CN100388542C - 一种带有动态控制装置的燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有动态控制装置的燃料电池，该燃料电池包括燃料电池堆，氢气瓶，减压阀，空气过滤器，空气压缩供应装置，水-汽分离器，水箱，水泵，散热器，氢循环泵，氢气路及空气路高效增湿装置，氢气路及空气路进燃料电池堆氢气及空气相对湿度、温度传感器、冷却流体路进燃料电池堆冷却流体温度传感器；所述的氢气路及空气路高效增湿装置可动态控制氢气及空气的增湿度。与现有技术相比，本发明燃料电池在任何功率输出要求的工况下都能实现高效能运行与在最佳工作条件下运行，从而可提高其工作稳定性以及大大延长其工作寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种带有动态控制装置的燃料电池。
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。这些导流极板上的流体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可以用作一切车、船等运载工具的动力系统，也可以用作手提式、移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池用作车、船动力系统或手提式、移动式和固定式的发电站时必须包括电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出各个部分。其中氢燃料供应与空气供应是必不可少的。图1为燃料电池发电系统，在图1中1为燃料电池堆，2为氢气瓶，3为减压阀，4为空气过滤器，5为空气压缩供应装置，6、6’为水-汽分离器，7为水箱，8为水泵，9为散热器，10为氢循环泵，11为氢气增湿装置，12为空气增湿装置。
目前，燃料电池发电系统用作车、船动力系统或移动式、固定式发电站时都必须保证燃料电池长期运行的稳定性。
为了保证燃料电池长期运行的稳定性，目前质子交换膜燃料电池膜电极中所用的质子交换膜，在电池运行过程中需要有水分子存在保湿，因为只有水化的质子才可以自由地穿过质子交换膜，从电极阳极端到达电极阴极端参加电化学反应。否则，当大量干燥的空气或氢气向燃料电池供应并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水分子带跑，质子无法穿过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。所以向燃料电池供应的氢气或空气一般来说需要经过增湿，使进入燃料电池的氢气或空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。
目前，应用于质子交换膜燃料电池的增湿装置主要有两种：
1.干氢气或空气与纯净水进入燃料电池前，在增湿装置内进行直接碰撞后使水分子与氢气或空气分子呈混合均匀的气态空气、水分子，经过水汽分离后，进入燃料电池时，是达到一定相对湿度的氢气或空气。
2.干氢气或空气与纯净水在进入燃料电池前在增湿装置并没有直接接触，而是由一层可以让水分子自由透过但不让气体分子透过的膜分隔开来，当膜一边流过干氢气或空气而膜另一边流过纯净水时，水分子就会自动从膜的一边透过膜的另一边，使空气分子与水分子混合达到一定的相对湿度的空气。这种膜可以是质子交换膜，如杜邦公司的Nafion膜等。
燃料电池发电系统用作车、船动力系统或移动式、固定式发电站时，输出功率一般都必须随驾驶员工况条件或用户用电情况的变化而变化；特别是用作车、船动力系统时，工况变化会十分频繁，而且在车、船处于怠速状态到起动加速状态的工况变化时，相应要求燃料电池发电系统输出功率从很小立即变化到很大。
燃料电池发电系统输出功率的变化，要求向燃料电池供应的燃料氢气、空气、冷却流体的流量也发生变化，以满足适应燃料电池功率输出变化的要求，而且提高燃料电池发电系统自身的发电效率。
因为燃料电池发电系统支持系统本身运行发电也必须消耗一定的功率。其中，主要消耗的功率部件有：1.向燃料电池堆输送空气的输送装置；2.氢气循环泵；3.冷却流体循环输送泵；4.一些与自动控制有关的部件，如控制器；控制执行部件，如电磁阀、散热风扇等。
