氢燃料电池动力系统及工业车辆的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池动力系统及工业车辆。

背景技术：

工业车辆是一种广泛应用于物流仓储行业的机动车辆，主要用于货物的装卸、堆垛和运输等，其按照耗能方式被分为内燃工业车辆和电动工业车辆。其中，内燃工业车辆通常使用汽油或柴油作为动力源，其在使用过程中会造成大量的碳排放，严重污染环境，同时，内燃工业车辆在使用过程中会产生较大的噪音。然而，电动工业车辆虽能够解决环境污染和噪音问题，但是电动工业车辆存在着充电时间长、工作时间短的缺陷。

目前，我国正大力发展一种搭载氢燃料电池动力系统的工业车辆，以取代内燃工业车辆(柴油、汽油)和电动工业车辆(二次电池)的使用，从而解决内燃工业车辆存在的工作效率低、环境污染大的问题，同时解决电动工业车辆存在的充电时间长、工作时间短的问题。氢燃料电池动力系统的原理为：利用原电池反应(氧化还原反应)过程中的电子的得失以形成电子的定向移动，从而形成电流。由于氢燃料电池动力系统是利用燃料(氢气)和氧气作为原料，以通过电化学反应将燃料所具有的化学能转化成电能，因此，其排放出的有害气体极少；同时，由于氢燃料电池动力系统的实质是一种电化学装置，并没有机械传动部件，因此，在其使用过程中不会产生噪音污染。

然而，现有的氢燃料电池动力系统为集成式结构，若在使用过程中出现故障，需对整个氢燃料电池动力系统进行拆装，以更换损坏的零部件。由于氢燃料电池动力系统为集成式结构且较为复杂，因此，将使得氢燃料电池动力系统的拆装极为不便，且费时费力，同时，降低工业车辆的工作效率。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提出一种氢燃料电池动力系统，以解决现有的氢燃料电池动力系统存在的拆装不便的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种氢燃料电池动力系统，该氢燃料电池动力系统包括控制模块、燃料电池模块、用于向所述燃料电池模块提供反应气体的燃料模块、用于对所述燃料电池模块的输出电压进行转换的稳压模块和用于存储所述燃料电池模块的电能的储能模块，所述稳压模块还用于对所述储能模块的输出电压进行转换；所述控制模块、燃料电池模块、燃料模块、稳压模块和储能模块均设有用于安装固定的可拆卸结构；所述控制模块分别与所述燃料模块、燃料电池模块、稳压模块及储能模块电连接。

优选地，所述燃料模块包括燃料加注单元、燃料存储单元及压力调节单元，其中：所述燃料加注单元包括依次连接的加氢接口、针阀、用于对外部注入的氢气进行过滤的第一过滤器及单向阀；所述燃料存储单元包括至少一个储氢瓶、设置在所述储氢瓶进出口处的瓶阀以及设置在所述瓶阀上的第一压力传感器，所述瓶阀的进气口与所述单向阀的出气口连接；所述压力调节单元包括依次连接的第二过滤器、减压器、球阀、喷射器及供气电磁阀，所述第二过滤器的进气口与所述瓶阀的出气口连接，所述第二过滤器用于对所述储氢瓶内排出的氢气进行过滤。

优选地，所述燃料模块还包括用于降低其内部压力的燃料外排单元，其中：所述燃料外排单元包括第一安全阀、第二安全阀和第三安全阀，所述第一安全阀连接在所述瓶阀与第二过滤器之间，所述第二安全阀连接在所述减压器与球阀之间，所述第三安全阀连接在所述喷射器与供气电磁阀之间；所述燃料外排单元还包括分别与所述第一安全阀、第二安全阀和第三安全阀的出气口连接的阻火器。

