CN114883601A - 一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有氢气进气装置容易闭合失效造成电堆膜损坏的问题。该装置包括包括控制器，密闭的上下层进气腔体，以及，设于上层进气腔体的进气口处的过滤器、截止阀，设于下层进气腔体内的引射器、直接入堆管道，设于上下层进气腔体之间的第一压力调控机构、第二压力调控机构。控制器，用于监测入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，截止阀关闭，否则，截止阀打开；以及，识别燃料电池的运行状态，高功率运行状态时启动引射器并调控第一压力调控机构，通过引射器向燃料电池供氢，低功率运行状态时调控第二压力调控机构，通过直接入堆管道向燃料电池供氢。

Description

一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置。

背景技术

传统的动力系统，会释放出COx、NOx、SOx等有害气体及PM颗粒等污染物，热效率低，且污染环境。而氢燃料电池产生电的过程，是直接将化学能转换为电能，整个过程不仅有极高的能量利用效率，而且排放物只有水，无污染，无噪声，高效率，具有极大的发展潜力。

目前，国内氢燃料电池的供氢控制系统大多使用高压瓶阀+比例阀的架构，具有成本低、控制简便的优点，但由于其只具有开启、关闭两种状态，无法精确调节供氢量，导致系统反应迟滞、灵敏性差。随着燃料电池行业的进步，引入了氢喷设备。氢喷设备入口的压力越来越高，无论采用电磁阀还是比例阀都存在很高的失效风险。

电磁阀/比例阀在高频使用时，容易发生失效，无法闭合。并且，氢气杂质进入氢喷设备内会造成电磁阀无法闭合，电磁阀/比例阀失效时，阀门无法闭合，高压氢气进入电堆内部将造成电堆膜的损坏。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置，用以解决现有氢气进气装置容易闭合失效造成电堆膜损坏的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置，包括控制器，密闭的上下层进气腔体，以及，设于上层进气腔体的进气口处且依次连接的过滤器（2）、截止阀（1），设于下层进气腔体内且通道独立的引射器（5）、直接入堆管道（6），设于上下层进气腔体之间的用于控制引射器（5）的射流气压的第一压力调控机构（3）、用于控制直接入堆管道（6）内气压的第二压力调控机构（4）；

控制器，用于监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀（1）关闭，否则，控制截止阀（1）打开；以及，识别燃料电池的运行状态，若处于高功率运行状态，启动引射器（5），并根据入堆氢气压力实时调控第一压力调控机构（3）的占空比，通过引射器（5）向燃料电池供氢，若处于低功率运行状态，根据入堆氢气压力实时调控第二压力调控机构（4）的占空比，通过直接入堆管道（6）向燃料电池供氢。

上述技术方案的有益效果如下：通过在上层进气腔体的进气口处设置过滤器（2），可以有效地避免氢气杂质进入截止阀（1）、第一压力调控机构（3）、第二压力调控机构（4）、引射器（5）内部造成电磁阀无法闭合的问题，有效降低了进气装置的电磁阀失效故障率，还可有效避免氢气管路的杂质进入电堆内，造成燃料电池的损坏。通过设置第一压力调控机构（3）、第二压力调控机构（4），实现了两种方式的供氢调控，有效避免大量氢气的扩散以及大量氢气涌入电堆，造成对电堆膜造成损坏，提高了燃料电池发动机的安全性，能够提高用户体验。

