[發明專利]采用燃料電池的動力系統及具有其的整車系統

在審

• 申請號: 201710401860.X
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107394230A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 宋亞婷;湯浩;殷聰;溫序暉
• 申請（專利權）人: 中國東方電氣集團有限公司
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04089;H01M8/04701;H01M8/2457
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 韓建偉,謝湘寧

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，具體而言，涉及一種采用燃料電池的動力系統及具有其的整車系統。

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，廣泛應用于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：燃料氫氣沿燃料電池電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氧氣反應生成水。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(或后橋)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，對于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，保證較高的電堆反應溫度，通常空氣需要進行外部加濕，外部加濕一般采用氣/氣型加濕方式，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濕。同時為了提高氫氣利用率及系統使用安全性，燃料供給系統一般采用氫氣循環方式。圖1為質子交換膜燃料電池車用動力系統的簡化流程，其主要包含空氣供給、氫氣供給及電池堆冷卻三個回路，電池堆01′電化學反應所需的空氣由輸送設備02′提供動力進入加濕器03′被電池堆陰極反應尾氣加濕升溫后進入電池堆陰極側，陰極尾氣與空氣在加濕器中完成傳熱傳質后的廢氣直接排放；來自高壓儲氣瓶04′的氫氣通過減壓計量裝置05′后進入電池堆陽極側，陽極側反應后的出堆氣體通過氫氣循環裝置06′輸送又循環進入電池堆，此過程由于涉及陰極惰性氣體N2膜滲透、陽極雜質氣體循環累積及水管理等問題，在陽極出口氫氣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管理，在氫氣循環回路低位設置排液裝置11′用于排出陽極循環回路的液態水。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堆帶出后進入散熱裝置09′完成熱量平衡，冷卻介質在散熱裝置降溫后又進入電堆，完成一次循環。

上述系統從燃料陰陽極反應物料供給及電堆熱量平衡方面給出了較為優化的方案，但系統熱管理方面只考慮了散熱，對系統循環回路之間的水熱耦合、部件對系統水熱平衡影響考慮不多，因此，上述動力系統中容易產生由于氫氣氣源與循環氫氣的溫度不匹配而造成的兩股氣流匯流時氣態水部分冷凝的問題，進而降低了入堆氫氣中的氣態水含量，降低了電池堆自產水利用率，并加大了系統外加濕負荷。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種采用燃料電池的動力系統及具有其的整車系統，以解決現有技術中由于氫氣氣源與循環氫氣的溫度不匹配而造成的兩股氣流匯流時氣態水部分冷凝的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種采用燃料電池的動力系統，包括：電池堆；空氣輸送管線，與電池堆的陰極入口連通，用于向陰極提供氧氣；氫氣輸送管線，與電池堆的陽極入口連通，用于向陽極提供氫氣；氫氣循環裝置，分別與電池堆的陽極入口和陽極出口連通；以及加熱裝置，設置于氫氣輸送管線上，用于對氫氣輸送管線中的氫氣供熱。

進一步地，加熱裝置為換熱器，且加熱裝置中具有換熱介質通道，通過換熱介質通道對氫氣輸送管線中的氫氣供熱。

進一步地，電池堆具有冷卻介質通道，動力系統還包括：動力設備，與冷卻介質通道首尾連通，用于將冷卻介質在冷卻介質通道中循環；以及散熱裝置，設置在動力設備與冷卻介質通道連通的管線上，用于對冷卻介質進行降溫。

進一步地，換熱介質通道設置在動力設備與冷卻介質通道相連通的管線上，以使冷卻介質與氫氣輸送管線中的氫氣進行換熱。

進一步地，電池堆的陰極具有尾氣出口，動力系統還包括與尾氣出口連通的尾氣排放管線，動力系統還包括：空氣輸送設備，設置于空氣輸送管線上；以及加濕器，設置于空氣輸送管線上，且位于空氣輸送設備的下游，尾氣排放管線穿設在加濕器上，以通過尾氣排放管線中的尾氣對加濕器中的空氣進行換熱。

進一步地，換熱介質通道設置在空氣輸送管線上，且位于空氣輸送設備的下游。

進一步地，換熱介質通道設置在與尾氣排放管線相連通的管線上，以使尾氣排放管線中的尾氣與氫氣輸送管線中的氫氣進行換熱。

進一步地，換熱介質通道設置于尾氣出口與加濕器之間。

進一步地，尾氣排放管線與加濕器中的空氣進行換熱后與換熱介質通道連通。