优选地，所述燃料电池模块包括燃料电池堆以及分别与所述燃料电池堆连接的空气供给单元和散热单元，其中：所述空气供给单元包括空气注入子单元和空气排出子单元，所述空气注入子单元包括依次连接的第三过滤器、流量传感器、空压机、中冷器及增湿器，所述空气排出子单元包括与所述增湿器的出气口连接的电子背压阀和与所述电子背压阀的出气口连接的消音器；所述空气供给单元还包括设置在所述燃料电池堆的空气进口端的第一温度传感器和第二压力传感器以及设置在所述燃料电池堆的空气出口端的第二温度传感器和第三压力传感器；所述散热单元包括连接在所述燃料电池堆的液体出口端的水泵、连接在所述水泵的出口端的散热器，所述散热器的出口端与所述燃料电池堆的液体入口端连接；所述散热单元还包括设置在所述燃料电池堆的液体进口端的第三温度传感器和第四压力传感器，以及设置在所述燃料电池堆的液体出口端的第四温度传感器和第五压力传感器。

优选地，所述散热单元还包括与所述散热器并联在所述水泵出口端的加热器，所述加热器的出口端与所述燃料电池堆的液体入口端连接。

优选地，所述燃料电池模块还包括燃料供给单元，所述燃料供给单元包括与所述供气电磁阀连接的进气电磁阀、与所述燃料电池堆的燃料出口端连接的排气阀、设置在所述燃料电池堆的燃料进口端的第六压力传感器以及设置在所述燃料电池堆的燃料出口端的第七压力传感器；所述燃料电池模块还包括与所述燃料电池堆形成燃料循环回路的循环泵，所述循环泵的进气端与所述燃料电池堆的燃料出口端连接，所述循环泵的出口端与所述燃料电池堆的燃料进口端连接。

优选地，所述稳压模块包括用于对所述储能模块的输出电压进行转换的第一dc-dc转换器和用于对所述燃料电池模块的输出电压进行转换的第二dc-dc转换器。

优选地，所述储能模块包括蓄电池组、电池管理单元和超级电容器。

优选地，所述控制模块包括用于与其它终端设备建立远程通信的gprs单元和rdu单元。

本实用新型还提出一种工业车辆，该工业车辆包括上述的氢燃料电池动力系统，所述氢燃料电池动力系统包括控制模块、燃料电池模块、用于向所述燃料电池模块提供反应气体的燃料模块、用于对所述燃料电池模块的输出电压进行转换的稳压模块和用于存储所述燃料电池模块的电能的储能模块，所述稳压模块还用于对所述储能模块的输出电压进行转换；所述控制模块、燃料电池模块、燃料模块、稳压模块和储能模块均设有用于安装固定的可拆卸结构；所述控制模块分别与所述燃料模块、燃料电池模块、稳压模块及储能模块电连接。

本实用新型实施例的有益效果在于：按照氢燃料电池动力系统的内部功能，将其分割成不同种类的功能模块，即控制模块、燃料模块、燃料电池模块、稳压模块及储能模块，各功能模块在功能上相互独立。其中，各功能模块可通过自身的外部结构与其它各功能模块相互连接，以形成完整的氢燃料电池动力系统。由于本实用新型所提出的氢燃料电池动力系统的各功能模块在功能上相互独立，而结构上又是具有互联关系的，因此，一方面可以根据车辆所需的动力和续航大小对氢燃料电池动力系统增减容量，另一方面使得维修人员可方便地从氢燃料电池动力系统中拆卸故障模块以进行维修或更换。

附图说明

图1为本实用新型氢燃料电池动力系统一实施例的功能模块图；

图2为本实用新型氢燃料电池动力系统一实施例的结构示意图；

图3为图2中的燃料模块的结构示意图；

图4为图2中的燃料电池模块的结构示意图；

图5为图2中的稳压模块的结构示意图；

图6为图2中的储能模块的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种氢燃料电池动力系统，参见图1，该氢燃料电池动力系统包括控制模块10、燃料模块20、燃料电池模块30、稳压模块40及储能模块50。

