CN217955928U - 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，所述燃料电池系统包括：第一支路和第二支路，所述第一支路中设有中冷器；空压机和电堆，所述空压机的出气口和所述电堆的进气歧管通过所述第一支路和所述第二支路中的至少一个连通，所述进气歧管的进气口在所述电堆的端部形成有导流区域；所述电堆包括多个依次堆叠的电池，所述导流区域用于将所述进气口处的气流在所述电堆的端部的至少部分区域朝中部逐渐递减地导入多个所述电池的反应流道。根据本实用新型实施例的燃料电池系统，可在电堆冷启动时，将空压机压缩后的高温气体通过第二支路进入到进气歧管的进气口处，且通过进气口处设置的导流区域，使高温气体可进入电堆中并对电池升温，实现电堆的快速冷启动。

Description

燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及电池制造技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统。

背景技术

燃料电池电堆冷启动的过程中需要燃料电池电堆自身快速拉载产热和系统辅助加热协同促进燃料电池电堆的温度能快速的达到0℃以上，但是由于电堆自身设计，即端部电池为单极板进气形式，使得端部电池产热较少，且端部电池与端板接触时导致散热较多，使得端部电池容易结冰，从而导致燃料电池电堆冷启动过程中因端部电池电压过低至达到电堆急停保护电压，进而使得冷启动失败。而现有技术中采用电堆大电密快速拉载形式升温，即利用电堆自身产热提供冷启动过程中的热量，以及在系统回路中增加PTC加热模块，即把冷却回路中的冷却液加热后在进行冷启动。这两种方法虽然可以满足冷启动，但是使用电堆大电密快速拉载可能导致电化学阳极电渗拖曳现象及导致产生增多等缺点，且仍然存在冷启动失败的情况，而使用PTC模块加热的方法增加了系统的复杂度及成本、占用车辆空间等缺点，因此，存在改进空间。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种燃料电池系统，通过在空压机与电堆的进气歧管之间增设第二支路，使得空压机排出的高温气流可在导流区域的作用下进入到电堆的端部电池内，利于实现燃料电池系统冷启动。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，包括：第一支路和第二支路，所述第一支路中设有中冷器；空压机和电堆，所述空压机的出气口和所述电堆的进气歧管通过所述第一支路和所述第二支路中的至少一个连通，所述进气歧管的进气口在所述电堆的端部形成有导流区域；所述电堆包括多个依次堆叠的电池，所述导流区域用于将所述进气口处的气流在所述电堆的端部的至少部分区域朝中部逐渐递减地导入多个所述电池的反应流道。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，通过在空压机与电堆的进气歧管之间增设第二支路，可在电堆冷启动时，将空压机压缩后的高温气体通过第二支路进入到电堆中对电池进行加热，且在进气歧管的进气口处设置导流区域，使得高温气体进入到多个电池中的高温气体的气流量与各个电池所处的温度状态相匹配，保证高温气体可对端部电池进行有效加热，实现电堆的快速冷启动。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，还包括：控制阀，所述空压机的出气口与所述控制阀的入口端连通，所述第一支路与所述控制阀的第一出口端连通，所述第二支路与所述控制阀的第二出口端连通，且所述第一出口端和所述第二出口端中的至少一个与所述入口端连通。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，还包括：控制模块，所述控制阀设置为电磁阀，所述控制模块与所述控制阀电连接，且所述控制模块设置为在满足冷启动条件时控制所述入口端与所述第二出口端连通。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，所述进气歧管内设有多个导流板，多个所述导流板沿所述电池的堆叠方向依次分布，且多个所述导流板与多个所述电池的端部共同限定出所述导流区域。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，所述导流板设于所述进气歧管内远离所述电池的一侧，且在沿所述进气歧管内的气流方向上，多个所述导流板朝向所述电池伸出的长度逐渐增大。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，多个所述导流板沿所述电池的堆叠方向上均匀间隔开分布。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，多个所述导流板与位于所述电堆的端部的多个所述电池一一正对。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，在位于所述电堆的端部的多个所述电池中，靠近中部的至少一个所述电池的端部设有朝向对应的所述导流板凸出的扰流板。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，所述进气歧管位于所述电堆的侧部，且所述进气歧管的长度方向与多个所述电池的堆叠方向相同。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，所述电堆还具有排气歧管，所述进气歧管和所述排气歧管分别位于所述电堆的两侧，且分别与每个电池的反应流道连通。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的燃料电池系统的结构示意图。

