本发明实施例涉及新能源技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及燃料电池设备。
背景技术：
随着人类居住环境越来越恶劣，尤其雾霾影响范围的扩大，世界已达成禁售燃油车共识。截止目前，全球已有6个国家公开发表声明称将全面禁售纯汽油车和柴油车，时间节点上陆续在2025年开始落实。国家工信部也发声表示，我国已启动传统能源车停售时间表研究。
燃料电池汽车作为零排放的新能源汽车之一，备受业界关注。对此，各大汽车企业已陆续推出燃料电池汽车，尤其丰田和现代等，都已推出第三代燃料电池汽车，续航能力突破500km，其他性能也不亚于传统燃油车，并已开始小批量生产，加气站的建设也开始规划落实。
现有燃料电池为满足汽车所需驱动力，确保燃料电池的输出功率，电堆单池节数一般200节以上，丰田单个电堆都已达到了370节。电堆单池节数过高，电堆内流体均流性差，很难保证单池一致性，直接影响电池性能。另外，燃料电池输出功率受限于空气供给模块的空气供给能力，例如受限于该模块中增湿器和压缩风机的功率，市场上最大增湿器匹配电池功率一般不超过70kw，即使继续增大增湿器的功率，其增湿能力也难以提升；且现有的燃料电池只能安装一个空气供给模块，直接导致燃料电池输出功率受限。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种燃料电池系统及燃料电池设备，以克服现有技术中，采用单个电堆，电堆单池节数过高，电堆内部流体均流性差等造成电堆最优性能发挥不出来的问题；以及克服空气供给模块的空气供给能力和增湿能力限制燃料电池输出功率的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池系统，包括：
电堆模块、负极供氧模块、冷却模块及正极供氢模块；
电堆模块包括n个子燃料电池堆，负极供氧模块包括m个空气供给模块；其中，n≥1，1≤m≤n，m和n为整数；
冷却模块用于控制n个子燃料电池堆的温度；
正极供氢模块用于向n个子燃料电池堆的正极提供氢气；
每一空气供给模块用于向n个子燃料电池堆中n/m个子燃料电池堆的负极提供氧气。
可选的，每个空气供给模块包括通过空气进气总管道连接的压缩风机及增湿器，压缩风机的出风口与增湿器的进风口连接；与增湿器的出风口连接的空气进气总管道分成n/m个空气进气支管道，每个空气进气支管道与对应的子燃料电池堆的空气进气口连接。
可选的，空气供给模块还包括空气过滤器，空气过滤器的出风口与压缩风机的进风口连接。
可选的，每个空气供给模块还包括n/m个空气排气支管道，每个空气排气支管道与对应的子燃料电池堆的空气排气口连接，空气排气支管道通过空气排气总管道与增湿器的排气入口连接。
可选的，冷却模块包括通过冷却水进水总管道连接的液体冷却装置和水泵，液体冷却装置的出水口与水泵的进水口连接；与水泵出水口连接的进水总管道分成n个进水支管道，每个进水支管道与对应的子燃料电池堆的进水口连接；子燃料电池堆的排水口连接有排水支管道，排水支管道通过排水总管道与液体冷却装置的进水口连接。
可选的，正极供氢模块包括氢气气源，与氢气气源连接的氢气进气总管道分成n个氢气进气支管道，每个氢气进气支管道与对应的子燃料电池堆的氢气进气口连接；子燃料电池堆的氢气排气口连接有氢气排气支管道，氢气排气支管道与氢气排气总管道连接。
可选的，氢气气源为储氢瓶，与氢气气源连接的氢气进气总管道上还依次设置有减压阀、流量计以及第一电磁阀；氢气排气总管道上还设有第二电磁阀。
可选的，正极供氢模块还包括氢气消耗装置，氢气消耗装置的氢气进气口与氢气排气总管道连接；
氢气消耗装置的空气进气口与增湿器的排气出口连接。
第二方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池设备，该燃料电池设备包括电堆壳罩及本发明第一方面所述的燃料电池系统；
