CN214956980U - 再循环回路及氢气供给系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于氢燃料电池系统的再循环回路，用于在氢燃料电池系统运行期间从其燃料电池堆叠的阳极的输出端接收再循环流并使再循环流循环到氢燃料电池系统的氢气供给装置。再循环回路包括氢气分离器，其被配置成在再循环流经过其时从再循环流中物理地分离至少一部分氢气，允许被分离的氢气流向氢气供给装置，并且将再循环流除被分离的氢气之外的其余组分排出氢燃料电池系统。本申请还提供了包括前述再循环回路的氢气供给系统。根据本申请，能够消除设置排气阀的需要。这避免在再循环回路中发生较大的压力波动，便于对被供应到阳极输入端的气体的氢气浓度进行精确控制。再循环回路的结构和控制简单，提高了氢燃料电池系统的可靠性。

Description

再循环回路及氢气供给系统

技术领域

本申请涉及氢燃料电池系统领域，尤其涉及用于氢燃料电池系统的再循环回路及氢气供给系统。

背景技术

利用燃料与氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。氢燃料电池是一种广泛应用的燃料电池，其采用氢气为燃料，氧气为氧化剂。在氢燃料电池运行期间，产物水、未消耗的氢气和无效气体会累积在阳极输出端。通常通过再循环回路来使未消耗的氢气再循环到氢燃料电池系统的氢气供给装置，以与来自氢气源的氢气混合而被再次供应到阳极输入端，借此提高氢燃料电池系统的工作效率。

由于再循环流(即，包括产物水、未消耗的氢气和无效气体的流体混合物)中含有无效气体，因而需要防止再循环流过度稀释来自氢气源的氢气。为此，通常在再循环回路上设置排气阀(也被称为“purge valve”)，以将一部分再循环流从再循环回路排出到尾气管中，从而减少被供应到氢气供给装置的再循环流的量。但是，排气阀的频繁开启会在再循环回路中引起较大的压力波动，导致难以精确控制被供应到阳极输入端的气体的氢气浓度。

因此，迫切需要对现有的再循环回路进行改进。

实用新型内容

本申请旨在提供一种改进的再循环回路，以克服现有的上述缺陷。

根据本申请的一方面，提供了一种用于氢燃料电池系统的再循环回路，用于在所述氢燃料电池系统运行期间从所述氢燃料电池系统的燃料电池堆叠的阳极的输出端接收再循环流并使所述再循环流循环到所述氢燃料电池系统的氢气供给装置。所述再循环回路包括氢气分离器，所述氢气分离器被配置成在所述再循环流经过其时从所述再循环流中物理地分离至少一部分氢气，允许被分离的氢气流向所述氢气供给装置，并且将所述再循环流除所述被分离的氢气之外的其余组分排出所述氢燃料电池系统。

优选地，所述再循环回路还包括水分离器，所述水分离器被设置在所述输出端与所述氢气分离器之间，并且被配置成在所述再循环流经过其时从所述再循环流中移除水。

优选地，所述再循环回路还包括换热器，所述换热器被设置在所述输出端与所述氢气分离器之间，并且被配置成在所述再循环流经过其时对所述再循环流进行加热或者冷却。

优选地，所述再循环回路还包括压缩机，所述压缩机被设置在所述输出端与所述氢气分离器之间，并且被配置成在所述再循环流经过其时提高所述再循环流的压力。

优选地，所述再循环回路还包括：冷却器，所述冷却器被配置成从所述输出端接收所述再循环流，并且在所述再循环流经过其时对所述再循环流进行冷却；水分离器，所述水分离器被配置成从所述冷却器接收经冷却的所述再循环流，并且在经冷却的所述再循环流经过其时从经冷却的所述再循环流中移除水；以及加热器，所述加热器被设置在所述水分离器与所述氢气分离器之间，并且被配置成从所述水分离器接收经冷却、经除水的所述再循环流，并在经冷却、经除水的所述再循环流经过其时对经冷却、经除水的所述再循环流进行加热。

