CN114883599A - 一种氢空双引射双循环的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体为一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，包括：电堆及电堆内的空气反应区和氢气反应区。基于气体引射技术，将空气尾气出口处未发生反应的空气及水蒸气引射到空气入口；同时将氢气尾气出口处未发生反应的氢气引射到氢气入口，构成氢空双引射，双循环的系统，增加燃料电池电堆内部湿度，去除外部加湿器，提高燃料电池系统性能，降低燃料电池系统成本。将氢气反应区和空气反应区内未反应的氢气、氧气和水分离并返回，提高利用率，利用氢空双引射可以在电堆内部将水均匀分布，从而提高电堆的性能与寿命。

Description

一种氢空双引射双循环的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种氢空双引射双循环的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池性能受到多种因素的影响，比如燃料电池的进气温度、压力、湿度，电堆内部的温度、膜的湿度等，特别是湿度是特别难以控制的变量。

为了使燃料电池达到最佳性能，延长电堆寿命，在燃料电池系统加入燃料电池加湿器，使进入燃料电池电堆的气 体加湿。由于加湿器的体积大、重量重、难以国产化等缺点，燃料电池系统在空气侧去掉加湿器成为趋势。然而，去掉加湿器会带来空气侧入口处质子交换膜干燥的情况。燃料电池的质子交换膜必须在湿润的状态下才能达到良好的工作性能。

质子膜干燥或过湿都会降低质子交换膜传递质子的能力，进而 影响膜电极的性能。质子膜干燥不但会造成质子传输能力下降，而且会减少质子膜的寿命。

要想将燃料电池的加湿器去除，则需要采用代替的方法，保证质子膜保持润湿的状态，现有的方式通常将燃料电池排出的未反应的氢气、空气和水回流进入燃料电池，通过水润湿的空气回流，对电池内部的质子膜润湿，氢气、空气和水回流的动力设备多采用循环泵，比如氢气循环泵，但是循环泵重量较大，且成本很高，采用循环泵并没有改变采用加湿器导致体积较大的缺陷。为此，我们提出了一种减小电池体积，提高燃料电池系统性能，降低燃料电池系统成本的氢空双引射双循环的燃料电池系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，包括：

电堆及电堆内的空气反应区和氢气反应区；

通过设置空气引射器将空气尾气出口处未发生反应的空气及水蒸气引射回空气入口，未发生反应的空气及水蒸气通过空气入口进入空气反应区；

通过设置氢气引射器将氢气尾气出口处未发生反应的氢气引射回氢气入口，未发生反应的氢气通过氢气入口进入氢气反应区；

空气尾气出口、氢气尾气出口均与尾排管连通。

进一步地，所述空气引射器进口与进气管连接，所述空气尾气出口上设置有尾气回流管，所述尾气回流管另一端与空气引射器的进口连接。

进一步地，所述空气引射器与进气管的连接处设置进气阀。

进一步地，所述氢气引射器出口上连接氢气进管，所述氢气引射器进气口上设置氢气回流管，所述氢气回流管的另一端连接水汽分离器，所述水汽分离器的进口连接氢气排出管，所述水汽分离器的出口还与尾排管连通，所述氢气进管、氢气排出管分别与氢气反应区的氢气入口、氢气尾气出口连通。

进一步地，所述氢气引射器的进口上设置有比例阀。

进一步地，所述空气引射器内分为引射增速区和引射扩散区，尾气回流管与空气引射器连通处的上游为引射增速区、下游为引射扩散区。

进一步地，所述进气管与空气进管连接，所述空气进管的管路上设置有空气滤清器、空压机和中冷器，所述中冷器的出口上通过输出管与尾排管连通，所述输出管的管路上安装旁通阀。

进一步地，所述尾排管的管路上安装有背压阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）基于气体引射技术，将空气尾气出口处未发生反应的空气及水蒸气引射到空气入口；同时将氢气尾气出口处未发生反应的氢气引射到氢气入口，构成氢空双引射、双循环的系统，增加燃料电池电堆内部湿度，去除外部加湿器，提高燃料电池系统性能，降低燃料电池系统成本。

2）将氢气反应区和空气反应区内未反应的氢气、氧气和水分离并返回，提高利用率，利用氢空双引射可以在电堆内部将水均匀分布，从而提高电堆的性能与寿命。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明空气反应区管路走向的结构示意图；

图3为本发明氢气反应区的管路走向结构示意图。

图中：1电堆、2空气进管、3空气滤清器、4空压机、5中冷器、6旁通阀、7进气阀、8空气引射器、9氢气引射器、10比例阀、11水汽分离器、12背压阀、13尾排管、14进气管、15尾气回流管、16氢气排出管、17氢气回流管、18氢气进管。

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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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发明的限制。

