CN205790191U - 一种具有自活化功能的燃料电池发电子系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有自活化功能的燃料电池发电子系统。包括第一氢气比例阀，第二氢气比例阀，第一空气比例阀，第二空气比例阀，第一水比例阀，第二水比例阀，控制系统，氢气供给系统，空气供给系统，水冷却系统，第一电堆，第二电堆，第一可控DC/DC转换器,第二可控DC/DC转换器；第一、第二氢气比例阀置于氢气供给系统与第一电堆、第二电堆之间，第一、第二空气比例阀置于空气供给系统与第一电堆、第二电堆之间，第一、第二水比例阀置于水冷却系统与第一电堆、第二电堆之间，控制系统用于实时调节控制系统零部件的工作情况；用于解决现有的燃料电池出厂前活化工艺复杂且经过一段时间的使用、停机保存等过程后，需要重新活化的问题。

Description

一种具有自活化功能的燃料电池发电子系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，特别涉及一种具有自活化功能的燃料电池发电子系统。

背景技术

目前，燃料电池是一种新型绿色能源，通过将氢气和氧气分别发生氧化和还原反应生成水，产生热能和电能。具有能量转换效率高、无污染排放、环境友好、运行噪声低、安全可靠、比功率和比能量密度高等突出优点。

其中，现有技术中的燃料电池发电子系统结构通常包括：燃料电池堆、氢气供给系统、空气供给系统、散热系统、控制系统、可控DC/DC转换器；燃料电池系统中一般在可控DC/DC转换器后端并联有蓄电池，用于提供启动电力或者在燃料电池进行调节期间提供辅助电力输出的作用；氢气和空气分别由氢气供给系统和空气供给系统处理后直接输送到燃料电池堆。

然而，电堆在运行前需要进行活化工艺，活化工艺通常有三个特征，一是活化工艺通常采用比电堆额定功率更高的活化功率运行电堆，相应的，该电堆在活化时需要消耗比额定功率下更多的燃料、氧化剂(空气)、冷却液等介质流量；二是活化功率通常是按正斜率逐步上升至活化极限功率，如果是新装配电堆，则初始活化功率大约在额定功率的20％左右，如果是重新进行活化工艺的电堆，则初始活化工艺可以从额定功率的80％～100％开始；三是活化极限功率可以高至2倍额定功率。活化工艺复杂，需要占用设备、人力资源，消耗燃料；并且，在经过一段时间的使用、停机保存等过程后，因电堆内部膜电极微观结构上水状态的变化，部分质子传导通道会失去活性，造成电堆性能下降，需要重新活化。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种具有自活化功能的燃料电池发电子系统结构，以解决现有燃料电池在出厂前需进行的活化工艺复杂，且在经过一段时间的使用、停机保存等过程后，需要重新活化的问题。

基于上述目的本实用新型提供的具有自活化功能的燃料电池发电子系统，该系统包括第一氢气比例阀，第二氢气比例阀，第一空气比例阀，第二空气比例阀，第一水比例阀，第二水比例阀，控制系统，氢气供给系统，空气供给系统，水冷却系统，第一电堆，第二电堆，第一可控DC/DC转换器,第二可控DC/DC转换器；所述氢气供给系统气体输出口与所述第一氢气比例阀、所述第二氢气比例阀入口连接，所述第一氢气比例阀气体输出口与所述第一电堆连接，所述第二氢气比例阀气体输出口与所述第二电堆连接，向所述第一电堆、所述第二电堆输送氢气，所述第一氢气比例阀用于控制进入所述第一电堆的氢气进气量，所述第二氢气比例阀用于控制进入所述第二电堆的氢气进气量；所述空气供给系统气体输出口与所述第一空气比例阀、所述第二空气比例阀入口连接，所述第一空气比例阀气体输出口与所述第一电堆连接，所述第二空气比例阀气体输出口与所述第二电堆连接，向所述第一电堆、所述第二电堆输送空气，所述第一空气比例阀用于控制进入所述第一电堆的空气进气量，所述第二空气比例阀用于控制所述第二电堆的空气进气量；所述水冷却系统输出口与所述第一水比例阀、所述第二水比例阀入口连接，所述第一水比例阀输出口与所述第一电堆连接，所述第二水比例阀输出口与所述第二电堆连接，向所述第一电堆、所述第二电堆输送去离子水，所述第一水比例阀用于控制进入所述第一电堆的进水量，所述第二水比例阀用于控制所述第二电堆的进水量，维持燃料电池发电子系统正常工作温度；所述控制系统用于实时调节控制系统零部件的工作情况。

