CN210429972U - 燃料电池的氢再循环装置和燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种燃料电池的氢再循环装置和燃料电池，包括：喷射器、加压装置、第一控制阀、第二控制阀以及燃料电池堆，其中，喷射器的出口与燃料电池堆的进口连通，燃料电池堆的出口分别与第一控制阀和加压装置的进口连通，加压装置的出口与第二控制阀的进口连通，第二控制阀的出口分别与喷射器的出口以及喷射器的进口连通，第一控制阀的出口也与喷射器的进口连通；燃料电池堆内未反应完全的燃料气体，通过第一控制阀或者第二控制阀再次通入到燃料电池堆内，以使得燃料气体循环利用，本实用新型能够使氢再循环装置应对不同的驾驶条件，同时，结构简单，便于操作。

Description

燃料电池的氢再循环装置和燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池的氢再循环装置和燃料电池。

背景技术

近年来，随着环境污染的问题日益严峻，越来越多的环保条例相继出台，汽车尾气的排放向来被认为是造成环境污染的一大原因，随着新能源汽车的不断出现，汽车尾气污染超标的问题得到一定的改善，尤其是燃料电池汽车的出现，燃料电池是一种新能源，主要是通过氢气和氧气的反应来提供能量，反应后仅产生水，而氢气和氧气的制备和获取都相对简单，氢气作为燃料又属于可再生能源，因此，燃料电池汽车已成为未来汽车发展的导向。

目前，燃料电池汽车中使用的燃料电池，通过将氢气作为燃料气体储存，当需要使用时，将氢气通入到反应堆中，氢气和氧气反应并提供能量以驱使车辆运行，但是，氢气和氧气的反应并不是完全反应，其存在转化效率的问题，也就是说，通入的氢气并不是全部用于反应，会存在小部分未反应氢气遗留在反应堆中，同时，当燃料电池汽车突然提速或持续高速行驶时，需要大量的氢气持续参与反应，而这些氢气也同样会出现未反应的氢气，为了提高氢气的使用效率，通常会将未反应完全的氢气回收，并再次通入到反应堆中，不仅提高氢气的使用效率而且加大了氢气的通入量，保证车辆行驶时对氢气流量的需求。

然而，现有的氢气回收系统功能过于单一，仅仅是将未反应完的氢气回收后再通入反应堆中，而车辆在行驶过程中存在多种不同的驾驶状态，如高速行驶、低速行驶、提速及原地怠速等，不同的驾驶状态下对氢气的需要不同，单纯的将未反应完的氢气持续通入反应堆中，会造成这部分氢气的浪费和利用不充分，同时，现有的氢气回收系统过于复杂，回收系统的零件过多容易出现故障且操作也较为繁琐。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种燃料电池的氢再循环装置和燃料电池，通过简化再循环管路达到氢气回收的目的，同时，通过控制阀控制氢气流通的方向和流量，使得氢再循环装置能够适合不同的驾驶条件。

本实用新型的第一方面提供一种燃料电池的氢再循环装置，包括：

喷射器、加压装置、第一控制阀、第二控制阀以及燃料电池堆，其中，所述喷射器的出口与所述燃料电池堆的进口连通，所述燃料电池堆的出口分别与所述第一控制阀和加压装置的进口连通，所述加压装置的出口与所述第二控制阀的进口连通，所述第二控制阀的出口分别与所述喷射器的出口以及喷射器的进口连通，所述第一控制阀的出口也与所述喷射器的进口连通；

所述燃料电池堆内未反应完全的所述燃料气体，通过所述第一控制阀或者所述第二控制阀再次通入到所述燃料电池堆内，以使得所述燃料气体循环利用。

可选的，所述第二控制阀为三通阀，所述三通阀包括：进口、第一出口和第二出口。

可选的，所述三通阀的所述第一出口与所述喷射器的进口连通，所述三通阀的所述第二出口与所述喷射器的出口连通。

可选的，所述喷射器的出口通过进口管与所述燃料电池堆的进口连通，所述燃料电池堆的出口通过第一出口管与所述第一控制阀的进口连通，所述第一控制阀的出口通过第一管路与所述喷射器的进口连通，所述加压装置的进口通过第二出口管与所述第一出口管连通，所述加压装置的出口与所述三通阀的所述进口连通，所述三通阀的所述第一出口通过第三管路与所述喷射器的进口连通，所述三通阀的所述第二出口通过第二管路与所述进口管连通。

可选的，当所述燃料电池堆内未反应完全的所述燃料气体的流量低时，所述第一控制阀与所述三通阀的第二出口关闭，所述三通阀的所述第一出口开启，所述燃料气体通过所述加压装置加压、所述第三管路、所述喷射器和所述进口管进入到所述燃料电池堆内。

