CN110808387A - 一种氢燃料电池的供气方法、氢燃料电池与发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池领域，公开一种氢燃料电池的供气方法、氢燃料电池与发动机。氢燃料电池供气方法为设置多个输出功率依次减小的电堆组件，使气体按输出功率减小的顺序流经多个电堆组件，从前一电堆组件流入后一电堆组件的气体的量不少于后一电堆组件反应所需的气体的量。氢燃料电池包括供气系统与多个输出功率依次减小的电堆组件，气体按输出功率减小的顺序流经多个电堆组件，从前一电堆组件流入后一电堆组件的气体的量不少于后一电堆组件反应所需的气体的量。发动机包括氢燃料电池。该供气方法中使大输出功率电堆组件剩余气体流入小输出功率电堆组件，提高气体循环利用率。该氢燃料电池气体循环利用率高。该发动机的电池中气体循环利用率高。

Description

一种氢燃料电池的供气方法、氢燃料电池与发动机

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池的供气方法、氢燃料电池与发动机。

背景技术

与传统电池相比，氢燃料电池依托外部燃料供给，其工作特性更接近于内燃机引擎。而与内燃机相比，氢燃料电池的能量转化效率可达到60％以上，为内燃机的2至3倍。并且氢燃料电池使用氢气作为燃料，其反应产物为水，不会产生含碳氮的氧化物等污染性气体。因此，氢燃料电池技术在汽车动力系统中得到了越来越广泛的应用。氢燃料电池中通常会设置多个电堆组件，以增大电池的输出功率。氢燃料电池反应时需要向电堆组件中通入氢气与空气作为原料。目前通常是所有电堆共用一个供气系统，设置多根分配管将气体分流流入各电堆组件中。但这种供气方式的气体循环利用率较低，寄生功率高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种氢燃料电池的供气方法、氢燃料电池与发动机，该供气方法中，使各电堆组件的输出功率依次减小，将大输出功率的电堆组件中剩余的气体流入小输出功率的电堆组件中继续反应，从而提高气体循环利用率。该氢燃料电池的气体循环利用率较高。该发动机的电池中气体循环利用率较高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供了一种氢燃料电池的供气方法，设置多个输出功率依次减小的电堆组件，使气体按输出功率减小的顺序依次流经多个所述电堆组件，且从前一个所述电堆组件流入后一个所述电堆组件的气体的量不少于后一个所述电堆组件反应所需的气体的量。

作为上述技术方案的改进，设置第一电堆组件、第二电堆组件与供气系统，使所述供气系统包括气体循环部，使所述气体循环部包括第一供气管、第二供气管、第三供气管、第四供气管、第五供气管、第一三通阀、第二三通阀、第一单向阀、第二单向阀及气体回流装置；

使所述第一供气管的两端分别与所述气体循环部的始端、所述第一电堆组件的入口相连，使所述第二供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，使所述第三供气管的两端分别与所述第一供气管、所述第二供气管相连，使所述第四供气管的两端分别与所述第二电堆组件的出口、所述气体循环部的末端相连，使所述第五供气管的两端分别与所述第二供气管、所述第四供气管相连；

将所述气体回流装置设于所述气体循环部的始端与所述气体循环部的末端之间，从所述气体循环部的末端流出的气体能够通过所述气体回流装置流入所述气体循环部的始端；

使所述第一三通阀位于所述第一供气管与所述第三供气管的连接处，使所述第二三通阀位于所述第二供气管与所述第五供气管的连接处；

使所述第一单向阀位于所述第三供气管、所述第二供气管的连接处与所述第二三通阀之间，使所述第二单向阀位于所述第二电堆组件的出口与所述气体循环部的末端之间。

作为上述技术方案的进一步改进，设置第三电堆组件，使所述第二供气管包括第六供气管与第七供气管，使所述供气系统还包括第八供气管、第九供气管、第三三通阀、第三单向阀、第一关断阀、第二关断阀及第三关断阀；

使所述第三电堆组件位于所述第一电堆组件与所述第二电堆组件之间，使所述第六供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第三电堆组件的入口相连，使所述第七供气管的两端分别与所述第三电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，使所述第八供气管的两端分别与所述第三供气管、所述第六供气管相连，使所述第九供气管的两端分别与所述第六供气管、所述第四供气管相连；

使所述第三三通阀位于所述第六供气管与所述第九供气管的连接处，使所述第三单向阀位于所述第八供气管、所述第六供气管的连接处与所述第三三通阀之间；

使所述第一关断阀位于所述第八供气管上，使所述第二关断阀位于所述第三供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三供气管、所述第七供气管的连接处之间，使所述第三关断阀位于所述第六供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三电堆组件的入口之间。

