一种燃料电池用氢空压差调控装置及燃料电池发动机的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池用氢空压差调控装置及燃料电池发动机。


背景技术：

2.氢燃料电池的长期稳定运行，不仅要求质子交换膜的质子传导率高、化学稳定性高、氢气渗漏率低，同时，还要求质子交换膜具有一定的机械强度，以满足工作环境变化引起的尺寸变形。目前，质子交换膜的厚度为微米级，为了避免发生机械破裂，在运行过程中，通常要求氢、空侧的进气压差小于50 kpa。
3.但是，当燃料电池发动机运行过程中出现异常情况后，质子交换膜的氢、空侧的进气压差很难保证在5 0kpa以内。为了避免对质子交换膜造成损坏，需要对燃料电池氢空侧压差进行快速且有效的调控。
4.现有技术通常是单独对质子交换膜一侧的气体进行调控。例如，专利cn112993326a在空气回路上并联设置压力平衡装置，进而控制空气回路压力，使燃料电池电堆中氢空两侧压力处于平衡状态。但由于其仅对一侧的压力进行调控，两侧的流量控制元件存在响应速度和控制范围的差异，在动态调节的过程中，燃料电池阴阳极容易出现较大压差，从而影响燃料电池的寿命。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种燃料电池用氢空压差调控装置及燃料电池发动机，用以解决现有技术无法对燃料电池氢空侧压差进行同步、快速且有效调控的问题。
6.一方面，本实用新型实施例提供了一种燃料电池用氢空压差调控装置，包括于同一方向依次设置的空侧气室、空侧通电线圈、衔铁、氢侧通电线圈、氢侧气室；其中，
7.空侧气室的入口与燃料电池的空气路端口连接，氢侧气室的入口与燃料电池的氢气路端口连接；空侧气室、氢侧气室的对侧上均设有用于将该气室密封并对其内部气腔大小进行调节的活动机构；空侧气室的活动机构、衔铁、氢侧气室的活动机构依次固定在同一移动轴上；并且，空侧通电线圈距衔铁、氢侧通电线圈距衔铁的初始位置的距离相等。
8.上述技术方案的有益效果如下：提供一种设于燃料电池电堆外部的氢空压差调控装置，可有效防止燃料电池氢气路和空气路压差过大造成质子交换膜破损。该装置可双向调节氢空侧压差，并且置于燃料电池电堆外部，便于检测更换，实施方式简单。
9.基于上述装置的进一步改进，该装置还包括用于实时监测燃料电池氢气路和空气路的气压差以及根据该气压差落在预设范围之外识别到质子交换膜存在破裂风险后根据该气压差的正/负向对应氢/空侧通电线圈供电以使衔铁在电磁力作用下带动氢侧气室的活动机构、空侧气室的活动机构移动的控制器。
10.进一步，所述空侧气室的入口与燃料电池电堆的空气入口连接，所述氢侧气室的
入口与燃料电池电堆的氢气入口连接；或者，
11.所述空侧气室的入口与燃料电池电堆的空气尾气出口连接，所述氢侧气室的入口与燃料电池电堆的氢气尾气出口连接。
12.进一步，所述空侧气室、氢侧气室的内部气腔的形状相同，各自未通气时的气腔容积大小相同；并且，
13.所述空侧气室的活动机构距衔铁、氢侧气室的活动机构距衔铁的距离相同；
14.所述空侧气室的入口至燃料电池的空气路端口的连接管路，以及，所述氢侧气室的入口至燃料电池的氢气路端口的连接管路，均包括可使通入气体在各传输点气压一致的耐高温均匀内径管道，并且，不包括弯头，且不设置截流阀。
15.进一步，所述空侧气室的活动机构进一步包括依次连接且等距设置的空侧推板、空侧弹性膜片；
16.氢侧气室的活动机构进一步包括依次连接且等距设置的氢侧推板、氢侧弹性膜片；
17.空侧弹性膜片，设于空侧气室的末端，一端经推板固定于移动轴上，用于将该侧气室密封，并在推板的推动下发生移动对空侧气室的内部气腔容积大小进行调节；
18.氢侧弹性膜片，设于氢侧气室的末端，一端经推板固定于移动轴上，用于将该侧气室密封，并在推板的推动下发生移动对氢侧气室的内部气腔容积大小进行调节。
19.进一步，所述控制器包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
