CN109818018A

CN109818018A - 燃料电池系统及包括其的动力装置

Info

Publication number: CN109818018A
Application number: CN201711137676.5A
Authority: CN
Inventors: 何广利; 许壮; 翟俊香; 刘玮; 李育磊; 彭北桦
Original assignee: Shenhua Group Corp Ltd; National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Current assignee: Shenhua Group Corp Ltd; National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-05-28

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及包括其的动力装置，其中燃料电池系统包括至少两组燃料电池，以及分别与各组燃料电池连通的燃料气供应系统和含氧气供应系统；其中各组所述燃料电池沿燃料气供应系统的燃料供应流路串联设置。本发明通过将燃料电池系统中各组所述燃料电池沿燃料气供应系统的燃料供应流路串联设置，能够提高氢的利用率，并在相同的氢用量的基础上，提高燃料电池系统的效率特性。

Description

燃料电池系统及包括其的动力装置

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池系统及包括其的动力装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为一种清洁、高效的能量转换装置，非常具有前景。目前国内的汽车公司都已经陆续推出燃料电池车辆。燃料电池动力系统是燃料电池汽车的核心，燃料电池动力系统由辅助系统、控制系统和燃料电池(也称为电堆)组成。其中燃料电池的功率直接决定其他辅助系统的配置。目前，国外汽车公司如丰田，本田等，其金属双极板质子交换膜燃料电池技术比较成熟，燃料电池的功率可以达到100kW以上，而对于国内的燃料电池技术或者石墨双极板燃料电池来说，当前燃料电池的功率在30kW左右，因此为了达到相同的输出功率或者用于更大的功率需求时，则需要两个或两个以上的燃料电池进行组合以满足整体的功率要求。目前，为了便于管理，通常采用模块化组装方式，将两个或多个燃料电池以并联设置集成为一个大功率系统。

对于研发人员而言，除了关注于燃料电池电堆的功率外，还关注于燃料电池的运行成本与效率特性；目前，如何在提高功率的同时，降低运行成本，提高效率特性已经成为燃料电池电堆的研发人员的关注重点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种燃料电池系统及包括其的动力装置，旨在提高燃料气(氢气)利用率，并提高燃料电池系统的效率特定。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括至少两组燃料电池，以及分别与各组燃料电池连通的燃料气供应系统和含氧气供应系统；其中各组所述燃料电池沿燃料气供应系统的燃料供应流路串联设置。

第二方面，本发明提供了一种动力装置，该动力装置包括根据本发明所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统用于为所述动力装置提供动力。

应用本发明燃料电池系统及包括其的动力装置，通过将燃料电池系统中各组所述燃料电池沿燃料气供应系统的燃料供应流路串联设置，能够提高氢的利用率，并在相同的氢用量的基础上，提高燃料电池系统的效率特性。

附图说明

图1示出了根据本发明的燃料电池系统的结构示意图；

图2示出了根据实施例1-3和对比例1的燃料电池系统效率示意图。

附图标记说明

10为燃料气供应系统、20为含氧气供应系统、30为燃料电池、40为气水分离器、50为燃料气回收泵。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

第一方面，本发明提供了一种燃料电池系统，如图1所示，该燃料电池系统包括至少两组燃料电池(也称为电堆)30，以及分别与各组燃料电池30连通的燃料气供应系统10和含氧气供应系统20；其中各组所述燃料电池30沿燃料气供应系统10的燃料供应流路串联设置。

根据本发明的燃料电池系统，其中重点在于燃料电池相对于燃料气供应系统的排布关系，对于所采用的燃料气供应系统、含氧气供应系统、以及燃料电池的结构并没有特殊限定，可以根据实际应用需求进行合理选择，例如其中燃料电池包括双极板和位于双极板之间的隔膜，具体的燃料电池的结构、组成、制备方法可以参照专利申请CN101937997A(金属双极板质子交换膜燃料电池)、CN1719649A(石墨双极板燃料电池)、CN1725540A(燃料电池的组装)、CN1933224A(燃料电池电极和膜电极的制法)中的记载。

