專利名稱：一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可用作移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池用作車、船動(dòng)力系統(tǒng)或移動(dòng)式和固定式發(fā)電站時(shí)，必須包括電池堆、燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部分。
圖1為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，在圖1中1為燃料電池堆；2為儲(chǔ)氫瓶或其他儲(chǔ)氫裝置；3為減壓閥；4為空氣過(guò)濾裝置；5為空氣壓縮供應(yīng)裝置；6為氫氣水一汽分離器；6’為空氣水一汽分離器；7為水箱；8為冷卻流體循環(huán)泵；9為散熱器；10為氫循環(huán)泵。
目前，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)用于運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)或用作發(fā)電站，都要求有很高的功率輸出。這種高的功率輸出體現(xiàn)在燃料電池堆必須要求高電壓、大電流輸出。
在實(shí)際應(yīng)用上，大功率的燃料電池堆都是由多個(gè)燃料電池堆模塊經(jīng)集成方式構(gòu)成體積上較緊湊的大燃料電池堆的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
例如“US Patent 5486430”的方法，將多個(gè)燃料電池堆平行排列，每個(gè)燃料電池堆的所有空氣、氫氣、冷卻水的進(jìn)口、出口實(shí)行統(tǒng)一集成到一塊共用的前端面板上。前端面板上有所有燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻水的進(jìn)、出口共用的六大流體通道。再例如上海神力科技有限公司的專利“一種集成式的燃料電池(專利號(hào)02265512.3)”所描述的方法，由多個(gè)燃料電池堆共用一塊集流面板，該集流面板上的前、后集成了多個(gè)燃料電池堆。該集流面板相當(dāng)于在多個(gè)燃料電池堆的中間，所有燃料電池堆的空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口都統(tǒng)一集成到這塊共用集流面板上。該集流面板上有所有燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口共用的六大流體通道。
上述通過(guò)各種方法實(shí)現(xiàn)的集成式燃料電池，每個(gè)燃料電池堆模塊雖然共用各流體通道，但每個(gè)模塊都有自己的正、負(fù)集流母板，通過(guò)對(duì)所有的燃料電池模塊上的正、負(fù)極母板進(jìn)行串、并聯(lián)連接，整個(gè)集成式燃料電池可以輸出符合實(shí)際需要的高電壓、大電流的要求。
對(duì)更大功率輸出的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，原則上可以通過(guò)集成更多的燃料電池堆模塊，并讓所有的燃料電池堆模塊上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進(jìn)、出口共用六大流體通道，即集成后的大燃料電池堆同樣是一種具有總空氣、氫氣、冷卻流體進(jìn)、出口的六大流體管道的一體化結(jié)構(gòu)。
但是對(duì)超大功率輸出的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，例如對(duì)100KW以上，甚至數(shù)百千瓦以上輸出的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要集成的燃料電池堆模塊數(shù)量太多，將這么多的燃料電池堆模塊集成起來(lái)成為一體化結(jié)構(gòu)的集成式燃料電池，不管是采用何種集成方法，難度都是非常大的，甚至從工程技術(shù)上來(lái)說(shuō)是不可能的。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種不通過(guò)盲目增加集成燃料電池堆模塊數(shù)量的方法仍可以達(dá)到大功率或超大功率輸出的可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池堆，燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出子系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃料電池堆包括采用二套集成式的燃料電池大堆平行上下或相鄰緊靠一體化裝配，其中，二套集成式燃料電池大堆中的2個(gè)氫氣進(jìn)口共用一條總進(jìn)氫氣管，2個(gè)氫氣出口共用一條總出氫氣管，2個(gè)冷卻流體進(jìn)口共用一條總進(jìn)冷卻流體管，2個(gè)冷卻流體出口共用一條總出冷卻流體管，2個(gè)空氣進(jìn)口可以共用一條總進(jìn)空氣管，也可以分別單獨(dú)各使用一條進(jìn)空氣管，2個(gè)空氣出口可以共用一條總出空氣管，也可以分別單獨(dú)各使用一條出空氣管。
在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)可以共用一套儲(chǔ)氫、供氫裝置及氫氣控制、循環(huán)裝置。
在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)可以共用一套冷卻流體循環(huán)裝置，即整個(gè)冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)中只有一臺(tái)冷卻流體循環(huán)泵及一套散熱器。
在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，空氣供應(yīng)子系統(tǒng)可以共用一臺(tái)總空氣供應(yīng)裝置，或在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，空氣供應(yīng)子系統(tǒng)分別有兩臺(tái)空氣供應(yīng)裝置，空氣供應(yīng)管路單獨(dú)分開(kāi)。
在所述的二套管集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，自動(dòng)控制及電能輸出子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的一體化同步運(yùn)行控制，二套集成式燃料電池大堆可以進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。
在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，在作為車載動(dòng)力源的應(yīng)用情況下，可以進(jìn)行非同步運(yùn)行控制，即，可以讓一套集成式燃料電池大堆處于工作狀態(tài)，而另一套處于非工作狀態(tài)；也就是說(shuō)，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出不是由二套平行運(yùn)行共同輸出的方法，可以是在小功率輸出時(shí)由某一套單獨(dú)輸出，而在大功率輸出需求時(shí)由二套共同平行輸出。
本實(shí)用新型不通過(guò)盲目增加集成燃料電池堆模塊數(shù)量的方法，而是通過(guò)一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到大功率或超大功率輸出的目的。二套燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可以平行運(yùn)行，但二套燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的二套集成式燃料電池大堆，燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻散熱子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出各個(gè)部分都進(jìn)行統(tǒng)一的一體化設(shè)計(jì)，以達(dá)到在減少體積、減少重量，符合車載或固定式發(fā)電需要，統(tǒng)一同步控制及可以進(jìn)行二套發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流的串、并聯(lián)，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用目的的需要。


