一種氫燃料電池系統(tǒng)及其使用方法與流程

本發(fā)明涉及燃料電池，特別是涉及一種氫燃料電池系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、氫燃料電池系統(tǒng)的電堆需要在適宜且穩(wěn)定的溫度環(huán)境中運(yùn)行，以確保氫氧反應(yīng)的高效和充分，因此性能優(yōu)異的換熱系統(tǒng)對于氫燃料電池的低溫冷啟動和運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。

2、目前，燃料電池系統(tǒng)的換熱方案主要如下：以空氣壓縮機(jī)作為熱源，結(jié)合中冷器和氫氣換熱器作為換熱裝置，散熱器作為散熱裝置，同時(shí)配備水箱、濾網(wǎng)及大量管路作為輔助裝置，通過空氣和冷卻液的循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量的排放和補(bǔ)充。

3、然而，該方案在實(shí)際應(yīng)用中面臨較高的技術(shù)及成本要求。例如，空壓機(jī)提供的壓縮空氣的溫度不可調(diào)控；冷卻液的使用提高了氫燃料電池系統(tǒng)的絕緣電阻要求；中冷器、散熱器及管路等零部件存在清潔度風(fēng)險(xiǎn)，將降低電堆的使用壽命，且散熱器需外部供電，增加了系統(tǒng)負(fù)荷；此外，該方案所需的零部件較多，且需定期更換冷卻液，增加量系統(tǒng)的重量、體積、運(yùn)維和開發(fā)成本，限制其應(yīng)用場景，給設(shè)計(jì)研發(fā)工作帶來諸多困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：設(shè)計(jì)一種應(yīng)用多空壓機(jī)及多渦流管進(jìn)行熱管理的氫燃料電池系統(tǒng)及其使用方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種氫燃料電池系統(tǒng)，包括：第一進(jìn)氣端、第二進(jìn)氣端、氫氣進(jìn)氣端、出氣端、電堆、換熱器、加濕器、第一空壓機(jī)、第二空壓機(jī)、第一渦流管及第二渦流管；

3、所述電堆具有相連通的散熱腔入口和散熱腔出口、以及相互連通的空氣入口、氫氣入口及氣體出口，所述散熱腔出口連通至所述出氣端；

4、所述換熱器具有相連通的熱入口和熱出口、以及相連通的冷入口和冷出口，所述熱出口連通至所述出氣端，所述冷入口與所述氫氣進(jìn)氣端連通，所述冷出口連通至所述氫氣入口；

5、所述加濕器具有相連通的干氣進(jìn)口和干氣出口、以及相連通的濕氣進(jìn)口和濕氣出口，所述干氣出口連通至所述空氣入口，所述氣體出口連通至所述濕氣進(jìn)口，所述濕氣出口連通至所述出氣端；

6、所述第一進(jìn)氣端、所述第一空壓機(jī)及所述第一渦流管依次連通，且所述第一渦流管具有第一冷出氣口及第一熱出氣口，所述第一冷出氣口分別連通至所述干氣進(jìn)口、所述散熱腔入口及所述出氣端，所述第一熱出氣口分別連通至所述干氣進(jìn)口及所述熱入口；

7、所述第二進(jìn)氣端、所述第二空壓機(jī)及所述第二渦流管依次連通，且所述第二渦流管具有第二冷出氣口及第二熱出氣口，所述第二冷出氣口分別連通至所述干氣進(jìn)口、所述散熱腔入口及所述出氣端，所述第二熱出氣口連通至所述熱入口。

8、進(jìn)一步地，所述電堆還具有與所述氣體出口連通的吹掃入口，所述吹掃入口分別與所述第一熱出氣口及所述第二熱出氣口連通。

9、進(jìn)一步地，還包括四通閥，所述四通閥具有第一四通入口、第二四通入口、第一四通出口及第二四通出口，所述第一冷出氣口連通至所述第一四通入口，所述第二冷出氣口連通至所述第二四通入口，所述第一四通出口連通至所述干氣進(jìn)口，所述第二四通出口連通至所述散熱腔入口。

10、進(jìn)一步地，還包括第一支路及第一比例閥，所述第一冷出氣口及所述第二冷出氣口均通過所述第一支路連通至所述出氣端，所述第一比例閥串聯(lián)于所述第一支路上。