附图标记：

燃料电池系统100，

空压机1，电堆2，电池21，扰流板211，第一支路3，中冷器31，第二支路4，进气歧管5，导流区域51，进气口52，导流板53，排气歧管6，排气口61，控制阀7。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考图1描述根据本实用新型实施例的燃料电池系统100，包括：第一支路3、第二支路4、空压机1以及电堆2。其中，需要说明的是，如图1所示，空压机1与电堆2串联，且第一支路3与第二支路4并联于空压机1与电堆2之间。即第一支路3的入口端和第二支路4的入口端分别与空压机1的出气口连通，且第一支路3的出口端和第二支路4的出口端分别与电堆2的入口端连通。

其中，在实际连接时，可将空压机1通过第一支路3和/或第二支路4与电堆2的入口端连通。电堆2具有进气歧管5，即空压机1的出气口和进气歧管5的进气口52之间通过第一支路3和/或第二支路4中连通，即通过第一支路3和第二支路4中的至少一个连通，且空压机1是用于将机械能转化为气体压力能的装置，可产生大量的高温气体。

第一支路3中设有中冷器31。需要说明的是，中冷器31串联于空压机1与电堆2之间，且布置于第一支路3中，且中冷器31可用于降低增压后的空气温度。可以理解的是，当空压机1排出的高温气体在第一支路3流通并传递至电堆2时，必然经过中冷器31。由此，通过中冷器31降低高温气体温度，从而降低发动机的热负荷，可提高进气量，进而增大发动机的功率。

需要说明的是，电堆2在正常运行过程中，空压机1排出的高温气体可从第一支路3流向电堆2的进气歧管5，使得高温气体经过中冷器31降温之后进入到进气歧管5以及电堆2的电池21之间进行使用，保证在电堆2正常运行过程中进入到的空气温度在合适的范围内，避免温度过高造成工作异常。而在电堆2冷启动时，电池21所处的温度状态较低，此时，空压机1排出的高温气体可从第二支路4流向电堆2的进气歧管5，即高温气体不经过中冷器31进行冷却，且直接进入到电堆2的进气歧管5，进而利于高温气体对电堆2中的端部电池21进行加热，利于实现电堆2的多个电池21达到温度均衡的状态，进而快速实现冷启动。以及，当电堆2冷启动时需要的加热气体的温度不是高温时，可同时开始第一支路3和第二支路4，使得经过第一支路3的低温气体与经过第二支路4的高温气体发生混合，最终实现温气进堆效应，进而实现对电堆2的电池21的加热，实现冷启动。

其中，电堆2的每个电池21的反应流道均与进气歧管5连通，且仅在端部电池21的进气歧管5的进气口52处形成有导流区域51，导流区域51可用于将进入进气歧管5的气体沿导流区域51内设定的方向进行流动。换言之，空压机1压缩外界气体并使压缩后的高温气体从第二支路4流通至进气歧管5，再通过进气歧管5的导流区域51通往电堆2的端部电池21区域，从而达到对电堆2的端部电池21加热，实现燃料电池21的冷启动。

以及，电堆2包括多个依次堆叠的电池21。需要说明的是，如图1所示，电堆2包括多个电池21，电池21可构造为板状电池21，且多个电池21可沿上下方向上依次堆叠从而形成电堆2，即电堆2是由多个电池21以串联的方式层叠组合构成，其中，双极板与膜电极交替叠合，各个电池21之间镶嵌有密封件，经过设置前板、后板压紧后利用螺栓紧固，从而形成电堆2。其中，每个电池21的端部均设有进气歧管5，且进气歧管5与电池21的反应流道串联，从而使高温气体或其他物质可通过反应流道流通至电池21的内部并发生作用，且进气歧管5中的导流区域51位于电堆2的侧面且靠近电堆2的端部设置，且导流区域51用于将进气歧管5的进气口52处流通的气流从电堆2的端部开始向另一端部呈递减趋势运动，且气流从导流区域51处离开后便均匀的朝另一端部的电池流动。如此，在导流区域51时的气流密度相对较大，从而通过反应流道的作用下快速加热端部电池21，实现端部电池21的快速升温，从而实现与下方电池21保持相同的温度，进而实现冷启动。

