CN1585178A - 一种带自起动装置的燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自起动装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出子系统以及自起动装置，所述的自起动装置包括小型空气泵、空气泵电磁阀、氮气瓶、氮气瓶减压阀及电磁阀、小型蓄电池组；与现有技术相比，本发明只需要携带一至二节功率、体积、重量非常小的蓄电池就可以实现燃料电池发电系统的自起动，本发明的问世，对于燃料电池作为车、船的动力系统具有非常重要的意义。

Description

一种带自起动装置的燃料电池发电系统

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种带自起动装置的燃料电池发电系统。

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：

阴极反应：

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。这些导流极板上的导流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。

燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池在用作车、船动力系统或移动式/固定式发电站时，一般用氢气为燃料，空气为氧化剂，并且要求可以输出较大的功率，一般要求从几十千瓦甚至到几百千瓦。

燃料电池发电系统一般由以下几个部分组成：(1)燃料电池堆；(2)燃料氢气供应子系统；(3)空气供应子系统；(4)冷却散热子系统；(5)自动控制及电能输出子系统。整个燃料电池发电系统除了燃料电池堆以外的其他部分也可以统称为燃料电池堆运行支持系统。

为了保证燃料电池堆的持续性、安全可靠性运行并向外输出很大的有效功率，燃料电池堆运行支持系统本身也必须消耗一定的功率。其中主要消耗功率部件有：1.向燃料电池堆输送空气的空气输送装置；将燃料电池堆中产生的热带出的冷却流体循环泵；一些自动控制执行部件，如：电磁阀；与自动控制有关的部件，如控制器等，如图1所示，高压氢气罐1，空气输送泵2，质子交换膜燃料电池堆3，气体控制电磁阀4、5，水汽分离器6、7，空气排出节流阀8，氢气循环泵9，冷却流体箱10，冷却流体循环泵11，散热器12，输出电压、电流13，气体控制减压阀14、15。

在这些自消耗功率部件中，消耗功率最大的空气输送装置，一般占整个燃料电池堆总输送功率的10～20％；其次是冷却流体循环泵、氢气循环泵，大约占整个燃料电池堆总输出功率的1～10％；最少的是一些与自动控制有关的部件，如：控制器、控制执行部件。

质子交换膜燃料电池在用作车、船动力系统或移动式、固定式发电站时，输出功率一般在几十千瓦至几百千瓦。这种大功率的燃料电池发电系统本身支持系统运行的消耗功率器件，如：空气输送装置、氢气循环泵、冷却流体循环泵等所消耗的功率也占很大的一部分，可以达到数百瓦甚至数十千瓦。

所以，目前大功率的质子交换膜燃料电池发电系统在开始起动时必须要有大功率的外部电源供电，这种外部电源，可以是蓄电池，或是从电网上取电。帮助燃料电池发电系统起动一直到工作状态，等到燃料电池发电系统处于工作状态后，再由发电系统本身来支持系统本身运行的消耗功率器件。燃料电池发电系统作为车、船动力系统或移动式发电站应用时，上述二种外部电源有不可克服的技术缺陷：

(1)从电网上取电，对燃料电池用作车、船动力系统或移动式发电站时，非常不方便，有时甚至不可能做到。

(2)采用蓄电池来起动燃料电池发电站时，由于燃料电池发电系统中的各种功率消耗器件，如：空气输送装置等消耗功率很大、需要有大量的大功率蓄电池，在用作车、船动力系统时，不但会占据大量车、船上的宝贵时间，也会增加大量的无意义的重量，从而影响车、船的能量效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可实现小功率起动的带自起动装置的燃料电池发电系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带自起动装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出子系统；

所述的燃料氢气供应子系统包括高压氢气罐、氢气减压阀、氢气控制电磁阀、氢气水汽分离器、氢气循环泵，该子系统中，高压氢气罐输出的氢气经氢气减压阀及氢气控制电磁阀后进入燃料电池堆参加反应，反应后残余的氢气及生成的部分水经氢气水汽分离器分离后，其中的氢气经氢气循环泵打入燃料电池堆循环使用；

所述的空气供应子系统包括空气输送泵、空气减压阀或空气控制电磁阀、空气水汽分离器、空气排出节流阀，该子系统中，空气输送泵输出的空气经空气减压阀或空气控制电磁阀后进入燃料电池堆参加反应，反应后残余的空气及生成的部分水经空气水汽分离器分离后排放；

所述的冷却散热子系统包括冷却流体箱、冷却流体循环泵、散热器，该子系统中，从燃料电池堆出来的热水及部分生成水收集在冷却流体箱中，经冷却流体循环泵打入散热器中，降温后的冷水再输入燃料电池堆中循环使用；

