CN111463470B - 一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，包括空冷燃料电池电堆和液冷燃料电池电堆，将所述液冷燃料电池电堆的排放氢气作为所述空冷燃料电池电堆的氢气供应源，输入所述空冷燃料电池电堆，以便所述排放氢气经过所述空冷燃料电池电堆后排出。该空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，消除了氢气循环泵及附带管路，气水分离器和控制部件，省去空冷燃料电池的氢气加湿器和两级电压的控制转换，减少了氢气漏气风险，简化了系统结构，提高了系统可靠性，并增加了系统功率密度，解决了两级电压输出问题。

Description

一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统。

背景技术

目前，对于单独的空冷燃料电池系统或液冷燃料电池系统，主要是采用氢气循环泵使氢气循环利用来增加氢气循环利用率。不过氢气循环泵重量大，由于氢气循环泵的存在会大大增加燃料电池系统的体积，同时产生额外功耗并增加漏气风险。

发明内容

为克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，消除了氢气循环泵，简化了系统结构及附带管路，气水分离器和控制部件，省去空冷燃料电池的氢气加湿器和两级电压的控制转换，减少了氢气漏气风险，提高了系统可靠性，并增加了系统功率密度，解决了两级电压输出问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案，提供一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，包括空冷燃料电池电堆和液冷燃料电池电堆，将所述液冷燃料电池电堆的排放氢气作为所述空冷燃料电池电堆的氢气供应源，输入所述空冷燃料电池电堆，以便所述排放氢气经过所述空冷燃料电池电堆后排出。

优选的，所述空冷燃料电池电堆的排出氢气通过氢气排杂阀排出。

优选的，所述空冷燃料电池电堆的排出液体水通过疏水器排出。

优选的，所述液冷燃料电池电堆的废热用于给暖气系统和/或热水系统供热。

优选的，所述液冷燃料电池电堆的氢气输入口位置处的氢气压力值高于所述空冷燃料电池电堆的氢气输入口位置处的氢气压力值。

优选的，所述液冷燃料电池电堆和外部的氢气气源之间通过止回阀连接，以便在所述液冷燃料电池电堆无需向外部供应电力时，所述氢气气源停止向所述液冷燃料电池电堆供应氢气。

优选的，所述液冷燃料电池电堆提供160-240V的电源电力。

优选的，所述空冷燃料电池电堆提供18-28V的电源电力。

优选的，所述空冷燃料电池电堆还和外部的氢气气源通过密闭气道连接，以形成辅助氢气流道。

优选的，所述排放氢气输入所述空冷燃料电池电堆时携带水蒸气。

本发明的有益效果是：一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，包括空冷燃料电池电堆和液冷燃料电池电堆，将所述液冷燃料电池电堆的排放氢气作为所述空冷燃料电池电堆的氢气供应源，输入所述空冷燃料电池电堆，以便所述排放氢气经过所述空冷燃料电池电堆后排出。该空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，将液冷燃料电池电堆的过量排放氢气作为空冷燃料电池电堆的氢气供应源，为空冷燃料电池电堆供应氢气，再由空冷燃料电池电堆排出，该排出氢气已经达到氢气的排放要求。这种将液冷燃料电池电堆利用过的氢气再经由空冷燃料电池电堆利用的氢气两级利用方式，能够达到和氢气循环泵同样的效果，且省掉氢气循环泵及附带管路，气水分离器和控制部件，省去空冷燃料电池的氢气加湿器和两级电压的控制转换，减少了氢气漏气风险，减少系统的体积和质量，简化系统结构，提高系统可靠性，并增加系统的体积功率密度和质量功率密度，解决了两级电压输出问题。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的辅助氢气流道的结构示意图；

附图标记说明如下：

1-液冷燃料电池电堆；2-空冷燃料电池电堆；3-氢气排杂阀；4-液位调节阀；5-暖气片；6-冷却水；7-止回阀；8-轮船动力系统；9-轮船照明系统；10-雷达；11-锂电池；12-压缩氢气；13-空气压缩机；14-热水储罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

空冷燃料电池电堆2和液冷燃料电池电堆1是两种不同的燃料电池系统，一般情况下都是单独应用于各自不同的领域。液冷燃料电池电堆1需要在各种外围设备的加持下达到极高的功率密度，追求小体积高功率。空冷燃料电池电堆2则是舍弃外围设备，精简系统整体，追求环境缺乏可控性时的性能。对于质子交换膜燃料电池来说，膜电极的温度和湿度是输出性能的关键影响因素。液冷燃料电池电堆1通过外围设备，可以很方便的控制电堆温度和湿度。但是空冷燃料电池电堆2控制温度和湿度就相对困难。电堆输出功率小时，温度上不去，输出功率高时，温度上去了，又需要吹风散热。此外，电堆的温度和湿度还是耦合在一起的，无法进行解耦控制。所以，空冷燃料电池电堆2和液冷燃料电池电堆1的性能和控制方式完全不同，有各自适合的应用领域。目前，大型系统都需要两级供电电压，一个是160-240V的动力电；一个是18-28V供通讯、无线电等辅助设施的电源，且一般情况下，单电堆还必须配备低电压转换器， 将高电压过滤掉作为低电压使用，这种切掉高电压部分的做法，会造成能源浪费，增加控制成本和设备成本。

