一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置。

背景技术：

燃料电池是一种能量转化装置，直接将化学能转换为电能。燃料电池可以分为磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，碱性燃料电池，固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池工作温度低，电流密度大，响应速度快，性能稳定。而且反应生成物只有水，不存在腐蚀性。因此，质子交换膜燃料电池在车辆交通和备用电源等领域具有广阔的市场前景。

但我国地大物博，南北气候差异巨大，北方常面临零下几十度低温情况。当燃料电池电堆处于零下几度甚至数十度低温环境中时，由于启动阶段电堆温度较低，燃料电池反应产生的水无法正常排出电堆，甚至结冰，导致电堆内部催化层被局部或者全部覆盖，其化学反应终止，从而使得电堆无法正常启动，更严重时会导致质子交换膜破损，损坏电堆。此外当蓄电池没电时，燃料电池也不能启动。因此，需要采用合理的方法来实现电堆在低温冷启动及蓄电没电时的应急启动。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服氢燃料电池在零度以下启动甚至在零下数度超低温启动以及蓄电池没电时应急启动等技术难题，提供一种结构简单可靠且稳定有效的氢燃料电池冷起动及应急启动装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

本发明所述的一种基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置，由冷却液管路a(1)、氢气管a(2)、氢气阀门a(3)、氢气阀门b(4)、氢气管b(5)、氢气罐(6)、燃烧器(7)、蓄电池(8)、电控开关(9)、涡轮机a(10)、离合器a(11)、水泵(12)、水箱(13)、冷却液管路b(14)、电动机(15)、冷却液管路c(16)、排气管(17)、换热器(18)、电动机b(19)、压气机(20)、空气管路a(21)、电磁阀a(22)、空气罐(23)、冷却液管路d(24)、废气管路a(25)、废气管路b(26)、废气管路c(27)、涡轮机b(28)、离合器b(29)、手动式压电陶瓷点火器(30)、单向阀(31)、电磁阀b(32)、(33)电磁阀c(33)、空气管路b(34)、燃料电池组(35)组成。其中氢气罐(6)出口有两个支路分别是氢气管a(2)和氢气管b(5)；氢气罐(6)通过氢气管a(2)与燃料电池组(35)相通，氢气阀门a(3)串联在氢气管a(2)上；氢气罐(6)通过氢气管b(5)与燃烧器(7)相通，氢气阀门b(4)串联在氢气管b(5)上；燃烧器(7)连接的废气管路b(26)有两个支路，一路通到涡轮机a(10)的进气口，另一路通到涡轮机b(28)的进气口；涡轮机a(10)通过离合器a(11)和水泵(12)轴的一端相连；水泵(12)轴的另一端与电动机a(15)相连。水泵(12)的进水口通过冷却液管路b(14)与水箱(13)出水口相通，水泵(12)的出水口通过冷却液管路c(16)与换热器(18)的进水口相通；换热器(18)的两个进气口分别与压气机a(10)和压气机b(28)的排气口相通；换热器(18)的排气口与排气管(17)相通；换热器(18)的出水口通过冷却液管路d(24)与燃料电池组(35)换热系统进水口相通；燃料电池组(35)换热系统出水口通过冷却液管路a(1)与水箱(13)的进水口相通；涡轮机b(28)通过离合器b(29)与压气机(20)轴的一端相连；压气机(20)轴的另一端与电动机b(19)相连；压气机(20)的进气口与大气相通，它的出气口连接的空气管路(21)有两个支路，一条支路通过电磁阀(22)与空气罐(23)进气口相通，另一条支路通过电磁阀(32)和单向阀(31)和燃烧器(7)的空气进气口相通；空气罐(23)的出气口通过空气管路b(34)与燃料电池组(35)的进气口相通；电磁阀(33)串接在空气罐(23)和燃料电磁组(35)之间；蓄电池(8)通过导线与燃烧器(7)上的火花塞a(38)相连，中间串联有电控开关(9)；手动式压电陶瓷点火器(30)与燃烧器(7)上的火花塞b(40)相连。

