CN113594528A - 一种电堆系统的高压运行系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统的高压运行系统及方法，系统至少包括承压装置、气体存储装置和控制单元，至少一个燃料电池组件设置在承压装置的空腔内，并且空腔内填充有由气体存储装置输入且气压受控制单元调控的非可燃无毒气体，其中，非可燃无毒气体的第二压力与燃料电池组件内部及其连接管道内的第一压力处于相对平衡的状态。本发明通过将燃料电池系统的部分组件或者全部组件设置在非可燃无毒气体环境中，并且控制非可燃无毒气体的压力接近燃料电池组件及其管道内的气体压力和/或液体压力，减少气体压力和/或液体压力对管道或各个装置部件的形变的影响，避免由于器件、管道及其接口形变或氧化形成的气体或液体泄漏的现象。

Description

一种电堆系统的高压运行系统及方法

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的高压运行系统及方法。

背景技术

氢燃料电池是未来新能源的主要能源，能够实现零污染。但是，由于以氢气为代表的反应气具有易燃、易爆等特征。在实际应用中对于反应气的监控，是保证燃料电池安全性的重要因素之一。现有技术中，对于反应气泄漏的监控主要是在关键部件的连接处设置反应气传感器，只有反应气泄漏量较大时，才能够被检测出来。

现有技术还通过设置保护层来防止氢气泄漏，例如，中国专利CN112687925A公开了用于燃料电池的安全监控系统，其中，包括氢气罐，所述氢气罐用于储存高压氢气；所述氢气罐的外周上套设有一壳体；所述壳体与所述氢气罐之间形成第一腔体；所述氢气罐上连接有一输氢管，所述输氢管的另一端连接有电堆；所述输氢管的外周上套设有一套管，所述套管与所述输氢管之间形成第二腔体；所述第一腔体与所述第二腔体连接，形成密封的第一检测腔；所述第一检测腔内充有氮气和/或惰性气体；所述第一检测腔内安装有第一氢传感器；所述第一氢传感器电连接有一的报警器，所述报警器在接收到所述第一氢传感器检测到有氢气时的信号后，发出警报。该发明能够对氢气的泄漏进行检测，以便于及时发现氢气泄漏的现象。

但是，该发明仅能够通过设置惰性气体保护层来检测氢气是否泄漏，也仅能够对泄漏后的氢气与外界空气进行隔绝，而无法避免氢气的泄漏现象，更无法具有维护管道的使用寿命的效果。

本发明希望能够提供一种能够完全避免反应气泄漏并且延长电堆管道使用寿命的燃料电池系统。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

现有技术中，一般采用增加密封装置、或者加固组件来防止电堆的反应气泄漏，但是效果不是很好。因此不得不设置大量的反应气泄漏检测装置来检测反应气的泄漏情况，增加了燃料电池系统的复杂性和体积。

本发明希望能够通过调节围绕电堆系统所在环境的非可燃无毒气体的压力来避免气体管道的连接端泄漏反应气，从而提供一种安全的燃料电池系统。

针对现有技术之不足，本发明提供一种燃料电池系统的高压运行系统，至少包括承压装置、气体存储装置和控制单元，至少一个燃料电池组件设置在承压装置的空腔内，并且所述空腔内填充有由所述气体存储装置输入且气压受控制单元调控的非可燃无毒气体，其中，所述非可燃无毒气体的第二压力与所述燃料电池组件内部和/或连接管道内的第一压力处于相对平衡的状态。所述第一压力至少包括反应气体的气压和/或液体的液压。当燃料电池的组件及其管道内为气体时，第一压力为气压。当燃料电池的组件及其管道内为液体例如冷却液时，第一压力为液压。由于液压和气压都能够与第二压力抗衡，因此本发明中将气压和液压统称为第一压力。

本发明中的相对平衡状态，是指第一压力与第二压力之间的差值较小即接近，使得燃料电池组件内外的压力相对平衡，与燃料电池组件连接的管道的内外压力也相对平衡，从而使得燃料电池组件自身以及管道不容易形变，从而避免漏气。

本发明通过设置承压装置，并且使得承压装置内的第二压力与器件中的第一压力处于相对平衡状态来减少器件承受的内外压差，从而避免器件结构变形，进而避免了器件出现气体泄漏的现象。

优选地，控制单元按照非可燃无毒气体的第二压力接近第一压力的方式控制非可燃无毒气体的第二压力的变化。例如，保证第二压力与第一压力的偏差在0至2barg范围之内。

或者，控制单元按照非可燃无毒气体的第二压力不小于第一压力的方式控制非可燃无毒气体的第二压力的变化。

或者，控制单元按照非可燃无毒气体的第二压力略小于第一压力的方式控制非可燃无毒气体的第二压力的变化。控制单元通过调节第二压力来使得第二压力与器件内的第一压力的压力较小，使得第一压力与第一压力能够一直处于相对平衡状态，从而实现本发明的高压防泄漏的良好技术效果。

