一种氢气循环系统及车辆的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢气循环系统及车辆。


背景技术：

2.近年来，汽车发展的电动化成为了未来汽车的发展方向，氢燃料电池汽车具有广阔的发展前景。其中，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，并没有采用燃烧柴、汽油或储能的方式，对环境无污染。氢气循环系统属于燃料电池系统中一个重要的子系统，负责向电堆连续提供一定压力和流量的高纯度氢气，保证燃料电池电堆中的电化学反应的正常进行，但是，在车辆停止后由于系统未能充分利用燃料电池中产生的电能而导致了能量的浪费。
3.为了解决这个问题，现有的燃料电池氢气循环系统中，燃料电池系统正常运行时通过膨胀机将氢气的压力能利用起来，为驱动供气组件和氢气循环泵提供能量，然后通过单向阀和电磁阀将经由两个膨胀机流出的氢气利用起来供给燃料电池的阳极，能够在车辆停止时将电能充分利用起来避免浪费。但是，该氢气循环系统采用两个供气组件和两个膨胀机，成本高昂，并且供气组件需要消耗更多的功耗才能将燃料电池系统排出的氢气进行回收，供气组件的能耗高。
4.因此，亟需一种氢气循环系统及车辆，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种氢气循环系统，只需要很小的压力升高率即可将氢气引射回电堆中，提高燃料电池的回氢压力，能够使引射器达到很好的引射效果，从而氢气循环泵只需很小或者不需要电功耗就可以实现氢气循环。
6.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明采用以下技术方案：
7.一种氢气循环系统，包括：
8.供氢组件；
9.供气组件；
10.第一开关阀，所述第一开关阀的输入端与所述供氢组件连接；
11.引射器，具有输入口、输出口以及引射口，所述引射器的输入口与所述第一开关阀的输出端连接；
12.电堆，所述电堆的阳极入口与所述引射器的输出口连接，所述电堆的阴极入口与所述供气组件连接；
13.膨胀机，所述膨胀机的进口端与所述电堆的阴极出口连接，所述膨胀机的出口端与大气连通；
14.氢气循环泵，所述氢气循环泵与所述膨胀机传动连接，所述氢气循环泵的进气端与所述电堆的阳极出口连接，所述氢气循环泵的出气端与所述引射器的引射口连接。
15.优选地，所述氢气循环系统还包括第二开关阀，所述第二开关阀的输入端与所述
电堆的阴极出口连接，所述第二开关阀的输出端与所述膨胀机的进口端连接。
16.优选地，所述氢气循环系统还包括第一背压阀，所述第一背压阀的输入端与所述电堆的阴极出口连接，所述第一背压阀的输出端连通于大气。
17.优选地，所述供氢组件包括储氢罐、瓶口阀以及调压阀，所述调压阀的输出端与所述第一开关阀的输入端连接，所述瓶口阀的输入端与所述储氢罐连接，所述瓶口阀的输出端与所述调压阀的输入端连接，所述瓶口阀用于打开或关闭所述储氢罐，所述调压阀用于调节所述氢气的气压值。
18.优选地，所述氢气循环系统还包括第三开关阀和第四开关阀，所述第三开关阀的输入端与所述调压阀的输出端连接，所述第三开关阀的输出端与所述膨胀机的进口端连接，所述第四开关阀的输入端与所述膨胀机的出口端连接，所述第四开关阀的输出端与所述引射器的输入口连接。
19.优选地，所述氢气循环系统还包括第二背压阀，所述第二背压阀的输入端与所述膨胀机的出口端连接，所述第二背压阀的输出端连通于大气。
20.优选地，所述供气组件包括空气滤清器、压缩机以及中冷器，所述压缩机的进气端与所述空气滤清器的出气端连接，所述压缩机的出气端与所述中冷器的进气端连接，所述中冷器的出气端与所述电堆的阴极入口连接，所述空气滤清器的进气端用于连通外部气源。
