CN104037437B - 一种真空保温燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种真空保温燃料电池系统，包括保温壳体、燃料电池堆、空气系统、氢气系统、冷却系统和电力系统，燃料电池堆置于保温壳体内，保温壳体是具有真空夹层的壳体，保温壳体外设有对壳体内抽真空设备。有益效果：本发明能够形成一个全真空密闭燃料电池系统，受环境温度影响小，能够在停止工作时保温，使燃料电池温度下降速度变慢，尤其是在零下时，本发明能够较长时间保持0℃以上，不会因温度过低结冰损伤燃料电池；使燃料电池启动快，温度提升速度快，能够实现更高性能的稳定输出；不受时间地点所限，随时随地都可以进行保温，操作简单；燃料电池系统运行时，对燃料出现的微量泄漏，可通过液气两用泵抽出，减少壳体内氢气浓度，提高安全性。

Description

一种真空保温燃料电池系统

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及燃料电池保温系统。

背景技术

燃料电池发电系统具有在一定温度范围内性能达到最佳的特点。由于燃料电池结构及工艺不同，其最佳工作温度区间有所差异，一般燃料电池最佳工作温度区间在60-75℃之间。燃料电池工作过程是一个化学反应过程，温度是影响化学反应进程的一个重要因素，所以当燃料电池处于低温情况下，其化学反应进程会变慢，性能会变差，尤其当环境温度降至零下时，由于燃料电池自身生成水的特点，如果保存不当，很容易结冰，损伤膜电极，从而使燃料电池出现损坏，无法实现零下的启动运行。

为解决上述问题，现有技术中一般采取对燃料电池堆进行保温处理的措施，通过外部保温壳对燃料电池堆保温。上述现有技术的不足是：尽管其能对燃料电池堆有一定保温作用，但无法实现对整个系统的保温，当燃料电池停止工作以后，由于没有隔离，管道与燃料电池堆内部相通，通过热传导，燃料电池堆的温度仍会很快降到与环境相同的温度，当燃料电池系统再次运行时，温度仍然不是最佳工作温度，仍需要靠自身反应来升温。如果环境温度处于零下，燃料电池堆会被冻坏，为避免冻坏，需要对燃料电池堆进行吹扫处理，吹尽生成水，当经过一段时间而再次启动时，需要漫长的升温过程后才能正常运行，这样将消耗大量能量。图2是现有技术中的一种燃料电池堆保温系统示意图，空气依次经空气过滤器、空气泵、加热增湿器后，穿过堆保温壳后进入燃料电池堆，参与反应后尾气直接排出；氢气经氢气流量控制器、壳外氢气入电磁阀、氢气加热增湿器后穿过堆保温壳后进入燃料电池堆参与反应，尾气经壳外氢气出电磁阀排出；冷却液流经冷却液泵后进入节温器后分成两路，一路进入散热器，然后进入燃料电池堆，形成外循环，一路直接与散热器并行进入燃料电池堆，形成内循环。电力输出正极管线与普通正极继电器相连，电力输出负极管线与普通负极继电器相连，二者与用电器相连，形成回路，对外输出电力。控制电缆管线控制燃料电池系统运行。

发明内容

为了克服燃料电池发电系统存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种真空保温燃料电池系统，为燃料电池发电系统提供保温，克服燃料电池发电系统存在的上述不足，提高燃料电池性能和实现快速零下低温启动。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种真空保温燃料电池系统，包括保温壳体、燃料电池堆、空气系统、氢气系统、冷却系统和电力系统，燃料电池堆置于保温壳体内，其特征在于：所述保温壳体是具有真空夹层的壳体，保温壳体外设有对壳体内抽真空设备。

所述一种真空保温燃料电池系统，其特征在于：所述空气系统、氢气系统、冷却系统和电力系统分成壳内部分和壳外部分，空气系统、氢气系统和冷却系统的壳内部分和壳外部分通过电磁阀控制通断，电力系统壳内部分和壳外部分通过真空继电器控制通断。

所述一种真空保温燃料电池系统，其特征在于：

所述保温壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体是槽型壳体，槽型壳体壁是具有真空夹层的双壳结构，上壳体下沿带有外翻边，外翻边上均匀设有螺钉通孔；所述下壳体是槽型壳体，槽型壳体壁是具有夹层的双壳结构，双壳结构的夹层分成两部分，沿下壳体上口的一周是中空层，其余部分是下真空层，中空层和下真空层之间由隔板密封分隔，下真空层是密闭空间，下壳体上口面板上设有与上壳体下沿外翻边上螺钉通孔相对应的螺纹孔，螺纹孔沉降于中空层中，下壳体上口面板螺纹孔内侧设有两道密封圈槽，密封圈置于密封圈槽内，上口面板的两道密封圈槽之间位置开有密封圈抽真空孔与中空层相通，下壳体下真空层的槽壁上开有贯通槽壁并与槽壁密闭空间密封的空气系统连接管、氢气系统连接管、冷却系统连接管和电力系统连接管，空气系统连接管包括空气入管路和空气出管路，氢气系统连接管包括氢气入管路和氢气出管路，冷却系统连接管包括冷却液出管路和冷却液入管路，电力系统连接管包括正极电缆管线、负极电缆管线和控制电缆管线；上壳体下沿与下壳体上口相配合，通过螺钉紧密连接；

