CN204793041U - 一种燃料电池发电系统及使用该系统的车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池发电系统及使用该系统的车辆，包括燃料电池堆、氢气系统、空气系统以及用于对燃料电池堆进行冷却的散热系统，空气系统和氢气系统分别与燃料电池堆的对应供气口连通，空气系统包括空气压缩机和用于采用低压电源供电的送风机构，该送风机构在该发电系统启动时为燃料电池堆提供空气，空气压缩机的供电端与燃料电池堆的高压电输出端供电连接。本实用新型的燃料电池发电系统采用一个由低压电源供电的送风机构在启动时为系统送空气，让系统启动起来，再用系统发出的高压电来带动空气压缩机给系统供给空气，不需要外加高压启动电源，也不增加储气装置，既保证了系统的可靠性和稳定性又提高了系统的净效率。

Description

一种燃料电池发电系统及使用该系统的车辆

技术领域

本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池发电系统及使用该系统的车辆。

背景技术

燃料电池发电系统的可靠性、稳定性和系统效率直接影响它的安全性和整个生命周期的成本。现有的质子交换膜燃料电池采用燃料氢和压缩空气为反应气原料，在电池内部氢气与空气中的氧气通过电化学反应将气体中的化学能转化成电能实现对外发电。

现有燃料电池装置包括控制系统、散热系统、氢气输送系统、空气供氧系统等结构，而为平稳地向燃料电池组供应氢与空气，一般使用高压元件(例如，发动机、空气压缩机、鼓风机、泵等)，并且对于燃料电池的启动，使用能够供应高压电力的高压部件(外接辅助高压电源)来供应启动中的高电压，这样就会增加外部高压供电，而且也会间接降低系统的效率；另外，当高压电源发生故障或发生断电时，启动也变为不可能。

中国专利申请号CN200910011619.1公开了一种燃料电池发动机系统及其启动方法，该方法采用了一个储气装置(储气罐)，通过储气罐内预存的压缩空气让系统启动起来，再用系统发出的高压电来向空气系统的供气装置供电，使供气装置工作，向燃料电池堆供给空气。该方法虽然避免了使用外部高压供电，并且增加了系统的净效率，但是它在空气系统启动后还要给储气罐内打满空气以便于下次启动时使用，这样就增加了系统的故障点，降低了系统的可靠性和稳定性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种燃料电池发电系统，以解决现有系统采用储气罐启动降低可靠性和稳定性的问题，同时提供一种使用该散热系统的车辆。

为了实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、氢气系统、空气系统以及用于对燃料电池堆进行冷却的散热系统，所述空气系统和氢气系统分别与燃料电池堆的对应供气口连通，所述空气系统包括空气压缩机和用于采用低压电源供电的送风机构，所述送风机构设置于空气压缩机的进风口处，该送风机构用于在该发电系统启动时为燃料电池堆提供空气，空气压缩机的供电端与燃料电池堆的高压电输出端供电连接。

所述送风机构为风扇或风机。

所述散热系统包括用于连接在燃料电池堆冷却水出口端和进口端之间的水箱、水泵和热交换器和连接管路，所述水箱用于连接在燃料电池堆冷却水出口端，水泵连接在水箱的出口端，所述连接管路上串设有一个三通阀，三通阀的两个出口端分别与热交换器的进、出口端连通，且热交换器的出口端还用于与燃料电池堆冷却水入口端连通。

所述散热系统还包括用于检测冷却水水电导率的水质传感器、用于检测冷却水温度的温度传感器和用于检测冷却水液位高度的液位传感器。

所述水质传感器、温度传感器和液位传感器的信号输出端与一控制器连接，控制器的信号输出端用于与车辆仪表和燃料电池管理系统FCS连接。

一种车辆，包括燃料电池发电系统，该燃料电池发电系统包括燃料电池堆、氢气系统、空气系统以及用于对燃料电池堆进行冷却的散热系统，所述空气系统和氢气系统分别与燃料电池堆的对应供气口连通，所述空气系统包括空气压缩机和用于采用低压电源供电的送风机构，送风机构设置于空气压缩机的进风口处，该送风机构用于在该发电系统启动时为燃料电池堆提供空气，空气压缩机的供电端与燃料电池堆的高压电输出端供电连接。

所述送风机构为风扇或风机。

所述散热系统包括用于连接在燃料电池堆冷却水出口端和进口端之间的水箱、水泵和热交换器和连接管路，所述水箱用于连接在燃料电池堆冷却水出口端，水泵连接在水箱的出口端，所述连接管路上串设有一个三通阀，三通阀的两个出口端分别与热交换器的进、出口端连通，且热交换器的出口端还用于与燃料电池堆冷却水入口端连通。

