氢燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种氢燃料电池系统。

背景技术：

氢燃料电池是一种清洁、高效的绿色环保电源，可广泛应用于汽车动力、备用电源、分布式电站等许多领域。

质子交换膜式氢燃料电池是其中应用较为广泛的一类。该类型的氢燃料电池由于电化学反应产生的水会残留在电堆的内部，在冰点以下的低温环境中会发生结冰，这就对整个燃料电池系统的启动造成影响，尤其在极低的环境中可能会出现启动缓慢、甚至无法启动等问题。氢燃料电池的环境适应性决定着其能否广泛应用于民用和军用等商业化市场的重要因素，特别是在交通领域中，低温下的冷启动是氢燃料电池汽车面临的重要挑战之一。

现有的氢燃料电池在低温环境下使用时，需要在冷却液回路上装加热器、加热棒等大功率的加热设备，并配备相应的供电电源，通过加热冷却液，快速升高电堆内部的温度后再启动。相应地，该种针对冷却液回路增设加热器的方式增加了氢燃料电池的体积、重量和成本。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种氢燃料电池系统，旨在解决现有技术中针对冷却液回路增设加热器的方法增加了氢燃料电池的体积、重量和成本的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种氢燃料电池系统，该氢燃料电池系统包括电堆模块、冷却模块和空气供给模块；所述电堆模块设有与所述冷却模块连接的冷却液入口和冷却液出口；所述冷却模块包括储液箱、水泵、散热器和节温器；所述空气供给模块包括依次连接的空气压缩机、中冷器和增湿器，所述增湿器与所述电堆模块连接；

所述水泵的入口与储液箱的出口连接，所述水泵的出口具有两条支路，其中一支路连接所述节温器的第一入口，另一支路连接所述散热器的入口，所述散热器的出口与节温器的第二入口连接，所述节温器的出口与所述冷却液入口连接，所述冷却液出口与所述水泵的入口连接；

所述中冷器中设有散热管，该散热管的入口与所述节温器的出口连接，散热管的出口与所述水泵的入口连接。

优选地，所述空气供给模块还包括入堆节气门、尾排节气门和吹扫电磁阀；所述电堆模块还设有空气入口和空气出口；所述入堆节气门的进气口与所述增湿器连接，所述入堆节气门的出气口与所述电堆模块的空气入口连接；所述尾排节气门的进气口与所述电堆模块的空气出口连接；

所述吹扫电磁阀的进气口与所述中冷器连接，所述吹扫电磁阀的出气口与所述电堆模块的空气入口连通。

优选地，氢燃料电池系统还包括通风管道和尾排模块，所述尾排模块包括消音器和排气阀，所述电堆模块还设有通风入口和通风出口，所述通风管道的两端分别与所述中冷器和所述电堆模块的通风入口连通，所述电堆模块的空气出口、消音器和排气阀依次连接，所述电堆模块的通风出口与所述排气阀连接。

优选地，所述空气供给模块还包括相互串联且位于所述空气压缩机和消音器之间的旁路流量计和旁通阀。

优选地，氢燃料电池系统还包括控制器和氢气浓度传感器，所述氢气浓度传感器设置于所述排气阀的出口位置，所述控制器与所述氢气浓度传感器电连接。

优选地，氢燃料电池系统还包括设置于所述电堆模块的通风出口的温度传感器，所述温度传感器与所述控制器电连接。

优选地，氢燃料电池系统还包括氢气供给模块，所述电堆模块还设有与所述氢气供给系统连通的氢气入口和氢气出口；所述氢气供给模块包括储氢罐、供氢电磁阀、氢气喷射器、气水分离器、氢气循环泵、补水阀和尾排电磁阀；

所述储氢罐、供氢电磁阀和氢气喷射器依次连接，且所述氢气喷射器的出气口与所述电堆模块的氢气入口连接；所述气水分离器的入口与所述电堆模块的氢气出口连接，所述氢气循环泵的入口和出口分别连接所述气水分离器的出口和所述电堆模块的氢气入口，所述气水分离器的出口还与所述补水阀的入口连接，所述补水阀的出口与所述水泵的入口连接；所述尾排电磁阀的进气口与所述电堆模块的氢气出口连接，所述尾排电磁阀的出气口与所述排气阀连接。

