CN1773758A - 支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置 - Google Patents

支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,包括燃料电池堆、氢气供应装置、氢气循环装置、空气供应装置、冷却流体循环装置、自动控制及电能输出装置,所述的氢气循环装置包括氢气循环泵,所述的空气供应装置包括鼓风机或空压机,所述的冷却流体循环装置包括冷却流体循环泵及散热风扇,所述的氢气循环泵、鼓风机或空压机、冷却流体循环泵及散热风扇各采用与其相匹配的无刷电机,该无刷电机由与其串接的调速控制器控制。与现有技术相比,本发明具有提高燃料电池的燃料效率、节约燃料电池发电系统的空间、增加系统运行可靠性、降低成本、简便高效等特点。

Description

支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置
技术领域
本发明涉及燃料电池,尤其涉及一种支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置。
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反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。这些导流极板上的流体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。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)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,并且根据用途的不同要求,输出的净功率不等,一般净功率要求从几千瓦到几百千瓦。
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可以统称为燃料电池运行支持系统。
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所需的有效功率,必须给燃料电池提供足够的空气,氢气及循环冷却水(冬天采用防冻液),因此提供空气的鼓风机或空气压缩机、给循环冷却水(防冻液)提供动力的水泵、散热器风扇以及电磁阀和其他控制及监控部件等燃料电池堆运行支持系统自身也必须消耗一定的功率。其中最主要的功率消耗部件是鼓风机(或空气压缩机)、水泵及散热器。电磁阀和其他的控制及监控部件的消耗功率只是很小的一部分。
图1是一种典型的燃料电池发电系统,在图1中1为燃料电池堆;2为储氢瓶或其他储氢装置;3为减压阀;4为空气过滤装置;5为空气压缩供应装置;6’、6为水-汽分离器;7为水箱;8为冷却流体循环泵;9为散热器;10为氢循环泵;11、12为增湿装置。
燃料电池发电原理实际上是燃料电池中氢燃料与向燃料电池供应空气中的氧气化合生成水,这一化学反应过程是大部分化学能转化成电能的过程。所以燃料电池发电的速度受到许多因素的影响:
(1)向燃料电池供应氢燃料、空气的速度与充分性;
(2)氢气、空气中的氧气向燃料电池中的电极扩散的速度;
(3)氢气、空气中的氧气在电极中的催化反应速度;
上述三点与燃料电池本身的发电能力设计有关。
一般来说,当出现燃料电池电动车起动、加速等变功况情况,或燃料电池发电站供应的用户变加载等情况时,要求燃料电池输出功率的响应也随之变化。
虽然燃料电池额定输出功率的设计即本身的发电能力一般都会满足作为车载动力源,或发电站最大功率需求的要求,但是燃料电池在输出功率变化时,由于燃料电池本身的上述三种极化效应,导致输出电压也发生较大的变化。一般来说,燃料电池功率输出随着电流输出的增大而增大。典型的一种是10KW燃料电池伏-安-功率输出曲线,如图2所示。从途中可以看出,燃料电池发电系统当功率输出发生变化时,其输出电压变化是较大的。所以,燃料电池发电系统支持自身运行各个耗功部件的电机运转,例如供应空气的鼓风机或空气压缩机,给循环冷却水(或防冻液)提供动力的水泵、氢气循环泵及散热风扇的各个电机运转,都是先采用一种直流-直流变换稳压装置,将燃料电池发电系统中燃料电池堆输出的电压-电流通过直流-直流稳压装置升压或降压,稳定在某一个合适的电压上,然后再带动燃料电池发电系统支持自身运行的各个耗功部件的各个电机运转,如图中2a,2b所示。I:空气供应子系统中的空气压缩装置电机,II:氢气供应子系统中的氢气循环装置电机,III:冷却流体循环子系统中的循环泵电机,IV:冷却流体循环子系统中的散热风扇电机。
将燃料电池堆降压或升压后,再带动燃料电池发电系统自身支持运行的各个耗功部件的电机运转,C1、C2、C3、C4分别是各个电机的调速控制器。
目前,这种采用DC/DC直流-直流变换装置将燃料电池堆降压或升压后,再带动燃料电池发电系统自身支持运行的各个耗功部件电机运转的技术方案(如图2a,2b)有以下技术缺陷:
1.燃料电池堆经过DC/DC降压或升压后有部分功率损耗,从而降低了燃料电池的燃料效率;
2.DC/DC降压或升压器件不但占据了燃料电池发电系统的宝贵空间,增加了重量,而且往往增加了系统的不可靠性;
3.DC/DC器件是价格较高的器件。
