燃料电池系统及机动车的制作方法

1.本公开涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池系统及机动车。


背景技术：

2.在燃料电池系统的运行过程中，为了保障电堆的高效功率输出，且避免低温运行在电堆入口处所形成的压力波动，对进入电堆的氢气以及空气温度有一定的要求，通常是要求在50℃～80℃之间，因此需要对从储氢瓶出来的氢气进行加热，传统方法是利用电堆出来的冷却液对氢气进行加热，或者是在储氢瓶后面连接一个加热器对氢气进行加热，但前一种方法对于加热温度的调节不够灵活，而后一种方法的功耗比较大，不利于燃料电池系统工作过程中的能量转换效率。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本公开的目的在于提供燃料电池系统及机动车，以解决现有技术的问题。
4.本公开第一方面提供一种燃料电池系统，包括：电堆，包括：第一空气进口及其管道连通的第一空气出口、以及第一燃料气体进口及其管道连通的第一燃料气体出口；空压机(即空气压缩机)，包括管道连通的第一进气口和第一出气口；所述第一出气口管道连通主路管道及旁路管道；中冷器，包括管道连通的第二进气口和第二出气口；所述第二进气口管道连通所述主路管道；换热器，包括：第二空气进口、第二空气出口及连通它们的空气管道；以及第二燃料气体进口、第二燃料气体出口及连通它们的燃料气体管道；所述燃料气体管道和空气管道之间可热交换地设置；所述旁路管道经一电子节气门管道连通到所述第二空气进口；所述第二空气出口管道连通中冷器的第二进气口；所述第二燃料气体进口管道连通燃料气体源；燃气阀，包括第三进气口和第三出气口；所述第三进气口管道连通所述第二燃料气体出口；所述第三出气口管道连通到电堆的第一燃料气体进口。
5.在第一方面的实施例中，所述的燃料电池系统包括：温度传感器，设于所述第三进气口与第二燃料气体出口之间，以探测换热器的第二燃料气体出口的温度值；燃料电池控制器，通信连接温度传感器及电子节气门，基于所探测温度调节电子节气门开度；其中，所述电子节气门开度正相关于所探测温度。
6.在第一方面的实施例中，所述的燃料电池系统还包括：增湿器，包括第三空气进口及其管道连通的第三空气出口、以及第一尾排进口及其管道连通的第一尾排出口；所述第三空气进口管道连通所述第二出气口，所述第三空气出口管道连通所述第一空气进口；所述第一尾排进口管道连通第一空气出口；其中，在增湿器内，所述第一尾排进口及第一尾排出口之间的管道与第三空气进口和第三空气出口之间的管道可湿热交换地设置。
7.在第一方面的实施例中，所述第一尾排出口管道连通背压阀。
8.在第一方面的实施例中，所述的燃料电池系统还包括：燃料气体循环系统，包括第三燃料气体进口及其管道连通的第三燃料气体出口、以及第二尾排进口及其管道连通的第
二尾排出口；所述第三燃料气体进口管道连通第三出气口，所述第三燃料气体出口管道连通第一燃料气体进口；所述第二尾排进口管道连通第一燃料气体出口。
9.在第一方面的实施例中，所述的燃料电池系统还包括：减压阀，包括管道连通的第四进气口和第四出气口，所述第四进气口管道连通燃料气体源，所述第四出气口管道连通所述换热器的第二燃料气体进口。
10.在第一方面的实施例中，所述的燃料电池系统包括：空气过滤器及空气流量计，所述空气过滤器管道连通至所述空压机，所述空气流量计连通于所述空气过滤器和空压机之间的管道。
11.在第一方面的实施例中，所述中冷器包括冷却液进口、冷却液出口及连通它们的冷却液管道。
12.在第一方面的实施例中，所述燃料气体为氢气，所述燃料电池系统为氢燃料电池系统。
13.本公开第二方面提供一种机动车，包括如第一方面中任一项所述的燃料电池系统。
14.如上所述，本公开实施例中提供燃料电池系统及机动车，燃料电池系统，包括：电堆、空压机、中冷器、换热器及燃气阀。所述换热器包括：第二空气进口、第二空气出口及连通它们的空气管道；以及第二燃料气体进口、第二燃料气体出口及连通它们的燃料气体管道；所述燃料气体管道和空气管道之间可热交换地设置；所述旁路管道经一电子节气门管道连通到所述第二空气进口；所述第二空气出口管道连通中冷器的第二进气口；所述第二燃料气体进口管道连通燃料气体源。利用燃料电池系统的阴极侧的空气来加热阳极侧的氢气，即空压机出口的高温气体与氢气进行热交换，不仅节省功耗，而且能降低中冷器的热交换负荷。
附图说明
15.图1展示本公开一实施例中燃料电池系统的结构示意图。
16.图2展示本公开一实施例中换热器的结构示意图。
17.图3展示本公开一实施例中燃料气体温度调节的电路结构示意图。
具体实施方式
