CN107634247A - 燃料电池系统供氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统供氢装置，其通过在氢气循环泵所在的循环通路内设置单向阀，使气体只能通过所述循环通路从排气管路流向进气管路，避免了在氢气循环泵不能工作时(如氢气循环泵发生故障、损坏或当外界环境温度低于冰点，发生转子结冰现象时)发生的气体从进气管路通过循环通路直接流向排气管路的倒流现象，减少了氢气的浪费，提高了氢气的利用率及电堆的化学反应质量。同时，由于单向阀的设置，可以通过关闭氢气循环泵，利用安装在电堆的氢气入口处的氢气压力传感器，通过对其检测压力的波动判断，实现对电磁阀的故障诊断。

Description

燃料电池系统供氢装置

技术领域

本发明涉及燃料电池系统设计领域，尤其涉及一种燃料电池系统供氢装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能把存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置.只要在阳极侧和阴极侧不断的供给燃料(一般为氢气)和氧化剂(一般为空气)，它就可以通过氧化还原反应，不断地对外输出电能。与一般的充电电池(例如锂电池)不同的是，单纯的一个燃料电池或燃料电池电堆单元是不能工作的，它需要一套复杂的辅助系统与其配合，构成一个燃料电池发电系统才能对外发电。一个典型的燃料电池发电系统，在除了燃料电池电堆外，一般还包括氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统以及电管理和控制子系统等，主要辅助系统部件包括空气压缩机、增湿器、冷却水泵、氢气循环泵等。

供氢装置，即氢气供应子系统是燃料电池发电系统的一个重要子系统之一，为燃料电池发电提供具有一定压力和流量的所需氢气，如图1所示。供氢装置一般通过储氢设备2’和一系列的减压装置，将氢气输送进入电堆1’参与反应，氢气压力由装在电堆入口处的氢气压力传感器9’进行实时测量。为了提高氢气利用率和电堆运行安全性，反应剩余氢气一般不直接排入大气，而是通过使用一个氢气循环泵6’，将氢气回路上未反应的氢气从燃料电池电堆1’阳极侧出口直接泵回阳极侧入口，与入口处新鲜注入的反应气汇合后进入燃料电池重新参加反应。燃料电池在正常使用过程中，电堆1’阴极侧反应空气中的氮气和反应后的生成水，由于浓度差异，会通过质子交换膜不断的向阳极侧扩散，导致阳极侧氢气的有效浓度不断的降低，影响反应速率和电堆性能。在系统设计中，一般会在电堆1’阳极侧出口管路上增设一个电磁阀8’。该电磁阀8’根据系统控制设计需求，会周期性的开启与关闭，将氢气回路中的部分氢气、氮气和水周期性的向大气排放，防止氮气和水在氢气回路中的不断积聚。

氢气循环泵6’在使用过程中，一般会与系统同时开启与关闭。氢气循环泵在使用过程中，难免发生故障甚至损坏，导致其无法正常开启。同时，当外界环境温度低于冰点时，系统关闭时，附着在循环泵转子上的冷凝液态水凝结成冰，氢气循环泵6’在系统再次开启过程中，转子由于冰的存在，无法转动，氢气循环泵6’在燃料电池发电系统冷启动期间不能正常工作，直至附着在转子上的固态冰融化。在氢气循环泵6’无法正常工作期间，氢气循环泵6’处于导通状态，输送至电堆1’入口处的部分氢气，将不经过燃料电池电堆，而直接通过氢气循环泵6’和电磁阀8’，排入大气，产生氢气倒流现象。一方面这将使大量氢气未参与化学反应而浪费，降低氢气利用率；另一方面这使进入电堆1’阳极侧的氢气流量和压力下降，甚至产生欠气现象，使电堆性能下降，严重时将导致电堆寿命的衰减。