作为上述技术方案的进一步改进，设置气源部，使所述气源部与所述气体循环部相连，气体从所述气源部流至所述气体循环部的始端后，按输出功率减小的顺序依次流经多个所述电堆组件以到达所述气体循环部的末端，所述气源部中的气体与所述气体循环部末端的气体汇集后再次流至所述气体循环部的始端。

作为上述技术方案的进一步改进，所述气体为氢气或空气。

还提供了一种氢燃料电池，包括供气系统与多个输出功率依次减小的电堆组件，气体按输出功率减小的顺序依次流经多个所述电堆组件，且从前一个所述电堆组件流入后一个所述电堆组件的气体的量不少于后一个所述电堆组件反应所需的气体的量。

作为上述技术方案的进一步改进，包括第一电堆组件与第二电堆组件，所述供气系统包括气体循环部，所述气体循环部包括第一供气管、第二供气管、第三供气管、第四供气管、第五供气管、第一三通阀、第二三通阀、第一单向阀、第二单向阀及气体回流装置；

所述第一供气管的两端分别与所述气体循环部的始端、所述第一电堆组件的入口相连，所述第二供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，所述第三供气管的两端分别与所述第一供气管、所述第二供气管相连，所述第四供气管的两端分别与所述第二电堆组件的出口、所述气体循环部的末端相连，所述第五供气管的两端分别与所述第二供气管、所述第四供气管相连；

所述气体回流装置设于所述气体循环部的始端与所述气体循环部的末端之间，从所述气体循环部的末端流出的气体能够通过所述气体回流装置流入所述气体循环部的始端；

所述第一三通阀位于所述第一供气管与所述第三供气管的连接处，所述第二三通阀位于所述第二供气管与所述第五供气管的连接处；

所述第一单向阀位于所述第三供气管、所述第二供气管的连接处与所述第二三通阀之间，所述第二单向阀位于所述第二电堆组件的出口与所述气体循环部的末端之间。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括第三电堆组件，所述第二供气管包括第六供气管与第七供气管，所述供气系统还包括第八供气管、第九供气管、第三三通阀、第三单向阀、第一关断阀、第二关断阀及第三关断阀；

所述第三电堆组件位于所述第一电堆组件与所述第二电堆组件之间，所述第六供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第三电堆组件的入口相连，所述第七供气管的两端分别与所述第三电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，所述第八供气管的两端分别与所述第三供气管、所述第六供气管相连，所述第九供气管的两端分别与所述第六供气管、所述第四供气管相连；

所述第三三通阀位于所述第六供气管与所述第九供气管的连接处，所述第三单向阀位于所述第八供气管、所述第六供气管的连接处与所述第三三通阀之间；

所述第一关断阀位于所述第八供气管上，所述第二关断阀位于所述第三供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三供气管、所述第七供气管的连接处之间，所述第三关断阀位于所述第六供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三电堆组件的入口之间。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆组件包括若干个电堆。

还提供了一种发动机，包括上述的氢燃料电池。

本发明的有益效果是：该供气方法中，使各电堆组件的输出功率依次减小，将大输出功率的电堆组件中剩余的气体流入小输出功率的电堆组件中继续反应，从而提高气体循环利用率。该氢燃料电池的气体循环利用率较高。该发动机的电池中气体循环利用率较高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明第一实施例中气体循环部的原理示意图；

图2是本发明第二实施例中气体循环部的原理示意图；

图3是本发明第三实施例中供气系统用于供空气时的原理示意图；

图4是本发明第三实施例中供气系统用于供空气时的结构示意图；

图5是本发明第四实施例中供气系统用于供氢气时的原理示意图；

图6是本发明第四实施例中供气系统用于供氢气时的结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明的较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，从而能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。当某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接在另一个特征上。

在本发明的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个或者多个，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，除非另有定义，本发明所使用的技术术语和科学术语均与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。

第一实施例

参照图1，示出了本发明第一实施例中气体循环部的原理示意图。氢燃料电池包括第一电堆组件1a、第二电堆组件2a及供气系统。第一电堆组件1a的输出功率大于第二电堆组件2a。供气系统包括气体循环部30a与气源部，气源部与气体循环部30a相连，气源部用于向电堆组件提供气体。该供气系统能够用于供氢气或空气，当供氢气时，气源部为氢气罐，当供空气时，气源部为空气压缩机。

气体循环部30a包括第一供气管301a、第二供气管302a、第三供气管303a、第四供气管304a、第五供气管305a、第一三通阀306a、第二三通阀307a、第一单向阀308a、第二单向阀309a、第一传感器3010a、第二传感器3011a及气体回流装置3012a。第一供气管301a的两端分别与气体循环部30a的始端3001a、第一电堆组件1a的入口相连，第二供气管302a的两端分别与第一电堆组件1a的出口、第二电堆组件2a的入口相连，第三供气管303a的两端分别与第一供气管301a、第二供气管302a相连，第四供气管304a的两端分别与第二电堆组件2a的出口、气体循环部30a的末端3002a相连，第五供气管305a的两端分别与第二供气管302a、第四供气管304a相连。