基于上述装置的进一步改进，所述第一压力调控机构（3）、第二压力调控机构（4）包括氢喷设备、比例阀中的至少一种。

进一步，所述截止阀（1）采用通电打开、断电关闭的常闭式截止阀。

进一步，所述过滤器（2）包括至少一层漏斗型过滤网。

进一步，所述过滤器（2）、截止阀（1）沿氢气进气方向依次设置于上层进气腔体的顶部的进气口处，其中心均位于该进气口的中心轴线上；并且，

所述第一压力调控机构（3）的中心也位于上述进气口的中心轴线上，其与第二压力调控机构（4）的中心之间的距离大于预设值。

进一步，所述第二压力调控机构（4）包括若干个间距相同且中心线均沿重力方向设置的氢喷设备或比例阀。

进一步，所述控制器包括依次连接的：

数据获取单元，用于实时获取燃料电池的入堆氢气压力、需求输出功率，发送至数据处理与控制单元；

数据处理与控制单元，用于监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀（1）关闭，否则，控制截止阀（1）打开；以及，根据燃料电池的需求输出功率识别燃料电池的运行状态，若处于高功率运行状态，启动引射器（5），并根据入堆氢气压力实时调控第一压力调控机构（3）的占空比，通过引射器（5）向燃料电池供氢，若处于低功率运行状态，根据入堆氢气压力实时调控第二压力调控机构（4）的占空比，通过直接入堆管道（6）向燃料电池供氢。

进一步，所述数据获取单元进一步包括：

气体压力传感器，分别设于上层进气腔体的进气口处和燃料电池的氢气入堆口处，用于实时获取上层进气腔体的进气压力、燃料电池的入堆氢气压力；

电压-电流获取子单元，设于燃料电池的供电端，用于实时获取燃料电池的输出电压或电流；

功率获取子单元，用于获取燃料电池当前时刻的需求输出功率。

进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：

S1、获取燃料电池的需求输出功率，得出燃料电池的入堆氢气压力预设值；

S2、根据燃料电池的需求输出功率识别燃料电池的运行状态；若处于高功率运行状态，依次执行步骤S3-S5，若处于低功率运行状态，依次执行步骤S6-S8；

S3、启动引射器（5），打开截止阀（1），启动第一压力调控机构（3）、关闭第二压力调控机构（4），获取当前时刻的入堆氢气压力；

S4、根据当前时刻的入堆氢气压力与入堆氢气压力预设值的差值粗调第一压力调控机构（3）的占空比，通过引射器（5）向燃料电池供氢，直到入堆氢气压力达到入堆氢气压力预设值，结束该占空比的粗调，获取该时刻燃料电池的输出电压或电流；

S5、根据燃料电池的输出电压或电流得出燃料电池的实际输出功率，根据实际输出功率与需求输出功率的差值精调第一压力调控机构（3）的占空比，直到燃料电池的实际输出功率等于需求输出功率，结束该占空比的精调，保持第一压力调控机构（3）的占空比不变直到燃料电池关闭；

S6、启动引射器（5），打开截止阀（1），启动第二压力调控机构（4）、关闭第二压力调控机构（4），获取当前时刻的入堆氢气压力；

S7、根据当前时刻的入堆氢气压力与入堆氢气压力预设值的差值粗调第二压力调控机构（4）的占空比，通过直接入堆管道（6）向燃料电池供氢，直到入堆氢气压力达到入堆氢气压力预设值，结束该占空比的粗调，获取该时刻燃料电池的输出电压或电流；

S8、根据燃料电池的输出电压或电流得出燃料电池的实际输出功率，根据实际输出功率与需求输出功率的差值精调第二压力调控机构（4）的占空比，直到燃料电池的实际输出功率等于需求输出功率，结束该占空比的精调，保持第二压力调控机构（4）的占空比不变直到燃料电池关闭；

S9、在执行步骤S3-S8的同时，监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀（1）关闭，并关闭燃料电池，否则，控制截止阀（1）打开，并维持燃料电池的启动状态不变。

进一步，所述上下层进气腔体的内表面均设有隔热层，其壳体采用不锈钢材料制成。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、遇到紧急状况或意外情况，氢喷设备或截止阀失效，控制器监测到燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值时可以迅速关闭截止阀，阻断高压氢气的来源，避免对电堆造成损害，提高燃料电池发动机的安全性。

2、通过设置漏斗型过滤网，可以有效地扩大过滤面积，有效避免氢气管路的杂质进入电堆，以及提高该氢气进气装置的使用安全性。

3、入堆氢气的控制方法简单、精准、高效。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1用于燃料电池的集成式氢气进气装置组成示意图。