在第二压力略小于第一压力的情况下，燃料电池组件及其连接管道的内外压力处于相对平衡状态，避免了燃料电池组件的壁以及连接管道单方向承受液体或气体施加的压力，使得燃料电池组件以及连接管道承受平衡的力，也避免了燃料电池组件及其管道的变形。

优选地，至少一个电堆及其管道接口部分设置在所述承压装置内，电堆的反应气和/或冷却液的管道以与所述承压装置密封的方式延伸至所述承压装置外。通过将管道与承压装置之间的缝隙密封，使得承压装置内的非可燃无毒气体不会泄漏，从而维持承压装置内的第二压力的压力值稳定。本发明中，当冷却液吸收足够的热量，能够在电解模式为电堆提供热量，使得电堆启动的时间缩短。冷却液还能够作为热量的载体。

优选地，至少一个电堆和至少一个加湿单元设置在所述承压装置内并由非可燃无毒气体包围，所述控制单元基于承压装置内的燃料电池组件内的第一压力与非可燃无毒气体第二压力之间的压差的变化来控制非可燃无毒气体的输入/排出，直至燃料电池组件内的第一压力与非可燃无毒气体的第二压力实现相对平衡。如此设置，使得承压装置内的气压是变化的，在燃料电池组件及其管道内的第一压力变化时，承压装置内的第二压力能够适应性变化以维持两个气压相对平衡的状态不变。即第一气压与第二气压略相等或者数值接近。

优选地，在所述承压装置内，气体管道内的接口通过双向密封法兰连接，所述双向密封法兰内的第二密封垫设置能够承受双向气压的至少两个凹面。凹面的设置，使得密封垫能够限制压力的受力点以及形变方向，使得密封垫能够对称的进行形变，从而使得密封垫与法兰盘接触更紧密，从而保证了密封垫的密封效果。

优选地，在承压装置内，燃料电池组件还包括与电堆连接的电压巡检模块，电压巡检模块与控制单元连接，所述电压巡检模块与至少一个反应气传感器连接以检测反应气。设置反应气传感装置以检测反应气是否泄漏，在反应气泄漏的情况下控制模块能够进行即时预警。本发明的核心在于防止燃料电池组件以及管道内的反应气和冷却液泄漏，但是电堆及其管道的使用寿命到达也会发生反应气泄漏。因此，对反应气泄漏的监测以及检测时必要的。通过反应气传感器的设置，在检测到反应气出现在承压装置内，说明反应气泄漏，从而对电堆进行及时的检查，更有利于提高燃料电池系统的安全程度。不仅如此，非可燃无毒气体还能够稀释泄漏的反应气，使得反应气达不到爆炸极限中的爆炸下限，避免了反应气的易燃易爆现象。

优选地，本发明提供一种双向承压的密封法兰，至少包括第二法兰盘和第二密封垫，所述第二密封垫安装在根据上述的燃料电池系统的非可燃无毒气体高压运行系统内，所述第二密封垫的承受流体压力的接触面设置有轮廓呈流线型的至少一个凹面，所述凹面凹陷的最低位置与进入气体的缝隙位置相对应，所述凹面的侧面对称设置，基于流体施压的压力作用，所述凹面的侧边分别向对应的第二法兰盘所在的方向挤压，使得所述密封垫的与所述第二法兰盘接触的侧面与所述第二法兰盘之间作用力更大。本发明的双向承压的密封法兰，在管道内外均存在较强的气压情况下，密封垫设置的凹面能够引导气体压力按照预设的受力方向来压迫密封垫进行形变，避免密封垫进行不规则的形变导致密封失效的情况。

优选地，所述第二密封垫设置有对称的第一凹面和第二凹面，第一凹面和第二凹面分别承受压力方向相反的流体压力，在所述第一凹面和所述第二凹面同时受到流体压力挤压的情况下，所述第二密封垫基于流体压力的作用分别向两个第二法兰盘挤压并增大所述第二密封垫与第二法兰盘之间的作用力。双向凹面的设置，使得密封垫的内外气压的压力的施压方向都能够得到引导，密封垫能够有序地进行对称的形变，使得密封垫在双向压力的作用下与法兰盘接触更紧，从而进一步提高密封垫的密封程度。

优选地，构成所述第二密封垫的凹面的两个凹侧面以相向弯曲或反向弯曲的方式设置。相向弯曲是指两个凹侧面的弯曲弧度是相向的，并且两个凹侧面呈弧形的凹陷形状，都朝向对方弯曲，使得凹侧面能够承受更多的气体的压力，并且使得密封环的凹侧面承受的气体压力系统。

反向弯曲是指两个凹侧面的弧度弯曲方向是相反的，例如一个凹侧面朝向左侧弯曲，另一个凹侧面朝向右侧弯曲，并且两个凹侧面呈弧形的凸起形状。如此设置，同样能够引导气体向凹面的侧面施加相同的压力，使得侧面像法兰盘方向挤压。

