CN214068759U - 一种带有比例阀的燃料电池引射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有比例阀的燃料电池引射装置，包括：比例阀、开关阀、引射器和腔体，所述腔体包括高压腔、中压腔和低压腔；所述高压腔通过所述开关阀与所述低压腔连通，所述低压腔的出口与电堆氢气入堆管路连通；所述高压腔通过所述比例阀与所述中压腔连通，所述中压腔与所述引射器的入口相连，所述引射器的喷射口与电堆氢气入堆管路连通，所述引射器的回流入口与电堆氢气回流口连通；通过上述引射装置使氢气进入电堆的路径分为两条：路径1.氢气由高压腔经开关阀喷射到低压腔后，进入电堆；路径2.氢气由高压腔经比例阀流到中压腔，经引射器进入电堆。通过控制路径1和路径2的氢气比例，能够有效的响应电堆不同的工况需求。

Description

一种带有比例阀的燃料电池引射装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种带有比例阀的燃料电池引射装置。

背景技术

随着世界各国石油，煤炭等自然资源的匮乏，风能、核能、太阳能和燃料电池等清洁能源越来越受到各国政府的重视。

燃料电池通过质子交换膜分隔开的2个电极中间的燃料(纯净氢气、甲烷等)的化学反应直接产生电能。相比汽油机和柴油机，燃料电池不仅有极高的能量利用效率，而且排放物只有水，对环境没有任何污染。

传统的动力系统，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，是使用氢元素，进行电解水的逆反应，把氢和氧分别供给给阳极和阴极，氢在催化剂作用下，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，大部分的供给氢气的方式是氢气循环方式，将未反应的氢气进行再利用，从而提高氢气的利用率，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，氢气的分子量较小，一定压力的氢气很容易发生泄漏，在目前结构氢循环系统中的氢喷射器工作过程中，氢气的密封是一个难题。目前结构的氢循环系统中，会存在一个氢循环泵，使氢气在氢循环系统中流动起来，如果通过氢喷射器喷射氢气时产生的射流能量，带动氢气流动，将可以极大的简化氢循环系统的结构，取消循环泵。当引射器没有建立起压力，供给压力不足时，通常采用一种结构，将低压氢气通过旁路（BY pass）直接引入电堆。现有的氢喷射器都是用电池开关阀控制进入引射区或者旁路（BY pass）的流量和压力。

燃料电池电堆的膜的机械寿命和膜两侧的压力交变有关系，所以保证膜两侧的压差维持在较为恒定的工况下，所以需要氢气压力能够快速响应系统快速加减载等情况下的需求，因此，现有技术中常见的两种方案如下：

1.采用氢气喷射器和循环泵联用的方式，氢气喷射器用来快速响应流量的供给，循环泵用来回流电堆出口的氢气，同时为氢气增湿，提高氢气利用率。

2.采用氢气喷射器和引射器联用的方式，氢气喷射器能够快速响应流量的供给，引射器用来回流电堆出口氢气，同时为氢气增湿，提高氢气利用率。

上述两种方案存在以下问题：

(1)开关电磁阀存在噪音，从而导致氢气流量与电堆的需求不相适应；

(2)为了调节氢气流量，需要高频开关电磁阀，从而影响电磁阀的寿命；

(3)装置结构复杂，制造成本高。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种带有比例阀的燃料电池引射装置。通过将开关阀、引射器与比例阀组合并进行了集成设计，降低了氢喷射装置和引射器集成设计中存在的噪音、密封、成本和寿命等问题。通过用比例阀控制进入引射器的前端压力，保证回流量和部分新鲜氢气供给，用开关阀快速响应电堆流量和压力的需求。

本发明提供一种带有比例阀的燃料电池引射装置，包括：比例阀、开关阀、引射器和腔体，所述腔体包括高压腔、中压腔和低压腔；所述高压腔连接有氢气供给管路，并通过所述开关阀与所述低压腔连通，所述低压腔的出口与电堆氢气入堆管路连通；所述高压腔通过所述比例阀与所述中压腔连通，所述中压腔与所述引射器的入口相连，所述引射器的喷射口与电堆氢气入堆管路连通，所述引射器的回流入口与电堆氢气回流管路连通。

