CN216413122U - 燃料电池结构及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池结构及车辆，属于车辆燃料电池技术领域。该燃料电池系统包括电堆、固态储氢组件和热管理组件；固态储氢组件包括储氢罐，储氢罐的氢气流出端与电堆的第一进气端连通，电堆的第二进气端与大气连通；储氢罐内均填充有金属氢化物；热管理组件包括相互连通的第一子管路和第二子管路，第一子管路位于储氢罐内，第二子管路位于所述电堆内。该燃料电池结构利用固态储氢的方式，具有单位体积储氢密度高，储氢容器体积小以及安全性好的优点。

Description

燃料电池结构及车辆

技术领域

本申请涉及车辆燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池结构及车辆。

背景技术

燃料电池结构是将燃料中所具有的化学能转换为电能的装置，其作用是为使用燃料电池结构的设备提供电能。目前，大多数燃料电池结构所使用的燃料为氢气。

相关技术中，在燃料电池结构内，氢气的储存方式通常为高压气态储氢，即将氢气压缩，并以高密度气态形式储存。然而，高压气态储氢存在单位体积的储氢密度较低、氢气压力较高等问题，导致储氢容器体积较大且安全性较差。

实用新型内容

鉴于此，本申请提供一种燃料电池结构，利用固态储氢方式，具有储氢容器体积小以及安全性好的优点。

具体而言，包括以下的技术方案：

一方面，本申请提供了一种燃料电池结构，所述燃料电池结构包括电堆、固态储氢组件和热管理组件；

所述固态储氢组件包括储氢罐，所述储氢罐的氢气流出端与所述电堆的第一进气端连通，所述电堆的第二进气端与大气连通；所述储氢罐内均填充有金属氢化物；

所述热管理组件包括相互连通的第一子管路和第二子管路，所述第一子管路位于所述储氢罐内，所述第二子管路位于所述电堆内。

在一些实施例中，所述储氢罐内具有至少一个容纳件；

每个所述容纳件内填充有所述金属氢化物，且每个容纳件的出口均与所述储氢罐的氢气流出端连通。

在一些实施例中，所述固态储氢组件还包括供氢管路、气固分离器、第一压力传感器、安全阀、减压阀、第二压力传感器、单向阀、流量计和进氢球阀；

所述储氢罐和所述电堆通过所述供氢管路连通；

沿所述储氢罐到所述电堆的方向，所述气固分离器、所述第一压力传感器、所述安全阀、所述减压阀、所述第二压力传感器、所述单向阀、所述流量计和所述进氢球阀依次设置在所述供氢管路上。

在一些实施例中，所述热管理组件还包括第一流通管路、膨胀支路、第一泵和第一膨胀水箱；

所述第一子管路通过所述第一流通管路与所述第二子管路连通，所述第一泵设置在所述第一子管路上；

所述第一膨胀水箱位于所述膨胀支路的一端，所述膨胀支路的另一端与所述第一泵和所述第一子管路之间的第一流通管路连通。

在一些实施例中，所述热管理组件还包括第二流通管路、计量阀和至少一个冷却液阀；

所述第二子管路通过所述第二流通管路与所述第一子管路连通；

所述计量阀设置在所述第二流通管路上，所述冷却液阀分别位于冷却液支路上。

在一些实施例中，所述热管理组件还包括冷却器、第一三通阀和第二三通阀；

所述冷却器通过所述第一三通阀和所述第二三通阀与所述第二子管路连通，且与所述第一子管路并联。

在一些实施例中，所述冷却器包括散热器、第二泵、离子浓度检测器和散热风扇；

所述第一三通阀的第一阀口与所述散热器的冷却液流出端通过第一冷却管连通，所述第二三通阀的第二阀口与所述散热器的冷却液流入端通过第二冷却管连通；

所述第二泵和所述离子浓度检测器依次设置在所述第一冷却管上，所述散热风扇位于所述散热器的一侧。

在一些实施例中，所述冷却器还包括节温器、加热器、去离子器和中冷器；

所述节温器位于所述第二阀口与所述散热器的冷却液流入端之间，所述加热器的一端与所述节温器连通，另一端与所述第二泵和所述散热器之间的第一冷却管连通；

所述去离子器的一端与所述离子浓度检测器和所述第二泵之间的所述第一冷却管连通，另一端与所述中冷器的一端连通，所述中冷器的另一端与所述第一泵和所述节温器之间的所述第二冷却管连通。

