本實(shí)用新型涉及燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種具有自活化功能的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，燃料電池是一種新型綠色能源，通過將氫氣和氧氣分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)生成水，產(chǎn)生熱能和電能。具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染排放、環(huán)境友好、運(yùn)行噪聲低、安全可靠、比功率和比能量密度高等突出優(yōu)點(diǎn)。

其中，現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常包括：燃料電池堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、可控DC/DC轉(zhuǎn)換器；燃料電池系統(tǒng)中一般在可控DC/DC轉(zhuǎn)換器后端并聯(lián)有蓄電池，用于提供啟動電力或者在燃料電池進(jìn)行調(diào)節(jié)期間提供輔助電力輸出的作用；氫氣和空氣分別由氫氣供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)處理后直接輸送到燃料電池堆。

然而，電堆在運(yùn)行前需要進(jìn)行活化工藝，活化工藝通常有三個特征，一是活化工藝通常采用比電堆額定功率更高的活化功率運(yùn)行電堆，相應(yīng)的，該電堆在活化時(shí)需要消耗比額定功率下更多的燃料、氧化劑(空氣)、冷卻液等介質(zhì)流量；二是活化功率通常是按正斜率逐步上升至活化極限功率，如果是新裝配電堆，則初始活化功率大約在額定功率的20％左右，如果是重新進(jìn)行活化工藝的電堆，則初始活化工藝可以從額定功率的80％～100％開始；三是活化極限功率可以高至2倍額定功率?；罨に噺?fù)雜，需要占用設(shè)備、人力資源，消耗燃料；并且，在經(jīng)過一段時(shí)間的使用、停機(jī)保存等過程后，因電堆內(nèi)部膜電極微觀結(jié)構(gòu)上水狀態(tài)的變化，部分質(zhì)子傳導(dǎo)通道會失去活性，造成電堆性能下降，需要重新活化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提出一種具有自活化功能的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有燃料電池在出廠前需進(jìn)行的活化工藝復(fù)雜，且在經(jīng) 過一段時(shí)間的使用、停機(jī)保存等過程后，需要重新活化的問題。

基于上述目的本實(shí)用新型提供的具有自活化功能的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一氫氣比例閥，第二氫氣比例閥，第一空氣比例閥，第二空氣比例閥，第一水比例閥，第二水比例閥，控制系統(tǒng)，氫氣供給系統(tǒng)，空氣供給系統(tǒng)，水冷卻系統(tǒng)，第一電堆，第二電堆，第一可控DC/DC轉(zhuǎn)換器,第二可控DC/DC轉(zhuǎn)換器；所述氫氣供給系統(tǒng)氣體輸出口與所述第一氫氣比例閥、所述第二氫氣比例閥入口連接，所述第一氫氣比例閥氣體輸出口與所述第一電堆連接，所述第二氫氣比例閥氣體輸出口與所述第二電堆連接，向所述第一電堆、所述第二電堆輸送氫氣，所述第一氫氣比例閥用于控制進(jìn)入所述第一電堆的氫氣進(jìn)氣量，所述第二氫氣比例閥用于控制進(jìn)入所述第二電堆的氫氣進(jìn)氣量；所述空氣供給系統(tǒng)氣體輸出口與所述第一空氣比例閥、所述第二空氣比例閥入口連接，所述第一空氣比例閥氣體輸出口與所述第一電堆連接，所述第二空氣比例閥氣體輸出口與所述第二電堆連接，向所述第一電堆、所述第二電堆輸送空氣，所述第一空氣比例閥用于控制進(jìn)入所述第一電堆的空氣進(jìn)氣量，所述第二空氣比例閥用于控制所述第二電堆的空氣進(jìn)氣量；所述水冷卻系統(tǒng)輸出口與所述第一水比例閥、所述第二水比例閥入口連接，所述第一水比例閥輸出口與所述第一電堆連接，所述第二水比例閥輸出口與所述第二電堆連接，向所述第一電堆、所述第二電堆輸送去離子水，所述第一水比例閥用于控制進(jìn)入所述第一電堆的進(jìn)水量，所述第二水比例閥用于控制所述第二電堆的進(jìn)水量，維持燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)正常工作溫度；所述控制系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)零部件的工作情況。

根據(jù)本實(shí)用新型的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，還包括第一電磁閥；所述第一電堆、所述第二電堆的氫氣排出口與所述第一電磁閥入口相連，用于排出所述第一電堆和所述第二電堆中未反應(yīng)的氫氣。