根据本发明的燃料电池系统，其中重点在于将各组所述燃料电池沿燃料气供应系统的燃料供应流路串联设置，对于各组燃料电池的放电模式，以及含氧气供应系统的含氧气供应流路的设置方式可以没有特殊要求，可以根据实际应用需求进行合理选择；例如各组燃料电池的放电模式可以是串联设置、也可以是并联设置；例如含氧气供应系统的含氧气供应流路可以串联设置也可以并联设置。

根据本发明的燃料电池系统，为了提高氢气利用率，优选情况下，在所述燃料供应流路上，位于最后一组燃料电池30后，还依次设置有气水分离器40和燃料气回收泵50，更优选所述燃料气回收泵的氢气输出端与位于第一组燃料电池前的燃料供应流路相连通。在这种结构下，对于气水分离器40和氢气回收泵50的结构并没有特殊限定，可以根据需要选择适当的装置。而且在这种结构下，其中由气水分离器分离出的液态水可以通过脉冲方式直接排掉或者用于燃料气增湿。

根据本发明的燃料电池系统，各组所述燃料电池30可以选择不同类型的燃料电池，也可以选择同种类型的燃料电池。在实际操作中，考虑到不同类型的燃料电池对于使用环境的要求可能存在差异，优选情况下，在本发明燃料电池系统中各组燃料电池选择同类型的燃料电池，优选为氢燃料质子交换膜型的燃料电池。

根据本发明的燃料电池系统，各组所述燃料电池30的功率可以相同，也可以不同，然而为了进一步提高氢气利用率，优选情况下，沿所述燃料气供应流路，先通入燃料气的燃料电池30的功率大于等于后通入燃料气的燃料电池30的功率。

根据本发明的燃料电池系统，在一种优选实施方式中，所述燃料电池系统中包括两个燃料电池30。通过限定燃料电池的数量，有利于降低燃料电池系统的体积，提高适用性。在此基础上，为了进一步提高氢气利用率，优选情况下，沿所述燃料气供应流路，先通入燃料气的第一燃料电池的功率大于等于后通入燃料气的第二燃料电池的功率。

根据本发明的燃料电池系统，在同时包括两个燃料电池的情况下，燃料电池系统的总功率等于第一燃料电池的功率和第二燃料电池的功率之和；在本发明中，为了提高氢气利用率，优选第一燃料电池的功率为总功率的50％-99.9％、55％-95％、60％-90％或65％-85％；此外，为了在提高氢气利用率的同时，提供燃料电池的效率，优选第一燃料电池的功率为总功率的80-90％、50％-80％、50％-65％或65％-85％。

根据本发明的燃料电池系统，优选情况下，如图1所示，各组所述燃料电池30沿含氧气供应系统的含氧气供应流路20并联设置。通过将各组所述燃料电池沿含氧气供应系统的含氧气供应流路并联设置，有利于提高对于含氧气体供应量的控制，以适用于每个燃料电池的反应要求。在这种情况下，有燃料电池排出的含氧尾气可以在混合后，集中排放到大气环境中。

根据本发明的燃料电池系统，其中燃料气供应系统10为能够提供燃料气的供应系统，其中燃料气可以选自氢气(适用于自增湿燃料电池)、氢气-水蒸气混合气体(适用于无自增湿燃料电池，水蒸气的含量为10-40体积％)、以及天然气等，当以氢气作为燃料气时，所述燃料气供应系统为氢气供应系统。

根据本发明的燃料电池系统，其中含氧气供应系统20为能够提供含氧气的供应系统，其中含氧气可以为氧含量大于10体积％的气体，例如空气，当以空气作为含氧气时，所述含氧气供应系统为空气供应系统。

第二方面，在本发明中还提供了一种动力装置，该动力装置包括根据本发明所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统用于为所述动力装置(例如车辆、船舶、以及飞机等)提供动力。

以下将结合具体实施例1-3和对比例1和2进一步说明本发明的有益效果，在如下实施例1-3和对比例1和2中所采用的燃料电池均为商购的同类型质子交换膜型燃料电池，且该质子交换膜型燃料电池中双极板为以316L为基材的金属双极板，隔膜的材质为以聚四氟乙烯为基材的Nafion膜。

