循环且不会对燃料电池堆产生污染,提高了氢气的循环利用率。
附图说明
图1显示为本发明的中间容器示意图。
图2显示为本发明的燃料电池系统中的供氢系统的一实施例图。
图3显示为实施例一的氢循环示意图。
图4显示为本发明的燃料电池系统中的供氢系统的另一实施例图。
元件标号说明
1 供氢单元
2、8 单向阀
3 第二控制阀
4 回氢腔
5 进氢腔
6 拉簧
7 隔离部
9 中间容器
10 第一控制阀
11 燃料电池堆
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图4。须知,本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
如图2至图3所示,本实施例提供一种燃料电池系统中的供氢系统,其包括:
容置氢气的供氢容器(未予图示),具体为车载储氢系统;
供氢单元1,供氢单元1包括中间容器9、第一控制阀10和第二控制阀3,见图1所示,中间容器9的内腔中设有一隔离部7,隔离部7将中间容器的内腔分为进氢腔5和回氢腔4,且进氢腔5或回氢腔4内(本实施例在进氢腔5)具有与隔离部7相连且用于隔离部7复位的复位件(本实施例为拉簧6),进氢腔5连设有第一进氢管和第一出氢管,回氢腔4连设有第二进氢管和第二出氢管;第一进氢管上设有第一控制阀10,第一出氢管上设有第二控制阀3,第二进氢管和第二出氢管上均设有单向阀8、2;
供氢容器与第一进氢管相连,第一出氢管与燃料电池堆11的进氢口连通,向燃料电池堆11送氢;回氢腔4通过第二出氢管、第二进氢管与燃料电池堆11构成氢循环回路。
本实施例中在供氢过程中无润滑油相关介质,不会有污染源进入燃料电池堆而产生污染;利用了车载储氢系统提供的高压氢气的高压能,提高了燃料电池净输出效率;整个供氢过程伴随产生氢气循环,提高了氢气利用率。
为便于供氢过程中的减压输送,本实施例中上述第一控制阀10和所述第二控制阀3均为电磁比例阀;其可根据需要调节进入进氢腔5的压力,以及满足输送给燃料电池堆11的所需压力。
本实施例中为便于安装定位,上述隔离部7包括弹性隔膜以及固定在弹性隔膜四周的连接框,连接框为刚性部件,连接框与中间容器的内壁密封固定相连,其可通过焊接或卡接等方式进行定位安装。
本实施例中上述复位件为水平设置的弹簧,也即拉簧6,拉簧6的一端与隔离部7的中间部相连,拉簧6的另一端与中间容器9的器壁相连。本实施例中将拉簧6与隔离部7的中间段相连,便于复位;另外,隔离部7的中间处可为刚性的连接部,如上述弹性隔膜的中间处设有钢板等结构,便于拉簧6的定位连接,且提高隔离部7的强度,便于多次复位使用。
本实施例的具体供氢方法可以为:
当燃料电池堆11开始工作时,首先开启第一控制阀10,高压氢气经过一级减压后进入进氢腔5,并推动隔离部7偏向回氢腔4,单向阀2自动开启,排出回氢腔4内的氢气;中间容器9为图3所示状态。
然后,关闭第一控制阀10,开启第二控制阀3,进氢腔5内的氢气经过二级减压后,进入燃料电池堆11,进行电化学反应,同时,隔离部7在拉簧6的作用下,偏向进氢腔5,在回氢腔4形成负压,将燃料电池堆中电化学反应未消耗的氢气吸进回氢腔4,见图2所示。
如此通过第一控制阀10和第二控制阀3的开关控制,实现供氢单元1的各种工作状态的切换,充分利用了高压氢气的压力能,提高了燃料电池堆的整机效率。同时供氢单元1无机械运动件,无需润滑,解决现有技术中电机驱动氢气循环泵泄露和润滑油污染风险。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同,不同之处在于:本实施例中具有两个或两个以上如图1所示的供氢单元1,即供氢系统中设有多个并联的中间容器9,每个中间容器9配套一组上述的第一控制阀10、第二控制阀3以及两个单向阀8、2。本实施例其可加大氢气的供应速率,当需要高速率供氢时,可将所有供氢单元1开启;也可提高了供氢系统使用的安全性,可将其中一供氢单元1作为备用,便于维修替换。
