CN219457671U - 固态氧化物燃料电池系统、动力总成及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于车辆技术领域，公开了固态氧化物燃料电池系统、动力总成及车辆，该固态氧化物燃料电池系统，空气供应装置、空气加热装置与固态氧化物燃料电池的空气入口依次连通，固态储氢装置与固态氧化物燃料电池的氢气入口连通，固态氧化物燃料电池的阴极废气出口与燃烧器连通，固态氧化物燃料电池的阳极废气出口、储氢固体加热装置与分流装置的入口依次连通，分流装置的第一出口与固态储氢装置连通，分流装置的第二出口与燃烧器连通，分流装置的入口能与第一出口和/或第二出口连通，燃烧器的废气出口与空气加热装置的废气入口连通，空气加热装置的废气出口与储氢固体加热装置的废气入口连通。能充分利用固态氧化物燃料电池的废气的热量。

Description

固态氧化物燃料电池系统、动力总成及车辆

技术领域

本实用新型涉及车辆技术领域，尤其涉及固态氧化物燃料电池系统、动力总成及车辆。

背景技术

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)是最高效率的燃料电池，固体氧化物燃料电池是以氧化物离子导体作为电解质，在阳极供给氢气等燃料气体，在阴极供给空气，在较高的温度下进行发电的燃料电池，不使用贵金属，电池成本低，运行温度高，且反应迅速。目前一般采用对固态镁加热的方式给固体氧化物燃料电池供氢，由于加热固态镁进行放氢的温度较高，且固体氧化物燃料电池中排出的废气温度更是高达600℃～800℃，然而，进入到固态氧化物燃料电池的氢气和空气并不能百分之百的反应，还有很大一部分氢气和空气以废气的形式排出，固体氧化物燃料电池的废气中剩余的热能被浪费，这在很大程度上拉低了燃料利用率，最终影响整个固态氧化物燃料电池系统效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供固态氧化物燃料电池系统、动力总成、车辆及其控制方法，以解决固体氧化物燃料电池的废气中剩余的热能被浪费，这在很大程度上拉低了燃料利用率，最终影响整个固态氧化物燃料电池系统效率的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了固态氧化物燃料电池系统，包括：

固态氧化物燃料电池、空气供应装置和空气加热装置，所述空气供应装置的出口与所述空气加热装置的空气入口连通，所述空气加热装置的空气出口与所述固态氧化物燃料电池的空气入口连通；

固态储氢装置，所述固态储氢装置的氢气出口与所述固态氧化物燃料电池的氢气入口连通；

储氢固体加热装置、燃烧器和分流装置，所述固态氧化物燃料电池的阴极废气出口与所述燃烧器的空气入口连通，所述固态氧化物燃料电池的阳极废气出口与所述储氢固体加热装置的阳极废气入口连通，所述储氢固体加热装置的阳极废气出口与所述分流装置的入口连通，所述分流装置的第一出口与所述固态储氢装置连通，所述分流装置的第二出口与所述燃烧器连通，所述分流装置的入口能与所述第一出口和/或所述第二出口连通，所述燃烧器的废气出口与所述空气加热装置的废气入口连通，所述空气加热装置的废气出口与所述储氢固体加热装置的废气入口连通，所述空气加热装置能将从所述燃烧器流出的废气的热量传递给空气，所述储氢固体加热装置能将所述固态氧化物燃料电池的阳极废气的热量和从所述空气加热装置流出的废气的热量均传递给所述固态储氢装置内的储氢固体。

作为上述固态氧化物燃料电池系统的一种优选方案，所述固态氧化物燃料电池系统还包括余热利用系统，所述储氢固体加热装置的废气出口与所述余热利用系统连通。

作为上述固态氧化物燃料电池系统的一种优选方案，所述固态氧化物燃料电池系统还包括冷却装置，所述储氢固体加热装置的阳极废气出口通过所述冷却装置与所述分流装置的入口连通。