优选地，所述尾排电磁阀和所述氢气循环泵上均设有加热组件。

优选地，所述氢气循环泵的出口与所述电堆模块的氢气入口之间还设有控制阀。

优选地，氢燃料电池系统还包括两端分别连接所述空气压缩机与所述电堆模块的冷却液入口的冷却路吹扫电磁阀、和设置于所述水泵上的排液阀，所述空气压缩机、冷却路吹扫电磁阀、电堆模块和排液阀依次连通构成排液通道。

本发明中，中冷器的散热管的两端分别与冷却模块中的水泵和节温器连接形成循环回路，令该回路中的冷却液吸收中冷器的散热管中的热量后升温，再经节温器的调节，以一定温度输入至入堆模块中，以维持入堆模块中的温度在一定范围内，防止其内部结冰影响性能。本发明充分利用空气供给模块中产生的热能，以及节温器的灵活调节流量的功能来维持电堆模块内的温度，不管是在炎热或是寒冷的环境，本氢燃料电池系统均能够快速适应，具有广泛推广应用价值。

附图说明

图1为本发明氢燃料电池系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同标号表示相同的元件或具有相同功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，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。

为解决上述技术问题，本发明提出一种氢燃料电池系统，该氢燃料电池系统包括电堆模块21、冷却模块和空气供给模块；电堆模块21设有与冷却模块连接的冷却液入口和冷却液出口；冷却模块包括储液箱41、水泵37、散热器38和节温器39；空气供给模块包括依次连接的空气压缩机5、中冷器6和增湿器7，增湿器7与电堆模块21连接；

水泵37的入口与储液箱41的出口连接，水泵37的出口具有两条支路，其中一支路连接节温器39的第一入口，另一支路连接散热器38的入口，散热器38的出口与节温器39的第二入口连接，节温器39的出口与冷却液入口连接，冷却液出口与水泵37的入口连接；

中冷器6中设有散热管，该散热管的入口与节温器39的出口连接，散热管的出口与水泵37的入口连接。

氢燃料电池系统中的电堆模块是氢燃料电池的核心部件，由多个单体电池以串联方式层叠组合而成，单体电池由两双极板、两催化层、质子交换膜和两碳纸组成。其中，双极板起流体分配以及固定作用，两双极板上分别具有氢气导流通道和空气导流通道，以分别通入所需的氢气和空气(需要空气中的氧气)。两催化层是由催化剂和催化剂载体构成的薄层，分别用于催化电池阴阳两电极上的电化学反应。质子交换膜位于两催化层之间，用于传导氢离子通过、隔离反应气体。碳纸位于催化层与双极板之间，主要起到传导质子、导电、传热和导水的作用。实际上，层叠的单体电池外还包裹有一层封装层，以将上述部件全部包裹并固定，本实施例中所述的冷却模块则用于向封装层内输入冷却液，以将电堆模块21内温度维持在一定区间，该封装层上(即电堆模块上)对应设有冷却液入口和冷却液出口。电堆工作时，氢气和空气分别进入氢气导流通道和空气导流通道，通过与催化层接触进行电化学反应，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极，则在外电路上形成电流。

本实施例中，空气供给模块的作用是为电堆模块21的阴极提供所需的氧气，其中，空气压缩机5用于吸收外部空气，中冷器6用于对空气压缩机5排出的空气降温，增湿器7用于将空气增湿后输入至电堆模块21中。空气压缩机5一般采用离心式空压机，其输出的空气温度很高，在高转速下甚至可以达到100℃，因此需要中冷器6将其温度降低以适应电堆模块21内的工作环境。中冷器6中设有散热管，通过在散热管内通入低温液体，可起到降温的作用。

冷却模块的作用是通过控制冷却液的温度，从而实现对电堆模块21内温度的控制。冷却模块包括储液箱41、水泵37、散热器38和节温器39，储液箱41的作用是储存冷却液，所述冷却液可以是去离子水或是防冻液等，当处于高温环境中时，适用去离子水，处于低温环境中时，适用防冻液。水泵37的作用是将储液箱41中的冷却液抽出，再由节温器39调温后通过冷却液入口输入至电堆模块21中，电堆模块21中输出的冷却液还可由水泵37自冷却液出口抽出，以形成冷却液的循环回路。其中，节温器39的两个入口(第一入口和第二入口)分别连接水泵37和与水泵37连接的散热器38，即水泵37的出口流出的冷却液分为两条支路，一条是直接到达节温器39，另一条是通过散热器38降温后到达节温器39，很显然，直接到达节温器39之一支路中的冷却液温度比通过散热器38降温的这一支路中的冷却液温度要高，而节温器39的作用是通过调节两支路中的冷却液流量，来调节其输出的冷却液的流量和温度，即输入至电堆模块21中的冷却液的温度。

