过压保护装置及燃料电池系统的制作方法

1.本发明属于燃料电池系统零部件技术领域，特别是一种过压保护装置及燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池电堆是由许多片单电池堆叠而成的，单电池内部气体流道分为两个腔体：电堆阴极腔体和电堆阳极腔体，两个腔体通过膜电极隔开，阳极侧通入氢气，阴极侧通入空气，通过催化作用，实现电解水的逆反应，释放电能、水和热量，但由于膜电极的厚度很小，耐压能力有限，当阴阳两极的压差过大时，容易损坏膜电极，导致气体内漏，即氢气漏至阴极腔或空气漏至阳极腔。另外，燃料电池电堆阴阳两极同外界大气之间，同样存在一个最大耐受压力，当腔体内部压力超过最大耐受压力时，容易出现气体外漏问题，即电堆内部氢气或空气泄漏至外部环境中。
3.燃料电池系统的阳极工作介质为氢气，通过高压储罐进行存储，燃料电池系统工作时，气体从高压储罐内释放，经过机械减压阀初步减压进入燃料电池系统，再通过系统中喷氢阀进一步降低压力，提供满足电堆工作压力需求的氢气。但随着燃料电池系统的工作，不断消耗着电堆阳极腔体内的氢气，内部有压力下降的趋势，因此需要实时控制阳极侧气体压力使其处于合理区间。
4.目前，一般是采用电控制方法实时控制阳极侧气体压力，即在阳极侧设置阳极压力传感器，该阳极压力传感器实时监测电堆阳极侧的压力值，并实时反馈给控制系统，控制系统通过pid调节对燃料电池电堆的阳极侧气体压力进行动态控制，保证阳极侧气体压力处于合理范围。但当控制系统处于故障状态或者手动控制时，电堆阳极腔体会偶发超过工作压力的情况，甚至超过燃料电池系统部件的耐受能力，损坏燃料电池系统部件，导致燃料电池系统失效。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：针对现有的燃料电池电堆内压差过大时，容易损坏燃料电池电堆的膜电极的技术问题，提供一种过压保护装置及燃料电池系统。
6.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种过压保护装置，包括壳体，所述壳体上设有阳极进气管口、阴极进气管口和排气管口，所述壳体内部空腔被分隔为与所述阴极进气管口连通的第一腔体以及与所述阳极进气管口连通的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体相互隔离，所述第一腔体内部设置有用于控制燃料电池电堆内部阳极和阴极之间气压差的第一弹性件和往复运动机构，所述第一弹性件远离所述阴极进气管口的一端与所述往复运动机构相连，所述往复运动机构的另一端与设置在靠近所述阳极进气管口处的泄压阀相连。
7.可选地，所述往复运动机构包括活塞体和导向组件，所述活塞体内部的空腔形成活塞腔，所述导向组件可往复运动地设置于所述活塞腔内；所述活塞体与所述导向组件之
间设有用于防止燃料电池电堆阳极侧气体压力过高的第二弹性件。
8.可选地，所述壳体内包括一用于在所述活塞体与所述壳体之间形成径向密封的密封件，所述密封件套设在所述活塞体上。
9.可选地，所述第二弹性件的弹性系数大于所述第一弹性件的弹性系数。
10.可选地，所述第一弹性件和第二弹性件均为弹簧。
11.可选地，所述泄压阀包括阀芯和阀座，所述阀芯与所述往复运动机构相连，所述阀芯可在所述往复运动机构的带动下沿所述第一弹性件或第二弹性件轴向运动，从而与所述阀座分离或压紧，以开启或关闭所述泄压阀。
12.可选地，所述导向组件包括活动件和导向杆；所述第二弹性件通过所述活动件支撑在所述活塞腔内，所述导向杆固定连接在所述活动件和所述阀芯之间；所述活动件可往复运动地设置于所述活塞腔内。
