一种高效的氢燃料电池系统及其工作方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体公开了一种高效的氢燃料电池系统及其工作方法。

背景技术

氢能被认为是宇宙中含量最丰富的清洁能源。根据世界氢能协会预计，到2050年全球20％的二氧化碳减排要靠氢能来完成。并且，将氢燃料电池用作汽车动力不仅会更环保，氢燃料的加注效率也会和燃油车一样只需三五分钟就可完成。有了这些优势，再加上政策倾斜，与氢燃料电池相关的产业也在近年得到重视。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。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。现有的氢燃料电池使用的气体储罐较大，补充氢气比较麻烦，并且现有的氢燃料电池效率依然只有50％左右，如何减小整个氢燃料电池系统的体积，高效的补充氢气，提高氢燃料电池的效率是急需改进的方向。

发明内容

针对以上不足，本发明公开了一种高效的氢燃料电池系统和及其工作方法，所述氢燃料电池系统设计合理，结构紧凑，控制方便，无需设置大型的氢燃料储罐，氢气利用效率高。

本发明的技术方案如下：

一种高效的氢燃料电池系统，包括能量管理系统、负载、充电模块、模式转化模块、分配模块、控制系统、中央控制模块、燃料电池堆进气压力控制器、燃料电池堆温度控制器、燃料电池堆出气压力控制器、显示模块、燃料电池堆、燃料电池堆进气阀门、燃料电池堆排气阀门、储能电池、氢气发生装置、进水口、反应室、透气膜、出气口、加压输送泵、进气压力控制器、储水箱、观察窗、出水泵、进水泵、进水电磁阀；所述能量管理系统包括负载、充电模块、模式转化模块、稳压模块；所述负载与所述充电模块、模式转化模块的一端分别电性连接，所述分配模块与所述充电模块、模式转化模块的第二端分别电性连接；所述控制系统包括中央控制模块、燃料电池堆进气压力控制器、燃料电池堆温度控制器、燃料电池堆出气压力控制器和显示模块；所述燃料电池堆进气压力控制器、燃料电池堆温度控制器、燃料电池堆出气压力控制器和显示模块分别与所述中央控制模块电性连接；所述能量管理系统中的模式转化模块与所述中央控制模块电性连接电性连接；所述燃料电池堆包含左右设置的燃料电池堆进气阀门和燃料电池堆排气阀门；所述燃料电池堆与所述控制系统中的料电池堆进气压力控制器、燃料电池堆温度控制器、燃料电池堆出气压力控制器分别电性连接；所述燃料电池堆还与所述分配模块电性连接；所述储能电池与所述充电模块电性连接；所述氢气发生装置包括进水口、反应室、透气膜、出气口、加压输送泵、进气压力控制器；所述氢气发生装置圆柱形箱体；所述进水口位于所述氢气发生装置的底部；所述反应室位于所述氢气发生装置的中下部，所述反应室上方设置有所述透气膜；所述出气口位于所述氢气发生装置的顶部；所述出气口连接有所述加压输送泵；所述加压输送泵通过管道连接位于所述燃料电池堆的燃料电池堆进气阀门附近的进气压力控制器；所述进气压力控制器通过管道连接所述燃料电池堆进气阀门；所述储水箱包括观察窗、出水泵、进水泵、进水电磁阀；所述储水箱为圆罐形，所述观察窗设置在所述储水箱的侧壁上；所述出水泵通过管道连接所述储水箱的中下部；所述进水泵通过管道连接所述储水箱的顶部；所述进水泵与所述储水箱的顶部之间还设置有所述进水电磁阀。本系统设计合理，结构紧凑，控制方便，无需设置大型的氢燃料储罐，自带产氢装置，并通过控制装置及时合理的控制燃料电池堆中的温度，压力，使得氢燃料的利用率达到最佳。

进一步的，上述一种高效的氢燃料电池系统，所述燃料电池堆排气阀门与所述储能电池之间还设置有水气分离器；所述水气分离器分离出的氢气回流入所述燃料电池堆进气阀门。设置水气分离器，可以充分的利用尾气中残留的氢气，提高燃料利用率。

进一步的，上述一种高效的氢燃料电池系统，所述控制系统中还设置有无线收发模块，所述无线收发模块与所述中央控制模块电性连接。设置无线模块，无需线路，可以远程操控燃料电池发电，方便的同时提高安全性能。