附图标记：

1- 截止阀；2- 过滤器；3- 第一压力调控机构；4- 第二压力调控机构；5- 引射器；6- 直接入堆管道；7- 过滤器的进气口。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置，如图1所示，包括控制器，密闭的上下层进气腔体（为本领域的常见术语，即壳体内部分为上层进气腔体、上层进气腔体，均为密闭腔体结构，壳体的外部形状可不进行限制，本领域技术人员能够理解），以及，设于上层进气腔体的进气口处且依次连接的过滤器2、截止阀1（具体位置可根据需求设置，过滤器可2设于截止阀1前或后），设于下层进气腔体内且通道独立的引射器5、直接入堆管道6，设于上下层进气腔体之间的用于控制引射器5的射流气压的第一压力调控机构3、用于控制直接入堆管道6内气压的第二压力调控机构4。

过滤器2的进气口7与氢瓶的高压氢气出口连接，引射器5的输出端、直接入堆管道6的输出端均与燃料电池的氢气入堆口连接。

控制器，用于监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀1关闭，否则，控制截止阀1打开；以及，识别燃料电池的运行状态，若处于高功率运行状态，启动引射器5，并根据入堆氢气压力实时调控第一压力调控机构3的占空比，通过引射器5向燃料电池供氢，若处于低功率运行状态，根据入堆氢气压力实时调控第二压力调控机构4的占空比，通过直接入堆管道6向燃料电池供氢。

与现有技术相比，通过在上层进气腔体的进气口处设置过滤器2，可以有效地避免氢气杂质进入截止阀1、第一压力调控机构3、第二压力调控机构4、引射器5内部造成电磁阀无法闭合的问题，有效降低了进气装置的电磁阀失效故障率，还可有效避免氢气管路的杂质进入电堆内，造成燃料电池的损坏。通过设置第一压力调控机构3、第二压力调控机构4，实现了两种方式的供氢调控，有效避免大量氢气的扩散以及大量氢气涌入电堆，造成对电堆膜造成损坏，提高了燃料电池发动机的安全性，能够提高用户体验。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，所述第一压力调控机构3、第二压力调控机构4包括氢喷设备、比例阀中的至少一种。所述第一压力调控机构3、第二压力调控机构4的控制端均与控制器的输出端连接。

优选地，所述截止阀1采用通电打开、断电关闭的常闭式截止阀。遇到紧急状况，氢喷设备或截止阀失效，控制器监测到燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值（例如50 kPa）时可以关闭截止阀，阻断高压氢气的来源。

优选地，所述过滤器2包括至少一层漏斗型过滤网。漏斗型过滤网，可以有效地扩大过滤面积，控制器检测进气口处压力异常时，需排除过滤网是否存在堵住的情况。

优选地，所述过滤器2、截止阀1沿氢气进气方向依次设置于上层进气腔体的顶部的进气口处，其中心均位于该进气口的中心轴线上。并且，所述第一压力调控机构3的中心也位于上述进气口的中心轴线上，其与第二压力调控机构4的中心之间的距离大于预设值。

优选地，过滤器2、截止阀1进行集成，或过滤器2、截止阀1与第一压力调控机构3、第二压力调控机构4整体进行集成。

优选地，所述第二压力调控机构4包括若干个间距相同且中心线均沿重力方向设置的氢喷设备或比例阀。

优选地，所述控制器包括依次连接的数据获取单元、数据处理与控制单元。

数据获取单元，用于实时获取燃料电池的入堆氢气压力、需求输出功率，发送至数据处理与控制单元。

数据处理与控制单元，用于监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀1关闭，否则，控制截止阀1打开；以及，根据燃料电池的需求输出功率（所有将要启动的用电设备的额定功率之和）识别燃料电池的运行状态（与阈值比较），若处于高功率运行状态（大于阈值），启动引射器5，并根据入堆氢气压力实时调控第一压力调控机构3的占空比，通过引射器5向燃料电池供氢，若处于低功率运行状态（小于等于阈值）时，根据入堆氢气压力实时调控第二压力调控机构4的占空比，通过直接入堆管道6向燃料电池供氢。

