CN104269571A - 燃料电池动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池动力系统。燃料电池动力系统包括主燃料电池堆、控制装置，用于为主燃料电池堆提供反应气的第一反应气供应装置，用于为主燃料电池堆提供氧化剂的氧化剂供应装置，主燃料电池堆具有与第一反应气供应装置连通的第一进气口，第一反应气供应装置与控制装置电连接，燃料电池动力系统还包括：第二反应气供应装置，第二反应气供应装置与第一反应气供应装置彼此独立设置，第二反应气供应装置与控制装置电连接，第二反应气供应装置的第一出气口与主燃料电池堆的第一进气口连通。根据本发明的燃料电池动力系统，可以解决现有技术中燃料电池系统的启动速度较慢的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池动力系统。
背景技术
现有技术中，如图1所示，燃料电池动力系统包括第一反应气供应装置1’、氧化剂供应装置8’、燃料电池堆2’、功率变换装置7’、驱动电机以及控制模块。以交通领域为例，燃料电池动力系统可用于燃料电池车的动力电源，其燃料为高压反应气，氧化剂为空气，生成纯水，是节能减排、绿色能源的主要发展方向之一。
然而，上述的燃料电池动力系统的第一反应气供应装置1’一般为高压气瓶储氢，由于反应气罐的压力不宜过高，能量密度远不如液态燃料，导致燃料电池车的续航里程无法与汽油车媲美。
图2为燃料电池动力系统在启动、加载、卸载与停机等不同阶段的总体输出功率的示意图。如图2所示，燃料电池动力系统由启动前A阶段(功率为0)，启动至B阶段(功率为P1)，由B阶段加载至C阶段(功率为P2)，再由C阶段卸载至D阶段(功率为P1)，再由D阶段卸载至停机F阶段(功率为0)的功率响应速率较高。由图2可以看出，负载对燃料电池动力系统的功率响应速率要求较高，达到毫秒量级。
图3为燃料电池动力系统的主燃料电池堆在启动、加载、卸载与停机等不同阶段的输出功率的示意图。如图3所示，与燃料电池动力系统在相同工况下(包括启动阶段即由启动前A阶段启动至B阶段、加载阶段即由B阶段加载至C阶段、卸载阶段即由C阶段卸载至D阶段、停机阶段即由D阶段卸载至停机F阶段)相比，主燃料电池堆在不同阶段的功率响应速率则较为缓慢，为秒级甚至分钟级。因此，该两者之间在不同工况的切换时，存在能量的富余与缺乏。如图4所示，为燃料电池动力系统启动、加载、卸载与停机的能量响应过程，其中，阴影区域E1表示由启动前A阶段启动至B阶段时，燃料电池动力系统所缺乏的瞬时启动能量；阴影区域E2表示由B阶段加载至C阶段时，燃料电池动力系统所缺乏的瞬时加载能量；阴影区域E3表示由C阶段卸载至D阶段时，燃料电池动力系统所富余的能量；阴影区域E4表示由D阶段卸载至停机F阶段时，燃料电池动力系统所富余的能量。
因此，上述的燃料电池系统存在启动速度与功率响应速度较慢的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池动力系统，以解决现有技术中燃料电池系统的启动速度较慢的问题。
为了实现上述目的，根据本发明提供了一种燃料电池动力系统，燃料电池动力系统包括主燃料电池堆、控制装置，用于为主燃料电池堆提供反应气的第一反应气供应装置，用于为主燃料电池堆提供氧化剂的氧化剂供应装置，主燃料电池堆具有与第一反应气供应装置连通的第一进气口，第一反应气供应装置与控制装置电连接，燃料电池动力系统还包括：第二反应气供应装置，第二反应气供应装置与第一反应气供应装置彼此独立设置，第二反应气供应装置与控制装置电连接，第二反应气供应装置的第一出气口与主燃料电池堆的第一进气口连通
进一步地，燃料电池动力系统还包括备用燃料电池堆，备用燃料电池堆与主燃料电池堆彼此独立设置，备用燃料电池堆与控制装置电连接，其中，第二反应气供应装置的第二出气口与备用燃料电池堆的进气口连通，氧化剂供应装置与备用燃料电池堆的进气口连通，备用燃料电池堆的出口与主燃料电池堆的出口连通。
