CN205543069U - 用于燃料电池系统的氢气稀释设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其包括具有空气入口、空气出口和位于空气入口和空气出口之间的一长度的空气尾排管路(10)，其中，氢气稀释管路(20)能插入空气尾排管路内，以使得空气尾排管路(10)内空气与氢气稀释管路内的待稀释的氢气流体连通，氢气稀释管路至少包括在空气尾排管路(10)内沿其长度延伸的管路部分(30)。借助于本实用新型的氢气稀释设备，可简化燃料电池系统的设计、减少零部件的个数，从而降低系统的成本和重量。

Description

用于燃料电池系统的氢气稀释设备

技术领域

本实用新型涉及一种用于燃料电池系统、尤其是用于质子交换膜型燃料电池系统的氢气稀释设备。

背景技术

燃料电池是一种将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，其作为一种清洁、高效的能量转换技术，在近年来受到人们的广泛关注，在车辆、备用电源等领域得到了广泛的应用。质子交换膜燃料电池由于其启动快，运行温度低属于燃料电池中应用最广泛的一种。

质子交换膜型燃料电池以氢气为燃料，在实际使用时，为了排放从阴极侧反扩散至阳极的水汽和氮气，阳极侧需要根据氢气浓度的情况，定期的排放尾气，这一方面会造成氢气的浪费。

而另一方面，氢气为易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限为4％-74.2％。在此范围内的氢空混合气遇明火或电火花均可能爆炸，威胁生产和生命安全。因此，为了安全起见，燃料电池系统的氢气尾排需要经过一定处理，将其浓度降低至爆炸极限以下方可排入大气。所以，也要对排放的气体进行稀释，以防止氢气浓度超标。

为了防水防尘，燃料电池模块一般会通过密封罩将其进行封装。但是，由此带来的问题是，由于氢气的强渗透性，会从燃料电池模块泄露至密封罩内，造成氢气的累积效应，需要对密封罩内的氢气进行稀释。此外，燃料电池反应生成的水蒸气，也会渗透至密封罩内累积，如果不及时吹扫，也会造成模块内绝缘值的降低。

为了降低氢气尾排的浓度，燃料电池相关的企业和研究机构进行了相关氢气稀释的开发。例如，根据一种已知的降低燃料电池系统尾排氢气峰值浓度的方法。如图1A中所示，首先，燃料电池系统的空气通过阴极尾排出口并由空气导流管连续稳定排放至氢气缓释腔内；燃料电池系统的氢气通过阳极尾排出口并由氢气导流管排放至氢气缓释腔内，由上述氢气缓释腔内的空气对其进行缓释；然后，氢气被缓释后的缓释气体从氢气缓释腔排入混合腔后，由燃料电池系统的阴极尾排出口引出的另一路吹扫空气对上述缓释气体进行连续稳定的吹扫，进一步稀释缓释气体中的氢气浓度，并使其从混合腔的排出口排出。

又已知通过设计专门的氢气稀释器，来对尾排的氢气进行稀释。例如，如图1B中所示，一种燃料电池空气供应系统包括空气供应机械、增湿器、主路调节系统、支路调节系统和氢稀释器。该空气供应机械将环境空气的一部分经增湿器输入燃料电池，反应后排放的空气经所述增湿器流至所述的主路调节系统。该主路调节系统的输出连接氢稀释器；所述空气供应机械将环境空气的另一部分经所述支路调节系统输入至所述氢稀释器。

还已知针对客车设计了一款用于燃料电池客车排放的氢气的浓度稀释装置。如图1C中所示，该装置包括光电接收器、光电接近开关、风扇、两张防静电网、氢气管路、释装置主体、多块挡板、电磁阀、风扇故障检测器组成。稀释装置主体为两端开口的壳体，两张防静电网与稀释装置主体两端的内壁相连。多块半圆形挡板安装在稀释装置主体内，该风扇安装在稀释装置主体入口处，该光电接收器安装在风扇电机中心轴上，该光电接近开关安装在风扇外壳上面并与风扇故障检测器相连，氢气管路与稀释装置主体空气入口端处的氢气入口相连通，并通过电磁阀与排放的氢气管相连。