本发明还提供一种燃料电池系统的高压运行方法，所述方法至少包括：

将至少一个燃料电池组件设置在承压装置的空腔内，

由所述气体存储装置向所述空腔内填充非可燃无毒气体，

由控制单元调控非可燃无毒气体的气压；

其中，所述非可燃无毒气体的第二压力与所述燃料电池组件内部及其连接管道内的第一压力处于相对平衡的状态。所述第一压力至少包括反应气体的气压和/或液体的液压。本发明的高压运行方法，通过气体压力平衡的方式来避免气体主动向管道外溢出，燃料电池组件以及管道内的气体或液体基于外部的非可燃无毒气体的压力作用也不会向承压装置泄漏出，从而气体或液体能够维持在燃料电池组件以及管道内运行的状态，避免气体或液体泄露。

附图说明

图1是本发明的其中一种高压运行系统的基本结构示意图；

图2是本发明的另一种高压运行系统的结构示意图；

图3是本发明的另一种高压运行系统的纵向截面的结构示意图；

图4是本发明的单向密封法兰的横截面的结构示意图；

图5是本发明的双向密封法兰的横截面的结构示意图；

图6是双向密封法兰的密封垫的横截面的放大图；

图7是单向密封法兰在受到两侧压力挤压情况下的横截面的结构示意图；

图8是单向密封法兰在受到一侧压力挤压情况下的横截面的结构示意图。

附图标记列表

10：承压装置；20：电堆；31：第一反应气入口；32：第二反应气入口；33：空气入口；40：气体存储装置；41：非可燃无毒气体；42：气体阀；50：散热单元；51：第二泵；60：加湿单元；310：第一反应气循环系统；320：第二反应气循环系统；311：第一反应气存储装置；312：第一泵；313：第一气水分离装置；314：水回收装置；315：第一阀；316：第二阀；321：氧化剂存储装置；322：过滤组件；323：第二反应气回收单元；324：第三阀；325：第四阀；70：控制单元；80：蓄电池单元；90：水箱；100：排气管道；101：排气阀；110：单向密封法兰；111：第一空腔；112：第一密封垫；113：第一法兰盘；114：第一缝隙；120：双向密封法兰；121：第二密封腔；122：第二密封垫；123：第二法兰盘；124：第二缝隙；125：第一凹面；126：第二凹面；127：第一侧面；128：第二侧面；130：电压巡检模块；140：反应气传感器；150：压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

针对现有技术的不足，本发明提供电堆系统的高压运行系统及方法。本发明还可以提供一种能够基于高压防泄漏的电堆系统。

现有技术中，电堆系统的反应气管道和冷却液管道容易出现泄漏的现象。为了防止反应气和液体泄漏，一般需要通过增加反应气检测装置、液体传感器或增加密封圈的方式来加固管道及其管道接口。但是，如此设置的缺陷在于，只能够及时发现反应气或液体泄漏的现象，不能够完全避免反应气或液体泄漏的现象。其根本原因在于，对于装置或者管道来说，内部与外部之间存在压差，压差的作用使得装置、管道及其接口容易松动或破裂，从而导致反应气或液体泄漏。特别在装置或管道内的压力反复变化的情况下，压差的压力值也会反复变化，使得装置或管道加速破裂。因此，如何消除或者减小装置或管道的内部与外部之间的压差，才是避免反应气或液体泄漏的根本问题。

本发明中的压力，至少包括由液压或气压产生的作用力。液压和气压均指压强，其单位为pa(帕斯卡)。压强是描述压力产生的效果的物理量，是单位面积上的压力。但是在本领域中，为了方便描述液体、气体对物体面积上作用的力，液体或气体对物体的作用力称为压力。因此，在部分语境中，“压强”也混称为压力，属于本领域技术人员的一般用法，方便理解。例如“一般情况下，燃料电池组件及管道内的第一压力为0～5MPA。承压装置内的非可燃无毒气体的第二压力范围控制为：0～50MPA。其中，第二压力的范围在1～20MPA的效果更好。优选地，燃料电池及管道内第一压力与外部第二压力之间压差的范围为0～5pa，视为第一压力与第二压力处于相对平衡状态。进一步优选地，燃料电池组件及管道内第一压力与其外部的第二压力之间压差的范围为0～3pa。”，其中，“压力”指单位面积上的压力，即压强。本发明中的压差是指压强差，即单位面积的压力差。

本发明中的流体，至少包括气体和液体。

本发明中的器件是指用于某一特定目的或完成某一特定功能的一种机件或零件。器件可以是任意设备、装置或者组件，数量不限。器件包括电堆系统中的局部装置或者整体系统。当器件为燃料电池电堆及其若干功能单元时，内部具有气体、液体的燃料电池电堆及其若干功能单元需要单方向承受自身气体、液体所带来的压力。功能单元例如是加湿单元、冷却系统、反应气循环系统等等装置或设备、电堆和功能单元能够统称为燃料电池组件，电堆与功能单元之间通过若干管道连接。管道也是一种器件，是一种运输器件。

