燃料电池系统及用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种将氢气和氧气中的化学能转化成电能的发电装置。由于其不受“卡诺循环”的限制，因此能量转换效率要显著高出普通热机。除此之外，燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点，在汽车、航天以及固定、便携式发电设备等领域具有十分广阔的市场前景。
3.在现有的燃料电池系统中，通常采用储氢容器(如高压氢气瓶等)为燃料电池电堆供应氢气，当储氢容器中的氢气消耗完之后，需要更换新的储氢容器以保证氢气的供应。但是在一些应用场景中，采用储氢容器供应氢气存在诸多缺点，如储氢容器的体积和重量较大，储氢容器的更换难度较高等。因此，通过在线制氢的方式为燃料电池电堆供应氢气越来越受到燃料电池行业的关注和青睐。
4.目前，许多现有技术中都提出了在线制氢的技术方案，但是，这些技术方案重点关注的问题都是如何制氢，并未真正考虑其与燃料电池系统的结合中所需要解决的技术问题。本领域技术人员应当理解，为了确保燃料电池能够在输出恒定功率的工况下工作，需要保证氢气的供应气压维持在设定的气压范围内，进而对制氢的发生和停止提出了较高的要求，即当氢气的供应气压高于所述设定的气压范围时，制氢停止，当氢气的供应气压低于所述设定的气压范围时，进行制氢。现有技术中用于控制制氢的发生和停止的策略和结构较为复杂，实施难度大且成本较高。
5.更值得注意的是，在燃料电池系统中，供应的氢气在第一次流经燃料电池电堆后无法完全反应，其中未反应的氢气需要通过氢气循环回路循环回氢气供应端与新供应的氢气进行混合，再重新通入燃料电池电堆中参与电化学反应。因此，在线制氢装置对于制氢的发生和停止的控制必须要考虑被循环的氢气对氢气的供应气压造成的影响。然而，现有技术中均未提出该技术问题，也并未针对该技术问题给出任何将在线制氢装置与燃料电池系统相结合的解决方案。


技术实现要素：

6.本实用新型的主要优势在于提供一种燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括在线制氢供氢系统，以通过在线制氢的方式为所述燃料电池系统的燃料电池电堆提供持续稳定的氢气供应。
7.本实用新型的另一优势在于提供一种用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统，其中所述在线制氢供氢系统的制氢容器与氢气循环回路相连通，以使从所述燃料电池系统的燃料电池电堆中排出的未反应的氢气能够通过所述氢气循环回路循环回所述制氢容器内，从而使得所述制氢容器内的氢气气压真实反映了实际的供氢气压，进而根据所述制氢容器
内的氢气气压来控制制氢反应的发生和停止，能够实现具有稳定的供氢气压的氢气供应。
8.本实用新型的另一优势在于提供一种用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统，其中所述在线制氢供氢系统包括一个制氢容器和一个与所述制氢容器相连通的调节容器，其中所述制氢容器中的反应液的液位高度能够随所述制氢容器中的氢气气压的变化而变化，从而使得所述反应液能够在所述氢气气压的控制下与所述制氢容器中的反应物接触或分离，进而控制所述制氢容器中制氢反应的发生和停止。
9.本实用新型的另一优势在于提供一种用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统，其中当所述制氢容器中的氢气气压大于一个预设供氢气压时，所述制氢容器中的反应液与反应物分离，制氢反应处于停止状态，当所述制氢容器中的氢气气压小于或等于所述预设供氢气压时，所述制氢容器中的反应液与反应物接触，制氢反应处于发生状态。
10.相应地，依本实用新型，具有至少一个前述优势的燃料电池系统，包括：
11.燃料电池电堆；
12.热管理系统，用于调节所述燃料电池电堆的温度；
13.阴极气体供应系统，用于为所述燃料电池电堆提供参与电化学反应的阴极气体；和
14.在线制氢供氢系统，其中所述在线制氢供氢系统包括制氢容器、氢气供应路和氢气循环回路，其中所述氢气供应路分别与所述制氢容器和所述燃料电池电堆的氢气进口相连通，所述氢气循环回路分别与所述制氢容器和所述燃料电池电堆的氢气出口相连通。
