一种燃料电池系统氢气循环系统的制作方法

1.本发明涉及氢气循环系统，尤其是涉及一种燃料电池系统氢气循环系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电装置，燃料电池系统能量转换效率高，是一种理想的能源利用方式，商业化应用存在着广阔的发展前景。在实践中，为了避免反应气体浓度过低导致的发电性能下降以及气流量减少导致的水淹等问题，燃料电池氢气和氧气的供应量必须高于电化学反应消耗的量。为了提高氢气的利用率，同时对燃料电池进行有效的水管理，氢气循环是非常有效的方法。通常燃料电池系统的氢气循环采用两种方法，即循环泵和引射器。
3.无论采用哪种氢气循环方法，均需要将循环氢气中的液态水进行分离。分离液态水的效率越高，燃料电池阳极侧越不容易发生水淹现象。在高集成度的燃料电池系统的有限空间内无法设计庞大与结构复杂的气水分离装置，因此液态水的分离效率较难保证。并且高温饱和湿度的循环氢气与低温干燥氢气混合后存在冷凝现象，也加剧了燃料电池阳极侧的排水难度。现有技术难以进一步降低循环氢气中的湿度。若采用传统的冷凝方式除湿，降温后还需要对氢气进行加热，使系统变得十分复杂，且增加燃料电池系统内部的功率消耗。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种燃料电池系统氢气循环系统，能够在改善燃料电池阳极侧水环境、提高燃料电池性能和使用寿命、简化氢气循环系统控制、提高运行可靠度的同时，减小体积并提高燃料电池系统功率密度。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种燃料电池系统氢气循环系统，包括氢气源、阀组、涡流管、第一引射器、第二引射器和气水分离器，
7.所述氢气源的输出端通过阀组连接至涡流管的输入端，所述涡流管的冷端出口连接至第一引射器的射流入口，热端出口连接至第二引射器的射流入口，所述第一引射器的引流入口连接至燃料电池的氢气出口，出口连接至气水分离器的入口，所述气水分离器的气体出口连接至第二引射器的引流入口，所述第二引射器的出口连接至燃料电池的氢气入口。
8.所述第二引射器的的出口与燃料电池的氢气入口之间的管路上设有压力传感器，所述阀组中包括压力调节单元。
9.所述压力调节单元包括比例阀和/或氢气喷射器。
10.所述氢气源为高压氢气罐，所述阀组中包括减压阀。
11.所述气水分离器的排液口连接至尾排。
12.所述涡流管的冷端出口和热端出口处均设有温度传感器。
13.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
14.1、改善燃料电池阳极侧水环境：涡流管将环境温度的氢气分为较冷和较热两股氢气分两次与循环氢气进行混合，较冷氢气与高温高湿循环氢气混合，加强了冷凝效果，并通过气水分离器分离液态水。径除湿、除水后的循环氢气与较热氢气混合，避免了氢气进入电堆前的进一步冷凝，避免了液态水在电堆内部积聚。
15.2、提高燃料电池性能和使用寿命：本发明的氢气循环系统及其控制方法改善了燃料电池阳极侧的水环境，降低了燃料电池发生水淹的风险，使得阴极侧的控制策略不受阳极排水限制，使燃料电池系统控制策略更优，从而提高了燃料电池的性能和使用寿命。
16.3、简化氢气循环系统控制：采用两个引射器完成氢气的循环和两次混合过程，通过结构优化可满足不同工况下氢气计量比的需求。相比于使用循环泵需要针对不同工况控制转速，降低了系统控制难度。
17.4、提高运行可靠度：涡流管和引射器均无机械运动部件，相比于循环泵，运行更加可靠。
18.5、提高燃料电池系统功率密度：涡流管和引射器结构简单、占用空间很小，减少了燃料电池系统整体的尺寸，从而提高燃料电池系统功率密度。。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图；