20.进一步，所述数据采集单元进一步包括：
21.气压传感器，分别设于空侧气室的内部气腔壁上、氢侧气室的内部气腔壁上。
22.进一步，所述数据处理与控制单元具有显示模块；其中，
23.所述显示模块的显示屏上显示当前时刻空侧气室的气压p
c1
、氢侧气室的气压p
a1
，以及，根据p
c1-p
a1
落在预设范围之外识别的质子交换膜存在破裂风险的结果，或者根据p
c1-p
a1
落在预设范围之内识别的质子交换膜不存在破裂风险的结果。
24.进一步，所述氢侧通电线圈、空侧通电线圈均固定于所述移动轴上，并且各自的线圈绕制方向与该移动轴的轴线方向垂直；
25.空侧通电线圈与衔铁、氢侧通电线圈与衔铁的距离相等。
26.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：
27.1、可同步自动对质子交换膜两侧的气体进行调控，调控效果佳。
28.2、结构简单，控制方式简单灵活。
29.3、通过设置弹性膜片，与气室结构连接固定，保证了气室的密封效果，密封结构实施简单。并且，弹性膜片结构具有一定弹性，受挤压可以发生变形，可被拉伸和收缩。
30.另一方面，本实用新型实施例还提供了一种燃料电池发动机，包括上述氢空压差调控装置，以及，燃料电池电堆、空气进气控制装置、氢气进气控制装置、空气尾气控制装置、氢气尾气控制装置；其中，
31.所述空气进气控制装置，设于燃料电池电堆的空气入口，进一步包括依次连接的空压机、中冷器、空气控制阀、空气入堆歧管；
32.所述氢气进气控制装置，设于燃料电池电堆的氢气入口，进一步包括依次连接的氢瓶、引射器、氢喷设备、氢气入堆歧管；
33.所述空气尾气控制装置，设于燃料电池电堆的空气尾气出口，进一步包括依次连接的空气出堆歧管、尾排节气门；
34.所述氢气尾气控制装置，设于燃料电池电堆的氢气尾气出口，进一步包括氢气出堆歧管、分水器、尾排阀；分水器的排气口与引射器的引流入口连接，其排水口与尾排阀连接；
35.压差调控装置的空侧气室的入口与燃料电池电堆的空气入口连接，所述氢侧气室的入口与燃料电池电堆的氢气入口连接；或者，
36.压差调控装置的空侧气室的入口与燃料电池电堆的空气尾气出口连接，所述氢侧气室的入口与燃料电池电堆的氢气尾气出口连接。
37.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
38.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。
39.图1示出了实施例1燃料电池用氢空压差调控装置组成示意图；
40.图2示出了实施例2燃料电池用氢空压差调控装置组成示意图；
41.图3示出了实施例3燃料电池发动机的一种连接示意图。
42.附图标记：
[0043]1‑ꢀ
空压机；2
‑ꢀ
中冷器；3
‑ꢀ
空气控制阀；4
‑ꢀ
燃料电池电堆；
[0044]
4a
‑ꢀ
空气入堆歧管；4b
‑ꢀ
空气出堆歧管；4c
‑ꢀ
氢气入堆歧管；
[0045]
4d
‑ꢀ
氢气出堆歧管；5
‑ꢀ
尾排节气门；6
‑ꢀ
氢瓶；7
‑ꢀ
引射器；
[0046]8‑ꢀ
氢喷设备；9
‑ꢀ
分水器；10
‑ꢀ
尾排阀；11
‑ꢀ
氢空压差调控装置；
[0047]
11a
‑ꢀ
空侧气室的入口；11b
‑ꢀ
空侧气室；11c
‑ꢀ
空侧弹性膜片；
[0048]
11d
‑ꢀ
空侧推板；11e
‑ꢀ
空侧通电线圈；11f
‑ꢀ
衔铁；
[0049]
11g
‑ꢀ
氢侧通电线圈；11h
‑ꢀ
氢侧推板；11i
‑ꢀ
氢侧弹性膜片；
[0050]
11j
‑ꢀ
氢侧气室；11k
‑ꢀ
氢侧气室的入口；
[0051]
11d
‑ꢀ
空侧气室的活动机构；11h
‑ꢀ
氢侧气室的活动机构；
[0052]
12
‑ꢀ
dcdc转换器。
具体实施方式
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
