CN206893718U - 燃料电池辅助系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种燃料电池辅助系统，其利用了供氢系统及冷却系统中的执行机构与电堆的功率输出正相关的原理，通过将这两个系统中的两个驱动电机共用，实现了执行机构(循环泵)转速的同步控制，减少了一套电机驱动系统，提高了电机的功率及系统的集成度，优化了系统效率，简化了控制策略，减小了体积和成本，也增加了系统的可靠性。

Description

燃料电池辅助系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池系统设计领域，尤其涉及一种燃料电池辅助系统。

背景技术

燃料电池是一种能把存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置。只要在阳极侧和阴极侧不断的供给燃料(一般为氢气)和氧化剂(一般为空气)，它就可以通过氧化还原反应，不断地对外输出电能。与一般的充电电池(例如锂电池)不同的是，单纯的一个燃料电池或燃料电池电堆单元是不能工作的，它需要一套复杂的辅助系统与其配合，构成一个燃料电池发电系统才能对外发电。除了燃料电池电堆外，一般还包括氢气系统、空气系统、冷却系统以及辅助多方协调的控制系统等，主要部件包括空气压缩机、冷却水泵、氢气循环泵等。

氢气系统是燃料电池发电系统的一个重要子系统之一，为燃料电池发电提供具有一定压力和流量的所需氢气。为保证氢气在电堆阳极侧均匀分配，防止燃料电池在发电过程中发生欠气现象，影响电堆寿命，氢气供应子系统一般输送比化学计量比更多的燃料进入电堆参与反应。为了提高氢气利用率和电堆运行安全性，反应剩余氢气一般不直接排入大气，而是通过使用一个氢气循环泵，将氢气回路上未反应的氢气从燃料电池堆阳极侧出口直接泵回阳极侧入口，与入口处新鲜注入的反应气汇合后进入燃料电池重新参加反应。

冷却系统是燃料电池又一个重要系统，燃料电池的效率一般在50％左右，其无法像汽车发动机一样向外传导和辐射，加上质子交换膜对温度的敏感性，而且电池排热温度不高，其散热要求约是汽车发动机的2～3倍，对散热系统提出了很高的要求。故要求冷却系统具有较大的流量。另外为平衡氢气、空气、冷却液三方的压力平衡，对冷却系统中的冷却水泵有较大的压力要求。

空气系统需保证燃料电堆空气中氧含量足够支撑氢氧反应，为获得更高的功率能量密度和更好的性能，必须提高空气的供气压力(即氧气的分压力)，提高燃料电池的供气压力还可以减小系统尺寸、提高电池堆效率和改善水平衡。在车用质子交换膜燃料电池系统中，系统典型的工作压力范围在1～3bar，流量范围在100～300kg/h，这需要一个高效率的空气压缩机来实现。

现有的燃料电池系统中的空气压缩机、冷却水泵、氢气循环泵都由独立的电机及控制器进行驱动，多套电机进行驱动，系统较复杂，成本较高，且不利于整车的空间布置，系统效率也偏低。

实用新型内容

本实用新型提供一种燃料电池辅助系统，以使供氢系统和冷却系统通过一共用电机控制各自的执行机构分别实现氢气和冷却水的内部循环，提高了系统的集成度，优化了系统效率，简化了控制策略，减小了系统的体积和成本，也增加了系统的可靠性。

为了达到上述技术目的，本实用新型提供一种燃料电池辅助系统，其包括电堆、供氢系统、供氧系统和冷却系统，所述供氢系统、供氧系统和冷却系统分别为所述电堆循环输送氢气、空气和冷却水，所述供氢系统和冷却系统通过一共用电机控制各自的执行机构分别实现氢气和冷却水的内部循环。

进一步的，所述执行机构为循环泵。

进一步的，所述燃料电池辅助系统还包括第一控制器，所述第一控制器用于控制所述共用电机的转速。

进一步的，所述供氢系统还包括进气管路和出气管路，所述进气管路和出气管路的一端均与所述电堆相通，所述出气管路的另一端接入所述进气管路中，所述供氢系统中的执行机构设置于所述出气管路中。

