可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统

543 编辑：中冶有色技术网来源：同济大学

2023-11-29 16:21:28

权利要求书： 1.一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，其特征在于，包括：比例调压阀，引射装置，电堆，氢水分离装置，排氢电磁阀，排水电磁阀，系统控制器；

所述引射装置包括引射器腔体、可调节式引射器以及复合保温层，

所述引射器腔体为拉法尔腔体，前端与所述氢水分离装置相连，尾端与所述电堆相连，所述可调节式引射器的前端与所述比例调节阀相连，后端与所述电堆的阳极侧相连，引射端与所述氢水分离装置相连，外部包裹有复合保温层；

所述氢水分离装置包括氢水分离器分离本体、复合保温层、流道板、离子吸附层、电加热器、温度感应探头以及氢水装置控制器，所述氢水分离器分离本体的外部包裹有复合保温层，所述氢水分离器分离本体具有腔体、总成入口管道、氢气出口管道、液态水出口管道以及总成出口管道，所述腔体内设有所述流道板，所述总成入口管道与所述电堆的阳极相连，所述氢气出口管道与所述排氢电磁阀相连，所述液态水出口管道与所述排水电磁阀相连，所述总成出口管道与所述引射装置相连，所述离子吸附层包裹在所述总成出口管道的外部，并通过网格板与所述总成出口管道的内部连通，多个所述电加热器分布设置在所述氢水分离器分离本体的上方、侧方和下方，用于对所述氢水分离器分离本体进行加热，所述温度感应探头设置在所述总成出口管道内，

所述氢水装置控制器与所述电加热器和所述温度感应探头连接，通过采集所述温度感应探头的信号控制所述电加热器的开启数量与使用功率；

所述系统控制器用于控制所述比例调压阀、所述可调节式引射器、所述氢水装置控制器、所述排氢电磁阀以及所述排水电磁阀；

燃料电池发动机在运行过程中，根据功率的不同，所述比例调节阀根据控制逻辑开启不同的角度来控制进入所述引射装置的氢气的流量，所述引射装置利用所述引射器腔体的加速、减速作用，根据需求流量通过所述可调节式引射器的阀体的运动改变所述引射器腔体的尺寸进行控制，保证引射流量在合理范围内；为了尽可能地减小引射流量的阻力，所述氢水分离装置的氢水分离根据所述温度感应探头的反馈值，使所述氢水分离装置与所述引射装置在接近电堆反应的温度下进入所述电堆参与反应，保证进入所述电堆阳极侧温度值。

2.根据权利要求1所述的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，其特征在于：其中，所述复合保温层是由E材料和相变材料复合而成，所述相变材料是包括三氧化二铝、二氧化硅在内的纳米材料在一定温度与压力下经过挤压成型的复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，其特征在于：其中，所述流道板包括第一流道板、第二流道板以及第三流道板，

所述第一流道板呈弧形，凸面朝向所述总成入口管道，

所述第二流道板呈弧形，凸面朝向所述液态水出口管道，

所述第三流道板呈弧形，凸面朝向所述氢气出口管道以及总出口管道。

4.根据权利要求1所述的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，其特征在于：其中，所述离子吸附层由离子吸附剂组成，所述离子吸附剂是由阴阳离子和催化剂根据酸碱性调节不同的配比而得到的，所述离子吸附剂根据燃料电池的特点在一定催化剂的情况下，使阴离子与阳离子按照（1?1.35）:1的配比进行去酸性与去离子化。

