CN116006484A - 一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统，包括向电机的壳体内供应干氢气的干氢供应装置，且干氢气的供应方向与阳极未反应的氢气朝向所述电机的壳体内流动的方向相反，干氢的压力大于阳极未反应氢气的压力，对阳极未反应的氢气的流动构成阻挡。本发明提供的离心式氢气循环泵防冰堵保护系统，可以克服现有的氢气循环泵的叶轮与蜗壳之间的间隙在低温时容易结冰导致发生冰堵而损坏叶轮的缺点。

Description

一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别是一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统。背景技术

氢燃料电池是通过氢气和空气（空气中的氧气）两个供气系统，分别将氢气和空气引入燃料电池的阴极与阳极，经由催化剂的作用，将化学能直接转换成电能的发电装置。燃料电池反应后会有一部分氢气未发生转化，这就会造成氢气的浪费，氢气这种易燃易爆气体如果排放到大气中也会造成极大的风险。随着新能源汽车氢燃料电池系统的发展，对燃料电池车能量转化效率的要求越来越高，故而，将燃料电池反应后排放的氢气进行循环再利用变得至关重要。目前，常用氢气循环泵对该部分氢气进行收集、增压并输送至电堆，以实现循环再利用。

循环泵一般包括蜗壳和电机，电机包括电机壳和设在泵壳内的转子和定子，转子带动叶轮旋转，叶轮与泵壳之间形成间隙，所述蜗壳设有进气通道和环形气体蜗道，叶轮驱动进气通道的气体通过间隙进入环形气体蜗道，并经过叶轮的高速旋转将气体增压输出蜗壳，在蜗壳与电机壳体的安装位置存在缝隙，部分氢气会通过缝隙进入电机的壳体内，而阳极未反应的氢气中含有大量的水汽，氢气循环泵入口的氢气湿度范围为0%-120%RH，即湿度可高达120%RH。当燃料电池汽车行驶或放置于寒冷地区或寒冷天气的情况下，且氢气湿度处于较高水平时，高湿度的氢气容易造成电机的轴承结冰，导致转子无法旋转或者旋转不顺畅从而影响叶轮的旋转，蜗壳及叶轮之间由于存在间隙，经过寒冷天气极易发生冰堵，这会对电机和叶轮造成很大的损害。

另外湿氢气还容易在氢气循环泵的叶轮与蜗壳间隙形成冰层，导致氢气无法通过间隙，进而造成叶轮损坏的问题。目前，在燃料电池车上，一般通过电加热的方式对蜗壳进行加热除冰，需要增加加热部件，使得结构更加复杂，且电加热会消耗燃料电池车的电能，降低车体行驶的电池利用率。

发明内容

本发明提供一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统，可以克服现有的氢气循环泵的叶轮与蜗壳之间的间隙在低温时容易结冰导致发生冰堵而损坏叶轮的缺点。

本发明的技术方案如下：

一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统，所述氢气循环泵包括蜗壳、与所述蜗壳同轴安装在一起的电机及由电机驱动的叶轮，所述蜗壳设有进气通道和环形气体蜗道，在蜗壳、电机和叶轮完成安装的状态下，所述蜗壳的一端与所述电机的壳体之间形成环形的间隙，所述叶轮对进气通道送来的氢气进行压缩并送入所述间隙，所述间隙连通所述环形气体蜗道，

所述进气通道通过与其连通的进气管与氢燃料电池的阳极连接，接收氢燃料电池的阳极未反应的氢气，所述环形气体蜗道通过与其连通的回气管与氢燃料电池的阳极连接，将被所述叶轮压缩的氢气输回至氢燃料电池，所述电机包括壳体、定子和转子，

所述防冰堵保护系统包括向电机的壳体内供应干氢气的干氢供应装置，且干氢气的供应方向与阳极未反应的氢气朝向所述电机的壳体内流动的方向相反，干氢的压力大于阳极未反应氢气的压力，对阳极未反应的氢气的流动构成阻挡。

作为优选，所述干氢气与阳极未反应氢气之间形成压差不小于0.5bar。

作为优选，所述电机的壳体靠近所述蜗壳的一端设有第一开口，所述壳体的另一端设有第二开口，所述干氢供应装置具有与所述第二开口连通的供气口。

作为优选，所述电机还包括筒形的衬套，所述衬套固定在所述壳体内且位于所述转子外部，所述衬套与所述壳体的内壁密封连接，在转子与定子之间形成气体隔绝。

作为优选，所述干氢供应装置包括端盖、连接干氢源的第一干氢管道和干氢调压装置，所述端盖安装在壳体设有第二开口的一端，所述端盖内设有连通所述第二开口和所述第一干氢管道的干氢通道，所述第一干氢管道连接有干氢调压装置。