可选的，当所述燃料电池堆内未反应完全的所述燃料气体的流量高时，开启所述第一控制阀和所述三通阀的所述第二出口，关闭所述三通阀的所述第一出口，所述燃料气体的一部分通过所述第一管路、所述喷射器和所述进口管进入到所述燃料电池堆内，所述燃料气体的另一部分通过所述加压装置、所述第二管路和所述进口管进入到所述燃料电池堆内。

可选的，当所述加压装置停止工作时，开启所述第一控制阀，关闭所述三通阀，所述燃料气体通过所述第一管路、所述喷射器和所述进口管进入到所述燃料电池堆内。

可选的，当所述喷射器停止工作时，关闭所述第一控制阀和所述三通阀的所述第一出口，开启所述三通阀的所述第二出口，所述燃料气体通过所述加压装置、所述第二管路和所述进口管进入到所述燃料电池堆内。

可选的，所述第二控制阀包括：高速控制阀和低速控制阀，所述高速控制阀和所述低速控制阀的进口均与所述加压装置的出口连通，所述高速控制阀的出口与所述喷射器的进口相连通，所述低速控制阀的出口与所述燃料电池堆的进口管相连通。

本实用新型的第二方面提供一种燃料电池，包括：壳体、燃料气体供应装置以及第一方面所述的氢再循环装置，所述燃料气体供应装置与所述氢再循环装置的喷射器相连通，所述燃料气体供应装置用于为所述喷射器供应燃料气体，所述燃料气体供应装置与所述氢再循环装置位于所述壳体内。

本实用新型提供一种燃料电池的氢再循环装置和燃料电池，通过包括：喷射器、加压装置、第一控制阀、第二控制阀和燃料电池堆，喷射器的出口与燃料电池堆的进口连通，燃料电池堆的出口分别与第一控制阀和加压装置的进口连通，加压装置的出口和第二控制阀的进口连通，第二控制阀的出口分别与喷射器的出口以及第一控制阀的出口连通，第一控制阀的出口还与喷射器的进口连通，喷射器将燃料气体通入燃料电池堆中，燃料气体在燃料电池堆中进行电化学反应，但燃料气体难以完全反应，未反应的燃料气体通过第一控制阀、第二控制阀和加压装置再次流回喷射器中，完成再循环，装置的结构简单，便于操作，同时，由第一控制阀和第二控制阀对未反应的燃料气体进行有效调控，使得未反应的燃料气体能够在不同驾驶条件下按照预设的管路流动，解决了现有回收系统中，结构复杂，且难以应对不同驾驶条件的技术问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的燃料电池氢再循环装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的燃料电池氢再循环装置中第二控制阀的示意图；

图3为本实用新型实施例提供的燃料电池氢再循环装置的第一种工作状态示意图；

图4为本实用新型实施例提供的燃料电池氢再循环装置的第二种工作状态示意图；

图5为本实用新型实施例提供的燃料电池氢再循环装置的第三种工作状态示意图；

图6为本实用新型实施例提供的燃料电池氢再循环装置的第四种工作状态示意图；

图7为本实用新型实施例提供的燃料电池氢再循环装置的另一种结构示意图。

附图标记说明：

1-氢再循环装置；

10-喷射器；

20-加压装置；

30-第一控制阀；

40-第二控制阀；

50-燃料电池堆；

11-第一管路；

12-第二管路；

13-第三管路；

14-进口管；

15-第一出口管；

16-第二出口管；

41-第一出口；

42-第二出口；

43-高速控制阀；

44-低速控制阀。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种燃料电池的氢再循环装置1，如图1所示，包括：喷射器10、加压装置20、第一控制阀30、第二控制阀40和燃料电池堆50，其中，喷射器10的出口与燃料电池堆50的进口连接，喷射器10用于混合燃料气体，燃料气体一般储存在专门的储存装置中，燃料气体通入到喷射器10中，再通过喷射器10进入到燃料电池堆50中，喷射器10是一种进口大出口小的器件，喷射器10中的管径并不相同，是一个从进口到出口管径逐渐减小的器件，这样能够增加喷射器10出口处的压力，使得燃料气体能够以大流量快速进入到燃料电池堆50中。