优选地，所述再循环回路还包括：水分离器，所述水分离器被配置成从所述输出端接收所述再循环流，并且在所述再循环流经过其时从所述再循环流中移除水；以及压缩机，所述压缩机被设置在所述水分离器与所述氢气分离器之间，并且被配置成在经除水的所述再循环流经过其时提高经除水的所述再循环流的压力。

优选地，所述氢气分离器是分子筛式氢气分离器。

优选地，所述氢气分离器是膜式氢气分离器并且包括氢气分离膜，所述氢气分离膜被配置成在所述再循环流经过所述氢气分离器时从所述再循环流中物理地分离至少一部分氢气。

优选地，所述氢气分离膜是聚酰胺膜、聚酰亚胺膜、聚砜膜、醋酸纤维膜、聚乙烯三甲基硅烷膜、聚芳酰胺膜、聚苯醚膜中的一种。

根据本申请的另一方面，提供了一种用于氢燃料电池的氢气供给系统，所述氢气供给系统包括：被配置成用于向所述氢燃料电池的燃料电池堆叠的阳极的输入端供给气体的氢气供给装置；以及前述的再循环回路，所述再循环回路连接在所述阳极的输出端与所述氢气供给装置之间。

与设置有排气阀的传统再循环回路相比，根据本申请的再循环回路能够消除设置排气阀的需要。这能够避免在再循环回路中发生较大的压力波动，从而便于维持再循环回路中的压力稳定，并便于对被供应到阳极输入端的气体的氢气浓度进行精确控制。此外，与设置有排气阀的传统再循环回路相比，再循环回路的结构和控制更加简单，从而提高了氢燃料电池系统的可靠性。

附图说明

下面将结合附图来更彻底地理解并认识本申请的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在附图中：

图1示意性地示出了根据本申请优选实施例的用于氢燃料电池系统的再循环回路能够应用于其中的氢燃料电池系统的一部分；以及

图2是能够用于图1所示的再循环回路的示例性氢气分离器的示意性剖视图。

附图标记列表：

1 燃料电池堆叠

3 氢气供给系统

5 阳极

7 阴极

9 氢气源

11 氢气供给装置

13 输入端

15 输出端

100 循环回路

200 氢气分离器

201 壳体

203 入口端口

205 出口端口

207 排放端口

208 分离腔室

209 氢气分离膜

211 密封构件

300 功能单元

具体实施方式

下面结合示例详细描述本申请的示例性实施例。本领域技术人员应理解的是，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见而省略了其它的部件，但这并不表明本申请的再循环回路、氢气供给系统和氢燃料电池系统不可包括其它部件。应理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本申请的限制。

氢燃料电池系统可用于车辆中以提供电力，从而驱动车辆电机来提供动力或者使得车载系统执行各种功能。图1示意性地示出了氢燃料电池系统的一部分，其中可以使用根据本申请优选实施例的再循环回路。图1所示的氢燃料电池系统的一部分可以包括燃料电池堆叠1和氢气供给系统3(如图1中的虚线框所表示的)。燃料电池堆叠1包括阳极5和阴极7。在氢燃料电池系统运行期间，如箭头8所示意性表示的，来自诸如氢气罐之类的氢气源9的氢气通过氢气供给系统3的氢气供给装置11(例如，引射器)供给到阳极5的输入端13。空气则被供给到阴极7。进入阳极5的氢原子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜(未示出)转移到阴极7，电子则通过外电路(未示出)流向阴极7以形成电流。空气中的氧气在阴极7与氢离子和电子相结合成水分子。通常，在氢燃料电池系统工作期间，过量的氢气被提供到阳极5的输入端13，以确保燃料电池堆叠1中的所有电池有充足的氢气可用。产物水、未消耗的氢气和无效气体会累积在阳极5的输出端15。如在本文中所使用的，术语“无效气体”是指不参与反应的气体，主要是氮气。

请继续参考图1，根据本申请优选实施例的再循环回路100被布置在阳极5的输出端15与氢气供给装置11之间，用于在氢燃料电池系统运行期间从燃料电池堆叠1的阳极5的输出端15接收再循环流(如箭头23所示意性表示的)并使再循环流23循环到氢气供给装置11。如在本文中所使用的，再循环流是指包括产物水、未消耗的氢气和无效气体的流体混合物。