进一步的，所述供氧系统包括入风管路、排风管路和空压系统，所述入风管路和排风管路的一端均与所述电堆相通，所述排风管路的另一端位于所述电堆外，所述空压系统用于通过所述入风管路将空气送入所述电堆中。

进一步的，所述空压系统包括供氧系统电机和空压机，所述空压机设置于所述入风管道中，所述供氧系统电机用于控制所述空压机将空气送入所述电堆中。

进一步的，所述空压系统还包括第二控制器，所述第二控制器用于控制所述供氧系统电机的转速。

进一步的，所述冷却系统还包括进水管路和出水管路，所述进水管路和出水管路的一端均与所述电堆相通，所述出水管路的另一端接入所述进水管路中，所述冷却系统中的执行机构设置于所述出水管路中。

进一步的，所述冷却系统还包括节温器和风扇，所述出水管路的另一端具有两支支流，其中一支支流接入所述节温器的第一端，另一支支流经过所述风扇降温后接入所述节温器的第二端，所述节温器的第三端接入所述进水管路的另一端。

进一步的，所述供氢系统、冷却系统和供氧系统通过所述共用电机控制各自的执行机构分别实现氢气、冷却水和空气的内部循环。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的燃料电池辅助系统利用了供氢系统及冷却系统中的执行机构与电堆的功率输出正相关的原理，即在转速控制中，供氢系统和冷却系统的循环泵转速能够呈现一定的线性相关性，通过将这两个系统中的两个驱动电机共用，实现了执行机构(循环泵)转速的同步控制，减少了一套电机驱动系统，提高了电机的功率及系统的集成度，优化了系统效率，简化了控制策略，减小了体积和成本，也增加了系统的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型实施例提供的燃料电池辅助系统的结构示意图。

在图1中，

1：电堆；2：共用电机；31、32：执行机构；4：第一控制器；5：进气管路；6：出气管路；7：入风管路；8：排风管路；9：供氧系统电机；10：空压机；11：第二控制器；12：进水管路；13：出水管路；14：节温器；15：风扇。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的燃料电池辅助系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

本实用新型的核心思想在于，提供一种燃料电池辅助系统，其利用了供氢系统及冷却系统中的执行机构与电堆的功率输出正相关的原理，通过将这两个系统中的两个驱动电机共用，实现了执行机构(循环泵)转速的同步控制，减少了一套电机驱动系统，提高了电机的功率及系统的集成度，优化了系统效率，简化了控制策略，减小了体积和成本，也增加了系统的可靠性。

请参考图1，图1为本实用新型实施例提供的燃料电池辅助系统的结构示意图。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种燃料电池辅助系统，其包括电堆1、供氢系统、供氧系统和冷却系统，所述供氢系统、供氧系统和冷却系统分别为所述电堆1循环输送氢气、空气和冷却水，所述供氢系统和冷却系统通过一共用电机2控制各自的执行机构31、32分别实现氢气和冷却水的内部循环。

进一步的，所述执行机构31、32为循环泵，通过所述循环泵驱动氢气和冷却水在对应的管道中实现对电堆1的循环供应。

进一步的，所述燃料电池辅助系统还包括第一控制器4，所述第一控制器4用于控制所述共用电机2的转速，从而控制所述执行机构31、32的输出，以调节氢气和冷却水的流量。

进一步的，所述供氢系统还包括进气管路5和出气管路6，所述进气管路5和出气管路6的一端均与所述电堆1相通，所述出气管路6的另一端接入所述进气管路5中，所述供氢系统中的执行机构31设置于所述出气管路6与进气管路5之间。氢气从所述进气管路5中进入所述电堆1，在反应后，多余计量比的氢气会从出气管路6处排出，执行机构31用于将排出的多余计量比氢气再次送入进气管路5，以再次进入电堆1内部重新进行反应。

进一步的，所述供氧系统包括入风管路7、排风管路8和空压系统，所述入风管路7和排风管路8的一端均与所述电堆1相通，所述排风管路8的另一端位于所述电堆1外，所述空压系统用于通过所述入风管路7将空气送入所述电堆1中。空气从所述入风管路7中进入所述电堆1，在反应后，多余的空气会从排风管路8处排出所述电堆1。

