CN213936265U - 一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，该保温加热装置包括保温单元和加热单元，其中，所述保温单元设置在冷却液出口管道和氢气出口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气出口管道中的氢气进行保温；所述加热单元设置在冷却液出口管道和氢气入口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气入口管道的氢气进行加热。本实用新型利用冷却液废热对氢气路进行保温加热，减少了系统额外零部件，降低了系统额外功耗；而且可通过三通调节阀对冷却液流量进行调节，进而控制燃料电池电堆入口氢气温湿度，以满足不同燃料电池电堆及不同工况条件下对入口氢气温湿度的需求。

Description

一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置。

背景技术

传统的动力装置，包括汽油机、柴油机等，均需要通过燃烧的方式，将化学能转化为热能，将热能再转化为机械能，在转化的过程中，会释放出COx，NOx，SOx等有害气体及PM颗粒等污染物，热效率低，且污染环境。氢燃料电池，是利用电解水的逆反应，把氢气和氧气分别供给阳极和阴极，氢气在催化剂作用下，放出电子，氢离子通过质子交换膜流向阴极，而电子通过外循环到达阴极，从而产生电流，氢离子在阴极和氧、电子结合而产生水。氢燃料电池产生电的过程，是电化学反应，直接将化学能转换为电能，整个过程的最终产物是水。氢燃料电池是无污染、无噪声、高效率的新能源，具有极大的发展潜力。

在氢燃料电池系统中，基本都会采用氢气循环的方式，将燃料电池电堆未反应的氢气通过氢循环装置循环至氢气入口，提高氢气的利用率，同时，氢气循环还能改善电堆内的水平衡，避免电堆内发生水淹，提高电堆的工作效率。但目前的氢循环系统在使用时存在较多的问题。首先，因循环氢气温度较高，且循环氢气一般处于水蒸气饱和状态，在循环过程中极易发生冷凝，产生液态水，从而引起燃料电池电堆水淹，且水蒸气的液化会导致进入燃料电池电堆的氢气湿度下降，降低燃料电池电堆的性能。其次，通过减压阀进入燃料电池电堆的氢气通常温度较低，与循环的高温高湿氢气混合后，同样会根据循环流量的不同而造成不同程度的水蒸气液化现象。此外，常用的电磁阀、减压阀等装置通常耐低温性能较差，当环境温度较低时需要对其进行加热才能正常工作。

目前氢气路保温加热的方式多为电加热方式，需要增加额外的加热元器件，增加了燃料电池系统的额外功耗。同时增加了系统控制程序的复杂程度。

因此，本领域急需一种结构简单且有效的保温加热装置。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置。

为了实现本实用新型之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，所述燃料电池的电堆设有冷却液入口、冷却液出口、氢气入口和氢气出口，其中，所述冷却液入口与冷却液入口管道连接，所述冷却液出口与冷却液出口管道连接，所述氢气入口与氢气入口管道连接，所述氢气出口与氢气出口管道连接，所述保温加热装置包括保温单元和加热单元，其中，所述保温单元设置在冷却液出口管道和氢气出口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气出口管道中的氢气进行保温；所述加热单元设置在冷却液出口管道和氢气入口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气入口管道的氢气进行加热。相比于现有的保温加热系统，本申请最大的改进点就在于利用冷却液出口处的冷却液对回氢进行保温，并对进氢进行加热，能实现该技术效果主要原因在于：冷却液出口处的冷却液温度较高，且氢气出口管道处的氢气温度与冷却液出口处的冷却液温度接近(略低)，因此用冷却液出口管道中的冷却液对氢气出口管道中的氢气进行保温，可有效避免氢气中的水蒸气冷凝，减少水淹现象的出现。当保温结束后，冷却液的温度并不会下降太多，仍然处于较高的状态，然后利用这部分热量对来自于氢气源的氢气加热，避免这部分氢气与回氢混合后导致回氢中冷凝水的析出，进一步减小了水淹现象的发生。而且本申请的装置并不需要额外的热源，结构更加简单。