另外，还已知一种燃料电池系统，其具备排气处理装置，其将从该燃料电池排出的阴极废气及阳极废气混合稀释；排出气体配管，其中流通从所述排气处理装置排出的排出气体；特定气体浓度传感器，其测定所述排出气体中的特定气体的浓度；流路截面积增大部，其设于所述排气处理装置和所述特定气体浓度传感器之间，具有比所述排出气体配管大的流路截面积。如图1D中所示，由于在稀释器的尾端增加了浓度传感器，并在该位置增加了管路的横截面积，从而更有利于尾气氢气的监测和稀释。

然而，目前的燃料电池系统尾排的稀释方式主要是通过设计专门的稀释器或系统的旁路来实现，这增加了系统的重量、成本和复杂度。此外，目前的稀释方法主要是针对燃料电池尾排的稀释，却缺少对燃料电池模块密封罩内的稀释技术。

实用新型内容

根据本实用新型，不管是对燃料电池的尾排气体，还是对燃料电池模块密封罩都能够使氢气和水蒸气进行稀释，以保证燃料电池的正常安全运行。

为此，本实用新型提供一种用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其包括具有空气入口、空气出口和处于所述空气入口和所述空气出口之间的一长度的空气尾排管路，其中，氢气稀释管路能插入所述空气尾排管路内，以使得所述空气尾排管路内空气与所述氢气稀释管路内的待稀释的氢气流体连通，所述氢气稀释管路至少包括在空气尾排管路内沿其长度延伸的管路部分。

优选地，与所述空气尾排管路的所述空气入口相比，所述氢气稀释管路的排出端口更接近于所述空气尾排管路的所述空气出口。

由此，可防止氢气逆流至空气尾排管路中并且避免离开氢气尾排管路的排出端口的氢气沿着空气尾排管路向空气的上游流动。

尤其优选地，所述氢气稀释管路的所述管路部分的中心轴线与空气尾排管路的中心轴线平行。

或者，所述氢气稀释管路的所述管路部分也可以与所述空气尾排管路同心地延伸。

有利地，所述空气尾排管路包括至少一个直部段，在所述空气尾排管路的所述直部段内延伸的所述管路部分也为直部段。

尤其有利的是，与重力方向的反向相比，所述空气尾排管路和所述氢气稀释管路均以更接近于重力方向的方式从气流的上游到下游延伸。由此，可以避免空气尾排和氢气尾排中的冷凝水逆向进入空气尾排管路或氢气尾排管路。

最为有利的是，所述氢气稀释管路的所述管路部分沿与重力方向一致的方向延伸。

在一个具体实施方式中，所述空气尾排管路和所述氢气稀释管路的管径比在6：1到2：1的范围内。

还可设想到，所述氢气稀释管路的排出端口与所述空气尾排管路的排出端口间隔开一距离。由此，可以使得氢气充分地稀释到期望的程度。

较佳地，所述氢气稀释管路经由所述空气尾排管路的侧壁上的孔以相对于所述侧壁倾斜的方式插入所述空气尾排管路内。

本实用新型的燃料电池模块或尾排的氢气稀释设备及其方法设计紧凑、简单，由此简化燃料电池系统的设计、减少零部件的个数，从而降低系统的成本和重量。

附图说明

图1A为根据现有技术的用于降低燃料电池系统尾排氢气浓度的示例性系统的示意图；

图1B为根据现有技术的包含氢气稀释器在内的燃料电池空气供应系统的示意图；

图1C为根据现有技术的用于燃料电池客车排放的氢气的浓度稀释装置的结构示意简图；

图1D为根据现有技术的燃料电池系统的结构示意图，其中，在稀释器的尾端增设有浓度传感器；

图2A为根据本实用新型的示例性空气尾排管路的示意立体图；以及

图2B为根据本实用新型的示例性空气尾排管路的透视图，其中，该图示出了插入该空气尾排管路内的示例性密封罩内稀释管路或者氢气尾排管路。

具体实施方式

根据本实用新型的用于燃料电池系统、尤其是用于质子交换膜型燃料电池系统的氢气稀释的设备和方法主要涉及物理扩散稀释原理、而不是通过化学反应来稀释氢气。但本领域技术人员也可以理解到可以在根据本实用新型的氢气稀释设备的基础上附加有用于稀释氢气的任何可行的化学手段，诸如但不限于使燃料电池系统排出的氢气或者位于燃料电池模块密封罩内的氢气与其它化学组分进行反应。