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的一种简便、高效的支持燃料氢气电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,包括燃料电池堆、氢气供应装置、氢气循环装置、空气供应装置、冷却流体循环装置、自动控制及电能输出装置,所述的氢气循环装置包括氢气循环泵,所述的空气供应装置包括鼓风机或空压机,所述的冷却流体循环装置包括冷却流体循环泵及散热风扇,其特征在于,所述的氢气循环泵、鼓风机或空压机、冷却流体循环泵及散热风扇各采用与其相匹配的无刷电机,该无刷电机由与其串接的调速控制器控制。
所述的各无刷电机与各调速控制器的串接电路并联后,其两端与燃料电池堆的正负极连接。
所述的无刷电机工作电压范围与燃料电池堆工作电压范围一致。
所述的无刷电机为直流无刷电机。
所述的燃料电池堆的输出电压范围为100V~60V,电流范围为0A~160A。
所述的无刷电机的工作电压范围为100V~60V。
所述的调速控制器适应电压范围为100V~60V,调速方式为电流控制型。
所述的散热风扇电机的转动与转速受燃料电池工作温度控制,当温度未达到燃料电池工作温度时,调速控制器控制散热风扇电机停转,超过工作温度时,调速控制器控制散热风扇电机转动。
与现有技术相比,本发明根据上述不同功用的燃料电池发电系统中的耗功部件电机运转特点进行设计,具有如下特点:
1.根据燃料电池堆输出电压的数值,特别设计采用带动空气压缩装置、氢气循环装置、冷却流体循环水泵以及散热风扇的各种无刷电机,这些无刷电机可以直接承受燃料电池堆输出的电压,即电机工作电压范围基本与燃料电池堆工作电压范围一致。
2.根据燃料电池堆的工作电压范围以及电机工作电压、电流,上述各类电机采用不同的调速控制器,可在燃料电池堆工作电压输入范围内进行各类电机的调速。
3.本发明设计的燃料氢气电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置具有提高燃料电池的燃料效率,节约燃料电池发电系统的空间,增加系统运行可靠性,降低成本,简便、高效的特点。
附图说明
图1为现有燃料电池的结构示意图;
图2为现有一种10KW燃料电池发电系统的典型伏-安-功率输出曲线图;
图2a为现有支持燃料电池运行的各个主要耗功部件驱动电机的示意图;
图2b为现有采用DC/DC直流-直流变换装置驱动的各个主要耗功部件驱动电机的示意图;
图3为采用本发明技术驱动的各个主要耗功部件驱动电机的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如图3,并结合图1,图2a,图2b,支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,包括燃料电池堆、氢气供应装置、氢气循环装置、空气供应装置、冷却流体循环装置、自动控制及电能输出装置,所述的氢气循环装置包括氢气循环泵,所述的空气供应装置包括鼓风机或空压机,所述的冷却流体循环装置包括冷却流体循环泵及散热风扇,所述的氢气循环泵、鼓风机或空压机、冷却流体循环泵及散热风扇各采用与其相匹配的无刷电机II、I、III及IV,该无刷电机II、I、III及IV由与其串接的调速控制器C1、C2、C3及C4控制。
所述的各无刷电机II、I、III及IV与各调速控制器C1、C2、C3及C4的串接电路并联后,其两端与燃料电池堆1的正负极连接。所述的无刷电机II、I、III及IV工作电压范围与燃料电池堆1工作电压范围一致。所述的无刷电机I、II、III、IV为直流无刷电机。所述的燃料电池堆1的输出电压范围为100V~60V,电流范围为0A~160A。所述的无刷电机I、II、III、IV的工作电压范围为100V~60V。所述的调速控制器C1、C2、C3及C4适应电压范围为100V~60V,调速方式为电流控制型。所述的散热风扇电机IV的转动与转速受燃料电池工作温度控制,当温度未达到燃料电池工作温度时,调速控制器C4控制散热风扇电机IV停转,超过工作温度时,调速控制器C4控制散热风扇电机IV转动。
本实施例为一种10KW燃料电池发电系统。燃料电池堆由100个单电池组成,每个单电池由一套双极板及一张电极组成。双极板尺寸为200mm×200mm×2.5mm。燃料电池堆输出电压范围为100V~60V;电流范围为0~160A。
该燃料电池发电系统主要支持自身运行的耗功部件如下:
I:空气鼓风机电机(功耗大约300瓦);
II:氢气循环风机电机(功耗大约100瓦);
III:冷却流体泵电机(功耗大约250瓦);
IV:四个散热风扇电机(功耗每只25瓦)。
上述电机的调速控制器分别是C1,C2,C3,C4,可以适应电压范围为100V~60V,调速方式为电流控制型,当输入C1,C2,C3,C4电流越大,可以驱动上述相应的各类电机加快转速。上述所有I,II,III,IV电机均为无刷直流电机,设计上可以直接设计成工作电压范围100~60V。如图3所示。
当燃料电池发电系统处于怠速状态时,燃料电池发电系统净输出功率为零,仅支持I,II,III,IV电机运转,C1,C2,C3分别控制相应的I,II,III电机,使其处于最低转速状态,而电机IV的转动与转速将受燃料电池发电系统的工作温度控制。当温度未达到燃料电池工作温度时,C4控制电机停转,超过工作温度时,就控制IV电机转动。
当燃料电池发电系统处于满荷功率10KW净输出时,此时燃料电池堆输出电压为65V,C1,C2,C3分别控制相应的I,II,IV电机,使其处于最高速运转状态,此时燃料电池发电系统产生的废热也最大,C4将控制IV电机进行最高速运转,从而进行散热,以保持燃料电池工作温度的正常恒定。上述燃料电池发电系统结构简便,燃料效率高达50%以上。

