CN117013000B - 一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，属于氢燃料电池技术领域。包括氢水分离器、引射器和涡旋泵，氢水分离器、引射器和涡旋泵一体化成型，氢水分离器还集成有冷却循环系统；氢水分离器的壳体为双层结构，冷却循环系统的冷却水位于氢水分离器的双层结构之间，氢水分离器的内部设置有上下两层滤网，两层滤网之间设置有导流片。本发明的氢气循环系统集成了涡旋泵和引射器的优点，实现大流量工况点引射器主导引射回流，小流量工况点涡旋泵主动调节转速控制流量，双路并联高效循环回收尾氢；氢水分离器的双层结构和导流片设计，在提高气液分离效率的同时，有利于电堆在低温状态下的预热、保温和快速冷启动。

Description

一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置
技术领域
本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置。
背景技术
氢燃料电池通过电化学反应，在适宜的温度和催化剂条件下，可不经过燃烧，直接以电化学反应将氢气和氧化剂中的化学能转化为电能，唯一的产物为水，是一种清洁零碳、转换效率高的新能源发电装置。反应物氢气从氢燃料电池阳极侧通入，氧化剂氧气从阴极侧通入。为了提高反应性能和效率，阳极侧的供氢量会大于理论的反应需求氢气量，因此需要建立阳极氢气循环系统，将未消耗的氢气再次循环利用，以提高氢气的利用率。氢气再循环方案通常有氢气循环泵和引射器两种技术途径，而氢循环泵结构复杂、具有移动部件，运行不稳定、噪音大以及功耗较大；引射器在怠速低功率工况下的引射循环效果一般，且无法主动调节气体流量和提升压力。
其次，燃料电池系统中，阴极电化学反应的水绝大多数通过空气出口排出，但仍有一部分水分通过质子膜扩散至阳极，阴极通入的空气中含有的氮气不参与反应，但也会因为浓度差，通过膜电极渗透到阳极集聚。在氢燃料电池实际应用中，冰点温度以下的启动过程称为“冷启动”。冷启动过程中，由于整体温度低于水的冰点，氢燃料电池反应生成的水和残留的水都可能结冰。结冰形成的冰晶会堵塞反应气体传输、降低膜电极活性表面，降低反应速率，容易损伤膜结构，损坏电池内部结构。因此在寒冷条件下，若膜电极表面及内部储水未能有效排出，含水量过高，低温下结冰会影响膜电极表面反应区域，导致冷启动失败，且在多次启停后将会对电池堆和膜电极产生永久性的损坏。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，通过集成了涡旋泵和引射器的优点，实现大流量工况点引射器主导引射回流，小流量工况点涡旋泵主动调节转速控制流量，双路并联高效回收尾氢。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，包括氢水分离器、引射器和涡旋泵，所述氢水分离器、引射器和涡旋泵一体化成型，所述氢水分离器还集成有冷却循环系统；
所述引射器的一次流入口与氢系统通过管道一连接；所述引射器的二次流入口通过管道二连接电堆的出口；所述引射器的出口通过管道三连接电堆的入口；所述管道二上设置有支路二，所述支路二的另一端连接至管道三，所述支路二上靠近管道二的一侧依次集成有涡旋泵和单向阀；
所述氢水分离器的壳体为双层结构，所述冷却循环系统的冷却水位于氢水分离器的双层结构之间，所述氢水分离器的内部设置有上下两层滤网，两层所述滤网之间设置有导流片。
作为本发明的一种优选技术方案，所述管道一上靠近引射器的一侧依次集成有氢中压传感器、比例阀、开关电磁阀和过滤器，所述氢中压传感器和比例阀之间设置有支路一，所述支路一连接有尾排罐，所述支路一上集成有卸荷阀。
作为本发明的一种优选技术方案，所述管道二靠近引射器的一侧依次集成有单向阀、氢水分离器、氢出温压传感器和湿度传感器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述支路二设置于管道二上的单向阀和氢水分离器之间。
作为本发明的一种优选技术方案，所述管道三上集成有氢入温压传感器和湿度传感器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述氢水分离器的底部出口通过支路三和支路四集成有排水排氮阀，所述氢水分离器的底部出口通过排水排氮阀连接至尾排罐。
