CN212542501U - 一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体公开了一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，包括依次通过管道连接的减压阀、比例阀、进氢阀、燃料电池和水汽分离器；所述水汽分离器设有出气口和出液口，所述出气口与所述进氢阀的入口通过回用管路相连，并且所述回用管路上依次设有缓冲罐和循环泵；所述出液口与排水管路连通，并且所述排水管路上依次设有储水罐和排水阀；所述缓冲罐还与设有辅助阀的排氢管路连通。本实用新型氢气利用率高，循环泵功耗低；回用氢气湿度可控，纯度高；氢气回用管路稳定性好，能够实现氢气的长期稳态供应。

Description

一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，具有能量密度高、转换效率高、响应速度快、质量轻、体积小等特点，是一种具有广泛应用前景的新型动力源。氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给燃料电池的阳极和阴极，氢气通入阳极流道，在催化剂的作用下解离为质子和电子，质子通过质子交换膜到达电池的阴极，电子则经过集流板收集，对外电路做功；氧气通过气体扩散层到达阴极催化侧表面，在催化剂的作用下，氧气与通过质子交换膜的质子、外电路电子结合生成水，放出大量热。

氢燃料电池在工作时通过储氢系统提供氢气，储氢系统的氢气一般为20-30Mpa的中压氢气，需要减压至1bar左右才能输送给燃料电池使用，减压后的氢气进入燃料电池和阳极氧气发生反应，反应伴随着大量产物水生成，为保证燃料电池的正常运行，往往需要用过量的氢气和氧气将燃料电池内部生成的水带出，而氢气的价格昂贵且易燃，直接排放即浪费资源又存在安全隐患。

现有技术通常是在燃料电池氢气排出口与氢气入口之间设置氢气循环泵将氢气回用，虽然可以有效提高氢气利用率，但是循环泵的工作负荷高，消耗功率大，使用寿命短，而且回用氢气量会随着燃料电池功率的变化发生变化，对于循环泵的响应调节速度具有很高的要求，一旦出现滞后，容易导致安全隐患；更重要的是，回用的氢气具有湿度，而湿度大小难以控制，过大时容易发生管路积水甚至水淹现象。

中国实用新型专利CN209981380公开了一种适用于氢燃料电池的循环氢气除水系统，该系统包括氢燃料电池、氢气瓶和循环氢气除水管路，所述循环氢气除水管路上设置有多级减压组件、氢气进气水汽分离器、氢气出气水汽分离器和循环泵，多级减压组件对氢气瓶中的氢气进行减压，氢燃料电池排出的未反应完的循环氢气经氢气出气水汽分离器分离一次水汽后，再经过循环泵将循环氢气汇 合到氢气进气水汽分离器的氢气进气管路中，循环氢气经氢气进气水汽分离器分离二次水汽后再次进入氢燃料电池。该实用新型在对氢循环使用的过程中，二次分离循环氢气中的水汽，避免了管路积水，但是回用氢气湿度过小，无法起到润湿质子交换膜改善燃料电池运行性能的作用，实际生产中往往需要另设加湿装置，增加成本；而且该系统也无法解决循环泵工作负荷高，使用寿命短的问题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，氢气利用率高，循环泵功耗低，回用氢气湿度可控，能够实现氢气的长期稳态供应。

为达到上述目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，包括依次通过管道连接的减压阀、比例阀、进氢阀、燃料电池和水汽分离器；所述水汽分离器设有出气口和出液口，所述出气口与所述进氢阀的入口通过回用管路相连，并且所述回用管路上依次设有缓冲罐和循环泵；所述出液口与排水管路连通，并且所述排水管路上依次设有储水罐和排水阀；所述缓冲罐还与设有辅助阀的排氢管路连通。

