CN208272030U - 一种燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池系统，通过控制相应电磁阀的开闭实现了燃料一号燃料电池组和二号燃料电池组的分时工作，增大了燃料电池的高效区间，可显著提升燃料电池汽车的经济性，所提出的离心均压器即可有效避免因气路吹扫带来的氢气浪费问题，又可在一定程度上稳定两侧气路的压力进而延长燃料电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及汽车技术领域，特别涉及一种燃料电池系统。

背景技术

随着汽车保有量的不断增大，汽车在方便人民生活的同时也带来了严重的环境污染问题。同时由于我国石油的来源主要靠进口，随着汽车保有量的不断提高，我国关于能源的对外依存度不断增大，这严重影响我国的国家安全。近年来燃料电池汽车兴起，特别是在丰田推出Mirai后，各国更加重视燃料电池汽车的研发。燃料电池汽车的核心部件和技术瓶颈目前仍是其燃料电池系统的研发。已提出的一些燃料电池系统方面的专利在一定程度上推动和发展了燃料电池系统。但目前尚无关于燃料电池分时工作方面的专利。同时尚无专利创造性的将燃料电池阴阳极气压稳定系统与气水分离机和二为一。中国专利公布号为CN104241667A中首次提出燃料电池用离心式气水分离器，但其所提出的结构无法进行阴阳极的气压稳定，且其阳极回路上无氢气循环泵，这导致其内气流速度有限，当燃料电池需要气路吹扫时，有限的气流速度难以进行较好的气路吹扫。此外，当阳极气路压力已经较高时，此时若需要进行气路吹扫，则无法进行，这是因为该系统中氢气循环的动力来源于储氢灌，当气路压力已经较高时不应打开储氢灌的阀门，那么氢气气流的速度也无法增大以吹扫气路。中国专利号为CN 106602109 A公开了一种燃料电池均压装置，但该装置没有考虑当阴极和阳极气路的压差过大可能导致一侧气体流向另一侧的情况，特别是当阴极空气进入阳极时可能在阳极形成氢空界面，这会严重影响燃料电池的使用寿命。中国专利号CN101593995A公开了一种无DCDC 的燃料电池稳压系统，该系统并没有实用价值，原因是燃料电池汽车行驶时工况是多变的，驱动电机所需要的电压也是多变的，这必然导致其中各燃料电池组频繁启动和关闭进而严重影响燃料电池的使用寿命。

本实用新型提出的一种燃料电池系统，可实现燃料电池系统的分时工作，这对进一步提升燃料电池系统的工作效率具有重要意义。考虑到现在我国汽车保有量不断提高，交通拥挤问题日益显著。燃料电池汽车在整车匹配时为满足一定动力性的要求，燃料电池的功率不能选的过小。当汽车在夏季行驶到交通拥挤的路段时或者车已经停止但其空调系统需要工作时整车需求功率较低。根据燃料电池系统功率效率曲线可知，在燃料电池低功率处其工作效率急剧下降，所以对于前述的两种情况，目前的控制策略是将燃料电池关闭，电池供电，而当电池SOC下降到下限后再开启燃料电池并使其工作于高校区，这样一来就存在电能的二次转换，相当于此时燃料电池输出的电能转化为电池的化学能再由化学能转化为电能供给负载部件。存在能量的二次转化必然导致其整体效率降低。此外，对电池进行频繁深度的充放电又必然减少电池的使用寿命。因此本实用新型提出一种燃料电池分时工作系统，该系统拓宽了燃料电池的高效区间，可使燃料电池汽车既满足动力性的要求又可在拥挤等小功率时拥有较高的经济性。

本实用新型提出的一种燃料电池系统还拥有一离心均压器总成装置。该装置在进行阳极气路吹扫时可避免阳极气路中氢气的排放浪费，进而消除了排出氢气而带来的安全隐患。阴极气路和阳极气路过大的气压差值或气压波动会严重损害燃料电池的质子交换膜而离心均压器总成可有效降低两气路的压差，减缓两气路的压差波动。本实用新型提出将离心器和均压器集成在一起形成离心均压器总成。此外本实用新型可有效避免阴极氧气通过离心均压器总成进入阳极，这可有效提高燃料电池系统的安全性和使用寿命。