所述散热系统还包括用于检测冷却水水电导率的水质传感器、用于检测冷却水温度的温度传感器和用于检测冷却水液位高度的液位传感器。

所述水质传感器、温度传感器和液位传感器的信号输出端与一控制器连接，控制器的信号输出端用于与车辆仪表和燃料电池管理系统FCS连接。

本实用新型的燃料电池发电系统采用一个由低压电源供电的送风机构在发电系统启动时为系统送空气，让系统启动起来，再用系统发出的高压电来带动空气压缩机给系统供给空气，不需要外加高压启动电源，也不再额外增加储气装置，既保证了系统的可靠性和稳定性又提高了系统的净效率。

散热系统采用一个三通阀对热交换器的使用进行选择性使用，当水温较低时，采用隔离热交换器的循环水路，当水温较高时，将热交换器接入循环水路，提高了使用效率。

另外，在系统中设置水质传感器、温度传感器和液位传感器，用来采集系统中的水位、水质、水温情况，并根据实际情况设定报警状态，当超出某一设定值时，仪表显示报警信息，提示司机加水、换水、停车，实现了对燃料电池散热系统的有效管理，防止燃料电池在缺水、温度过低、温度过高和电导率过大时使用，使燃料电池能够在车上可靠和安全的工作。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理图；

图2为燃料电池散热系统的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。

如图1所示为本实用新型燃料电池发电系统的结构原理图，由图可知，该发电系统包括燃料电池堆、氢气系统、空气系统以及用于对燃料电池堆进行冷却的散热系统，空气系统和氢气系统分别与燃料电池堆的对应供气口连通，空气系统包括空气压缩机2和用于采用低压电源(12V或24V)供电的送风机构1，送风机构设置于空气压缩机的进风口处，本实施例的送风机构为启动风扇，启动风扇紧贴着空气压缩机同轴并不相联，该送风机构用于在该发电系统启动时为燃料电池堆提供空气，空气压缩机的供电端与燃料电池堆的高压电输出端供电连接。

本实用新型的送风机构不局限使用风扇，也可以采用风机等，只要能够满足使用低压电源或不采用电源供电而实现送风的功能均可。

该散热系统为一个循环冷却系统，包括用于连接在燃料电池堆冷却水出口端和进口端之间的水箱、水泵3、三通阀4和热交换器5以及各器件之间的连接管路，水箱用于连接在燃料电池堆冷却水出口端，水泵3连接在水箱的出口端，三通阀4的两个出口端分别与热交换器5的进、出口端连通，且热交换器5的出口端还用于与燃料电池堆冷却水入口端连通，使燃料电池电堆、水箱、水泵3、三通阀4和热交换器5通过连接管路串联构成一个循环。

本实施例的三通阀选用电控三通阀，可以调整出口的开度，便于控制使用；热交换器选取带有散热风扇6的散热器，散热风扇安装在散热片外面，可以在温度高于设定值时进一步提供散热效率。

进一步地，如图2所示，该散热系统还包括用于检测冷却水水电导率的水质传感器、用于检测冷却水温度的温度传感器和设置于水箱内用于检测冷却水液位高度的液位传感器，水质传感器、温度传感器和液位传感器的信号输出端与控制器(本实施例采用单片机)连接，控制器的信号输出端通过CAN收发器及CAN总线与车辆仪表和燃料电池管理系统FCS连接。

为便于安装，本实施例的水质传感器、温度传感器和液位传感器均设置于水箱中，当然，其中的水质传感器和温度传感器不局限于设在水箱中，其可以设置在该循环冷却系统的任意位置；而液位传感器可以采用实时检测液位位置的类型，也可以选取能够检测特定液位位置的类型，只要满足使用要求即可。

另外，为了在冷却水温度小于设定值时能够对冷却水进行升温，该系统还包括加热装置(图中未示出)，该加热装置选取加热棒，可以将加热棒安装于水箱的底部。

该氢气系统包括氢气瓶和由低压电源(12V或24VDC)供电的电磁阀构7成，电磁阀控制氢气供给通断，当启动系统发电时，开启电磁阀给电堆供给氢气；当关闭系统时，关闭电磁阀切断氢气供给。

该燃料电池发电系统还包括一个消音器8，将反应产生的水和未反应的空气、氢气通过消音器排到外面。

本实用新型的工作原理和过程如下：燃料电池发电系统启动时，开启电磁阀供给氢气，同时利用启动风扇给燃料电池堆提供空气，当燃料电池发电系统启动后，燃料电池发电系统给空气压缩机供电，由空气压缩机给燃料电池发电系统提供空气。这时燃料电池发电系统可以大功率加载，当温度达较高时，还可以利用该启动风扇为空气压缩机散热。

