CN109994757A - 一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法，燃料电池系统包括发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池内设有催化剂；所述催催化剂活化模块，包括IGBT和IGBT驱动控制保护电路；充电放电模块，包括超级电容、第一控制开关和充电放电控制电路，所述超级电容与第一控制开关串联，所述充电放电控制电路与超级电容两端并联以及主控模块，包括主控电路。所述方法包括以下步骤：1）向反应电堆输入空气；2）净化反应电堆；3）超级电容充电；4）润湿质子交换膜；5）催化剂活化；6）为负载供电。本发明既能有效提高燃料电池系统的发电性能，又能以持续稳定功率输出为负载供电，延长负载的使用寿命。

Description

一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，特别涉及一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法。
背景技术
氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是CO2和SO2，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢燃烧后唯一的产物是水，是非常环保的能源。
随着技术的发展，氢气在产业中的应用越来越广泛，例如合成氨工业和石油精制加氢工业等等，除此之外，氢气还可用于发电，随着时代进步，涌现出一批燃料电池，该燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能，如图1所示，在燃料电池4的负极：2H2→4H++4e-，H2分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜42进入正极，电子经外部负载进入正极，在燃料电池的正极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O，而一般而言，这一反应过程中是需要在质子交换膜42中的催化剂催化下提高反应速率。由于在燃料电池4的正极中质子交换膜42中的催化剂能与氧气接触，这样使催化剂容易与氧气生成氧化物而失去催化剂的活性，导致燃料电池4的发电性能下降，降低燃料电池4的使用寿命。
针对这一问题，发明人提出一种提高发电性能的燃料电池系统，该燃料电池系统内设有催化剂活化模块2，所述催化剂活化模块2在催化剂活化期间能使燃料电池4的正极和负极之间发生短路，以使燃料电池4内的质子交换膜42瞬间获取大电流，从而使质子交换膜42的催化剂层中的氧化物重新被还原以此活化成催化剂，即催化剂活化期间所述负载14处于断路状态，而催化剂活化的时间很短，且次数多，这样就会导致负载14在一端时间内不停开合，如此会使负载14容易损坏，降低负载14的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对上述现有技术中的不足，提供一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法，其既能有效提高燃料电池系统的发电性能，又能以持续稳定功率输出为负载供电，减少负载损坏的机率，延长负载的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种燃料电池系统，包括
发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路供电；所述燃料电池包括多个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道和空气输送通道，氢气输送通道与空气输送通道之间设有质子交换膜，所述质子交换膜中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；
催化剂活化模块，用于为燃料电池提供瞬间大电流以活化燃料电池内的催化剂，包括IGBT和IGBT驱动控制保护电路；
主控模块，用于控制发电模块、催化剂活化模块和充电放电模块的工作，包括主控电路；
充电放电模块，用于存储燃料电池产生的电能，并在催化剂活化期间为负载供电，包括超级电容和充电放电控制电路，所述充电放电控制电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路根据主控电路发出的主控信号对超级电容进行充放电控制，根据主控信号调整充放电电流；
所述负载电路的一端与燃料电池的正极连接，所述负载电路的另一端与燃料电池的负极连接，所述充电放电模块和IGBT分别与负载电路并联，所述IGBT的集电极分别与燃料电池的正极连接，所述IGBT的发射极分别与燃料电池的负极连接，所述IGBT的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路一端与燃料电池正极连接，所述充电放电控制电路另一端与超级电容正极连接，所述的超级电容负极与燃料电池的负极连接。
