CN114243062A - 一种用于密闭空间的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于密闭空间的燃料电池系统，包括封装组件，及设置于所述封装组件内的电堆组件、结构组件和辅助组件；所述电堆组件包含至少两个对称设置的燃料电池电堆；所述结构组件用于支撑所述辅助组件；所述辅助组件包含工作组件和与所述燃料电池电堆相连接的管路，所述管路弯折后，使所述封装组件的中心处形成放置所述工作组件的空间。本发明在有限的系统空间内，将金属管路下沉到承重板下方，有效增加了空间利用率，提高了集成度。

Description

一种用于密闭空间的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种用于密闭空间的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池技术是一种新型的能源利用方式，它可以将氢气中的化学能转换为电能，对外部进行供电。由于其具有高能量转换效率、零排放、低运行噪音、低维护费用等优点，燃料电池技术被认为是未来电源技术的主要发展方向之一。
在航天和水下等密闭空间内的特殊应用领域，燃料电池被认为是最佳能源之一，因为其不仅能够为外部设备供电，而且由于燃料电池反应生成物仅为水的特性，可以为人员提供饮用水。其中应用静态排水技术的电堆可以将反应生成的水通过排水出口导出，储存起来进行应用。
目前燃料电池系统多用于汽车等新能源行业，主要发展方向为高功率和低成本。而在航天和水下等特殊领域，燃料电池的应用首先要确保安全性和可靠性，并在此基础上提高集成度，减小整体体积。传统燃料电池系统用于开放式环境中，氢气小量泄露后由于其分子量小的特性会迅速上升并扩散到大气中，并不会造严重后果，而在密闭空间中，电堆氢气泄露后无法排放，会造成爆炸等风险。航天或水下等特殊领域外部条件复杂，燃料电池系统需要具备短时间承受较大加速度的能力。传统燃料电池系统中辅助部件固定方式不满足这一要求。另外，现有新能源行业中燃料电池系统中电堆更换简单，所以对可靠性的要求不高，一般采用单堆方案。而在密闭空间内，如果电堆出现故障往往不能够及时更换，导致整个燃料电池系统无法继续发电工作，制约了燃料电池在这些领域的进一步推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够应用于航天或水下等密闭空间的、具备高可靠性和安全性的燃料电池系统。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于密闭空间的燃料电池系统，包括封装组件，及设置于所述封装组件内的电堆组件、结构组件和辅助组件；
所述电堆组件包含至少两个对称设置的燃料电池电堆；
所述结构组件用于支撑所述辅助组件；
所述辅助组件包含工作组件和与所述燃料电池电堆相连接的管路，所述管路弯折后，使所述封装组件的中心处形成放置所述工作组件的空间。
可选地，所述电堆组件包含镜像对称设置的第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆。
可选地，所述结构组件包括连接板、承重板和连接杆；
所述连接板平行设置于所述第一燃料电池电堆和所述第二燃料电池电堆之间；
所述承重板设置于相邻两个所述连接板之间，与所述连接板垂直；所述承重板将相邻两个所述连接板围成的区域分割为第一空间和第二空间，所述连接板的中轴线穿过所述第一空间；
所述连接杆的一端固定连接第一燃料电池电堆后，依次穿过所述连接板，另一端固定连接在第二燃料电池电堆上。
可选地，所述管路由所述第一燃料电池堆经所述第二空间，连接至所述第二燃料电池堆。
可选地，所述工作组件连接于所述承重板和/或所述连接板上。
可选地，所述工作组件包括锂电池，所述锂电池设置于所述第一空间内。
可选地，所述连接板贴合于所述封装组件的内壁，为所述连接杆提供支点。
可选地，所述工作组件包括锂电池、DC/DC转换器、控制器、水泵和氢浓度传感器。
可选地，所述封装组件包括电堆封装外壳、封装罐外壳和罐体连接板；
所述电堆封装外壳罩设于所述燃料电池电堆的外侧；
所述封装罐外壳罩设于所述结构组件和所述辅助组件外侧；
所述罐体连接板设于所述电堆封装外壳和所述封装罐外壳之间，所述燃料电池电堆连接于所述罐体连接板上。
可选地，所述封装罐外壳上设有接口端板，所述接口端板上设有供所述燃料电池系统内部与外部进行物质和信息交换的接口，所述管路与所述接口连通。
