多堆燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种多堆燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池，是一种通过电化学反应，将燃料中的化学能转变成电能的发电装置，其以氢气作为燃料，以空气或氧气作为氧化剂，具有无污染、噪音低和发电效率高等诸多优势。随着燃料电池领域的技术及相关产业链的发展，燃料电池逐步被广泛应用至车、船、无人机、通信基站、移动式或固定式发电等领域。
3.基于目前燃料电池电堆的功率密度的现状，当需求200kw以上的燃料电池系统时，则需要配置多个燃料电池电堆来满足功率需求。在多堆燃料电池系统的运行过程中，若某一电堆发生故障，将导致整个燃料电池系统的功率达不到需求功率，甚至会发生故障停机。目前的解决方案需要在燃料电池系统处于停机状态时，对系统中发生故障的电堆进行修理或更换，该过程需要耗费较长时间，系统在该段时间内无法继续工作。然而，在燃料电池的诸多应用场景中，均需要燃料电池系统具有能够在不停机状态下快速处理电堆故障的能力，防止其对整个系统造成更大的影响，以确保整个系统能够继续工作，后续再对故障电堆进行修理或者更换。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要优势在于提供一种多堆燃料电池系统，其能够在所述多堆燃料电池系统不停机的状态下，快速切断故障电堆，防止所述故障电堆对所述多堆燃料电池系统造成更大的影响，以确保所述多堆燃料电池系统能够继续工作。同时，还能避免所述多堆燃料电池系统因频繁启停造成的寿命衰减。
5.本实用新型的另一优势在于提供一种多堆燃料电池系统，其能够防止燃料、氧化剂和换热介质反灌入故障的电堆，防止故障的电堆进一步受损。
6.本实用新型的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现。
7.相应地，依本实用新型，具有上述至少一优势的多堆燃料电池系统，包括：
8.多个电堆、燃料系统、氧化剂系统、热管理系统和功率输出系统，其中所述多个电堆相互并联地设置于所述燃料系统，所述多个电堆相互并联地设置于所述氧化剂系统，所述多个电堆相互并联地设置于所述热管理系统，所述多个电堆均电连接于所述功率输出系统，所述燃料系统包括多个用于切断故障的电堆的燃料进堆阀和燃料出堆阀，所述氧化剂系统包括多个用于切断故障的电堆的氧化剂进堆阀和氧化剂出堆阀，所述功率输出系统包括多个用于切断故障的电堆的第一隔离开关和第二隔离开关。
9.结合下述描述和说明书附图，本实用新型上述的和其它的优势将得以充分体现。
10.本实用新型上述的和其它的优势和特点，通过下述对本实用新型的详细说明和说明书附图得以充分体现。
附图说明
11.图1是根据本实用新型第一实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以并联的方式连接于燃料系统的示意图。
12.图2是根据本实用新型第一实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以并联的方式连接于氧化剂系统的示意图。
13.图3是根据本实用新型第一实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以并联的方式连接于热管理系统的示意图。
14.图4是根据本实用新型第一实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以串联的方式电连接于功率输出系统的示意图。
15.图5是根据本实用新型第一实施例的变形实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以分组串联再并联的方式电连接于功率输出系统的示意图。
16.图6是根据本实用新型第二实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以并联的方式连接于燃料系统的示意图。
17.图7是根据本实用新型第二实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以并联的方式连接于氧化剂系统的示意图。
18.图8是根据本实用新型第二实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以并联的方式连接于热管理系统的示意图。
