CN113839125B - 一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法，该管理方法包括：数个氢燃料电池单元与一个蓄电池并联物理化方式；氢燃料电池‑蓄电池组合体串联使氢燃料电池组物理化方式；氢燃料电池‑蓄电池复合电池组蜂窝式连接方式；质子交换膜氢燃料电池组由质子交换膜氢燃料电池单元组成，质子交换膜氢氧燃料电池物理化是指通过物理手段，将质子交换膜氢氧燃料电池单元化学性质改造成符合物理定律的物理电池形式，通过对物理化质子交换膜氢氧燃料电池进行蜂窝式连接管理来达到降低质子交换膜氢氧燃料电池缺点給使用过程中带来的种种不利。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜氢燃料电池组技术领域，尤其涉及一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法。
背景技术
质子交换膜氢氧燃料电池是具有广泛应用前途的固体化学电池。它将氢气的化学能转换为电能，转换效率高，启动快无噪声，氢气与氧气结合生成水，没有污染，机械结构稳定，是理想的车载电源。
质子交换膜氢氧燃料电池的主要部件是膜电极，由气体扩散层，催化层和质子交换膜热压组合而成，电池由膜电极和单极板组成单电池，也可以通过双极板组成串联电池组。
催化层里的催化剂是铂，质子交换膜由高氟磺酸高分子聚合物组成，膜电极占据了质子交换膜燃料电池价格的三分之二。质子交换膜燃料电池以电池组的形式应用。除了价格昂贵之外，还有氢燃料电池元件串联过程中的压降，能量损失可达50％以上，比如，有300个电池组成的动力电池组，只有150V的开路电压，仅有理论电压的40％；氢燃料电池组在串并联过程中也存在10-25％的能量损失；氢燃料电池组在启动瞬间有电压剧降显象，降幅可达静电压的50％以上，电压为6V的燃料电池充电器不能给手机的锂电池充电；在使用电流不断变化的环境下，燃料电池的寿命明显降低，比如燃料电池汽车的电池寿命仅为3000小时，远低于10000小时的设计寿命；这些缺点给质子交换膜氢氧燃料电池的应用形成障碍。
质子交换膜氢氧燃料电池组以燃料电池元件串联形式出现，分低压电源和动力电源两种。对解决动力电源启动瞬间电压剧降的研究较多，现有的解决方法是电子电压补偿法，或稳压电源法，这样做的结果是质子交换膜氢氧燃料电池组功率加倍，使用成本加倍，但这是现有的唯一可行的方案。其他的超级电容法，电池储能法都没有达到实用阶段。对于价格昂贵，串并联过程中的高达50％的压降和能量损失，在电流不断变化时电池寿命明显降低等缺点毫无办法。
质子交换膜氢氧燃料电池是化学电源，也就是说，电能来自于化学能。从反应机理来看，质子交换膜氢氧燃料电池的动力反应是在氢催化层中被铂吸附的氢原子自发的电荷分离反应：Pt(H)→Pt(H+)+e，氧气在氧催化层中还原成水：O2+4e+4H+→2H2O。电荷从氢催化层向氧催化层的迁移速度和氧气的还原反应的反应速度决定了质子交换膜氢氧燃料电池的性能。
质子交换膜氢氧燃料电池元件串联和质子交换膜氢氧燃料电池组串并联过程中的压降是由氢氧燃料电池化学系统决定的；质子交换膜氢氧燃料电池启动瞬间电压剧降是由氢氧燃料电池中电子转移的非法拉第过程引起的，而质子交换膜物氢氧燃料电池在使用电流不断变化环境下电池寿命降低是由质子交换膜物质不匀性造成的，这些都是质子交换膜氢氧燃料电池的化学性质和材料性质所决定的。只有通过改良质子交换膜氢氧燃料电池的化学反应环境才能达到消除燃料电池致命缺点的目的
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法，通过对质子交换膜氢氧燃料电池物理化管理来达到降低质子交换膜氢氧燃料电池缺点给使用带来的种种不利。质子交换膜氢氧燃料电池物理化是指通过物理手段，将质子交换膜氢氧燃料电池化学性质改造成符合物理定律的物理电池形式。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法，该管理方法包括：
数个氢燃料电池单元与一个蓄电池并联物理化方式；
氢燃料电池-蓄电池组合体串联使氢燃料电池组物理化方式；
氢燃料电池-蓄电池复合电池组蜂窝式连接方式。
优选的，数个氢燃料电池单元包括同一个氢燃料电池组以及不同的氢燃料电池组。
