多电堆燃料电池系统及其操作方法与流程

1.本发明涉及一种多电堆燃料电池系统及其操作方法。


背景技术：

2.面临全球变暖、大气污染以及能源枯竭的严峻挑战，新能源汽车和节能减排成为汽车产业的当务之急，推动着传统内燃机汽车向更加绿色环保的新能源电动汽车转型。在电动汽车中，燃料电池作为一种很有前景的高效环保电源受到了广泛关注。
3.单个燃料电池只能提供有限的输出功率。为了达到期望的电压水平，通常将多个燃料电池单元串联在一起形成燃料电池堆，也称为燃料电堆或电堆。图1示出了传统的燃料电池堆100，其包括串联的多个燃料电池单元u，还包括这些燃料电池单元u共用的空气管路(包括空气压缩机10和空气出口11)、氢气管路(包括氢气储罐20)和冷却剂管路(包括冷却剂储罐30)。空气管路、氢气管路和冷却器管路分别用于供给和排出空气、氢气和冷却剂，统称为介质供应或工厂平衡bop(balance of plant)。
4.然而，这样的燃料电池堆存在的问题是：对于位于电池堆中间位置或末端的燃料电池单元u，bop的流动需要流经多个堆叠单元甚至流经整个燃料电池堆，引起压头损失，单个电池单元获得的气体量不均匀。而且，当电池堆中的单个燃料电池单元出现故障时，单个燃料电池单元的拆卸和维修会导致整个燃料电池堆停工。
5.因此，仍然需要改进燃料电池系统，以便可以根据需要调节和控制燃料电池堆。


技术实现要素：

6.为此，一方面，本公开提供一种多电堆燃料电池系统，其包括：
7.多个燃料电池堆，其中每个燃料电池堆由多个燃料电池构成；
8.氧化剂管路，包括分别与各燃料电池堆连接的氧化剂供应支路和氧化剂排出支路，各氧化剂供应支路设置有氧化剂入口控制阀，各氧化剂排出支路设置有氧化剂出口截止阀；
9.氢气管路，包括分别与各燃料电池堆连接的氢气供应支路和氢气排出支路，各氢气供应支路设置有氢气喷射器，各氢气排出支路设置有氢气出口截止阀；和
10.冷却剂管路，包括分别与各燃料电池堆连接的冷却剂供应支路和冷却剂排出支路，各冷却剂供应支路设置有冷却剂入口控制阀。
11.另一方面，本公开提供所述燃料电池系统的操作方法，其中通过开启与至少一个燃料电池堆连接的氧化剂排出支路的氧化剂出口截止阀和氢气排出支路的氢气出口截止阀，来开启所述至少一个燃料电池堆。
12.再一方面，本公开提供所述燃料电池系统的操作方法，其中通过调节设置于氧化剂供应支路和/或氢气供应支路的至少一个调控装置，来调节至少一个燃料电池堆的湿度。
13.又一发明，本公开提供所述燃料电池系统的操作方法，其中通过设置于燃料电池系统中的电池性能监测装置来监测各燃料电池堆的输出性能。
14.又一方面，本公开提供所述燃料电池系统的操作方法，其中通过关闭与至少一个燃料电池堆连接的氧化剂排出支路的氧化剂出口截止阀和氢气排出支路的氢气出口截止阀，来关闭所述至少一个燃料电池堆。
15.根据本发明的燃料电池可用于电动车辆(如家用汽车、公共汽车、火车)、区域性电站和便携式设备中。
16.参考以下附图，本发明的各种其它特征、方面和优点会变得更加显而易见。这些附图并非按比例绘制，旨在示意性地解释说明各种结构及位置关系，并且不应理解为限制性的。在附图中，在不同的视图中，相同的附图标记通常指代相同的部分。
附图说明
17.图1是根据现有技术的燃料电池堆的bop示意图。
18.图2是根据本公开的燃料电池系统的bop示意图。
19.图3是根据本公开的燃料电池系统的bop示意图。
20.图4是根据本公开的燃料电池系统的bop示意图。
21.图5示出了根据本公开的燃料电池系统的氧化剂管路的示意图。
22.图6示出了根据本公开的燃料电池系统的氢气管路的示意图。
23.图7示出了根据本公开的燃料电池系统的冷却剂管路的示意图。