在第一方面的一种实施方式中，所述氢气入口管道上依次设有进氢压力调节阀、进氢电磁阀和引射器，所述氢气出口管道上设置水气分离器，所述水气分离器的底部设有排水管道，且在排水管道上设置排水电磁阀，所述水气分离器的顶部设置排气管道，然后所述排气管道分成排氢管道和回氢管道，所述排氢管道上设有排氢电磁阀，所述回氢管道与所述引射器上循环连通。

在第一方面的一种实施方式中，所述氢气出口管道外部、水气分离器的外部、排气管道的外部以及回氢管道的外部均设有保温管套，所有保温套管依次连通，且氢气出口管道外部的保温管套与冷却液出口管道连接，且所述保温管套内通有冷却液出口管道中的冷却液。该设计为一种优选的保温方案，也可通过多个换热器对氢气出口管道、排气管道以及回氢管道中的氢气进行换热，起到保温的功能，其他能使得冷却水和回氢进行热交换达到回氢保温效果的装置均可。

在第一方面的一种实施方式中，所述冷却液出口管道设有三通调节阀，所述三通调节阀的一个出口连接冷却液回收装置，所述三通调节阀的另一个出口连通保温管套。设置三通调节阀，可以调节用于保温及加热的冷却液的流量，以满足不同燃料电池电堆及不同工况条件下对入口氢气温湿度的需求。

在第一方面的一种实施方式中，所述加热单元包括一个换热器，所述换热器的冷源进口与进氢压力调节阀的出口连接，所述换热器的冷源出口与进氢电磁阀的进口连接，所述换热器的热源进口与保温管套的出口连接，所述换热器的热源出口与冷却液回收装置连接。

在第一方面的一种实施方式中，所述进氢压力调节阀为机械式减压阀、比例阀或氢喷射器中的一种或多种组合。

在第一方面的一种实施方式中，所述进氢电磁阀和引射器之间设有安全阀。

在第一方面的一种实施方式中，所述氢气入口处设有温度传感器和压力传感器。监控氢气入口处氢气的温度和压力，当其出现偏差时，可通过调节三通调节阀中用于保温及加热的冷却液的流量，来稳定温度和压力，使得电堆处于更高效的工作状态。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)与常规的氢气路保温加热方案相比，利用冷却液废热对氢气路进行保温加热，减少了系统额外零部件，降低了系统额外功耗；

(2)可通过三通调节阀对冷却液流量进行调节，进而控制燃料电池电堆入口氢气温湿度，以满足不同燃料电池电堆及不同工况条件下对入口氢气温湿度的需求；

(3)对冷却液废热加以利用，提高燃料电池系统效率，降低散热器散热负荷。

附图说明

图1为本申请中保温加热装置的结构示意图。

在附图中，1为进氢压力调节阀，2为换热器，3为进氢电磁阀，4为安全阀，5为引射器，6为压力传感器，7为温度传感器，8为电堆，9为水气分离器，10为排氢电磁阀，11为排水电磁阀，12为三通调节阀，13为加热器，14为氢气入口，15为氢气出口，16为冷却液入口，17为冷却液出口，18为氢气出口管道，19为排气管道，20为回氢管道，21为排氢管道，22为保温管套，23为氢气入口管道，24为废氢管道，25为排水管道，26为冷却液入口管道，27为冷却液出口管道，28为冷却液回收管道。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本实用新型的保护范围之内。

实施例

下面将对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其结构如图1所示，该燃料电池的电堆8包括氢气入口14、氢气出口15、冷却液入口16和冷却液出口17，其中，氢气入口14连接氢气入口管道23，且在氢气入口管道23上依次设置进氢压力调节阀1、换热器2、进氢电磁阀3、安全阀4、引射器5、压力传感器6和温度传感器7。氢气出口15通过氢气出口管道18连接水气分离器9，水气分离器9的顶部连接排气管道19，随后，该排气管道19分成回氢管道20和排氢管道21，回氢管道20与引射器5连接，排氢管道21的末端设置排氢电磁阀10，排氢电磁阀10通过废氢管道24连接氢气回收设备(图上未显示)。在上述氢气出口管道18、水气分离器9、排气管道19以及回氢管道20的外部均设有保温管套22。水气分离器9的底部连接排水管道25，且在排水管道25上设有排水电磁阀11。