作为优选，所述蜗壳的壳壁内设有蜗壳换热流道，所述蜗壳换热流道包括靠近所述蜗壳的进气通道出口端、在蜗壳壁面内周向设置的环形液体流道，以及与环形液体流道连通的进液流道和出液流道，蜗壳壁面上设有连通进液通道的进液口和连通出液通道的出液口，所述防冰堵保护系统还包括冷却液供应装置，所述冷却液供应装置包括冷却液供应管和冷却液回流管，所述进液口连接所述冷却液供应管，所述出液口连接所述冷却液回流管。

作为优选，包括控制装置和与所述控制装置连接用于感知环境温度的温度传感器，所述冷却液供应管设有第二阀门，所述控制装置在接收到温度传感器传输的温度低于0℃时，控制所述第二阀门打开向所述蜗壳换热流道供应冷却液，冷却液通过出液口和冷却液回流管流回冷却液供应装置，同时电机处于关闭状态；所述电机设有控制器，所述控制装置与所述控制器连接，第二阀门打开时间段t1后，所述控制装置开启电机并通过控制器的电流和转矩判断是否存在堵转，在控制器的电流≥1.5倍电机额定电流或控制器的转矩≥2倍电机额定转矩的情况下，控制装置判定存在堵转，继续保持第二阀门打开设定的时间段t1，直至控制器电流＜1.5倍额定电流或转矩＜2倍额定转矩，控制装置判定不存在堵转，控制电机先以低于额定转速的转速运转设定的时间段t2，然后加速至额定转速。

作为优选，所述进气管上设有水分离器。

作为优选，包括第二干氢供应装置，所述第二干氢供应装置包括第二干氢管道，所述第二干氢管道与所述进气管连通，所述第二干氢管道设有第三阀门，所述第三阀门与所述控制装置连接，所述控制装置在所述电机停机后控制第三阀门打开设定的时间段t3使干氢进入蜗壳将蜗壳内的湿氢气吹出蜗壳。

作为优选，所述第一干氢管道和/或第二干氢管道与向氢燃料电池供应氢气的进氢管路连接或与氢燃料电池的阳极一端连接。

本发明的离心式氢气循环泵防冰堵保护系统与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的离心式氢气循环泵防冰堵保护系统设置了干氢供应装置，向电机的壳体内供应干氢气，且干氢气的供应方向与阳极未反应的氢气朝向电机的壳体内流动的方向相反对阳极未反应的氢气的流动构成阻挡，从而可防止带有水汽的阳极未反应的氢气通过蜗壳和电机之间的缝隙进入电机的壳体，对壳体内的转子、定子和转子的轴承形成保护。

2、氢气循环泵的蜗壳设置了独立于气体通道的蜗壳换热流道，蜗壳换热流道内可流通换热液体，通过换热流体对间隙进行加热，使间隙处的冰层熔化，防止叶轮在冰堵的状态下强行运转而损坏。防冰堵保护系统还包括控制装置和与控制装置连接用于感知环境温度的温度传感器，电机控制器，控制装置通过温度传感器和控制器的数据控制除冰过程自动完成。

3、防冰堵保护系统还包括第二干氢管道，所述第二干氢管道与进气管连通，在氢气循环泵停机后引入向蜗壳供应“干”氢气，用“干”氢气吹扫循环将其中的水汽吹走，尽可能减少水汽在循环泵内的存留。

4、阳极未反应的氢气在输入氢气循环泵的蜗壳之前通过水分离器将游离析出的液态水和水汽除去，通过这种手段可以减少进入循环泵的液态水量，降低氢气的湿度，降低发生冰堵的风险。

附图说明

图1为本发明一实施例的离心式氢气循环泵防冰堵保护系统的氢气循环泵与干氢供应装置的结构示意图。

图2为本发明一实施例的离心式氢气循环泵防冰堵保护系统的结构示意图。

附图标记：

1氢气循环泵，11蜗壳,111环形液体流道,112进液流道,113出液流道,114进液口,115出液口,116进气通道,117环形气体蜗道，12电机，121壳体,122第一开口,123第二开口，124定子,125转子，126第一轴承,127第二轴承,128衬套，13叶轮，14间隙，15进气管，16回气管；

