燃料电池系统的制作方法

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统。

背景技术：

近年来，氢能作为清洁能源受到了广泛的关注，氢能产业在很多国家得到了大力的支持和发展。氢能产品正在逐渐向市场化迈进。

燃料电池是一种将氢的化学能转变为电能的发电装置，其具有无污染、工作温度低、噪声低等优点，在众多领域得到了广泛的研发和应用。燃料电池作为一种清洁能源产品已经开拓了一个崭新的能源利用方式。

燃料电池的运行需要一套辅助系统的配合，整套辅助系统由氢气管理、空气管理、水热管理及控制系统组成，空气管理系统和氢气管理系统分别为燃料电池提供空气和氢气，进入燃料电池的空气与氢气相互反应产生电能。为确保燃料电池系统的运行性能，空气和氢气的实际供应量往往高于电池反应所需的理论供应量，这将造成氢气的浪费，降低氢气的利用效率。针对此问题，在燃料电池的氢气管理系统中通常会加装氢气回流装置。

相关技术中，氢气回流装置通常采用电驱动的回流泵方式，这就需要在燃料电池系统上增加额外的驱动部件以及外接电源，导致整个燃料电池系统的结构复杂，存在改进空间。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种燃料电池系统，所述燃料电池系统在不增加外部驱动设备的基础上，可以实现氢气的回流。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，包括：燃料电池电堆；空气供应系统，所述空气供应系统包括空气压缩机，所述空气压缩机的出口与所述燃料电池电堆的阴极入口相连；燃料供应系统，所述燃料供应系统包括氢气瓶和氢气回流装置，所述氢气瓶的出口与所述燃料电池电堆的阳极入口相连，所述氢气回流装置包括缸体和活塞，所述活塞设在所述缸体内以在所述缸体内分隔出第一腔和第二腔，所述第一腔的入口与所述空气压缩机的出口相连，所述第二腔的入口与所述燃料电池电堆的阳极出口相连，所述第二腔的出口用于排出采集的阳极排气。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，在不增加外部驱动设备的基础上，可以实现氢气的回流，燃料电池系统的氢气利用率高，且对外部电能的依赖少。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述氢气回流装置还包括：储氢腔，所述储氢腔的入口与所述第二腔的出口相连，所述储氢腔的出口与所述燃料电池电堆的阳极入口相连。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述储氢腔的入口与所述第二腔的出口之间设有单向阀，所述单向阀从所述第二腔的出口到所述储氢腔的入口单向导通。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述氢气瓶的出口与所述燃料电池电堆的阳极入口之间设有供氢控制阀，所述储氢腔的出口与所述供氢控制阀的入口之间设有回流控制阀。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述储氢腔的出口与所述回流控制阀之间设有第一氢气压力传感器，所述氢气瓶的出口处设有第二氢气压力传感器，所述回流控制阀设置为在所述第一氢气压力传感器监测的压力大于所述第二氢气压力传感器监测的压力时开启。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述第一腔的入口与所述空气压缩机的出口之间设有第一驱动控制阀。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述第一驱动控制阀与所述第一腔的入口之间设有第二驱动控制阀，所述第一驱动控制阀和所述第二驱动控制阀之间设有空气压力传感器。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述第一驱动控制阀设置为根据所述空气压力传感器监测的压力调节开度，所述第二驱动控制阀设置为根据所述空气压力传感器监测的压力调节开关频率。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述缸体设有所述第一腔的出口，所述第一腔的出口与大气连通，所述第一腔的出口可选择性地与所述第一腔连通。

根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统，所述活塞包括沿轴向设置的两个，且其中一个活塞与缸体之间设有复位件。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的燃料电池系统的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的氢气回流装置的结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的燃料电池系统的氢气回流控制方法。

附图标记：

空气压缩机1，氢气回流装置2，燃料电池电堆3，氢气瓶4，供空气控制阀5，第一驱动控制阀6，回流控制阀7，供氢控制阀8，排气控制阀9，第一氢气压力传感器10，第二氢气压力传感器11，空气压力传感器12，第一腔13，第二腔14，第二驱动控制阀15，单向阀16，吸气控制阀17，储氢腔18，第一腔的入口19，第一腔的出口20，第二腔的入口21，第二腔的出口22，储氢腔的入口23，储氢腔的出口24，第一活塞25，第二活塞26，控制器30。