本发明中的非可燃无毒气体不包括空气和氧气，可以包括氮气、惰性气体等气体。本发明中的非可燃无毒气体为不能够与反应气发生化学反应的气体。

本发明中，气体存储装置40用来存储非可燃无毒气体。通过管道上的阀门来控制非可燃无毒气体向承压装置内输入和截止的过程。

本发明中的控制单元70，能够与各个阀门、传感器、电源以及多种装置进行连接，并且传输数据信息以及控制指令。由于控制单元的线路较多且复杂，本发明对控制单元的线路未在图中示出。

当承压装置作用于燃料电池系统时，承压装置内的器件称为燃料电池组件。本发明的燃料电池组件，至少包括电堆。本发明中的电堆是统称，包括单片或双片燃料电池片、多片燃料电池片构成的电堆、电解制氢电池、发电电池、电解槽和能够进行电解和发电的可逆燃料电池。本发明中的电堆包括多种，包括氢氧燃料电池电堆、甲醇燃料电池电堆、乙醇燃料电池电堆等等。

进一步地，燃料电池组件还可以包括反应气循环系统、加湿单元、控制单元、蓄电池单元、水箱中的一种或几种。

本发明中，用于燃料电池反应的气体统称为反应气体。在燃料电池阳极端的反应气包括氢气、甲醇、乙醇等。在燃料电池阴极端的反应气可以包括空气、氧气等气体。

燃料电池的冷却系统中，冷却液可以是水、防冻液及其混合体。冷却液可以是加热的载体。

本发明中的接触密封的方式，是指在接触时，物与物之间无空隙，是密封的。例如A与B密封接触，A与B的两个接触面之间是密封的，不允许气体通过。

电堆通过管道与至少两个反应气循环系统连接，以便输入或输出气体。在电堆的启动过程、发电过程、电解过程、关闭过程及其过程转变时，电堆以及管道内的气体压力、冷却液压力可能发生变化。因此，燃料电池组件及其管道内的第一气压可以为气压，也可以为液压。

实施例1

本发明提供一种燃料电池系统的高压运行系统，至少包括承压装置10、气体存储装置40和电压巡检模块130。电压巡检模块130与电堆20连接，能实时精确地检测燃料电池电堆所有单片电压，并对监测到的单片电压数据群进行实时分析处理，全面快速地进行故障诊断，对燃料电池电堆单片电池状态和性能进行实时监测、诊断、存储与查询，确保燃料电池每一片单电池稳定可靠工作。

承压装置10以由气体存储装置40输入非可燃无毒气体的方式将承压装置内的至少一个器件进行气体密封。电压巡检模块130以有线或者无线的方式与控制单元70连接。控制单元70设置在承压装置外。对于贯穿承压装置的线路也设置有接线密封，将线路与承压装置进行接线密封使得线路与承压装置之间不存在允许气体泄漏的缝隙。本发明的线路包括信号线路和电源电路，还可以包括其他功能的线路。

电压巡检模块130将采集的电堆及其管道内的第一压力的数据发送至控制单元。控制单元70按照减小与承压装置内的器件内第一压力与承压装置内的第二压力之间压差的趋势的方式来控制非可燃无毒气体的输入和排出，从而控制或调节承压装置内的非可燃无毒气体的气压。

具体地，承压装置为能够承受气体压力的壳体或装置。承压装置包括至少两个部分，第一壳体和第二壳体。第一壳体和第二壳体共同组合形成能够将器件包围的承压装置。承压装置内为空腔，能够用来放置若干器件。优选地，器件通过贯穿承压装置的管道与承压装置外界的若干装置连接。其中，管道与承压装置之间以密封的方式连接，避免气体的泄漏。

本发明中，承压装置的形状不限，可以是球体、立方体、多边体或者不规则体。

如图1所示，承压装置10通过管道与至少一个气体存储装置40连接。优选的，承压装置10与气体存储装置40之间的管道上设置有至少一个气体阀42，用于控制非可燃无毒气体的输入。

优选地，承压装置10还设置有至少一个排气管道100。排气管道上设置有至少一个排气阀101，用于基于控制单元70的控制指令进行非可燃无毒气体的排出。气体阀42和排气阀101以有线或无线的方式与控制单元连接，从而接收控制单元的指令并进行对应的管道控制。

承压装置内通过填充非可燃无毒气体来将器件纳入非可燃无毒气体环境，使得器件与氧化环境隔绝。不仅如此，当器件位于承压装置内的情况下，控制单元能够控制非可燃无毒气体的第二压力接近器件内的第一压力，使得器件内的气体或液体基于压力平衡的作用不向外部流动，实现防止气体或液体泄漏的效果。

在第一压力与第二压力趋近于相等的情况下，器件内的第一压力与器件外的第二压力实现压力相对平衡状态，即压力的平衡，减少器件接口的形变几率，从而避免了器件接口的破裂和气体、液体泄漏的现象。