进一步地，燃料电池动力系统还包括压力调节装置，压力调节装置与控制装置电连接，第一反应气供应装置的出气口与主燃料电池堆的第一进气口之间设置有气体输送管路，压力调节装置设置在气体输送管路上。
进一步地，压力调节装置包括反应气存储罐，反应气存储罐的进气口与第一反应气供应装置的出气口连通，反应气存储罐的出气口与主燃料电池堆的第一进气口连通。
进一步地，压力调节装置还包括压缩泵，压缩泵与控制装置电连接，压缩泵设置在反应气存储罐的进气口处。
进一步地，压力调节装置还包括电磁阀，电磁阀与控制装置电连接，电磁阀设置在反应气存储罐的出气口与主燃料电池堆的第一进气口之间。
进一步地，燃料电池动力系统还包括充放电装置和功率变换装置，主燃料电池堆与功率变换装置之间设置有燃料电池供电线路，充放电装置与燃料电池供电线路并联设置。
进一步地，充放电装置包括蓄电池组。
进一步地，充放电装置还包括用于将燃料电池供电线路的电能采集至充放电装置的充电模块，充电模块与控制装置电连接。
进一步地，充放电装置还包括用于将充放电装置的电能输送至燃料电池供电线路的放电模块，放电模块与控制装置电连接。
进一步地，第二反应气供应装置通过高压钢瓶储氢方式提供反应气。
进一步地，第一反应气供应装置通过甲醇制氢装置提供反应气，甲醇制氢装置包括甲醇供应装置、纯水供应装置和制氢反应装置，其中，甲醇供应装置的出口、纯水供应装置的出口分别与制氢反应装置连通。
进一步地，燃料电池动力系统还包括气体排放管路和混合气体收集装置，氧化剂供应装置与主燃料电池堆的第二进气口连通，氧化剂供应装置还设置有旁支管路，旁支管路与气体排放管路连通。
应用本发明的技术方案，燃料电池动力系统包括主燃料电池堆、控制装置、用于为主燃料电池堆提供反应气的第一反应气供应装置，用于为主燃料电池堆提供氧化剂的氧化剂供应装置，主燃料电池堆具有与第一反应气供应装置连通的第一进气口，燃料电池动力系统还包括第二反应气供应装置，第二反应气供应装置与第一反应气供应装置彼此独立设置，第二反应气供应装置与控制装置电连接，第二反应气供应装置的第一出气口与主燃料电池堆的第一进气口连通。通过设置第二反应气供应装置，当主燃料电池堆由于负载影响出现瞬时反应气供应不足的情况时，由第二反应气供应装置提供的反应气直接进入主燃料电池堆内部进行供电反应以提高主燃料电池堆启动时的总体输出功率，从而实现燃料电池系统快速启动和快速响应的目的。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术的燃料电池动力系统的工作原理示意图；
图2示出了现有技术的燃料电池动力系统在启动、加载、卸载与停机等不同阶段的总体输出功率的示意图；
图3示出了现有技术的主燃料电池堆在启动、加载、卸载与停机等不同阶段的输出功率的示意图；
图4示出了现有技术的燃料电池动力系统与主燃料电池堆在启动、加载、卸载与停机等不同阶段的能量响应的示意图；
图5示出了本发明实施例的燃料电池动力系统的工作原理示意图；
图6示出了本发明实施例的燃料电池动力系统在快速启动时的原理示意图；
图7示出了本发明实施例的燃料电池动力系统的甲醇制氢装置的工作原理示意图；
图8示出了本发明实施例的燃料电池动力系统快速停机时的工作原理示意图。
附图标记：1、第一反应气供应装置；11、甲醇供应装置；12、纯水供应装置；13、制氢反应装置；131、蒸汽发生器；132、蒸汽重整反应器；133、水汽转换反应器；134、选择性氧化反应器；10、气体输送管路；20、燃料电池供电线路；30、混合气体收集装置；40、气体排放管路；2、主燃料电池堆；3、控制装置；41、第二反应气供应装置；42、备用燃料电池堆；5、压力调节装置；51、反应气存储罐；52、压缩泵；53、电磁阀；6、充放电装置；61、蓄电池组；62、充电模块；63、放电模块；7、变换装置；8、氧化