一种氢气循环装置

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种氢气循环装置。

背景技术

氢燃料电池是一种电化学反应装置，以氢气和空气中的氧气分别作为阳极和阴极的反应气体，经过催化反应产生电能，并且生成无任何污染的水。氢燃料电池具有清洁高效、无污染、能量效率高、可靠性高等特点，在备用电源、中小型发电站、新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。

氢气循环泵作为氢燃料电池系统中的重要组成部分，能够对从电池电堆中排出的过量氢气进行循环加压，使得氢气再次通入电池电堆进行反应。由于从电池电堆排出的过量氢气中含有一定的水蒸气，在使用一段时间后，会在氢气循环泵的转子压缩腔内积攒一定量的水，当温度较低时，水蒸气会凝结成冰，将泵转子冻结，在电机启动时电机主轴旋转而泵转子冰冻无法旋转，从而造成氢气循环泵无法正常运转，导致氢燃料电池系统性能下降，严重时将会对电池电堆造成损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氢气循环装置，旨在解决当温度较低时，水蒸气会凝结成冰，将泵转子冻结，在电机启动时电机主轴旋转而泵转子冰冻无法旋转，从而造成氢气循环泵无法正常运转，导致氢燃料电池系统性能下降，严重时将会对电池电堆造成损坏的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种氢气循环装置，包括：泵壳体，具有循环腔，所述泵壳体设有与所述循环腔连通的循环气入口、循环气出口和氢气吹扫口；泵转子，设于所述循环腔内；以及氢气节流组件，设于所述循环腔外，且通过所述氢气吹扫口与所述循环腔连通，通过具有节流升温特性的氢气实现破冰。

在一种可能的实现方式中，所述氢气节流组件包括：氢气管道，一端经由所述氢气吹扫口与所述循环腔连通，另一端用以与供氢设备连通；以及节流元件，与所述氢气吹扫口或所述氢气管道配合。

在一种可能的实现方式中，所述氢气节流组件还包括与所述氢气管道另一端连通的氢气瓶，所述氢气瓶邻近所述泵壳体设置。

在一种可能的实现方式中，所述氢气节流组件还包括设于所述氢气管道的调节阀，以控制氢气吹扫的状态。

在一种可能的实现方式中，所述氢气节流组件还包括设于所述循环腔内的温度检测器，以控制氢气吹扫的状态。

在一种可能的实现方式中，所述节流元件为设于所述氢气吹扫口内或所述氢气管道内的减压阀。

在一种可能的实现方式中，所述节流元件为设于所述氢气吹扫口内或所述氢气管道内的孔板。

在一种可能的实现方式中，所述节流元件为一端与所述氢气吹扫口连通，另一端与所述氢气管道连通的毛细管。

在一种可能的实现方式中，所述循环气出口、所述循环气入口和所述氢气吹扫口在所述泵壳体上依次设置。

在一种可能的实现方式中，所述氢气吹扫口设于所述泵壳体的底部，或者，邻近底部的所述泵壳体的侧部。

本发明提供的氢气循环装置至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明提供的氢气循环装置，在泵壳体上设有氢气吹扫口，在氢气吹扫口处设有氢气节流组件，将具有节流升温特性的氢气通入循环腔内，能够对冰冻处进行升温破冰，避免了泵转子的冻结，使得电机组件能够正常运转，减少对电机组件的损伤，保证氢气循环装置的正常运行，减少对氢燃料电池系统性能的影响，减少对电池电堆造成损坏的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的氢气循环装置的示意图；

图2为本发明另一实施例提供的氢气循环装置的示意图；

图3为本发明再一实施例提供的氢气循环装置的示意图；

图4为本发明又一实施例提供的氢气循环装置的示意图；

图5为本发明一实施例氢燃料电池系统的启动流程示意图。

附图标记说明：

100、氢气循环装置 110、泵壳体 111、循环腔

112、循环气入口 113、循环气出口 114、氢气吹扫口

115、电机腔 116、传动腔 120、泵转子

130、氢气节流组件 131、氢气管道 132、节流元件

133、氢气瓶 134、调节阀 135、温度检测器

140、电机组件 141、电机定子 142、电机转子

150、传动组件 160、控制组件

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“连通于”、“连通”另一个元件，它可以直接连通另一个元件或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。当元件被称为“电连接”时，可以是有线连接，也可以是无线连接。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