作为本发明的一种优选技术方案，所述氢水分离器包括罐体，所述罐体包括第一壳体、第二壳体、第三壳体、第一滤网和第二滤网，所述第二壳体的顶部通过所述第一滤网与所述第一壳体的底部连接，所述第二壳体的底部通过所述第二滤网与所述第三壳体的顶部连接，所述第一滤网与所述第二滤网之间设置有若干导流片，将经所述第一滤网过滤后的滤液导流至所述第二滤网；所述第一壳体的侧壁开设有冷却水出口，所述第二壳体的侧壁开设有氢水分离器进口，所述冷却水出口与所述氢水分离器进口分别设置于所述罐体相对两侧壁，且所述冷却水出口中轴线所在平面与所述氢水分离器进口中轴线所在平面以及所述罐体中轴线所在平面共面；
所述冷却循环系统的冷却水出口处集成有PTC加热阀，所述PTC加热阀的两端分别连接冷却循环系统的冷却水出口和冷却水入口；
所述PTC加热阀集成了开关控制、内腔加温供热和腔体温度实时监测。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第三壳体侧壁开设有冷却水进口，所述冷却水进口的中轴线所在平面与所述罐体的中轴线所在平面垂直；所述第三壳体的底部连接有支路四，所述支路四端部设置有尾排口，所述第三壳体的侧壁设置有与所述支路四连接的支路三。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一壳体的顶部连接有分流接头进行分流，所述分流接头的一端连接有涡旋泵进口，其另一端连接有引射器的二次流入口，所述管道二上位于支路二和引射器的二次流入口之间的位置设置有单向阀，所述涡旋泵的出口与引射器出口的管道三相连，所述引射器出口与引射器的一次流入口的连线与所述罐体的中轴线垂直。
作为本发明的一种优选技术方案，所述氢水分离器的壳体内壁和导流片的表面涂布有疏水层。
本发明的有益效果为：
（1）本发明的氢气循环系统集成了涡旋泵和引射器的优点，实现大流量工况点引射器主导引射回流，小流量工况点涡旋泵主动调节转速控制流量，双路并联满足全工况点氢气的稳定供应，同时可高效循环回收尾氢，并联的两路中设置的单向阀，可以有效防止氢气回流。
（2）通过设置有冷却水循环系统引入冷却水，在低温时通过加温的冷却液，在电堆出口的结构处来预热氢气，使电堆内部升温，有利于快速冷启动；在正常工作状态时，冷却液温度低，氢气和水蒸气从较高温度的电堆中出来的时候，可在氢水分离循环腔体内被冷凝，降低出口混合气体中气态水蒸气的含量，从而增加循环气体中氢气的纯度。
（3）本发明氢水分离器的底部出口两路分支集成一个排水排氮阀，通过控制阀门的开启时间和开启间隔，分时排氮气和水，同时减少一个单独的控制阀门，降低硬件成本，同时分支设计的管路可以起到排气时的缓冲，减少氢气供气气压波动。
（4）本发明模块化集成设计，便于全自动化安装及维修拆卸，实现机器手自动化安装；集成湿度传感器、温压一体传感器和涡旋泵支路、单向阀接口，根据传感器的数据，可计算进堆气体湿度，同时也能动态反应汽水分离的效果数据。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明氢燃料电池电堆氢水分离循环装置的结构示意图；
图2为本发明中氢水分离器的立体结构示意图；
图3为本发明中氢水分离器的主视图；
图4为本发明中氢水分离器的剖视图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
请参阅图1，一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，包括电堆、氢水分离器和引射器，所述引射器的一次流入口与氢系统通过管道一连接，所述管道一上靠近引射器的一侧依次集成有氢中压传感器、比例阀、开关电磁阀和过滤器，所述氢中压传感器和比例阀之间设置有支路一，所述支路一连接有尾排罐，所述支路一上集成有卸荷阀。
所述引射器的二次流入口通过管道二连接电堆的出口，所述管道二靠近引射器的一侧依次集成有单向阀、氢水分离器、氢出温压传感器和湿度传感器。
所述引射器的出口通过管道三连接电堆的入口，所述管道三上集成有氢入温压传感器和湿度传感器。
