一体式可逆燃料电池能源系统技术方案

本发明专利技术涉及一种可逆燃料电池，具体涉及一体式可逆燃料电池能源系统，包括一体式可逆燃料电池子系统，锂电池辅助启动子系统、太阳能电解供能子系统、储氢子系统；一体式可逆燃料电池子系统由一体式可逆燃料电池电堆，氢气循环分系统，空气循环分系统，冷却水循环分系统，电解水循环分系统组成；系统包括发电模式和电解模式。与现有技术相比，本发明专利技术实现了对氢气的循环利用，一体式可逆燃料电池子系统，锂电池辅助启动子系统和太阳能电解供能子系统的配合使得氢气能够被高效地利用，生产和储存，从而提升了系统的续航时间，提高了系统的能量利用效率。利用效率。利用效率。

【技术实现步骤摘要】
一体式可逆燃料电池能源系统


[0001]本专利技术涉及一种可逆燃料电池，具体涉及一体式可逆燃料电池能源系统。

技术介绍

[0002]氢能，因其具有储能密度高、无污染的特点，有望成为替代石油、煤炭等传统化石能源的新能源。一体式可逆燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell,URFC)是对氢能的高效利用手段，其兼具电解和发电两种功能模式，可以利用氢能发电，也可以利用一次能源(如太阳能)电解产氢，在移动平台的能源系统，如电动汽车、无人机，电网调峰等领域有广泛的应用前景。
[0003]中国专利CN106784960B公开了一种一体式可逆燃料电池子系统，包括由燃料电池电堆构成的制氢发电模块，氢气循环模块，氧气循环模块和水循环模块。所述的燃料电池电堆包括多个依次叠加的单电池以及氢气进出口、氧气进出口和冷却流体进出口，所述的单电池包括导电板和膜电极，所述的氢气循环模块连接燃料电池电堆的氢气进出口，所述的氧气循环模块连接燃料电池电堆的氧气进出口，所述的水循环模块连接燃料电池电堆的冷却流体进出口，所述的系统正向过程进行燃料电池发电，反向过程进行电解水制氢。但该专利未提出系统处于不同工作模式下的能量管理和模式切换策略，且冷却水和电解水共用同一个水循环模块，不利于控制水在不同模式下的温度和流量。
[0004]中国专利CN204289610U公开了一种太阳能
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可逆燃料电池的热电联供装置，包括太阳能电池、可逆固体氧化物燃料电池、储氧罐、储氢罐和储水罐；本技术的热电联供装置通过可以充分利用白天的太阳能，并将白天多余的太阳能通过可逆固体氧化物燃料电池进行了有效的储存，以便在晚上利用，从而使得太阳能这一不在晚上存在的能源变成了可以在晚上间接使用，同时还可以充分利用燃料发电所产生的热量，实现热电联供，解决了目前房车作为移动式居所时面临的能量供给问题，并且对于利用诸如太阳能、风能等清洁能源具有极其重要的意义。但该专利未指出太阳能电池与可逆固体氧化物燃料电池运行时的供电路径，以及在系统运行中的能量管理策略。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一体式可逆燃料电池能源系统，能够通过能量管理模块控制工作模式切换和系统调控，进而实现车辆行驶过程中的氢燃料循环利用，提升系统储能密度，提高能量利用效率，大幅提升整车续航时间。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一体式可逆燃料电池能源系统，包括一体式可逆燃料电池子系统，锂电池辅助启动子系统、太阳能电解供能子系统、储氢子系统；所述的一体式可逆燃料电池子系统由一体式可逆燃料电池电堆，氢气循环分系统，空气循环分系统，冷却水循环分系统，电解水循环分系统组成；