在此基础上，本实施例还将中冷器6的散热管与冷却模块连通，具体为：散热管的入口与节温器6的出口连接，散热管的出口与水泵37的入口连接，即，水泵37(包括其出口的两条支路)、节温器39、中冷器6的散热管形成回路，中冷器6利用冷却模块的冷却液冷却空气压缩机5输出的高温空气，冷却模块中的冷却液吸收中冷器6中高温空气传递的热量以提高冷却液温度。

在高温环境中，节温器39增加第二入口的冷却液流量，减小第一入口的冷却液流量，以控制冷却液温度不会过高，起到对电堆模块21和中冷器6的冷却作用；在寒冷的环境中，节温器39增加第一入口的冷却液流量，减小第二入口的冷却液流量，即利用中冷器6中通过的空气的热量维持冷却液的温度不会过低，令电堆模块21中的温度始终维持在45℃以上，防止电堆模块21中的水汽冷凝结冰，影响电池性能。本实施例充分利用空气供给模块中产生的热能，以及节温器39的灵活调节流量的功能来维持电堆模块21内的温度，不管是在炎热或是寒冷的环境，本氢燃料电池系统均能够快速适应，具有广泛推广应用价值。

进一步地，散热器38和节温器39均设有与储液箱41连接的排气支路，用于将多余气体排出。节温器39上还连接有去离子罐42，用以降低冷却液电导率。节温器39的出口与中冷器6、冷却液入口之间还设有过滤器43。电堆模块21的冷却液入口处还设置有用于检测冷却液电导率值的电导率仪44与用于检测进入电堆模块21的冷却液温度和压力的温压一体传感器45，冷却液出口处也设置有用于检测电堆模块21输出的冷却液温度和压力的温压一体传感器46，当冷却液的电导率值过高时，可利用去离子罐42降低冷却液电导率，以提高冷却液的绝缘性能。

在一较佳实施例中，空气供给模块还包括入堆节气门8、尾排节气门11和吹扫电磁阀12；电堆模块21还设有空气入口和空气出口；入堆节气门8的进气口与增湿器7连接，入堆节气门8的出气口与电堆模块21的空气入口连接；尾排节气门11的进气口与电堆模块21的空气出口连接；

吹扫电磁阀12的进气口与中冷器6连接，吹扫电磁阀12的出气口与电堆模块21的空气入口连通。

本实施例中，入堆节气门8设置在电堆模块21的空气入口与增湿器7之间，尾排节气门8设置在电堆模块21的空气出口与增湿器7之间。氢燃料电池工作时，空气压缩机5输出的空气经中冷器6降温后在增湿器7中增湿，通过入堆节气门8调压后由空气入口输入至电堆模块21中，以作为电堆模块21的阴极的电化学反应原料。从电堆模块21中输出的空气则通过尾排节气门11排出。

吹扫电磁阀12的进气口位于中冷器6与增湿器7之间，出气口连接电堆模块21的空气入口以向其中吹气。该吹扫电磁阀12在电堆模块21工作工程中保持关闭常态，吹扫电磁阀12的作用是：在寒冷环境中，电堆模块21在停止运行前，可先关闭入堆节气门8，打开吹扫电磁阀12，用未经过增湿器7增湿的干燥空气对电堆模块21内的空气导流通道进行吹扫，以将其中的水和水汽吹干，防止电堆模块21关闭后因水和水汽低温结冰而造成的对质子交换膜等部件的损坏。

本实施例中，电堆模块21的空气入口和空气出口还分别设有温压一体传感器(图1中标号9和10)，用于监测进入电堆模块和从电堆模块中排出的空气的温度和压力。

空气供给模块还包括空气过滤器1和空气流量计4，该空气过滤器1、空气流量计4和空气压缩机5依次连接，空气过滤器1上还设有负压传感器2，空气过滤器1和空气流量计4相连接的管道上还设有用于测量环境温度的环境温度传感器3。空气流量计4用于空气压缩机5的进气总流量。

在一较佳实施例中，氢燃料电池系统还包括通风管道49和尾排模块，尾排模块包括消音器17和排气阀18，电堆模块21还设有通风入口和通风出口，通风管道49的两端分别与中冷器6和电堆模块21的通风入口连通，电堆模块21的空气出口、消音器17和排气阀18依次连接，电堆模块21的通风出口与排气阀18连接。