说明书：一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统技术领域[0001] 本发明涉及一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，属于燃料电池领域。背景技术[0002] 随着我国国民经济的持续增长，人民生活水平的不断提高，汽车已经成为人们出行的必备工具，新能源汽车已经成为人们开发、使用的方向，而燃料电池汽车更成为人们向往的目标。[0003] 燃料电池汽车基本不产生二氧化碳，但是会产生过量的氢气，然而，尾排过量氢气可能危害人的生命健康，还可能对金属零件造成氢脆。发明内容[0004] 本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种让燃料电池发动机子系统中氢气充分利用并控制反应气温度在合理范围内且让氢气尽可能少地排放到大气中的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统。[0005] 本发明提供了一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，具有这样的特征，包括：比例调压阀，可调节式引射器，电堆，氢水分离器，排氢电磁阀，排水电磁阀，可调节式引射器阀，氢水分离器控制器，氢气子系统控制器；所述可调节式引射器包括可调节式引射器阀、引射器腔体及复合保温层；所述氢水分离器是由氢水分离器分离本体、复合保温层、离子吸附剂、电加热器、温度感应探头及控制单元；燃料电池发动机在运行过程中，根据功率的不同，比例调节阀根据控制逻辑开启不同的角度来控制流量，可调节式引射器利用拉法尔管的加速、减速作用，根据需求流量通过阀体的运动改变原来拉法尔管腔体进行控制，保证引射流量在合理范围内进行。为了尽可能地减小引射流量的阻力，氢水分离器自身的氢水分离并根据温度感应探头的反馈值，使其氢水分离器与可调解式引射器在接近电堆反应的温度下进入电堆参与反应，保证进入电堆阳极侧温度值。本发明优化了氢气子系统的关键零部件，达到了燃料电池发动机子系统氢气充分利用与优化参与反应温度的目的。[0006] 在本发明提供的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统中，还可以具有这样的特征：其中，所述可调节式引射器包括可调节式引射器阀、引射器腔体及复合保温层。引射器腔体属于机械部件，在满足一定功率引射的情况下，可实现大流量的引射，而所述可调节式引射器阀通过控制逻辑可以改变所述引射器腔体的尺寸，可满足大或小流量的引射，所述复合保温层是由E材料和相变材料复合而成。[0007] 在本发明提供的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统中，还可以具有这样的特征：其中，所述氢水分离器包括氢水分离器分离本体、复合保温层、离子吸附剂、电加热器、温度感应探头及控制单元，所述氢水分离器分离本体是由流道板和不同目数的金属网格组成，所述复合保温层是由E材料和相变材料复合而成，所述离子吸附剂是由阴阳离子和催化剂根据酸碱性调节不同的配比而成，控制器是根据采集的温度感应探头的信号，调节不同电加热器的数量与功率而成。[0008] 在本发明提供的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统中，还可以具有这样的特征：其中，所述可调节式引射器的前端与所述比例调节阀相连。[0009] 在本发明提供的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统中，还可以具有这样的特征：其中，所述可调节式引射器的后端与所述电堆的阳极侧相连。[0010] 在本发明提供的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统中，还可以具有这样的特征：其中，所述可调节式引射器的引射端与所述氢水分离器相连。[0011] 在本发明提供的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述氢水分离器的排水端与所述排水电磁阀相连。[0012] 在本发明提供的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述氢水分离器的排气端与所述排气电磁阀相连。[0013] 发明的作用与效果[0014] 根据本发明所涉及的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，因为具有引射装置、电堆、氢水分离装置、系统控制器、比例调节阀、电堆控制器、排氢电磁阀以及排水电磁阀。所以，本发明能够回收电堆阳极中的氢气，并调节其温度值合理范围内，再次通入电堆，加湿电堆的膜电极，同时也减少里氢气排入大气的量，使得燃料电池更加地安全高效。附图说明[0015] 图1是本发明的实施例中一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统的结构示意图；[0016] 图2是本发明的实施例中引射装置的结构示意图；[0017] 图3是本发明的实施例中氢水分离装置的结构示意图；以及[0018] 图4是本发明的实施例中一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统的计算原理图。具体实施方式[0019] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。[0020] <实施例>[0021] 图1是本发明的实施例中一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统的结构示意图。[0022] 如图1所示，一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统包括：引射装置2、电堆3、氢水分离装置4、系统控制器9、比例调节阀1、电堆控制器8、排氢电磁阀6以及排水电磁阀

5。

[0023] 图2是本发明的实施例中引射装置的结构示意图。[0024] 如图2所示，引射装置2具有引射器腔体d和可调节式引射器c。[0025] 引射器腔体d为拉法尔腔体，前端与氢水分离装置4相连通，尾端与电堆3相连。[0026] 可调节式引射器c通过控制逻辑可以改变引射器腔体d的尺寸从而调节通过引射装置2进入电堆3的氢气流量。可调节式引射器的前端与比例调节阀1相连，后端与电堆3的阳极侧相连，引射端与氢水分离装置4相连。[0027] 引射装置2外部包裹有一层复合保温材料。复合保温材料由保温材料和相变材料组成。其中保温材料为E材料，可以极大地延缓氢水分离装置总成与外界环境温度的换热；相变材料是由三氧化二铝、二氧化硅、纳米材料等在一定温度与压力下经过挤压成型的复合材料。两者材料的紧密结合，极大地提高了装置的保温性能。

