CN115172830A - 一种燃料电池及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池及控制系统。其中，燃料电池包括假电池单体和真电池模块，其中，所述假电池单体与真电池模块并联设置，所述假电池单体设置于燃料电池中氢气流动方向的下游，所述真电池模块设置于燃料电池中氢气流动方向的上游，所述假电池单体的氢气入口与真电池模块的氢气入口连通；所述假电池单体用于收集氢气中的杂质颗粒；所述真电池模块用于将化学能转换为电能。本发明实施例的技术方案克服了由于燃料电池外的氢气管路中额外添加过滤装置，导致的氢气管路流道不畅通以及影响系统性能的不足，提高了燃料电池系统性能的稳定性，同时保证了氢气管路流道的畅通。

Description

一种燃料电池及控制系统
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及控制系统。
背景技术
燃料电池系统发动机是用于一种新能源汽车用的动力系统。其中，燃料电池(FuelCell，简称FC)是一种等温地按电化学方式将化学能转化为电能的发电装置，其电化学反应为氢气与氧气反应生成水，以及放出一定的热。
燃料电池反应所要求的氢气需要较高的纯度，通常要求纯度≥99 .99％，但在实际使用过程中，实际进入氢气供给循环系统或氢气主管路中的氢气会掺杂少量的固态杂质，如金属碎屑、金属粉末、其它管路密封材料碎屑。这些杂质会随着氢气流入燃料电池，随着时间的推移其会在电堆入口聚集并最终堵塞电堆入口，导致燃料电池系统性能降低或者部件损坏等。
为了解决上述问题，通常在氢气供给循环系统内或其前端离电堆不远处的氢气主管路中设置过滤装置，以避免氢气掺杂的杂质进入燃料电池内部。但是，在燃料电池使用过程中，氢气中掺杂的固态杂质会逐渐吸附在过滤装置中，不仅影响氢气管路的流道畅通，这些杂质还可能冲破过滤装置对电堆等部件带来伤害，影响燃料电池系统性能的稳定性。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种燃料电池及控制系统，提高了燃料电池系统性能的稳定性，同时也保证了氢气管路流道的畅通。
第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池，包括假电池单体和真电池模块，其中，所述假电池单体与真电池模块并联设置，所述假电池单体设置于燃料电池中氢气流动方向的下游，所述真电池模块设置于燃料电池中氢气流动方向的上游，所述假电池单体的氢气入口与真电池模块的氢气入口连通；
所述假电池单体用于收集氢气中的杂质颗粒；
所述真电池模块用于将化学能转换为电能。
进一步的，所述假电池单体包括氢气入口、氢气流道、氢气出口和导电部件，所述导电部件包括阳极板、阴极板以及位于阳极板和阴极板之间的气体扩散层，其中：
所述氢气入口与所述氢气流道第一端连接，用于在处于开启状态时，使氢气流入氢气流道；
所述氢气流道位于所述阳极板和所述气体扩散层之间，用于在氢气流动过程中，收集氢气中的杂质颗粒；
所述氢气出口与所述氢气流道第二端连接，用于使氢气流出氢气流道；
所述导电部件用于通过气体扩散层，在阳极板和阴极板之间传导电流。
进一步的，所述假电池单体还包括空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口，其中，所述氢气入口处于开启状态时，所述空气入口和所述空气出口均处于关闭状态，所述冷却液入口和所述冷却液出口均处于关闭状态。
进一步的，所述氢气流道设置有杂质出口，所述杂质出口用于在处于开启状态时，使杂质颗粒从氢气流道中排出。
进一步的，所述假电池单体的数量为至少一个。
进一步的，所述假电池单体的流阻与真电池模块中单体电池的流阻相同。
第二方面，本发明实施例提供了一种燃料电池控制系统，包括第一方面任一实施例所述的燃料电池，还包括控制器和杂质监测器，所述控制器分别与杂质监测器和假电池单体连接，所述杂质监测器设置于氢气输送主管路中，其中：
所述杂质监测器用于监测所述氢气输送主管路中的氢气是否含有杂质颗粒，若监测到含有杂质颗粒，则将监测结果反馈给所述控制器；
所述控制器根据所述监测结果，控制所述假电池单体收集氢气中的杂质颗粒。
进一步的，所述控制器根据所述监测结果，控制所述假电池单体收集氢气中的杂质颗粒，包括：
所述控制器根据所述监测结果，控制所述假电池单体中的氢气入口打开，以使杂质颗粒进入氢气流道中。
进一步的，所述控制器分别与空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口连接，在控制所述假电池单体中的氢气入口打开之前，还包括：所述控制器控制所述空气入口和所述空气出口关闭，所述控制器控制所述冷却液入口和所述冷却液出口关闭。
进一步的，所述控制器与杂质出口连接，用于控制所述杂质出口开启，以使杂质颗粒从氢气流道中排出。