实施例：

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，包括：

电堆1及电堆1内的空气反应区和氢气反应区，空气进入空气反应区内，氢气进入氢气反应区内，得到氧离子和氢离子并反应生成水；

如图2所示，通过设置空气引射器8将空气尾气出口处未发生反应的空气及水蒸气引射回空气入口，未发生反应的空气及水蒸气通过空气入口进入空气反应区；

空气引射器8进口与进气管14连接，所述空气尾气出口上设置有尾气回流管15，所述尾气回流管15另一端与空气引射器8的进口连接；

空气反应区所用的空气引射器8，集成在电堆1的歧管端板内部。空气引射的流量过量比在0-1.5之间；空气引射器8能够将空气输出至空气反应区（空气中含有氧气，在空气反应区内氧气获得电子得到氧离子），空气尾气出口处未发生反应的空气及水蒸气通过空气引射器8回流至空气反应区。

空气引射器8与进气管14的连接处设置进气阀7；

空气引射器8内分为引射增速区和引射扩散区，尾气回流管15与空气引射器8连通处的上游为引射增速区（图2中标记A的指向区域）、下游为引射扩散区（图2中标记B的指向区域）；

进气管14与空气进管2连接，所述空气进管2的管路上设置有空气滤清器3、空压机4和中冷器5，所述中冷器5的出口上通过输出管与尾排管13连通，所述输出管的管路上安装旁通阀6。

如图3所示，通过设置氢气引射器9将氢气尾气出口处未发生反应的氢气引射回氢气入口，未发生反应的氢气通过氢气入口进入氢气反应区；

氢气引射的流量过量比在0-3之间。所用的氢气引射器9，安装在电堆1的歧管端板上。

氢气引射器9出口上连接氢气进管18，所述氢气引射器9进气口上设置氢气回流管17，所述氢气回流管17的另一端连接水汽分离器11，所述水汽分离器11的进口连接氢气排出管16，所述水汽分离器11的出口还与尾排管13连通，所述氢气进管18、氢气排出管16分别与氢气反应区的氢气入口、氢气尾气出口连通；氢气排出管16将氢气反应区排出的未反应的氢气通过氢气回流管17回流至氢气引射器9，并通过氢气进管18回流至氢气反应区内。

水汽分离器11为压力容器结构碳钢或不锈钢设备，接口型式是法兰结构DN16/DN25/DN40；汽水分离器必须安装于水平管线上，排水口垂直向下，所有口径的汽水分离器均带安装支架，以减小管道承载。

氢气引射器9的进口上设置有比例阀10；

空气尾气出口、氢气尾气出口均与尾排管13连通。

尾排管13的管路上安装有背压阀12。

背压阀12的启闭件是一个圆盘形的阀板，在阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节的目的。在管道上主要起切断和节流作用。

上述内容，不仅将空气、氢气回流，水蒸气也回流，不需要在空气路增加外部加湿器。

上述系统各部件的加工及组合工艺不限于蚀刻、CNC机加工、铸造成型。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于，包括：

电堆（1）及电堆（1）内的空气反应区和氢气反应区；

通过设置空气引射器（8）将空气尾气出口处未发生反应的空气及水蒸气引射回空气入口，未发生反应的空气及水蒸气通过空气入口进入空气反应区；

通过设置氢气引射器（9）将氢气尾气出口处未发生反应的氢气引射回氢气入口，未发生反应的氢气通过氢气入口进入氢气反应区；

空气尾气出口、氢气尾气出口均与尾排管（13）连通。

2.根据权利要求1所述的一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于：所述空气引射器（8）进口与进气管（14）连接，所述空气尾气出口上设置有尾气回流管（15），所述尾气回流管（15）另一端与空气引射器（8）的进口连接。

3.根据权利要求2所述的一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于：所述空气引射器（8）与进气管（14）的连接处设置进气阀（7）。

4.根据权利要求1所述的一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于：所述氢气引射器（9）出口上连接氢气进管（18），所述氢气引射器（9）进气口上设置氢气回流管（17），所述氢气回流管（17）的另一端连接水汽分离器（11），所述水汽分离器（11）的进口连接氢气排出管（16），所述水汽分离器（11）的出口还与尾排管（13）连通，所述氢气进管（18）、氢气排出管（16）分别与氢气反应区的氢气入口、氢气尾气出口连通。

5.根据权利要求4所述的一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于：所述氢气引射器（9）的进口上设置有比例阀（10）。

6.根据权利要求2所述的一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于：所述空气引射器（8）内分为引射增速区和引射扩散区，尾气回流管（15）与空气引射器（8）连通处的上游为引射增速区、下游为引射扩散区。

7.根据权利要求2所述的一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于：所述进气管（14）与空气进管（2）连接，所述空气进管（2）的管路上设置有空气滤清器（3）、空压机（4）和中冷器（5），所述中冷器（5）的出口上通过输出管与尾排管（13）连通，所述输出管的管路上安装旁通阀（6）。

8.根据权利要求1所述的一种氢空双引射双循环的燃料电池系统，其特征在于：所述尾排管（13）的管路上安装有背压阀（12）。

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