CN217485497U - 一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，属于燃料电池技术领域，解决了现有装置应用于低氧环境作业时能源转换效率过低的问题。该装置包括电堆、氢气罐、氢喷设备、引射器、氧分离器、空压机、分配阀和控制器。电堆的氢气入口依次经引射器、氢喷设备接氢气罐的气体出口，其氢气尾气出口接引射器的引流入口，其空气入口接分配阀的输出端。氧分离器的氧气出口经空压机接分配阀的输入端一，其氮气出口接分配阀的输入端二。控制器，用于定时采集氧分离器的输入端‑氧气出口气体压差识别氧分离器内高温透氧膜是否需要活化，如果是，控制燃料电池关机后，对氧分离器执行活化加热直到识别高温透氧膜中活性物质被还原，再开机。

Description

一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机。

背景技术

燃料电池发动机是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的装置。其通常包含电堆和外围的氢气、空气、冷却设备等零部件。而电堆进一步包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片单片电池的理论电压为1.23 V，其通常通过几百片单片电池并联实现大功率输出。

目前，燃料电池发动机主要应用于氢能燃料电池汽车中。氢能燃料电池汽车是一种具有广阔发展应用前景的新能源汽车，具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。

而燃料电池发动机应用于一些低氧环境场景中，例如高空或密闭环境，由于氧分压是燃料电池内部反应的关键参数，而空气中占绝大比例的氮气并不参与反应，这将导致燃料电池的能量转换效率非常低。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，用以解决现有燃料电池发动机应用于低氧环境作业时能源转换效率过低的问题。

一方面，本实用新型实施例提供了一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，包括电堆、氢气罐、氢喷设备、引射器、氧分离器、空压机、分配阀，以及，用于在燃料电池发动机处于正常运行状态时根据定时采集的氧分离器的输入端-氧气出口气体压差识别到氧分离器内高温透氧膜需要活化后控制燃料电池发动机关机再对氧分离器执行活化加热直到识别高温透氧膜中活性物质被还原再执行燃料电池发动机开机的控制器；

电堆的氢气入口依次经引射器、氢喷设备接氢气罐的气体出口，其氢气尾气出口接引射器的引流入口，其空气入口接分配阀的输出端；氧分离器的氧气出口经空压机接分配阀的输入端一，其氮气出口接分配阀的输入端二。

上述技术方案的有益效果如下：提出了一种适用于低氧环境下工作的耐久性燃料电池发动机。通过设置氧分离器，可有效提高电堆空气端的含氧量，从而提高燃料电池的能量转换效率。由于高温透氧膜使用一段时间后，其膜内的化学活性物质会与空气中的二氧化碳发生缓慢的化学反应，导致透氧速率下降，压差增大，经大量试验证明透氧速率与氧分离器的输入端-氧气出口气体压差呈正相关。因此，上述方案中控制器定时根据氧分离器的输入端-氧气出口气体压差识别透氧速率是否降低至允许下限（即高温透氧膜是否需要活化），一旦需要活化，则关闭整个燃料电池发动机，转用车载的蓄电池或其他电池供电，并单独控制氧分离器执行活化加热，将活性物质还原后再次启动燃料电池进行供电，有效提高了该燃料电池发动机的耐久性。

