一种燃料电池系统的制作方法

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1.本实用新型涉及一种燃料电池系统。


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化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为同时没有机械传动部件，故没有噪音，排放出的有害气体极少声污染；可应用于氢能源汽车。
3.而现有的燃料电池系统中，供氢回氢装置是燃料电池动力模块的重要单元，用于向燃料电池堆输送氢气，并对氢气尾气进行净化后循环利用。目前的供氢回氢装置一般采用氢气循环泵提供动力，但氢气循环泵体积较大，功耗也较大，不利于燃料电池系统功率密度的提高，且种电驱动泵结构复杂，成本高，耗能高，寿命短，维护不方便。为解决上述问题，已有氢燃料电池系统采用引射器作为供氢回氢装置，引射器体积较小、功耗低、无需消耗额外的功率，具体可参考公告号为：cn 102820477 b，专利名称为：燃料电池系统的供氢控制装置及其控制的发明专利，该方案为单引射器结构，单引射器结构噪音大，而且该方案低功率阶段采用频繁脉冲控制，使得控制方法变得复杂，还会影响阀体的使用寿命。
4.为解决单引射器结构所存在的缺点，目前市面上也出现了双引射器结构的供氢回氢装置，具体可参考以下方案：
5.1)如cn 109980249 a所公开的方案，该方案中的双引射器其采用串联的方式布置，第一引射器喷出的气体需要经过第二引射器的混合室，由于混合室的截面积相比电堆入口的截面积要小很多，氢气从混合室进入电堆时会产生非常大的流阻，造成第一引射器性能下降，使产品覆盖的功率范围变窄。
6.2)如cn 112072145 b所公开的方案，该方案直接控制引射器入口压力/流量容易造成电堆入口(即引射器出口)的压力失控而损坏电堆，而且2个引射器的并联使用时止回阀设置在总回路上，小功率阶段(即单个引射器工作)，总回路上单向阀会造成回流氢气的压力的损失，而造成引射器性能下降，使产品覆盖的功率范围变窄。
7.3)如wo 2021139838 a2所公开的方案，该方案采用单比例阀控制两路个引射器，在低功率切换大功率阶段将出现比较大的扰动，压力激烈波动容易损坏电堆膜电极；工作过程由于打开大引射器，功率爬升过程，多了一路分流支路，氢气的压力会急剧下降，不能有效发挥小引射器的引射性能；小引射器回氢路径设置止回阀，而造成损失引射器性能下降，使产品覆盖的功率范围变窄。
8.有鉴于此，如今需设计一种在全功率范围内都能确保氢气供应的稳定性、控制灵活简单、可靠性高的燃料电池系统。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的是提供一种在全功率范围内都能确保氢气供应的稳定性、控制灵活简单、可靠性高的燃料电池系统。
10.本实用新型的目的是通过下述技术方案予以实现的。
11.本实用新型的目的是提供一种燃料电池系统，包括电堆模块、燃料电池系统控制器、供氢回氢装置、压力传感器和汽水分离器，高压氢气通过供氢回氢装置输入到电堆模块的氢气入口为电堆模块提供氢气，电堆模块的氢气出口排出的混合水汽通过汽水分离器将分离排出水分后的氢气输回到供氢回氢装置的回氢口，供氢回氢装置包括第一比例阀、第一引射器、第二比例阀和第二引射器，第一比例阀与第一引射器连接起来形成第一供氢通道，第二比例阀与第二引射器连接起来形成第二供氢通道，第一供氢通道与第二供氢通道并联布置，压力传感器用以检测电堆模块的氢气入口的压力并将压力信号反馈到燃料电池系统控制器，第一比例阀和第二比例阀受燃料电池系统控制器控制，燃料电池系统控制器根据压力传感器反馈的压力信号分别控制第一比例阀与第二比例阀以调节进入第一引射器和第二引射器的氢气流量，从而调节供氢回氢装置输出氢气的流量。
12.优选地，所述第一引射器设置有第一回氢引射口，所述第二引射器设置有第二回氢引射口，所述汽水分离器的出气口直接与所述第一引射器的第一回氢引射口连通，所述汽水分离器的出气口与所述第二引射器的第二回氢引射口之间设置有一止回阀。