如图2A中所示，燃料电池系统包括空气尾排管路10，其包括位于上游的空气入口、位于下游的空气出口以及位于两者之间的一定长度。空气尾排管路10包括至少一个直部段以及可选地弯曲部段。然而，可以理解到空气尾排管路10的具体构造不限于图2A中所示的形式，而是可以是符合于燃料电池系统所应用于的具体场合、例如车辆的管路布局的任何形式(例如，由多段弯曲部段和多段直部段彼此相连而成)。

通常，燃料电池系统的氢气通过阳极尾排管路排出。然而，这种排出可以根据燃料电池系统的阳极侧的氢气浓度的情况(例如，由传感器检测)，定期地排放尾气。换言之，通过氢气尾排管路20排出氢气可以连续地或者间歇地进行。

与空气尾排管路10类似的，氢气尾排管路20也可包括至少一个、优选为两个直部段以及用于连接直部段的弯曲部段。此外，可以理解到，空气尾排管路10和氢气尾排管路20的管路横截面可为圆形，但也可以是其它常见的管路截面形状。

根据本实用新型，氢气尾排管路20的管径小于空气尾排管路10的管径。在优选的情况下，空气尾排管路10和氢气尾排管路20的管径比可以为6：1到2：1的范围之间的任何数值。在一个实例中，空气尾排管路10的半径为约51毫米，而氢气尾排管路20的半径约为25.5毫米。

如图2B中清楚可见，可以在空气尾排管路10的侧壁上开有至少一个孔，该孔的孔径可大于或者略大于氢气尾排管路20的管径。然后可将氢气尾排管路20通过该孔插入空气尾排管路10内部，以使得氢气尾排管路20中的氢气与空气尾排管路10中的空气流体连通，以借助于空气尾排管路10中的空气流也稀释氢气尾排管路20中的氢气。

有利的是，氢气尾排管路20以相对于空气尾排管路10的侧壁倾斜地(较佳为大于45度)插入空气尾排管路10内(但也可以相对于侧壁垂直地插入)。插入后，空气尾排管路10中的空气流与氢气尾排管路20中的氢气流彼此流体连通。

空气尾排管路10中的空气流动和氢气尾排管路20中的氢气流动的方向优选是一致的，例如均如图2B中所示从上往下流动。例如，在空气尾排管路10中，位于氢气尾排管路20的排出端口下游的部段为空气与氢气混合的流动，即在空气尾排管路10中流过的空气来对来自氢气尾排管路20的排出端口的氢气进行稀释，从而有效降低氢气浓度。

为了防止氢气逆流至空气尾排管路10中、即为了避免离开氢气尾排管路20的排出端口的氢气沿着空气尾排管路10向空气的上游流动，插入空气尾排管路10内的氢气尾排管路20须沿空气尾排管路10的空气流动方向留有至少一定长度的管路部分30。

该管路部分30较佳地具有与空气尾排管路10的中心轴线平行、更优选为与其同轴的中心轴线，以使得管路部分30至少沿空气尾排管路10中的空气顺流方向延伸一段距离，该距离足以一方面避免氢气逆流到空气尾排管路10中，另一方面也阻止在空气尾排管路10中流动的空气不期望地从氢气尾排管路20的排出端口逆流流入氢气尾排管路20中。但可理解到，管路部分30的中心线也可与空气尾排管路10的中心轴线不平行，例如成一锐角，但不能倾斜到垂直甚至钝角的程度，因为这样会导致空气从氢气尾排管路20的排出端口进入氢气尾排管路20或者造成排出的氢气又重新回到氢气尾排管路20内、进而向上游进一步逆流。

此外，氢气尾排管路20的排出端口离空气尾排管路10的排出端口至少隔开一定距离，例如大于或等于氢气尾排管路20在空气尾排管路10内延伸的管路部分30的长度。

在一个实例中，空气尾排管路10的总长度可设计成大于900毫米，而氢气尾排管路20在其内延伸的管路部分30可约为250毫米，且氢气尾排管路20的排出端口距离空气尾排管路10的排出端口为大约300毫米，以便于在排出氢气之前能够充分稀释氢气。

通常，在燃料电池系统中，空气尾排和氢气尾排还包含一定比例的冷凝水。为了避免空气尾排和氢气尾排中的冷凝水逆向进入空气尾排管路10或氢气尾排管路20，优选的是，使氢气尾排管路20和空气尾排管路10构造成它们内部的流动与重力方向一致。替代地，氢气尾排管路20和空气尾排管路10内的流动方向也可与重力方向不完全一致或近乎一致，但不能更接近于重力方向的反向(即，氢气尾排管路20和空气尾排管路10的从上游到下游的延伸方向与重力方向至少成锐角、较佳为在方向相同的一直线上)。

