CN213816211U - 一种燃料电池系统的氢气回路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池系统的氢气回路，包括进气管、压力控制器、水气分离器、循环泵、压力开关和排气管，所述压力控制器和压力开关均设置在进气管上，所述进气管、电堆、排气管依次连通，所述循环泵设置在进气管与排气管之间，两个水气分离器分别设置在循环泵入口端和出口端的管路上，且两个水气分离器均通过电磁阀连接至排气管，所述循环泵入口端的管路上还设有与排气管连接的电磁阀。本实用新型通过对水气分离器上的电磁阀定时开启，排出蓄水，且蓄水排放过程中控制模块对电磁阀打开时间进行控制，保留部分液态水，对水气分离器排水管道进行封闭；防止过多的气体从排水口排出系统，造成燃料浪费，提升燃料利用率。

Description

一种燃料电池系统的氢气回路

技术领域

本实用新型涉及燃料电池发动机领域，具体地说，是涉及一种燃料电池系统的氢气回路。

背景技术

燃料电池系统是以燃料电池电堆为核心，以氢气为燃料，空气为氧化剂，进行气体供给、排放与发电的装置。系统内主要可分为三个回路：氢气回路、空气回路、冷却回路。氢气回路为燃料输入通道，从外界气源（如储氢瓶或制氢装置等）中通入高纯氢气，氢气通路起到燃料的压力流量控制、反应气体循环利用以及水汽分离等功能；目前氢气回路中存在燃料利用率不高，氮气排放不彻底，影响整个系统性能的问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种燃料电池系统的氢气回路，该氢气回路使得燃料电池系统性能稳定，燃料利用率高。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种燃料电池系统的氢气回路，包括进气管、压力控制器、水气分离器、循环泵、压力开关和排气管，所述压力控制器和压力开关均设置在进气管上，所述进气管、电堆、排气管依次连通，所述循环泵设置在进气管与排气管之间，两个水气分离器分别设置在循环泵入口端和出口端的管路上，且两个水气分离器均通过电磁阀连接至排气管，所述循环泵入口端的管路上还设有与排气管连接的电磁阀。

作为优选方案，所述循环泵出口端的水气分离器上的电磁阀为常开电磁阀，且常开电磁阀之后的管路上还设有单向阀。

作为优选方案，所述循环泵入口端的水气分离器上的电磁阀为常闭排水阀，所述循环泵入口端的管路上的电磁阀为常闭排气阀。

作为优选方案，所述常开电磁阀、常闭排水阀均采用带有加热功能的电磁阀。

作为优选方案，所述水气分离器上还设有液位传感器。

作为优选方案，还包括控制模块，所述控制模块接收液位传感器的信号，并对两个水气分离器上的电磁阀的开放时间与开放间隔进行控制。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过对水气分离器上的电磁阀定时开启，排出蓄水，且蓄水排放过程中控制模块对电磁阀打开时间进行控制，保留部分液态水，对水气分离器排水管道进行封闭；防止过多的气体从排水口排出系统，造成燃料浪费，提升燃料利用率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本实用新型的氢气回路示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。

此外，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明：

本实施例提供一种燃料电池系统的氢气回路，如图1所示，所述氢气回路包括进气管、第一压力控制器201、水气分离器202、循环泵203、压力开关204以及排气管，所述第一压力控制器201和压力开关204均设置在进气管上，所述进气管、电堆1、排气管依次连通，所述循环泵203设置在进气管与排气管之间，两个水气分离器202分别设置在循环泵203入口端和出口端的管路上，且两个水气分离器202均通过电磁阀连接至排气管，所述循环泵203出口端的水气分离器202上的电磁阀为常开电磁阀205，且常开电磁阀205之后的管路上还设有单向阀208。所述循环泵203入口端的管路上还设有与排气管连接的电磁阀；所述循环泵203入口端的水气分离器202上的电磁阀为常闭排水阀206，所述循环泵203入口端的管路上的电磁阀为常闭排气阀207；所述水气分离器202上还设有液位传感器209。

干氢气由高压气源连接至系统氢气回路中，由第一压力控制器控制氢气回路内的氢气流量以及压力，干氢气与循环氢气于水气分离器汇流后由管路进入电堆内，与氧化剂（空气）进行反应，反应后从电堆内排出。

在系统设计过程中，电堆需要较高剂量比氢气进行反应，离开电堆的气体中有氢气剩余未反应，故设计了氢气循环装置，尾气循环回来的氢气经由循环泵增压再次进入电堆进行二次反应，在提升氢气的利用率的同时提升系统性能。由于循环的氢气中混合有大量水汽，在遇到较冷的管壁或与进口处温度较低的氢气混合时可能会产生成股的液态水，所以在干氢气入口与循环氢气汇流处设置水气分离器，防止成股的液态水流入电堆内，同时，在电堆出口与氢气循环装置之间也设置水气分离器，防止氢气中携带的液态水直接流入氢气循环装置内损坏零部件。