所述的燃烧器(7)由喷嘴(36)、引射器(37)、火花塞a(38)、燃烧室(39)、火花塞b(40)组成。其中喷嘴(36)引射器(37)进口处；引射器(37)出口与燃烧室(39)的进气口相通；火花塞a(38)和火花塞b(40)布置在引射器(37)出口处；燃烧室(39)的出口与废气管路b(26)相通。

本发明装置的工作过程如下：

启动燃料电池时，阀门b(4)开启，喷嘴(36)喷出的氢气进入引射器(37)后，压力减小速度增加，由于惯性进入燃烧室(39)中与燃烧室内空气混合形成可然混合气，蓄电池(7)有电时，按下电控开关(9)可燃混合气由电池供电的火花塞a(38)点燃，在燃烧室形成稳定的燃烧。当蓄电池(7)没电时，可按压手动式压电陶瓷点火器(29)给火花塞b(40)供电，点燃混合气，形成稳定的燃烧。燃烧产生的高温废气从燃烧室出来后通过废气管路b(26)分成两路。一路高温废气驱动涡轮机a(10)，涡轮机a(10)驱动水泵(12)将冷水泵入换热器(18)中与两个涡轮排出的高温废气换热产生热水，换热后的低温废气经排气管(17)排出。水泵(12)进而将热水泵入燃料电池组换热系统(35)使燃料电池升温到启动所需温度。另一路高温废气驱动涡轮机b(28)旋转，涡轮机b(28)驱动压气机(20)工作。压气机泵入的空气一部分通过电磁阀a(22)储存在空气罐(23)中作为氢燃料电池的空气源，当空气进气管a(21)中的空气压力达到一定值时，一部分空气通过泄压阀(32)和单向阀(31)进入燃烧器(7)使氢气能够充分燃烧。单向阀(31)使燃烧器(7)对两个涡轮机能够始终建立正向压力，避免燃烧器(7)中的燃气泄漏回流。

当燃料电池温度到指定工作温度后，阀门b(4)关闭，燃烧停止。离合a(11)断开，水泵(12)由电动机a(15)驱动，作为冷却系统的水泵运转。离合b(29)断开，压气机(20)由电动机b(19)驱动，泵的空气存入空气罐(23)内作为氢燃料电池的空气源。燃料电池组就能持续稳定工作。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置，氢气可在低温超低温燃烧，可实现氢燃料电池的低温及超低温启动；

2.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置可实现蓄电池没电时燃料电池的应急启动；

3.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置可为燃料电池提供空气源

4.本发明提供的基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置结构简单，制造方便，易于推广。

附图说明

图1是基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置的系统分布图

图2是图1燃烧器(7)的放大图

其中，冷却液管路a(1)、氢气进气管a(2)、阀门a(3)、阀门b(4)、氢气进气管b(5)、氢气罐(6)、蓄电池(7)、开关(8)、涡轮机a(9)、离合器a(10)、水泵(11)、水箱(12)、冷却液管路b(13)、电动机a(14)、冷却液管路c(15)、排气管(16)、换热器(17)、电动机b(18)、压气机(19)、空气进气管a(20)、单向阀(21)、空气罐(22)、冷却液管路d(23)、废气管路a(24)、废气管路b(25)、废气管路c(26)、涡轮机b(27)、离合器b(28)、手动式压电陶瓷点火器(29)、泄压阀(30)、电磁阀(31)、空气进气管b(32)、燃料电池组(33)、喷嘴(34)、进气孔板(35)、引射器(36)、火花塞a(37)、燃烧室(38)、火花塞b(39)。冷却液管路a(1)、氢气管a(2)、氢气阀门a(3)、氢气阀门b(4)、氢气管b(5)、氢气罐(6)、燃烧器(7)、蓄电池(8)、电控开关(9)、涡轮机a(10)、离合器a(11)、水泵(12)、水箱(13)、冷却液管路b(14)、电动机(15)、冷却液管路c(16)、排气管(17)、换热器(18)、电动机b(19)、压气机(20)、空气管路a(21)、电磁阀a(22)、空气罐(23)、冷却液管路d(24)、废气管路a(25)、废气管路b(26)、废气管路c(27)、涡轮机b(28)、离合器b(29)、手动式压电陶瓷点火器(30)、单向阀(31)、电磁阀b(32)、(33)电磁阀c(33)、空气管路b(34)、燃料电池组(35)、喷嘴(36)、引射器(37)、火花塞a(38)、燃烧室(39)、火花塞b(40)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置的系统分布图

