一种燃料电池供氢回氢系统及燃料电池的制作方法

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1.本发明涉及一种燃料电池供氢回氢系统及燃料电池。


背景技术：

2.质子交换膜氢燃料电池是一种高效率、高功率密度、零排放的发电系统，已广泛的应用在各个领域中。燃料电池系统中的电堆是由若干电池单元以串联方式层叠而成，其正常工作需要干燥、清洁、绝缘的环境条件。为了保证电堆的工作环境，目前绝大部分燃料电池系统是将电堆模块放置于一箱体中，并通过密封设计保证箱体达到ip67的防护要求。见专利号为：cn201920255608.7、公开号:cn209312924u、专利名称为：一种燃料电池的实用新型专利。
3.目前，燃料电池的供氢回氢系统缺乏有效的水汽分离机制：1.只通过吹扫阀来提升循环氢气的纯度和降低氢气含水量，影响系统性能且用氢经济性差；即使一些采用了水汽分离器进行水汽分离但其分离效果差，一般只有一级分离，对回收氢气的纯度提高不够，导致氢气中水份含量高，回收不理想。2.供氢回氢系统元件布置不合理，导致各连接管路较长，增加了管路和零部件固定的繁琐且增加了系统氢气路的压降。3.空间利用率低，系统整体体积大。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种燃料电池供氢回氢系统及燃料电池，解决现有技术中燃料电池的电堆模块氢气出口输出的反应残余的氢气进行循环回收过程中，缺乏有效的水汽分离装置，导致回收的氢气中水份含量高，回收不理想，影响系统性能的技术问题。
5.本发明的进一步目的是提供一种燃料电池供氢回氢系统及燃料电池，解决现有技术中燃料电池中供氢回氢系统元件布置不合理，导致各连接管路较长，增加了管路和零部件固定的繁琐且增加了系统氢气路的压降、体积较大的技术问题。
6.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
7.一种燃料电池供氢回氢系统，包括分布在电堆模块周围的电堆氢气出口管、电堆氢气入口管、水汽分离器、吹扫阀、供氢模块和回氢泵，高压氢气经过供氢模块、电堆氢气入口管进入到电堆模块的氢气入口，电堆模块的氢气出口与电堆氢气出口管连接，电堆模块的氢气出口将含有氢气的混合气体通过电堆氢气出口管汇入到水汽分离器进行一次水汽分离，水汽分离器分离出来的水通过带有排水阀的管道排出到外界，其特征在于：水汽分离器分离出来的氢气通过歧管连接到回氢泵的进氢口，歧管包括主管和支管，主管设置有一段爬坡段，主管出口连接到回氢泵的进氢口，支管从爬坡段的底部分支出来，支管的出口端连接吹扫阀，水汽分离器分离出来的氢气经过爬坡段时形成二次水汽分离，分离出来的水滴沿着爬坡段汇流到支管，最后从吹扫阀排出。
8.上述带有排水阀的管道的出口连接到燃料电池的空气尾排管中，统一排出水滴。
9.上述的吹扫阀的出口也通过管道连接到燃料电池的空气尾排管中，统一排出水
滴。
10.上述的回氢泵的出氢口连接到供氢模块使回收的氢气通过供氢模块重新输入到电堆模块中。
11.上述的供氢模块是一种进氢集成歧块，包括歧块、截止阀、比例调节阀、泄压阀、压力传感器、进氢接头、回氢泵接头和出氢接头，以歧块作为安装载体集成了截止阀、比例调节阀、压力传感器、泄压阀、进氢接头、回氢泵接头和出氢接头，形成一个模块化的部件。
12.上述的电堆氢气出口管、水汽分离器和带有排水阀的管道位于电堆模块的左侧，电堆氢气入口管、供氢模块和回氢泵位于电堆模块的前方，形成l形布局。