21.优选地，所述氢气循环系统还包括水气分离器，所述水气分离器的进气端与所述电堆的阳极出口连接，所述水气分离器的出气端与所述氢气循环泵的进气端连接。
22.优选地，所述氢气循环系统还包括排气阀，所述排气阀的输入端与所述水气分离器的出气端连接，所述排气阀的输出端与大气连通。
23.为达上述目的，本发明还提供了一种车辆，包括上述的氢气循环系统。
24.本发明的有益效果为：
25.本发明提供的一种氢气循环系统，膨胀机的进口端与电堆连接，膨胀机的出口端与大气连通，氢气循环泵与膨胀机传动连接，氢气循环泵的进气端与电堆连接，氢气循环泵的出气端与引射器的引射口连接。供氢组件的高压氢气经过第一开关阀进入到引射器中，供气组件同时将空气输送到电堆中，引射器喷出的氢气在电堆中与空气反应，未反应的氢气经过氢气循环泵从引射器的引射口进入，并再次引射到电堆中。未反应的空气通过管路输送冲击膨胀机，膨胀机对氢气循环泵做功，通过提高燃料电池的回氢压力，能够使引射器达到很好的引射效果，只需要很小的压力升高率即可将氢气引射回电堆中，从而氢气循环泵只需很小或者不需要电功耗就可以实现氢气循环，在满足氢气循环的条件下增加了燃料电池系统的净输出功率。
26.本发明提供的一种车辆，包括上述的氢气系统，通过该氢气循环系统来实现氢气循环，利用高压氢气的压力能以及空气的动能来带动膨胀机工作，并与引射器联合工作实现氢气循环。
附图说明
27.图1为本发明实施例中氢气循环系统原理图一；
28.图2为本发明实施例中氢气循环系统原理图二。
29.附图标记：
30.1、第一开关阀；2、引射器；3、电堆；4、膨胀机；5、氢气循环泵；6、第二开关阀；7、第一背压阀；8、储氢罐；9、瓶口阀；10、调压阀；11、第三开关阀；12、第四开关阀；13、第二背压阀；14、空气滤清器；15、压缩机；16、中冷器；17、水气分离器；18、排气阀。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
32.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.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。
34.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
35.现有的燃料电池氢气循环系统中，燃料电池系统正常运行时通过膨胀机将氢气的压力能利用起来，为驱动供气组件和氢气循环泵提供能量，然后通过单向阀和电磁阀将经由两个膨胀机流出的氢气利用起来供给燃料电池的阳极，能够在车辆停止时将电能充分利用起来避免浪费。但是，该氢气循环系统采用两个供气组件和两个膨胀机，成本高昂，并且供气组件需要消耗更多的功耗才能将燃料电池系统排出的氢气进行回收，供气组件的能耗高。对此，本发明提供了一种氢气循环系统，只需要很小的压力升高率即可将氢气引射回电堆中，提高燃料电池的回氢压力，能够使引射器达到很好的引射效果，从而氢气循环泵只需很小或者不需要电功耗就可以实现氢气循环。
36.如图1-图2所示，在本实施例中，一种氢气循环系统包括供氢组件、供气组件、第一开关阀1、引射器2、电堆3、膨胀机4以及氢气循环泵5，其中，第一开关阀1的输入端与供氢组件连接，引射器2具有输入口、输出口以及引射口，引射器2的输入口与第一开关阀1的输出端连接，电堆3的阳极入口与引射器2的输出口连接，电堆3的阴极入口与供气组件连接，膨胀机4的进口端与电堆3的阴极出口连接，膨胀机4的出口端与大气连通，氢气循环泵5与膨胀机4传动连接，氢气循环泵5的进气端与电堆3的阳极出口连接，氢气循环泵5的出气端与引射器2的引射口连接。具体地，当燃料电池系统在氢气循环过程中处于大功率时，供氢组