本发明的有益效果为：
(1)具备高集成度：本发明在有限的系统空间内，将金属管路下沉到承重板下方，有效增加了空间利用率，提高了集成度。
(2)简化维修流程：航天或水下等应用场景中往往要求维修快捷简单，本发明中的电堆组件与封装组件通过螺钉机械连接，拆下故障电堆对应的电堆封装外壳后，故障电堆堆芯便完整暴露在视野中，方便人员对故障位置维修或对电堆进行整体拆卸更换。此外，系统中的控制器，锂电池，DC/DC转换器，水泵和氢浓度传感器也均通过机械连接固定在中间的承重板或连接板上，维修时将气液电管路与接口端板断开，两侧电堆封装外壳和罐体连接板拆下，其余部分可以整体从外壳中取出。
(3)一体式封装结构提高安全性：本发明中的燃料电池系统采用罐式结构封装，并在连接处采用密封圈进行密封。发生氢气泄露时，系统通过氢浓度传感器进行检测，控制器发出信号使电堆停止工作，一体式封装能够有效防止氢气泄漏到系统外，造成安全风险。
(4)提高燃料电池工作的可靠性：系统中的控制器，锂电池，DC/DC转换器，水泵和氢浓度传感器全部固定在连接板或承重板上，通过防松螺母进一步将连接板固定到四根螺纹连接杆上，进而与电堆和外壳相连，使整体受力能够最终传导到外壳上。同时圆形的连接板结构与封装罐外壳内壁贴合，为四根螺纹杆提供了两个支点，防止燃料电池系统在受力时，螺纹杆发生大幅震颤，产生较大挠度。以上设计可以保证系统具备短时间承受较大加速度的能力。
(5)模块集成化程度高，缩短设计开发周期：本发明中将电堆模块，辅助部件模块和结构件模块设计成标准模块，通过更换电堆模块来扩展系统的功率等级，针对不同的功率需求场景，快速开发燃料电池系统方案。
(6)具备高冗余度：本发明采用双堆方案，两个电堆一用一备，均可独立接入或接出系统，提高了冗余度，保证在单电堆意外失效的情况下，仍可继续保持对外的电力供应。
(7)将静态排水电堆用于燃料电池系统中，传统电堆无排水腔，阴极生成的水被气体带出，不饿能够有效利用。静态排水电堆中反应生成的水可以通过排水腔流出，通过系统中的排水出口导入外部的储水箱中进行利用。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池系统示意图。
图2为本发明燃料电池系统的封装组件示意图。
图3为本发明燃料电池系统的电堆组件和结构组件示意图。
图4为本发明提供的燃料电池电堆示意图。
图5为本发明燃料电池系统的结构组件示意图。
图6为本发明燃料电池系统的辅助组件示意图。
图7为本发明燃料电池系统的管路示意图。
图8为本发明燃料电池系统的辅助组件的俯视图。
图9为本发明燃料电池系统的接口端板示意图。
图中，1-封装组件，11-电堆封装外壳，12-封装罐外壳，13-罐体连接板，14-接口端板，141-氢气入口，142-氢气出口，143-氧气入口，144-氧气出口，145-排水入口，146-排水出口，147-冷却液入口，148-冷却液出口，149-正极接口，150-负极接口，151-通信接口，2-电堆组件，21-第一燃料电池电堆，22-第二燃料电池电堆，23-堆芯，230-圆形板，24-集成端板，3-结构组件，31-连接板，32-承重板，33-连接杆，4-辅助组件，40-管路，41-锂电池，42-DC/DC转换器，43-控制器，44-水泵，45-氢浓度传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“垂直”“水平”“内”“外”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。此外，术语“第一”“第二”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种用于密闭空间的燃料电池系统，包括封装组件1，及设置于封装组件1内的电堆组件2、结构组件3和辅助组件4。电堆组件2包含至少两个对称设置的燃料电池电堆。部分燃料电池电堆向外供电，部分燃料电池电堆作为备用，每个燃料电池电堆均可独立接入或接出系统，能够提高系统的冗余度，保证在部分燃料电池电堆失效的情况下，仍可继续保持对外的电力供应。燃料电池电堆、结构组件3和辅助组件4均为标准件，通过更换燃料电池电堆来扩展系统的功率等级，使本发明的燃料电池系统能够适应功率需求不同的场景。优选地，本发明的燃料电池电堆是静态排水电堆，电堆中反应生成的水可以通过排水腔流出，通过系统中的排水出口导入外部的储水箱中进行利用。本实施例为包含两个镜像对称设置的燃料电池电堆，一个燃料电池电堆对外供电，另一个燃料电池电堆作为备用。