作为一种优选方案，所述燃料电池系统还包括用于将燃料电池输出的电压转换成一定电压值的直流转换模块，所述直流转换模块的一侧与燃料电池的两端连接，所述直流转换模块的另一侧与负载电路的两端连接，所述负载电路包括负载和开关，所述开关的一端与燃料电池的正极连接，所述开关的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端与燃料电池的负极连接。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括正极板和负极板，在氢气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阳极片；在空气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括氢气输气管道、泄气管道和排气管道，所述氢气输气管道与氢气输送通道连通，所述泄气管道和排气管道均与外界空气连通，所述空气输送通道上开设有多个空气进气口，所述氢气自氢气输气管道进入氢气输送通道，在质子交换膜中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜到达空气输送通道，所述负电子经负载电路或IGBT后到达空气输送通道，空气自空气进气口进入空气输送通道，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道中排出。
作为一种优选方案，所述发电模块还包括输气电磁阀、泄气电磁阀、排气电磁阀、空气过滤网和送气风扇，所述输气电磁阀安装于氢气输气管道上以控制氢气输气管道的通断，所述泄气电磁阀设于泄气管道上，且所述泄气电磁阀设于输气电磁阀的前端，以使氢气在氢气输气管道超压时经泄气管道泄放；所述排气电磁阀安装于排气管道上以控制排气管道的通断，所述空气过滤网设于燃料电池的一侧，所述送气风扇设于燃料电池的另一侧，所述送气风扇将空气经空气过滤网后自空气进气口送入空气输送通道，并带走反应电堆反应产生的部分热量。
一种持续稳定功率输出的方法，基于如上所述燃料电池系统，方法包括以下步骤：
1）向反应电堆输入空气：启动发电模块，启动送气风扇使空气经空气进气口进入燃料电池的空气输送通道；
2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经氢气输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气电磁阀打开使燃料电池的氢气输送通道内气体经排气管道排出，以达到净化反应电堆的目的；
3）超级电容充电：燃料电池与超级电容连接，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流，小电流在充电放电控制电路控制下为超级电容充电，以达到为超级电容充电的目的；
4）润湿质子交换膜：开关闭合，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流/在主控模块和充电放电控制电路的控制下使超级电容释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜；
5）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路控制使IGBT的集电极和发射极连通使燃料电池内的质子交换膜瞬间获得大电流，促使质子交换膜内的催化剂活化；
6）为负载供电：在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载电流达到负载电流阈值为止，之后，燃料电池持续运行为负载供电；
其中，步骤5）在步骤4）的过程中间隔发生1-15次，在步骤5）期间，所述超级电容在主控模块和充电放电控制电路的控制下释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜。
作为一种优选方案，所述持续稳定功率输出的方法，包括以下步骤：
1）向反应电堆输入空气：启动发电模块，启动送气风扇使空气经空气进气口进入燃料电池的空气输送通道；
2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经氢气输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气电磁阀打开使燃料电池的氢气输送通道内气体经排气管道排出，以达到净化反应电堆的目的；
3）超级电容充电和润湿质子交换膜：开关闭合，燃料电池与超级电容及负载连接，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流，小电流在充电放电控制电路控制下一部分为超级电容充电，另一部分经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜；
4）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路控制使IGBT的集电极和发射极连通使燃料电池内的质子交换膜瞬间获得大电流，促使质子交换膜内的催化剂活化；
5）为负载供电：在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载电流达到负载电流阈值为止，之后，燃料电池持续运行为负载供电；
其中，步骤4）在步骤3）的过程中间隔发生1-15次，在步骤4）期间，所述超级电容在主控模块和充电放电控制电路的控制下释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜。
