燃料電池的動力系統與交通工具的製作方法

2023-05-16 04:29:11

本申請涉及燃料電池領域，具體而言，涉及一種燃料電池的動力系統與交通工具。

背景技術：

燃料電池汽車(fcv)是一種用車載燃料電池裝置產生的電能作為動力的汽車。目前，廣泛應用於燃料電池汽車的是質子交換膜燃料電池(pemfc)。

質子交換膜燃料電池汽車的工作原理為：燃料陽極氣體沿燃料電池電池堆陽極板流道分配在膜電極的陽極側，在陽極催化劑的作用下解離成電子和質子，電子經外電路到達陰極，質子直接穿過膜電極到達陰極，與陰極反應氣體中的陰極氣體反應生成水。此過程的產物為電能、熱和水。其中電能帶動電動機工作，電動機再帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前橋(或後橋)等行走機械結構工作，從而驅動電動汽車前進。熱和水通過熱交換裝置直接排放或綜合利用。

目前，對於功率等級較大的質子交換膜燃料電池車用動力系統，為了降低系統散熱負荷，保證較高的電池堆反應溫度，通常空氣需要進行外部加溼，外部加溼一般採用氣/氣型加溼方式，即利用電池堆陰極反應尾氣(cog)中的熱量和氣態水對陰極進堆空氣進行加溼。同時為了提高陽極氣體利用率及系統使用安全性，燃料供給系統一般採用陽極氣體循環方式。

圖1為質子交換膜燃料電池車用動力系統的簡化結構圖，其主要包含空氣供給、氫氣供給與冷卻水循環三個迴路，電池堆01'電化學反應所需的空氣由輸送設備02'提供動力進入加溼器03'被電池堆陰極反應尾氣加溼升溫後進入陰極，陰極尾氣與空氣在加溼器中完成傳熱傳質後的廢氣直接排放；來自高壓儲氣瓶04'的氫氣通過減壓計量裝置05'後進入陽極，陽極側反應後的陽極尾氣通過氫氣循環裝置06'輸送又循環進入電池堆。電池堆電化學反應過程產生的熱量由冷卻水循環迴路帶出，冷卻水循環迴路上設置有冷卻介質的動力設備08'與散熱裝置09'，電池堆電化學反應過程產生的熱量由動力設備08'輸送的冷卻介質穿過電池堆01'帶出後進入散熱裝置09'完成熱量平衡，冷卻介質在散熱裝置降溫後又進入電堆，完成一次循環將冷卻介質輸送至電池堆中。

上述的動力系統中，陽極尾氣(主要為陽極氣體)經過陽極氣體動力裝置後，溫度會有一定的升高，尤其對於較高功率等級的系統而言，陽極尾氣溫升比較大，如果直接進入電池堆會造成電池堆入口處過於乾燥，影響電池堆的性能。

因此，亟需一種能夠降低進入電池堆的陽極尾氣的溫度的動力系統。

技術實現要素：

本申請的主要目的在於提供一種燃料電池的動力系統與交通工具，以解決現有技術中的動力系統的經過陽極氣體動力裝置後的陽極尾氣的溫度較高的問題。

為了實現上述目的，根據本申請的一個方面，提供了一種燃料電池的動力系統，該動力系統包括：電池堆，包括陰極與陽極，上述陽極的入口與上述陽極的出口通過陽極氣體循環管路連通；陰極氣體供給裝置，與上述陰極的入口連通；陽極氣體供給裝置，與上述陽極的入口連通；陽極氣體動力裝置，設置在上述陽極氣體循環管路上；冷卻裝置，設置在上述陽極氣體動力裝置與上述陽極的入口之間的上述陽極氣體循環管路上，用於對由上述陽極氣體動力裝置輸出的陽極尾氣進行降溫。

進一步地，上述動力系統還包括：排液裝置，與上述陽極的出口和上述陽極氣體動力裝置的入口之間的上述陽極氣體循環管路連通，用於將上述陽極氣體循環管路中的冷凝液排出。

進一步地，上述陰極氣體供給裝置包括：陰極氣體源設備，通過陰極氣體輸送管路與上述陰極的入口連通；陰極氣體動力設備，設置在上述陰極氣體輸送管路上；加溼器，設置在上述陰極氣體輸送管路上且位於上述陰極氣體動力設備的下遊，用於對上述陰極氣體動力設備輸出的陰極氣體進行加溼。