发明内容

本实用新型是为了解决已有燃料电池系统在小功率时效率低、气路吹扫会导致氢气的浪费和两气体回路可能压差过大损害质子交换膜的问题而提出一种燃料电池系统。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案

一种燃料电池系统，其特征是包括一号燃料电池组8、二号燃料电池组17、阳极回路、阴极回路、离心均压器总成；

所述的阳极回路包括储氢罐1、压力调节阀2、氢气循环泵3、氢气循环泵电机4、一号电磁阀5、二号电磁阀6、三号电磁阀7；所述的阴极回路包括空气压缩机13、加湿器12、四号电磁阀9、五号电磁阀10、六号电磁阀11、背压阀16、膨胀机15、空气压缩机电机14；所述的离心均压器总成包括超声波液位传感器18、七号电磁阀19、离心均压器壳20、浮块 21、氢气进气管23、氢气出口22、空气入口24、空气出口25、挡气板26、排水口27、氢气侧水循环孔30、空气侧水循环孔28、分隔板29；

所述的储氢罐1与所述的压力调节阀2的一端通过管路连接，所述的压力调节阀2的另一端通过管路同时与所述的一号燃料电池组8的阳极入口和氢气循环泵3的出口连接，所述的一号燃料电池组8的阳极出口与所述的二号电磁阀6的入口相连，所述的二号电磁阀6的出口与所述的离心均压器壳20上的氢气进气管23相连，所述的氢气出口22与所述的氢气循环泵3的入口相连，所述的三号电磁阀7的一端与所述的二号电磁阀6的入口相连另一端与所述的二号燃料电池组17的阳极入口相连，所述的一号电磁阀5的一端与所述的二号电磁阀 6的出口相连另一端与所述的二号燃料电池组17的阳极出口相连，所述的氢气循环泵电机4 的动力输出轴与所述的氢气循环泵3的转动部分固连在一起，使二者有相同的转速；

所述的空气压缩机13的出口与所述的加湿器12进气侧的入口通过管路相连，所述的加湿器12进气侧的出口通过管路与所述的一号燃料电池组8的阴极入口相连，所述的一号燃料电池组8的阴极出口通过管路与所述的五号电磁阀10的入口相连，所述的五号电磁阀10的出口与所述的离心均压器壳20上的空气入口24通过管路相连，所述的空气出口25通过管路与所述的加湿器12排气侧入口相连，所述的加湿器12的排气侧出口与所述的背压阀16的入口相连，所述的背压阀16的出口与所述的膨胀机15的入口相连，所述的膨胀机15的出口通入外界空气，所述的四号电磁阀9一端与所述的五号电磁阀10的入口相连另一端与所述的二号燃料电池组17阴极入口相连，所述的六号电磁阀11一端与所述的五号电磁阀10的出口相连另一端与所述的二号燃料电池组17阴极出口相连，所述的空气压缩机电机14的驱动轴的两端分别与所述的空气压缩机13的动力输入端和膨胀机15的动力输出端机械连接，这使空气压缩机电机14的驱动轴、空气压缩机13的动力输入端和膨胀机15的动力输出端有相同的转速；

所述的离心均压器总成的挡气板26将离心均压器壳20内部分为两侧，两侧唯一通过位于离心均压器壳20下底面与挡气板26之间的孔相通，分隔板29将离心均压器壳20的内部分为上下两部分，上下两部分通过氢气侧水循环孔30和空气侧水循环孔28相通，两个相同的浮块21分别放置在挡气板26的两侧，且浮块的密度小于水的密度，浮块的表面和分隔板 29的上表面足够光滑平整，以使当两者接触时有较好的密封功能，排水口27位于分隔板29 以上，以保证即使七号电磁阀19出现故障时阴极侧的空气仍不会通过离心均压器壳20下底面与挡气板26间的孔进入氢气侧；氢气进气管23与离心均压器壳20相切，且向下倾斜30 度。

