一种大功率双燃料电池电堆车用系统及其使用方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种大功率双燃料电池电堆车用系统及其使用方法。

背景技术

在新能源领域里，氢燃料电池系统有着能量密度高，使用寿命长，环境适应性好，低碳环保等诸多优点，在物流卡车、工程专用车辆、公交巴士等商用车，以及移动式发电机组等方向上有着广大的应用前景。以上所举应用领域，都需要氢燃料电池系统可满足持续稳定的大功率输出、高功率体积比、模块化组合等新的要求。

现有氢燃料电池系统，基本都采用单燃料电池电堆的结构模式。在此模式下大幅度的提高输出功率，在技术上以及成本上都有很大的限制。而且，单燃料电池电堆系统难以实现模块化组合，无法实现可适用于多种使用环境要求的系统升级。这就需要一种全新结构模式的，可实现双燃料电池电堆乃至多燃料电池电堆模块化组合的大功率氢燃料电池系统。

发明内容

为了解决上述存在的不足之处及缺点，本发明专利提出了一种大功率双燃料电池电堆车用系统及其使用方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种大功率双燃料电池电堆车用系统，其特征在于，包括双燃料电池电堆模块、空气以及氢气供气模块、水热控制模块、电气控制模块，双燃料电池电堆模块布置在系统中间，空气以及氢气供气模块、水热控制模块布置在双燃料电池电堆模块的两侧，电气控制模块布置在双燃料电池电堆模块上部；上燃料电池电堆与下燃料电池电堆在电气控制模块内部串联，在电气控制模块内部设置有电流电压监测装置；在双燃料电池电堆模块外侧设置有系统控制器，空气压缩机、中冷器、增湿器、第一气体分配结构中的空气接口、上下燃料电池电堆空气入口、上下燃料电池电堆空气出口、第二气体分配结构中的空气接口、节气门均使用硅胶软管连接，节气门与系统气体尾排管路均使用法兰接头连接；单向阀、氢气电磁阀、上氢气比例阀、下氢气比例阀、第一气体分配结构中的氢气接口、第二气体分配结构中的氢气接口、上脉冲排氢阀、下脉冲排氢阀、系统气体尾排管路均使用不锈钢卡套接头与不锈钢管连接，第一气体分配结构中的氢气接口、第二气体分配结构中的氢气接口与上下燃料电池电堆氢气入口、上下燃料电池电堆氢气出口均使用硅胶软管连接；冷却循环水进水管路、精过滤器、上燃料电池电堆水泵、下燃料电池电堆水泵、上下燃料电池电堆循环水入口、上下燃料电池电堆循环水出口、去离子水柱、电控三通水阀、加热器、电控二通水阀、冷却循环水出水管路均使用硅胶软管连接；第一气体分配结构与第二气体分配结构使空气和氢气均匀的分配至两个燃料电池电堆内部；第一气体分配结构与第二气体分配结构内部设置有压力传感器和温度传感器；系统冷却循环水进水接口、系统冷却循环水出水接口、车载供氢系统接口、车载空气过滤系统接口、系统气体尾排接口等系统外部接口集中布置在系统左右两侧；双燃料电池电堆模块还包括为上燃料电池电堆和下燃料电池电堆提供固定支撑的电堆组合框架，电堆组合框架分为上电堆框架和下电堆框架两部分；双燃料电池电堆模块底部设置系统底架，系统底架中部设置有叉车叉槽，系统底架底部设置有聚氨酯减震垫。

