一种纯机械排氢阀结构及燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供了一种纯机械排氢阀结构及燃料电池系统，涉及燃料电池技术领域。该纯机械排氢阀结构包括：沿氢气流动方向设置的第一支管、第二支管以及密封设置在第一支管和第二支管之间的阀本体，阀本体包括压差感应组件和阀移动件，压差感应组件能够感应第一支管和第二支管给予的压差，进而控制阀移动件在压差超过临界值时将阀打开，进行排氢。本发明专利技术脱离排氢对FCU的依赖，利用纯机械方法实现排氢。能够实现直接地、实时地检测氢气浓度。本发明专利技术采用纯机械结构，成本低、功耗低、同时提高目前PEMFC发动机的可靠性，减少代码总量，降低发动机故障发生率。障发生率。障发生率。

【技术实现步骤摘要】
一种纯机械排氢阀结构及燃料电池系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种纯机械排氢阀结构及燃料电池系统。

技术介绍

[0002]燃料电池是当代炙手可热的新能源之一，因为其具有效率高，能真正做到零排放，燃料电池是将氢气和氧气的化学能转化为电能的一种装置，燃料电池工作时，将空气直接通入燃料电池的阴极，反应剩余的空气直接排到大气。氢气由高压储氢罐提供，经过减压，通入燃料电池阳极。
[0003]但燃料电池并不会将氢气全部消耗，为了保证在燃料电池阳极整个流道内都有足量的氢气，一定要通入过量的氢气。未消耗完的氢气从燃料电池阳极出口排出，如果这部分氢气直接排入大气，会造成能量的浪费，为了解决这一问题，用一个氢气循环泵将电堆排出的氢气加压后再次注入燃料电池的阳极入口。这样就形成了氢气的循环。
[0004]燃料电池持续运行时，阴极空气里的氮气、燃料电池的产物水等，会透过质子交换膜渗透到燃料电池阳极，水可以通过汽水分离器进行分离，氮气长时间积累会降低阳极氢气的浓度，从而降低燃料电池的发电性能，所以要在氢气循环路加装一个排氢阀，按照一定的规律开启排氢阀，排出氮气浓度过高的氢氮混合气，保证氢循环路的氢气浓度。这个规律就是燃料电池的排氢逻辑。不同的排氢逻辑导致不同的PEMFC(质子交换膜燃料电池)发动机具有不同的燃料利用率。
[0005]相关现有技术主要有三类：
[0006]1、等价Q值法：也叫安时法排氢，该排氢方法认为电堆阳极的氢气浓度与电流相关，对电堆实时输出电流在一段时间内进行积分，再乘以一个权重系数，其值等于Q，用Q值来衡量燃料电池氢循环路的氢浓度，当Q值达到设定值后，ECU控制排氢阀开始排氢。
[0007]Q＝∫ki dt
[0008]K：权重系数，i：燃料电池电堆电流。
[0009]上述等效值Q是间接判断电堆内部氢浓度，对氢气浓度的估计并不准确。并且对与不同的电堆和不同的运行工况，权重系数变化复杂无法完全确定。另外积分运算对FCU的运算存储能力有较高的依赖性。
[0010]2、氮气渗透模型：燃料电池阴极为空气，空气有78％的氮气含量，燃料电池阳极为纯氢气，基本不含氮气，这个浓度差会导致氮气从阴极透过质子交换膜渗透到阳极，可以根据Fick定律计算出氮气渗透的速率，从而建立起一个氮气渗透模型，将此氮气渗透模型写入FCU，FCU 可根据此模型估算出阳极腔体，即氢循环路内的氮气浓度，当浓度达到设定值，FCU控制排氢阀开启排氢。该方法利用Fick定律得到的是理论计算值，需要进行复杂的标定，并且，这种方法也离不开FCU的计算存储。
[0011]3、氢气浓度传感器：这是最直接的办法，在氢循环路内安装氢气浓度传感器，直接测量氢气浓度，当氢气浓度降低至设定值，FCU控制排氢阀进行排氢。该方法是最直接有效
的办法，但高精度的氢气传感器价格昂贵，并且需要定时校准。
[0012]因此，亟需提供一种纯机械排氢阀结构及燃料电池系统，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的在于提供一种纯机械排氢阀结构及燃料电池系统，采用纯机械结构，成本低、功耗低、同时提高目前PEMFC发动机的可靠性，减少代码总量，降低发动机故障发生率。
[0014]为实现上述目的，提供以下技术方案：
[0015]本专利技术提供了一种纯机械排氢阀结构，用于燃料电池系统，包括沿氢气流动方向设置的第一支管、第二支管以及密封设置在所述第一支管和第二支管之间的阀本体，所述阀本体包括压差感应组件和阀移动件，所述压差感应组件能够感应第一支管和第二支管给予的压差，进而控制所述阀移动件在压差超过临界值时将阀打开，进行排氢。
[0016]进一步地，所述阀本体包括密封锥、密封腔和流阻标杠杆组件，所述密封腔与第一支管和第二支管密封连接，所述密封锥包括锥形段和柱形段，锥形段至少部分能够密封于所述第一支管端部内形成密封副，所述流阻标杠杆组件能够压在柱形段的端部，且能够将由流量增大引起的压差增大的部分平衡掉。
[0017]进一步地，所述阀本体还包括弹簧，所述弹簧套设于所述密封锥的柱形段外周，所述弹簧的一端与所述密封锥抵接，另一端连接于所述密封腔上，且所述弹簧的常态为压缩状态，此时所述密封副闭合。