18.以下通过特定的具体示例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本公开所揭露的消息轻易地了解本公开的其他优点与功效。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用模块，本公开中的各项细节也可以根据不同观点与应用模块，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
19.下面以附图为参考，针对本公开的实施例进行详细说明，以便本公开所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本公开可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
20.在本公开的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包
括于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或一组实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本公开中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的表示中，“一组”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
22.为了明确说明本公开，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
23.在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
24.虽然在一些示例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、模块、项目、种类、和/或组，但不排除一个或一组其他特征、步骤、操作、元件、模块、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
25.此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本公开。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
26.虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本公开所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的消息相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。
27.目前，在燃料电池系统的运行过程中，对进入电堆的氢气以及空气温度有一定的要求，故需要对从储氢瓶出来的氢气进行加热。传统方法是利用电堆出来的冷却液对氢气进行加热，或者是在储氢瓶后面连接一个加热器对氢气进行加热，以上方式存在灵活度差、功耗高的问题。
28.鉴于此，本公开实施例中可以提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统所使用的燃料气体可以例如为氢气，即所述燃料电池系统可以是氢燃料电池系统。
29.考虑到在燃料电池系统的阴极侧，空压机出口的空气温度经常会在100℃以上，为了满足电堆的使用要求，需要在空压机后面连接一个中冷器对空气进行冷却，即存在冷却
需求；而在燃料电池系统的阳极侧，送入电堆的氢气又需要先进行加热，因此发明人的发明思想在于将空压机出口的空气与所述氢气之间进行换热，恰好能满足两方的需求。
30.基于此思想，以下通过实施例展示燃料电池系统的可能实现结构。如图1所示，展示本公开一实施例中燃料电池系统的结构示意图。
31.在图1中，所述燃料电池系统可以至少包括：电堆101、空压机102、中冷器103、换热器104及燃气阀105。
32.所述电堆101包括：第一空气进口111及其管道连通的第一空气出口112、以及第一燃料气体进口113及其管道连通的第一燃料气体出口114。
33.所述空压机102包括管道连通的第一进气口121和第一出气口122。其中，所述第一出气口122管道连通主路管道a及旁路管道b。
34.所述中冷器103包括管道连通的第二进气口131和第二出气口132。所述第二进气口131管道连通所述主路管道。在一些实施例中，所述中冷器103包括冷却液进口133、冷却液出口134及连通它们的冷却液管道。所述冷却液用于与通入中冷器103的空气热交换，以对空气冷却后输入到电堆101。
35.可一并参阅图2，所述换热器104包括：第二空气进口141、第二空气出口142及连通它们的空气管道143；以及第二燃料气体进口144、第二燃料气体出口145及连通它们的燃料气体管道146。所述第二燃料气体进口144管道连通燃料气体源，比如氢气瓶。