参阅附图1，其是本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统的结构示意图。作为一种示例，本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，包括空冷燃料电池电堆2和液冷燃料电池电堆1，将所述液冷燃料电池电堆1的排放氢气作为所述空冷燃料电池电堆2的氢气供应源，输入所述空冷燃料电池电堆2，以便所述排放氢气经过所述空冷燃料电池电堆2后排出。

具体地，本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，由于不用氢气循环泵，省去了氢气循环泵附带的管路、汽水分离器和控制部分，在简化系统的同时大大降低系统成本，减少因为氢气循环造成的漏气风险，提高系统可靠性。

具体地，一般情况下，液冷燃料电池电堆1的氢气的进气压力值高，一般在0.1Mpa-0.2Mpa之间，而空冷燃料电池电堆2的氢气的进气压力值低，一般在40Kpa-50Kpa之间。液冷燃料电池电堆1的输入氢气经过液冷燃料电池电堆1的反应后，排放氢气的输出压力值降至40Kpa-50Kpa之间，液冷燃料电池电堆1的氢气排放口通过阀门和管道直接连接空冷燃料电池电堆2的氢气输入口，作为空冷燃料电池电堆2的氢气供应源，无需任何加压或降压的设备。该连接结构简单，实现方便。且该排放氢气输入空冷燃料电池电堆2之前，已经在液冷燃料电池电堆1内进行反应，反应过程的产物水直接对所述排放氢气进行加湿，加湿的排放氢气输入所述空冷燃料电池电堆2，可以大大提高所述空冷燃料电池电堆2的反应效率。

具体地，液冷燃料电池电堆1的功率大约为30kW，重量为50公斤，空冷燃料电池电堆2的功率大约为5kW，重量为5公斤，而氢气循环泵的重量为5公斤，那么现有技术的液冷燃料电池电堆1的质量功率密度为30/55kW每公斤，而本发明实施例中的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统的质量功率密度为35/55 kW每公斤，质量功率密度明显增加。

本发明实施例中的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，将液冷燃料电池电堆1的过量排放氢气作为空冷燃料电池电堆2的氢气供应源，为空冷燃料电池电堆2供应氢气，再由空冷燃料电池电堆2排出，该排出氢气已经达到氢气的排放要求。这种将液冷燃料电池电堆1利用过的氢气再经由空冷燃料电池电堆2利用的氢气两级利用方式，能够达到和氢气循环泵同样的效果，且省掉氢气循环泵及附带管路，气水分离器和控制部件，省去空冷燃料电池的氢气加湿器和两级电压的控制转换，减少了氢气漏气风险，减少系统的体积和质量，简化系统结构，提高系统可靠性，并增加系统的体积功率密度和质量功率密度，解决了两级电压输出问题。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述空冷燃料电池电堆2的排出氢气通过氢气排杂阀3排出。

具体地，所述氢气排杂阀3通过管道与所述空冷燃料电池电堆2进行硬连接，所述氢气排杂阀3位于所述空冷燃料电池电堆2的氢气排放端。本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，将液冷燃料电池电堆1的过量排放氢气作为空冷燃料电池电堆2的氢气供应源，即空冷燃料电池电堆2回收液冷燃料电池电堆1的剩余氢气，再由空冷燃料电池电堆2排出的氢气已经达到排放要求。可见，使用空冷燃料电池电堆2控制氢气排放，可以解决系统的氢气排放问题。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述空冷燃料电池电堆2的排出液体水通过疏水器排出。

具体地，疏水器也被称为疏水阀、自动排水器或凝结水排放器。疏水器的作用是把管道中的水排放到管道外，并达到自动阻气排水的目的。疏水器在节能减排方面起着很大作用。本发明实施例的疏水器包括热水储罐14和液位调节阀4，所述液位调节阀4的开闭由所述热水储罐14内的热水的水位控制，当所述热水的水位高于预先设定的水位，所述液体调节阀打开，热水排出所述热水储罐14。所述液体调节阀在不排放热水的时间段都处于关闭状态，能大大减少氢气由所述疏水器泄露的风险。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述液冷燃料电池电堆1的废热用于给暖气系统和/或热水系统供热。

具体地，所述液冷燃料电池电堆1的废热可以经由散热器和冷却水6后再循环利用，也可以用于给暖气片5供热或用于给热水供热后再循环利用，以便进一步达到节能环保的目的。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述液冷燃料电池电堆1的氢气输入口位置处的氢气压力值高于所述空冷燃料电池电堆2的氢气输入口位置处的氢气压力值。

具体地，参阅附图2，其是本发明实施例的辅助氢气流道的结构示意图。图中A位置为所述液冷燃料电池电堆1的氢气输入口位置，图中B位置为所述空冷燃料电池电堆2的氢气输入口位置。所述液冷燃料电池电堆1的压力高于所述空冷燃料电池电堆2的压力，即A点的氢气压力值高于B点的氢气压力值，该氢气压力值至少在0.1个大气压以上。这样，即使在所述液冷燃料电池电堆1停机时，所述空冷燃料电池电堆2仍然会有氢气供应。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述液冷燃料电池电堆1和外部的氢气气源之间通过止回阀7连接，以便在所述液冷燃料电池电堆1无需向外部供应电力时，所述氢气气源停止向所述液冷燃料电池电堆1供应氢气。

