燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池系统，其包括：燃料电池堆子系统包括多个电池堆单元，每个电池堆单元级联一个DC/DC模块；氢气供应子系统为并置的每个电池堆单元供氢；空气供应子系统为并置的每个电池堆单元供应空气；水热管理子系统控制每个电池堆单元内的温度和湿度；电功率管理子系统根据运行时的动态工况控制每个电池堆单元的输出电功率。本发明专利技术的燃料电池系统，其氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统和电功率管理子系统集成于燃料电池堆子系统，无需针对燃料电池堆子系统内各个电池堆单元而设置独立的、已有技术的供氢单元、空气供应单元、水热管理单元和电功率管理单元，可拓宽已有电堆产品的应用面，提供更高的系统性能。系统性能。系统性能。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种燃料电池系统。

技术介绍

[0002]单燃料电池其电压及功率满足不了实际应用的需要，因此，通常采用一个由单电池堆积成的燃料电池电堆和与其匹配的氢气供应、空气供应、水热管理和电功率管理等辅助单元构成一个燃料电池系统的方案。某一功率等级的燃料电池电堆和系统关键零部件(如专用的空压机、DC/DC转换器等)的研发、生产制造耗时长且成本极高，目前可满足实际应用场景的、已有的电堆及系统关键零部件只能集成一个120kW以下的燃料电池系统，且其中所用的一个电堆一旦出现性能衰减或停机故障，即导致整个燃料电池系统性能衰减或停机。
[0003]面对更大电功率需求的应用场景时，已有的解决方案是1)专门研发、生产制造更高功率等级的电堆和系统关键零部件，集成一套燃料电池系统；2)采用两套或以上的燃料电池系统，各配置一个已有技术的电堆和一套已有技术的辅助系统。其中，方案1)耗时长且成本极高，不利于快速拓宽燃料电池技术应用；方案2)仅是两套或以上的燃料电池系统的电气组合，其所需零部件多，成本高。
[0004]因此，需要一种易于拓展应用且成本低的燃料电池系统。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的特征，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池系统，用于增强和优化燃料电池电堆及系统的拓展应用和系统部件的通用性。
[0006]为实现或者至少接近以上技术目的，本专利技术提供一种燃料电池系统，其包括：
[0007]燃料电池堆子系统，包括多个并置的电池堆单元，每个电池堆单元级联一个相应的 DC/DC模块；
[0008]氢气供应子系统，包括氢气输入共轨和氢气输出共轨，氢气输入共轨的一端连接氢气源组件，氢气输入共轨的另一端与每个所述电池堆单元分别通过输氢支管和氢气喷嘴相连，为每个电池堆单元供氢；氢气输出共轨的一端连接各电池堆单元的排氢支管，氢气输出共轨的另一端连接一个氢气循环装置，氢气循环装置将部分余氢加压循环至氢气输入共轨中；
[0009]空气供应子系统，包括空气源组件、进气支管、排气支管及节气门、排气共轨及排气阀门，空气源组件与每个所述电池堆单元分别通过进气支管相连，为每个电池堆单元供应空气，每个所述电池堆单元对应连接一个排气支管及节气门，所有排气支管与排气共轨相连，排气共轨上设有排气阀门；
[0010]水热管理子系统，用于控制每个电池堆单元内的温度和湿度，包括散热器和冷却液管路，散热器通过冷却液管路与各个电池堆单元构成冷却循环回路，从散热器流出的冷却液分流后进入每个所述电池堆单元，经所述电池堆单元后返回散热器；
[0011]电功率管理子系统，与DC/DC模块相连，根据运行时的动态工况，动态组合每个电池堆单元的输出电功率，以控制燃料电池系统的总输出电功率。
[0012]本专利技术的燃料电池系统其氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统和电功率管理子系统集成于燃料电池堆子系统，无需针对燃料电池堆子系统内各个电池堆单元而设置独立的、已有技术的供氢单元、空气供应单元、水热管理单元和电功率管理单元，无需开发和使用尚未问世的、更高功率的燃料电池电堆及相应的系统部件(如空压机)，可拓宽已有电堆产品的应用面，提供更高的系统性能。
[0013]优选的，所述燃料电池堆子系统中所述电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率根据实际应用场景和DC/DC模块的负载需求来确定。更进一步的，所述电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率的控制方式包括：功率等额分配、Daisy链式分配和功率优化分配。电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率根据实际应用场景和DC/DC模块的负载需求来进行优化处理，使整个燃料电池堆子系统更高效。
[0014]优选的，所述氢气源组件包括串联的高压氢瓶和调压装置，所述调压装置与所述氢气输入共轨的一端相连。
