CN115332564A - 氢燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氢燃料电池系统，包括氢燃料电池堆、抽吸装置和系统控制器，该燃料电池堆具有进气口和排气口，进气口用于进空气或氧气；抽吸装置连接排气口，用于对排气口抽吸以使进气口进气；系统控制器电连接氢燃料电池堆和抽吸装置，系统控制器用于控制氢燃料电池堆和抽吸装置的工作。本发明技术方案，将传统的吹送气方式改良为抽吸式，可杜绝供气装置导致的气体污染对氢燃料电池质子交换膜的破坏，并使供气装置设备的选择范围更广。

Description

氢燃料电池系统

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种氢燃料电池系统。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，因为化学反应的产物是水，对环境无污染，因此氢燃料电池受到越来越广泛的关注。

现有氢燃料电池空气供应系统一般采用吹送的方式进行空气供应，供气装置设置于氢燃料电池的进气口侧，如若采用具有油润滑的供气装置进行供气，可能会将油气吹送至氢燃料电池中，造成催化剂中毒，影响氢燃料电池系统的性能；而如若采用无油润滑的供气装置进行供气，对供气装置的装置要求高，供气装置需要繁琐的精加工工序、价格昂贵，且使用时限及产品可靠性也较差，需要频繁的维护和保养。

发明内容

本发明提供一种氢燃料电池系统，旨在解决现有氢燃料电池采用吹送的空气供应方式，对空气供应装置的要求高、维护与保养成本大的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种氢燃料电池系统，包括：

氢燃料电池堆，具有进气口和排气口，所述进气口用于进空气或氧气；

抽吸装置，所述抽吸装置连接所述排气口，用于对所述排气口抽吸以使所述进气口进气；以及

系统控制器，电连接所述氢燃料电池堆和所述抽吸装置，所述系统控制器用于控制所述氢燃料电池堆和所述抽吸装置的工作。

在一些实施例中，还包括用于过滤空气的空气过滤装置，所述进气口与所述空气过滤装置相连。

在一些实施例中，还包括节气门，所述节气门设于所述空气过滤装置与所述进气口之间的连通管道上，用于控制所述进气口的进气流量大小。

在一些实施例中，所述系统控制器配置有延时下电模块，用于在所述氢燃料电池停机时，控制所述节气门与所述抽吸装置继续工作，以对所述氢燃料电池内的水分进行吹扫。

在一些实施例中，还包括进气压力传感器和空气流量传感器，所述进气压力传感器用于检测所述氢燃料电池的空气进气压力大小，所述空气流量传感器用于检测所述氢燃料电池的空气进气流量大小，所述系统控制器电连接所述进气压力传感器和空气流量传感器，用于根据所述空气流量传感器检测到的空气进气流量及所述进气压力传感器检测的空气进气压力，实时调节所述节气门的开合度和所述抽吸装置的抽吸功率。

在一些实施例中，所述空气流量传感器设于所述节气门与所述空气过滤装置之间的连通管道上，所述进气压力传感器设于所述排气口与所述抽吸装置之间的连通管道上。

在一些实施例中，还包括动力电池和第一DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器的一端电连接所述动力电池的充放电端，另一端电连接所述抽吸装置，为所述抽吸装置供电。

在一些实施例中，还包括第二DC/DC变换器、蓄电池和散热装置，所述第一DC/DC变换器的另一端还经所述第二DC/DC变换器电连接所述蓄电池，所述蓄电池为所述散热装置供电。

在一些实施例中，所述第一DC/DC变换器为双向变换器，所述氢燃料电池堆的输出端与所述第一DC/DC变换器的另一端电连接。

在一些实施例中，所述系统控制器还配置有检测模块，用于在启动所述氢燃料电池系统前进行故障检测。

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)空气供应装置由传统的吹送气方式改良为抽吸式，抽吸装置设置于氢燃料电池堆的排气口，可有效杜绝因气体污染对氢燃料电池质子交换膜的破坏，设备装置选择范围更广，降低成本。

(2)基于抽吸式送气方式，在氢燃料电池堆进气口前端设置有节气门时，配合节气门，可以在氢燃料电池堆内部形成负压，更利于管道内水分蒸发，提高吹扫效能。

附图说明

图1为本发明氢燃料电池系统一实施例中的模块电连接示意图；

图2为本发明氢燃料电池系统一实施例中的框架原理结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

氢燃料电池的工作原理是：1)在氢燃料电池堆的一端，氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子。2)氢离子穿过电解质(质子交换膜)到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。3)在电池另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。

