CN112615024A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统，包括：电堆；空气供给组件，连通于电堆的阴极入口；燃气供给组件，连接于电堆的阳极入口；温控组件，温控组件的输出端连通于电堆的入液口，输入端连接于电堆的出液口；加热组件，加热组件包括燃烧室和热交换器，燃烧室连通于空气供给组件和燃气供给组件，燃烧室的输出端连接于热交换器，热交换器的输出端连接于温控组件。该燃料电池系统通过燃料电池自身的资源作为放热原，无需配备而外的动力电池，能够改善整车的布置空间，降低正常成本。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是通过氢气与氧气发生氧化还原反应后生成水并发电，其具有工作温度低、启动速度快、工作效率高和操作方便等优点。因此，燃料电池在新能源汽车领域具有相当可观的市场前景。

但是，燃料电池反应会在阴极侧生成大量的水，同时会有部分水渗透到阳极侧，车辆在低温环境停机后，如果阳极停机吹扫效果不理想，会有部分水积聚在阳极回路部件中，甚至结冰。如果车辆此时进行低温启动，由于启动初期电堆内部温度较低，会加剧燃料电池反应生成的水无法正常排出，造成低温启动失败，严重时还会致使燃料电池的质子交换膜破损。

目前的燃料电池系统，通常采用电堆外部加热，即在冷却回路中设置PTC加热器，通过动力电池向其供电，对冷却水进行加热，以逐步提升电堆温度，避免结冰，实现电堆低温启动。而通过PTC加热器对冷却液加热，在低温启动期间，特别是当环境温度低于-20℃时，PTC加热器需要动力电池提供足够多的电量，导致动力电池的选型体积偏大，这加剧了整车布置难度和成本压力。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提出了一种燃料电池系统，包括：电堆；空气供给组件，连通于电堆的阴极入口；燃气供给组件，连接于电堆的阳极入口；温控组件，温控组件的输出端连通于电堆的入液口，输入端连接于电堆的出液口；加热组件，加热组件包括燃烧室和热交换器，燃烧室连通于空气供给组件和燃气供给组件，燃烧室的输出端连接于热交换器，热交换器的输出端连接于温控组件。

另外，本发明提供的上述技术方案中的燃料电池系统还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，进一步地，加热组件还包括：燃气供给管，燃气供给管的一端连接于燃气供给组件燃气供给组件，另一端连通于燃烧室；空气供给管，空气供给管一端连接于空气供给组件，另一端连通于燃烧室；减压阀和第一开关阀，设置在燃气供给管上；第二开关阀，设置在空气供给管上；喷射器，设置在燃气供给管，位于第一开关阀和实施燃烧室之间。

在上述任一技术方案中，进一步地，加热组件还包括：阻火器，设置在燃气供给管上，位于喷射器和实施第一开关阀之间；单向阀，设置在燃气供给管上，使得燃气仅能够通过燃气供给组件供给至燃烧室；第一流量计，设置在燃气供给管上；和/或第二流量计，设置在空气供给管道上。

在上述任一技术方案中，进一步地，加热组件还包括：至少两个点火件，至少两个点火件分布在燃烧室内，点火组件用于连接于车辆的蓄电池。

在上述任一技术方案中，进一步地，空气供给组件包括：空滤；空压机，连接于空滤；中冷器，中冷器的输出端连接于空压机，输出端连接于阴极入口；其中，空压机的输出端连通于燃烧室。

在上述任一技术方案中，进一步地，燃气供给系统包括：燃气罐，燃气罐通过燃料供给管连通于阳极入口；气水分离器，连接于电堆的阳极出口；电磁阀，设置在燃料供给管上；比例阀，设置在燃料供给管上；循环泵，循环泵的输入端连接于气水分离器，输出端连接于燃料供给管；引射器，引射器的输入端连接于循环泵的输入端，输出端连接于燃料供给管，引射器于燃料供给管的连接处位于比例阀和循环泵与燃料供给管的连接处之间。

在上述任一技术方案中，进一步地，加热组件还包括：换热板，连通于热交换器的输出端，引射器设置在换热板上。

在上述任一技术方案中，进一步地，温控组件包括：供液管道，供液管道的一端连通于入液口，另一端连通于出液口；泵，设置在供液管道上。

在上述任一技术方案中，进一步地，温控组件还包括：四通阀，设置在供液管道上；其中，热交换器为气液两相热交换器，气液两相热交换器的进气口连通于燃烧室，四通阀的第一阀口连通于气液两相热交换器的进水口，气液两相热交换器的出水口连通于供液管道；其中，四通阀的第二阀口用于连接至车辆的散热器。