11、進(jìn)一步地，還包括第一比例三通閥及第二比例三通閥，所述第一熱出氣口通過所述第一比例三通閥分別連通至所述干氣進(jìn)口及所述熱入口，所述第二熱出氣口通過所述第二比例三通閥分別連通至所述熱入口及所述吹掃入口。

12、進(jìn)一步地，還包括第二支路及開關(guān)閥，所述第二支路的一端連通于所述第一比例三通閥與所述干氣進(jìn)口之間，其另一端連通至所述吹掃入口，所述開關(guān)閥串聯(lián)于所述第二支路上。

13、進(jìn)一步地，還包括節(jié)氣門，所述散熱腔出口、所述熱出口、所述濕氣出口、所述第一冷出氣口、所述第二冷出氣口均連通至所述節(jié)氣門，且均通過所述節(jié)氣門連通至所述出氣端。

14、進(jìn)一步地，還包括第二比例閥，所述氫氣進(jìn)氣端通過所述第二比例閥與所述冷入口連通。

15、進(jìn)一步地，所述空氣入口處設(shè)有空氣流量計(jì)，和/或，

16、所述第一冷出氣口處、所述第一熱出氣口處、所述第二冷出氣口處、所述第二熱出氣口處、所述氣體出口處、以及所述干氣進(jìn)口處均設(shè)有溫度傳感器。

17、本發(fā)明還提供了一種氫燃料電池系統(tǒng)的使用方法，用于上述的氫燃料電池系統(tǒng)，包括以下步驟：

18、s1預(yù)熱：開啟第一空壓機(jī)及第二空壓機(jī)，全開第一比例閥，關(guān)閉第一四通出口及第二四通出口，關(guān)閉開關(guān)閥以及第二比例三通閥連通至吹掃入口的出口；當(dāng)通入空氣入口的氣體流量達(dá)到預(yù)設(shè)流量以及從氣體出口處通出的氣體溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，系統(tǒng)完成預(yù)熱；

19、s2反應(yīng)放熱：打開第二比例閥，氫氣從氫氣進(jìn)氣端經(jīng)過換熱器換熱后，從氫氣入口進(jìn)入電堆，與經(jīng)空氣入口進(jìn)入電堆的空氣開始反應(yīng)放熱。

20、進(jìn)一步地，在所述s2中，當(dāng)氣體出口處的溫度過高時(shí)，降低第一冷出氣口處及第二冷氣出口處的溫度并提升其氣體流量，同時(shí)在控制空氣入口處氣體流量不變的情況下，降低干氣進(jìn)口處的溫度；當(dāng)氣體出口處的溫度偏低時(shí)，提高第一冷出氣口處及第二冷氣出口處的溫度并降低其氣體流量，同時(shí)在預(yù)設(shè)上限內(nèi)提升空氣入口處的溫度，并控制空氣入口處的氣體流量不變。

21、進(jìn)一步地，還包括以下步驟：

22、s3電堆停機(jī)：關(guān)閉第一四通出口及第二四通出口，全開第一比例閥，關(guān)閉第二比例三通閥連通至熱入口的出口及第一比例三通閥連通至熱入口的出口，打開開關(guān)閥，利用熱空氣對電堆進(jìn)行吹掃，去除水分。

23、本發(fā)明實(shí)施例一種氫燃料電池系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

24、本發(fā)明實(shí)施例的氫燃料電池系統(tǒng)，利用壓縮空氣經(jīng)過渦流管產(chǎn)生冷熱兩股氣流的原理，采用雙空壓機(jī)和雙渦流管配合，實(shí)現(xiàn)了對氫燃料電池系統(tǒng)更精準(zhǔn)、更穩(wěn)定的熱管理。本方案淘汰了中冷器、散熱器、水箱等零部件及冷卻液，精簡了系統(tǒng)管路，大幅降低了系統(tǒng)重量、體積和所需成本，降低了系統(tǒng)負(fù)荷，延長了系統(tǒng)壽命，擴(kuò)展了應(yīng)用場景。此外，本方案還降低了對空壓機(jī)性能及閥門調(diào)節(jié)能力的要求，簡化了控制方案，避免電堆的反應(yīng)腔空氣溫度波動大及流量供應(yīng)不足等風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括：第一進(jìn)氣端(11)、第二進(jìn)氣端(21)、氫氣進(jìn)氣端(31)、出氣端(41)、電堆(5)、換熱器(6)、加濕器(7)、第一空壓機(jī)(12)、第二空壓機(jī)(22)、第一渦流管(13)及第二渦流管(23)；

