CN112652788A - 燃料电池系统 - Google Patents

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胡哲
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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其包括：燃料电池堆子系统包括多个电池堆单元，每个电池堆单元级联一个DC/DC模块；氢气供应子系统为并置的每个电池堆单元供氢；空气供应子系统为并置的每个电池堆单元供应空气；水热管理子系统控制每个电池堆单元内的温度和湿度；电功率管理子系统根据运行时的动态工况控制每个电池堆单元的输出电功率。本发明的燃料电池系统，其氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统和电功率管理子系统集成于燃料电池堆子系统，无需针对燃料电池堆子系统内各个电池堆单元而设置独立的、已有技术的供氢单元、空气供应单元、水热管理单元和电功率管理单元，可拓宽已有电堆产品的应用面，提供更高的系统性能。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池系统。
背景技术
单燃料电池其电压及功率满足不了实际应用的需要，因此，通常采用一个由单电池堆积成的燃料电池电堆和与其匹配的氢气供应、空气供应、水热管理和电功率管理等辅助单元构成一个燃料电池系统的方案。某一功率等级的燃料电池电堆和系统关键零部件(如专用的空压机、DC/DC转换器等)的研发、生产制造耗时长且成本极高，目前可满足实际应用场景的、已有的电堆及系统关键零部件只能集成一个120kW以下的燃料电池系统，且其中所用的一个电堆一旦出现性能衰减或停机故障，即导致整个燃料电池系统性能衰减或停机。
面对更大电功率需求的应用场景时，已有的解决方案是1)专门研发、生产制造更高功率等级的电堆和系统关键零部件，集成一套燃料电池系统；2)采用两套或以上的燃料电池系统，各配置一个已有技术的电堆和一套已有技术的辅助系统。其中，方案1)耗时长且成本极高，不利于快速拓宽燃料电池技术应用；方案2)仅是两套或以上的燃料电池系统的电气组合，其所需零部件多，成本高。
因此，需要一种易于拓展应用且成本低的燃料电池系统。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的特征，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，用于增强和优化燃料电池电堆及系统的拓展应用和系统部件的通用性。
为实现或者至少接近以上技术目的，本发明提供一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池堆子系统，包括多个并置的电池堆单元，每个电池堆单元级联一个相应的 DC/DC模块；
氢气供应子系统，包括氢气输入共轨和氢气输出共轨，氢气输入共轨的一端连接氢气源组件，氢气输入共轨的另一端与每个所述电池堆单元分别通过输氢支管和氢气喷嘴相连，为每个电池堆单元供氢；氢气输出共轨的一端连接各电池堆单元的排氢支管，氢气输出共轨的另一端连接一个氢气循环装置，氢气循环装置将部分余氢加压循环至氢气输入共轨中；
空气供应子系统，包括空气源组件、进气支管、排气支管及节气门、排气共轨及排气阀门，空气源组件与每个所述电池堆单元分别通过进气支管相连，为每个电池堆单元供应空气，每个所述电池堆单元对应连接一个排气支管及节气门，所有排气支管与排气共轨相连，排气共轨上设有排气阀门；
水热管理子系统，用于控制每个电池堆单元内的温度和湿度，包括散热器和冷却液管路，散热器通过冷却液管路与各个电池堆单元构成冷却循环回路，从散热器流出的冷却液分流后进入每个所述电池堆单元，经所述电池堆单元后返回散热器；
电功率管理子系统，与DC/DC模块相连，根据运行时的动态工况，动态组合每个电池堆单元的输出电功率，以控制燃料电池系统的总输出电功率。
本发明的燃料电池系统其氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统和电功率管理子系统集成于燃料电池堆子系统，无需针对燃料电池堆子系统内各个电池堆单元而设置独立的、已有技术的供氢单元、空气供应单元、水热管理单元和电功率管理单元，无需开发和使用尚未问世的、更高功率的燃料电池电堆及相应的系统部件(如空压机)，可拓宽已有电堆产品的应用面，提供更高的系统性能。
