一种燃料电池系统及其使用方法与流程

本发明涉及能源汽车动力技术领域，尤其涉及的是一种燃料电池系统及其使用方法。

背景技术：

国家大力提倡使用新能源汽车，锂电汽车发展也趋于成熟，但锂电使用过程中也存在一些问题，如续航里程短、充电时间长等问题；燃料电池经过多年发展目前也趋于成熟，具有续航里程长，加氢快速等优势，但现阶段也存在成本高昂的问题；为此，降低成本和重量有利于提升燃料电池的市场竞争力。现阶段燃料电池系统存在的问题：

1、现有燃料电池系统中实现空气压缩作用都是使用独立的空气压缩机来实现的，不仅增加汽车制造成本，且空气压缩机体积大、重量大，严重占用车内安装空间，也增加了车重量，使车能量消耗大；

2、目前能源车内高压储氢瓶压力已经基本达到70mpa，但具有较高的氢气压力势能下其气体压力利用率低，压缩氢气时浪费的能量大，机械做功效率实际值与高压储氢瓶释放的气体压力所能达到机械做功效率的理论结果不匹配，部分未在燃料电池系统中发生作用的氢气亦一直处于被浪费状态。

因此，提供一种新的技术方案以解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，旨在解决传统的燃料电池系统中体积大、重量大和具有较高压力势能的氢气利用率低的技术问题。

本发明的另一个目的在于提供一种利用该燃料电池系统的燃料电池系统使用方法，提高燃料电池系统的氢气利用率、系统工作效率和操作灵活性。

本发明所设计的技术方案如下：

一种燃料电池系统，其中,包括电堆本体、氢气发生机构、空气发生机构、传动电机和控制组件，所述氢气发生机构包括高压储氢瓶、第一气动力做功单元和第一进气保护装置，所述高压储氢瓶中的氢气依次通过第一气动力做功单元和所述第一进气保护装置后进入所述电堆本体；

所述空气发生机构包括空气滤清器、第二气动力做功单元和第二进气保护装置，空气依次通过所述空气滤清器、所述第二气动力做功单元和所述第二进气保护装置后进入所述电堆本体；

所述传动电机连接在所述第一气动力做功单元和所述第二气动力单元之间，所述第一气动力做功单元、所述第二气动力单元和所述传动电机同轴设置；

所述高压储氢瓶与所述第一进气保护装置之间流通氢气时产生压力差从而使所述第一气动力做功单元运动并可压缩氢气，所述第一气动力做功单元带动所述第二气动力做功单元运动以用于使所述第二气动力做功单元内可压缩空气，所述第一进气保护装置和所述第二进气保护装置均用于调节进入所述电堆本体的气体的气压，所述控制组件用于控制所述传动电机的开关。

所述的燃料电池系统，其中，所述第一气动力做功单元为氢气涡轮组件，所述氢气涡轮组件包括第一外壳和第一涡轮，所述第一涡轮设置在所述第一外壳内，所述第一外壳上设置有第一进气口和第一排气口，所述第一进气口与所述高压储氢瓶相连通以用于流通氢气至所述第一涡轮处，所述第一排气口与所述第一进气保护装置相连通以用于使被所述第一涡轮内压缩的氢气流至所述第一进气保护装置内；

所述第二气动力做功单元为空气涡轮组件，所述空气涡轮组件包括第二外壳和第二涡轮，所述第二涡轮设置在所述第二外壳内，所述第二外壳上设置有第二进气口和第二排气口，所述第二进气口与所述空气滤清器相连通以用于流通空气至所述第二涡轮处，所述第二排气口与所述第二进气保护装置相连通以用于使被所述第二涡轮内压缩的空气流至所述第二进气保护装置内；

所述第一涡轮、所述第二涡轮和所述传动电机同轴连接。

所述的燃料电池系统，其中，所述第一进气保护装置为稳压器。

所述的燃料电池系统，其中，所述第二进气保护装置为节气门。

所述的燃料电池系统，其中，还包括变速器，所述变速器连接在所述第二气动力做功单元和所述传动电机之间进行动力传递，所述第一涡轮、所述第二涡轮、所述传动电机和所述变速器同轴连接。

