本申请涉及燃料电池系统领域，尤其涉及用于燃料电池系统的燃料循环泵以及包括这种燃料循环泵的燃料气体供给系统和燃料电池系统。
背景技术：
利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的燃料电池系统被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。在燃料电池系统工作期间，产物水、未消耗的燃料气体(例如氢气)和副产物(例如氮气)会累积在燃料电池堆叠的阳极侧的输出端。通常通过燃料循环泵使未消耗的燃料气体再循环返回到燃料气体喷射装置，以再次供应到燃料电池堆叠，从而提高燃料电池系统的工作效率。
燃料循环泵通常包括壳体和设置在壳体中的燃料输送机构，壳体限定燃料输送腔室，燃料输送机构使燃料气体在燃料输送腔室中流动。包括产物水、未消耗的燃料气体和副产物的再循环流在进入燃料循环泵之前首先通过水分离装置，以移除再循环流中的产物水。但是，由于水分离装置难以完全移除再循环流中的水分，随着燃料循环泵的长时间运行，仍会在燃料循环泵的燃料输送腔室中积累水。水积累在燃料输送腔室会对燃料输送机构的运转产生阻力，从而导致燃料循环泵的工作效率降低。
传统的燃料循环泵包括电动控制阀，该电动控制阀与燃料输送腔室连通，以用于将积累在燃料输送腔室中的液体排出燃料循环泵。电动控制阀在燃料输送腔室中的水积累到一定量时打开，使得积累的水在燃料气体的压力作用下排出燃料循环泵，例如排出到燃料电池系统的排气管中。但是，对于使用电动控制阀的传统燃料循环泵，在排水的过程中，燃料气体会与水一起被从电动控制阀排出，这会导致燃料气体浪费，进而导致燃料电池系统的燃料利用效率降低。另一方面，燃料气体从电动控制阀排出还会导致燃料电池堆叠阳极侧的压力发生波动，这会降低燃料电池的性能表现。又一方面，当燃料气体被排出到燃料电池系统的排气管中时，会导致排气管内燃料气体的浓度变大。由于排气管中存在氧气，因此会带来与安全相关的风险(例如在排气管中发生爆炸)。再一方面，电动控制阀结构复杂，因而增加了燃料循环泵的制造成本和组装难度。
因此，迫切需要对现有的燃料循环泵进行改进。
技术实现要素：
本申请旨在提供一种改进的燃料循环泵，以克服现有燃料循环泵的至少一种缺陷。
根据本申请的一方面，提供了一种用于燃料电池系统以输送燃料气体的燃料循环泵，包括：
壳体，所述壳体限定燃料输送腔室；以及
设置在所述壳体中用于输送燃料气体的燃料输送机构；
其特征在于，所述燃料循环泵还包括排放阀，所述排放阀与所述燃料输送腔室连通，所述排放阀能够在打开状态和关闭状态之间切换，当积累在所述燃料输送腔室中的液体不高于预定阈值时，所述排放阀处于所述关闭状态，当积累在所述燃料输送腔室中的液体高于所述预定阈值时，所述排放阀在所述液体的作用下切换到所述打开状态以将积累在所述燃料输送腔室中的液体的一部分排出所述燃料循环泵，而不会排出所述燃料气体。
优选地，所述排放阀包括：
阀体，所述阀体包括阀腔、与所述燃料输送腔室连通以接收液体的进入通道以及能够与所述进入通道连通并且用于将液体排出所述燃料循环泵的排放通道；
设置在所述阀腔内并且能够在所述阀腔内往复运动的阀活塞；以及
设置在所述阀腔内以对所述阀活塞施加推力的偏压构件。
优选地，当积累在所述燃料输送腔室中的液体不高于所述预定阈值时，所述阀活塞在所述偏压构件推力的作用下克服所述液体的重量的作用保持所述进入通道与所述排放通道隔离开，当积累在所述燃料输送腔室中的液体高于所述预定阈值时，所述阀活塞在所述液体的重量的作用下克服所述偏压构件推力的作用移动而使所述进入通道与所述排放通道连通。
优选地，所述偏压构件呈弹簧的形式，其一端抵接于所述阀活塞，另一端抵接于所述阀体。
优选地，所述偏压构件呈弹簧的形式，其一端抵接于所述阀活塞，另一端抵接于安装到所述阀体的弹簧座，所述弹簧座能够调节所述偏压构件对所述阀活塞施加的推力。
优选地，所述弹簧座能够将所述偏压构件对所述阀活塞施加的推力设定成当积累在所述燃料输送腔室中的液体不高于另一阈值时，所述排放阀处于所述关闭状态，并且当积累在所述燃料输送腔室中的液体高于所述另一阈值时，所述排放阀在所述液体的作用下切换到所述打开状态，其中，所述另一阈值与所述预定阈值不同。