24.图8示出了根据本公开的燃料电池系统的电路示意图。
25.图9示出了根据本公开的燃料电池系统的电路示意图。
具体实施方式
26.除非另外定义，本文使用的所有技术和科学术语均为本发明所属领域技术人员通常理解的含义。若存在不一致的地方，则以本技术提供的定义为准。
27.在本文的上下文中，除非另有明确说明，“电池”、“燃料电池”和“燃料电池单元”可以交换使用。
28.在本文的上下文中，“多个”用于表示大于1个，例如几个、几十个、几百个，例如2个至200个或更多个。
29.除非另外指出，本文所列出的数值范围旨在包括范围的端点，和该范围之内的所有数值和所有子范围。
30.本文的材料、含量、方法、设备、附图和实例均是示例性的，除非特别说明，不应理解为限制性的。
31.本文所用术语“包含”、“包括”和“具有”均表示可以将不影响最终效果的其他组分或其他步骤包括在内。这些术语涵盖“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”的含义。根据本发明的产品和方法可以包含或包括本公开中描述的必要技术特征，以及额外的和/或任选存在的组分、成分、步骤或本文描述的其他限制性特征；或者可以由本公开中描述的必要技术特征，以及额外的和/或任选存在的组分、成分、步骤或本文描述的其他限制性特征组成；或者基本上由本公开中描述的必要技术特征，以及额外的和/或任选存在的组分、成分、步骤或本文描述的其他限制性特征组成。
32.除非另有明确说明，本公开中所用的所有材料和试剂均商购可得。
33.除非另外指出或者明显矛盾，本文进行的操作都可以在室温和常压下进行。
34.除非另外指出或者明显矛盾，可以任何合适的次序进行本公开中的方法步骤。
35.在表示供应物料的管路的上下文中，“连接”表示以管路导通的方式进行机械连接。
36.以下将详细描述本公开的实例。
37.图2-4是根据本公开的燃料电池系统(例如，包含3个燃料电池堆)的bop示意图。为简化起见，图5示出了图3的燃料电池系统的氧化剂管路的示意图。图6示出了图3的燃料电池系统的氢气管路的示意图。图7示出了根据图3的燃料电池系统的冷却剂管路的示意图。图8-9示出了根据本公开的燃料电池系统的电路示意图。
38.如图2所示，根据本公开的燃料电池系统包括：
39.多个燃料电池堆(100、200、300)，其中每个燃料电池堆由多个燃料电池构成；
40.氧化剂管路(10a、10b)，包括与各燃料电池堆连接的氧化剂供应支路和氧化剂排出支路，各氧化剂供应支路设置有氧化剂入口控制阀(v1、v3、v5)，各氧化剂排出支路设置有氧化剂出口截止阀(v2、v4、v6)；
41.氢气管路(20a、20b)，包括与各燃料电池堆连接的氢气供应支路和氢气排出支路，各氢气供应支路设置有氢气喷射器(h1、h2、h3)，各氢气排出支路设置有氢气出口截止阀(v7、v8、v9)；和
42.冷却剂管路(30a、30b)；包括与各燃料电池堆连接的冷却剂供应支路和冷却剂排出支路，各冷却剂供应支路设置有冷却剂入口控制阀(v10、v11、v12)。
43.在图2-7中，附图标记10表示空气压缩机，11表示空气出口，20表示氢气储罐，21表示氢气循环泵，30表示冷却剂储罐。
44.如图3所示，在一些实例中，各氧化剂供应支路还设置有氧化剂进料的监测装置(m1、m2、m3)和调控装置(c1、c2、c3)；和/或
45.各氢气供应支路还设置有氢气进料的监测装置(m4、m5、m6)和调控装置(c4、c5、c6)；和/或
46.各冷却剂供应支路还设置有冷却剂供应的监测装置(m7、m8、m9)。
47.在一些实例中，监测装置为传感器。
