CN112993314B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括电堆、氢气供给系统以及气液分离器；所述氢气供给系统包括第一管路，所述第一管路与所述电堆阳极的入口连接；所述气液分离器的流体入口与所述电堆阳极的出口连接；所述第一管路包括吸热段，所述吸热段位于所述气液分离器处，所述第一管路内的氢气吸收所述气液分离器的热量。本发明提供的燃料电池系统利用气液分离器加热氢气，结构简单。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，燃料可以为氢气。

燃料电池系统包括电堆以及空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统、气液分离器等。氢气供给系统与电堆阳极的入口连接以提供氢气，空气供给系统与电堆阴极入口连接，以提供氧气。氢气与氧气在电堆处发生反应生成电流。在电堆阳极侧出口处排出含有氢气的混合流体，混合流体进入气液分离器，并分离出氢气和水，氢气导入氢气供给系统重复利用。

氢气供给系统中的氢气温度较低，而从电堆阳极侧排出的氢气温度高，两部分氢气混合时，会造成氢气中的水汽凝结为液态水，液态水进入电堆会损伤电堆。因此，常在氢气供给系统中的注氢管路上设置热交换器，以提高注氢管路内的氢气温度。热交换器内设有氢气流道和供换热介质流通的流道。

通过设置热交换器提高注氢管路中氢气温度的方式，会导致燃料电池系统结构复杂。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种燃料电池系统，通过气液分离器加热氢气，防止液体水进入电堆，结构简单。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种燃料电池系统，其包括：电堆、氢气供给系统以及气液分离器；所述氢气供给系统包括第一管路，所述第一管路与所述电堆阳极的入口连接；所述气液分离器的流体入口与所述电堆阳极的出口连接；所述第一管路包括吸热段，所述吸热段位于所述气液分离器处，所述第一管路内的氢气吸收所述气液分离器的热量。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述吸热段围设在所述气液分离器至少部分外壁的外侧。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述气液分离器包括圆柱状的壳体，所述吸热段沿所述壳体的轴向螺旋盘绕，使得吸热段围设在圆柱状壳体周向的外侧，覆盖面积大，换热效率高。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述吸热段入口与所述流体入口位于所述壳体的同一端。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述氢气供给系统还包括氢喷阀，所述氢喷阀设置在所述第一管路上。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统还包括第二管路，所述第二管路第一端与所述气液分离器的排气口连通，所述第二管路第二端与所述第一管路连通。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述第二管路上还设有循环泵，便于气液分离器分离出的氢气在第二管路内流动。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统还包括引射器，所述引射器设置在所述第一管路上，所述引射器位于所述氢喷阀与所述电堆之间，所述第二管路第二端与所述引射器连接。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述电堆包括多个堆叠设置的单体电池，所述单体电池包括膜电极组件和两个极板，两个所述极板设置在所述膜电极组件的两侧；其中一个所述极板靠近所述膜电极组件的侧面设有供氢气流通的第一流道，所述第一管路与所述第一流道的入口连通，所述气液分离器的流体入口与所述第一流道的出口连通。

如上所述的燃料电池系统，其中，所述膜电极组件包括：质子交换膜以及催化层、扩散层；所述催化层的个数为两个，并分别贴合在所述质子交换膜的两侧面上；所述扩散层的个数为两个，并分别贴合在两个所述催化层的外侧面上。

与现有技术相比，本发明实施例提供的燃料电池系统具有如下优点：燃料电池系统包括电堆、氢气供给系统以及气液分离器，氢气供给系统设有与电堆连接的第一管路，以向电堆的阳极侧导入燃料氢气，气液分离器位于电堆阳极侧的出口，用于分离阳极侧出口排出的流体，并得到分离出的氢气与液态水，液态水可以通过燃料电池系统的冷却系统进行处理，分离出的氢气可以重新导入第一管路内，重复利用。其中，燃料电池中的氢气与氧气发生反应时会释放热量，从阳极侧排出的混合流体温度较高，进而导致气液分离器温度较高，本发明实施例的第一管路中的吸热段位于气液分离器处，用于吸收气液分离器的热量，提高第一管路中氢气的温度，避免氢气供给系统提供的氢气与气液分离器分离的氢气混合时，氢气中的水汽凝结呈液态水，液态水进入电堆，结构简单。