需说明的是，将氢入温压传感器集成在电堆的入口管路上可以提高信号的稳定性、准确性和灵敏度，同时简化了系统结构，增加了系统的可靠性和响应速度。
所述管道二上的单向阀和氢水分离器之间设置有支路二，所述支路二的另一端连接至管道三，所述支路二上靠近管道二的一侧依次集成有涡旋泵和单向阀。
可理解的是，氢入温压传感器和氢出温压传感器均为集成化的温压一体传感器，管道二上设置的单向阀，可避免气体逆流至涡旋泵支路。
所述氢水分离器的底部出口通过支路三和支路四集成有排水排氮阀，所述氢水分离器的底部出口通过排水排氮阀连接至尾排罐。
需说明的是，支路三和支路四集成有排水排氮阀，通过控制排水排氮阀的开启时间和开启间隔，分时排氮气和水，同时减少一个单独的控制阀门，降低硬件成本，同时分支设计的管路可以起到排气时的缓冲，减少氢气供气气压波动。
所述氢水分离器还包括冷却循环系统，所述冷却循环系统的冷却水入口设置于氢水分离器靠近底部的一侧，所述冷却循环系统的冷却水出口设置于氢水分离器靠近顶部的一侧；所述冷却循环系统的冷却水位于氢水分离器内外双层结构之间。所述冷却循环系统的冷却水出口处集成有PTC加热阀，所述PTC加热阀的两端分别连接冷却循环系统的冷却水出口和冷却水入口。
可理解的是，氢水分离器上集成的是冷却循环系统的支路，PTC加热阀设置于冷却循环支路的出口管道上。
需说明的是，氢水分离器的壳体为双层结构，停机时的双层结构具有保温效应。同时氢水分离器通过引入冷却循环系统，有利于快速冷启动，在温度低的时候，通过加温的冷却液，在电堆出口处来预热氢气；在系统正常工作状态，冷却液温度低，氢气和水蒸气从较高温度的电堆中出来的时候，可以被冷凝，增加循环气体中氢气的纯度，减少杂质水蒸气。
具体的，如图2-4所示，氢水分离循环装置呈一体化结构，包括氢水分离器、涡旋泵和引射器，其中氢水分离器还集成有冷却循环系统，所述冷却循环系统设置于氢水分离器的双层结构之间。具体的，氢水分离器包括罐体，所述罐体包括第一壳体、第二壳体、第三壳体、第一滤网和第二滤网，所述第二壳体的顶部通过所述第一滤网与所述第一壳体的底部连接，所述第二壳体的底部通过所述第二滤网与所述第三壳体的顶部连接，所述第一滤网与所述第二滤网之间设置有若干导流片，将经所述第一滤网过滤后的滤液导流至所述第二滤网；所述第一壳体侧壁开设有冷却水出口，所述第二壳体侧壁开设有氢水分离器进口，所述冷却水出口与所述氢水分离器进口分别设置于所述罐体相对两侧壁，且所述冷却水出口中轴线所在平面与所述氢水分离器进口中轴线所在平面以及所述罐体中轴线所在平面共面。
所述第三壳体侧壁开设有冷却水进口，所述冷却水进口中轴线所在平面与所述罐体中轴线所在平面垂直；所述第三壳体的底部连接有支路四，所述支路四端部设置有尾排口，所述第三壳体的侧壁设置有与所述支路四连接的支路三。
所述第一壳体的顶部连接有分流接头进行分流，所述分流接头的一端连接有涡旋泵进口，其另一端连接有引射器的二次流入口，所述管道二上位于支路二和引射器的二次流入口之间的位置设置有单向阀，所述涡旋泵出口与引射器出口的管道三相连，所述引射器出口与引射器的一次流入口的连线与所述罐体中轴线垂直。
可理解的是，氢水分离器的内部设置有上下两层滤网，两层所述滤网之间设置有导流片，有利于提高氢水分离效果。同时氢水分离器的内壁和导流片的表面涂布有疏水层。
需说明的是，导流片的形状、大小、方向和位置排列可调整，疏水层涂布的材料种类不作限定，可采用环氧树脂和聚四氟乙烯（PTFE）纳米粒子或者疏水二氧化硅气相纳米颗粒等。
本发明的氢气循环系统集成了涡旋泵和引射器的优点，实现大流量工况点引射器主导引射回流，小流量工况点涡旋泵主动调节转速控制流量，双路并联高效回收尾氢。
本发明氢水分离器内外双层结构，通过冷却水循环系统引入冷却水至内外层之间的空隙，冷却水流动方向与气体流动方向相反，有助于提高热传导效率，气腔与水腔间隔滤网，滤网有助于增加冷凝接触面积，有利于快速冷启动，在温度低的时候，通过PTC加热阀对冷却液进行加热，在电堆出口的结构处来预热氢气；在系统正常工作状态，冷却液温度低，氢气和水蒸气从较高温度的电堆中出来的时候，可以被冷凝，增加循环气体中氢气的纯度，减少杂质水蒸气；停机时的双层结构具有保温效应。
本发明氢水分离器内层结构设计结合了三种常用的汽水分离器原理，偏置进气口和导流片引导实现气流涡旋和挡板碰撞，滤网进一步冷凝气体中的水蒸气，提高汽水分离效果。同时氢水分离器水腔内，表面做疏水结构构筑和处理，在壁面及导流片表面涂布疏水层。
