CN1988319B - 一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，包括燃料电池发动机、超级电容、二极管、电机控制器、负载电机，所述的燃料电池发动机与超级电容直接并联连接，该并联电路的电流输出、输入端通过电机控制器与负载电机的电流输入、输出端连接，所述的二极管设在燃料电池发动机的电流输出端；所述的燃料电池发动机怠速时输出电压设计成与超级电容起始放电电压相等；所述的燃料电池发动机额定工作电压输出的额定电流除了可以满足驱动负载电机外，还可以将部分电流充入超级电容，此时超级电容的工作电压随着充电过程不断上升最终与燃料电池怠速电压相等。与现有技术相比，本发明具有结构简单、功率输出稳定、容易控制等特点。

Description

一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统 
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统。 
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：H2→2H++2e 
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O 
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。这些导流极板可以是金属材料的极板，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。 
燃料电池的输出电压-电流特性曲线往往表现出极化较严重的曲线，如图1所示。就是说燃料电池输出电压随着输出电流的增加而降低较快。这主要是因为燃料电池加大电流输出时，电池内部因燃料、氧化剂的供应、扩散速度受到限制引起极化，也由于电池内部内阻、催化引起较大的极化。所以，燃料电池作为单一的车、船动力时，当车、船需求功率发生很大变化时，燃料电池输出电压会发生很大的变化，对动力控制带来了很大的麻烦。 
燃料电池作为单一的车、船动力时，当车、船需求功率发生很大变化时，燃料电池对应的运行条件与控制参数相差很大，大大增加了燃料电池运行控制的难度。
燃料电池作为单一的车、船动力时，当车、船需求功率发生很大的变化时，燃料电池对应的运行条件与控制参数变化很大。运行条件，特别是温度、流量、压力、湿度的急剧变化，燃料电池的运行寿命与稳定性会受到严重的负面影响。 
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不足而提供一种结构简单、功率输出稳定、容易控制的燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统。 
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 
与现有技术相比，本发明的优点在于：一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，其特征在于，包括燃料电池发动机、超级电容、二极管、电机控制器、负载电机，所述的燃料电池发动机与超级电容直接并联连接，该并联电路的电流输出端通过电机控制器与负载电机的电流输入端连接，所述的二极管设在燃料电池发动机的电流输出端；所述的燃料电池发动机怠速时输出电压设计成与超级电容起始放电电压相等；所述的燃料电池发动机额定工作电压输出的额定电流除了可以满足驱动负载电机外，还可以将部分电流充入超级电容，此时超级电容的工作电压随着充电过程不断上升最终与燃料电池怠速电压相等。
所述的负载电机电流为燃料电池发动机的输出电流与超级电容的输出电流之和，并且在一段时间内，负载电机的工作电流曲线恰好是超级电容的工作电流曲线与燃料电池发动机的工作电流曲线叠加而成。 
所述的燃料电池发动机与超级电容直接并联连接后构成一自动充放电回路；负载电机加载时燃料电池发动机电压下降，超级电容电流输出，负载电机减载时燃料电池发动机电压上升，该燃料电池发动机迅速对超级电容充电。
还包括触点控制器，该触点控制器与超级电容串联连接。 
还包括电阻，该电阻与触点控制器并联后与超级电容串接。 
所述的燃料电池发动机对超级电容充电的快慢可以通过电阻来调节；电阻较大时，燃料电池发动机对超级电容充电过程中在该电阻上有电压降，充电就慢，反之，电阻较小时充电就快。 
该发明是在原有专利(上海神力科技有限公司的“一种燃料电池与可以快充快放的储能装置混合动力系统”专利申请号为200510029328.7，200520044703.0)的基础上进一步发明的。 
本发明采用了燃料电池与超级电容直接并联连接，节约了额外的DC/DC充电器，既简化了系统的结构，减轻了系统的重量，又降低了动力系统的成本。 
如本发明图2所示，由于燃料电池发动机与超级电容直接并联连接，动力系统输出功率的控制是可自我调节式的。自我控制的主要机制在于燃料电池发动机怠速时输出电压与超级电容的初始电压相等，当超级电容快速放电后，超级电容的电压比燃料电池怠速电压低时，燃料电池就有机会给超级电容充电，储能。 
附图说明
图1为现有燃料电池的输出电压-电流特性曲线； 
图2为本发明的结构示意图； 
图3为负载电机的电流-时间特性曲线； 
图4为超级电容的电流-时间特性曲线； 
图5为燃料电池发动机的电流-时间特性曲线； 
图6为本发明一实施例的结构示意图。 
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。 
实施例 
如图6所示，一种功率为90KW输出电压为340V～480V的燃料电池发动机与50KW输出电压为340V～480V的超级电容混合的城市客车动力系统，1 为燃料电池发动机，2为二极管，3为超级电容，4为电机控制器，5为负载电机，6为触点控制器，7为双CAN网桥，8为脚踏板，9为整车控制器，10为电阻。作为燃料电池城市客车动力系统，其中，此客车的负载电机功率为80KW，工作电压为340V～480V。 
上述燃料电池发动机与超级电容采用直接并联方式，充分利用了超级电容的快速响应特性，在燃料电池客车起动、加速、爬坡等需要大功率响应时，超级电容输出电流大、响应快，比燃料电池发动机输出功率多，正好弥补了燃料电池动态响应慢的弱点，而且不需要人为控制。如图2所示，1为燃料电池发动机，2为二极管，3为超级电容，4为电机控制器，5为负载电机。图2中，流入电机的电流I，燃料电池发动机输出电流Ifc，超级电容输出电流Ic，其中，I＝Ic+Ifc。如图3～5所示，在一段时间T1内，负载电机的工作电流曲线M(I)恰好是超级电容的工作电流曲线C(I)与燃料电池发动机的工作电流曲线FC(I)叠加而成。加载时燃料电池发动机电压下降，超级电容输出电流，减载时燃料电池发动机电压上升，燃料电池发动机迅速对超级电容充电，这个过程完全自然快速完成。还有一个特性是母线电压不会突变，电网稳定性好，可以使得燃料电池城市客车运行更稳定，客车也更容易控制操作。 
燃料电池应用于城市客车上，用上述燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统来驱动，具有以下特点： 
当燃料电池城市客车启动、爬坡或加速时，由于超级电容的响应时间快，放出的电流比燃料电池大许多，超级电容的输出功率大于燃料电池的输出功率，这种情况下就避免了燃料电池发动机在启动、爬坡或突然加速时的大电流放电形成的负载冲击。 
当燃料电池城市客车刹车、减速、下坡或停车时，并且超级电容电压已降低到400V以内，形成燃料电池发动机自动为超级电容补充能量。这种补充过程是自动过程，由超级电容与燃料电池发动机电压谁高、谁低来决定是否补充的。当超级电容与燃料电池怠速输出电压480V时，证明燃料电池发动机对超级电容的充电已完成。随着充电不断的进行，燃料电池发动机输出电压与超级电容的电压就不断接近。最终，超级电容与燃料电池发动机的怠速时输出的电压相同。 