根據(jù)本實(shí)用新型的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，還包括第二電磁閥；所述第一電堆、所述第二電堆空氣排出口與所述第二電磁閥入口相連，用于排出所述第一電堆和所述第二電堆中未反應(yīng)的空氣。

根據(jù)本實(shí)用新型的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，所述第一電堆、所述第二電堆的排水口與所述水冷卻系統(tǒng)連接，將電堆中排出的水收集輸送至所述水冷卻系統(tǒng)，循環(huán)利用。

根據(jù)本實(shí)用新型的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，所述第一電堆、所述第二電堆分 別設(shè)有溫度傳感器，分別用于檢測所述第一電堆、所述第二電堆的工作溫度；所述溫度傳感器與所述水冷卻系統(tǒng)連接，用于根據(jù)燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)控電堆的工作溫度。

根據(jù)本實(shí)用新型的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，所述第一電堆輸出端與所述第一可控DC/DC轉(zhuǎn)換器連接，所述第二電堆輸出端與所述第二可控DC/DC轉(zhuǎn)換器連接，所述第一、第二可控DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)后與負(fù)載連接，并由所述第一、第二可控DC/DC轉(zhuǎn)換器向負(fù)載提供電力。

根據(jù)本實(shí)用新型的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，所述第一電堆和所述第二電堆相互獨(dú)立，額定功率分別為總額定功率的一半；所述第一電堆和所述第二電堆共用一套所述氫氣供給系統(tǒng)、所述空氣供給系統(tǒng)、所述水冷卻系統(tǒng)及所述控制系統(tǒng)。

根據(jù)本實(shí)用新型的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)控制所述第一氫氣比例閥、所述第二氫氣比例閥、所述第一空氣比例閥、所述第二空氣比例閥、所述第一水比例閥、所述第二水比例閥的開啟角度以及控制所述第一、第二可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流電壓；具體地，所述控制系統(tǒng)還用于檢測所述第一電堆和所述第二電堆電壓電流值。

從上面所述可以看出，本實(shí)用新型提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)自活化功能，設(shè)置了2個電堆、2個氫氣比例閥、2個空氣比例閥、2個水比例閥，氫氣、空氣及水比例閥用于對電堆進(jìn)氣量和進(jìn)水量的控制；在出廠時(shí)，將電堆活化到其額定功率后出廠；使用時(shí)，一開始可以按額定功率向用戶提供電力，當(dāng)電堆性能有下降趨勢時(shí)，控制系統(tǒng)通過改變比例閥開啟角度，協(xié)調(diào)電堆進(jìn)氣量，改變電堆對應(yīng)的可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，完成活化恢復(fù)電堆，即把傳統(tǒng)的性能恢復(fù)活化這一維修維護(hù)過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糁Ц断鄳?yīng)的燃料成本，而用戶又能獲得電力使用的正常使用過程。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中氫氣供給系統(tǒng)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中空氣供給系統(tǒng)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中水冷卻系統(tǒng)示意圖；

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。

需要說明的是，本實(shí)用新型實(shí)施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是為了區(qū)分兩個相同名稱非相同的實(shí)體或者非相同的參量，可見“第一”“第二”僅為了表述的方便，不應(yīng)理解為對本實(shí)用新型實(shí)施例的限定，后續(xù)實(shí)施例對此不再一一說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)包括氫氣比例閥1，氫氣比例閥2，空氣比例閥3，空氣比例閥4，水比例閥5，水比例閥6，控制系統(tǒng)7，氫氣供給系統(tǒng)8，空氣供給系統(tǒng)9，水冷卻系統(tǒng)10，電堆11，電堆12，可控DC/DC轉(zhuǎn)換器13,可控DC/DC轉(zhuǎn)換器14，負(fù)載15，電磁閥16，電磁閥17。具體地，氫氣供給系統(tǒng)8氣體輸出口與氫氣比例閥1、氫氣比例閥2入口連接，氫氣比例閥1氣體輸出口與電堆11連接、氫氣比例閥2氣體輸出口與電堆12連接，向電堆11、電堆12輸送氫氣，氫氣比例閥1用于控制電堆11的進(jìn)氣量，氫氣比例閥2用于控制電堆12的進(jìn)氣量；空氣供給系統(tǒng)9氣體輸出口與空氣比例閥3、空氣比例閥4的入口連接，空氣比例閥3氣體輸出口與電堆11連接，空氣比例閥4氣體輸出口與電堆12連接，向電堆11、電堆12輸送空氣，空氣比例閥3用于控制電堆11的空氣進(jìn)氣量，空氣比例閥4用于控制進(jìn)入電堆12的空氣進(jìn)氣量；水冷卻系統(tǒng)10輸出口與水比例閥5、水比例閥6入口連接，水比例閥5輸出口與電堆11連接，水比例閥6輸出口與電堆12連接，向電堆11、電堆12輸送去離子水，水比例閥5用于控制進(jìn)入電堆11的進(jìn)水量，水比例閥6用于控制進(jìn)入電堆12的進(jìn)水量，維持燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)正常工作溫度；控制系統(tǒng)7用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)零部件的工作情況。