根据本实用新型的燃料电池发电子系统，还包括第一电磁阀；所述第一电堆、所述第二电堆的氢气排出口与所述第一电磁阀入口相连，用于排出所述第一电堆和所述第二电堆中未反应的氢气。

根据本实用新型的燃料电池发电子系统，还包括第二电磁阀；所述第一电堆、所述第二电堆空气排出口与所述第二电磁阀入口相连，用于排出所述第一电堆和所述第二电堆中未反应的空气。

根据本实用新型的燃料电池发电子系统，所述第一电堆、所述第二电堆的排水口与所述水冷却系统连接，将电堆中排出的水收集输送至所述水冷却系统，循环利用。

根据本实用新型的燃料电池发电子系统，所述第一电堆、所述第二电堆分别设有温度传感器，分别用于检测所述第一电堆、所述第二电堆的工作温度；所述温度传感器与所述水冷却系统连接，用于根据燃料电池发电子系统工作状态调控电堆的工作温度。

根据本实用新型的燃料电池发电子系统，所述第一电堆输出端与所述第一可控DC/DC转换器连接，所述第二电堆输出端与所述第二可控DC/DC转换器连接，所述第一、第二可控DC/DC转换器并联后与负载连接，并由所述第一、第二可控DC/DC转换器向负载提供电力。

根据本实用新型的燃料电池发电子系统，所述第一电堆和所述第二电堆相互独立，额定功率分别为总额定功率的一半；所述第一电堆和所述第二电堆共用一套所述氢气供给系统、所述空气供给系统、所述水冷却系统及所述控制系统。

根据本实用新型的燃料电池发电子系统，所述控制系统控制所述第一氢气比例阀、所述第二氢气比例阀、所述第一空气比例阀、所述第二空气比例阀、所述第一水比例阀、所述第二水比例阀的开启角度以及控制所述第一、第二可控DC/DC转换器的电流电压；具体地，所述控制系统还用于检测所述第一电堆和所述第二电堆电压电流值。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的燃料电池发电子系统，为了实现自活化功能，设置了2个电堆、2个氢气比例阀、2个空气比例阀、2个水比例阀，氢气、空气及水比例阀用于对电堆进气量和进水量的控制；在出厂时，将电堆活化到其额定功率后出厂；使用时，一开始可以按额定功率向用户提供电力，当电堆性能有下降趋势时，控制系统通过改变比例阀开启角度，协调电堆进气量，改变电堆对应的可控DC/DC转换器的输入电压，完成活化恢复电堆，即把传统的性能恢复活化这一维修维护过程转变为由用户支付相应的燃料成本，而用户又能获得电力使用的正常使用过程。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统示意图；

图2为本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中氢气供给系统示意图；

图3为本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中空气供给系统示意图；

图4为本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中水冷却系统示意图；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

如图1所示，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统包括氢气比例阀1，氢气比例阀2，空气比例阀3，空气比例阀4，水比例阀5，水比例阀6，控制系统7，氢气供给系统8，空气供给系统9，水冷却系统10，电堆11，电堆12，可控DC/DC转换器13,可控DC/DC转换器14，负载15，电磁阀16，电磁阀17。具体地，氢气供给系统8气体输出口与氢气比例阀1、氢气比例阀2入口连接，氢气比例阀1气体输出口与电堆11连接、氢气比例阀2气体输出口与电堆12连接，向电堆11、电堆12输送氢气，氢气比例阀1用于控制电堆11的进气量，氢气比例阀2用于控制电堆12的进气量；空气供给系统9气体输出口与空气比例阀3、空气比例阀4的入口连接，空气比例阀3气体输出口与电堆11连接，空气比例阀4气体输出口与电堆12连接，向电堆11、电堆12输送空气，空气比例阀3用于控制电堆11的空气进气量，空气比例阀4用于控制进入电堆12的空气进气量；水冷却系统10输出口与水比例阀5、水比例阀6入口连接，水比例阀5输出口与电堆11连接，水比例阀6输出口与电堆12连接，向电堆11、电堆12输送去离子水，水比例阀5用于控制进入电堆11的进水量，水比例阀6用于控制进入电堆12的进水量，维持燃料电池发电子系统正常工作温度；控制系统7用于实时调节控制系统零部件的工作情况。

其中，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，电堆11、电堆12氢气排出口与电磁阀16入口连接，用于排出电堆11和电堆12中未反应的氢气。

另外，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，电堆11、电堆12空气排出口与所述电磁阀17入口连接，用于排出电堆11和电堆12中未反应的空气。

进一步地，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，电堆11、电堆12的排水口与水冷却系统10连接，将排出的水收集输送至水冷却系统10，循环利用。

优选地，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，电堆11和电堆12分别设有温度传感器，分别用于检测电堆11、电堆12的工作温度，温度传感器与水冷却系统10连接，用于根据燃料电池发电子系统工作状态调控系统工作温度。