基于上述装置的进一步改进，该燃料电池发动机还包括氢侧调压阀和空侧调压阀；其中，

所述氢侧调压阀的输入端接电堆的氢气尾气出口，控制端与控制器的输出端连接；

所述空侧调压阀的输入端接电堆的空气尾气出口，控制端与控制器的输出端连接。

进一步，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。

进一步，所述数据采集单元进一步包括：

气体压力传感器，分别设于氧分离器的输入端处、氧气出口处管道内壁上，氢侧调压阀、空侧调压阀的输入端管道内壁上，以及电堆的氢气入口、空气入口管道内壁上；

温度传感器，设于氧分离器的内部；

电流传感器，设于电堆的供电端。

进一步，所述数据采集单元还包括：

空气流量计，设于氧分离器的入口处。

进一步，所述数据处理与控制单元具有显示模块；其中，

所述显示模块的显示屏上显示当前时刻空气的瞬时流量，电堆的实时输出电流，以及入堆氢气压力、入堆空气压力。

进一步，该燃料电池发动机还包括密封阀；其中，

所述密封阀的一端悬置，另一端与氧分离器的的氮气出口连接，其控制端与控制器的输出端连接。

进一步，该燃料电池发动机还包括空气循环装置；其中，

所述空气循环装置的输入端与电堆的空气尾气出口连接，其输出端与电堆的空气入口连接，其控制端与控制器的输出端连接。

进一步，该燃料电池发动机还包括气水分离器；其中，

电堆的氢气尾气出口还与上述气水分离器的输入端连接。

进一步，该燃料电池发动机还包括压力泵、回收开关阀；其中，

电堆的氢气尾气出口还依次经气水分离器、压力泵、回收开关阀与氢气罐的气体入口连接；

所述压力泵、回收开关阀的控制端分别与控制器的输出端连接。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

1、在尾排中增加了气水分离器、压力泵、回收开关阀，能够对未利用的氢气进行及时回收，防止燃料气浪费。

2、通过设置引射器、空气循环装置，有效提高了电堆输入气体的利用率。

3、在纯氧的环境中，氧化性太强，为了提高零部件的寿命，因此会掺杂一定成分的氮气，但可在空气循环装置的入口处空气尾气达到设定压力后，将氧分离器得到的氮气排出，从而保证入堆空气中氧气的体积比例，提高燃料电池的能量转换效率。

提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1适用于低氧环境作业的燃料电池发动机组成示意图；

图2示出了实施例2适用于低氧环境作业的燃料电池发动机组成示意图；

图3示出了实施例2燃料电池发动机的空气系统主要结构图。

附图标记：

1- 空气流量计；2- 空压机；3- 氧分离器；4- 密封阀；5- 电堆；6- 空侧调压阀；7- 分配阀；P1- 气体压力传感器(设于氧分离器输入端处管道内壁上)；P2- 气体压力传感器（设于氧分离器的氧气出口处管道内壁上）。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本实用新型的一个实施例，公开了一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，如图1所示，包括电堆、氢气罐、氢喷设备、引射器、氧分离器、空压机、分配阀和控制器。

其中，电堆的氢气入口依次经引射器、氢喷设备接氢气罐的气体出口，其氢气尾气出口接引射器的引流入口，其空气入口接分配阀的输出端；氧分离器的氧气出口经空压机接分配阀的输入端一，其氮气出口接分配阀的输入端二。

控制器，用于在燃料电池发动机处于正常运行状态时，定时采集氧分离器的输入端-氧气出口气体压差识别氧分离器内高温透氧膜是否需要活化，如果是，控制燃料电池发动机关机后，对氧分离器执行活化加热直到识别高温透氧膜中活性物质被还原，再执行燃料电池发动机的开机。

具体地，氧分离器的输入端-氧气出口气体压差为P ₂-P ₁，其中，P ₁为氧分离器的输入端处气体压力，P ₂为氧分离器的氧气出口处气体压力。

当氧分离器的输入端-氧气出口气体压差大于设定阈值（可通过实验室标定得到），判定氧分离器内高温透氧膜需要活化，否则，判定不需要活化。或者，将设定时间段内氧分离器的输入端-氧气出口气体压差输入训练好的深度神经网络或其他学习网络，也可得出氧分离器内高温透氧膜是否需要活化的识别结果。