13.本发明实施例提供的过压保护装置，通过在第一腔体内部设置有第一弹性件和往复运动机构，以使第一弹性件在第一过压保护状态即燃料电池电堆内阴阳两极压差超过第一弹性件压缩力时压缩，带动往复运动机构沿第一弹性件轴向向阴极进气管口方向运动，开启泄压阀，使得通过泄压阀流入第二腔体内的阳极气体从排气管口排出，实现对阳极侧气体压力进行泄压的目的，以在满足燃料电池电堆反应所需气体量的同时根据燃料电池电堆内部压差的变化，实时控制燃料电池电堆内部压差的平衡，从而有效保护燃料电池电堆，延长燃料电池电堆的使用寿命。此外，本发明实施例的所提供的过压保护装置的元件数量少、结构简单且成本低。
14.本发明实施例还提供一种燃料电池系统，包括电堆阴极腔体、电堆阳极腔体，以及所述的过压保护装置，所述电堆阴极腔体与所述过压保护装置中的阴极进气管口相连，所述电堆阳极腔体与所述过压保护装置中的阳极进气管口相连。
15.本发明实施例提供的燃料电池系统，在满足系统内电池电推反应所需气体量的基础上，可有效保证燃料电池电堆内压力差处于平衡状态，保证膜电极的使用寿命，从而保证燃料电池系统的稳定性。同时，可控制阳极侧气体压力在一定范围之内，有效防护燃料电池系统内部件，并可防止气体泄露，保证燃料电池系统的安全性。
附图说明
16.图1是过压保护装置的一具体结构示意图；
17.说明书中的附图标记如下：
18.1、壳体；11、阳极进气管口；12、阴极进气管口；13、排气管口；2、第一弹性件；31、阀座；32、阀芯；4、第二弹性件；51、活塞体；52、活塞腔；531、活动件；532、导向杆；6、密封件。
具体实施方式
19.为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.如图1所示，本发明实施例提供的过压保护装置，包括壳体1以及设置在壳体1上的阳极进气管口11、阴极进气管口12和排气管口13，壳体1内部空腔被分隔为与阴极进气管口
12连通的第一腔体以及与阳极进气管口11连通的第二腔体，第一腔体内部设置有第一弹性件2和往复运动机构，第一弹性件2远离阴极进气管口12的一端与往复运动机构相连，往复运动机构的另一端与设置在靠近阳极进气管口11处的泄压阀相连；第一弹性件2在第一过压保护状态下压缩，带动往复运动机构沿第一弹性件2轴向向阴极进气管口12的方向运动，开启泄压阀，使得通过泄压阀流入第二腔体内的阳极气体从排气管口13排出。
21.该过压保护装置可应用于燃料电池系统中，以保证燃料电池系统工作时，通过控制燃料电池电堆内阴阳两极压差的平衡，避免出现燃料电池电堆内部压差过大，损坏燃料电池电堆的膜电极的问题。其中，通过将第一腔体和第二腔体分离，形成两个密封腔体，以实现根据阴阳两极压差的变化，使第一弹性件2压缩或复位，从而实时控制泄压阀的开启状态的目的。
22.为了使燃料电池电堆的反应顺利进行，燃料电池系统的阴极和阳极需按照一定的压力和流量通入反应气体，即氢气和空气，将通入系统的氢气和空气，通过一定的催化作用，实现电解水的逆反应，释放电能、水和热量。其中，阳极进气管口11是用于接收通入电堆阳极腔体内的氢气的管口，阴极进气管口12是用于接收通入电堆阴极腔体内空气的管口，排气管口13是用于在过压保护状态下将流入第二腔体内的阳极气体排出的管口。
23.可以理解地，当燃料电池电堆内阴阳两极压差过大时，容易损坏膜电极，故需要将阳极气体通过排气管口13排出，以降低阳极侧气体压力，使燃料电池电堆内阴阳两极压差保持平衡，从而有效保护燃料电池电堆，延长燃料电池电堆的使用寿命。往复运动机构可在第一弹性件2的带动下沿第一弹性件2轴向进行往复运动，泄压阀可根据阳极侧气体压力的状态进行开启或关闭。