13.优选地，供氢回氢装置的氢气输出口处安装有泄压阀。
14.优选地，燃料电池系统控制器里面设置有一基准功率p0，当燃料电池当前运行功率p1≤p0时，燃料电池系统控制器控制第一比例阀打开，控制第二比例阀3关闭，使第一供氢通道为电堆模块供应氢气；当燃料电池当前运行功率p1 ＞p0时,燃料电池系统控制器控制第一比例阀和第二比例阀同时打开，使第一供氢通道和第二供氢通道一同为电堆模块供应氢气。
15.优选地，所述供氢回氢装置还包括底座、高压接头、回氢接头和出口集管，所述第一比例阀、所述第二比例阀和高压接头分别安装在底座上，所述第一引射器和所述第二引射器连接于底座与出口集管之间，回氢接头与所述第一引射器和所述第二引射器连接在一起，回氢接头上设置的回氢口用于连接所述汽水分离器的出气口，所述止回阀位于回氢接头与所述第二引射器对接处。
16.优选地，所述底座设置有高压氢气入口、第一氢气出口、第二氢气出口、第一通路和第二通路，第一通路用以连通第一氢气出口与高压氢气入口，第二通路用以连通第二氢气出口与高压氢气入口，所述高压接头连接于高压氢气入口用以连接供氢系统，所述第一比例阀和所述第二比例阀分别与第一通路和第二通路连通，所述第一引射器的入口端与所述第二引射器的入口端分别与第一氢气出口和第二氢气出口连通，所述燃料电池系统控制器通过分别控制第一比例阀的开度与第二比例阀的开度可分别调节第一氢气出口与第二氢气出口的出气量。
17.优选地，所述出口集管的内部设置有输出通道，所述第一引射器的出口端和所述第二引射器的出口端与输出通道连通，所述压力传感器安装在所述出口集管上，所述压力传感器的伸入于输出通道里以检测压力信号。
18.优选地，所述泄压阀安装在所述出口集管上，所述泄压阀与所述输出通道连通。
19.优选地，所述回氢接头设置有回氢进气通道、第一回氢出气口和第二回氢出气口，所述回氢口与回氢进气通道连通，回氢进气通道将第一回氢出气口和第二回氢出气口连通起来，第一回氢出气口和第二回氢出气口分别与所述第一回氢引射口和所述第二回氢引射口连通，所述止回阀位于第二回氢出气口与所述第二回氢引射口的对接处。
20.优选地，于所述高压氢气入口处设置有过滤器，当所述高压接头安装在所述高压氢气入口时，所述高压接头将过滤器固定压紧在所述高压氢气入口内。
21.本实用新型与现有技术相比，具有如下效果：
22.1)本实用新型提供的燃料电池系统，通过第一比例阀、第二比例阀、压力传感器和燃料电池系统控制器的相互配合以实现氢气稳定的供给，燃料电池系统控制器根据压力传感器反馈的压力信号分别控制第一比例阀与第二比例阀以调节进入第一引射器和第二引射器的氢气流量，从而调节供氢回氢装置输出氢气的流量，使得燃料电池系统控制器既可以择其一进行使用，也可以同时使用，从而保证燃料电池系统在全功率范围内都能确保氢气供应的流量和压力的稳定性，控制简单，而且直接控制比例阀的开度可保护阀体，提高燃料电池系统的可靠性。
23.2)本实用新型提供的燃料电池系统，通过将汽水分离器的出气口直接与第一引射器的第一回氢引射口连通，而在汽水分离器的出气口与第二引射器的第二回氢引射口之间设置有一止回阀，使得燃料电池系统处于小功率范围的工况 (即只有第一引射器工作)时，止回阀不会影响回流至第一引射器的氢气压力，确保第一引射器性能不受影响，从而确保燃料电池系统的工作稳定性。
24.3)本实用新型的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
25.图1是为本实用新型提供的燃料电池系统的结构示意图；
26.图2是为本实用新型提供的供氢回氢装置的立体结构示意图；
27.图3是为本实用新型提供的供氢回氢装置的分解结构示意图；
28.图4是为本实用新型提供的供氢回氢装置另一角度的分解结构示意图；
29.图5是为本实用新型提供的供氢回氢装置的左视结构示意图；
30.图6是为图5提供的a-a的剖面结构示意图；
31.图7是为图5提供的b-b的剖面结构示意图；
32.图8是为本实用新型提供的供氢回氢装置的主视结构示意图；
33.图9是为图8提供的c-c的剖面结构示意图；
34.图10是为本实用新型提供的供氢回氢装置的主视结构示意图；