在上述任一技术方案中，进一步地，还包括：混排器，混排器的输入端连接于阴极出口、阳极出口和热交换器的出气口。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：本发明提供的燃料电池系统，可以将燃气和空气供给到燃烧室内，燃烧室产生的热量输送至热交换器，热交换器即可对温控组件内的介质进行加热，进而通过温控组件即可为电堆进行升温、化冰。该燃料电池系统通过燃料电池自身的资源作为放热原，无需配备而外的动力电池，能够改善整车的布置空间，降低正常成本。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一些实施例的燃料电池系统的结构示意图。

其中，图1中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1电堆、2空气供给组件、3燃气供给组件、4温控组件、5加热组件、6蓄电池、7混排器、8背压阀、9燃气排放阀；

101阴极入口、102阳极入口、103阴极出口、104阳极出口；

201空滤、202空压机、203中冷器；

301燃气罐、302气水分离器、303电磁阀、304比例阀、305循环泵、306引射器、307换热板；

401供液管道、402泵、403四通阀；

501燃烧室、502热交换器、504燃气供给管、505空气供给管、506减压阀、507第一开关阀、508第二开关阀、509喷射器、510阻火器、511单向阀、512第一流量计、513第二流量计、514点火件。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步地详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1描述根据本发明一些实施例的燃料电池系统。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种燃料电池系统，包括：电堆1；空气供给组件2，连通于电堆1的阴极入口101；燃气供给组件3，连接于电堆1的阳极入口102；温控组件4，温控组件4的输出端连通于电堆1的入液口，输入端连接于电堆1的出液口；加热组件5，加热组件5包括燃烧室501和热交换器502，燃烧室501连通于空气供给组件2和燃气供给组件3，燃烧室501的输出端连接于热交换器502，热交换器502的输出端连接于温控组件4。

本发明提供的燃料电池系统，在工作过程中，燃气通过燃气供给组件3进入到电堆1的阳极入口102，空气通过空气供给组件2进入到电堆1的阴极入口101，燃气和空气发生氧化还原反应生成水并发电。进一地，燃气可以为氢气，该燃料电池系统具备高能量密度、高能量转化率，且更为环保，具有工作温度低、启动速度快和工作效率高的优点。

本发明提供的燃料电池系统，考虑到在寒冷地区或在冬季时，电堆1内通过化学反应生产的水容易结冰，在需要进行化冰或电堆1升温控制时，通过空气供给组件2将空气供给至加热组件5的燃烧室501，通过燃气供给组件3将燃气供给至燃烧室501，燃气和空气在燃烧室501内引燃，产生的热量输送至热交换器502，热交换器502即可为温控组件4进行加热，而后温控组件4内的介质通过入夜口流入电堆1，与电堆1进行换热后的介质通过出液口返回流出，如此即可为电堆1进行除冰或升温。除冰或控制电堆1升温无需依赖于动力电池，能源取至于燃料电池系统发电所需的燃气和空气，能够改善整车的布置空间，降低正常成本，同时能够提高电堆1的除冰和升温效率。

另外，本发明提供的上述技术方案中的燃料电池系统还可以具有如下附加技术特征：

如图1所示，在上述实施例中，进一步地，加热组件5还包括：燃气供给管504，燃气供给管504的一端连接于燃气供给组件3燃气供给组件3，另一端连通于燃烧室501；空气供给管505，空气供给管505一端连接于空气供给组件2，另一端连通于燃烧室501；减压阀506和第一开关阀507，设置在燃气供给管504上；第二开关阀508，设置在空气供给管505上；喷射器509，设置在燃气供给管504，位于第一开关阀507和实施燃烧室501之间。

在该实施例中，燃烧室501通过燃气攻击管连通于燃气供给组件3，通过空气供给管505连通于空气供给组件2，便于燃气和空气供给至燃烧室501。

在该实施例中，在燃气供给管504上设置了减压阀506和第一开关阀507，通过第一开关阀507可以控制燃气供给管504的开启和关闭，通过减压阀506的设置能够降低燃气压力，避免燃气损坏燃气供给管504或燃烧室501。进一步的，减压阀506用于将供给至燃烧室501的燃气压力降低至10MPa或10MPa以下。