优选地，所述数据获取单元进一步包括气体压力传感器、电压-电流获取子单元、功率获取子单元。

气体压力传感器，分别设于上层进气腔体的进气口处和燃料电池的氢气入堆口处，用于实时获取上层进气腔体的进气压力、燃料电池的入堆氢气压力。

电压-电流获取子单元，设于燃料电池的供电端，用于实时获取燃料电池的输出电压或电流。

功率获取子单元，用于获取燃料电池当前时刻的需求输出功率。

优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：

S1、获取燃料电池的需求输出功率，得出燃料电池的入堆氢气压力预设值；

S2、根据燃料电池的需求输出功率识别燃料电池的运行状态；若处于高功率运行状态，依次执行步骤S3-S5，若处于低功率运行状态，依次执行步骤S6-S8；

S3、启动引射器5，打开截止阀1，启动第一压力调控机构3、关闭第二压力调控机构4，获取当前时刻的入堆氢气压力；

S4、根据当前时刻的入堆氢气压力与入堆氢气压力预设值的差值粗调第一压力调控机构3的占空比，通过引射器5向燃料电池供氢，直到入堆氢气压力达到入堆氢气压力预设值，结束该占空比的粗调，获取该时刻燃料电池的输出电压或电流；

S5、根据燃料电池的输出电压或电流得出燃料电池的实际输出功率，根据实际输出功率与需求输出功率的差值精调第一压力调控机构3的占空比，直到燃料电池的实际输出功率等于需求输出功率，结束该占空比的精调，保持第一压力调控机构3的占空比不变直到燃料电池关闭；

S6、启动引射器5，打开截止阀1，启动第二压力调控机构4、关闭第二压力调控机构4，获取当前时刻的入堆氢气压力；

S7、根据当前时刻的入堆氢气压力与入堆氢气压力预设值的差值粗调第二压力调控机构4的占空比，通过直接入堆管道6向燃料电池供氢，直到入堆氢气压力达到入堆氢气压力预设值，结束该占空比的粗调，获取该时刻燃料电池的输出电压或电流；

S8、根据燃料电池的输出电压或电流得出燃料电池的实际输出功率，根据实际输出功率与需求输出功率的差值精调第二压力调控机构4的占空比，直到燃料电池的实际输出功率等于需求输出功率，结束该占空比的精调，保持第二压力调控机构4的占空比不变直到燃料电池关闭；

S9、在执行步骤S3-S8的同时，监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值（例如50 kPa），如果是，控制截止阀1关闭，并关闭燃料电池（氢气进气装置内所有设备均关闭），否则，控制截止阀1打开，并维持燃料电池的启动状态不变（执行步骤S1~S8）。

优选地，所述上下层进气腔体的内表面均设有隔热层（耐热材料制成），并均采用不锈钢材料制成。

与现有技术相比，本实施例提供的氢气进气装置具有如下有益效果：

1、遇到紧急状况或意外情况，氢喷设备或截止阀失效，控制器监测到燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值时可以迅速关闭截止阀，阻断高压氢气的来源，避免对电堆造成损害，提高燃料电池发动机的安全性。

2、通过设置漏斗型过滤网，可以有效地扩大过滤面积，有效避免氢气管路的杂质进入电堆，以及提高该氢气进气装置的使用安全性。

3、入堆氢气的控制方法简单、精准、高效。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，包括控制器，密闭的上下层进气腔体，以及，设于上层进气腔体的进气口处且依次连接的过滤器（2）、截止阀（1），设于下层进气腔体内且通道独立的引射器（5）、直接入堆管道（6），设于上下层进气腔体之间的用于控制引射器（5）的射流气压的第一压力调控机构（3）、用于控制直接入堆管道（6）内气压的第二压力调控机构（4）；

控制器，用于监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀（1）关闭，否则，控制截止阀（1）打开；以及，识别燃料电池的运行状态，若处于高功率运行状态，启动引射器（5），并根据入堆氢气压力实时调控第一压力调控机构（3）的占空比，通过引射器（5）向燃料电池供氢，若处于低功率运行状态，根据入堆氢气压力实时调控第二压力调控机构（4）的占空比，通过直接入堆管道（6）向燃料电池供氢。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述第一压力调控机构（3）、第二压力调控机构（4）包括氢喷设备、比例阀中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述截止阀（1）采用通电打开、断电关闭的常闭式截止阀。