第一三通阀306a位于第一供气管301a与第三供气管303的连接处，第二三通阀307a位于第二供气管302a与第五供气管305a的连接处。第一单向阀308a位于第三供气管303a、第二供气管302a的连接处与第二三通阀307a之间，第二单向阀309a位于第二电堆组件2a的出口与气体循环部30a的末端3002a之间。

气体回流装置3012a位于气体循环部30a的始端3001a与气体循环部30a的末端3002a之间。从气体循环部30a的末端3002a流出的气体能够通过气体回流装置3012a到达气体循环部30a的始端3001a。

第一供气管301a上靠近第一电堆组件1a的入口处设有第一传感器3010a，第二供气管302a上靠近第二电堆组件2a的入口处设有第二传感器3011a。上述传感器均包括压力传感器、温度传感器及湿度传感器等，用于对通入电堆组件的气体的压力、温度及湿度进行实时监控。

通过调节三通阀及单向阀的开闭状态，可以使气体在不同的管路内流动，以实现不同的供气方式。能够对第一电堆组件1a与第二电堆组件2a中的任意一个供气，或者对二者依次供气。对二者依次供气时，需保证从第一电堆组件1a流入第二电堆组件2a的气体的量不少于第二电堆组件2a反应所需的气体的量。可根据各个电堆所需的气体的量进行计算，使通入第一电堆组件1a中的气体的量不少于第一电堆组件1a与第二电堆组件2a所需的气体的量之和。可根据各个电堆所需的气体的量进行计算，使通入第一电堆组件1a中的气体的量不少于第一电堆组件1a与第二电堆组件2a所需的气体的量之和。

若要对第一电堆组件1a与第二电堆组件2a依次供气。则使第一三通阀306a朝第一电堆组件1a的通道打开，第二三通阀307a朝第二电堆组件2a的通道打开。到达气体循环部30a的始端3001a的气体通过第一三通阀306a后进入第一电堆组件1a进行反应。多余的气体从第一电堆组件1a的出口排出，在经过第二三通阀307a后进入第二电堆组件2a。第二电堆组件2a中剩余的气体从第二电堆组件2a的出口排出，并通过第四供气管304a回流进入气体回流装置3012a。

由于第一电堆组件1a的输出功率大于第二电堆组件2a，因此，故第一电堆组件1a反应所需的气体的量大于第二电堆组件2a。通入过量的气体进入气体循环部30a并进而流入第一电堆组件1a，多余的气体会从第一电堆组件1a流出并流入第二电堆组件2a。流入第二电堆组件2a的多余气体流出后会回流至气体循环部30a的始端，并与气源部输送来的新的气体一起再次进入电堆组件。由于第一电堆组件1a中剩余的气体会流入第二电堆组件2a中被继续利用，且从第二电堆组件2a流出的气体可回流后再利用，因此，可以大幅提高气体循环利用率。

除此之外，还可以对第一电堆组件1a或第二电堆组件2a单独供气体。若要对第一电堆组件1a单独供气体，则使第一三通阀306a朝第一电堆组件1a的通道打开，第二三通阀307a朝第五供气管305a的通道打开。到达气体循环部30a的气体经过第一三通阀306a后进入第一电堆组件1a中，多余的气体从第一电堆组件1a排出，回流到气体循环部30a的始端3001a。由于有第二单向阀309a的存在，从第五供气管305a到达第四供气管304a的气体不会朝右侧流入第二电堆组件2a中。

若要对第二电堆组件2a单独供气体，则使第一三通阀306a朝第三供气管303的通道打开，第二三通阀307a朝第五供气管305a的通道关闭。由于有第一单向阀308a的存在，从第三供气管303a到达第二供气管302a的气体不会朝左侧流入第一电堆组件1a中。

上述的电堆组件可以是单个电堆，也可以由多个输出功率相等的电堆串联而成。若是由多个电堆串联而成，则每个电堆组件还包括分配管与汇集管。流入电堆组件的气体通过分配管平均分配流入各个电堆中，从各个电堆中流出的气体通过汇集管汇集后一起流出电堆组件。

上述的各三通阀可选用普通的电控三通阀，还可以用两个阀门组合实现三通阀的功能，这种简单替换也应在本发明保护范围内。上述的各单向阀可选用逆止阀，或者，其他的能够实现单向导通的阀门亦可。