所述空气系统壳内部分包括壳内空气入电磁阀、空气加热增湿器和壳内空气出电磁阀，壳内空气入电磁阀入口与下壳体下真空层的空气入管路内口连接，壳内空气入电磁阀出口通过管路连接空气加热增湿器入口，空气加热增湿器出口与燃料电池堆空气入口连接，燃料电池堆空气出口与壳内空气出电磁阀入口连接，壳内空气出电磁阀出口连接下壳体下真空层的空气出管路内口；

所述氢气系统壳内部分包括壳内氢气入电磁阀、氢气加热增湿器和壳内氢气出电磁阀，壳内氢气入电磁阀入口连接下壳体下真空层的氢气入管路内口，壳内氢气入电磁阀出口通过管路连接氢气加热增湿器入口，氢气加热增湿器出口与燃料电池堆氢气入口连接，燃料电池堆氢气出口与壳内氢气出电磁阀入开口连接，壳内氢气出电磁阀出口连接下壳体下真空层的氢气出管路内口；

所述冷却系统壳内部分包括冷却液泵、节温器、壳内冷却液出电磁阀和壳内冷却液入电磁阀，冷却液泵吸入口连接燃料电池堆冷却液出口，冷却液泵出口连接节温器入口，节温器外循环口连接壳内冷却液出电磁阀入口，节温器内循环口分两路，一路与壳内冷却液入电磁阀出口连接，另一路连接燃料电池堆冷却液入口，壳内冷却液出电磁阀出口连接下壳体下真空层的冷却液出管路内口，壳内冷却液入电磁阀入口连接下壳体下真空层的冷却液入管路内口；

所述电力系统壳内部分包括正极真空继电器、负极真空继电器和控制电真空继电器组，正极真空继电器和负极真空继电器的输出端分别与燃料电池堆的正极和负极相连，正极真空继电器和负极真空继电器的输入端分别与下壳体下真空层的正极电缆管线和负极电缆管线内口相连，控制电真空继电器组输出端与燃料电池堆相连，控制电真空继电器组输入端与控制电缆管线内口相连，控制燃料电池系统运行；

所述壳内部分还包括氢气浓度传感器，氢气浓度传感器安装在下壳体下真空层的的槽壁上，通过信号线与电堆控制系统相连，氢气浓度传感器检测壳内氢气浓度；

所述空气系统壳外部分包括空气过滤器、空气泵、壳外空气入电磁阀、空气入分隔电磁阀、空气出分隔电磁阀和壳外空气出电磁阀，下壳体下真空层的空气入管路和空气出管路的外口分别分为两路，空气过滤器入口与空气源相连，空气过滤器出口连接空气泵入口，空气泵出口连接壳外空气入电磁阀入口，壳外空气入电磁阀出口连接下壳体下真空层的空气入管路外口的一路，壳外空气出电磁阀入口连接下壳体下真空层的空气出管路外口的一路，壳外空气出电磁阀出口排空，下壳体下真空层的空气入管路和空气出管路的外口的另一路通过管路连接为空气支路，空气支路上依次连接有空气入分隔电磁阀和空气出分隔电磁阀，在空气入分隔电磁阀和空气出分隔电磁阀之间的管路上设有与下壳体中空层连通的空气路抽真空管；

所述氢气系统壳外部分包括氢气流量控制器、壳外氢气入电磁阀、氢气入分隔电磁阀、真空压力传感器、氢气出分隔电磁阀和壳外氢气出电磁阀，下壳体下真空层的氢气入管路和氢气出管路的外口分别分为两路，氢气入管路外口的一路与壳外氢气入电磁阀的出口相连，壳外氢气入电磁阀的入口连接氢气流量控制器出口，氢气流量控制器入口与氢气源相连，氢气出管路外口的一路与壳外氢气出电磁阀的入口相连，壳外氢气出电磁阀的出口与氢气尾排管相连，氢气入管路和氢气出管路外口的另一路通过管路连接为氢气支路，氢气支路依次连接有氢气入分隔电磁阀和氢气出分隔电磁阀，在氢气入分隔电磁阀和氢气出分隔电磁阀之间的管路上设有与下壳体中空层连通的氢气路抽真空管，氢气路抽真空管上连接有真空压力传感器；

所述冷却系统壳外部分包括壳外冷却液出电磁阀、补液箱、散热器、冷却液出分隔电磁阀、冷却液入分隔电磁阀和壳外冷却液入电磁阀，下壳体下真空层的冷却液入管路和冷却液出管路的外口分别分为两路，冷却液入管路外口的一路与壳外冷却液入电磁阀出口相连，壳外冷却液入电磁阀入口与散热器出口相连，冷却液出管路的外口的一路与壳外冷却液出电磁阀入口相连，壳外冷却液出电磁阀出口与散热器入口相连，补液箱连接在壳外冷却液出电磁阀出口与散热器连接的管路上，冷却液入管路和冷却液出管路外口的另一路通过管路连接为冷却液支路，冷却液支路上依次连接有冷却液入分隔电磁阀和冷却液出分隔电磁阀，在冷却液入分隔电磁阀和冷却液出分隔电磁阀之间的管路上设有与下壳体中空层连通的冷却液路抽真空管；

所述电力系统壳外部分包括下壳体下真空层的正极电缆管线、负极电缆管线和外控制电缆管线的外口，正极电缆管线和负极电缆管线外口分别与负载的正极和负极相连，控制电缆管线外口与燃料电池控制系统相连；

所述保温壳体外设有的对壳体内抽真空设备包括液气两用真空泵、抽真空电磁阀和系统抽真空管，系统抽真空管穿过中空层进入壳内空间，系统抽真空管位于中空层部位开有与中空层连通口，位于壳内空间部位开有与壳内空间连通口，抽真空电磁阀入口与系统抽真空管外口相连，抽真空电磁阀出口与液气两用真空泵吸入口相连，液气两用真空泵排出口与补液箱相连。