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，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面参考图1-图3描述根据本实用新型实施例的燃料电池系统。

如图1-图3所示，根据本实用新型一个实施例的燃料电池系统包括：燃料电池电堆3、空气供应系统和燃料供应系统。

其中，燃料电池电堆3可以为质子交换膜、碱性或者固体氧化物等类型燃料电池堆组，燃料电池电堆3具有阳极入口、阴极入口、阳极出口、阴极出口，燃料(阳极气体，可以为氢气)从阳极入口进入，氧化剂(阴极气体，可以为空气)从阴极入口，并在燃料电池电堆3发生电化学反应后，阳极出口排出阳极排气，阴极出口排出阴极排气。

空气供应系统与燃料电池电堆3的阴极入口相连，空气供应系统为燃料电池电堆3提供阴极气体，空气供应系统供应的阴极气体可以为空气，空气供应系统可以控制并监测空气供应压力、温湿度等参数。空气供应系统包括空气压缩机1，空气压缩机1的出口与燃料电池电堆3的阴极入口相连。

燃料供应系统为燃料电池电堆3提供阳极气体，控制并监测燃料供应的压力、温度、流量等供应参数。燃料供应系统与燃料电池电堆3的阳极入口相连，燃料供应系统用于向燃料电池电堆3供应燃料——氢气。

燃料供应系统包括氢气瓶4和氢气回流装置2，氢气瓶4的出口与燃料电池电堆3的阳极入口相连，氢气回流装置2包括缸体和活塞，活塞设在缸体内以在缸体内分隔出第一腔13和第二腔14，第一腔13的入口19与空气压缩机1的出口相连，第二腔14的入口21与燃料电池电堆3的阳极出口相连，第二腔14的出口22用于排出采集的阳极排气。活塞与缸体之间还可以设有复位件，复位件可以为弹簧。缸体设有第一腔13的出口20，第一腔13的出口20与大气连通，第一腔13的出口20可选择性地与第一腔13连通。活塞可以包括沿轴向设置的两个，即图2中的第一活塞25和第二活塞26，且其中一个活塞(第一活塞25)与缸体之间设有复位件。

在燃料电池系统工作时，空气压缩机1启动，以向燃料电池电堆3的阴极入口供应空气，燃料供应系统向燃料电池电堆3的阳极入口供应氢气，氢气与空气中的氧气在燃料电池电堆3内发生电化学反应，未反应的阳极排气从阳极出口排出。

空气压缩机1还用于驱动氢气回流装置2的活塞运动，空气压缩机1还输出的高压空气从第一腔13的入口19进入第一腔13，驱动活塞运动以压缩第二腔14，以使第二腔14内的阳极排气排出以供再次进入阳极入口反应，当活塞在复位件的作用下复位时，活塞朝背离第二腔14的方向运动，第二腔14产生负压以将阳极出口处的阳极排气吸入第二腔14，便于下次活塞压缩第二腔14时排出阳极排气。

可以理解的是，本实用新型实施例的燃料电池系统，通过设置上述氢气回流装置2，可以利用空气供应系统的空气压缩机1提供的压缩空气驱动往复式活塞运动，来驱动阳极排气回流，提高氢气利用效率，且无需增加外设的电驱设备，减少附加电能的输入。

根据本实用新型实施例的燃料电池系统，在不增加外部驱动设备的基础上，可以实现氢气的回流，燃料电池系统的氢气利用率高，且对外部电能的依赖少。

如图2所示，氢气回流装置2还包括：储氢腔18，储氢腔18的入口23与第二腔14的出口22相连，储氢腔18的出口24与燃料电池电堆3的阳极入口相连，储氢腔18用于将回流的氢气存储，以在回流的氢气足够多时再提供给阳极入口。

储氢腔18的入口23与第二腔14的出口22之间设有单向阀16，单向阀16从第二腔14的出口22到储氢腔18的入口23单向导通。单向阀16用于防止活塞往复运动时，存储在储氢腔18中的氢气反向流动。