48.在一些实例中，各氧化剂供应支路和各氢气供应支路设置的调控装置为湿度调节器。
49.根据需要，监测装置(m1、m2、m3)用于监测氧化剂进料的状态参数，例如流速、压力、湿度和/或温度等。
50.根据需要，监测装置(m4、m5、m6)用于监测氢气进料的状态参数，例如流速、压力、湿度和/或温度等。
51.监测装置(m7、m8、m9)用于监测冷却剂供应的状态参数，例如温度、流速和/或压力等。
52.根据监测到的氧化剂和/或氢气的进料状态参数和期望的输出功率，可以自由调节各状态参数，例如氧化剂和/或氢气的进料参数，和/或冷却剂的供应参数。
53.例如，通过调节氧化剂入口控制阀来调节各燃料电池堆的氧化剂的流速和/或压力，进而调节各燃料电池堆的输出电压；以及/或者通过调节氢气喷射器来调节各燃料电池
堆的氢气的流速和/或压力，进而调节各燃料电池堆的输出电压。
54.通过湿度调节器来调节各燃料电池堆的氧化剂和/或氢气进料的湿度。
55.通过冷却剂入口控制阀来调节各燃料电池堆的温度。
56.如图8和图9所示，在一些实例中，各燃料电池堆还设置有电池性能监测装置(m10、m11、m12)。根据监测到的各电池堆的输出性能，可以调控各电池堆的进料供应状态参数，进而调控各电池堆以实现期望的输出性能。
57.电池性能监测装置可以是传感器，用来监测电池的电流、电压和/或功率等性能。
58.根据本公开的多电堆燃料电池具有诸多优点：
59.多个燃料电池堆可以整合在一起，例如整合在一个箱子中，共享一套bop。
60.每个燃料电池堆都具有独立的bop支路。具体地，每个燃料电池堆均具有氧化剂出口截止阀和氢气出口截止阀，确保每个燃料电池堆均可独立开关。
61.可以拆卸、维修部分燃料电池堆，而不影响整个燃料电池系统的运行。
62.根据对输出功率和使用寿命的具体要求，可以选择开启的燃料电池堆的数目，并且自由调节各电池的输出功率。可以以一定的顺序和间隔轮流开启一部分燃料电池堆，有助于延长各燃料电池堆的使用寿命。当某个燃料电池堆产生故障时，可以关闭故障电池堆或者限制故障电池堆的功率输出，从而可以保护燃料电池堆，避免对燃料电池系统的进一步损伤。只要其中一个电池堆可用，燃料电池系统就可以保持提供功率输出的状态。
63.每个燃料电池堆均具有氧化剂入口控制阀和氢气喷射器，可以独立调控各燃料电池堆的反应物的流速和压力。
64.各氧化剂供应支路还设置有氧化剂进料的监测装置和调控装置；和/或各氢气供应支路还设置有氢气进料的监测装置和调控装置；和/或各冷却剂供应支路还设置有冷却剂供应的监测装置，从而可以自由监测和调整各电池堆物料供应的状态参数。
65.各燃料电池堆还设置有电池性能监测装置，从而可以监测各燃料电池堆的输出性能。根据监测到的各电池堆的输出性能，可以调控各电池堆的进料供应状态参数，进而调控各电池堆以实现期望的输出性能。
66.如图4所示，在一些实例中，氧化剂供应支路、氧化剂排出支路、氢气供应支路、氢气排出支路、冷却剂供应支路、和冷却剂排出支路设置在燃料电池系统的端板(40、50)中。对端板的尺寸和数量没有特别限制。例如，整个燃料电池系统可以仅设置一对端板，或者各燃料电池堆可以独立设置一对端板，或者一部分燃料电池堆可以共用一对端板。在一些实例中，氧化剂供应支路、氧化剂排出支路、氢气供应支路、氢气排出支路、冷却剂供应支路、和冷却剂排出支路中的一部分可以位于端板中，或者全部位于端板外。
67.在一些实例中，燃料电池系统包含2个以上燃料电池堆，例如2-10个，例如3-6个。各燃料电池堆中包含的燃料电池单元可以相同或不同，例如2-100个或更多。在燃料电池堆，燃料电池单元可以串联、并联、或者串联并联混联的方式电气连接。在一些实例中，燃料电池单元经过双极板串联在一起。