所述一种真空保温燃料电池系统，其特征在于：所述，上壳体与下壳体内壁涂有防热辐射涂层。

所述一种真空保温燃料电池系统的工作方法，其特征在于：所述工作方法包括以下步骤：

1)燃料电池堆停止运行时，关闭壳外空气入电磁阀、壳内空气入电磁阀、壳外空气出电磁阀、壳内空气出电磁阀、壳外氢气入电磁阀、壳内氢气入电磁阀、壳外氢气出电磁阀、壳内氢气出电磁阀、壳外冷却液入电磁阀、壳内冷却液入电磁阀、壳外冷却液出电磁阀和壳内冷却液出电磁阀；打开空气入分隔电磁阀、空气出分隔电磁阀、氢气入分隔电磁阀、氢气出分隔电磁阀、冷却液入分隔电磁阀、冷却液出分隔电磁阀、正极真空继电器、负极真空继电器和控制电真空继电器组；打开抽真空电磁阀，启动液气两用真空泵，对系统抽真空；

2)当真空压力传感器上传数据达到设定真空度时，抽真空电磁阀关闭，液气两用真空泵关闭；

3)当燃料电池堆再次启动运行时，控制电真空继电器组开启；关闭空气入分隔电磁阀、空气出分隔电磁阀、氢气入分隔电磁阀、氢气出分隔电磁阀、冷却液入分隔电磁阀和冷却液出分隔电磁阀；打开壳外空气入电磁阀、壳内空气入电磁阀、壳外空气出电磁阀、壳内空气出电磁阀、壳外氢气入电磁阀、壳内氢气入电磁阀、壳内氢气出电磁阀、壳外氢气出电磁阀、壳外冷却液入电磁阀、壳内冷却液入电磁阀、壳外冷却液出电磁阀和壳内冷却液出电磁阀，空气、氢气和冷却液分别进入空气系统壳内部分、氢气系统壳内部分和冷却液系统壳内部分，并控制壳内氢气出电磁阀通断形成长排或脉冲排气，燃料电池开始运行；当电堆温度达到设定燃料电池系统最佳工作温度时，抽真空电磁阀打开，正极真空继电器、负极真空继电器连通，向外供电。

本发明所述一种真空保温燃料电池系统的工作方法，其特征在于：所述氢气浓度传感器适时监测壳内氢气浓度并上传至电堆控制系统，当上传氢气浓度＞1％时，液气两用真空泵开启，当浓度＜0.2％时关闭，当氢气浓度＞4％时，燃料电池系统停止工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够形成一个全真空密闭燃料电池系统，受环境温度影响小，能够在停止工作时保温，使燃料电池温度下降速度变慢，尤其是在零下时，本发明能够较长时间保持0℃以上，不会因温度过低结冰损伤燃料电池；

2、基于真空壳体的保温效果，使燃料电池启动快，温度提升速度快，能够快速以较高的性能对外输出功率，从而实现更高性能的稳定输出；

3、本发明不受时间地点所限，随时随地都可以进行保温，操作简单。

4、燃料电池系统运行时，对燃料出现的微量泄漏，可通过液气两用泵抽出，减少壳体内氢气浓度，提高安全性。

附图说明

图1为本发明的真空保温燃料电池系统结构示意图。

图2为现有技术的燃料电池堆保温系统示意图。

图3为本发明的真空保温燃料电池系统壳外系统示意图。

图4为本发明的真空保温燃料电池系统保温壳体构成和氢气路抽真空管示意图。

图5为本发明的真空保温燃料电池系统保温壳体构成和空气路抽真空路示意图。

图6为本发明的真空保温燃料电池系统下壳体构成示意图。

图7为本发明的真空保温燃料电池系统保温壳体剖视示意图。

图8为本发明的真空保温燃料电池系统保温壳体管路结构示意图。

图9为本发明的真空保温燃料电池系统系统抽真空位置结构示意图。

图中：1、上壳体，2、下壳体，3、堆保温壳，4、中空层，5、下真空层，6空气过滤器，7、空气泵，8、壳外空气入电磁阀，9、壳内空气入电磁阀，10、空气加热增湿器，11、燃料电池堆，12、壳内空气出电磁阀，13、壳外空气出电磁阀，14、空气出分隔电磁阀，15、空气入分隔电磁阀，16、氢气流量控制器，17、壳外氢气入电磁阀，18、壳内氢气入电磁阀，19、氢气加热增湿器，20、壳内氢气出电磁阀，21、壳外氢气出电磁阀，22、氢气入分隔电磁阀，23、氢气出分隔电磁阀，24、真空压力传感器，25、密封圈抽真空孔，26、冷却液泵，27、节温器，28、壳内冷却液出电磁阀，29、壳外冷却液出电磁阀，30、散热器，31、壳外冷却液入电磁阀，32、壳内冷却液入电磁阀，33、冷却液出分隔电磁阀，34、冷却液入分隔电磁阀，35、氢气浓度传感器，36、电力输出正极电缆管线，37、正极真空继电器，38、负极真空继电器，39、控制电缆管线，40、控制电真空继电器组，41、电力输出负极电缆管线，42、螺纹孔，43、密封圈槽，44、防热辐射涂层，45、液气两用真空泵，46、抽真空电磁阀，47、螺钉，48、氢气路抽真空管，49、补液箱，50、空气入管路，51、空气出管路，52、氢气入管路，53、氢气出管路，54、冷却液出管路，55、冷却液入管路，56、上壳体下沿，57、密封圈，58、普通正极继电器，59、普通负极继电器，66、空气路抽真空管，67、冷却路抽真空管，68、系统抽真空管，70、壳内部分，80、保温壳体，90、壳外部分。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，真空保温燃料电池系统包括保温壳体80、燃料电池堆11、空气系统、氢气系统、冷却系统和电力系统，燃料电池堆11置于保温壳体80内，保温壳体80是具有真空夹层的壳体，保温壳体80外设有对壳体内抽真空设备。空气系统、氢气系统、冷却系统和电力系统分成壳内部分70和壳外部分90，空气系统、氢气系统和冷却系统的壳内部分70和壳外部分90通过电磁阀控制通断，电力系统壳内部分70和壳外部分90通过真空继电器控制通断。