本实用新型与现有技术相比，有益效果如下：

1.本实用新型所述的一种燃料电池系统可显著提高燃料电池在低功率时的效率，在拥挤路况时可显著提高燃料电池汽车的经济性。同时在一定程度上减少蓄电池的充放电深度及循环次数，这可提高蓄电池的使用寿命，降低整车全生命周期的成本。

2.本实用新型所述的一种燃料电池系统可有效避免燃料电池进行气路吹扫时对氢气的浪费进而提升整车经济性，同时可显著降低阴阳极气压的差值及波动进而提升燃料电池的使用寿命，降低其全生命周期的成本。

3.本实用新型所述的一种燃料电池系统既可有效避免阴极的氧气通过离心均压器总成进入阳极又可避免阳极的氢气通过离心均压器总成进入阴极，这一功能可防止在阳极形成氢空界面，而氢空界面的形成会产生过电压而严重影响燃料电池的使用寿命。同时阴阳极气体安全可靠的隔离有助于提升系统的安全性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型所述的一种燃料电池系统的结构原理图；

图2为本实用新型所述的离心均压器的外观及内部结构剖视图；

图3为已有的某燃料电池系统的功率-效率曲线图；

图4为本实用新型所述的燃料电池系统的功率-效率曲线图；

图中：1.氢气灌，2.压力调节阀，3.氢气循环泵，4.氢气循环泵电机，5.一号电磁阀，6. 二号电磁阀，7.三号电磁阀，8.一号燃料电池组，9.四号电磁阀，10.五号电磁阀，11.六号电磁阀，12.加湿器，13.空气压缩机，14.空气压缩机电机，15.膨胀机，16.背压阀，17.二号燃料电池组，18.超声波液位传感器，19.七号电磁阀，20.离心均压器壳，21.浮块，22.氢气出口， 23.氢气进气管，24.空气入口，25.空气出口，26.挡气板，27.排水口，28.空气侧水循环孔，29. 分隔板，30.氢气侧水循环孔。

具体实施方式

参阅图1和图2，本实用新型提供了一种燃料电池系统，所述的燃料电池系统包括一号燃料电池组8、二号燃料电池组17、阴极回路、阳极回路和离心均压器总成。

所述的阳极回路包括储氢罐1、压力调节阀2、氢气循环泵3、氢气循环泵电机4、一号电磁阀5、二号电磁阀6、三号电磁阀7及其相互直接相连接的管路。所述的阴极回路包括空气压缩机13、空气压缩机电机14、加湿器12、背压阀16、膨胀机15、四号电磁阀9、五号电磁阀10、六号电磁阀11及其相互间连接的管路。所述的离心均压器总成包括超声波液位传感器18、七号电磁阀19、离心均压器壳20、浮块21、氢气出口22、氢气进气管23、空气入口24、空气出口25、挡气板26、排水口27、空气侧水循环孔28、分隔板29、氢气侧水循环孔30。

参阅图1和图2和图4，本实用新型提供的一种燃料电池系统可根据当前道路拥挤情况适当的调整二号燃料电池是否工作。当汽车3分钟平均需求功率小于8Kw，此时可关闭四号电磁阀9和六号电磁阀11，同时打开五号电磁阀10。此外，此时一号电磁阀5和三号电池阀 7处于打开状态而二号电磁阀6处于关闭状态。此时相当于二号燃料电池组17的阴极回路不再有空气供给。3分钟后将一号电磁阀5和三号电磁阀7关闭而将二号电磁阀6打开，此时相当于二号燃料电池组17的阳极回路不再有氢气供给。先切断二号燃料电池组17的阴极回路后切断其阳极回路是为避免二号燃料电池组17阴极气路中残留的氧气通过质子交换膜进入其阳极侧并形成氢空界面，产生过电压，进而严重影响燃料电池的使用寿命。