19.图9是根据本实用新型第二实施例的多堆燃料电池系统的多个电堆以分组串联再并联的方式电连接于功率输出系统的示意图。
20.图10是根据本实用新型实施例的多堆燃料电池系统的控制系统的示意图。
具体实施方式
21.以下描述被提供以使本领域普通技术人员能够实现本实用新型。本领域普通技术人员可以想到其它显而易见的替换、修改和变形。因此，本实用新型所保护范围不应受到本文所描述的示例性的实施方式的限制。
22.本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。
23.本领域普通技术人员应该理解，除非本文中特地指出，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等所指代的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所涉及的装置或元件必须具有特定的方位或位置。因此，上述术语不应理解为对本实用新型的限制。
24.参考说明书附图之图1至图5以及图10，依本实用新型第一实施例的多堆燃料电池系统被阐明。所述多堆燃料电池系统包括多个电堆1、燃料系统2、氧化剂系统3、热管理系统4、功率输出系统5和控制系统6，其中，所述燃料系统2用于将燃料(如氢气或含有氢气的气体)供给至所述电堆1，并将未反应的燃料导出所述电堆1，所述氧化剂系统3用于将氧化剂(如空气或者氧气)供给至所述电堆1，并将未反应的氧化剂和反应产物(水)导出所述电堆1，所述热管理系统4用于使换热介质流经所述电堆1的热交换流场，从而对所述电堆1的温
度进行调控，所述功率输出系统5用于调节所述多堆燃料电池系统的输出电压和电流，所述控制系统6是所述多堆燃料电池系统的“大脑”，用于对所述多堆燃料电池系统的各个子系统进行控制，使得所述电堆1处于适宜的工作状态，确保所述多堆燃料电池系统稳定可靠地运行。
25.值得一提的是，所述燃料系统2、所述氧化剂系统3、所述热管理系统4和所述功率输出系统5中对本实用新型的实施不造成实质性影响的组成部件并未在本实用新型附图中作出图示，且该组成部件能够根据具体情况进行适应性的调整，不视为对本实用新型保护范围的限制。示例性地，在一种以氢气为燃料，以空气为氧化剂的多堆燃料电池系统中，所述燃料系统2可以包括氢气调压阀、氢气加热器、氢气循环装置(如氢气引射器或氢气循环泵)、气水分离器、排氢阀、温度传感器和/或压力传感器等，所述氧化剂系统3可以包括空气过滤装置、空气流量计、空气压缩机、空气冷却器(如中冷器等)、空气增湿器、温度传感器和/或压力传感器等，所述热管理系统4可以包括散热器、流体泵、节温器(或三通阀)、加热器、去离子装置、换热介质补给装置(如膨胀水箱)、温度传感器和/或压力传感器等，所述功率输出系统5可以包括dcdc装置和/或配电装置等。
26.具体地，在本实用新型的第一实施例中，如附图1所示，所述多个电堆1以相互并联的方式设置于所述燃料系统2，以便于将燃料均匀地供给至每一个所述电堆1。所述燃料系统2包括燃料进堆总管路21、燃料出堆总管路22、多个燃料进堆管路211、多个燃料出堆管路221、多个燃料进堆阀201和多个燃料出堆阀202，其中所述燃料进堆管路211的一端与所述燃料进堆总管路21相连通，所述燃料进堆管路211的另一端与所述电堆1的燃料进口121相连通，所述燃料出堆管路221的一端与所述燃料出堆总管路22相连通，所述燃料出堆管路221的另一端与所述电堆1的燃料出口122相连通，所述燃料进堆阀201被设置于所述燃料进堆管路211，所述燃料出堆阀202被设置于所述燃料出堆管路221。可以理解的是，所述电堆1通过相应的所述燃料进堆管路211和相应的所述燃料出堆管路221并联在所述燃料进堆总管路21和所述燃料出堆总管路22之间，每一个所述电堆1与所述燃料进堆总管路21之间均设有所述燃料进堆阀201，每一个所述电堆1与所述燃料出堆总管路22之间均设有所述燃料出堆阀202，其中，当所述多堆燃料电池系统正常运行时，所述燃料进堆阀201和所述燃料出堆阀202均处于打开状态，燃料能够从所述燃料进堆总管路21分流至每一个所述燃料进堆管路211，再通过所述燃料进堆管路211流入相应的所述电堆1参与电化学反应，未反应的燃料通过相应的所述燃料出堆管路221从所述电堆1内流出，最后再汇流至所述燃料出堆总管路22，当所述多堆燃料电池系统中的某一个电堆1发生故障需要切断时，相应的所述燃料进堆阀201和相应的所述燃料出堆阀202被切换至关闭状态，使燃料无法再从所述燃料进堆总管路21流入故障的电堆1，也无法再从故障的电堆1中流出至所述燃料出堆总管路22，进而独立地将故障的电堆1从所述燃料系统2中切断。此外，所述燃料出堆阀202还能防止从其他电堆1流出的燃料反灌至故障的电堆1内。