20.其中：1、氢气源，2、阀组，3、压力传感器，4、燃料电池，5、涡流管，6、第一引射器，7、第二引射器，8、气水分离器，41、燃料电池的氢气出口，42、燃料电池的氢气入口，51、涡流管的进气口，52、涡流管的冷端出口，53、涡流管的热端出口，61、第一引射器的射流入口，62、第一引射器的引流入口，63、第一引射器的出口，71、第二引射器的射流入口，72、第二引射器的引流入口，73、第二引射器的出口，81、气水分离器的入口，82、气水分离器的气体出口，83、气水分离的排水口。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
22.一种燃料电池系统氢气循环系统，如图1所示，包括氢气源1、阀组2、涡流管5、第一引射器6、第二引射器7和气水分离器8，以及连接管件和各种传感器；
23.氢气源1的输出端通过阀组2连接至涡流管5，具体涡流管的进气口51，涡流管的冷端出口52连接至第一引射器的射流入口61，涡流管的热端出口53连接至第二引射器的射流入口71，第一引射器的引流入口62连接至燃料电池的氢气出口41，第一引射器的出口63连接至气水分离器的入口81，气水分离器的气体出口82连接至第二引射器7的引流入口72，第二引射器的出口73连接至燃料电池4的氢气入口42。
24.基于以上结构，在燃料电池系统氢气循环系统中引入涡流管5，将来自氢气源1中环境温度的氢气分成更低温度和更高温度的两部分氢气分别加以利用，其中涡流管5产生的较冷氢气在第一引射器6内与来自燃料电池4的高温高湿氢气混合，强化了冷凝效应，除
去了循环氢气中的湿度。涡流管5产生的较热氢气在第二引射器7内与气水分离器8中分离液态水后的饱和氢气混合，两股氢气温差较传统直接混合的温差更小，因此减弱了冷凝效应，减少了进入电堆的冷凝水。基于此，第一引射器6具有良好的混合效果，冷凝效率高。第二引射器7具有良好的雾化效果，使得气水分离器8中未分离彻底的液态水可以快速雾化，加速相变，减少进入电堆的液态水量。
25.由于涡流管5、第一引射器6和第二引射器7均结构紧凑，无机械运动部件，因此极大简化了燃料电池系统氢气循环系统的结构，提高了运行可靠性。
26.本技术燃料电池系统氢气循环系统通过多部件联合除湿、除水，较传统氢气循环除水效率更高，燃料电池阳极侧水平衡状况更加良好。
27.本实施例中，第二引射器7的的出口73与燃料电池4的氢气入口之间的管路上设有压力传感器3，阀组2中包括压力调节单元，其中，压力调节单元是比例阀或氢气喷射器，也可以是其各自或者相互组合。氢气源1为高压氢气罐，阀组2中包括减压阀。通过压力传感器3测得的压力信号反馈给阀组2，通过调节阀组2的开度来改变从高压氢气罐向燃料电池4的氢气供应量，同时控制从燃料电池的氢气入口42进入燃料电池4的氢气压力为对应工况的稳定压力值。
28.经过阀组2的一定流量的氢气进入涡流管的进气口51，并在涡流管旋转室内膨胀并形成高速气旋，将环境温度的氢气分为温度不同的两股气流，低于环境温度的氢气从涡流管的冷端出口52排出，高于环境温度的氢气从涡流管的热端出口53排出，通过优化设计，可调节涡流管冷、热端出口的温差以适应不同燃料电池系统的需求，例如本实施例中，冷热端温差可达20℃。涡流管的冷端出口52的高压氢气通过第一引射器的射流入口61喷出，并引射燃料电池的氢气出口41的高温高湿氢气在第一引射器6内的混合段内混合，低于环境温度的氢气强化了冷凝效果，含更多液态水的氢气从第一引射器的出口63经过管路进入气水分离器8内，气水分离器8将冷凝水和燃料电池的氢气出口41排出的液态水与氢气进行分离，分离后的饱和氢气进入第二引射器的引流入口72，与来自涡流管的热端出口53的较热氢气混合，此时的冷凝效应基本可以忽略，同时若气水分离器的气体出口82中仍残留液态水，也会在第二引射器7内快速雾化，由于两相间极大的速度差，会促进液态水相变，进一步保证进入燃料电池4的氢气中不含有液态水，改善了燃料电池4内部阳极侧的水环境。
29.一些实施例中，含有上述氢气循环系统的燃料电池系统可以被引用于氢燃料电池车辆上，气水分离器8的排液口83连接至尾排。
30.在一些实施例中，涡流管5的冷端出口52和热端出口53处均设有温度传感器，可以获得更多的数据，为后续涡流管5的选型以及改进设计控制提供帮助。