本实施例中的电堆组件的数量为2组，但不限于此，2组以上均可以。

本实施例中还提供了一种发动机，该发动机包括上述的氢燃料电池。

第二实施例

本实施例是第一实施例的替代实施例，本实施例与第一实施例的区别在于在第一电堆组件1b与第二电堆组件2b之间增加了第三电堆组件3b。参照图2，示出了本发明第二实施例中气体循环部的原理示意图。第一电堆组件1b的输出功率大于第三电堆组件3b，第三电堆组件3b的输出功率大于第二电堆组件2b。

供气系统包括气体循环部40b。气体循环部40b包括第一供气管401b、第三供气管403b、第四供气管404b、第五供气管405b、第六供气管406b、第七供气管407b、第八供气管408b、第九供气管409b、第一三通阀4010b、第二三通阀4011b、第三三通阀4012b、第一单向阀4013b、第二单向阀4014b、第三单向阀4015b、第一关断阀4016b、第二关断阀4017b、第三关断阀4018b、第一传感器4019b、第二传感器4020b、第三传感器4021b、气体回流管4022b及气体回流装置4023b。其中，第六供气管406b与第七供气管407b合并后即相当于第一实施例中的第二供气管302a。

第一供气管401b的两端分别与气体循环部40b的始端4001b、第一电堆组件1b的入口相连，第六供气管406b的两端分别与第一电堆组件1b的出口、第三电堆组件3b的入口相连，第七供气管407b的两端分别与第三电堆组件3b的出口、第二电堆组件2b的入口相连。第三供气管403b的两端分别与第七供气管407b、第一供气管401b相连，第八供气管408b的两端分别与第三供气管403b、第六供气管406b相连。第四供气管404b的两端分别与第二电堆组件2b的出口、气体循环部40b的末端4002b相连，第九供气管409b的两端分别与第六供气管406b、第四供气管404b相连，第五供气管405b的两端分别与第七供气管407b、第四供气管404b相连。

第一三通阀4010b位于第三供气管403b与第一供气管401b的连接处，第二三通阀4011b位于第七供气管407b与第五供气管405b的连接处，第三三通阀4012b位于第六供气管406b与第九供气管409b的连接处。第一单向阀4013b位于第三供气管403b、第七供气管407b的连接处与第二三通阀4011b之间，第二单向阀4014b位于第二电堆组件2b的出口与气体循环部40b的末端4002b之间，第三单向阀4015b位于第八供气管408b、第六供气管406b的连接处与第三三通阀4012b之间。第一关断阀4016b位于第八供气管408b上，第二关断阀4017b位于第三供气管403b、第八供气管408b的连接处与第三供气管403b、第七供气管407b的连接处之间，第三关断阀4018b位于第八供气管408b、第六供气管406b的连接处与第三电堆组件3b的入口之间。气体回流装置4023b设于气体循环部40b的始端4001b与气体循环部40b的末端4002b之间。

第一供气管401b上靠近第一电堆组件1b的入口处设有第一传感器4019b，第七供气管407b上靠近第二电堆组件2b的入口处设有第二传感器4020b，第六供气管406b上靠近第三电堆组件3b的入口处设有第三传感器4021b。

通过调节三通阀、单向阀及关断阀的开闭状态，可以使气体在不同的管路内流动，以实现不同的供气方式。能够对三个电堆组件中的任意一个供气，或者对其中任意两个电堆组件依次供气，或者对三个电堆组件依次供气。

若要对第一电堆组件1b、第三电堆组件3b及第二电堆组件2b依次供气，需保证从第一电堆组件1b流入第三电堆组件3b的气体的量不少于第三电堆组件3b反应所需的气体的量，且需保证从第三电堆组件3b流入第二电堆组件2b的气体的量不少于第二电堆组件2b反应所需的气体的量。可根据各个电堆所需的气体的量进行计算，使通入第一电堆组件1b中的气体的量不少于第一电堆组件1b、第三电堆组件3b及第二电堆组件2b所需的气体的量之和。

若要对第一电堆组件1b、第三电堆组件3b及第二电堆组件2b依次供气，则使第一三通阀4010b朝第一电堆组件1b的通道打开，第三三通阀4012b朝第三电堆组件3b的通道打开，第二三通阀4011b朝第二电堆组件2b的通道打开，第一关断阀4016b、第二关断阀4017b均关闭，第三关断阀4018b打开。到达气体循环部40b的始端4001b的气体通过第一三通阀4010b后进入第一电堆组件1b中。一般会按照一定的过量系数比通入过量的气体，第一电堆组件1b中多余的气体从第一电堆组件1b的出口排出，在经过第三三通阀4012b与第三关断阀4018b后进入第三电堆组件3b中进行反应。第三电堆组件3b中剩余的气体从第三电堆组件3b的出口排出，在经过第二三通阀4011b后进入第二电堆组件2b中进行反应。第二电堆组件2b中剩余的气体从第二电堆组件2b的出口排出，通过第四供气管404b到达气体回流管4022b，并流入气体回流装置4023b，通过气体回流装置4023b再次到达气体循环部40b的始端4001b。这部分回流的气体与气源部输送来的新的气体一起再次进入气体循环部40b。

