CN113745579A - 一种燃料电池集成式供氢系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池集成式供氢系统，包括：集成壳体，所述集成壳体包括下部的气水分离器壳体、上部的引射器壳体和缓冲腔壳体，所述引射器壳体上安装有氢气循环泵；所述气水分离器壳体一侧设有回氢入口，气水分离器壳体底部设有排水口，气水分离器壳体顶部设有回氢出口，在气水分离器壳体内部安装有迷宫结构，用于将含氢混合气体中的水进行分离；通过将气水分离器壳体与引射器壳体和缓冲腔壳体集成于一体，将氢气循环泵集成在引射器壳体上，体积小，在一些空间小的区域可以安装使用，取消了氢路供氢部件之间的连接管路，气体传输距离短，减小了传输过程中的能量损耗，提升了增压效率，且安装效率高，避免了温度过低时因管路内积水导致的结冰堵塞情况。

Description

一种燃料电池集成式供氢系统
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池集成式供氢系统。
背景技术：
目前发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节，为了保障燃料电池发动机正常工作，燃料电池发动机一般需要氢气供应子系统、空气供应子系统和循环水冷却管理子系统等辅助系统。燃料电池是通过可燃物质(氢气)与空气中的氧气之间的电化学反应产生电能，其中，燃料电池反应后，排出的气体中含有大量的氢气，这些氢气若直接排放到大气中，一方面是能源的浪费，另一方面是对环境造成污染，三是氢气易燃易爆会产生危险，因此，需要对这些氢气进行回收再利用。目前，有的采用氢气循环泵或引射器将这些含氢混合气体循环回燃料电池进行回收再利用。
但是，燃料电池电堆在发电的过程中，反应生成的水会被含氢混合气体带出，导致含氢混合气体内的水蒸气含量很高，湿度很大，在这些含氢混合气体进入氢气循环泵或引射器之前，需要将水蒸气进行分离，现在一般采用气水分离器，现在的气水分离器与氢气循环泵和引射器，一般都是分体设置；同时，引射器一般用于与氢源连接，对氢气进行增压，引射器的氢源进口处一般设有比例阀，用于对进气压力进行调节，目前比例阀与引射器一般都是分体设置，这些功能部件之间通过管路进行连接，传输距离远，传输过程中会产生损耗，降低传输效率，管路连接复杂，安装效率低，体积大，占用空间大，在一些空间小的区域不易安装使用，且管路内容易积水，温度过低时容易结冰堵塞。同时，现有的气水分离器，集成化程度差，不能很好的对内部气压及液位进行检测，而且温度过低时，底部排水口很容易结冰堵塞，导致内部水无法排出。另外，现有的气水分离器，有的分水效果差，不能有效的将未参加反应剩余的氢气与水分离，导致大量水进入氢气循环泵、引射器和电堆而产生水淹，造成电堆功率下降，影响燃料电池系统工作的稳定性；有的虽然分水效果好，但是内部结构过于复杂，含氢混合气体通过时受到的阻力非常大，造成气水分离器出气口的气压大大降低，从而增加了氢气循环泵、引射器的功率消耗。
综上所述，燃料电池氢路供氢部件的集成问题，已成为行业内亟需解决的技术难题。
发明内容：
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种燃料电池集成式供氢系统，解决了以往的氢路供氢部件分体设置、体积大、占用空间大的问题，解决了以往的氢路供氢部件通过管路连接复杂、易积水结冰堵塞的问题,解决了以往的氢路供氢部件通过管路连接传输距离远、传输过程中会产生损耗的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种燃料电池集成式供氢系统，包括：
集成壳体，所述集成壳体包括下部的气水分离器壳体、上部的引射器壳体和缓冲腔壳体，所述引射器壳体上安装有氢气循环泵；
所述气水分离器壳体一侧设有回氢入口，气水分离器壳体底部设有排水口，气水分离器壳体顶部设有回氢出口，在气水分离器壳体内部安装有迷宫结构，用于将含氢混合气体中的水进行分离；
