CN101694946A - 燃料电池型备用电源 - Google Patents

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侯中军
戚朋
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Abstract

一种燃料电池型备用电源，电源的发电系统是质子交换膜燃料电池发电系统，系统由控制单元与质子交换膜燃料电池模块、氢气储存与供应系统、空气供应系统、DC/DC变换器以及储能单元用信号线、电路和管路连接构成。本发明具有如下优点：系统具有较高的可靠性，燃料电池模块采用空气冷却方式，辅助元件较少，通过回流控制器确保燃料电池模块始终处于最佳工作温度范围。可高效、无间断地向负载供电。具有快速响应、结构简单、环境友好、安全、紧凑、维护成本较低、运行时间长等特点，市场前景广阔。

Description

燃料电池型备用电源
技术领域
本发明涉及备用电源领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池型备用电源。应用在主电力中断的情况下，为通讯、金融、消防等领域提供应急电力。
背景技术
备用电源是在供电电网发生事故的情况下，向必需的负载提供所需的应急电力，从而可有效降低因为断电而造成的损失。传统备用电源一般为柴油发电机和铅酸蓄电池。传统备用电源的不足是：柴油发电机需要一套复杂的发电系统，发电机的排出物对环境会造成污染且噪音很大；铅酸蓄电池能量密度较低，电池容量有限，同时铅酸蓄电池的组成成分对环境会造成污染，对人体会产生危害。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池型备用电源，以质子交换膜燃料电池作备用电源，在主电力中断的情况下提供应急电力。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池型备用电源，包括发电系统、DC/DC变换器、储能单元及控制单元，其特征在于：所述发电系统是质子交换膜燃料电池发电系统，质子交换膜燃料电池发电系统包括：质子交换膜燃料电池模块、氢气储存与供应系统及空气供应系统，所述空气供应系统由供风机械和回流控制器组成；所述储能单元是铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池或电化学电容器；所述控制单元与质子交换膜燃料电池模块、氢气储存与供应系统、空气供应系统以及储能单元用信号线连接，质子交换膜燃料电池模块与氢气储存与供应系统、空气供应系统、控制单元及DC/DC变换器由电路连接，储能单元与氢气储存与供应系统、空气供应系统、控制单元及DC/DC输出端由电路连接，DC/DC变换器的输出端与负载连接。
本发明所述的一种燃料电池型备用电源，其特征在于所述质子交换膜燃料电池模块由多节单电池以压滤机方式组装成燃料电池串联结构；燃料电池模块的冷却剂是空气，燃料电池模块的燃料腔(氢气腔)、氧化剂腔(空气腔)和冷却腔中，氧化剂腔和冷却腔与其外部环境空气连通，为开放式腔，同一供风机械提供的空气由氧化剂腔和冷却腔的下部流入，由上部流出；燃料腔中的氢气由燃料腔的上部流入，由下部流出，形成燃料腔中氢气的流动方向与氧化剂腔中空气的流动方向相反。
本发明所述的一种燃料电池型备用电源，其特征在于所述质子交换膜燃料电池发电系统的空气回流控制器由步进电机与导流板组成，所述步进电机由控制单元根据实时检测燃料电池模块冷却腔出口处冷却空气的温度控制转动，步进电机带动导流板转动，导流板处于不同位置实现空气尾气(即流经燃料电池模块的空气)全部排放、部分回流或全部回流，使燃料电池模块处在一个最佳的工作温度范围。
由于燃料电池系统启动需要一定的时间和能量，因此在燃料电池备用电源中引入一个储能单元。储能单元储存一定电量，在电力中断的瞬间可以无间断地向负载供电，并同时向燃料电池系统和控制单元供电，燃料电池启动后通过DC/DC变换器将燃料电池输出端电压变换为稳定的电压向直流负载供电，同时可以对储能单元进行充电。
本发明具有如下优点：
1、燃料电池系统可由一个或多个质子交换膜燃料电池模块组成，当采用多个模块并联使用时，系统具有较高的可靠性，某一个模块的损坏不会影响系统的工作；
2、质子交换膜燃料电池模块采用空气冷却方式，辅助元件较少，系统可靠性较高，通过回流控制器确保燃料电池模块始终处于最佳工作温度范围。
3、可以实现当主电路中断后，燃料电池备用电源高效、无间断地向负载供电。
4、燃料电池型备用电源具有安全、紧凑、环境友好、维护成本较低、运行时间长等特点，市场前景广阔。
附图说明
本发明共有附图四幅，其中
图1是燃料电池型备用电源结构示意图，该图中，单实线(-)表示控制信号线路，双实线(＝)表示气路，虚线(…)表示电路。
图2是组成质子交换膜燃料电池模块的膜电极组件、阳极极板和阴极极板示意图。
图3是质子交换膜燃料电池模块立体示意图。
图4是空气回流控制器工作原理示意图。
附图中，1、阴极极板，2、阴极极板上的冷却腔，3、氧化剂腔，4、膜电极组件，5、燃料腔，6、阳极极板，7、阳极极板上的冷却腔，8、冷却腔，9、氢气进口，10、氢气出口，11、燃料电池模块，12、供风机械，13、回流控制器，14、空气回流风道，15、空气滤清器，16空气排放口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。燃料电池型备用电源由质子交换膜燃料电池发电系统、DC/DC变换器、储能单元及控制单元组成，质子交换膜燃料电池发电系统由质子交换膜燃料电池模块、氢气储存与供应系统及空气供应系统组成，空气供应系统由供风机械和回流控制器组成。
质子交换膜燃料电池模块根据备用电源功率要求进行组装，并按照阴极极板(1)、膜电极组件(4)、阳极极板(6)的次序以压滤机方式组装，形成多节燃料电池串联构成质子交换膜燃料电池模块。燃料电池模块具有三个独立的腔，分别为燃料腔(氢气腔，5)、氧化剂腔(空气腔3)和冷却腔(8)，其中氧化剂腔和冷却腔为开放、贯穿式结构，如图3所示，空气由氧化剂腔(3)和冷却腔(8)的下部流入，由上部流出。燃料电池模块(11)工作时，来自氢气储存与供应系统的氢气进入燃料腔作为燃料气；来自于供风机械(12)的一小部分空气进入氧化剂腔(3)，空气中的部分氧气作为氧化剂参加反应，剩余部分穿过氧化剂腔排出；来自于供风机械(12)的大部分空气进入冷却腔将燃料电池生成的废热带出电池模块。燃料电池模块中，燃料腔(5)中氢气的流动方向与氧化剂腔(3)中空气的流动方向相反，有助于提高电池性能。通过实时检测燃料电池模块出口处冷却空气的温度，控制步进电机转动，从而带动导流板转动，实现尾气(即流经燃料电池模块的空气)全部排放(导流板处于与管壁平行位置时，图4中b所示位置)、部分回流(导流板处于与管壁呈1～90度角位置时，图4中c所示位置)或全部回流(当导流板处于与管壁垂直位置时，图4中a所示位置)，确保燃料电池模块处在一个最佳的工作温度范围。
以额定功率为1kW的燃料电池型备用电源为例，本发明所述燃料电池备用电源完整的工作过程如下：
实例中燃料电池型备用电源由质子交换膜燃料电池发电系统、DC/DC变换器、储能单元及控制单元组成，其中储能单元采用铅酸蓄电池(48V，20Ah)，DC/DC变换器额定功率为1kW，控制单元采用ATMEL公司高速单指令周期的MCU做为控制核心，可以同时检测12路以上的模拟量，输出端采用2路串口，一路作为与LCD连接的通道，另一路作为与上位PC机的通讯接口。质子交换膜燃料电池发电系统由质子交换膜燃料电池模块、氢气储存与供应系统及空气供应系统组成，空气供应系统由供风机械和回流控制器组成，其中氢气储存系统包括高压氢气瓶、氢气减压器及电动阀件组成，供风机械采用48V横流风机，回流控制器有步进电机及导流板组成。
燃料电池备用电源作为提供应急备用电力的装置，在主电路没有中断的情况下处于待机状态，氢气储存与供应系统的电动阀件处于闭合状态，燃料电池没有电力输出。当主电路突然中断，作为储能单元的铅酸蓄电池在主电路中断的瞬间无间断地向负载供电，同时向燃料电池系统、氢气储存与供应系统和控制单元供电，氢气路电动阀件打开，供风机械横流风机开始工作，氢气和空气分别进入燃料电池模块的燃料腔和氧化剂腔，燃料电池模块开始通过DC/DC向直流负载输出48V的直流电，额定输出功率为1kW。燃料电池发电效率通常为50-70％，在将化学能转变为电能的同时，部分化学会能转变为热能。在燃料电池启动后的一段时间内，燃料电池模块温度较低，此时电化学反应的极化较大，效率较低，在此时间段内控制单元将根据检测到的温度信号控制步进电机转动，并带动导流板转动，冷却空气尾气将全部或部分回流，当冷却空气尾气温度低于40℃全部回流，当冷却空气尾气达到40℃时部分回流，回流比例通过实时检测的尾气温度信号来控制。通过冷却空气回流燃料电池模块温度迅速升高，当燃料电池模块出口处冷却空气尾气温度升高到50℃时，冷却空气尾气全部排放，确保燃料电池模块处以最佳工作温度范围。当主电路回复电力供应后，燃料电池停止向负载输出电力，切断氢气供应，供风机械停机，燃料电池备用电源再次处于待机状态。

