具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

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”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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，除非另有明确的限定。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“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

在固态储氢为氢源的燃料电池系统的实际应用中，需要满足各种气候条件下的应用需求，尤其是在低温条件下固态储氢为氢源的燃料电池系统的冷启动供氢问题。

现有的固态储氢为氢源的燃料电池系统在低温环境时，先通过氢气暂存罐向燃料电池供氢，当燃料电池启动时将产生的废热传递到固态储氢罐，为固态储氢罐供氢过程提供热源。需要说明的是固态储氢罐内包括储氢合金，储氢合金通过与氢气反应实现氢气储存，该过程放热；而在固态储氢罐为燃料电池供氢时，需从环境中吸热。本文中的固态储氢罐指的是包括储氢合金的固态储氢罐。燃料电池正常工作温度一般为60℃，低温启动升至工作温度过程产生的废热主要用于自升温；在冬季较低温度下，燃料电池与固态储氢罐在换热过程中热量损失较大。因此，现有的固态储氢为氢源的燃料电池系统存在的问题是：燃料电池产生的废热较难保证固态储氢罐稳定地向燃料电池供氢，导致系统在较低温度下较难顺利运行或者需要较长时间才能实现满功率运行。基于此，有必要针对该问题，提供一种初期不完全依赖燃料电池产生的废热为固态储氢罐提供热源的固态储氢为氢源的燃料电池系统，进而提出一种控制该系统的启动方法。

参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的固态储氢为氢源的燃料电池系统的模块示意图，本发明一实施例提供的固态储氢为氢源的燃料电池系统100，包括：燃料电池110、第一储氢装置120、第二储氢装置130、供热模块140以及换热模块150。其中燃料电池110能够利用氢气产生电能；第一储氢装置120能够在初始情况下为燃料电池110短暂地提供氢气供应；第二储氢装置130能够通过固态储氢释放氢气为燃料电池110供氢；供热模块140能够为第二储氢装置130供热，从而使得第二储氢装置130能够为燃料电池110供氢；换热模块150能够将燃料电池110工作产生的废热提供给第二储氢装置130加热升温供氢。需要说明的是，采用固态储氢的原理是：利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中；氢气从固体材料中释放时需要吸收热能，因此在供氢过程中需要对固体材料加热，对应到本发明中也就是通过对固态储氢罐加热放氢。

具体地，可以参考图1和图2所示，第一储氢装置120包括氢气暂存罐121和第一供氢管路122，其中第一供氢管路122的一端与氢气暂存罐121的出口连通，第一供氢管路122的另一端与燃料电池110的氢气进入口连通；第二储氢装置130包括固态储氢罐131、第二供氢管路132和传热件133，其中第二供氢管路132的一端与固态储氢罐131的出口连通，第二供氢管路132的另一端与第一供氢管路122连通，而传热件133设置在固态储氢罐131内；供热模块140与燃料电池110电性连接，供热模块140与传热件133连通，供热模块140能够向传热件133提供热量；换热模块150与燃料电池110电性连接，并设置于燃料电池110与固态储氢罐131之间，能够将燃料电池110工作产生的废热提供给固态储氢罐131加热升温。

本实施例中的固态储氢为氢源的燃料电池系统100的工作原理为：当系统环境温度较低，一般指的是-20℃～0℃时，第一储氢装置120中的氢气暂存罐121能够沿第一供氢管路122向燃料电池110供氢，如此能够使得燃料电池110工作。由于氢气暂存罐121储存氢气含量有限，无法保证燃料电池110持续稳定运行，因此需要第二储氢装置130稳定地向燃料电池110供氢，才能保证燃料电池110持续稳定工作。此时，可以先将氢气暂存罐121向燃料电池110供氢时产生的电能向供热模块140供电，使得供热模块140为第二储氢装置130的供氢提供热源。第二储氢装置130中的传热件133将热量传递到固态储氢罐131内，使得固态储氢罐131吸热供氢。固态储氢罐131内的氢气沿第二供氢管路132为燃料电池110供氢。与此同时，燃料电池110也能够向换热模块150供电，换热模块150将燃料电池110工作产生的废热提供给固态储氢罐131加热升温。也就是本方案采用供热模块140和换热模块150两种方式同时向第二储氢装置130供热，从而使得燃料电池110在较低温度下启动并满功率运行，较好地避免了现有系统中单一地依赖换热模块150为第二储氢罐131供热时固态储氢为氢源的燃料电池系统100在较低温度下较难顺利运行或者需要较长时间才能实现满功率运行的问题。

