CN117810496B - 燃料电池尾排装置、燃料电池系统及燃料电池汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池尾排装置、燃料电池系统及燃料电池汽车，涉及新能源汽车技术领域。燃料电池尾排装置包括排氢阀、混排管路和弥散排氢管，弥散排氢管连通排氢阀，从而将排氢阀排出的氢气排入弥散排氢管的内部，弥散排氢管的管壁设有多个弥散孔，弥散孔连通弥散排氢管的内部和混排管路，从而可将弥散排氢管内部的氢气排入混排管路，降低氢气排入混排管路的流速，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，使得氢气与混排管路中的尾排空气的混合更充分，将氢气更好地稀释，最终降低尾排氢气的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，特别涉及一种燃料电池尾排装置、燃料电池系统及燃料电池汽车。
背景技术
现有技术中采用质子交换膜燃料电池，在运行过程中，阳极消耗氢气，阴极消耗氧气，理想情况下，阳极应保持纯氢环境，但由于质子交换膜对气体并不能完全隔离，运行过程中，氮气会从阴极扩散至阳极，并在阳极持续积累，导致阳极的氢气浓度逐步降低，具体表现为单电池的电压会逐渐下降，影响燃料电池性能的输出。
因此，在实际燃料电池的运行过程中，会适时加入阳极排气操作，将阳极的气体进行清除，将阳极不符合氢气浓度的含氮气体排出，从而使阳极恢复至纯氢环境，使燃料电池的性能恢复至氮气聚集前的水平。在燃料电池系统启动和停机操作中也经常进行腔体气体的吹扫。但是，该阳极排气操作会将未进行反应的氢气一起排出，造成燃料电池单位功率的氢耗提高，燃料电池的运行效率降低。此外，在连续排气等严重情况下，也会造成燃料电池尾排氢气浓度超过国家标准的要求的阈值。
关于燃料电池尾排氢气浓度标准，根据《GB/T 24549-2020燃料电池电动汽车安全要求》及《GB/T 37154-2018燃料电池电动汽车整车氢气排放测试方法》标准要求，为满足整车氢气排放的安全，应按照规定的试验方法进行氢气排放的测试，在进行包括启动和停机时在内的正常操作时，任意连续3秒内的平均氢气体积浓度不应超过4%，且瞬时氢气体积浓度不超过8%。
目前，为降低燃料电池系统尾排氢气浓度，所采取的主要控制方法为：将燃料电池尾排氢气与尾排空气进行混合稀释，从而降低尾排气体的氢气浓度。该控制方法既要控制阳极氮气的排出，来保证燃料电池性能和寿命等指标的实现，同时又要将瞬时排放的氢气通过尾排空气的稀释，使浓度平均值和瞬时值不超过国家标准要求的阈值。在实际运行过程中，燃料电池系统尾排氢气即使与尾排空气混合后，仍会出现平均体积浓度和瞬时体积浓度超标的情况，特别是在燃料电池启动和关机吹扫阶段，易出现尾排氢气浓度峰值过高现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中燃料电池系统尾排氢气浓度过高的缺陷，提供一种燃料电池尾排装置、燃料电池系统及燃料电池汽车。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种燃料电池尾排装置，所述燃料电池尾排装置包括排氢阀和混排管路，所述燃料电池尾排装置还包括弥散排氢管；
所述弥散排氢管连通所述排氢阀，所述弥散排氢管的管壁设有多个弥散孔，所述弥散孔连通所述弥散排氢管的内部和所述混排管路。
在本方案中，该燃料电池尾排装置包含弥散排氢管，弥散排氢管连通排氢阀，从而将排氢阀排出的氢气排入弥散排氢管的内部，弥散排氢管的管壁设有多个弥散孔，弥散孔连通弥散排氢管的内部和混排管路，从而可将弥散排氢管内部的氢气排入混排管路，降低氢气排入混排管路的流速，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，使得氢气与混排管路中的尾排空气的混合更充分，将氢气更好地稀释，最终降低尾排氢气的浓度。
优选地，所述弥散排氢管的直径沿远离所述排氢阀的方向逐渐减小。