27.参考附图2，所述多个电堆1以相互并联的方式设置于所述氧化剂系统3，以便于将氧化剂均匀地供给至每一个所述电堆1。所述氧化剂系统3包括氧化剂进堆总管路31、氧化剂出堆总管路32、多个氧化剂进堆管路311、多个氧化剂出堆管路321、多个氧化剂进堆阀301和多个氧化剂出堆阀302，其中所述氧化剂进堆管路311的一端与所述氧化剂进堆总管路31相连通，所述氧化剂进堆管路311的另一端与所述电堆1的氧化剂进口131相连通，所述
氧化剂出堆管路321的一端与所述氧化剂出堆总管路32相连通，所述氧化剂出堆管路321的另一端与所述电堆1的氧化剂出口132相连通，所述氧化剂进堆阀301被设置于所述氧化剂进堆管路311，所述氧化剂出堆阀302被设置于所述氧化剂出堆管路321。可以理解的是，所述电堆1通过相应的所述氧化剂进堆管路311和相应的所述氧化剂出堆管路321并联在所述氧化剂进堆总管路31和所述氧化剂出堆总管路32之间，每一个所述电堆1与所述氧化剂进堆总管路31之间均设有所述氧化剂进堆阀301，每一个所述电堆1与所述氧化剂出堆总管路32之间均设有所述氧化剂出堆阀302，其中，当所述多堆燃料电池系统正常运行时，所述氧化剂进堆阀301和所述氧化剂出堆阀302均处于打开状态，氧化剂能够从所述氧化剂进堆总管路31分流至每一个所述氧化剂进堆管路311，再通过所述氧化剂进堆管路311流入相应的所述电堆1参与电化学反应，未反应的氧化剂和反应产出通过相应的所述氧化剂出堆管路321从所述电堆1内流出，最后再汇流至所述氧化剂出堆总管路32，当所述多堆燃料电池系统中的某一个电堆1发生故障需要切断时，相应的所述氧化剂进堆阀301和相应的所述氧化剂出堆阀302被切换至关闭状态，使氧化剂无法再从所述氧化剂进堆总管路31流入故障的电堆1，也无法再从故障的电堆1中流出至所述氧化剂出堆总管路32，进而独立地将故障的电堆1从所述氧化剂系统3中切断。此外，所述氧化剂出堆阀302还能防止从其他电堆1流出的氧化剂反灌至故障的电堆1内。
28.当某一故障的电堆1需要切断时，为了便于所述热管理系统4后续的温度调控，以及防止换热介质继续流经故障的电堆可能造成的不良影响，故障的电堆1也应当从所述热管理系统4中切断，以增强所述多堆燃料电池系统的可靠性。因此，参考附图3，所述多个电堆1以相互并联的方式设置于所述热管理系统4，以便于将换热介质均匀地供给至每一个所述电堆1，其中，所述热管理系统4包括换热介质进堆总管路41、换热介质出堆总管路42、多个换热介质进堆管路411、多个换热介质出堆管路421、多个换热介质进堆阀401和多个换热介质出堆阀402，其中所述换热介质进堆管路411的一端与所述换热介质进堆总管路41相连通，所述换热介质进堆管路411的另一端与所述电堆1的换热介质进口141相连通，所述换热介质出堆管路421的一端与所述换热介质出堆总管路42相连通，所述换热介质出堆管路421的另一端与所述电堆1的换热介质出口142相连通，所述换热介质进堆阀401被设置于所述换热介质进堆管路411，所述换热介质出堆阀402被设置于所述换热介质出堆管路421。可以理解的是，所述电堆1通过相应的所述换热介质进堆管路411和相应的所述换热介质出堆管路421并联在所述换热介质进堆总管路41和所述换热介质出堆总管路42之间，每一个所述电堆1与所述换热介质进堆总管路41之间均设有所述换热介质进堆阀401，每一个所述电堆1与所述换热介质出堆总管路42之间均设有所述换热介质出堆阀402，其中，当所述多堆燃料电池系统正常运行时，所述换热介质进堆阀401和所述换热介质出堆阀402均处于打开状态，换热介质能够从所述换热介质进堆总管路41分流至每一个所述换热介质进堆管路411，再通过所述换热介质进堆管路411流入相应的所述电堆1内进行热交换，之后通过相应的所述换热介质出堆管路421从所述电堆1内流出，最后再汇流至所述换热介质出堆总管路42，当所述多堆燃料电池系统中的某一个电堆1发生故障需要切断时，相应的所述换热介质进堆阀401和相应的所述换热介质出堆阀402被切换至关闭状态，使换热介质无法再从所述换热介质进堆总管路41流入故障的电堆1，也无法再从故障的电堆1中流出至所述换热介质出堆总管路42，进而独立地将故障的电堆1从所述热管理系统4中切断。此外，所述换热介质出