一种大功率双燃料电池电堆车用系统的使用方法，其特征在于，在空气以及氢气供气模块中，由车载空气过滤系统过滤后的压缩空气经空气压缩机进入系统，经过中冷器进行降温，并由增湿器增加湿度，以确保满足上下氢燃料电池电堆内的电化学反应条件；增压增湿后的空气进入第一气体分配结构，空气在第一气体分配结构内部进行分流，分别进入到上燃料电池电堆与下燃料电池电堆内部，空气中的氧气与氢气进行电化学反应并产生电流以及水；上燃料电池电堆与下燃料电池电堆内部反应后的剩余空气进入到第二气体分配结构中汇流，并再次经过空气增湿器，与首次进入空气增湿器的干燥空气形成对流增湿，并经节气门进入到系统气体尾排管路中排出系统，其中节气门可通过调节气体流量来控制系统内部所需空气压力；高压氢气经车载供氢系统接口进入系统氢气管路，首先经过单向阀以及氢气电磁阀，由三通管路分流后，分别由上氢气比例阀、下氢气比例阀降压后进入第二气体分配结构中，分流后的氢气再进入到上燃料电池电堆与下燃料电池电堆内部，并与空气中的氧气进行电化学反应，产生电流并生成水，上燃料电池电堆与下燃料电池电堆内部反应后的剩余氢气进入到第一气体分配结构中汇流，并经由氢气循环泵增压，重新进入第二气体分配结构中并分配至两个燃料电池电堆，提高氢气利用率，反应后的剩余氢气湿度会增高，为避免氢气中的水对氢气循环泵产生影响，第一气体分配结构设置有气液分离结构，会将反应后氢气中的水分离并排出至系统气体尾排管路；系统内未参与电化学反应的氢气与电化学反应生成的水，分别经过上脉冲排氢阀和下脉冲排氢阀后进入系统气体尾排管路，与排出空气混合后排出系统；在水热控制模块中，冷却循环水进水管路与冷却循环水出水管路，分别与车载散热器模块的进出口对接，冷却水经过散热模块后，首先经过精过滤器和与其并联的去离子水柱，过滤后经过三通管路分流，分别通过上燃料电池电堆水泵、下燃料电池电堆水泵进入两个燃料电池电堆，冷却水为燃料电池电堆冷却降温后由循环水出口排出，经三通管路合流后，通过电控三通水阀重新回流至上燃料电池电堆水泵和下燃料电池电堆水泵，形成系统内冷却循环；当氢燃料电池电堆运行温度升高时，电控三通水阀关闭与上燃料电池电堆水泵、下燃料电池电堆水泵的连接通道，并开启与系统冷却循环水出水接口的连接通道，循环出上下氢燃料电池电堆的冷却水经由冷却循环水出水接口进入系统外的车载散热器进一步冷却后，由系统冷却循环水进水接口进入系统，并通过上燃料电池电堆水泵、下燃料电池电堆水泵增压后进入上下氢燃料电池电堆，形成系统外冷却循环；与电控三通水阀并联的加热器以及电控二通水阀可对水热控制模块进行加热，以适应本系统在低温环境下的运行要求；监测水热控制模块中温度及压力情况的传感器集成在水泵至氢燃料电池电堆的管路上；监测空气以及氢气供气模块中温度及压力情况的传感器集成在第一气体分配结构与第二气体分配结构上；水热控制模块中的温度及压力传感器可监测系统中循环水温度及压力的变化情况，温度信号反馈至系统控制器，并通过系统控制器控制电控三通水阀对系统外车载散热器接口的通断，以及加热器的开闭来调节双燃料电池电堆车用系统的运行温度，压力信号反馈至系统控制器，并通过系统控制器控制上燃料电池电堆水泵、下燃料电池电堆水泵的转速来调节水热控制模块的运行压力；空气以及氢气供气模块中的温度及压力传感器可监测系统中空气和氢气温度及压力的变化情况，空气管路中的压力信号值反馈至系统控制器，并通过系统控制器调节空气压缩机的转速以及节气门的开度来确保空气模块稳定的运行压力，温度信号值反馈至系统控制器，并通过系统控制器调节中冷器的冷却温度，进而调节空气进入氢燃料电池电堆的温度；氢气管路中的压力信号值反馈至系统控制器，并通过系统控制器调节上氢气比例阀、下氢气比例阀的压力值、上脉冲排氢阀、下脉冲排氢阀的开启频率、氢气循环泵的转速等来调节氢气模块稳定的运行压力；空气以及氢气供气模块中设置有氢浓度传感器，当该模块中的氢气出现泄露时，氢浓度传感器会向系统控制器传输报警信号，系统控制器控制关闭氢气电磁阀，氢气停止进入系统，确保系统运行安全。

本发明所达到的有益效果是：本发明将两个单燃料电池电堆串联整合，实现了系统输出功率的大幅度提升。同时双燃料电池电堆共用一套空气压缩机、增湿器、中冷器、氢气电磁阀、加热器等功能部件，节约了成本，压缩了系统体积；本发明采用了模块化的设计理念，明确划分了系统内部的功能区域，系统内的双燃料电池电堆模块、空气以及氢气供气模块、水热控制模块、电气控制模块独立安装布置，便于大规模量产，以及装车后各模块整体更换、维护维修；同时，本发明各个对外接口集中布置在系统两侧，便于与车载的各个配套系统对接，适应整车运行的技术要求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的爆炸图；

