CN212750936U - 一种燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种燃料电池系统，包括空气系统、氢气系统、热管理系统、传感器、DC/DC变换器、负载以及电堆；所述空气系统包括：空气流量计、空压机、中冷器、增湿器、出堆节气门和进堆节气门；所述热管理系统包括：水箱、冷却水泵、散热器和节温器；所述氢气系统包括：氢瓶、减压阀、第一单向阀、第一喷射器、第二单向阀、循环泵、排水排氢阀和第二喷射器。本实用新型的有益效果是：改进了空气系统和氢气系统，能够满足电堆工作需求，从而提高燃料电池的性能与可靠性。

Description

一种燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统。

背景技术

在当前世界发展的进程下，环境污染和全球能源紧张是世界人民面临的难题，世界各国政府一直在致力于新能源的研究以及推广，全球汽车产业也在致力于新能源汽车的开发。作为新型能源的燃料电池被认为是一种最有前途的技术之一，燃料电池是一种将化学能转化为电能的清洁、无噪声的新型能源装置，反应过程只产生水，没有其他有害污染物质的生成。燃料电池汽车(FCV)是用燃料电池作为核心动力源的电动汽车。相比传统汽车，FCV具有对环境零污染、续航里程长和能源补给时间短等优点。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因操作温度低、启动速度快，是一种环保、高效与高功率密度的发电方式，广泛适用于各个领域，包括交通、备电和移动设备领域，特别是在零排放交通动力应用方面具有极其诱人的前景。燃料电池技术正处于不断发展进程中，燃料电池的可靠性与寿命、成本与氢源是制约未来燃料电池商业化的主要技术难题。

燃料电池发电是水伴生的电化学反应过程，质子传导需要水，电化学反应会生成水。燃料电池的性能与燃料电池系统息息相关，燃料电池系统组件的工作状态都会影响燃料电池系统的性能。因此，从燃料电池的系统结构来说，燃料电池系统结构的布置也会提高燃料电池的性能与可靠性。

实用新型内容

为克服上述问题，本实用新型提供了一种燃料电池系统，包括：空气系统、氢气系统、热管理系统、传感器、DC/DC变换器、负载以及电堆；

所述空气系统包括：空气流量计、空压机、中冷器、增湿器、出堆节气门和进堆节气门；

所述热管理系统包括：水箱、冷却水泵、散热器和节温器；

所述氢气系统包括：氢瓶、减压阀、第一单向阀、第一喷射器、第二单向阀、循环泵、排水排氢阀和第二喷射器；

所述空气流量计的输出端与空压机的输入端相连通，空压机的输出端与中冷器的第一输入端相连通，中冷器的第一输出端与增湿器的干气体入口相连通，增湿器的干气体出口与进堆节气门的输入端相连通，进堆节气门的第一输出端与电堆的阴极入口相连通，电堆的阴极出口与增湿器的湿气体入口相连通，增湿器的湿气体出口与出堆节气门的输入端相连通，进堆节气门的第二输出端与出堆节气门的输出端相连通；

所述水箱的输入端与中冷器的第二输入端相连通，中冷器的第二输出端与冷却水泵的第一输入端相连通，冷却水泵的第一输出端与散热器的输入端相连通，散热器的输出端与节温器的第一输入端相连通，节温器的输出端与电堆的冷却液入口端相连通，电堆的冷却液出口端与冷却水泵的第一输入端相连通，冷却水泵的第二输出端与节温器的第二输入端相连通；

所述氢瓶的输入端与减压阀的输入端相连通，减压阀的输出端与第一单向阀的输入端相连通，第一单向阀的输出端分别与第一喷射器的输入端和第二喷射器的输入端相连通，第一喷射器的输出端和第二喷射器的输出端分别与电堆的阳极入口相连通，电堆的阳极出口与循环泵的输入端相连通，循环泵的输出端与第二单向阀的输入端相连通，第二单向阀的输出端与电堆的阳极入口相连通；