進一步地，上述動力系統還包括：陰極尾氣輸送管路，與上述陰極的出口連通，上述陰極尾氣輸送管路穿過上述加溼器以對上述陰極氣體進行加溼。

進一步地，上述冷卻裝置為換熱器，上述陰極尾氣輸送管路在經過上述加溼器之前，穿過上述換熱器以對上述陽極尾氣進行降溫。

進一步地，上述冷卻裝置為換熱器，上述陰極尾氣輸送管路在經過上述加溼器之後，穿過上述換熱器以對上述陽極尾氣進行降溫。

進一步地，上述動力系統還包括：散熱裝置，與上述電池堆連接，用於對上述電池堆進行散熱。

進一步地，上述電池堆包括冷卻介質入口與冷卻介質出口，上述散熱裝置包括：冷卻介質循環管路，連接設置在上述冷卻介質入口和上述冷卻介質出口之間；冷卻介質動力設備，設置在上述冷卻介質循環管路上；散熱設備，設置在上述冷卻介質循環管路上，且位於上述冷卻介質動力設備和上述冷卻介質入口之間。

進一步地，上述冷卻裝置為換熱器，上述冷卻介質動力設備與上述冷卻介質入口之間的上述冷卻介質循環管路穿過上述換熱器，以對上述陽極尾氣進行降溫。

進一步地，上述動力系統還包括：吹掃裝置，與上述陽極的出口連通，上述吹掃裝置用於定時去除由上述陽極輸出的上述陽極尾氣。

為了實現上述目的，根據本申請的另一個方面，提供了一種交通工具，該交通工具包括動力系統，該動力系統為任一項上述的動力系統。

應用本申請的技術方案，在陽極氣體動力裝置的下遊設置冷卻裝置，該冷卻裝置對陽極氣體動力裝置輸出的陽極尾氣進行降溫，進而避免了進入電池堆的陽極氣體過於乾燥，保證了電池堆的性能。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1示出了現有技術中的一種燃料電池的動力系統的結構示意圖；

圖2示出了本申請的一種典型的實施方式提供的動力系統的結構示意圖；

圖3示出了本申請的實施例1提供的燃料電池的動力系統的結構示意圖；

圖4示出了本申請的實施例2提供的燃料電池的動力系統的結構示意圖；以及

圖5示出了本申請的實施例3提供的燃料電池的動力系統的結構示意圖。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

01'、電池堆；02'、輸送設備；03'、加溼器；04'、高壓儲氣瓶；05'、減壓計量裝置；06'、氫氣循環裝置；08'、動力設備；09'、散熱設備；01、電池堆；02、陰極氣體動力設備；03、加溼器；04、陽極氣體源設備；05、減壓計量裝置；06、陽極氣體動力裝置；07、吹掃裝置；08、冷卻介質動力設備；09、散熱設備；10、冷卻裝置；11、排液裝置。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術的燃料電池的動力系統中，經過陽極氣體動力裝置後的陽極尾氣的溫度較高，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種燃料電池的動力系統與交通工具。

本申請的一種典型的實施方式中，提供了一種燃料電池的動力系統，如圖2所示，該動力系統包括電池堆01、陰極氣體供給裝置、陽極氣體供給裝置、冷卻裝置10與陽極氣體動力裝置06，其中，電池堆01包括陰極與陽極，上述陽極的入口與上述陽極的出口通過陽極氣體循環管路連通；陰極氣體供給裝置與上述陰極的入口連通，用於向上述陰極提供陰極氣體；陽極氣體供給裝置與上述陽極的入口連通，用於向上述陽極提供陽極氣體；陽極氣體動力裝置06設置在上述陽極氣體循環管路上，用於運輸由陽極出口輸出的陽極尾氣；冷卻裝置10設置在上述陽極氣體動力裝置06與上述陽極的入口之間的上述陽極氣體循環管路上，上述冷卻裝置10用於對由陽極氣體動力裝置06輸出的上述陽極尾氣進行降溫。

上述的燃料電池的動力系統中，在陽極氣體動力裝置的下遊設置冷卻裝置，該冷卻裝置對陽極氣體動力裝置輸出的陽極尾氣進行降溫，從而提高了陽極尾氣的溼度，進而避免了進入電池堆的陽極氣體過於乾燥，保證了電池堆具有良好的性能。

本申請中可以採用任何的冷源裝置與冷卻裝置連通，以對陽極尾氣進行降溫。本申請的一種實施例中，上述的陰極氣體為空氣，陽極氣體為氫氣，當然，並不限於上述的氣體，本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的陽極氣體與陰極氣體，比如，將氧氣作為陰極氣體。

為了及時將陽極氣體循環管路中的液態水排出，保證進入陽極氣體動力裝置中的陽極尾氣中的液態水較少，進而保證陽極氣體動力裝置運行的安全性，如圖2至圖5所示，本申請的一種實施例中，上述動力系統還包括排液裝置11，排液裝置11與上述陽極的出口和上述陽極氣體動力裝置06之間的上述陽極氣體循環管路連通，用於將上述陽極氣體循環管路中的冷凝液排出。