优选的，所述蓄电池包括镍-镍氢蓄电池、铅蓄电池、锂电池以及钠电池。
本发明的有益效果是：我们将质子交换膜氢氧燃料电池与蓄电池组合，利用蓄电池物理性质来取代质子交换膜氢氧燃料电池的性质，以镍-镍氢蓄电池为代表的蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池完美组合，蓄电池的蓄电电位与放电电位基本固定且不受质子交换膜氢氧燃料电池电位的影响；质子交换膜氢氧燃料电池和蓄电池工作和蓄电模式之间平衡过渡，无需干预；而且质子交换膜氢氧燃料电池一直处在工作状态，电压随电流按电池的极化曲线的变化而变化，避免了电流变化引起的电压剧降，镍-镍氢蓄电池的平稳放电又保护质子交换膜氢氧燃料电池免受过电流击穿质子交换膜引起的电池损坏和电流不断变化引起的燃料电池寿命的降低；
在不增加能耗和燃料电池组功率的前提下通过对质子交换膜氢氧燃料电池物理化来达到降低质子交换膜氢氧燃料电池缺点給应用带来的种种不利，质子交换膜氢氧燃料电池物理化是指将质子交换膜氢氧燃料电池从受化学反应控制的化学电池物变成符合物理定律的物理电池。
附图说明
图1为氢燃料电池组物理化图。
图2为物理化氢燃料电池组蜂窝式连接管理图
图3氢燃料电池物理化最小单元示意图。
图4氢燃料电池-蓄电池匹配原理图。
图5为双质子交换膜氢氧燃料电池并联单元，镍-镍氢蓄电池单元和氢燃料电池-镍-镍氢蓄电池复合单元极化曲线图；
图6为双质子交换膜氢氧燃料电池并联单元，镍-镍氢蓄电池单元和氢燃料电池-镍-镍氢蓄电池复合单元极化曲线图；
图7为双质子交换膜氢氧燃料电池并联单元，镍-镍氢蓄电池单元和氢燃料电池-镍-镍氢蓄电池复合单元贡献曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面给出具体实施例。
参见图1～图7，一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法，该管理方法包括：
数个氢燃料电池单元与一个蓄电池并联物理化方式；
氢燃料电池-蓄电池组合体串联使氢燃料电池组物理化方式；
氢燃料电池-蓄电池复合电池组蜂窝式连接方式。
一个燃料电池单元以及三个燃料电池单元均与一个蓄电池串联，五个燃料电池单元与二个蓄电池串联，七个燃料电池单元与三个锂电池串联或者与一个锂电池串联。
数个氢燃料电池单元包括同一个氢燃料电池组以及不同的氢燃料电池组；所述蓄电池包括镍-镍氢蓄电池、铅蓄电池、锂电池以及钠电池。
数个氢燃料电池单元与一个蓄电池并联方式，包括已经使用过的并联方式图3和根据氢燃料电池-蓄电池匹配原理图图4和经验公式1和公式2推导出氢燃料电池-蓄电池最佳并联方式；
公式1：氢燃料电池-蓄电池功率匹配公式
公式2：氢燃料电池-蓄电池容量匹配公式
γ是与蓄电池电量有关的充电电流修正值，i充电电压和i放电电压是蓄电池电量为0时在充、放电压时的充、放电电流，γ＝1；蓄电池电量不为0时，1.5<γ<2.5，t是日工作时间以小时计，C是电容量。
镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池最小组合是两个串联燃料电池与一个镍-镍氢蓄电池并联，形成一个开路电压为1.4V，使用电压为1.2V，使用电流由镍-镍氢蓄电池决定的复合单元，复合单元的极化曲线、功率曲线和贡献曲线见图5，图6和图7。
实验使用的双质子交换膜氢氧燃料电池串联复合电池的开路电压1.60V，使用电压1.05V，使用电流0.7A，表示功率0.74W；实验使用的Sanyo镍-镍氢蓄电池1.2V，最大电流1A，规格650mAh，蓄电量零。
实验测定的极化曲线图5表明镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池组合体使用电压在1.4V和1.2V之间平滑变化，开路电压1.4V与镍-镍氢蓄电池充电曲线重合，使用电流大于0.5A，电压不再变化与镍-镍氢蓄电池放电曲线重合，镍-镍氢蓄电池充电放电之间，氢燃料电池工作与氢燃料电池极化曲线重合。
实验测定的功率曲线图6表明镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池组合体使用电流超过1A，使用功率超过1W，组合体超过1W的使用功率不仅仅超过双质子交换膜氢氧燃料电池的额定功率也超过了镍-镍氢蓄电池的额定功率。