15.特别地，所述氢气供应路的进气端与所述制氢容器的供氢口相连通，所述氢气供应路的出气端与所述燃料电池电堆的所述氢气进口相连通，所述氢气循环回路的第一端与所述燃料电池电堆的所述氢气出口相连通，所述氢气循环回路的第二端与所述制氢容器的回氢口相连通，其中所述制氢容器的所述供氢口和所述回氢口均与所述制氢容器的容纳腔相连通。
16.特别地，所述在线制氢供氢系统进一步包括调节容器，其中所述调节容器与所述制氢容器相连通，所述调节容器设有用于供应反应液的反应液进口和用于调节气压的调节阀，其中所述调节阀被设置在所述调节容器的顶部。
17.特别地，所述在线制氢供氢系统还包括用于承载反应物的隔板，其中所述隔板被固定地设置在所述制氢容器内，并且所述隔板设有多个通孔。
18.根据本实用新型的另一方面，进一步提出一种用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统，包括：
19.制氢容器；
20.氢气供应路；和
21.氢气循环回路，其中所述氢气供应路分别与所述制氢容器和所述燃料电池系统的燃料电池电堆的氢气进口相连通，所述氢气循环回路分别与所述制氢容器和所述燃料电池电堆的氢气出口相连通，其中所述氢气供应路的进气端与所述制氢容器的供氢口相连通，所述氢气供应路的出气端与所述燃料电池电堆的所述氢气进口相连通，所述氢气循环回路的第一端与所述燃料电池电堆的所述氢气出口相连通，所述氢气循环回路的第二端与所述制氢容器的回氢口相连通，其中所述制氢容器的所述供氢口和所述回氢口均与所述制氢容器的容纳腔相连通。
22.特别地，所述在线制氢供氢系统进一步包括调节容器，其中所述调节容器与所述制氢容器相连通。
23.特别地，所述调节容器设有用于供应反应液的反应液进口和用于调节气压的调节阀，其中所述调节阀被设置在所述调节容器的顶部。
24.特别地，所述在线制氢供氢系统还包括用于承载反应物的隔板，其中所述隔板被固定地设置在所述制氢容器内，并且所述隔板设有多个通孔。
25.特别地，所述在线制氢供氢系统的所述制氢容器还设有废液排出口和填料口。
26.特别地，所述在线制氢供氢系统还包括与所述制氢容器的所述供氢口相连通的排气路和设置在所述排气路的排气阀。
27.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。
28.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、说明书附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
29.图1是根据本实用新型一种可选实施例的燃料电池系统和用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统的示意图；
30.图2是根据本实用新型一种优选实施例的燃料电池系统和用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统的示意图；
31.图3是根据本实用新型所述优选实施例的在线制氢供氢系统的制氢容器的局部放大图；
32.图4是根据本实用新型所述优选实施例的燃料电池系统和用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统的另一示意图；
33.图5是根据本实用新型所述优选实施例的燃料电池系统和用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统的另一示意图；
34.图6是根据本实用新型所述优选实施例的燃料电池系统和用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统的另一示意图。
具体实施方式
35.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。
36.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。