作为一种优选方案，在燃料电池持续运行为负载供电期间，根据电压衰减情况/功率输出累积情况间隔进行催化剂活化1-10次；当电压衰减值大于电压衰减阈值时间隔进行催化剂活化；当功率输出累积值不低于功率输出累积阈值时间隔进行催化剂活化；在催化剂活化期间，所述超级电容在主控模块和充电放电控制电路的控制下为负载供电；在每两次催化剂活化之间的间隔时间内，燃料电池在主控模块和充电放电控制电路的控制下一边为超级电容充电，一边为负载供电。
作为一种优选方案，催化剂活化过程中大电流的最大电流值大于600A，每次催化剂活化时间为100-160ms，每次催化剂活化的间隔时间为2-8s，在催化剂活化期间，所述燃料电池系统处于开机状态，而所述泄气电磁阀和排气电磁阀均处于闭合的状态，所述送气风扇处于正常运转状态。
作为一种优选方案，净化反应电堆的时间为1-5s；在步骤净化反应电堆和催化剂活化之外的步骤期间，根据实质需求不定时打开排气电磁阀和泄气电磁阀；润湿质子交换膜的时间为10-50s，小电流的电流值为10-15A。
本发明的有益效果是：通过超级电容和充电放电控制电路的配合，使本燃料电池系统以持续稳定功率输出为负载供电，减少负载的损坏机率，延长负载的使用寿命；通过IGBT和IGBT驱动控制保护电路的配合能对燃料电池中的质子交换膜中的催化剂施以大电流，促使催化剂中被氧化的成分重新被还原，以此活化催化剂，从而能提高燃料电池系统的发电性能，更能延长燃料电池系统的使用寿命；通过直流转换模块的转换，燃料电池系统能以一定输出电压值为负载供电，有助于减少负载的损坏机率，延长负载的使用寿命；送气风扇的设置一方面能将空气自空气进入口送入空气输送通道，另一方面又能带走燃料电池内发生的电化学反应所产生的热量，起到降温的功效，从而使燃料电池运行更稳定，有效延长燃料电池的使用寿命；通过净化反应电堆这一步骤，能保证氢气输送通道内的氢气纯度达到99.99%，有助于提高燃料电池的发电性能；通过润湿质子交换膜步骤能加大质子交换膜的润湿程度，有助于提高燃料电池的发电性能。
附图说明
图1为燃料电池内发生的电化学反应示意图；
图2为本发明之实施例与负载电路的连接示意图；
图3为本发明之实施例的发电模块的结构示意图；
图4为本发明之所述持续稳定功率输出的方法流程图；
图5为本发明之另一种持续稳定功率输出的方法流程图；
图6为本发明之催化剂活化期间燃料电池内的电流变化图；
图7为在不同时间段内燃料电池输出功率、负载功率和电容功率的对比图。
图中: 1-发电模块，2-催化剂活化模块，3-主控模块，4-燃料电池，41-空气输送通道，42-质子交换膜，43-氢气输送通道，44-空气进气口，5-IGBT，6-IGBT驱动控制保护电路，7-充电放电模块，8-超级电容，9-空气过滤网，10-充电放电控制电路，11-主控电路，12-负载电路，13-开关，14-负载，15-氢气输气管道，16-泄气管道，17-排气管道，18-输气电磁阀，19-泄气电磁阀，20-排气电磁阀，21-送气风扇，22-直流转换模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
结合图1至图3对本发明所述的燃料电池系统进行说明。
一种燃料电池系统，包括
发电模块1，包括燃料电池4，所述燃料电池4用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路12供电；所述燃料电池4包括66个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道43和空气输送通道41，氢气输送通道43与空气输送通道41之间设有质子交换膜42，所述质子交换膜42中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；
催化剂活化模块2，用于为燃料电池4提供瞬间大电流以活化燃料电池4内的催化剂，包括IGBT5和IGBT驱动控制保护电路6；
主控模块3，用于控制发电模块1、催化剂活化模块2和充电放电模块7的工作，包括主控电路11；
充电放电模块7，用于存储燃料电池4产生的电能，并在催化剂活化期间为负载14供电，包括超级电容8和充电放电控制电路10，所述充电放电控制电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路根据主控电路发出的主控信号对超级电容进行充放电控制，根据主控信号调整充放电电流；
所述负载电路12的一端与燃料电池4的正极连接，所述负载电路12的另一端与燃料电池4的负极连接，所述充电放电模块7和IGBT5分别与负载电路12并联，所述IGBT5的集电极分别与燃料电池4的正极连接，所述IGBT5的发射极分别与燃料电池4的负极连接，所述IGBT5的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路11连接，所述充电放电控制电路10一端与燃料电池4正极连接，所述充电放电控制电路10另一端与超级电容8正极连接，所述的超级电容8负极与燃料电池4的负极连接。
作为一种优选方案，所述燃料电池系统还包括用于将燃料电池4输出的电压转换成一定电压值的直流转换模块22，所述直流转换模块22的一侧与燃料电池4的两端连接，所述直流转换模块22的另一侧与负载电路12的两端连接。