这些自消耗功率部件所有消耗功率占整个燃料电池堆总输出功率的10～20％。所以，为了提高整个燃料电池发电系统的发电效率，当燃料电池发电系统输出功率变化很大时，原则上也要求支持燃料电池发电系统本身运行的功率消耗器件发生动态响应。对一些功率消耗较大的器件，如：空气输送泵、氢气循环泵、冷却流体循环泵等实现动态控制。一般来说，在燃料电池发电系统处于满负荷额定功率输出工况下工作时，上述三者较大的功率消耗器件也处于最大的功率消耗额定工作状态，而当燃料电池发电系统处于很小功率输出，甚至处于待命或怠速工况下工作时，对上述三者较大的功率消耗器件中的电机实行调速，将其消耗功率降至最低。
所以，燃料电池发电系统在输出功率发生变化时，要求向燃料电池供应的燃料氢气、空气、冷却流体的流量发生变化，以满足输出功率变化的要求。但是现有燃料电池发电系统中的二种增湿装置技术对上述向燃料电池发电系统供应的燃料氢气、空气、冷却流体的流量与输出功率之间实现关联动态响应控制上有以下技术缺陷：
1.上述二种技术的增湿装置一般都按燃料电池发电系统额定工作状态下的额定工作温度，以及相应的空气、氢气流量；压力、冷却流体流量参数而设计成的增湿装置，可以使燃料电池发电系统长期在额定的工况点下稳定的工作，而相应的空气、氢气流量及工作压力可以被该增湿装置增湿到恰好适合燃料电池额定状态下工作，其中相对湿度大约在70～95％，并对燃料电池的高效能运行与延长寿命是非常恰当的。
但当燃料电池发电系统输出功率较小，或处于怠速状态时，此时要求向燃料电池供应的燃料氢气、空气、冷却流体的流量较小，这样小流量的燃料氢气与空气经过较大的固定式增湿装置往往容易造成过增湿(相对湿度达到100％)，这样容易造成燃料电池堆内部积水。
2.当燃料电池发电系统输出功率较大，甚至处于短时超额定功率的峰值功率输出时，此时要求向燃料电池供应的燃料氢气、空气、冷却流体的流量达到最大。这种与峰值功率相匹配的大流量的氢气与空气经过固定式的增湿装置往往造成增湿不够，即无法达到预定的相对湿度。
3.增湿装置往往是靠燃料电池的废热来达到预定的工作温度，如果燃料电池发电系统尚未达到额定工作温度时(70℃左右)，此时增湿装置的工作温度也往往未达到额定工作温度。一般来说，增湿装置对氢气、空气的增湿程度不但与该增湿装置的工程设计有关，而且与工作温度有关，工作温度越高，增湿程度越高。所以当燃料电池发电系统远未达到额定工作温度时，往往造成原来与额定功率相匹配的氢气、空气流量增湿不够，即无法达到额定相对湿度的要求。
4.空气的增湿度与大气环境温度与湿度也有一定关系。一般来说，在气温高，湿度大的天气情况下，空气经过上述固定式的增湿装置时，容易造成过增湿；而在气温低，湿度小的天气情况下，空气经过上述固定式的增湿装置时会造成增湿不够。
上述二种技术的增湿装置是固定式的，无法对一些燃料电池发电系统出现的动态情况实现动态的增湿调节。所以会导致燃料电池堆经常处于要么过增湿，要么增湿不够的状态，而这些不利状态会严重影响燃料电池堆的效能，甚至导致性能严重衰减，影响寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了克服了上述现有技术存在的缺陷而提供一种在任何功率输出要求的工况下都能实现高效能运行的带有动态控制装置的燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带有动态控制装置的燃料电池，该燃料电池包括燃料电池堆(1)，氢气瓶(2)，减压阀(3)，空气过滤器(4)，空气压缩供应装置(5)，水-汽分离器(6)、(6’)，水箱(7)，水泵(8)，散热器(9)，氢循环泵(10)，氢气路高效增湿装置(11)，空气路高效增湿装置(12)，氢气路增湿装置可调速马达(13)，空气路增湿装置可调速马达(13’)；其特征在于，还包括氢气路进燃料电池堆氢气相对湿度传感器(14)，氢气路进燃料电池堆氢气温度传感器(15)，空气路进燃料电池堆空气相对湿度传感器(16)，空气路进燃料电池堆空气温度传感器(17)，冷却流体路进燃料电池堆冷却流体温度传感器(18)；所述的氢气路高效增湿装置(11)、空气路高效增湿装置(12)可动态控制空气、氢气的增湿度。