再循环回路100包括氢气分离器200，其被配置成在再循环流23经过其时从再循环流23中物理地分离至少一部分氢气，允许被分离的氢气流向氢气供给装置11(如箭头23a所示意性表示的)，并且将再循环流23除被分离的氢气之外的其余组分排出氢燃料电池系统(如箭头23b所示意性表示的)。如本文中所使用的，“从再循环流中物理地分离至少一部分氢气”是指借助于氢气与再循环流中的其它组分的不同物理性质，使用物理方法从再循环流中物理地分离至少一部分氢气，而不发生化学反应。

图2示意性地示出了能够用于图1所示的再循环回路100的示例性氢气分离器200。如图2所示，氢气分离器200包括壳体201，其可以呈大致圆筒构型或者任何其它合适的构型。壳体201包括被配置成接收再循环流23的入口端口203、被配置成用于与氢气供给装置11连通以允许被分离的氢气流向氢气供给装置11的出口端口205、以及被配置成用于将再循环流除23被分离的氢气之外的其余组分排出氢燃料电池系统的排放端口207。排放端口207可以与氢燃料电池系统的尾气管(未示出)连通，以将再循环流除被分离的氢气之外的其余组分排到尾气管中。在排放端口207与尾气管之间可以设置有止逆阀或电动阀(未示出)，以防止在氢燃料电池系统停机后来自外界环境的气体通过氢气分离器200倒流入再循环回路100，进而进入燃料电池堆叠1。

在图2所示的实施例中，示例性氢气分离器200是膜式氢气分离器。氢气分离器200的壳体201还包括在入口端口203与出口端口205和排放端口207之间延伸的分离腔室208。氢气分离器200包括设置在分离腔室208中的氢气分离膜209，其被配置成在再循环流23经过氢气分离器200时从再循环流23中物理地分离至少一部分氢气。氢气分离膜209在图2中被示意性地表示，以代表能够透过氢气而不透过或者很少透过再循环流中的其它组分的任何膜结构。也就是说，在再循环流23经过氢气分离器200时，再循环流23中的至少一部分氢气可以通过氢气分离膜209从出口端口205流向氢气供给装置11，而再循环流除被分离的氢气之外的其余组分被通过排放端口207直接排出氢燃料电池系统。

氢气分离膜209例如可以是聚酰胺膜、聚酰亚胺膜、聚砜膜、醋酸纤维膜、聚乙烯三甲基硅烷膜、聚芳酰胺膜、聚苯醚膜中的一种。氢气分离膜209可以将再循环流23中约30％的氢气、约50％的氢气、约60％的氢气、约70％的氢气、约80％的氢气、约90％的氢气、约99％的氢气、或者更多或更少的氢气、或者全部的氢气从再循环流23分离出来。氢气分离膜209可以在分离腔室208中呈任何合适的构型设置。氢气分离膜209可以被布置成具有高的分离面积/体积比，以利于氢气分离器200的小型化。例如，氢气分离膜209可以呈褶皱构型设置，以增加与再循环流23的接触面积。又如，氢气分离膜209可以呈多通道圆筒构型布置，以增加与再循环流23的接触面积。应理解，氢气分离膜209也可以呈任何其它合适构型布置。

氢气分离膜209可以通过诸如粘合之类的任何合适方式固定在分离腔室208中。示例性的密封构件211可以设置在分离腔室208中，以在分离腔室208的内壁和氢气分离膜209之间建立密封，从而防止再循环流23旁通地通过氢气分离膜209。但是，也可以省去密封构件211，而仅依靠氢气分离膜209与分离腔室208的内壁之间的接触建立密封。壳体201还可以包括检修门(未示出)，以用于接近设置在分离腔室208中的氢气分离膜209，从而便于检查和更换氢气分离膜209。

