CN103579651A - 便携式质子交换膜燃料电池电源系统 - Google Patents

便携式质子交换膜燃料电池电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种便携式质子交换膜电池电源系统，涉及燃料电池技术领域。该系统主要由燃料电池电堆、金属储氢瓶、进气阀、排气阀、轴流风机、空气过滤器、DC/DC模块、蓄电池及电源管理模块组成，只要一台风机为电堆提供反应所需空气，又为电堆冷却降温，同时为金属储氢瓶加热；该系统采用风冷电堆，无需任何加湿设备，系统整体结构简单、紧凑、节能、环保、运行成本低，便于携带，应用前景广阔。

Description

便携式质子交换膜燃料电池电源系统
技术领域
    本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是一种便携式质子交换膜燃料电池电源系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种高效、清洁的能源方式，由于其不受卡诺循环限制，理论电效率高达80%，水是唯一产物，对环境无任何污染。因而被认为是人类社会发展的终极能源。其在大型电站、各行业的备用电源、车用电源等方面有着广泛的应用前景。
质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气中的氧气或者纯氧气为氧化剂，两种气体在燃料电池电堆内发生电化学反应产生电能、热量和水。由于质子交换膜在一定的湿度下才能工作，因此一般需要对氢气或者氧化剂进行加湿，目前主要以对氧化剂加湿为主，然而加湿器成本高，体积大，系统维护成本高。如申请号为201010118216.X的专利《带金属氢化物储氢单元的燃料电池便携式手提电源》，其需要对空气进行加湿，同时使用空气泵，系统的重量和成本会大大提高。
目前氢气的储存方式以高压气瓶为主，然而重量和体积大，且需要减压阀减压后才能进入电堆工作；另外也有甲醇重整制氢和电解水制氢等设备，该类设备可以现场制备氢气供燃料电池电堆使用，但是其价格昂贵，且需要额外能量输入，降低了整个系统的效率，更重要的是该类设备一般体积和重量大，系统控制复杂，对于小型以及便携式燃料电池电源系统来说不易使用。
质子交换膜燃料电池电堆工作时会产生热量，所以需要对电堆进行冷却，目前最主要的冷却方式有水冷和风冷两种。所谓水冷电堆即在电堆中设计水流道，利用水来为电堆降温，该冷却效果好，但是电堆的结构复杂，使整个系统的重量和体积增加；风冷电堆是通过控制风机的转速对电堆进行降温，此类电堆结构简单，易于控制，很适合应用于便携式电源系统。但是目前的便携式燃料电池系统体积和重量都较大，且燃料电池的热量均没有很好的利用，同时整个系统结构复杂，不易控制和携带。如申请号为201210020921.5的专利《一种便携式PEMFC 燃料电池电源系统》需要两个风机，一个为电堆提供氧化剂，一个为电堆散热，而电堆的热量无法利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种重量和体积小、结构紧凑、控制简单、成本低、节能环保的便携式质子交换膜燃料电池电源系统。
本发明所采取的技术方案是：一种便携式质子交换膜燃料电池电源系统，包括燃料电池电堆、氢气供给单元、空气供给单元和冷却单元，其改进之处是所述燃料电池电堆的氢气进口端通过进气阀与金属储氢瓶相连接，氢气出口端与排气阀连接，共同形成氢气流道，作为氢气供给单元；同时，空气过滤器位于燃料电池电堆的空气进口端，轴流风机位于燃料电池电堆的空气出口端，共同形成空气流道，作为空气供给单元和冷却单元，氢气流道与空气流道相分开；该电源系统中设有DC/DC模块、电源管理模块和蓄电池，燃料电池电堆的正、负极分别与DC/DC模块的正、负极相连，DC/DC模块的正、负极分别与蓄电池正、负极以及负载的正、负极相连，电源管理模块分别与燃料电池电堆、金属储氢瓶、进气阀、轴流风机、排气阀、DC/DC模块、蓄电池相连接。
进一步的方案是：轴流风机位于空气流道的出口端，其出风口朝向金属储氢瓶；进气阀、排气阀均为电磁阀；金属储氢瓶为单只储氢瓶或者一组储氢瓶，储氢瓶出口处设有手动压力调节阀；蓄电池为锂离子电池、铅酸蓄电池或超级电容器；燃料电池电堆采用自增湿质子交换膜。
    本发明中，只用一台轴流风机，设在空气出口端，不仅为电堆提供所需的空气，同时又为电堆冷却降温，减少了风机的数量，从而降低系统的重量和体积。轴流风机的出风口朝向金属储氢瓶组，利用电堆空气尾气的热量为金属储氢瓶加热，利于氢气的释放。金属储氢瓶在释放氢气时需要吸热，该系统中充分利用电堆的余热，节能、环保。被吸进电堆的一部分空气在电堆内外部压差的作用下扩散进电堆参与反应，通过控制轴流风机转速来满足电堆对空气量的需求。所述氢气流道与空气流道是分开的，排气阀排出氢气流道中的废气，轴流风机排出空气流道中的废气。
本发明中，所述的电源管理模块可以监测金属储氢瓶组的温度，控制轴流风机的转速，监测燃料电池电堆的单片电压、总电流、电堆温度，监测DC/DC模块的电压、电流、温度，监测蓄电池的荷电状态。当系统出现异常情况时给出报警信号，严重时关闭系统。
该系统中所述电堆采用自增湿质子交换膜，膜的厚度在20μm以下，空气端反应产生的水可以通过反扩散进入膜中，对膜进行润湿，无需对氢气或者空气进行加湿，大大简化了系统结构，降低了系统成本。所述的金属储氢瓶可以为单只或一组，根据使用情况配置，扩大应用范围、储氢瓶出口处设有手动压力调节阀，此阀可以监测金属储氢瓶中的氢气压力，同时又可起到减压作用。
附图说明
图1为本发明的系统组成和连接关系示意图。
具体实施方式
    下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
    如图1所示，金属储氢瓶出口处压力调节阀打开，将氢气出口压力设置为适合燃料电池工作的压力，电源管理模块控制打开进气阀，氢气通过进气阀进入电堆参加反应，未反应的气体通过排气阀排出系统外，排气阀由电源管理模块定时开启，当电源管理模块监测到系统工作异常时会自动关闭进气阀；环境中的空气经过空气过滤器后，轴流风机转动将过滤后的空气吸入电堆，该轴流风机同时又为电堆冷却降温。轴流风机出风口朝向金属储氢瓶。电源管理模块根据电堆的工作温度和系统运行情况自动调节风机的转速，以满足电堆工作所需的空气流量和保障电堆的工作温度最佳。
本发明中所述的金属储氢瓶组在释放氢气时需要吸热，空气经过电堆后其中的大部分氧气参加反应，空气中其他气体经过电堆后被加热，其携带了电堆大量余热从轴流风机的出风口流出，直接流向金属储氢瓶组，为其加热，加快氢气释放速度。该电源系统充分利用燃料电池电堆的余热，提高了整个系统的效率。
燃料电池电堆的正、负极分别与DC/DC模块的正、负极相连，DC/DC模块的正、负极分别与蓄电池和负载的正、负极相连，这样燃料电池电堆的电压经DC/DC模块转化为适合负载工作的电压，从而为负载供电；DC/DC模块为单向工作方式，即蓄电池和负载的电流不能通过DC/DC模块，从而保护了燃料电池电堆的安全性；电源管理模块实时监测DC/DC模块的电压、电流和温度，当出现异常时给出报警信号，严重时关闭系统；DC/DC模块或转化器与蓄电池的出口相连，当电堆开始启动时，由蓄电池为负载供电。电源管理模块实时监测蓄电池的荷电状态，当蓄电池缺电时，燃料电池可通过DC/DC模块为其充电。
该便携式燃料电池电源系统，选择体积小的金属储氢瓶为供气方式，使用风冷电堆，采用自增湿质子交换膜，无需任何加湿设备，一个风机同时实现氧气供给和电堆冷却，同时减少了阀门的使用量，系统结构简单紧凑，易于管理。该系统充分利用电堆的余热为金属储氢瓶加热，加快了氢气释放速度。整个系统节能、环保、小巧、实用，便于携带。