由于第一电堆组件1b的输出功率大于第三电堆组件3b，第三电堆组件3b的输出功率大于第二电堆组件2b，因此，第一电堆组件1b反应所需的气体的量大于第三电堆组件3b，第三电堆组件3b反应所需的气体的量大于第二电堆组件2b。通入过量的气体进入气体循环部40b并进而流入第一电堆组件1b，多余的气体会从第一电堆组件1b流出并流入第三电堆组件3b。第三电堆组件3b中的多余气体流出后会流入第二电堆组件2b。第二电堆组件2b中的多余气体流出后会回流至气体循环部40b的始端，并与气源部输送来的新的气体一起再次进入电堆组件。由于上一电堆组件中剩余的气体会流入下一电堆组件中被继续利用，且部分气体可以回流再利用，因此，可以大幅提高气体循环利用率。

此外，还可以仅向三个电堆组件中的两个依次供气。若要对第一电堆组件1b与第三电堆组件3b供气，则使第一三通阀4010b朝第一电堆组件1b的通道打开，第三三通阀4012b朝第三电堆组件3b的通道打开，第二三通阀4011b朝第五供气管405b的通道打开，第一关断阀4016b关闭，第三关断阀4018b打开。到达气体循环部40b的始端4001b的气体通过第一三通阀4010b后进入第一电堆组件1b中进行反应。第一电堆组件1b中多余的气体从第一电堆组件1b的出口排出，在经过第三三通阀4012b与第三关断阀4018b后进入第三电堆组件3b中。第三电堆组件3b中剩余的气体从第三电堆组件3b的出口排出，并进入第五供气管405b，之后到达第四供气管404b，随后通过气体回流装置4023b再次到达气体循环部40b的始端4001b。由于有第二单向阀4014b的存在，从第五供气管405b到达第四供气管404b的气体不会朝右侧流入第二电堆组件2b中。

若要对第一电堆组件1b与第二电堆组件2b依次供气，则使第一三通阀4010b朝第一电堆组件1b的通道打开，第三三通阀4012b朝第三电堆组件3b的通道打开，第二三通阀4011b朝第五供气管405b的通道关闭，第一关断阀4016b与第二关断阀4017b均打开，第三关断阀4018b关闭。由于有第一单向阀4013b的存在，从第三供气管403b到达第七供气管407b的气体不会朝左侧流入第三电堆组件3b中。

若要对第三电堆组件3b与第二电堆组件2b依次供气，则使第一三通阀4010b朝第三供气管403b的通道打开，第三三通阀4012b朝第九供气管409b的通道关闭，第二三通阀4011b朝第二电堆组件2b的通道打开，第一关断阀4016b与第三关断阀4018b均打开，第二关断阀4017b关闭。由于有第三单向阀4015b的存在，从第八供气管408b到达第六供气管406b的气体不会朝左侧流入第一电堆组件1b中。

与前述分析类似，使气体按输出功率从大到小的顺序依次通过两个电堆组件，可以提高气体循环利用率。

此外，还可以对上述三个电堆组件中的任意一个单独供气体。若要对第一电堆组件1b单独供气体，则使第一三通阀4010b朝第一电堆组件1b的通道打开，并使第三三通阀4012b朝第九供气管409b的通道打开，第二三通阀4011b朝第五供气管405b的通道关闭。到达气体循环部40b的始端4001b的气体通过第一三通阀4010b后进入第一电堆组件1b中进行反应。第一电堆组件1b中多余的气体从第一电堆组件1b的出口排出，并通过第九供气管409b到达第四供气管404b，随后通过气体回流装置4023b再次到达气体循环部40b的始端4001b。由于有第二单向阀4014b的存在，从第九供气管409b到达第四供气管404b的气体不会朝右侧流入第二电堆组件2b中。

若要对第三电堆组件3b单独供气，则使第一三通阀4010b朝第三供气管403b的通道打开，第三三通阀4012b朝第九供气管409b的通道关闭，第二三通阀4011b朝第五供气管405b的通道打开，将第一关断阀4016b与第三关断阀4018b打开，第二关断阀4017b关闭。由于有第三单向阀4015b的存在，从第八供气管408b到达第六供气管406b的气体不会朝左侧流入第一电堆组件1b中。

若要对第二电堆组件2b单独供气，则使第一三通阀4010b朝第三供气管403b的通道打开，第三三通阀4012b朝向第九供气管409b的通道关闭，第二三通阀4011b朝向第五供气管405b的通道关闭，第一关断阀4016b关闭，第二关断阀4017b打开。由于有第一单向阀4013b的存在，从第三供气管403b到达第七供气管407b的气体不会朝左侧流入第三电堆组件3b中。