尽管未在图中示出，但是在其它部分实施例中，氢气分离器可以是分子筛式氢气分离器。如在本文中所使用的，“分子筛式氢气分离器”是指在再循环流23经过氢气分离器200时利用分子筛(Molecular Sieve)从再循环流23中物理地分离至少一部分氢气的任何氢气分离器。分子筛式氢气分离器可以将再循环流23中约30％的氢气、约50％的氢气、约60％的氢气、约70％的氢气、约80％的氢气、约90％的氢气、约99％的氢气、或者更多或更少的氢气、或者全部的氢气从再循环流23分离出来。分子筛式氢气分离器可以呈具有高的分离面积/体积比的任何合适构型。

应理解，氢气分离器也可以是能够在再循环流23经过其时从再循环流23中物理地分离至少一部分氢气的任何其它合适类型的氢气分离器。

请返回图1，被分离的氢气流向氢气供给装置11(如箭头23a所示意性表示的)。氢气供给装置11将被分离的氢气与来自氢气源9的氢气混合并再次供给到阳极5的输入端13(如箭头25所表示的)。通过这种方式，能够减少浪费氢气并提高氢气的利用效率，从而提高氢燃料电池系统的工作效率。

与设置有排气阀的传统再循环回路相比，根据本申请优选实施例的再循环回路100能够在再循环流23经过其时从再循环流23中物理地分离至少一部分氢气，并且将再循环流23除被分离的氢气之外的其余组分排出氢燃料电池系统，从而消除了设置排气阀的需要。这能够避免在再循环回路100中发生较大的压力波动，从而便于维持再循环回路100中的压力稳定，并且便于对被供应到阳极输入端的气体的氢气浓度进行精确控制。此外，与传统再循环回路相比，再循环回路100的结构和控制更加简单，从而提高了氢燃料电池系统的可靠性。此外，再循环回路100能够减少被排出到尾气管中的再循环流的氢气含量，从而避免与安全相关的风险，例如由于尾气管中的氢气浓度过高而在尾气管中发生爆炸。

请继续参考图1，可选地，再循环回路100还可以包括功能单元300，其被配置成在再循环流23进入氢气分离器200之前对再循环流23进行例如加热、冷却、加压和除水等的预处理。下面结合五个示例来详细描述示例性的功能单元300。

在第一示例中，功能单元300是水分离器。该水分离器被设置在输出端15与氢气分离器200之间，并且被配置成在再循环流23经过其时从再循环流23中移除水。该水分离器包括被配置成在再循环流23经过水分离器时从再循环流23中移除水的水分离室。如在本文中使用的，术语“水”是指水可以是混合相并且包括液相水和气相水。水分离器至少从包括水和氢气的流中移除液相水的一部分。术语“水分离室”可以指在再循环流23经过其时使水与包括未消耗的氢气和无效气体的气流分离以便从再循环流23中移除水的任何合适类型的水分离室，例如离心式水分离室、带有筛网的水分离室等。从再循环流23中移除水可以提高再循环流23中的氢气浓度，并防止在氢气分离器200发生水堵塞，从而提高氢气分离器200的氢气分离效率和可靠性。

应理解，水分离器在再循环回路100不是必需的。例如，氢气分离器200是膜式氢气分离器并且包括氢气分离膜，该氢气分离膜由这样的材料制成，该材料能够透过氢气而不透过或者很少透过再循环流中包括水的其它组分。在这种情况下，在再循环流23经过氢气分离器200时，再循环流23中的至少一部分氢气可以通过氢气分离膜209从出口端口205流向氢气供给装置11，而再循环流除被分离的氢气之外的其余组分(包括水)被通过排放端口207直接排出氢燃料电池系统。也就是说，氢气分离器200可以起到水分离器的作用。氢气分离器200的结构可以被配置成便于将水从氢气分离器200排出到尾气管中。