请一并参阅图1至图5，现对本发明实施例提供的氢气循环装置100进行说明。

请参阅图1至图4，本发明实施例提供了一种氢气循环装置100，包括：泵壳体110，具有循环腔111，泵壳体110设有与循环腔111连通的循环气入口112、循环气出口113和氢气吹扫口114；泵转子120，设于循环腔111内；以及氢气节流组件130，设于循环腔111外，且通过氢气吹扫口114与循环腔111连通，通过具有节流升温特性的氢气实现破冰。

可以理解的是，泵壳体110具有依次设置的电机腔115、传动腔116和循环腔111，氢气循环装置100包括设于电机腔115内的电机组件140，设于传动腔116内的传动组件150，以及设于循环腔111内的泵转子120。

其中，电机组件140包括电机定子141和电机转子142，传动组件150包括由电机转子142驱动的齿轮副，泵转子120与齿轮副、电机转子142配合。电机转子142能够带动泵转子120的旋转，从而对循环氢气进行加压。从电池电堆排出的过量的循环氢气从循环气入口112通入循环腔111内，经由泵转子120的旋转作用，加压后从循环气出口113排出，再排入电池电堆进行反应。

发明人研究发现，根据焦耳-汤姆逊效应，在常压下，氢气在195K(-78℃)以上时，其焦耳-汤姆逊系数为负。在氢燃料电池系统的-40℃至85℃的工况下，其温度远高于氢气的临界温度，因此，氢气在节流膨胀后温度将会升高，属于制热效应。根据以上原理，在氢气循环装置100中，设置氢气节流组件130，利用压力的变化增加气体温度，从而对冰冷处进行升温除冰。

氢气节流组件130设于循环腔111的任一位置，通过氢气吹扫口114与循环腔111连通，对此不做限制。利用氢气节流组件130能够为循环腔111提供具有节流降压升温特性的吹扫氢气，从而对冰冻处进行升温破冰。由于泵转子120用于为从电池电堆排出的过量的循环氢气进行加压，因此，将吹扫氢气通入循环腔111内，并不会影响循环氢气的加压过程，能够随着循环氢气一同排出。可以理解的是，氢气循环装置100还包括控制组件160，控制组件160主要是处理器、比较器等器件的总和，具有控制功能，能够控制氢气循环装置100的工作状态。

此外，在氢气吹扫口114处设置氢气节流组件130时，要保证氢气节流组件130在配接处的密封性，例如，通过设置多层密封圈、迷宫式配合槽等方式实现密封效果。

请参阅图5，例如，在氢燃料电池系统的运行过程中，首先对环境温度进行测量，当温度低于5℃时，正常启动氢气循环装置100，当成功启动氢气循环装置100时，则启动氢燃料电池系统；当氢气循环装置100没有成功启动时，打开氢气节流组件130，吹扫循环腔111，当成功启动氢气循环装置100时，则启动氢燃料电池系统，如果没有成功启动，则继续吹扫循环腔111。

本发明实施例提供的氢气循环装置100至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明实施例提供的氢气循环装置100，在泵壳体110上设有氢气吹扫口114，在氢气吹扫口114处设有氢气节流组件130，将具有节流升温特性的氢气通入循环腔111内，能够对冰冻处进行升温破冰，避免了泵转子120的冻结，使得电机组件140能够正常运转，减少对电机组件140的损伤，保证氢气循环装置100的正常运行，减少对氢燃料电池系统性能的影响，减少对电池电堆造成损坏的情况。

对于氢气节流组件130的具体组成不做限制，下面举例说明。

请参阅图2至图4，在一些可能的实施例中，氢气节流组件130包括：氢气管道131，一端经由氢气吹扫口114与循环腔111连通，另一端用以与供氢设备连通；以及节流元件132，与氢气吹扫口114或氢气管道131配合。本实施例中，氢气管道131用于连通氢气吹扫口114和供氢设备，实现吹扫氢气的输送。节流元件132与氢气吹扫口114或氢气管道131配合，能够使吹扫氢气在输送至循环腔111前具有压差，进而使吹扫氢气具有降压升温的特性，从而达到破冰目的。

请参阅图3和图4，在一些可能的实施例中，氢气节流组件130还包括与氢气管道131另一端连通的氢气瓶133，氢气瓶133邻近泵壳体110设置。本实施例中，氢气循环装置100配置有氢气瓶133，氢气瓶133作为供氢设备，能够为循环腔111及时地提供吹扫氢气。氢气瓶133可以通过设置固定座、焊接等方式设于泵壳体110外侧。例如，在泵壳体110上设有固定座，固定座具有容置空间，氢气瓶133放置在该容置空间中，有利于提高整体结构的紧凑性。