一般而言，在正常运行时燃料电池4的输出电压值为42-66V，经过直流转换模块22转换之后，燃料电池系统的输出电压值为48V，如此便能以一定的输出电压值为负载14供电，有助于减少负载14的损坏机率，延长燃料电池4的使用寿命。
作为一种优选方案，所述负载电路12包括负载14和开关13，所述开关13的一端与燃料电池4的正极连接，所述开关13的另一端与负载14的一端连接，所述负载14的另一端与燃料电池4的负极连接。所述负载14不限定为一个，可以为多个，当负载14为多个时，多个负载14之间串联，所述负载14为直流负载14。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括正极板和负极板，在氢气输送通道43的一侧，质子交换膜42电性连接有膜阳极片；在空气输送通道41的一侧，质子交换膜42电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括氢气输气管道15、泄气管道16和排气管道17，所述氢气输气管道15与氢气输送通道43连通，所述泄气管道16和排气管道17均与外界空气连通，所述空气输送通道41上开设有多个空气进气口44，所述氢气自氢气输气管道15进入氢气输送通道43，在质子交换膜42中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜42到达空气输送通道41，所述负电子经负载电路12或IGBT5后到达空气输送通道41，空气自空气进气口44进入空气输送通道41，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道17中排出。
作为一种优选方案，所述发电模块1还包括输气电磁阀18、泄气电磁阀19、排气电磁阀20、空气过滤网9和送气风扇21，所述输气电磁阀18安装于氢气输气管道15上以控制氢气输气管道15的通断，所述泄气电磁阀19设于泄气管道16，且所述泄气电磁阀19设于输气电磁阀18的前端，以使氢气在氢气输气管道15超压时经泄气管道16泄放；所述排气电磁阀20安装于排气管道17上以控制排气管道17的通断，所述空气过滤网9设于燃料电池4的一侧，所述送气风扇21设于燃料电池4的另一侧，所述送气风扇21将空气经空气过滤网9后自空气进气口44送入空气输送通道41，并带走反应电堆反应产生的部分热量。
如图4所述，一种持续稳定功率输出的方法，基于如上所述燃料电池系统，方法包括以下步骤：
1）向反应电堆输入空气：启动发电模块1，启动送气风扇21使空气经空气进气口44进入燃料电池4的空气输送通道41；
2）净化反应电堆：输气电磁阀18打开使氢气经输气管道进入燃料电池4的氢气输送通道43，同时泄气电磁阀19打开使燃料电池4的氢气输送通道43内气体经泄气管道16排出，以达到净化反应电堆的目的；
一般而言，净化反应电堆的时间为1-5s，净化反应电堆的优选时间为3s。
净化反应电堆的作用：由于燃料电池4对氢气的纯度要求极高，本燃料电池4内氢气纯度需达到99.99%，而燃料电池4刚刚开机时，氢气输送通道43内可能会有其他杂质气体存在，在进行反应之前净化反应堆，能保证氢气输送通道43内的氢气纯度达到99.99%，有助于提高燃料电池4的发电性能。
3）超级电容充电：燃料电池4与超级电容8连接，在主控模块3的控制下使燃料电池4内反应电堆发生反应产生小电流，小电流在充电放电控制电路10控制下为超级电容8充电，以达到为超级电容8充电的目的；
其中，小电流的电流值为10-15A。
4）润湿质子交换膜42：开关13闭合，在主控模块3的控制下使燃料电池4内反应电堆发生反应产生小电流/在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下使超级电容8释放小电流经负载14流向燃料电池4中质子交换膜42，使质子交换膜42内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜42；
该步骤中润湿质子交换膜42的时间为10-50s，而润湿质子交换膜42的优选时间为30s，小电流的电流值为10-15A。润湿质子交换膜42能有助于提高燃料电池4的发电性能。
5）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路6控制使IGBT5的集电极和发射极连通使燃料电池4内的质子交换膜42瞬间获得大电流，促使质子交换膜42内的催化剂活化；
在润湿质子交换膜期间间隔进行催化剂活化1-15次，优选为3-5次，催化剂活化过程中大电流的最大电流值大于600A，每次催化剂活化时间为100-160ms，每次催化剂活化的间隔时间为2-8s，每次催化剂活化的间隔时间优选为3s，在催化剂活化期间，所述燃料电池系统处于开机状态，而所述泄气电磁阀19和排气电磁阀20均处于闭合的状态（即在催化剂活化期间不会排出氢气和水蒸汽），所述送气风扇21处于正常运转状态，若在催化剂活化期间遇上需要关闭燃料电池系统的，也需等催化剂活化完成后再关闭燃料电池系统。
催化剂活化开始的同时，在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下超级电容8释放小电流为负载14供电直至催化剂活化结束为止，在每两次催化剂活化之间的间隔时间内，燃料电池4在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下一边为超级电容8充电，一边为负载14供电。