所述常开电磁阀205负责排出前排水气分离器内蓄水，通过液位传感器采集液位高度，判断常开电磁阀205开启时间、时长；

所述常闭排水阀206负责排出后排水气分离器内蓄水，所述常闭排气阀207负责定期排出管路内积累的氮气，为排气电磁阀。紧急状态下，常开电磁阀205、常闭排水阀206和常闭排气阀207均可用于排出系统管路内多余气体。

电磁阀的常闭、常开的区别在于通电、断电状态下电磁阀的开闭情况：常闭电磁阀在未通电情况下处于关闭状态，常开电磁阀在未通电情况下处于全开状态。在本设计方案内，前排电磁阀选用常开电磁阀，后排排水、排气电磁阀选用常闭电磁阀。

单向阀在氢气回路中设置于前排常开电磁阀后，作用为控制气体单向流动，前排气体只能从系统内部流向系统外部，外部空气无法通过单向阀进入到系统内，辅助常开电磁阀封闭系统阳极回路，避免空气在停机状态流入电堆形成氢空界面，对电堆造成损坏。

本实用新型中，常开电磁阀205、常闭排水阀206、常闭排气阀207与单向阀可针对以下多种工况进行流量的分配调控：

系统正常运行情况下：

常开电磁阀205、常闭排水阀206、连接于前、后水气分离器底部，由液位传感器采集液位高度，为防止车辆在运行过程中因颠簸造成的液位波动问题，液位传感器进行连续多次采集，判断一段时间内液位高度是否超过设定值，若超过阈值则发送信号给常开电磁阀205、常闭排水阀206，排出蓄水。蓄水排放过程中对电磁阀打开时间进行控制，保留部分液态水，对水气分离器排水管道进行封闭，防止过多的气体从排水口排出系统，造成燃料浪费，提升燃料利用率。

常闭排气阀207连接于尾排水气分离器上部，防止混入分离的液态水。电堆在长时间运行后，氢气回路内会有较多氮气积存，影响电堆性能，常闭排气阀207由控制模块对其开放时长与开放间隔进行调控，使得过多积存的氮气得以定期排放，并尽量减少排气中的氢气浓度，保持电堆的运行性能，减少燃料浪费，提升燃料利用率。

系统正常停机状态下：

常开电磁阀205正常停机状态为未通电全开状态，与单向阀进行配合封闭前部排气管路，常闭排水阀206正常停机状态为未通电关闭状态，可直接封闭氢气管路，防止外界空气进入氢气管路内，在电堆内形成氢氧界面，损坏电堆性能。

在系统正常停机状态下，为了进一步封闭电堆，会对氢气回路内进行富氢保压，即关机状态下阳极管路内有高于外界的气压，单向阀可在该压力状态下保持封闭，与常闭排水阀206防止外界气体进入回路内部。

系统紧急断电状态下：

前排选用常开电磁阀，可在断电状态下保持电磁阀全开状态，在压力控制器无法正常关闭的状态下可排出进入管路内的多余氢气，防止因氢气管路内压力过大对电堆造成损伤。

在前期选型过程中需对电磁阀的口径进行精确计算，由于空压机在紧急断电状态下仍具有一定转速，比氢气管路调控速度慢，为保障电堆内阴、阳极管路之间的压差在容许范围内，氢气回路内排气电磁阀需考虑全开时气体排放速度，与空气管路进行配合，防止因阴、阳极压力差距过大造成的电堆损伤。

系统低温停机状态下：

由于外界环境较低，排水电磁阀处有较多冷凝水，在低温状态下会出现结冰，所以选用的电磁阀有加热功能，可加快阀内的冰融化速度，加快低温启动速度，防止因结冰造成的积水与积气问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统的氢气回路，其特征在于，包括进气管、压力控制器（201）、水气分离器（202）、循环泵（203）、压力开关（204）和排气管，所述压力控制器（201）和压力开关（204）均设置在进气管上，所述进气管、电堆（1）、排气管依次连通，所述循环泵（203）设置在进气管与排气管之间，两个水气分离器（202）分别设置在循环泵（203）入口端和出口端的管路上，且两个水气分离器（202）均通过电磁阀连接至排气管，所述循环泵（203）入口端的管路上还设有与排气管连接的电磁阀。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的氢气回路，其特征在于，所述循环泵（203）出口端的水气分离器（202）上的电磁阀为常开电磁阀（205），且常开电磁阀（205）之后的管路上还设有单向阀（208）。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统的氢气回路，其特征在于，所述循环泵（203）入口端的水气分离器（202）上的电磁阀为常闭排水阀（206），所述循环泵（203）入口端的管路上的电磁阀为常闭排气阀（207）。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统的氢气回路，其特征在于，所述常开电磁阀（205）、常闭排水阀（206）均采用带有加热功能的电磁阀。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统的氢气回路，其特征在于，所述水气分离器（202）上还设有液位传感器（209）。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统的氢气回路，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块接收液位传感器（209）的信号，并对两个水气分离器（202）上的电磁阀的开放时间与开放间隔进行控制。

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