参阅图3，当燃料电池汽车行驶进入拥挤路段时，汽车车速较低，此时整车需求功率较低。此外，在炎热的夏季，当因交通拥挤而出现较长时间停车时，为了维持整车空调系统的运行，此时仍需要能量源提供较小的功率。由于燃料电池在小功率时其效率较小(图3中当功率小于5Kw时，其效率急剧下降)，所以目前的控制策略的做法是当需求功率较低时由辅助能量源蓄电池来提供能量，而当蓄电池的SOC低于设定值时再开启燃料电池使其发电为蓄电池充电并向负载供电。由于在这一过程中相当于绝大部分燃料电池输出的电能先转化为蓄电池的化学能，再由化学能转化为电能为负载供电，能量的二次转化必然降低其综合效率，影响整车经济性。

参阅图1、图2和图4，本实用新型提供的燃料电池系统可在整车需求较小功率时由一号燃料电池组8输出电能，而二号燃料电池组17不工作。选定一号燃料电池组8的最大输出功率为二号燃料电池组17的1/3，这相当于一号燃料电池组8中包含的单体数为二号燃料电池组17中包含的单体数的1/3。当一号和二号燃料电池组同时工作时在20Kw处其效率最高，约为0.6。当只有一号燃料电池8单独工作时在5Kw处效率最高，也约为0.6。且在大于2Kw时其效率大于0.55。所以当乘用车行驶在拥挤路况时，整车平局需求功率约为2Kw，此时可让一号燃料电池组单独工作，其输出的绝大部分能量直接供给负载，只有少部分能量存在先充入蓄电池后放出的二次转化，蓄电池少量的充放电是为弥补燃料电池动态响应慢的缺陷。本实用新型实现了由原来大部分能量存在二次转化到只有少部分能量存在二次转化这一转变，带来的直接效果是可显著提高燃料电池汽车的经济性，特别是经常行驶在拥挤路况上的汽车。

参阅图1和图2，本实用新型提供的离心均压器总成利用离心力除去氢气中的水滴。氢气进气管23与离心均压器壳相切，且向下倾斜30度。混有水滴的高湿氢气从氢气进气管23 进入离心均压器总成，因气流切向进入弧面，气流会因沿着圆弧表面流动而形成离心力。离心力的作用会将较大的水滴甩向离心均压器壳20的内表面。氢气进气管23同时还与挡气板26在空间中成60度的夹角，这导致从氢气进气管23进入离心均压器总成的氢气还有一个向下的速度。离心均压器壳20内表面上的水滴会在重力和气流推力共同作用下向下流动。去除了较大水滴的湿氢气从氢气出口22流出通过氢气循环泵3再次进入燃料电池参与反应。离心均压器壳20中的水达到超声波液位传感器18的高度后且又经过一段时间的工作，此时打开 7号电磁阀19。离心均压器壳20中的水被从排水口27排出，排水口27在分隔板29的上方。这是为保证即使在七号电磁阀或超声波液位传感器出现故障时离心均压器壳20中的水也不会被排空，配合其中浮块21的使用，可保证即使出现故障，阴极侧的空气和阳极侧的氢气不会进入对方气路，保证了燃料电池系统安全可靠的运行。正常运行时维持离心均压器壳20中的液面高度在超声波液位传感器18安装位置左右。这里假设阳极侧氢气的压力大于阴极侧空气的压力，此时在压差的作用下离心均压器壳20中的水会通过氢气侧水循环孔30和空气侧水循环孔28由氢气侧流入空气侧。这可在一定程度上降低两侧气路的压差波动，有助于延长质子交换膜的使用寿命。当压差过大时，漂浮在氢气侧的浮块21会随液面的下降而下降，当液面下降到分隔板29时，浮块21可及时堵住氢气侧水循环孔30避免液面进一步下降而导致氢气从分隔板26下面的孔进入空气侧。当空气侧压力过大，空气侧的浮块21也可实现相同的功能。浮块的存在极大的提升了离心均压器总成工作的可靠性与安全性。

Claims (1)