Claims (6)

1.一种便携式质子交换膜燃料电池电源系统，包括燃料电池电堆、氢气供给单元、空气供给单元和冷却单元，其特征是所述燃料电池电堆的氢气进口端通过进气阀与金属储氢瓶相连接，氢气出口端与排气阀连接，共同形成氢气流道，作为氢气供给单元；同时，空气过滤器位于燃料电池电堆的空气进口端，轴流风机位于燃料电池电堆的空气出口端，共同形成空气流道，作为空气供给单元和冷却单元，氢气流道与空气流道相分开；该电源系统中设有DC/DC模块、电源管理模块和蓄电池，燃料电池电堆的正、负极分别与DC/DC模块的正、负极相连，DC/DC模块的正、负极分别与蓄电池正、负极以及负载的正、负极相连，电源管理模块分别与燃料电池电堆、金属储氢瓶、进气阀、轴流风机、排气阀、DC/DC模块、蓄电池相连接。
2.按权利要求1所述便携式质子交换膜燃料电池电源系统，其特征是所述轴流风机位于空气流道的出口端，其出风口朝向金属储氢瓶。
3.按权利要求1所述便携式质子交换膜燃料电池电源系统，其特征是所述进气阀、排气阀均为电磁阀。
4.按权利要求1所述便携式质子交换膜燃料电池电源系统，其特征是所述金属储氢瓶为单只储氢瓶或者一组储氢瓶，储氢瓶出口处设有手动压力调节阀。
5.按权利要求1所述便携式质子交换膜燃料电池电源系统，其特征是所述蓄电池为锂离子电池、铅酸蓄电池或超级电容器。
6.按权利要求1所述便携式质子交换膜燃料电池电源系统，其特征是所述燃料电池电堆采用自增湿质子交换膜。
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