进一步的，上述一种高效的氢燃料电池系统，所述燃料电池堆上设置有热量回收装置。设置热量回收装置，进一步的节能减排，同时可以给电池堆降温，一举两得。

进一步的，上述一种高效的氢燃料电池系统，所述热量回收装置上设置有散热板和热管，所述散热板围绕所述燃料电池堆布置，所述热管中充满导热液体。

进一步的，上述一种高效的氢燃料电池系统，所述出水泵后还设置有过滤器。设置过滤器，进一步过滤反应中的水，去除杂质，保护氢气发生装置。

进一步的，上述一种高效的氢燃料电池系统，所述氢气发生装置为质子交换膜(PEM)电解水装置。质子交换膜电解水装置，产生的氢气纯度高。

进一步的，上述一种高效的氢燃料电池系统的工作方法，包括以下步骤：

S1将去离子水装入所述储水箱中，启动出水泵将水泵入氢气发生装置的、进水口；

S2启动氢气发生装置，氢气透过透气膜，经过出气口通过加压输送泵运输到进气压力控制器中；

S3进气压力控制器控制进入燃料电池堆的氢气的压力，通过燃料电池堆进气阀门进入燃料电池堆进行发电；

S4中央控制模块操作燃料电池堆进气压力控制器、燃料电池堆温度控制器、燃料电池堆出气压力控制器对燃料电池堆进行发电过程的控制；

S5燃料电池堆发出的电进入能量管理系统的分配模块中，进行稳压，随后进入充电模块，依据情况给负载供电或者给储能电池充电。

根据以上技术方案可知，本发明至少有以下有益效果：

本发明公开了一种高效的氢燃料电池系统及其工作方法，本系统设计合理，无需设置大型的氢燃料储罐，自带产氢装置，并通过控制装置及时合理的控制燃料电池堆中的温度，压力，使得氢燃料的利用率达到最佳,实测发电效率高于55％；本氢燃料电池系统体积小，控制方便，可以搭载在各种载具上，作为应急发电装置，进行道路救援，发挥良好的社会效益。

附图说明

附图1为本发明实施例1中一种高效的氢燃料电池系统的示意图；

附图2为本发明实施例2中一种高效的氢燃料电池系统的示意图；

其中：能量管理系统100、负载110、充电模块120、模式转化模块130、分配模块140、控制系统200、中央控制模块210、燃料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240、显示模块250、无线收发模块260、燃料电池堆300、燃料电池堆进气阀门310、燃料电池堆排气阀门320、水气分离器330、热量回收装置340、储能电池400、氢气发生装置 500、进水口510、反应室520、透气膜530、出气口540、加压输送泵550、进气压力控制器560、储水箱600、观察窗610、出水泵 620、进水泵630、进水电磁阀640、过滤器650。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，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。

实施例1

如图1所示的一种高效的氢燃料电池系统，包括能量管理系统100、负载110、充电模块120、模式转化模块130、分配模块 140、控制系统200、中央控制模块210、燃料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器 240、显示模块250、燃料电池堆300、燃料电池堆进气阀门310、燃料电池堆排气阀门320、储能电池400、氢气发生装置500、进水口510、反应室520、透气膜530、出气口540、加压输送泵550、进气压力控制器560、储水箱600、观察窗610、出水泵620、进水泵630、进水电磁阀640；所述能量管理系统100包括负载110、充电模块120、模式转化模块130、稳压模块140；所述负载110与所述充电模块120、模式转化模块130的一端分别电性连接，所述分配模块140与所述充电模块120、模式转化模块130的第二端分别电性连接；所述控制系统200包括中央控制模块210、燃料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240和显示模块250；所述燃料电池堆进气压力控制器 220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240 和显示模块250分别与所述中央控制模块210电性连接；所述能量管理系统100中的模式转化模块130与所述中央控制模块210电性连接电性连接；所述燃料电池堆300包含左右设置的燃料电池堆进气阀门310和燃料电池堆排气阀门320；所述燃料电池堆300与所述控制系统200中的料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240分别电性连接；所述燃料电池堆300还与所述分配模块140电性连接；所述储能电池 400与所述充电模块120电性连接；所述氢气发生装置500包括进水口510、反应室520、透气膜530、出气口540、加压输送泵 550、进气压力控制器560；所述氢气发生装置500圆柱形箱体；所述进水口510位于所述氢气发生装置500的底部；所述反应室520 位于所述氢气发生装置500的中下部，所述反应室520上方设置有所述透气膜530；所述出气口540位于所述氢气发生装置500的顶部；所述出气口540连接有所述加压输送泵550；所述加压输送泵 550通过管道连接位于所述燃料电池堆300的燃料电池堆进气阀门310附近的进气压力控制器560；所述进气压力控制器560通过管道连接所述燃料电池堆进气阀门310；所述储水箱600包括观察窗 610、出水泵620、进水泵630、进水电磁阀640；所述储水箱600 为圆罐形，所述观察窗610设置在所述储水箱600的侧壁上；所述出水泵620通过管道连接所述储水箱600的中下部；所述进水泵 630通过管道连接所述储水箱600的顶部；所述进水泵630与所述储水箱600的顶部之间还设置有所述进水电磁阀640。