在该实施例中，在空气供给管505上设置了第二开关阀508，通过第二开关阀508的设置便于控制空气供给管505的开启和闭合。

在该实施例中，燃气供给管504上设置了喷射器509，通过喷射器509将燃气供给至燃烧室501，便于控制燃气供给的压力和空燃比，以保障燃气的重复燃烧，具备良好的燃气利用率。具体地，通过喷射器509喷出的燃气压力为8MPa，空燃比为40至70：1。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，加热组件5还包括：阻火器510，设置在燃气供给管504上，位于喷射器509和实施第一开关阀507之间；单向阀511，设置在燃气供给管504上，使得燃气仅能够通过燃气供给组件3供给至燃烧室501；第一流量计512，设置在燃气供给管504上；和/或第二流量计513，设置在空气供给管505道上。

在该实施例中，燃气供给管504上设置了阻火器510，通过阻火器510的设置，可以阻断燃烧室501中的火焰逆流至上游，避免上游燃气燃烧而引发火灾。

在该技术方案中，燃气供给管504上设置了单向阀511，通过单向阀511的设置能够避免燃气逆流，使得燃料电池系统使用更为安全。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，加热组件5还包括：至少两个点火件514，至少两个点火件514分布在燃烧室501内，点火组件用于连接于车辆的蓄电池6。

在该实施例中，加热器组件包括了至少两个点火件514，通过两个点火件514引入燃烧室501内的燃气，能够使燃烧室501内形成强烈的涡流，火焰传播速度快，可以缩短燃烧时间，进一步提高燃烧效率，同时可以防止点火失败，保障了燃烧的可靠性。

具体地，点火件514可以为火花塞，通过车辆的蓄电池6即可为火花塞进行供电以引燃燃气，使得燃料电池系统的点火控制更为方便。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，空气供给组件2包括：空滤201；空压机202，连接于空滤201；中冷器203，中冷器203的输出端连接于空压机202，输出端连接于阴极入口101；其中，空压机202的输出端连通于燃烧室501。

在该实施例中，空气供给组件2包括了空滤201、空压机202和中冷器203，通过空滤201的设置能够滤除空气中的灰尘和杂质，通过空压机202的设置能够提高空气供给的压力，通过中冷器203的设置能够降低压缩后的空气的温度，使得燃料电池系统使用更为安全。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，燃气供给系统包括：燃气罐301，燃气罐301通过燃料供给管连通于阳极入口102；气水分离器302，连接于电堆1的阳极出口104；电磁阀303，设置在燃料供给管上；比例阀304，设置在燃料供给管上；循环泵305，循环泵305的输入端连接于气水分离器302，输出端连接于燃料供给管；引射器306，引射器306的输入端连接于循环泵305的输入端，输出端连接于燃料供给管，引射器306于燃料供给管的连接处位于比例阀304和循环泵305与燃料供给管的连接处之间。

在该实施例中，燃气供给系统包括了燃气罐301、气水分离器302、电磁阀303、比例阀304、循环泵305和引射器306。燃气罐301通过电磁阀303和比例阀304连通于电堆1的阳极入口102，通过电磁阀303的设置能够控制燃料供给管的开启或关闭，通过比例阀304的设置能够控制燃气的供给压力。

在该实施例中，考虑到电堆1中可能存在部分未燃烧的氢气，因此将气水分离器302连接于电堆1的阳极出口104，气水分离器302将氢气和水进行分离，分离获取到的部分氢气通过循环泵305返回至燃料供给管以进入电堆1继续使用，另外一部分氢气通过引射器306进入到燃料供给管，如此设置可以进一步提高燃气的利用率。

具体地，通过引射器306和循环泵305共同使用能够确保燃气顺利返回至燃料供给管。进一步的，循环泵305可以为具有除冰功能的循环泵305。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，加热组件5还包括：换热板307，连通于热交换器502的输出端，引射器306设置在换热板307上。

在该实施例中，考虑到气水分离器302分离出的气体中可能含有部分水汽，这部分水汽进入到引射器306后有可能在引射器306内结冰，因此本发明设置了换热板307，通过换热板307的设置可以为引射器306进行升加热，以实现除冰、升温效果。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，温控组件4包括：供液管道401，供液管道401的一端连通于入液口，另一端连通于出液口；泵402，设置在供液管道401上。

在该实施例中，供液管道401内可以存储介质，通过开启泵402即可带动介质进入电堆1进行换热，换热后的介质通过电堆1的出液口即可返回值供液管道401。

具体地，介质可以为水。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，温控组件4还包括：四通阀403，设置在供液管道401上；其中，热交换器502为气液两相热交换器502，气液两相热交换器502的进气口连通于燃烧室501，四通阀403的第一阀口连通于气液两相热交换器502的进水口，气液两相热交换器502的出水口连通于供液管道401；其中，四通阀403的第二阀口用于连接至车辆的散热器。