在第二示例中，功能单元300是换热器。该换热器被设置在输出端15与氢气分离器200之间，并且被配置成在再循环流23经过其时对再循环流23进行加热或者冷却。再循环流23从输出端15流出时的温度通常为约65℃。氢气分离器200(例如，氢气分离膜式氢气分离器和分子筛氢气分离器)的工作温度可能高于或低于65℃，因此需要在再循环流23进入氢气分离器200之前对再循环流23进行温度调节，以使再循环流23处于合适的温度，从而促进氢气分离器200从再循环流23分离氢气。换热器可以是任何合适类型的换热器，以在再循环流23经过其时对再循环流23进行加热或者冷却。例如，该换热器可以是任何合适类型的冷却器，其能够通过风冷和/或液冷的方式降低再循环流23的温度。又如，该换热器可以是任何合适类型的加热器，其能够通过电加热或其它合适的方式提高再循环流23的温度。该换热器可以包括被配置成感测再循环流23的温度的温度传感器以及被配置成根据感测到的温度控制该换热器的换热功率的控制器。

在第三示例中，功能单元300是压缩机。该压缩机被设置在输出端15与氢气分离器200之间，并且被配置成在再循环流23经过其时提高再循环流23的压力。在再循环流23进入氢气分离器200之前提高再循环流23的压力可以促进氢气分离器200从再循环流23分离氢气。此外，该压缩机在压缩再循环流23时也可以加热再循环流23，从而促进氢气分离器200从再循环流23分离氢气。此外，该压缩机可以配置成基于再循环回路100中的压力而选择性地启用和停用，从而促进维持再循环回路100中的压力稳定。

在第四示例中，功能单元300是冷却器、水分离器与加热器的组合。该冷却器被配置成从输出端15接收再循环流23，并且在再循环流23经过其时对再循环流23进行冷却。该冷却器可以是任何合适类型的冷却器，其能够通过风冷和/或液冷的方式降低再循环流23的温度。该水分离器被配置成从冷却器接收经冷却的再循环流23，并且在经冷却的再循环流23经过其时从经冷却的再循环流23中移除水。如上文所述，从再循环流23中移除水可以提高再循环流23中的氢气浓度，并防止在氢气分离器200发生水堵塞，从而提高氢气分离器200的氢气分离效率和可靠性。但是，再循环流23从输出端15流出时的温度通常为约65℃。这种温度可能不利于该水分离器在再循环流23经过其时移除再循环流中的水。在该水分离器上游设置该冷却器能够在从再循环流23中移除水之前预先冷却再循环流23以降低再循环流23的温度，从而降低再循环流23容纳气相水的能力。这使得再循环流23中的气相水可以在从再循环流23中移除水之前更多地转变为液相水，从而使得可以从再循环流23中移除更多的水。如此，能够进一步提高再循环流23中的氢气浓度，从而进一步提高氢气分离器200的氢气分离效率和可靠性。

该加热器被设置在水分离器与该氢气分离器200之间，并且被配置成从该水分离器接收经冷却、经除水的再循环流23，并在经冷却、经除水的再循环流23经过其时对经冷却、经除水的再循环流进行加热。如上文所述，氢气分离器200(例如，氢气分离膜式氢气分离器和分子筛氢气分离器)的工作温度可能高于65℃，因此需要在经冷却、经除水的再循环流23进入氢气分离器200之前对其进行加热，以使经冷却、经除水的再循环流23处于合适的温度，从而促进氢气分离器200从再循环流23分离氢气。该加热器可以是任何合适类型的加热器，其能够通过电加热或其它合适的方式提高再循环流23的温度。

应理解，前述冷却器和加热器可以分别包括被配置成感测再循环流23的温度的温度传感器以及被配置成根据感测到的温度控制该冷却器和该加热器的功率的控制器。

在第五示例中，功能单元300是水分离器与压缩机。该水分离器被配置成从输出端15接收再循环流23，并且在再循环流23经过其时从再循环流23中移除水。如上文所述，从再循环流23中移除水可以提高再循环流23中的氢气浓度，并防止在氢气分离器200发生水堵塞，从而提高氢气分离器200的氢气分离效率和可靠性。该压缩机被设置在该水分离器与氢气分离器200之间，并且被配置成在经除水的再循环流23经过其时提高经除水的再循环流23的压力。如上文所述，在再循环流23进入氢气分离器200之前提高再循环流23的压力可以促进氢气分离器200从再循环流23分离氢气。此外，该压缩机在压缩再循环流23时也可以加热再循环流23，从而促进氢气分离器200从再循环流23分离氢气。此外，该压缩机可以配置成基于再循环回路100中的压力而选择性地启用和停用，从而促进维持再循环回路100中的压力稳定。