13.上述的歧管从位于电堆模块左侧的水汽分离器延伸折弯到电堆模块的前方的回氢泵中。
14.上述的供氢模块位于回氢泵上方，回氢泵安装在电池箱体的底板上。
15.上述的空气尾排管位于l形布局的角位处，吹扫阀位于空气尾排管的右侧，供氢模块和回氢泵位于电堆模块的前方靠右侧的位置。
16.上述的爬坡段与水平面的倾斜角度在60度角至85度角的范围。
17.一种燃料电池，包括电堆模块、供氢回氢系统、冷却系统、空气供应系统和由若干个燃料电池单元堆叠而成的电堆模块，其特征在于：供氢回氢系统采用上述所述的燃料电池供氢回氢系统。
18.本发明与现有技术相比，具有如下效果：
19.1)本发明的方案拥有双级水汽分离机制，电堆模块的氢气出口将含有氢气的混合气体通过电堆氢气出口管汇入到水汽分离器进行一次水汽分离，在回氢泵入口前由氢气歧管的支管、爬坡段和吹扫阀共同形成二级辅助水汽分离装置，有效实现水汽分离，降低系统电堆水淹的风险，废水废气分别排出，提升系统用氢经济性和可靠性。
20.3)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
21.图1是本发明实施例一提供的立体图；
22.图2是本发明实施例一提供的原理方框图；
23.图3是本发明实施例一提供的供氢模块的原理方框示意图。
24.图4是本发明实施例一省略箱体后提供的局部立体图；
25.图5是是本发明实施例一省略箱体后提供的俯视图；
26.图6是图4省略吹扫阀和空气尾排管的局部立体图；
27.图7是本发明的歧管局部连接结构示意图；
28.图8本发明实施例二提供的原理方框图。
具体实施方式：
29.下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
30.实施例一：
31.如图1至图7所示，本实施例提供的是一种燃料电池供氢回氢系统，包括分布在电堆模块100周围的电堆氢气出口管1、电堆氢气入口管2、水汽分离器3、吹扫阀4、供氢模块5
和回氢泵6(也称氢气循环泵)，高压氢气经过供氢模块5、电堆氢气入口管2进入到电堆模块100的氢气入口，电堆模块100的氢气出口与电堆氢气出口管1连接，电堆模块100的氢气出口将含有氢气的混合气体通过电堆氢气出口管1汇入到水汽分离器3进行一次水汽分离，水汽分离器3分离出来的水通过带有排水阀7的管道8排出到外界，其特征在于：水汽分离器3分离出来的氢气通过歧管9连接到回氢泵6的进氢口，歧管9包括主管91和支管92，主管91靠近出口的位置有一段爬坡段93，主管91出口连接到回氢泵6的进氢口，支管92从爬坡段93的底部分支出来，支管92的出口端连接吹扫阀4，水汽分离器3分离出来的氢气经过爬坡段93时形成二次水汽分离，分离出来的水滴沿着爬坡段93汇流到支管92，最后从吹扫阀4排出。
32.本发明的工作原理是：本发明的方案拥有双级水汽分离机制，电堆模块100的氢气出口将含有氢气的混合气体通过电堆氢气出口管1汇入到水汽分离器3进行一次水汽分离，在回氢泵6入口由歧管9的爬坡段93和吹扫阀4分支共同形成二级辅助水汽分离装置，有效实现水汽分离，降低系统电堆水淹的风险，废水废气分别排出，提升系统用氢经济性和可靠性。经过反应后的燃料电池电堆模块的氢气出口除输出未反应的氢气外，还包含大量的水蒸气、液态水和氮气，排水阀7主要用于排出燃料电池电堆模块的尾排管出口大量的水，吹扫阀4主要用于排出部分氢气氮气混合气体，然后与氢瓶进入的氢气混合进入燃料电池电堆模块，从而提升氢气管道的氢气纯度。