本发明实施例中的燃料电池包括假电池单体和真电池模块，其中，所述假电池单体与真电池模块并联设置，所述假电池单体设置于燃料电池中氢气流动方向的下游，所述真电池模块设置于燃料电池中氢气流动方向的上游，所述假电池单体的氢气入口与真电池模块的氢气入口连通；所述假电池单体用于收集氢气中的杂质颗粒；所述真电池模块用于将化学能转换为电能。上述通过将假电池单体设置在氢气流动方向的下游，将真电池模块设置于氢气流动方向的上游，基于流体分配原理，氢气中的杂质颗粒会主要聚集在下游的假电池单体中，减少了杂质颗粒在真电池模块中的聚集，极大程度的缓解了真电池模块电堆堵塞的问题，提高了燃料电池系统性能的稳定性。同时，本技术方案从改变燃料电池本身结构出发，而不是在燃料电池外的氢气管路中额外添加过滤装置，保证了氢气管路流道的畅通。
附图说明
结合附图并参考以下具体实施方式，本发明各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，原件和元素不一定按照比例绘制。
图1a是本发明实施例一提供的一种燃料电池的结构示意图；
图1b是本发明实施例一提供的一种假电池单体的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种燃料电池控制系统的结构示意图。
附图标记如下：
11.假电池单体；111.假电池单体的氢气入口；112.氢气流道；113.氢气出口；1141.阳极板；1142.阴极板；1143.气体扩散层；12.真电池模块；121.真电池模板的氢气入口；21.燃料电池；22.控制器；23.杂质监测器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚地理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
下面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一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，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。
实施例一
图1a为本发明实施例一提供的一种燃料电池的结构示意图。如图1a所示，燃料电池包括假电池单体11和真电池模块12，其中，所述假电池单体11与真电池模块12并联设置，所述假电池单体11设置于燃料电池中氢气流动方向的下游，所述真电池模块12设置于燃料电池中氢气流动方向的上游，所述假电池单体11的氢气入口111与真电池模块12的氢气入口121连通；所述假电池单体11用于收集氢气中的杂质颗粒；所述真电池模块12用于将化学能转换为电能。
其中，假电池单体11为具有导电功能但不参与燃料电池电化学反应的单体电池，真电池模块12则是由多个参与燃料电池电化学反应的单体电池构成的电堆结构。在实际工作中，氢气从主管路顺次流入真电池模块12的氢气入口121和假电池单体11的氢气入口111中，并进入相应单体电池内部。氢气中含有杂质颗粒，杂质颗粒为固体，相对于氢气气体而言惯性较大，因此，根据流体分配原理，氢气中的杂质颗粒会主要聚集在氢气流动方向下游的假电池单体11中，减少了杂质颗粒在真电池模块12中的聚集，极大程度的缓解了真电池模块12电堆堵塞的问题。可以理解的是，真电池模块12中的每个单体电池均设置有氢气入口，本实施例中，真电池模块12为各单体电池的整体，真电池模块12的氢气入口121也为各相应氢气入口的整体。又可以理解的是，虽然本实施例中未提及燃料电池的密封问题，但为了保证燃料电池的工作性能，实际需要密封的部位均可以设置有密封装置，后续不再赘述。
优选的，所述假电池单体11的数量为至少一个。本实施例中，假电池单体11的数量可以是一个，也可以是多个，例如可以是3个或者4个等，假电池单体11的具体数量可以根据实际情况进行设定，上述举例仅为示例性说明，不具有限定作用。示例性的，以假电池单体11的数量为3个，对燃料电池的具体结构进行说明：3个假电池单体11依次并联设置，3个假电池单体11的氢气入口111依次连通，得到假电池模块；假电池模块与真电池模块12并联设置，假电池模块设置于燃料电池中氢气流动方向的下游，真电池模块12设置于燃料电池中氢气流动方向的上游，假电池模块的氢气入口与真电池模块12的氢气入口121连通。
优选的，所述假电池单体11的流阻与真电池模块12中单体电池的流阻相同或相近。具体的，如果假电池单体11的流阻远小于真电池模块12中单体电池的流阻，则会导致氢气快速从假电池单体11中流出，进而导致进入真电池模块12中的单体电池中的氢气量不足，影响燃料电池的性能，同时，杂质颗粒也不容易在假电池单体11中聚集；如果假电池单体11的流阻远大于真电池模块12中单体电池的流阻，则会导致氢气及杂质颗粒很难进入假电池单体11中，进而导致杂质颗粒在真电池模块12中的单体电池中聚集，甚至堵塞单体电池。
本实施例提供一种燃料电池，该燃料电池包括假电池单体和真电池模块，其中，所述假电池单体与真电池模块并联设置，所述假电池单体设置于燃料电池中氢气流动方向的下游，所述真电池模块设置于燃料电池中氢气流动方向的上游，所述假电池单体的氢气入口与真电池模块的氢气入口连通；所述假电池单体用于收集氢气中的杂质颗粒；所述真电池模块用于将化学能转换为电能。上述通过将假电池单体设置在氢气流动方向的下游，将真电池模块设置于氢气流动方向的上游，基于流体分配原理，氢气中的杂质颗粒会主要聚集在下游的假电池单体中，减少了杂质颗粒在真电池模块中的聚集，极大程度的缓解了真电池模块电堆堵塞的问题，提高了燃料电池系统性能的稳定性。同时，本技术方案从改变燃料电池本身结构出发，而不是在燃料电池外的氢气管路中额外添加过滤装置，保证了氢气管路流道的畅通。