本发明模块化集成设计，便于全自动化安装及维修拆卸，实现机器手自动化安装；集成湿度传感器、温压一体传感器和涡旋泵支路、单向阀接口，根据传感器的数据，可计算进堆气体湿度，同时也能动态反应汽水分离的效果数据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：包括氢水分离器、引射器和涡旋泵，所述氢水分离器、引射器和涡旋泵一体化成型，所述氢水分离器还集成有冷却循环系统；
所述引射器的一次流入口与氢系统通过管道一连接；所述引射器的二次流入口通过管道二连接电堆的出口；所述引射器的出口通过管道三连接电堆的入口；所述管道二上设置有支路二，所述支路二的另一端连接至管道三，所述支路二上靠近管道二的一侧依次集成有涡旋泵和单向阀；
所述氢水分离器的壳体为双层结构，所述冷却循环系统的冷却水位于氢水分离器的双层结构之间，所述氢水分离器的内部设置有上下两层滤网，两层所述滤网之间设置有导流片；
所述氢水分离器包括罐体，所述罐体包括第一壳体、第二壳体、第三壳体、第一滤网和第二滤网，所述第二壳体的顶部通过所述第一滤网与所述第一壳体的底部连接，所述第二壳体的底部通过所述第二滤网与所述第三壳体的顶部连接，所述第一滤网与所述第二滤网之间设置有若干导流片，将经所述第一滤网过滤后的滤液导流至所述第二滤网；所述第一壳体的侧壁开设有冷却水出口，所述第二壳体的侧壁开设有氢水分离器进口，所述冷却水出口与所述氢水分离器进口分别设置于所述罐体相对两侧壁，且所述冷却水出口的中轴线所在平面与所述氢水分离器进口的中轴线所在平面以及所述罐体的中轴线所在平面共面；
所述冷却循环系统的冷却水出口处集成有PTC加热阀，所述PTC加热阀的两端分别连接冷却循环系统的冷却水出口和冷却水入口；
所述PTC加热阀集成了开关控制、内腔加温供热和腔体温度实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述管道一上靠近引射器的一侧依次集成有氢中压传感器、比例阀、开关电磁阀和过滤器，所述氢中压传感器和比例阀之间设置有支路一，所述支路一连接有尾排罐，所述支路一上集成有卸荷阀。
3.根据权利要求1所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述管道二靠近引射器的一侧依次集成有单向阀、氢水分离器、氢出温压传感器和湿度传感器。
4.根据权利要求3所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述支路二设置于管道二上的单向阀和氢水分离器之间。
5.根据权利要求1所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述管道三上集成有氢入温压传感器和湿度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述氢水分离器的底部出口通过支路三和支路四集成有排水排氮阀，所述氢水分离器的底部出口通过排水排氮阀连接至尾排罐。
7.根据权利要求1所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述第三壳体的侧壁开设有冷却水进口，所述冷却水进口的中轴线所在平面与所述罐体中轴线所在平面垂直；所述第三壳体的底部连接有支路四，所述支路四端部设置有尾排口，所述第三壳体的侧壁设置有与所述支路四连接的支路三。
8.根据权利要求7所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述第一壳体的顶部连接有分流接头进行分流，所述分流接头的一端连接有涡旋泵进口，其另一端连接有引射器的二次流入口，所述管道二上位于支路二和引射器的二次流入口之间的位置设置有单向阀，所述涡旋泵的出口与引射器出口的管道三相连，所述引射器出口与引射器的一次流入口的连线与所述罐体中轴线垂直。
9.根据权利要求8所述的一种便于电堆快速冷启动的氢燃料电池氢水分离循环装置，其特征在于：所述氢水分离器的壳体内壁和导流片的表面涂布有疏水层。
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