33.上述的带有排水阀7的管道8的出口连接到燃料电池的空气尾排管10中，统一排出水滴，结构简单，安装方便，排水阀7受到燃料电池系统控制器的控制定时打开排出水滴。
34.上述吹扫阀4的出口也通过管道连接到燃料电池的空气尾排管10中，统一排出水滴，吹扫阀4也受到燃料电池系统控制器的控制定时打开排出水滴。
35.上述的回氢泵6的出氢口连接到供氢模块5使回收的氢气通过供氢模块5重新输入到电堆模块100中，结构简单，连接方便。
36.上述的供氢模块5是一种进氢集成歧块，包括歧块、截止阀、比例调节阀、泄压阀、压力传感器、进氢接头、回氢泵接头和出氢接头，以歧块作为安装载体集成了截止阀、比例调节阀、压力传感器、泄压阀、进氢接头、回氢泵接头和出氢接头，形成一个模块化的部件，其具体结构可以参考申请人于2018.08.31申请的公开号:cn109103482a、专利名称是一种进氢集成歧块及其应用的燃料电池的发明专利，在此不再详细叙述。进氢集成歧块集成度高，形成模块化。
37.上述的电堆氢气出口管1、水汽分离器3和带有排水阀7的管道8位于电堆模块100的左侧，电堆氢气入口管2、供氢模块5和回氢泵6位于电堆模块100的前方，形成l形布局。该系统各零部件布置合理，遵循了连接管路最短原则，这样减少了管路及部分零部件的固定所需零件，简化了系统，降低了系统流阻。避免管路和零部件固定的繁琐且增加了系统氢气路的压降，该供氢回氢系统围绕电堆模块100呈现l形布置，利用系统内部有限的空间将零部件巧妙的集成为一个系统，大大提升了空间利用率。
38.上述的歧管9从位于电堆模块100左侧的水汽分离器延伸折弯到电堆模块100的前方的回氢泵6中。可以简化了系统，提高空间利用率。
39.上述的供氢模块5位于回氢泵6上方，回氢泵6安装在电池箱体200的底板201上。可以简化了系统，提高空间利用率。
40.上述的空气尾排管10位于l形布局的角位处，吹扫阀4位于空气尾排管的右侧，供
氢模块5和回氢泵6位于电堆模块100的前方靠右侧的位置。可以简化了系统，连接管路缩短，提高空间利用率。
41.上述爬坡段与水平面的倾斜角度在60度角至85度角的范围，形成较为陡峭上升的路径，更好地实现水汽分离。
42.本发明该供氢回氢系统根据系统有限的空间呈l形布置，左侧为电堆氢气出口管1，前面为电堆氢气入口管2。电堆氢气出口管1后连接水汽分离器3，水汽分离器3出口分为两路，一路将分离集聚的水从下部管道8流向排水阀7，由排水阀7按照相应频率排出积水到空气尾排管10，从而排出系统外部。另一路为分离后的氢气气体从水汽分离器3的上部管路流向氢气歧管9，氢气歧管9流向回氢泵6再与进氢模块5，然后进入的电堆氢气入口管2，最后进入电堆模块100。但在进入回氢泵6前，在回氢泵6入口由歧管9的爬坡段93和吹扫阀4分支共同形成二级辅助水汽分离装置，一方面可以将系统工作过程中水汽分离器3未分离干净的部分水滴倒流回到支管92和吹扫阀4排出系统，另一方面在停机情况下可以杜绝管路中的水进入回氢泵6集聚，提升冷启动性。
43.实施例二：
44.如图8所示，一种燃料电池，包括电堆模块100、供氢回氢系统、冷却系统、空气供应系统，其特征在于：供氢回氢系统采用实施例一所述的燃料电池供氢回氢系统。它结构紧凑，体积小，有效实现水汽分离，降低系统电堆水淹的风险，废水废气分别排出，提升系统用氢经济性和可靠性。
45.以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明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，都包含在本发明的保护范围之内。