[发明专利]采用燃料电池的动力系统及具有其的整车系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种采用燃料电池的动力系统及具有其的整车系统。

背景技术

燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电能作为动力的汽车。目前，广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜燃料电池汽车的工作原理为：燃料氢气沿燃料电池电堆阳极板流道分配在膜电极的阳极侧，在阳极催化剂的作用下解离成电子和质子，电子经外电路到达阴极，质子直接穿过膜电极到达阴极，与阴极反应气体中的氧气反应生成水。此过程的产物为电能、热和水。其中电能带动电动机工作，电动机再带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。热和水通过热交换装置直接排放或综合利用。

目前，对于功率等级较大的质子交换膜燃料电池车用动力系统，为了降低系统散热负荷，保证较高的电堆反应温度，通常空气需要进行外部加湿，外部加湿一般采用气/气型加湿方式，即利用电池堆阴极反应尾气(COG)中的热量和气态水对阴极进堆空气进行加湿。同时为了提高氢气利用率及系统使用安全性，燃料供给系统一般采用氢气循环方式。图1为质子交换膜燃料电池车用动力系统的简化流程，其主要包含空气供给、氢气供给及电池堆冷却三个回路，电池堆01′电化学反应所需的空气由输送设备02′提供动力进入加湿器03′被电池堆阴极反应尾气加湿升温后进入电池堆阴极侧，阴极尾气与空气在加湿器中完成传热传质后的废气直接排放；来自高压储气瓶04′的氢气通过减压计量装置05′后进入电池堆阳极侧，阳极侧反应后的出堆气体通过氢气循环装置06′输送又循环进入电池堆，此过程由于涉及阴极惰性气体N2膜渗透、阳极杂质气体循环累积及水管理等问题，在阳极出口氢气管路设置了吹扫装置07′，以便定时定量进行阳极杂质气体排放与阳极气水管理，在氢气循环回路低位设置排液装置11′用于排出阳极循环回路的液态水。电池堆电化学反应过程产生的热量由动力设备08′输送的冷却介质穿过电堆带出后进入散热装置09′完成热量平衡，冷却介质在散热装置降温后又进入电堆，完成一次循环。

上述系统从燃料阴阳极反应物料供给及电堆热量平衡方面给出了较为优化的方案，但系统热管理方面只考虑了散热，对系统循环回路之间的水热耦合、部件对系统水热平衡影响考虑不多，因此，上述动力系统中容易产生由于氢气气源与循环氢气的温度不匹配而造成的两股气流汇流时气态水部分冷凝的问题，进而降低了入堆氢气中的气态水含量，降低了电池堆自产水利用率，并加大了系统外加湿负荷。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种采用燃料电池的动力系统及具有其的整车系统，以解决现有技术中由于氢气气源与循环氢气的温度不匹配而造成的两股气流汇流时气态水部分冷凝的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种采用燃料电池的动力系统，包括：电池堆；空气输送管线，与电池堆的阴极入口连通，用于向阴极提供氧气；氢气输送管线，与电池堆的阳极入口连通，用于向阳极提供氢气；氢气循环装置，分别与电池堆的阳极入口和阳极出口连通；以及加热装置，设置于氢气输送管线上，用于对氢气输送管线中的氢气供热。

进一步地，加热装置为换热器，且加热装置中具有换热介质通道，通过换热介质通道对氢气输送管线中的氢气供热。

进一步地，电池堆具有冷却介质通道，动力系统还包括：动力设备，与冷却介质通道首尾连通，用于将冷却介质在冷却介质通道中循环；以及散热装置，设置在动力设备与冷却介质通道连通的管线上，用于对冷却介质进行降温。

进一步地，换热介质通道设置在动力设备与冷却介质通道相连通的管线上，以使冷却介质与氢气输送管线中的氢气进行换热。

进一步地，电池堆的阴极具有尾气出口，动力系统还包括与尾气出口连通的尾气排放管线，动力系统还包括：空气输送设备，设置于空气输送管线上；以及加湿器，设置于空气输送管线上，且位于空气输送设备的下游，尾气排放管线穿设在加湿器上，以通过尾气排放管线中的尾气对加湿器中的空气进行换热。

进一步地，换热介质通道设置在空气输送管线上，且位于空气输送设备的下游。

进一步地，换热介质通道设置在与尾气排放管线相连通的管线上，以使尾气排放管线中的尾气与氢气输送管线中的氢气进行换热。

进一步地，换热介质通道设置于尾气出口与加湿器之间。

进一步地，尾气排放管线与加湿器中的空气进行换热后与换热介质通道连通。