在一些实施例中，所述燃料电池结构还包括空气供给组件；

所述空气供给组件的空气流出端与所述电堆的第二进气端连通，所述空气供给组件与所述大气连通。

另一方面，本申请实施例还提供了一种车辆，所述车辆包括如上述一方面所述的燃料电池结构。

本申请实施例提供的燃料电池结构，利用固态储氢组件中的储氢罐储存氢气，当燃料电池工作时，储存在储氢罐中的氢气释放并通过电堆的第一进气端进入电堆参与反应。储氢罐内填充金属氢化物，由于金属氢化物所需的反应压力低且单位体积的储氢密度高，因而在所需氢气量相同的情况下，与相关技术中的高压气态储氢方式相比，本申请的储氢方式所需的储氢容器小、安全性好。另外，由于热管理组件包括相互连通的第一子管路和第二子管路，第一子管路位于储氢罐内，第二子管路位于电堆内，因而电堆内产生的反应废热可以被储氢罐循环利用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种燃料电池结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种冷却器结构示意图。

图中的附图标记分别表示为：

1-电堆；1a-第一进气端；1b-第二进气端；2-固态储氢组件；21-储氢罐；21a-氢气流出端；22-金属氢化物；23-容纳件；201-供氢管路；202-气固分离器；203-第一压力传感器；204-减压阀；205-安全阀；206-第二压力传感器；207-单向阀；208-流量计；209-进氢球阀；3-热管理组件；31-第一子管路；32-第二子管路；33-第一流通管路；34-膨胀支路；35-第一泵；36-第一膨胀水箱；37-第二流通管路；37a-冷却液支路；38-计量阀；39-冷却液阀；310-冷却器；311-第一三通阀；311a-第一阀口；312-第二三通阀；312a-第二阀口；401-散热器；402-第二泵；403-离子浓度检测器；404-散热风扇；405-第一冷却管；406-第二冷却管；407-节温器；408-加热器；409-去离子器；410-中冷器；4-空气供给组件。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本申请实施例所用的所有技术术语均具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。下面对本申请实施例中出现的一些技术术语进行说明。

为使本申请的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

燃料电池车辆是指包括燃料电池结构的车辆。燃料电池结构的工作原理是通过储备的氢气与空气中的氧气在电堆中进行氧化还原反应，使得化学能转换为电能。由于氢气与氧气进行的氧化还原反应所产生的副产物主要是水，因此燃料电池车辆产生的污染较少，使得燃料电池车辆通常被称为绿色新型环保车辆。可以理解的是，燃料电池结构的储氢方式影响氢气的储备量，进而影响产生的电量。

相关技术中，在燃料电池结构内，氢气的储存方式通常为高压气态储氢，高压气态储氢是将氢气压缩，并以高密度气态形式储存。高压气态储氢是最常见、最广泛应用的储氢技术，大部分加氢站和氢燃料电池车辆都采用高压气态储氢技术，然而，高压气态储氢存在着单位体积的储氢密度较低、氢气压力较高等问题，导致储氢容器体积较大且安全性较差。

为了解决相关技术中存在的问题，本申请实施例提供了一种燃料电池结构，其结构示意图如图1所示。

参见图1，该燃料电池结构包括电堆1、固态储氢组件2和热管理组件3；固态储氢组件2包括储氢罐21，储氢罐21的氢气流出端21a与电堆1的第一进气端1a连通，电堆1的第二进气端1b与大气连通；储氢罐21内均填充有金属氢化物22；热管理组件3包括相互连通的第一子管路31和第二子管路32，第一子管路31位于储氢罐21内，第二子管路32位于电堆1内，其中，冷却液可以在第一子管路31和第二子管路32中流动。

本申请实施例提供的燃料电池结构，利用固态储氢组件2中的储氢罐21储存氢气，当燃料电池工作时，储存在储氢罐21中的氢气释放并通过电堆1的第一进气端1a进入电堆1参与反应。通过将第一子管路31设置在储氢罐21内，第二子管路32设置在电堆1内，在第一子管路31和第二子管路32相互连通的前提下，使得电堆1内产生的反应废热可以被储氢罐21循环利用。

可以理解的是，在电堆1中氢气和空气中的氧气发生化学反应，该反为放热反应，因此在电堆1运行过程中会产生废热。

因此，本申请实施例提供的燃料电池结构，利用固态储氢组件2中的储氢罐21储存氢气，当燃料电池工作时，储存在储氢罐21中的氢气释放并通过电堆1的第一进气端1a进入电堆1参与反应。储氢罐21内填充金属氢化物22，由于金属氢化物22所需的反应压力低且单位体积的储氢密度高，因而在所需氢气量相同的情况下，与相关技术中的高压气态储氢方式相比，本申请的储氢方式所需的储氢容器小、安全性好。