本实施例的供氢方法,其通过控制第一控制阀10和第二控制阀3的启闭,供氢容器中的氢气通过进氢腔5向燃料电池堆11供氢,并且伴随使燃料电池堆11的排出氢气循环利用。具体的,在供氢的过程中,初始控制第一控制阀10打开、第二控制阀3关闭,供氢容器向进氢腔5供氢,隔离部7向回氢腔4侧运动,回氢腔4排空;再控制第一控制阀10关闭、第二控制阀3打开,进氢腔5的氢气排出至燃料电池堆11,隔离部7向进氢腔5侧运动,进而使燃料电池堆11的排出氢气进入回氢腔4;再重复控制第一控制阀10打开、第二控制阀3关闭,供氢容器向进氢腔5供氢,同时回氢腔4向燃料电池堆供氢;往复控制第一控制阀10和第二控制阀3的启闭,实现向燃料电池堆11的供氢和未使用氢气的回收再利用。
所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种燃料电池系统中的供氢系统,其特征在于,包括:
容置氢气的供氢容器;
中间容器,所述中间容器的内腔中设有一隔离部,所述隔离部将中间容器的内腔分为进氢腔和回氢腔,且所述进氢腔或回氢腔内具有与所述隔离部相连且用于隔离部复位的复位件,所述进氢腔连设有第一进氢管和第一出氢管,所述回氢腔连设有第二进氢管和第二出氢管;所述第一进氢管上设有第一控制阀,第一出氢管上设有第二控制阀,第二进氢管和第二出氢管上均设有单向阀;
所述供氢容器与所述第一进氢管相连,所述第一出氢管与燃料电池堆的进氢口连通,向燃料电池堆送氢;所述回氢腔通过第二出氢管、第二进氢管与燃料电池堆构成氢循环回路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统中的供氢系统,其特征在于:所述供氢系统中设有多个并联的中间容器。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统中的供氢系统,其特征在于:所述第一控制阀和所述第二控制阀均为电磁比例阀。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统中的供氢系统,其特征在于:所述隔离部包括弹性隔膜以及固定在弹性隔膜四周的连接框,所述连接框为刚性部件,所述连接框与所述中间容器的内壁密封固定相连。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统中的供氢系统,其特征在于:所述复位件为水平设置的弹簧,弹簧的一端与所述隔膜部的中间处相连,弹簧的另一端与所述中间容器的器壁相连。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统中的供氢系统,其特征在于:所述隔离部的中间处设有刚性的连接部,所述弹簧与所述连接部固定相连。
7.一种燃料电池堆的供氢方法,其特征在于:采用如权利要求1至权利要求6任一项所述的燃料电池系统中的供氢系统向燃料电池堆供氢,通过控制第一控制阀和第二控制阀的启闭,供氢容器中的氢气通过进氢腔向燃料电池堆供氢,并且伴随使燃料电池堆的排出氢气循环利用。
8.根据权利要求7所述的燃料电池堆的供氢方法,其特征在于:在供氢的过程中,初始控制第一控制阀打开、第二控制阀关闭,供氢容器向进氢腔供氢,隔膜向回氢腔侧运动,回氢腔排空;再控制第一控制阀关闭、第二控制阀打开,进氢腔的氢气排出至燃料电池堆,隔膜向进氢腔侧运动,进而使燃料电池堆的排出氢气进入回氢腔;再重复控制第一控制阀打开、第二控制阀关闭,供氢容器向进氢腔供氢,同时回氢腔向燃料电池堆供氢;往复控制第一控制阀和第二控制阀的启闭,实现向燃料电池堆的供氢。
9.根据权利要求7所述的燃料电池堆的供氢方法,其特征在于:在供氢过程中,所述第一控制阀和所述第二控制阀均对输送氢气进行减压。
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