保温壳体80包括上壳体1和下壳体2，上壳体1是槽型壳体，槽型壳体壁是具有真空夹层的双壳结构，上壳体1下沿56带有外翻边，外翻边上均匀设有螺钉通孔；下壳体2是槽型壳体，槽型壳体壁是具有夹层的双壳结构，双壳结构的夹层分成两部分，沿下壳体2上口的一周是中空层4，其余部分是下真空层5，中空层4和下真空层5之间由隔板密封分隔，下真空层是5密闭空间，下壳体2上口面板上设有与上壳体1下沿56外翻边上螺钉通孔相对应的螺纹孔42，螺纹孔42沉降于中空层4中，下壳体2上口面板螺纹孔42内侧设有两道密封圈槽43，密封圈57置于密封圈槽43内，上口面板的两道密封圈槽43之间位置开有密封圈抽真空孔25与中空层4相通，下壳体2下真空层5的槽壁上开有贯通槽壁并与槽壁密闭空间密封的空气系统连接管、氢气系统连接管、冷却系统连接管和电力系统连接管，空气系统连接管包括空气入管路50和空气出管路51，氢气系统连接管包括氢气入管路52和氢气出管路53，冷却系统连接管包括冷却液出管路54和冷却液入管路55，电力系统连接管包括正极电缆管线36、负极电缆管线41和控制电缆管线39；上壳体1下沿56与下壳体2上口相配合，通过螺钉47紧密连接形成一个包络空间；上壳体1与下壳体2内壁涂有防热辐射涂层44；

空气系统壳内部分包括壳内空气入电磁阀9、空气加热增湿器10和壳内空气出电磁阀12，壳内空气入电磁阀9入口与下壳体2下真空层5的空气入管路50内口连接，壳内空气入电磁阀9出口通过管路连接空气加热增湿器10入口，空气加热增湿器10出口与燃料电池堆11空气入口连接，燃料电池堆11空气出口与壳内空气出电磁阀12入口连接，壳内空气出电磁阀12出口连接下壳体2下真空层5的空气出管路51内口；

氢气系统壳内部分包括壳内氢气入电磁阀18、氢气加热增湿器19和壳内氢气出电磁阀20，壳内氢气入电磁阀18入口连接下壳体2下真空层5的氢气入管路52内口，壳内氢气入电磁阀18出口通过管路连接氢气加热增湿器19入口，氢气加热增湿器19出口与燃料电池堆11氢气入口连接，燃料电池堆11氢气出口与壳内氢气出电磁阀20入开口连接，壳内氢气出电磁阀20出口连接下壳体2下真空层5的氢气出管路53内口；

冷却系统壳内部分包括冷却液泵26、节温器27、壳内冷却液出电磁阀28和壳内冷却液入电磁阀32，冷却液泵26吸入口连接燃料电池堆11冷却液出口，冷却液泵26出口连接节温器27入口，节温器27外循环口连接壳内冷却液出电磁阀28入口，节温器27内循环口分两路，一路与壳内冷却液入电磁阀32出口连接，另一路连接燃料电池堆11冷却液入口，壳内冷却液出电磁阀28出口连接下壳体2下真空层5的冷却液出管路54内口，壳内冷却液入电磁阀32入口连接下壳体2下真空层5的冷却液入管路55内口；

电力系统壳内部分包括正极真空继电器37、负极真空继电器38和控制电真空继电器组40，正极真空继电器37和负极真空继电器38的输出端分别与燃料电池堆11的正极和负极相连，正极真空继电器37和负极真空继电器38的输入端分别与下壳体2下真空层5的正极电缆管线36和负极电缆管线41内口相连，控制电真空继电器组40输出端与燃料电池堆11相连，控制电真空继电器组40输入端与控制电缆管线39内口相连，控制燃料电池系统运行；

壳内部分70还包括氢气浓度传感器35，氢气浓度传感器35安装在下壳体2下真空层5的的槽壁上，通过信号线与电堆控制系统相连，氢气浓度传感器35检测壳内氢气浓度；

空气系统壳外部分包括空气过滤器6、空气泵7、壳外空气入电磁阀8、空气入分隔电磁阀15、空气出分隔电磁阀14和壳外空气出电磁阀13，下壳体2下真空层5的空气入管路50和空气出管路51的外口分别分为两路，空气过滤器6入口与空气源相连，空气过滤器6出口连接空气泵7入口，空气泵7出口连接壳外空气入电磁阀8入口，壳外空气入电磁阀8出口连接下壳体2下真空层5的空气入管路50外口的一路，壳外空气出电磁阀13入口连接下壳体2下真空层5的空气出管路51外口的一路，壳外空气出电磁阀13出口排空，下壳体2下真空层5的空气入管路50和空气出管路51的外口的另一路通过管路连接为空气支路，空气支路上依次连接有空气入分隔电磁阀15和空气出分隔电磁阀14，在空气入分隔电磁阀15和空气出分隔电磁阀14之间的管路上设有与下壳体2中空层4连通的空气路抽真空管66；