剂供应装置；9、驱动电机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图5和图6所示，本发明实施例的燃料电池动力系统包括主燃料电池堆2、控制装置3、用于为主燃料电池堆2提供反应气的第一反应气供应装置1，用于为主燃料电池堆2提供氧化剂的氧化剂供应装置8，主燃料电池堆2具有与第一反应气供应装置1连通的第一进气口，燃料电池动力系统还包括第二反应气供应装置41，第二反应气供应装置41与第一反应气供应装置1彼此独立设置，第二反应气供应装置41与控制装置3电连接，第二反应气供应装置41的第一出气口与主燃料电池堆2的第一进气口连通。
上述设置中，通过设置第二反应气供应装置，当主燃料电池堆由于负载影响出现瞬时反应气供应不足的情况时，由第二反应气供应装置提供的反应气直接进入主燃料电池堆内部进行供电反应以提高主燃料电池堆启动时的总体输出功率，从而实现燃料电池系统快速启动和快速响应的目的。
如图5和图6所示，本发明实施例中，燃料电池动力系统还包括备用燃料电池堆42，备用燃料电池堆42与主燃料电池堆2彼此独立设置，备用燃料电池堆42与控制装置3电连接，其中，第二反应气供应装置41的第二出气口与备用燃料电池堆42的进气口连通，备用燃料电池堆42的出口与主燃料电池堆2的出口连通。
通过设置备用燃料电池堆进行供电反应可以提高燃料电池动力系统的功率响应速率，从而实现燃料电池系统快速启动和快速响应的目的。
本发明的实施例中，可以将备用燃料电池堆42的结构设计为功率等级较低，以降低生产成本。具体地，主燃料电池堆2与备用燃料电池堆42的阳极板、阴极板、膜电极、以及端板等部件可采用同样设计，通过调整电池节数来调整主燃料电池堆2与备用燃料电池堆42的功率。比如，主燃料电池堆2采用100节单电池串联形成5kW的额定功率，备用燃料电池堆42可采用同样设计的部件，而只串联20节单电池达到1kW的功率。如此设计，可提高两个电池堆的部件共用的利用率，降低设计与开发成本。
本发明的实施例中，第二反应气供应装置41通过高压钢瓶储氢方式提供反应气。当然，在未给出的实施例中，还可以通过其它方式进行储氢。
如图7所示，本发明实施例中，第一反应气供应装置1通过甲醇制氢装置提供反应气，甲醇制氢装置包括甲醇供应装置11、纯水供应装置12和制氢反应装置13。其中，甲醇供应装置11的出口、纯水供应装置12的出口分别与制氢反应装置13连通。制氢反应装置13包括蒸汽发生器131、蒸汽重整反应器132、水汽转换反应器133和选择性氧化反应器134。蒸汽发生器131的出口与蒸汽重整反应器132连通，蒸汽重整反应器132的出口与水汽转换反应器133连通，水汽转换反应器133的出口与选择性氧化反应器134连通，选择性氧化反应器134的出口与主燃料电池堆2连通。氧化剂供应装置8的出气口与主燃料电池堆2的第二进气口连通。
如图8所示，燃料电池动力系统还包括氧化剂供应装置8。氧化剂供应装置8与主燃料电池堆2的第二进气口连通。
上述设置中，甲醇与水的混合物在制氢反应装置13发生一系列化学反应，生成氢气。氢气和氧化剂供应装置8提供的氧化剂气体进入主燃料电池堆2内部进行供电反应，主燃料电池堆2产生的电流通过功率变换装置7转变为驱动电机9所需的交流电或者直流电。
本发明实施例中，采用甲醇制氢装置进行制氢时，氧化剂供应装置8提供的氧化剂气体优选为氧气或者空气。为降低生产成本，优选空气作为氧化剂气体。
本发明实施例中，氧化剂供应装置8还与备用燃料电池堆42连通以提供反应所需的氧化剂气体。
如图8所示，本发明实施例中，燃料电池动力系统还包括气体排放管路40和混合气体收集装置30。其中，气体排放管路40的一端与气体输送管路10连通，气体排放管路40的另一端与混合气体收集装置30连通。氧化剂供应装置8还设有旁支管路，旁支管路与混合气体收集装置30连通。