24.其中，当处于第一过压保护状态时，阳极侧气体压力与阴极侧气体压力的差值大于第一弹性件2的压缩力。假设阴极侧气体压力为p1，阳极侧气体压力为p2，第一弹性件2的压缩力为f1，当p2-p1＞f1时，阳极侧气体压力过大，第一弹性件2的压缩力f1以及阴极侧气体压力p1之和不足以平衡阳极侧气体压力p2，第一弹性件2被压缩，并带动往复运动机构沿第一弹性件2轴向向阴极进气管口12的方向运动，以使泄压阀开启，通过泄压阀流入第二腔体内的阳极气体从排气管口13排出，实现对阳极侧气体进行泄压的目的，使阴阳两极压差处于平衡状态，从而有效保护燃料电池电堆，延长燃料电池电堆的使用寿命。
25.进一步地，当p2-p1≤f1时，此时处于平衡状态，第一弹性件2复位，并带动往复运动机构沿第一弹性件2轴向向阳极进气管口11方向运动，使泄压阀在往复运动机构的带动下关闭，以根据燃料电池电堆内阴阳两极压差的变化，实时控制泄压阀的开关状态，实现实时控压的目的。
26.本发明实施例提供的过压保护装置，通过在第一腔体内部设置第一弹性件2和往复运动机构，以使第一弹性件2在第一过压保护状态(即燃料电池电堆内阴阳两极压差过大时)下压缩，带动往复运动机构沿第一弹性件2轴向向阴极进气管口12方向运动，开启泄压阀，使得通过泄压阀流入第二腔体内的阳极气体从排气管口13排出，实现对阳极侧气体进行泄压的目的，以根据阴阳两极压差的变化，实时控制燃料电池电堆内阴阳两极压差的平衡，从而保证燃料电池电堆的安全性和稳定性。此外，本发明实施例所提供的过压保护装置的元件数量少、结构简单且成本低。
27.在一实施例中，如图1所示，往复运动机构包括活塞体51和导向组件，活塞体51内
部设有活塞腔52，导向组件可往复运动地设置于活塞腔52内；活塞体51与导向组件之间设有第二弹性件4；第二弹性件4在第二过压保护状态下压缩，带动导向组件沿第二弹性件4轴向向阴极进气管口12方向运动，开启泄压阀，使得通过泄压阀流入第二腔体内的阳极气体从排气管口13排出。
28.本实施例中，通过控制第二弹性件4在第二过压保护状态下压缩，带动导向组件沿第二弹性件4轴向向阴极进气管口12方向运动，开启泄压阀，使得通过泄压阀流入第二腔体内的阳极气体从排气管口13排出，可有效防止阳极侧气体压力的压力进一步升高，避免采用电控方法控压时，控制系统处于故障状态时，阳极侧气体压力出现突发情况导致系统部件损坏的问题。
29.此外，由于阳极气体为氢气，而氢气属于易燃易爆气体，一旦泄漏容易引发安全问题，通过控制阳极侧气体压力，还可有效防止阳极气体(即氢气)泄露，提高燃料系统的安全性。
30.其中，在阳极侧气体压力与阴极侧气体压力的差值小于第一弹性件1的压缩力的情况下，加大阴极侧气体压力以及阳极侧气体压力，当阳极侧气体压力大于第二弹性件4的压缩力时，燃料电池电堆处于第二过压保护状态。可以理解地，假设阴极侧气体压力为p1，阳极侧气体压力为p2，第一弹性件2的压缩力为f1，第二弹性件4的压缩力为f2，当p2-p1<f1时，此时燃料电池电堆内部阴阳两极压差处于平衡状态，往复运动机构不会沿着弹簧轴向进行运动，此时随着燃料电池电堆内反应的进行，继续通入氢气和空气，阴极侧气体压力以及阳极侧气体压力不断增大，当阳极侧气体压力大于第二弹性件4的压缩力(即p2>f2)时，此时处于第二过压保护状态，第二弹性件4压缩，以带动导向组件沿第二弹性件4轴向向阴极进气管口12方向运动，开启泄压阀，使得通过泄压阀流入第二腔体内的阳极气体从排气管口13排出，以及时降低阳极侧气体压力，使阳极侧气体压力在第二弹性件4的压缩力内，有效解决阳极侧气体压力超过部件的耐受能力，容易损坏系统部件的问题，此外还可防止阳极侧气体泄露，提高安全性。