[0018]进一步地，所述阀本体还包括密封垫圈，所述密封垫圈固定在所述密封腔位于所述第二支管端的内壁上，且所述密封垫圈与所述密封锥的柱形段端部抵接。
[0019]进一步地，流阻标杠杆组件包括流阻标、杠杆和压盘，所述杠杆的支点固定连接在氢腔内部，所述压盘能够压在所述密封锥右端的密封垫片的外侧。
[0020]进一步地，所述流阻标是一个表面粗糙的扁平状空壳。
[0021]进一步地，所述密封锥受到第一支管的压力为P
a
，受到第二支管的压力为P
b
，密封锥受到的压差为ΔP，ΔP＝P
a
‑
P
b
，燃料电池系统最低工况点，纯氢气流过时造成的压损为P1，根据燃料电池系统的最高氮气浓度计算最低工况点的排氢压差P
x
，所述弹簧在常态下的预紧力设置为 F
k
＝3.6P
x
A
a
，A
a
为密封锥靠近第一支管的端面面积。
[0022]进一步地，所述流阻标的设计方法如下：
[0023]局部阻力h
j
是流体流经管件、阀门、截面变化的部位产生的阻力，也叫形状阻力，
[0024][0025]ξ为局部阻力系数，ρ为流体密度，v为流速；
[0026]不同的管道截面变化会产生不同的局部阻力系数ξ的值，ξ的经验公式为：
[0027][0028]A2为缩小截面面积，A1为入口截面面积；
[0029]已知燃料电池系统的工作流量，管道流速V等于流量f除以管道截面积A，
[0030][0031]已知燃料电池系统的工作压力，则纯氢气的密度ρ的换算公式：
[0032][0033]P
f
：燃料电池系统工作压力，ρ0：表中大气压下氢气密度，P0：标准大气压
[0034]气体在不同流量下产生的局部阻力由
②
式算得，此局部阻力减去P1就是流阻标应该产生的流动阻力，依据已知最普遍的燃料电池系统的工作流量和工作压力进行计算，标定出流阻标自身的流量
‑
流阻曲线，流阻标的形状、大小、重量和表面粗糙度的设计需要满足所述流量
‑
流阻曲线。
[0035]进一步地，所述阀本体包括压敏电阻和流阻标杠杆组件，所述压敏电阻设置在所述第一支管的端部内，所述流阻标杠杆组件能够压在所述压敏电阻位于第二支管的端部，且能够将由流量增大引起的压差增大的部分平衡掉，所述阀移动件为电磁排氢阀，当所述压敏电阻检测到的压差大于临界值，所述电磁排氢阀打开，进行排氢。
[0036]本专利技术还提供了一种燃料电池系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纯机械排氢阀结构，用于燃料电池系统，其特征在于，包括沿氢气流动方向设置的第一支管(41)、第二支管(42)以及密封设置在所述第一支管(41)和第二支管(42)之间的阀本体(43)，所述阀本体(43)包括压差感应组件和阀移动件，所述压差感应组件能够感应第一支管(41)和第二支管(42)给予的压差，进而控制所述阀移动件在压差超过临界值时将阀打开，进行排氢。2.根据权利要求2所述的纯机械排氢阀结构，其特征在于，所述阀本体(43)包括密封锥(431)、密封腔(432)和流阻标杠杆组件(433)，所述密封腔(432)与第一支管(41)和第二支管(42)密封连接，所述密封锥(431)包括锥形段和柱形段，锥形段至少部分能够密封于所述第一支管(41)端部内形成密封副，所述流阻标杠杆组件(433)能够压在柱形段的端部，且能够将由流量增大引起的压差增大的部分平衡掉。3.根据权利要求2所述的纯机械排氢阀结构，其特征在于，所述阀本体(43)还包括弹簧(434)，所述弹簧(434)套设于所述密封锥(431)的柱形段外周，所述弹簧(434)的一端与所述密封锥(431)抵接，另一端连接于所述密封腔(432)上，且所述弹簧(434)的常态为压缩状态，此时所述密封副闭合。4.根据权利要求3所述的纯机械排氢阀结构，其特征在于，所述阀本体(43)还包括密封垫圈(435)，所述密封垫圈(435)固定在所述密封腔(432)位于所述第二支管(42)端的内壁上，且所述密封垫圈(435)与所述密封锥(431)的柱形段端部抵接。5.根据权利要求4所述的纯机械排氢阀结构，其特征在于，流阻标杠杆组件(433)包括流阻标(4331)、杠杆(4332)和压盘(4333)，所述杠杆的支点固定连接在氢腔内部，所述压盘(4333)能够压在所述密封锥(431)右端的密封垫片的外侧。6.根据权利要求5所述的纯机械排氢阀结构，其特征在于，所述流阻标(4331)是一个表面粗糙的扁平状空壳。7.根据权利要求5所述的纯机械排氢阀结构，其特征在于，所述密封锥(431)受到第一支管(41)的压力为P
a
，受到第二支管(42)的压力为P
b
，密封锥(431)受到的压差为ΔP，ΔP＝P

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯，张潇丹，方川，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：