进一步的，控制模块10利用通信接口与燃料模块20、燃料电池模块30、电气模块40及储能模块50电性连接，以实现控制模块10对其它功能模块的控制，诸如rs232、rs485、gpib、usb及无线等接口，包括但不限于此。

需要说明的是，控制模块10包括电子控制单元(ecu)，电子控制单元(ecu)由微处理器(mcu)、存储器(rom、ram)、输入/输出接口(i/o)以及模数转换器(a/d)等集成电路组成。其中，微处理器(mcu)是电子控制单元的核心部分，其具备运算和控制功能，即在工业车辆运行的过程中，由微处理器(mcu)采集各传感器的信号并对其进行运算，将运算结果转换为相应的控制信号，以控制燃料模块20、燃料电池模块30、稳压模块40及储能模块50的工作。

在本实用新型实施例中，燃料模块20与燃料电池模块30连接，其通过进气管道向燃料电池模块30供给电化学反应所需的燃料气体，以通过燃料电池模块30将燃料气体中的化学能转换为电能。

可以理解的是，燃料模块20中存储有足量的燃料气体，以在氢燃料电池动力系统启动时供给燃料电池模块30。而燃料模块20中存储的燃料气体可以是由外部的加氢装置事先加注至燃料模块20内的，例如在加氢站通过加氢枪注入燃料模块20，也可以是通过氢燃料电池动力系统搭配的甲醇制氢装置获得。而无论是内部制氢，还是外部加注氢气，其制氢的方式可为化石燃料制氢、焦炉制氢、甲醇裂解制氢或电解水制氢等，包括但不限于此。

进一步的，上述提及的甲醇裂解制氢的原理为：以甲醇和脱盐水为原料，在220～280℃下，型号为scst-401的专用催化剂上催化，以生成主要成分为氢和二氧化碳的转化气，并通过变压吸附技术从转化气中分离并提取氢气，具体转化过程为：主反应：ch3oh＝co+2h2(+90.7kj/mol)，co+h2o＝co2+h2(-41.2kj/mol)，总反应：ch3oh+h2o＝co2+3h2(+49.5kj/mol)，副反应：2ch3oh＝ch3och3+h2o(-24.9kj/mol)，co+3h2＝ch4+h2o(+206.3kj/mol)。

由于燃料电池模块30输出的电压值的变化范围较大，因此，需要稳压模块40对该输出电压进行稳压处理，例如，从燃料电池模块30输出至稳压模块40的电压为25～150v，在经稳压模块40处理后，从稳压模块40输出的电压为43～59v；同时，利用稳压模块40还可以实现对燃料电池模块30的输出功率的动态控制。

在工业车辆的启动阶段，由储能模块50提供电能给燃料电池模块30，以使得燃料电池模块30工作，从而将燃料电池模块30中由电化学反应产生的电能供给工业车辆，在此阶段，储能模块50处于能量损耗状态。而在工业车辆运行的初始阶段，燃料电池模块30输出的电能还不足以满足工业车辆的电能需求，因此，储能模块50还需输出电能给工业车辆，以满足工业车辆的电能需求，亦即输出功率。

在工业车辆正常运行后，燃料电池模块30的输出电能逐渐增大，其足以满足工业车辆的电能需求，此时，储能模块50停止向外输出电能，并利用燃料电池模块30产生的冗余电能进行电能补充，此时，储能模块50处于能量补充状态，如此循环往复，不仅可以为氢燃料电池动力系统提供启动能源，同时，保证氢燃料电池动力系统的动态响应能力。

进一步的，本实用新型所提出的氢燃料电池动力系统还包括用于调整氢燃料电池动力系统的重量的配重模块，以通过该配重模块保持搭载氢燃料电池动力系统的工业车辆的运动平衡。具体的，配重模块为氢燃料电池动力系统和工业车辆提供应用匹配功能，即可根据工业车辆的应用特点及其对配重的需求，灵活搭配配重块，以实现工业车辆与氢燃料电池动力系统的快速匹配。