参阅图1-图2所示，本发明提供一种氢燃料电池系统，旨在实现氧气于氢燃料电池阴极中的供应，包括：

氢燃料电池堆20，具有进气口和排气口，该进气口用于进空气或氧气；

抽吸装置30，抽吸装置30连接排气口，用于对排气口抽吸以使进气口进气；以及

系统控制器10，电连接氢燃料电池堆20和抽吸装置30，该系统控制器10用于控制氢燃料电池堆20和抽吸装置30的工作。

在本实施例中，空气或氧气在进气口与排气口之间流通，并在流通过程中经催化剂催化后与氢离子及电子发生反应，基于空气流通方向，将抽吸装置30设置于氢燃料电池堆20的排气口的后端，抽吸装置30与排气口之间可通过空气流通管路进行连接，启动抽吸装置30，基于抽吸装置30的抽吸作用，空气从氢燃料电池堆20的进气口进入，并由排气口排除。

本发明提供的氢燃料电池系统的有益效果在于，将目前空气供应装置的普遍安装位置由氢燃料电池堆20的进气口处，改为安装在氢燃料电池堆20的排气口处。并将传统的吹送气方式改良为抽吸式，使进入氢燃料电池堆20的空气不会经过供气装置(本申请中的抽吸装置30)，进而可有效杜绝供气装置造成气体污染，进而杜绝对氢燃料电池堆20的质子交换膜的破坏。因为采用了将空气供应装置放置于氢燃料电池堆20的排气口后端的方式，对空气供应装置(抽吸装置30)的选择也可以从专用无油空压机或无油鼓风机，变为使用技术更成熟，成本更低的有油润滑装置。

在一些实施例中，氢燃料电池系统还包括用于过滤空气的空气过滤装置40，氢燃料电池堆的进气口与空气过滤装置40相连。

本实施例中，空气过滤装置40的作用在于过滤空气中的杂质，其中，杂质包括空气中的粉尘、油污、悬浮颗粒等。可以理解的，氢燃料电池堆20中，阴极气体供应原材料可以是空气或氧气，当供应原材料为纯净氧气时，则不需要设置空气过滤装置40；而当供应原材料为空气时，则在氢燃料电池堆20的进气口处设置该空气过滤装置40，空气过滤装置40通过空气流通管路与进气口连接，在抽吸装置30工作时，空气经由该空气过滤装置40过滤后进入氢燃料电池堆20。

在一些实施例中，氢燃料电池系统还包括节气门50，节气门50设于空气过滤装置40与氢燃料电池堆20的进气口之间的连通管道上，用于控制进气口的进气流量大小。

本实施例中，节气门50作为控制空气进入氢燃料电池堆20的可控阀门，在于控制进入氢燃料电池堆20的进气流量大小。其中，节气门50可以为手动装置或电动装置，示例性的，当节气门50为电动装置时，节气门50包括节气门位置传感器，节气门50电连接系统控制器10，由该系统控制器10通过节气门位置传感器的反馈数据确定节气门50的开合角度，并可进一步根据所需进气流量调节节气门50的开启角度，进而调节进气流量大小。

在一些实施例中，系统控制器10在氢燃料电池堆20关机停机后，控制节气门50与抽吸装置30继续工作，以对氢燃料电池堆20进行吹扫，并在吹扫完成时控制节气门50和抽吸装置30停止工作。

可以理解的，氢燃料电池堆20在工作过程中会产生水，在停止运行后其内部会有部分水分残留，如果这些残留的水分长期存在或者遇到低温情况(0℃以下)，将对氢燃料电池堆20造成破坏。如低温下，残留在流道和电极中的水会变为固态，并且体积膨胀，挤压流道变形损害电极，进而对氢燃料电池堆20系统造成永久性破坏。

具体停机吹扫过程包括：

氢燃料电池堆20停止运行后，系统控制器10继续驱动抽吸装置30运行，抽吸装置30功率不变，并突然降低节气门50的开合角度，氢燃料电池堆20的进气流量变小，进气压力突然变低，气体可溶解更多的水蒸气，能够在短时间内更彻底的除去电堆内的残余水分。

其中，在氢燃料电池堆20停止运行后，可同时通过第二DC/DC变换器730降压后经低压蓄电池740驱动散热装置对氢燃料电池堆20冷却。

在一些实施例中，氢燃料电池系统还包括进气压力传感器310和空气流量传感器510，进气压力传感器310用于检测氢燃料电池堆20的空气进气压力大小，空气流量传感器510用于检测氢燃料电池堆20的空气进气流量大小，系统控制器10电连接进气压力传感器310和空气流量传感器510，用于根据空气流量传感器510检测到的空气进气流量及进气压力传感器310检测的空气进气压力，实时调节节气门50的开合度和抽吸装置30的抽吸功率。