上述的各关断阀可采用电磁阀或其他能够控制管路通断的阀门。

第三实施例

本实施例以第一实施例为基础，第一实施例中提供的供气系统可用于向电堆组件供氢气或空气。供气系统3a除了气体循环部30a，还包括一些其他部件，供氢气与供空气时，这部分部件不同。故本实施例提供当供空气时的供气系统3a的完整结构。

参照图3至图4及图1，图3至图4分别示出了本发明第三实施例中供气系统用于供空气时的原理示意图与结构示意图，其中，图4中有部分结构省略。供气系统3a除了包括气体循环部30a，还包括空气过滤装置31a、空气压缩装置32a、热交换器33a、排气管34a、排气阀35a、吹扫管36a、吹扫阀37a及空气进气管38a。其中，空气过滤装置31a为气源部。空气通过空气进气管38a进入气体循环部30a。空气过滤装置31a、空气压缩装置32a及热交换器33a依次设于空气进气管38a上。空气过滤装置31a用于对入口处的空气进行过滤，使其满足电堆用气要求。空气压缩装置32a可选用空气压缩机，其能够对空气进行压缩，以使其压力与流量等满足要求。热交换器33a可以选用各种类型的气液热交换器，其用于对从空气过滤装置32a排出的空气进行降温。

气体回流装置3012a为加湿装置，可以选用各种类型的空气加湿器，其用于对进入第一电堆组件1a的空气增加湿度。第一电堆组件1a中剩余的空气排出后进入第二电堆组件2a。第二电堆组件2a中剩余的空气排出后回流进入加湿装置(气体回流装置3012a)，这部分空气与从空气压缩装置32a输送来的新的空气一起再次进入第一电堆组件1a。并且，由于氢燃料电池的反应产物为水，故排出的空气中会带有水，可通过这些水对从热交换器33a进入加湿装置(气体回流装置3012a)的空气进一步加湿。若压力过高，可打开排气阀35a，可使加湿装置(气体回流装置3012a)中的空气通过排气管34a排出一部分，以满足压力要求。打开吹扫阀37a，并向吹扫管36a中通入吹扫气体，使吹扫气体通过两个电堆组件，可使电堆组件中残留的气体排出。

在第一实施例中指出，可以使气体依次流入第一电堆组件1a与第二电堆组件2a。由于部分空气可以回流再利用，在电堆组件输出功率相同，其所需空气量相同的情况下，可以降低对空气压缩装置32a规格的要求，适当的将其规格选择略小一些。而若是使用已有的空气压缩装置32a，在其规格受限的情况下，可以适当增加电堆组件的数量，增加的电堆组件所需的空气可以由回流空气来提供。因此，可以在不改变第二空气压缩装置32a规格和流入气体循环部始端的空气总量的前提下适当增加电堆组件的数量，从而提高燃料电池的输出功率。

第四实施例

本实施例以第二实施例为基础，第二实施例中提供的供气系统可用于向电堆组件供氢气或空气。供气系统4b除了气体循环部40b，还包括一些其他部件，供氢气与供空气时，这部分部件不同。故本实施例提供当供氢气时的供气系统4b的完整结构。

参照图5至图6及图2，图5至图6分别示出了本发明第四实施例中供气系统用于供氢气时的原理示意图与结构示意图，其中，图6中有部分结构省略。供气系统4b除了包括气体循环部40b，还包括氢气罐41b、减压装置42b、总开关43b、调压阀44b、安全阀45b、排气管46b、排气阀47b、排水管48b、排水阀49b、吹扫管410b、吹扫阀411b及氢气进气管412b。氢气罐41b中的氢气通过氢气进气管412b流入气体循环部40b。减压装置42b、总开关43b及调压阀44b依次设置于氢气进气管412b上。减压装置42b对氢气罐41b提供的氢气进行减压，使其满足压力要求。减压装置42b可选用比例调节阀，当然，其他能够进行压力调节的装置亦可。总开关43b可以控制氢气进气管412b的通断。若压力过大，可将安全阀45b打开，排出一定量的氢气，以满足压力要求。安全阀45b可使用普通的机械式安全阀，或者，其他的安全泄压装置亦可。满足压力要求的氢气从气体循环部40b的始端4001b进入气体循环部40b中，并流入电堆组件。