实际应用时，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，电堆11输出端与可控DC/DC转换器13连接，电堆12输出端与可控DC/DC转换器14连接，可控DC/DC转换器13和可控DC/DC转换器14并联后输出端与负载15连接，具体地，2台可控DC/DC转换器的正极与负载正极连接，负极与负载负极连接，进而向负载15提供电力。

其中，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，电堆11和电堆12相互独立，额定功率分别为总额定功率的一半；电堆11、电堆12共用一套氢气供给系统8、空气供给系统9、水冷却系统10及控制系统7。

进一步地，本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，控制系统7用于控制氢气比例阀1、氢气比例阀2、空气比例阀3、空气比例阀4、水比例阀5和水比例阀6的开启角度以及控制可控DC/DC转换器13、14的电流电压；控制系统还用于检测电堆11和电堆12的电压电流值。

具体地，本系统在可控DC/DC转换器后端，可以并联蓄电池用于启动电力或者在燃料电池进行调节期间提供辅助电力输出，也可以不连接蓄电池，由系统内部管路系统提供所需的电力。

如图2所示，为本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中氢气供给系统示意图。本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中，氢气供给系统8包括高压氢气瓶18，高压氢气瓶18气体输出口与常闭防爆型电磁阀21连接，为了检测高压气瓶的压力，在连接处设有气瓶压力传感器19，为了便于给高压气瓶充装氢气，在连接处设有氢气加注口20；常闭防爆型电磁阀21输出口与减压阀22入口连接；减压阀22输出口与电磁阀24入口连接；为控制系统7能够检测氢气供给系统8的工作状态，在电磁阀22输出管路中设有压力、温度传感器23。

如图3所示，为本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中空气供给系统示意图。本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中，空气供给系统6包括过滤器25，过滤器25输出端口与鼓风机26入口处相连，鼓风机26输出端口与电磁阀27入口连接，电磁阀27输出端口与稳压阀28入口连接，稳压阀28输出端口与流量计29入口连接，为控制系统7能够检测空气供给系统9的工作状态，在流量计29入口处设有压力温度传感器30。

如图4所示，为本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中水冷却系统示意图。本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统中，水冷却系统7包括去离子水箱31，去离子水箱31输出口与板式热交换器32入口连接，电堆11、电堆12排水口也与板式热交换器32入口连接，用于收集电堆11、电堆12排出的水，板式热交换器32第一输出口与加热器35入口连接，加热器35出口与水泵36连接，水泵36输出口与水比例阀5、6连接，构成小循环系统，用于快速升高水温；板式热交换器32第二输出口与水泵33入口连接，水泵33出口与散热器34入口连接，散热器34出口与板式热交换器32入口连接，构成大循环系统，用于快速降低电堆11、电堆12排出水的温度；为系统检测进入水比例阀5、6的温度，在水泵36出口处设有温度传感器37。

本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统在使用过程中，主要有4种自活化情形：

出厂前电堆11和电堆12活化：

出厂测试时，先开启电堆11管路，系统内部的管路系统有足够的能力将电堆11活化至额定功率，再开启电堆12管路，系统内部的管路系统有足够的能力将电堆12活化至额定功率，最终使产品达到总的额定功率，验收出厂。

当燃料电池发电子系统在使用过程中出现其中1个电堆性能下降：

当控制系统7检测到电堆11性能下降，控制系统7将通过调节DC/DC转换器13、14的电流、电压，协调电堆11和电堆12各自入口比例阀的开启角度，使电堆12按低功率运行，并对电堆12仅供应与实际功率相称的介质流量，即电堆12对应的可控DC/DC转换器14输入电压抬高，电堆12入口对应的氢气比例阀2、空气比例阀4开度减小；同时，控制系统使电堆11对应的可控DC/DC转换器13输入电压降低，电堆11入口的氢气比例阀1、空气比例阀3开度增大，让电堆11获得更多的介质流量，以满足其活化工艺条件，然后强行拉大活化电流，使电堆11按活化工艺状态工作。在这一过程中，可控DC/DC转换器13、14的输出电压正极均与负载正极连接，负极均与负载负极连接，因此输出是并联的，负载输入电流是两台DC/DC转换器输出电流之和，总功率不会变化。在这一过程中，控制系统7实时检测活化状态下电堆11、12的输出电压、电流参数，以判断其性能恢复程度，从而实时改变调节比氢气比例阀1和2、空气比例阀3和4、水比例阀5和6，控制电堆11和12向均衡工作方向发展。显然，当检测到电堆12性能下降时，则控制过程与上述过程相反。