Claims (6)

1.一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，其特征在于，包括燃料电池发动机、超级电容、二极管、电机控制器、负载电机，所述的燃料电池发动机与超级电容直接并联连接，该并联电路的电流输出端通过电机控制器与负载电机的电流输入端连接，所述的二极管设在燃料电池发动机的电流输出端；所述的燃料电池发动机怠速时输出电压设计成与超级电容起始放电电压相等；所述的燃料电池发动机额定工作电压输出的额定电流除了可以满足驱动负载电机外，还可以将部分电流充入超级电容，此时超级电容的工作电压随着充电过程不断上升最终与燃料电池怠速电压相等。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，其特征在于，所述的负载电机电流为燃料电池发动机的输出电流与超级电容的输出电流之和，并且在一段时间内，负载电机的工作电流曲线恰好是超级电容的工作电流曲线与燃料电池发动机的工作电流曲线叠加而成。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，其特征在于，所述的燃料电池发动机与超级电容直接并联连接后构成一自动充放电回路；负载电机加载时燃料电池发动机电压下降，超级电容电流输出，负载电机减载时燃料电池发动机电压上升，该燃料电池发动机迅速对超级电容充电。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，其特征在于，还包括触点控制器，该触点控制器与超级电容串联连接。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，其特征在于，还包括电阻，该电阻与触点控制器并联后与超级电容串接。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池发动机与超级电容混合的动力系统，其特征在于，所述的燃料电池发动机对超级电容充电的快慢可以通过电阻来调节；电阻较大时，燃料电池发动机对超级电容充电过程中在该电阻上有电压降，充电就慢，反之，电阻较小时充电就快。
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