作为上述固态氧化物燃料电池系统的一种优选方案，所述固态氧化物燃料电池系统还包括电加热装置，所述电加热装置用于加热所述固态储氢装置内的储氢固体。

作为上述固态氧化物燃料电池系统的一种优选方案，所述空气供应装置为鼓风机。

作为上述固态氧化物燃料电池系统的一种优选方案，所述空气加热装置和所述储氢固体加热装置均为换热器。

作为上述固态氧化物燃料电池系统的一种优选方案，所述固态氧化物燃料电池系统还包括空气过滤器，所述空气过滤器设置于所述空气供应装置和所述空气加热装置之间。

本实用新型还提供动力总成，包括上述的固态氧化物燃料电池系统，还包括燃料电池主控制器、电堆预充单元、DC/DC转换器、驱动电机控制器、驱动电机，所述固态氧化物燃料电池系统、所述电堆预充单元、所述DC/DC转换器、所述驱动电机控制器和所述驱动电机依次电连接，所述燃料电池主控制器、所述固态氧化物燃料电池系统和所述DC/DC转换器通过CAN总线连接。

作为上述动力总成的一种优选方案，所述动力总成还包括动力电池、动力电池配电单元、多合一控制器、电池管理系统和VCU，所述动力电池、所述动力电池配电单元、所述多合一控制器、所述驱动电机控制器和所述驱动电机依次电连接，所述DC/DC转换器通过所述多合一控制器与所述驱动电机控制器电连接，所述多合一控制器、所述电池管理系统、所述VCU和所述驱动电机控制器通过CAN总线连接。

本实用新型还提供了车辆，包括上述的动力总成。

实用新型本实用新型的有益效果：

本实用新型提供了固态氧化物燃料电池系统、动力总成及车辆，该固态氧化物燃料电池系统中，空气供应装置能给固态氧化物燃料电池提供空气，空气先经过空气加热装置进行加热，再进入固态氧化物燃料电池。固态储氢装置用于提供储氢的储氢固体，储氢固体加热装置对储氢的储氢固体进行加热以对固态氧化物燃料电池提供氢气，未全部反应完的氢气即阳极废气从固态氧化物燃料电池的阳极废气出口流出后，先进入储氢固体加热装置的阳极废气入口，为储氢固体加热装置提供热量，采用热传递技术通过阳极废气的热量加热储氢的储氢固体，从储氢固体加热装置的阳极废气出口流出后进入分流装置，分流装置能将一部分阳极废气通入固态储氢装置以便重新利用，另一部分阳极废气通入燃烧器。未全部反应完的空气即阴极废气从固态氧化物燃料电池的阴极废气出口流出并进入燃烧器，阴极废气和阳极废气在燃烧器内燃烧产生高温废气，高温废气从燃烧器的废气出口流出，先进入空气加热装置，高温废气为空气加热装置提供热量，采用热传递技术通过高温废气的热量能对空气进行加热，从空气加热装置流出的高温废气又进入储氢固体加热装置，高温废气的热量再次对储氢的储氢固体进行加热。该固态氧化物燃料电池系统能为空气加热装置和储氢固体加热装置提供热量以分别对空气和储氢的储氢固体加热，充分利用固态氧化物燃料电池的废气的热量，提高了燃料利用率，从而提高固态氧化物燃料电池系统的效率。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例提供的固态氧化物燃料电池系统的结构示意图；

图2是本实用新型具体实施例提供的动力总成的结构示意图。

图中：

1、空气供应装置；2、空气加热装置；3、固态氧化物燃料电池；4、燃烧器；5、固态储氢装置；6、储氢固体加热装置；7、冷却装置；8、分流装置；9、余热利用系统；10、DC/DC转换器；11、燃料电池主控制器；12、驱动电机控制器；13、驱动电机；14、动力电池；15、动力电池配电单元；16、多合一控制器；17、电池管理系统；18、VCU；19、电堆预充单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本实用新型提供固态氧化物燃料电池系统，如图1所示，该固态氧化物燃料电池系统包括固态氧化物燃料电池3、空气供应装置1、空气加热装置2、固态储氢装置5、储氢固体加热装置6、燃烧器4和分流装置8，空气供应装置1的出口与空气加热装置2的空气入口连通，空气加热装置2的空气出口与固态氧化物燃料电池3的空气入口连通，储氢固体加热装置6用于加热固态储氢装置5内的储氢固体，固态储氢装置5的氢气出口与固态氧化物燃料电池3的氢气入口连通，固态氧化物燃料电池3的阴极废气出口与燃烧器4的空气入口连通，固态氧化物燃料电池3的阳极废气出口与储氢固体加热装置6的阳极废气入口连通，储氢固体加热装置6的阳极废气出口与分流装置8的入口连通，分流装置8的第一出口与固态储氢装置5连通，分流装置8的第二出口与燃烧器4连通，分流装置8的入口能与第一出口和/或第二出口连通，燃烧器4的废气出口与空气加热装置2的废气入口连通，空气加热装置2的废气出口与储氢固体加热装置6的废气入口连通，空气加热装置2能将从燃烧器4流出的废气的热量传递给空气，储氢固体加热装置6能将固态氧化物燃料电池3的阳极废气的热量和从空气加热装置2流出的废气的热量均传递给固态储氢装置5内的储氢固体。