68.在一些实例中，氧化剂供应支路和氧化剂排出支路均连接至各燃料电池的阴极。
69.在一些实例中，氢气供应支路和氢气供应支路均连接至各燃料电池的阳极。
70.在一些实例中，燃料电池系统还可以包括氢气转换器。氢气转换器例如用于将甲醇等燃料转换成氢气，然后供应至燃料电池系统。
71.在一些实例中，冷却剂供应支路连接至各燃料电池的阴极，所述冷却剂排出支路连接至各燃料电池的阳极；或者所述冷却剂供应支路连接至各燃料电池的阳极，所述冷却剂排出支路连接至各燃料电池的阴极。
72.在一些实例中，冷却剂排出支路不设置冷却剂出口截止阀。在这种情况下，通过冷却剂的连通作用，各个电池堆的温度自动地保持一致。
73.在一些实例中，一部分冷却剂排出支路或所有冷却剂排出支路均设置冷却剂出口截止阀。在这种情况下，可以根据需要调节各电池堆的温度。
74.在一些实例中，未反应的燃料在燃料电池系统中循环使用。如图2、图3和图6所示，在一些实例中，在氢气排出管路20b中可以设置氢气循环泵21，以便重新利用未反应的氢气。
75.在一些实例中，冷却剂在燃料电池系统中循环使用。
76.在一些实例中，未反应的氧化剂从燃料电池系统排出，不参与循环。在一些实例中，未反应的氧化剂在燃料电池系统中循环使用。
77.在一些实例中，燃料电池为质子交换膜燃料电池。
78.在一些实例中，氧化剂为含氧气体，例如空气或氧气。
79.在一些实例中，冷却剂为水或绝缘的导热油。
80.在一些实例中，可以在氧化剂供应总管路10a中设置空气过滤器，以纯化进入燃料电池系统的空气。
81.在一些实例中，可以在氧化剂供应总管路10a中设置湿度监测装置和加湿器，以便为进入燃料电池系统的空气提供适量的水分。
82.在一些实例中，可以在氢气排放管路20b中设置水分离器(图中未示出)。
83.在一些实例中，冷却剂储罐30连接有冷却剂泵(图中未示出)。冷却剂泵可以将冷却剂输送到车辆散热器中。
84.燃料电池的数量和串/并联方式可以根据需要进行调整。
85.如图8所示，实线示出了电气连接的线路，其中燃料电池系统包括用电装置(600)和串联连接的三个燃料电池(100、200、300)。虚线示出了通信连接的线路，其中燃料电池控制单元fccu通信连接至各电池性能监测装置(m10、m11、m12)，接收来自各电池性能监测装置(m10、m11、m12)的信号。
86.如图9所示，实线示出了电气连接的线路，其中燃料电池系统包括用电装置(600)和并联连接的三个燃料电池(100、200、300)。虚线示出了通信连接的线路，其中燃料电池控制单元fccu通信连接至各电池性能监测装置(m10、m11、m12)，接收来自各电池性能监测装置(m10、m11、m12)的信号。
87.在一些实例中，通过开启与至少一个燃料电池堆连接的氧化剂排出支路的氧化剂出口截止阀和氢气排出支路的氢气出口截止阀，来开启所述至少一个燃料电池堆。
88.在一些实例中，通过调节与至少一个燃料电池堆连接的氧化剂供应支路的氧化剂入口控制阀和/或氢气供应支路的氢气喷射器，来调节所述至少一个燃料电池堆的输出电压。
89.在一些实例中，通过调节与至少一个燃料电池堆连接的冷却剂入口控制阀，来控制所述至少一个燃料电池堆的温度。
90.通过调节设置于氧化剂供应支路和/或氢气供应支路的至少一个所述调控装置，来调节至少一个燃料电池堆的湿度。
91.在一些实例中，通过设置于燃料电池系统中的电池性能监测装置来监测各燃料电池堆的输出性能。
92.在一些实例中，通过关闭与至少一个燃料电池堆连接的氧化剂排出支路的氧化剂出口截止阀和氢气排出支路的氢气出口截止阀，来关闭所述至少一个燃料电池堆。