本申請的一種實施例中，如圖2至圖5所示，上述陰極氣體供給裝置包括陰極氣體源設備、陰極氣體動力設備02與加溼器03，陰極氣體源設備通過陰極氣體輸送管路與上述陰極的入口連通；陰極氣體動力設備02設置在上述陰極氣體輸送管路上，用於給陰極氣體提供動力，使其能夠由陰極氣體源設備經過加溼器03進入上述電池堆的陰極中；加溼器03設置在上述陰極氣體輸送管路上且位於上述陰極氣體動力設備02的下遊，用於對上述陰極氣體動力設備02輸出的陰極氣體進行加溼，以進一步提高燃料電池的效率。

本申請中的陰極氣體供給裝置並不限於上述的結構，本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適結構的陰極氣體供給裝置，例如，包括陰極氣體動力設備02與加溼器03的陰極氣體供給裝置，該裝置不需要陰極氣體源設備，陰極氣體動力設備02將收集來的陰極氣體通過陰極氣體輸送管路經過加溼器輸送到陰極中。

為了更好地利用陰極出口輸出的陰極尾氣，本申請的一種實施例中，如圖2至圖5所示，上述動力系統還包括陰極尾氣輸送管路，陰極尾氣輸送管路與上述陰極的出口連通，上述陰極尾氣輸送管路穿過上述加溼器03以對上述陰極氣體進行加溼。

本申請的另一種實施例中，如圖3所示，在穿入上述加溼器03之前，上述陰極尾氣輸送管路還穿過上述冷卻裝置10以對上述陽極尾氣進行降溫。

本申請的再一種實施例中，如圖4所示，上述冷卻裝置10為換熱器，上述陰極尾氣輸送管路經過上述加溼器03後，還穿過上述冷卻裝置10，以對上述陽極尾氣進行降溫。這樣對經過加溼器降溫後的陰極尾氣再次利用，使其對陽極尾氣進行降溫，進一步提高了動力系統的廢熱利用率。

為了及時地對電池堆進行降溫，保證電池堆的效率，本申請的一種實施例中，上述動力系統還包括散熱裝置，散熱裝置與上述電池堆01連接，用於對上述電池堆01進行散熱。

本申請的又一種實施例中，上述電池堆包括冷卻介質入口與冷卻介質出口，如圖2至圖5所示，上述散熱裝置包括冷卻介質循環管路(圖中未示出)、冷卻介質動力設備08與散熱設備09，連接設置在上述冷卻介質入口和上述冷卻介質出口之間；冷卻介質動力設備08設置在上述冷卻介質循環管路上，用於給冷卻介質提供動力，將冷卻介質經冷卻介質入口輸送到電池堆中，冷卻介質攜帶電池堆中的熱量經電池堆中的流道到冷卻介質出口處，經過冷卻介質循環管路到達散熱設備中；散熱設備09設置在上述冷卻介質循環管路上，且位於上述冷卻介質動力設備08和上述冷卻介質入口之間，散熱設備09用於對由冷卻介質出口輸出的冷卻介質降溫，降溫後的冷卻介質又輸送到冷卻介質動力設備08中，經過冷卻介質動力設備將冷卻介質經冷卻介質入口再輸送至電池堆中。

為了更好地利用上述冷卻介質，如圖5所示，本申請的一種實施例中，上述冷卻裝置10為換熱器，上述冷卻介質動力設備08與上述冷卻介質入口之間的上述冷卻介質循環管路穿過上述冷卻裝置10，以對上述陽極尾氣進行降溫。

當然，本申請中的冷卻裝置並不限於換熱器，本領域技術人員可以根據實際情況選擇合適的設備作為冷卻裝置。

為了避免陽極尾氣中的雜質以及水氣過多，本申請的一種實施例中，如圖2至圖5所示，上述動力系統還包括吹掃裝置07，吹掃裝置07與上述陽極出口連通，上述吹掃裝置07用於定時去除由上述陽極出口輸出的上述陽極尾氣。一種具體的實施例中，上述吹掃裝置07通過管路與陽極氣體循環管路連通，即圖2至圖5所示的情況。

為了進一步確保將一定重量或體積的陽極氣體輸送到電池堆中，如圖2至圖5所示，本申請的一種實施例中，上述陽極氣體供給裝置包括陽極氣體源設備04與減壓計量裝置05，陽極氣體源設備04通過陽極氣體輸送管路與上述陽極的入口連通，上述陽極氣體源設備用於存儲陽極氣體；減壓計量裝置05，設置在上述陽極氣體輸送管路上，用於對上述陽極氣體進行減壓並計量。