如图2所示，封装组件1包括两个电堆封装外壳11、封装罐外壳12和两个罐体连接板13。电堆封装外壳11罩设于燃料电池堆的外侧，封装罐外壳12罩设于结构组件和辅助组件的外侧，罐体连接板13设于电堆封装外壳11和封装罐外壳12之间，燃料电池电堆连接于罐体连接板13上。两个电堆封装外壳11、封装罐外壳12和两个罐体连接板13之间通过螺钉机械连接，面与面之间设有密封圈以保证密封性能。航天或水下等应用场景中往往要求维修快捷简单，燃料电池电堆与封装组件通过螺钉机械连接，拆下故障的燃料电池电堆所对应的电堆封装外壳11后，故障的燃料电池电堆便能完整暴露在视野中，方便人员对故障位置维修或对电堆进行整体拆卸更换。将管路40与接口端板14断开，拆下两侧的电堆封装外壳11，辅助组件4的工作组件也能够整体从封装罐外壳12中取出。封装组件1还包括接口端板14。
如图3所示，本实施例的电堆组件2包括镜像对称设置的第一燃料电池电堆21和第二燃料电池电堆22。如图4所示，燃料电池电堆包括堆芯23和集成端板24，堆芯23和集成端板24通过螺钉连接到罐体连接板13上。堆芯23上的圆形板230，其外径略小于封装罐外壳12的内径，使堆芯23能够通过封装罐外壳12的内部。
如图3和图5所示，结构组件3作为整个燃料电池系统的支撑框架，用于支撑辅助组件4，并连接第一燃料电池电堆21和第二燃料电池电堆22。结构组件3包括两个连接板31、一个承重板32和四个连接杆33。连接板31平行放置于第一燃料电池电堆21和第二燃料电池电堆22之间，并与圆形板230平行。两个连接板31围成的空间位于封装罐外壳12的中心处。承重板32设置于两个连接板31之间，焊接在两个连接板31上，与连接板31垂直。承重板32将连接板31围成的区域分割为第一空间和第二空间，连接板31的中轴线穿过第一空间，故第一空间的体积比第二空间大。连接杆33的两端分别固定在第一燃料电池电堆21和第二燃料电池电堆22上，并依次穿过两个连接板31。可选地，第一燃料电池电堆21、第二燃料电池电堆22和连接板31均通过螺母固定在连接杆33上，连接杆33上连接了螺母的位置对应设有螺纹，其他部分为光杆。连接板31和堆芯23的圆形板230上开设有供内部线束通过的通孔，线束沿连接杆33延伸的方向排布，并用扎带将线束固定。优选地，连接板31为圆形板。连接板31能够贴合于圆柱形的封装罐外壳12的内壁，两个圆形的连接板31分别为四根连接杆33提供两个支点，防止燃料电池系统在受力时，连接杆33发生大幅震颤，产生较大挠度，保证系统具备短时间承受较大加速度的能力。
如图6-图8所示，辅助组件4包括工作组件和与燃料电池电堆相连的管路40，管路40弯折后，使封装罐外壳12腔内的中心处形成放置工作组件的空间。如上文所述，承重板32将两个连接板31之间分割成一大一小的第一空间和第二空间，第一空间用于容纳工作组件，第二空间用于使管路40穿过。在图中，第一空间位于上方，第二空间位于下方。工作组件包括锂电池41、DC/DC转换器42、控制器43、水泵44和氢浓度传感器45。锂电池41作为储备电源在燃料电池启动过程中为辅助部件供电，另外在负载工况突变时进行快速充放电，使燃料电池工作在相对稳定的工况下，当锂电池电量不足时，燃料电池为锂电池充电，形成燃料电池-锂电池复合电源系统。发生氢气泄露时，系统通过氢浓度传感器45进行检测，控制器43发出信号使电堆停止工作，封装组件1的一体式封装结构能够有效防止氢气泄漏到系统外造成的安全风险。锂电池41和DC/DC转换器42设置在第一空间内，并通过螺钉机械连接在承重板32上。两个控制器43分别通过螺钉机械连接在两个连接板31面向燃料电池电堆的侧面上。水泵44和氢浓度传感器45通过螺钉机械连接在连接板31上。工作组件全部连接至连接板31和承重板32上，连接板31和承重板32通过防松螺母进一步连接至连接杆33上，进而与燃料电池电堆和封装组件1相连，使整体受力最终能传导到封装组件1上。管路40由第一燃料电池堆21的集成端板穿过第二空间，连接至第二燃料电池堆22的集成端板上，管路40与集成端板通过一端金属硬管连接。本发明的技术构思之一在于对封装罐外壳12内腔体的分配。在有限的空间里，将金属管路40下沉到承重板32的下方，将工作组件主要设置于承重板32的上方，提高了空间利用率，增加了集成度。
将电堆组件2、结构组件3和辅助组件4安装完成后，整体穿进封装罐外壳12中，将罐体连接板13通过螺钉固定在封装罐外壳12的两侧，最后套上电堆封装外壳11，整体用螺栓进行连接。