应理解，尽管以上结合了五个示例来详细描述示例性的功能单元300，但是功能单元300也可以包括其它合适的部件或者呈其它合适的形式，以在再循环流23进入氢气分离器200之前对再循环流23进行其它预处理。

前述的再循环回路100能够与氢气供给装置11一起构成氢气供给系统3。

如在本文中使用的，术语“第一”和“第二”用于将一个元件或部段与另一个元件或部段区分开来，但是这些元件和/或部段不应受到此类术语的限制。

以上结合具体实施例对本申请进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。

Claims (10)

1.一种用于氢燃料电池系统的再循环回路(100)，用于在所述氢燃料电池系统运行期间从所述氢燃料电池系统的燃料电池堆叠的阳极的输出端接收再循环流并使所述再循环流循环到所述氢燃料电池系统的氢气供给装置，其特征在于，所述再循环回路(100)包括氢气分离器(200)，所述氢气分离器(200)被配置成在所述再循环流经过其时从所述再循环流中物理地分离至少一部分氢气，允许被分离的氢气流向所述氢气供给装置，并且将所述再循环流除所述被分离的氢气之外的其余组分排出所述氢燃料电池系统。

2.根据权利要求1所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述再循环回路(100)还包括水分离器，所述水分离器被设置在所述输出端与所述氢气分离器(200)之间，并且被配置成在所述再循环流经过其时从所述再循环流中移除水。

3.根据权利要求1所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述再循环回路(100)还包括换热器，所述换热器被设置在所述输出端与所述氢气分离器(200)之间，并且被配置成在所述再循环流经过其时对所述再循环流进行加热或者冷却。

4.根据权利要求1所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述再循环回路(100)还包括压缩机，所述压缩机被设置在所述输出端与所述氢气分离器(200)之间，并且被配置成在所述再循环流经过其时提高所述再循环流的压力。

5.根据权利要求1所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述再循环回路(100)还包括：

冷却器，所述冷却器被配置成从所述输出端接收所述再循环流，并且在所述再循环流经过其时对所述再循环流进行冷却；以及

水分离器，所述水分离器被配置成从所述冷却器接收经冷却的所述再循环流，并且在经冷却的所述再循环流经过其时从经冷却的所述再循环流中移除水；以及

加热器，所述加热器被设置在所述水分离器与所述氢气分离器(200)之间，并且被配置成从所述水分离器接收经冷却、经除水的所述再循环流，并在经冷却、经除水的所述再循环流经过其时对经冷却、经除水的所述再循环流进行加热。

6.根据权利要求1所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述再循环回路(100)还包括：

水分离器，所述水分离器被配置成从所述输出端接收所述再循环流，并且在所述再循环流经过其时从所述再循环流中移除水；以及

压缩机，所述压缩机被设置在所述水分离器与所述氢气分离器(200)之间，并且被配置成在经除水的所述再循环流经过其时提高经除水的所述再循环流的压力。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述氢气分离器(200)是分子筛式氢气分离器。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述氢气分离器(200)是膜式氢气分离器并且包括氢气分离膜(209)，所述氢气分离膜(209)被配置成在所述再循环流经过所述氢气分离器(200)时从所述再循环流中物理地分离至少一部分氢气。

9.根据权利要求8所述的再循环回路(100)，其特征在于，所述氢气分离膜(209)是聚酰胺膜、聚酰亚胺膜、聚砜膜、醋酸纤维膜、聚乙烯三甲基硅烷膜、聚芳酰胺膜、聚苯醚膜中的一种。

10.一种用于氢燃料电池的氢气供给系统(3)，其特征在于，所述氢气供给系统包括：

被配置成用于向所述氢燃料电池的燃料电池堆叠的阳极的输入端供给气体的氢气供给装置(11)；以及

根据权利要求1至9中任一项所述的再循环回路(100)，所述再循环回路(100)连接在所述阳极的输出端与所述氢气供给装置之间。

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