关于活性物质被还原的识别结果可通过加热时间达到设定值（可通过实验室标定得到），或参见CN201780019523.2中所述方法以及其他现有识别方法。

对氧分离器执行活化加热的具体温度取决于高温透氧膜中活性物质的还原温度。不同材料的活性物质，还原温度不同。

需说明的是，氧分离器的结构参见专利CN201380039222.8、CN201920525750.9、CN202120461920.9等。

该发动机还包括冷却液控制支路，可参见专利CN202011171825.1等，均采用现有设备，无需赘述，此处进行了省略，本领域技术人员能够理解。

与现有技术相比，本实施例提出了一种适用于低氧环境下工作的耐久性燃料电池发动机。通过设置氧分离器，可有效提高电堆空气端的含氧量，从而提高燃料电池的能量转换效率。由于氧分离器内高温透氧膜使用一段时间后，其膜内的化学活性物质会与空气中的二氧化碳发生缓慢的化学反应，导致透氧速率下降，压差增大，经大量试验证明透氧速率与氧分离器的输入端-氧气出口气体压差呈正相关。因此，上述方案中控制器定时根据氧分离器的输入端-氧气出口气体压差识别透氧速率是否降低至允许下限（即高温透氧膜是否需要活化），一旦需要活化，则关闭整个燃料电池发动机，转用车载的蓄电池或其他电池供电，并控制氧分离器执行活化加热，将活性物质还原后再次启动燃料电池发动机进行供电，有效提高了该燃料电池发动机的耐久性。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，所述氧分离器中的高透膜采用含钡钙钛矿氧化物材质。含钡钙钛矿氧化物表面析出的氧化钡纳米粒子对氧活化具有超高活性，该粒子也是氧交换反应的活性位点，因此可以用来制备高温透氧膜，实现对空气中氧气的高效分离，适合多种场景下的燃料电池发动机应用。氧分离器的高温透氧膜使用一段时间后，其膜内的化学活性物质会与空气中的二氧化碳发生缓慢的化学反应，导致透氧速率下降，压差增大。将其温度提升至800℃以上，可有有效地将活性物质还原。

优选地，该燃料电池发动机还包括氢侧调压阀、空侧调压阀，如图2~3所述。其中，所述氢侧调压阀的输入端接电堆的氢气尾气出口，控制端与控制器的输出端连接。所述空侧调压阀的输入端接电堆的空气尾气出口，控制端与控制器的输出端连接。

优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。

数据采集单元，用于实时获取氧分离器的输入端处、氧气出口处的气体压力，发送至数据处理与控制单元。

数据处理与控制单元，用于识别燃料电池发动机处于正常运行状态时，定时根据氧分离器的输入端处、氧气出口处的气体压力得出氧分离器的输入端-氧气出口气体压差，识别氧分离器内高温透氧膜是否需要活化，如果是，控制燃料电池发动机关机后，对氧分离器执行设定温度T的活化加热直到识别高温透氧膜中活性物质被还原，再执行燃料电池发动机的开机，否则，维持当前时刻燃料电池发动机的运行状态不变。

优选地，所述数据采集单元进一步包括气体压力传感器、温度传感器、电流传感器、空气流量计、大气压力传感器。

气体压力传感器，分别设于氧分离器的输入端处、氧气出口处管道内壁上，氢侧调压阀、空侧调压阀的输入端管道内壁上，以及电堆的氢气入口、空气入口管道内壁上，用于获取布设位置处的气体压力。

温度传感器，设于氧分离器的内部，用于获取氧分离器内环境温度。

电流传感器，设于电堆的供电端，用于获取电堆的实时输出电流。

空气流量计，设于氧分离器的入口处，用于获取获取当前时刻空气的瞬时流量。

大气压力传感器，设于电堆外部，用于获取当前时刻的大气压力。

优选地，所述数据处理与控制单元具有显示模块。其中，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻空气的瞬时流量，电堆的实时输出电流，以及入堆氢气压力、入堆空气压力。