在发电过程中，通过各传感器实时采集散热系统中的水位、水质、水温情况，将所采集的数据发送至单片机，单片机一方面将所采集的水位、水质、水温经CAN收发器发送到CAN总线上，仪表接受CAN总线上的这些数据，分别将水位、水质、水温以合适的方式显示在仪表上，并根据实际情况设定报警状态。当超出某一设定值时，仪表显示报警信息，提示司机加水、换水、停车，例如当液位传感器检测液位低于系统高度的30％时，仪表主屏会提示“请添加冷却水”，以提示司机加水；当温度传感器检测到温度高于60℃时，仪表上会显示“温度度过高”，以提示司机可以靠边停车，检查冷却风扇是否正常工作；当水质传感器检测系统中的水的电导率大于25μs/cm²时，仪表主屏会提示“电导率过高”，以提示司机及时对冷却水进行处理。

另一方面，单片机将所采集的水温经CAN收发器发送到燃料电池管理系统FCS，当水温低于0℃时，控制加热棒给冷却水加热，当水温高于5℃时，停止加热；若水温由低温到高温上升的过程中，当水温低于45℃时，电控三通阀的A口开通，进行小循环(不经过散热器)散热；水温继续升高，当水温高于45℃而低于50℃时，仍然采用小循环散热，直至水温高于50℃时，三通阀的A口关闭，B口开通，进行大循环散热，但是散热风扇不工作；到水温高于55℃时，仍然采用大循环散热，但此时还控制散热风扇工作，进一步提供散热效率。而在水温由高温到低温的变化过程中，当水温高于55℃、高于50℃而低于55℃及低于45℃时的散热方式与之前都相同，不同之处在于当水温低于50℃但高于45℃时，该过程仍然采用大循环散热而散热风扇不工作的散热方式。也就是说，在45℃到50℃之间，由高温到低温的变化过程和由低温到高温的变化过程其散热方式不同。

另外，将燃料电池发电系统反应产生的水和未反应的空气、氢气通过消音器8排到外面。

当燃料电池发电系统关闭时，关闭电磁阀7，切断氢气供给，燃料电池发电系统停止发电，空气压缩机停止工作，关闭风扇停止给电堆提供空气。

以上实施例仅用于帮助理解本实用新型的核心思想，不能以此限制本实用新型，对于本领域的技术人员，凡是依据本实用新型的思想，对本实用新型进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、氢气系统、空气系统以及用于对燃料电池堆进行冷却的散热系统，所述空气系统和氢气系统分别与燃料电池堆的对应供气口连通，其特征在于：所述空气系统包括空气压缩机和用于采用低压电源供电的送风机构，所述送风机构设置于空气压缩机的进风口处，该送风机构用于在该发电系统启动时为燃料电池堆提供空气，空气压缩机的供电端与燃料电池堆的高压电输出端供电连接。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：所述送风机构为风扇或风机。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于：所述散热系统包括用于连接在燃料电池堆冷却水出口端和进口端之间的水箱、水泵和热交换器和连接管路，所述水箱用于连接在燃料电池堆冷却水出口端，水泵连接在水箱的出口端，所述连接管路上串设有一个三通阀，三通阀的两个出口端分别与热交换器的进、出口端连通，且热交换器的出口端还用于与燃料电池堆冷却水入口端连通。

4.根据权利要求3所述的燃料电池发电系统，其特征在于：所述散热系统还包括用于检测冷却水水电导率的水质传感器、用于检测冷却水温度的温度传感器和用于检测冷却水液位高度的液位传感器。

5.根据权利要求4所述的燃料电池发电系统，其特征在于：所述水质传感器、温度传感器和液位传感器的信号输出端与一控制器连接，控制器的信号输出端用于与车辆仪表和燃料电池管理系统FCS连接。

6.一种车辆，包括燃料电池发电系统，该燃料电池发电系统包括燃料电池堆、氢气系统、空气系统以及用于对燃料电池堆进行冷却的散热系统，所述空气系统和氢气系统分别与燃料电池堆的对应供气口连通，其特征在于：所述空气系统包括空气压缩机和用于采用低压电源供电的送风机构，送风机构设置于空气压缩机的进风口处，该送风机构用于在该发电系统启动时为燃料电池堆提供空气，空气压缩机的供电端与燃料电池堆的高压电输出端供电连接。

7.根据权利要求6所述的车辆，其特征在于：所述送风机构为风扇或风机。

8.根据权利要求7所述的车辆，其特征在于：所述散热系统包括用于连接在燃料电池堆冷却水出口端和进口端之间的水箱、水泵和热交换器和连接管路，所述水箱用于连接在燃料电池堆冷却水出口端，水泵连接在水箱的出口端，所述连接管路上串设有一个三通阀，三通阀的两个出口端分别与热交换器的进、出口端连通，且热交换器的出口端还用于与燃料电池堆冷却水入口端连通。

9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于：所述散热系统还包括用于检测冷却水水电导率的水质传感器、用于检测冷却水温度的温度传感器和用于检测冷却水液位高度的液位传感器。

10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于：所述水质传感器、温度传感器和液位传感器的信号输出端与一控制器连接，控制器的信号输出端用于与车辆仪表和燃料电池管理系统FCS连接。