需要说明的是，为了实现产品结构模块化组装，氢燃料电池动力系统包括用于安装控制模块10、燃料模块20、燃料电池模块30、稳压模块40和储能模块50的安装框架，该安装框架被对应划分为控制模块安装区、燃料模块安装区、燃料电池模块安装区、稳压模块安装区及储能模块安装区。其中，各功能模块及模块安装区均设置有用于安装固定的可拆卸结构，以通过各功能模块及模块安装区之间的可拆卸结构，组装形成完整的氢燃料电池动力系统。

具体的，在燃料模块安装区的底部设置有直线滑轨，而在燃料模块上设置有与直线滑轨相匹配的滑块，以通过滑块与滑轨之间的配合，实现燃料模块20的快速拆装；其次，在燃料模块安装区的上方设置有燃料电池模块安装区，燃料电池模块安装区的底部开设有多个螺孔，而在燃料电池模块30上对应设置有多个光孔，以通过螺钉、螺孔及光孔将燃料电池模块30固定；再者，在燃料电池模块安装区的一侧设置有储能模块安装区，储能模块安装区内设置有多个卡槽，而在储能模块50上对应设置有多个卡接板，将卡接板插入至对应的卡槽内以固定储能模块50；另外，在储能模块安装区的上方设置有稳压模块安装区，稳压模块安装区的边沿处设置有凸耳，凸耳的端面上开设有螺孔，而在稳压模块40上对应设置有螺栓，将螺栓拧入至螺孔内以固定稳压模块40；在稳压模块安装区的上方设置有控制模块安装区，控制模块安装区的周侧设置有挡板，在该挡板上开设有多个螺孔，而在控制模块10上对应设置有多个光孔，以通过螺钉、螺孔及光孔将控制模块10固定。

结合图2、图3，燃料模块20包括燃料加注单元21、燃料存储单元22及压力调节单元23。

其中，燃料加注单元21包括依次连接的加氢接口211、针阀212、第一过滤器213及单向阀214。加氢接口211包括设置在一端的氢气加注口，该氢气加注口显露于车辆外，以供外部氢气加注使用；氢气加注口的另一端设置有气体流通管道，在该流通管道上依次设置有针阀212、第一过滤器213及单向阀214，第一过滤器213用于过滤氢气中的其它杂质，如空气或灰尘等。

外部加注的氢气经第一过滤器213过滤后，通过气体管道流入至燃料存储单元22，以对氢气进行存储并供给燃料电池模块30进行电化学反应。燃料存储单元22包括至少一个储氢瓶221、设置在储氢瓶221进出口的瓶阀222以及设置在瓶阀222上的第一压力传感器223。由于氢气的密度小于空气的密度，因此，在储氢瓶221的进出口处设置有与储氢瓶呈一体式设置的瓶阀222，以防止储氢瓶221内的氢气排出。第一压力传感器223用于对储氢瓶221内的气体压力进行监测，若储氢瓶221内的气体压力超出预设压力值，氢燃料电池动力系统可发出告警以提醒用户，使其能够及时采取应对措施，避免发生意外。

在燃料电池模块30工作时，其对于输入的氢气的压力参数具有一定的要求，因此，氢气自储氢瓶221中排出后，需通过压力调节单元23对其进行压力调整。具体的，压力调节单元23包括依次连接的第二过滤器231、减压器232、球阀233、喷射器234及供气电磁阀235。由于自储氢瓶221中排出的氢气不可能为纯氢，因此，需对其进行过滤，以提高进入燃料电池模块30的氢气的纯度，从而提高燃料电池模块30的使用寿命。另外，自储氢瓶221排出的氢气的气体压力较大，因此，需首先通过高压减压器232对其进行降压处理，而后再经由喷射器234进行定量调节，以使其满足燃料电池模块30对气体压力的要求。其中，球阀233为设置在减压器232和喷射器234之间的一个手动阀门，在燃料模块20出现故障或需要检修时，可手动关闭该球阀，以断绝向燃料电池模块30的氢气供应，从而停止氢燃料电池系统的运行。