氢气系统壳外部分包括氢气流量控制器16、壳外氢气入电磁阀17、氢气入分隔电磁阀22、真空压力传感器24、氢气出分隔电磁阀23和壳外氢气出电磁阀21，下壳体2下真空层5的氢气入管路52和氢气出管路53的外口分别分为两路，氢气入管路52外口的一路与壳外氢气入电磁阀17的出口相连，壳外氢气入电磁阀17的入口连接氢气流量控制器16出口，氢气流量控制器16入口与氢气源相连，氢气出管路53外口的一路与壳外氢气出电磁阀21的入口相连，壳外氢气出电磁阀21的出口与氢气尾排管相连，氢气入管路52和氢气出管路53外口的另一路通过管路连接为氢气支路，氢气支路依次连接有氢气入分隔电磁阀22和氢气出分隔电磁阀23，在氢气入分隔电磁阀22和氢气出分隔电磁阀23之间的管路上设有与下壳体2中空层4连通的氢气路抽真空管48，氢气路抽真空管48上连接有真空压力传感器24；

冷却系统壳外部分包括壳外冷却液出电磁阀29、补液箱49、散热器30、冷却液出分隔电磁阀33、冷却液入分隔电磁阀34和壳外冷却液入电磁阀31，下壳体2下真空层5的冷却液入管路55和冷却液出管路54的外口分别分为两路，冷却液入管路55外口的一路与壳外冷却液入电磁阀31出口相连，壳外冷却液入电磁阀31入口与散热器30出口相连，冷却液出管路54的外口的一路与壳外冷却液出电磁阀29入口相连，壳外冷却液出电磁阀29出口与散热器30入口相连，补液箱49连接在壳外冷却液出电磁阀29出口与散热器30连接的管路上，冷却液入管路55和冷却液出管路54外口的另一路通过管路连接为冷却液支路，冷却液支路上依次连接有冷却液入分隔电磁阀34和冷却液出分隔电磁阀33，在冷却液入分隔电磁阀34和冷却液出分隔电磁阀33之间的管路上设有与下壳体2中空层4连通的冷却液路抽真空管67；

电力系统壳外部分包括下壳体2下真空层5的正极电缆管线36、负极电缆管线41和外控制电缆管线39的外口，正极电缆管线36和负极电缆管线41外口分别与负载的正极和负极相连，控制电缆管线39外口与燃料电池控制系统相连；

保温壳体80外设有的对壳体内抽真空设备包括液气两用真空泵45、抽真空电磁阀46和系统抽真空管68，系统抽真空管68穿过中空层4进入壳内空间，系统抽真空管68位于中空层4部位开有与中空层4连通口，位于壳内空间部位开有与壳内空间连通口，抽真空电磁阀46入口与系统抽真空管68外口相连，抽真空电磁阀46出口与液气两用真空泵45吸入口相连，液气两用真空泵45排出口与补液箱49相连。

真空保温燃料电池系统的工作方法如下：

1)燃料电池堆11停止运行时，关闭壳外空气入电磁阀8、壳内空气入电磁阀9、壳外空气出电磁阀12、壳内空气出电磁阀13、壳外氢气入电磁阀17、壳内氢气入电磁阀18、壳外氢气出电磁阀20、壳内氢气出电磁阀21、壳外冷却液入电磁阀31、壳内冷却液入电磁阀32、壳外冷却液出电磁阀29和壳内冷却液出电磁阀28；正极真空继电器37、负极真空继电器38和控制电真空继电器组40关闭；打开空气入分隔电磁阀15、空气出分隔电磁阀14、氢气入分隔电磁阀22、氢气出分隔电磁阀23、冷却液入分隔电磁阀34、冷却液出分隔电磁阀33；打开抽真空电磁阀46，启动液气两用真空泵45，此状态下，由于由壳外空气入电磁阀8、壳内空气入电磁阀9、壳外空气出电磁阀12和壳内空气出电磁阀13关闭，在壳外空气入电磁阀8、壳内空气入电磁阀9、壳外空气出电磁阀12和壳内空气出电磁阀13之间的管路内残留空气，由于壳外氢气入电磁阀17、壳内氢气入电磁阀18、壳外氢气出电磁阀20和壳内氢气出电磁阀21关闭，在壳外氢气入电磁阀17、壳内氢气入电磁阀18、壳外氢气出电磁阀20和壳内氢气出电磁阀21之间的管路内残留氢气，由于壳外冷却液入电磁阀31、壳内冷却液入电磁阀32、壳外冷却液出电磁阀29、壳内冷却液出电磁阀28关闭，在壳外冷却液入电磁阀31、壳内冷却液入电磁阀32、壳外冷却液出电磁阀29、壳内冷却液出电磁阀28之间的管路内的残留冷却液，由于空气入分隔电磁阀15、空气出分隔电磁阀14、氢气入分隔电磁阀22、氢气出分隔电磁阀23、冷却液入分隔电磁阀34、冷却液出分隔电磁阀33打开；残留的空气、氢气和冷却液被抽入到中空层4中，同时双层密封圈57与上壳体1、下壳体2形成的包络空间中的空气也被抽到中空层4中，再继续经抽真空电磁阀46进入液气两用真空泵45，由于系统抽真空管68与保温壳体内的空间相通，壳内空间内的空气也通过系统抽真空管68直接被抽到液气两用真空泵45中，并一起被抽到补液箱49中，空气和氢气被释放出去，冷却液被回收；