当承压装置内的第一压力的大小发生变化时，控制单元能够基于第一压力的变化调节第二压力的变化，使得第二压力始终接近第一压力，或者略小于第一压力，从而避免器件的结构变形，防止气体或液体泄漏。

此处，为了使得第一压力与第二压力相对平衡来使得器件能够得到保护，控制单元能够选择众多器件内的气压和液压中的中间值来作为第一压力的参考值来调节第二压力的大小，从而使得第二压力与电堆、加湿单元、气体管道、液体管道等等器件内的压力都相差较小，实现第一压力与第二压力的相对平衡状态。

优选地，控制单元能够选择电堆、加湿单元、气体管道、液体管道等等器件内的压力值最大的液压或气压为第一压力的参考值来调节第二压力的大小，那么第二压力会接近或略小于燃料电池组件内各个液压或气压，从而有效使得电堆、加湿单元、气体管道、液体管道等等器件内的压力与第二压力相对抵消来维持各个部件不变形，避免液体或气体的泄露。

优选地，设置在承压装置外的器件与承压装置内的器件之间的管道和线路以施加密封组件的方式贯穿承压装置，能够避免非可燃无毒气体从缝隙漏出。

优选地，本发明采用至少一个密封法兰将管道与承压装置进行连接。

图4和图5显示的是密封法兰的横截面。在承压装置为椭圆形体的情况下，密封法兰中的密封垫为一个巨大的环形法兰，以将承压装置的不同部分进行连接和密封。

如图4～5所示，本发明的密封法兰包括单向密封法兰110和双向密封法兰120。

如图4所示，单向密封法兰110包括两个第一法兰盘113。第一法兰盘113能够与承压装置一体式设置，也可以分体焊接设置。第一法兰盘113内设置有至少一个密封槽111。两个第一法兰盘113以两个密封槽相对设置的方式安装，使得密封垫112设置在密封槽111中。如图8所示的横截面所示，由于两个第一法兰盘113之间存在微小的第一缝隙114，管内第一压力F1通过挤压具有弹性的密封垫112来将第一缝隙114堵塞，避免气体流通，从而实现密封效果。

单向密封法兰设置在密封一侧存在压力的位置，能够起到较好的密封装置。

但是，当前现有技术中的单向密封法兰的密封垫的横截面为圆形或椭圆形。当密封法兰设置在两侧均存在高压，并且两侧压力不等的情况下时，如图7所示，密封垫会由于两侧压力大小不同的作用产生形变。密封垫会由于两端的气压或液压不同而被挤压至压力较低的一侧，甚至基于高压气体的作用形变至失去密封作用的程度。

具体地，如图7所示，由于两侧气体压力导致密封垫形变，密封垫的形变导致两侧气体压力对密封垫的施力点发生变化，使得密封垫两侧的力的方向发生变化来加剧密封垫的形变，从而失去了密封作用。当第二压力F2明显大于第一压力F1时，同时在密封垫的自身弹力的作用下，第二压力容易使密封垫向管道内侧偏移并且形变，尤其会使得密封垫的与法兰接触的一端形变至出现缝隙，出现漏气的现象。反之，当第一压力F1明显大于第二压力F2时，在两端压力同时不对称挤压使得密封垫变形，在与法兰接触的一端变形至出现缝隙，也会出现漏气的现象。

不仅如此，两个法兰在合拢的时候存在偏差，使得法兰对密封垫两端施加的力不一定对称，导致密封垫的两端在安装后的形状不一定是对称的。由于圆形或者椭圆形的密封垫在受挤压后不再对称，不具有对称的流线来限制力的受力区域，当两端受到的压力不一致时，不对称的力会进一步加剧密封垫的截面形状的变形，使得密封垫失去密封作用。

因此，普通的单向密封法兰设置在承压装置内的器件的管道连接端，既要承受管道内的第一压力，又要承受管道外的非可燃无毒气体的第二压力，第一压力和第二压力对密封垫的挤压作用使得密封法兰的密封效果变差，甚至失去密封效果。

基于现有技术中的法兰及其密封垫的缺陷，本发明对法兰中的密封垫的结构进行了改进，形成了第二密封法兰。

如图5和图6所示，双向密封法兰120包括对称设置的两个第二法兰盘123。两个第二法兰盘123的连接面之间为第二缝隙124。在两个第二法兰盘123的连接面上，分别设置有至少一个第二空腔121。第二空腔121为凹槽。至少两个第二空腔121相对设置构成了容纳第二密封垫122的空间。第二密封垫122整体为一体式的环形，图5和图6仅展示了第二密封垫的断开的横截面的形状来进行说明。

第二密封垫122的横截面整体呈对称结构，图6中的虚线为第二密封垫的横截面的对称中线，包括横向对称中线和纵向对称中线。如图6所示，第二密封垫的与气体接触的两个侧面设置有流线型的至少一个凹面。以凹面中轴线为中心对称的两个侧面形成夹角不小于九十度。