实施例1
[0056]
本实用新型的一个实施例，公开了一种燃料电池用氢空压差调控装置，如图1所示，包括包括于同一方向依次设置的空侧气室11b、空侧通电线圈11e、衔铁11f、氢侧通电线圈11g、氢侧气室11j。
[0057]
其中，空侧气室的入口11a与燃料电池的空气路端口连接，氢侧气室的入口11k与燃料电池的氢气路端口连接。空侧气室11b、氢侧气室11j的对侧上均设有用于将该气室密封并对其内部气腔大小进行调节的活动机构。空侧气室的活动机构11d、衔铁11f、氢侧气室的活动机构11h依次固定在同一移动轴上；并且，空侧通电线圈11e距衔铁11f、氢侧通电线圈11g距衔铁11f的初始位置的距离相等。
[0058]
需说明的是，空侧通电线圈11e、氢侧通电线圈11g可不设置在上述移动轴上，也能保证衔铁的运动。燃料电池的氢气路端口包括氢气入口、氢气尾气出口，空气路端口包括空气入口、空气尾气出口。
[0059]
上述活动机构（11d、11h）除了实施例2所述结构外，还可参见专利cn201920651739.7、cn202121830082.4。
[0060]
实施时，当燃料电池氢气路和空气路的气压差超出预设范围（示例性地，5 0kpa以内），且当气压差＞零时，向氢侧通电线圈11g通电，衔铁11f在电磁力作用下向氢侧气室11j方向移动，带动空侧气室的活动机构11d、氢侧气室的活动机构11h都向氢侧气室11j方向移动，从而降低燃料电池氢气路的氢气压力；当气压差＜零时，向空侧通电线圈11g通电，衔铁11f在电磁力作用下向空侧气室11b方向移动，带动空侧气室的活动机构11d、氢侧气室的活动机构11h都向空侧气室11b方向移动，从而降低燃料电池空气路空气压力。
[0061]
与现有技术相比，本实施例提供一种设于燃料电池电堆外部的氢空压差调控装置，可有效防止燃料电池氢气路和空气路压差过大造成质子交换膜破损。该装置可双向调节氢空侧压差，并且置于燃料电池电堆外部，便于检测更换，实施方式简单。
[0062]
实施例2
[0063]
在实施例1所述装置的基础上进行改进，该氢空压差调控装置还包括用于实时监测燃料电池氢气路和空气路的气压差以及根据该气压差识别到质子交换膜存在破裂风险后根据该气压差的正/负向对应氢/空侧通电线圈供电以使衔铁11f在电磁力作用下带动氢侧气室的活动机构11h和空侧气室的活动机构11d移动直到破裂风险消失停止上述供电的控制器。
[0064]
需说明的是，移动过程中一旦气压差落在预设范围5 0kpa以内，则任认为破裂风险消失。上述控制方法为现有技术，可参见专利201911285400 .0，不涉及方法的改进。
[0065]
优选地，该氢空压差调控装置还包括dcdc转换器12，如图2所示。控制器通过dcdc转换器12与空侧通电线圈11e、氢侧通电线圈11g的供电端连接。
[0066]
优选地，所述空侧气室的入口11a与燃料电池电堆4的空气入口连接，所述氢侧气室的入口11k与燃料电池电堆4的氢气入口连接；或者，所述空侧气室的入口11a与燃料电池电堆4的空气尾气出口连接，所述氢侧气室的入口11k与燃料电池电堆4的氢气尾气出口连
接。
[0067]
优选地，所述空侧气室11b、氢侧气室11j的内部气腔的形状相同，各自未通气时的气腔容积大小相同。并且，所述空侧气室的活动机构11d距衔铁11f、氢侧气室的活动机构11h距衔铁11f的距离相同。
[0068]
优选地，空侧气室的入口11a至燃料电池的空气路端口的连接管路，以及，所述氢侧气室的入口11k至燃料电池的氢气路端口的连接管路，均包括可使通入气体在各传输点气压一致的耐高温均匀内径管道，并且，不包括弯头，且不设置截流阀。
[0069]
优选地，空侧气室、氢侧气室的活动机构进一步包括依次连接且等距设置的推板、弹性膜片。其中，空侧气室的活动机构11d包括依次连接且等距设置的空侧推板11d、空侧弹性膜片11c；氢侧气室的活动机构11h包括依次连接且等距设置的氢侧推板11h、氢侧弹性膜片11i。
