CN207765544U - 一种燃料电池系统和一种燃料电池安全运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池系统和一种燃料电池安全运行控制系统，燃料电池系统包括至少两个燃料电池堆子系统，燃料电池堆子系统包括燃料电池堆、燃料气体进气管、氧化剂气体进气管和用于检测对应燃料电池堆内各单体电池电压信号的电压检测模块。在有燃料电池堆因异常而切断燃料气体和/或氧化剂气体从而停止输出电能后，其他燃料电池堆可以继续工作，从而无需控制整个燃料电池系统停机，保证燃料电池系统的高可靠性。而且，相较于传统的只有一个燃料电池堆的情况，本方案中的每个燃料电池堆的体积均较小，因此方便更换出现故障的燃料电池堆，在只有一个或部分燃料电池堆出现故障的时候，不用换掉所有的燃料电池堆，从而达到经济性更好的效果。

Description

一种燃料电池系统和一种燃料电池安全运行控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池系统和一种燃料电池安全运行控制系统。

背景技术

燃料电池是一种通入氢气和空气即可发电的装置，在化石能源日益枯竭的今天，利用氢气作为能源取代传统化石燃料成为未来能源发展的重要方向。随着燃料电池技术的发展，越来越多的行业和产品开始采用燃料电池作为电力供应装置，比如新能源汽车、分布式发电、燃料电池无人机等等。燃料电池在新能源的发展中，扮演着越来越重要的角色。

燃料电池与锂电池类似，单片单体电池的电压比较低，正常工作中电压约为0.65V，为达到对外供电的目的，需要将很多片燃料电池进行串联堆栈，组成燃料电池堆，从而达到目标电压。燃料电池堆是由多个单体电池堆叠而成，一般情况下各单体电池的气体流场均由一条共同的气路进行供气，电能输出则是在电堆两端的电池引出。燃料电池的这种情况就导致了同一个电堆中的单体电池电流相同，如果出现性能差别，则表现在单体电池的输出电压上。也因此，一旦电堆中的一片或多片单体电池出现性能下降，不能达到输出的电流要求就会出现反极的现象。反极是指燃料电池堆中，一片或多片单体电池的电压出现氢气侧电压高于空气侧电压的情况。一旦出现反极，反极的单电池不再输出电能，而转变为利用其它电池的电能来电解水，在阴极侧生成氢气，阳极侧生成氧气。电解生成的氢气和氧气会与原来气路中的空气和氢气发生催化反应，甚至直接燃烧，导致整个燃料电池堆失效。

目前为解决燃料电池堆中单电池性能下降，甚至反极的现象，一些燃料电池系统开发者采用电堆单体电池电压巡检的方法，一旦发现有单片燃料电池的电压低于设定值，立即发出警报并停止燃料电池系统。比如申请公布号为CN105186602A的中国专利申请文件中公开了一种燃料电池输出的方法，其中就涉及检测燃料电池堆内的各单体电池的电压是否低于预设阈值的步骤。这种处理方案诚然可以防止单体电池发生反极发生危险，但是，在出现这种故障情况时，需要停止燃料电池系统运行，导致燃料电池系统停机，无法继续对外输出电能。如果是使用在燃料电池车辆上的燃料电池系统，燃料电池的停机会导致车辆动力丧失，在解决燃料电池的问题之前只能凭借车载动力电池进行续航，续航能力大大降低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种燃料电池系统，用以解决当燃料电池堆内出现单体电池的电压低于预设阈值时，只能够控制燃料电池系统停机的问题。本实用新型同时提供一种燃料电池安全运行控制系统。

为实现上述目的，本实用新型包括以下技术方案。

燃料电池系统方案一：本方案提供一种燃料电池系统，包括至少两个燃料电池堆子系统，所述燃料电池堆子系统包括燃料电池堆和燃料电池堆控制装置，所述燃料电池堆控制装置包括燃料气体进气管、氧化剂气体进气管和用于检测对应燃料电池堆内各单体电池电压信号的电压检测模块，所述燃料气体进气管和氧化剂气体进气管与对应的燃料电池堆连通，各燃料电池堆子系统中的燃料气体进气管上设置有第一阀门和/或各燃料电池堆子系统中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