其中，电堆模块设置于电堆壳罩内，电堆壳罩的第一端面上设置有与n个子燃料电池堆对应的n个正极供氢接口、n个冷却管路接口及n个负极供氧接口；正极供氢接口一端与对应的子燃料电池堆连接，另一端与正极供氢模块连接；冷却管路接口一端与对应的子燃料电池堆连接，另一端与冷却模块连接；负极供氧接口一端与对应的子燃料电池堆连接，另一端与负极供氢模块连接。
可选的，与电堆壳罩的第一端面相对的第二端面的面积小于第一端面的面积。
本发明实施例提供的燃料电池系统采用n个子燃料电池堆，m个空气供给模块分别向n个子燃料电池堆中n/m个子燃料电池堆的负极提供氧气，克服了单电堆单池节数过高，内部流体均流性差等造成电堆最优性能发挥不出来的问题；以及克服了空气供给模块的空气供给能力和増湿能力限制燃料电池输出功率的问题，提高了燃料电池设备的输出功率。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种燃料电池系统的示意图；
图2是本发明实施例二提供的另一种燃料电池系统的示意图；
图3是本发明实施例三提供的又一种燃料电池系统的示意图；
图4是本发明实施例四提供的燃料电池设备中电堆模块的后轴侧图；
图5是本发明实施例四提供的燃料电池设备的后轴侧图；
图6是本发明实施例四提供的燃料电池设备的底轴侧图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
本发明实施例一提供一种燃料电池系统，该系统包括：
电堆模块、负极供氧模块、冷却模块及正极供氢模块；
电堆模块包括n个子燃料电池堆，负极供氧模块包括m个空气供给模块；其中，n≥1，1≤m≤n，m和n为整数；
冷却模块用于控制n个子燃料电池堆的温度；
正极供氢模块用于向n个子燃料电池堆的正极提供氢气；
每一空气供给模块用于向n个子燃料电池堆中n/m个子燃料电池堆的负极提供氧气。
具体的，氢气由燃料电池的正极进入，经由催化剂的作用，使得正极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron)，其中质子被转移到负极，电子则经由外电路形成电流后，到达负极。在负极催化剂的作用下，质子、氧及电子，发生反应形成水分子。
在燃料电池工作过程中，将化学能转化为电能的同时，反应过程也会产生部分热量。冷却模块用于控制n个子燃料电池堆的温度，避免子燃料电池堆内温度过高，影响反应的进行。
图1是本发明实施例一提供的一种燃料电池系统的示意图，参考图1，该实施例以四个子燃料电池堆，两个空气供给模块为例，对本发明燃料电池系统进行说明。该燃料电池系统包括。
电堆模块、负极供氧模块、冷却模块30及正极供氢模块40；
电堆模块包括四个子燃料电池堆11、12、13和14，负极供氧模块包括两个第一空气供给模块21和第二空气供给模块22。其中第一空气供给模块21用于向子燃料电池堆11和12的负极提供氧气；第二空气供给模块22用于向子燃料电池堆13和14的负极提供氧气。
需要说明的是，子燃料电池堆的个数n以及空气供氢模块m的具体个数可以根据所需输出功率的大小确定。当n为m的整数倍时，每一空气供给模块刚好对应n个子燃料电池堆中n/m个子燃料电池堆。示例性的，n可以为4，m可以为2，每个空气供给模块刚好对应两个子燃料电池堆。当n不为m的整数倍时，可根据实际情况调节，使每一空气供给模块对应的子燃料电池堆的个数相差尽可能少。示例性的，n可以为5，m可以为2，其中一个空气供给模块对应两个子燃料电池堆，另一个空气供给模块对应三个子燃料电池堆；也可以是n为5，m为3，其中一个空气供给模块对应一个子燃料电池堆，其余的每个空气供给模块对应两个子燃料电池堆。
