CN220106597U - 一种低氢压燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及燃料电池系统技术领域，具体公开了一种低氢压燃料电池系统，包括供氢管道、与燃料电池系统中电堆和供氢管道分别连接的氢气循环回路、与电堆连接的空气输送管路；所述氢气循环回路包括通过管道与电堆氢气入口连接的氢气循环泵、通过管道与氢气循环泵另外一端连接的电动调节阀、以及通过管道与电堆和电动调节阀连接的疏水阀；所述供氢管道与电动调节阀与氢气循环泵之间的管道连通。本实用新型通过进气口的巧妙设置能够有效的实现低压氢气进入到燃料电池系统，通过氢气循环泵与电动调节阀的设置，使得低压氢气能够在燃料电池系统中提升压力并供电堆正常工作使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池系统技术领域，更具体地讲，涉及一种低氢压燃料电池系统。
背景技术
在车用氢燃料电池等工程应用领域，为了保证氢燃料的利用率，燃料电池系统的燃料回路大部分都是设计为循环回路，即利用循环泵或引射器等将燃料电池电堆未消耗完的氢燃料重新泵回系统进气口，未消耗完的氢燃料与新进入系统的氢燃料混合后再进入电堆进行反应。在实际的工程应用中，氢燃料一般是以MPa或几十MPa级的高压气态形式储存在燃料瓶中，氢燃料电池系统的工作压力一般为几十kPa到一两百kPa左右，所以储存燃料瓶中的高压氢气需要再通过燃料供气回路进行一级或多级减压后进入到电堆进行反应。
而住宅等应用场景的氢气燃料(或天然气重整氢气)一般是通过低压管道(2～3KPa)直接输送进入用户的燃料电池设备，而该氢燃料气体压力远低于燃料电池系统的正常工作压力，在低氢气压力条件下燃料电池系统管道的压损可能大于进气压力从而导致氢燃料无法进入电堆，最终导致燃料电池系统无法正常工作，或氢燃料气体进入电堆后由于氢气在电堆流道中分布不均、排水不畅等因素导致的燃料电池电堆性能低、节电压一致性差、寿命短等问题，遂针对住宅等应用场景需开发适用于超低氢气压力燃料电池系统。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种低氢压燃料电池系统，能够有效的实现低压氢气进入到燃料电池系统，通过循环泵与电动调节阀的设置，使得低压氢气能够进入燃料电池电堆内并进行正常工作；
本实用新型解决技术问题所采用的解决方案是：
一种低氢压燃料电池系统，包括供氢管道、与燃料电池系统中电堆和供氢管道分别连接的氢气循环回路、与电堆连接的空气输送管路；
所述氢气循环回路包括通过管道与电堆氢气入口连接的氢气循环泵、通过管道与氢气循环泵另外一端连接的电动调节阀、以及通过管道与电堆和电动调节阀连接的疏水阀；
所述供氢管道与电动调节阀与氢气循环泵之间的管道连通。
在一些可能的实施方式中，
所述氢气循环回路还包括与疏水阀与电动调节阀之间的管道连通的排气电磁阀。
在一些可能的实施方式中，
在所述氢气循环泵与电堆之间的管道上设置有压力传感器。
在一些可能的实施方式中，
在所述供氢管道上设置有氢气过滤器。
在一些可能的实施方式中，
所述空气输送管路包括通过管道依次与电推连接的空气流量传感器、空气泵、空气过滤器。
在一些可能的实施方式中，
还包括与电堆连接的散热管路。
在一些可能的实施方式中，
所述散热管路包括依次连接的冷却水箱和散热装置，所述冷却水箱、散热装置分别与电堆连接。
在一些可能的实施方式中，
在所述冷却水箱与电堆的管道之间设置有冷却水泵和进堆温度传感器，所述进堆温度传感器设置在冷却水泵与电堆之间；在所述散热装置与电堆的管道之间设置有出堆温度传感器。
在一些可能的实施方式中，
所述散热装置为设置有进水管和出水管的板式换热器，其中进水管与自来水管连接；在所述出水管上设置有热水温度传感器。
在一些可能的实施方式中，
还包括与氢气循环回路、空气输送管路、散热管路分别连接的控制单元。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
本实用新型将供氢管道的供气口设置在燃料电池系统的氢气循环泵入口处，通过循环泵的自吸功能，解决了低压氢气无法正常进入燃料电池系统的问题；
本实用新型通过设置电动调节阀，并通过调节电动调节阀的开度与氢气循环泵流量的匹配，可为电堆提供正常工作所需的氢气压力及流量；
本实用新型有效的解决了在低氢气压力条件下氢燃料由于系统管道压损无法进入电堆，或低压力氢气进入电堆后在流道中分布不均、排水不畅等问题；
本实用新型不需要在住宅等低氢压场景下外设加压泵等附属设备即可正常运行，降低了低氢压条件下的燃料电池应用成本和系统复杂程度；
本实用新型结构简单、实用性强。
附图说明
图1为本实用新型中实施例1的结构示意图；
图2为本实用新型中实施例2的结构视图；
其中：1-氢气过滤器，2-氢气循环泵，3-电堆，4-疏水阀，5-排气电磁阀，6-电动调节阀，7-空气过滤器，8-空气泵，9-空气流量传感器，10-散热装置，11-冷却水箱，12-冷却水泵，13-压力传感器，14-进堆温度传感器，15-出堆温度传感器，16-控制单元，17-进水管，18-热水温度传感器。