在上述实施例中，本实用新型所提出的燃料模块20还包括用于降低其内部压力的燃料外排单元24，该燃料外排单元24在氢气的压力出现异常时(压力值超出预设的压力上限)，可对燃料模块20中的气体进行适当的外排，以起到泄压的作用。具体的，该燃料外排单元24包括第一安全阀241、第二安全阀242和第三安全阀243；第一安全阀241为高压安全阀，其连接在瓶阀222与第二过滤器231之间；第二安全阀242为中压安全阀，其连接在减压器232与球阀233之间；第三安全阀243为低压安全阀，其连接在喷射器234与供气电磁阀235之间。

进一步的，若氢气排出后遇火燃烧产生的火焰蔓延至燃料模块20内，将使得燃料电池模块20出现故障，甚至存在安全风险。因此，为避免氢气燃烧产生的火焰蔓延至燃料模块20内，本实用新型技术方案设置有用于隔离氢气燃烧时产生的火焰的阻火器244。阻火器又名防火器，其利用“器壁效应”以防止外部火焰窜入存有易燃易爆气体的氢燃料电池动力系统中。

参见图4，本实用新型所提出的燃料电池模块30包括燃料电池堆31以及分别和燃料电池堆31连接的空气供给单元32与散热单元33。

其中，燃料电池堆31包括依次设置的第一碳纸、第一膜电极、质子交换膜、第二膜电极、设置在第一膜电极和第二膜电极上的催化剂和第二碳纸。具体的，氧气经第二碳纸扩散至第二膜电极，并在催化剂的作用下得到电子，形成氧离子；同时，氢气经第一碳纸扩散至第一膜电极上，并在催化剂的作用下失去电子，形成氢离子，该氢离子穿过质子交换膜并扩散至第二膜电极，氢离子与氧离子结合生成水。

在上述实施例中，燃料电池堆31所需的氧气由空气供给单元32提供，具体的，空气供给单元32包括空气注入子单元和空气排出子单元，空气注入子单元包括依次连接的第三过滤器321、流量传感器322、空压机323、中冷器324及增湿器325，空气排出子单元包括与增湿器325的出气口连接的电子背压阀326和与电子背压阀326的出气口连接的消音器327。由于外部输入的空气中将不可避免的混有杂质，因此，需通过第三过滤器321对空气进行过滤，以提高空气纯度，从而延长燃料电池堆31的使用寿命。另外，燃料电池堆31对输入的空气的体积、压力、温度及湿度等具有一定的参数要求，因此，需通过依次设置的流量传感器322对输入的空气的速度进行监控，以控制空气的输入量；同时，通过空压机323、中冷器324及增湿器325对输入的空气的压力、温度及湿度进行处理，以使其满足预设的参数要求。

另外，由于输入的空气并不会完全与氢气反应，会有多余的空气从燃料电池堆31的出气口排出，在空气排出的过程中，会产生噪音，故需通过设置的消音器327对其进行消除，以避免对环境造成声音污染。

可以理解的是，燃料电池堆31的空气进出口的空气压力和温度应当是稳定在某一数值范围内的，若进出口处的空气温度和压力出现异常，则表明燃料电池堆31内出现故障。因此，需要在燃料电池堆31的进出口分别设置第一温度传感器328、第二压力传感器329、第二温度传感器32a和第三压力传感器32b，以通过设置的温度传感器和压力传感器对燃料电池堆31的空气进出口的空气温度和压力进行实时监测及反馈，以实现对输入和输出的空气的温度和压力的动态控制。

在燃料电池堆31的运行过程中，需通过冷却液对其进行冷却处理，如油冷或水冷，以将燃料电池堆31产生的热量经冷却液带出，即进行热量交换。为循环使用冷却液，需通过散热单元33对带出热量后的冷却液进行散热处理，具体的，散热单元33包括连接在燃料电池堆31的液体出口端的水泵331、连接在水泵331的出口端的散热器332，散热器332的出口端与燃料电池堆31的液体入口端连接；散热单元33还包括设置在燃料电池堆31的液体进口端的第三温度传感器333和第四压力传感器334，以及设置在燃料电池堆31的液体出口端的第四温度传感器335和第五压力传感器336。