本方案提供的燃料电池系统中包括至少两个燃料电池堆子系统，各燃料电池堆子系统为独立的系统，对于任意一个燃料电池堆子系统，当有电压信号低于设定阈值时，为了防止出现电压反极的现象，断开该燃料电池堆子系统中的燃料气体进气管上的阀门或者氧化剂气体进气管上的阀门，只需断开一处阀门就可以防止燃料电池内部起反应，当然，更优地，同时断开燃料气体进气管上的阀门和氧化剂气体进气管上的阀门。这样的话，就能够将这个出现异常的燃料电池堆子系统切除掉，而不影响其他正常的燃料电池堆子系统继续运行，因此，由于在本方案中的燃料电池系统含有两个或两个以上独立的燃料电池堆，当有燃料电池堆出现异常或者故障时，切断该故障燃料电池堆的燃料气体和/或氧化剂气体，从而停止输出电能，而其他的燃料电池堆不受影响，可以继续工作，输出电能，所以，无需控制整个燃料电池系统停机，保证了燃料电池系统的高可靠性。与此同时，燃料电池系统中的燃料电池堆气体管路相对独立，而且，整个燃料电池系统包含多个燃料电池堆，因此，相较于传统的只有一个燃料电池堆的情况，本方案中的每个燃料电池堆的体积均较小，因此方便更换出现故障的燃料电池堆，在只有一个或者部分燃料电池堆出现故障的时候，不用换掉所有的燃料电池堆，从而达到经济性更好的效果。

燃料电池系统方案二：在燃料电池系统方案一的基础上，各燃料电池堆子系统中的燃料气体进气管上设置有第一阀门，且各燃料电池堆子系统中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

燃料电池系统方案三：在燃料电池系统方案二的基础上，所述燃料电池系统还包括控制模块，所述控制模块采样连接各燃料电池堆子系统中的电压检测模块，控制连接各燃料电池堆子系统中的第一阀门和第二阀门。

利用控制模块，能够在电压低于设定阈值时自动切除掉故障的燃料电池堆，实现了自动控制，进一步提升燃料电池系统的运行可靠性。

燃料电池系统方案四：在燃料电池系统方案一的基础上，各燃料电池堆的电能输出线路上设置有用于投入或切除对应燃料电池堆的控制开关。

燃料电池系统方案五：在燃料电池系统方案四的基础上，各燃料电池堆所在的电能输出线路并联设置。

燃料电池系统方案六：在燃料电池系统方案三的基础上，各燃料电池堆所在的电能输出线路并联设置，各电能输出线路上设置有控制开关，所述控制模块控制连接各电能输出线路上的控制开关。

在关闭管路上的阀门的同时，还可以断开故障燃料电池堆的电能输出线路上的控制开关，同时切除气体供应以及与其他燃料电池堆的电连接，进一步保证将故障燃料电池堆切除掉，防止其与其他正常的燃料电池之间有所联系，保证其他正常燃料电池堆的可靠运行。

燃料电池系统方案七：在燃料电池系统方案一的基础上，所述燃料电池系统还包括燃料气体总进气管和氧化剂气体总进气管，所述燃料气体总进气管与各燃料电池堆子系统中的燃料气体进气管连通，所述氧化剂气体总进气管与各燃料电池堆子系统中的氧化剂气体进气管连通。

控制系统方案一：本方案提供一种燃料电池安全运行控制系统，包括至少两个燃料电池堆控制装置，所述燃料电池堆控制装置包括用于与对应燃料电池堆连通的燃料气体进气管和氧化剂气体进气管，以及用于检测对应燃料电池堆内各单体电池电压信号的电压检测模块，各燃料电池堆控制装置中的燃料气体进气管上设置有第一阀门和/或各燃料电池堆控制装置中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

控制系统方案二：在控制系统方案一的基础上，各燃料电池堆控制装置中的燃料气体进气管上设置有第一阀门，且各燃料电池堆控制装置中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

控制系统方案三：在控制系统方案二的基础上，所述控制系统还包括控制模块，所述控制模块采样连接各燃料电池堆控制装置中的电压检测模块，控制连接各燃料电池堆控制装置中的第一阀门和第二阀门。

控制系统方案四：在控制系统方案一的基础上，所述燃料电池堆控制装置还包括用于设置在对应燃料电池堆的电能输出线路上、且用于投入或切除对应燃料电池堆的控制开关。

控制系统方案五：在控制系统方案三的基础上，各燃料电池堆所在的电能输出线路并联设置，所述燃料电池堆控制装置还包括用于设置在对应燃料电池堆的电能输出线路上、且用于投入或切除对应燃料电池堆的控制开关，所述控制模块控制连接各电能输出线路上的控制开关。

控制系统方案六：在控制系统方案一的基础上，所述控制系统还包括燃料气体总进气管和氧化剂气体总进气管，所述燃料气体总进气管与各燃料电池堆控制装置中的燃料气体进气管连通，所述氧化剂气体总进气管与各燃料电池堆控制装置中的氧化剂气体进气管连通。