所述引射器壳体内部一侧安装有高压喷嘴，高压喷嘴前侧为氢源进口，高压喷嘴外围设有低压区，所述高压喷嘴后侧为高压区；
所述氢气循环泵的进气口与回氢出口相连通，所述氢气循环泵的排气口与低压区相连通；
所述缓冲腔壳体顶部设有氢气进口，缓冲腔壳体一侧设有第一比例阀和第二比例阀，第一比例阀经缓冲腔壳体内的第一竖向通道与氢源进口相连通，第二比例阀经缓冲腔壳体内的第二竖向通道、引射器壳体内的横向通道、引射器壳体内的纵向通道与高压区相连通。
所述迷宫结构包括：
挡水板，所述挡水板安装在回氢入口下方的气水分离器壳体内，所述挡水板用于防止气水分离器壳体底部内储存的水振荡时向上漾出，所述挡水板上设有落水孔；
一级分水板，所述一级分水板倾斜安装在与回氢入口相对一侧的气水分离器壳体内，所述一级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体之间间隔设置，所述一级分水板远离回氢入口一侧与气水分离器壳体固连且设有第一豁口，所述一级分水板靠近回氢入口一侧高于一级分水板远离回氢入口一侧；
二级分水板，所述二级分水板倾斜安装在一级分水板上方的气水分离器壳体内，所述二级分水板远离回氢入口一侧与气水分离器壳体之间间隔设置，所述二级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体固连且设有第二豁口，所述二级分水板远离回氢入口一侧高于二级分水板靠近回氢入口一侧。
所述挡水板包括中间高、两端低的弧形板，所述落水孔设在弧形板的两侧。
所述气水分离器壳体与挡水板、一级分水板、二级分水板一体铸造成型制成。
所述气水分离器壳体与引射器壳体和缓冲腔壳体一体铸造成型制成。
所述氢气循环泵包括相连接的电机壳体、轴承座和流道盖板，流道盖板与引射器壳体连接，电机壳体与轴承座之间形成电机腔，所述电机腔内设有定子、转子和电机轴，轴承座和流道盖板之间形成增压腔，所述电机轴穿出轴承座伸至增压腔内并安装叶轮，所述流道盖板上设有进气口和排气口。
所述排水口处的气水分离器壳体上安装有排水阀，用于控制排水口的通断；所述靠近回氢出口的气水分离器壳体上安装有出气检测压力表，用于检测回氢出口的气体压力；所述靠近排水口的气水分离器壳体上安装有液位计，用于检测气水分离器壳体内底部的水位；所述气水分离器壳体底部安装有加热器，用于对气水分离器壳体底部加热防止排水口结冰堵塞；所述气水分离器壳体顶部安装有排氮阀，用于排出气水分离器壳体内部空气。
所述高压区包括吸入段、混合段和扩散段。
所述氢源进口安装有进气检测压力表，用于检测氢源进口的气体压力。
所述氢气进口处的缓冲腔壳体上设有开关阀。
本发明采用上述方案，具有以下优点：
通过将气水分离器壳体与引射器壳体和缓冲腔壳体集成于一体，用来安装氢路供氢部件，将氢气循环泵集成在引射器壳体上，将第一比例阀、第二比例阀集成在缓冲腔壳体上，第一比例阀经缓冲腔壳体内的第一竖向通道与氢源进口相连通，第二比例阀经缓冲腔壳体内的第二竖向通道、引射器壳体内的横向通道、引射器壳体内的纵向通道与高压区相连通，不仅实现对缓冲腔壳体内氢气进入氢源进口和高压区的比例进行分配，而且体积小，占用空间小，在一些空间小的区域可以安装使用，取消了氢路供氢部件之间的连接管路，气体传输距离短，减小了传输过程中的能量损耗，提升了增压效率，且安装效率高，避免了温度过低时因管路内积水导致的结冰堵塞情况；
通过将出气检测压力表、液位计、加热器、排水阀集成到气水分离器壳体上，结构紧凑，体积小，集成化程度高，出气检测压力表用于检测回氢出口的气体压力，以保证出气压力满足要求，液位计用于检测气水分离器壳体内底部的水位，水位达到设定值后及时打开排水阀将水排出，加热器用于对气水分离器壳体底部加热防止排水口结冰堵塞；