可以理解的是，水泵331的主要作用在于通过管道将换热后的冷却液带出，并将经散热器332冷却后的冷却液压入至燃料电池堆31内，以对燃料电池堆31进行冷却。同样地，燃料电池堆31的冷却液进出口处的冷却液温度和压力也应当是稳定在某一数值范围内的，若温度和压力出现异常，则表明燃料电池堆31内出现故障。因此，需要在燃料电池堆31的冷却液进出口处设置第三温度传感器333、第四压力传感器334、第四温度传感器335和第五压力传感器336，以实现对冷却液温度的实时监测和反馈。

在本实用新型一实施例中，散热单元33还包括与散热器332并联在水泵331出口端的加热器337，加热器337的出口端与燃料电池堆31的液体入口端连接。在某些严寒地区，加热器337能够对冷却液进行加热，并由水泵331将加热后的冷却液带入至燃料电池堆31，以对燃料电池堆31进行升温，使其升温至燃料电池堆的工作温度。

参见图2，本实用新型所提出的燃料电池模块30还包括燃料供给单元34，其具体包括有与供气电磁阀235连接的进气电磁阀341、与燃料电池堆31的燃料出口端连接的排气阀343、设置在燃料电池堆31的燃料进口端的第六压力传感器344以及设置在燃料电池堆的燃料出口端的第七压力传感器345。由于输入至燃料电池堆31的氢气纯度不可能达到100％，在长时间运行后，会在阳极流道积聚大量的杂质，从而降低氢气浓度，进而导致燃料饥渴，出现碳腐蚀，最终导致燃料电池堆31的性能急剧下降。因此，需要将阳极流道积聚的杂质通过排气阀343排出，同时，将燃料电池堆31中产生的水带出，以避免燃料电池堆31出现故障。

进一步的，本实用新型所提出的燃料电池模块还包括与燃料电池堆31形成燃料循环回路的循环泵342，循环泵342的进气端与燃料电池堆31的燃料出口端连接，循环泵342的出口端与燃料电池堆31的燃料进口端连接。

可以理解的是，输入燃料电池堆31的氢气的温度、压力和流量随燃料电池堆31的功率不断变化，因此，需要通过第六压力传感器344对燃料电池堆31的燃料进气口的压力进行监控。另外，为监控燃料电池堆31的内部流道的状态，需通过第七压力传感器345对出口处的气体压力进行监控。

在本实用新型实施例中，参见图5，稳压模块40包括用于对储能模块50的输出电压进行转换的第一dc-dc转换器41和用于对燃料电池模块30的输出电压进行转换的第二dc-dc转换器42。

参见图6，本实用新型所提出的储能模块50包括蓄电池组51、电池管理单元52和超级电容器53。其中，超级电容器53是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，其既具备电容器的快速充放电性能，同时，又具备充电电池的储能特性。电池管理单元(bms)主要作用在于提高电池的利用率，防止电池出现过度充电或放电。

参见图2，本实用新型所提出的控制模块10包括用于与其它终端设备建立远程通信的gprs单元11和rdu单元12。本实施例中，通过gprs单元11和rdu单元12可实现氢燃料电池动力系统的各功能模块之间的数据交互，以及实现氢燃料电池动力系统与外部终端之间的数据交互。

本实用新型进一步提出的一种工业车辆包括上述记载的氢燃料电池动力系统，该氢燃料电池动力系统的具体结构参照上述实施例，由于本工业车辆采用了上述所有实施例的所有技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的全部技术效果，在此不再一一赘述。

以上所述的仅为本实用新型的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本实用新型保护的范围，凡是在与本实用新型一个整体的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型保护的范围内。