进一步的，所述空压系统包括供氧系统电机9和空压机10，所述空压机10设置于所述入风管道7中，所述供氧系统电机9用于控制驱动所述空压机10将空气送入所述电堆1中。

进一步的，所述空压系统还包括第二控制器11，所述第二控制器11用于控制所述供氧系统电机9的转速，从而控制所述供氧系统电机9的输出，以调节空气的流量及压力。

进一步的，所述冷却系统还包括进水管路12和出水管路13，所述进水管路12和出水管路13的一端均与所述电堆1相通，所述出水管路13的另一端接入所述进水管路12中，所述冷却系统中的执行机构32设置于所述出水管路13中。冷却水从所述进水管路12中进入所述电堆1，在与电堆1中燃料电池模组进行热交换后，冷却水会从出水管路13处排出，执行机构32用于将排出的冷却水再次循环送入进水管路12中进入电堆1内部，以达到冷却目的。

进一步的，所述冷却系统还包括节温器14和风扇15，所述出水管路13的另一端具有两支支流，其中一支支流接入所述节温器14的第一端，另一支支流经过所述风扇15降温后接入所述节温器14的第二端，所述节温器14的第三端接入所述进水管路12的另一端。所述节温器14的第一端和第二端分别接入温度较高的冷却水以及经过风扇15降温后的冷却水，在对其进行调节后，从节温器14的第三端送出适当温度的冷却水以对电堆1中的反应进行高效冷却。所述节温器14的原理为现有技术，故在此便不再赘述。

可以想到的是，当所述供氧系统的空压机10作为通风作用或能够通过改进设计，使供氢系统，供氧系统和冷却系统的电机转速能够呈现一定的线性相关性时，所述供氧系统也可与所述供氢系统和冷却系统一起通过所述共用电机2控制各自的执行机构分别实现空气、氢气和冷却水的内部循环，即供氧系统电机9与共用电机2为同一驱动电机，而当这一线性相关性不显著时，可以通过增加离合器将供氧系统的执行机构脱开，单独控制。该设计可以更好地提高系统的集成度，简化控制策略，也增加了系统的可靠性，故本实用新型也意图包含该技术方案在内。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些改动和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池辅助系统，其特征在于，包括电堆、供氢系统、供氧系统和冷却系统，所述供氢系统、供氧系统和冷却系统分别为所述电堆循环输送氢气、空气和冷却水，所述供氢系统和冷却系统通过一共用电机控制各自的执行机构分别实现氢气和冷却水的内部循环。

2.根据权利要求1所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述执行机构为循环泵。

3.根据权利要求1所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，还包括第一控制器，所述第一控制器用于控制所述共用电机的转速。

4.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述供氢系统还包括进气管路和出气管路，所述进气管路和出气管路的一端均与所述电堆相通，所述出气管路的另一端接入所述进气管路中，所述供氢系统中的执行机构设置于所述出气管路中。

5.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述供氧系统包括入风管路、排风管路和空压系统，所述入风管路和排风管路的一端均与所述电堆相通，所述排风管路的另一端位于所述电堆外，所述空压系统用于通过所述入风管路将空气送入所述电堆中。

6.根据权利要求5所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述空压系统包括供氧系统电机和空压机，所述空压机设置于所述入风管道中，所述供氧系统电机用于控制所述空压机将空气送入所述电堆中。

7.根据权利要求6所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述空压系统还包括第二控制器，所述第二控制器用于控制所述供氧系统电机的转速。

8.根据权利要求1至3任一项所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述冷却系统还包括进水管路和出水管路，所述进水管路和出水管路的一端均与所述电堆相通，所述出水管路的另一端接入所述进水管路中，所述冷却系统中的执行机构设置于所述出水管路中。

9.根据权利要求8所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述冷却系统还包括节温器和风扇，所述出水管路的另一端具有两支支流，其中一支支流接入所述节温器的第一端，另一支支流经过所述风扇降温后接入所述节温器的第二端，所述节温器的第三端接入所述进水管路的另一端。

10.根据权利要求1所述的燃料电池辅助系统，其特征在于，所述供氢系统、冷却系统和供氧系统通过所述共用电机控制各自的执行机构分别实现氢气、冷却水和空气的内部循环。