为了保证使用寿命，甲醇制氢装置中的各反应器的温度由工作温度降低到室温时需要缓慢降低，因此甲醇制氢装置的停机速度较慢，而且，甲醇制氢装置在停机的过程中会产生过量的氢气。通过设置旁支管路和气体排放管路40，可以将空气与过量的氢气混合，以保证氢气含量低于4％，避免因氢气含量较高而发生爆炸，因此可以实现氢气的安全排放。
如图5和图6所示，本发明实施例中，燃料电池动力系统还包括压力调节装置5。压力调节装置5与控制装置3电连接，第一反应气供应装置1的出气口与主燃料电池堆2的第一进气口之间设置有气体输送管路10，压力调节装置5设置在气体输送管路10上。
在燃料电池动力系统处于加载工况，甲醇制氢装置提供的氢气不足以满足主燃料电池堆2的需求时，通过压力调节装置5提供的氢气直接参与主燃料电池堆2内部的供电反应，可以提高燃料电池动力系统的总体输出功率，满足负载需求。
如图5所示，本发明实施例中，压力调节装置5包括反应气存储罐51。反应气存储罐51的进气口与第一反应气供应装置1的出气口连通，反应气存储罐51的出气口与主燃料电池堆2的第一进气口连通。
如图5所示，本发明实施例中，压力调节装置5还包括压缩泵52。压缩泵52与控制装置3电连接，压缩泵52设置在反应气存储罐51的进气口处。
在燃料电池动力系统处于卸载工况时，通过压缩泵52将甲醇制氢装置产生的多余氢气输送至反应气存储罐51进行存储。由于输送气体的部件响应有一定的延时，所以压力调节装置5的响应时间较慢，为秒级。
如图5所示，本发明实施例中，压力调节装置5还包括电磁阀53。电磁阀53与控制装置3电连接，电磁阀53设置在反应气存储罐51的出气口与主燃料电池堆2的第一进气口之间。
通过上述设置，可以根据需要开启或者关闭电磁阀53，以实现反应气存储罐51的打开或者关闭。
如图5所示，本发明实施例中，燃料电池动力系统还包括充放电装置6。其中，主燃料电池堆2与功率变换装置7之间设置有燃料电池供电线路20，充放电装置6与燃料电池供电线路20并联设置。
通过上述设置，当燃料电池动力系统处于卸载工况时，由于甲醇制氢装置的响应速率较慢，我们可以将主燃料电池堆2产生的多余电能存储在充放电装置6中；当燃料电池动力系统处于加载工况时，在甲醇制氢装置在较短时间内难以满足燃料电池动力系统的功率需求的情况下，可以通过充放电装置6的放电来提供部分功率。
本发明实施例中，充放电装置6包括蓄电池组61。蓄电池组61的充放电的响应速率较快，因此蓄电池组的响应时间的单位为ms。在实际使用过程中，可以根据实际需要设置蓄电池组的容量大小。当然，在未给出的实施例中，还可以使用电容器来代替蓄电池组61进行充电和放电的动作。
如图5所示，本发明实施例中，充放电装置6还包括用于将燃料电池供电线路20的电能采集至充放电装置6的充电模块62，充电模块62与控制装置3电连接。
如图5所示，本发明实施例中，充放电装置6还包括用于将充放电装置6的电能输送至燃料电池供电线路20的放电模块63，放电模块63与控制装置3电连接。
下面对燃料电池动力系统的具体过程进行具体描述：
设定燃料电池动力系统的额定功率为P0。
在启动过程中，当P1低于P0的30％，E1较小且处于第一区间(该区间的数值根据燃料电池动力系统的实际运行数据给出)(即燃料电池动力系统由零功率启动至较低功率)时，可通过下述任何一种方式来辅助主燃料电池堆2的输出功率，打开具有第二反应气供应装置41和备用燃料电池堆42的备用发电模块4或者压力调节装置5或者充放电装置6中的任意一种模式；
当P1等于P0的30％～80％，E1较高且处于第二区间时，可通过具有第二反应气供应装置41和备用燃料电池堆42的备用发电模块4、压力调节装置5、充放电装置6的两两组合来辅助主燃料电池堆2的功率输出；
当P1超过额定功率P0的80％，甚至达到120％的超载运行时，E1处于第三区间，通过上述具有第二反应气供应装置41和备用燃料电池堆42的备用发电模块4、压力调节装置5和充放电装置6三种方式的同时运行来确保燃料电池动力系统的功率输出。