优选的，所述燃料电池堆子系统中所述电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率根据实际应用场景和DC/DC模块的负载需求来确定。更进一步的，所述电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率的控制方式包括：功率等额分配、Daisy链式分配和功率优化分配。电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率根据实际应用场景和DC/DC模块的负载需求来进行优化处理，使整个燃料电池堆子系统更高效。
优选的，所述氢气源组件包括串联的高压氢瓶和调压装置，所述调压装置与所述氢气输入共轨的一端相连。
优选的，所述空气源组件包括空气稳压缓冲管以及将环境空气增压至空气稳压缓冲管中的空气增压装置，所述空气稳压缓冲管与所述进气支管相连。
优选的，所述空气供应子系统还包括增湿冷却装置，所述空气稳压缓冲管与增湿冷却装置相连，所述散热器与所述增湿冷却装置通过管路相连构成增湿循环回路，所述增湿冷却装置为中冷器和/或增湿器。
优选的，所述空气供应子系统还包括设于所述空气稳压缓冲管上的空气压力传感器。
优选的，所述水热管理子系统还包括水箱和水泵、冷却液混合器，水箱中设置有加热装置，加热装置用于在系统冷启动时通过加热冷却液减小冷启动的时间；所述散热器的出口、水箱和水泵通过冷却管路相连，冷却液混合器与散热器的进口相连，所述增湿循环回路中的冷却液和所述冷却循环回路中的冷却液经所述冷却液混合器混合后再返回所述散热器。
优选的，所述散热器通过冷却液支路与所述电池堆单元相连，冷却液支路上在进电池堆单元之前设置有阀门，阀门用于控制进入电池堆单元的冷却液流量和压力。
附图说明
图1显示为本发明的燃料电池系统应用场景统计下电负载功率概率分布图。
图2显示为本发明的燃料电池系统的原理框图。
图3显示为燃料电池发电系统中氢气供应子系统的示意图。
图4显示为燃料电池发电系统中空气供应子系统的示意图。
图5显示为燃料电池发电系统中水热管理子系统的示意图。
图6显示为燃料电池发电系统中电功率管理子系统的示意图。
元件标号说明
1 燃料电池堆子系统
2 氢气供应子系统
3 空气供应子系统
5 DC/DC模块
6 电功率管理子系统
11 电池堆单元
21 高压氢瓶
22 氢气输入共轨
23 氢气进出模块
24 氢气输出共轨
25 管路
26 循环泵
27 调压装置
31 空气增压装置
32 空气稳压缓冲管
33 排气共轨
34 排气阀门
35 空气进出模块
36 增湿冷却装置
41 散热器
42 冷却液混合器
43 水箱
44 水泵
45 冷却液旁通阀
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2至图6所示，本发明提供一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池堆子系统1，包括多个电池堆单元11，若电池堆单元11为多个时所有电池堆单元 11空间并排设置，每个电池堆单元11级联一个DC/DC模块5；
氢气供应子系统2，见图3所示，包括氢气输入共轨22和氢气输出共轨24，氢气输入共轨22的一端连接氢气源组件，氢气输入共轨22的另一端与每个所述电池堆单元11分别通过输氢支管和氢气喷嘴(见图3中的模块23，其代表每个电池堆单元11的氢气进出模块)相连，为每个电池堆单元11供氢；氢气输出共轨24的一端连接各电池堆单元11的排氢支管，氢气输出共轨24的另一端通过管路25连接一个氢气循环装置26，氢气循环装置26将部分余氢加压循环至氢气输入共轨22中；
空气供应子系统3，见图4所示，包括空气源组件、进气支管35、排气支管及节气门、排气共轨33及排气阀门34，空气源组件与每个所述电池堆单元11分别通过进气支管分别相连(见图4中模块35，其代表每个电池堆单元11中空气进出模块)，为每个电池堆单元11 供应空气，每个所述电池堆单元11对应连接一个排气支管及节气门，所有排气支管与排气共轨33相连，排气共轨33上设有排气阀门34；
水热管理子系统，见图5所示，用于控制每个电池堆单元11内的温度和湿度，包括散热器41和冷却液管路，散热器41通过冷却液管路与各个电池堆单元11构成冷却循环回路，从散热器41流出的冷却液分流后进入每个所述电池堆单元11，经所述电池堆单元11后返回散热器41；