本实施例中，电堆模块21中还设有用于散热通风的管道，该管道的两端即通风入口和通风出口。通风入口通过通风管道49与中冷器6连通，通风出口与排气阀18连通，中冷器6输出的干燥空气通过通风管道49输入至电堆模块21中作为通风气体，带走电堆模块21内的热量后由通风出口排出，并经过排气阀18排出至氢燃料电池系统外，当电堆模块21中温度升高时，可加大通风量，使电堆模块21保持在一定的温度内。消音器17的两端分别连接电堆模块21的空气出口和排气阀18，其作用是降低空气出口排出气体的噪音。优选地，该空气出口还可通过增湿器7与消音器17连通，使电堆模块21输出的空气加湿后再排出至氢燃料电池系统外。通风管道49上还可设置通风流量计13，用以监测通风量。

在一较佳实施例中，空气供给模块还包括相互串联且位于空气压缩机5和消音器17之间的旁路流量计15和旁通阀16。

氢燃料电池在低功率输出时其对空气的需求量较少，但此时空气进气压力比较高，容易发生空气压缩机5喘振现象而造成对空气压缩机5的损坏。本实施例在空气压缩机5上并联一路设有旁路流量计15和旁通阀16的旁路，其目的在于当旁路流量计15测得空气压缩机5进入喘振边界时，开启旁通阀16来分散空气流量，从而防止喘振现象的发生。该旁通阀16通过消音器17连接到排气阀18上，目的在于降低噪音。

在一较佳实施例中，氢燃料电池系统还包括控制器47和氢气浓度传感器19，氢气浓度传感器19设置于排气阀18的出口位置，控制器47与氢气浓度传感器19电连接。

本实施例中，控制器47负责整个氢燃料电池的各检测部件(如传感器、流量计等)的数据采集，以及各阀体(如排气阀、节气门、节温器等)、电动设备(如空气压缩机、水泵等)、电堆模块21的动作控制，并且还负责与上位机48互相通信。当氢气浓度传感器19检测到排气阀18所排出的气体中氢气的浓度过高时，说明电堆模块21存在氢气泄露问题，则控制器47立刻向上位机48发送故障代码并令整个系统停止运行，以确保设备安全。

在一较佳实施例中，氢燃料电池系统还包括设置于电堆模块21的通风出口的温度传感器14，温度传感器14与控制器47电连接。

本实施例中的温度传感器14的作用是检测电堆模块21内部的温度，当监测到电堆模块21中的温度升高(非寒冷环境下)时，控制器47控制增加通风管道49的通风量，该通风量由通风流量计13进行反馈。

在一较佳实施例中，氢燃料电池系统还包括氢气供给模块，电堆模块21还设有与氢气供给系统连通的氢气入口和氢气出口；氢气供给模块包括储氢罐22、供氢电磁阀23、氢气喷射器27、气水分离器30、氢气循环泵31、补水阀35和尾排电磁阀33；

储氢罐22、供氢电磁阀23和氢气喷射器27依次连接，且氢气喷射器27的出气口与电堆模块21的氢气入口连接；气水分离器30的入口与电堆模块21的氢气出口连接，氢气循环泵31的入口和出口分别连接气水分离器30的出口和电堆模块21的氢气入口，气水分离器30的出口还与补水阀35的入口连接，补水阀35的出口与水泵37的入口连接；尾排电磁阀33的进气口与电堆模块21的氢气出口连接，尾排电磁阀33的出气口与排气阀18连接。

本实施例中，氢气入口和氢气出口即电堆模块21的氢气导流通道的两端，分别用于输入氢气和输出氢气。储氢罐22用于储存氢气，供氢电磁阀23用于控制储氢罐22的氢气输出流量，氢气喷射器27用于向电堆模块21中输入气态氢气。

气水分离器30的作用是将电堆模块21排出的氢气与液态水分离，防止液态水经氢气循环泵31进入电堆模块21，使部分质子交换膜局部积水而出现单电池电压低的故障。气水分离器30的设置，令循环使用的氢气在输入电堆模块21中时始终保持干燥，从而降低了电堆模块21中氢气导流通道在低温环境下冻结的可能性。