附图说明

图1是燃料电池系统结构示意图；

图2是燃料电池系统电路部分的示意图。

具体实施方式

燃料电池系统实施例

燃料电池系统包括至少两个燃料电池堆子系统，各燃料电池堆子系统之间是独立的，燃料电池堆子系统的具体个数根据实际情况来设置，为了便于说明，本实施例以具有代表性的两个为例，分别为第一燃料电池堆子系统和第二燃料电池堆子系统。对于任意一个燃料电池堆子系统，包括燃料电池堆和燃料电池堆控制装置。那么，第一燃料电池堆子系统包括燃料电池堆101和第一燃料电池堆控制装置，第二燃料电池堆子系统包括燃料电池堆201和第二燃料电池堆控制装置。所以，各燃料电池堆之间也是独立的，独立供应燃料气体和氧化剂气体，并独立输出电能，并且，各燃料电池堆的气体供应和电能输出均可独立控制和管理，那么，各燃料电池堆可以独立启动和关闭，并可以保证电能输出的独立性。由于燃料电池系统中的燃料气体通常为氢气，氧化剂气体通常为空气，因此，本实施例中，燃料气体以氢气为例，氧化剂气体以空气为例，当然，也不排除其他的情况，比如燃料气体为甲烷，氧化剂气体为氧气。那么，下述中，燃料气体进气管就为氢气进气管，氧化剂气体进气管就为空气进气管。

第一燃料电池堆控制装置包括第一氢气进气管、第一空气进气管和第一电压检测模块，第二燃料电池堆控制装置包括第二氢气进气管、第二空气进气管和第二电压检测模块。如图1所示，第一氢气进气管和第一空气进气管与燃料电池堆101连通，第二氢气进气管和第二空气进气管与燃料电池堆201连通，为了同时对这两个燃料电池堆101和燃料电池堆201供气，设置两个总管路，分别是氢气总进气管102和空气总进气管202，氢气总进气管102连通第一氢气进气管和第二氢气进气管，空气总进气管202连通第一空气进气管和第二空气进气管。第一氢气进气管上设置有阀门103，第一空气进气管上设置有阀门113，第二氢气进气管上设置有阀门203，第二空气进气管上设置有阀门213。将各氢气进气管上设置的阀门统称为第一阀门，将各空气进气管上设置的阀门统称为第二阀门。第一电压检测模块用于检测燃料电池堆101内各单体电池的电压信号，如图1所示，第一电压检测模块包括电压巡检模块104和电压巡检线105，第二电压检测模块包括电压巡检模块204和电压巡检线205。

电压巡检模块通过电压巡检线检测各单体电池的电压，当有电压低于设定阈值(比如0.2V)时，控制所在的燃料电池堆的氢气进气管上的阀门以及空气进气管上的阀门关闭，切断电压低于设定阈值的单体电池所在的燃料电池堆的氢气以及空气供应。所以，工作人员可以根据电压数据人工切断气体供应，这样的话，各气体管路上的阀门就为常规的手动阀门，当然，为了提升系统可靠性，系统采用自动控制，那么，阀门103、阀门113、阀门203和阀门213均为电磁阀，并且，系统还包括控制模块，该控制模块可以采用整车上已有的控制设备，比如：整车控制器或者BMS，也可以为专门设置的控制设备，本实施例中，将控制模块称为控制中心。控制中心通过采集信号传输线路106与电压巡检模块104连接，用于接收电压巡检模块104检测的电压数据，通过采集信号传输线路206与电压巡检模块204连接，用于接收电压巡检模块204检测的电压数据。控制中心通过控制信号传输线路107与电磁阀103和电磁阀113连接，通过控制信号传输线路207与电磁阀203和电磁阀213连接。同一燃料电池堆的氢气进气管和空气进气管上的电磁阀开关信号相同，保证同一燃料电池堆的氢气和空气同时供应和切断。

在切断燃料电池堆的氢气和空气的供应的同时，为了进一步切断故障燃料电池堆与其他正常燃料电池堆之间的电联系，各燃料电池堆的电能输出线路上设置有控制开关，用于电投入或切除燃料电池堆，当控制开关断开时，故障的燃料电池堆从系统中切除。本实施例中，各燃料电池堆所在的电能输出线路并联设置，如图2所示，燃料电池堆1对应图1中的燃料电池堆101，燃料电池堆2对应图1中的燃料电池堆201，燃料电池堆1所在的电能输出线路上串设有电磁开关1，燃料电池堆2所在的电能输出线路上串设有电磁开关2，控制中心控制连接电磁开关1和电磁开关2。这两条电能输出线路并联之后连接车载DC/DC。