也就是说，进气歧管5的进气口52处布置于电堆2的端部处，即从进气口52处流入的气体从端部处往另一端部处的方向流动，且在导流区域51内流动过程中呈逐渐递减地流至端部电池21的反应流道中，即高温气体在导流区域51的引导作用下，进入到电堆2的端部的电池21之间的气体量较大，且从导流区域51内流出的气体可均匀的流入至电堆2的电池21的反应流道内。

可以理解的是，电堆2的电池21在使用后且在冷启动之前，靠近电堆2的端部的电池21所处的温度较低，而位于电堆2的中部的电池21所处的温度相对较高，因此，通过设置导流区域51对高温气体进行引导，可保证电堆2的端部的电池21的反应流道中进入的高温气体的气流量和电堆2的中部的电池21的反应流道中进入到的气流量能够与各自的温度状态进行匹配，进而利于电堆2整体快速升温，保证高温气体可对端部电池进行有效加热，实现温气进堆效应。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统100，通过在空压机1与电堆2的进气歧管5之间增设第二支路4，可在电堆2冷启动时，将空压机1压缩后的高温气体通过第二支路4进入到电堆2中对电池21进行加热，且在进气歧管5的进气口52处设置导流区域51，使得高温气体进入到多个电池21中的高温气体的气流量与各个电池21所处的温度状态相匹配，保证高温气体可对端部电池进行有效加热，实现电堆2的快速冷启动。

在一些实施例中，燃料电池系统100还包括：控制阀7，且空压机1的出气口与控制阀7的入口端连通，第一支路3与控制阀7的第一出口端连通，第二支路4与控制阀7的第二出口端连通，且第一出口端和第二出口端中的至少一个与入口端选择性地连通。

需要说明的是，控制阀7设置于空压机1与中冷器31之间，且控制阀7用于控制空压机1的出气口与第一支路3、第二支路4的连接状态。其中，控制阀7包括入口端、第一出口端和第二出口端。也就是说，控制阀7用于将空压机1的出气口选择性地连通第一支路3或第二支路4，即控制阀7内设有阀芯，通过驱动阀芯活动可控制第一出口端与第一支路3的连接，以及控制第二出口端与第二支路4的连接。其中，如图1所示，控制阀7的左端连接空压机1，因此，高温气体必须经过控制阀7的引导才可流通传递至电堆2处。

由此，当高温气体从空压机1处传递至控制阀7的入口端时，控制阀7可根据电堆2温度状况控制入口端与第一出口端或第二出口端的连通状态，如需要加热电堆2的端部电池21实现冷启动时，控制阀7的入口端连通第二出口端，关闭第一出口端。利用空压机1压缩升温的余热作用，使得产生的高温气体不经过中冷器31的降温直接进入到进气歧管5内，并由进气歧管5中的导流区域51传递至端部电池21，从而实现燃料电池21的冷启动。

或，需要加热电堆2的端部电池21实现冷启动时，且对加热气体的温度要求不高时，通过驱动阀芯控制第一出口端与第一支路3的连接，以及控制第二出口端与第二支路4的连接，即两个出口端均打开，使得第一支路3的低温气体与第二支路4的高温气体中和，进而使得进入到电堆2端部的气体温度温和，即实现温气进堆并对促进电堆2的冷启动。

以及，在电堆2实现冷启动之后且进入到正常工作状态，进入到端部电池21的气体可为温气时，此时，可使控制阀7的入口端连通第一出口端，使得高温气体可通过第一支路3流入中冷器31，并使得流入中冷器31的高温气体降温后进入到电堆2中进行正常工作反应。

在一些实施例中，还包括：控制模块，控制阀7设置为电磁阀，控制模块与控制阀7电连接，且控制模块设置为在满足冷启动条件时控制入口端与第二出口端连通。

需要说明的是，控制模块可控制控制阀7将入口端和第二出口端连通，如控制模块可为控制阀7发送或传递电信号，即控制模块可对环境温度进行检测并判断，若得出环境温度低于预设值时便向控制阀7发送电信号，使得控制阀7可控制入口端与第二出口端连通，进而实现入口端与第二支路4的连通，进而为电堆2输送高温气体。