所述负载与DC/DC变换器电性连通，DC/DC变换器与电堆电性连通，电堆的阳极出口与排水排氢阀的输入端相连，出堆节气门的输出端与排水排氢阀的输出端相连。

进一步地，所述空气系统中，空气流量计用来测量进入电堆的空气流量，空压机用来将空气压缩至燃料电池系统需要的压力和流量，中冷器用来冷却来自空压机的空气，增湿器用来给进入电堆的空气增湿以及回收反应后产生的热量和湿度，出堆节气门用于将空气排入大气中，进堆节气门用来调节空气进入电堆的压力及流量；

进一步地，所述热管理系统中，水箱用来提供热管理系统工作所需的冷却液，冷却水泵用于循环冷却液来给电堆降温，散热器用来降低冷却液的温度，节温器用于控制冷却液的流向；

进一步地，所述氢气系统中，氢瓶用于提供氢气，减压阀用于将来自氢瓶中的高压氢气进行减压，第一单向阀和第二单向阀均用于控制氢气的流向，第一喷射器和第二喷射器均用于控制进入电堆的氢气的流量，循环泵用来将电堆的阳极出口处的部分氢气回流到电堆的阳极入口；

当燃料电池所需的输出功率处于第一预设范围时，只采用第一喷射器来控制进入电堆的氢气的流量；当燃料电池所需的输出功率处于第二预设范围时，只采用第二喷射器；当燃料电池所需的输出功率处于第三预设范围时，同时采用第一喷射器和第二喷射器来控制进入电堆的氢气的流量；其中，所述第一预设范围、所述第二预设范围和所述第三预设范围由采用的电堆的额定功率决定；

进一步地，电堆用于为空气和氢气提供反应的场所，DC/DC变换器与负载、电堆均串联，DC/DC变换器用于调整电堆的输出电流和电压，排水排氢阀用于将电堆的阳极出口处的剩下的那一部分氢气以及电堆内反应中产生的水蒸气冷凝形成的液态水排入大气中；

进一步地，增湿器的干气体出口与进堆节气门之间接有温压一体传感器，第一喷射器的输出端和第二喷射器的输出端分别与压力传感器的输入端相连，压力传感器的输出端与电堆的阳极入口相连，节温器的输出端与电堆的冷却液入口端之间接有温度传感器，电堆的冷却液出口端与冷却水泵的第一输入端之间接有温度传感器。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：改进了空气系统和氢气系统，能够满足电堆工作需求，从而提高燃料电池的性能与可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例中一种燃料电池系统的结构示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的实施例提供了一种燃料电池系统。

请参考图1，图1是本实用新型实施例中一种燃料电池系统的结构示意图，包括空气系统、氢气系统、热管理系统、传感器、DC/DC变换器18、负载19、以及电堆20；

所述空气系统包括：空气流量计1、空压机2、中冷器3、增湿器4、出堆节气门5和进堆节气门6；

所述热管理系统包括：水箱7、冷却水泵8、散热器9和节温器10；

所述氢气系统包括：氢瓶11、减压阀12、第一单向阀13、第一喷射器14、第二单向阀15、循环泵16、排水排氢阀17和第喷引射器15；

电堆20分阳极和阴极，空气从电堆20的阴极入口进入，氢气从电堆20的阳极入口进入，进入电堆20的空气和氢气在阴极发生电化学反应，产生水蒸气，电堆20内未反应完的部分氢气和水蒸气冷凝成的液态水从电堆20的阳极出口排出，参与电化学反应完的剩余空气从电堆20的阴极出口排出。

所述空气流量计1的输出端与空压机2的输入端相连通，空压机2的输出端与中冷器3的第一输入端相连通，中冷器3的第一输出端与增湿器4的干气体入口相连通，增湿器4的干气体出口与进堆节气门6的输入端相连通，进堆节气门6的第一输出端与电堆20的阴极入口相连通，电堆20的阴极出口与增湿器4的湿气体入口相连通，增湿器4的湿气体出口与出堆节气门5的输入端相连通，进堆节气门6的第二输出端与出堆节气门5的输出端相连通；