31.进一步地，对阳极侧气体泄压后，当p2≤f2时，此时处于平衡状态，则第二弹性件4复位，带动导向组件沿第二弹性件4轴向向阳极进气管口11方向运动，使泄压阀在导向组件的带动下关闭，以根据阳极侧气体压力的变化，实时控制泄压阀的开关状态，实现实时控压的目的。
32.需要说明的是，第一弹性件2的压缩力以及第二弹性件4的压缩力可根据实际需要进行调整，此处不做限定。可以理解地，通过调整第一弹性件2的压缩力以及第二弹性件4的压缩力，可满足不同的控压需求，使得本实施例所提供的过压保护装置通用性强，可适用不同的控压场景。
33.可以理解地，本实施中的第一弹性件2的压缩力和第二弹性件的压缩力可看作泄压阀开启的两个开启阈值，以达到二级泄压的目的。
34.本实施例所提供的过压保护装置，通过采用机械控制式泄压阀在第一过压保护状态或第二过压保护状态下开启，以达到二级泄压的目的，既可有效控制阴阳两极压差处于平衡状态，也可防止阳极侧气体压力升高，超过燃料电池系统部件耐受能力，破坏系统部件的问题，从而有效保证燃料电池系统的安全性和稳定性。此外，还可有效避免采用电控方法控压时，控制系统处于故障状态时，阳极侧气体压力出现突发情况导致系统部件损坏的问
题。
35.在一实施例中，如图1所示，壳体1内包括一密封件6，密封件6套设在活塞体51上，用于在活塞体51与壳体1的内壁之间形成径向密封。通过在活塞体51与壳体1内之间形成径向密封，保证第一腔体和第二腔体相互隔离，避免由于两个腔体连通，导致无法根据压力平衡原理控制燃料电池电堆内部压差的问题。
36.在一实施例中，第二弹性件4的弹性系数大于第一弹性件2的弹性系数。可以理解地，第二弹性件4的弹性系数需大于第一弹性件2的弹性系数，以在第一过压保护状态下，即燃料电池电堆内阴阳两极压差大于第一弹性件2的压缩力时可通过第一弹性件2的压缩开启泄压阀释放阳极侧气体，实现一次泄压的目的。同时，在第二过压保护状态下，即燃料电池电堆内阴阳两极压差处于平衡状态，且阳极侧气体压力过大超过第二弹性件4的压缩力时可通过第二弹性件4的压缩开启泄压阀释放阳极侧气体，达到二级泄压的目的，既可保证燃料电池电堆内阴阳两极压差处于平衡状态，又可保证阳极侧气体压力在第二弹性件4的压缩力之内，防止阳极侧气体压力过高，损坏燃料电池系统部件，有效保证燃料电池系统的安全性和稳定性。
37.在一实施例中，第一弹性件2和第二弹性件4均为弹簧。该第一弹性件2和第二弹性件4选用螺旋弹簧，质量轻、占用空间小且成本低。
38.在一实施例中，泄压阀包括阀芯32和阀座31，阀芯32与往复运动机构相连；往复运动机构带动阀芯32沿第一弹性件2或第二弹性件4轴向运动，与阀座31分离，以开启泄压阀。
39.其中，阀座31是用于支撑阀芯32全关位置，并构成密封副的部件。阀体借助阀芯32的移动来实现方向控制、压力控制或流量控制等基本功能。
40.本实施例中，当燃料电池电堆内阴阳两极压差大于第一弹性件2的压缩力时，即处于第一过压保护状态时，第一弹性件2被压缩，并带动往复运动机构沿第一弹性件2轴向向阴极进气管口12方向运动，从而带动阀芯32沿第一弹性件2向阴极进气管口12方向运动，与阀座31分离，以开启泄压阀，对阳极侧气体进行泄压。
41.当阳极侧气体压力大于第二弹性件4的压缩力时，即处于第二过压保护状态时，第二弹性件4向阴极进气管口12方向压缩，带动活动件531在活塞腔52内运动，从而通过往复运动机构带动阀芯32向阴极进气管口12方向运动，使得阀芯32与阀座31分离，以释放阳极侧气体压力。
42.在对阳极侧气体进行泄压后，阳极侧气体压力降低，此时燃料电池电堆内阴阳两极压差处于平衡状态，第一弹性件2向阳极进气管口11方向压缩，带动往复运动机构向阳极进气管口11方向运动，使得阀芯32压紧至阀座31上，恢复平衡状态。