2干氢供应装置，21第一干氢管道,211接头,212第一阀门，22端盖,221干氢通道,222接口；

3冷却液供应管；

4水分离器；

5第二干氢管道，51第三阀门；

6氢燃料电池。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的解释。

实施例

本实施例的一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统，如图1-2所示，所述氢气循环泵1包括蜗壳11、与所述蜗壳11同轴安装在一起的电机12及由电机12驱动的叶轮13，所述蜗壳11设有气体通道，所述气体通道包括进气通道116和环形气体蜗道117，进气通道116沿蜗壳11轴心穿过蜗壳11两个端面，在两个端面上分别形成了进气口和出气口，环形气体蜗道117靠近进气通道116出气口所在端面，且环形气体蜗道117环绕进气通道116的出气口设置，环形气体蜗道117的出气口设在蜗壳11的外壁上。所述进气通道116的进气口通过进气管15与氢燃料电池6的阳极连接，接收氢燃料电池6的阳极未反应的湿氢气，未反应的氢气含有水汽及液态水。在蜗壳11、电机12和叶轮完13成安装的状态下，蜗壳11的进气通道116的出气口所在端面与电机12设有叶轮13的一端端面之间形成间隙14，所述叶轮13对进气通道115送来的氢气进行压缩并送入所述间隙14，所述间隙14连通所述环形气体蜗道117的进气端，所述环形气体蜗道117的出气口通过回气管16与氢燃料电池6的阳极连接将叶轮压缩的氢气输回至氢燃料电池6参与反应。所述电机12包括壳体121和位于壳体121内的定子124和转子125，所述防冰堵保护系统包括干氢供应装置2，所述干氢供应装置2设在所述电机12远离蜗壳11的一端向电机12的壳体121内供应干氢气，且干氢气的供应方向与阳极未反应的氢气朝向所述电机12的壳体121内流动的方向相反，对阳极未反应的氢气的流动构成阻挡，从而可防止带有水汽的阳极未反应的氢气通过转子与轴承之间等的缝隙进入电机12的壳体121，对壳体121内的转子125、定子124和转子125的轴承形成保护。

干氢气的压力大于阳极未反应的氢气的压力，作为优选，所述干氢气与阳极未反应的氢气之间形成压差不小于0.5bar。

如图1所示，所述电机12还包括筒形的衬套128，所述衬套128固定在所述壳体121内且位于所述转子125外部，所述衬套128与所述壳体121的内壁密封连接，在转子125与定子124之间形成气体隔绝，所述转子125可相对所述衬套128旋转。通过衬套128可防止氢气与定子124接触，从而对定子124形成保护。

如图1所示，所述电机12的壳体121靠近所述蜗壳11的一端设有第一开口122，所述壳体121的另一端设有第二开口123，所述电机12的转子125的第一轴承126设在所述第一开口122的内壁，所述电机12的转子125的第二轴承127设在所述第二开口123的内壁。

所述干氢供应装置2具有与所述第二开口123连通的供气口，具体的，所述干氢供应装置2包括连接干氢源的第一干氢管道21和端盖22，端盖22安装在电机12设有第二开口123的一端，端盖22设有与所述第二开口123相通的干氢通道221，所述第一干氢管道21设有干氢调压装置（图中未示出），用于对第一干氢管道21内干氢的压力进行调节，第一干氢管道21的一端设有接头211，所述干氢通道221设有与所述接头211配合的接口222。在本实施例中，接头211为锥形，接头211外壁设有外螺纹，接口222设有内螺纹，接头211和接口222通过螺纹实现固定连接。在本实施例中，第一干氢管道21设有可控制第一干氢管道21通断的第一阀门212，参见图2。