4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述过滤器（2）包括至少一层漏斗型过滤网。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述过滤器（2）、截止阀（1）沿氢气进气方向依次设置于上层进气腔体的顶部的进气口处，其中心均位于该进气口的中心轴线上；并且，

所述第一压力调控机构（3）的中心也位于上述进气口的中心轴线上，其与第二压力调控机构（4）的中心之间的距离大于预设值。

6.根据权利要求1、2、4、5任意一项所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述第二压力调控机构（4）包括若干个间距相同且中心线均沿重力方向设置的氢喷设备或比例阀。

7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述控制器包括依次连接的：

数据获取单元，用于实时获取燃料电池的入堆氢气压力、需求输出功率，发送至数据处理与控制单元；

数据处理与控制单元，用于监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀（1）关闭，否则，控制截止阀（1）打开；以及，根据燃料电池的需求输出功率识别燃料电池的运行状态，若处于高功率运行状态，启动引射器（5），并根据入堆氢气压力实时调控第一压力调控机构（3）的占空比，通过引射器（5）向燃料电池供氢，若处于低功率运行状态，根据入堆氢气压力实时调控第二压力调控机构（4）的占空比，通过直接入堆管道（6）向燃料电池供氢。

8.根据权利要求7所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述数据获取单元进一步包括：

气体压力传感器，分别设于上层进气腔体的进气口处和燃料电池的氢气入堆口处，用于实时获取上层进气腔体的进气压力、燃料电池的入堆氢气压力；

电压-电流获取子单元，设于燃料电池的供电端，用于实时获取燃料电池的输出电压或电流；

功率获取子单元，用于获取燃料电池当前时刻的需求输出功率。

9.根据权利要求7或8所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述数据处理与控制单元执行如下程序：

S1、获取燃料电池的需求输出功率，得出燃料电池的入堆氢气压力预设值；

S2、根据燃料电池的需求输出功率识别燃料电池的运行状态；若处于高功率运行状态，依次执行步骤S3-S5，若处于低功率运行状态，依次执行步骤S6-S8；

S3、启动引射器（5），打开截止阀（1），启动第一压力调控机构（3）、关闭第二压力调控机构（4），获取当前时刻的入堆氢气压力；

S4、根据当前时刻的入堆氢气压力与入堆氢气压力预设值的差值粗调第一压力调控机构（3）的占空比，通过引射器（5）向燃料电池供氢，直到入堆氢气压力达到入堆氢气压力预设值，结束该占空比的粗调，获取该时刻燃料电池的输出电压或电流；

S5、根据燃料电池的输出电压或电流得出燃料电池的实际输出功率，根据实际输出功率与需求输出功率的差值精调第一压力调控机构（3）的占空比，直到燃料电池的实际输出功率等于需求输出功率，结束该占空比的精调，保持第一压力调控机构（3）的占空比不变直到燃料电池关闭；

S6、启动引射器（5），打开截止阀（1），启动第二压力调控机构（4）、关闭第二压力调控机构（4），获取当前时刻的入堆氢气压力；

S7、根据当前时刻的入堆氢气压力与入堆氢气压力预设值的差值粗调第二压力调控机构（4）的占空比，通过直接入堆管道（6）向燃料电池供氢，直到入堆氢气压力达到入堆氢气压力预设值，结束该占空比的粗调，获取该时刻燃料电池的输出电压或电流；

S8、根据燃料电池的输出电压或电流得出燃料电池的实际输出功率，根据实际输出功率与需求输出功率的差值精调第二压力调控机构（4）的占空比，直到燃料电池的实际输出功率等于需求输出功率，结束该占空比的精调，保持第二压力调控机构（4）的占空比不变直到燃料电池关闭；

S9、在执行步骤S3-S8的同时，监测燃料电池的入堆氢气压力是否大于入堆氢气极限阈值，如果是，控制截止阀（1）关闭，并关闭燃料电池，否则，控制截止阀（1）打开，并维持燃料电池的启动状态不变。

10.根据权利要求1、2、4、5、7、8任意一项所述的用于燃料电池的集成式氢气进气装置，其特征在于，所述上下层进气腔体的内表面均设有隔热层，其壳体采用不锈钢材料制成。

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