37.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。
38.参考说明书附图之图1至图6，根据本实用新型实施例的燃料电池系统及用于燃料电池系统的在线制氢供氢系统被阐明，其中所述燃料电池系统包括燃料电池电堆10、热管理系统11、阴极气体供应系统12和在线制氢供氢系统2，其中，所述热管理系统11用于管理所述燃料电池电堆10的温度，如对所述燃料电池电堆10进行冷却散热等；所述阴极气体供应系统12用于为所述燃料电池电堆10提供参与电化学反应的阴极气体，如供应氧气、空气或其它含有氧气的气体等；所述在线制氢供氢系统2通过在线制氢的方式为所述燃料电池电堆10提供参与电化学反应的阳极气体，如持续稳定地供应氢气。
39.本领域技术人员可以理解的是，当所述燃料电池电堆为空气冷却型(风冷型)燃料电池电堆时，所述热管理系统11被实施为能够利用风机(或风扇)引导空气流经所述燃料电池电堆10的散热流道，带走电化反应产生的热量，从而对所述燃料电池电堆10进行散热，当所述燃料电池电堆为水冷型(液冷型)燃料电池电堆时，所述热管理系统11被实施为能够利用循环的冷却液带走电化反应产生的热量，从而对所述燃料电池电堆10进行散热。为了便于图示本实用新型的实施例，在附图中仅以风机(或风扇)的形式示意性地示出所述热管理系统11，所述热管理系统11的实施方式不构成对本实用新型保护范围的限制。
40.具体地，所述在线制氢供氢系统2包括制氢容器20、氢气供应路21和氢气循环回路22，其中所述氢气供应路21分别与所述制氢容器20和所述燃料电池电堆10的氢气进口101相连通，所述氢气循环回路22分别与所述制氢容器20和所述燃料电池电堆10的氢气出口102相连通，其中所述氢气供应路21的进气端211与所述制氢容器20的供氢口201相连通，所述氢气供应路21的出气端212与所述燃料电池电堆10的所述氢气进口101相连通，所述氢气循环回路22的第一端221与所述燃料电池电堆10的所述氢气出口102相连通，所述氢气循环回路22的第二端222与所述制氢容器20的回氢口202相连通，其中所述制氢容器20的所述供氢口201和所述回氢口202均与所述制氢容器20的容纳腔200相连通。
41.可以理解的是，制氢反应发生在所述制氢容器20内，其中所述制氢反应生成的氢气能够被容纳在所述制氢容器20的所述容纳腔200内，并且氢气能够通过所述制氢容器20的所述供氢口201和所述氢气供应路21的所述进气端211流入所述氢气供应路21，然后通过所述氢气供应路21的所述出气端212流出所述氢气供应路21，之后通过所述燃料电池电堆10的所述氢气进口101被供应至所述燃料电池电堆10内参与电化学反应，其中未反应完的氢气通过所述燃料电池电堆10的所述氢气出口102排出所述燃料电池电堆10，并通过所述氢气循环回路22的所述第一端221流入所述氢气循环回路22，然后通过所述氢气循环回路22的所述第二端222流出所述氢气循环回路22，之后通过所述制氢容器20的所述回氢口202循环回所述制氢容器20的所述容纳腔200内。因此，所述制氢容器20内的氢气气压真实反映了实际的供氢气压，进而根据所述制氢容器20内的氢气气压来控制制氢反应的发生和停止，能够实现具有稳定的供氢气压的氢气供应。
42.在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，通过检测所述制氢容器20的内的氢气气压，并根据该氢气气压与一个预设供氢气压之间的大小关系，来控制是否向所述制氢容器20内供应反应物和反应液，例如：当所述氢气气压小于或等于所述预设供氢气压时，向所述制氢容器20内供应反应物和反应液；当所述氢气气压大于所述预设供氢气压时，停止反应物和反应液的供应。
43.根据本发明的一个优选实施例，如图2至图6所示，所述在线制氢供氢系统2进一步
包括调节容器30，其中所述调节容器30与所述制氢容器20相连通，反应液能够在所述制氢容器20内的氢气气压的影响下，从所述制氢容20向所述调节容器30流动，或者从所述调节容器30向所述制氢容器20流动，从而使得所述制氢容器20内的反应液的液位高度能够受所述制氢容器20内的氢气气压的影响而下降或者上升，从而使得所述反应液能够在所述氢气气压的控制下与所述制氢容器20中的反应物接触或分离，进而控制所述制氢容器20中制氢反应的发生和停止。