电功率管理子系统，与DC/DC模块5相连，根据运行时的动态工况，动态组合每个电池堆单元11的输出电功率，以控制燃料电池系统的总输出电功率。
本发明的燃料电池系统其可根据输出功率需要来设置电池堆单元11的个数，另外，所有电池堆单元11共同采用氢气输入共轨22和空气源组件来获取氢气和空气，氢气输入共轨22 和氢气输出共轨24、空气源组件和排气共轨33的设置便于控制，使供氢、供空气的压力平衡，延长燃料电池的寿命；本发明的燃料电池系统其使氢气供应子系统2、空气供应子系统3 和水热管理子系统、电功率管理子系统6与燃料电池堆子系统1高集成化，无需针对电池堆单元11的数量而增加供氢系统、空气供应系统和水热管理系统的个数，提供了更高的运行效率，避免了为不同电功率需求的应用场景，研发、生产专用的电池堆及其辅助配件或组合多套独立的燃料电池系统，从而降低研发和制造成本，加快和拓宽燃料电池应用。
燃料电池堆子系统
本实施例中每个电池堆单元11可以由二个以上电池单体串联而成，每个电池堆单元11 级联一个DC/DC模块5。见图2所示，燃料电池堆子系统1其可由二个以上电池堆单元11空间并置而成。本实施例采用串联与并联共同使用的连接方式，其目的在于：如果单纯的将电池单体之间通过串联的方式进行连接，实现简单，但发生故障的风险很高，若其中任何一个电池单体内部发生故障，因其与其它电池单体通过串联方式连接，整个燃料电池系统都会发生故障，无法输出功率，不符合实际的应用情境；如果将所有电池单体之间通过并联的方式进行连接，实现复杂，每一个电池单体都需要配备一个DC/DC变压器，且质子交换膜燃料电池输出的功率具有低电压高电流的工作特性，对现有车用DC/DC的输入输出范围提出新的要求，因而对于电池单体的输出功率要求变大。本实施例中，每个电池堆单元11不仅实现独立的开关，同时使得其输出特性可以独立控制；某一个电池堆单元11损坏或者发生故障，并不影响其余电堆单元的正常输出功率。
本实施例可根据应用场景和有源电路实际负载需求灵活组合，包括但不仅限于：功率等额分配、Daisy链式分配和功率优化分配。在实际应用场景和有源电路负载需求确定的条件下，根据负载所需功率，灵活调整电池堆单元11的个数以配合不同的能量优化分配策略。功率等额分配，即：在需求功率为P时，分成N个电池堆单元11，每个电池堆单元11输出功率为 P/N。Daisy链式分配，则根据有源电路的实际负载需求，每个模块按照其最大效率排序首先开启最大效率最高的模块，如果其输出功率无法满足需求功率时，再逐级往下开启。功率优化分配，首先确定出应用场景统计下的电负载功率分布情况，进而确定出最优的电池堆单元功率分配情况，对燃料电池系统电负载功率在各个电池堆单元11中的分配进行优化，按照优化的结果确定各个电池堆单元的功率输出。
本实施例中燃料电池系统的电负载功率由特定车辆在特定场景下的电负载功率统计信息确定。选择市场上成熟的电池堆单元11产品，不同的电池堆单元11具有不同的特性，包括但不限于寿命特性、效率特性、成本特性等。根据这些电池堆单元11特性和效率、寿命、全生命周期成本等优化目标，建立电池堆单元11额定功率分配和燃料电池系统电负载功率分配最优化决策模型，根据需求的电池堆单元11个数，确定最优的电池堆单元11分配方案和燃料电池系统需求功率分配方案。
空气供应子系统
本实施例中采用同一空气源组件向每个电池堆单元11供应空气，为进一步稳定压力平衡，本实施例中空气源组件包括空气稳压缓冲管32以及将环境空气增压至空气稳压缓冲管32中的空气增压装置31，所述空气稳压缓冲管32通过进气支管与电池堆单元11相连。空气稳压缓冲管32作为总的空气输入单元，其便于对每个电池堆单元11稳定供气，便于调节。
上述空气供应子系统还包括增湿冷却装置，见图5所示，空气稳压缓冲管32与增湿冷却装置相连，散热器41与增湿冷却装置通过管路相连构成增湿循环回路，增湿冷却装置为中冷器和/或增湿器。本实施例中空气稳压缓冲管32可为一管道，即通过该管道实现向每个电池堆单元11集中供应空气，其提高输送其他的平稳性，以便与供氢系统集中调控。通过增湿冷却装置
上述空气供应子系统3的一具体实施例，其包括：空压机(作为上述空气增压装置31)、中冷器和膜增湿器(中冷器和膜增湿器作为上述增湿冷却装置36)，空气稳压缓冲管32与各个电池堆单元11连接。上述空气供应子系统3还包括空气流量传感器、空气湿度传感器、空气压力传感器和空气温度传感器，空气压力传感器设于所述空气稳压缓冲管32上。空压机的入口连有空气滤清器和消音器。