所述的燃料电池堆(1)输出的功率允许大小值与该燃料电池工作温度(18)的大小有关，一般可以找到一种功率允许输出大小与(18)值的关系，(18)值越接近额定工作温度，允许输出功率越大或越接近额定输出功率。
所述的燃料电池堆(1)输出的功率与向燃料电池供应的燃料氢气流量以及空气流量的匹配关系，按氢气计量比1.2计算，空气计量比2.0计算。
所述的氢气相对湿度(14)与空气相对湿度(16)分别与氢气、空气流量、温度(15)、(17)及氢气、空气压力有关，一般可以找到该种气体流量，在某种压力、温度条件下达到某种相对湿度的关系曲线，一般来说，该气体流量越大，温度越高，压力越低，越难达到该气体高相对湿度值；相反，该气体流量越小，温度越低，压力越高，该气体较易达到该气体高相对湿度值。
所述的氢气路高效增湿装置(11)、空气路高效增湿装置(12)为旋转式增湿装置，其旋转速度越快，进燃料电池的氢气或空气的温度与相对湿度就越高。
通过对燃料电池工作温度、输出功率需求及对(14)、(15)、(16)、(17)、(18)值进行监控并计算，确定对旋转式增湿器的旋转电机的转速设定控制，并同时确定对氢气流量、空气流量的控制，使燃料电池堆在任何功率输出要求的工况下实现：a.输出功率与工作温度的关联控制；b.输出功率与氢气流量、空气流量的关联控制，其中氢气流量与空气流量按输出功率要求计量比分别是1.2、2.0控制氢气循环泵电机转速及空气泵电机转速来实现；c.氢气流量与空气流量分别与相应的可以实现动态增湿调节控制的增湿装置中的电机转速进行关联动态控制，使进入燃料电池堆中的任何流量下的氢气、空气都保持最佳相对湿度，即70％～95％中间的某一数值；d.根据外界天气温度与湿度的情况对增湿装置进行关联动态控制。
与现有技术相比，本发明燃料电池在任何功率输出要求的工况下都能实现高效能运行与在最佳工作条件下运行，本发明燃料电池不但可以有最佳的燃料效率，而且可以提高其工作稳定性以及大大延长其工作寿命。
附图说明
图1为现有燃料电池发电系统的示意图；
图2为本发明燃料电池发电系统的示意图；
图3为本发明燃料电池输出功率与燃料电池工作温度的关系图；
图4为本发明燃料电池相对湿度空气含水量与温度、压力的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例采用上海神力公司专利(发明专利号：02111824.8，实用新型专利号：02217654.3)“一种用于燃料电池的高效增湿装置”，该装置成本较低、操作方便，并且可以用于动态的增湿调节的燃料电池的高效增湿装置。
本实施例燃料电池发电系统如图2所示，其中，燃料电池发电系统额定输出功率是60KW，峰值输出是72KW；燃料电池堆1额定输出功率是72KW，峰值输出是82KW。其中空气输送装置5是一种通过可以调频调速的无刷电机驱动的特平型空压机，空气流量可以通过无刷电机的调频调速得到控制，电机额定功率大约8KW，控制转速在0～8000转/分钟之间，空气流量大约在0～7立方/分钟之间。
氢气循环装置10是一种通过可以调频调速的无刷电机驱动的循环压缩泵，氢气循环流量也可以通过无刷电机的调频调速控制。其中安装在氢气路中的旋转式可以动态控制增湿度的增湿器11，可以通过调速、调频的无刷电机驱动增湿器内胆旋转，达到调节氢气增湿程度的目的。
安装在空气路中的旋转式可以动态控制增湿度的增湿器12，通过可以调频调速的无刷电机驱动增湿器内胆旋转，达到调节空气增湿程度的目的，上述二种增湿器内胆旋转转速大约在1-70转/分钟之间。
采用一种中央控制器可以对整个燃料电池发电系统中的各种工作参数，例如：氢气、空气、冷却流体进燃料电池堆的压力、温度、湿度以及出燃料电池堆的压力、温度、湿度进行数据采集，以及对燃料电池堆的工作电压、电流进行数据采集及监控，并可以按燃料电池堆输出功率与工作温度关系曲线(图3)；燃料电池堆输出功率与氢气、空气流量关系曲线，分别按空气流量计量比2.0、氢气计量比1.2计算；燃料电池堆输出功率与冷却流体温度及流量关系曲线；以及氢气、空气流量与温度(包括外界温度)(图4)及旋转型增湿器(11、12)电机转速的关系曲线，预先进行编程，实行PID控制。
