燃料电池系统的制作方法

本技术涉及电池，尤其涉及一种燃料电池系统。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池（pemfc）系统是一种高效、清洁的能源转换装置，其运行过程涉及反应气体（氢气与空气）供应、电化学反应、热量管理及水管理等多个复杂子系统的协同工作。热量管理及水水管理是影响燃料电池性能、效率与耐久性的关键技术之一。

2、现有燃料电池系统在水与热的综合管理上，存在以下问题：

3、（1）质子交换膜需要保持适度湿润以维持较高的质子传导率，现有技术一般是配备加湿装置对进气进行加湿，这不仅增加了系统的复杂性与寄生功耗，且若使用外部水源还可能引入有害离子，污染膜电极，损害电堆寿命。

4、（2）系统运行产生的大量废热需要通过冷却系统及时散出，尤其是在高温或高负荷工况下，散热能力直接决定了系统的输出稳定性与环境适应性，现有技术中冷却系统通常依赖风冷散热，但其在环境温度较高时散热效率有限，易导致电堆过热，迫使系统降额运行甚至停机保护。为应对高温环境而增大散热器尺寸，又会与系统小型化、轻量化的需求相悖。

5、（3）现有技术中冷却系统一般是通过外部纯净水进行定期补充，这不仅增加了运营维护成本与复杂性，更限制了系统在缺乏纯净水补给设施场景（如偏远地区、长途运输）下的持续运行能力。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种燃料电池系统，实现了尾排水的循环利用，具有高效、可靠、节能、环保且运营成本低等优点。

2、为实现上述目的，本实用新型的所述燃料电池系统，包括电堆、空气子系统、氢气子系统、冷却子系统和尾排水循环利用子系统；所述空气子系统与所述电堆的空气输入端连接；所述氢气子系统与所述电堆的氢气输入端连接；所述冷却子系统包括冷却循环回路、散热模组和冷却水箱，所述冷却循环回路与所述电堆中的冷却流道连通，所述散热模组和所述冷却水箱设于所述冷却循环回路上；所述尾排水循环利用子系统包括储水器、尾排水输送管路、加湿模块、喷淋降温模块和补水模块，所述储水器与所述电堆的空气尾排端和氢气尾排端连通，所述尾排水输送管路与所述储水器连通，所述加湿模块、所述喷淋降温模块和所述补水模块分别设于所述尾排水输送管路上；且所述加湿模块连接至所述空气子系统的空气入口端，用于对输送至所述电堆的空气进行加湿；所述喷淋降温模块连接至所述散热模组的进风口，用于对所述散热模组进行喷淋降温；所述补水模块连接至所述冷却水箱，用于向所述冷却水箱补充尾排回收水。

3、优选的，所述储水器包括装置本体和腔体结构，所述装置本体的上部设有尾排输入端和气体排出端；所述腔体结构设于所述装置本体内且两端分别与所述尾排输入端和所述气体排出端连通，所述尾排输入端与所述电堆的空气尾排端连通，所述腔体结构包括扩径消音腔体，所述扩径消音腔体由所述尾排输入端向远离所述尾排输入端的方向延伸，且所述扩径消音腔体的横截面积沿远离所述尾排输入端的方向逐渐增大；所述扩径消音腔体的底部为一倾斜导流壁，所述倾斜导流壁的末端部沿靠近所述装置本体的底部方向延伸，且所述扩径消音腔体的腔壁分布有多个排水微孔。

4、优选的，所述尾排输入端还与所述电堆的氢气尾排端连通，所述腔体结构还包括气体导流腔体，所述气体导流腔体的一端与所述扩径消音腔体的末端连通，所述气体导流腔体的另一端与所述气体排出端连通；所述倾斜导流壁的末端部与所述气体导流腔体的壁体间隔设置形成液体通道。

5、优选的，所述储水器设有若干挡板件，至少两个所述挡板件沿远离所述尾排输入端的方向顺次排列设置于所述扩径消音腔体的顶部，至少一个所述挡板件设置于所述气体导流腔体的底部且靠近所述扩径消音腔体设置。

6、优选的，所述燃料电池系统还包括控制器、第一液位传感器和水泵，所述第一液位传感器设置于所述储水器，所述水泵设于所述尾排水输送管路，所述控制器分别与所述第一液位传感器、所述水泵、所述加湿模块、所述喷淋降温模块和所述补水模块连接。

7、优选的，所述加湿模块包括第一尾排水输送支管路、以及分别与所述控制器连接的第一电磁阀、第一喷雾装置和湿度传感器，所述湿度传感器设于所述空气子系统与所述电堆连接的空气输送管路上，所述第一尾排水输送支管路的两端分别与所述尾排水输送管路和所述第一喷雾装置连接，所述第一电磁阀设于所述第一尾排水输送支管路，所述第一喷雾装置的喷嘴朝向所述空气入口端设置。

8、优选的，所述喷淋降温模块包括第二尾排水输送支管路、以及分别与所述控制器连接的第二电磁阀和第二喷雾装置，所述第二尾排水输送支管路的两端分别与所述尾排水输送管路和所述第二喷雾装置连接，所述第二电磁阀设于所述第二尾排水输送支管路，所述第二喷雾装置的喷嘴朝向所述散热模组的进风口设置。