Claims (3)

1.一种燃料电池型备用电源，包括发电系统、DC/DC变换器、储能单元及控制单元，其特征在于：所述发电系统是质子交换膜燃料电池发电系统，质子交换膜燃料电池发电系统包括：质子交换膜燃料电池模块、氢气储存与供应系统及空气供应系统，所述空气供应系统由供风机械和回流控制器组成；所述储能单元是铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池或电化学电容器；所述控制单元与质子交换膜燃料电池模块、氢气储存与供应系统、空气供应系统以及储能单元用信号线连接，质子交换膜燃料电池模块与氢气储存与供应系统、空气供应系统、控制单元及DC/DC变换器由电路连接，储能单元与氢气储存与供应系统、空气供应系统、控制单元及DC/DC输出端由电路连接，DC/DC变换器的输出端与负载连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池型备用电源，其特征在于所述质子交换膜燃料电池模块由多节单电池以压滤机方式组装成燃料电池串联结构；燃料电池模块的冷却剂是空气，燃料电池模块的燃料腔(氢气腔)、氧化剂腔(空气腔)和冷却腔中，氧化剂腔和冷却腔与其外部环境空气连通，为开放式腔，同一供风机械提供的空气由氧化剂腔和冷却腔的下部流入，由上部流出；燃料腔中的氢气由燃料腔的上部流入，由下部流出，形成燃料腔中氢气的流动方向与氧化剂腔中空气的流动方向相反。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池型备用电源，其特征在于所述质子交换膜燃料电池发电系统的空气回流控制器由步进电机与导流板组成，所述步进电机由控制单元根据实时检测燃料电池模块冷却腔出口处冷却空气的温度控制转动，步进电机带动导流板转动，导流板处于不同位置实现空气尾气(即流经燃料电池模块的空气)全部排放、部分回流或全部回流，使燃料电池模块处在一个最佳的工作温度范围。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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