[0008]所述的系统包括发电模式和电解模式，
[0009]系统进入发电模式时，一体式可逆燃料电池电堆开始发电，向动力系统供能，锂电池辅助启动子系统作为补充能源进行辅助启动或者快速变载的补充能源；
[0010]系统进入电解模式时，通过太阳能电解供能子系统向一体式可逆燃料电池子系统提供电解耗能，锂电池辅助启动子系统作为辅助能源维持系统运行，产生的氢气储存在储氢子系统中，实现氢燃料循环；
[0011]所述系统由电解模式切换至发电模式时，通过输入氢气和空气对一体式可逆燃料电池电堆进行吹扫直至一体式可逆燃料电池电堆内水分降至适合发电的含量，使用高频阻抗表征水含量时，一般吹扫至高频阻抗值低于200mΩ
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cm2。
[0012]优选地，所述的氢气循环分系统由高压减压阀，低压减压阀，电磁阀，一体式可逆燃料电池电堆，氢气水气分离装置，脉排阀，以及气体管路相继连接组成；脉排阀是脉排电磁阀，电磁阀采用定时开闭的方式，脉冲式地打开排出气体，故称为脉排阀，可采用市售脉冲电磁阀。
[0013]一体式可逆燃料电池子系统在发电模式下，氢气从储氢子系统中排出，通过高压减压阀和低压减压阀降压后经过电磁阀进入一体式可逆燃料电池电堆，反应剩余的氢气通过脉排阀排向氢气水气分离装置，分离出的氢气排向储氢子系统被收集；
[0014]电解模式下，生成的氢气通过氢气水气分离装置分离后通向储氢子系统储存。
[0015]优选地，所述的脉排阀通过控制程序实现开启间隔时间和开启时长随一体式可逆燃料电池电堆工况变化。
[0016]优选地，所述的空气循环分系统由空气压缩机，加湿器，一体式可逆燃料电池电堆，背压阀，空气水气分离装置以及气体管路相继连接而成；
[0017]一体式可逆燃料电池子系统在发电模式下，空气通过空气压缩机被吹入系统，经过加湿器进入一体式可逆燃料电池电堆，在离开一体式可逆燃料电池电堆后，以逆流形式通过加湿器以加湿进口气流，再通过背压阀控制管路压强，最后通过空气水气分离装置分离之后排向空气；
[0018]电解模式下，生成的水气混合物从一体式可逆燃料电池电堆排出后，气体经过空气水气分离装置分离后被排向空气。
[0019]优选地，所述的冷却水循环分系统由冷却水泵，一体式可逆燃料电池电堆，冷却水箱及冷却水管路连接组成；所述的冷却水箱中的冷却水经冷却水泵和燃料电池电堆后返回冷却水箱；
[0020]一体式可逆燃料电池子系统在运行过程中，冷却水泵带动冷却水箱中的冷却水进入一体式可逆燃料电池电堆进行冷却，并根据一体式可逆燃料电池电堆的温度反馈信号调节冷却水箱的功率，以控制一体式可逆燃料电池电堆温度。
[0021]优选地，所述的电解水循环分系统由电解水箱，电解水泵，一体式可逆燃料电池电堆，氢气水气分离装置，空气水气分离装置及电解水管路连接组成；
[0022]电解模式下，电解水泵启动，带动电解水箱里的水进入一体式可逆燃料电池电堆，反应后水与生成的氧气一起被排出一体式可逆燃料电池电堆，其中，水通过空气水气分离装置之后与氢气水气分离装置分离出的水一同回流进入电解水箱。
[0023]优选地，所述的冷却水箱和电解水箱设有加热功能和温度反馈功能，可分别调节冷却水循环分系统和电解水循环分系统内的水温。
[0024]优选地，所述的储氢子系统由高压氢气瓶，储氢罐组成；
[0025]高压氢气瓶采用碳纤维材料制作，内部充入高压氢气，出口设置阀门；
[0026]储氢罐内设有固体储氢材料和加热棒，通过锂电池辅助启动子系统提供加热能源，通过控制加热温度控制储氢罐处于放氢或储氢工作模式；