空气流量计1用来测量进入电堆20的空气流量，空压机2用来将空气压缩至燃料电池系统需要的压力和流量，中冷器3用来冷却来自空压机2的空气，所述中冷器3通过来自水箱7中的冷却液和空气的热交换来降低来自空压机2的空气的温度，增湿器4用来给进入电堆20的空气增湿以及回收反应后产生的热量和湿度，出堆节气门5用于将电堆20内未反应完的空气排入大气中，进堆节气门6用来调节空气进入电堆20的压力及流量；其中，所述进堆节气门6为一个三通阀，通过控制该三通阀的开度来控制进入电堆20和排放到大气中的空气流量比例，从而满足电堆20的需求；

来自大气中的空气通过空压机2加压之后进入中冷器3降温，再从增湿器的干气体入口进入增湿器4中增湿，通过进堆节气门6进行空气流量控制后，从电堆20的阴极入口进入电堆20中进行电化学反应(空气中的氧气参与电化学反应)，参与电化学反应完的剩余空气再从电堆20的阴极出口进入增湿器4后(从增湿器4的湿气体入口进入)，从增湿器4的湿气体出口进入出堆节气门5后排放到大气中。

水箱7的输入端与中冷器3的第二输入端相连通，中冷器3的第二输出端与冷却水泵8的第一输入端相连通，冷却水泵8的第一输出端与散热器9的输入端相连通，散热器9的输出端与节温器10的第一输入端相连通，节温器10的输出端与电堆20的冷却液入口端相连通，电堆20的冷却液输出端与冷却水泵8的第一输入端相连通，冷却水泵8的第二输出端与节温器10的第二输入端相连通；

水箱7用来提供热管理系统工作所需的冷却液，冷却水泵8用于循环冷却液来给电堆20降温，散热器9用来降低冷却液的温度，节温器10用于控制冷却液的流向，所述冷却液即为水。

当电堆20的冷却液输出端排出的冷却液的温度较低时，利用节温器10来控制来自水箱7中冷却液的流向，使冷却液不经过散热器9，直接进入电堆20内；当电堆20的冷却液输出端排出的冷却液的温度不断升高，超出燃料电池系统所需求的温度时，节温器10慢慢打开，使部分冷却液流过散热器9后再进入电堆20内，当电堆20散热需求很大时，节温器10将全部打开，所有冷却液都通过外部散热器9后再进入电堆20内。

所述氢瓶11的输入端与减压阀12的输入端相连通，减压阀12的输出端与第一单向阀13的输入端相连通，第一单向阀13的输出端分别与第一喷射器14的输入端和第二喷射器21的输入端相连通，第一喷射器14的输出端和第二喷射器21的输出端分别与电堆20的阳极入口相连通，电堆20的阳极出口与循环泵16的输入端相连通，循环泵16的输出端与第二单向阀15的输入端相连通，第二单向阀15的输出端与电堆20的阳极入口相连通；

氢瓶11用于提供氢气，减压阀12用于将来自氢瓶11中的高压氢气进行减压，第一单向阀13和第二单向阀15均用于控制氢气的流向，防止氢气回流，第一喷射器14和第二喷射器21均用于控制进入电堆20的氢气的流量，循环泵16用来将电堆20的阳极出口处的部分氢气回流到电堆20的阳极入口；

当燃料电池所需的输出功率处于第一预设范围时，只采用第一喷射器14来控制进入电堆20的氢气的流量；当燃料电池所需的输出功率处于第二预设范围时，只采用第二喷射器21；当燃料电池所需的输出功率处于第三预设范围时，同时采用第一喷射器14和第二喷射器21来控制进入电堆20的氢气的流量；其中，所述第一预设范围、所述第二预设范围和所述第三预设范围由采用的电堆20的额定功率决定；例如：当采用的电堆20的额定功率为60KW时，不超过25KW为第一预设范围，在25KW到40KW之间为第二预设范围，超过40KW为第三预设范围；

所述第一喷射器14和所述第二喷射器21的工作频率不同，所述第二喷射器21的工作频率比所述第一喷射器14的工作频率大；其中，所述第一喷射器14和所述第二喷射器21的工作频率均由燃料电池所需的输出功率来决定；具体为：燃料电池所需的输出功率与燃料电池所需的电流正相关，燃料电池所需的电流与电堆20所需的氢气流量正相关，喷射器的工作频率决定氢气的流量；