需要说明的是，燃料电池堆50是燃料电池中用于化学反应的器件，燃料电池不同于一般的电池，燃料电池是一种不燃烧燃料而是直接以电化学的方式将燃料的化学能转化为电能的高效发电装置，电池的阳极通入氢气，氢气在催化剂的作用下被转化成氢离子和电子，氢离子通过电解质层向阴极移动，电子由外部电路向阴极流动，阴极中通入氧气，氧气在催化剂的作用下转化为氧原子，氧原子与从阳极留来的氢离子以及电子结合生成稳定结构的水，完成电化学反应并放出热量，这种电化学反应与剧烈的氢气和氧气发生剧烈的燃烧反应不同，只要在阴极和阳极不断通入氢气和氧气，反应就会持续进行下去，氢气中的电子就会不断通过外部电路形成电流，从而不断地向车辆提供电力，燃料电池堆50就是用于氢气和氧气的反应器件，喷射器10中的氢气通入燃料电池堆50中与氧气进行反应，并产生电能。

可选的，在本实施例中，燃料电池堆50的出口分别与第一控制阀30和加压装置20连通，加压装置20的出口与第二控制阀40连通，加压装置20用于给从燃料电池堆50中流出的氢气提供压力。

需要说明的是，燃料电池堆50用于氢气和氧气的反应，但是，存在转化效率的问题，氢气在阳极通过催化剂转化成氢离子和电子，催化剂只能提高转化速率而不能提高转化量，简单的说，氢气并不能100％转化成氢离子和电子，必然会有部分氢气没有被转化而依然以气体的形式留存，这部分未反应完全的氢气就会由燃料电池堆50的出口流出，同时，由于上面已经提到催化剂并不能提高氢气的转化量，也就是说，无论通入氢气的量由多少，被转化的氢气的比例是不变的，通入氢气的量小未反应的氢气的量就小，而通入氢气的量大就相应的会有大量未反应的氢气残留，这些没有反应的氢气以气体的形式从燃料电池堆50的出口流出，并被回收进行循环再利用，以此提高氢气的使用效率。

可选的，在本实施例中，燃料电池堆50中未反应的氢气可通过加压装置20加压以提高氢气流通的速度，使得氢气能够更快的在循环系统中流动，加压装置20将自身的能量传递给氢气，增加氢气的动能，这样能够使得氢再循环装置1应对不同的驾驶条件，当燃料电池汽车需要进行瞬间提速时，需要大量的氢气进入到燃料电池堆50中，通过加压装置20能够使得未反应的氢气迅速完成再循环，并进入到喷射器10中，与喷射器10中的氢气混合后通入燃料电池堆50中，而当燃料汽车需要持续高速行驶时，加压装置20同样能够加快未反应氢气在管路中的循环速率，提升使得整个氢再循环装置1的效率。

可选的，在本实施例中，第二控制阀40的出口分别与喷射器10的出口以及第一控制阀30的出口连通，第一控制阀30的出口还与喷射器10的进口连通，第一控制阀30和第二控制阀40都是可以随意控制通断的阀门，未反应完全的氢气由燃料电池堆50的出口流出时，第一控制阀30和第二控制阀40可以根据需求控制管路的通断，使得未反应氢按照预设的规划进入到预设的管路中，不同驾驶条件下，装置对氢气的需求不同，通过第一控制阀30和第二控制阀40进行流量的调节，以满足氢再循环装置1的需求，而现有的回收系统，结构复杂，且应对不同的驾驶条件时回收方式单一，并不能调节未反应氢的流量大小。

可选的，在本实施例中，加压装置20同样为可控器件，可根据需求与第一控制阀30和第二控制阀40配合并选择是否进行加压，如燃料电池堆50出口处的未反应氢流量小时，如果第一控制阀30和第二控制阀40均处于开启的状态，会使得原本就流量较小的未反应氢更加分散，难以及时参与反应，此时，操作第一控制阀30和第二控制阀40使未反应氢集中在一条管路中，并通过加压装置20进行加压处理，加快循环，而当燃料电池堆50出口处的未反应氢流量大时，管路中存在有大量的未反应氢，如果让这些未反应氢集中在一条管路中，会超过管路的承载能力，不利于及时将这些未反应氢消化掉，因此，可以将第一控制阀30和第二控制阀40全部开启，让过量的未反应氢分散在管路中，加压装置20可根据情况选择是否加压，以便于未反应氢及时参与循环。