各电池堆单元11通过排气管与上述排气共轨33相连，排气共轨33与膜增湿器36相连，在膜增湿器36之后设有排气阀门34，使出堆空气进入膜增湿器36增湿后作为入堆空气，可以输送至各电池堆单元11中。
本实施例中空气稳压缓冲管32分出一支路连接上述中冷器101，上述水热管理子系统分出一支路，该支路将中冷器和散热器41相连，构成增湿循环回路，实现冷却液与空气供应子系统3中的空气换热降温，提高水热管理子系统的效率。
氢气供应子系统
作为氢气供应子系统2的一具体实施例，上述氢气源组件包括串联的高压氢瓶21和调压装置27，调压装置27与氢气输入共轨22的一端相连，氢气输入共轨22的另一端与每个电池堆单元11分别通过输氢支管和氢气喷嘴相连。各个电池堆单元11的排氢管与氢气输出共轨24相连。本实施例稳定高压氢瓶21内的压力平衡，使得入堆后的反应气体和供应空气的压力保持一致，使氢气进入各电池堆单元11的压力一致，且满足入堆的阳极压力需求，延长燃料电池的寿命。本实施例中氢气输入共轨22、氢气输出共轨24可为管道。调压装置27可为减压阀，在输氢管和减压阀上还设有压力传感器和温度传感器。
本实施例中各电池堆单元11的出堆氢气进入排氢管，经氢气输入共轨22汇合后，通过管路25经循环泵26后与氢气输入共轨22相连，即各电池堆单元11排出的氢气经处理后循环至氢气输入共轨22内，与氢气源组件输入的氢气混合，稳定压力后集中为各电池堆单元 11供氢。
水热管理子系统
见图5所示，作为水热管理子系统的一具体实施例，本实施例中包括散热器41、水箱43、止回阀和水泵44、冷却液混合器42和大循环旁通阀、冷却液旁通阀45，本实施例中散热器 41的出口与水箱43相连，水箱43中设置有加热装置，可以在系统冷启动时通过加热装置加热冷却液来减小冷启动的时间。水箱43、止回阀和水泵44依次通过冷却管路相连，冷却管路经冷却液旁通阀45分为两路，依次形成上述冷却循环回路和增湿循环回路，其中一路与上述空气供应子系统3中的中冷器相连再与上述冷却液混合器42相连；另一路分为多个支路与上述各电池堆单元11相连，最后所有出电池堆单元11的支路与上述冷却液混合器42相连，冷却液混合器42经大循环旁通阀与散热器41的进口相连，实现了冷却液的循环。本实施例中从散热器41流出的冷却液通过冷却液旁通阀45进行分流，一部分分流进入各电池堆单元 11，对电池堆单元11进行冷却，出堆后通过冷却液混合器42经过大循环旁通阀返回散热器 41进行降温，另一部分进入中冷器再次降温，然后通过冷却液混合器42经过大循环旁通阀返回散热器41。
本实施例水热管理子系统里面具有两路循环，其中一路利用了空气供应子系统3中的空气，使冷却液进一步降温，提高了降温效果，减少运行损耗，从而提高了冷却系统的整体效率。本实施例利用空气供应子系统3原有的中冷器进行冷却液的再次降温，提高了降温效果和中冷器利用率，减少运行损耗，从而提高了冷却系统的整体效率。
本实施例散热器41通过冷却液支路与电池堆单元11相连，冷却液支路上在进电池堆单元11之前设置有阀门，阀门用于控制进入电池堆单元11的冷却液流量和压力。
电功率管理子系统
作为电功率管理子系统的一具体实施例，以某一款商用车为例，在其行驶场景下，对不同电池堆单元11数量下的电池堆单元11额定功率分配方案进行求解，同时在最优的电池堆单元11额定功率分配方案下得出每个电池堆单元11在不同燃料电池系统电负载功率需求下的最优输出功率分配方案。当燃料电池系统最大电负载功率为240kW时，传统燃料电池系统必须配备240kW的电池堆单元11，本实施例的系统根据最优化决策模型求解结果，可以设置40kW、100kW、100kW三个电池堆单元11或者10kW，30kW，100kW，100kW四个电池堆单元11。根据不同的电池堆单元11分配方案，可以不同场景下的行驶过程中不同电负载功率对应的功率分配方案，在行驶过程中实时分配最优的电负载功率给各个子电堆。同时由于氢气输出共轨22和空气稳压缓冲管32的缓冲和补偿作用，本申请中的空气增压装置31和循环泵26等辅助负载比传统的燃料电池系统中空气增压装置31和循环泵26等辅助负载具有更小的功率消耗。