发明内容

本发明提供一种燃料电池系统供氢装置，以解决氢气循环泵不能正常工作时而发生的氢气倒流现象。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池系统供氢装置，其包括储氢设备、进气管路、氢气压力传感器、排气管路、循环通路和氢气循环泵，所述进气管路和所述排气管路的一端均与所述燃料电池系统中的电堆相通，所述进气管路的另一端接入所述储氢设备，所述氢气压力传感器设置于所述电堆入口处的进气管路中，所述循环通路的两端分别接入所述进气管路和所述排气管路中，所述氢气循环泵设置于所述循环通路中，所述循环通路中还设有单向阀，所述单向阀用于阻止气体通过所述循环通路从所述进气管路流向所述排气管路。

进一步的，所述储氢设备为储氢瓶。

进一步的，所述进气管路和所述排气管路的一端分别位于所述电堆相对的两侧。

进一步的，所述单向阀为可调阀门，所述单向阀又称为止回阀或逆止阀，只允许流体(包括气体和液体)按一指定的方向流动。。

进一步的，所述单向阀设置于所述氢气循环泵与所述进气管路之间的循环通路中。

进一步的，还包括电磁阀，所述电磁阀设置于所述排气管路中。

进一步的，所述电磁阀设置于所述排气管路的另一端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的燃料电池系统供氢装置通过在氢气循环泵所在的循环通路内设置单向阀，使气体只能通过所述循环通路从排气管路流向进气管路，避免了在氢气循环泵由于发生故障、损坏、结冰等状况而不能正常工作时，发生气体从进气管路通过循环通路直接流向排气管路的倒流现象，减少了氢气的浪费，提高了氢气的利用率及电堆的化学反应质量。同时，由于单向阀的设置，可以通过关闭氢气循环泵，利用安装在电堆的氢气入口处的氢气压力传感器，通过对其检测压力的波动判断，实现对电磁阀的故障诊断。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为现有技术中燃料电池系统供氢装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的燃料电池系统供氢装置的结构示意图。

在图1和图2中，

1’、1：电堆；2’、2：储氢设备；3：进气管路；4：排气管路；5：循环通路；6’、6：氢气循环泵；7：单向阀；8’、8：电磁阀；9、9’：氢气压力传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的燃料电池系统供氢装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种燃料电池系统供氢装置，其通过在氢气循环泵所在的循环通路内设置单向阀，使气体只能通过所述循环通路从排气管路流向进气管路，避免了在氢气循环泵不能正常工作时(如氢气循环泵发生故障、损坏或当外界环境温度低于冰点，发生转子结冰现象))，发生气体从进气管路通过循环通路直接流向排气管路的倒流现象，减少了氢气的浪费，提高了氢气的利用率及电堆的化学反应质量。同时，由于单向阀的设置，可以通过关闭氢气循环泵，利用安装在电堆的氢气入口处的氢气压力传感器，通过对其检测压力的波动判断，实现对电磁阀的故障诊断。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的燃料电池系统供氢装置的结构示意图。

如图2所示，本发明实施例提供一种燃料电池系统供氢装置，其包括储氢设备2、进气管路3、氢气压力传感器9、排气管路4、循环通路5和氢气循环泵6，所述进气管路3和所述排气管路4的一端均与所述燃料电池系统中的电堆1相通，所述进气管路3的另一端接入所述储氢设备2，所述氢气压力传感器9设置于所述电堆1入口处的进气管路3中，所述循环通路5的两端分别接入所述进气管路3和所述排气管路4中，所述氢气循环泵6设置于所述循环通路5中，所述循环通路5中还设有单向阀7，所述单向阀7用于阻止气体通过所述循环通路5从所述进气管路3流向所述排气管路4。