2)当真空压力传感器24上传数据达到设定真空度时，抽真空电磁阀46关闭，液气两用真空泵45关闭；

3)当燃料电池堆11再次启动运行时，控制电真空继电器组40开启；关闭空气入分隔电磁阀15、空气出分隔电磁阀14、氢气入分隔电磁阀22、氢气出分隔电磁阀23、冷却液入分隔电磁阀34和冷却液出分隔电磁阀33；打开壳外空气入电磁阀8、壳内空气入电磁阀9、壳外空气出电磁阀13、壳内空气出电磁阀12、壳外氢气入电磁阀17、壳内氢气入电磁阀18、壳内氢气出电磁阀20、壳外氢气出电磁阀21、壳外冷却液入电磁阀31、壳内冷却液入电磁阀32、壳外冷却液出电磁阀29和壳内冷却液出电磁阀28，空气经空气过滤器6进入空气泵7，流经壳外空气入电磁阀8、穿过下真空层5进入壳内空气入电磁阀9，再经空气加热增湿器10加热增湿后进入燃料电池堆11参与反应后，尾气依次经壳内空气出电磁阀12、壳外外空气出电磁阀13后排出；氢气经氢气流量控制器16进入壳外氢气入电磁阀17、穿过下真空层5进入壳内氢气入电磁阀18，再经氢气加热增湿器19加热增湿后进入燃料电池堆11参与反应后尾气依次经壳内氢气出电磁阀20、壳外氢气出电磁阀21后排出，并控制壳内氢气出电磁阀20通断形成长排或者脉冲排气；燃料电池堆11冷却液经冷却液泵26抽入节温器27中，一路在高温时通过外循环进入壳内冷却液出电磁阀28，穿过下真空层5进入壳外冷却液出电磁阀29后经散热器30再流入壳外冷却液入电磁阀31、经壳内冷却液入电磁阀32进入燃料电池堆11，形成外循环散热系统；另一路一分为二，分别与壳内冷却液入电磁阀32和燃料电池堆11相连，在低温时直接进入电堆，形成内循环加热系统，燃料电池进入运行状态；当电堆温度达到设定燃料电池系统最佳工作温度时，抽真空电磁阀46打开，正极真空继电器37、负极真空继电器40连通，向外供电；

4)氢气浓度传感器35适时监测壳内氢气浓度并上传至电堆控制系统，当上传氢气浓度＞1％时，液气两用真空泵45开启，当浓度＜0.2％时关闭，当氢气浓度＞4％时，燃料电池系统停止工作。

以本发明的实施例与现有技术的燃料电池系统作对比试验，试验中，燃料电池系统额定功率为10KW。将两个燃料电池系统至于环境仓中，在环境温度为20℃情况下分别将两个燃料电池系统运行到65℃，现有技术的燃料电池系统按正常放置24小时，本发明燃料电池系统进行抽真空，当真空度达到设定的绝对压力8kPa时放置24小时，观察放置后的温度变化，当现有技术燃料电池系统温度降至与环境温度相同的20℃时，本发明燃料电池系统温度降至48℃。将环境温度调低至-20℃，现有技术的燃料电池系统升温到65℃后，进行停机前空气泵对空气路吹扫，控制氢气流量，吹扫氢气路，经过15分钟的吹扫后，停机保存；本发明的燃料电池系统升温65℃后，在燃料电池系统停机前，进行抽真空处理，约15分钟，当真空度达到设定的绝对压力8kPa时，停机保存。经过24小时的-20℃环境放置后，现有技术的燃料电池系统温度降至-20℃，而本发明的燃料电池系统温度为37℃。

Claims (4)

1.一种真空保温燃料电池系统，包括保温壳体(80)、燃料电池堆(11)、空气系统、氢气系统、冷却系统和电力系统，燃料电池堆(11)置于保温壳体(80)内，保温壳体(80)是具有真空夹层的壳体，保温壳体(80)外设有对壳体内抽真空设备；空气系统、氢气系统、冷却系统和电力系统分成壳内部分(70)和壳外部分(90)，空气系统、氢气系统和冷却系统的壳内部分(70)和壳外部分(90)通过电磁阀控制通断，电力系统壳内部分(70)和壳外部分(90)通过真空继电器控制通断；其特征在于：

所述保温壳体(80)包括上壳体(1)和下壳体(2)，所述上壳体(1)是槽型壳体，槽型壳体壁是具有真空夹层的双壳结构，上壳体(1)下沿(56)带有外翻边，外翻边上均匀设有螺钉通孔；所述下壳体(2)是槽型壳体，槽型壳体壁是具有夹层的双壳结构，双壳结构的夹层分成两部分，沿下壳体(2)上口的一周是中空层(4)，其余部分是下真空层(5)，中空层(4)和下真空层(5)之间由隔板密封分隔，下真空层(5)是密闭空间，下壳体(2)上口面板上设有与上壳体(1)下沿(56)外翻边上螺钉通孔相对应的螺纹孔(42)，螺纹孔(42)沉降于中空层(4)中，下壳体(2)上口面板螺纹孔(42)内侧设有两道密封圈槽(43)，密封圈(57)置于密封圈槽(43)内，上口面板的两道密封圈槽(43)之间位置开有密封圈抽真空孔(25)与中空层(4)相通，下壳体(2)下真空层(5)的槽壁上开有贯通槽壁并与槽壁密闭空间密封的空气系统连接管、氢气系统连接管、冷却系统连接管和电力系统连接管，空气系统连接管包括空气入管路(50)和空气出管路(51)，氢气系统连接管包括氢气入管路(52)和氢气出管路(53)，冷却系统连接管包括冷却液出管路(54)和冷却液入管路(55)，电力系统连接管包括正极电缆管线(36)、负极电缆管线(41)和控制电缆管线(39)；上壳体(1)下沿(56)与下壳体(2)上口相配合，通过螺钉(47)紧密连接；