来自氢瓶11中的氢气通过减压阀12减压以及燃料电池所需功率对应采用的喷射器控制其流量后，进入电堆20中进行电化学反应；未反应完的氢气，一部分进入循环泵16后再次从电堆20的阳极入口进入电堆20内，剩下的那一部分与反应中生成的水蒸气冷凝形成的液态水通过排水排氢阀17排放到大气中；

所述负载19与DC/DC变换器18电性连通，DC/DC变换器18与电堆20电性连通，电堆20的第四输出端与排水排氢阀17的输入端相连，出堆节气门5的输出端与排水排氢阀17的输出端相连；

电堆20用于为空气和氢气提供反应的场所，DC/DC变换器18与负载19、电堆20均串联，DC/DC变换器18用于调整电堆20的输出电流和电压，排水排氢阀17用于将电堆20的阳极出口处的剩下的那一部分氢气以及电堆20内反应中产生的水蒸气冷凝形成的液态水排入大气中，其中，排水排氢阀17有两个输出端，一个用来将所述剩下的那一部分氢气排入大气中，另一个用来将所述液态水排入大气中；

增湿器4的干气体出口与进堆节气门6之间接有温压一体传感器，第一引射器14的输出端和第二引射器21的输出端分别与压力传感器的输入端相连，压力传感器的输出端与电堆20的阳极入口相连，节温器10的输出端与电堆20的冷却液入口端之间接有温度传感器，电堆20的冷却液出口端与冷却水泵8的第一输入端之间接有温度传感器，图1中均未画出。

所述的一种燃料电池系统具体工作原理为：

来自大气中的空气通过空压机2加压之后进入中冷器3降温，再从增湿器的干气体入口进入增湿器4中增湿，通过进堆节气门6进行空气流量控制后，从电堆20的阴极入口进入电堆20中，同时，来自氢瓶11中的氢气通过减压阀12减压以及燃料电池所需功率对应采用的喷射器控制其流量后，从电堆20的阳极入口进入电堆20中；进入电堆20的空气和氢气在阴极发生电化学反应(空气中的氧气参与电化学反应)，产生水蒸气；未反应完的氢气，一部分进入循环泵16后再次从电堆20的阳极入口进入电堆20内参与反应，剩下的那一部分与反应中生成的水蒸气冷凝形成的液态水通过排水排氢阀17排放到大气中，同时，参与电化学反应完的剩余空气再从电堆20的阴极出口进入增湿器4后(从增湿器4的湿气体入口进入)，从增湿器4的湿气体出口进入出堆节气门5后排放到大气中；当电堆20的冷却液输出端排出的冷却液的温度较低时，利用节温器10来控制来自水箱7中冷却液的流向，使冷却液不经过散热器9，直接进入电堆20内；当电堆20的冷却液输出端排出的冷却液的温度不断升高，超出燃料电池系统所需求的温度时，节温器10慢慢打开，使部分冷却液流过散热器9后再进入电堆20内，当电堆20散热需求很大时，节温器10将全部打开，所有冷却液都通过外部散热器9后再进入电堆20内。

本实用新型的有益效果是：改进了空气系统和氢气系统，能够满足电堆工作需求，从而提高燃料电池的性能与可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、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 (6)

1.一种燃料电池系统，其特征在于：包括：空气系统、氢气系统、热管理系统、传感器、DC/DC变换器(18)、负载(19)以及电堆(20)；

所述空气系统包括：空气流量计(1)、空压机(2)、中冷器(3)、增湿器(4)、出堆节气门(5)和进堆节气门(6)；

所述热管理系统包括：水箱(7)、冷却水泵(8)、散热器(9)和节温器(10)；

所述氢气系统包括：氢瓶(11)、减压阀(12)、第一单向阀(13)、第一喷射器(14)、第二单向阀(15)、循环泵(16)、排水排氢阀(17)和第二喷射器(21)；

所述空气流量计(1)的输出端与空压机(2)的输入端相连通，空压机(2)的输出端与中冷器(3)的第一输入端相连通，中冷器(3)的第一输出端与增湿器(4)的干气体入口相连通，增湿器(4)的干气体出口与进堆节气门(6)的输入端相连通，进堆节气门(6)的第一输出端与电堆(20)的阴极入口相连通，电堆(20)的阴极出口与增湿器(4)的湿气体入口相连通，增湿器(4)的湿气体出口与出堆节气门(5)的输入端相连通，进堆节气门(6)的第二输出端与出堆节气门(5)的输出端相连通；