图2是本发明的正面立体图；

图3是本发明的背面立体图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，一种大功率双燃料电池电堆车用系统系统及其使用方法，包括双燃料电池电堆模块1、空气以及氢气供气模块2、水热控制模块3、电气控制模块4，双燃料电池电堆模块1布置在系统中间，空气以及氢气供气模块2、水热控制模块3布置在双燃料电池电堆模块1的两侧，电气控制模块4布置在双燃料电池电堆模块1上部；上燃料电池电堆1.1与下燃料电池电堆1.2在电气控制模块4内部串联，在电气控制模块4内部设置有电流电压监测装置，电气控制模块4的防护等级为IP67，可以有效的防水防尘；在双燃料电池电堆模块1外侧设置有系统控制器，空气压缩机2.1、中冷器2.2、增湿器2.3、第一气体分配结构2.4中的空气接口、上下燃料电池电堆空气入口、上下燃料电池电堆空气出口、第二气体分配结构2.5中的空气接口、节气门2.6均使用硅胶软管连接，节气门2.6与系统气体尾排管路2.14均使用法兰接头连接；单向阀2.7、氢气电磁阀2.8、上氢气比例阀2.9、下氢气比例阀2.10、第一气体分配结构2.4中的氢气接口、第二气体分配结构2.5中的氢气接口、上脉冲排氢阀2.12、下脉冲排氢阀2.13、系统气体尾排管路2.14均使用不锈钢卡套接头与不锈钢管连接，第一气体分配结构2.4中的氢气接口、第二气体分配结构2.5中的氢气接口与上下燃料电池电堆氢气入口、上下燃料电池电堆氢气出口使用硅胶软管连接；冷却循环水进水管路3.1、精过滤器3.2、上燃料电池电堆水泵3.3、下燃料电池电堆水泵3.4、上下燃料电池电堆循环水入口、上下燃料电池电堆循环水出口、去离子水柱3.5、电控三通水阀3.6、加热器3.7、电控二通水阀3.8、冷却循环水出水管路3.9使用硅胶软管连接；第一气体分配结构2.4与第二气体分配结构2.5可分别对空气和氢气起到分流与合流的作用，使空气和氢气均匀的分配至两个燃料电池电堆内部，满足系统串联输出的需求；第一气体分配结构2.4与第二气体分配结构2.5内部设置有压力传感器和温度传感器，可监测空气以及氢气供气模块2内部气体运行压力以及温度状态。系统冷却循环水进水接口、系统冷却循环水出水接口、车载供氢系统接口、车载空气过滤系统接口、系统气体尾排接口等系统外部接口，集中布置在系统左右两侧，便于与车载各个系统对接，以适应整车要求；双燃料电池电堆模块1还包括为上燃料电池电堆1.1和下燃料电池电堆1.2提供固定支撑的电堆组合框架1.3，电堆组合框架1.3分为上电堆框架和下电堆框架两部分，可实现上下通用互换，便于批量化生产装配、维修更换；双燃料电池电堆模块1底部设置系统底架1.4，各个模块可独立安装于底架之上，系统底架1.4中部设置有叉车叉槽，以便于系统运输和装车，系统底架1.4底部设置有聚氨酯减震垫，可有效防止车载运行对系统的震动影响。