优选的，所述燃料电池后端还设有与所述水汽分离器所在管路并联的尾排管路，所述尾排管路上设置有备用阀。

优选的，所述排水管路和排氢管路的末端接至所述尾排管路，且接至备用阀的后端，以汇集各管路的排出气液，便于集中处理。

优选的，所述进氢阀、辅助阀、排水阀和备用阀均为电磁阀。

优选的，所述缓冲罐与排氢管路的接口位于缓冲罐的底部；所述缓冲罐与回用管路的接口位于缓冲罐的中上部，以实现氢气与水、杂质气体的分离，提高回用氢气的纯度。

优选的，所述进氢阀的入口端设有压力传感器，所述压力传感器与所述比例阀电性连接。

优选的，所述进氢阀的入口端设有湿度计。

优选的，所述储水罐内部设有液位传感器，通过液位传感器实时监测储水罐的水位信号进而控制排水阀的开闭。

本实用新型具有以下有益效果：

1、通过将减压阀和比例阀联用使进氢系统压力流量可控，中压气体经减压阀减压后，又经比例阀再次减压以及调节流量，比例阀可进行连续性阶跃控制，实现持续稳定供氢，而且两阀联用降低了各自负荷，提高了安全性；通过采用循环泵和辅助阀相结合的模式减少循环泵负荷，辅助阀能够有效释放过量氢气，防止压力过高，降低氢气循环泵的使用要求，在提高氢气利用率、节约系统所需成本的同时，降低循环泵使用功率，提高其使用寿命；而且通过调节辅助阀的打开频率可以适应氢气量的多变，提高适用性。

2、通过进氢阀入口端设置的湿度计监测进氢湿度，通过循环泵与排水阀的联用控制进氢湿度：若湿度过大，则将排水阀打开频率增加，增加排水速度和排水量，剩余有一定湿度的气体和主路的氢气汇合后，湿度便会降低；若湿度过低，则减小排水阀的打开频率，并提高循环泵转速，将高湿度的氢气迅速循环回去，减少冷凝时间，进而增大进堆气体湿度。此外，本实用新型还在燃料电池后端设置了备用阀，一方面在排水阀来不及排水时打开减轻排水阀负荷，另一方面在回用氢气湿度过大时打开排水阀减少水汽分离器的进水量也能对湿度起一定调节作用。

3、通过设置缓冲罐与循环泵、辅助阀配合使用，提高了回用氢气的质量：由水汽分离器出来的物质包括氢气、水蒸汽、杂质气体和少量水（其中杂质气体由空气路渗透过来的气体），这些物质进入缓冲罐后，杂质气体和少量水沉在底部，由辅助阀排出，相当于对回用氢气进行了除杂，提高了其纯度，改善了回用效果；同时避免了回用的氢气和水蒸汽夹带液态水，进而避免了管路积水问题。

4、缓冲罐的设置还有效提高了回用氢气的稳定性：氢气进入缓冲罐后开始扩散，这一过程不仅实现了除杂除水，也使回用氢气获得平衡状态（内部热量、能量、水汽分布趋向均匀），使得后续回用能够持续稳定进行；缓冲罐为氢气提供稳定空间的同时，也为循环泵在氢气量发生变化时提供了充足的响应调节时间，提高了管路的安全性。

5、对于氢气回用导致的进氢管路流量和压力变化，通过进氢阀入口设置的压力传感器将信号传至比例阀，比例阀能够持续、快速地作出调整，使回用过程不会影响进氢的流量、压力稳定性。

综上，本实用新型氢气回用管路稳定性好，进氢湿度可控，能够确保氢气的长期稳态供应。

附图说明

图1：实施例1的结构示意图。

图中：1-减压阀，2-比例阀，3-进氢阀，4-燃料电池，5-水汽分离器，6-缓冲罐，7-循环泵，8-辅助阀，9-储水罐，10-排水阀，11-备用阀，12-回用管路，13-排水管路，14-排氢管路，15-尾排管路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步的说明。

实施例1

一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，如图1所示，包括依次通过管道连接的减压阀1、比例阀2、进氢阀3、燃料电池4和水汽分离器5；所述水汽分离器5设有出气口和出液口，所述出气口与所述进氢阀3的入口通过回用管路12相连，并且所述回用管路12上依次设有缓冲罐6和循环泵7；所述出液口与排水管路13连通，并且所述排水管路13上依次设有储水罐9和排水阀10，所述储水罐9内部设有液位传感器；所述缓冲罐6还与设有辅助阀8的排氢管路14连通；所述缓冲罐6与排氢管路14的接口位于缓冲罐6的底部；所述缓冲罐6与回用管路12的接口位于缓冲罐6的中上部。所述燃料电池4后端还设有与所述水汽分离器5所在管路并联的尾排管路15，所述尾排管路15上设置有备用阀11；所述排水管路13和排氢管路14的末端接至所述尾排管路15，且接至备用阀11的后端。所述进氢阀3的入口端设有压力传感器和湿度计，所述压力传感器与所述比例阀2电性连接。所述进氢阀3、辅助阀8、排水阀10和备用阀11均为电磁阀。