所述水箱(7)的输入端与中冷器(3)的第二输入端相连通，中冷器(3)的第二输出端与冷却水泵(8)的第一输入端相连通，冷却水泵(8)的第一输出端与散热器(9)的输入端相连通，散热器(9)的输出端与节温器(10)的第一输入端相连通，节温器(10)的输出端与电堆(20)的冷却液入口端相连通，电堆(20)的冷却液出口端与冷却水泵(8)的第一输入端相连通，冷却水泵(8)的第二输出端与节温器(10)的第二输入端相连通；

所述氢瓶(11)的输入端与减压阀(12)的输入端相连通，减压阀(12)的输出端与第一单向阀(13)的输入端相连通，第一单向阀(13)的输出端分别与第一喷射器(14)的输入端和第二喷射器(21)的输入端相连通，第一喷射器(14)的输出端和第二喷射器(21)的输出端分别与电堆(20)的阳极入口相连通，电堆(20)的阳极出口与循环泵(16)的输入端相连通，循环泵(16)的输出端与第二单向阀(15)的输入端相连通，第二单向阀(15)的输出端与电堆(20)的阳极入口相连通；

所述负载(19)与DC/DC变换器(18)电性连通，DC/DC变换器(18)与电堆(20)电性连通，电堆(20)的阳极出口与排水排氢阀(17)的输入端相连，出堆节气门(5)的输出端与排水排氢阀(17)的输出端相连。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述空气系统中，空气流量计(1)用来测量进入电堆(20)的空气流量，空压机(2)用来将空气压缩至燃料电池系统需要的压力和流量，中冷器(3)用来冷却来自空压机(2)的空气，增湿器(4)用来给进入电堆(20)的空气增湿以及回收反应后产生的热量和湿度，出堆节气门(5)用于将电堆(20)内未反应完的空气排入大气中，进堆节气门(6)用来调节空气进入电堆(20)的压力及流量。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述热管理系统中，水箱(7)用来提供热管理系统工作所需的冷却液，冷却水泵(8)用于循环冷却液来给电堆(20)降温，散热器(9)用来降低冷却液的温度，节温器(10)用于控制冷却液的流向。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述氢气系统中，氢瓶(11)用于提供氢气，减压阀(12)用于将来自氢瓶(11)中的高压氢气进行减压，第一单向阀(13)和第二单向阀(15)均用于控制氢气的流向，第一喷射器(14)和第二喷射器(21)均用于控制进入电堆(20)的氢气的流量，循环泵(16)用来将电堆(20)的阳极出口处的部分氢气回流到电堆(20)的阳极入口；

当燃料电池所需的输出功率处于第一预设范围时，只采用第一喷射器(14)来控制进入电堆(20)的氢气的流量；当燃料电池所需的输出功率处于第二预设范围时，只采用第二喷射器(21)；当燃料电池所需的输出功率处于第三预设范围时，同时采用第一喷射器(14)和第二喷射器(21)来控制进入电堆(20)的氢气的流量；其中，所述第一预设范围、所述第二预设范围和所述第三预设范围由采用的电堆(20)的额定功率决定。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：电堆(20)用于为空气和氢气提供反应的场所，DC/DC变换器(18)与负载(19)、电堆(20)均串联，DC/DC变换器(18)用于调整电堆(20)的输出电流和电压，排水排氢阀(17)用于将电堆(20)的阳极出口处的剩下的那一部分氢气以及电堆(20)内反应中产生的水蒸气冷凝形成的液态水排入大气中。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：增湿器(4)的干气体出口与进堆节气门(6)之间接有温压一体传感器，第一喷射器(14)的输出端和第二喷射器(21)的输出端分别与压力传感器的输入端相连，压力传感器的输出端与电堆(20)的阳极入口相连，节温器(10)的输出端与电堆(20)的冷却液入口端之间接有温度传感器，电堆(20)的冷却液出口端与冷却水泵(8)的第一输入端之间接有温度传感器。

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