本实施例中每个子燃料电池堆的电堆单池节数可以小于现有技术中单个电堆的电堆单池节数，以保证子燃料电池堆中较佳的流体均流性；同时，电堆模块中总的电堆单池节数并不会比现有技术中单个电堆的电堆单池节数少(甚至多于现有技术)，因此，燃料电池系统具有较高的输出功率。
现有技术中单个电堆的燃料电池系统只能安装一个空气供给模块，由于空气供给模块空气供给能力和増湿能力的限制(例如增湿器和压缩风机的功率对空气供给模块的空气供给能力的限制)，电堆单池节数不能过高。而本实施例中，采用m个空气供给模块，每一空气供给模块用于向n个子燃料电池堆中n/m个子燃料电池堆的负极提供氧气，每个子燃料电池堆的电堆单池节数可以小于现有技术中单个电堆的电堆单池节数，保证每个子燃料电池堆的输出功率不受空气供给模块的空气供给能力的限制，同时电堆模块中总的电堆单池节数大于现有技术中单个电堆的电堆单池节数，提高了燃料电池系统的输出功率。
本实施例提供的燃料电池系统，采用n个子燃料电池堆，m个空气供给模块分别向n个子燃料电池堆中n/m个子燃料电池堆的负极提供氧气，克服了单电堆单池节数过高，内部流体均流性差等造成电堆最优性能发挥不出来的问题；以及克服了空气供给模块的空气供给能力和増湿能力限制燃料电池输出功率的问题，提高了燃料电池设备的输出功率。
实施例二
图2是本发明实施例二提供另一种燃料电池系统，本实施例在上述实施例一的基础上，以电堆模块包括两个子燃料电池堆为例对燃料电池系统的具体结构进行说明，参考图2，该燃料电池系统包括：
电堆模块、负极供氧模块、冷却模块及正极供氢模块；
电堆模块包括a1和a2两个子燃料电池堆，负极供氧模块包括一个空气供给模块，空气供给模块包括通过空气进气总管道114连接的压缩风机112及增湿器113，压缩风机112的出风口与增湿器113的进风口连接；与增湿器113的出风口连接的空气进气总管道114分成两个空气进气支管道，每个空气进气支管道与对应的子燃料电池堆的空气进气口连接。压缩风机112用于将空气加压并送入燃料电池堆的负极，增湿器113用于在将空气送入燃料电池堆的负极之前，对空气进行加湿处理，保证燃料电池堆内良好的湿润环境。
可选的，空气供给模块还可以包括空气过滤器111，空气过滤器111的出风口与压缩风机112的进风口连接。空气过滤器111用于在将空气送入燃料电池堆负极之前，对空气进行过滤，去除空气中的大颗粒物质和其他有害气体。
可选的，空气供给模块还包括两个空气排气支管道，每个空气排气支管道与对应的子燃料电池堆的空气排气口连接，空气排气支管道通过空气排气总管道115与增湿器113的排气入口113a连接。在燃料电池系统工作过程中，没有参与反应的部分空气经空气排气口排出，并通过空气排气总管道115汇集后送入增湿器113内；同时，该部分气体携带反应产生的部分热量，对增湿器113加热，增湿器113内部维持合适的湿度，以便对由增湿器113进风口进入的空气进行加湿处理。而后，该部分气体由增湿器113的排气出口113b排出。
可选的，冷却模块包括通过冷却水进水总管道123连接的液体冷却装置121和水泵122，液体冷却装置121的出水口与水泵122的进水口连接；与水泵122出水口连接的进水总管道123分成两个进水支管道，每个进水支管道与对应的子燃料电池堆的进水口连接；子燃料电池堆的排水口连接有排水支管道，排水支管道通过排水总管道124与液体冷却装置121的进水口连接。冷却模块形成循环冷却回路，将燃料电池系统工作过程中电堆模块内部产生的热量通过冷却水带出来，并经液体冷却装置121对冷却水进行降温后，再由水泵122送入电堆模块内部。使电堆模块内的温度维持在正常工作温度范围内，避免子燃料电池堆内温度过高，影响反应的进行。
可选的，正极供氢模块包括氢气气源131，氢气气源131可以为储氢瓶，与氢气气源131连接的氢气进气总管道136分成两个氢气进气支管道，每个氢气进气支管道与对应的子燃料电池堆的氢气进气口连接；子燃料电池堆的氢气排气口连接有氢气排气支管道，氢气排气支管道与氢气排气总管道137连接。