一种燃料电池系统的使用方法，其中，包括如下步骤：

a、燃料电池系统通电；

b、控制组件控制传动电机工作，传动电机带动空气涡轮组件工作压缩空气，将空气输送至电堆本体内，传动电机带动氢气涡轮组件工作将高压储氢瓶中的氢气压缩并输送至电堆本体内，完成电堆本体的启动工作；实际应用中，该传动电机类似于一双轴电机，其上的传动轴穿过传动电机本体，传动轴两端分别连接氢气涡轮组件和空气涡轮组件，穿过传动电机的传动轴的转动扭矩通过变速器传递给空气涡轮组件中的第二涡轮，使第一涡轮和第二涡轮转动后用于压缩气体。第二涡轮压缩空气后，压缩空气经过节气门进入电堆；高压储氢瓶内的氢气经过第一涡轮和稳压器后进入电堆，进入电堆的氢、氧气在电堆内发生化学反应，至此，完成电堆的启动工作。

c、控制组件控制传动电机停止工作，高压储氢瓶与稳压器之间流通氢气时产生压力差使氢气涡轮组件运动，氢气涡轮组件带动空气涡轮组件运动以用于使空气涡轮组件继续工作压缩空气；实际应用中，控制组件控制传动电机停止工作，传动电机的传动轴可空转，此时，用于压缩空气的第二涡轮的转动扭矩由第一涡轮将转动扭矩经变速器传递，至此，在脱离现有空气压缩机的条件下，利用高压储气瓶的氢气压力使本申请中用于压缩空气的机构工作。

d、控制组件控制传动电机进行二次开机工作，传动电机正传时，带动空气涡轮组件运动用于空气涡轮组件内增压，传动电机反传时，带动空气涡轮组件运动用于空气涡轮组件内减压。实际应用中，该步骤用于调节电堆工作功率，如果第一涡轮提供的转动扭矩不足，导致第二涡轮转速不足、内部压力变小时，传动电机二次开机可正转带动第二涡轮运动用于压缩空气，如果第一涡轮提供的转动扭矩不足时，传动电机二次开机可反转用于降低第二涡轮转动转速来调整空气压力。

本发明有益效果：本发明中具有两个气动力做功单元，其中第一气动力做功单元利用高压储氢瓶进行氢气体传输中的压力差就可实现运动，不仅可正常提供电堆本体所需的氢气，在多余的气体压力下其更可直接带动第二气动力做功单元运动以进行压缩空气并传输的作用，实现了本申请要达到的省去空气压缩机及其相应附件，减重节能，提高高压储氢瓶的气体压力和氢气利用率，具有突出的技术特征和显著的技术效果。

附图说明

图1是本发明的系统结构简图。

图中标号：1、电堆本体；2、传动电机；3、控制组件；4、高压储氢瓶；5、稳压器；6、空气滤清器；7、节气门；8、氢气涡轮组件；9、空气涡轮组件；10、变速器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参照图1，本发明为解决上述技术问题，提供一种燃料电池系统，包括电堆本体1、氢气发生机构、空气发生机构、传动电机2和控制组件3，所述氢气发生机构包括高压储氢瓶4、第一气动力做功单元和第一进气保护装置，所述高压储氢瓶4中的氢气依次通过第一气动力做功单元和所述第一进气保护装置后进入所述电堆本体1。所述空气发生机构包括空气滤清器6、第二气动力做功单元和第二进气保护装置，空气依次通过所述空气滤清器6、所述第二气动力做功单元和所述第二进气保护装置后进入所述电堆本体1。所述传动电机2连接在所述第一气动力做功单元和所述第二气动力单元之间，所述第一气动力做功单元、所述第二气动力单元和所述传动电机2同轴设置。本实施例中，高压储氢瓶4与所述第一进气保护装置之间流通氢气时产生压力差从而使所述第一气动力做功单元运动并可压缩氢气，所述第一气动力做功单元带动所述第二气动力做功单元运动以用于使所述第二气动力做功单元内可压缩空气，所述控制组件3用于控制所述传动电机2的开关，所述第一进气保护装置和所述第二进气保护装置均用于调节进入所述电堆本体1的气体的气压。进一步的，第一进气保护装置可为稳压器5，第二进气保护装置可为节气门7。本发明中具有两个气动力做功单元，其中第一气动力做功单元利用高压储氢瓶4进行氢气体传输中的压力差就可实现运动，不仅可正常压缩并提供电堆本体1所需的氢气，在多余的气体压力下其更可直接带动第二气动力做功单元运动以进行压缩空气并传输的作用，实现了本申请要达到的省去空气压缩机及其相应附件，减重节能，提高高压储氢瓶4的气体压力和氢气利用率，具有突出的技术特征和显著的技术效果。

