CN207852810U - 燃料电池氢气供应子系统及燃料电池系统 - Google Patents

燃料电池氢气供应子系统及燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及燃料电池控制技术领域,特别是燃料电池氢气供应子系统及燃料电池系统。该电池系统包括电堆和氢气供应子系统,该子系统包括供气支路和连通燃料电池电堆入氢口和出氢口的循环回路,通过在循环回路中设置并联的非加压支路和加压支路,加压支路通过循环泵连接到入口支路,非加压支路直接连接入口支路,当从电堆出来的氢气压力较高时,氢气通过非加压支路循环,不再使用循环泵,避免消耗更多电量,降低电附件功率;循环泵使用时间减少,增加循环泵使用年限;且使用相同时间内循环泵维修次数减少,更换频率降低,降低使用成本,解决了循环泵一直处于工作状态,消耗能量较高,造成能源浪费的问题。

Description

燃料电池氢气供应子系统及燃料电池系统
技术领域
本实用新型涉及燃料电池控制技术领域,特别是燃料电池氢气供应子系统及燃料电池系统。
背景技术
随着化石燃料的日益枯竭和全球环境污染的加剧,使用清洁能源成为一种必然趋势。氢燃料电池汽车以氢为燃料,通过燃料电池系统与空气中的氧气发生电化学反应产生电能。氢燃料电池汽车具备零排放、效率高、续驶里程长等优点,在世界范围内得到了广泛关注,各大汽车厂商也相继发布其氢燃料电池汽车。
氢燃料电池系统作为氢燃料电池汽车的核心零部件,其最新技术大多由国外垄断,国内还处于起步阶段。燃料电池电堆和核心零部件严重依赖于进口,特别是氢气供应子系统核心零部件,氢气供给子系统方案也处于探索阶段。有中国专利公布号为CN107331881A的专利文献公开了一种中高压燃料电池发动机,其中该发动机包括氢气供应子系统,该子系统包括供气管路和循环回路,其中供气管路依次通过氢气瓶、组合瓶阀、过流阀、压力调节阀和进氢电磁阀连接燃料电池电堆的入氢口进行供氢;循环回路上设置有氢气循环泵,能够将未反应的氢气经过氢气循环泵再次进入燃料电池电堆的入氢口。
上述文献中当环境温度较高或较低时,从氢瓶中排出的氢气温度也会随温度的变化而变化,而电堆反应需要的最佳氢气温度是一定的,因此当环境温度较为极端时,从氢瓶中排出的氢气温度并不能满足电堆高效运行,催化剂不能处于高效活性状态,导致氢气不能完全发生电化学反应,氢气利用率较低,降低燃料电池系统效率,同时,通过氢气循环泵将氢气循环至进供气管路来实现氢气循环,且从电堆排出的氢气必须经过氢气循环泵,致使氢气循环泵一直处于工作状态,且部分高压氢气循环泵功率较大,消耗较大电量,造成能源浪费。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供燃料电池氢气供应子系统及燃料电池系统,用以解决循环泵一直处于工作状态,消耗能量较高,造成能源浪费的问题。
为实现上述目的,本实用新型提供一种燃料电池氢气供应子系统,包括以下供气系统技术方案:
供气系统方案一:一种燃料电池氢气供应子系统,包括供气支路和连通燃料电池电堆入氢口和出氢口的循环回路;所述循环回路包括连接所述入氢口的入口支路、连接所述出氢口的出口支路、加压支路和非加压支路;所述供气支路的一端连接所述入口支路,所述供气支路的另一端用于连接气源;所述加压支路与所述非加压支路并联设置;所述加压支路和所述非加压支路上分别设置有相应控制阀以实现所述加压支路和所述非加压支路的选通控制,或者所述加压支路和所述非加压支路通过第一三通阀连接在所述循环回路上以实现所述加压支路和所述非加压支路的通断控制;所述加压支路上设置有循环泵,所述出口支路上设置有压力传感器。
有益效果是,本供气系统方案一通过在循环回路中设置并联的非加压支路和加压支路,加压支路通过循环泵连接到入口支路,非加压支路直接连接入口支路,当从电堆出来的氢气压力较高时,氢气直接通过非加压支路直接到供气支路,不再使用循环泵,避免消耗更多电量,降低电附件功率;循环泵使用时间减少,增加循环泵使用年限;且使用相同时间内循环泵维修次数减少,更换频率降低,降低使用成本,解决了循环泵一直处于工作状态,消耗能量较高,造成能源浪费的问题。
