CN216850015U - 燃料电池供氢装置和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种燃料电池供氢装置和燃料电池系统，其中，燃料电池供氢装置包括入氢口、出氢口、多个氢气通道和引射器，每一氢气通道上均设置有一比例阀，各个氢气通道的一端均经开关阀连通入氢口，各个氢气通道的另一端均经引射器连通出氢口。本实用新型技术方案，确保了在电堆功率需求很大时，对电堆入口的氢气压力的稳定和精确控制。

Description

燃料电池供氢装置和燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池供氢装置和燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种由空气和氢气在催化剂作用下进行化学反应产生电能的一种装置。近几年国家对碳排放要求逐渐提高，国家关于减碳、降碳、实现碳达峰及碳中相关的能源政策在不断落地。随着未来国家能源战略要求，以燃料电池为代表的新能源地位将不断提高，也逐渐成为能源转型的一种解决方案。随着燃料电池发展的日趋成熟，作为一种零污染、零排放的燃料电池汽车将会越来越多的进入到交通系统。未来燃料电池发电站也将会成为一种新型的发电、储能装置，成为新能源科技的代表产品进入大众视野。

燃料电池系统包括燃料电池模块(包括电堆)、氢气系统(包括氢瓶、流量压力控制装置、排水排气装置等)、空气系统(包括空压机、空气流量传感器、中冷器、增湿器、背压装置及尾排消音装置等)、冷却散热系统(包括水泵、散热器、温控阀、水箱等)、功率控制系统(包括功率变换装置及燃料电池控制器等)及辅助部件(包括管路、接头及辅助阀件等)组成。其中，燃料电池氢气系统通过标定入堆氢气压力后确定供氢流量及过量比，进行系统控制时为保持氢气与空气的压差在设定值附近，一般采用阳极气体压力跟随阴极气体压力的方式对电堆入口氢气压力进行控制。在控制电堆入口氢气的参数时，主要控制的是氢气压力及波动范围，还有氢气的温度、纯度等。

现有的燃料电池氢气系统中，都是通过一个氢气通路给电堆入口供氢气，通过控制调节该氢气通路上的比例阀的开度实现对电堆入口的氢气压力的控制，在电堆功率需求很大时，比例阀的开度(即占空比)需要很大，而由于比例阀在超过一定开度(例如75％)后，为比例阀的高占空比频率段，对氢气流量的控制的准确性和稳定性很差，易出现过大超调量，使氢气流量产生很大的波动，造成电堆入口的氢气压力不稳定，且控制不精确。

实用新型内容

本实用新型提供一种燃料电池供氢装置和燃料电池系统，旨在提升对燃料电池电堆入口的氢气压力的控制稳定性和精确度。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种燃料电池供氢装置，包括入氢口、开关阀、出氢口、多个氢气通道和引射器，每一所述氢气通道上均设置有一比例阀，各个所述氢气通道的一端均经所述开关阀连通所述入氢口，各个所述氢气通道的另一端均经所述引射器连通所述出氢口。

优选地，所述燃料电池供氢装置还包括：

泄压阀，设置在所述引射器与所述出氢口之间；

第一压力传感器，设置在所述入氢口与所述开关阀之间；

第二压力传感器，设置在所述泄压阀与所述出氢口之间；

气液分离器，所述气液分离器的氢气出口与所述引射器连通。

优选地，所述燃料电池供氢装置还包括集成阀座，所述入氢口设置于所述集成阀座的一端，所述出氢口设置于所述集成阀座的另一端，所述多个氢气通道形成于所述集成阀座内，各个所述氢气通道的比例阀均设置在所述阀座上，所述引射器设置在所述集成阀座上，所述泄压阀设置在所述集成阀座上，所述气液分离器连接在所述集成阀座的底侧。

优选地，所述集成阀座上还设有用于对集成阀座加热的阀座加热器。

优选地，所述气液分离器的底端具有排液口，所述气液分离器的侧壁具有废气排出口和用于与电堆出口相连的气液混合物入口，所述气液分离器上还设有用于检测电堆出口的氢气压力的第三压力传感器，及用于检测水位高度的液位传感器。

优选地，所述燃料电池供氢装置还包括前端进氢组件，所述前端进氢组件包括用于接氢气气源的缓冲罐和用于对氢气进行预热的预热器，所述缓冲罐的出口经所述预热器连通所述入氢口。

优选地，所述燃料电池供氢装置还包括控制器，所述控制器电连接各个所述比例阀。

本实用新型进一步提出一种燃料电池系统，包括电堆和上述燃料电池供氢装置，所述出氢口与所述电堆的电堆入口连通。

本实用新型燃料电池供氢装置技术方案，通过在入氢口与出氢口之间采用并联设置的多个氢气通道，且每个氢气通道均设置比例阀以控制氢气流量，从而在电堆的需求功率很大时，可通过控制多个比例阀开启，让多个氢气通道同时给电堆入口供氢，以满足电堆入口所需的氢气压力，由于是多个氢气通道分摊电堆入口的供氢需求，因此，每个氢气通道的比例阀的开度都可以不用超过预设开度(例如75％)，即不使用比例阀的高占空比频率段，从而各个开通的氢气通道的氢气流量都能通过比例阀稳定和精确的控制，进而保证了对电堆入口的氢气压力的稳定和精确控制。