如图1所示，所述蜗壳11壳壁壁面内还设有蜗壳换热流道，所述蜗壳11换热流道包括靠近所述蜗壳11的进气通道116出口端、在壁面内周向设置的环形液体流道111，以及与环形液体流道111连通的壳壁上侧向设置的进液流道112和出液流道113，在本实施例中，环形液体流道111环绕进气通道116设置，且环形液体流道111轴线所在平面平行于所述间隙14，且与间隙14靠近并同轴。蜗壳11设有连通进液通道112的进液口114和连通出液通道113的出液口115，所述防冰堵保护系统还包括与进液口114连通的冷却液供应装置，所述冷却液供应装置包括与进液口114连通的冷却液供应管3和冷却液回流管（图中未示出），所述进液口114使得进液流道112与冷却液供应管3连通，所述出液口115使得所述出液流道113与冷却液回流管连通。壳体11的进气通道116出口所在出口端面形成有容纳电机壳体121伸出叶轮13所在结合端的腔体。该结合端的端面嵌入所述腔体内，并与叶轮13的旋转面一起与所述出口端面形成分别与进气通道116和环形气体蜗道117连通的间隙14。所述转子125的轴线与进气通道116的轴线在同一条直线上，叶轮13探入进气通道116出口处。

蜗壳11设置了独立于气体通道的蜗壳换热流道，蜗壳换热流道内可流通换热液体，在本实施例中，换热液体为冷却液，冷却液在发动机启动后被发动机加热，冷却液对间隙14进行加热，使间隙14处的冰层熔化，防止叶轮13在冰堵的状态下强行运转而损坏。在本发明中，蜗壳11为一体铸造而成，铸造完成后蜗壳换热流道和气体通道分别进行气密测试，保证各自的气密特性。也可同时在电机12的壳体121的壁上开设环形的冷却流道（图中未示出），冷却流道内流通冷却液对电机进行冷却，冷却流道与进液流道112连通使冷却流道内吸收了电机热量的冷却液流入蜗壳换热流道，从而对间隙和蜗壳的气体通道加热。

在本实施例中，所述防冰堵保护系统还包括控制装置（图中未示出）和与所述控制装置连接用于感知环境温度的温度传感器（图中未示出），所述冷却液供应管3设有第二阀门（图中未示出），所述控制装置在接收到温度传感器传输的温度低于0℃时控制冷却液供应管3的第二阀门打开，向所述蜗壳换热流道供应冷却液，冷却液通过出液口115和冷却液回流管（图中未示出）流回冷却液供应装置（图中未示出），同时电机处于关闭状态。所述电机12设有控制器（图中未示出），所述控制装置与所述控制器连接，第二阀门打开时间段t1后，控制装置开启电机并通过控制器的电流和转矩判断是否还存在堵转，堵转即存在冰层阻挡叶轮13旋转的情况，在本实施例中，控制器的电流≥1.5倍电机额定电流或控制器的转矩≥2倍电机额定转矩的情况下，控制装置判定还存在堵转，继续保持第二阀门打开设定的时间段t1。在控制器电流＜1.5倍额定电流或转矩＜2倍额定转矩的情况下，控制装置判定不存在堵转，控制电机12先以低于额定转速的转速运转设定的时间段t2，以低于额定转速的转速运转是为了将碎的冰碴甩出去，然后加速至额定转速进行正常运转，如此可自动完成除冰过程。

在本实施例中，第一阀门212也与控制装置连接，在控制装置的控制下在设定的时间打开和关闭。

如图2所示，所述进气管15上设有水分离器4，水分离器4用于对进入循环泵前的氢气除掉游离析出的液态水，通过这种手段可以减少进入循环泵的液态水量，降低氢气的湿度，降低发生冰堵的风险。水分离器4保留氢气一定的湿度，即气态的水，因为氢燃料电池6实际需要的是保有一定的湿度，在本发明中，通过水分离器4后的氢气的湿度范围为100%RH及以下。

所述防冰堵保护系统还包括第二干氢管道5，所述第二干氢管道5与所述进气管15连通，所述第二干氢管道5设有第三阀门51，所述第三阀门51与所述控制装置连接，在电机停机即氢气循环泵1停机后引入向蜗壳11供应“干”氢气，用“干”氢气吹扫循环泵 5-10 秒，将其中的湿氢气吹走，尽可能减少水汽在循环泵内的存留。所述第一干氢管道21和/或第二干氢管道5与向氢燃料电池6供应氢气的进氢管路（图中未示出）连接或与氢燃料电池6的阳极一端连接，即图2中氢燃料电池6的左端连接。当与氢燃料电池6的左端连接时，可引入氢燃料电池供气系统中没有进入电堆、未参与反应的氢气，此氢气由于未经过电堆前增湿器，因此湿度极低。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种离心式氢气循环泵防冰堵保护系统，所述氢气循环泵包括蜗壳、与所述蜗壳同轴安装在一起的电机及由电机驱动的叶轮，所述蜗壳设有进气通道和环形气体蜗道，所述蜗壳的一端与所述电机的壳体之间形成环形的间隙，所述叶轮对进气通道送来的氢气进行压缩并送入所述间隙，所述间隙连通所述环形气体蜗道， 所述进气通道通过与其连通的进气管与氢燃料电池的阳极连接，接收氢燃料电池的阳极未反应的氢气，所述环形气体蜗道通过与其连通的回气管与氢燃料电池的阳极连接，将被所述叶轮压缩的氢气输回至氢燃料电池，所述电机包括壳体、定子和转子，其特征在于：