在本方案中，由于靠近排氢阀的位置排出的气体可以有更长的路径与混排管路中的尾排空气混合，因此，将弥散排氢管的直径设置为沿远离排氢阀的方向逐渐减小，弥散管直径越大的位置氢气排出量越大，从而可使弥散排氢管在靠近排氢阀的位置排出更多氢气，使得氢气在混排管路里有更长的混合路径，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
优选地，多个所述弥散孔的孔径沿远离所述排氢阀的方向逐渐减小。
在本方案中，采用上述结构形式，弥散孔的孔径越大的地方氢气排出量越大，从而可使弥散孔排出的氢气量在靠近排氢阀的位置更大，使得氢气在混排管路里有更长的混合路径，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
优选地，多个所述弥散孔的密度沿远离所述排氢阀的方向逐渐减小。
在本方案中，采用上述结构形式，弥散孔密度越大的地方排出的氢气量越大，从而可使弥散孔排出的氢气量在靠近排氢阀的位置更大，使得氢气在混排管路里有更长的混合路径，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
优选地，多个所述弥散孔沿所述弥散排氢管的周向均匀布置。
在本方案中，采用上述结构形式，弥散排氢管的内部的氢气在弥散排氢管的周向能够更均匀地排出到混排管路，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，从而使弥散孔排出的氢气与尾排空气的混合更均匀，提升稀释氢气浓度的效果。
优选地，所述弥散排氢管远离排氢阀的一端设有封堵件。
在本方案中，采用上述结构形式，封堵件可封闭弥散排氢管远离排氢阀的一端，从而使氢气只能从弥散排氢管的管壁的弥散孔排出，从而提升弥散孔的弥散效果，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，使排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
优选地，所述燃料电池尾排装置还包括空气旁路节气门；
所述空气旁路节气门连通所述混排管路；
和/或，
所述燃料电池尾排装置还包括电堆空气出口；
所述电堆空气出口连通所述混排管路。
在本方案中，采用上述结构形式，电堆空气出口用于排放燃料电池运行期间电堆阴极的过量空气，电堆空气出口连通混排管路，从而将电堆空气出口的空气排入混排管路，电堆空气出口排出的空气与弥散排氢管排出的氢气混合，稀释尾排气体的氢气浓度。在燃料电池开启和关闭时，通常都需进行吹扫，可以避免或减少对膜电极材料的伤害，空气旁路节气门用于排出旁路吹扫时吹扫的空气，空气旁路节气门连通混排管路，从而将吹扫的空气排入混排管路，吹扫的空气与弥散排氢管排出的氢气混合，稀释尾排气体的氢气浓度。
优选地，所述电池尾排装置还包括冷凝器和排水阀；
所述排氢阀和所述排水阀连通所述冷凝器，所述排水阀连通所述混排管路。
在本方案中，采用上述结构形式，冷凝器用于将燃料电池的阳极气体进行冷却，水蒸气冷凝后通过排水阀排出到混排管路，冷凝器冷凝后的氢气通过排氢阀排入弥散排氢管，再通过弥散排氢管排出到混排管路。
本发明还提供了一种燃料电池系统，燃料电池系统包括上述的燃料电池尾排装置和燃料电池本体；
所述燃料电池尾排装置的排氢阀连接所述燃料电池本体的阳极。
在本方案中，采用上述结构形式，燃料电池本体的阳极的氢气可以通过排氢阀排入燃料电池尾排装置，从而稀释氢气浓度。
本发明还提供了一种燃料电池汽车，所述燃料电池汽车包含上述的燃料电池系统。
在本方案中，该燃料电池汽车包括上述的相同效果。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供了一种燃料电池尾排装置、燃料电池系统及燃料电池汽车，该燃料电池尾排装置包含弥散排氢管，弥散排氢管连通排氢阀，从而将排氢阀排出的氢气排入弥散排氢管的内部，弥散排氢管的管壁设有多个弥散孔，弥散孔连通弥散排氢管的内部和混排管路，从而可将弥散排氢管内部的氢气排入混排管路，降低氢气排入混排管路的流速，拉长氢气从排氢阀到尾排口的排放时间，使得氢气与混排管路中的尾排空气的混合更充分，将氢气更好地稀释，最终降低尾排氢气的浓度。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的燃料电池尾排装置的功能模块示意图。