凹面呈流线型，并且凹面的最低点在纵向对称中线上。例如，与管道内的气体接触的凹面为第一凹面125，与管道外的非可燃无毒气体接触的凹面为第二凹面126。第一凹面125和第二凹面126相对于横向对称中线对称设置。并且密封垫的分别与法兰接触的第一侧面127和第二侧面128相对于纵向对称中线对称设置。第一侧面127和第二侧面128的横截面轮廓为具有一定曲率的弧线，并且弧线与凹面轮廓连接处为圆弧过渡。

本发明将与气体或者液体接触的密封垫的侧面设置为凹面具有多种优势。当凹面接触气压或者液压时，由于凹面是对称结构的，能够均匀地将承受的压力均匀地分散至两边，并且不会出现不规则的形变。当密封垫的第一凹面和第二凹面分别承受压力时，第一凹面和第二凹面能够基于压力的挤压进行不同程度的、以纵向对称中线为中心的对称变形，从而使得密封垫的横截面的形状不会出现一端大、一端小的不规则形变。

具体地，由于第一凹面和第二凹面均为对称的弧形面。在受到气体压力时，气体压力基于弧度从不同方向对凹面施力，即凹面限制了压力的施力方向，使得凹面两边的压力平衡，使得气体压力不会无规则地挤压密封垫，并且使得凹面的底部先受到挤压，之后受力两侧缓慢对称形变。在第一凹面和第二凹面同时基于不同的压力进行对称地形变时，第一侧面127和第二侧面128基于压力的作用继续向法兰挤压，使得第一侧面127和第二侧面128与各自对应的法兰之间的接触面更大，挤压更紧，不会留出缝隙，从而不会导致气体或液体的泄漏。

本发明的第二密封垫，其横截面近似于“腰鼓”形状，纵向对称，横向也对称，在受力时“腰部”先受到挤压，然后腰部两边受力且两边力的大小相对均匀。在第一压力和第二压力不等的情况下，第二密封件被挤压至边缘的形变部位其受力也是均匀的，从而避免了密封垫的第一侧面127和第二侧面128的无序变形，也避免了第一侧面127和第二侧面128的气体或者液体的泄漏。

本发明的第二密封法兰能够应用在承压装置内的管道衔接和密封处，从而降低燃料电池组件及管道接口处的气体或液体的泄漏概率。例如，第二密封法兰安装在电堆的各个气体管道接口、加湿单元的气体管道接口等等，这样就能够加强管道尤其是反应气管道的密封性，减少甚至完全避免反应气泄漏至承压装置内。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步说明，重复的内容不再赘述。

当承压装置内的器件为燃料电池系统中的部分组件或者全部组件时，本发明构成了燃料电池系统的高压运行系统，用于解决燃料电池系统的泄漏的问题。

如图1所示，仅有电堆20设置在承压装置10内。例如，至少一个电堆及其管道接口部分设置在所述承压装置内。电堆的反应气的管道以与所述承压装置接触密封的方式延伸至承压装置外。

电堆的第一反应气入口31、第二反应气入口32和第三反应气入口33通过管道设置在承压装置10外侧。电堆的第一反应气出口通过管道设置在承压装置10外侧。

承压装置的空腔内填充有气压受控制单元调控的非可燃无毒气体41，使得燃料电池组件处于具有一定气压的非可燃无毒气体环境。电堆处于非可燃无毒气体环境，能够与空气隔绝，降低氧化程度，延长使用寿命。

控制单元按照使得燃料电池组件及其管道内的第一压力接近非可燃无毒气体的第二压力的方式来调节非可燃无毒气体的第二压力的大小。第二压力接近第一压力，避免了第一压力向燃料电池组件及其管道的壁或者接口长时间施力使得壁部或接口形变的情况。在燃料电池组件及其管道外侧存在第二压力的情况下，第二压力能够抵消第一压力的作用，减少燃料电池组件及其管道扩张形变的概率，从而有效避免反应气活液体的泄漏。

实施例3

本实施例是对实施例1和2的进一步说明，重复的内容不再赘述。

如图2所示，至少一个电堆和至少一个加湿单元设置在所述承压装置内并由非可燃无毒气体包围。电堆与加湿单元60通过管道连接。加湿单元60通过管道与承压装置外的散热单元50连接。第一反应气循环系统310和第二反应气循环系统320设置在承压装置10外，并且通过贯穿承压装置的管道分别与电堆连接。

一般情况下，当燃料电池组件包括多个部分，例如包括电堆、管道、加湿单元、冷却液管道等多个部分时，各个部分内的压力相差较小，一般情况下相差在1pa左右。因此，燃料电池组件及其管道不同部分的压力之间的压差可以忽略，均为第一压力。