本实施例中，空气流量传感器510用于实时检测空气管路中进入氢燃料电池堆20的空气流量，并将该空气流量数据反馈给系统控制器10，以及进气压力传感器310实时检测氢燃料电池堆20的进气压力，并将该进气压力数据实时反馈给系统控制器10，系统控制器10接收空气流量数据以及进气压力数据后，判断并控制节气门50的开合角度以及供气抽吸装置30的功率。

可以理解的，氢燃料电池堆20的运行过程中，主要实现通入的氢气与通入的氧气反应，氧气在氢燃料电池堆20中沿气流方向流动时，空气中的氧气会逐渐被消耗，从进气口处到出气口处，氧气浓度逐渐减少，所以为了保证氧气的充分供应，防止氢燃料电池堆20运行过程中氧气在末端耗尽，氧气供应不足导致极高的浓差极化，发生氧饥渴的现象，影响氢燃料电池堆20的可靠性以及寿命，因此需要保证通入过量的氧气，也即保证进入氢燃料电池堆20的空气流量。另外，空气流量还需控制在一个合适的范围内，并非越大越好，空气流量太小导致氧饥渴，太大会导致氧饱和，一方面，氢燃料电池堆20中通入的空气会携带氢氧反应中产生的水分一同离开，如果空气流量过大，会带走过多的水分，降低质子膜的含水量；另一方面，当空气流量超过一个临界值，这个时候燃料电池达到了最大的输出功率，继续增加空气流量并不会改善燃料电池的性能。而在节气门50开合角度一定时，空气流量是和抽吸装置30的功率呈正相关，空气流量增大意味着抽吸装置30的功率增大，系统的寄生功耗增加，在燃料电池功率不变的情况下，那么整个系统的净输出功率反而会降低。因此，需要在考虑获得最大输出功率的前提下选取最优的空气流量，即最优过氧比，过氧比是通入的氧气流量与实际消耗的氧气流量的比值，该比值一般在1～1.5的区间之间。

综上，为使氢燃料电池堆20运行过程中保证空气流量达到预设值，本发明通过空气流量传感器510和进气压力传感器310实时进行数据检测并反馈给系统控制器10，由系统控制器10通过控制过节气门50的开合角度和抽吸装置30的功率共同达到预设空气流量。

在一些实施例中，空气流量传感器510设于节气门50与空气过滤装置40之间的连通管道上，进气压力传感器310设于排气口与抽吸装置30之间的连通管道上。

本实施例中，作为其中一种设置方式，空气流量传感器510设于节气门50与空气过滤装置40之间的连通管道上，进气压力传感器310设于排气口与抽吸装置30之间的连通管道上。需要说明的是，空气流量传感器510和进气压力传感器310还可设置在其他位置，如空气流量传感器510配置于空气滤清器内，进气压力传感器310配置于抽吸装置30内，其均能实现数据的检测。

在一些实施例中，氢燃料电池系统还包括动力电池710和第一DC/DC变换器720，第一DC/DC变换器720的一端电连接动力电池710的充放电端，另一端电连接抽吸装置30，为抽吸装置30供电。

本实施例中，动力电池710存储电能，为抽吸装置30提供动力来源，基于不同组件所需工作电压不同，设有第一DC/DC变换器720，动力电池710输出高压给到第一DC/DC变换器720，由第一DC/DC变换器720将动力电池710输出的直流电压值变换为驱动抽吸装置30运行的直流电压值，进而驱动抽吸装置30工作。进一步的，动力电池710也可作为系统其他组件的动力来源，进而至少设置有第一输出支路和第二输出支路，其中，第一DC/DC变换器720通过第一输出支路连接抽吸装置30，通过第二输出支路连接其他用电附件。

在一些实施例中，氢燃料电池系统还包括第二DC/DC变换器730、蓄电池740和散热装置60，第一DC/DC变换器720的另一端还经第二DC/DC变换器730电连接蓄电池740，蓄电池740为散热装置60供电。

本实施例中，第二供电单元连接于第一DC/DC变换器720的第二输出支路上，第二DC/DC变换器730可以是降压变换器，用于将第一DC/DC输出的高电压值变换为低电压值，降压后经蓄电池740驱动低压用电附件如散热装置60运行。

