CN215418247U

CN215418247U - 一种带有比例阀的燃料电池系统

Info

Publication number: CN215418247U
Application number: CN202120394975.2U
Authority: CN
Inventors: 方川; 周百慧; 任树兴; 赵兴旺
Original assignee: Beijing Sinohytec Co Ltd
Current assignee: Beijing Sinohytec Co Ltd
Priority date: 2021-02-23
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2031-02-23

Abstract

本发明提供了一种带有比例阀的燃料电池系统，包括氢源、减压阀、氢喷、系统控制器、引射器、电堆及气液分离器，所述引射器的回流入口与气液分离器相连，所述引射器的出口连接有电堆氢气入堆管路，其特征在于，所述氢喷和引射器之间设置有引射装置，所述引射装置包括比例阀、开关阀、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。本发明的燃料电池系统通过在引射装置中将开关阀、比例阀和腔室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。

Description

一种带有比例阀的燃料电池系统

技术领域

本实用新型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系统。

背景技术

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。

实用新型内容

针对现有技术中的上述问题，本实用新型提供了一种带有比例阀的燃料电池系统，包括氢源、减压阀、氢喷、系统控制器、引射器、电堆及气液分离器，所述引射器的回流入口与气液分离器相连，所述引射器的喷射口连接有电堆氢气入堆管路，其特征在于，所述氢喷和引射器之间设置有引射装置，所述引射装置包括比例阀、开关阀、高压腔、中压腔和低压腔，所述高压腔与氢喷连通，并通过所述开关阀与低压腔连通，所述低压腔的出口与电堆氢气入堆管路连通，并且所述高压腔还通过所述比例阀与中压腔连通，所述中压腔与所述引射器的入口相连。

进一步的，所述电堆氢气入堆管路中设置有温度传感器和第一压力传感器，用于监测电堆入口的温度和压力。

进一步的，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。

进一步的，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。

通过上述温度和压力传感器，所述燃料电池的系统控制器能够对氢气的供给状态进行有效的监控，从而根据实际需要对燃料电池进行控制，例如调整氢喷的占空比、调整开关阀的打开或闭合、调整比例阀的开度等。因此，所述系统控制器应当至少被配置为能够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。具体的，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，其中优选为电流。

具体的，所述气液分离器与电堆氢气出堆管路连通，具有重组分排放出口、回流出口及尾排出口，其中所述回流出口与引射器的回流入口相连，所述尾排出口连接有尾排阀。其中，所述重组分主要是指水蒸汽，其余组分通过回流出口和尾排出口排出，系统控制器通过调整尾排阀的开度，能够快速调整回流和尾排之间的比例。

采用本实用新型所述的带有比例阀的燃料电池系统，使氢气的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，进入氢气入堆管路；

路径2.氢气由高压腔经比例阀流到中压腔，经引射器进入氢气入堆管路。

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以通过比例阀调节，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。

本实用新型与现有技术相比，具有如下效果：

（1）通过将开关阀、比例阀和高、中、低压腔室的集成设计，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

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

图1是本实用新型的带有比例阀的燃料电池系统示意图；

图2是本实用新型中引射装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型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系统，包括：氢源1、减压阀2、氢喷3、系统控制器4、引射器5、引射装置6，电堆7、空气入口8、空气出口9、气液分离器10、尾排阀11、入堆压力传感器12、入堆温度传感器13。

其中，引射装置6的具体结构如图2所示，包括比例阀61、开关阀62、高压腔63、中压腔64和低压腔65；所述高压腔63通过所述开关阀62与所述低压腔65连通，所述低压腔65的出口66与电堆氢气入堆管路连通；所述高压腔63与氢喷3连通，并通过所述比例阀61与所述中压腔64连通，所述中压腔64的出口67与引射器5连通。按照本领域的常规设置，所述引射器5的喷射口与电堆氢气入堆管路连通，引射器的回流入口与气液分离器10连通，在此不再赘述。

通过引射装置的上述设置，本实用新型的燃料电池系统中氢气进入电堆的路径分为两条：

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。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims

1.一种带有比例阀的燃料电池系统，包括氢源、减压阀、氢喷、系统控制器、引射器、电堆及气液分离器，所述引射器的回流入口与气液分离器相连，所述引射器的喷射口连接有电堆氢气入堆管路，其特征在于，所述氢喷和引射器之间设置有引射装置，所述引射装置包括比例阀、开关阀、高压腔、中压腔和低压腔，所述高压腔与氢喷连通，并通过所述开关阀与低压腔连通，所述低压腔的出口与电堆氢气入堆管路连通，所述高压腔还通过所述比例阀与中压腔连通，所述中压腔与所述引射器的入口相连。

2.如权利要求1所述的带有比例阀的燃料电池系统，其特征在于：所述电堆氢气入堆管路中设置有温度传感器和第一压力传感器，以监测电堆入口的温度和压力。

3.如权利要求1所述的带有比例阀的燃料电池系统，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系统，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系统，其特征在于：所述系统控制器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1所述的带有比例阀的燃料电池系统，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系统，其特征在于：所述气液分离器与电堆氢气出堆管路连通，具有重组分排放出口、回流出口及尾排出口，其中所述回流出口与引射器的回流入口相连，所述尾排出口连接有尾排阀。

8.如权利要求7所述的带有比例阀的燃料电池系统，其特征在于：所述系统控制器被配置为能够调整尾排阀的开度。