具体地，止回阀7是指启闭件为圆形阀瓣并靠自身重量及介质压力产生动作来阻断介质倒流的一种阀门，属自动阀类，又称逆止阀、单向阀、回流阀或隔离阀。止回阀7中介质从进口端流入，从出口端流出。当进口压力大于阀瓣重量及其流动阻力之和时，阀门被开启。反之，介质倒流时阀门则关闭。所述止回阀7保证在所述液冷燃料电池电堆1无需向外部供应电力时，如外部的轮船处于停船状态时，所述外部的氢气气源停止向所述液冷燃料电池电堆1供应氢气。其中，所述氢气气源一般为压缩氢气12。所述液冷燃料电池电堆1还需要使用空气压缩机13提供空气，以便空气中的氧气和氢气在所述液冷燃料电池电堆1中反应产生水。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述液冷燃料电池电堆1提供160-240V的电源电力。

具体地，本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，采用双电堆设计正好符合两级电压要求而不需要使用电压转换器或电压过滤器，省去了电压逆变器，节省了两级电压控制和转换的设备成本，避免了能量的浪费，有助于提高系统效率和降低成本，解决了系统两级电压输出的系统供电问题。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述空冷燃料电池电堆2提供18-28V的电源电力。

具体地，所述液冷燃料电池电堆1提供160-240V的电源电力，比如给轮船动力系统8供应轮船动力（160-240V），所述空冷燃料电池电堆2冷燃料电池电堆提供18-28V的电源电力，用于供应通讯照明(18-28V)，比如轮船照明系统9和雷达10供应动力（18-28V）。优选地，所述空冷燃料电池电堆2还需使用24V的锂电池11提供瞬时功率。具体可参阅附图1，图中部件之间连接的

代表冷凝水流道，

代表冷却水流道，

代表氢气流道，

代表空气流道，

代表电线。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述空冷燃料电池电堆2还和外部的氢气气源通过密闭气道连接，以形成辅助氢气流道。

具体地，所述辅助氢气流道的设置，方便所述空冷燃料电池电堆2在偶尔遇到上游氢气不充足的情况时，用辅助氢气流道补充氢气供应，进一步保证了本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统的稳定性。具体可参阅附图2，图中部件之间连接的实线代表氢气流道，虚线代表辅助氢气流道。

在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述排放氢气输入所述空冷燃料电池电堆2时携带水蒸气。

具体地，本发明实施例的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，空冷燃料电池电堆2使用的氢气为从液冷燃料电池电堆1排出来的氢气，且从液冷燃料电池电堆1排出来的氢气已经含有水蒸气，空冷燃料电池电堆2不再需要额外增加加湿器，就可以达到空冷燃料电池电堆2的氢气自动加湿的目的，解决了氢气加湿问题。且还可以利用部分湿润气给空冷燃料电池电堆2加湿，以及定期清洗空冷燃料电池电堆2除盐雾等。

与现有技术相比，本发明实施例提供的空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，使用空冷燃料电池电堆2与液冷燃料电池电堆1的单模块联合设计的方式，消除氢气循环泵，去掉电压转换器，整体减轻燃料电池动力系统重量，提高效率。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，包括空冷燃料电池电堆和液冷燃料电池电堆，将所述液冷燃料电池电堆的排放氢气作为所述空冷燃料电池电堆的氢气供应源，输入所述空冷燃料电池电堆，以便所述排放氢气经过所述空冷燃料电池电堆后排出，所述空冷燃料电池电堆还和外部的氢气气源通过密闭气道连接，以形成辅助氢气流道，所述液冷燃料电池电堆的氢气输入口位置处的氢气压力值高于所述空冷燃料电池电堆的氢气输入口位置处的氢气压力值。

2.根据权利要求1所述的一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，所述空冷燃料电池电堆的排出氢气通过氢气排杂阀排出。

3.根据权利要求1所述的一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，所述空冷燃料电池电堆的排出液体水通过疏水器排出。

4.根据权利要求1所述的一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，所述液冷燃料电池电堆的废热用于给暖气系统和/或热水系统供热。

5.根据权利要求1所述的一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，所述液冷燃料电池电堆和外部的氢气气源之间通过止回阀连接，以便在所述液冷燃料电池电堆无需向外部供应电力时，所述氢气气源停止向所述液冷燃料电池电堆供应氢气。

6.根据权利要求1所述的一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，所述液冷燃料电池电堆提供160-240V的电源电力。

7.根据权利要求1所述的一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，所述空冷燃料电池电堆提供18-28V的电源电力。

8.根据权利要求1所述的一种空冷燃料电池和液冷燃料电池的联合系统，其特征在于，所述排放氢气输入所述空冷燃料电池电堆时携带水蒸气。

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