图2为根据本发明一实施例的燃料电池尾排装置的结构示意图。
图3为根据本发明一实施例的弥散排氢管的结构示意图。
附图标记说明：
燃料电池尾排装置100、弥散排氢管200、弥散孔210、大孔径弥散孔211、中孔径弥散孔212、小孔径弥散孔213、微孔径弥散孔214、封堵件220、冷凝器300、排氢阀310、排水阀320、空气旁路节气门400、电堆空气出口500、混排管路600。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
本实施例提供了一种燃料电池汽车，该燃料电池汽车包括燃料电池系统，燃料电池系统包括燃料电池尾排装置100和燃料电池本体，燃料电池尾排装置100的排氢阀310连接燃料电池本体的阳极，燃料电池本体的阳极的氢气可以通过排氢阀310排入燃料电池尾排装置100，氢气在燃料电池尾排装置100中与空气混合，从而降低燃料电池汽车尾排氢气浓度。
如图1和图2所示，燃料电池尾排装置100包括排氢阀310、混排管路600和弥散排氢管200。弥散排氢管200连通排氢阀310，从而将排氢阀310排出的氢气排入弥散排氢管200的内部，弥散排氢管200的管壁设有多个弥散孔210，弥散孔210连通弥散排氢管200的内部和混排管路600，混排管路600连通燃料电池汽车的尾排口，从而可将弥散排氢管200内部的氢气排入混排管路600，减缓氢气排入混排管路600的流速，使得氢气与混排管路600中的尾排空气的混合更充分，拉长氢气从排氢阀310到尾排口的排放时间，将氢气更好地稀释，最终降低尾排氢气的浓度。
弥散排氢管200的材料可选用金属或硅胶，也可选择其他本领域技术人员认为合适的弥散排氢管200的材料。
电池尾排装置还包括冷凝器300和排水阀320，排氢阀310和排水阀320连通冷凝器300，排氢阀310和排水阀320连通混排管路600。冷凝器300用于将燃料电池的阳极气体进行冷却，水蒸气冷凝后通过排水阀320排出到混排管路600，冷凝器300冷凝后的氢气通过排氢阀310排入弥散排氢管200，再通过弥散排氢管200排出到混排管路600。
燃料电池尾排装置100还包括空气旁路节气门400和电堆空气出口500，空气旁路节气门400和电堆空气出口500连通混排管路600。在燃料电池开启和关闭时，通常都需进行吹扫，可以避免或减少对膜电极材料的伤害，空气旁路节气门400用于排出旁路吹扫时吹扫的空气，空气旁路节气门400连通混排管路600，从而将吹扫的空气排入混排管路600，吹扫的空气与弥散排氢管200排出的氢气混合，稀释尾排气体的氢气浓度。
电堆空气出口500用于排放燃料电池运行期间电堆阴极的过量空气，电堆空气出口500连通混排管路600，从而将电堆空气出口500的空气排入混排管路600，电堆空气出口500排出的空气与弥散排氢管200排出的氢气混合，稀释尾排气体的氢气浓度。
如图3所示，弥散排氢管200的直径沿远离排氢阀310的方向逐渐减小。由于靠近排氢阀310的位置排出的气体可以有更长的路径与混排管路600中的尾排空气混合，因此，将弥散排氢管200的直径设置为沿远离排氢阀310的方向逐渐减小，弥散管直径越大的位置氢气排出量越大，从而可使弥散排氢管200在靠近排氢阀310的位置排出更多氢气，使得氢气在混排管路600里有更长的混合路径，拉长氢气从排氢阀310到尾排口的排放时间，排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
在本实施中，弥散排氢管200采用变径结构，即弥散管直径沿远离排氢阀310的方向逐渐减小，在其他实施例中，也可采用等径的弥散管结构，即弥散管的直径不变。