所述空气系统壳内部分包括壳内空气入电磁阀(9)、空气加热增湿器(10)和壳内空气出电磁阀(12)，壳内空气入电磁阀(9)入口与下壳体(2)下真空层(5)的空气入管路(50)内口连接，壳内空气入电磁阀(9)出口通过管路连接空气加热增湿器(10)入口，空气加热增湿器(10)出口与燃料电池堆 (11)空气入口连接，燃料电池堆(11)空气出口与壳内空气出电磁阀(12)入口连接，壳内空气出电磁阀(12)出口连接下壳体(2)下真空层(5)的空气出管路(51)内口；

所述氢气系统壳内部分包括壳内氢气入电磁阀(18)、氢气加热增湿器(19)和壳内氢气出电磁阀(20)，壳内氢气入电磁阀(18)入口连接下壳体(2)下真空层(5)的氢气入管路(52)内口，壳内氢气入电磁阀(18)出口通过管路连接氢气加热增湿器(19)入口，氢气加热增湿器(19)出口与燃料电池堆(11)氢气入口连接，燃料电池堆(11)氢气出口与壳内氢气出电磁阀(20)入开口连接，壳内氢气出电磁阀(20)出口连接下壳体(2)下真空层(5)的氢气出管路(53)内口；

所述冷却系统壳内部分包括冷却液泵(26)、节温器(27)、壳内冷却液出电磁阀(28)和壳内冷却液入电磁阀(32)，冷却液泵(26)吸入口连接燃料电池堆(11)冷却液出口，冷却液泵(26)出口连接节温器(27)入口，节温器(27)外循环口连接壳内冷却液出电磁阀(28)入口，节温器(27)内循环口分两路，一路与壳内冷却液入电磁阀(32)出口连接，另一路连接燃料电池堆(11)冷却液入口，壳内冷却液出电磁阀(28)出口连接下壳体(2)下真空层(5)的冷却液出管路(54)内口，壳内冷却液入电磁阀(32)入口连接下壳体(2)下真空层(5)的冷却液入管路(55)内口；

所述电力系统壳内部分包括正极真空继电器(37)、负极真空继电器(38)和控制电真空继电器组(40)，正极真空继电器(37)和负极真空继电器(38)的输出端分别与燃料电池堆(11)的正极和负极相连，正极真空继电器(37)和负极真空继电器(38)的输入端分别与下壳体(2)下真空层(5)的正极电缆管线(36)和负极电缆管线(41)内口相连，控制电真空继电器组(40)输出端与燃料电池堆(11)相连，控制电真空继电器组(40)输入端与控制电缆管线(39)内口相连，控制燃料电池系统运行；

所述壳内部分(70)还包括氢气浓度传感器(35)，氢气浓度传感器(35)安装在下壳体(2)下真空层(5)的槽壁上，通过信号线与电堆控制系统相连，氢气浓度传感器(35)检测壳内氢气浓度；

所述空气系统壳外部分包括空气过滤器(6)、空气泵(7)、壳外空气入电磁阀(8)、空气入分隔电磁阀(15)、空气出分隔电磁阀(14)和壳外空气出电 磁阀(13)，下壳体(2)下真空层(5)的空气入管路(50)和空气出管路(51)的外口分别分为两路，空气过滤器(6)入口与空气源相连，空气过滤器(6)出口连接空气泵(7)入口，空气泵(7)出口连接壳外空气入电磁阀(8)入口，壳外空气入电磁阀(8)出口连接下壳体(2)下真空层(5)的空气入管路(50)外口的一路，壳外空气出电磁阀(13)入口连接下壳体(2)下真空层(5)的空气出管路(51)外口的一路，壳外空气出电磁阀(13)出口排空，下壳体(2)下真空层(5)的空气入管路(50)和空气出管路(51)的外口的另一路通过管路连接为空气支路，空气支路上依次连接有空气入分隔电磁阀(15)和空气出分隔电磁阀(14)，在空气入分隔电磁阀(15)和空气出分隔电磁阀(14)之间的管路上设有与下壳体(2)中空层(4)连通的空气路抽真空管(66)；

所述氢气系统壳外部分包括氢气流量控制器(16)、壳外氢气入电磁阀(17)、氢气入分隔电磁阀(22)、真空压力传感器(24)、氢气出分隔电磁阀(23)和壳外氢气出电磁阀(21)，下壳体(2)下真空层(5)的氢气入管路(52)和氢气出管路(53)的外口分别分为两路，氢气入管路(52)外口的一路与壳外氢气入电磁阀(17)的出口相连，壳外氢气入电磁阀(17)的入口连接氢气流量控制器(16)出口，氢气流量控制器(16)入口与氢气源相连，氢气出管路(53)外口的一路与壳外氢气出电磁阀(21)的入口相连，壳外氢气出电磁阀(21)的出口与氢气尾排管相连，氢气入管路(52)和氢气出管路(53)外口的另一路通过管路连接为氢气支路，氢气支路依次连接有氢气入分隔电磁阀(22)和氢气出分隔电磁阀(23)，在氢气入分隔电磁阀(22)和氢气出分隔电磁阀(23)之间的管路上设有与下壳体(2)中空层(4)连通的氢气路抽真空管(48)，氢气路抽真空管(48)上连接有真空压力传感器(24)；