堆阀402还能防止从其他电堆1流出的换热介质反灌至故障的电堆1内。
29.在所述第一实施例中，所述电堆1以相互串联的方式电连接于所述功率输出系统5，如图4所示，所述功率输出系统5包括多个隔离电路51、多个第一隔离开关501和多个第二隔离开关502，所述隔离电路51被设置在相应的所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502之间，所述电堆1也被设置在相应的所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502之间，所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502用于将相应的所述隔离电路51和相应的所述电堆1中的一者电连接于所述功率输出系统5，使另一者与所述功率输出系统5完全断开，其中，当所述多堆燃料电池系统正常运行时，所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502将相应的所述电堆1电连接于所述功率输出系统5，当所述多堆燃料电池系统中的某一个电堆1发生故障需要切断时，相应的所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502将故障的电堆独立地断开，同时将相应的所述隔离电路51电连接于所述功率输出系统5，以确保电路导通。
30.根据所述第一实施例的一个变形实施例，所述电堆1在所述燃料系统2、所述氧化剂系统3和所述热管理系统4中的设置方式与所述第一实施例均相同，但是所述电堆1在所述功率输出系统5中的设置方式与所述第一实施例不同，如图5所示，所述多个电堆1被分为若干组，同组的电堆1相互串联，组与组之间相互并联，其中，每一个所述电堆1均能够通过相应的所述隔离电路51、相应的所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502从所述功率输出系统5中独立切断。可以理解的是，无论所述多个电堆1以全部串联的方式，还是分组串联再并联的方式电连接于所述功率输出系统5，只要在所述功率输出系统5中分别设置用于切断相应的所述电堆1的所述隔离电路51、所述第一隔离开关501和所述第二隔离开关502，就能够将任意的所述电堆1独立地从所述功率输出系统5中切断。
31.参考说明书附图之图6至图10，依本实用新型第二实施例的多堆燃料电池系统被阐明，在本实施例中，针对多个所述电堆1以分组串联再并联的方式电连接于所述功率输出系统5的情况，提出了另一种将故障的电堆1从所述燃料系统2、所述氧化剂系统3、所述热管理系统4和所述功率输出系统5中切断的方案。如图9所示，同组的所述电堆1被串联在相应的所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502之间，一旦某一组中的某个电堆1发生故障，通过相应的所述第一隔离开关501和相应的所述第二隔离开关502能够将该组的电堆1全部从所述功率输出系统5中切断。特别地，图5所示的功率输出系统5也可以通过独立切断该组中每一个电堆1的方式，将该组中的电堆1全部切断，但是其系统结构的复杂度、控制逻辑的复杂度以及整体的可靠性与图9所示的本实用新型第二实施例相比均不具有优势。相应地，为了与电路的切断方式相匹配，该组的电堆1也应当全部从所述燃料系统2、所述氧化剂系统3、所述热管理系统4中切断，如在按照所述第一实施例配置的所述燃料系统2、所述氧化剂系统3、所述热管理系统4中，可以通过将与该组中每一个电堆1相应的全部的所述燃料进堆阀201、所述燃料出堆阀202、所述氧化剂进堆阀301、所述氧化剂出堆阀302、所述换热介质进堆阀401和所述换热介质出堆阀402切换至关闭状态，从而通过独立切断该组中每一个电堆1的方式，将该组中的电堆1全部切断。显然，该方式在独立切断故障的电堆1时更具有优势，而在将该组的电堆1全部切断的情况下，较为复杂。
32.因此，如附图之图6至图9所示，所述多个电堆1以分组并联，再整体并联的方式设置于所述燃料系统2、所述氧化剂系统3和所述热管理系统4，从整体来看，所述多个电堆1仍
然是相互并联地设置于所述燃料系统2、所述氧化剂系统3和所述热管理系统4。