优选地，所述阀体与所述燃料循环泵的所述壳体一体形成。
优选地，所述阀体与所述燃料循环泵的所述壳体分开形成，并且所述排放阀能够拆卸地安装到所述燃料循环泵。
优选地，所述燃料气体为氢气，所述液体是水。
根据本申请的另一方面，提供了一种用于燃料电池系统的燃料气体供给系统，其特征在于，所述燃料气体供给系统包括：
燃料气体喷射装置；
水分离装置；以及
上述燃料循环泵，所述燃料循环泵设置在所述水分离装置与所述燃料气体喷射装置之间。
根据本申请的又一方面，提供了一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括上述燃料循环泵或者上述燃料气体供给系统。
在根据本申请的燃料循环泵中，始终在排放阀中存有液体以在燃料输送腔室中的燃料气体与燃料循环泵的外界环境之间提供密封，使得燃料气体不会在液体被排出燃料循环泵期间经由排放阀逸出。这能够减少燃料气体的浪费、维持阳极侧的压力稳定并保证燃料电池系统的安全可靠运行。
附图说明
下面将结合附图来更彻底地理解并认识本申请的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在附图中：
图1示意性地示出了用于燃料电池系统的燃料气体供给系统；
图2是根据本申请优选实施例的燃料循环泵的示意性剖视图；以及
图3a和图3b是图2所示燃料循环泵的排水阀的示意性放大视图，其中，在图3a中排放阀处于关闭状态，并且在图3b中排放阀处于打开状态。
具体实施方式
下面结合示例详细描述本申请的示例性实施例。本领域技术人员应理解的是，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在不同的附图中，相同或相似的部件用相同的附图标记表示，且为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本申请的燃料循环泵不可包括其它部件。应理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本申请的限制。
燃料电池系统(例如质子交换膜燃料电池(pemfc))可以用于车辆中以提供电力，从而驱动电机来提供动力或者使得车载系统执行各种功能。图1示意性地示出了燃料电池系统的一部分，其可包括燃料电池堆叠1和燃料气体供给系统9。如图1所示，燃料电池堆叠1包括阳极侧3和阴极侧5。来自燃料源7的燃料气体(例如氢气)通过燃料气体供给系统9的燃料气体喷射装置11供给到阳极侧3的输入端13。通常，过量的燃料气体被提供到阳极侧3的输入端13，以确保燃料电池堆叠1中的所有电池有充足的燃料气体可用。在燃料电池系统的工作期间，产物水、未消耗的燃料气体(例如氢气)和副产物(例如氮气)会累积在阳极侧3的输出端15。
继续参考图1，燃料气体供给系统9的再循环回路17可以设置在阳极侧3的输出端15与燃料气体喷射装置11之间，以将未消耗的燃料气体再循环回到燃料气体喷射装置11。燃料气体喷射装置11将未消耗的燃料气体与来自燃料源7的燃料气体混合并再次供给到阳极侧3的输入端13。再循环回路17通常包括连接到阳极侧3的输出端15的水分离装置19以及连接在水分离装置19与燃料气体喷射装置11之间的燃料循环泵100。水分离装置19接收来自阳极侧3的输出端15的再循环流23(即，包括产物水、未消耗的燃料气体(例如氢气)和副产物(例如氮气)的流体混合物)，并且从再循环流23中移除产物水。由水分离装置19移除的水可以通过排出通道排出水分离装置19(如虚线箭头25表示)，例如被排出到燃料电池系统的排气管中。经除水的再循环流23被燃料循环泵100送入燃料气体喷射装置11，以与来自燃料源7的燃料气体混合并再次供给到阳极侧3的输入端13，借此避免燃料气体的浪费并提高燃料气体的利用效率。