所述冷却系统壳外部分包括壳外冷却液出电磁阀(29)、补液箱(49)、散热器(30)、冷却液出分隔电磁阀(33)、冷却液入分隔电磁阀(34)和壳外冷却液入电磁阀(31)，下壳体(2)下真空层(5)的冷却液入管路(55)和冷却液出管路(54)的外口分别分为两路，冷却液入管路(55)外口的一路与壳外冷却液入电磁阀(31)出口相连，壳外冷却液入电磁阀(31)入口与散热器(30)出口相连，冷却液出管路(54)的外口的一路与壳外冷却液出电磁阀(29)入口相连，壳外冷却液出电磁阀(29)出口与散热器(30)入口相连，补液箱(49)连接在壳外冷却液出电磁阀(29)出口与散热器(30)连接的管路上，冷却液 入管路(55)和冷却液出管路(54)外口的另一路通过管路连接为冷却液支路，冷却液支路上依次连接有冷却液入分隔电磁阀(34)和冷却液出分隔电磁阀(33)，在冷却液入分隔电磁阀(34)和冷却液出分隔电磁阀(33)之间的管路上设有与下壳体(2)中空层(4)连通的冷却液路抽真空管(67)；

所述电力系统壳外部分包括下壳体(2)下真空层(5)的正极电缆管线(36)、负极电缆管线(41)和外控制电缆管线(39)的外口，正极电缆管线(36)和负极电缆管线(41)外口分别与负载的正极和负极相连，控制电缆管线(39)外口与燃料电池控制系统相连；

所述保温壳体(80)外设有的对壳体内抽真空设备包括液气两用真空泵(45)、抽真空电磁阀(46)和系统抽真空管(68)，系统抽真空管(68)穿过中空层(4)进入壳内空间，系统抽真空管(68)位于中空层(4)部位开有与中空层(4)连通口，位于壳内空间部位开有与壳内空间连通口，抽真空电磁阀(46)入口与系统抽真空管(68)外口相连，抽真空电磁阀(46)出口与液气两用真空泵(45)吸入口相连，液气两用真空泵(45)排出口与补液箱(49)相连。

2.根据权利要求1所述一种真空保温燃料电池系统，其特征在于：所述上壳体(1)与下壳体(2)内壁涂有防热辐射涂层(44)。

3.权利要求1所述一种真空保温燃料电池系统的工作方法，其特征在于：所述工作方法包括以下步骤：

1)燃料电池堆(11)停止运行时，关闭壳外空气入电磁阀(8)、壳内空气入电磁阀(9)、壳外空气出电磁阀(12)、壳内空气出电磁阀(13)、壳外氢气入电磁阀(17)、壳内氢气入电磁阀(18)、壳外氢气出电磁阀(20)、壳内氢气出电磁阀(21)、壳外冷却液入电磁阀(31)、壳内冷却液入电磁阀(32)、壳外冷却液出电磁阀(29)和壳内冷却液出电磁阀(28)；打开空气入分隔电磁阀(15)、空气出分隔电磁阀(14)、氢气入分隔电磁阀(22)、氢气出分隔电磁阀(23)、冷却液入分隔电磁阀(34)、冷却液出分隔电磁阀(33)、正极真空继电器(37)、负极真空继电器(38)和控制电真空继电器组(40)；打开抽真空电磁阀(46)，启动液气两用真空泵(45)，对系统抽真空；

2)当真空压力传感器(24)上传数据达到设定真空度时，抽真空电磁阀(46)关闭，液气两用真空泵(45)关闭；

3)当燃料电池堆(11)再次启动运行时，控制电真空继电器组(40)开启；关闭空气入分隔电磁阀(15)、空气出分隔电磁阀(14)、氢气入分隔电磁阀(22)、氢气出分隔电磁阀(23)、冷却液入分隔电磁阀(34)和冷却液出分隔电磁阀(33)；打开壳外空气入电磁阀(8)、壳内空气入电磁阀(9)、壳外空气出电磁阀(13)、壳内空气出电磁阀(12)、壳外氢气入电磁阀(17)、壳内氢气入电磁阀(18)、壳内氢气出电磁阀(20)、壳外氢气出电磁阀(21)、壳外冷却液入电磁阀(31)、壳内冷却液入电磁阀(32)、壳外冷却液出电磁阀(29)和壳内冷却液出电磁阀(28)，空气、氢气和冷却液分别进入空气系统壳内部分、氢气系统壳内部分和冷却液系统壳内部分，并控制壳内氢气出电磁阀(20)通断形成长排或脉冲排气，燃料电池进入运行；当电堆温度达到设定燃料电池系统最佳工作温度时，抽真空电磁阀(46)打开，正极真空继电器(37)、负极真空继电器(38)连通，向外供电。

4.根据权利要求3所述一种真空保温燃料电池系统的工作方法，其特征在于：所述氢气浓度传感器(35)适时监测壳内氢气浓度并上传至电堆控制系统，当上传氢气浓度＞1％时，液气两用真空泵(45)开启，当浓度＜0.2％时关闭，当氢气浓度＞4％时，燃料电池系统停止工作。