为了进一步减小氢气和/或冷凝水逆流或者空气流入氢气尾排管路20内的风险，较佳的是，如图2B中所示，管路部分30与重力方向同向延伸，且氢气尾排管路20在该管路部分30的上游紧接有一段相对于空气尾排管路10为倾斜向上(而不是与空气尾排管路10垂直的，或者在空气尾排管路10沿重力方向延伸的情形中为水平)延伸的管路段(例如，可位于空气尾排管路10之外，或者其至少一部分位于空气尾排管路10的侧壁上的孔之外)，然后在该管路段的上游再接有又与重力方向同向延伸的管路段。

特别有利的是，整个氢气尾排管路20从上游到下游(其排出端口)设计成均使得其内的氢气流动为顺势流动。即换言之，整个氢气尾排管路20在空气尾排管路10沿重力方向延伸的情形中定向成与重力方向相比更接近于重力方向。

尽管在上文中均涉及氢气尾排管路20，但可以理解到，该氢气管路也可以为密封罩或者其它部件内的氢气稀释管路。与氢气尾排相比，来自密封罩之类的部件内的氢气浓度较低，更有利于氢气的稀释。

类似的，尽管上文是针对空气尾排管路10进行描述的，但也可以理解到空气尾排管路也可以是其他空气管路，只要能够提供氢气稀释的功能即可。

为了使得氢气通过上述方法稀释到期望的程度，在设计管路时应计算空气尾排管路10中的空气流量是否足以将氢气稀释到需要的设定值。如果空气尾排管路10中的空气流量不够，则可以在空气管路增加旁路，在不影响电堆空气流量需求的前提下，通过增加旁路流量满足总体流量需求，从而使得氢气稀释量达到期望要求。

借助于本实用新型的氢气稀释方法和设备，可以获得简单有效的稀释效果，且简化了燃料电池系统的设计，减少了所需的零部件数目，从而总体上降低了生产和维护成本和重量，这对于燃料电池系统在更多应用场合中使用的可靠性和经济成本来说至关重要。

最后，还可理解到尽管本实用新型的氢气稀释方法和设备可用于燃料电池系统，但也可用于其它需要稀释氢气的场合，例如氢气制备车间等非移动物体上。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其包括具有空气入口、空气出口和处于所述空气入口和所述空气出口之间的一长度的空气尾排管路(10)，其特征在于，氢气稀释管路(20)能插入所述空气尾排管路内，以使得所述空气尾排管路(10)内空气与所述氢气稀释管路内的待稀释的氢气流体连通，其中，所述氢气稀释管路至少包括在空气尾排管路(10)内沿其长度延伸的管路部分(30)。

2.如权利要求1所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，与所述空气尾排管路(10)的所述空气入口相比，所述氢气稀释管路(20)的排出端口更接近于所述空气尾排管路(10)的所述空气出口。

3.如权利要求2所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，所述氢气稀释管路(20)的所述管路部分(30)的中心轴线与空气尾排管路(10)的中心轴线平行。

4.如权利要求2所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，所述氢气稀释管路(20)的所述管路部分(30)与所述空气尾排管路(10)同心地延伸。

5.如权利要求3或4所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，所述空气尾排管路(10)包括至少一个直部段，在所述空气尾排管路(10)的所述直部段内延伸的所述管路部分(30)也为直部段。

6.如权利要求1或2所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，与重力方向的反向相比，所述空气尾排管路(10)和所述氢气稀释管路(20)均以更接近于重力方向的方式从气流的上游到下游延伸。

7.如权利要求6所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，所述氢气稀释管路(20)的所述管路部分(30)沿与重力方向一致的方向延伸。

8.如权利要求1或2所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，所述空气尾排管路(10)和所述氢气稀释管路(20)的管径比在6：1到2：1的范围内。

9.如权利要求1或2所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，所述氢气稀释管路(20)的排出端口与所述空气尾排管路(10)的排出端口间隔开一距离。

10.如权利要求1或2所述的用于燃料电池系统的氢气稀释设备，其特征在于，所述氢气稀释管路(20)经由所述空气尾排管路(10)的侧壁上的孔以相对于所述侧壁倾斜的方式插入所述空气尾排管路(10)内。