供气系统方案二:在供气系统方案一的基础上,所述子系统还包括换热支路,与所述入口支路并联设置,所述换热支路和所述入口支路上设置有相应的控制阀或所述换热支路通过第二三通阀连接所述入口支路,所述换热支路与所述入口支路连接处的上游设置有温度传感器,所述换热支路中设有调温装置。
有益效果是,本供气系统方案二通过换热支路调节供气的氢气温度,保证氢气供应回路温度处于一定值,保护电堆,减少对催化剂、双极板等的损坏,提高燃料电池系统寿命,增加氢气利用率,提高燃料电池系统工作效率。
供气系统方案三:在供气系统方案二的基础上,所述子系统还包括控制器,所述控制器的输入端连接所述压力传感器,所述控制器的输出端连接所述加压支路和所述非加压支路的控制阀或第一三通阀,所述控制器的输出端还连接所述换热支路和所述入口支路的控制阀或第二三通阀。
供气系统方案四:在供气系统方案三的基础上,所述调温装置为换热器,所述换热器连接燃料电池的散热器的水循环回路。
供气系统方案五:在供气系统方案一、供气系统方案二、供气系统方案三或供气系统方案四的基础上,所述出口支路上还设置有分水器,所述分水器设置于所述压力传感器的前端。
供气系统方案六:在供气系统方案五的基础上,所述非加压支路上设置有第一单向阀,所述加压支路上设置有第二单向阀。
供气系统方案七:在供气系统方案一、供气系统方案二、供气系统方案三、供气系统方案四或供气系统方案六的基础上,所述供气支路上设置有电磁阀和比例阀,所述入口支路还设置有泄压阀。
有益效果是,本供气系统方案七通过在入口支路上设置泄压阀,保护电堆,避免压力过大导致电堆内部元件发生机械损坏,降低电堆寿命;同时,保护燃料电池系统电附件,避免压力过大导致循环泵等电附件发生破裂,降低燃料电池系统寿命。
本实用新型提供一种燃料电池系统,包括以下电池系统技术方案:
电池系统方案一:一种燃料电池系统,包括电堆和氢气供应子系统,所述电堆包括入氢口和出氢口,所述氢气供应子系统包括供气支路和连通燃料电池电堆入氢口和出氢口的循环回路;所述循环回路包括连接所述入氢口的入口支路、连接所述出氢口的出口支路、加压支路和非加压支路;所述供气支路的一端连接所述入口支路,所述供气支路的另一端用于连接气源;所述加压支路与所述非加压支路并联设置;所述加压支路和所述非加压支路上分别设置有相应控制阀以实现所述加压支路和所述非加压支路的选通控制,或者所述加压支路和所述非加压支路通过第一三通阀连接在所述循环回路上以实现所述加压支路和所述非加压支路的通断控制;所述加压支路上设置有循环泵,所述出口支路上设置有压力传感器。
电池系统方案二:在电池系统方案一的基础上,所述子系统还包括换热支路,与所述入口支路并联设置,所述换热支路和所述入口支路上设置有相应的控制阀或所述换热支路通过第二三通阀连接所述入口支路,所述换热支路与所述入口支路连接处的上游设置有温度传感器,所述换热支路中设有调温装置。
电池系统方案三:在电池系统方案二的基础上,所述子系统还包括控制器,所述控制器的输入端连接所述压力传感器,所述控制器的输出端连接所述加压支路和所述非加压支路的控制阀或第一三通阀,所述控制器的输出端还连接所述换热支路和所述入口支路的控制阀或第二三通阀。
电池系统方案四:在电池系统方案三的基础上,所述调温装置为换热器,所述换热器连接燃料电池的散热器的水循环回路。
电池系统方案五:在电池系统方案一、电池系统方案二、电池系统方案三或电池系统方案四的基础上,所述出口支路上还设置有分水器,所述分水器设置于所述压力传感器的前端。
电池系统方案六:在电池系统方案五的基础上,所述非加压支路上设置有第一单向阀,所述加压支路上设置有第二单向阀。
电池系统方案七:在电池系统方案一、电池系统方案二、电池系统方案三、电池系统方案四或电池系统方案六的基础上,所述供气支路上设置有电磁阀和比例阀,所述入口支路还设置有泄压阀。
附图说明