在该实施例中，热交换器502为气液两相热交换器502，燃烧室501内燃气燃烧产生的高温气体为换热器内的液体进行加热，加热后的液体通过四通阀403进入到供液管道401，在泵402的作用下即可进入电堆1为电堆1进行升温或除冰。

在该实施例中，四通阀403的第二阀口连接至车辆的散热器，在电堆1需要降温时，供液管道401内的介质可以流向车辆的散热器，而后再返回至电堆1，如此即可实现电堆1的降温。

如图1所示，在上述任一实施例中，进一步地，还包括：混排器7，混排器7的输入端连接于阴极出口103、阳极出口104和热交换器502的出气口。

在该实施例中，通过混排器7的设置，电堆1的阴极出口103、阳极出口104和热交换器502的出气口，未燃烧完全的氢气、空气和排出的水分经由混排器7排出，燃料电池系统，能够将气体充分混合，降低混合气体中氢气的体积浓度，并安全地排向大气，避免因氢气浓度过高而产生爆炸的风险。

具体地，混排器7可以通过背压阀8连通于电堆1的阴极出口103，通过燃气排放阀9连通于气水分离器302的出液端，连通于热交换器502的出气口。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”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；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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 (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

电堆；

空气供给组件，连通于所述电堆的阴极入口；

燃气供给组件，连接于所述电堆的阳极入口；

温控组件，所述温控组件的输出端连通于所述电堆的入液口，输入端连接于所述电堆的出液口；

加热组件，所述加热组件包括燃烧室和热交换器，所述燃烧室连通于所述空气供给组件和所述燃气供给组件，所述燃烧室的输出端连接于所述热交换器，所述热交换器的输出端连接于所述温控组件。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热组件还包括：

燃气供给管，所述燃气供给管的一端连接于所述燃气供给组件燃气供给组件，另一端连通于所述燃烧室；

空气供给管，所述空气供给管一端连接于所述空气供给组件，另一端连通于所述连通于所述燃烧室；

减压阀和第一开关阀，设置在所述燃气供给管上；

第二开关阀，设置在所述空气供给管上；

喷射器，设置在所述燃气供给管，位于所述第一开关阀和实施燃烧室之间。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热组件还包括：

阻火器，设置在所述燃气供给管上，位于所述喷射器和实施第一开关阀之间；

单向阀，设置在所述燃气供给管上，使得燃气仅能够通过所述燃气供给组件供给至所述燃烧室；

第一流量计，设置在所述燃气供给管上；和/或

第二流量计，设置在所述空气供给管道上。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热组件还包括：

至少两个点火件，至少两个所述点火件分布在所述燃烧室内，所述点火组件用于连接于车辆的蓄电池。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述空气供给组件包括：

空滤；

空压机，连接于所述空滤；

中冷器，所述中冷器的输出端连接于所述空压机，输出端连接于所述阴极入口；

其中，所述空压机的输出端连通于所述燃烧室。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃气供给系统包括：

燃气罐，所述燃气罐通过燃料供给管连通于所述阳极入口；

气水分离器，连接于所述电堆的阳极出口；

电磁阀，设置在所述燃料供给管上；

比例阀，设置在所述燃料供给管上；

循环泵，所述循环泵的输入端连接于所述气水分离器，输出端连接于所述燃料供给管；

引射器，所述引射器的输入端连接于所述循环泵的输入端，输出端连接于所述燃料供给管，所述引射器于所述燃料供给管的连接处位于所述比例阀和所述循环泵与所述燃料供给管的连接处之间。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热组件还包括：

换热板，连通于所述热交换器的输出端，所述引射器设置在所述换热板上。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述温控组件包括：

供液管道，所述供液管道的一端连通于所述入液口，另一端连通于所述出液口；

泵，设置在所述供液管道上。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述温控组件还包括：

四通阀，设置在所述供液管道上；

其中，所述热交换器为气液两相热交换器，所述气液两相热交换器的进气口连通于所述燃烧室，所述四通阀的第一阀口连通于所述气液两相热交换器的进水口，所述气液两相热交换器的出水口连通于所述供液管道；

其中，所述四通阀的第二阀口用于连接至车辆的散热器。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：

混排器，所述混排器的输入端连接于所述阴极出口、所述阳极出口和所述热交换器的出气口。

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