其中，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，電堆11、電堆12氫氣排出口與電磁閥16入口連接，用于排出電堆11和電堆12中未反應(yīng)的氫氣。

另外，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，電堆11、電堆12 空氣排出口與所述電磁閥17入口連接，用于排出電堆11和電堆12中未反應(yīng)的空氣。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，電堆11、電堆12的排水口與水冷卻系統(tǒng)10連接，將排出的水收集輸送至水冷卻系統(tǒng)10，循環(huán)利用。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，電堆11和電堆12分別設(shè)有溫度傳感器，分別用于檢測電堆11、電堆12的工作溫度，溫度傳感器與水冷卻系統(tǒng)10連接，用于根據(jù)燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)控系統(tǒng)工作溫度。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，電堆11輸出端與可控DC/DC轉(zhuǎn)換器13連接，電堆12輸出端與可控DC/DC轉(zhuǎn)換器14連接，可控DC/DC轉(zhuǎn)換器13和可控DC/DC轉(zhuǎn)換器14并聯(lián)后輸出端與負(fù)載15連接，具體地，2臺可控DC/DC轉(zhuǎn)換器的正極與負(fù)載正極連接，負(fù)極與負(fù)載負(fù)極連接，進(jìn)而向負(fù)載15提供電力。

其中，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，電堆11和電堆12相互獨(dú)立，額定功率分別為總額定功率的一半；電堆11、電堆12共用一套氫氣供給系統(tǒng)8、空氣供給系統(tǒng)9、水冷卻系統(tǒng)10及控制系統(tǒng)7。

進(jìn)一步地，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，控制系統(tǒng)7用于控制氫氣比例閥1、氫氣比例閥2、空氣比例閥3、空氣比例閥4、水比例閥5和水比例閥6的開啟角度以及控制可控DC/DC轉(zhuǎn)換器13、14的電流電壓；控制系統(tǒng)還用于檢測電堆11和電堆12的電壓電流值。

具體地，本系統(tǒng)在可控DC/DC轉(zhuǎn)換器后端，可以并聯(lián)蓄電池用于啟動電力或者在燃料電池進(jìn)行調(diào)節(jié)期間提供輔助電力輸出，也可以不連接蓄電池，由系統(tǒng)內(nèi)部管路系統(tǒng)提供所需的電力。

如圖2所示，為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中氫氣供給系統(tǒng)示意圖。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中，氫氣供給系統(tǒng)8包括高壓氫氣瓶18，高壓氫氣瓶18氣體輸出口與常閉防爆型電磁閥21連接，為了檢測高壓氣瓶的壓力，在連接處設(shè)有氣瓶壓力傳感器19，為了便于給高壓氣瓶充裝氫氣，在連接處設(shè)有氫氣加注口20；常閉防爆型電磁閥21輸出口與減壓閥22入口連接；減壓閥22輸出口與電磁閥24入口連接；為控制系統(tǒng)7能夠檢測氫氣供給系統(tǒng)8的工作狀態(tài)，在電磁閥22輸出管路中設(shè)有壓力、 溫度傳感器23。

如圖3所示，為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中空氣供給系統(tǒng)示意圖。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中，空氣供給系統(tǒng)6包括過濾器25，過濾器25輸出端口與鼓風(fēng)機(jī)26入口處相連，鼓風(fēng)機(jī)26輸出端口與電磁閥27入口連接，電磁閥27輸出端口與穩(wěn)壓閥28入口連接，穩(wěn)壓閥28輸出端口與流量計(jì)29入口連接，為控制系統(tǒng)7能夠檢測空氣供給系統(tǒng)9的工作狀態(tài)，在流量計(jì)29入口處設(shè)有壓力溫度傳感器30。