气体循环部40b还包括气液分离器4024b，气液分离器4024b位于气体循环部40b的末端4002b与气体回流装置4023b之间的气体回流管4022b上。电堆组件中剩余的氢气流至气体循环部40b的末端4002b后进入气液分离器4024b中。由于氢燃料电池的反应产物为水，故反应结束后排出的氢气中会带有水，通过气液分离器4024b后能够将水与氢气分离。分离后，干燥的氢气通过气体回流管4022b流入气体回流装置4023b，再次到达气体循环部40b的始端4001b。气体回流装置4023b为氢气循环泵，当然，其他的能够实现类似功能的装置亦可。排水管48b与气液分离器4024b连接，分离出的水可通过排水管48b排出。排水阀49b设置于排水管48b上，其用于控制排水管48b的通断，排水阀49b可以选用电磁阀或其他能够控制管路通断的阀门。排气管46b与气体回流管4022b连接，用于使气体回流管4022b内的氢气排出。排气阀47b设置于排气管46b上，用于控制排气管路的通断，排气阀47b可选用电磁阀或其他能够控制管路通断的阀门。吹扫管410b连接于气体循环部40b的始端处，在吹扫管410b上设有吹扫阀411b，打开吹扫阀411b，并向吹扫管410b中通入吹扫气体，使吹扫气体通过三个电堆组件，以使得电堆组件中残留的气体排出。

在第一实施例中指出，可以使气体依次流入第一电堆组件1b、第三电堆组件3b及第二电堆组件2b。由于上一电堆组件中剩余的氢气会流入下一电堆组件中，氢气的循环利用率较高，最终流出的剩余氢气的总量较少，使用较小规格的气体回流装置4023b即可满足回流要求。因此，在现有气体回流装置4023b规格受限的情况下，适当增加电堆组件的数量，也不会导致回流的氢气量过大而没有合适的气体回流装置得以匹配。因此，可以在不改变气体回流装置规格和流入气体循环部始端的氢气总量的前提下适当增加电堆组件的数量，以提高电池的输出功率。

第五实施例

本实施例是第三实施例的替代实施例，在第三实施例中，供气系统用于供空气，本实施例中，供气系统用于供氢气。气体循环部的部分参照第三实施例，将气体回流装置设置为氢气循环泵，并增加气液分离器。供气系统中气体循环部以外的部件参照第四实施例中的方式设置即可。

第六实施例

本实施例是第四实施例的替代实施例，在第四实施例中，供气系统用于供氢气，本实施例中，供气系统用于供空气。气体循环部的部分参照第四实施例，将气体回流装置设置为加湿装置，并去掉气液分离器。供气系统中气体循环部以外的部件参照第三实施例中的方式设置即可。

第七实施例

本实施例中，氢燃料电池中包含两套供气系统，分别用于供氢气与空气。这两套供气系统选用第三实施例与第五实施例中的供气系统即可。

第八实施例

本实施例中，氢燃料电池中包含两套供气系统，分别用于供氢气与空气。这两套供气系统选用第四实施例与第六实施例中的供气系统即可。

第九实施例

本实施例中，氢燃料电池中包含两套供气系统，分别用于供氢气与空气。这两套供气系统选用第三实施例与第四实施例中的供气系统即可。本实施例中包括三个电堆组件，三个电堆组件使用第四实施例中的供气系统供氢气，其中的一个电堆组件使用现有技术中的供气方式单独供空气，另外两个电堆组件使用第三实施例中的供气系统供空气。

第十实施例

本实施例中，氢燃料电池中包含两套供气系统，分别用于供氢气与空气。这两套供气系统选用第五实施例与第六实施例中的供气系统即可。本实施例中包括三个电堆组件，三个电堆组件使用第六实施例中的供气系统供空气，其中的一个电堆组件使用现有技术中的供气方式单独供氢气，另外两个电堆组件使用第五实施例中的供气系统供氢气。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明并不限于所述实施例，所属领域的技术人员在不脱离本发明宗旨的前提下还可做出种种的等同变形或替换。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池的供气方法，其特征在于，设置多个输出功率依次减小的电堆组件，使气体按输出功率减小的顺序依次流经多个所述电堆组件，且从前一个所述电堆组件流入后一个所述电堆组件的气体的量不少于后一个所述电堆组件反应所需的气体的量。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池的供气方法，其特征在于，设置第一电堆组件、第二电堆组件与供气系统，使所述供气系统包括气体循环部，使所述气体循环部包括第一供气管、第二供气管、第三供气管、第四供气管、第五供气管、第一三通阀、第二三通阀、第一单向阀、第二单向阀及气体回流装置；

使所述第一供气管的两端分别与所述气体循环部的始端、所述第一电堆组件的入口相连，使所述第二供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，使所述第三供气管的两端分别与所述第一供气管、所述第二供气管相连，使所述第四供气管的两端分别与所述第二电堆组件的出口、所述气体循环部的末端相连，使所述第五供气管的两端分别与所述第二供气管、所述第四供气管相连；