本实施例中，第一气动力做功单元为氢气涡轮组件8，所述氢气涡轮组件8包括第一外壳（图中未画出）和第一涡轮（图中未画出），所述第一涡轮设置在所述第一外壳内，所述第一外壳上设置有第一进气口和第一排气口，所述第一进气口与所述高压储氢瓶4相连通以用于流通氢气至所述第一涡轮处，所述第一排气口与所述第一进气保护装置相连通以用于使被所述第一涡轮内压缩的氢气流至所述第一进气保护装置内。

所述第二气动力做功单元为空气涡轮组件9，所述空气涡轮组件9包括第二外壳（图中未画出）和第二涡轮（图中未画出），所述第二涡轮设置在所述第二外壳内，所述第二外壳上设置有第二进气口和第二排气口，所述第二进气口与所述空气滤清器6相连通以用于流通空气至所述第二涡轮处，所述第二排气口与所述第二进气保护装置相连通以用于使被所述第二涡轮内压缩的空气流至所述第二进气保护装置内。所述第一涡轮、所述第二涡轮和所述传动电机2同轴连接。

本实施例中，还包括变速器10，变速器10连接在第二气动力做功单元和传动电机2之间进行动力传递，第一涡轮、所述第二涡轮、传动电机2和变速器10同轴连接。上述实施例中的传动电机2相当于一个双轴电机，即该双轴电机有两个传动轴，一边是动力传动，一边是连接变速器10等，能很方便控制电动机的速度、启动、制动、编码等。本申请中利用第一涡轮带动第二涡轮运动，因此，需要使第一涡轮为主动运动状态，第二涡轮为从动运动状态，因此，在传动电机2一动力端连接第一涡轮，在传动电机2另一动力端连接第二涡轮且需要设置变速器10。实际应用中，控制组件3控制传动电机2通电时，穿过传动电机2的传动轴一边带动第一涡轮主动转动，另一边传动轴的转动扭矩通过变速器10传递给空气涡轮组件9中的第二涡轮，使第一涡轮和第二涡轮转动后用于压缩气体。传动电机2断电时，传动轴依然可在传动电机2内空转带动同轴连接的第一涡轮、第二涡轮和变速器10运动，且第一涡轮将转动扭矩经变速器10传递给第二涡轮。

本实施例中，第二进气保护装置为节气门7，节气门7是控制空气进入发动机或其他气体应用机构内部的一道可控阀门，而在本申请的燃料电池系统技术领域中，节气门7上接空气滤清器6，下接电堆，是实现电堆内优质气体化学反应的最重要的部件之一。

本实施例中，一种燃料电池系统的使用方法，包括如下步骤：

a、燃料电池系统通电；

b、控制组件控制传动电机工作，传动电机带动空气涡轮组件工作压缩空气，将空气输送至电堆本体内，传动电机带动氢气涡轮组件工作将高压储氢瓶中的氢气压缩并输送至电堆本体内，完成电堆本体的启动工作；

c、控制组件控制传动电机停止工作，高压储氢瓶与稳压器之间流通氢气时产生压力差使氢气涡轮组件运动，氢气涡轮组件带动空气涡轮组件运动以用于使空气涡轮组件继续工作压缩空气；

d、控制组件控制传动电机进行二次开机工作，传动电机正传时，带动空气涡轮组件运动用于空气涡轮组件内增压，传动电机反传时，带动空气涡轮组件运动用于空气涡轮组件内减压。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例中”、“在进一步的实施例中”、“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。