CN215418254U - 一种压力稳定装置与一种燃料电池发动机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压力稳定装置与一种燃料电池发动机系统，其中，压力稳定装置应用于燃料电池发动机系统，包括气水分离器、集水槽以及用于连通于电堆阳极出口的第一排气管路和第二排气管路，所述第一排气管路的另一端连接于所述气水分离器，所述气水分离器的出水口通过第一开关阀与所述集水槽连接，所述第二排气管路的另一端连接于所述集水槽，所述集水槽的出水口设有排水阀，所述第二排气管路设有第二开关阀。本实用新型对集水槽的进气和进水两个方向的管路增设开关阀，在排水时可以封闭气体流道与外界大气的连通，在排水后可以对集水槽内部压力进行稳定，以此来降低排水过程对电堆阳极入口压力产生的影响，缩小压力波动范围。

Description

一种压力稳定装置与一种燃料电池发动机系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种压力稳定装置与一种燃料电池发动机系统。

背景技术

燃料电池是将外部供应的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能及生成热和反应产物的电化学装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是将燃料中的化学能转变为电能的能量转换装置，具有能量密度高、启动速度快、无环境污染等优点。

氢燃料电池是一种质子交换膜燃料电池，在汽车等交通领域有广阔的应用前景，受到了各国的重视。氢燃料电池发动机的电堆是整个动力系统的核心，电堆阳极对氢气压力波动较为敏感。气水分离器可以将电堆阳极出口混合气中的液态水分离，排水阀则用于排出液态水。现有技术通过调节排水阀开关时长和频率来调节氢气入口压力波动，在排水时间过长时容易使气水分离器连同集水槽一起连通外界大气，导致电堆阳极入口压力波动较大；在排水时间过短时则会有液态水无法完全排出，影响气水分离效率，甚至可能造成电堆阳极水淹，导致单电池反极。可见，现有技术在排水和降低压力波动两方面很难平衡。

因此，如何更好地稳定电堆阳极入口压力，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种压力稳定装置与一种燃料电池发动机系统，该压力稳定装置能够缩小电堆阳极入口压力波动范围，达到保护电堆及确保电堆内部高效反应的目的。

为了达到上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种压力稳定装置，应用于燃料电池发动机系统，包括气水分离器、集水槽以及用于连通于电堆阳极出口的第一排气管路和第二排气管路，所述第一排气管路的另一端连接于所述气水分离器，所述气水分离器的出水口通过第一开关阀与所述集水槽连接，所述第二排气管路的另一端连接于所述集水槽，所述集水槽的出水口设有排水阀，所述第二排气管路设有第二开关阀。

优选地，上述压力稳定装置还包括用于检测所述集水槽内的压力的压力传感器。

优选地，上述压力稳定装置还包括用于检测所述集水槽内容纳的水量的水量检测装置。

优选地，所述水量检测装置包括设置于所述集水槽内不同深度位置的多个液位检测装置。

优选地，所述第一开关阀和/或所述第二开关阀为定时开关阀。

优选地，所述排水阀为电子定时排水阀。

优选地，所述第二排气管路的进气端连通于所述第一排气管路的一侧。

本实用新型提供的压力稳定装置的工作原理如下：

混合气从电堆阳极出口排出，经过第一排气管路直接进入气水分离器中，气水分离器将液态水分离出来，此时，可以通过打开第一开关阀将分离出来的液态水引导流入到集水槽中进行暂存。随着电堆反应的进行，气水分离器分离出来的液态水越来越多，集水槽内储存的液态水也越来越多，当集水槽内的水量达到上限时，可以通过打开排水阀进行排水，而当集水槽进行排水的同时可以关闭第一开关阀和第二开关阀，即，将集水槽与两个排气管路隔离，不需要对排水阀的开关时长进行调试。当集水槽内的水量减少到下限时，由于此时集水槽内的压力也随之降低，为了避免再次打开第一开关阀时对电堆阳极入口产生压力波动，此时，可以先关闭排水阀，然后打开第二开关阀，这样就可以使电堆阳极出口排出的混合气有一部分进入到集水槽中，从而能够使集水槽内的压力逐渐提升至与电堆阳极出口压力相等的水平，此时，可以再次打开第一开关阀，使集水槽与气水分离器连通，气水分离器分离出来的液态水可以再次进入集水槽储存，由于集水槽在与气水分离器连通之前的压力已经升高到与气水分离器压力一致，因此，当打开第一开关阀后，电堆阳极入口不会出现较大压力波动。

通过上述技术方案可知，本实用新型提供的压力稳定装置可以使电堆阳极出口排出的混合气分别通过两个排气管路通向气水分离器和集水槽，进入集水槽的混合气用于排水后稳定集水槽内部压力；本方案对集水槽的进气和进水两个方向的管路增设开关阀，在排水时可以封闭气体流道与外界大气的连通，在排水后可以对集水槽内部压力进行稳定，以此来降低排水过程对电堆阳极入口压力产生的影响，缩小压力波动范围，达到保护电堆及确保电堆内部高效反应的目的。

本实用新型还提供了一种包括上述压力温度装置的燃料电池发动机系统。该燃料电池发动机系统产生的有益效果的推导过程与上述压力稳定装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