下面对本申请实施例提供的燃料电池结构各部分之间的相互位置、连接关系以及各部分的作用进行进一步地描述说明：

在一些实施例中，参见图1，储氢罐21内具有至少一个容纳件23。

其中，每个容纳件23内填充有金属氢化物22，且每个容纳件23的出口均与储氢罐21的氢气流出端21a连通。

利用容纳件23承装金属氢化物22，便于对储氢罐21内的金属氢化物进行更换或者补充。

可以理解的是，在一定的温度和压力条件下，金属氢化物22可以分解成相应的金属单质并释放出氢气。

可选的，所述储氢罐21的材质为铝。

可选的，储氢罐21内具有容纳件23的个数可以为1个或2个或5个或6个或8个等。举例来说，参见图1，储氢罐21内具有容纳件23的个数为3个。

在一些实施例中，金属氢化物22包括AB、AB₂、A₂B、AB₅型金属氢化物，其中，A为金属阳离子，B为氢阴离子。

可选的，金属氢化物22可以为LiH、NaH、KH、CaH₂、BaH₂、CrH₂、NiH、CuH、ZnH₂等。

在一些实施例中，参见图1，本申请实施例提供的固态储氢组件2还包括供氢管路201、气固分离器202、第一压力传感器203、减压阀204、安全阀205、第二压力传感器206、单向阀207、流量计208和进氢球阀209。

其中，储氢罐21和电堆1通过供氢管路201连通；沿储氢罐21到电堆1的方向，气固分离器202、第一压力传感器203、减压阀204、安全阀205、第二压力传感器206、单向阀207、流量计208和进氢球阀209依次设置在供氢管路201上。

如此设置，金属氢化物22中释放出的氢气可以通过供氢管路201进入电堆1。在供氢管路201上，通过设置气固分离器202，可以除去氢气中的固态粉尘；通过设置第一压力传感器203，可以监测从气固分离器202中流出氢气的压力，并将氢气的压力传输给控制系统；通过设置减压阀204，可以为从第一压力传感器203中流出的氢气减压，使得氢气的压力降至预设值；通过设置第二压力传感器206，可以监测减压阀204氢气流出端氢气的压力，如果氢气的压力大于预设值，安全阀205可以自动释放氢气，以防止减压阀204氢气流出端氢气压力过高而损坏固态储氢组件2；通过设置单向阀207，可以避免氢气倒流；通过设置流量计208，可以实时监测氢气的流量；通过设置进氢球阀209，可以切断、分配和改变氢气的流动方向。因此，从金属氢化物22中释放的氢气流经气固分离器202、第一压力传感器203、减压阀204、安全阀205、第二压力传感器206、单向阀207、流量计208和进氢球阀209后，进入到电堆1的氢气中不含有固态粉尘、且压力已降低至所需的围内，有效保障电堆1内的氧化还原反应的安全性。

可选的，经气固分离器202分离后的氢气压力比较高，因此第一压力传感器203可以为耐高压压力传感器。

可选的，供氢管路201的材质包括6061铝、316不锈钢等。

在一些实施例中，参见图1，本申请实施例所提供的热管理组件3还包括第一流通管路33、膨胀支路34、第一泵35和第一膨胀水箱36。

其中，第一子管路31通过第一流通管路33与第二子管路32连通，第一泵35设置在第一子管路31上；第一膨胀水箱36位于膨胀支路34的一端，膨胀支路34的另一端与第一泵35和第一子管路31之间的第一流通管路33连通。

通过设置第一流通管路33，将第一子管路31与第二子管路32连通，使得冷却液可以由第一子管路31进入第二子管路32；通过设置膨胀支路34将第一流通管路33和第一膨胀水箱36连通，使得位于第一流通管路33中的冷却液可以由第一流通管路33进入第一膨胀水箱36中；通过设置第一膨胀水箱36，以容纳冷却液，当冷却液受热体积产生膨胀时，溢出管路的冷却液通过膨胀支路34进入第一膨胀水箱36中暂时储存，当冷却液温度降低体积缩小时，储存在第一膨胀水箱36中的冷却液重新通过膨胀支路34进入第一流通管路参与循环；通过设置第一泵35，可以为位于第一流通管路33、第一子管路31和第二子管路32中的冷却液提供循环的动力。