Claims (8)

1.支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,包括燃料电池堆、氢气供应装置、氢气循环装置、空气供应装置、冷却流体循环装置、自动控制及电能输出装置,所述的氢气循环装置包括氢气循环泵,所述的空气供应装置包括鼓风机或空压机,所述的冷却流体循环装置包括冷却流体循环泵及散热风扇,其特征在于,所述的氢气循环泵、鼓风机或空压机、冷却流体循环泵及散热风扇各采用与其相匹配的无刷电机,该无刷电机由与其串接的调速控制器控制。
2.根据权利要求1所述的支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,其特征在于,所述的各无刷电机与各调速控制器的串接电路并联后,其两端与燃料电池堆的正负极连接。
3.根据权利要求1或2所述的支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,其特征在于,所述的无刷电机工作电压范围与燃料电池堆工作电压范围一致。
4.根据权利要求1或2所述的支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,其特征在于,所述的无刷电机为直流无刷电机。
5.根据权利要求1或2所述的支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,其特征在于,所述的燃料电池堆的输出电压范围为100V~60V,电流范围为0A~160A。
6.根据权利要求1或2所述的支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,其特征在于,所述的无刷电机的工作电压范围为100V~60V。
7.根据权利要求1或2所述的支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,其特征在于,所述的调速控制器适应电压范围为100V~60V,调速方式为电流控制型。
8.根据权利要求1所述的支持燃料电池自身运行耗功部件的电机驱动与控制装置,其特征在于,所述的散热风扇电机的转动与转速受燃料电池工作温度控制,当温度未达到燃料电池工作温度时,调速控制器控制散热风扇电机停转,超过工作温度时,调速控制器控制散热风扇电机转动。
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