优选地，电堆氢气入堆管路中设置有第一压力传感器，以监测电堆的入口压力。

优选地，所述引射器的入口处设置有第二压力传感器，以监测所述引射器的入口压力。

优选地，所述引射器的喷射口处设置有第三压力传感器，以监测所述引射器喷射口处的压力。

优选地，所述燃料电池引射装置中设置有控制器，根据燃料电池的工况参数，调节所述开关阀的打开或闭合，和/或，调节所述比例阀的开度。

优选地，所述燃料电池的工况参数为电流、功率、电堆需求的氢气压力中的一种或多种。

优选地，所述燃料电池引射装置的各部件之间密封连接。

采用本发明所述燃料电池引射装置，使氢气的进入电堆的路径分为两条：

1.氢气由高压腔经开关阀喷射到低压腔后，进入电堆氢气入堆管路；

2.氢气由高压腔经比例阀流到中压腔，经引射器进入电堆氢气入堆管路。

路径1中仅通过开关阀控制氢气流入电堆，可以快速响应燃料电池的流量供给。路径2中通过引射器用来回流电堆出口氢气，提高氢气供给量的精准性以及氢气的利用率。由于路径2供给的氢气占的比例可调节，通过控制路径1和路径2的氢气比例，响应电堆的不同工况参数，可以降低开关的使用时长和频率，从而降低噪声，提高寿命。具体地，当燃料电池的工况参数（可以为电流、功率、电堆需求的氢气压力等）在阈值以下时，可以关闭开关阀，打开比例阀，采用路径2对燃料电池提供氢气，根据燃料电池堆的需求调节比例阀的开度；当燃料电池的工况参数超过阈值时，可以打开开关阀，比例阀以引射器入口压力为控制目标，开关阀以电堆入口压力为控制目标，同时采用路径1和路径2对燃料电池提供氢气，以满足燃料电池堆运行的需求。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

（1）通过将开关阀、引射器与比例阀组合并进行了集成设计，降低了氢喷射装置和引射器集成设计中存在的噪音、密封、成本和寿命等问题。

（2）通过用比例阀控制进入引射器的前端压力，保证回流量和部分新鲜氢气供给，用开关阀快速响应电堆流量和压力的需求。

（3）装置结构简单，制造成本低，操作方便，运行结果可靠。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的带有比例阀的燃料电池引射装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如附图1所示，一种带有比例阀的燃料电池引射装置，包括比例阀1、开关阀2、引射器3和腔体，所述腔体包括高压腔4、中压腔5和低压腔6；所述高压腔4通过所述开关阀2与所述低压腔6连通，所述低压腔6的出口7与电堆氢气入堆管路连通；所述高压腔4通过所述比例阀1与所述中压腔5连通，所述中压腔5与所述引射器3的入口8相连，所述引射器3的喷射口9与所述电堆氢气入堆管路连通，所述引射器3的回流入口10与电堆氢气回流管路连通。

所述电堆氢气入堆管路中设置有第一压力传感器，以监测电堆的入口压力。所述引射器的入口处设置有第二压力传感器，以监测所述引射器的入口压力。所述引射器的喷射口处设置有第三压力传感器，以监测所述引射器喷射口9处的压力。所述燃料电池引射装置还设置有控制器，根据燃料电池的工况参数，如电流、功率、电堆需求的氢气压力等，调节所述开关阀2的打开或闭合，同时调节所述比例阀1的开度。所述燃料电池引射装置的各部件之间密封连接。

采用本发明的所述燃料电池引射装置，使氢气的入堆路径有两条：

路径1.氢气由高压腔经开关阀喷射到低压腔后，进入电堆；

路径2.氢气由高压腔经比例阀流到中压腔，经引射器进入电堆。

路径1中仅通过开关阀控制氢气流入电堆，可以快速响应燃料电池的流量供给。路径2中通过引射器用来回流电堆出口氢气，提高氢气供给量的精准性以及氢气的利用率。由于路径2供给的氢气占的比例可调节，通过控制路径1和路径2的氢气比例，响应电堆的不同工况点，可以降低开关的使用时长和频率，从而降低噪声，提高寿命。

具体地，当燃料电池的工况参数（可以为电流、功率、电堆需求的氢气压力等）在阈值以下时，可以关闭所述引射装置的开关阀，打开比例阀，采用路径2对燃料电池提供氢气，根据燃料电池堆的需求调节比例阀的开度；当燃料电池的工况参数超过阈值时，可以打开所述引射装置的开关阀，比例阀以引射器入口压力为控制目标，开关阀以电堆入口压力为控制目标，同时采用路径1和路径2对燃料电池提供氢气，以满足燃料电池堆运行的需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (7)

1.一种带有比例阀的燃料电池引射装置，其特征在于：所述燃料电池引射装置包括：比例阀、开关阀、引射器和腔体，所述腔体包括高压腔、中压腔和低压腔；所述高压腔连接有氢气供给管路，并通过所述开关阀与所述低压腔连通，所述低压腔的出口与电堆氢气入堆管路连通；所述高压腔通过所述比例阀与所述中压腔连通，所述中压腔与所述引射器的入口相连，所述引射器的喷射口与电堆氢气入堆管路连通，所述引射器的回流入口与电堆氢气回流管路连通。

2.如权利要求1所述的带有比例阀的燃料电池引射装置，其特征在于：电堆氢气入堆管路中设置有第一压力传感器，以监测电堆的入口压力。

3.如权利要求1所述的带有比例阀的燃料电池引射装置，其特征在于：所述引射器的入口处设置有第二压力传感器，以监测所述引射器的入口压力。

4.如权利要求1所述的带有比例阀的燃料电池引射装置，其特征在于：所述引射器的喷射口处设置有第三压力传感器，以监测所述引射器的喷射口处的压力。

5.如权利要求1所述的带有比例阀的燃料电池引射装置，其特征在于：所述燃料电池引射装置中设置有控制器，所述控制被配置为根据燃料电池的工况参数调节所述开关阀的打开或闭合，和/或，调节所述比例阀的开度。

6.如权利要求5所述的带有比例阀的燃料电池引射装置，其特征在于：所述燃料电池的工况参数为电流、功率、电堆需求的氢气压力中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的带有比例阀的燃料电池引射装置，其特征在于：所述燃料电池引射装置的各部件之间密封连接。

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