在一些实施例中，参见图1，本申请实施例所提供的热管理组件3还包括第二流通管路37、计量阀38和至少一个冷却液阀39。

其中，第二子管路32通过第二流通管路37与第一子管路31连通；计量阀38设置在第二流通管路37上，冷却液阀39分别位于冷却液支路37a上。

通过设置第二流通管路37，可以将第二子管路32与第一子管路31连通，从而使得冷却液可以由第二子管路32进入到第一子管路31中；通过设置计量阀38，可以监测第二流通管路37中冷却液的流量；通过设置冷却液阀39，可以控制进入储氢罐21中冷却液的量。

第二子管路32中的冷却液在电堆1中进行热量交换，吸收电堆1产生的热量温度升高，并在第一泵35提供的动力作用下参与循环，经第二流通管路37进入第一子管路31，第一子管路31中的冷却液在储氢罐21内进行热量交换放热，为金属氢化物22释放氢气提供热量，如此将电堆1中的热量通过冷却液的循环供给金属氢化物22以实现废热的重新利用，第一子管路31中放出热量的冷却液在第一泵35提供的动力作用下再次返回至电堆1，带走电堆1中的热量，不断进行循环。

在一些实施例中，参见图1，热管理组件3还包括冷却器310、第一三通阀311和第二三通阀312；冷却器310通过第一三通阀311和第二三通阀312与第二子管路32连通，且与第一子管路31并联。

如此设置，位于电堆1中第二子管路32中的冷却液吸收电堆1产生的热量后，冷却液温度升高，温度升高后的冷却液随着循环进入到冷却器310内，冷却器310对温度升高后的冷却液进行降温，此外，第一子管路31和冷却器通过第一三通阀311和第二三通阀312与第二子管路32连接起来，使得热管理组件3的集成化程度高。

可以理解的是，电堆1在运行过程中会产生热量，如果产生的热量不能及时排出，电堆1的温度会持续上升从而影响电堆1的性能和安全性，位于电堆1中第二子管路32中的冷却液吸收电堆1产生的热量后，冷却液温度升高，温度升高后的冷却液随着循环进入到冷却器310内，冷却器310对温度升高后的冷却液进行降温，从而实现利用冷却器310对电堆1进行降温。

在一些实施例中，参见图2，冷却器310包括散热器401、第二泵402、离子浓度检测器403和散热风扇404。

其中，第一三通阀311的第一阀口311a与散热器401的冷却液流出端通过第一冷却管405连通，第二三通阀312的第二阀口312a与散热器401的冷却液流入端通过第二冷却管406连通；第二泵402和离子浓度检测器403依次设置在第一冷却管405上，散热风扇404位于散热器401的一侧。

由于散热器401具有较大的表面积和较好的导热效果，可以将位于散热器401中温度升高后的冷却液的热量传递至散热器表面，因此可以与空气充分接触，以降低位于散热器401中冷却液的温度；通过设置第二泵402，可以为冷却器310中的冷却液循环提供动力；通过离子浓度检测器403，可以监测冷却液中离子的浓度，使得冷却液中离子的浓度在合适的范围内；通过散热风扇404，可以提高散热器401一侧空气的流速和流量，以增强散热器401的散热能力。

在一些实施例中，参见图2，冷却器310还包括节温器407、加热器408、去离子器409和中冷器410。

其中，节温器407位于第二阀口312a与散热器401的冷却液流入端之间，加热器408的一端与节温器407连通，另一端与第二泵402和散热器401之间的第一冷却管405连通；去离子器409的一端与离子浓度检测器403和第二泵402之间的第一冷却管405连通，另一端与中冷器410的一端连通，中冷器的另一端与第一泵35和节温器407之间的第二冷却管406连通。

通过设置节温器407，可以根据电堆入口处的冷却液的温度，自动调节流经散热器401中冷却液的流量，同时也可控制散热风扇404的转速来调节散热器401的散热能力，从而保证电堆1在合适的温度范围内工作；通过设置加热器408，可以为流经加热器408的冷却液加热，以调节冷却液温度；通过设置去离子器409，可以除去冷却液中的离子；通过设置中冷器410，可以为空气降温，继而将进入电堆1中冷却液的温度和离子浓度控制在预设的范围内，确保电堆1中反应的稳定性和安全性。

在一些实施例中，参见图1，本申请实施例提供的燃料电池结构还包括空气供给组件4。

其中，空气供给组件4的空气流出端与电堆1的第二进气端连通，空气供给组件4与大气连通。

通过设置空气供给组件4，可以为电堆1提供反应所需氧气，便于氧气在电堆1中与氢气反应。

本申请实施例还提供了一种车辆，该车辆包括上述实施例中所限定的燃料电池结构。

基于使用了上述燃料电池结构，本申请实施例提供的车辆具有储氢容器体积小和安全性较好的优点，更有利于车辆结构的布置。

在本申请中，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的本申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池结构，其特征在于，所述燃料电池结构包括电堆(1)、固态储氢组件(2)和热管理组件(3)；