35.图11是为图10提供的d-d的剖面结构示意图。
具体实施方式：
36.下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
37.如图1所示，本实施例提供的是一种燃料电池系统，包括电堆模块100、燃料电池系统控制器200、供氢回氢装置300、压力传感器400和汽水分离器500，高压氢气通过供氢回氢装置300输入到电堆模块100的氢气入口为电堆模块100 提供氢气，电堆模块100的氢气出
口排出的混合水汽通过汽水分离器500将分离排出水分后的氢气输回到供氢回氢装置300的回氢口301，供氢回氢装置300 包括第一比例阀1、第一引射器2、第二比例阀3和第二引射器4，第一比例阀 1与第一引射器2连接起来形成第一供氢通道，第二比例阀3与第二引射器4连接起来形成第二供氢通道，第一供氢通道与第二供氢通道并联布置，压力传感器400用以检测电堆模块100的氢气入口的压力并将压力信号反馈到燃料电池系统控制器200，第一比例阀1和第二比例阀3受燃料电池系统控制器200控制，燃料电池系统控制器200根据压力传感器400反馈的压力信号分别控制第一比例阀1与第二比例阀3以调节进入第一引射器2和第二引射器4的氢气流量，从而调节供氢回氢装置300输出氢气的流量；通过第一比例阀1、第二比例阀3、压力传感器400和燃料电池系统控制器200的相互配合以实现氢气稳定的供给，使得燃料电池系统控制器200既可以择其一进行使用，也可以同时使用，从而保证燃料电池系统在全功率范围内都能确保氢气供应的流量和压力的稳定性，控制简单，而且直接控制比例阀的开度可保护阀体，提高燃料电池系统的可靠性。
38.具体的控制原理如下：燃料电池系统控制器200里面设置有一基准功率p0，当燃料电池当前运行功率p1≤p0时(燃料电池系统处于小功率范围的工况)，燃料电池系统控制器200控制第一比例阀1打开，控制第二比例阀3关闭，使第一供氢通道为电堆模块100供应氢气；当燃料电池当前运行功率p1＞p0时(燃料电池系统处于大功率范围的工况),燃料电池系统控制器200控制第一比例阀 1和第二比例阀3同时打开，使第一供氢通道和第二供氢通道一同为电堆模块 100供应氢气；第一比例阀1和第二比例阀3采用压力pid控制原理。
39.如图1所示，所述第一引射器2设置有第一回氢引射口21，所述第二引射器4设置有第二回氢引射口41，所述汽水分离器500的出气口直接与所述第一引射器2的第一回氢引射口21连通，所述汽水分离器500的出气口与所述第二引射器4的第二回氢引射口41之间设置有一止回阀6，使得燃料电池系统处于小功率范围的工况即只有第一引射器2工作时，止回阀6不会影响回流至第一引射器2的氢气压力，确保第一引射器2性能不受影响，从而确保燃料电池系统的工作稳定性，而且还能；针对此方案，在实际控制时，仅有第二比例阀3 及第二引射器4并入或退出供氢过程，无需切换阀体，实现无扰供氢回氢，可以减少电堆膜电极的疲劳损伤。
40.供氢回氢装置300的氢气输出口处安装有泄压阀20，泄压阀20用以降低供氢回氢装置300的氢气输出口处的压力，避免供氢回氢装置300的氢气输出口向电堆模块100输入高压氢气，从而更好地保护电堆模块100；本方案中的泄压阀20为机械式泄压阀。
41.如图2至图11所示，所述供氢回氢装置300还包括底座7、高压接头8、回氢接头9和出口集管10，回氢口301设置在回氢接头9上，所述第一比例阀 1、所述第二比例阀3和高压接头8分别安装在底座7上，所述第一引射器2和所述第二引射器4连接于底座7与出口集管10之间，回氢接头9与所述第一引射器2和所述第二引射器4连接在一起，回氢接头9上设置的回氢口用于连接所述汽水分离器500的出气口，所述止回阀6位于回氢接头9与所述第二引射器4对接处，集成度高，结构紧凑，可靠性高。
42.如图2至图11所示，所述底座7设置有高压氢气入口71、第一氢气出口 72、第二氢气出口73、第一通路74和第二通路75，第一通路74用以连通第一氢气出口72与高压氢气入口71，第二通路75用以连通第二氢气出口73与高压氢气入口71，所述高压接头8连接于高压氢气入口71用以连接供氢系统，所述第一比例阀1和所述第二比例阀3分别与第一通路74和