[0028] E材料根据密度的不同可以设计不同降温速率的保温材料，可以极大地延缓氢水分离装置总成与外界环境温度的换热，发动机低温启动时尤为明显，可以极大地提高启动速率。[0029] 图3是本发明的实施例中氢水分离装置的结构示意图。[0030] 如图3所示，氢水分离装置4包括：氢水分离器分离本体11、离子吸附层10、氢水装置控制器7、电加热器12、温度感应探头(图中未示出)以及流道板13。[0031] 氢水分离器分离本体11具有腔体、总成入口管道、氢气出口管道、液态水出口管道以及总成出口管道。[0032] 总成入口管道设置在氢水分离器分离本体11上方，与电堆3阳极连通。阳极中的过量的氢气、水蒸气以及热量通过总成入口管道a进入氢水分离器分离本体11的腔体内。[0033] 氢气出口管道设置在氢水分离器分离本体11侧方，用于排出经过分离得到的杂质气体。[0034] 液态水出口管道设置在氢水分离器分离本体11下方，用于排出经过分离得到的液态水。[0035] 总成出口管道设置在氢水分离器分离本体11上方，与引射装置2连通，用于排出混合气体，混合气体为具有一定温度的水蒸气和氢气，该混合气体会被重新回收再次通入到燃料电池电堆中以重新利用从而优化燃料电池的反应进程。[0036] 离子吸附层10包裹在总成出口管道外部，与总成出口管道内部通过网格板连通。离子吸附层10由离子吸附剂组成。具体地，离子吸附剂是由阴阳离子和催化剂根据酸碱性调节不同的配比而设计得到的。离子吸附剂根据燃料电池的特点在一定催化剂的情况下，使阴离子与阳离子按照(1?1.35):1的配比进行去酸性与去离子化。

[0037] 电加热器12用于对氢水分离器分离本体11进行加热。在本实施例中，电加热器5数量为三个，分布设置在氢水分离器分离本体11上方、侧方和下方。[0038] 温度感应探头设置在总成出口管道内，用于感应总成出口管道内的温度。[0039] 氢水装置控制器7与电加热器12以及温度感应探头6连接，通过采集温度感应探头的信号，经过一定的信号处理，通过FCU控制指令，来控制电加热器12的开启数量与使用功率。具体地，在本实施例中氢水装置控制器7为FCU控制器。[0040] 流道板13包括：第一流道板、第二流道板以及第三流道板。[0041] 第一流道板呈弧形，凸面朝向总成入口管道。[0042] 第二流道板呈弧形，凸面朝向液态水出口管道。[0043] 第三流道板呈弧形，凸面朝向氢气出口管道以及总出口管道。[0044] 氢水分离装置4外部也包裹有一层复合保温材料。该复合保温材料的材质与包裹引射装置2的复合保温材料材质相同。[0045] 电堆3具有阳极和阴极，其中阳极一侧分别与引射装置2和氢水分离装置4连通。[0046] 比例调节阀1用于控制进入引射装置2的氢气的量。[0047] 电堆控制器8用于控制电堆运行。[0048] 排氢电磁阀6设置在氢气出口管道处，用于控制氢气出口管道的开启或关闭。[0049] 排水电磁阀5设置在液态水出口管道处，用于控制液态水出口管道的开启或关闭。[0050] 系统控制器9用于控制比例调节阀1、电堆控制器8、排氢电磁阀6、排水电磁阀5、氢水装置控制器7以及可调节式引射器c。[0051] 图4是本发明的实施例中一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统的计算原理图。[0052] 本发明提供的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统的使用原理如下：[0053] 燃料电池发动机在运行过程中，根据实际功率的不同，比例调节阀根据控制控制进入引射装置的流量，可调节式引射器利用拉法尔管的加速、减速作用，根据电堆需求流量通过阀体的运动改变原来拉法尔管腔体进行控制，保证引射流量在合理范围内进行。为了尽可能地减小引射流量的阻力，氢水分离装置回收电堆产生的氢气?水蒸汽的混合气体，根据温度感应探头的反馈值，调节混合气体的温度，使其氢水分离器与可调节式引射器在接近电堆反应的温度下进入电堆参与反应，保证进入电堆阳极的侧温度值，从而加湿燃料电池动力系统的膜电极，同时也可减少氢气排入大气的量。[0054] 实施例的作用与效果[0055] 根据实施例所涉及的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，因为具有引射装置、电堆、氢水分离装置、系统控制器、比例调节阀、电堆控制器、排氢电磁阀以及排水电磁阀。所以，实施例的可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统能够回收电堆阳极中的氢气，并调节其温度值合理范围内，再次通入电堆，加湿电堆的膜电极，同时也减少里氢气排入大气的量，使得燃料电池更加地安全高效。[0056] 进一步地，根据实施例所涉及的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，因为引射装置的腔体为拉法尔腔，且外部具有复合保温层，所以本实施例在一定流速下增强了汽水分离的均匀性与大小流量的引射功能且在一定程度上增强了系统的保温性。[0057] 进一步地，根据实施例所涉及的一种可调节流量的燃料电池发动机氢气子系统，因为氢水分离装置具有离子吸附层，所以本实施例能够在一定的酸性与导电率下对回收的混合气体进行降酸性和去离子化。[0058] 上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。