图2是图1燃烧器(7)的放大图

本发明由冷却液管路a(1)、氢气管a(2)、氢气阀门a(3)、氢气阀门b(4)、氢气管b(5)、氢气罐(6)、燃烧器(7)、蓄电池(8)、电控开关(9)、涡轮机a(10)、离合器a(11)、水泵(12)、水箱(13)、冷却液管路b(14)、电动机(15)、冷却液管路c(16)、排气管(17)、换热器(18)、电动机b(19)、压气机(20)、空气管路a(21)、电磁阀a(22)、空气罐(23)、冷却液管路d(24)、废气管路a(25)、废气管路b(26)、废气管路c(27)、涡轮机b(28)、离合器b(29)、手动式压电陶瓷点火器(30)、单向阀(31)、电磁阀b(32)、(33)电磁阀c(33)、空气管路b(34)、燃料电池组(35)组成。其中氢气罐(6)出口有两个支路分别是氢气管a(2)和氢气管b(5)；氢气罐(6)通过氢气管a(2)与燃料电池组(35)相通，氢气阀门a(3)串联在氢气管a(2)上；氢气罐(6)通过氢气管b(5)与燃烧器(7)相通，氢气阀门b(4)串联在氢气管b(5)上；燃烧器(7)连接的废气管路b(26)有两个支路，一路通到涡轮机a(10)的进气口，另一路通到涡轮机b(28)的进气口；涡轮机a(10)通过离合器a(11)和水泵(12)轴的一端相连；水泵(12)轴的另一端与电动机a(15)相连。水泵(12)的进水口通过冷却液管路b(14)与水箱(13)出水口相通，水泵(12)的出水口通过冷却液管路c(16)与换热器(18)的进水口相通；换热器(18)的两个进气口分别与压气机a(10)和压气机b(28)的排气口相通；换热器(18)的排气口与排气管(17)相通；换热器(18)的出水口通过冷却液管路d(24)与燃料电池组(35)换热系统进水口相通；燃料电池组(35)换热系统出水口通过冷却液管路a(1)与水箱(13)的进水口相通；涡轮机b(28)通过离合器b(29)与压气机(20)轴的一端相连；压气机(20)轴的另一端与电动机b(19)相连；压气机(20)的进气口与大气相通，它的出气口连接的空气管路(21)有两个支路，一条支路通过电磁阀(22)与空气罐(23)进气口相通，另一条支路通过电磁阀(32)和单向阀(31)和燃烧器(7)的空气进气口相通；空气罐(23)的出气口通过空气管路b(34)与燃料电池组(35)的进气口相通；电磁阀(33)串接在空气罐(23)和燃料电磁组(35)之间；蓄电池(8)通过导线与燃烧器(7)上的火花塞a(38)相连，中间串联有电控开关(9)；手动式压电陶瓷点火器(30)与燃烧器(7)上的火花塞b(40)相连。

所述的燃烧器(7)由喷嘴(36)、引射器(37)、火花塞a(38)、燃烧室(39)、火花塞b(40)组成。其中喷嘴(36)引射器(37)进口处；引射器(37)出口与燃烧室(39)的进气口相通；火花塞a(38)和火花塞b(40)布置在引射器(37)出口处；燃烧室(39)的出口与废气管路b(26)相通。