在燃料电池动力系统处于加载工况时，当E2的数值较小时，通过运行压力调节装置5和充放电装置6中的任何一种来辅助实现主燃料电池堆2的功率输出；当E2的数值较高时，通过同时运行备用发电模块4、压力调节装置5和充放电装置6来满足燃料电池动力系统的功率输出。
在燃料电池动力系统处于卸载工况或者卸载至停机的过程中，当E3或者E4的数值较低时，通过压力调节装置5或者充放电装置6对富余能量进行分流；当E3或者E4的数值较高时，通过同时打开压力调节装置5和充放电装置6来分流富余能量。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：燃料电池动力系统包括主燃料电池堆、用于为主燃料电池堆提供反应气的第一反应气供应装置，用于为主燃料电池堆提供氧化剂的氧化剂供应装置，主燃料电池堆具有与第一反应气供应装置连通的第一进气口，第一反应气供应装置通过甲醇制氢装置提供反应气，燃料电池动力系统还包括控制装置，燃料电池动力系统还包括第二反应气供应装置和备用燃料电池堆，第二反应气供应装置由高压钢瓶储氢方式供氢且与第一反应气供应装置彼此独立设置，第二反应气供应装置与控制装置电连接；备用燃料电池堆与主燃料电池堆彼此独立设置，备用燃料电池堆与控制装置电连接，其中，第二反应气供应装置的第一出气口与主燃料电池堆的第一进气口连通，第二反应气供应装置的第二出气口与备用燃料电池堆的进气口连通，备用燃料电池堆的出口与主燃料电池堆的出口连通。通过设置第二反应气供应装置，当主燃料电池堆由于负载影响出现瞬时反应气供应不足的情况时，由第二反应气供应装置提供的反应气直接进入主燃料电池堆内部进行供电反应以提高主燃料电池堆启动时的总体输出功率，另外，通过设置备用燃料电池堆进行供电反应可以提高燃料电池动力系统的功率响应速率，从而实现燃料电池系统快速启动和快速响应的目的。
进一步地，燃料电池动力系统还包括压力调节装置，在燃料电池动力系统处于加载工况，甲醇制氢装置提供的氢气不足以满足主燃料电池堆的需求时，通过压力调节装置的反应气存储罐提供的氢气直接参与主燃料电池堆内部的供电反应，可以提高燃料电池动力系统的总体输出功率，满足负载需求。
进一步地，燃料电池动力系统还包括充放电装置，当燃料电池动力系统处于卸载工况时，由于甲醇制氢装置的响应速率较慢，我们可以将主燃料电池堆产生的多余电能存储在充放电装置中；当燃料电池动力系统处于加载工况时，在甲醇制氢装置在较短时间内难以满足燃料电池动力系统的功率需求的情况下，可以通过充放电装置的放电来提供部分功率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种燃料电池动力系统，所述燃料电池动力系统包括主燃料电池堆(2)、控制装置(3)，用于为所述主燃料电池堆(2)提供反应气的第一反应气供应装置(1)，用于为所述主燃料电池堆(2)提供氧化剂的氧化剂供应装置(8)，所述主燃料电池堆(2)具有与所述第一反应气供应装置(1)连通的第一进气口，所述第一反应气供应装置(1)与所述控制装置(3)电连接，其特征在于，所述燃料电池动力系统还包括：
第二反应气供应装置(41)，所述第二反应气供应装置(41)与所述第一反应气供应装置(1)彼此独立设置，所述第二反应气供应装置(41)与所述控制装置(3)电连接，所述第二反应气供应装置(41)的第一出气口与所述主燃料电池堆(2)的第一进气口连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池动力系统还包括备用燃料电池堆(42)，所述备用燃料电池堆(42)与所述主燃料电池堆(2)彼此独立设置，所述备用燃料电池堆(42)与所述控制装置(3)电连接，其中，所述第二反应气供应装置(41)的第二出气口与所述备用燃料电池堆(42)的进气口连通，所述氧化剂供应装置(8)与所述备用燃料电池堆(42)的进气口连通，所述备用燃料电池堆(42)的出口与所述主燃料电池堆(2)的出口连通。