圖1為現(xiàn)有燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中二套集成式燃料電池大堆平行上下裝配的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中二套集成式燃料電池大堆平行緊靠相鄰一體化裝配的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖2、圖3所示，1a，2a，3a分別是第一套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的進(jìn)口；1b，2b，3b分別是第一套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的出口；1’a，2’a，3’a分別是第二套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的進(jìn)口；1’b，2’b，3’b分別是第二套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的出口。
二套燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的二套集成式燃料電池大堆中的2個(gè)氫氣進(jìn)口1a與1’a共用一條總管路，再由總管路分支出2條分管路到1a、1’a上；2個(gè)氫氣出口1b與1’b出口也先由二條支管引出并匯合共用一條總管路。
二套燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的二套集成式燃料電池大堆中的2個(gè)冷卻流體進(jìn)口3a、3’a共用一條總管路，再由二條支管分別分流到3a、3’a進(jìn)口上；2個(gè)冷卻流體出口3b與3’b也先由二條支管引出并匯合共用一條總管路。
二套燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的二套集成式燃料電池大堆中的2個(gè)空氣進(jìn)口2a、2’a可以共用一條總管路，再由二條支管分別分流到2a、2’a進(jìn)口上，或者2個(gè)空氣進(jìn)口2a、2’a為分別單獨(dú)供空氣管道提供；2個(gè)空氣流出出口2b、3’b也先由2條支管引出并匯合共用一條總管路；或者2個(gè)空氣出口2b、2’b為分別單獨(dú)出空氣管道流出。
圖3中1為燃料電池堆，2為儲(chǔ)氫瓶或其他儲(chǔ)氫裝置，3為減壓閥，4為空氣過(guò)濾裝置，5為空氣壓縮供應(yīng)裝置，6為氫氣水—汽分離器，6’為空氣水—汽分離器，7為水箱，8為冷卻流體循環(huán)泵，9為散熱器，10為氫循環(huán)泵。
實(shí)施例如圖3所示，二套集成式燃料電池堆進(jìn)行平行緊鄰一體化裝配，每套集成式燃料電池大堆由8個(gè)模塊的小燃料電池堆組成，額定工作可輸出功率是60～70KW，工作電流是240A，工作電壓是300V；二套集成式燃料電池堆共用一套氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)，共用一套冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)，但分別由二套空氣供應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行空氣輸送與運(yùn)行。
二套集成式燃料電池堆采用串聯(lián)連接，工作電壓為600V，工作電流為240A，額定輸出功率為144KW。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)采用一體化二套發(fā)電系統(tǒng)的同步運(yùn)行控制。
權(quán)利要求1.一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池堆，燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出子系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃料電池堆包括采用二套集成式的燃料電池大堆平行上下或相鄰緊靠一體化裝配，其中，二套集成式燃料電池大堆中的2個(gè)氫氣進(jìn)口共用一條總進(jìn)氫氣管，2個(gè)氫氣出口共用一條總出氫氣管，2個(gè)冷卻流體進(jìn)口共用一條總進(jìn)冷卻流體管，2個(gè)冷卻流體出口共用一條總出冷卻流體管，2個(gè)空氣進(jìn)口可以共用一條總進(jìn)空氣管，也可以分別單獨(dú)各使用一條進(jìn)空氣管，2個(gè)空氣出口可以共用一條總出空氣管，也可以分別單獨(dú)各使用一條出空氣管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)可以共用一套儲(chǔ)氫、供氫裝置及氫氣控制、循環(huán)裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)可以共用一套冷卻流體循環(huán)裝置，即整個(gè)冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)中只有一臺(tái)冷卻流體循環(huán)泵及一套散熱器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，空氣供應(yīng)子系統(tǒng)可以共用一臺(tái)總空氣供應(yīng)裝置，或在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，空氣供應(yīng)子系統(tǒng)分別有兩臺(tái)空氣供應(yīng)裝置，空氣供應(yīng)管路單獨(dú)分開(kāi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，在所述的二套管集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，自動(dòng)控制及電能輸出子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的一體化同步運(yùn)行控制，二套集成式燃料電池大堆可以進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，在作為車載動(dòng)力源的應(yīng)用情況下，可以進(jìn)行非同步運(yùn)行控制，即，可以讓一套集成式燃料電池大堆處于工作狀態(tài)，而另一套處于非工作狀態(tài)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種可以平行運(yùn)行的雙燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池堆，燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)、自動(dòng)控制及電能輸出子系統(tǒng)，所述的燃料電池堆包括采用二套集成式的燃料電池大堆平行上下或相鄰緊靠一體化裝配，其中，二套集成式燃料電池大堆中的2個(gè)氫氣進(jìn)、出口共用一條總進(jìn)、出氫氣管，2個(gè)冷卻流體進(jìn)、出口共用一條總進(jìn)、出冷卻流體管，2個(gè)空氣進(jìn)、出口可以共用一條總進(jìn)、出空氣管，也可以分別單獨(dú)各使用一條進(jìn)、出空氣管。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在不通過(guò)盲目增加集成燃料電池堆模塊數(shù)量的的情況下仍可達(dá)到大功率或超大功率輸出的目的。
文檔編號(hào)H01M8/00GK2674658SQ20032012291
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2003年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月29日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 傅明竹 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司