优选地，该燃料电池发动机还包括密封阀、空气循环装置。

密封阀的一端悬置，另一端与氧分离器的的氮气出口连接，其控制端与控制器的输出端连接。

空气循环装置的输入端与电堆的空气尾气出口连接，其输出端与电堆的空气入口连接，其控制端与控制器的输出端连接。

优选地，该燃料电池发动机还包括气水分离器、压力泵、回收开关阀。其中，电堆的氢气尾气出口还依次经上述气水分离器、压力泵、回收开关阀与氢气罐的气体入口连接。所述压力泵、回收开关阀的控制端分别与控制器的输出端连接。

优选地，电堆的氢气尾气出口还依次经氢侧调压阀、气水分离器、压力泵、回收开关阀与氢气罐的气体入口连接；所述压力泵、回收开关阀的控制端分别与控制器的输出端连接。

与实施例1相比，本实施例提供的燃料电池发动机具有如下有益效果：

1、在尾排中增加了气水分离器、压力泵、回收开关阀，能够对未利用的氢气进行及时回收，防止燃料气浪费。

2、通过设置引射器、空气循环装置，有效提高了电堆输入气体的利用率。

3、在纯氧的环境中，氧化性太强，为了提高零部件的寿命，因此会掺杂一定成分的氮气，但在空气循环装置的入口处空气尾气达到设定压力后，氧分离器得到的氮气会排出，从而保证入堆空气中氧气的体积比例，提高燃料电池的能量转换效率。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，包括电堆、氢气罐、氢喷设备、引射器、氧分离器、空压机、分配阀，以及，用于在燃料电池发动机处于正常运行状态时根据定时采集的氧分离器的输入端-氧气出口气体压差识别到氧分离器内高温透氧膜需要活化后控制燃料电池发动机关机再对氧分离器执行活化加热直到识别高温透氧膜中活性物质被还原再执行燃料电池发动机开机的控制器；

电堆的氢气入口依次经引射器、氢喷设备接氢气罐的气体出口，其氢气尾气出口接引射器的引流入口，其空气入口接分配阀的输出端；氧分离器的氧气出口经空压机接分配阀的输入端一，其氮气出口接分配阀的输入端二。

2.根据权利要求1所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，还包括氢侧调压阀和空侧调压阀；其中，

所述氢侧调压阀的输入端接电堆的氢气尾气出口，控制端与控制器的输出端连接；

所述空侧调压阀的输入端接电堆的空气尾气出口，控制端与控制器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。

4.根据权利要求3所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，所述数据采集单元进一步包括：

气体压力传感器，分别设于氧分离器的输入端处、氧气出口处管道内壁上，氢侧调压阀、空侧调压阀的输入端管道内壁上，以及电堆的氢气入口、空气入口管道内壁上；

温度传感器，设于氧分离器的内部；

电流传感器，设于电堆的供电端。

5.根据权利要求4所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，所述数据采集单元还包括：

空气流量计，设于氧分离器的入口处。

6.根据权利要求5所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，所述数据处理与控制单元具有显示模块；其中，

所述显示模块的显示屏上显示当前时刻空气的瞬时流量，电堆的实时输出电流，以及入堆氢气压力、入堆空气压力。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，还包括密封阀；其中，

所述密封阀的一端悬置，另一端与氧分离器的氮气出口连接，其控制端与控制器的输出端连接。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，还包括空气循环装置；其中，

所述空气循环装置的输入端与电堆的空气尾气出口连接，其输出端与电堆的空气入口连接，其控制端与控制器的输出端连接。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，还包括气水分离器；其中，

电堆的氢气尾气出口还与上述气水分离器的输入端连接。

10.根据权利要求9所述的适用于低氧环境作业的燃料电池发动机，其特征在于，还包括压力泵、回收开关阀；其中，

电堆的氢气尾气出口还依次经气水分离器、压力泵、回收开关阀与氢气罐的气体入口连接；

所述压力泵、回收开关阀的控制端分别与控制器的输出端连接。

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