虽然再循环流23在进入燃料循环泵100之前首先通过水分离装置19以移除再循环流23中的产物水，但是由于水分离装置19难以完全移除再循环流23中的水分，随着燃料循环泵100的长时间运行，仍会在燃料循环泵100中积累水。水积累在燃料循环泵100会导致燃料循环泵100的工作效率降低。如在背景技术部分中描述的，在现有的燃料循环泵中采用电动控制阀来将积累的水排出燃料循环泵会带来诸多问题：一方面，在排水的过程中，燃料气体会与水一起被从电动控制阀排出，这会导致燃料气体浪费，进而导致燃料电池系统的燃料利用效率降低；另一方面，燃料气体从电动控制阀排出还会导致燃料电池堆叠阳极侧的压力发生波动，这会降低燃料电池的性能表现；又一方面，当燃料气体被排出到燃料电池系统的排气管中时，会导致排气管内燃料气体的浓度变大，由于排气管中存在氧气，因此会带来与安全相关的风险(例如在排气管中发生爆炸)；再一方面，电动控制阀结构复杂且成本较高。
为了克服现有燃料循环泵的至少一种缺陷，本申请提出了一种新型的燃料循环泵100。
如图2所示，燃料循环泵100可以包括壳体101和设置在壳体101中用于输送燃料气体(例如，氢气)的燃料输送机构103。燃料输送机构103可以包括叶轮105以及用于驱动叶轮105转动的电机107。壳体101可以限定用于输送燃料气体的燃料输送腔室109和用于容纳电机107的转子113的电机腔室111。叶轮105可以设置在燃料输送腔室109中并且由电机107的转子113通过转轴115带动转动，以使燃料气体在燃料输送腔室109内流动。相应地，壳体101还可以限定分别与燃料输送腔室109连通以用于燃料进入和排出的入口(未示出)和出口(未示出)，其中，所述入口用于与水分离装置19的出口相连，并且所述出口用于与燃料气体喷射装置11相连。这样，燃料循环泵100可以将经过水分离装置19的再循环流23泵送到燃料气体喷射装置11。
在图2所示的实施例中，燃料循环泵100的壳体101为分体式结构，其包括主体101a、盖体101b以及电机壳体101c。主体101a和盖体101b限定燃料输送腔室109，并且电机壳体101c限定电机腔室111。电机107的定子(未示出)可以安装到电机壳体101c以围绕转子113。转子113的转轴115通过轴承117和119被以能够转动的方式支撑，并且穿过主体101a伸入燃料输送腔室109中，以联接到叶轮105并驱动叶轮105转动。主体101a、盖体101b和电机壳体101c可以通过本领域中已知的方式制造，并且可以通过本领域中已知的连接方式固定连接。诸如o形垫圈的密封件121和123可以设置在主体101a、盖体101b和电机壳体101c之间，以形成气密密封，从而避免燃料气体泄露而发生爆炸。
继续参考图2，燃料循环泵100还可以包括排放阀125，排放阀125可以与燃料输送腔室109连通，以用于将积累在燃料输送腔室109中的液体(通常为水)排出燃料循环泵100。在图2所示的实施例中，排放阀125设置在盖体101b中，位于燃料输送腔室109的底部109a。进一步参考图3a和图3b，排放阀125能够在打开状态(图3b)和关闭状态(图3a)之间切换。具体而言，当积累在燃料输送腔室109中的液体(如深色区域w所表示的)不高于(不超过)预定阈值时，排放阀125处于关闭状态，当积累在燃料输送腔室109中的液体高于(超过)预定阈值时，排放阀125在液体的作用下切换到所述打开状态以将积累在燃料输送腔室109中的液体的一部分排出燃料循环泵100，而不会排出燃料气体(如深色区域g所表示的)。所述预定阈值可以对应于积累在燃料输送腔室109中的液体会阻碍叶轮105转动的液体量。相比于电动控制阀，由于排放阀125可以直接根据积累在燃料输送腔室109中的液体的量来在打开状态和关闭状态之间切换，因而简化了控制逻辑。