其特征在于，还包括小型空气泵、空气泵电磁阀、氮气瓶、氮气瓶减压阀及电磁阀、小型蓄电池组，所述的小型空气泵通过空气泵电磁阀连接在空气控制电磁阀前面，所述的氮气瓶通过氮气瓶减压阀及电磁阀连接在燃料电池堆的氢气入口端，所述的小型蓄电池组足够支持与驱动燃料电池发电系统中的控制器，该等控制器通过执行元件先开启氮气瓶减压阀及电磁阀对燃料电池堆氢侧及氢气管路进行氮气清洗，再关闭氮气瓶电磁阀并开启氢气控制电磁阀将氢气洗掉氮气，同时启动小型空气泵，使少量空气输送入燃料电池堆并使燃料电池堆建立开路电压状态，控制器立即可以进入利用燃料电池本身输出功率来起动燃料电池发电系统中各个功率器件，再关闭小型空气泵即实现自起动。

所述的小型蓄电池组的输出功率为100～200W，输出电压为24V或12V，放电电流小于10A。

与现有技术相比，本发明只需要携带一至二节功率、体积、重量非常小的蓄电池就可以实现燃料电池发电系统的自起动，本发明的问世，对于燃料电池作为车、船的动力系统具有非常重要的意义。

附图说明

图1为现有燃料电池发电系统的结构示意图；

图2为本发明带自起动装置的燃料电池发电系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明可以按以下方式进行实施：

(1)只要携带一至二节功率在一至二百瓦的蓄电池组。该蓄电池组输出电压一般为24V、12V等，放电电流小于10A即可，输出功率可以足够支持与驱动燃料电池发电系统中的控制器，自动控制各执行部件，如：各个电磁阀、电动调节阀等，并且可以驱动一个小型空气输送泵，该小型空气输送泵消耗功率大约是数十瓦至100瓦左右。

(2)当处于待命状态的燃料电池发电系统控制器接到起动信号时，控制器先按照预先设定的程序对整个燃料电池发电系统的各个控制点与控制器件及监控点实行自检，自检正常后，按正常启动程序进行。

(3)控制器先按正常程序及开启、关闭步骤，对燃料电池堆氢侧及氢气管路进行氮气清洗，再将氢气洗掉氮气，同时启动一个小型空气泵，使少量空气输送入燃料电池并使燃料电池堆建立开路电压状态。控制器立即可以进入利用燃料电池本身输出功率来起动燃料电池发电系统中各个功率器件，此时可以关掉小型空气泵等。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2所示，一种带自起动装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆3、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出子系统；

所述的燃料氢气供应子系统包括高压氢气罐1、氢气减压阀15、氢气控制电磁阀4、氢气水汽分离器6、氢气循环泵9，该子系统中，高压氢气罐1输出的氢气经氢气减压阀15及氢气控制电磁阀4后进入燃料电池堆3参加反应，反应后残余的氢气及生成的部分水经氢气水汽分离器6分离后，其中的氢气经氢气循环泵9打入燃料电池堆3循环使用；

所述的空气供应子系统包括空气输送泵2、空气减压阀14或空气控制电磁阀5、空气水汽分离器7、空气排出节流阀8，该子系统中，空气输送泵2输出的空气经空气减压阀14或空气控制电磁阀5后进入燃料电池堆3参加反应，反应后残余的空气及生成的部分水经空气水汽分离器7分离后排放；

所述的冷却散热子系统包括冷却流体箱10、冷却流体循环泵11、散热器12，该子系统中，从燃料电池堆3出来的热水及部分生成水收集在冷却流体箱10中，经冷却流体循环泵11打入散热器12中，降温后的冷水再输入燃料电池堆3中循环使用；

还包括小型空气泵16、空气泵电磁阀20、氮气瓶17、氮气瓶减压阀15′，氮气瓶电磁阀18、小型蓄电池组(图未示)，所述的小型空气泵16通过空气泵电磁阀20连接在空气控制电磁阀5前面，所述的氮气瓶17通过氮气瓶减压阀15′及电磁阀18连接在燃料电池堆3的氢气入口端，所述的小型蓄电池组足够支持与驱动燃料电池发电系统中的控制器(图未示)，该等控制器通过执行元件(图未示)先开启氮气瓶减压阀及电磁阀18对燃料电池堆氢侧及氢气管路进行氮气清洗，再关闭氮气瓶电磁阀18并开启氢气控制电磁阀15将氢气洗掉氮气，同时启动小型空气泵16，使少量空气输送入燃料电池堆3并使燃料电池堆建立开路电压状态，控制器立即可以进入利用燃料电池本身输出功率来起动燃料电池发电系统中各个功率器件，再关闭小型空气泵16即实现自起动。