贡献曲线图7显示了质子交换膜氢氧燃料电池对镍-镍氢蓄电池的充电，质子交换膜氢氧燃料电池的工作和镍-镍氢蓄电池对质子交换膜氢氧燃料电池稳压作用和过电流的保护过程。以使用电流1A为例，使用瞬间电压剧降降幅从开路电压的54％降到了14％V，在整个使用过程中，镍-镍氢蓄电池质子交换膜氢氧燃料电池复合电池呈现了完美的物理性质，这个实验证明了镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池组合体完全符合化学电池物理化的设计要求。
用镍-镍氢蓄电池近似物理电池性质来掩盖氢燃料电池的化学性质，镍-镍氢蓄电池的物理性质必须大于氢燃料电池的化学性质才能实现。
镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池复合电池组通过n复合单元的串联组成，复合电池组的开路电压为1.4V的n倍，使用电压为1.2V的n倍，使用电流仍由镍-镍氢蓄电池决定，蓄电池的存在，避免了质子交换膜氢氧燃料电池单元串联时的电压降，增加质子交换膜氢氧燃料电池的能力。
镍-镍氢蓄电池限制了镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池复合电池组放电电压下限，起到减少氢燃料电池启动时电降的作用，镍-镍氢蓄电池补偿氢燃料电池放电不足，避免过电流对氢燃料电池的损伤，起到保护氢燃料电池和延长氢燃料电池寿命的作用，镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池复合电池组不放电时，镍-镍氢蓄电池起蓄电的作用，镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池复合电池组中镍-镍氢蓄电池不是动力电池。
建立在质子交换膜氢氧燃料电池，镍-镍氢蓄电池物理化学理论分析基础上的，用物理化学实验手段进行验证，并通过物理化学方法建立数学模型分析推导，从物理化学和电化学角度出发，证实了质子交换膜氢氧燃料电池的种种缺点都是由氢氧燃料电池化学系统引起的；
以镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池复合体进行了技术介绍，但从技术层面来看，不同类型的蓄电池的充放电曲线基本相似，只是在充放电过程中电压变化不同而已，为此，镍-镍氢蓄电池和质子交换膜氢氧燃料电池的并联技术，适合所有类型蓄电池；
镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池最小组合是两个串联燃料电池与一个镍-镍氢蓄电池并联，与现有的燃料电池蓄电池并联技术相似，但与同功率的镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池复合电池组相比，使用的峰窝连接技术与简单的并联技术完全不同，技术要求更高；
镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池最小组合体比现有的燃料电池组-蓄电池组更简单，实现了镍-镍氢蓄电池与质子交换膜氢氧燃料电池最小组合体的物理化，不在受到化学反应速度的限制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法，其特征在于，该管理方法包括：
数个氢燃料电池单元与一个蓄电池并联物理化方式；
氢燃料电池-蓄电池组合体串联使氢燃料电池组物理化方式；
氢燃料电池-蓄电池复合电池组蜂窝式连接方式；
数个氢燃料电池单元包括同一个氢燃料电池组以及不同的氢燃料电池组，其中氢燃料电池-蓄电池最佳并联方式满足以下条件：
氢燃料电池-蓄电池功率匹配公式1：
；
氢燃料电池-蓄电池容量匹配公式2：
；
γ 是与蓄电池电量有关的充电电流修正值，i充电电压和i放电电压是蓄电池电量为0时在充、放电压时的充、放电电流，γ= 1；蓄电池电量不为0时，1.5 < γ < 2.5， t是日工作时间以小时计，C是电容量。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜氢燃料电池组的物理化管理方法，其特征在于，所述蓄电池包括镍氢蓄电池、铅蓄电池、锂电池以及钠电池。
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