冷却液入口16连接冷却液入口管道26，并在冷却液入口管道26上设置加热器13。冷却液出口17连接冷却液出口管道27，冷却液出口管道27的另一端设有三通调节阀12，三通调节阀12的一个出口与氢气出口管道18外部的保温管套22连通，三通调节阀12的另一个出口通过冷却液回收管道28连接冷却液回收设备(图上未显示)。回氢管道20外部的保温管套22连接换热器2的热源进口，换热器2的热源出口通过冷却液回收管道28连接冷却液回收设备(图上未显示)。

利用本实施例的装置，经过实际运行，各项数据监控如下：

氢气源温度：20.5℃

氢气源进入引射器时的温度：40.3℃

氢气入口处温度：49.3℃

氢气入口处露点：42.8℃

氢气出口处温度：66.6℃

回氢至引射器时的温度：68.2℃

冷却液进口温度：67.1℃

冷却液出口温度：74.9℃

氢气循环回流比：1.5。

由此可见，利用本装置，不仅可以保持回氢的温度(甚至还略有上升)，还能加热氢气源的氢气，使得进入电堆的氢气高于露点温度，避免水蒸气的冷凝，减少水淹问题的出现。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，所述燃料电池的电堆设有冷却液入口、冷却液出口、氢气入口和氢气出口，其中，所述冷却液入口与冷却液入口管道连接，所述冷却液出口与冷却液出口管道连接，所述氢气入口与氢气入口管道连接，所述氢气出口与氢气出口管道连接，其特征在于，所述保温加热装置包括保温单元和加热单元，其中，所述保温单元设置在冷却液出口管道和氢气出口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气出口管道中的氢气进行保温；所述加热单元设置在冷却液出口管道和氢气入口管道之间，并利用冷却液出口管道中的冷却液对氢气入口管道的氢气进行加热。

2.如权利要求1所述的燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其特征在于，所述氢气入口管道上依次设有进氢压力调节阀、进氢电磁阀和引射器，所述氢气出口管道上设置水气分离器，所述水气分离器的底部设有排水管道，且在排水管道上设置排水电磁阀，所述水气分离器的顶部设置排气管道，然后所述排气管道分成排氢管道和回氢管道，所述排氢管道上设有排氢电磁阀，所述回氢管道与所述引射器上循环连通。

3.如权利要求2所述的燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其特征在于，所述氢气出口管道外部、水气分离器的外部、排气管道的外部以及回氢管道的外部均设有保温管套，所有保温套管依次连通，且氢气出口管道外部的保温管套与冷却液出口管道连接，且所述保温管套内通有冷却液出口管道中的冷却液。

4.如权利要求3所述的燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其特征在于，所述冷却液出口管道设有三通调节阀，所述三通调节阀的一个出口连接冷却液回收装置，所述三通调节阀的另一个出口连通保温管套。

5.如权利要求3所述的燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其特征在于，所述加热单元包括一个换热器，所述换热器的冷源进口与进氢压力调节阀的出口连接，所述换热器的冷源出口与进氢电磁阀的进口连接，所述换热器的热源进口与保温管套的出口连接，所述换热器的热源出口与冷却液回收装置连接。

6.如权利要求2所述的燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其特征在于，所述进氢压力调节阀为机械式减压阀、比例阀或氢喷射器中的一种或多种组合。

7.如权利要求2所述的燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其特征在于，所述进氢电磁阀和引射器之间设有安全阀。

8.如权利要求1所述的燃料电池供氢及回氢的保温加热装置，其特征在于，所述氢气入口处设有温度传感器和压力传感器。

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