在一实施例中，参阅图2所示，传热件133包括内加热槽1331，其中供热模块140与内加热槽1331连通。也就是说将传热件133的内加热槽1331设置在固态储氢罐131内，供热模块140的供热通道与位于固态储氢罐131内的内加热槽1331连通，并将热量传递给内加热槽1331，内加热槽1331获取热量后再为固态储氢罐131供氢提供热源。需要说明的是，固态储氢罐131上可以设置供热开口，供热模块140通过供热管路穿过供热开口与内加热槽1331连通。

进一步，为使得内加热槽1331的热量尽快地在固态储氢罐131内传递，一实施例中，参阅图2所示，传热件133还包括散热翅片1332，其中散热翅片1332安装在内加热槽1331上。当热量传递到内加热槽1331后，热量可以沿散热翅片1332向固态储氢罐131辐射热量，固态储氢罐131吸热后放氢，如此固态储氢罐131为燃料电池110稳定地供氢。散热翅片1332的数量至少一个，例如当散热翅片1332的数量为两个时，可以分别设置在内加热槽1331的两侧，通过两侧的散热翅片1332能够较快地将内加热槽1331的热量传递出，以便于固态储氢罐131吸热供氢。

一实施例中，参阅图2所示，供热模块140包括空气热泵141，其中空气热泵141与燃料电池110电性连接，并与传热件133中的内加热槽1331连通。也就是说将空气热泵141产生的热量通向内加热槽1331内，以便于为固态储氢罐131的供氢过程提供热源。

为了较好地通过换热模块150将燃料电池110产生的废热传递给固态储氢罐131，一实施例中，参阅图2所示，换热模块150包括第一换热水槽151、第二换热水槽152、第一水流管路153、第二水流管路154以及驱动元件155，其中第一换热水槽151收容燃料电池110，第二换热水槽152收容固态储氢罐131；第一水流管路153连通第一换热水槽151和第二换热水槽152，而驱动元件155设置在第一水流管路153内，驱动元件155与燃料电池110电性连接，用于将第一换热水槽151的水流沿第一水流管路153输送到第二换热水槽152内；第二水流管路154连通第一换热水槽151和第二换热水槽152；第一换热水槽151、第二换热水槽152、第一水流管路153和第二水流管路154共同构成水流回路，其中驱动元件155可以为水泵。

也就是说，通过第一换热水槽151内的水流吸收燃料电池110产生的废热，驱动元件155将吸收废热后的水流沿第一水流管路153流入第二换热水槽152，并被位于第二换热水槽152内的固态储氢罐131吸收热量。被吸收热量后的水流沿第二水流管路154能够再次流入第一换热水槽151内。水流经过第一换热水槽151和第一水流管路153到达第二换热水槽152，然后水流再次经过第二换热水槽152、第二水流管路154到达第一换热水槽151，水流在第一换热水槽151、第一水流管路153、第二换热水槽152和第二水流管路154构成的循环水路中实现水流吸收燃料电池110的热量，传递给固态储氢罐131吸热供氢。

为了较好地控制第一储氢装置120中氢气暂存罐121的排放以及关闭，以及判断供氢压力是否满足燃料电池110需求，一实施例中，参阅图2所示，第一储氢装置120还包括第一控制阀123和第一压力表124，其中第一控制阀123和第一压力表124分别设置在第一供氢管路122上，第一控制阀123控制氢气暂存罐121的开启和关闭，第一压力表124能够显示氢气暂存罐121内氢气压力，第一控制阀123可以为电磁阀。当第一控制阀123开启后，位于氢气暂存罐121内的氢气能够沿第一供氢管路122进入到燃料电池110的氢气进入口，而第一压力表124能够实时地获取从氢气暂存罐121内排出的氢气压力，以便于判断从氢气暂存罐121进入到燃料电池110的供氢压力是否达到燃料电池110冷启动需求。

同理，为了较好地控制第二储氢装置130中的固态储氢罐131氢气的排放和关闭，以及判断供氢压力是否满足燃料电池110需求，一实施例中，参阅图2所示，第二储氢装置130还包括第二控制阀134和第二压力表135，其中第二控制阀134和第二压力表135分别设置在第二供氢管路132上，第二控制阀134控制固态储氢罐131的开启和关闭，第二压力表135能够显示固态储氢罐131内氢气压力。第二控制阀134可以为单向阀或者电磁阀。当固态储氢罐131向燃料电池110供氢时，第二控制阀134开启，固态储氢罐131能够同时向燃料电池110以及氢气暂存罐121供氢。同时，通过第二压力表135能够实时地获取从固态储氢罐排出的氢气压力，以便于判断从固态储氢罐131进入到燃料电池110的供氢压力是否达到燃料电池110工作需求。