33.具体地，如图6所示，所述燃料系统2包括燃料进堆总管路21、燃料出堆总管路22、多个燃料进堆分组管路210、多个燃料出堆分组管路220、多个燃料进堆管路211、多个燃料出堆管路221、多个燃料进堆阀201和多个燃料出堆阀202，其中所述燃料进堆管路211的一端与所述燃料进堆分组管路210相连通，所述燃料进堆管路211的另一端与所述电堆1的燃料进口121相连通，所述燃料出堆管路221的一端与所述燃料出堆分组管路220相连通，所述燃料出堆管路221的另一端与所述电堆1的燃料出口122相连通，所述燃料进堆分组管路210的一端与所述燃料进堆总管路21相连通，所述燃料出堆分组管路220的一端与所述燃料出堆总管路22相连通，所述燃料进堆阀201被设置于所述燃料进堆分组管路210，所述燃料出堆阀202被设置于所述燃料出堆分组管路220。从而，某一组的全部电堆1能够被共同从所述燃料系统2中切断。
34.具体地，如图7所示，所述氧化剂系统3包括氧化剂进堆总管路31、氧化剂出堆总管路32、多个氧化剂进堆分组管路310、多个氧化剂出堆分组管路320、多个氧化剂进堆管路311、多个氧化剂出堆管路321、多个氧化剂进堆阀301和多个氧化剂出堆阀302，其中所述氧化剂进堆管路311的一端与所述氧化剂进堆分组管路310相连通，所述氧化剂进堆管路311的另一端与所述电堆1的氧化剂进口131相连通，所述氧化剂出堆管路321的一端与所述氧化剂出堆分组管路320相连通，所述氧化剂出堆管路321的另一端与所述电堆1的氧化剂出口132相连通，所述氧化剂进堆分组管路310的一端与所述氧化剂进堆总管路31相连通，所述氧化剂出堆分组管路320的一端与所述氧化剂出堆总管路32相连通，所述氧化剂进堆阀301被设置于所述氧化剂进堆分组管路310，所述氧化剂出堆阀302被设置于所述氧化剂出堆分组管路320。从而，某一组的全部电堆1能够被共同从所述氧化剂系统3中切断。
35.具体地，如图8所示，所述热管理系统4包括换热介质进堆总管路41、换热介质出堆总管路42、多个换热介质进堆分组管路410、多个换热介质出堆分组管路420、多个换热介质进堆管路411、多个换热介质出堆管路421、多个换热介质进堆阀401和多个换热介质出堆阀402，其中所述换热介质进堆管路411的一端与所述换热介质进堆分组管路410相连通，所述换热介质进堆管路411的另一端与所述电堆1的换热介质进口141相连通，所述换热介质出堆管路421的一端与所述换热介质出堆分组管路420相连通，所述换热介质出堆管路421的另一端与所述电堆1的换热介质出口142相连通，所述换热介质进堆分组管路410的一端与所述换热介质进堆总管路41相连通，所述换热介质出堆分组管路420的一端与所述换热介质出堆总管路42相连通，所述换热介质进堆阀401被设置于所述换热介质进堆分组管路410，所述换热介质出堆阀402被设置于所述换热介质出堆分组管路420。从而，某一组的全部电堆1能够被共同从所述热管理系统4中切断。
36.参考附图10，在本实用新型的全部实施例中，所述燃料进堆阀201、所述燃料出堆阀202、所述氧化剂进堆阀301、所述氧化剂出堆阀302、所述换热介质进堆阀401、所述换热介质出堆阀402、所述第一隔离开关501和所述第二隔离开关502均与所述控制系统6可通信地相连，从而通过所述控制系统6控制所述燃料进堆阀201、所述燃料出堆阀202、所述氧化剂进堆阀301、所述氧化剂出堆阀302、所述换热介质进堆阀401、所述换热介质出堆阀402、所述第一隔离开关501和所述第二隔离开关502切换状态。
37.本领域技术人员可以理解的是，所述多个电堆1优选地被实施为相同型号或规格
的电堆，每一个电堆1的额定功率基本相同，以便于流体的均匀分配和电堆的温度管理。而且，在本实用新型所述第二实施例中，每一组中的电堆1的数量相同，通过将整组电堆全部切断，有利于后续的流体均匀分配和电堆的温度管理。
38.值得注意的是，本文中第一、第二仅用于对本实用新型的不同部件(或元件)的命名和使本实用新型的不同部件(或元件)之间产生区分，其本身不具有次序或数目多少的含义。
39.本领域普通技术人员应该理解，上述描述和附图所示的实施方式仅仅是为了示例性地解释本实用新型，而不是对本实用新型的限制。所有在本实用新型精神之内的等同实施、修改和改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。