所述固态储氢组件(2)包括储氢罐(21)，所述储氢罐(21)的氢气流出端(21a)与所述电堆(1)的第一进气端(1a)连通，所述电堆(1)的第二进气端(1b)与大气连通；所述储氢罐(21)内均填充有金属氢化物(22)；

所述热管理组件(3)包括相互连通的第一子管路(31)和第二子管路(32)，所述第一子管路(31)位于所述储氢罐(21)内，所述第二子管路(32)位于所述电堆(1)内。

2.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述储氢罐(21)内具有至少一个容纳件(23)；

每个所述容纳件(23)内填充有所述金属氢化物(22)，且每个容纳件(23)的出口均与所述储氢罐(21)的氢气流出端(21a)连通。

3.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述固态储氢组件(2)还包括供氢管路(201)、气固分离器(202)、第一压力传感器(203)、减压阀(204)、安全阀(205)、第二压力传感器(206)、单向阀(207)、流量计(208)和进氢球阀(209)；

所述储氢罐(21)和所述电堆(1)通过所述供氢管路(201)连通；

沿所述储氢罐(21)到所述电堆(1)的方向，所述气固分离器(202)、所述第一压力传感器(203)、所述减压阀(204)、所述安全阀(205)、所述第二压力传感器(206)、所述单向阀(207)、所述流量计(208)和所述进氢球阀(209)依次设置在所述供氢管路(201)上。

4.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述热管理组件(3)还包括第一流通管路(33)、膨胀支路(34)、第一泵(35)和第一膨胀水箱(36)；

所述第一子管路(31)通过所述第一流通管路(33)与所述第二子管路(32)连通，所述第一泵(35)设置在所述第一子管路(31)上；

所述第一膨胀水箱(36)位于所述膨胀支路(34)的一端，所述膨胀支路(34)的另一端与所述第一泵(35)和所述第一子管路(31)之间的第一流通管路(33)连通。

5.根据权利要求4所述的燃料电池结构，其特征在于，所述热管理组件(3)还包括第二流通管路(37)、计量阀(38)和至少一个冷却液阀(39)；

所述第二子管路(32)通过所述第二流通管路(37)与所述第一子管路(31)连通；

所述计量阀(38)设置在所述第二流通管路(37)上，所述冷却液阀(39)分别位于冷却液支路(37a)上。

6.根据权利要求5所述的燃料电池结构，其特征在于，所述热管理组件(3)还包括冷却器(310)、第一三通阀(311)和第二三通阀(312)；

所述冷却器(310)通过所述第一三通阀(311)和所述第二三通阀(312)与所述第二子管路(32)连通，且与所述第一子管路(31)并联。

7.根据权利要求6所述的燃料电池结构，其特征在于，所述冷却器(310)包括散热器(401)、第二泵(402)、离子浓度检测器(403)和散热风扇(404)；

所述第一三通阀(311)的第一阀口(311a)与所述散热器(401)的冷却液流出端通过第一冷却管(405)连通，所述第二三通阀(312)的第二阀口(312a)与所述散热器(401)的冷却液流入端通过第二冷却管(406)连通；

所述第二泵(402)和所述离子浓度检测器(403)依次设置在所述第一冷却管(405)上，所述散热风扇(404)位于所述散热器(401)的一侧。

8.根据权利要求7所述的燃料电池结构，其特征在于，所述冷却器(310)还包括节温器(407)、加热器(408)、去离子器(409)和中冷器(410)；

所述节温器(407)位于所述第二阀口(312a)与所述散热器(401)的冷却液流入端之间，所述加热器(408)的一端与所述节温器(407)连通，另一端与所述第二泵(402)和所述散热器(401)之间的第一冷却管(405)连通；

所述去离子器(409)的一端与所述离子浓度检测器(403)和所述第二泵(402)之间的所述第一冷却管(405)连通，另一端与所述中冷器(410)的一端连通，所述中冷器的另一端与所述第一泵(35)和所述节温器(407)之间的所述第二冷却管(406)连通。

9.根据权利要求1所述的燃料电池结构，其特征在于，所述燃料电池结构还包括空气供给组件(4)；

所述空气供给组件(4)的空气流出端与所述电堆(1)的第二进气端连通，所述空气供给组件(4)与所述大气连通。

10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求1-9任一项所述的燃料电池结构。

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