其中，分离出的气体经由氢气循环泵30重新汇入电堆模块21的氢气入口以实现氢气的循环利用，液态水集到一定量就会自动排放到大气环境中，当储液箱41中冷却液不足时，气水分离器30中的液态水还可经由设置在气水分离器30的下水位的补水阀35传输给水泵37，以作为冷却液的补充。相应的，储液箱41上装有液位计40，用以监测储液箱41中的冷却液含量，控制器47根据该冷却液含量反馈以控制补水阀35的开闭。电堆模块21的氢气出口还通过尾排电磁阀33连接到排气阀18上，用以排出电堆模块21中输出的氢废气。

本实施例中，供氢电磁阀23和氢气喷射器27之间，还设有减压阀24、压力传感器25和温度传感器26。电堆模块的氢气入口设有温压一体传感器28，电堆模块21的氢气出口设有温度传感器29，在供氢电磁阀23的出气口与尾排电磁阀33的出气口之间，还设置有安全阀34，用于当电堆模块21的氢气入口处的压力过高时自动打开泄压，使供氢电磁阀23输出的氢气部分汇入排气阀18以排出，从而保护电堆模块21的安全。

在一较佳实施例中，尾排电磁阀33和氢气循环泵31上均设有加热组件。

本实施例中，尾排电磁阀33内部具有低功率加热电阻丝，氢气循环泵31上的加热组件包括包裹于氢气循环泵31外的保温棉和保温棉内的加热丝，尾排电磁阀33和氢气循环泵31上的加热组件只需要保持该尾排电磁阀33和氢气循环泵31于一定温度下，使从该尾排电磁阀33和氢气循环泵31中经过的气态水不会凝结成冰即可，因此其功率很小，如24v的电源即可满足需求。

氢气循环泵31的加热作用令进入电堆模块21中的氢气保持一定温度，防止电堆模块21的氢气导流通道中产生结冰冻结的情况。尾排电磁阀33的加热作用令氢废气排出顺畅。二者的互相配合下，以及冷却模块中节温器39调节冷却液温度、空气供给模块中吹扫电磁阀12、气水分离器30的气水分离的作用下，本氢燃料电池系统即使在寒冷环境下，依然可以迅速启动。

在一较佳实施例中，氢气循环泵31的出口与电堆模块21的氢气入口之间还设有控制阀32。

该控制阀32可以防止尾排电磁阀33开启时，由于氢气入口和氢气出口压差太大，而导致供入的氢气从氢气循环泵31及气水分离器30处倒流，致使电堆模块21短暂断气的情况发生。

在一较佳实施例中，氢燃料电池系统还包括两端分别连接空气压缩机5与电堆模块21的冷却液入口的冷却路吹扫电磁阀20、和设置于水泵37上的排液阀36，空气压缩机5、冷却路吹扫电磁阀20、电堆模块21和排液阀36依次连通构成排液通道。

排液阀36设置于水泵的最低处，用于当需要排除冷却液时打开。当本氢燃料电池系统应用的环境变换为寒冷环境时，需要将冷却液从去离子水更换为防冻液(或者是将防冻液更换为去离子水的情况)，则先关闭入堆节气门8、尾排节气门11、尾排电磁阀33和供氢电磁阀23，打开排液阀36，将电堆模块21中的冷却液排出，再打开空气压缩机5和冷却路吹扫电磁阀20，将电堆模块21中的冷却液全部吹扫干净防止遗留。

在寒冷的环境下，每次关机前都要进行冷吹扫，尽可能将电堆模块21中的水吹干，防止由于结冰而破坏质子交换膜或令下次开机启动困难。冷吹扫使用没有经过增湿的干燥空气，并加大到额定功率下的空气流量。同时开启尾排电磁阀33和氢气循环泵31的加热功能，相应提高氢气循环泵31转速以增加回流比，同时增加尾排电磁阀33的开启频率。此外气水分离器30能将大量气态水冷凝而分离，进入电堆模块21的氢气就不会携带大量液态水，结合大流量的气体持续冷吹扫，会将电堆模块21内空气导流通道中积聚的水吹干净。同时在冷吹扫时，通过中冷器6的热空气会换热给冷却液加热，节温器39会调节大小循环的流量使电堆模块21内的温度一直保持在45℃以上，防止部分气态水冷凝。在寒冷的环境中，下次开机前上低压24v控制电之后，尾排电磁阀33和氢气循环泵31的加热就会迅速工作，致使尾排电磁阀33和氢气循环泵31顺利工作而畅通无阻，整个发动机就会迅速启动成功，冷启动成功率非常高。该系统能满足寒冷环境下的快速冷启动，而不需要外加大功率的加热系统。

以上的仅为本发明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发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明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发明保护的范围内。