件的高压氢气经过第一开关阀1进入到引射器2中，供气组件同时将空气输送到电堆3中，引射器2喷出的氢气在电堆3中与空气反应，未反应的氢气经过氢气循环泵5从引射器2的引射口进入，并再次引射到电堆3中。供气组件将满足电堆3工作要求的空气进入电堆3与氢气发生反应，而未反应的空气通过管路输送冲击膨胀机4，膨胀机4与氢气循环泵5传动连接，通过提高燃料电池的回氢压力，能够使引射器2达到很好的引射效果，膨胀机4对氢气循环泵5做功，只需要很小的压力升高率即可将氢气引射回电堆3中，从而氢气循环泵5只需很小或者不需要电功耗就可以实现氢气循环，在满足氢气循环的条件下增加了燃料电池系统的净输出功率。
37.进一步地，继续按照图1-图2，氢气循环系统还包括第二开关阀6，第二开关阀6的输入端与电堆3的阴极出口连接，第二开关阀6的输出端与膨胀机4的进口端连接。具体地，当供气组件提供的空气量进入到电堆3刚好与氢气完全发生反应时，不存在剩余未反应的空气，则第二开关阀6处于断开状态，不需要将空气通过输送管路冲击膨胀机4，此时膨胀机4处于停机状态；当供气组件提供的空气进入电堆3与氢气发生反应后，还有部分未参与反应的空气，则打开第二开关阀6，剩余的空气通过第二开关阀6冲击膨胀机4，膨胀机4与氢气循环泵5传动连接，膨胀机4对氢气循环泵5做功，此时只需要很小的压力升高率就可以将氢气引射回电堆3中与空气再次发生反应，从而在第二开关阀6的打开或断开的控制下，保证氢气循环泵5只需很少或不需要电功耗即可实现氢气循环。
38.进一步地，继续按照图1-图2，氢气循环系统还包括第一背压阀7，第一背压阀7的输入端与电堆3的阴极出口连接，第一背压阀7的输出端连通于大气。具体地，供气组件提供满足电堆3工作要求的空气，在空气经过电堆3和第二开关阀6冲击膨胀机4的过程中，当系统压力比设定压力小时，第一背压阀7处于关闭状态，当系统压力比设定压力大时，在管路压力不稳定状态下第一背压阀7打开并能够保持管路所需的压力，使供气组件能正常输出空气量。
39.进一步地，继续按照图1-图2，供氢组件包括储氢罐8、瓶口阀9以及调压阀10，调压阀10的输出端与第一开关阀1的输入端连接，瓶口阀9的输入端与储氢罐8连接，瓶口阀9的输出端与调压阀10的输入端连接，瓶口阀9用于打开或关闭储氢罐8，调压阀10用于调节氢气的气压值。具体地，储氢罐8储存有氢气，瓶口阀9打开，在调压阀10的调节下将已知气压值的氢气经过第一开关阀1进入到引射器2中，当停止使用氢气时，断开瓶口阀9。
40.进一步地，继续按照图1-图2，氢气循环系统还包括第三开关阀11和第四开关阀12，第三开关阀11的输入端与调压阀10的输出端连接，第三开关阀11的输出端与膨胀机4的进口端连接，第四开关阀12的输入端与膨胀机4的出口端连接，第四开关阀12的输出端与引射器2的输入口连接。具体地，当燃料电池系统在氢气循环过程中处于小功率时，供氢组件的高压氢气经过第三开关阀11冲击膨胀机4，膨胀机4与氢气循环泵5传动连接，通过提高燃料电池的回氢压力，能够使引射器2达到很好的引射效果，膨胀机4出口端的氢气动能转换为膨胀机4的动能，从而带动氢气循环泵5转动，降低氢气循环泵5的功耗，膨胀机4出口端的氢气再经过第四开关阀12进入到引射器2中，供气组件同时将空气输送到电堆3中，引射器2喷出的氢气在电堆3中与空气反应，未反应的氢气从电堆3的出口输送到氢气循环泵5，氢气循环泵5的氢气通过增压后从引射器2的引射口进入，并再次引射到电堆3中。膨胀机4对氢气循环泵5做功，只需要很小的压力升高率即可将氢气引射回电堆3中，从而氢气循环泵5只