[0027]高压氢气瓶和储氢罐均可独立完成系统放氢和储氢的功能，储氢时氢气优先进入储氢罐，放氢时优先高压氢气瓶放氢，高压氢气瓶内气压过低时，储氢罐开始放氢。
[0028]优选地，所述的一体式可逆燃料电池能源系统还包括控制板，所述的控制板上设有能量管理模块，所述的能量管理模块进行系统调控，控制锂电池辅助启动子系统在发电启动时辅助动力负载和快速变载，控制一体式可逆燃料电池电堆进行模式切换，控制一体式可逆燃料电池子系统停机，控制储氢子系统的储氢罐的加热温度，使其处于放氢或储本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一体式可逆燃料电池能源系统，其特征在于，包括一体式可逆燃料电池子系统，锂电池辅助启动子系统、太阳能电解供能子系统、储氢子系统；所述的一体式可逆燃料电池子系统由一体式可逆燃料电池电堆(5)，氢气循环分系统，空气循环分系统，冷却水循环分系统，电解水循环分系统组成；所述的系统包括发电模式和电解模式：系统进入发电模式时，一体式可逆燃料电池电堆(5)开始发电，向动力系统供能，锂电池辅助启动子系统作为补充能源进行辅助启动或者快速变载的补充能源；系统进入电解模式时，通过太阳能电解供能子系统向一体式可逆燃料电池子系统提供电解耗能，锂电池辅助启动子系统作为辅助能源维持系统运行，产生的氢气储存在储氢子系统中，实现氢燃料循环；所述系统由电解模式切换至发电模式时，通过输入氢气和空气对一体式可逆燃料电池电堆(5)进行吹扫直至一体式可逆燃料电池电堆(5)内水分降至适合发电的含量。2.根据权利要求1所述的一体式可逆燃料电池能源系统，其特征在于，所述的氢气循环分系统由高压减压阀(2)，低压减压阀(3)，电磁阀(4)，一体式可逆燃料电池电堆(5)，氢气水气分离装置(6)，脉排阀(7)，以及气体管路连接组成；一体式可逆燃料电池子系统在发电模式下，氢气从储氢子系统中排出，通过高压减压阀(2)和低压减压阀(3)降压后经过电磁阀(4)进入一体式可逆燃料电池电堆(5)，反应剩余的氢气通过脉排阀(7)排向氢气水气分离装置(6)，分离出的氢气排向储氢子系统被收集；电解模式下，生成的氢气通过氢气水气分离装置(6)分离后通向储氢子系统储存。3.根据权利要求1所述的一体式可逆燃料电池能源系统，其特征在于，所述的空气循环分系统由空气压缩机(9)，加湿器(10)，一体式可逆燃料电池电堆(5)，背压阀(11)，空气水气分离装置(12)以及气体管路连接而成；一体式可逆燃料电池子系统在发电模式下，空气通过空气压缩机(9)被吹入系统，经过加湿器(10)进入一体式可逆燃料电池电堆(5)，在离开一体式可逆燃料电池电堆(5)后，以逆流形式通过加湿器(10)以加湿进口气流，再通过背压阀(11)控制管路压强，最后通过空气水气分离装置(12)分离之后排向空气；电解模式下，生成的水气混合物从一体式可逆燃料电池电堆(5)排出后，气体经过空气水气分离装置(12)分离后被排向空气。4.根据权利要求1所述的一体式可逆燃料电池能源系统，其特征在于，所述的冷却水循环分系统由冷却水泵(13)，一体式可逆燃料电池电堆(5)，冷却水箱(14)及冷却水管路连接组成；所述的冷却水箱(14)中的冷却水经冷却水泵(13)和燃料电池电堆(5)后返回冷却水箱(14)；一体式可逆燃料电池子系统在运行过程中，冷却水泵(13)带动冷却水箱(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郁中昊，张忠豪，邱殿凯，彭林法，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：