2.如權(quán)利要求1所述的氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電堆(5)還具有與所述氣體出口(55)連通的吹掃入口(56)，所述吹掃入口(56)分別與所述第一熱出氣口(132)及所述第二熱出氣口(232)連通。

3.如權(quán)利要求2所述的氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括四通閥(81)，所述四通閥(81)具有第一四通入口(811)、第二四通入口(812)、第一四通出口(813)及第二四通出口(814)，所述第一冷出氣口(131)連通至所述第一四通入口(811)，所述第二冷出氣口(231)連通至所述第二四通入口(812)，所述第一四通出口(813)連通至所述干氣進(jìn)口(71)，所述第二四通出口(814)連通至所述散熱腔入口(51)。

4.如權(quán)利要求3所述的氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括第一支路(14)及第一比例閥(141)，所述第一冷出氣口(131)及所述第二冷出氣口(231)均通過所述第一支路(14)連通至所述出氣端(41)，所述第一比例閥(141)串聯(lián)于所述第一支路(14)上。

5.如權(quán)利要求2所述的氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括第一比例三通閥(82)及第二比例三通閥(83)，所述第一熱出氣口(132)通過所述第一比例三通閥(82)分別連通至所述干氣進(jìn)口(71)及所述熱入口(61)，所述第二熱出氣口(232)通過所述第二比例三通閥(83)分別連通至所述熱入口(61)及所述吹掃入口(56)。

6.如權(quán)利要求5所述的氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二支路(15)及開關(guān)閥(151)，所述第二支路(15)的一端連通于所述第一比例三通閥(82)與所述干氣進(jìn)口(71)之間，其另一端連通至所述吹掃入口(56)，所述開關(guān)閥(151)串聯(lián)于所述第二支路(15)上。

7.如權(quán)利要求2所述的氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括節(jié)氣門(42)，所述散熱腔出口(52)、所述熱出口(62)、所述濕氣出口(74)、所述第一冷出氣口(131)、所述第二冷出氣口(231)均連通至所述節(jié)氣門(42)，且均通過所述節(jié)氣門(42)連通至所述出氣端(41)。

8.一種氫燃料電池系統(tǒng)的使用方法，用于如權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的氫燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟：

9.如權(quán)利要求8所述的氫燃料電池系統(tǒng)的使用方法，其特征在于，在所述s2中，當(dāng)氣體出口(55)處的溫度過高時(shí)，降低第一冷出氣口(131)處及第二冷氣出口處的溫度并提升其氣體流量，同時(shí)在控制空氣入口(53)處氣體流量不變的情況下，降低干氣進(jìn)口(71)處的溫度；當(dāng)氣體出口(55)處的溫度偏低時(shí)，提高第一冷出氣口(131)處及第二冷氣出口處的溫度并降低其氣體流量，同時(shí)在預(yù)設(shè)上限內(nèi)提升空氣入口(53)處的溫度，并控制空氣入口(53)處的氣體流量不變。

10.如權(quán)利要求8所述的氫燃料電池系統(tǒng)的使用方法，其特征在于，還包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種氫燃料電池系統(tǒng)及其使用方法，其電堆的散熱腔出口連通至出氣端；換熱器的熱出口連通至出氣端，冷入口與氫氣進(jìn)氣端連通，冷出口連通至電堆的氫氣入口；加濕器的干氣出口連通至空氣入口，氣體出口連通至加濕器的濕氣進(jìn)口，加濕器的濕氣出口連通至出氣端；第一渦流管的第一冷出氣口分別連通至加濕器的干氣進(jìn)口、散熱腔入口及出氣端，第一渦流管的第一熱出氣口分別連通至干氣進(jìn)口及換熱器的熱入口；第二渦流管的第二冷出氣口分別連通至干氣進(jìn)口、散熱腔入口及出氣端，第二渦流管的第二熱出氣口連通至熱入口。本發(fā)明的氫燃料電池系統(tǒng)利用多空壓機(jī)及多渦流管進(jìn)行精準(zhǔn)穩(wěn)定的熱管理。

技術(shù)研發(fā)人員：柳澤田,唐銳健,李強(qiáng),雷煒東,黃鎮(zhèn)樂,魏帥先,歐天山,葉文毫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國鴻氫能科技（嘉興）股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30