一种模块化氢燃料电池系统的制作方法

本发明属于燃料电池领域，具体地来说，是一种模块化氢燃料电池系统。

背景技术：

随着环境问题的日益严重，新能源成为能源领域的重要课题。其中，氢燃料电池通过氢氧反应而释放电能，释放能量值高、产物为绝对无污染的水，因而备受青睐，具有十分瞩目的前景。目前，氢燃料电池逐渐应用于汽车、叉车、摩托车等运输工具上。

由于运输工具工况复杂、负载多变，对氢燃料电池容易造成冲击颠簸。目前的氢燃料电池往往结构复杂，连接位置关系随意凌乱，故不耐冲击颠簸，在安装维修时也多有不便。这种结构限制了氢燃料电池的应用，不利于其推广应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种模块化氢燃料电池系统，使部件连接关系简洁、位置固定。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种模块化氢燃料电池系统，包括系统壳体，所述系统壳体内设有氢气供给模块、氢燃料电池模块、锂离子电池模块、电控模块、输出模块，

所述氢气供给模块的输入端位于所述系统壳体的外表面，输出端与所述氢燃料电池模块通过气路接头刚性直连；

所述氢燃料电池模块、所述锂离子电池模块分别与所述输出模块电性连接，所述氢燃料电池模块与所述锂离子电池模块电性连接；

所述电控模块分别与所述氢气供给模块、所述氢燃料电池模块、所述锂离子电池模块电性连接；

所述输出模块的输出端包括正负极触点，所述正负极触点位于所述系统壳体的外表面。

作为上述技术方案的改进，所述系统壳体的外形为长方体，包括壳体框架、壳体面板，所述壳体框架由刚性杆件沿所述长方体的各边连接而成，所述壳体面板固定于所述壳体框架上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氢燃料电池模块包括电堆模块、电堆辅助模块，所述电堆辅助模块与所述氢气供给模块通过气路接头刚性连接，所述电堆辅助模块与所述电堆模块通过气路接头刚性连接，所述电堆辅助模块与所述电控模块电性连接，所述电堆模块包括电堆阴极、电堆阳极、质子交换膜。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆辅助模块包括阴极回路、阳极回路。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电控模块包括供氢监控模块、氢能监控模块、锂电监控模块、输出监控模块，所述供氢监控模块与所述氢气供给模块连接，所述氢能监控模块与所述氢燃料电池模块连接，所述锂电监控模块与所述锂离子电池模块连接，所述输出监控模块与所述输出模块连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆辅助模块的气路入口与所述电堆模块的气路出口之间设有氢气循环泵。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆模块下侧连接有废水缓存模块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电堆辅助模块包括阴极回路、阳极回路。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氢燃料电池模块与所述输出模块之间设有直流-直流变换器，所述直流-直流变换器的输入端与所述氢燃料电池模块连接，所述直流-直流变换器的输出端与所述输出模块的输入端连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述氢气供给模块包括加氢接口、供氢过程模块，所述加氢接口设于所述系统壳体上，所述加氢接口与所述供氢过程模块通过气路连接。

本发明的有益效果是：通过模块化优化设计，氢燃料电池系统的各组成模块连接清晰、位置固定，具有良好的抗冲击能力和稳定性，为安装和维修提供了便利。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的一种模块化氢燃料电池系统的内部结构图；