通过在气水分离器壳体内设置一级分水板和二级分水板，含氢混合气体从回氢入口进入气水分离器内部之后，一部分被一级分水板阻挡后从第一豁口向后输送，另一部分被一级分水板阻挡返回经一级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体之间向后输送，这两部分再经二级分水板远离回氢入口一侧与气水分离器壳体之间向后输送至回氢出口，还有一部分含氢混合气体从回氢入口进入后直接经第二豁口向后输送至回氢出口，含氢混合气体内的水蒸气在一级分水板和二级分水板的下表面凝结成液滴并受重力作用向下滴落，含氢混合气体内的水蒸气在一级分水板和二级分水板的上表面凝结成液滴并流至第一豁口和第二豁口向下滴落，最后经挡水板上的落水孔汇入气水分离器壳体底部，最后从排水口排出。一级分水板和二级分水板的设置，不仅分水效果好，能有效的将氢气与水分离，避免大量水进入引射器和电堆而产生水淹，而且第一豁口和第二豁口的设置，可大大减小含氢混合气体通过时受到的阻力，保证了回氢出口的气体压力，减小了引射器的功率消耗。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的左视结构示意图。
图3为图2中的A-A剖视结构示意图。
图4为图2中的B-B剖视结构示意图。
图5为本发明的气水分离结构原理示意图。
图中，1、气水分离器壳体，2、引射器壳体，3、缓冲腔壳体，4、回氢入口，5、排水口，6、回氢出口，7、高压喷嘴，8、氢源进口，9、低压区，10、氢气进口，11、第一比例阀，12、第二比例阀，13、第一竖向通道，14、第二竖向通道，15、横向通道，16、纵向通道，17、挡水板，18、落水孔，19、一级分水板，20、第一豁口，21、二级分水板，22、第二豁口，23、出气检测压力表，24、液位计，25、加热器，26、排氮阀，27、排水阀，28、吸入段，29、混合段，30、扩散段，31、进气检测压力表，32、开关阀，33、氢气循环泵，34、电机壳体，35、轴承座，36、流道盖板，37、叶轮，38、进气口，39、排气口。
具体实施方式：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
如图1-5所示，一种燃料电池集成式供氢系统，包括：
集成壳体，所述集成壳体包括下部的气水分离器壳体1、上部的引射器壳体2和缓冲腔壳体3，所述引射器壳体2上安装有氢气循环泵33；
所述气水分离器壳体1一侧设有回氢入口4，气水分离器壳体底部设有排水口5，气水分离器壳体顶部设有回氢出口6，在气水分离器壳体内部安装有迷宫结构，用于将含氢混合气体中的水进行分离；
所述引射器壳体2内部一侧安装有高压喷嘴7，高压喷嘴前侧为氢源进口8，高压喷嘴外围设有低压区9，所述高压喷嘴后侧为高压区；
所述氢气循环泵33的进气口38与回氢出口6相连通，所述氢气循环泵的排气口39与低压区9相连通；
所述缓冲腔壳体3顶部设有氢气进口10，缓冲腔壳体一侧设有第一比例阀11和第二比例阀12，第一比例阀经缓冲腔壳体内的第一竖向通道13与氢源进口8相连通，第二比例阀经缓冲腔壳体内的第二竖向通道14、引射器壳体内的横向通道15、引射器壳体内的纵向通道16与高压区相连通。
所述迷宫结构包括：
挡水板17，所述挡水板安装在回氢入口下方的气水分离器壳体内，所述挡水板用于防止气水分离器壳体底部内储存的水振荡时向上漾出，所述挡水板上设有落水孔18；
一级分水板19，所述一级分水板倾斜安装在与回氢入口相对一侧的气水分离器壳体内，所述一级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体之间间隔设置，所述一级分水板远离回氢入口一侧与气水分离器壳体固连且设有第一豁口20，所述一级分水板靠近回氢入口一侧高于一级分水板远离回氢入口一侧；
二级分水板21，所述二级分水板倾斜安装在一级分水板上方的气水分离器壳体内，所述二级分水板远离回氢入口一侧与气水分离器壳体之间间隔设置，所述二级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体固连且设有第二豁口22，所述二级分水板远离回氢入口一侧高于二级分水板靠近回氢入口一侧。
所述挡水板包括中间高、两端低的弧形板，所述落水孔设在弧形板的两侧，便于挡水板上的水从两侧的落水孔进入气水分离器壳体底部。