将所述气体回流装置设于所述气体循环部的始端与所述气体循环部的末端之间，从所述气体循环部的末端流出的气体能够通过所述气体回流装置流入所述气体循环部的始端；

使所述第一三通阀位于所述第一供气管与所述第三供气管的连接处，使所述第二三通阀位于所述第二供气管与所述第五供气管的连接处；

使所述第一单向阀位于所述第三供气管、所述第二供气管的连接处与所述第二三通阀之间，使所述第二单向阀位于所述第二电堆组件的出口与所述气体循环部的末端之间。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池的供气方法，其特征在于，设置第三电堆组件，使所述第二供气管包括第六供气管与第七供气管，使所述供气系统还包括第八供气管、第九供气管、第三三通阀、第三单向阀、第一关断阀、第二关断阀及第三关断阀；

使所述第三电堆组件位于所述第一电堆组件与所述第二电堆组件之间，使所述第六供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第三电堆组件的入口相连，使所述第七供气管的两端分别与所述第三电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，使所述第八供气管的两端分别与所述第三供气管、所述第六供气管相连，使所述第九供气管的两端分别与所述第六供气管、所述第四供气管相连；

使所述第三三通阀位于所述第六供气管与所述第九供气管的连接处，使所述第三单向阀位于所述第八供气管、所述第六供气管的连接处与所述第三三通阀之间；

使所述第一关断阀位于所述第八供气管上，使所述第二关断阀位于所述第三供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三供气管、所述第七供气管的连接处之间，使所述第三关断阀位于所述第六供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三电堆组件的入口之间。

4.根据权利要求2所述的氢燃料电池的供气方法，其特征在于，设置气源部，使所述气源部与所述气体循环部相连，气体从所述气源部流至所述气体循环部的始端后，按输出功率减小的顺序依次流经多个所述电堆组件以到达所述气体循环部的末端，所述气源部中的气体与所述气体循环部末端的气体汇集后再次流至所述气体循环部的始端。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的氢燃料电池的供气方法，其特征在于，所述气体为氢气或空气。

6.一种氢燃料电池，其特征在于，包括供气系统与多个输出功率依次减小的电堆组件，气体按输出功率减小的顺序依次流经多个所述电堆组件，且从前一个所述电堆组件流入后一个所述电堆组件的气体的量不少于后一个所述电堆组件反应所需的气体的量。

7.根据权利要求6所述的氢燃料电池，其特征在于，包括第一电堆组件与第二电堆组件，所述供气系统包括气体循环部，所述气体循环部包括第一供气管、第二供气管、第三供气管、第四供气管、第五供气管、第一三通阀、第二三通阀、第一单向阀、第二单向阀及气体回流装置；

所述第一供气管的两端分别与所述气体循环部的始端、所述第一电堆组件的入口相连，所述第二供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，所述第三供气管的两端分别与所述第一供气管、所述第二供气管相连，所述第四供气管的两端分别与所述第二电堆组件的出口、所述气体循环部的末端相连，所述第五供气管的两端分别与所述第二供气管、所述第四供气管相连；

所述气体回流装置设于所述气体循环部的始端与所述气体循环部的末端之间，从所述气体循环部的末端流出的气体能够通过所述气体回流装置流入所述气体循环部的始端；

所述第一三通阀位于所述第一供气管与所述第三供气管的连接处，所述第二三通阀位于所述第二供气管与所述第五供气管的连接处；

所述第一单向阀位于所述第三供气管、所述第二供气管的连接处与所述第二三通阀之间，所述第二单向阀位于所述第二电堆组件的出口与所述气体循环部的末端之间。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池，其特征在于，还包括第三电堆组件，所述第二供气管包括第六供气管与第七供气管，所述供气系统还包括第八供气管、第九供气管、第三三通阀、第三单向阀、第一关断阀、第二关断阀及第三关断阀；

所述第三电堆组件位于所述第一电堆组件与所述第二电堆组件之间，所述第六供气管的两端分别与所述第一电堆组件的出口、所述第三电堆组件的入口相连，所述第七供气管的两端分别与所述第三电堆组件的出口、所述第二电堆组件的入口相连，所述第八供气管的两端分别与所述第三供气管、所述第六供气管相连，所述第九供气管的两端分别与所述第六供气管、所述第四供气管相连；

所述第三三通阀位于所述第六供气管与所述第九供气管的连接处，所述第三单向阀位于所述第八供气管、所述第六供气管的连接处与所述第三三通阀之间；

所述第一关断阀位于所述第八供气管上，所述第二关断阀位于所述第三供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三供气管、所述第七供气管的连接处之间，所述第三关断阀位于所述第六供气管、所述第八供气管的连接处与所述第三电堆组件的入口之间。

9.根据权利要求6所述的氢燃料电池，其特征在于，所述电堆组件包括若干个电堆。

10.一种发动机，其特征在于，包括权利要求6至9中任一项所述的氢燃料电池。

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