36.所述燃料气体管道146和空气管道143之间可热交换地设置。可一并参阅图2，展示换热器104的内部结构示意图。空气管道143可以从燃料气体管道146(也可以称为腔室)中穿过，以使燃料气体与空气之间进行热交换。从而，空气得到冷却后从所述第二空气出口142输出，而第二空气出口142管道连通所述中冷器103的第二进气口131，使得输入中冷器103的空气已获得了冷却，从而降低中冷器103的热交换负荷。并且，经换热升温的氢气从换热器104的第二燃料气体出口145向电堆101输出。
37.所述燃气阀105，包括第三进气口151和第三出气口152。所述第三进气口151管道连通所述第二燃料气体出口145，所述第三出气口152管道连通到电堆101的第一燃料气体进口113。所述燃气阀105用于控制氢气对电堆101的输入。
38.可选的，在图1中，所述的燃料电池系统还包括：增湿器106，包括第三空气进口161及其管道连通的第三空气出口162、以及第一尾排进口163及其管道连通的第一尾排出口164。所述第三空气进口161管道连通所述第二出气口132，所述第三空气出口162管道连通所述第一空气进口111，所述第一尾排进口163管道连通第一空气出口112。其中，在增湿器106内，所述第一尾排进口163及第一尾排出口164之间的管道与第三空气进口161和第三空气出口162之间的管道可湿热交换地设置，从而使得输入电堆101的空气湿度满足要求。
39.可选的，在图1中，所述第一尾排出口164管道连通背压阀107。
40.可选的，在图1中，所述的燃料电池系统还包括燃料气体循环系统108，即例如氢气循环系统。所述燃料气体循环系统108包括第三燃料气体进口181及其管道连通的第三燃料气体出口182、以及第二尾排进口183及其管道连通的第二尾排出口184。所述第三燃料气体进口181管道连通第三出气口152，所述第三燃料气体出口182管道连通第一燃料气体进口113。所述第二尾排进口183管道连通第一燃料气体出口114。所述燃料气体循环系统用于对电堆101燃料气体供应的循环。
41.可选的，在图1中，所述的燃料电池系统还可以包括减压阀109，包括管道连通的第四进气口191和第四出气口192，所述第四进气口191管道连通燃料气体源，所述第四出气口192管道连通所述换热器104的第二燃料气体进口144。所述减压阀109用于降低输入到换热器104的燃料气体的压强。
42.可选的，在图1中，所述的燃料电池系统还可以包括：空气过滤器100及空气流量计1001，所述空气过滤器100管道连通至所述空压机102，所述空气流量计1001连通于所述空气过滤器100和空压机102之间的管道。
43.需说明的是，所述电子节气门202的开度对应于旁路管道对换热器104的空气的供给量。通过控制电子节气门202的开度，即可控制燃料气体管道146和空气管道143之间的热交换量，从而控制换热器104输出的燃料气体的温度。
44.进一步地，可如图3所示，展示燃料气体温度调节的电路结构示意图。所述的燃料电池系统包括：温度传感器201和燃料电池控制器203。
45.所述温度传感器201，设于所述第三进气口151与第二燃料气体出口145之间，以探测换热器104的第二燃料气体出口145的温度值。
46.所述燃料电池控制器203，通信连接温度传感器201及电子节气门202，基于所探测温度调节电子节气门202开度。其中，所述电子节气门202开度正相关于所探测温度。在一些实施例中，利用此电路可以实现对电子节气门202开度的动态调节。比如，预先确定燃料气体的目标温度值，通过探测温度值与目标温度值比较，若未达到目标温度值，则提高电子节气门202开度来提升探测温度值至目标温度值；或者，若大于目标温度值，则可减小电子节气门202开度来降低探测温度值至目标温度值。
47.需特别说明的是，基于温度值的比较来执行调节动作，以及电子节气门202的控制等等，皆可通过现有技术实现，本公开实施例中保护的是可以实现调节控制的电路结构，故并不涉及软件技术的改进。
48.本公开在一些实施例中还可以提供一种机动车，包括之前任一实施例中所述的燃料电池系统。所述机动车可以例如为电动汽车(新能源汽车)、摩托车等等。
49.综上所述，本公开实施例中提供燃料电池系统及机动车，燃料电池系统，包括：电堆、空压机、中冷器、换热器及燃气阀。所述换热器包括：第二空气进口、第二空气出口及连通它们的空气管道；以及第二燃料气体进口、第二燃料气体出口及连通它们的燃料气体管道；所述燃料气体管道和空气管道之间可热交换地设置；所述旁路管道经一电子节气门管道连通到所述第二空气进口；所述第二空气出口管道连通中冷器的第二进气口；所述第二燃料气体进口管道连通燃料气体源。利用燃料电池系统的阴极侧的空气来加热阳极侧的氢气，即空压机出口的高温气体与氢气进行热交换，不仅节省功耗，而且能降低中冷器的热交换负荷。