[0070]
弹性膜片，分别设于氢侧气室11j、空侧气室11b的末端，一端经推板固定于移动轴上，用于将该侧气室密封，并在推板的推动下发生移动对氢侧气室11j或空侧气室11b的内部气腔容积大小进行调节。
[0071]
氢侧推板11h、空侧推板11d连接于同一移动轴上，中间布置衔铁，由磁性材料制作，可在水平方向左右同步移动。
[0072]
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。
[0073]
优选地，所述数据采集单元进一步包括多个气压传感器。
[0074]
气压传感器，分别设于空侧气室11b的内部气腔壁上、氢侧气室11j的内部气腔壁上，用于空气尾气、氢气尾气的气压。
[0075]
优选地，所述数据处理与控制单元具有显示模块。
[0076]
其中，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻空侧气室11b的气压p
c1
、氢侧气室11j的气压p
a1
，以及，根据p
c1-p
a1
落在预设范围之外识别的质子交换膜存在破裂风险的结果，或者根据p
c1-p
a1
落在预设范围之内识别的质子交换膜不存在破裂风险的结果。
[0077]
优选地，所述氢侧通电线圈11g、空侧通电线圈11e均固定于所述移动轴上，并且各自的线圈绕制方向与该移动轴的轴线方向垂直。空侧通电线圈11e与衔铁11f、氢侧通电线圈11g与衔铁11f的距离相等。
[0078]
实施时，可采用如下连接方式：空侧气室的入口11a与燃料电池电堆4的空气尾气出口连接，所述氢侧气室的入口11k与燃料电池电堆4的氢气尾气出口连接。空气出堆歧管4b流出的气液混合物，从空侧气室的入口11a进入空侧气室11b，整个流动不能含截流弯头等，流动通畅，保证气室内与出堆压力接近一致，气室内布置有气压传感器，可以监测出堆压力。该气室为仅与燃料电池电堆的空气路连通，末端设置空侧弹性膜片11c，其结构具有一定弹性，受挤压可以发生变形，可被拉伸和收缩；同时与气室结构连接固定，具有密封作用。同理，氢侧具有上述相同布置。
[0079]
与实施例1相比，本实施例所述装置具有如下有益效果：
[0080]
1、可同步自动对质子交换膜两侧的气体进行调控，调控效果佳。
[0081]
2、结构简单，控制方式简单灵活。
[0082]
3、通过设置弹性膜片，与气室结构连接固定，保证了气室的密封效果，密封结构实施简单。并且，弹性膜片结构具有一定弹性，受挤压可以发生变形，可被拉伸和收缩。
[0083]
实施例3
[0084]
本发明还公开了一种具有实施例1、2所述氢空压差调控装置的燃料电池发动机，如图3所示，该装置还包括燃料电池电堆4、空气进气控制装置、氢气进气控制装置、空气尾气控制装置、氢气尾气控制装置。
[0085]
其中，所述空气进气控制装置，设于燃料电池电堆4的空气入口，进一步包括依次连接的空压机1、中冷器2、空气控制阀3、空气入堆歧管4a。
[0086]
所述氢气进气控制装置，设于燃料电池电堆4的氢气入口，进一步包括依次连接的氢瓶6、引射器7、氢喷设备8、氢气入堆歧管4c。
[0087]
所述空气尾气控制装置，设于燃料电池电堆4的空气尾气出口，进一步包括依次连接的空气出堆歧管4b、尾排节气门5。
[0088]
所述氢气尾气控制装置，设于燃料电池电堆4的氢气尾气出口，进一步包括氢气出堆歧管4d、分水器9、尾排阀；分水器9的排气口与引射器7的引流入口连接，其排水口与尾排阀10连接。
[0089]
压差调控装置11的空侧气室的入口11a与燃料电池电堆4的空气入口连接，所述氢侧气室的入口11k与燃料电池电堆4的氢气入口连接；或者，压差调控装置11的空侧气室的入口11a与燃料电池电堆4的空气尾气出口连接，所述氢侧气室的入口11k与燃料电池电堆4的氢气尾气出口连接。
[0090]
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。