一实施例中，氢气暂存罐121的体积(L)与燃料电池110的功率(kW)为(5～8)：1，当氢气暂存罐121的体积与燃料电池110的功率之比小于5:1时，此时氢气暂存罐121储氢较少，如此较难维持燃料电池110启动时对氢气的需求；而二者之比大于8:1时，此时氢气暂存罐121的体积较大，从而导致其空间占比较大。因此在仿真分析和实际测试，将氢气暂存罐121的体积(L)与燃料电池110的功率(kW)确定为(5～8)：1，在该比例情况下氢气暂存罐121能够为燃料电池110提供满足要求的氢气，同时其空间占比比较适中。

为了较好地同时控制燃料电池110、第一储氢装置120、第二储氢装置130、供热模块140以及换热模块150，以使其能够协调工作，一实施例中，参阅图3所示，固态储氢为氢源的燃料电池系统100还包括控制模块160，其中控制模块160分别与燃料电池110、第一储氢装置120、第二储氢装置130、供热模块140以及换热模块150电性连接并控制其工作。控制模块160包括控制芯片，通过控制芯片能够同时控制这些模块协调工作，保证固态储氢为氢源的燃料电池系统100的稳定性和高效性。

本发明还提出一种启动方法，通过控制上述的固态储氢为氢源的燃料电池系统100实现，参阅图4所示，具体包括步骤：

S110：固态储氢为氢源的燃料电池系统100的环境温度为-20℃～0℃且固态储氢罐131提供的氢气压力低于0.1MPa时，氢气暂存罐121以1MPa～2MPa的初始压力独立地沿第一供氢管路122向燃料电池110供氢5～10min；

S120：启动燃料电池110，且使燃料电池110向供热模块140和换热模块150供电，供热模块140通过传热件133对固态储氢罐131内部加热，同时换热模块150工作，换热模块150利用燃料电池110的废热供固态储氢罐131加热升温，固态储氢罐131沿第二供氢管路132向燃料电池110供氢；

S130：当进入到燃料电池110的氢气压力稳定在0.2MPa～0.5MPa时以及燃料电池110的自身温度达到60℃时，燃料电池110停止向供热模块140供电并转为对其它外部设备供电，固态储氢罐131沿第二供氢管路132向燃料电池110和氢气暂存罐121同时供氢。

通过本实施提出的方法，当固态储氢为氢源的燃料电池系统100在较低温度下时，先通过氢气暂存罐121向燃料电池110供氢，使得燃料电池110启动，此时燃料电池未实现满功率运行，然后利用燃料电池110产生的电能为供热模块140和换热模块150供电。通过供热模块140产生的热能能够为第二储氢装置130中的固态储氢罐131提供热源，从而使得固态储氢罐131能够为燃料电池110供氢。与此同时，换热模块150也能够将燃料电池110工作产生的废热提供给固态储氢罐131加热升温。最后使得燃料电池110达到正常运行。燃料电池110达到正常运行状态后，停止向供热模块140供热，并转为向其它外部设备供电。另外，此时固态储氢罐131能够正常供氢，其可以沿第二供氢管路132向燃料电池110和氢气暂存罐121同时供氢。需要说明的是，此时第一控制阀123为电磁阀，从第二供氢管路132排出的氢气一部分可以沿第一供氢管路122进入到氢气暂存罐121内。需要说明的是，氢气暂存罐121可以作为固态储氢罐131放氢的缓冲罐，也就是当进入到燃料电池110氢气流量波动时，氢气暂存罐121能够向燃料电池110供氢，从而提高燃料电池110氢源的稳定性，使该系统供氢的压力和流速更加平稳，并满足燃料电池110工作的动态响应要求。

本系统在初始启动时，采用供热模块140和换热模块150两种方式同时向第二储氢装置130供热，从而使得燃料电池110在较低温度下启动并正常工作，较好地避免了现有系统中单一地依赖换热模块150为固态储氢罐131供热时固态储氢为氢源的燃料电池系统100在较低温度下较难顺利运行或者需要较长时间才能实现满功率运行的问题。

另外需要说明的是，固态储氢为氢源的燃料电池系统100感知环境温度-20℃～0℃可以通过该系统中的温度传感器实现，获取氢气的压力可以通过压力表获取，以上数据还可以通过外部数据人工或者自动传递到固态储氢为氢源的燃料电池系统100。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。