实施例1

用于说明本发明的燃料电池系统

燃料电池系统：采用氢气(无水蒸气)供应系统(为燃料电池系统供给燃料气-氢气)、空气供应系统(为燃料电池系统供给氧化剂-氧气)、第一燃料电池(功率为85kW)、第二燃料电池(功率为15kW)；其中，第一燃料电池和第二燃料电池的放电模式并联设置、氢气供应流路(进气端与氢气供应系统相连)串联设置(先连通第一燃料电池，再连通第二燃料电池)、空气供应流路(进气端与空气供应系统相连)并联设置。

实施例2

用于说明本发明的燃料电池系统

采用实施例1中燃料电池系统，区别在于，第一燃料电池的功率为65kW；第二燃料电池的功率为35kW。

实施例3

用于说明本发明的燃料电池系统

采用实施例1中燃料电池系统，区别在于，第一燃料电池的功率为50kW；第二燃料电池的功率为50kW。

对比例1

用于参比说明本发明的燃料电池系统

燃料电池系统：采用氢气(无水蒸气)供应系统(同实施例1)、空气供应系统(同实施例1)、燃料电池(功率为100kW)；其中，燃料电池分别与氢气供应系统及空气供应系统相连通。

对比例2

用于参比说明本发明的燃料电池系统

采用实施例1中燃料电池系统，区别在于，第一燃料电池和第二燃料电池的氢气供应流路(进气端与氢气供应系统相连)并联设置。

测试例：

应用实施例1-3和对比例1和2中的燃料电池系统，其中空气供应系统均为并联供气，且空气供气量的计量比为2.5；其中氢气供气系统中，对比例1和2中氢气供气量的计量比为1.2，为了实现实施例与对比例之间的横向对比，控制实施例1-3中第二燃料电池的氢气供气量的计量比为1.2；

燃料电池功率均为电池额定电压(单电池电压为0.65V)下功率，以此计算不同燃料电池系统中氢气的理论气量；其中：

燃料电池的氢气供气量的理论值以如下公式计算：

氢气供气量的理论值＝(7.5×Pe)/Ve；

其中Pe为电池功率，单位kW，Ve为单电池额定电压0.65V，各功率电池的氢气供气量的理论值如表1所示。

氢气利用率的计算方式如下：

燃料电池系统的氢气利用率＝氢气理论用量/氢气实际用量；

其中氢气实际用量是电池功率达到100kW时的实际用量，结果如表1所示。

表1.

由表1中数据可以看出，与对比例1中采用单一燃料电池的燃料电池系统，以及对比例2中采用氢气供应流路并联设置的两个燃料电池的燃料电池系统相比，根据本发明的实施例1-3的燃料电池系统，氢气的利用率更高；而基于氢气利用率的提高，在相同氢气供应量的基础上，有利于提高颜料电池系统的使用效率。

此外，图2为燃料电池系统功率-效率曲线，由图2可以看出在燃料电池系统低功率区域，根据本发明的实施例1-3的燃料电池系统效率较高。在实际操作中可以根据燃料电池系统的使用工况，选择功率更为适合的燃料电池。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括至少两组燃料电池(30)，以及分别与各组燃料电池(30)连通的燃料气供应系统(10)和含氧气供应系统(20)；其中各组所述燃料电池(30)沿燃料气供应系统(10)的燃料供应流路串联设置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述燃料供应流路上，位于最后一组燃料电池(30)后，还依次设置有气水分离器(40)和燃料气回收泵(50)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述燃料气回收泵的燃料气输出端与位于第一组燃料电池(30)前的燃料供应流路相连通。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，各组所述燃料电池(30)的功率不同，且沿所述燃料气供应流路，先通入燃料气的燃料电池(30)的功率大于等于后通入燃料气的燃料电池(30)的功率。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统中包括两个燃料电池(30)。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，沿所述燃料气供应流路，先通入燃料气的第一燃料电池(30)的功率大于后通入燃料气的第二燃料电池(30)的功率。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池系统，其中，各所述燃料电池(30)沿含氧气供应系统(20)的含氧气供应流路并联设置。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述的燃料电池系统，其中，所述燃料气供应系统(10)为氢气供应系统，含氧气供应系统(20)为空气供应系统。

9.一种动力装置，其特征在于，该动力装置包括权利要求1至8中任意一项所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统用于为所述动力装置提供动力。