6）为负载供电：在主控模块3的控制下使燃料电池4内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载电流达到负载电流阈值为止，之后，燃料电池4持续运行为负载14供电。
作为一种优选方案，在向反应电堆输入空气、超级电容充电、润湿质子交换膜和为负载供电步骤期间，根据实质需求不定时打开泄气电磁阀19和排气电磁阀20。实现方式是在氢气输送通道43中装设压力传感器，当氢气输送通道43内的压力值大于第一压力阈值时，打开排气电磁阀20，将生成的水蒸汽和余下未反应的氢气经排气管道17排出，当氢气输送通道43内的压力值大于第二压力阈值时，打开泄气电磁阀19，将多余的氢气经泄气管道16泄放出去，以确保燃料电池发电系统的安全；其中，第一压力阈值和第二压力阈值可以设定为同一数值，也可以设定为不同数值，当设定为不同数值时，第一压力阈值小于第二压力阈值。
作为一种优选方案，在燃料电池4持续运行为负载14供电期间，根据电压衰减情况/功率输出累积情况间隔进行催化剂活化1-10次；当电压衰减值大于电压衰减阈值时间隔进行催化剂活化；当功率输出累积值不低于功率输出累积阈值时间隔进行催化剂活化；在催化剂活化期间，所述超级电容8在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下为负载14供电；在每两次催化剂活化之间的间隔时间内，燃料电池4在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下一边为超级电容8充电，一边为负载14供电。
如图5所示，为另一种持续稳定功率输出的方法，包括以下步骤：
1）向反应电堆输入空气：启动发电模块1，启动送气风扇21使空气经空气进气口44进入燃料电池4的空气输送通道41；
2）净化反应电堆：输气电磁阀18打开使氢气经输气管道进入燃料电池4的氢气输送通道43，同时泄气电磁阀19打开使燃料电池4的氢气输送通道43内气体经泄气管道16排出，以达到净化反应电堆的目的；
一般而言，净化反应电堆的时间为1-5s，净化反应电堆的优选时间为3s。
3）超级电容充电和润湿质子交换膜：开关13闭合，燃料电池4与超级电容8及负载14连接，在主控模块3的控制下使燃料电池4内反应电堆发生反应产生小电流，小电流在充电放电控制电路10控制下一部分为超级电容8充电，另一部分经负载14流向燃料电池4中质子交换膜42，使质子交换膜42内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜42；
其中，小电流的电流值为10-15A，超级电容充电和润湿质子交换膜的时间为10-50s，而优选时间为30s。
4）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路6控制使IGBT5的集电极和发射极连通使燃料电池4内的质子交换膜42瞬间获得大电流，促使质子交换膜42内的催化剂活化；
在超级电容充电和润湿质子交换膜期间间隔进行催化剂活化1-15次，优选为3-5次，催化剂活化过程中大电流的最大电流值大于600A，每次催化剂活化时间为100-160ms，每次催化剂活化的间隔时间为2-8s，每次催化剂活化的间隔时间优选为3s，在催化剂活化期间，所述燃料电池系统处于开机状态，而所述泄气电磁阀19和排气电磁阀20均处于闭合的状态（即在催化剂活化期间不会排出氢气和水蒸汽），若在催化剂活化期间遇上需要关闭燃料电池系统的，也需等催化剂活化完成后再关闭燃料电池系统。
催化剂活化开始的同时，超级电容8在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下释放小电流为负载14供电直至催化剂活化结束为止，在每两次催化剂活化之间的间隔时间内，燃料电池4在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下一边为超级电容8充电，一边为负载14供电。
5）为负载供电：在主控模块3的控制下使燃料电池4内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载电流达到负载电流阈值为止，之后，燃料电池4持续运行为负载14供电。
作为一种优选方案，在向反应电堆输入空气、超级电容充电和润湿质子交换膜以及为负载供电步骤期间，根据实质需求不定时打开泄气电磁阀19和排气电磁阀20。实现方式是在氢气输送通道43中装设压力传感器，当氢气输送通道43内的压力值大于第一压力阈值时，打开排气电磁阀20，将生成的水蒸汽和余下未反应的氢气经排气管道17排出，当氢气输送通道43内的压力值大于第二压力阈值时，打开泄气电磁阀19，将多余的氢气经泄气管道16泄放出去，以确保燃料电池发电系统的安全；其中，第一压力阈值和第二压力阈值可以设定为同一数值，也可以设定为不同数值，当设定为不同数值时，第一压力阈值小于第二压力阈值。
作为一种优选方案，在燃料电池4持续运行为负载14供电期间，根据电压衰减情况/功率输出累积情况间隔进行催化剂活化1-10次；当电压衰减值大于电压衰减阈值时间隔进行催化剂活化；当功率输出累积值不低于功率输出累积阈值时间隔进行催化剂活化；在催化剂活化期间，所述超级电容8在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下为负载14供电；在每两次催化剂活化之间的间隔时间内，燃料电池4在主控模块3和充电放电控制电路10的控制下一边为超级电容8充电，一边为负载14供电。