优选地，所述燃料电池发动机系统为氢燃料电池发动机系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具体实施例中的压力稳定装置的布置示意图；

图2为本实用新型具体实施例中的集水槽的内部结构示意图；

图3为本实用新型具体实施例中的压力稳定装置的工作流程图。

图1至图2中的各项附图标记的含义如下：

1-第一排气管路、2-第二排气管路、3-第一开关阀、4-第二开关阀、5-气水分离器、6-集水槽、7-排水阀、8-氢气循环泵、9-氢气进堆管路、10-电堆、11-电堆阳极出口、12-电堆阳极入口、13-压力传感器、14-上限液位计、15-下限液位计。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1至图3，图1为本实用新型具体实施例中的压力稳定装置的布置示意图；图2为本实用新型具体实施例中的集水槽的内部结构示意图；

图3为本实用新型具体实施例中的压力稳定装置的工作流程图。

本实用新型提供了一种压力稳定装置，应用于燃料电池发动机系统，包括气水分离器5、集水槽6以及用于连通于电堆阳极出口11的第一排气管路1和第二排气管路2，第一排气管路1的另一端连接于气水分离器5，气水分离器5的出水口通过第一开关阀3与集水槽6连接，第二排气管路2的另一端连接于集水槽6，集水槽6的出水口设有排水阀7，第二排气管路2设有第二开关阀4。

需要说明的是，本实用新型提供的压力稳定装置可以应用于各种燃料电池发动机系统，例如氢燃料电池发动机系统或甲醇燃料电池发动机系统等，优选地，本方案中的压力稳定装置应用于氢燃料电池发动机系统。如图1所示，电堆10的电堆阳极出口11排出的混合气在经过气水分离器5的分离之后，分离出的氢气可通过氢气循环泵8回流到氢气进堆管路9，最终经电堆阳极入口12进入电堆10内实现回收利用。

本实用新型提供的压力稳定装置的工作原理如下：

混合气从电堆阳极出口11排出，经过第一排气管路1直接进入气水分离器5中，气水分离器5将液态水分离出来，此时，可以通过打开第一开关阀3将分离出来的液态水引导流入到集水槽6中进行暂存。随着电堆10反应的进行，气水分离器5分离出来的液态水越来越多，集水槽6内储存的液态水也越来越多，当集水槽6内的水量达到上限时，可以通过打开排水阀7进行排水，而当集水槽6进行排水的同时可以关闭第一开关阀3和第二开关阀4，即，将集水槽6与两个排气管路隔离，不需要对排水阀7的开关时长进行调试。当集水槽6内的水量减少到下限时，由于此时集水槽6内的压力也随之降低，为了避免再次打开第一开关阀3时对电堆阳极入口12产生压力波动，此时，可以先关闭排水阀7，然后打开第二开关阀4，这样就可以使电堆阳极出口11排出的混合气有一部分进入到集水槽6中，从而能够使集水槽6内的压力逐渐提升至与电堆阳极出口11压力相等的水平，此时，可以再次打开第一开关阀3，使集水槽6与气水分离器5连通，气水分离器5分离出来的液态水可以再次进入集水槽6储存，由于集水槽6在与气水分离器5连通之前的压力已经升高到与气水分离器5压力一致，因此，当打开第一开关阀3后，电堆阳极入口12不会出现较大压力波动。

通过上述技术方案可知，本实用新型提供的压力稳定装置可以使电堆阳极出口11排出的混合气分别通过两个排气管路通向气水分离器5和集水槽6，进入集水槽6的混合气用于排水后稳定集水槽6内部压力；本方案对集水槽6的进气和进水两个方向的管路增设开关阀，在排水时可以封闭气体流道与外界大气的连通，在排水后可以对集水槽6内部压力进行稳定，以此来降低排水过程对电堆阳极入口12压力产生的影响，缩小压力波动范围，达到保护电堆10及确保电堆10内部高效反应的目的。

优选地，本方案提供的压力稳定装置还包括用于检测集水槽6内的压力的压力传感器13。当集水槽6排水之后，集水槽6内的压力也随之降低，本方案在关闭排水阀7并且打开第二开关阀4之后，可以通过向集水槽6内通入混合气的方式提高集水槽6内的压力，当压力传感器13检测到集水槽6内的压力提升至与电堆阳极出口11的压力一致时，可以再次打开第一开关阀3，使气水分离器5与集水槽6相通。

优选地，上述压力稳定装置还包括用于检测集水槽6内容纳的水量的水量检测装置。通过设置水量检测装置可以实时检测到集水槽6内的水量多少，当集水槽6内的水量达到上限时，可以由水量检测装置触发排水阀7打开排水，以及实现触发第一开关阀3和第二开关阀4关闭等功能。当集水槽6内的水量达到下限时，也可以由水量检测装置触发第二开关阀4打开以及触发排水阀7关闭等。