当燃料电池发电系统刚起动，并且控制器探测到外界温度较低(0℃)，燃料电池堆工作温度较低时(5℃)，控制燃料电池堆输出功率大约为20KW，此时，控制器控制空气泵、氢气泵，驱动电机转速使空气流量大约是1.0立方米/分钟，氢气总流量大约是200立升/分钟，氢气循环流量大约是40立升/分钟。控制器同时根据此时空气、氢气流量与温度及外界温度的参数值控制二个旋转式增湿器(11、12)的电机带动内胆转速为50转/分钟，进入燃料电池堆的空气与氢气相对湿度为80％，燃料电池堆工作稳定。
当燃料电池发电系统进入额定工作状态时，工作温度为70℃，控制器探测到外界温度较高(35℃)；燃料电池堆工作温度为70℃时，控制器允许燃料电池堆输出功率为68KW，此时，控制器控制空气泵、氢泵驱动电机转速，使空气流量大约为3.5立方米/分钟，使氢气总流量是700立升/分钟，氢气循环流量是140立升/分钟。控制器同时根据此时空气、氢气流量与温度及外界温度的参数值控制二个旋转式增湿器(11、12)的电机带动内胆转速为10转/分钟。
进入燃料电池堆空气与氢气相对湿度仍为80％，燃料电池堆工作稳定。
Claims (5)
1.一种带有动态控制装置的燃料电池，该燃料电池包括燃料电池堆(1)，氢气瓶(2)，减压阀(3)，空气过滤器(4)，空气压缩供应装置(5)，水一汽分离器(6)、(6’)，水箱(7)，水泵(8)，散热器(9)，氢循环泵(10)，氢气路增湿装置(11)，空气路增湿装置(12)，氢气路增湿装置可调速马达(13)，空气路增湿装置可调速马达(13’)；其特征在于，还包括氢气路进燃料电池堆氢气相对湿度传感器(14)，氢气路进燃料电池堆氢气温度传感器(15)，空气路进燃料电池堆空气相对湿度传感器(16)，空气路进燃料电池堆空气温度传感器(17)，冷却流体路进燃料电池堆冷却流体温度传感器(18)；所述的氢气路增湿装置(11)、空气路增湿装置(12)可动态控制氢气、空气的增湿度；通过对燃料电池工作温度、输出功率需求及对氢气相对湿度(14)、氢气温度传感器(15)、空气相对湿度传感器(16)、空气温度传感器(17)、冷却流体温度传感器(18)值进行监控并计算，确定对旋转式增湿器的旋转电机的转速设定控制，并同时确定对氢气流量、空气流量的控制，使燃料电池堆在任何功率输出要求的工况下实现：a.输出功率与工作温度的关联控制；b.输出功率与氢气流量、空气流量的关联控制，其中氢气流量与空气流量按输出功率要求计量比分别是1.2、2.0控制氢气循环泵电机转速及空气泵电机转速来实现；c.氢气流量与空气流量分别与相应的可以实现动态增湿调节控制的增湿装置中的电机转速进行关联动态控制，使进入燃料电池堆中的任何流量下的氢气、空气都保持最佳相对湿度，即70％～95％中间的某一数值；d.根据外界天气温度与湿度的情况对增湿装置进行关联动态控制。
2.根据权利要求1所述的一种带有动态控制装置的燃料电池，其特征在于，所述的燃料电池堆(1)输出的功率允许大小值与该燃料电池工作温度的大小有关，可以找到一种功率允许输出大小与冷却流体温度传感器值的关系，冷却流体温度传感器值越接近额定工作温度，允许输出功率越大或越接近额定输出功率。
3.根据权利要求1所述的一种带有动态控制装置的燃料电池，其特征在于，所述的燃料电池堆(1)输出的功率与向燃料电池供应的燃料氢气流量以及空气流量的匹配关系，按氢气计量比1.2计算，空气计量比2.0计算。
4.根据权利要求1所述的一种带有动态控制装置的燃料电池，其特征在于，所述的氢气相对湿度(14)与空气相对湿度(16)分别与氢气、空气流量、氢气温度传感器(15)、空气温度传感器(17)及氢气、空气压力有关，可以找到该种气体流量，在某种压力、温度条件下达到某种相对湿度的关系曲线，该气体流量越大，温度越高，压力越低，越难达到该气体高相对湿度值；相反，该气体流量越小，温度越低，压力越高，该气体较易达到该气体高相对湿度值。
5.根据权利要求1所述的一种带有动态控制装置的燃料电池，其特征在于，所述的氢气路增湿装置(11)、空气路增湿装置(12)为旋转式增湿装置，其旋转速度越快，进燃料电池的氢气或空气的温度与相对湿度就越高。
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