[發明專利]一種氫燃料電池汽車壓力能驅動氫氣循環泵裝置

在審

• 申請號: 201710870161.X
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107634245A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 康慧芳;那曉雨;孫柏剛;韓愷;施新;張虹
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;H01M8/04119;H01M8/1007
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及氫能源車用能量回收裝置，特別涉及一種氫燃料電池汽車壓力能驅動氫氣循環泵裝置。

背景技術

在PEMFC中，保持質子交換膜的水平衡對電堆的壽命有重要意義。一方面，水含量過低會產生干膜現象，妨礙質子的傳輸；另一方面，水含量過高會產生水淹現象，阻礙多孔介質中氣體的擴散，導致電堆輸出電壓降低。此外，從陰極側穿透到陽極的雜質氣體不斷累積，也會對電堆的性能造成影響。

針對以上堵水和氣體滲透的問題，通常采用排氫的方法，將電堆內部生成的水和累積的雜質氣體排出。排氫頻率太低，容易導致堵水和雜質氣體累積，從而導致電堆性能下降；排氫頻率太高，則既浪費了氫氣，又帶來潛在危險。為保證PEMFC穩定高效運行，同時提高氫氣利用率，通常采用氫氣循環的方法，即氫氣把電堆內部生成的水帶出后，經水氣分離裝置將液態水分離，再將氫氣循環送回到電堆陽極重復使用，同時對新鮮氫氣進行加濕。

目前主要的氫氣循環模式有單級引射器、雙級引射器并聯、單級循環泵、引射器和循環泵并聯等，在此基礎上通過優化引射器結構和控制策略等方法來提高循環效果。

一方面，引射器雖然無運動部件且可靠性高，但其工作范圍較窄，無法在小流量下起到循環的效果。另一方面，氫氣循環泵消耗電堆功率，且含有許多機械部件，伴隨有震動和噪聲，并包含有軸承、潤滑油等，耐久性和結構復雜性并不滿足要求。

為此，本發明提供一種氫燃料電池汽車壓力能驅動氫氣循環泵裝置，利用膨脹機系統回收高壓氫氣的壓力能，由膨脹機直接驅動氫氣循環泵裝置，克服傳統電機驅動油潤滑和氫氣泄露問題，提高能源利用率。

發明內容

本發明的目的在于，針對現有技術的不足，提供一種氫燃料電池汽車壓力能驅動氫氣循環泵裝置，克服了傳統電機驅動氫氣循環泵泄露和潤滑油污染問題，回收利用了高壓氫氣的壓力能，提高燃料電池整車能量利用率。

本發明提供一種適用于氫燃料電池汽車的壓力能驅動氫氣循環泵裝置，包括：膨脹-壓縮一體機(7)，所述膨脹-壓縮一體機(7)包括氫膨脹機(1)和氫氣泵(4)。高壓氫氣進入膨脹機(1)降壓，同時對外輸出膨脹功W，此膨脹功W直接驅動氫氣泵(4)；燃料電池(3)中未反應完全的氫氣在氫氣泵(4) 的驅動下循環再利用；本發明提出膨脹-壓縮一體機(7)采用高壓氫氣所儲存的壓力能驅動氫氣循環泵，克服了傳統電機驅動氫氣循環泵泄露和潤滑油污染問題，同時回收利用了高壓氫氣的壓力能，提高了燃料電池汽車整車能量利用率。

所述膨脹-壓縮一體機，其特征在于：所述膨脹-壓縮一體機可以為渦旋式膨脹-壓縮一體機。膨脹機起到降低氫氣壓力的作用，同時回收了高壓氫氣的壓力能，對外做功直接驅動氫氣循環泵，彌補了傳統節流閥降壓的能量浪費，克服了傳統電機驅動氫氣循環泵泄露和油潤滑難題，提高能量利用效率。

所述的膨脹-壓縮一體機，其特征在于：所述膨脹-壓縮一體機還可以為軸流式膨脹機驅動軸流式氫氣泵或往復式膨脹機驅動往復式氫氣泵，實現膨脹機與氫氣泵的高效耦合和結構一體化，提高效率。

所述的膨脹機可以為一級、兩級或三級膨脹，可根據客戶的不同需求及選擇不同設計型式，應用范圍廣，能確保上述壓力能回收方法的可靠實施，有效提高能量利用率。

附圖說明

圖1為一種氫燃料電池汽車壓力能驅動氫氣循環泵裝置。

圖2為膨脹機驅動氫氣循環泵與引射器并聯流程圖。

圖3為膨脹機與減壓閥并聯驅動氫氣循環泵與引射器并聯流程圖。

圖4為膨脹機與減壓閥串聯驅動氫氣循環泵流程圖。

具體實施方案

以下實施案例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

下面結合附圖和實施案例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。實施案例1

如圖2所示，一種適用于氫燃料電池汽車膨脹機驅動氫氣循環泵與引射器并聯裝置，包括：氫氣處理裝置(2)、燃料電池(3)、引射器(5)和渦旋式膨脹-壓縮一體機(7)，所述膨脹-壓縮一體機(7)包括渦旋式膨脹機(1)和渦旋式氫氣泵(4)。此案例采用一級膨脹系統，高壓氫氣流入渦旋式膨脹機(1) 降壓；低壓氫氣經過氫氣處理裝置(2)達到合適的溫度和壓力，最終流入燃料電池(3)進行電化學反應。