具体实施方式
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面对本实用新型进行详细说明。
如图1-图2所示：
一种低氢压燃料电池系统，包括供氢管道、与燃料电池系统中电堆3和供氢管道分别连接的氢气循环回路、与电堆3连接的空气输送管路；
所述氢气循环回路包括通过管道与电堆3氢气入口连接的氢气循环泵2、通过管道与氢气循环泵2另外一端连接的电动调节阀6、以及通过管道与电堆3和电动调节阀6连接的疏水阀4；
所述供氢管道与电动调节阀6与氢气循环泵2之间的管道连通。
优选的，电动调节阀6也可采用节流孔板进行替代。
本实用新型将供氢管道的供气口设置在燃料电池系统的氢气循环泵2入口处，通过氢气循环泵2的自吸功能，解决了低压氢气无法正常进入燃料电池系统的问题；
本实用新型通过设置电动调节阀6，并通过调节电动调节阀6的开度或或节流孔板孔径大小来实现与氢气循环泵2流量的匹配，可为燃料电池电堆3提供正常工作所需的氢气压力及流量；
本实用新型适用于所有氢气进气压力比燃料电池电堆3正常工作压力低的情况。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现将氢气循环回路中的杂质气体排出，并协助氢气循环回路的排水工作；
所述氢气循环回路还包括与疏水阀4与电动调节阀6之间的管道连通的排气电磁阀5。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现对于低压氢气在经过氢气循环泵2后的压力在进入电堆3前进行测试；
在所述氢气循环泵2与电堆3之间的管道上设置有压力传感器13。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现对于低压氢气中杂质过滤；
在所述供氢管道上设置有氢气过滤器1。
在一些可能的实施方式中，为了实现对于电堆3进行空气的供给，并能够有效的实现对于控制中杂质的去除，以及空气供给流量进行控制；
所述空气输送管路包括通过管道依次与电推连接的空气流量传感器9、空气泵8、空气过滤器7。
在一些可能的实施方式中，为了有效的电堆3进行散热；
还包括与电堆3连接的散热管路。
在一些可能的实施方式中，
所述散热管路包括依次连接的冷却水箱11和散热装置10，所述冷却水箱11、散热装置10分别与电堆3连接。冷却水箱11中储存有冷却液。
优选的，散热装置10可以为换热器；
在一些可能的实施方式中，
在所述冷却水箱11与电堆3的管道之间设置有冷却水泵12和进堆温度传感器14，所述进堆温度传感器14设置在冷却水泵12与电堆3之间；在所述散热装置10与电堆3的管道之间设置有出堆温度传感器15。
在一些可能的实施方式中，
所述散热装置10为设置有进水管17和出水管的板式换热器，其中进水管17与自来水管连接；在所述出水管上设置有热水温度传感器18，在所述进水管17上设置有自来水调节阀。
在一些可能的实施方式中，
还包括与氢气循环回路、空气输送管路、散热管路分别连接的控制单元16。
本实用新型中控制单元16与所有的排气电磁阀5、电动调节阀6、压力传感器13、温度传感器(进堆温度传感器14和出堆温度传感器15)进行连接、氢气循环泵2、散热装置10进行连接，实现自动控制。
实施例1：
本实施例运用于低氢压场景下的燃料电池发电：
来自供气管道的2-3KPa低压氢气通过氢气过滤器1接入燃料电池系统的氢气循环回路，供气管道的进气接口设置在氢气循环泵2与电动调节阀6或节流孔板之间，低压氢气通过氢气循环泵2升压后进入电堆3参加反应，未反应的剩余低压氢气从电堆3上的氢气出口排出并进入疏水阀4，通过疏水阀4将未参与反应的低压氢气与其携带的水汽进行分离，通过水汽分离的氢气再通过电动调节阀6回流至氢气入口处，并与新进入2-3KPa低压氢气混合，最后再由氢气循环泵2泵入电堆3继续参加反应；
压力传感器13将对进入电推前，低压氢气的压力进行实时检测，并将压力数据信息传递给控制单元16，同时控制单元16控制氢气循环泵2转速进而控制循环回路的氢气流量，并通过调节的电动调节阀6阀门的开度或节流孔板的孔径来实现电堆3正常工作所需的氢气压力条件；排气电磁阀5将根据燃料电池系统不同的功率输出条件，由控制单元16控制该排气电磁阀5以一定的频率、一定的开启时间来排出氢气循环回路中的杂质气体，并协助氢气循环回路的排水工作。
空气经空气过滤器7过滤后由空气泵8泵入电堆3，空气在进入电堆3前还需通过空气流量传感器9进行流量监测，并将流量数据传感给控制单元16，控制单元16根据空气流量情况实时调节空气泵8的转速来保证有足量的氧气进入系统参与反应，未参与反应的空气将由尾气排放管直接排出。
燃料电池系统反应所产生的热量由冷却水泵12将冷却水箱11中的冷却液泵入电堆3，冷却液将电堆3反应所产生的热量带出，并通过散热装置10将多余的热量交换到周围的环境中去，最后冷却液再回流至冷却水箱111，进堆温度传感器14和出堆温度传感器15将实时监测进出电堆3的冷却液的温度，将温度信息传递给控制单元16，控制单元16将根据温度信息实时调节水泵和散热装置10，以保证电堆3时刻处于适宜的运行温度条件中；