附图说明

图1为本实用新型燃料电池供氢装置一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型燃料电池供氢装置二实施例的结构示意图；

图3为本实用新型燃料电池供氢装置三实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种燃料电池供氢装置，主要应用于燃料电池系统。

参照图1，图1是本实用新型燃料电池供氢装置一实施例的结构示意图。

在本实施例中，燃料电池供氢装置包括入氢口B1、开关阀K1、出氢口B2、多个氢气通道L和引射器Y；每一氢气通道L上均设置有一比例阀K2，各个氢气通道L的一端均经开关阀K1连通入氢口B1，各个氢气通道L的另一端均经引射器Y连通出氢口B2，即各个氢气通道L采用并联的方式设置。需要说明的是，本实施例图中仅以两个氢气通道L为例，在其他实施例中，氢气通道L的数量还可以为更多个。

其中，入氢口B1用于供从氢气气源输送过来的氢气进入，出氢口B2用于连通电堆入口。在开关阀K1开启且各个比例阀K2开启时，氢气从入氢口B1进入，经过开关阀K1分别流向各个氢气通道L，经各个氢气通道L流入引射器Y，再经引射器Y将从氢气通道L输送过来的氢气输出至出氢口B2。通过控制各个比例阀K2的开闭状态，来对应控制各个氢气通道L的通断；在比例阀K2为开启状态时，通过控制比例阀K2的开度大小，来控制其对应的氢气通道L的氢气流量大小。

在电堆的功率需求较小时(即电堆入口需求的氢气压力较小)，控制一个比例阀K2开启至对应的开度即可，满足电堆的供氢需求；在电堆的功率需求很大时(即电堆入口需求的氢气压力很大)，可以控制多个比例阀K2开启(例如，同时开启2个、3个或更多个比例阀K2)，从而使多个氢气通道L为电堆入口供氢，以满足电堆的大功率需求，通过多个氢气通道L分摊氢气流量，可以使各个氢气通道L 的比例阀K2的开度都不用超过预设开度(例如75％)，即不使用比例阀K2的高占空比频率段，从而通过各个开通的氢气通道L的氢气流量都能通过比例阀K2稳定和精确的控制，进而实现对电堆入口的氢气压力的稳定和精确控制。

本实施例的燃料电池供氢装置，通过在入氢口B1与出氢口B2 之间采用并联设置的多个氢气通道L，且每个氢气通道L均设置比例阀K2以控制氢气流量，从而在电堆的需求功率很大时，可通过控制多个比例阀K2开启，让多个氢气通道L同时给电堆入口供氢，以满足电堆入口所需的氢气压力，由于是多个氢气通道L分摊电堆入口的供氢需求，因此，每个氢气通道L的比例阀K2的开度都可以不用超过预设开度(例如75％)，即不使用比例阀K2的高占空比频率段，从而各个开通的氢气通道L的氢气流量都能通过比例阀K2稳定和精确的控制，进而保证了对电堆入口的氢气压力的稳定和精确控制。

参阅图2，图2是实用新型燃料电池供氢装置二实施例的结构示意图。

在本些实施例中，燃料电池供氢装置还包括泄压阀K3、第一压力传感器PT101、第二压力传感器PT102和气液分离器X。其中，泄压阀K3设置在引射器Y与出氢口B2之间，在出氢口B2氢气压力超过设定值，开启泄压，防止出氢口B2的氢气压力超过安全压力值，以保证氢气系统的安全。第一压力传感器PT101设置在入氢口B1与开关阀K1之间(例如，邻近入氢口B1设置)，用于检测入氢口B1 的氢气压力；第二压力传感器PT102设置在泄压阀K3与出氢口B2 之间(例如，邻近出氢口B2设置)，用于检测出氢口B2的氢气压力的第二压力传感器PT102。气液分离器X的氢气出口与引射器Y连通，从气液分离器X分离出的氢气送到引射器Y的混合室与从氢气通道L输送过来的氢气混合，再经泄压阀K3输送到出氢口B2。

在一些实施例中，气液分离器X的底端具有排液口，气液分离器X的侧壁具有废气排出口和用于与电堆出口相连的气液混合物入口，气液分离器X上还设有用于检测电堆出口的氢气压力的第三压力传感器PT103，及用于检测水位高度的液位传感器LS101。气液分离器X对从电堆出口出来的混合物(包含循环氢气、水蒸气、冷凝水等)进行水汽分离。进一步地，排液口上接有带加热排水阀K4的管路，加热排水阀K4控制水汽分离器中分离出的冷凝水的排除，在低温时，加热排水阀K4加热防止结冰导致冷凝水无法排出；废气排出口上接有带排气阀K5的管路，排气阀K5用于控制气液分离器X 中分离出的杂质气体(主要是氮气)的排出。

