CN100361340C - 一种集成式燃料电池堆的控制连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式燃料电池堆的控制连接方法，该控制连接方法包括将整个集成式燃料电池中所有燃料电池堆模块的正、负极单独引出电缆线，每个电池堆模块的正、负极都有电子控制的接触开关，并由一个集成式燃料电池的中心控制器来控制所有燃料电池堆模块的导通与否，或串、并联连接方式，控制整个集成式燃料电池的电压、电流输出；在任何时候，在整个集成式燃料电池中都会有一至二个电池堆模块的正、负极的电子控制式接触开关处于非导通状态，且不断切换。与现有技术相比，本发明具有便于维修、可提高模块使用寿命等优点。

Description

一种集成式燃料电池堆的控制连接方法

技术领域

本发明涉及燃料电池堆的连接方法，尤其涉及一种集成式燃料电池堆的控制连接方法。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式发电站。

燃料电池发电系统由燃料电池堆及其支持系统构成。目前燃料电池发电系统用于运载工具的动力系统或用作发电站，都要求有很高的功率输出。这种高的功率输出体现在要求燃料电池堆必须要求高电压、大电流输出。

在实际应用上，大功率的燃料电池堆都是由多个燃料电池堆模块经集成方式构成体积上较紧凑的大燃料电池堆的方法来实现的。

例如图1所示“US Patent 5486430”的方法，将多个燃料电池堆平行排列，每个燃料电池堆的所有空气、氢气、冷却水的进口、出口实行统一集成到一块共用的前端面板上。前端面板上有所有燃料电池堆上的所有空气、氢气、冷却水的进口、出口共用的六大流体通道。再例如上海神力科技有限公司的专利“一种集成式的燃料电池〔专利号为：02265512.3〕”所描述的方法，由多个燃料电池堆共用一块集流面板，该集流面板上的前、后集成了多个燃料电池堆。该集流面板相当于在多个燃料电池堆的中间，所有燃料电池堆的空气、氢气、冷却流体的进口、出口都统一集成到这块共用集流面板上。该集流面板上有所有燃料电池堆上的所有空气、氢气、冷却流体的进口、出口共用的六大流体通道。

上述通过各种方法实现的集成式燃料电池，每个燃料电池堆模块虽然共用各流体通道，但每个模块都有自己的正、负极集流母板，通过对所有的燃料电池模块上的正、负极母板进行串、并联连接，整个集成式燃料电池可以输出符合实际需要的高电压、大电流的要求。

例如，图2所示，由八个燃料电池模块构成的集成式燃料电池所实现的高电压、大电流的效果：

注：每个燃料电池模块由100个单电池组成，额定工作电压65伏、电流200安培

按照以上图2中的八个相同的燃料电池模块的集成方式，四个燃料电池模块串联；另四个燃料电池模块也串联，然后二组四个串联的燃料电池并联，将产生总额定工作电压为260伏，总额定工作电流为400安培的效果。

可是这种集成式燃料电池的串、并联连接虽然可以实现高电压、大电流的效果，但有以下巨大的不可克服的技术缺陷：

1.当整个集成式燃料电池在运行过程中突然发生其中一个燃料电池堆模块出现工作性能故障时。例如某个模块燃料电池堆中某个单电池出现低电压，或零电压，或某个模块燃料电池堆某个电极击穿等突然运行故障时，整个集成式燃料电池运行必须及时中止，无法继续运行。

2.如果要排除故障，必须拆换某个单电池，那么就必须拆换整个模块燃料电池堆，所以要及时排除故障几乎是不可能的，这对燃料电池发电系统作为运载工具的动力系统与发电站的应用构成巨大的障碍。

3.燃料电池堆模块处于长时间运行的寿命比处于间歇性运行的寿命短。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便于维修、可提高模块使用寿命的集成式燃料电池堆的控制连接方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种集成式燃料电池堆的控制连接方法，其特征在于，该控制连接方法如下：将整个集成式燃料电池中所有燃料电池堆模块的正、负极单独引出电缆线，每个电池堆模块的正、负极都有电子控制的接触开关，并由一个集成式燃料电池的中心控制器来控制所有燃料电池堆模块的导通与否，或串、并联连接方式，控制整个集成式燃料电池的电压、电流输出；在任何时候，在整个集成式燃料电池中都会有一至二个电池堆模块的正、负极的电子控制式接触开关处于非导通状态；在处于非导通、不放电状态时，一至二个电池堆模块始终有氢气、空气、冷却流体在里面进、出，但处于非放电状态；整个集成式燃料电池在正常运行时，中心控制器一般会随机并每隔一定时间就会使其中一至二个电池堆模块从运行放电状态切换至非放电状态；每隔一段很长的时间，每个电池堆模块都会有一段时间内是处于非导通、非放电状态的，但当某电池堆模块运行参数出现异常状态或故障时，中心控制器将使这个燃料电池堆模块处于非导通、不放电的状态，从而保证整个集成式燃料电池的正常运行。