44.具体地，所述在线制氢供氢系统2进一步包括连通管路300，其中所述连通管路300的一端连通于所述调节容器30的底部301，所述连通管路300的另一端连通于所述制氢容器20的低端部203，以便于反应液在所述制氢容器20与所述调节容器30之间流动。所述调节容器30设有反应液进口302，用于供应反应液，其中所述反应液为水或者含有水的溶液。进一步地，所述调节容器30还包括调节阀303，用于调节所述调节容器30内的气压，其中所述调节阀303优选地被设置在所述调节容器30的顶部304。相应地，所述在线制氢供氢系统2还包括与所述制氢容器20的所述供氢口201相连通的排气路23和设置在所述排气路23的排气阀231，用于排出所述制氢容器20中的气体。
45.更具体地，所述在线制氢供氢系统2进一步包括设置在所述氢气循环回路22的氢气循环泵223，用于将未反应完的氢气循环回所述制氢容器20的所述容纳腔200。进一步地，所述在线制氢供氢系统2还包括设置在所述氢气供应路21的进气阀213和气水分离器214，其中所述进气阀213用于控制氢气的供应，所述气水分离器214用于除去供应的氢气中携带的水。
46.特别地，如图3所示，所述在线制氢供氢系统2还包括用于承载反应物的隔板40，其中所述隔板40被固定地设置在所述制氢容器20内，并且所述隔板40设有多个通孔400，以供反应液通过所述通孔400上下流动，从而使反应液的液位能够上升至所述隔板40以上，此时反应液与反应物接触，制氢反应进行，或者下降至所述隔板40以下，此时反应液与反应物分离，制氢反应停止。优选地，所述隔板40被水平地固定在所述制氢容器20内。可以理解的是，所述反应物为颗粒状或球状的金属氢化物，如氢化镁等，或含有金属氢化物的球状固体或者固体颗粒物。相应地，所述通孔400的孔径小于所述反应物初始的最小外径，以确保所述反应物不会通过所述通孔400掉落。更优选地，所述反应物被致密的透气膜包覆。
47.如说明书附图之图4所示，在初始阶段，所述调节容器30的所述调节阀303打开，所述在线制氢供氢系统2的所述排气阀231打开，所述进气阀213关闭，此时所述制氢容器20和所述调节容器30均与外界环境相连通，当通过所述调节容器30的所述反应液进口302供应反应液时，反应液能够通过所述连通管路300流入所述制氢容器20内，当所述制氢容器20中反应液的液位高于所述隔板40一个设定高度时，停止反应液的供应，此时反应液与反应物接触，制氢反应进行，所述制氢容器20中原有的空气通过所述排气路23被逐步排出所述制氢容器20，以防止向所述燃料电池电堆10供应的氢气中混有空气，当所述制氢容器20中原有的空气被排空后，关闭所述排气阀231，之后适时打开所述进气阀213开始供应氢气。
48.如说明书附图之图5所示，随着制氢反应的进行，所述制氢容器20中的氢气气压逐步升高，在所述氢气气压的作用下，反应液从所述制氢容器20向所述调节容器30流动，当所述制氢容器20中的氢气气压大于一个预设供氢气压时，所述制氢容器20中反应液的液位低于所述隔板40，反应液与反应物分离，制氢反应处于停止状态。
49.如说明书附图之图6所示，当制氢反应停止后，随着氢气的供应，所述制氢容器20中的氢气气压逐步降低，在所述氢气气压的作用下，反应液从所述调节容器30向所述制氢容器20流动，当所述制氢容器20中的氢气气压小于或等于所述预设供氢气压时，所述制氢容器20中反应液的液位高于所述隔板40，反应液与反应物接触，制氢反应处于发生状态。
50.进一步地，所述在线制氢供氢系统2的所述制氢容器20还设有废液排出口204，当制氢反应结束后，反应产生的废液和废料能够通过所述废液排出口204从所述制氢容器20内排出。优选地，所述废液排出口204被设置在所述制氢容器20的底部。可以理解的是，所述在线制氢供氢系统2的所述制氢容器20进一步设有填料口205，反应物能够通过所述填料口205被补充进所述制氢容器内。
51.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。