第二通路75连通，所述第一引射器2的入口端与所述第二引射器4的入口端分别与第一氢气出口72 和第二氢气出口73连通，所述燃料电池系统控制器200通过分别控制第一比例阀1的开度与第二比例阀3的开度可分别调节第一氢气出口72与第二氢气出口 73的出气量，设计合理，结构简单。
43.如图2至图11所示，所述出口集管10的内部设置有输出通道101，所述第一引射器2的出口端和所述第二引射器4的出口端与输出通道101连通，所述压力传感器400安装在所述出口集管10上，所述压力传感器400的伸入于输出通道101里以检测压力信号，将第一引射器2的出口端和第二引射器4的出口端汇集在一起，集成度高，结构紧凑。
44.如图2所示，所述泄压阀20安装在所述出口集管10上，所述泄压阀20与所述输出通道101连通。
45.如图2至图11所示，所述回氢接头9设置有回氢进气通道91、第一回氢出气口92和第二回氢出气口93，所述回氢口301与回氢进气通道91连通，回氢进气通道91将第一回氢出气口92和第二回氢出气口93连通起来，第一回氢出气口92和第二回氢出气口93分别与所述第一回氢引射口21和所述第二回氢引射口41连通，所述止回阀6位于第二回氢出气口93与所述第二回氢引射口41 的对接处；具体地，所述止回阀6包括止回膜片61和止回托板62，止回托板 62设置有若干出气孔621，止回托板62与所述第二回氢出气口93对应并安装在所述回氢接头9上，止回膜片61与所述第二回氢引射口41对应并安装在所述第二引射器4上，止回膜片61覆盖于止回托板62上，当第二比例阀3打开时，第二供氢通道内部形成负压，使回流的氢气可将止回膜片61顶起以打开止回阀6，本方案提供的止回阀6的结构简单，制造成本低；另外，将止回阀6置于第二回氢出气口93与第二回氢引射口41对接处可防止第一引射器2出口端的气流经出口集管10的输出通道101从第二引射器4出口端流入第二引射器4 的通道后逆流道电堆模块100的氢气出口。。
46.如图3至图11所示，于所述高压氢气入口71处设置有过滤器5，当所述高压接头8安装在所述高压氢气入口71时，所述高压接头8将过滤器5固定压紧在所述高压氢气入口71内，过滤器5用以过滤氢气颗粒异物，从而更好地保护电堆，设计合理。
47.如图2至图11所示，在本实施例中，所述第一引射器2包括第一喷嘴23 和第一混合扩压管22，第一喷嘴23嵌装在第一混合扩压管22里，所述第一回氢引射口21设置在第一混合扩压管22上；第一混合扩压管22内设置第一混合段流道221和第一扩张段流道222，第一混合段流道221与第一回氢引射口21 连通，第一喷嘴23中间设置第一流道231作为氢气流体的通道，第一喷嘴23 一端设置第一氢气流体入口232作为第一引射器2的入口端，第一喷嘴23另一端设置有第一高压喷射口233，第一高压喷射口233喷射出来的高压流体与第一回氢引射口21回流的氢气在第一混合段流道221混合后经第一扩张段流道222 后引射出去。
48.如图2至图11所示，在本实施例中，所述第二引射器4包括第二喷嘴43 和第二混合扩压管42，第二喷嘴43嵌装在第二混合扩压管42里，所述第二回氢引射口41设置在第二混合扩压管42上；第二混合扩压管42内设置第二混合段流道421和第二扩张段流道422，第二混合段流道421与第二回氢引射口41 连通，第二喷嘴43中间设置第二流道431作为氢气流体的通道，第二喷嘴43 一端设置第二氢气流体入口432作为第二引射器4的入口端，第二喷嘴43另一端设置有第二高压喷射口433，第二高压喷射口433喷射出来的高压流体与第二回氢引射口41回流的氢气在第二混合段流道421混合，并经过第二扩张段流道 422后引射出
去。
49.如图2至图11所示，在本实施例中，第一混合扩压管22与第二混合扩压管42集成与一体，使得供氢回氢装置300，集成度高，整体性好，结构紧凑。
50.以上实施例为本实用新型的较佳实施方式，但本实用新型的实施方式不限于此，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。