本发明实施例提供的燃料电池系统供氢装置通过在氢气循环泵6所在的循环通路5内设置单向阀7，使气体只能通过所述循环通路5从排气管路4流向进气管路3，避免了在氢气循环泵6不能工作时(如氢气循环泵发生故障、损坏或当外界环境温度低于冰点，发生转子结冰现象)发生的气体从进气管路3通过循环通路5直接流向排气管路4的倒流现象，减少了氢气的浪费，提高了氢气的利用率及电堆1的化学反应质量。同时，单向阀7的设置为实现电磁阀8的故障诊断提供了可操作性的方法。电磁阀8在正常工作时，根据系统控制设计的需求，会周期性的开启与关闭。电磁阀8在使用过程中，也难免会发生故障、损坏或当外界环境温度低于冰点时，发生结冰现象，导致电磁阀8常开无法关闭或常关闭无法开启的发生。氢气循环泵6的使用加速了氢气在电堆1的阳极流道内的流速，使阳极侧的氢气流阻(或压降)较大，电磁阀8在发生上述故障而导致的压力波动与阳极侧的氢气流阻(压降)相比较小，安装在电堆1的氢气入口处的氢气压力传感器9一般无法检测到由于电磁阀8失效而导致的压力波动。为实现对电磁阀8的故障诊断，在操作过程中，一般需要关闭氢气循环泵6，使氢气在阳极侧的流阻(压降)下降。由于循环通路5中设置了单向阀7，氢气循环泵6的关闭不会使氢气通过循环通路5产生倒流现象。由于阳极侧氢气的流阻(压降)下降，利用电堆1的氢气入口处的氢气压力传感器9通过对其压力波动的判断，从而实现对电磁阀8的故障诊断。

进一步的，所述储氢设备2为储氢瓶。储氢瓶为本领域常用的储氢设备，以储存足量的氢气，并保证其安全性。可以想到的是，本领域技术人员还可想到使用其他储氢设备，如金属材料储氢罐进行氢气的储存及输送，其亦能够实现本发明的目的，故本发明也意图包含这些技术方案在内。

进一步的，所述进气管路3和所述排气管路4的一端分别位于所述电堆1相对的两侧，进气管路3与排气管路4的相对位置设置，使氢气有足够的时间从进气管路3通入电堆1并与电堆1内的氧化剂进行化学反应，多余的氢气会从排气管路4排出。

进一步的，所述单向阀7为可调阀门。所述单向阀7又称为止回阀或逆止阀，所述单向阀7的选取是有讲究的，单向阀7开启的压力选取应尽可能小，同时自身的流阻不能过大，以降低循环泵的额外功耗。单向阀开启后要能正常的关闭，这也在本实施例中单向阀7的设计中有所体现。

在本实施例中，所述单向阀通过一弹簧实现其阀门的调节，该单向阀为一现有技术，在此便不再赘述。可以想到的是，所述单向阀还可为其他结构的阀门，只要其能够起到单向止回的作用，本发明便意图包含这些技术方案在内。

进一步的，所述单向阀7设置于所述氢气循环泵6与所述进气管路3之间的循环通路5中，即所述氢气循环泵6的出风口处。进一步的，还包括电磁阀8，所述电磁阀8设置于所述排气管路4中，以将存在于排气管路4中的部分氢气、氮气和水周期性的向大气排放，防止氮气和水在氢气回路中的不断积聚。

进一步的，所述电磁阀8设置于所述排气管路4的另一端，以便于气体的排出。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统供氢装置，其特征在于，包括储氢设备、进气管路、氢气压力传感器、排气管路、循环通路和氢气循环泵，所述进气管路和所述排气管路的一端均与所述燃料电池系统中的电堆相通，所述进气管路的另一端接入所述储氢设备，所述氢气压力传感器设置于所述电堆入口处的进气管路中，所述循环通路的两端分别接入所述进气管路和所述排气管路中，所述氢气循环泵设置于所述循环通路中，所述循环通路中还设有单向阀，所述单向阀用于阻止气体通过所述循环通路从所述进气管路流向所述排气管路。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统供氢装置，其特征在于，所述储氢设备为储氢瓶。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统供氢装置，其特征在于，所述进气管路和所述排气管路的一端分别位于所述电堆相对的两侧。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统供氢装置，其特征在于，所述单向阀为可调阀门。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统供氢装置，其特征在于，所述单向阀设置于所述氢气循环泵与所述进气管路之间的循环通路中。

6.根据权利要求1至5任一项所述的燃料电池系统供氢装置，其特征在于，还包括电磁阀，所述电磁阀设置于所述排气管路中。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统供氢装置，其特征在于，所述电磁阀设置于所述排气管路的另一端。