1.一种燃料电池系统，其特征是包括一号燃料电池组(8)、二号燃料电池组(17)、阳极回路、阴极回路、离心均压器总成；

所述的阳极回路包括储氢罐(1)、压力调节阀(2)、氢气循环泵(3)、氢气循环泵电机(4)、一号电磁阀(5)、二号电磁阀(6)、三号电磁阀(7)；所述的阴极回路包括空气压缩机(13)、加湿器(12)、四号电磁阀(9)、五号电磁阀(10)、六号电磁阀(11)、背压阀(16)、膨胀机(15)、空气压缩机电机(14)；所述的离心均压器总成包括超声波液位传感器(18)、七号电磁阀(19)、离心均压器壳(20)、浮块(21)、氢气进气管(23)、氢气出口(22)、空气入口(24)、空气出口(25)、挡气板(26)、排水口(27)、氢气侧水循环孔(30)、空气侧水循环孔(28)、分隔板(29)；

所述的储氢罐(1)与所述的压力调节阀(2)的一端通过管路连接，所述的压力调节阀(2)的另一端通过管路同时与所述的一号燃料电池组(8)的阳极入口和氢气循环泵(3)的出口连接，所述的一号燃料电池组(8)的阳极出口与所述的二号电磁阀(6)的入口相连，所述的二号电磁阀(6)的出口与所述的离心均压器壳(20)上的氢气进气管(23)相连，所述的氢气出口(22)与所述的氢气循环泵(3)的入口相连，所述的三号电磁阀(7)的一端与所述的二号电磁阀(6)的入口相连另一端与所述的二号燃料电池组(17)的阳极入口相连，所述的一号电磁阀(5)的一端与所述的二号电磁阀(6)的出口相连另一端与所述的二号燃料电池组(17)的阳极出口相连，所述的氢气循环泵电机(4)的动力输出轴与所述的氢气循环泵(3)的转动部分固连在一起；

所述的空气压缩机(13)的出口与所述的加湿器(12)进气侧的入口通过管路相连，所述的加湿器(12)进气侧的出口通过管路与所述的一号燃料电池组(8)的阴极入口相连，所述的一号燃料电池组(8)的阴极出口通过管路与所述的五号电磁阀(10)的入口相连，所述的五号电磁阀(10)的出口与所述的离心均压器壳(20)上的空气入口(24)通过管路相连，所述的空气出口(25)通过管路与所述的加湿器(12)排气侧入口相连，所述的加湿器(12)的排气侧出口与所述的背压阀(16)的入口相连，所述的背压阀(16)的出口与所述的膨胀机(15)的入口相连，所述的膨胀机(15)的出口通入外界空气，所述的四号电磁阀(9)一端与所述的五号电磁阀(10)的入口相连另一端与所述的二号燃料电池组(17)阴极入口相连，所述的六号电磁阀(11)一端与所述的五号电磁阀(10)的出口相连另一端与所述的二号燃料电池组(17)阴极出口相连，所述的空气压缩机电机(14)的驱动轴的两端分别与所述的空气压缩机(13)的动力输入端和膨胀机(15)的动力输出端机械连接；

所述的离心均压器总成的挡气板(26)将离心均压器壳(20)内部分为两侧，两侧唯一通过位于离心均压器壳(20)下底面与挡气板(26)之间的孔相通，分隔板(29)将离心均压器壳(20)的内部分为上下两部分，上下两部分通过氢气侧水循环孔(30)和空气侧水循环孔(28)相通，两个相同的浮块(21)分别放置在挡气板(26)的两侧，且浮块的密度小于水的密度，浮块的表面和分隔板(29)的上表面足够光滑平整，以使当两者接触时有较好的密封功能，排水口(27)位于分隔板(29)以上，以保证即使七号电磁阀(19)出现故障时阴极侧的空气仍不会通过离心均压器壳(20)下底面与挡气板(26)间的孔进入氢气侧；氢气进气管(23)与离心均压器壳(20)相切，且向下倾斜30度。