多个弥散孔210的孔径沿远离排氢阀310的方向逐渐减小，弥散孔210的孔径越大的地方氢气排出量越大，从而可使弥散孔210排出的氢气量在靠近排氢阀310的位置更大，使得氢气在混排管路600里有更长的混合路径，拉长氢气从排氢阀310到尾排口的排放时间，排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
如图3所示，在本实施例中，多个弥散孔210布满弥散管的管壁，弥散孔210分为多个孔径不同的弥散孔210组，弥散孔210具体包括大孔径弥散孔211、中孔径弥散孔212、小孔径弥散孔213和微孔径弥散孔214，并在弥散排氢管200的管壁沿远离排氢阀310的方向依次设置，同个弥散孔210组内的弥散孔210可选择同孔径的弥散孔210，也可选择孔径沿远离排氢阀310方向依次减小的弥散孔210。在其他实施例中，也可不设置不同的弥散孔210组，只设置沿孔径沿远离排氢阀310方向依次减小的弥散孔210。
在本实施例，弥散孔210的孔径采用梯度减小的变化方式，在其他实施例中，也可选择其他本领域技术人员认为合适的弥散孔210的孔径减小的变化方式。
在本实施例中，弥散孔210的孔径大小为5-50mm，在其他实施例中，也可选择其他本领域技术人员认为合适的弥散孔210的孔径，具体可根据燃料电池的各类参数例如额定功率进行选择。
多个弥散孔210的密度沿远离排氢阀310的方向逐渐减小，弥散孔210密度越大的地方排出的氢气量越大，从而可使弥散孔210排出的氢气量在靠近排氢阀310的位置更大，使得氢气在混排管路600里有更长的混合路径，拉长氢气从排氢阀310到尾排口的排放时间，排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
多个弥散孔210沿弥散排氢管200的周向均匀布置，弥散排氢管200的内部的氢气在弥散排氢管200的周向能够更均匀地排出到混排管路600，从而使弥散孔210排出的氢气与尾排空气的混合更均匀，提升稀释氢气浓度的效果。
弥散排氢管200远离排氢阀的一端设有封堵件220，封堵件220可封闭弥散排氢管200远离排氢阀的一端，从而使氢气只能从弥散排氢管200的管壁的弥散孔210排出，从而提升弥散孔210的弥散效果，拉长氢气从排氢阀310到尾排口的排放时间，使排出的氢气与尾排空气的混合更充分，提升稀释氢气浓度的效果。
在本实施例中，封堵件220采用堵头，在其他实施例中，也可选择其他本领域技术人员认为合适的封堵件220结构。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种燃料电池尾排装置，所述燃料电池尾排装置包括排氢阀和混排管路，其特征在于，所述燃料电池尾排装置还包括弥散排氢管；
所述弥散排氢管连通所述排氢阀，所述弥散排氢管的管壁设有多个弥散孔，所述弥散孔连通所述弥散排氢管的内部和所述混排管路，多个所述弥散孔的孔径沿远离所述排氢阀的方向逐渐减小，多个所述弥散孔沿所述弥散排氢管的周向均匀布置，所述弥散排氢管的直径沿远离所述排氢阀的方向逐渐减小。
2.如权利要求1所述的燃料电池尾排装置，其特征在于，多个所述弥散孔的密度沿远离所述排氢阀的方向逐渐减小。
3.如权利要求1所述的燃料电池尾排装置，其特征在于，所述弥散排氢管远离所述排氢阀的一端设有封堵件。
4.如权利要求1所述的燃料电池尾排装置，其特征在于，所述燃料电池尾排装置还包括空气旁路节气门；
所述空气旁路节气门连通所述混排管路；
和/或，
所述燃料电池尾排装置还包括电堆空气出口；
所述电堆空气出口连通所述混排管路。
5.如权利要求4所述的燃料电池尾排装置，其特征在于，所述燃料电池尾排装置还包括冷凝器和排水阀；
所述排氢阀和所述排水阀连通所述冷凝器，所述排水阀连通所述混排管路。
6.一种燃料电池系统，其特征在于，其包括如权利要求1-5中任意一项所述的燃料电池尾排装置和燃料电池本体；
所述燃料电池尾排装置的排氢阀连接所述燃料电池本体的阳极。
7.一种燃料电池汽车，其特征在于，所述燃料电池汽车包含如权利要求6所述燃料电池系统。
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