其中，散热装置60连接蓄电池740的输出端，该散热装置60可以是水冷散热装置60和/或风冷散热装置60。散热装置60用于对氢燃料电池堆20进行散热，可以理解的，氢燃料电池堆20在发生电化学反应后生成电能和水，同时会产生大量的热，而氢燃料电池堆20的电化学反应需要及时将氢燃料电池堆20产生的热量散播出去，以免热量聚集而引发安全事故。散热装置60用作低压用电附件连接于蓄电池740的输出端，可以通过水冷散热方式和/或风冷散热的方式对氢燃料电池堆20进行散热。具体的，设置有温度传感器，温度传感器用于检测氢燃料电池堆20的温度，在温度高于温度预设值时，系统控制器10控制散热装置60工作，以确保氢燃料电池堆20的正常运行。

在一些实施例中，第一DC/DC变换器720为双向变换器，氢燃料电池堆20的输出端与第一DC/DC变换器720的另一端电连接。

本实施例中，第一DC/DC变换器720为双向变换器，具有实现直流电能双向流动的特性，一方面，第一DC/DC变换器720可满足动力电池710作为动力源驱动空气抽吸装置30运行；另一方面，氢燃料电池堆20运行产生的电能也能够通过第一DC/DC变换器720传输至动力电池710中，以对动力电池710充电。

在一些实施例中，系统控制器10还配置有检测模块，用于在启动氢燃料电池系统前进行系统故障检测。

本实施例中，通过系统故障检测以确保氢燃料电池堆20的安全运行。具体可分为三级故障检测、二级故障检测，三级故障一般为较为严重的故障，在检测到三级故障时，可通过急停按键断开接触器；在检测到二级故障时，可通过降低功率关机；在未检测到三级故障以及二级故障时，系统进行调试自检，确认无故障后启动氢燃料电池系统。

综上，基于上述氢燃料电池系统，一种氢燃料电池系统的控制方法包括：

1.进行系统故障检测，无故障时启动主程序；

2.氢燃料电池堆20处于待机状态，启动抽吸装置，系统控制器实时检测进气流量数据和进气压力数据，通过调节节气门的开合角度以及抽吸装置的功率调节进气流量达到预设值；

3.对氢燃料电池堆20发送开机命令，在进气流量达到预设值时，氢燃料电池堆20运行；

4.氢燃料电池堆20停止后，启动延时下电程序，对氢燃料电池堆20内的残留水分进行吹扫，完成吹扫后，系统控制器根据关机处理逻辑完成系统关机步骤。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池系统，其特征在于，包括：

氢燃料电池堆，具有进气口和排气口，所述进气口用于进空气或氧气；

抽吸装置，所述抽吸装置连接所述排气口，用于对所述排气口抽吸以使所述进气口进气；以及

系统控制器，电连接所述氢燃料电池堆和所述抽吸装置，所述系统控制器用于控制所述氢燃料电池堆和所述抽吸装置的工作。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，还包括用于过滤空气的空气过滤装置，所述进气口与所述空气过滤装置相连。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池系统，其特征在于，还包括节气门，所述节气门设于所述空气过滤装置与所述进气口之间的连通管道上，用于控制所述进气口的进气流量大小。

4.根据权利要求3所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述系统控制器在所述氢燃料电池堆关机停机后，控制所述节气门与所述抽吸装置继续工作，以对所述氢燃料电池堆进行吹扫，并在吹扫完成时控制所述节气门和所述抽吸装置停止工作。

5.根据权利要求3所述的氢燃料电池系统，其特征在于，还包括进气压力传感器和空气流量传感器，所述进气压力传感器用于检测所述氢燃料电池的空气进气压力大小，所述空气流量传感器用于检测所述氢燃料电池的空气进气流量大小，所述系统控制器电连接所述进气压力传感器和空气流量传感器，用于根据所述空气流量传感器检测到的空气进气流量及所述进气压力传感器检测的空气进气压力，实时调节所述节气门的开合度和所述抽吸装置的抽吸功率。

6.根据权利要求5所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述空气流量传感器设于所述节气门与所述空气过滤装置之间的连通管道上，所述进气压力传感器设于所述排气口与所述抽吸装置之间的连通管道上。

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，还包括动力电池和第一DC/DC变换器，所述第一DC/DC变换器的一端电连接所述动力电池的充放电端，另一端电连接所述抽吸装置，为所述抽吸装置供电。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池系统，其特征在于，还包括第二DC/DC变换器、蓄电池和散热装置，所述第一DC/DC变换器的另一端还经所述第二DC/DC变换器电连接所述蓄电池，所述蓄电池为所述散热装置供电。

9.根据权利要求7所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述第一DC/DC变换器为双向变换器，所述氢燃料电池堆的输出端与所述第一DC/DC变换器的另一端电连接。

10.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统，其特征在于，所述系统控制器还配置有检测模块，用于在启动所述氢燃料电池系统前进行故障检测。

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