通过以上步骤，即可在没有外部加压设备的前提下实现低氢压场景的氢燃料电池发电应用，燃料电池系统的运行参数由控制单元16进行实时监控，系统可实现无人值守的自动运行。
实施例2：
本实施例运用于低氢压场景下的燃料电池热电联供；
如图2所示，来自供气管道等的2-3KPa氢气通过氢气过滤器1接入燃料电池系统的氢气循环回路，供气管道的进气接口设置在氢气循环泵2与电动调节阀6或节流孔板之间，进入系统的低压氢气通过氢气循环泵2升压后进入电堆3参加反应，未反应的剩余氢气从电堆3氢气出口排出并进入疏水阀4，通过疏水阀4将未参与反应的氢气与其携带的水汽进行分离，通过水汽分离的氢气再通过电动调节阀6回流至氢气入口处，并与新进入系统的低压氢气混合，混合后的气体最后再由氢气循环泵2泵入电堆3继续参加反应；压力传感器13将对进堆氢气压力进行实时检测，同时控制单元16控制氢气循环泵2转速进而控制循环回路的氢气流量，最后再通过调节的电动调节阀6阀门的开度或节流孔板的孔径大小来实现电堆3正常工作所需的氢气压力条件，其中排气电磁阀5将根据燃料电池系统不同的功率输出条件，由控制单元16控制该排气电磁阀5以一定的频率、一定的开启时间来排出氢气循环回路中的杂质气体，并协助氢气循环回路的排水工作。
空气经空气过滤器7过滤后由空气泵8泵入电堆3，空气在进入电堆3前还需通过空气流量传感器9进行流量监测，并将流量数据传感给控制单元16，控制单元16根据空气流量情况实时调节空气泵8的转速来保证有足量的氧气进入系统参与反应，未参与反应的空气将由尾气排放管直接排出。
燃料电池系统反应所产生的热量由冷却水泵12将冷却水箱11中的冷却液泵入电堆3，冷却液将电堆3反应所产生的热量带出，并通过板式换热器将多余的热量交换到自来水管进行回收再利用，冷却液最后再回流至冷却水箱111，进堆温度传感器14和出堆温度传感器15将实时监测进出电堆3冷却液的温度，同时控制单元16将根据温度情况实时调节水泵的转速和自来水调节阀的开度，来控制进入电堆3冷却液的温度和进出电堆3冷却液的温差，同时用热水温度传感器18检测系统热水回收温度；
通过以上步骤，即可在没有外部加压设备的前提下实现低氢压场景的氢燃料电池发电应用，燃料电池系统的运行参数由控制单元16进行实时监控，系统可实现无人值守的自动运行。
本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，包括供氢管道、与燃料电池系统中电堆和供氢管道分别连接的氢气循环回路、与电堆连接的空气输送管路；
所述氢气循环回路包括通过管道与电堆氢气入口连接的氢气循环泵、通过管道与氢气循环泵另外一端连接的电动调节阀、以及通过管道与电堆和电动调节阀连接的疏水阀；
所述供氢管道与电动调节阀与氢气循环泵之间的管道连通。
2.根据权利要求1所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，所述氢气循环回路还包括与疏水阀与电动调节阀之间的管道连通的排气电磁阀。
3.根据权利要求2所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，在所述氢气循环泵与电堆之间的管道上设置有压力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，在所述供氢管道上设置有氢气过滤器。
5.根据权利要求1所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，所述空气输送管路包括通过管道依次与电推连接的空气流量传感器、空气泵、空气过滤器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，还包括与电堆连接的散热管路。
7.根据权利要求6所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，所述散热管路包括依次连接的冷却水箱和散热装置，所述冷却水箱、散热装置分别与电堆连接。
8.根据权利要求7所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，在所述冷却水箱与电堆的管道之间设置有冷却水泵和进堆温度传感器，所述进堆温度传感器设置在冷却水泵与电堆之间；在所述散热装置与电堆的管道之间设置有出堆温度传感器。
9.根据权利要求8所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，所述散热装置为设置有进水管和出水管的板式换热器，其中进水管与自来水管连接；在所述出水管上设置有热水温度传感器。
10.根据权利要求8所述的一种低氢压燃料电池系统，其特征在于，还包括与氢气循环回路、空气输送管路、散热管路分别连接的控制单元。
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