本实施例根据实际负载需求，灵活调整电池单体组合方式(指电池单体先串联后并联) 的方案，通过将反应气体通过共轨的方式(即引入氢气输入共轨22和空气稳压缓冲管32，实现所有电池堆单元11共同输送反应气体)在物质流层面实现高效输送；通过有源电路的实际需求负载所需功率，灵活调整电堆的组合方式。综合下来，使得燃料电池系统在提供反应气体(包括氢气和空气)的系统中减少冗余的输送管道，机械层面降低故障率，提高稳定性，控制层面减少了变量，从原来对每个电池堆的入堆气体控制，变成只需控制氢气输入共轨22 和空气稳压缓冲管32的入堆压力即可，减少了控制器的控制对象，一定程度上简化控制策略，同时，因电池单体组合方式是根据实际负载需求所决定，因此可根据实际负载需求的具体应用场景，组合出高效运行的多堆系统。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池堆子系统，包括多个并置的电池堆单元，每个电池堆单元级联一个DC/DC模块；
氢气供应子系统，包括氢气输入共轨和氢气输出共轨，氢气输入共轨的一端连接氢气源组件，氢气输入共轨的另一端与每个所述电池堆单元分别通过输氢支管和氢气喷嘴相连，为每个电池堆单元供氢；氢气输出共轨的一端连接各电池堆单元的排氢支管，氢气输出共轨的另一端连接一个氢气循环装置，氢气循环装置将部分余氢加压循环至氢气输入共轨中；
空气供应子系统，包括空气源组件、进气支管、排气支管、排气共轨及排气阀门，空气源组件与每个所述电池堆单元分别通过进气支管分别相连，为每个电池堆单元供应空气，每个所述电池堆单元对应连接一个排气支管，所有排气支管与排气共轨相连，排气共轨上设有排气阀门；
水热管理子系统，用于控制每个电池堆单元内的温度和湿度，包括散热器和冷却液管路，散热器通过冷却液管路与各个电池堆单元构成冷却循环回路，从散热器流出的冷却液分流后进入每个所述电池堆单元，经所述电池堆单元后返回散热器；
电功率管理子系统，与DC/DC模块相连，根据运行时的动态工况，动态组合每个电池堆单元的输出电功率，以控制燃料电池系统的总输出电功率。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池堆子系统中所述电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率根据实际应用场景和DC/DC模块的负载需求来确定。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：所述电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率的设计方式包括：功率等额分配、Daisy链式分配和功率优化分配。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述氢气源组件包括串联的高压氢瓶和调压装置，所述调压装置与所述氢气输入共轨的一端相连。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述空气源组件包括空气稳压缓冲管以及将环境空气增压至空气稳压缓冲管中的空气增压装置，所述空气稳压缓冲管与所述进气支管相连。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于：所述空气稳压缓冲管与增湿冷却装置相连，所述散热器与所述增湿冷却装置通过管路相连构成增湿循环回路，所述增湿冷却装置为中冷器和/或增湿器。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于：所述空气供应子系统还包括设于所述空气稳压缓冲管上的空气压力传感器。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于：所述水热管理子系统还包括水箱和水泵、冷却液混合器，水箱中设置有加热装置，加热装置用于在系统冷启动时通过加热冷却液减小冷启动的时间；所述散热器的出口、水箱和水泵通过冷却管路相连，冷却液混合器与散热器的进口相连，所述增湿循环回路中的冷却液和所述冷却循环回路中的冷却液经所述冷却液混合器混合后再返回所述散热器。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述散热器通过冷却液支路与所述电池堆单元相连，冷却液支路上在进电池堆单元之前设置有阀门。
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