下面具体描述排放阀125的一种优选型式。如图3a和图3b所示，排放阀125可以包括阀体129。阀体129可以包括阀腔127、与燃料输送腔室109连通以接收液体的进入通道127a以及能够与进入通道127a连通并且用于将液体排出燃料循环泵100的排放通道127b。排放阀125还可以包括设置在阀腔127内并且能够在阀腔127内往复运动的阀活塞131、以及设置在阀腔127内以对阀活塞131施加推力的偏压构件133。如图3a所示，当积累在燃料输送腔室109中的液体不高于预定阈值时，阀活塞131在偏压构件133推力的作用下克服液体重量的作用保持进入通道127a与排放通道127b隔离开。此时，排放阀125处于关闭状态，并且积累在燃料输送腔室109中的液体不能通过排放阀125排出燃料循环泵100。如图3b所示，当积累在燃料输送腔室109中的液体高于预定阈值时，阀活塞131在液体重量的作用下克服偏压构件133推力的作用移动而使进入通道127a与排放通道127b连通。此时，排放阀125处于打开状态，并且积累在燃料输送腔室109中的液体的一部分经由排放通道127b排出燃料循环泵100(如图3b中箭头137所表示的)。当积累在燃料输送腔室109中的液体减少到不高于预定阈值时，阀活塞131在偏压构件133推力的作用下克服液体重量的作用回到关闭状态，再次将进入通道127a与排放通道127b隔离开。通过这种方式，始终在排放阀125的阀腔127中存有液体以在燃料输送腔室109中的燃料气体与燃料循环泵100的外界环境之间提供密封，使得燃料气体不会在液体被排出燃料输送腔室109期间经由排放阀125逸出。这可以减少燃料气体的浪费，从而维持阳极侧的压力稳定并保证燃料电池系统的安全可靠运行。另一方面，排放阀125结构简单且易于组装，因而降低了燃料循环泵的制造成本和组装难度。
在图3a和图3b所示的实施例中，偏压构件133呈弹簧的形式，其一端抵接于阀活塞131，另一端抵接于安装到阀体129的弹簧座135。弹簧座135能够调节偏压构件133对阀活塞131施加的推力。例如，可以通过改变弹簧座135的高度来调节偏压构件133对阀活塞131施加的推力。设置弹簧座135可以提供诸多优势。一方面，随着排放阀125长时间工作，偏压构件133可能发生老化，其对阀活塞131施加推力会发生变化。在这种情况下，可以通过调节弹簧座135来调节偏压构件133对阀活塞131施加的推力，以使得阀活塞131仍能在积累在燃料输送腔室109中的液体不高于预定阈值时在偏压构件133推力的作用下克服液体重量的作用将进入通道127a与排放通道127b隔离开，并且在积累在燃料输送腔室109中的液体高于预定阈值时在液体重量的作用下克服偏压构件133推力的作用移动而使进入通道127a与排放通道127b连通。这使得能保持燃料气体不会在液体被排出燃料输送腔室109期间经由排放阀125逸出。另一方面，也可以通过调节弹簧座135将偏压构件133对阀活塞131施加的推力调节成：当积累在燃料输送腔室109中的液体不高于与预定阈值不同(大于或小于预定阈值)的另一阈值时，排放阀125处于关闭状态，并且当积累在燃料输送腔室109中的液体高于所述另一阈值时，排放阀125在液体重量的作用下切换到打开状态以排出部分液体，而不会排出燃料气体。这样，可以使用户能够根据不同的工况通过简单地调节弹簧座135来控制燃料输送腔室109中的积水量，从而保证燃料循环泵100的高效运行。应理解，在其它部分实施例中，偏压构件133的一端可以抵接于阀活塞131，另一端可以直接抵接于阀体129。
在图3a和图3b所示的实施例中，排放阀125的阀体129可以与燃料循环泵100的壳体101一体形成，例如与主体101a或盖体101b一体形成。这方便了燃料循环泵100的组装，并且减小了燃料循环泵100的占用空间。在其它部分实施例中，排放阀125的阀体129也可以与燃料循环泵100的壳体101分开形成，并且排放阀125能够拆卸地安装到燃料循环泵100。
应理解，排放阀125还可以呈其它合适的形式，只要其能够在积累在燃料输送腔室109中的液体不高于预定阈值时处于关闭状态，并在当积累在燃料输送腔室109中的液体高于预定阈值时在液体的作用下切换到打开状态以将积累在燃料输送腔室109中的液体的一部分排出燃料循环泵100，而不会排出燃料气体。
根据本申请的燃料循环泵100始终在排放阀125中存有液体以在燃料输送腔室109中的燃料气体与燃料循环泵100的外界环境之间提供密封，使得燃料气体不会在液体被排出燃料循环泵100期间经由排放阀125逸出。这能够减少燃料气体的浪费、维持阳极侧的压力稳定并保证燃料电池系统的安全可靠运行。