实施例

一种70KW燃料电池发电系统，净输出70KW，燃料电池堆总输出80KW。燃料电池发电系统内，空气泵起动功率消耗大约1KW，额定功况工作时，功率消耗6.5KW，水泵消耗1.2KW，其它功率消耗器件2.5KW。如图2所示，1为高压氢气罐，2为空气输送泵，3为质子交换膜燃料电池堆，4、5为气体控制电磁阀，6、7为水汽分离器，8为空气排出节流阀，9为氢气循环泵，10为冷却流体箱，11为冷却流体循环泵，12为散热器，13为输出电压、电流，14、15、15′为气体控制减压阀，16为小型空气泵，17为氮气瓶，18、19、20为电磁阀。

第一步：将燃料电池发电系统氮气电磁阀18打开，氢气路电磁阀4处于关闭状态，氮气进入氢气输送管路及燃料电池堆氢气侧，并自动打开排放电磁阀19，用氮气冲洗数分钟。

第二步：关掉燃料电池发电系统氮气电磁阀18，氢气路电磁阀4打开，氢气进入氢气输送管路及燃料电池堆氢气侧，并继续保持排放电磁阀19开启状态，部分氢气安全排出。

第三步：起动一个小型空气输送泵16，该小型泵不断地将少量空气输送入燃料电池发电系统中的空气输送管路及燃料电池堆空气侧。

第四步：此时，燃料电池堆的氢气侧已经充满氢气，空气侧已经充满空气，并处于建立开路电压状态。

第五步：控制器检测到燃料电池堆开路电压正常时，将自动切换至由燃料电池自我起动供电，并通过DC/DC功率器件起动燃料电池发电系统中的其它功率消耗器件，如：空气输送泵2、冷却流体循环泵11、氢气循环泵9、控制器及所有控制执行与监控部件。

第六步：起动成功后，控制器按照正常工作程序进入正常运行状态，并且将携带的小功率蓄电池组切换成处于浮充状态。

第七步：控制器接到停机指令，按正常程序停机，控制器等仍然由小功率蓄电池支持。

第八步：此时可以关掉小型空气泵16及电磁阀20。

Claims (2)

1.一种带自起动装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出子系统；

所述的燃料氢气供应子系统包括高压氢气罐、氢气减压阀、氢气控制电磁阀、氢气水汽分离器、氢气循环泵，该子系统中，高压氢气罐输出的氢气经氢气减压阀及氢气控制电磁阀后进入燃料电池堆参加反应，反应后残余的氢气及生成的部分水经氢气水汽分离器分离后，其中的氢气经氢气循环泵打入燃料电池堆循环使用；

所述的空气供应子系统包括空气输送泵、空气减压阀或空气控制电磁阀、空气水汽分离器、空气排出节流阀，该子系统中，空气输送泵输出的空气经空气减压阀或空气控制电磁阀后进入燃料电池堆参加反应，反应后残余的空气及生成的部分水经空气水汽分离器分离后排放；

所述的冷却散热子系统包括冷却流体箱、冷却流体循环泵、散热器，该子系统中，从燃料电池堆出来的热水及部分生成水收集在冷却流体箱中，经冷却流体循环泵打入散热器中，降温后的冷水再输入燃料电池堆中循环使用；

其特征在于，还包括小型空气泵、空气泵电磁阀、氮气瓶、氮气瓶减压阀及电磁阀、小型蓄电池组，所述的小型空气泵通过空气泵电磁阀连接在空气控制电磁阀前面，所述的氮气瓶通过氮气瓶减压阀及电磁阀连接在燃料电池堆的氢气入口端，所述的小型蓄电池组足够支持与驱动燃料电池发电系统中的控制器，该等控制器通过执行元件先开启氮气瓶减压阀及电磁阀对燃料电池堆氢侧及氢气管路进行氮气清洗，再关闭氮气瓶电磁阀并开启氢气控制电磁阀将氢气洗掉氮气，同时启动小型空气泵，使少量空气输送入燃料电池堆并使燃料电池堆建立开路电压状态，控制器立即可以进入利用燃料电池本身输出功率来起动燃料电池发电系统中各个功率器件，再关闭小型空气泵即实现自起动。

2.根据权利要求1所述的一种带自起动装置的燃料电池发电系统，其特征在于，所述的小型蓄电池组的输出功率为100～200W，输出电压为24V或12V，放电电流小于10A。

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