需要说明的是，上述水量检测装置可以有多种实现形式，例如通过液位计来检测集水槽6内的液位，或者通过称重装置检测集水槽6内的水量，等等。优选地，本方案中的水量检测装置包括设置于集水槽6内不同深度位置的多个液位检测装置。液位检测装置具体可以采用液位计或位移传感器等。如图2所示，本方案在集水槽6内设置有上限液位计14和下限液位计15，上限液位计14对应的液位高于下限液位计15对应的液位。当集水槽6内的液态水的液位达到上限液位计14时，上限液位计14可以触发相应的阀门进行动作，当液位低于下限液位计15时，下限液位计15可以触发相应的阀门进行动作。

优选地，第一开关阀3和/或第二开关阀4为定时开关阀。当集水槽6内的水量减少到下限时，排水阀7关闭，此时，可以通过延时打开第二开关阀4来将电堆阳极出口11的混合气通入到集水槽6内，即，确保集水槽6为密闭环境后再打开第二开关阀4，避免关闭排水阀7的同时打开第二开关阀4所造成的压力波动。当集水槽6内的压力提升至与电堆阳极出口11压力一致时，第二开关阀4关闭，此时，可以通过延时打开第一开关阀3来导通气水分离器5与集水槽6，即，当集水槽6内压力稳定后再打开第一开关阀3，避免关闭第二开关阀4的同时打开第一开关阀3造成压力波动。

进一步优选地，排水阀7为电子定时排水阀。当集水槽6内的水量达到上限时，关闭第一开关阀3和第二开关阀4，此时，可以通过延时打开排水阀7的方式进行排水，即，避免在关闭两个开关阀的同时打开排水阀7造成压力波动。

需要说明的是，本方案中的第二排气管路2的进气端可以直接连通于电堆阳极出口11，也可以连通于第一排气管路1上，优选地，本方案中的第二排气管路2的进气端连通于第一排气管路1的一侧，如图1所示，第一排气管路1和第二排气管路2形成三通管路结构。

如图3所示，本方案提供的压力稳定装置的主要控制策略如下：

燃料电池发动机启动后，随着电堆内的反应的进行，混合气从电堆阳极出口11排出，经过第一排气管路1直接进入气水分离器5中，将液态水分离出来，此时，第一开关阀3开启，第二开关阀4关闭，排水阀7也关闭，分离出来的液态水在重力和压力的作用下进入到集水槽6中进行暂存。

判断集水槽6的液位是否大于等于上限液位，如果是，则应排水，第一开关阀3关闭，第二开关阀4关闭，排水阀7可以延时K1秒开启，通过内部压力与外部大气压之间的压差将液态水排出；如果否，则第一开关阀3继续处于开启状态并向集水槽6内储存液态水。

随着集水槽6不断排水，集水槽6内的液位也越来越低，集水槽6内的压力也越来越低，因此，时刻判断集水槽6内的液位是否小于等于下限液位，如果是，则应停止排水，第一开关阀3关闭，排水阀7关闭，第二开关阀4可以延时K2秒开启，将电堆阳极出口11排出的混合气的一部分通入到集水槽6内，以此来提高集水槽6内的压力；如果否，则继续排水。

然后，实时判断集水槽6内的压力是否达到电堆阳极出口11的压力，如果未达到，即，集水槽6的压力小于电堆阳极出口11的压力，则继续向集水槽6内通入混合气；如果集水槽6的压力达到电堆阳极出口11的压力，则关闭第二开关阀4，关闭排水阀7，第一开关阀3可以延时K3秒开启，此时，即可将集水槽6与气水分离器5连通，使液态水进入集水槽6。

本实用新型还提供了一种包括上述压力温度装置的燃料电池发动机系统。该燃料电池发动机系统产生的有益效果的推导过程与上述压力稳定装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

优选地，所述燃料电池发动机系统为氢燃料电池发动机系统。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种压力稳定装置，应用于燃料电池发动机系统，其特征在于，包括气水分离器、集水槽以及用于连通于电堆阳极出口的第一排气管路和第二排气管路，所述第一排气管路的另一端连接于所述气水分离器，所述气水分离器的出水口通过第一开关阀与所述集水槽连接，所述第二排气管路的另一端连接于所述集水槽，所述集水槽的出水口设有排水阀，所述第二排气管路设有第二开关阀。

2.根据权利要求1所述的压力稳定装置，其特征在于，还包括用于检测所述集水槽内的压力的压力传感器。

3.根据权利要求1所述的压力稳定装置，其特征在于，还包括用于检测所述集水槽内容纳的水量的水量检测装置。

4.根据权利要求3所述的压力稳定装置，其特征在于，所述水量检测装置包括设置于所述集水槽内不同深度位置的多个液位检测装置。

5.根据权利要求1所述的压力稳定装置，其特征在于，所述第一开关阀和/或所述第二开关阀为定时开关阀。

6.根据权利要求1所述的压力稳定装置，其特征在于，所述排水阀为电子定时排水阀。

7.根据权利要求1所述的压力稳定装置，其特征在于，所述第二排气管路的进气端连通于所述第一排气管路的一侧。

8.一种燃料电池发动机系统，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的压力稳定装置。

9.根据权利要求8所述的燃料电池发动机系统，其特征在于，所述燃料电池发动机系统为氢燃料电池发动机系统。

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