引射器(36)为缩放性喷管。喷嘴(36)喷出的氢气进入引射器(37)后，压力减小，速度增加，由于惯性进入燃烧室(39)中。蓄电池(8)有电时，按下电控开关(9)可燃混合气由电池供电的火花塞a(38)点燃，在燃烧室形成稳定的燃烧。当蓄电池(7)没电时，可按压手动式压电陶瓷点火器(30)给火花塞b(40)供电，点燃混合气。燃气通过换热系统加热燃料电池组(35)到启动温度并驱动压气机(20)给燃料电池组(35)提供空气，打开氢气阀门a(3)给燃料电池组提供氢气，燃料电池即可启动。燃料电池工作稳定后，氢气阀门b(4)关闭，燃烧停止，空气压气机和冷却系统通过电力继续运转，即可实现氢燃料电池的冷启动及蓄电池没电时的应急启动。

水泵(12)轴一端通过离合器a(11)与涡轮机a(10)连接，轴另一端与电动机a(15)连接。冷起动时，可燃混合气在燃烧器(7)中燃烧膨胀，燃烧废气推动涡轮机a(10)旋转，涡轮机a(10)驱动水泵(10)将冷水泵入换热器(18)中与高温废气换热产生热水。进而将热水泵入燃料电池组(35)使燃料电池升温到启动所需温度。换热后的废气由排气管16排出。燃料电池到适宜工作温度后，阀门b(4)关闭，燃烧停止，离合a(11)断开，水泵(12)由电动机a(15)驱动，作为冷却系统的水泵运转。

压气机(20)轴一端通过离合器b(29)与涡轮机b(28)连接，轴另一端与电动机b(19)连接。冷启动时，燃烧废气推动涡轮机b(28)旋转，涡轮机b(28)驱动压气机(20)工作。压气机泵入的空气一部分通过电磁阀a(22)储存在空气罐(23)中作为氢燃料电池的空气源，当空气进气管a(20)中的空气压力达到一定值时，一部分空气通过泄压阀(32)和单向阀(31)进入燃烧器(7)中使氢气能够充分燃烧。燃料电池工作稳定后，阀门b(4)关闭，燃烧停止，离合b(29)断开，压气机(20)由电动机(18)驱动，泵的空气存入空气罐(23)内作为氢燃料电池的空气源。

结合本发明装置各组件及其安装位置关系，该基于引射器的氢燃料电池冷起动及应急启动装置技术方案的具体工作过程及控制原理如下：

当需要启动燃料电池组(35)时，阀门b(4)开启，喷嘴(36)喷出的氢气进入引射器(37)后，压力减小速度增加，由于惯性进入燃烧室(39)中与燃烧室内空气混合形成可然混合气，蓄电池(7)有电时，按下电控开关(9)可燃混合气由电池供电的火花塞a(38)点燃，在燃烧室形成稳定的燃烧。当蓄电池(7)没电时，可按压手动式压电陶瓷点火器(29)给火花塞b(40)供电，点燃混合气，形成稳定的燃烧。燃烧产生的高温废气从燃烧室出来后通过废气管路b(26)分成两路。一路高温废气驱动涡轮机a(10)，涡轮机a(10)驱动水泵(12)将冷水泵入换热器(18)中与两个涡轮机排出的高温废气换热产生热水，换热后的低温废气经排气管(17)排出。水泵(12)进而将热水泵入燃料电池组换热系统(35)使燃料电池升温到启动所需温度。另一路高温废气驱动涡轮机b(28)旋转，涡轮机b(28)驱动压气机(20)工作。压气机泵入的空气一部分通过电磁阀a(22)储存在空气罐(23)中作为氢燃料电池的空气源，当空气进气管a(21)中的空气压力达到一定值时，一部分空气通过泄压阀(32)和单向阀(31)进入燃烧器(7)使氢气能够充分燃烧。单向阀(31)使燃烧器(7)对两个涡轮机能够始终建立正向压力，避免燃烧器(7)中的燃气泄漏回流。

当燃料电池温度到达适宜工作温度后，阀门b(4)关闭，燃烧停止。离合a(11)断开，水泵(12)由电动机a(15)驱动，作为冷却系统的水泵运转。离合b(29)断开，压气机(20)由电动机b(19)驱动，泵的空气存入空气罐(23)内作为氢燃料电池的空气源。燃料电池组就能持续稳定工作。