所述气水分离器壳体与挡水板、一级分水板、二级分水板一体铸造成型制成。
所述气水分离器壳体与引射器壳体和缓冲腔壳体一体铸造成型制成。
所述氢气循环泵33包括相连接的电机壳体34、轴承座35和流道盖板36，流道盖板36与引射器壳体2连接，电机壳体与轴承座之间形成电机腔，所述电机腔内设有定子、转子和电机轴，轴承座和流道盖板之间形成增压腔，所述电机轴穿出轴承座伸至增压腔内并安装叶轮37，所述流道盖板上设有进气口38和排气口39。
所述排水口处的气水分离器壳体上安装有排水阀27，用于控制排水口的通断；所述靠近回氢出口的气水分离器壳体上安装有出气检测压力表23，用于检测回氢出口的气体压力；所述靠近排水口的气水分离器壳体上安装有液位计24，用于检测气水分离器壳体内底部的水位；所述气水分离器壳体底部安装有加热器25，用于对气水分离器壳体底部加热防止排水口结冰堵塞；所述气水分离器壳体顶部安装有排氮阀26，用于排出气水分离器壳体内部空气。
所述高压区包括吸入段28、混合段29和扩散段30。
所述氢源进口安装有进气检测压力表31，用于检测氢源进口的气体压力。
所述氢气进口处的缓冲腔壳体上设有开关阀32，用于控制氢气进口的通断。
工作原理：
燃料电池电堆排出的含氢混合气体从回氢入口4进入气水分离器壳体内部之后，一部分被一级分水板19阻挡后从第一豁口20向后输送，另一部分被一级分水板阻挡返回经一级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体之间向后输送，这两部分再经二级分水板21远离回氢入口一侧与气水分离器壳体之间向后输送至回氢出口，还有小量含氢混合气体从回氢入口进入后直接经第二豁口22向后输送至回氢出口，出气检测压力表安装孔23内安装的出气检测压力表用于检测回氢出口6的气体压力，以保证出气压力满足要求。含氢混合气体内的水蒸气在一级分水板和二级分水板的下表面凝结成液滴并受重力作用向下滴落，含氢混合气体内的水蒸气在一级分水板和二级分水板的上表面凝结成液滴并流至第一豁口和第二豁口向下滴落，最后经挡水板17上的落水孔18汇入气水分离器壳体底部，最后从排水口5排出。一级分水板和二级分水板的设置，不仅分水效果好，能有效的将氢气与水分离，避免大量水进入引射器和电堆而产生水淹，而且第一豁口和第二豁口的设置，可大大减小含氢混合气体通过时受到的阻力，保证了回氢出口的气体压力，减小了引射器的功率消耗。从回氢出口6排出的气体经进气口38进入氢气循环泵33的增压腔，经高速旋转的叶轮37增压后，从排气口39进入引射器的低压区9，然后经高压区的吸入段、混合段和扩散段向后排出，实现了对气体的增压。同时，氢源的氢气从氢气进口10先进入缓冲区壳体3内进行缓冲，然后一部分氢气经第一比例阀11、第一竖向通道13进入氢源进口8，氢源进口8处可安装进气检测压力表31，用于检测进气压力，氢源进口8的氢气经高压喷嘴7增压后，再经高压区的吸入段、混合段和扩散段向后排出；另一部分氢气经第二比例阀12、第二竖向通道14、横向通道15、纵向通道16直接进入高压区向后排出，氢源的氢气与脱水后的含氢混合气体混合向后输送至燃料电池电堆。通过将气水分离器壳体与引射器壳体和缓冲腔壳体集成于一体，用来安装氢路供氢部件，将氢气循环泵集成在引射器壳体上，将第一比例阀、第二比例阀集成在缓冲腔壳体上，第一比例阀经缓冲腔壳体内的第一竖向通道与氢源进口相连通，第二比例阀经缓冲腔壳体内的第二竖向通道、引射器壳体内的横向通道、引射器壳体内的纵向通道与高压区相连通，不仅实现对缓冲腔壳体内氢气进入氢源进口和高压区的比例进行分配，而且体积小，占用空间小，在一些空间小的区域可以安装使用，取消了氢路供氢部件之间的连接管路，气体传输距离短，减小了传输过程中的能量损耗，提升了增压效率，且安装效率高，避免了温度过低时因管路内积水导致的结冰堵塞情况。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：包括：