工作原理：在空气以及氢气供气模块2中，由车载空气过滤系统过滤后的压缩空气经空气压缩机2.1进入系统，经过中冷器2.2进行降温，并由增湿器2.3增加湿度，以确保满足上下氢燃料电池电堆内的电化学反应条件；增压增湿后的空气进入第一气体分配结构2.4，空气在第一气体分配结构2.4内部进行分流，分别进入到上燃料电池电堆1.1与下燃料电池电堆1.2内部，空气中的氧气与氢气进行电化学反应并产生电流以及水。上燃料电池电堆1.1与下燃料电池电堆1.2内部反应后的剩余空气进入到第二气体分配结构2.5中汇流，并再次经过空气增湿器2.3，与首次进入空气增湿器2.3的干燥空气形成对流增湿，并经节气门2.6进入到系统气体尾排管路2.12中排出系统，其中节气门2.6可通过调节气体流量来控制系统内部所需空气压力；高压氢气经车载供氢系统接口进入系统氢气管路，首先经过单向阀2.7以及氢气电磁阀2.8，由三通管路分流后，分别由上氢气比例阀2.9、下氢气比例阀2.10降压后进入第二气体分配结构2.5中，分流后的氢气再进入到上燃料电池电堆1.1与下燃料电池电堆1.2内部，并与空气中的氧气进行电化学反应，产生电流并生成水，上燃料电池电堆1.1与下燃料电池电堆1.2内部反应后的剩余氢气进入到第一气体分配结构2.4中汇流，并经由氢气循环泵2.11增压，重新进入第二气体分配结构2.5中并分配至两个燃料电池电堆，提高氢气利用率，反应后的剩余氢气湿度会增高，为避免氢气中的水对氢气循环泵2.11产生影响，第一气体分配结构2.4设置有气液分离结构，会将反应后氢气中的水分离并排出至系统气体尾排管路2.14；系统内未参与电化学反应的氢气与电化学反应生成的水，分别经过上脉冲排氢阀2.12和下脉冲排氢阀2.13后进入系统气体尾排管路2.14，与排出空气混合后排出系统；在水热控制模块3中，冷却循环水进水管路3.1与冷却循环水出水管路3.9，分别与车载散热器模块的进出口对接，冷却水经过散热模块后，首先经过精过滤器3.2和与其并联的去离子水柱3.5，过滤后经过三通管路分流，分别通过上燃料电池电堆水泵3.3、下燃料电池电堆水泵3.4进入两个燃料电池电堆，冷却水为燃料电池电堆冷却降温后由循环水出口排出，经三通管路合流后，通过电控三通水阀3.6重新回流至上燃料电池电堆水泵3.3和下燃料电池电堆水泵3.4，形成系统内冷却循环；当氢燃料电池电堆运行温度升高时，电控三通水阀3.6关闭与上燃料电池电堆水泵3.3、下燃料电池电堆水泵3.4的连接通道，并开启与系统冷却循环水出水接口的连接通道，循环出上下氢燃料电池电堆的冷却水经由冷却循环水出水接口进入系统外的车载散热器进一步冷却后，由系统冷却循环水进水接口进入系统，并通过上燃料电池电堆水泵3.3、下燃料电池电堆水泵3.4增压后进入上下氢燃料电池电堆，形成系统外冷却循环。与电控三通水阀3.6并联的加热器3.7以及电控二通水阀3.8可对水热控制模块进行加热，以适应本系统在低温环境下的运行要求；监测水热控制模块3中温度及压力情况的传感器集成在水泵至氢燃料电池电堆的管路上；监测空气以及氢气供气模块2中温度及压力情况的传感器集成在第一气体分配结构2.4与第二气体分配结构2.5上；水热控制模块3中的温度及压力传感器可监测系统中循环水温度及压力的变化情况，温度信号反馈至系统控制器，并通过系统控制器控制电控三通水阀3.6对系统外车载散热器接口的通断，以及加热器3.7的开闭来调节双燃料电池电堆车用系统的运行温度，压力信号反馈至系统控制器，并通过系统控制器控制上燃料电池电堆水泵3.3、下燃料电池电堆水泵3.4的转速来调节水热控制模块3的运行压力；空气以及氢气供气模块2中的温度及压力传感器可监测系统中空气和氢气温度及压力的变化情况，空气管路中的压力信号值反馈至系统控制器，并通过系统控制器调节空气压缩机2.1的转速以及节气门2.6的开度来确保空气模块稳定的运行压力，温度信号值反馈至系统控制器13，并通过系统控制器调节中冷器2.2的冷却温度，进而调节空气进入氢燃料电池电堆的温度；氢气管路中的压力信号值反馈至系统控制器，并通过系统控制器调节上氢气比例阀2.9、下氢气比例阀2.10的压力值、上脉冲排氢阀2.12、下脉冲排氢阀2.13的开启频率、氢气循环泵2.11的转速等来调节氢气模块稳定的运行压力；空气以及氢气供气模块2中设置有氢浓度传感器，当该模块中的氢气出现泄露时，氢浓度传感器会向系统控制器传输报警信号，系统控制器控制关闭氢气电磁阀，氢气停止进入系统，确保系统运行安全。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。