图2是本发明实施例1提供的一种模块化氢燃料电池系统的整体结构图；

图3是本发明实施例1提供的一种模块化氢燃料电池系统的俯视图；

图4是本发明实施例1提供的一种模块化氢燃料电池系统的后视图；

图5是本发明实施例1提供的一种模块化氢燃料电池系统的氢燃料电池模块的连接关系图；

图6是本发明实施例1提供的一种模块化氢燃料电池系统的前视图；

图7是本发明实施例1提供的一种模块化氢燃料电池系统的连接关系图。

主要元件符号说明：

1000-模块化氢燃料电池系统，100-系统壳体，200-氢气供给模块，300-氢燃料电池模块，310-电堆辅助模块，311-阴极回路，312-阳极回路，313-冷却回路，320-电堆模块，321-电堆阴极，322-电堆阳极，323-质子交换膜，330-氢气循环泵，340-加湿器，350-导流排水管，400-锂离子电池模块，500-电控模块，510-供氢监控模块、520-氢能监控模块、530-锂电监控模块、540-输出监控模块，600-输出模块，700-散热模块，800-直流-直流变换器，900-废水缓存模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对一种模块化氢燃料电池系统进行更全面的描述。附图中给出了一种模块化氢燃料电池系统的优选实施例。但是，一种模块化氢燃料电池系统可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对一种模块化氢燃料电池系统的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在一种模块化氢燃料电池系统的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1、图2，模块化氢燃料电池系统(以下简称“电池系统”)1000包括系统壳体100，系统壳体100内设有氢气供给模块200、氢燃料电池模块300、锂离子电池模块400、电控模块500、输出模块600。

系统壳体100具有足够的强度和简洁的外形，能够良好地包容电池系统1000的部件。各部件在系统壳体100内部有序分布固定，避免部件凌乱分布而造成使用和维修上的不便。系统壳体100上设有若干连接点，用以与外界元件进行气路或电性连接。

进一步地，系统壳体100的外形为长方体，包括壳体框架110、壳体面板120，壳体框架110由刚性杆件沿长方体的各边连接而成，壳体面板120固定于壳体框架110上。通过壳体框架110与壳体面板120的结合，系统壳体100为电池系统1000提供更为坚固而简洁的基体。

在模块化设计下，各模块内部完全封装，各模块之间位置固定，且仅以外露的接头、接口或触点进行气路、水路或电性连接。各模块采用封装结构，有效地保护了各模块的内部器件。当需要对电池系统1000进行维修更换时，仅需对相应的模块进行接头、接口或触点的插拔，十分方便。各模块的位置固定，排布合理有序，避免了模块之间的干扰。

请结合参阅图3、图4，氢气供给模块200与氢燃料电池模块300通过气路接头刚性连接。刚性连接时，氢气供给模块200与氢燃料电池模块300之间的连接管路保持张紧而近于刚体。此时路径最短、沿程损失最小，不易脱落松动，且不会相互干扰而造成混乱，便于安装维修。

氢气供给模块200将从氢气源获取的氢气通过气路输入氢燃料电池模块300，源源不断地供给电池系统1000运转的原料。氢气供给模块200内置压力传感器，可以对管路中的气体进行压力检测。氢气供给模块200还设有高压电磁阀，可以对管路通断进行自动控制。

氢燃料电池模块300与锂离子电池模块400电性连接。电池系统1000需要启动时，锂离子电池模块400为氢燃料电池模块300提供初始的启动电能。此后氢燃料电池模块300正常运转而发电，电量一部分作为输出模块600的输出能量，一部分作为维持电池系统1000正常运转的能量，另一部分作为储能以充电形式存入锂离子电池模块400中。

进一步地，氢燃料电池模块300包括电堆辅助模块310、电堆模块320。电堆辅助模块310与氢气供给模块200通过气路接头刚性连接，电堆辅助模块310与电堆模块320通过气路接头刚性连接，电堆辅助模块310与电控模块500电性连接。在刚性连接下，连接管路保持张紧，路径最短、沿程损失最小，不易脱落松动，且不会相互干扰而造成混乱，便于安装维修。

请参阅图5，进一步地，电堆模块320包括电堆阴极321、电堆阳极322、质子交换膜323。电堆阳极322为氢燃料发生氧化的场所，电堆阴极321为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。质子交换膜323作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过。而电子只能通过外电路才能到达电堆阴极321，当电子通过外电路流向电堆阴极321时就产生了直流电。

质子交换膜323需要一定的含水量才可以传导质子，而且一般来说，含水量越高质子传导性能越好，因此在质子交换膜323中必须要保持一定的湿度。为此，氢燃料电池模块300上设有加湿器340。加湿器340通过给反应气体加湿，使质子交换膜323保持一定的湿度。

为了简化电池系统1000的结构，加湿器340一端与电堆阴极321的出水口连接，另一端与电堆阴极321的进气口连接。电堆阴极321会形成产物水，加湿器340可利用该产物水而对流经电堆阴极321进气口的空气进行加湿。由此，电池系统1000无需另外设置用于用于提供水分的加湿罐，结构更为紧凑简洁。