图1b为本发明实施例一提供的一种假电池单体的结构示意图，如图1b所示，进一步的，所述假电池单体11包括氢气入口111、氢气流道112、氢气出口113和导电部件（图1b中未示出），所述导电部件包括阳极板1141、阴极板1142以及位于阳极板1141和阴极板1142之间的气体扩散层1143，其中：所述氢气入口111与所述氢气流道112第一端连接，用于在处于开启状态时，使氢气流入氢气流道112；所述氢气流道112位于所述阳极板1141和所述气体扩散层1143之间，用于在氢气流动过程中，收集氢气中的杂质颗粒；所述氢气出口113与所述氢气流道112第二端连接，用于使氢气流出氢气流道112；所述导电部件用于通过气体扩散层1143，在阳极板1141和阴极板1142之间传导电流。其中，气体扩散层1143可以包括阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，具体的，氢气流道112位于阳极板1141和阳极气体扩散层之间。上述假电池单体11的结构与真电池模块12中单体电池的结构相似，因此可以基于真电池模块12中单体电池的结构，改进获得假电池单体11，也可以根据单体电池的生产工艺制造获得假电池单体11，上述假电池单体制作过程简单，且取材方便。
可选的，氢气入口111可以是开口设计，即氢气入口111持续处于开启状态，也可以是能够打开或关闭的开关结构，即可以根据控制指令执行打开或者关闭等操作，以便在不需要使用假电池单体11收集杂质颗粒时，能够随时对氢气入口111执行关闭操作。示例性的，开关结构为正方形结构，且正方形结构侧边固定，当接收到打开氢气入口111的控制指令时，开关结构的打开方式可以是以正方形的固定侧边为轴，向氢气流动方向的上游旋转打开，也可以是以正方形的固定侧边为轴，向氢气流动方向的下游旋转打开。本实施例中，开关结构的具体形状或者打开方式可以根据实际情况进行设定，上述示例仅为举例说明，不做特殊限定。
在上述各实施例的基础上，进一步的，所述假电池单体11还包括空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口，其中，所述氢气入口111处于开启状态时，所述空气入口和所述空气出口均处于关闭状态，所述冷却液入口和所述冷却液出口均处于关闭状态。
可选的，空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口均可以是闭口设计，即空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口均持续处于关闭状态，也可以是能够打开或关闭的开关结构，即可以根据控制指令执行打开或者关闭等操作，以便在使用假电池单体11收集杂质颗粒时，能够随时对空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口等执行关闭操作。上述实施例中提到可以基于真电池模块12中单体电池的结构，改进获得假电池单体11，而真电池模块12中单体电池结构通常包括空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口等结构，因此为了节省改进成本，在改进过程中可以保留空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口等结构，仅需将相应入口或出口做堵塞处理即可。
在上述各实施例的基础上，进一步的，所述氢气流道112设置有杂质出口，所述杂质出口用于在处于开启状态时，使杂质颗粒从氢气流道112中排出。
随着时间的推移，杂质颗粒逐渐在氢气流道112中聚集甚至会堵塞氢气流道112，最终导致假电池单体11无法收集氢气中的杂质颗粒。基于此，可以在不影响燃料电池性能以及密闭性的前提下，在氢气流道112上设置杂质出口，以便将杂质颗粒排出。可以理解的是，燃料电池工作状态下，杂质出口一直处于闭合状态，当燃料电池停止工作时，可以将杂质出口打开，排出杂质颗粒。优选的，上述杂质出口的打开或关闭可以根据接收到的控制指令来确定。
实施例二
图2为本发明实施例一提供的一种燃料电池控制系统的结构示意图。如图2所示，燃料电池控制系统包括上述各实施例所述的燃料电池21，还包括控制器22和杂质监测器23，所述控制器22分别与杂质监测器23和假电池单体11连接，所述杂质监测器23设置于氢气输送主管路（图2中未示出）中，其中：所述杂质监测器23用于监测所述氢气输送主管路中的氢气是否含有杂质颗粒，若监测到含有杂质颗粒，则将监测结果反馈给所述控制器22；所述控制器22根据所述监测结果，控制所述假电池单体11收集氢气中的杂质颗粒。
优选的，所述控制器22根据所述监测结果，控制所述假电池单体11收集氢气中的杂质颗粒，包括：所述控制器22根据所述监测结果，控制所述假电池单体11中的氢气入口打开，以使杂质颗粒进入氢气流道中。