50.上述实施例仅例示性说明本公开的原理及其功效，而非用于限制本公开。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本公开的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本公开所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本公开的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：电堆，包括：第一空气进口及其管道连通的第一空气出口、以及第一燃料气体进口及其管道连通的第一燃料气体出口；空压机，包括管道连通的第一进气口和第一出气口；所述第一出气口管道连通主路管道及旁路管道；中冷器，包括管道连通的第二进气口和第二出气口；所述第二进气口管道连通所述主路管道；换热器，包括：第二空气进口、第二空气出口及连通它们的空气管道；以及第二燃料气体进口、第二燃料气体出口及连通它们的燃料气体管道；所述燃料气体管道和空气管道之间可热交换地设置；所述旁路管道经一电子节气门管道连通到所述第二空气进口；所述第二空气出口管道连通中冷器的第二进气口；所述第二燃料气体进口管道连通燃料气体源；燃气阀，包括第三进气口和第三出气口；所述第三进气口管道连通所述第二燃料气体出口；所述第三出气口管道连通到电堆的第一燃料气体进口。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，包括：温度传感器，设于所述第三进气口与第二燃料气体出口之间，以探测换热器的第二燃料气体出口的温度值；燃料电池控制器，通信连接温度传感器及电子节气门，基于所探测温度调节电子节气门开度；其中，所述电子节气门开度正相关于所探测温度。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：增湿器，包括第三空气进口及其管道连通的第三空气出口、以及第一尾排进口及其管道连通的第一尾排出口；所述第三空气进口管道连通所述第二出气口，所述第三空气出口管道连通所述第一空气进口；所述第一尾排进口管道连通第一空气出口；其中，在增湿器内，所述第一尾排进口及第一尾排出口之间的管道与第三空气进口和第三空气出口之间的管道可湿热交换地设置。4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一尾排出口管道连通背压阀。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：燃料气体循环系统，包括第三燃料气体进口及其管道连通的第三燃料气体出口、以及第二尾排进口及其管道连通的第二尾排出口；所述第三燃料气体进口管道连通第三出气口，所述第三燃料气体出口管道连通第一燃料气体进口；所述第二尾排进口管道连通第一燃料气体出口。6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：减压阀，包括管道连通的第四进气口和第四出气口，所述第四进气口管道连通燃料气体源，所述第四出气口管道连通所述换热器的第二燃料气体进口。7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，包括：空气过滤器及空气流量计，所述空气过滤器管道连通至所述空压机，所述空气流量计连通于所述空气过滤器和空压机之间的管道。8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述中冷器包括冷却液进口、冷却液出口及连通它们的冷却液管道。9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料气体为氢气，所述燃料电池系统为氢燃料电池系统。
10.一种机动车，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的燃料电池系统。

技术总结
本公开实施例中提供燃料电池系统及机动车，燃料电池系统，包括：电堆、空压机、中冷器、换热器及燃气阀。所述换热器包括：第二空气进口、第二空气出口及连通它们的空气管道；以及第二燃料气体进口、第二燃料气体出口及连通它们的燃料气体管道；所述燃料气体管道和空气管道之间可热交换地设置；所述旁路管道经一电子节气门管道连通到所述第二空气进口；所述第二空气出口管道连通中冷器的第二进气口；所述第二燃料气体进口管道连通燃料气体源。利用燃料电池系统的阴极侧的空气来加热阳极侧的氢气，即空压机出口的高温气体与氢气进行热交换，不仅节省功耗，而且能降低中冷器的热交换负荷。而且能降低中冷器的热交换负荷。而且能降低中冷器的热交换负荷。


技术研发人员：胡智 田大洋 黄潜
受保护的技术使用者：上海重塑能源科技有限公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/9/1