本实施例提供一种燃料电池的氢再循环装置1，通过包括：喷射器10、加压装置20、第一控制阀30、第二控制阀40和燃料电池堆50，喷射器10的出口与燃料电池堆50的进口连通，燃料电池堆50的出口分别与第一控制阀30和加压装置20的进口连通，加压装置20的出口和第二控制阀40的进口连通，第二控制阀40的出口分别与喷射器10的出口以及第一控制阀30的出口连通，第一控制阀30的出口还与喷射器10的进口连通，喷射器10将燃料气体通入燃料电池堆50中，燃料气体在燃料电池堆50中进行电化学反应，但燃料气体难以完全反应，未反应的燃料气体通过第一控制阀30、第二控制阀40和加压装置20再次流回喷射器10中，完成再循环，装置结构简单，便于操作，同时，由第一控制阀30和第二控制阀40对未反应的燃料气体进行有效调控，使得未反应的燃料气体能够在不同驾驶条件下按照预设的管路流动，解决了现有回收系统中，结构复杂，且难以应对不同驾驶条件的技术问题。

可选的，在本实施例中，如图2所示，第二控制阀40为三通阀，三通阀为一进两出的结构，分别为进口、第一出口41和第二出口42，三通阀的进口与加压装置20的出口连通，第一出口41和第二出口42分别与喷射器10的进口和出口连通，可以理解为，当未反应氢从第一出口41通过时，会直接进入到喷射器10的进口，在喷射器10内和原有的氢气混合，而未反应氢从第二出口42通过时，会绕过喷射器10直接进入燃料电池堆50内。

可选的，在本实施例中，喷射器10、燃料电池堆50、第一控制阀30、第二控制阀40和加压装置20之间通过不同的管路连接，喷射器10的出口与燃料电池堆50的进口之间通过进口管14连接，燃料电池堆50的出口与第一控制阀30的进口之间通过第一出口管15连接，第一控制阀30的出口通过第一管路11与喷射器10的进口连通，上述为氢再循环装置1的第一管路11，加压装置20的进口和第一出口管15之间通过第二出口管16连通，相当于第一出口管15上设有支路，第二出口管16连通在第一出口管15上，使得燃料电池堆50内排出的未反应氢可在第一出口管15和第二出口管16之间被分流，加压装置20的出口与三通阀的进口之间连通，三通阀的第一出口41通过第三管路13与喷射器10的进口连通，三通阀的第二出口42通过第二管路12与进口管14连通。

可选的，在本实施例中，如图3所示，当未反应氢的流速低时，关闭第一控制阀30，使得未反应氢直接进入到第二出口管16内，同时，关闭三通阀的第一出口41，避免未反应氢进入第一管路11和第二管路12内，而是直接进入到第三管路13中，由于此时未反应氢的量较少，因此，需要通过加压装置20提供压力，以此加速未反应氢在第三管路13的流动速动，使得未反应氢经加压装置20加压后由第三管路13和喷射器10通入到燃料电池堆50内，加速再循环的运转速度，由于此时未反应氢的流量较小，以此，在加压装置20的作用下增加压力以最快的速度参与到再循环，提高未反应氢的使用效率。

可选的，在本实施例中，如图4所示，当未反应氢的流速为高时，开启第一控制阀30以及三通阀的第二出口42，关闭三通阀的第一出口41，使得未反应氢分流并同时进入到第一出口管15和第二出口管16内，通过第一出口管15的未反应氢经由第一控制阀30进入到第一管路11中，进入到第二出口管16的未反应氢经由三通阀的第二出口42进入第二管路12中，此时，第三管路13为封闭状态，第二管路12中的未反应氢会在加压装置20的作用下绕过喷射器10直接进入到燃料电池堆50中，第一管路11中的未反应氢会进入到喷射器10的进口，与喷射器10内存在的氢气混合后，再通过进口管14通入到燃料电池堆50内，由于在未反应氢的流速高时，管路中未反应氢的量较大，此时，通过分流的方式处理大量的未反应氢，加快在循环的速度，避免大量的未反应氢集中在单一的管路中，形成堆积，影响再循环的运转效率。

可选的，在本实施例中，如图5所示，当加压装置20停止工作时，此时与加压装置20相关联的第二管路12和第三管路13失去增强压力的作用，开启第一控制阀30，关闭三通阀，使得未反应氢直接从第一出口管15进入第一控制阀30内，而并不向第二出口管16分流，未反应氢经由第一控制阀30进入第一管路11中，再进入到喷射器10的进口。

可选的，在本实施例中，如图6所示，当喷射器10停止工作时，关闭第一控制阀30和三通阀第一出口41，开启三通阀的第二出口42，使得未反应氢经第二出口管16进入加压装置20，在加压装置20加压后进入第二管路12，再流向燃料电池堆50内。

需要说明的是，上述4种情况是本实施例中各种不同的工作状态，例如未反应氢流速低，可以理解为车辆正在低速运行，低速运行的车辆需要的能量不高，通入燃料电池堆50的氢气也并不多，因此未反应氢也相应的较少，在例如未反应氢流速高，可以理解为车辆在高速运行或者提速，此时的车辆需要的能量较高，通入燃料电池堆50的氢气也较多，因此未反应氢也相对的较多，未反应氢的流速就高。