所述防冰堵保护系统包括向电机的壳体内供应干氢气的干氢供应装置，且干氢气的供应方向与阳极未反应的氢气朝向所述电机的壳体内流动的方向相反，干氢的压力大于阳极未反应氢气的压力，对阳极未反应的氢气的流动构成阻挡。

2.根据权利要求1所述的防冰堵保护系统，其特征在于，所述干氢气与阳极未反应氢气之间形成压差不小于0.5bar。

3.根据权利要求1所述的防冰堵保护系统，其特征在于，所述电机的壳体靠近所述蜗壳的一端设有第一开口，所述壳体的另一端设有第二开口，所述干氢供应装置具有与所述第二开口连通的供气口。

4.根据权利要求1-3之一所述的防冰堵保护系统，其特征在于，所述电机还包括筒形的衬套，所述衬套固定在所述壳体内且位于所述转子外部，所述衬套与所述壳体的内壁密封连接，在转子与定子之间形成气体隔绝。

5.根据权利要求3所述的防冰堵保护系统，其特征在于，所述干氢供应装置包括端盖、连接干氢源的第一干氢管道和干氢调压装置，所述端盖安装在壳体设有第二开口的一端，所述端盖内设有连通所述第二开口和所述第一干氢管道的干氢通道，所述第一干氢管道连接有干氢调压装置。

6.根据权利要求1所述的防冰堵保护系统，其特征在于，所述蜗壳的壳壁内设有蜗壳换热流道，所述蜗壳换热流道包括靠近所述蜗壳的进气通道出口端、在蜗壳壁面内周向设置的环形液体流道，以及与环形液体流道连通的进液流道和出液流道，蜗壳壁面上设有连通进液通道的进液口和连通出液通道的出液口，所述防冰堵保护系统还包括冷却液供应装置，所述冷却液供应装置包括冷却液供应管和冷却液回流管，所述进液口连接所述冷却液供应管，所述出液口连接所述冷却液回流管。

7.根据权利要求6所述的防冰堵保护系统，其特征在于，包括控制装置和与所述控制装置连接用于感知环境温度的温度传感器，所述冷却液供应管设有第二阀门，所述控制装置在接收到温度传感器传输的温度低于0℃时，控制所述第二阀门打开向所述蜗壳换热流道供应冷却液，冷却液通过出液口和冷却液回流管流回冷却液供应装置，同时电机处于关闭状态；所述电机设有控制器，所述控制装置与所述控制器连接，第二阀门打开时间段t1后，所述控制装置开启电机并通过控制器的电流和转矩判断是否存在堵转，在控制器的电流≥1.5倍电机额定电流或控制器的转矩≥2倍电机额定转矩的情况下，控制装置判定存在堵转，继续保持第二阀门打开设定的时间段t1，直至控制器电流＜1.5倍额定电流或转矩＜2倍额定转矩，控制装置判定不存在堵转，控制电机先以低于额定转速的转速运转设定的时间段t2，然后加速至额定转速。

8.根据权利要求1所述的防冰堵保护系统，其特征在于，所述进气管上设有水分离器。

9.根据权利要求1所述的防冰堵保护系统，其特征在于，包括第二干氢供应装置，所述第二干氢供应装置包括第二干氢管道，所述第二干氢管道与所述进气管连通，所述第二干氢管道设有第三阀门，所述第三阀门与所述控制装置连接，所述控制装置在所述电机停机后控制第三阀门打开设定的时间段t3使干氢进入蜗壳将蜗壳内的湿氢气吹出蜗壳。

10.根据权利要求9所述的防冰堵保护系统，其特征在于，所述第一干氢管道和/或第二干氢管道与向氢燃料电池供应氢气的进氢管路连接或与氢燃料电池的阳极一端连接。

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