CN106486685A - 一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法 - Google Patents

一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法，所述燃料电池系统包括：储氢装置、至少一个减压器、燃料电池、空气压缩机；所述减压器的入口连接储氢装置，所述减压器的出口连接燃料电池的阳极入口；所述空气压缩机的空气出口连接所述燃料电池的阴极入口，所述空气压缩机的空气歧管连接所述减压器，用于向所述减压器提供所述燃料电池阴极入口的空气的压力参数。上述燃料电池系统能够解决现有技术中燃料电池的阴极入口和阳极入口的气体压差不稳定，无法利于质子的渗透，造成燃料电池系统性能下降的问题。

Description

一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池汽车技术，尤其涉及一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法。
背景技术
新能源汽车发展的主要趋势是汽车能源的多元化和汽车动力的电气化。燃料电池作为一种高效、零污染车用电源，是汽车动力电气化的理想选择。燃料电池发动机作为一种新型的绿色动力源，由于其高效率和低排放等众多优点，逐渐成为了车载发动机的研究重点。
如图1所示，图1示出了现有的氢能源汽车内燃料电池的工作原理图，在图1中，氢能源汽车车载输氢系统中氢气瓶11和氢气减压器12是串联在氢气管路中。目前，氢气瓶11中储氢的压力高达35MPa以上，而具有质子交换膜的燃料电池13所提供的氢气的正常工作压力为0.16Mpa以下。
为此，燃料电池工作时，采用氢气减压器12将氢气瓶11输出的高压气体的压力降到燃料电池要求的正常工作压力，该氢气减压器12的减压过程瞬间完成，且要求在高压减压过程中减小振动，提高稳压精度等性能。也就是说，燃料电池工作时，阴极为空气压力，阳极为氢气减压器12减压后的氢气。
然而，由于氢气瓶中高压氢气的功率密度高、膨胀率高、爆发力强。在燃料电池系统工作时压力固定不可调，氢气瓶在高功率负载输出时，氢气消耗过快导致燃料电池工作时的氢气压力(即减压器出口压力)下降，而在燃料电池工作时压力固定不可调。由此，造成燃料电池系统性能下降。
也就是说，传统的燃料电池工作过程中，随着功率的增加，阴极空气压力呈上升趋势，阳极氢气压力呈下降趋势，导致阴极和阳极的气体压差减小，这样不利于质子的渗透，进而造成燃料电池系统性能下降。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法，能够解决现有技术中燃料电池的阴极入口和阳极入口的气体压差不稳定，无法利于质子的渗透，造成燃料电池系统性能下降的问题。
第一方面，本发明提供一种燃料电池系统，包括：
储氢装置、至少一个减压器、燃料电池、空气压缩机；
所述减压器的入口连接储氢装置，所述减压器的出口连接燃料电池的阳极入口；
所述空气压缩机的空气出口连接所述燃料电池的阴极入口，所述空气压缩机的空气歧管连接所述减压器，用于向所述减压器提供所述燃料电池阴极入口的空气的压力参数。
可选地，所述燃料电池系统还包括：位于所述减压器和所述燃料电池的阳极入口之间的低压氢入电磁阀。
可选地，所述燃料电池系统还包括：连接所述燃料电池的排放口的尾排电磁阀。
可选地，所述减压器的数量为两个时，所述系统包括第一减压器和第二减压器；
第一减压器的入口连接所述储氢装置的氢气输送管道，第一减压器的出口连接第二减压器的入口，所述第二减压器的出口连接所述燃料电池的阳极入口，以及
所述第二减压器连接所述空气压缩机的空气歧管。
可选地，所述第一减压器用于将储氢装置中输出的氢气压力减压至M，所述第二减压器将减压后的氢气的压力M减压至所述燃料电池的阳极入口所需的压力。
可选地，所述燃料电池阳极入口的氢气压力和所述阴极入口的空气压力的压力差恒定。
第二方面，本发明提供一种基于上述任一所述的燃料电池系统的工作方法，包括：
燃料电池启动时，储氢装置向减压器提供待减压的氢气；
所述空气压缩机向燃料电池的阴极入口输入压缩后的空气，同时通过空气歧管向减压器提供压缩后的空气的压力参数；
所述减压器根据该压力参数对待减压的氢气进行减压，并向燃料电池的阳极入口输入减压后的氢气；