该固态氧化物燃料电池系统中，空气供应装置1能给固态氧化物燃料电池3提供空气，空气先经过空气加热装置2进行加热，再进入固态氧化物燃料电池3。固态储氢装置5用于提供储氢的储氢固体，储氢固体加热装置6对储氢的储氢固体进行加热以对固态氧化物燃料电池3提供氢气，未全部反应完的氢气即阳极废气从固态氧化物燃料电池3的阳极废气出口流出后，先进入储氢固体加热装置6的阳极废气入口，为储氢固体加热装置6提供热量，采用热传递技术通过阳极废气的热量加热储氢的储氢固体，从储氢固体加热装置6的阳极废气出口流出后进入分流装置8，分流装置8能将一部分阳极废气通入固态储氢装置5以便重新利用，另一部分阳极废气通入燃烧器4。未全部反应完的空气即阴极废气从固态氧化物燃料电池3的阴极废气出口流出并进入燃烧器4，阴极废气和阳极废气在燃烧器4内燃烧产生高温废气，高温废气从燃烧器4的废气出口流出，先进入空气加热装置2，高温废气为空气加热装置2提供热量，采用热传递技术通过高温废气的热量能对空气进行加热，从空气加热装置2流出的高温废气又进入储氢固体加热装置6，高温废气的热量再次对储氢的储氢固体进行加热。固态氧化物燃料电池3的阳极废气除了未完全反应完的氢气还有水蒸气，由于从固态氧化物燃料电池3的阳极废气出口流出的阳极废气先经过储氢固体加热装置6进行热交换，阳极废气经过储氢固体加热装置6后阳极废气的温度会降低，从而能初步将阳极废气中水蒸气冷却，以将氢气分离出来并进入分流装置8。该固态氧化物燃料电池系统能为空气加热装置2和储氢固体加热装置6提供热量以分别对空气和储氢的储氢固体加热，充分利用固态氧化物燃料电池3的废气的热量，提高了燃料利用率，从而提高固态氧化物燃料电池系统的效率。

其中，储氢固体可以为镁系储氢合金、铁系储氢合金、镧镍稀土系储氢合金、钛系储氢合金、锆系储氢合金等。

可选地，空气供应装置1为鼓风机。鼓风机为固态氧化物燃料电池3提供外部新鲜冷空气。

可选地，空气加热装置2和储氢固体加热装置6均为换热器。换热器能采用固态氧化物燃料电池3的废气的热量和燃烧器4的废气的热量去加热储氢固体和/或空气。

可选地，该固态氧化物燃料电池系统还包括空气过滤器，空气过滤器设置于空气供应装置和空气加热装置之间。空气过滤器用于过滤空气，空气供应装置供给的空气先进入空气过滤器，经过空气过滤器过滤后的空气再进入空气加热装置。

可选地，该固态氧化物燃料电池系统还包括余热利用系统9，储氢固体加热装置6的废气出口与余热利用系统9连通。经过储氢固体加热装置6的废气又进入余热利用系统9，以充分利用固态氧化物燃料电池3的废气的热量。本实施例中，余热利用系统9用于为在寒冷环境内发动机加热，以方便寒冷环境内的发动机启动。

可选地，该固态氧化物燃料电池系统还包括冷却装置7，储氢固体加热装置6的阳极废气出口通过冷却装置7与分流装置8的入口连通。冷却装置7能将阳极废气的水蒸气冷却，以使水蒸气和氢气分离，以便部分阳极废气进入固态储氢装置5再次利用，另一部分阳极废气进入燃烧器4燃烧，而且冷却装置7还能对阳极废气进行冷却，降低阳极废气的温度。

