CN114597448A - 一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的装置、系统及方法，涉及氢循环泵技术领域。装置包括中空的壳体，壳体内部设置有分隔件，分隔件将壳体的中空腔体分为上下设置的储氢腔和储油腔，分隔件包括一体连接的倾斜板和框架，框架内密封设置有能够分离油气混合物的油气分离膜，储油腔的底部设置有能够使泵体齿轮箱内的具有一定压力的油气混合物排进储油腔的泄气阀。本申请用于解决压缩腔的氢气泄漏到齿轮箱内而导致的电堆被污染的问题。
Description
技术领域
本申请涉及氢循环泵技术领域，尤其涉及一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的装置、系统及方法。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将化学能转化为电能的能量转化装置，在电池的阴极和阳极两个电极中燃料发生化学反应并经过外界负载输出电子从而实现化学能到电能的转换。在各种燃料电池类型中，质子交换膜燃料电池因为其独特的工作温度较低、污染小、功率密度高、启动快、维护方便等优点，在燃料电池汽车、移动电源等领域得到了广泛应用。
质子交换膜电池(PEMFC)单体主要由电极、气体扩散层、催化剂层以及质子交换膜组成。氢气从燃料室进入电池后，氢分子在阳极反应分解为氢离子和电子，电子从阳极流出经由外部的负载并最终达到了阴极。氢离子通过质子交换膜迁移至电池阴极并且在阴极和来自空气中的氧气结合产生水，水以及未反应的气体作为阳极废料排出燃料电池电堆。以氢作为燃料的质子交换膜燃料电池在运行过程中除了由化学能转化成的电能外，其余的产物只有氢与氧结合生成的水和耗散的热量，理论上对环境零污染。
氢循环泵系统，也叫回氢组件，被誉为燃料电池的“起搏器”，是氢燃料电池汽车的关键零部件。现阶段的氢循环产品主要有氢气循环泵，氢气引射器等，氢气循环泵以其强大的多工况适应性赢得了广大厂家的青睐，燃料电池用氢循环泵作为压缩机应用的全新领域，对氢循环泵的性能和结构提出了特殊的要求，目前工业普遍采用的压缩机用于燃料电池系统仍存在许多技术问题。
目前市场上大部分的氢循环泵存在的最大问题便是齿轮油泄漏的问题。作为氢燃料电池汽车关键零部件，不可避免的需要长时间运行以及频繁启停，但是长时间的高温高转速运行会导致氢循环泵的轴封失效。一方面压缩腔的氢气会泄漏到齿轮箱内，另一方面齿轮箱的含氢油蒸汽也会泄漏到压缩腔内。含油氢气从压缩腔排出进入电堆，导致电堆被污染，严重危害了电堆的可靠性与安全性。参见图1、图2，现有的一些氢循环泵在压缩腔内设置了甩油盘，这样虽然能解决电堆不被污染的问题，但是并没有本质上解决氢循环泵油泄漏的问题，并且这样的处理方式成本高，周期长，产生了大量浪费，严重阻碍了氢燃料汽车的发展。
发明内容
本申请的提供一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的装置、系统及方法，解决了氢循环泵的漏油问题，提高了氢循环泵的使用寿命与可靠性，提高了电堆的使用寿命，提高了氢燃料电池汽车的安全性。
为达到上述目的，一方面，本申请提供了一种防漏油及分离油气的装置，用于分离泵体齿轮箱内的具有一定压力的油气混合物，包括中空的壳体，所述壳体内部设置有分隔件，所述分隔件将壳体的中空腔体分为上下设置的储氢腔和储油腔，所述分隔件包括一体连接的倾斜板和框架，框架内密封设置有能够分离油气混合物的油气分离膜，所述储油腔的底部设置有能够使泵体齿轮箱内的具有一定压力的油气混合物排进储油腔的泄气阀。
进一步地，所述倾斜板的倾斜角度小于90度，所述泄气阀位于倾斜板的下方。
进一步地，所述储油腔的顶部设置有排氢口。
进一步地，所述排氢口与电堆的排气管相连。
另一方面，本申请还提供一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的系统，包括氢循环泵，还包括上述一种防漏油及分离油气的装置，所述壳体一体设置在氢循环泵齿轮箱的顶部，所述齿轮箱的顶部在与泄气阀相对应的位置上开设有供油气混合物通过的孔。
另一方面，本申请还提供一种防止氢循环泵漏油的方法，基于上述一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的系统实现的，具体包括以下步骤：
启动氢循环泵，在氢循环泵启动并达到燃料电池系统的额定运行工况时，齿轮箱内具有一定压力的油气混合物自动打开泄气阀，并进入至储油腔中；其中，所述油气混合物是由齿轮箱内的空气、油蒸汽以及在氢循环泵启动后齿轮箱和压缩腔之间压差在未达到轴封能承受的压力范围内时由压缩腔向齿轮箱泄漏的氢气组成的混合物；