以上结合具体实施例对本申请进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。
1.一种用于燃料电池系统以输送燃料气体的燃料循环泵(100)，包括：
壳体(101)，所述壳体(101)限定燃料输送腔室(109)；以及
设置在所述壳体(101)中用于输送燃料气体的燃料输送机构(103)；
其特征在于，所述燃料循环泵(100)还包括排放阀(125)，所述排放阀(125)与所述燃料输送腔室(109)连通，所述排放阀(125)能够在打开状态和关闭状态之间切换，当积累在所述燃料输送腔室(109)中的液体不高于预定阈值时，所述排放阀(125)处于所述关闭状态，当积累在所述燃料输送腔室(109)中的液体高于所述预定阈值时，所述排放阀(125)在所述液体的作用下切换到所述打开状态以将积累在所述燃料输送腔室(109)中的液体的一部分排出所述燃料循环泵(100)，而不会排出所述燃料气体。
2.如权利要求1所述的燃料循环泵(100)，其特征在于，所述排放阀(125)包括：
阀体(129)，所述阀体(129)包括阀腔(127)、与所述燃料输送腔室(109)连通以接收液体的进入通道(127a)以及能够与所述进入通道(127a)连通并且用于将液体排出所述燃料循环泵(100)的排放通道(127b)；
设置在所述阀腔(127)内并且能够在所述阀腔(127)内往复运动的阀活塞(131)；以及
设置在所述阀腔(127)内以对所述阀活塞(131)施加推力的偏压构件(133)。
3.如权利要求2所述的燃料循环泵(100)，其特征在于，当积累在所述燃料输送腔室(109)中的液体不高于所述预定阈值时，所述阀活塞(131)在所述偏压构件(133)推力的作用下克服所述液体的重量的作用保持所述进入通道(127a)与所述排放通道(127b)隔离开，当积累在所述燃料输送腔室(109)中的液体高于所述预定阈值时，所述阀活塞(131)在所述液体的重量的作用下克服所述偏压构件(133)推力的作用移动而使所述进入通道(127a)与所述排放通道(127b)连通。
4.如权利要求3所述的燃料循环泵(100)，其特征在于，所述偏压构件(133)呈弹簧的形式，其一端抵接于所述阀活塞(131)，另一端抵接于所述阀体(129)。
5.如权利要求3所述的燃料循环泵(100)，其特征在于，所述偏压构件(133)呈弹簧的形式，其一端抵接于所述阀活塞(131)，另一端抵接于安装到所述阀体(129)的弹簧座(135)，所述弹簧座(135)能够调节所述偏压构件(133)对所述阀活塞(131)施加的推力。
6.如权利要求5所述的燃料循环泵(100)，其特征在于，所述弹簧座(135)能够将所述偏压构件(133)对所述阀活塞(131)施加的推力设定成当积累在所述燃料输送腔室(109)中的液体不高于另一阈值时，所述排放阀(125)处于所述关闭状态，并且当积累在所述燃料输送腔室(109)中的液体高于所述另一阈值时，所述排放阀(125)在所述液体的作用下切换到所述打开状态，其中，所述另一阈值与所述预定阈值不同。
7.如权利要求2-6中任一项所述的燃料循环泵(100)，其特征在于：
所述阀体(129)与所述燃料循环泵(100)的所述壳体(101)一体形成；或者
所述阀体(129)与所述燃料循环泵(100)的所述壳体(101)分开形成，并且所述排放阀(125)能够拆卸地安装到所述燃料循环泵(100)。
8.如权利要求1所述的燃料循环泵(100)，其特征在于，所述燃料气体为氢气，所述液体是水。
9.一种用于燃料电池系统的燃料气体供给系统(9)，其特征在于，所述燃料气体供给系统(9)包括：
燃料气体喷射装置(11)；
水分离装置(19)；以及
如权利要求1-8中任一项所述的燃料循环泵(100)，所述燃料循环泵(100)设置在所述水分离装置(19)与所述燃料气体喷射装置(11)之间。
10.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括如权利要求1至8中任一项所述的燃料循环泵(100)或者如权利要求9所述的燃料气体供给系统(9)。
技术总结