如图1所示，第二腔14的入口21处设有吸气控制阀17，氢气瓶4的出口与燃料电池电堆3的阳极入口之间设有供氢控制阀8，储氢腔18的出口24与供氢控制阀8的入口之间设有回流控制阀7，储氢腔18的出口24与回流控制阀7之间设有第一氢气压力传感器10，氢气瓶4的出口处设有第二氢气压力传感器11，燃料电池系统还包括：控制器30，控制器30与第一氢气压力传感器10、第二氢气压力传感器11、回流控制阀7相连，且控制器30设置为在第一氢气压力传感器10监测的压力大于第二氢气压力传感器11监测的压力时控制回流控制阀7开启，回流控制阀7设置为在第一氢气压力传感器10监测的压力大于第二氢气压力传感器11监测的压力时开启。

也就是说，第二腔14内排出的阳极排气先在储氢腔18内存储，当储氢腔18内的气压大于氢气瓶4的出口的压力时，回流控制阀7才开启，以防止氢气瓶4的氢气直接进入储氢腔18。

如图2所示，第一腔13的入口19与空气压缩机1的出口之间设有第一驱动控制阀6，第一驱动控制阀6与第一腔13的入口19之间设有第二驱动控制阀15，第一驱动控制阀6和第二驱动控制阀15之间设有空气压力传感器12。

第一驱动控制阀6设置为根据空气压力传感器12监测的压力调节开度，第二驱动控制阀15设置为根据空气压力传感器12监测的压力调节开关频率。

也就是说，在燃料电池系统工作时，第二驱动控制阀15不是常开的，其按照设定的程序以一定的频率开启。

燃料电池系统还包括控制器30，上述供空气控制阀5、第一驱动控制阀6、回流控制阀7、供氢控制阀8、排气控制阀9、第二驱动控制阀15、吸气控制阀17可以均为电磁阀，其均与控制器30电连接，第一氢气压力传感器10、第二氢气压力传感器11、空气压力传感器12均与控制器30电连接，控制器30根据压力传感器输出的信号控制控制阀。

如图1和图2所示，根据本实用新型实施例的燃料电池系统，包括：燃料电池电堆3；空气供应系统，空气供应系统包括空气压缩机1，空气压缩机1的出口与燃料电池电堆3的阴极入口相连；燃料供应系统，燃料供应系统包括氢气瓶4和氢气回流装置2，氢气瓶4的出口与燃料电池电堆3的阳极入口相连，且氢气瓶4的出口与燃料电池电堆3的阳极入口之间顺次设有第二氢气压力传感器11和供氢控制阀8；氢气回流装置2包括缸体、活塞和储氢腔18，活塞设在缸体内以在缸体内分隔出第一腔13和第二腔14，第一腔13的入口与空气压缩机1之间顺次设有第二驱动控制阀15、空气压力传感器12、第一驱动控制阀6，第二腔14的入口与燃料电池电堆3的阳极出口相连，且第二腔14的入口设有吸气控制阀17，储氢腔18的入口与第二腔14的出口相连，储氢腔18的出口与燃料电池电堆3的阳极入口之间顺次设有第一氢气压力传感器10、回流控制阀7、供氢控制阀8；控制器30，控制器30与第一氢气压力传感器10、第二氢气压力传感器11、空气压力传感器12、回流控制阀7、第一驱动控制阀6、第二驱动控制阀15相连。

如图3所示，燃料电池系统的氢气回流控制方法包括：系统启动，读取目标功率，提供适量空气和氢气；打开第一驱动控制阀6和吸气控制阀17、关闭流控制阀；按设定频率控制第二驱动控制阀15开关，利用压缩空气驱动活塞运动，进而压缩燃料电池电堆3出口的阳极排气，并实现回流氢气的蓄压；监测空气压力传感器12的读数，按设定程序控制第一驱动控制阀6的开度和第二驱动控制阀15的开关频率，确保燃料电池电堆3在不同运行工况下进入氢气回流装置2内压缩空气的压力；监测第一氢气压力传感器10和第二氢气压力传感器11的读数，当第一氢气压力传感器10的数值大于第二氢气压力传感器11的数值时，打开回流控制阀7，实现氢气回流，当第一氢气压力传感器10的数值不大于第二氢气压力传感器11的数值时，维持回流控制阀7关闭。

本实用新型实施例的燃料电池系统的氢气回流控制方法操作简单，运行稳定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。