需很小或者不需要电功耗就可以实现氢气循环，在满足氢气循环的条件下增加了燃料电池系统的净输出功率。
41.进一步地，继续按照图1-图2，氢气循环系统还包括第二背压阀13，第二背压阀13的输入端与膨胀机4的出口端连接，第二背压阀13的输出端连通于大气。具体地，第四开关阀12处于打开状态，在氢气经过膨胀机4和第四开关阀12的过程中，当系统压力比设定压力小时，第一背压阀7处于关闭状态，当系统压力比设定压力大时，在管路压力不稳定状态下第一背压阀7打开并能够保持管路所需的压力，使供氢组件能正常输出氢气量。
42.进一步地，继续按照图1-图2，供气组件包括空气滤清器14、压缩机15以及中冷器16，压缩机15的进气端与空气滤清器14的出气端连接，压缩机15的出气端与中冷器16的进气端连接，中冷器16的出气端与电堆3的阴极入口连接，空气滤清器14的进气端用于连通外部气源。具体地，大气中的空气经过空气滤清器14再由空气压缩机15压缩，空气压缩机15将高温高压的空气通过中冷器16将温度降低到满足电堆3的工作要求，并进入到电堆3与氢气发生反应。同时，通过控制压缩机15的转速和第一背压阀7或第二背压阀13的开度来满足系统的进气要求。
43.进一步地，继续按照图1-图2，氢气循环系统还包括水气分离器17，水气分离器17的进气端与电堆3的阳极出口连接，水气分离器17的出气端与氢气循环泵5的进气端连接。具体地，水气分离器17用于分离氢气中游离的水分，起到除湿的作用，氢气在电堆3中与空气反应，未反应的氢气经过水气分离器17，水气分离器17将饱和的含水氢气中的水分离出去，氢气再经过氢气循环泵5被引射器2引射到电堆3中。
44.进一步地，继续按照图1-图2，氢气循环系统还包括排气阀18，排气阀18的输入端与水气分离器17的出气端连接，排气阀18的输出端与大气连通。具体地，氢气通过水气分离器17进行除湿后，选择性打开排气阀18，以将氢气排出。
45.氢气循环系统的控制方法如下：
46.当燃料电池系统在氢气循环过程中处于小功率时，供氢组件的高压氢气经过第三开关阀11冲击膨胀机4，膨胀机4与氢气循环泵5传动连接，膨胀机4带动氢气循环泵5转动，膨胀机4出口端的氢气再经过第四开关阀12进入到引射器2中，供气组件同时将空气输送到电堆3中，引射器2喷出的氢气在电堆3中与空气反应，未反应的氢气从电堆3的出口输送到氢气循环泵5，氢气循环泵5的氢气通过增压后从引射器2的引射口进入，并再次引射到电堆3中。在燃料电池系统的小功率向大功率切换时，先打开第一开关阀1，在关闭第三开关阀11和第四开关阀12，随后打开第二开关阀6，关闭第一背压阀7，当燃料电池系统在氢气循环过程中处于大功率时，供氢组件的高压氢气经过第一开关阀1进入到引射器2中，供气组件同时将空气输送到电堆3中，引射器2喷出的氢气在电堆3中与空气反应，未反应的氢气经过氢气循环泵5从引射器2的引射口进入，并再次引射到电堆3中，膨胀机4与氢气循环泵5传动连接，膨胀机4对氢气循环泵5做功，将氢气引射回电堆3中。在燃料电池系统的大功率向小功率切换时，先打开第一背压阀7，关闭第二开关阀6，之后打开第三开关阀11以及第二背压阀13，再将第四开关阀12打开，关闭第一开关阀1。
47.本实施例还提供了一种车辆，包括上述的氢气循环系统，具体涉及燃料电池技术领域，车辆主要为氢燃料电池汽车，通过该氢气循环系统来实现氢气循环，利用高压氢气的压力能以及空气的动能来带动膨胀机4工作，并与引射器2联合工作实现氢气循环。
48.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。