在一些实施例中，燃料电池供氢装置还包括前端进氢组件，前端进氢组件包括用于接氢气气源的缓冲罐H和用于对氢气进行预热的预热器Q，缓冲罐H的出口经预热器Q连通入氢口B1。其中，缓冲罐H的作用：一方面是让氢气到达比例阀K2时压力波动更小，使经过比例阀K2控制后的出气压力更加平稳；另一方面是在燃料电池系统关机后，可以利用缓冲罐H中的氢气对电堆样机进行冲刷吹扫，以达到系统关机要求。预热器Q的作用：则是通过冷却液换热的方式对氢气进行加热，使氢气达到系统需要的温度范围，控制好氢气的温度；尤其在环境温度较低时，其预热作用尤为重要。

参阅图3，图3是本实用新型燃料电池供氢装置三实施例的结构示意图。

在本实施例中，燃料电池供氢装置还包括集成阀座10，入氢口B1 设置于集成阀座10的一端，出氢口B2设置于集成阀座10的另一端，多个氢气通道L形成于集成阀座10内，各个氢气通道L的比例阀K2 均设置在阀座上，引射器Y设置在集成阀座10上，泄压阀K3设置在集成阀座10上，气液分离器X连接在集成阀座10的底侧。本实施例通过将开关阀K1、氢气通道L、比例阀K2、引射器Y和气液分离器X集成设置在一个阀座上形成集成式的模块，一方面可以使燃料电池系统的整体布置更加容易、简单，另一方面大幅减少连接管路的使用，有效的避免了大量管路使用导致氢气泄漏的问题。

在一些实施例中，集成阀座10上还设有用于对集成阀座10加热的阀座加热器11。当燃料电池供氢装置在低温环境下运行工作时，可以通过阀座加热器11对集成阀座10进行加热，保证整个阀座的温度，从而防止阀座上的各个结构即氢气通道L内的氢气低温结冰，确保能够正常运行。

在一些实施例中，燃料电池供氢装置还包括控制器，控制器电连接各个比例阀，控制各个比例阀的开度。

在一些实施例中，本实用新型的燃料电池供氢装置的所有电气部件均由控制器的信号控制。

以上所述的仅为本实用新型的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本实用新型保护的范围，凡是在与本实用新型一个整体的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型保护的范围内。

Claims (8)

1.一种燃料电池供氢装置，其特征在于，包括入氢口、开关阀、出氢口、多个氢气通道和引射器，每一所述氢气通道上均设置有一比例阀，各个所述氢气通道的一端均经所述开关阀连通所述入氢口，各个所述氢气通道的另一端均经所述引射器连通所述出氢口。

2.根据权利要求1所述的燃料电池供氢装置，其特征在于，还包括：

泄压阀，设置在所述引射器与所述出氢口之间；

第一压力传感器，设置在所述入氢口与所述开关阀之间；

第二压力传感器，设置在所述泄压阀与所述出氢口之间；

气液分离器，所述气液分离器的氢气出口与所述引射器连通。

3.根据权利要求2所述的燃料电池供氢装置，其特征在于，还包括集成阀座，所述入氢口设置于所述集成阀座的一端，所述出氢口设置于所述集成阀座的另一端，所述多个氢气通道形成于所述集成阀座内，各个所述氢气通道的比例阀均设置在所述阀座上，所述引射器设置在所述集成阀座上，所述泄压阀设置在所述集成阀座上，所述气液分离器连接在所述集成阀座的底侧。

4.根据权利要求3所述的燃料电池供氢装置，其特征在于，所述集成阀座上还设有用于对集成阀座加热的阀座加热器。

5.根据权利要求2所述的燃料电池供氢装置，其特征在于，所述气液分离器的底端具有排液口，所述气液分离器的侧壁具有废气排出口和用于与电堆出口相连的气液混合物入口，所述气液分离器上还设有用于检测电堆出口的氢气压力的第三压力传感器，及用于检测水位高度的液位传感器。

6.根据权利要求1所述的燃料电池供氢装置，其特征在于，还包括前端进氢组件，所述前端进氢组件包括用于接氢气气源的缓冲罐和用于对氢气进行预热的预热器，所述缓冲罐的出口经所述预热器连通所述入氢口。

7.根据权利要求1所述的燃料电池供氢装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器电连接各个所述比例阀。

8.一种燃料电池系统，包括电堆，其特征在于，还包括权利要求1至7中任一项所述的燃料电池供氢装置，所述出氢口与所述电堆的电堆入口连通。

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