一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置

1.本发明涉及氢能源车用能量回收装置技术领域，更具体的说是涉及一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置。


背景技术：

2.在氢燃料电池中，保持膜电极内部水平衡对电堆的寿命有重要意义。一方面，水含量过低会导致“膜干”，不利于质子的跨膜传输；另一方面，水含量过高会导致液态水聚集，进而产生“水淹”现象，阻碍多孔介质中气体的扩散，导致电堆输出电压降低。此外，从阴极侧渗透到阳极的杂质气体不断累积，会导致催化剂“中毒”，降低催化活性，导致电堆性能显著下降。
3.针对以上液态水累积和气体渗透的问题，通常采用排氢的方法，将电堆内部生成的水和累积的杂质气体排出。排氢频率太低，容易导致堵水和杂质气体累积，使得电堆性能下降；排氢频率太高，则既造成氢气浪费，降低燃料利用率，又带来潜在危险。为保证燃料电池稳定高效运行，同时提高氢气利用率，通常采用氢气循环的方法，即氢气把电堆内部生成的水带出后，经水气分离装置将液态水分离，再将氢气循环送回到电堆阳极重复使用，同时循环氢气中较高的饱和水蒸气含量可以实现对新鲜氢气的加湿。
4.目前主要的氢气循环模式有单级引射器、双级引射器并联、单级循环泵、引射器和循环泵并联等，在此基础上通过优化引射器结构和控制策略等方法来提高循环效果。引射器利用高速喷射工作流体造成的压差将喷出的气体不断吸入并再喷出，引射器无运动部件，结构简单，运行可靠，无寄生功率，具有较高的可靠性，但在低功率负载下引射效果不佳，即无法在低氢气流量下起到较好的循环效果。一方面，现有的氢气循环泵大多存在大量密封，其中包括相对运动件之间的动态密封，由于密封技术的限制，会由此产生一部分的氢气循环损失，降低氢气利用率，造成能源浪费。一方面，现有的氢气循环泵的润滑介质采用润滑油或其它气体，在长时间使用后，润滑介质会泄露，不仅会降低润滑效果，对循环泵整体产生不可逆的损害，且会对循环泵中的氢气造成污染，减弱循环效果，降低能量利用率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置，利用涡轮系统回收高压氢气的压力能，带动压气机对未反应完全的氢气进行增压循环再利用，克服传统电机驱动氢气循环泵需要外装电机、氢气泄露以及润滑油污染的问题，回收利用了高压氢气的压力能，提高燃料电池系统整体能量利用率。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置，包括：
8.高压氢气储存罐、氢气循环装置、氢气处理装置和燃料电池，所述氢气循环装置包括涡轮和压气机，所述涡轮与所述压气机同轴传动连接，所述高压氢气储存罐通过高压送气管与所述涡轮进气口连通，所述压气机的进气口与所述燃料电池通过低压进气管连通，
所述压气机的排气口通过排气管与所述氢气处理装置连通，且所述排气管与所述涡轮的排气口连通，所述氢气处理装置与所述燃料电池之间通过管路连接。
9.进一步的，所述涡轮进气口处的高压送气管上设置有调压阀和流量调节阀。实现涡轮出口的氢气压力与中压氢气的压力平衡，同时通过流量调节涡轮做功，以期达到相同的膨胀比、不同的出口压力的效果，实现中压氢气的稳定输出，提升循环效果，提高氢气利用率。
10.进一步的，所述涡轮和压气机的连接轴设置有气体静压轴承，所述气体静压轴承通过送气管与所述高压氢气储存罐连接。轴承润滑气体来自高压氢气，高压氢气通入轴承实现气体静压润滑，与传统动压轴承相比，工艺简单、无需特殊设计；且用于润滑的高压氢气会泄漏到涡轮和压气机中，最终并入中压氢气进入电堆进行反应。
11.进一步的，所述送气管上设置有调压阀。
12.进一步的，所述低压进气管上连接有汽水分离器。
13.进一步的，所述氢气处理装置进气端的排气管上设有减压阀。
14.进一步的，还包括引射器，所述引射器与所述氢气循环装置并联，其两端分别与所述低压进气管及所述排气管连通。
15.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种适用于氢燃料电池汽车的压力能氢气再循环装置，高压氢气进入涡轮带动涡轮旋转，压力能转化为涡轮的动能，涡轮驱动与其同轴的压气机；燃料电池中未反应完全的氢气由压气机吸入，压气机将低压氢气增压后输入氢气处理装置进行循环再利用；
16.本发明利用高压氢气所储存的压力能驱动涡轮进而带动压气机进行氢气再循环，省略了电机，装置紧凑，完全内部循环，无相对运动件之间的密封，克服了传统电机驱动氢气循环泵需要外装电机、氢气泄露以及氢气污染的问题，同时回收利用了高压氢气的压力能，提高了燃料电池系统整体能量利用率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
18.图1为一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置的结构示意图。
19.图2为一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置与汽水分离器串联流程图。