如图9所示，接口端板14设有供燃料电池系统内部与外部进行物质和信息交换的接口。接口包括与管路40相连接的氢气入口141、氢气出口142、氧气入口143、氧气出口144、排水入口145、排水出口146、冷却液入口147和冷却液出口148。为了减少气体通入和排出时的风险，氢气入口141和氧气入口143置于对角，氢气出口142和氧气出口144也置于对角。排水入口145置于排水出口146的下方，在静态排水电堆启动前，通过排水入口145进水对电堆排水膜进行润湿，在电堆工作时，生成的水通过排水出口146排到外部储水箱中。冷却液入口147置于冷却液出口148的下方，便于循环时能充分将系统冷却循环中的气泡排出。管路40通过金属软管与接口端板14的上述接口相接通。接口还包括为外部用电设备供电的正极接口149和负极接口150。控制器43与通信接口151接通，使控制器43能够根据外部信号对内部零件进行调节。
综上所述，本发明提供了一种能够应用于航天或水下等密闭空间的、具备高可靠性和安全性的燃料电池系统，在有限的系统空间内，将金属管路下沉到承重板下方，有效增加了空间利用率，提高了集成度。电堆组件与封装组件通过螺钉机械连接，工作组件也通过螺钉机械连接在连接板或承重板上，方便人员对故障位置维修或对电堆进行整体拆卸更换。圆形的连接板结构与封装罐外壳内壁贴合，为四根螺纹杆提供了两个支点，防止燃料电池系统在受力时，螺纹杆发生大幅震颤，产生较大挠度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于密闭空间的燃料电池系统，其特征在于，包括封装组件，及设置于所述封装组件内的电堆组件、结构组件和辅助组件；
所述电堆组件包含至少两个对称设置的燃料电池电堆；
所述结构组件用于支撑所述辅助组件；
所述辅助组件包含工作组件和与所述燃料电池电堆相连接的管路，所述管路弯折后，使所述封装组件的中心处形成放置所述工作组件的空间。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆组件包含镜像对称设置的第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述结构组件包括连接板、承重板和连接杆；
所述连接板平行设置于所述第一燃料电池电堆和所述第二燃料电池电堆之间；
所述承重板设置于相邻两个所述连接板之间，与所述连接板垂直；所述承重板将相邻两个所述连接板围成的区域分割为第一空间和第二空间，所述连接板的中轴线穿过所述第一空间；
所述连接杆的一端固定连接第一燃料电池电堆后，依次穿过所述连接板，另一端固定连接在第二燃料电池电堆上。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述管路由所述第一燃料电池堆经所述第二空间，连接至所述第二燃料电池堆。
5.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述工作组件连接于所述承重板和/或所述连接板上。
6.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述工作组件包括锂电池，所述锂电池设置于所述第一空间内。
7.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述连接板贴合于所述封装组件的内壁，为所述连接杆提供支点。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述工作组件包括锂电池、DC/DC转换器、控制器、水泵和氢浓度传感器。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述封装组件包括电堆封装外壳、封装罐外壳和罐体连接板；
所述电堆封装外壳罩设于所述燃料电池电堆的外侧；
所述封装罐外壳罩设于所述结构组件和所述辅助组件外侧；
所述罐体连接板设于所述电堆封装外壳和所述封装罐外壳之间，所述燃料电池电堆连接于所述罐体连接板上。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述封装罐外壳上设有接口端板，所述接口端板上设有供所述燃料电池系统内部与外部进行物质和信息交换的接口，所述管路与所述接口连通。
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