可选的，氢气进气总管道136上还依次设置有减压阀132、流量计133以及第一电磁阀134；氢气排气总管道137上还设有第二电磁阀135。其中，减压阀132用于将从氢气气源131进入的气体减压至燃料电池系统所需要的工作气压范围；流量计133用于实时监测管道内氢气的流量；第一电磁阀134和第二电磁阀135用于控制氢气气流的导通或断开。
可选的，正极供氢模块还包括氢气消耗装置140，氢气消耗装置140的氢气进气口与氢气排气总管道137连接；氢气消耗装置140的空气进气口与增湿器113的排气出口113b连接。在燃料电池系统工作过程中，没有参与反应的剩余氢气经氢气排气口排出，并通过氢气排气总管道137汇集后送入氢气消耗装置140内；同时没有参与反应的部分空气经增湿器113后，也被送入氢气消耗装置140内。剩余的氢气在氢气消耗装置140中，继续反应，最终形成水。
实施例三
图3是本发明实施例三提供又一种燃料电池系统，本实施例在上述实施例一和实施例二的基础上，以电堆模块包括四个子燃料电池堆为例对燃料电池系统的具体结构进行说明，参考图3，该燃料电池系统包括：
电堆模块、负极供氧模块、冷却模块及正极供氢模块；
电堆模块包括b1、b2、b3和b4四个子燃料电池堆，负极供氧模块包括两个空气供给模块，每个空气供给模块包括通过空气进气总管道214连接的空气过滤器211、压缩风机212及增湿器213，空气过滤器211的出风口与压缩风机212的进风口连接压缩风机212的出风口与增湿器213的进风口连接；与增湿器213的出风口连接的空气进气总管道214分成两个空气进气支管道，每个空气进气支管道与对应的子燃料电池堆的空气进气口连接。
每个空气供给模块还包括两个空气排气支管道，每个空气排气支管道与对应的子燃料电池堆的空气排气口连接，空气排气支管道通过空气排气总管道215与增湿器213的排气入口213a连接。
冷却模块包括通过冷却水进水总管道223连接的液体冷却装置221和水泵222，液体冷却装置221的出水口与水泵222的进水口连接；与水泵222出水口连接的进水总管道223分成四个进水支管道，每个进水支管道与对应的子燃料电池堆的进水口连接；子燃料电池堆的排水口连接有排水支管道，排水支管道通过排水总管道224与液体冷却装置221的进水口连接，形成循环冷却回路。
正极供氢模块包括氢气气源，氢气气源可以为储氢瓶231，与氢气气源连接的氢气进气总管道236分成四个氢气进气支管道，每个氢气进气支管道与对应的子燃料电池堆的氢气进气口连接；子燃料电池堆的氢气排气口连接有氢气排气支管道，氢气排气支管道与氢气排气总管道237连接。
正极供氢模块还包括氢气消耗装置240，氢气消耗装置240的氢气进气口与氢气排气总管道237连接；
氢气消耗装置240的空气进气口与增湿器213的排气出口213b连接。
氢气进气总管道上还依次设置有减压阀232、流量计233以及第一电磁阀234；氢气排气总管道上还设有第二电磁阀235。
需要说明的是，上述各实施例也可以根据工况需求，在相应位置增加压力传感器、温度传感器和湿度传感器，用于检测系统内的气压、温度和湿度；在氢气进气支管道和氢气排气支管道上设置电磁阀，以实现对单个子燃料电池堆进行控制，以适应不同的输出功率的要求；冷却水由于长时间循环，水中离子溶度会逐渐增加，可以在冷却模块增设去离子器，去除循环水中的离子，保持循环水具有较好的绝缘性；此外，也可以将本发明实施例中的氢气消耗装置替换成氢气循环泵，实现氢气的循环利用。
实施例四
本发明实施例四提供一种燃料电池设备，该燃料电池设备包括电堆壳罩及本发明任意实施例所述的燃料电池系统；