集成壳体，所述集成壳体包括下部的气水分离器壳体、上部的引射器壳体和缓冲腔壳体，所述引射器壳体上安装有氢气循环泵；
所述气水分离器壳体一侧设有回氢入口，气水分离器壳体底部设有排水口，气水分离器壳体顶部设有回氢出口，在气水分离器壳体内部安装有迷宫结构，用于将含氢混合气体中的水进行分离；
所述引射器壳体内部一侧安装有高压喷嘴，高压喷嘴前侧为氢源进口，高压喷嘴外围设有低压区，所述高压喷嘴后侧为高压区；
所述氢气循环泵的进气口与回氢出口相连通，所述氢气循环泵的排气口与低压区相连通；
所述缓冲腔壳体顶部设有氢气进口，缓冲腔壳体一侧设有第一比例阀和第二比例阀，第一比例阀经缓冲腔壳体内的第一竖向通道与氢源进口相连通，第二比例阀经缓冲腔壳体内的第二竖向通道、引射器壳体内的横向通道、引射器壳体内的纵向通道与高压区相连通。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述迷宫结构包括：
挡水板，所述挡水板安装在回氢入口下方的气水分离器壳体内，所述挡水板用于防止气水分离器壳体底部内储存的水振荡时向上漾出，所述挡水板上设有落水孔；
一级分水板，所述一级分水板倾斜安装在与回氢入口相对一侧的气水分离器壳体内，所述一级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体之间间隔设置，所述一级分水板远离回氢入口一侧与气水分离器壳体固连且设有第一豁口，所述一级分水板靠近回氢入口一侧高于一级分水板远离回氢入口一侧；
二级分水板，所述二级分水板倾斜安装在一级分水板上方的气水分离器壳体内，所述二级分水板远离回氢入口一侧与气水分离器壳体之间间隔设置，所述二级分水板靠近回氢入口一侧与气水分离器壳体固连且设有第二豁口，所述二级分水板远离回氢入口一侧高于二级分水板靠近回氢入口一侧。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述挡水板包括中间高、两端低的弧形板，所述落水孔设在弧形板的两侧。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述气水分离器壳体与挡水板、一级分水板、二级分水板一体铸造成型制成。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述气水分离器壳体与引射器壳体和缓冲腔壳体一体铸造成型制成。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述氢气循环泵包括相连接的电机壳体、轴承座和流道盖板，流道盖板与引射器壳体连接，电机壳体与轴承座之间形成电机腔，所述电机腔内设有定子、转子和电机轴，轴承座和流道盖板之间形成增压腔，所述电机轴穿出轴承座伸至增压腔内并安装叶轮，所述流道盖板上设有进气口和排气口。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述排水口处的气水分离器壳体上安装有排水阀，用于控制排水口的通断；所述靠近回氢出口的气水分离器壳体上安装有出气检测压力表，用于检测回氢出口的气体压力；所述靠近排水口的气水分离器壳体上安装有液位计，用于检测气水分离器壳体内底部的水位；所述气水分离器壳体底部安装有加热器，用于对气水分离器壳体底部加热防止排水口结冰堵塞；所述气水分离器壳体顶部安装有排氮阀，用于排出气水分离器壳体内部空气。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述高压区包括吸入段、混合段和扩散段。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池集成式供氢系统，其特征在于：所述氢源进口安装有进气检测压力表，用于检测氢源进口的气体压力。
10.根据权利要求1所述的一种集成式燃料电池氢路供氢调节系统，其特征在于：所述氢气进口处的缓冲腔壳体上设有开关阀。
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