上述燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统的运行方法，包括以下步骤：

S1. 将中压氢气通过减压阀1，使压力降至10-16bar；再由比例阀2对氢气进行压力和流量调控，调至0-1.2bar的燃料电池使用压力及燃料电池所需流量(调控方法是根据系统确定功率点，反推出系统所需氢气消耗量)；打开电磁阀3，将氢气通入燃料电池4；

S2：氢气进入燃料电池4，和阳极的氧气发生反应后，反应产物和反应剩余物从燃料电池4出来，为氢气和水的混合物，经过水汽分离器5，将湿氢气依次通过缓冲罐6和循环泵7后经进氢阀3返至燃料电池4再利用；将水依次通过储水罐9和排水阀10排走；

S3：当燃料电池4出口氢气量大于进气量的0.5倍时，调节设于缓冲罐6后端的辅助阀8对氢气进行分流，减轻循环泵7的压力，并通过调节辅助阀8的打开频率适应不同的氢气量变化（比如设置一个累积电流值5000AS，电流变化可以反应功率变化进而反应氢气量的变化，当电流为100A时，排气时间为5000除以100，50s开一次，电流为500A的时候，10s开一次）；

当燃料电池4进口氢气湿度超出规定范围时，通过调整循环泵7转速和排水阀8的开启频次对湿度进行调节：若湿度过大，进入水箱9的水变多，水位快速到达设置的液面上限，液位控制器接收到液位信号，将排水阀8打开，并将排水阀8的打开频率增加（比如由5s一次改为3s一次），增加排水速度和排水量，剩余有一定湿度的气体和主路的氢气汇合后，湿度便会降低；若湿度过低，则减小排水阀8的打开频率，并提高循环泵7转速，将高湿度的氢气迅速循环回去，减少冷凝时间，进而增大进堆气体湿度；

当排水阀10无法及时将水排出时，打开设于燃料电池4后端的与水汽分离器5所在管路并联的尾排管路15上备用阀11。

本具体实施方式仅仅是对本实用新型的解释，并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读了本实用新型的说明书之后所做的任何改变，只要在本实用新型权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：包括依次通过管道连接的减压阀（1）、比例阀（2）、进氢阀（3）、燃料电池（4）和水汽分离器（5）；所述水汽分离器（5）设有出气口和出液口，所述出气口与所述进氢阀（3）的入口通过回用管路（12）相连，并且所述回用管路（12）上依次设有缓冲罐（6）和循环泵（7）；所述出液口与排水管路（13）连通，并且所述排水管路（13）上依次设有储水罐（9）和排水阀（10）；所述缓冲罐（6）还与设有辅助阀（8）的排氢管路（14）连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：所述燃料电池（4）后端还设有与所述水汽分离器（5）所在管路并联的尾排管路（15），所述尾排管路（15）上设置有备用阀（11）。

3.根据权利要求2所述的燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：所述排水管路（13）和排氢管路（14）的末端接至所述尾排管路（15），且接至备用阀（11）的后端。

4.根据权利要求2所述的燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：所述进氢阀（3）、辅助阀（8）、排水阀（10）和备用阀（11）均为电磁阀。

5.根据权利要求1所述的燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：所述缓冲罐（6）与排氢管路（14）的接口位于缓冲罐（6）的底部；所述缓冲罐（6）与回用管路（12）的接口位于缓冲罐（6）的中上部。

6.根据权利要求1所述的燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：所述进氢阀（3）的入口端设有压力传感器，所述压力传感器与所述比例阀（2）电性连接。

7.根据权利要求1或6所述的燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：所述进氢阀（3）的入口端设有湿度计。

8.根据权利要求1所述的燃料电池中压氢气稳态循环利用的系统，其特征在于：所述储水罐（9）内部设有液位传感器。

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