可选地，该固态氧化物燃料电池系统还包括电加热装置，电加热装置用于加热固态储氢装置5内的储氢固体。在固态氧化物燃料电池系统进行冷启动时，通过电加热装置给储氢的储氢固体加热以生成氢气，氢气经过固态氧化物燃料电池3的阳极后流出，依次进入储氢固体加热装置6、冷却装置7和分流装置8，此时为了保证燃烧器4快速充分燃烧，分流装置8的入口只与第二出口连通，氢气全部进入燃烧器4。未经过加热的空气进入固态氧化物燃料电池3的阴极后流出，进入燃烧器4，氢气和空气在燃烧器4内燃烧后生成的高温废气先经过空气加热装置2对空气进行加热，之后再经过储氢固体加热装置6对储氢固体进行加热，此时电加热装置停止工作，采用储氢固体加热装置6对储氢固体进行加热。之后高温的空气和氢气进入固态氧化物燃料电池3，开始发电，完成冷启动。待固态氧化物燃料电池3完成冷启动之后，分流装置8的第一出口和第二出口均与入口连通。冷启动时采用电加热装置对储氢固体加热，冷启动完成之后采用燃烧器4输出的废气对空气和储氢固体加热。

本实用新型还提供动力总成，如图2所示，该动力总成包括上述的固态氧化物燃料电池系统，还包括燃料电池主控制器11、电堆预充单元19、DC/DC转换器10、驱动电机控制器12、驱动电机13，固态氧化物燃料电池系统、电堆预充单元19、DC/DC转换器10、驱动电机控制器12和驱动电机13依次电连接，燃料电池主控制器11、固态氧化物燃料电池系统和DC/DC转换器10通过CAN总线连接。固态氧化物燃料电池系统产生的电能为驱动电机13供电。DC/DC转换器10用于将固态氧化物燃料电池系统产生的电能的电压转换为驱动电机13适用的电压。电堆预充单元19用于控制固态氧化物燃料电池系统生成的电能的量。

可选地，动力总成还包括动力电池14、动力电池配电单元15、多合一控制器16、电池管理系统17和VCU18，动力电池14、动力电池配电单元15、多合一控制器16、驱动电机控制器12和驱动电机13依次电连接，DC/DC转换器10通过多合一控制器16与驱动电机控制器12电连接，多合一控制器16、电池管理系统17、VCU18和驱动电机控制器12通过CAN总线连接。动力电池14也用于为驱动电机13供电。多合一控制器16用于将动力电池14和固态氧化物燃料电池系统产生的电能分配给驱动电机13。

本实用新型还提供了车辆，包括上述的动力总成。

该车辆在运行时采用下述车辆控制方法，车辆控制方法包括：

车辆上电。

VCU18初始化，之后车辆上高压。

车辆进入纯电动工作模式，且固态氧化物燃料电池系统进行冷启动。在固态氧化物燃料电池系统冷启动完成之前，车辆以动力电池14为动力，以纯电动工作模式进行工作。

判断固态氧化物燃料电池系统是否完成冷启动；若是，车辆进入增程模式。待固态氧化物燃料电池系统完成冷启动，动力电池14与固态氧化物燃料电池系统共同作为动力，车辆以增程模式进行工作。此时，多合一控制器16根据车辆所需电量和动力电池14的电量状态，确定固态氧化物燃料电池系统的输出电量。固态氧化物燃料电池系统的输出功率不小于固态氧化物燃料电池系统的额定功率的10％，以免造成燃料电池状态不稳定。在车辆以增程模式工作时，固态氧化物燃料电池系统和动力电池14同时为驱动电机13提供动力，具体电量分配由多合一控制器16确定。对于动力电池14而言，在车辆增程模式下存在充电和放电两个状态。动力电池14在电量低于其容量的20％时，停止放电，进入充电模式，即固态氧化物燃料电池系统一部分电能给动力电池14充电，剩余部分供给驱动电机13，当动力电池14的电量达到其容量的80％时，充电模式切换为放电模式，动力电池14输出电能供给驱动电机13，固态氧化物燃料电池系统输出的所有电能供给驱动电机13。