所述燃料电池根据所述压缩后的空气和减压后的氢气向汽车提供能量。
可选地，所述压缩后的空气和所述减压后的氢气的压力差恒定。
第三方面，本发明提供一种燃料电池发动机，包括上述任一所述的燃料电池系统。
第四方面，本发明还提供一种汽车，包括上述任一所述的燃料电池发动机。
由上述技术方案可知，本发明的燃料电池系统及燃料电池系统的工作方法，通过减压器在对输入的氢气减压时，参考空气压缩机提供的空气的压力参数，进而实现对氢气减压，保证燃料电池的阳极入口和阴极入口的压力差恒定，可有效解决现有技术中燃料电池的阴极入口和阳极入口的气体压差不稳定，无法利于质子的渗透，造成燃料电池系统性能下降的问题。
附图说明
图1为现有的氢能源汽车内燃料电池的工作原理图；
图2为本发明一实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的燃料电池系统的工作方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为更好的说明本申请的内容，对传统技术中燃料电池系统工作过程说明如下：燃料电池启动后，氢气瓶提供所需氢气，经过一级减压后压力为2MPa，提供给氢气减压器，氢气减压器调节到一定开度，使出口压力维持在一个设定的压值，如60KPa。但随着燃料电池功率的增加，氢气消耗量增加，此时氢气减压器的预制开度不能满足燃料电池工力作所需氢气压力，导致燃料电池(质子交换膜)工作压力下降，进而造成燃料电池系统性能下降。
本申请提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统可以利用燃料电池阴极空气压力平衡燃料电池的阴极和阳极工作压力差，保证燃料电池工作时阴极和阳极压差稳定，增加燃料电池的使用寿命。
图2示出了本发明一实施例提供的燃料电池系统的结构示意图，如图2所示，本实施例的燃料电池系统包括：储氢装置21、减压器22、燃料电池23、空气压缩机24；
所述减压器22的入口连接储氢装置21，所述减压器22的出口连接燃料电池23的阳极入口；
所述空气压缩机24的空气出口连接所述燃料电池23的阴极入口，所述空气压缩机24的空气歧管连接所述减压器22，用于向所述减压器22提供所述燃料电池23阴极入口的空气的压力参数。
在实际应用中，燃料电池系统还包括：位于所述减压器和所述燃料电池的阳极入口之间的低压氢入电磁阀25，该低压氢入电磁阀用于控制阳极氢气的通断。
燃料电池系统还包括：连接所述燃料电池的排放口的尾排电磁阀26，用于控制尾排的气体或液态水的通断。
本实施例的燃料电池系统，通过减压器在对输入的氢气减压时，参考空气压缩机提供的空气的压力参数，进而实现对氢气减压，保证燃料电池的阳极入口和阴极入口的压力差恒定，可有效解决现有技术中燃料电池的阴极入口和阳极入口的气体压差不稳定，无法利于质子的渗透，造成燃料电池系统性能下降的问题。
图3示出了本发明一实施例提供的燃料电池系统的结构示意图，如图3所示，本实施例的燃料电池系统包括：储氢装置21、第一减压器221、第二减压器222、燃料电池23、空气压缩机24；
第一减压器221的入口连接所述储氢装置21的氢气输送管道，第一减压器221的出口连接第二减压器222的入口，所述第二减压器222的出口连接所述燃料电池23的阳极入口，以及所述第二减压器222连接所述空气压缩机24的空气歧管，该空气歧管用于向所述第二减压器221提供所述燃料电池23阴极入口的空气的压力参数。
所述空气压缩机24的空气出口连接所述燃料电池23的阴极入口。
应说明的是，在其他实施例中，若减压器的数量多于两个时，连接燃料电池的减压器连接上述空气压缩机的空气歧管。
当然，本实施例中的燃料电池系统还包括：上述的低压氢入电磁阀25和尾排电磁阀26，该低压氢入电磁阀用于控制阳极氢气的通断，用于控制尾排的气体或液态水的通断。
需要说明的是，所述第一减压器用于将储氢装置中输出的氢气压力减压至M，所述第二减压器将减压后的氢气的压力M减压至所述燃料电池的阳极入口所需的压力，M＞0Mpa。
通常，M取值为2～4。
本实施例中，所述燃料电池阳极入口的氢气压力和所述阴极入口的空气压力的压力差恒定。
上述实施例的燃料电池系统，随着输出功率的增加，由于氢气减压器的固有特性，阳极入口的氢气压力会随着流量的增大而减少，此时，采用阴极入口的空气压力作为压力参数基准，通过第二减压器平衡阳极入口的氢气压力，进而使得燃料电池系统在大负载功率输出时阳极氢气压力稳定，工作压差固定，减少气体压差对燃料电池的影响，延长燃料电池的使用寿命。