油气混合物进入储油腔后，在储氢腔和储油腔的压差以及分子运动的作用下，大分子的油被限制在储油腔中，小分子的氢气可通过油气分离膜进入储氢腔中，完成油蒸汽和氢气的分离。
进一步地，进入储氢腔中的氢气从排氢口排入至电堆的排气管。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的防漏油以及分离油气的装置结构简单，不仅可以防止由于氢循环泵压缩腔内压力过高，油气混合物从齿轮箱向压缩腔泄漏的问题，还能将收集到的油气混合物分离，使大分子的油蒸汽被留下，小分子的氢气被收集并在安全处排放，提高了氢循环泵和氢燃料电池汽车的安全性。
(2)防漏油以及分离油气的装置使得齿轮箱的压力使得齿轮箱与压缩腔的压差较小，油气混合物无法从齿轮箱向压缩腔泄漏，间接延长了轴封的使用寿命，间接延长了氢循环泵的使用寿命。使减小了故障率，提高了氢循环泵的可靠性，减少了使用成本。从根本上解决了氢循环泵漏油的问题，使得电堆不会因为含油而产生衰减，同时提高了氢燃料电池车的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有氢循环泵的立体图；
图2为现有氢循环泵的结构示意图；
图3为现有氢循环泵在刚开始运行时氢气从压缩腔向齿轮箱泄漏的示意图；
图4为现有氢循环泵在运行一段时间后油气混合物从齿轮箱向压缩腔泄漏的示意图；
图5为本申请的氢循环泵在运行一段时间后油气混合物从齿轮箱进入至防漏油及分离油气的装置的示意图；
图6为实施例2中氢循环系统的立体图；
图7为实施例1中防漏油及分离油气的装置的结构示意图；
图8为实施例1中防漏油及分离油气的装置的立体图。
图中，1-压缩腔，2-齿轮箱，3-分隔件，4-甩油盘，5-排气口，6-进气口，7-轴封，8-泄气阀，9-储油腔，10-储氢腔，11-油气分离膜，12-排氢口，13-壳体，14-堵头。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图7和图8，本实施例1提供了一种防漏油及分离油气的装置，不仅适用于各种形式的氢循环泵，还适用于所有含油回转式泵，如真空泵等结构上相似的泵，以解决现有的泵因轴封7由于无法承受过大的压差而发生泄漏的问题。
参见图7和图8，装置包括中空的壳体13，壳体13内部设置有分隔件3，分隔件3将壳体13的中空腔体分为上下设置的储氢腔10和储油腔9，分隔件3包括一体连接的倾斜板和框架，框架内密封设置有能够分离油气混合物的油气分离膜11。一体连接的倾斜板和框架一方面能够使油气混合物撞到壁面，有利于油气混合物冷却，使油气冷却后变为液态顺着斜面向下流动。另一方面利用了氢气分子量小自动上升的特点，其会顺着壁面向上流动自动被半透膜过滤，不会在角落积聚。储油腔9的底部设置有泄气阀8，泄气阀8位于倾斜板的下方。泄气阀8能够使泵体齿轮箱2内的具有一定压力的油气混合物排进储油腔9中。储油腔9的顶部设置有排氢口12，排氢口12与电堆的排气管相连。泄气阀8的结构是公知常识，这里不过多赘述。油气混合物是由齿轮箱2内的空气、油蒸汽以及从压缩腔1向齿轮箱2泄漏的氢气组成的混合物。氢气的泄漏是由于循环泵在开启阶段压缩腔1和齿轮箱2的压差较大，并且氢气分子量较小，因此压缩腔1内的氢气会向齿轮箱2内泄漏，直至压缩腔1和齿轮箱2压差达到轴封7能承受的压力范围内后停止泄漏。
实施例1的工作原理为：当泵体齿轮箱2油气混合物在压力达到一定值后，泄气阀8内的弹簧因为承受不住压力而被压缩，弹簧压住的阀片被打开，压力得到释放，在释放完压力后，弹簧重新压住阀片。从泵体齿轮箱2排出的油气混合物先在储油腔9内聚集，由于储油腔9内压力高于储氢腔10，同时氢气由于分子量小，会向重力相反方向运动。在压差与分子运动的共同作用下，油气混合物会在油气分离膜11处得到分离，大分子的油蒸汽无法通过油气分离膜11而被限制在储油腔9内，而小分子的氢气则可以通过油气分离膜11在储氢腔10内聚集。由于排氢口15与电堆的排气直接相连，氢气可直接排入电堆的排气管，可以保证装置内的压力始终小于齿轮箱2的压力，同时也保证了储氢腔12内的氢气可以安全地排放。
参照图5、6，本实施例2提供一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的系统，包括氢循环泵和实施例1中的防漏油及分离油气的装置，氢循环泵包括压缩腔1、齿轮箱2、甩油盘4、排气口5、进气口6和轴封7，具体的结构是公知常识，这里不过多赘述。实施例中的防漏油及分离油气的装置的壳体13一体设置在氢循环泵齿轮箱2的顶部，优选的安装在现有氢循环泵的堵头14处。齿轮箱2的顶部在与泄气阀8相对应的位置上开设有供油气混合物通过的孔。