催化剂活化原理：在本实施例中使用的催化剂金属铂，所述金属铂涂抹于质子交换膜42中的某一层中，由于空气输送通道41是与空气连通，也就是质子交换膜42中的金属铂能与空气中的氧气发生氧化反应生成铂氧化物，导致催化剂的活性降低，而在催化剂活化过程中，IGBT驱动控制保护电路6控制使IGBT5的集电极和发射极连通，燃料电池4瞬间短路，此时燃料电池4内的电流会产生如图6所示的变化，在IGBT5的集电极和发射极连通之后燃料电池4内的电流瞬间增长，在20-40ms之间增长成大于600A的大电流。利用这一大电流在催化剂活化过程中对质子交换膜42中的催化剂层作用，发生的电化学反应式，具体如下：
膜阴极中发生的电化学反应式：
膜阳极中发生的电化学反应式：
由上述化学式可知，在催化剂活化过程中，大电流对质子交换膜42中的催化剂层作用，使质子交换膜42中催化剂层内的铂氧化物被重新还原成金属铂，如此便提高了催化剂层的活性。
如图7所示为在不同时间段内燃料电池4输出功率、负载14功率和电容功率的对比图，根据图7可知，在催化剂活化期间，本燃料电池系统能以稳定的功率向负载14供电，产生这一现象的原因在于：超级电容8能够存储一定的电能，在催化剂活化之前对超级电容8进行充电，然后催化剂活化期间超级电容8便能释放存储于其内的电能为负载14进行供电，如此便能使燃料电池系统以持续稳定功率输出为负载14供电，减少负载14的损坏机率，延长负载14的使用寿命。
燃料电池系统的关机流程，包括以下步骤：
1）同时打开输气电磁阀18和排气电磁阀20，经3s后关闭输气电磁阀18和排气电磁阀20；
2）送气风扇21继续运行，直至反应电堆的温度降至25℃或环境温度。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于：包括
发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路供电；所述燃料电池包括多个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道和空气输送通道，氢气输送通道与空气输送通道之间设有质子交换膜，所述质子交换膜中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；
催化剂活化模块，用于为燃料电池提供瞬间大电流以活化燃料电池内的催化剂，包括IGBT和IGBT驱动控制保护电路；
主控模块，用于控制发电模块、催化剂活化模块和充电放电模块的工作，包括主控电路；
充电放电模块，用于存储燃料电池产生的电能，并在催化剂活化期间为负载供电，包括超级电容和充电放电控制电路，所述充电放电控制电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路根据主控电路发出的主控信号对超级电容进行充放电控制，根据主控信号调整充放电电流；
所述负载电路的一端与燃料电池的正极连接，所述负载电路的另一端与燃料电池的负极连接，所述充电放电模块和IGBT分别与负载电路并联，所述IGBT的集电极分别与燃料电池的正极连接，所述IGBT的发射极分别与燃料电池的负极连接，所述IGBT的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路一端与燃料电池正极连接，所述充电放电控制电路另一端与超级电容正极连接，所述的超级电容负极与燃料电池的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：还包括用于将燃料电池输出的电压转换成一定电压值的直流转换模块，所述直流转换模块的一侧与燃料电池的两端连接，所述直流转换模块的另一侧与负载电路的两端连接，所述负载电路包括负载和开关，所述开关的一端与燃料电池的正极连接，所述开关的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端与燃料电池的负极连接。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括正极板和负极板，在氢气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阳极片；在空气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括氢气输气管道、泄气管道和排气管道，所述氢气输气管道与氢气输送通道连通，所述泄气管道和排气管道均与外界空气连通，所述空气输送通道上开设有多个空气进气口，所述氢气自氢气输气管道进入氢气输送通道，在质子交换膜中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜到达空气输送通道，所述负电子经负载电路或IGBT后到达空气输送通道，空气自空气进气口进入空气输送通道，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道中排出。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括输气电磁阀、泄气电磁阀、排气电磁阀、空气过滤网和送气风扇，所述输气电磁阀安装于氢气输气管道上以控制氢气输气管道的通断，所述泄气电磁阀设于泄气管道上，且所述泄气电磁阀设于输气电磁阀的前端，以使氢气在氢气输气管道超压时经泄气管道泄放；所述排气电磁阀安装于排气管道上以控制排气管道的通断，所述空气过滤网设于燃料电池的一侧，所述送气风扇设于燃料电池的另一侧，所述送气风扇将空气经空气过滤网后自空气进气口送入空气输送通道，并带走反应电堆反应产生的部分热量。