图1是实施例1的一种燃料电池氢气供应子系统的结构示意图;
图2是实施例2的一种燃料电池氢气供应子系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例1提供一种燃料电池系统,包括电堆1和氢气供应子系统,电堆 1包括入氢口和出氢口,如图1所示,氢气供应子系统包括控制器(未画出)、供气支路100和连通入氢口和出氢口的循环回路101;循环回路包括入口支路、出口支路、加压支路和非加压支路;供气支路100的一端连接入口支路,供气支路100的另一端用于连接H2气源;加压支路与非加压支路并联设置,通过控制器控制加压支路或非加压支路导通,因此,在加压支路和非加压支路上分别设置有相应控制阀,图1中通过第一三通阀将加压支路和非加压支路连接出口支路,还可以连接入口支路;其中第一三通阀为第一电磁三通阀10,加压支路上设置有循环泵11,出口支路上设置有压力传感器9和分水器8,其中,压力传感器9介于分水器8和第一电磁三通阀10之间,用于检测检测分水器8 之后的尾排氢气压力值。
供气支路100上从气源至入口支路依次设置有电磁阀2和比例阀3,该入口支路上设置有泄压阀4,当入口支路的压力值大于3bar时,泄压阀打开,避免电堆1因压力过大导致损坏,氢气从氢瓶中排出经过一级减压通过电磁阀2,电磁阀2打开时通过比例阀3,比例阀3根据电堆需求调节进气压力,从而调节氢气进气量。
上述非加压支路上设置有第一单向阀12,避免氢气回流;上述加压支路上设置有循环泵11和第二单向阀13,第二单向阀13设置于循环泵11的输出端的后部。
未反应的氢气经过分水器过滤掉多余水分,通过压力传感器获取出口支路的氢气压力值,当压力值大于2bar时,控制非加压支路导通,关闭循环泵,通往循环泵的加压支路被截断,非加压支路氢气与供气支路的氢气汇合,进入电堆;当压力值小于2bar时,控制加压支路导通,打开循环泵,加压支路的氢气与供气支路氢汇合,进入电堆。
实施例2
在实施例1的基础上,本实施例2提供一种燃料电池氢气供应子系统,如图2所示,上述子系统还包括换热支路102和温度传感器5,其中,入口支路上设置有第二电磁三通阀6,换热支路102的一端连接第二电磁三通阀6,换热支路102的另一端连接燃料电池电堆的入氢口,换热支路102上设置连接任意调温装置,该调温装置换可以为换热器7,本实施例2将换热器7连接燃料电池的散热器的水循环回路;第二电磁三通阀6设置于泄压阀4的后端,温度传感器5用于检测进入第二电磁三通阀6之前的氢气温度。
除实施例1中对第一电磁三通阀进行控制外,还通过温度传感器获取氢气的温度值,当温度在55-70℃时,氢气不经过换热器,直接进入电堆;当温度在55℃以下和70℃以上时,氢气不直接进入电堆,而是进入换热器,通过燃料电池散热器中的水循环回路给氢气加热或降温(水循环回路温度在 55-70℃),之后进入进气回路。
以上给出了本实用新型涉及的具体实施方式,但本实用新型不局限于所描述的实施方式。在本实用新型给出的思路下,采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改,并且起到的作用与本实用新型中的相应技术手段基本相同、实现的实用新型目的也基本相同,这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的,这种技术方案仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (14)

1.一种燃料电池氢气供应子系统,其特征在于,包括供气支路和连通燃料电池电堆入氢口和出氢口的循环回路;所述循环回路包括连接所述入氢口的入口支路、连接所述出氢口的出口支路、加压支路和非加压支路;所述供气支路的一端连接所述入口支路,所述供气支路的另一端用于连接气源;所述加压支路与所述非加压支路并联设置;所述加压支路和所述非加压支路上分别设置有相应控制阀以实现所述加压支路和所述非加压支路的选通控制,或者所述加压支路和所述非加压支路通过第一三通阀连接在所述循环回路上以实现所述加压支路和所述非加压支路的通断控制;所述加压支路上设置有循环泵,所述出口支路上设置有压力传感器。