20.图3为一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置与减压阀串联流程图。
21.图4为一种适用于氢燃料电池汽车的氢气再循环装置与引射器并联流程图。
22.其中：
[0023]1‑
氢气循环装置；2
‑
涡轮；3
‑
压气机；4
‑
氢气处理装置；5
‑
燃料电池；6
‑
汽水分离器；7
‑
减压阀；8
‑
引射器；10
‑
排气管；11
‑
高压送气管；12
‑
送气管；111
‑
调压阀；112
‑
流量调节阀；31
‑
低压进气管。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0026]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0027]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0028]
实施例1
[0029]
如图1所示，公开了一种适用于氢燃料电池汽车无外源动力消耗氢气循环装置，包括：氢气循环装置1、氢气处理装置4和燃料电池5，氢气循环装置1包括涡轮2和压气机3；高压氢气储存罐通过高压送气管11与涡轮2进气口连通，高压氢气进入涡轮2带动涡轮2旋转，压力能转化为涡轮2的动能，涡轮2驱动与其同轴的压气机3；燃料电池5中未反应完全的氢气通过低压进气管31由压气机3吸入，压气机3将低压氢气增压后通过排气管10输入氢气处理装置4，进行循环再利用；同时涡轮2排出的中压氢气也通过排气管10输入氢气处理装置4；经过氢气处理装置4达到合适的温度和压力，最终流入燃料电池5进行电化学反应。
[0030]
为进一步完善上述方案，涡轮2的进气口处的高压送气管11上设置有调压阀111和流量调节阀112，实现涡轮出口的氢气压力与中压氢气的压力平衡，同时通过流量调节涡轮做功，以期达到相同的膨胀比、不同的出口压力的效果，实现中压氢气的稳定输出，提升循环效果，提高氢气利用率。
[0031]
更有利的，涡轮2和压气机3的连接轴设置有气体静压轴承，气体静压轴承通过送气管12与高压氢气储存罐连接，并且送气管12上设置有调压阀111；轴承润滑气体来自高压氢气，高压氢气通入轴承实现气体静压润滑，与传统动压轴承相比，工艺简单、无需特殊设计；且用于润滑的高压氢气会泄漏到涡轮和压气机中，最终并入中压氢气进入电堆进行反应。
[0032]
实施例2
[0033]
如图2所示，一种适用于氢燃料电池汽车无外源动力消耗氢气循环装置，包括：氢
气循环装置1、氢气处理装置4、燃料电池5和汽水分离器6，氢气循环装置1包括涡轮2和压气机3，此案例采用氢气循环装置1与汽水分离器6串联。
[0034]
高压氢气储存罐通过高压送气管11与涡轮2进气口连通，高压氢气进入涡轮2带动涡轮2旋转，压力能转化为涡轮2的动能，涡轮2驱动与其同轴的压气机3；燃料电池5中未反应完全的氢气进入汽水分离器6分离出液态水，氢气再通过低压进气管31由压气机3吸入，其它连接结构与实施例1相同。
[0035]
本发明利用高压氢气所储存的压力能驱动涡轮2进而带动压气机3进行氢气再循环克服了传统电机驱动氢气循环泵需要外装电机、氢气泄露以及氢气污染的问题，同时回收利用了高压氢气的压力能，提高了燃料电池系统整体能量利用率；同时汽水分离器可减少含有液态微水滴的氢气对压气机造成损坏。
[0036]
实施案例3
[0037]
如图3所示，一种适用于氢燃料电池汽车无外源动力消耗氢气循环装置，包括：氢气循环装置1、氢气处理装置4、燃料电池5和减压阀7，氢气循环装置1包括涡轮2和压气机3，此案例采用氢气循环装置1与减压阀7串联；具体结构同实施例2，不同之处是在氢气处理装置4进气端的排气管10上设有减压阀7；当燃料电池汽车大功率运行时，涡轮2输出的中压氢气和压气机3输出的中压氢气同时流经减压阀7降压后输入氢气处理装置4，经过氢气处理装置4达到合适的温度和压力，最终流入燃料电池5进行电化学反应；减压阀7可以将涡轮2和压气机3输出的不同压力的中压氢气稳压后输出，提高能量利用率。
[0038]
实施案例4
[0039]
如图4所示，一种适用于氢燃料电池汽车无外源动力消耗氢气循环装置，包括：氢气循环装置1、氢气处理装置4、燃料电池5和引射器8，此案例采用氢气循环装置1与引射器8并联，具体为引射器8两端分别与低压进气管31及排气管10连通；其它结构同实施例1或实施例3。
[0040]
当小流量时，高压氢气进入涡轮2，带动涡轮2旋转，压力能转化为涡轮2的动能，涡轮2驱动与其同轴的压气机3；燃料电池5中未反应完全的氢气由压气机3吸入，压气机3将低压氢气增压后输入氢气处理装置4，进行循环再利用；当大流量时，燃料电池输出的未完全反应的氢气经过引射器8循环再输送至燃料电池5,提高能量利用率。
[0041]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0042]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。