如圖4所示，為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中水冷卻系統(tǒng)示意圖。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)中，水冷卻系統(tǒng)7包括去離子水箱31，去離子水箱31輸出口與板式熱交換器32入口連接，電堆11、電堆12排水口也與板式熱交換器32入口連接，用于收集電堆11、電堆12排出的水，板式熱交換器32第一輸出口與加熱器35入口連接，加熱器35出口與水泵36連接，水泵36輸出口與水比例閥5、6連接，構(gòu)成小循環(huán)系統(tǒng)，用于快速升高水溫；板式熱交換器32第二輸出口與水泵33入口連接，水泵33出口與散熱器34入口連接，散熱器34出口與板式熱交換器32入口連接，構(gòu)成大循環(huán)系統(tǒng)，用于快速降低電堆11、電堆12排出水的溫度；為系統(tǒng)檢測進(jìn)入水比例閥5、6的溫度，在水泵36出口處設(shè)有溫度傳感器37。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)在使用過程中，主要有4種自活化情形：

出廠前電堆11和電堆12活化：

出廠測試時(shí)，先開啟電堆11管路，系統(tǒng)內(nèi)部的管路系統(tǒng)有足夠的能力將電堆11活化至額定功率，再開啟電堆12管路，系統(tǒng)內(nèi)部的管路系統(tǒng)有足夠的能力將電堆12活化至額定功率，最終使產(chǎn)品達(dá)到總的額定功率，驗(yàn)收出廠。

當(dāng)燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)其中1個電堆性能下降：

當(dāng)控制系統(tǒng)7檢測到電堆11性能下降，控制系統(tǒng)7將通過調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器13、14的電流、電壓，協(xié)調(diào)電堆11和電堆12各自入口比例閥的開啟角度，使電堆12按低功率運(yùn)行，并對電堆12僅供應(yīng)與實(shí)際功率相稱的介質(zhì)流量，即電堆12對應(yīng)的可控DC/DC轉(zhuǎn)換器14輸入電壓抬高，電堆12入口對應(yīng)的氫氣比例閥2、空氣比例閥4開度減小；同時(shí)，控制系統(tǒng)使電堆11對應(yīng)的可控DC/DC轉(zhuǎn)換器13輸入電壓降低，電堆11入口的氫氣比例閥1、空氣比例閥3開度增大，讓電堆11獲得更多的介質(zhì)流量，以滿足其活化工藝條件，然 后強(qiáng)行拉大活化電流，使電堆11按活化工藝狀態(tài)工作。在這一過程中，可控DC/DC轉(zhuǎn)換器13、14的輸出電壓正極均與負(fù)載正極連接，負(fù)極均與負(fù)載負(fù)極連接，因此輸出是并聯(lián)的，負(fù)載輸入電流是兩臺DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電流之和，總功率不會變化。在這一過程中，控制系統(tǒng)7實(shí)時(shí)檢測活化狀態(tài)下電堆11、12的輸出電壓、電流參數(shù)，以判斷其性能恢復(fù)程度，從而實(shí)時(shí)改變調(diào)節(jié)比氫氣比例閥1和2、空氣比例閥3和4、水比例閥5和6，控制電堆11和12向均衡工作方向發(fā)展。顯然，當(dāng)檢測到電堆12性能下降時(shí)，則控制過程與上述過程相反。

使用過程中電堆11和電堆12均有一定程度的下降：

當(dāng)控制系統(tǒng)7檢測到電堆11和電堆12均有一定程度的性能下降時(shí)，則控制系統(tǒng)7會作出比較決定對性能下降嚴(yán)重的電堆執(zhí)行活化恢復(fù)工藝，再對另一個電堆執(zhí)行活化恢復(fù)工藝。

使用過程中電堆11和電堆12的性能均下降非常嚴(yán)重的極端情況：

當(dāng)控制系統(tǒng)7檢測到電堆11和電堆12性能均下降非常嚴(yán)重時(shí)，類似于電堆11和電堆12初始出廠狀態(tài)，控制系統(tǒng)7將調(diào)節(jié)其中1臺電堆接近處于關(guān)閉狀態(tài)，總功率幾乎由另1臺電堆在活化狀態(tài)下提供。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型實(shí)施例所述的具有自活化功能的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)自活化功能，設(shè)有電堆11和12、氫氣比例閥1和2、空氣比例閥3和4、水比例閥5和6，氫氣、空氣和水比例閥用于控制電堆的進(jìn)氣量和進(jìn)水量；在出廠時(shí)，將電堆11和電堆12活化到其額定功率后出廠；使用過程中，通過燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)的自活化功能，把傳統(tǒng)的性能恢復(fù)活化這一維修維護(hù)過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糁Ц断鄳?yīng)的燃料成本，而用戶又能獲得電力使用的正常使用過程。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實(shí)施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本實(shí)用新型的思路下，以上實(shí)施例或者不同實(shí)施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，并存在如上所述的本實(shí)用新型的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細(xì)節(jié)中提供。因此，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。