除了上面所描述的本发明实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明实施例提供的燃料电池系统所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；

图2为图1中气液分离器与吸热段的结构示意图一；

图3为图1中气液分离器与吸热段的结构示意图二；

图4为图1中电堆的结构示意图。

附图标记：

10：电堆；

11：膜电极组件；

111：质子交换膜；

112：催化层；

113：扩散层；

12：极板；

21：第一管路；

211：吸热段；

212：第一连接管路；

213：第二连接管路；

22：氢喷阀；

23：引射器；

31：气液分离器；

311：流体入口；

312：排气口；

313：排液口；

32：第二管路；

33：循环泵。

具体实施方式

为了使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

燃料电池系统具有氢气供给系统和空气供给系统，以分别为电堆提供氢气和氧气，其中氢气供给系统对应电堆的阳极侧，空气供给系统对应电堆的阴极侧。

图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的结构示意图，图2为图1中气液分离器与吸热段的结构示意图一，图3为图1中气液分离器与吸热段的结构示意图二。

请参阅图1至图3，本实施例提供一种燃料电池系统，其可以包括电堆10、氢气供给系统以及气液分离器31；氢气供给系统包括第一管路21，第一管路21与电堆10阳极的入口连接；气液分离器31的流体入口311与电堆10阳极的出口连接；第一管路21包括吸热段211，吸热段211位于气液分离器31处，第一管路21内的氢气吸收气液分离器31的热量。

具体地，燃料电池系统通过氢气与氧气的化学反应生成电流，为负载供电。

燃料电池包括空气供给系统，其可以包括空压机，空压机通过空气管路与电堆10的阴极连接，向电堆10提供氧气。空压机气体流动方向的上游位置还可以设置空气过滤器，防止外界异物进入电堆10。电堆10阴极侧出口排出的废气和水可以直接排入空气中。空压机、空气过滤器可以是本领域技术人员熟知的种类和结构。

燃料电池系统还包括氢气供给系统，为电堆10提供氢气。氢气供给系统可以包括储氢罐，储氢罐内储存有氢气，其中，氢气可以处于高压低温的气态，便于存储，其中，氢气的温度可以为5℃-10℃。储氢罐通过第一管路21与电堆10的阳极侧连接，为电堆10提供氢气。

氢气和氧气进入电堆后发生化学反应，生成电流和水。由于氢气反应不完全，电堆10阳极侧排出的流体中具有未反应完全的氢气，此部分氢气可以重新导入氢气供给系统，提高氢气的利用率。由于阳极侧排出的流体中含有水，因此，可以利用气液分离器31分离出氢气和水，分离出的氢气导入氢气供给系统，分离出的水可以通过冷却系统进行处理。本实施例不对冷却系统进行限制。

气液分离器31可以是折流式、离心式、丝网式等类型，本实施例不进行限制。示例性的，气液分离器31可以包括外壳，以及设置在外壳内的多个折流板，多个折流板依次交替设置在外壳内两个相对的侧壁上，并将外壳内部分隔为S型的流道。外壳上具有流体入口311、排气口312以及排液口313。从电堆阳极排出的混合流体从流体入口311进入S型流道，混合流体在S型流道内流动时，会冲击各个折流板以及外壳内壁，混合流体中的水滴会附着在折流板以及外壳内壁上，依靠自身重力向下流动，汇集在排液口313处，并通过排液口313排出，而混合流体中的氢气则随混合流体继续流动，从排气口312排出，实现氢气与水的分离。

由于电堆10中氢气和氧气发生反应时会生成热量，相应的电堆10阳极侧排出的混合流体温度较高，示例性地，进入气液分离器31的混合流体的温度可以为70℃-80℃，而储氢罐中的氢气温度低，当两部分氢气相遇混合时，氢气中的水汽遇冷会凝结为液态水，液态水进入电堆10会损伤电堆10。

本实施例中第一管路21具有设置在气液分离器31处的吸热段211，吸热段211可以吸收气液分离器31的热量来提高氢气温度。示例性地，吸热段211内氢气温度吸收热量后，氢气温度可以提高到50℃-60℃，而从气液分离器31分离出的氢气的温度可以降低至65℃-75℃，气液分离器31分离出的氢气与第一管路21内的氢气温度差变小，避免了氢气中的水汽凝结。