上述一种高效的氢燃料电池系统的工作方法，包括以下步骤；

S1将去离子水装入所述储水箱600中，启动出水泵620将水泵入氢气发生装置500的、进水口510；

S2启动氢气发生装置500，氢气透过透气膜530，经过出气口540通过加压输送泵550运输到进气压力控制器560中；

S3进气压力控制器560控制进入燃料电池堆300的氢气的压力，通过燃料电池堆进气阀门310进入燃料电池堆300进行发电；

S4中央控制模块210操作燃料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240对燃料电池堆300进行发电过程的控制；

S5燃料电池堆300发出的电进入能量管理系统100的分配模块140中，进行稳压，随后进入充电模块120，依据情况给负载110 供电或者给储能电池400充电。

经过测试，本系统实测的发电效率为55.9％。

实施例2

如图1所示的一种高效的氢燃料电池系统，包括能量管理系统 100、负载110、充电模块120、模式转化模块130、分配模块140、控制系统200、中央控制模块210、燃料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器 240、显示模块250、燃料电池堆300、燃料电池堆进气阀门310、燃料电池堆排气阀门320、储能电池400、氢气发生装置500、进水口510、反应室520、透气膜530、出气口540、加压输送泵550、进气压力控制器560、储水箱600、观察窗610、出水泵620、进水泵630、进水电磁阀640；所述能量管理系统100包括负载110、充电模块120、模式转化模块130、稳压模块140；所述负载110与所述充电模块120、模式转化模块130的一端分别电性连接，所述分配模块140与所述充电模块120、模式转化模块130的第二端分别电性连接；所述控制系统200包括中央控制模块210、燃料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240和显示模块250；所述燃料电池堆进气压力控制器 220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240 和显示模块250分别与所述中央控制模块210电性连接；所述能量管理系统100中的模式转化模块130与所述中央控制模块210电性连接电性连接；所述燃料电池堆300包含左右设置的燃料电池堆进气阀门310和燃料电池堆排气阀门320；所述燃料电池堆300与所述控制系统200中的料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240分别电性连接；所述燃料电池堆300还与所述分配模块140电性连接；所述储能电池 400与所述充电模块120电性连接；所述氢气发生装置500包括进水口510、反应室520、透气膜530、出气口540、加压输送泵550、进气压力控制器560；所述氢气发生装置500圆柱形箱体；所述进水口510位于所述氢气发生装置500的底部；所述反应室520 位于所述氢气发生装置500的中下部，所述反应室520上方设置有所述透气膜530；所述出气口540位于所述氢气发生装置500的顶部；所述出气口540连接有所述加压输送泵550；所述加压输送泵 550通过管道连接位于所述燃料电池堆300的燃料电池堆进气阀门310附近的进气压力控制器560；所述进气压力控制器560通过管道连接所述燃料电池堆进气阀门310；所述储水箱600包括观察窗 610、出水泵620、进水泵630、进水电磁阀640；所述储水箱600 为圆罐形，所述观察窗610设置在所述储水箱600的侧壁上；所述出水泵620通过管道连接所述储水箱600的中下部；所述进水泵 630通过管道连接所述储水箱600的顶部；所述进水泵630与所述储水箱600的顶部之间还设置有所述进水电磁阀640；优选的，所述燃料电池堆排气阀门320与所述储能电池400之间还设置有水气分离器330；所述水气分离器330分离出的氢气回流入所述燃料电池堆进气阀门310；特别的，所述控制系统200中还设置有无线收发模块260，所述无线收发模块260与所述中央控制模块210电性连接；进一步的，所述燃料电池堆300上设置有热量回收装置 340；特别的，所述热量回收装置340上设置有散热板和热管，所述散热板围绕所述燃料电池堆300布置，所述热管中充满导热液体；优选的，所述出水泵620后还设置有过滤器650；特别的，所述氢气发生装置500为质子交换膜PEM电解水装置。

上述一种高效的氢燃料电池系统的工作方法，包括以下步骤；

S1将去离子水装入所述储水箱600中，启动出水泵620将水泵入氢气发生装置500的、进水口510；

S2启动氢气发生装置500，氢气透过透气膜530，经过出气口 540通过加压输送泵550运输到进气压力控制器560中；

S3进气压力控制器560控制进入燃料电池堆300的氢气的压力，通过燃料电池堆进气阀门310进入燃料电池堆300进行发电；

S4中央控制模块210操作燃料电池堆进气压力控制器220、燃料电池堆温度控制器230、燃料电池堆出气压力控制器240对燃料电池堆300进行发电过程的控制；

S5燃料电池堆300发出的电进入能量管理系统100的分配模块 140中，进行稳压，随后进入充电模块120，依据情况给负载110供电或者给储能电池400充电。

经过测试，本系统实测的发电效率为56.7％。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的保护范围，即大凡依本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利申请的保护范围。