其中，电堆模块设置于电堆壳罩内，电堆壳罩的第一端面上设置有与n个子燃料电池堆对应的n个正极供氢接口、n个冷却管路接口及n个负极供氧接口；正极供氢接口一端与对应的子燃料电池堆连接，另一端与正极供氢模块连接；冷却管路接口一端与对应的子燃料电池堆连接，另一端与冷却模块连接；负极供氧接口一端与对应的子燃料电池堆连接，另一端与负极供氢模块连接。
图4是本发明实施例四提供的燃料电池设备中电堆模块的后轴侧示意图，
图5是本发明实施例四提供的燃料电池设备的后轴侧示意图，图6是本发明实施例四提供的燃料电池设备的底轴侧示意图。示例性的，参考图4、图5和图6，该燃料电池设备的电堆模块包括两个子燃料电池堆，两个子燃料电池堆上下堆叠镶嵌在电堆壳罩300内，电堆壳罩300的第一端面上设置有与两个子燃料电池堆对应的两个正极供氢接口、两个冷却管路接口及两个负极供氧接口；每个正极供氢接口包括一个氢气进气接口a11和一个氢气排气接口a12；每个冷却管路接口包括一个进水接口a21和一个排水接口a22；每个负极供氧接口包括一个空气进气接口a31和一个空气排气接口a32。正极供氢接口一端与对应的子燃料电池堆的氢气进气口和氢气排气口连接，另一端与正极供氢模块的氢气进气支管道和氢气排气支管道连接；冷却管路接口一端与对应的子燃料电池堆的进水口和排水口连接，另一端与冷却模块的进水支管道和排水支管道连接；负极供氧接口一端与对应的子燃料电池堆的空气进气口和空气排气口连接，另一端与负极供氧模块的空气进气支管道和空气排气支管道连接。
负极供氧模块包括位于电堆壳罩300下方的空气过滤器111、压缩风机112及增湿器113；空气过滤器111的出风口与压缩风机112的进风口连接，压缩风机112的出风口与增湿器113的进风口连接；与增湿器113的出风口连接的空气进气总管道分成两个空气进气支管道，分别与两个空气进气接口a31连接；与两个空气排气接口a32连接的空气排气支管道，通过空气排气总管道与增湿器113的排气入口连接；增湿器113还包括排气出口，排气出口与氢气消耗装置(图中未示出)连接。
冷却模块包括位于电堆壳罩300下方的水泵122，与水泵122出水口连接的进水总管道分成两个进水支管道，分别与两个进水接口a21连接；两个排水接口a22连接有排水支管道，排水支管道与排水总管道连接，排水总管道与液体冷却装置(图中未示出)的进水口连接，液体冷却装置(图中未示出)的出水口与水泵122的进水口连接，形成冷却循环回路。
正极管路模块包括储氢瓶(图中未示出)、第一电磁阀134和第二电磁阀135，第一电磁阀134设置在氢气进气总管道上，氢气进气总管道分成两个氢气进气支管道，分别与两个氢气进气接口a11连接；两个氢气排气接口a12连接有氢气排气支管道，氢气排气支管道与氢气排气总管道连接，氢气排气总管道与氢气消耗装置连接；第二电磁阀135设置在氢气排气总管道上。
其中空气过滤器111、压缩风机112、增湿器113和水泵122分别通过固定支架固定在电堆罩壳的下方。
本实施例提供的燃料电池设备，采用n个子燃料电池堆，m个空气供给模块分别向n个子燃料电池堆中n/m个子燃料电池堆的负极提供氧气，克服了单电堆单池节数过高，内部流体均流性差等造成电堆最优性能发挥不出来的问题；以及克服了空气供给模块的空气供给能力和增湿能力对燃料电池输出功率的限制，提高了燃料电池设备的输出功率。
可选的，与电堆壳罩300的第一端面相对的第二端面的面积小于第一端面的面积。整个电堆模块顶上凸起，后(第一端面侧)大前(第二端面侧)小，造型类似传统发动机模式，便于安装到汽车当中去，代替现有燃油汽车发动机。
需要说明是，该实施例中的燃料电池设备还包括位于电堆壳罩300的第一端面上的正极电缆接口a41和负极电缆接口a42，分别与电堆模块的正极和负极连接，用于向外界输出电能。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。