以下给出系统的一种具体实施方式，当电压巡检模块104检测到燃料电池堆101中的某一片单体电池的电压低于设定阈值后，电压巡检模块104会传输一个信号到燃料电池系统控制中心，控制中心经过信号处理与分析，通过控制信号传输线路107传输一个信号到电磁阀103和电磁阀113，控制电磁阀103和电磁阀113关闭，切断燃料电池堆101的气体供应。同时，控制中心传出一个信号到电磁开关1，控制电磁开关1断开，断开燃料电池堆101到DC/DC的电路连接，切断燃料电池堆101与外界的电连接，防止燃料电池堆201产生的电压加载在出现问题的燃料电池堆101上，进而防止出现燃料电池堆201电能被消耗的情况。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。上述实施例中，各燃料电池堆子系统中的氢气进气管上设置第一阀门，同时各燃料电池堆子系统中的空气进气管上设置有第二阀门，同时控制这两个阀门实现燃料电池堆的切除，这只是一种优化的实施方式，作为更加一般的实施例，只切除一种气体供应的话，燃料电池的反应条件就不成立，即便供给另外一种气体，燃料电池也无法反应，因此，只切断其中一种气体也能够实现切除故障燃料电池堆的目的，比如：只切断氢气供给或者只切断空气供给，那么，第一阀门和第二阀门中只设置一个就能够满足要求，即各燃料电池堆子系统中，氢气进气管上设置有第一阀门或空气进气管上设置有第二阀门。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

燃料电池安全运行控制系统实施例

本实施例提供一种燃料电池安全运行控制系统，包括至少两个燃料电池堆控制装置。燃料电池安全运行控制系统与燃料电池系统的区别在于：燃料电池系统包括燃料电池堆，燃料电池安全运行控制系统不包括燃料电池堆，除此之外，两者的其他组成部分相同，由于上述燃料电池系统实施例中已对燃料电池堆控制装置的结构组成进行了详细地描述，这里就不再具体说明。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括至少两个燃料电池堆子系统，所述燃料电池堆子系统包括燃料电池堆和燃料电池堆控制装置，所述燃料电池堆控制装置包括燃料气体进气管、氧化剂气体进气管和用于检测对应燃料电池堆内各单体电池电压信号的电压检测模块，所述燃料气体进气管和氧化剂气体进气管与对应的燃料电池堆连通，各燃料电池堆子系统中的燃料气体进气管上设置有第一阀门和/或各燃料电池堆子系统中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，各燃料电池堆子系统中的燃料气体进气管上设置有第一阀门，且各燃料电池堆子系统中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括控制模块，所述控制模块采样连接各燃料电池堆子系统中的电压检测模块，控制连接各燃料电池堆子系统中的第一阀门和第二阀门。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，各燃料电池堆的电能输出线路上设置有用于投入或切除对应燃料电池堆的控制开关。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，各燃料电池堆所在的电能输出线路并联设置。

6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，各燃料电池堆所在的电能输出线路并联设置，各电能输出线路上设置有控制开关，所述控制模块控制连接各电能输出线路上的控制开关。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括燃料气体总进气管和氧化剂气体总进气管，所述燃料气体总进气管与各燃料电池堆子系统中的燃料气体进气管连通，所述氧化剂气体总进气管与各燃料电池堆子系统中的氧化剂气体进气管连通。

8.一种燃料电池安全运行控制系统，其特征在于，包括至少两个燃料电池堆控制装置，所述燃料电池堆控制装置包括用于与对应燃料电池堆连通的燃料气体进气管和氧化剂气体进气管，以及用于检测对应燃料电池堆内各单体电池电压信号的电压检测模块，各燃料电池堆控制装置中的燃料气体进气管上设置有第一阀门和/或各燃料电池堆控制装置中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

9.根据权利要求8所述的燃料电池安全运行控制系统，其特征在于，各燃料电池堆控制装置中的燃料气体进气管上设置有第一阀门，且各燃料电池堆控制装置中的氧化剂气体进气管上设置有第二阀门。

10.根据权利要求9所述的燃料电池安全运行控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括控制模块，所述控制模块采样连接各燃料电池堆控制装置中的电压检测模块，控制连接各燃料电池堆控制装置中的第一阀门和第二阀门。

11.根据权利要求8所述的燃料电池安全运行控制系统，其特征在于，所述燃料电池堆控制装置还包括用于设置在对应燃料电池堆的电能输出线路上、且用于投入或切除对应燃料电池堆的控制开关。

12.根据权利要求10所述的燃料电池安全运行控制系统，其特征在于，各燃料电池堆所在的电能输出线路并联设置，所述燃料电池堆控制装置还包括用于设置在对应燃料电池堆的电能输出线路上、且用于投入或切除对应燃料电池堆的控制开关，所述控制模块控制连接各电能输出线路上的控制开关。

13.根据权利要求8所述的燃料电池安全运行控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括燃料气体总进气管和氧化剂气体总进气管，所述燃料气体总进气管与各燃料电池堆控制装置中的燃料气体进气管连通，所述氧化剂气体总进气管与各燃料电池堆控制装置中的氧化剂气体进气管连通。