3.根据权利要求1所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池动力系统还包括压力调节装置(5)，所述压力调节装置(5)与所述控制装置(3)电连接，所述第一反应气供应装置(1)的出气口与所述主燃料电池堆(2)的第一进气口之间设置有气体输送管路(10)，所述压力调节装置(5)设置在所述气体输送管路(10)上。
4.根据权利要求3所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述压力调节装置(5)包括反应气存储罐(51)，所述反应气存储罐(51)的进气口与所述第一反应气供应装置(1)的出气口连通，所述反应气存储罐(51)的出气口与所述主燃料电池堆(2)的第一进气口连通。
5.根据权利要求4所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述压力调节装置(5)还包括压缩泵(52)，所述压缩泵(52)与所述控制装置(3)电连接，所述压缩泵(52)设置在所述反应气存储罐(51)的进气口处。
6.根据权利要求4所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述压力调节装置(5)还包括电磁阀(53)，所述电磁阀(53)与所述控制装置(3)电连接，所述电磁阀(53)设置在所述反应气存储罐(51)的出气口与所述主燃料电池堆(2)的第一进气口之间。
7.根据权利要求1所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池动力系统还包括充放电装置(6)和功率变换装置(7)，所述主燃料电池堆(2)与所述功率变换装置(7)之间设置有燃料电池供电线路(20)，所述充放电装置(6)与所述燃料电池供电线路(20)并联设置。
8.根据权利要求7所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述充放电装置(6)包括蓄电池组(61)。
9.根据权利要求7所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述充放电装置(6)还包括用于将所述燃料电池供电线路(20)的电能采集至所述充放电装置(6)的充电模块(62)，所述充电模块(62)与所述控制装置(3)电连接。
10.根据权利要求7所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述充放电装置(6)还包括用于将所述充放电装置(6)的电能输送至所述燃料电池供电线路(20)的放电模块(63)，所述放电模块(63)与所述控制装置(3)电连接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述第二反应气供应装置(41)通过高压钢瓶储氢方式提供反应气。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述第一反应气供应装置(1)通过甲醇制氢装置提供反应气，所述甲醇制氢装置包括甲醇供应装置(11)、纯水供应装置(12)和制氢反应装置(13)，其中，所述甲醇供应装置(11)的出口、所述纯水供应装置(12)的出口分别与所述制氢反应装置(13)连通。
13.根据权利要求12所述的燃料电池动力系统，其特征在于，所述燃料电池动力系统还包括气体排放管路(40)和混合气体收集装置(30)，所述氧化剂供应装置(8)与所述主燃料电池堆(2)的第二进气口连通，所述氧化剂供应装置(8)还设置有旁支管路，所述旁支管路与所述气体排放管路(40)连通。
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