6.一种持续稳定功率输出的方法，其特征在于：基于如权利要求1-5任一项所述燃料电池系统，方法包括以下步骤：
1）向反应电堆输入空气：启动发电模块，启动送气风扇使空气经空气进气口进入燃料电池的空气输送通道；
2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经氢气输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气电磁阀打开使燃料电池的氢气输送通道内气体经排气管道排出，以达到净化反应电堆的目的；
3）超级电容充电：燃料电池与超级电容连接，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流，小电流在充电放电控制电路控制下为超级电容充电，以达到为超级电容充电的目的；
4）润湿质子交换膜：开关闭合，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流/在主控模块和充电放电控制电路的控制下使超级电容释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜；
5）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路控制使IGBT的集电极和发射极连通使燃料电池内的质子交换膜瞬间获得大电流，促使质子交换膜内的催化剂活化；
6）为负载供电：在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载电流达到负载电流阈值为止，之后，燃料电池持续运行为负载供电；
其中，步骤5）在步骤4）的过程中间隔发生1-15次，在步骤5）期间，所述超级电容在主控模块和充电放电控制电路的控制下释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜。
7.根据权利要求6所述的一种持续稳定功率输出的方法，其特征在于：所述持续稳定功率输出的方法，包括以下步骤：
1）向反应电堆输入空气：启动发电模块，启动送气风扇使空气经空气进气口进入燃料电池的空气输送通道；
2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经氢气输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气电磁阀打开使燃料电池的氢气输送通道内气体经排气管道排出，以达到净化反应电堆的目的；
3）超级电容充电和润湿质子交换膜：开关闭合，燃料电池与超级电容及负载连接，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流，小电流在充电放电控制电路控制下一部分为超级电容充电，另一部分经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜；
4）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路控制使IGBT的集电极和发射极连通使燃料电池内的质子交换膜瞬间获得大电流，促使质子交换膜内的催化剂活化；
5）为负载供电：在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载电流达到负载电流阈值为止，之后，燃料电池持续运行为负载供电；
其中，步骤4）在步骤3）的过程中间隔发生1-15次，在步骤4）期间，所述超级电容在主控模块和充电放电控制电路的控制下释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜。
8.根据权利要求6或7所述的一种持续稳定功率输出的方法，其特征在于：在燃料电池持续运行为负载供电期间，根据电压衰减情况/功率输出累积情况间隔进行催化剂活化1-10次；当电压衰减值大于电压衰减阈值时间隔进行催化剂活化；当功率输出累积值不低于功率输出累积阈值时间隔进行催化剂活化；在催化剂活化期间，所述超级电容在主控模块和充电放电控制电路的控制下为负载供电；在每两次催化剂活化之间的间隔时间内，燃料电池在主控模块和充电放电控制电路的控制下一边为超级电容充电，一边为负载供电。
9.根据权利要求8所述的一种持续稳定功率输出的方法，其特征在于：催化剂活化过程中大电流的最大电流值大于600A，每次催化剂活化时间为100-160ms，每次催化剂活化的间隔时间为2-8s，在催化剂活化期间，所述燃料电池系统处于开机状态，而所述泄气电磁阀和排气电磁阀均处于闭合的状态，所述送气风扇处于正常运转状态。
10.根据权利要求9所述的一种持续稳定功率输出的方法，其特征在于：净化反应电堆的时间为1-5s；在步骤净化反应电堆和催化剂活化之外的步骤期间，根据实质需求不定时打开排气电磁阀和泄气电磁阀；润湿质子交换膜的时间为10-50s，小电流的电流值为10-15A。
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