一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统，包括氢气减压保护装置，该氢气减压保护装置设在截止阀和稳压阀之间，所述的氢气减压保护装置包括弹射泵、隔板、弹簧、活塞、压力差传感器，所述的隔板、弹簧、活塞依次设置在弹射泵的下端通道内，隔板通过弹簧与活塞相连，并将弹射泵的下端通道出口通过管道连接到弹射泵右端通道出口，使活塞下表面的压力与弹射泵右边通道出口处的压力相同，所述的隔板带有气孔，使活塞上表面的压力与隔板上方的压力相同，活塞上下表面产生压力差，再将该压力差或者弹簧的形变量通过传感器传送至控制器，该控制器可控制截止阀的开关，当氢气流量超过允许最大值时，驱动截止阀自动关闭，切断氢源。与现有技术相比，本发明专利技术具有结构简单、安全可靠等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池的辅助装置，尤其涉及一种燃料电池发动机的氢气安全 保护系统。
技术介绍
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly,简称MEA)， 膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如 碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催 化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生 成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并 在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移 穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化 剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在 催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子 与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子 交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子 (或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外， 质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合 而产生爆发式反应。在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移 过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交 换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达4阳极反应H2—2H++2e 阴极反应l/202+2H++2e—H20在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA) —般均放在两块导电的 极板中间，每块导膜电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻， 形成至少一条以上的导流槽。这些导膜电极板可以上金属材料的极板，也可以 是石墨材料的极板。这些导膜电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化 剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构 造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂 的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导 流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走 燃料电池运行过程中生成的水的通道。为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通 常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串 联式的电池组中， 一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜 电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种 极板叫做双极板。 一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。 电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。一个典型电池组通常包括(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体) 和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电 池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出 电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气 体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常， 将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两 个端板上。图1为目前典型的燃料电池发电系统，在图l中l为燃料电池堆，2为储 氢瓶或其他储氢装置，3为减压阀，4为空气过滤虑装置，5为空气压縮供应装 置，6为氢气水一汽分离器，6，为空气水一汽分离器，7为水箱，8为冷却流体循环泵，9为散热器，IO为氢循环泵，11为氢气增湿装置，12为空气增湿 装置。质子交换膜燃料电池作为运载工具的动力系统，用作发电站时一般以纯氢为燃 料，以空气为氧化剂。目前，包括加拿大的Ballard Power System Inc.所设计的燃料 电池堆一般在压力下运行。对于这种较高压力运行的燃料电池堆，燃料电池堆与流 体之间一般是通过调节减压阀来使空气/氢气压力符合工作压力的需要。但是当燃 料电池堆或管路发生大量泄漏而引起氢气流量过大时，而减压阔不能及时切断氢 源，易导致高压氢气体大量泄漏，严重时会引起火灾、爆炸。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可在氢气流 量过大时，自动切断氢源的燃料电池发动机的氢气安全保护系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现 一种燃料电池发动机的氢气安 全保护系统，包括燃料电池堆，储氢装置，截止阀，稳压阀，氢气水一汽分离 器，氢循环泵，氢气增湿装置，所述的储氢装置通过截止阀、稳压阀、氢气增 湿装置连接到燃料电池堆上的氢气入口，燃料电池堆上的氢气出口，通过氢气 水一汽分离器和氢循环泵连接到燃料电池堆的氢气入口，其特征在于，还包括 传感器、控制器和氢气减压保护装置，该氢气减压保护装置设在截止阀和稳压阀 之间，所述的传感器分别连接氢气减压保护装置和控制器，所述的氢气减压保护装 置包括弹射泵、隔板、弹簧、活塞，所述的隔板、弹簧、活塞依次设置在弹射泵的 下端通道内，隔板通过弹簧与活塞相连，并将弹射泵的下端通道出口通过管道连接 到弹射泵右端通道出口 ，使活塞下表面的压力与弹射泵右边通道出口处的压力相 同，所述的隔板带有气孔，使活塞上表面的压力与隔板上方的压力相同，氢气快速 通过弹射泵左端通道进入弹射泵右端通道，在弹射泵下端通道上方形成真空，使活 塞上下表面产生压力差，再将该压力差或者弹簧的形变量通过传感器传送至控制 器，该控制器可控制截止阀的开关，当氢气流量超过允许最大值时，驱动截止阀自 动关闭，切断氢源。所述的传感器为压力差传感器，该压力差传感器设有三个接口， 一个接口连 接到弹射泵下端通道内活塞上方空间， 一个接口连接到弹射泵下端通道出口活塞下方空间，另一个接口连接到截止阀上;压力差传感器探测到活塞上下表面的压力差， 将该压力差传送到控制器，通过控制器控制截止阀开关，自动控制氢气的输送与切 断。所述的传感器分别连接弹簧和控制器，氢气流经氢气减压保护装置时，传感 器可探测到弹簧形变产生的位移变量或形变回弹力，并将该位移变量或形变回弹力 传送到控制器，通过控制器控制截止阀开关，自动控制氢气的输送与切断。所述的弹射泵的左端、右端和下端设有通道，高压氢气从左端通道进入弹射 泵，然后快速进入右端通道，使氢气减压的同时，在下端通道上方形成真空，将散 溢到下端通道的氢气回收。所述的隔板固定在弹射泵下端通道内，其上设有1 10个气孔，使弹射泵下 端通道内活塞上方的气压相同。所述的活塞设置在弹射泵下端通道内，可沿下端通道上下移动，并将其空间 分隔成两个部分，当氢气流经弹射泵时，所述的两个部分形成压力差。所述的截止阀为电磁截止阀，当氢气流量超过允许最大值时，通过控制器驱 动电磁截止阀自动关闭，切断氢源。所述的截止阀为气动阀，当氢气流量超过允许最大值时，通过控制器驱动气 动阀自动关闭，切断本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池发动机的氢气安全保护系统，包括燃料电池堆，储氢装置，截止阀，稳压阀，氢气水－汽分离器，氢循环泵，氢气增湿装置，所述的储氢装置通过截止阀、稳压阀、氢气增湿装置连接到燃料电池堆上的氢气入口，燃料电池堆上的氢气出口，通过氢气水－汽分离器和氢循环泵连接到燃料电池堆的氢气入口，其特征在于，还包括传感器、控制器和氢气减压保护装置，该氢气减压保护装置设在截止阀和稳压阀之间，所述的传感器分别连接氢气减压保护装置和控制器，所述的氢气减压保护装置包括弹射泵、隔板、弹簧、活塞，所述的隔板、弹簧、活塞依次设置在弹射泵的下端通道内，隔板通过弹簧与活塞相连，并将弹射泵的下端通道出口通过管道连接到弹射泵右端通道出口，使活塞下表面的压力与弹射泵右边通道出口处的压力相同，所述的隔板带有气孔，使活塞上表面的压力与隔板上方的压力相同，氢气快速通过弹射泵左端通道进入弹射泵右端通道，在弹射泵下端通道上方形成真空，使活塞上下表面产生压力差，再将该压力差或者弹簧的形变量通过传感器传送至控制器，该控制器可控制截止阀的开关，当氢气流量超过允许最大值时，驱动截止阀自动关闭，切断氢源。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡里清，章波，付明竹，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]