实施例3提供一种防氢循环泵漏油及分离油气方法，用于防止齿轮油泄漏进入质子交换膜对其形成污染，同时大大提高了氢循环泵本身的安全性以及使用寿命。是基于实施例2中一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的系统实现的，具体包括以下步骤：
步骤1：启动氢循环泵，在氢循环泵达到燃料电池系统的额定运行工况时，齿轮箱2内具有一定压力的油气混合物自动开启泄气阀8，并进入储油腔9中；其中，油气混合物是由齿轮箱2内的空气、油蒸汽以及在氢循环泵启动后齿轮箱2和压缩腔1之间压差未在轴封7能承受的压力范围内时由压缩腔1向齿轮箱2泄漏的氢气组成的混合物。
步骤2：进入储油腔9内的油气混合物在储氢腔10和储油腔9的压差以及分子运动的作用下，大分子的油会被限制在储油腔9中，小分子的氢气则可通过油气分离膜11进入储氢腔10中，完成油蒸汽和氢气的分离；进入储氢腔中的氢气从排氢口排入至电堆的排气管。
参见图3，氢循环泵刚开始运行的时候，机身温度较低，启动后压缩腔1达到额定排气压力，但是齿轮箱2内压力较低，两侧形成较大压力差，同时氢气由于分子量较小，压缩腔1内的氢气会向齿轮箱2内泄漏，此时齿轮箱2内的气体为空气与氢气的混合物。并在压差达到轴封7能承受的压力范围内时停止泄漏。参见图4，现有的氢循环泵运行一段时间后，达到了燃料电池系统的额定运行工况，此时氢循环泵的泵体温度约为80～100℃，齿轮油蒸发出油蒸汽，油气混合物随着温度的升高膨胀，导致齿轮箱2内压力逐渐升高，最终远高于压缩腔1侧，此时轴封7由于无法承受过大的压差而发生泄漏，含油氢气从压缩腔1排出进入电堆，导致电堆被污染，严重危害了电堆的可靠性与安全性。参见图6，本申请在氢循环泵齿轮箱2的侧壁上一体设置有实施例1中的防漏油及分离油气的装置，在氢循环泵运行一段时间后，具有一定压力的油气混合物自动开启泄气阀8并进入储油腔9中，减小了齿轮箱2与压缩腔1的压差，油气混合液不会透过轴封7向压缩腔1泄漏，间接延长了轴封7的使用寿命，也延长了氢循环泵的使用寿命。并且进入储油腔9内的油气混合物还会在储氢腔10和储油腔9的压差以及分子运动的作用下分离，使大分子的油蒸汽被留下，小分子的氢气被收集并在安全处排放，大大提高氢循环泵的安全性。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种防漏油及分离油气的装置，用于分离泵体齿轮箱内的具有一定压力的油气混合物，其特征在于，包括中空的壳体，所述壳体内部设置有分隔件，所述分隔件将壳体的中空腔体分为上下设置的储氢腔和储油腔，所述分隔件包括一体连接的倾斜板和框架，框架内密封设置有能够分离油气混合物的油气分离膜，所述储油腔的底部设置有能够使泵体齿轮箱内的具有一定压力的油气混合物排进储油腔的泄气阀。
2.根据权利要求1所述的一种防漏油及分离油气的装置，其特征在于，所述倾斜板的倾斜角度小于90度，所述泄气阀位于倾斜板的下方。
3.根据权利要求2所述的一种防漏油及分离油气的装置，其特征在于，还包括用于与电堆的排气管相连的排氢口。
4.根据权利要求3所述的一种防漏油及分离油气的装置，其特征在于，所述排氢口的一体连接在所述储油腔的顶部。
5.一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的系统，包括氢循环泵，其特征在于，还包括如权利要求1-4任一所述的一种防漏油及分离油气的装置，所述壳体一体设置在氢循环泵齿轮箱的顶部，所述齿轮箱的顶部与泄气阀相对应的位置上开设有供油气混合物通过的孔。
6.一种防止氢循环泵漏油的方法，其特征在于，基于权利要求5所述的一种燃料电池用防止氢循环泵漏油的系统实现的，具体包括以下步骤：
启动氢循环泵，在氢循环泵启动并达到燃料电池系统的额定运行工况时，齿轮箱内具有一定压力的油气混合物自动打开泄气阀，并进入至储油腔中；其中，所述油气混合物是由齿轮箱内的空气、油蒸汽以及在氢循环泵启动后齿轮箱和压缩腔之间压差在未达到轴封能承受的压力范围内时由压缩腔向齿轮箱泄漏的氢气组成的混合物；
油气混合物进入储油腔后，在储氢腔和储油腔的压差以及分子运动的作用下，大分子的油被限制在储油腔中，小分子的氢气可通过油气分离膜进入储氢腔中，完成油蒸汽和氢气的分离。
7.根据权利要求6所述的一种防止氢循环泵漏油的方法，其特征在于，还包括步骤：进入储氢腔中的氢气从排氢口排入至电堆的排气管。
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