本实施例提供一种燃料电池控制系统，该燃料电池控制系统包括上述各实施例中的燃料电池，还包括控制器和杂质监测器，所述控制器分别与杂质监测器和假电池单体连接，所述杂质监测器设置于氢气输送主管路中，其中：所述杂质监测器用于监测所述氢气输送主管路中的氢气是否含有杂质颗粒，若监测到含有杂质颗粒，则将监测结果反馈给所述控制器；所述控制器根据所述监测结果，控制所述假电池单体收集氢气中的杂质颗粒。上述燃料电池控制系统控制假电池单体收集氢气中的杂质颗粒，减少了杂质颗粒在真电池模块中的聚集，极大程度的缓解了真电池模块电堆堵塞的问题，提高了燃料电池系统性能的稳定性。同时，本技术方案利用假电池单体结构收集氢气中的杂质颗粒，而不是在燃料电池外的氢气管路中额外添加过滤装置，保证了氢气管路流道的畅通。
在上述各实施例的基础上，进一步的，所述控制器22分别与空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口连接，在控制所述假电池单体11中的氢气入口打开之前，还包括：所述控制器22控制所述空气入口和所述空气出口关闭，所述控制器22控制所述冷却液入口和所述冷却液出口关闭。
在上述各实施例的基础上，进一步的，所述控制器22与杂质出口连接，用于控制所述杂质出口开启，以使杂质颗粒从氢气流道中排出。
本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换和等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括假电池单体和真电池模块，其中，所述假电池单体与真电池模块并联设置，所述假电池单体设置于燃料电池中氢气流动方向的下游，所述真电池模块设置于燃料电池中氢气流动方向的上游，所述假电池单体的氢气入口与真电池模块的氢气入口连通；
所述假电池单体用于收集氢气中的杂质颗粒；
所述真电池模块用于将化学能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述假电池单体包括氢气入口、氢气流道、氢气出口和导电部件，所述导电部件包括阳极板、阴极板以及位于阳极板和阴极板之间的气体扩散层，其中：
所述氢气入口与所述氢气流道第一端连接，用于在处于开启状态时，使氢气流入氢气流道；
所述氢气流道位于所述阳极板和所述气体扩散层之间，用于在氢气流动过程中，收集氢气中的杂质颗粒；
所述氢气出口与所述氢气流道第二端连接，用于使氢气流出氢气流道；
所述导电部件用于通过气体扩散层，在阳极板和阴极板之间传导电流。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述假电池单体还包括空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口，其中，所述氢气入口处于开启状态时，所述空气入口和所述空气出口均处于关闭状态，所述冷却液入口和所述冷却液出口均处于关闭状态。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池，其特征在于，所述氢气流道设置有杂质出口，所述杂质出口用于在处于开启状态时，使杂质颗粒从氢气流道中排出。
5.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述假电池单体的数量为至少一个。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述假电池单体的流阻与真电池模块中单体电池的流阻相同。
7.一种燃料电池控制系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的燃料电池，还包括控制器和杂质监测器，所述控制器分别与杂质监测器和假电池单体连接，所述杂质监测器设置于氢气输送主管路中，其中：
所述杂质监测器用于监测所述氢气输送主管路中的氢气是否含有杂质颗粒，若监测到含有杂质颗粒，则将监测结果反馈给所述控制器；
所述控制器根据所述监测结果，控制所述假电池单体收集氢气中的杂质颗粒。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制器根据所述监测结果，控制所述假电池单体收集氢气中的杂质颗粒，包括：
所述控制器根据所述监测结果，控制所述假电池单体中的氢气入口打开，以使杂质颗粒进入氢气流道中。
9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制器分别与空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口连接，在控制所述假电池单体中的氢气入口打开之前，还包括：所述控制器控制所述空气入口和所述空气出口关闭，所述控制器控制所述冷却液入口和所述冷却液出口关闭。
10.根据权利要求8或9所述的控制系统，其特征在于，所述控制器与杂质出口连接，用于控制所述杂质出口开启，以使杂质颗粒从氢气流道中排出。
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