当然，氢气瓶133也可以间隔地邻近泵壳体110设置，提高安装位置在整个氢燃料电池系统中的灵活性。

请参阅图4，在一些可能的实施例中，氢气节流组件130还包括设于氢气管道131的调节阀134，以控制氢气吹扫的状态。本实施例中，调节阀134具有完全断开、部分导通和完全导通的三个状态，调节阀134电连接至控制组件160，控制组件160可以控制调节阀134的开度，从而调整吹扫氢气的吹扫状态。

请参阅图4，在一些可能的实施例中，氢气节流组件130还包括设于循环腔111内的温度检测器135，以控制氢气吹扫的状态。本实施例中，温度检测器135可以通过防水防腐蚀的防护罩安装在泵壳体110的内壁。温度检测器135电连接至控制组件160，温度检测器135能够检测循环腔111内的温度，将温度信号反馈给控制组件160，控制组件160根据该温度信号决定氢气瓶133是否提供吹扫氢气，从而控制吹扫氢气的吹扫状态。

在上述实施例的基础上，控制组件160可以控制调节阀134的开度，进而决定氢气瓶133是否提供吹扫氢气以及提供吹扫氢气的流量。

对于节流元件132的结构形式不做限制，下面举例说明。

在其中一个实施例中，节流元件132为设于氢气吹扫口114内或氢气管道131内的减压阀。本实施例中，节流元件132采用减压阀，减压阀通过电连接的方式连接至控制组件160，能够在控制组件160的作用下，控制其压力大小，使氢气管道131内的吹扫氢气在经过减压阀时，通过压力的改变实现升温破冰效果。

在其中另一个实施例中，节流元件132为设于氢气吹扫口114内或氢气管道131内的孔板。本实施例中，节流元件132采用孔板，孔板为具有多个节流孔的板材，通过卡接、螺纹连接等方式固定于氢气吹扫口114内或氢气管道131内，具有既定的压差，通过更换不同的孔板，可以实现不同的吹扫效果，达到升温破冰目的。

在其中再一个实施例中，节流元件132为一端与氢气吹扫口114连通，另一端与氢气管道131连通的毛细管。本实施例中，毛细管的管径小于氢气管道131的管径，当吹扫氢气自氢气管道131经过毛细管时，形成既定的压差，通过更换不同的毛细管或氢气管道131，可以实现不同的吹扫效果，达到升温破冰目的。

当然，节流元件132还可以采用其他结构形式，并不局限于上述结构形式。

请参阅图1至图4，在一些可能的实施例中，循环气出口113、循环气入口112和氢气吹扫口114在泵壳体110上依次设置。本实施例中，以氢气循环装置100的安装放置姿态为例，泵壳体110具有相对的顶部、底部和侧部，循环气出口113、循环气入口112和氢气吹扫口114依次地设置在泵壳体110的侧部。氢气吹扫口114邻近循环气入口112设置，循环氢气和吹扫氢气能够在泵转子120的旋转作用下大致地向同一方向扩散，能够使升温后的吹扫氢气朝向循环腔111内扩散，而非受到折返的作用力，进而提高破冰效果。

对于氢气吹扫口114的位置不做限制，下面举例说明。

请参阅图1至图4，在一些可能的实施例中，氢气吹扫口114设于泵壳体110的底部，或者，邻近底部的泵壳体110的侧部。本实施例中，以氢气循环装置100的安装放置姿态为例，泵壳体110具有相对的顶部、底部和侧部。由于重力因素，积水结冰现象主要出现在泵壳体110的底部、邻近泵壳体110底部的泵转子120，因此，将氢气吹扫口114设于泵壳体110的底部，或邻近底部的泵壳体110的侧部，氢气节流组件130对应地进行吹扫，能够减少破冰的时间，提高破冰的集中性和有效性，提高破冰效果。

当然，可以理解的是，氢气吹扫口114设于泵壳体110形成循环腔111的任一位置，均可以实现吹扫节流升温破冰的效果，并不局限于上述举例位置。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种氢燃料电池系统，包括如上任一实施例所述的氢气循环装置100。当然，氢燃料电池系统还包括与氢气循环装置100连通的电池电堆，以及其他实现发电的功能配件。

本发明实施例所提供的氢燃料电池系统采用如上任一实施例所述的氢气循环装置100，二者技术效果相同，在此不再赘述。

可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本发明说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。