2.根据权利要求1所述的燃料电池氢气供应子系统,其特征在于,所述子系统还包括换热支路,与所述入口支路并联设置,所述换热支路和所述入口支路上设置有相应的控制阀或所述换热支路通过第二三通阀连接所述入口支路,所述换热支路与所述入口支路连接处的上游设置有温度传感器,所述换热支路中设有调温装置。
3.根据权利要求2所述的燃料电池氢气供应子系统,其特征在于,所述子系统还包括控制器,所述控制器的输入端连接所述压力传感器,所述控制器的输出端连接所述加压支路和所述非加压支路的控制阀或第一三通阀,所述控制器的输出端还连接所述换热支路和所述入口支路的控制阀或第二三通阀。
4.根据权利要求3所述的燃料电池氢气供应子系统,其特征在于,所述调温装置为换热器,所述换热器连接燃料电池的散热器的水循环回路。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的燃料电池氢气供应子系统,其特征在于,所述出口支路上还设置有分水器,所述分水器设置于所述压力传感器的前端。
6.根据权利要求5所述的燃料电池氢气供应子系统,其特征在于,所述非加压支路上设置有第一单向阀,所述加压支路上设置有第二单向阀。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的燃料电池氢气供应子系统,其特征在于,所述供气支路上设置有电磁阀和比例阀,所述入口支路还设置有泄压阀。
8.一种燃料电池系统,其特征在于,包括电堆和氢气供应子系统,所述电堆包括入氢口和出氢口,所述氢气供应子系统包括供气支路和连通燃料电池电堆入氢口和出氢口的循环回路;所述循环回路包括连接所述入氢口的入口支路、连接所述出氢口的出口支路、加压支路和非加压支路;所述供气支路的一端连接所述入口支路,所述供气支路的另一端用于连接气源;所述加压支路与所述非加压支路并联设置;所述加压支路和所述非加压支路上分别设置有相应控制阀以实现所述加压支路和所述非加压支路的选通控制,或者所述加压支路和所述非加压支路通过第一三通阀连接在所述循环回路上以实现所述加压支路和所述非加压支路的通断控制;所述加压支路上设置有循环泵,所述出口支路上设置有压力传感器。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统,其特征在于,所述子系统还包括换热支路,与所述入口支路并联设置,所述换热支路和所述入口支路上设置有相应的控制阀或所述换热支路通过第二三通阀连接所述入口支路,所述换热支路与所述入口支路连接处的上游设置有温度传感器,所述换热支路中设有调温装置。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统,其特征在于,所述子系统还包括控制器,所述控制器的输入端连接所述压力传感器,所述控制器的输出端连接所述加压支路和所述非加压支路的控制阀或第一三通阀,所述控制器的输出端还连接所述换热支路和所述入口支路的控制阀或第二三通阀。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统,其特征在于,所述调温装置为换热器,所述换热器连接燃料电池的散热器的水循环回路。
12.根据权利要求8、9、10或11所述的燃料电池系统,其特征在于,所述出口支路上还设置有分水器,所述分水器设置于所述压力传感器的前端。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统,其特征在于,所述非加压支路上设置有第一单向阀,所述加压支路上设置有第二单向阀。
14.根据权利要求8、9、10、11或13所述的燃料电池系统,其特征在于,所述供气支路上设置有电磁阀和比例阀,所述入口支路还设置有泄压阀。
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