图4示出了本发明一实施例提供的燃料电池系统的工作方法的流程示意图，如图4所示，本实施例的燃料电池系统的工作方法如下所述。
401、燃料电池启动时，储氢装置向减压器提供待减压的氢气；
402、空气压缩机向燃料电池的阴极入口输入压缩后的空气，同时通过空气歧管向减压器提供压缩后的空气的压力参数；
403、减压器根据该压力参数对待减压的氢气进行减压，并向燃料电池的阳极入口输入减压后的氢气；
404、燃料电池根据所述压缩后的空气和减压后的氢气向汽车提供能量。
本实施例中，所述压缩后的空气和所述减压后的氢气的压力差恒定。可理解的是，减压器采用燃料电池的阴极入口的空气压力为基准对进入的氢气进行减压，使得燃料电池的阴极入口和阳极入口的压力差恒定，进而可解决现有技术中的燃料电池系统性能下降的问题，
需要说明的是，上述步骤402和步骤403无步骤前后顺序，本实施例仅为举例说明。
上述实施例的燃料电池系统的工作方法，在燃料的供应中，使用利用燃料电池阴极入口的空气气源作为减压器平衡压差的参考点，进而实现对燃料电池阳极入口的氢气压力的减压，实现平衡燃料电池的阴极与阳极的压差，解决现有技术中燃料电池的阴极入口和阳极入口的气体压差不稳定，无法利于质子的渗透，造成燃料电池系统性能下降的问题。
另一方面，本发明还提供一种燃料电池发动机，包括上述任一所述的燃料电池系统。
再一方面，本发明还提供一种汽车，包括上述任一所述的燃料电池发动机。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：储氢装置、至少一个减压器、燃料电池、空气压缩机；
所述减压器的入口连接储氢装置，所述减压器的出口连接燃料电池的阳极入口；
所述空气压缩机的空气出口连接所述燃料电池的阴极入口，所述空气压缩机的空气歧管连接所述减压器，用于向所述减压器提供所述燃料电池阴极入口的空气的压力参数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：位于所述减压器和所述燃料电池的阳极入口之间的低压氢入电磁阀。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：连接所述燃料电池的排放口的尾排电磁阀。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述减压器的数量为两个时，所述系统包括第一减压器和第二减压器；
第一减压器的入口连接所述储氢装置的氢气输送管道，第一减压器的出口连接第二减压器的入口，所述第二减压器的出口连接所述燃料电池的阳极入口，以及
所述第二减压器连接所述空气压缩机的空气歧管。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一减压器用于将储氢装置中输出的氢气压力减压至M，所述第二减压器将减压后的氢气的压力M减压至所述燃料电池的阳极入口所需的压力，
M＞0Mpa。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述燃料电池阳极入口的氢气压力和所述阴极入口的空气压力的压力差恒定。
7.一种基于权利要求1至6任一所述的燃料电池系统的工作方法，其特征在于，包括：
燃料电池启动时，储氢装置向减压器提供待减压的氢气；
所述空气压缩机向燃料电池的阴极入口输入压缩后的空气，同时通过空气歧管向减压器提供压缩后的空气的压力参数；
所述减压器根据该压力参数对待减压的氢气进行减压，并向燃料电池的阳极入口输入减压后的氢气；
所述燃料电池根据所述压缩后的空气和减压后的氢气向汽车提供能量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压缩后的空气和所述减压后的氢气的压力差恒定。
9.一种燃料电池发动机，其特征在于，包括上述权利要求1至权利要求6任一所述的燃料电池系统。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求9所述的燃料电池发动机。
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