电堆辅助模块310包括阴极回路311、阳极回路312、冷却回路313。阴极回路311将空气进行过滤后输送到电堆阴极321，并利用电堆阴极321输出的气体进行加热加湿。阳极回路312一端连接氢气供给模块200的气路出口，另一端与电堆阳极322连接，氢气通过阳极回路312进入电堆阳极322。阳极回路312可以对输入电堆阳极322的氢气的通断与流量进行控制，在另一个实施例中，阳极回路312上还设有检测装置，用于检测流经阳极回路312的气体温度和压力。冷却回路313能够实现冷却液的循环，通过冷却液而对电堆模块320进行冷却降温。

电堆模块320运转放电时，一般都伴随着大量的水作为产物生成。若这些水滞留于电堆阴极321，会严重影响电堆模块320的正常运行。为了保证电堆模块320的性能良好，需要采取措施将产物水排出。若采用过量氢气将产物水带走，既容易造成氢气浪费，也容易引起爆炸危险。

为此，请参阅图6，电堆阴极321的出水口连接有导流排水管350。导流排水管350自电堆模块320向下延伸至系统壳体100的下表面，利用水的重力使之自动从电堆阴极321排出，既方便又安全。在另一个实施例中，系统壳体100下表面上还设有水路接头，水路接头连接废水缓存装置900，以便废水缓存装置900将产物水收集处理。

电堆模块320运转放电时，电堆阳极322往往会有过剩的氢气残留。为了避免浪费，电堆辅助模块310的气路入口与电堆模块320的气路出口之间设有氢气循环泵330。氢气循环泵330将过量氢气导入电堆辅助模块310，再经电堆辅助模块310而输入电堆模块320参与氢氧反应，使过剩氢气得以循环利用。

气体在管路中会有沿程损失，造成能量损耗。为了改善电池系统1000的能量转换效率，氢气循环泵330位于氢气供给模块200的正下方，且氢气循环泵330的气路接口分别与氢气供给模块200的气路出口、阳极回路312的气路入口正对直连，从而使管路最短、气路连接角度最佳，避免了沿程损失，提高了电池系统1000的效率。

请参阅图7，电控模块500分别与氢气供给模块200、氢燃料电池模块300、锂离子电池模块400电性连接。电控模块500能够检测各模块的运转状态，据此计算调节各模块而使电池系统1000达到最佳运转状态。

电控模块500包括供氢监控模块510、氢能监控模块520、锂电监控模块530、输出监控模块540。供氢监控模块510与氢气供给模块200连接，能够获取氢气供给模块200的压力值，据此计算后予以调整；氢能监控模块520与氢燃料电池模块300连接，能够获取氢燃料电池模块300的状态参数，据此计算后予以调整；锂电监控模块530与锂离子电池模块400连接，能够获取锂离子电池模块400的剩余电量与输出功率，据此进行计算调整；输出监控模块540与输出模块600连接，能够获取输出模块600的输出功率及电性参数，为调整电池系统1000提供参考。

氢燃料电池模块300、锂离子电池模块400分别与输出模块600电性连接，为输出模块600提供对外输出的能量。

电池系统1000运转过程中，伴随着氢燃料电池模块300的放电、锂离子电池模块400的充放电过程，电池系统1000回产生大量的热量。热量的释放堆积会加重电池系统1000的能量负载，降低电池系统1000各组成部件的性能，进一步降低能量转换效率，严重时还会造成部件损坏。

为此，电池系统1000上设有散热模块700。散热模块700能够将电池系统1000释放的热量排到外界环境中，避免热量堆积而造成对电池系统1000的损害。进一步地，散热模块700设于系统壳体100上，其形式可以是散热风扇或散热片等类型。

进一步地，氢燃料电池模块300与输出模块600之间设有直流-直流变换器800，直流-直流变换器800的输入端与氢燃料电池模块300连接，直流-直流变换器800的输出端与输出模块600的输入端连接。直流-直流变换器800可将氢燃料电池模块300输出的直流电进行处理，而后将与负载匹配的直流电通过输出模块600对外输出。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。