将加湿单元60设置在承压装置的非可燃无毒气体环境内，加湿单元60利用电堆发电过程中产生的气态和液态水对电堆电堆的输入反应气体加湿。同时，加湿单元60的出口管道以及电堆排出的气体管道可将部分电堆20发电生成的热量传递至非可燃无毒气体，使得非可燃无毒气体的气压增大，有利于维持非可燃无毒气体的第二压力大于等于或大于燃料电池组件及其管道内的第一压力，有利于避免燃料电池组件及管道内的气体、液体的泄漏。当电堆20等器件运行中需要提高内部压力，燃料电池组件及其连管道内的第一压力增大，控制单元通过控制第一压力与非可燃无毒气体的第二压力的压差的变化的方式来调节非可燃无毒气体的输入和输出，直至非可燃无毒气体的第二压力与燃料电池组件及管道内的第一压力相对平衡。

优选地，控制单元还能够控制非可燃无毒气体的第二压力接近燃料电池组件及连接的管道内的第一压力。非可燃无毒气体的第二压力接近第一压力，能够有效避免燃料电池组件及其管道的形变、氧化以及泄漏。

优选地，当燃料电池组件内多个部分的压力存在区别时，控制单元能够对第一压力的参考值进行选择，例如，控制单元能够选择压力值最大的压力为第一压力。那么，当第二压力与第一压力相对平衡时，第二压力不会明显小于燃料电池组件及管道内各个部分的压力。

或者，控制单元能够选择气压值居中的压力为第一压力。那么，第二压力与第一压力相对平衡时，第二压力不会与燃料电池及管道内各个位置的压力相差较大，同样能够降低燃料电池组件及管道承受的内外压差。

同理，加湿单元也属于燃料电池组件，控制单元能够加湿单元或其他装置的气体或液体压力也纳入第一压力的选择范围。

只要能够减小燃料电池组件及管道承受的内外压差，就能够降低燃料电池组件及管道的漏气现象发生的概率，使得燃料电池系统安全地运行。在第一压力变小的情况下，控制单元能够控制排出阀101将部分非可燃无毒气体排出以减小第二压力的值，使得第一压力与第二压力的压差维持在相对平衡状态。若第二压力比第一压力大且超出平衡状态，则会增加承压装置的承压能力和制作成本，不利于成产成本的降低。因此，控制单元控制第一压力与第二压力的压差维持在平衡状态是优选的一种方式，能够获得理想的防泄漏效果，也不会增加较多的成本。

一般情况下，燃料电池组件及管道内的第一压力为0～5MPA。承压装置内的非可燃无毒气体的第二压力范围控制为：0～50MPA。其中，第二压力的范围在1～20MPA的效果更好。优选地，燃料电池及管道内第一压力与管道外第二压力之间压差的范围为0～5pa，视为第一压力与第二压力处于相对平衡状态。进一步优选地，燃料电池组件及管道内第一压力与其外部的第二压力之间压差的范围为0～3pa。

实施例4

本实施例是对实施例1至3的进一步说明，重复的内容不再赘述。

如图3所示，在构成燃料电池系统的组件中，设置在所述承压装置内的燃料电池组件至少包括电堆20、加湿单元60和电压巡检模块130(CVM)。

优选地，承压装置内还设置有反应气传感器140和/或压力传感器150。电压巡检模块130(CVM)通过线路分别与反应气传感器140和/或压力传感器150连接并接收或发送数据信息、控制指令等等。

压力传感器150用于采集承压装置内非可燃无毒气体的第二压力。反应气传感器140用于检测反应气是否泄漏。承压装置内是不应当不含有反应气的，当反应气传感器检测到反应气时，就表示发生了反应气泄漏的情况。电压巡检模块130(CVM)能够将反应气传感器发送的数据信息和压力传感器150发送的信息发送至控制单元70，便于控制单元70分析并及时发出控制指令。

优选地，蓄电池80设置在承压装置外，并且通过线路与承压装置内的电堆20建立连接，以便于在需要的情况下为电堆20提供电能。蓄电池80还能够与电堆20连接构成混合电力系统，与电堆连接的两个或更多个反应气循环系统以贯穿承压装置的方式设置在承压装置外侧。

如图3所示，本发明的承压装置优选为椭圆壳体。承压装置包括两个具有弧度的第一壳体和空心圆柱形的第二壳体。两个第一壳体对称地设置在第二壳体的两端。第一壳体和第二壳体之间通过密封法兰进行密封连接，以避免承压装置内的气体泄漏。第一壳体和第二壳体还设置有至少一个允许管道贯穿的孔。在管道贯穿后，通过密封环或者密封垫来将管道与第一壳体或第二壳体之间的缝隙密封至气体不能泄漏的程度。

将承压装置设置为椭圆壳体能够更好地承受气体的高压，承受的气压值较大，安全系数较高。

优选地，如图3所示，第一反应气循环系统310包括第一反应气存储装置311、第一泵312、第一气水分离装置313和水回收装置314。电堆20通过管路分别与第一反应气存储装置311、第一泵312和第一气水分离装置313连接。第二泵312还与第一气水分离装置313连接。

优选地，第一反应气存储装置311与电堆之间的管路上设置有至少一个第二阀316，用于控制第一反应气传输的通断。

优选地，第一气水分离装置313的排水端设置有至少一个第一阀315，用于控制尾气传输的通断。第一气水分离装置313与水回收装置314连接，用于将分离出的水进行回收。