9、优选的，所述补水模块包括第三尾排水输送支管路、以及分别与所述控制器连接的第三电磁阀和第二液位传感器，所述第二液位传感器设置于所述冷却水箱，所述第三电磁阀设于所述第三尾排水输送支管路，所述第三尾排水输送支管路的两端分别与所述尾排水输送管路和所述冷却水箱连接。

10、优选的，所述尾排水循环利用子系统还包括排水模块，所述排水模块包括排水管路、以及分别与所述控制器连接的第一排水阀和第三液位传感器，所述排水管路与所述储水器底部的排水口连通，所述第一排水阀设于所述排水管路，所述第三液位传感器设置于所述储水器，且所述第三液位传感器和所述第一液位传感器位于所述储水器的不同液位高度位置，所述第三液位传感器靠近所述储水器的顶部设置，所述第一液位传感器靠近所述储水器的底部设置。

11、优选的，所述排水模块还包括与所述控制器连接的温度传感器，所述温度传感器设于所述储水器内以用于检测所述储水器中液体的温度。

12、优选的，所述排水模块还包括与所述控制器连接的电导率传感器，所述电导率传感器设于所述储水器内以用于检测所述储水器中液体的电导率。

13、优选的，所述燃料电池系统还包括空气尾排控制管路，所述空气尾排控制管路包括空气尾排管路和背压阀，所述空气尾排管路的两端分别连接所述空气尾排端和所述储水器的尾排输入端，所述背压阀设置于所述空气尾排管路并与所述控制器连接。

14、优选的，所述燃料电池系统还包括氢气尾排控制管路，所述氢气尾排控制管路包括氢气尾排管路、分水器、循环泵、第二排水阀和排气阀，所述氢气尾排管路的两端分别连接所述氢气尾排端和所述分水器，所述分水器的排水端通过液体排放管路连接所述储水器的尾排输入端，所述第二排水阀设于所述液体排放管路，所述分水器的排气端通过氢气循环管路连接至所述氢气子系统，所述循环泵设于所述氢气循环管路，且所述分水器和所述循环泵之间的氢气循环管路还通过气体排放管路连接至所述尾排输入端，所述排气阀设于所述气体排放管路，所述分水器设有第四液位传感器，所述第四液位传感器、所述循环泵、所述第二排水阀和所述排气阀均与所述控制器连接。

15、本实用新型的所述燃料电池系统的有益效果在于：

16、（1）本技术通过加湿模块利用所述储水器中回收的尾排水对进入电堆的空气进行自加湿，有利于维持质子交换膜湿润，而且这种自加湿模式可以减少或替代外部设置的加湿装置，简化了系统，显著提升了系统效率与性能。同时，直接使用电堆产生的高纯度尾排水作为加湿水源，有效减少对外部补水的依赖，强化了系统的自维持能力，而且从源头避免了使用外部水源可能引入的离子污染物（如钙、镁、氯离子等）对质子交换膜的损害，有利于实现零污染，极大延长了电堆核心部件的寿命。

17、（2）本技术通过喷淋降温模块将所述储水器中回收的尾排水喷淋到散热模组（如散热器）的进风口，使得能利用水在散热片表面蒸发会吸收大量热量的原理（即蒸发吸热）大幅提升了所述散热模组的散热效率，有利于增强冷却子系统在高温、高负荷工况下的散热能力，保障了高温环境运行稳定性，提升了环境适应性，使得燃料电池系统能够在环境温度更高的地区或夏季稳定运行，避免了因散热不足导致的功率衰减或停机保护。 同时，由于散热效率提升，在达到相同冷却效果的前提下，有可能设计更小尺寸的散热模组，有助于实现系统的小型化和轻量化。

18、（3）本技术通过补水模块将所述储水器中回收的尾排水补充到冷却子系统的冷却水箱中，使得电堆反应产生的水被收集后又用于为维持电堆的工作温度的冷却子系统补水，以此形成了一个良性的内部水循环，可以及时补充因蒸发或轻微泄漏而损失的冷却水，维持冷却回路的压力稳定，防止冷却回路因缺少冷却水而产生气蚀、局部过热等问题，保护了冷却水泵和电堆，延长核心部件寿命，增强了系统可靠性与耐久性；而且极大地减少了对外部纯净水的消耗和依赖，大幅延长了系统的持续运行时间，使得能适用于在缺乏纯净水补给设施（如偏远地区、长途货运）的应用场景中。

19、（4）本技术将电堆反应产生的尾排水的收集、储存、分配集成于一个统一的尾排水循环利用子系统中，使得本系统同时集成了为冷却子系统补水、为散热模组增强降温、以及为所述空气子系统的空气入口端的空气加湿的功能，避免了为加湿、冷却和补水分别设立独立水源，使系统结构更紧凑，提高系统集成度；回收水循环利用实现了废水资源化，实现了“零废水排放”（或近乎零排放），节省了能耗，提升了经济性和对环境的友好性。而且电堆产生的尾排水是高度纯净的，使用这种回收的尾排水进行加湿和为冷却子系统补水，可以有效防止因使用外部来源不明的水质可能带来的离子污染，保护敏感的质子交换膜和冷却流道，避免因杂质导致的性能衰减和腐蚀。