相应的，吸热段211内的氢气吸收气液分离器31的热量，气液分离器31的温度降低，有利于气液分离器31内的水汽凝结，排出更多的液态水。

本实施例提供的燃料电池系统利用自身内部气液分离器31的热量为第一管路21内的氢气加热，避免液态水进入电堆10，结构简单。

为使得吸热段211内的氢气可以吸收气液分离器31的热量，吸热段211可以围设在气液分离器31至少部分外壁的外侧，以增大吸热段211的覆盖面积，提高吸热段211内氢气与气液分离器31的换热效率。

吸热段211的形状可以与气液分离器31的外壳形状相匹配，示例性地，当气液分离器31的形状为具有平面的多面立方体，此时，吸热段211可以呈中空的板状，氢气在板状的吸热段211内部流动。吸热段211可以为L型板、U型板等，覆盖在气液分离器31部分外壁的外侧。或者，吸热段211可以呈容器状，容器状的外壁呈双层设置，氢气在双层外壁之间流动，且气液分离器31位于容器内，容器状的吸热段211上设有供第二管路32、与流体入口311连接的流体管路、与排液口313连接的排液管穿过的连接孔。

吸热段211还可以呈管状，氢气在管状的吸热段211内流动，管状的吸热段211通过第一连接管路212与储氢罐连接，管状的吸热段211通过第二连接管路213与电堆10连接。示例性地，吸热段211可以包括若干并列设置的子吸热管，每个子吸热管的第一端均与第一连接管路212连接，每个子吸热管的第二端均与第二连接管路213连接，若干子吸热管可以根据气液分离器31的形状覆盖在其外壁面上。

进一步地，吸热段211可以贴合在气液分离器31的外壁面上，热交换效率高。考虑到燃料电池系统可以应用于新能源汽车，新能源汽车行驶时会发生颠簸振动，吸热段211还可以与气液分离器31外壁面之间具有避让间隙，比如3mm-10mm，避免吸热段211与气液分离器31之间发生碰撞。

可选地，请参阅图2和图3，本实施例中气液分离器31可以包括圆柱状的外壳，相应地，吸热段211可以沿外壳的轴向螺旋盘绕，结构简单，易于加工制造。

其中，气液分离器31的流体入口311以及排气口312可以位于圆柱状的外壳的一端，气液分离器31的排液口313可以位于外壳的另一端，吸热段211相应的可以围设在外壳的外壁面上，且流体入口311、排气口312位于螺旋状吸热段211的一侧，排液口313位于螺旋状的吸热段211的另一侧，以避让气液分离器31的流体入口311，排气口312和排液口313。

螺旋状的吸热段211相邻两圈之间可以贴合设置，也可以设置间距，根据实际需要进行设置。

吸热段211的入口可以与流体入口311位于外壳的同一端，吸热段211的出口可以与排液口313位于外壳的另一端，由于排液口313排出的液态水温度低于混合流体的温度，低温的氢气与高温的混合流体温差大，热交换效果明显，换热效率高。

进一步地，储氢罐中的氢气处于高压状态，在氢气进入电堆10前，需要将氢气压力降低至预设范围，本实施例分多次降低氢气压力，示例性的，第一管路21上可以设置减压阀，初步降低从储氢罐内导出的氢气的压力，进一步地，氢气供给系统还可以包括氢喷阀22，氢喷阀22设置在第一管路21上，通过氢喷阀22将第一管路21内的氢气压力调整至电堆10所需的压力范围。

减压阀与氢喷阀22之间、氢喷阀22与电堆10之间还可以分别设置压力传感器，用于监测第一管路21不同位置处的氢气压力，提高燃料电池系统运行的安全系数。

燃料电池系统还包括第二管路32，第二管路32第一端与气液分离器31的排气口312连通，第二管路32第二端与第一管路21连通，第二管路32可以将气液分离器31分离出的氢气导入第一管路21内，分离出的氢气与第一管路21中的氢气混合后，重新导入电堆10，氢气的利用率高。

考虑到第一管路21内的氢气压力较高，第二管路32上还可以设有循环泵33，用于提高第二管路32内的氢气压力，便于第一管路21和第二管路32内的两部分氢气混合。循环泵33可以是本领域技术人员熟知的种类和结构，本实施例不进行限制。