43.或者，燃料电池电堆内阴阳两极压差处于平衡状态且阳极侧气体压力不超过第二弹性件4的压缩力时，第二弹性件4向阳极进气管口11方向压缩，带动往复运动机构向阳极进气管口11方向运动，使得阀芯32压紧至阀座31上，恢复平衡状态。
44.在一实施例中，如图1所示，导向组件包括活动件531和导向杆532；第二弹性件4通过活动件531支撑在活塞体51内，导向杆532固定连接在活动件531和阀芯32之间；活动件531可往复运动地设置于活塞腔52内。
45.本实施例中，当阳极侧气体压力处于第二过压保护状态时，即阳极侧气体压力大于第二弹性件4的压缩力时，第二弹性件4向阴极进气管口12方向压缩，带动活动件531在活
塞腔52内运动，从而通过导向杆532带动阀芯32向阴极进气管口12方向运动，使得阀芯32与阀座31分离，阳极气体流入第二腔体内，并通过设置在第二腔体上的排气管口13排出，防止阳极侧气体压力进一步升高，损坏燃料电池系统部件。此外，还可有效防止阳极侧气体压力的升高导致气体外露造成安全隐患的问题，有效提高燃料电池系统的安全性和稳定性。
46.在对阳极侧气体压力进行泄压后，阳极侧气体压力降低，当阳极侧气体压力小于第二弹性件4的压缩力时，第二弹性件4向阳极进气管口11方向压缩，带动活动件531在活塞腔52内运动，从而通过导向杆532带动阀芯32向阳极进气管口11方向运动，使得阀芯32压紧至阀座31上，恢复平衡状态，以实时根据阳极侧气体压力的变化，基于压力平衡原理控制泄压阀的开关状态，实现实时控压的目的。
47.在一实施例中，第一弹性件2和第二弹性件4在处于非过压保护状态下，将阀芯32压紧至阀座31上，使得泄压阀处于关闭状态。
48.其中，非过压保护状态是指除第一过压保护状态和第二过压保护状态之外的状态，可以理解地，非过压保护状态可包括燃料电池电堆内阴阳两极压差不大于第一弹性件2的压缩力的状态，以及燃料电池电堆内阴阳两极压差不大于第一弹性件2的压缩力且阳极侧气体压力不大于第二弹性件4的压缩力的状态。
49.具体地，在处于非过压保护状态下，此时通过第一弹性件2和第二弹性件4的预紧力将阀芯32压紧至阀座31上，使得泄压阀处于关闭状态，形成密封面，保持燃料电池电堆内部压差的平衡，不受外部环境影响。
50.本发明实施例还提供一种燃料电池系统，包括电堆阴极腔体、电堆阳极腔体和上述实施例的过压保护装置，电堆阴极腔体与过压保护装置中的阴极进气管口12相连，电堆阳极腔体与过压保护装置中的阳极进气管口11相连。
51.其中，燃料电池系统包括阳极气体供应子系统和阴极气体供应子系统，该阳极气体供应子系统用于向系统内电堆阳极腔体内通入氢气。阴极气体供应子系统用于向系统内电堆阴极腔体内通入空气。
52.具体地，电堆阴极腔体与过压保护装置中的阴极进气管口12相连，电堆阳极腔体与过压保护装置中的阳极进气管口11相连，以在燃料电池系统内部通过机械控制式泄压阀在第一过压保护状态或第二过压保护状态下开启，达到二级泄压的目的，既可有效控制燃料电池电堆内压差处于平衡状态，也可控制阳极侧气体压力在第二弹性件4的压缩力之内，从而有效保证燃料电池系统的安全性和稳定性。
53.本发明实施例提供的燃料电池系统，在满足系统内电池电堆反应所需气体量的基础上，可有效保证燃料电池电堆内压差处于平衡状态，保证膜电极的使用寿命，从而保证燃料电池系统的稳定性。同时，可控制阳极侧气体压力在第二弹性件4的压缩力之内，有效保护燃料电池系统内部件，并可防止气体泄露，保证燃料电池系统的安全性。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。