所述的中央控制器指令的切换时间可以是几秒钟到数小时。

当燃料电池发电系统作为运载工具的动力系统与发电站的应用时，可以大大减少故障出现的概率，并可以让燃料电池发电系统一直运行到能安全停下来拆卸换修的时候；即使集成式燃料电池在运行过程中某个模块出现故障，也不影响整个电池的使用，且可以实现在线维修；由于每个燃料电池堆都有处于间歇性不放电的工作状态，因此可以大大增加每个燃料电池模块的运行寿命。

附图说明

图1为现有集成式燃料电池的结构示意图；

图2为现有集成式燃料电池的电池堆模块连接示意图；

图3为本发明集成式燃料电池的电池堆模块第一种实施例连接示意图；

图4为本发明集成式燃料电池的电池堆模块第二种实施例连接示意图。

具体实施方式

实施例1

具有十个燃料电池堆模块的集成式燃料电池发电系统采用全部并联的连接方式。每个燃料电池堆模块的额定工作电流为150A、电压为100V。其联接与控制方式如图3所示。图3中，1’至10’可以由中心控制器按照程序控制其闭或合的正极接触开关；1”至10”可以由中心控制器按照程序控制其闭或合的负极接触开关；1至10是燃料电池堆模块。

集成式燃料电池中心控制器控制程序方式是使任何10个燃料电池堆模块中始终有其中1个燃料电池堆模块前后的正、负极接触开关处于断开状态，其它9个燃料电池堆模块前后的正、负极接触开关处于闭合状态，并且每隔5分钟其中处于断开状态的燃料电池堆从1号堆切换至2号堆，并依次类推。这样，整个集成式燃料电池的总输出电压为100V，电流为1350A。当其中任何一个电池堆模块出现运行参数〔例如单电池输出电压过低，温度过高等〕异常状态时，中心控制器马上能探测到，并按控制程序使该燃料电池堆模块前后的正、负极接触开关永远处于断开状态，此时其它9个堆将继续保持、继续运行放电状态。

实施例2

具有5个燃料电池堆模块的集成式燃料电池发电动力系统，采用全部串联的连接方式。每个燃料电池堆模块的额定工作电压为70V，额定工作电流为200A，联接与控制方式如图4所示，1，2，3，4，5为燃料电池堆模块；1’，2’，3’，4’，5’为正极接触开关；1”，2”，3”，4”，5”为负极电子控制的接触开关；1，2，3，4，5为断、短路电子控制的接触开关。

在整个集成式燃料电池运行时，中心控制器控制程序方式是任何5个燃料电池模块中始终有其中1个燃料电池堆模块前后的正、负极接触开关处于断开状态，而该模块的下面断、短路开关处于短路导通状态，其它4个燃料电池堆模块前后的正、负极接触开关处于闭合状态，下面的断、短路开关处于断路非导通状态；并且每隔3小时，其中处于断开状态的燃料电池堆从1号堆切换到2号堆，并依次类推。

这样，整个集成式燃料电池的总额定输出电压为280V，电流为200A。当其中任何一个电池堆模块出现运行参数〔例如单电池电压、温度、压力等〕被中心控制器探测到时，按照控制程序使该燃料电池堆模块前后的正、负极接触开关永远处于断开状态，其下面的断、短路开关处于导通短路状态，此时其它4个堆将继续保持运行放电状态。

Claims (2)

1.一种集成式燃料电池堆的控制连接方法，其特征在于，该控制连接方法如下：将整个集成式燃料电池中所有燃料电池堆模块的正、负极单独引出电缆线，每个电池堆模块的正、负极都有电子控制的接触开关，并由一个集成式燃料电池的中心控制器来控制所有燃料电池堆模块的导通与否，或串、并联连接方式，控制整个集成式燃料电池的电压、电流输出；在任何时候，在整个集成式燃料电池中都会有一至二个电池堆模块的正、负极的电子控制式接触开关处于非导通状态；在处于非导通、不放电状态时，一至二个电池堆模块始终有氢气、空气、冷却流体在里面进、出，但处于非放电状态；整个集成式燃料电池在正常运行时，中心控制器随机并每隔一定时间就会使其中一至二个电池堆模块从运行放电状态切换至非放电状态；每隔一段很长的时间，每个电池堆模块都会有一段时间内是处于非导通、非放电状态的，但当某电池堆模块运行参数出现异常状态或故障时，中心控制器将使这个燃料电池堆模块处于非导通、不放电的状态，从而保证整个集成式燃料电池的正常运行。

2.根据权利要求1所述的集成式燃料电池堆的控制连接方法，其特征在于，所述的中心控制器指令的切换时间是几秒钟到数小时。

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