燃料电池系统还可以包括引射器23，引射器23设置在第一管路21上，引射器23位于氢喷阀22与电堆10之间，第二管路32第二端与引射器23连接，引射器23能均匀混合第一管路21内的氢气和第二管路32内的氢气，并根据电堆10的功率调节进入电堆10内的氢气流量，使用方便。

进一步地，图4为图1中电堆的结构示意图，请参阅图4，电堆10包括多个堆叠设置的单体电池，单体电池包括膜电极组件11和两个极板12，两个极板12设置在膜电极组件11的两侧；其中一个极板12靠近膜电极组件11的侧面设有供氢气流通的第一流道，第一管路21与第一流道的入口连通，气液分离器31的流体入口311与第一流道的出口连通。

每个极板12靠近膜电极组件11的一侧均设置有供流体流动的流道，具体地，其中一个极板12靠近膜电极组件11的侧面可以设有供氢气流通的第一流道，第一流道的入口与第一管路21连通，以向第一流道内导入氢气，第一流道的出口与气液分离器31的流体入口311连通，以通过气液分离器31分离未反应的氢气。

另一个极板12靠近膜电极组件11的侧面设有供空气或氧气流通的第二流道，第二流道的入口可以与空气供给系统连通，以向第二流道内导入空气。

第一流道和第二的流道的结构可以相同，示例性地，第一流道和第二流道可以为平行设置的凹槽式流道，也可以为蛇形连接的蜿蜒流道。

考虑到在流道的出口侧，氢气与氧气的浓度降低，第一流道和第二流道的截面尺寸可以从入口端到出口端逐渐减小，示例性地，分隔相邻流道的分隔凸台的截面尺寸沿其长度方向可以为定尺寸，第一流道和第二流道的截面尺寸逐渐变小，提高极板12的空间利用率。

请继续参阅图4，膜电极组件11包括：质子交换膜111以及催化层112、扩散层113；催化层112的个数为两个，并分别贴合在质子交换膜111的两侧面上；扩散层113的个数为两个，并分别贴合在两个催化层112的外侧面上。

质子交换膜111(Proton Exchange Membrane，简称PEM)是燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)的核心部件，对电池性能起着关键作用，用于传导阳极一侧生成的氢离子，即质子。

扩散层113包括基底层和微孔层，基底层通常为多孔的碳纸、碳布等，厚度可以为100μm-400μm，起到支撑微孔层和催化层112的作用。微孔层可以为碳粉层，厚度可以是10μm-100μm，能够改善基底层的空隙结构，降低催化层112和基底层之间的接触电阻。

催化层112的材质、结构、工作原理等可以是本领域技术人员熟知的结构，本实施例不进行限制。

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，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。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"、"固定"等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括电堆、氢气供给系统以及气液分离器；

所述氢气供给系统包括第一管路，所述第一管路与所述电堆阳极的入口连接；所述气液分离器的流体入口与所述电堆阳极的出口连接；

所述第一管路包括吸热段，所述吸热段位于所述气液分离器处，所述第一管路内的氢气吸收所述气液分离器的热量；

所述吸热段围设在所述气液分离器至少部分外壁的外侧；

所述气液分离器包括圆柱状的外壳，所述吸热段沿所述外壳的轴向螺旋盘绕。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述吸热段的入口与所述流体入口位于所述外壳的同一端。

3.根据权利要求1-2任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢气供给系统还包括氢喷阀，所述氢喷阀设置在所述第一管路上。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括第二管路，所述第二管路第一端与所述气液分离器的排气口连通，所述第二管路第二端与所述第一管路连通。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二管路上还设有循环泵。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括引射器，所述引射器设置在所述第一管路上，所述引射器位于所述氢喷阀与所述电堆之间，所述第二管路第二端与所述引射器连接。

7.根据权利要求1-2任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆包括多个堆叠设置的单体电池，所述单体电池包括膜电极组件和两个极板，两个所述极板设置在所述膜电极组件的两侧；

其中一个所述极板靠近所述膜电极组件的侧面设有供氢气流通的第一流道，所述第一管路与所述第一流道的入口连通，所述气液分离器的流体入口与所述第一流道的出口连通。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述膜电极组件包括：质子交换膜以及催化层、扩散层；所述催化层的个数为两个，并分别贴合在所述质子交换膜的两侧面上；所述扩散层的个数为两个，并分别贴合在两个所述催化层的外侧面上。

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