使用过程中电堆11和电堆12均有一定程度的下降：

当控制系统7检测到电堆11和电堆12均有一定程度的性能下降时，则控制系统7会作出比较决定对性能下降严重的电堆执行活化恢复工艺，再对另一个电堆执行活化恢复工艺。

使用过程中电堆11和电堆12的性能均下降非常严重的极端情况：

当控制系统7检测到电堆11和电堆12性能均下降非常严重时，类似于电堆11和电堆12初始出厂状态，控制系统7将调节其中1台电堆接近处于关闭状态，总功率几乎由另1台电堆在活化状态下提供。

相对于现有技术，本实用新型实施例所述的具有自活化功能的燃料电池发电子系统结构具有以下优势：

本实用新型实施例提供的燃料电池发电子系统，为了实现自活化功能，设有电堆11和12、氢气比例阀1和2、空气比例阀3和4、水比例阀5和6，氢气、空气和水比例阀用于控制电堆的进气量和进水量；在出厂时，将电堆11和电堆12活化到其额定功率后出厂；使用过程中，通过燃料电池发电子系统的自活化功能，把传统的性能恢复活化这一维修维护过程转变为由用户支付相应的燃料成本，而用户又能获得电力使用的正常使用过程。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有自活化功能的燃料电池发电子系统，其特征在于，包括第一氢气比例阀，第二氢气比例阀，第一空气比例阀，第二空气比例阀，第一水比例阀，第二水比例阀，控制系统，氢气供给系统，空气供给系统，水冷却系统，第一电堆，第二电堆，第一可控DC/DC转换器,第二可控DC/DC转换器；

所述氢气供给系统气体输出口与所述第一氢气比例阀、所述第二氢气比例阀入口连接，所述第一氢气比例阀气体输出口与所述第一电堆连接，所述第二氢气比例阀气体输出口与所述第二电堆连接，向所述第一电堆、所述第二电堆输送氢气，所述第一氢气比例阀用于控制进入所述第一电堆的氢气进气量，所述第二氢气比例阀用于控制进入所述第二电堆的氢气进气量；所述空气供给系统气体输出口与所述第一空气比例阀、所述第二空气比例阀入口连接，所述第一空气比例阀气体输出口与所述第一电堆连接，所述第二空气比例阀气体输出口与所述第二电堆连接，向所述第一电堆、所述第二电堆输送空气，所述第一空气比例阀用于控制进入所述第一电堆的空气进气量，所述第二空气比例阀用于控制所述第二电堆的空气进气量；所述水冷却系统输出口与所述第一水比例阀、所述第二水比例阀入口连接，所述第一水比例阀输出口与所述第一电堆连接，所述第二水比例阀输出口与所述第二电堆连接，向所述第一电堆、所述第二电堆输送去离子水，所述水比例阀用于控制进入所述第一电堆、所述第二电堆的进水量，维持燃料电池发电子系统正常工作温度；所述控制系统用于实时调节控制系统零部件的工作情况。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，包括第一电磁阀；所述第一电堆、所述第二电堆的氢气排出口与所述第一电磁阀入口相连，用于排出所述第一电堆和所述第二电堆中未反应的氢气。

3.根据权利要求1所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，包括第二电磁阀；所述第一电堆、所述第二电堆空气排出口与所述第二电磁阀入口相连，用于排出所述第一电堆和所述第二电堆中未反应的空气。

4.根据权利要求1所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，所述第一电堆、所述第二电堆的排水口与所述水冷却系统连接，将电堆中排出的水收集输送至所述水冷却系统，循环利用。

5.根据权利要求1所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，所述第一电 堆、所述第二电堆分别设有温度传感器，分别用于检测所述第一电堆、所述第二电堆的工作温度；所述温度传感器与所述水冷却系统连接，用于根据燃料电池发电子系统工作状态调控系统工作温度。

6.根据权利要求1所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，所述第一电堆输出端与所述第一可控DC/DC转换器连接；所述第二电堆输出端与所述第二可控DC/DC转换器连接。

7.根据权利要求1所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，所述第一电堆和所述第二电堆相互独立，且其额定功率分别为总额定功率的一半。

8.根据权利要求7所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，所述第一电堆和所述的第二电堆共用一套所述氢气供给系统、所述空气供给系统、所述水冷却系统和所述控制系统。

9.根据权利要求1所述的燃料电池发电子系统，其特征在于，所述控制系统控制所述第一氢气比例阀、所述第二氢气比例阀、所述第一空气比例阀、所述第二空气比例阀、所述第一水比例阀、所述第二水比例阀的开启角度以及控制所述第一、第二可控DC/DC转换器的电流电压；所述控制系统还用于检测所述第一电堆和所述第二电堆电压电流值。