可选的，在本实施例中，如图7所示，三通阀可以使用两个控制阀代替，即第二控制阀40包括：高速控制阀43和低速控制阀44，高速控制阀43和低速控制阀44的进口均与加压装置20的出口连通，高速控制阀43的出口与喷射器10的进口连通，具体的，可以理解为，高速控制阀43的出口与第三管路13连通，高速控制阀43相当于原有三通阀中的进口与第一出口41之间的通路，低速控制阀44的出口与喷射器10的出口连通，可以理解为，低速控制阀44的出口与第二管路12连通，低速控制阀44相当于原有三通阀中进口和第二出口42之间的通路。

需要说明的是，在本实施例中，使用高速控制阀43和低速控制阀44代替三通阀是一种备选方案，这样的连接方式有利于控制通路，将第二管路12和第三管路13之间完全隔开，但是优选的，使用三通阀的连接方式，这是由于在实际中，应该尽量以最少的器件构成系统，阀门越多故障率就越高，整体系统的稳定性就越差，现有技术中，就存在这个问题，阀门和器件过多，而本实施例中仅第一控制阀30和第二控制阀40两个控制阀就可以实现相同的作用，而且应对不同的驾驶条件时，氢再循环装置1能够改变未反应氢的流向，使得未反应氢在第一管路11、第二管路12和第三管路13中不断变换，以保证氢再循环装置1始终处于稳定高效的状态，提高未反应氢的使用效率。

实施例二

本实施例提供一种燃料电池，包括壳体、燃料气体供应装置和实施例一提供的氢再循环装置1，其中，燃料气体供应装置与氢再循环装置1中喷射器10的进口连通，燃料气体供应装置可随时向喷射器10中供应燃料气体，也就是氢气，燃料气体供应装置和氢再循环装置1均位于壳体内，氢再循环装置1在实施例一中已经进行了详尽的说明，这里就不在做重复性的描述了，本实施例提供的燃料电池使用氢再循环装置1，有效提高了未反应氢的使用效率，结构简单，运行稳定，同时氢再循环装置1能够应对不同的驾驶条件，使燃料电池始终处于高效的运行状态。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池的氢再循环装置，其特征在于，包括：

喷射器、加压装置、第一控制阀、第二控制阀以及燃料电池堆，其中，所述喷射器的出口与所述燃料电池堆的进口连通，所述燃料电池堆的出口分别与所述第一控制阀和加压装置的进口连通，所述加压装置的出口与所述第二控制阀的进口连通，所述第二控制阀的出口分别与所述喷射器的出口以及喷射器的进口连通，所述第一控制阀的出口也与所述喷射器的进口连通；

所述燃料电池堆内未反应完全的燃料气体，通过所述第一控制阀或者所述第二控制阀再次通入到所述燃料电池堆内，以使得所述燃料气体循环利用。

2.根据权利要求1所述的氢再循环装置，其特征在于，所述第二控制阀为三通阀，所述三通阀包括：进口、第一出口和第二出口。

3.根据权利要求2所述的氢再循环装置，其特征在于，所述三通阀的所述第一出口与所述喷射器的进口连通，所述三通阀的所述第二出口与所述喷射器的出口连通。

4.根据权利要求3所述的氢再循环装置，其特征在于，所述喷射器的出口通过进口管与所述燃料电池堆的进口连通，所述燃料电池堆的出口通过第一出口管与所述第一控制阀的进口连通，所述第一控制阀的出口通过第一管路与所述喷射器的进口连通，所述加压装置的进口通过第二出口管与所述第一出口管连通，所述加压装置的出口与所述三通阀的所述进口连通，所述三通阀的所述第一出口通过第三管路与所述喷射器的进口连通，所述三通阀的所述第二出口通过第二管路与所述进口管连通。

5.根据权利要求1所述的氢再循环装置，其特征在于，所述第二控制阀包括：高速控制阀和低速控制阀，所述高速控制阀和所述低速控制阀的进口均与所述加压装置的出口连通，所述高速控制阀的出口与所述喷射器的进口相连通，所述低速控制阀的出口与所述燃料电池堆的进口管相连通。

6.一种燃料电池，其特征在于，包括：壳体、燃料气体供应装置以及权利要求1-5任一所述的氢再循环装置，所述燃料气体供应装置与所述氢再循环装置的喷射器相连通，所述燃料气体供应装置用于为所述喷射器供应燃料气体，所述燃料气体供应装置与所述氢再循环装置位于所述壳体内。

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