[0015]优选的，所述空气源组件包括空气稳压缓冲管以及将环境空气增压至空气稳压缓冲管中的空气增压装置，所述空气稳压缓冲管与所述进气支管相连。
[0016]优选的，所述空气供应子系统还包括增湿冷却装置，所述空气稳压缓冲管与增湿冷却装置相连，所述散热器与所述增湿冷却装置通过管路相连构成增湿循环回路，所述增湿冷却装置为中冷器和/或增湿器。
[0017]优选的，所述空气供应子系统还包括设于所述空气稳压缓冲管上的空气压力传感器。
[0018]优选的，所述水热管理子系统还包括水箱和水泵、冷却液混合器，水箱中设置有加热装置，加热装置用于在系统冷启动时通过加热冷却液减小冷启动的时间；所述散热器的出口、水箱和水泵通过冷却管路相连，冷却液混合器与散热器的进口相连，所述增湿循环回路中的冷却液和所述冷却循环回路中的冷却液经所述冷却液混合器混合后再返回所述散热器。
[0019]优选的，所述散热器通过冷却液支路与所述电池堆单元相连，冷却液支路上在进电池堆单元之前设置有阀门，阀门用于控制进入电池堆单元的冷却液流量和压力。
附图说明
[0020]图1显示为本专利技术的燃料电池系统应用场景统计下电负载功率概率分布图。
[0021]图2显示为本专利技术的燃料电池系统的原理框图。
[0022]图3显示为燃料电池发电系统中氢气供应子系统的示意图。
[0023]图4显示为燃料电池发电系统中空气供应子系统的示意图。
[0024]图5显示为燃料电池发电系统中水热管理子系统的示意图。
[0025]图6显示为燃料电池发电系统中电功率管理子系统的示意图。
[0026]元件标号说明
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燃料电池堆子系统
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氢气供应子系统
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空气供应子系统
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DC/DC模块
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电功率管理子系统
[0032]11
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电池堆单元
[0033]21
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高压氢瓶
[0034]22
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氢气输入共轨
[0035]23
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氢气进出模块
[0036]24
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氢气输出共轨
[0037]25
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管路
[0038]26
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循环泵
[0039]27
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：燃料电池堆子系统，包括多个并置的电池堆单元，每个电池堆单元级联一个DC/DC模块；氢气供应子系统，包括氢气输入共轨和氢气输出共轨，氢气输入共轨的一端连接氢气源组件，氢气输入共轨的另一端与每个所述电池堆单元分别通过输氢支管和氢气喷嘴相连，为每个电池堆单元供氢；氢气输出共轨的一端连接各电池堆单元的排氢支管，氢气输出共轨的另一端连接一个氢气循环装置，氢气循环装置将部分余氢加压循环至氢气输入共轨中；空气供应子系统，包括空气源组件、进气支管、排气支管、排气共轨及排气阀门，空气源组件与每个所述电池堆单元分别通过进气支管分别相连，为每个电池堆单元供应空气，每个所述电池堆单元对应连接一个排气支管，所有排气支管与排气共轨相连，排气共轨上设有排气阀门；水热管理子系统，用于控制每个电池堆单元内的温度和湿度，包括散热器和冷却液管路，散热器通过冷却液管路与各个电池堆单元构成冷却循环回路，从散热器流出的冷却液分流后进入每个所述电池堆单元，经所述电池堆单元后返回散热器；电功率管理子系统，与DC/DC模块相连，根据运行时的动态工况，动态组合每个电池堆单元的输出电功率，以控制燃料电池系统的总输出电功率。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：所述燃料电池堆子系统中所述电池堆单元的个数和每个电池堆单元的功率根据实际应用场景和DC/DC模块的负载需求来确定。3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：周苏，胡哲，翟双，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：