判断固态氧化物燃料电池系统是否停止工作；若是，则车辆进入纯电动工作模式。

固态氧化物燃料电池系统冷启动后还具有热待机工作模式和驻车发电工作模式，固态氧化物燃料电池系统处于热待机工作模式时，固态氧化物燃料电池3不进行实质性电能输出，但维持自身温度等反应条件不发生变化；固态氧化物燃料电池系统处于驻车发电工作模式时，车辆停止运行，固态氧化物燃料电池3作为能量来源向车辆以外的用电设备输出电能。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.固态氧化物燃料电池系统，其特征在于，包括：

固态氧化物燃料电池(3)、空气供应装置(1)和空气加热装置(2)，所述空气供应装置(1)的出口与所述空气加热装置(2)的空气入口连通，所述空气加热装置(2)的空气出口与所述固态氧化物燃料电池(3)的空气入口连通；

固态储氢装置(5)，所述固态储氢装置(5)的氢气出口与所述固态氧化物燃料电池(3)的氢气入口连通；

储氢固体加热装置(6)、燃烧器(4)和分流装置(8)，所述固态氧化物燃料电池(3)的阴极废气出口与所述燃烧器(4)的空气入口连通，所述固态氧化物燃料电池(3)的阳极废气出口与所述储氢固体加热装置(6)的阳极废气入口连通，所述储氢固体加热装置(6)的阳极废气出口与所述分流装置(8)的入口连通，所述分流装置(8)的第一出口与所述固态储氢装置(5)连通，所述分流装置(8)的第二出口与所述燃烧器(4)连通，所述分流装置(8)的入口能与所述第一出口和/或所述第二出口连通，所述燃烧器(4)的废气出口与所述空气加热装置(2)的废气入口连通，所述空气加热装置(2)的废气出口与所述储氢固体加热装置(6)的废气入口连通，所述空气加热装置(2)能将从所述燃烧器(4)流出的废气的热量传递给空气，所述储氢固体加热装置(6)能将所述固态氧化物燃料电池(3)的阳极废气的热量和从所述空气加热装置(2)流出的废气的热量均传递给所述固态储氢装置(5)内的储氢固体。

2.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述固态氧化物燃料电池系统还包括余热利用系统(9)，所述储氢固体加热装置(6)的废气出口与所述余热利用系统(9)连通。

3.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述固态氧化物燃料电池系统还包括冷却装置(7)，所述储氢固体加热装置(6)的阳极废气出口通过所述冷却装置(7)与所述分流装置(8)的入口连通。

4.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述固态氧化物燃料电池系统还包括电加热装置，所述电加热装置用于加热所述固态储氢装置(5)内的储氢固体。

5.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述空气供应装置(1)为鼓风机。

6.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述空气加热装置(2)和所述储氢固体加热装置(6)均为换热器。

7.根据权利要求1所述的固态氧化物燃料电池系统，其特征在于，所述固态氧化物燃料电池系统还包括空气过滤器，所述空气过滤器设置于所述空气供应装置(1)和所述空气加热装置(2)之间。

8.动力总成，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的固态氧化物燃料电池系统，还包括燃料电池主控制器(11)、电堆预充单元(19)、DC/DC转换器(10)、驱动电机控制器(12)、驱动电机(13)，所述固态氧化物燃料电池系统、所述电堆预充单元(19)、所述DC/DC转换器(10)、所述驱动电机控制器(12)和所述驱动电机(13)依次电连接，所述燃料电池主控制器(11)、所述固态氧化物燃料电池系统和所述DC/DC转换器(10)通过CAN总线连接。

9.根据权利要求8所述的动力总成，其特征在于，所述动力总成还包括动力电池(14)、动力电池配电单元(15)、多合一控制器(16)、电池管理系统(17)和VCU(18)，所述动力电池(14)、所述动力电池配电单元(15)、所述多合一控制器(16)、所述驱动电机控制器(12)和所述驱动电机(13)依次电连接，所述DC/DC转换器(10)通过所述多合一控制器(16)与所述驱动电机控制器(12)电连接，所述多合一控制器(16)、所述电池管理系统(17)、所述VCU(18)和所述驱动电机控制器(12)通过CAN总线连接。

10.车辆，其特征在于，包括权利要求8或9所述的动力总成。