本申請中的一種實施例中，上述陽極氣體源設備04為高壓儲氣瓶。

本申請的另一種典型的實施方式中，提供了一種交通工具，該交通工具包括動力系統，該動力系統為任一項上述的動力系統。

該交通工具由於具有上述的動力系統，能夠更好地運行。

為了使得本領域技術人員能夠更加清楚地了解本申請的技術方案，以下將結合具體的實施例來說明本申請的技術方案。

實施例1

燃料電池的動力系統的具體結構如圖3所示，陽極氣體為陽極氣體，陰極氣體為氧氣，且冷卻裝置10為換熱器，該陰極氣體供給裝置不包括陰極氣體源設備，陽極氣體源設備04為高壓儲氣瓶。該燃料電池的動力系統的工作過程具體包括：

電池堆01電化學反應所需的空氣由陰極氣體動力設備02提供動力進入加溼器03中，被電池堆01陰極尾氣加溼升溫後進入電池堆01的陰極，陰極尾氣與空氣在加溼器中完成傳熱傳質後的廢氣直接排放，在陰極尾氣進入加溼器03之前，陰極尾氣先經過換熱器與陽極尾氣換熱。

來自高壓儲氣瓶的氫氣通過減壓計量裝置05後進入電池堆01的陽極，陽極反應後的陽極尾氣通過陽極氣體動力裝置06輸送先進入換熱器降溫，再進入電池堆01。此過程循環迴路的冷凝液通過排液裝置11排出。

陽極的出口與吹掃裝置07連通，以便定時定量進行陽極雜質氣體排放與陽極氣水的排放。

電池堆01電化學反應過程產生的熱量由冷卻介質動力設備08輸送的冷卻介質穿過電池堆01帶出熱量後，進入散熱設備09完成熱量平衡，冷卻介質在散熱設備降溫後又循環進入電池堆01。

實施例2

燃料電池的動力系統的具體結構如圖4所示，陽極氣體為陽極氣體，陰極氣體為氧氣，且冷卻裝置10為換熱器，該陰極氣體供給裝置不包括陰極氣體源設備，陽極氣體源設備04為高壓儲氣瓶。該燃料電池的動力系統的工作過程具體包括：

電池堆01電化學反應所需的陰極氣體動力設備02提供動力進入加溼器03中，被陰極尾氣加溼升溫後進入電池堆01的陰極。

與空氣在加溼器03中完成傳熱傳質後的陰極尾氣進入換熱器中，對陽極尾氣進行降溫。

來自高壓儲氣瓶的氫氣通過減壓計量裝置05後進入電池堆01陽極側，反應後的陽極尾氣通過陽極氣體動力裝置06輸送循環，先進入換熱器降溫後再進入電池堆01，此過程循環迴路的冷凝液通過排液裝置11排出。

在陽極出口陽極氣體管路設置了吹掃裝置07，以便定時定量進行陽極雜質氣體排放與陽極氣水的排放。

電池堆01電化學反應過程產生的熱量由冷卻介質動力設備08輸送的冷卻介質穿過電池堆01帶出熱量後進入散熱設備09完成熱量平衡，冷卻介質在散熱設備降溫後又循環進入電池堆01。

實施例3

燃料電池的動力系統的具體結構如圖5所示，陽極氣體為陽極氣體，陰極氣體為氧氣，且冷卻裝置10為換熱器，該陰極氣體供給裝置不包括陰極氣體源設備，陽極氣體源設備04為高壓儲氣瓶。該燃料電池的動力系統的工作過程具體包括：

電池堆01電化學反應所需的空氣由陰極氣體動力設備02提供動力進入加溼器03中，被電池堆01陰極尾氣加溼升溫後進入電池堆01的陰極，陰極尾氣與陰極氣體在加溼器中完成傳熱傳質後的廢氣直接排放。

來自高壓儲氣瓶的氫氣通過減壓計量裝置05後進入電池堆01陽極，陽極反應後的陽極尾氣通過陽極氣體動力裝置06輸送先進入換熱器降溫，再進入電池堆01，此過程循環迴路的冷凝液通過排液裝置11排出。

在陽極的出口與吹掃裝置07連通，以便定時定量進行陽極雜質氣體排放與陽極氣水的排放。

電池堆01冷卻介質出堆後經過散熱設備09後由冷卻介質動力設備08輸送進入換熱器對陽極尾氣進行降溫後循環進入電池堆01。

上述三個動力系統均可以對由陽極氣體動力裝置輸出的陽極尾氣進行降溫，避免電池堆入口處過於乾燥，並且該動力系統中通過冷卻介質循環管路以及散熱裝置較好地實現了對電池堆中的熱量平衡，保證了電池堆具有較高的反應效率。

從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實施例實現了如下技術效果：

1)、本申請的動力系統中，在陽極氣體動力裝置的下遊設置冷卻裝置，該冷卻裝置對陽極氣體動力裝置輸出的陽極尾氣進行降溫，進而避免了進入電池堆的陽極氣體過於乾燥，保證了電池堆的性能。

2)、本申請的交通工具由於具有上述的動力系統，能夠更好地運行。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。