第二反应气循环系统320至少包括氧化剂存储装置321、过滤组件322和第二反应气回收单元323。电堆20通过管路分别与氧化剂存储装置321和第二反应气回收单元323建立连接。其中，氧化剂存储装置321与过滤组件322和第二反应气回收单元323建立连接。第二反应气回收单元323回收的第二反应气能够再次进入第二反应气存储装置321中。过滤组件322用于对第二反应气进行过滤，能够减少第二反应气中的粉尘等污染颗粒物。

优选地，在电堆与第二反应气回收单元323之间，还可以设置至少一个第四阀325，用于控制第二反应气废气的通断。在电堆与第二反应气回收单元323之间，还可以设置至少一个第二气水分离装置，使得回收的第二反应气中的水分脱离，获得干燥的气体。

优选地，电堆还通过管路与散热单元50连接。散热单元50还与水箱90连接，水箱90的另一端与电堆连接以形成冷却循环，对电堆进行散热。水箱90与电堆20之间设置有第二泵51，用于为水循环提供驱动力。

本发明中的第一反应气循环系统和第二反应气循环系统不限于图3所示的连接示例，还可以是其他连接结构。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的高压运行系统，至少包括承压装置(10)、气体存储装置(40)和控制单元(70)，其特征在于，

至少一个燃料电池组件设置在承压装置的空腔内，并且所述空腔内填充有由所述气体存储装置(40)输入且气压受控制单元(70)调控的非可燃无毒气体，

其中，所述非可燃无毒气体的第二压力与所述燃料电池组件内部和/或连接管道内的第一压力处于相对平衡的状态，

所述第一压力至少包括反应气体的气压和/或液体的液压。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的高压运行系统，其特征在于，控制单元按照非可燃无毒气体的第二压力接近第一压力的方式控制非可燃无毒气体的第二压力的变化。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的高压运行系统，其特征在于，至少一个电堆(20)及其管道接口部分设置在所述承压装置内，电堆的反应气和/或液体管道以与所述承压装置密封的方式延伸至所述承压装置外。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统的高压运行系统，其特征在于，至少一个电堆和至少一个加湿单元(60)设置在所述承压装置内并由非可燃无毒气体包围，

所述控制单元基于承压装置内的燃料电池组件内的第一压力与非可燃无毒气体第二压力之间的压差的变化来控制非可燃无毒气体的输入/排出，直至第一压力与第二压力实现相对平衡。

5.根据权利要求1～4任一项所述的燃料电池系统的高压运行系统，其特征在于，

在所述承压装置内，气体管道内的接口通过双向密封法兰(120)连接，所述双向密封法兰(120)内的第二密封垫(122)设置能够承受双向压力的至少两个凹面。

6.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池系统的高压运行系统，其特征在于，

在承压装置内，燃料电池组件还包括与电堆(20)连接的电压巡检模块(130)，电压巡检模块(130)与控制单元(70)连接，

所述电压巡检模块(130)与至少一个反应气传感器(140)连接以检测反应气。

7.一种用于双向承压的密封法兰，包括第二法兰盘和第二密封垫，其特征在于，所述第二密封垫安装在根据权利要求1～6任一项所述的燃料电池系统的非可燃无毒气体高压运行系统内，

所述第二密封垫的承受流体压力的接触面设置有轮廓呈流线型的至少一个凹面，

所述凹面凹陷的最低位置与进入气体的缝隙位置相对应，所述凹面的侧面对称设置，

基于流体施压的压力作用，所述凹面的侧边分别向对应的第二法兰盘所在的方向挤压，使得所述密封垫的与所述第二法兰盘接触的侧面与所述第二法兰盘之间作用力更大。

8.根据权利要求7所述的用于双向承压的密封法兰，其特征在于，所述第二密封垫设置有对称的第一凹面(125)和第二凹面(126)，

第一凹面(125)和第二凹面(126)分别承受压力方向相反的流体压力，

在所述第一凹面(125)和所述第二凹面(126)同时受到流体压力挤压的情况下，所述第二密封垫基于流体压力的作用分别向两个第二法兰盘挤压并增大所述第二密封垫与第二法兰盘之间的作用力。

9.根据权利要求7所述的用于双向承压的密封法兰，其特征在于，构成所述第二密封垫的凹面的两个凹侧面以相向弯曲或反向弯曲的方式设置。

10.一种燃料电池系统的高压运行方法，其特征在于，所述方法至少包括：

将至少一个燃料电池组件设置在承压装置的空腔内，

由所述气体存储装置(40)向所述空腔内填充非可燃无毒气体，

由控制单元(70)调控非可燃无毒气体的气压；

其中，所述非可燃无毒气体的第二压力与所述燃料电池组件内部和/或连接管道内的第一压力处于相对平衡的状态，

所述第一压力至少包括反应气体的气压或液体的液压。

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