在一些实施例中，进气歧管5内设有多个导流板53，多个导流板53沿电池21的堆叠方向依次分布，且多个导流板53与多个电池21的端部共同限定出导流区域51。

需要说明的是，多个导流板53位于进气歧管5的进气口52处。其中，多个导流板53的堆叠方向可与多个电池21的堆叠方向相同，即如图1所示的上下方向依次堆叠，从而使得多个导流板53用于限定出进气歧管5的导流区域51。使得传递至端部电池21的高温气体或温气能够作用于不同位置的电池21，如可通过多个导流板53的引导使气体进入端部电池21、中部电池21或另一端的底部电池21。

由此，通过多个导流板53形成的导流区域51的作用，可保证电堆2的端部进入的高温气体的气流量较大，从而保证电堆2的端部的电池21能够从较低的温度状态实现快速升温，从而均衡电堆2的各个位置的电池21的升温速度，利于实现冷启动。

在一些实施例中，导流板53设于进气歧管5内远离电池21的一侧，且在沿进气歧管5内的气流方向上，多个导流板53朝向电池21伸出的长度逐渐增大。

需要说明的是，如图1所示，多个导流板53均设置于进气歧管5内的左侧壁上，且多个导流板53沿侧壁间隔分布，其中，沿进气口52的进气方向从上往下，将多个导流板53的延伸长度设置为依次增大，并与电堆2的电池21端部之间限定出倒三角状的导流区域51。

可以理解的是，从进气口52进入的气体经过倒三角区域时，受到导流板53的阻挡，从而向下及向右流动，以进入到电堆2中的端部电池21的反应流道中，且导流板53从上往下长度依次增大的设计，使导流区域51的下部宽度越来越小，从而使得更多个的高温气体能够分配至位于电堆2的端部电池21，利于电堆2的端部电池21从较低温度升高至与中部的电池21较为均衡的温度，达到快速冷启动的效果。

在一些实施例中，多个导流板53沿电池21的堆叠方向上均匀间隔开分布。可以理解的是，每个导流板53之间形成的间隙大小均匀，可保证多个导流板53对气流的引导效果较为均衡，即保证进入到各个反应流道中的高温气体能够呈直线式地递减，更加利于均衡各个电池21的升温速度。

在一些实施例中，多个导流板53与位于电堆2的端部的多个电池21一一正对。可以理解的是，经过导流区域51的气体经过多个导流板53的引导，气体可往电池21的反应流道内流动，而设置导流板53与电堆2中的电池21一一对应，即相邻两个导流板53之间的间隙可与每个电池21的反应流道位置相同或相对应，使得经过导流板53引导的气体能够连贯且平稳的进入至对应的电池21的反应流道中，从而为端部电池21的受热提高稳定性。

且一一对应的设置导流板53之间的间隙与电池21的反应流道，利于每个导流板53均可将与之接触的高温气体的一部分引导至对应的电池21的反应流道中，提升导流板53的引导效果。

在一些实施例中，在位于电堆2的端部的多个电池21中，靠近中部的至少一个电池21的端部设有朝向对应的导流板53凸出的扰流板211。如图1所示，需要说明的是，在电堆2端部的多个电池21中，其中，靠近中部的一个电池21的端部凸出于其它的电池21的端部，即在该电池21的端部处设有扰流板211，使得扰流板211可起到阻碍和气流引导的作用。

如图1所示，位于设有扰流板211的电池21上方的其它电池21更靠近电堆2的端部，且在冷启动时的温度更低，所需的加热量更大，因此，通过设置扰流板211对高温气流进行阻挡，使得更多的气流可进入到电堆2的端部的电池21的反应流道内，实现对端部电池21的有效加热，利于实现电堆2的快速升温。

在一些实施例中，进气歧管5位于电堆2的侧部，且进气歧管5的长度方向与多个电池21的堆叠方向相同。需要说明的是，如图1所示，进气歧管5构造为直管，沿电堆2的侧面延伸设置，以使多个电池21的端部均可伸至进气歧管5中。

可以理解的是，进气歧管5设置在电堆2侧边并与电堆2之间形成的反应流道连通，可保证从进气口52流通的气体能够有效地流入到各电池21之间的反应流道内，以及，进气歧管5的长度大于电堆2长度，可保证每个电池21的反应流道中均可有进气歧管5中的气流进入。且进气歧管5构造为直管，在一定程度上减小了气体流通的阻力，从而加快流通速度，提高加热效率。

在一些实施例中，电堆2还具有排气歧管6，进气歧管5和排气歧管6分别位于电堆2的两侧，且分别与每个电池21的反应流道连通。需要说明的是，排气歧管6的构造与进气歧管5的构造相似，排气歧管6构造为直管，且靠近电堆2的端部设置有排气口61，但排气歧管6内未设置与进气歧管5相同的导流区域51，即未设置导流板53。排气歧管6与进气歧管5均与电堆2中的多个电池21的反应流道连通，且排气歧管6与进气歧管5在电堆2上正对设置，可满足进气歧管5与排气歧管6的对称分布。

可以理解的是，排气歧管6与进气歧管5有相同的设计，且分别布置于电堆2两侧，并正对设置，可保证两侧的车身重量相同，提高稳定性。以及，进气歧管5与排气歧管6均与电池21的反应流道连通，可保证进气效率高及排气效率高，可使得进入电堆2的气体可通过排气歧管6全部排除干净，从而避免漏排等情况。

本实用新型实施例的燃料电池系统100，在空压机1与电堆2的进气歧管5之间增设第二支路4，用于增加气体流通路径并结合流量阀的控制开关功能，以及结合导流区域51能更改气体流动方向的设计，充分利用了空压机1压缩升温的余热作用，使得空压机1产生的高温气体能进入到端部电池21中，从而加热端部电池21，使端部电池21得以快速升温。

由此，利用空压机1产生的高温空气加热端部电池21，可以充分利用空压机1压缩气体产热，辅助实现电堆2的快速冷启动，且没有增加系统的功耗的前提下实现了辅助加热，同时避免了压缩能量的浪费情况。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

第一支路(3)和第二支路(4)，所述第一支路(3)中设有中冷器(31)；

空压机(1)和电堆(2)，所述空压机(1)的出气口和所述电堆(2)的进气歧管(5)通过所述第一支路(3)和所述第二支路(4)中的至少一个连通，所述进气歧管(5)的进气口(52)在所述电堆的端部形成有导流区域(51)；

所述电堆(2)包括多个依次堆叠的电池(21)，所述导流区域(51)用于将所述进气口(52)处的气流在所述电堆(2)的端部的至少部分区域朝中部逐渐递减地导入多个所述电池(21)的反应流道。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：控制阀(7)，所述空压机(1)的出气口与所述控制阀(7)的入口端连通，所述第一支路(3)与所述控制阀(7)的第一出口端连通，所述第二支路(4)与所述控制阀(7)的第二出口端连通，且所述第一出口端和所述第二出口端中的至少一个与所述入口端连通。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：控制模块，所述控制阀(7)设置为电磁阀，所述控制模块与所述控制阀(7)电连接，且所述控制模块设置为在满足冷启动条件时控制所述入口端与所述第二出口端连通。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述进气歧管(5)内设有多个导流板(53)，多个所述导流板(53)沿所述电池(21)的堆叠方向依次分布，且多个所述导流板(53)与多个所述电池(21)的端部共同限定出所述导流区域(51)。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述导流板(53)设于所述进气歧管(5)内远离所述电池(21)的一侧，且在沿所述进气歧管(5)内的气流方向上，多个所述导流板(53)朝向所述电池(21)伸出的长度逐渐增大。

6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，多个所述导流板(53)沿所述电池(21)的堆叠方向上均匀间隔开分布。

7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，多个所述导流板(53)与位于所述电堆(2)的端部的多个所述电池(21)一一正对。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，在位于所述电堆(2)的端部的多个所述电池(21)中，靠近中部的至少一个所述电池(21)的端部设有朝向对应的所述导流板(53)凸出的扰流板。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述进气歧管(5)位于所述电堆(2)的侧部，且所述进气歧管(5)的长度方向与多个所述电池(21)的堆叠方向相同。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆(2)还具有排气歧管(6)，所述进气歧管(5)和所述排气歧管(6)分别位于所述电堆(2)的两侧，且分别与每个电池(21)的反应流道连通。

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