CN2733614Y - 一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气补给装置、空气增湿装置、氢气水－汽分离器、氢循环泵、空气水－汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器，所述的空气补给装置包括常闭电磁阀、压缩空气储罐，所述的常闭电磁阀的一端与空气压缩供应装置的出口端连通，所述的常闭电磁阀的另一端与压缩空气储罐连通。与现有技术相比，本实用新型具有在输出功率突然增加的情况下可快速响应并稳定运行的特点，此外，本实用新型空气补给装置还可用作车辆上气动刹车装置、气动开关门装置以及其它气动元件的气源。

Description

一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池。

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可用作车、船等运载工具的动力系统，又可用作移动式、固定式的发电装置。

质子交换膜燃料电池可用作车、船动力系统或移动式和固定式发电站时，必须包括电池堆、燃料氢气供应系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出各个部分。

图1为燃料电池发电系统，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。

按照目前典型的上述燃料电池发电系统运行的原理或原则，例如上海神力科技有限公司的发明专利“一种带有动态控制装置的燃料电池”，中国专利申请号为200410016609.4；200420020471.0。燃料电池发电系统中的控制器，通过对燃料电池工作温度、输出功率需求进行监控并计算，确定对氢气流量、空气流量的控制，使燃料电池堆在任何功率输出要求的功况下实现：1.输出功率与工作温度的关联控制；2.输出功率与氢气流量、空气流量的关联控制，其中氢气流量与空气流量按输出功率要求计量比分别是1.2、2.0控制；3.氢气流量与空气流量分别与相应的可以实现动态增湿调节控制的增湿装置进行联动动态控制，使进入燃料电池堆中的任何流量下的氢气、空气都保持最佳相对湿度(70％～95％中间的某一数值)；4.根据外界天气温度与湿度的情况，调节与控制方法同第(3)点，并达到与第(3)点相同的目的。最终目的是使燃料电池堆在任何功率输出要求的功况下实现高效能运行与在最佳工作条件下运行，燃料电池堆可以有最佳的燃料效率。

上述燃料电池发电系统的动态控制的原理与原则，就是实现按照燃料电池的运行参数，在不同的工作温度、环境、功率输出要求等进行自动监控与计算，并按设定目标值进行控制达到燃料电池在最佳工作条件及高效率的运行。

其中输出功率与氢气流量、空气流量的关联控制，氢气流量按输出功率要求计量比1.2；空气流量按输出功率要求计量比2.0～2.5控制非常重要，否则在过大流量的氢气、空气状况下长时间运行，不但会使整个燃料电池发电系统总体效率降低，还会使燃料电池运行条件处于不正常状态，严重的情况会使燃料电池性能降低，甚至是不可逆地性能损失。

上述燃料电池发电系统的动态目标控制虽然可以确保整个燃料电池长时间运行，而且可以达到处于高效率状态但当燃料电池发电系统作为各种运载工具上的动力系统使用时，或作为移动式、分散式发电站使用时，都会发生要求燃料电池输出功率突然增加的情况。例如，当燃料电池电动车起动、加速，或爬坡，或燃料电池发电站供电时，用户突然增加一些大功率的负载等情况，都会造成要求燃料电池输出功率突然增加的情况。

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；

其中第(2)、(3)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突然起动、加速等情况，或燃料电池发电站供应的用户突然加载等情况时，要求燃料电池输出功率的响应速度是非常之快的。

现在设计的燃料电池发电系统有以下严重的技术缺陷：

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，但是燃料电池作为车载动力源，或发电站时，从怠速状态或小功率需求，突然增加到大功率甚至最大功率需求是经常发生的。目前燃料电池发电系统的动态控制的原理与原则，就是实现按照燃料电池的运行参数，在不同的工作温度、环境、功率输出要求等进行自动监控与计算，并按设定目标值进行控制达到燃料电池在最佳工作条件下高效率的运行。其中输出功率与氢气流量、空气流量的关联控制，氢气流量按输出功率要求计量比1.2；空气流量按输出功率要求计量比2.0～2.5控制。  输出功率与空气流量的关联控制一般是按照外电路的功率需求大小，来计算并调节空气输送装置的电机转速来达到调节空气流量，并使空气流量达到2.0～2.5的目标控制要求。

也就是说当外电路要求燃料电池输出功率突然增加时，燃料电池发电系统必须先调节燃料电池发电系统中空气输送装置，如空压机、鼓风机中的电机转速，使电机转速大大加快，以增加空气向燃料电池堆输送的流量，并达到增加输出功率的空气流量要求。

一般来说，电机调速是需要时间的，特别是电机从低速调节至高速时，往往需要0.5-1秒、甚至更长的时间间隔。但是当燃料电池电动车处于突然起动、加速等情况，或燃料电池发电站供应的用户突然加载等情况出现时，就要求燃料电池输出功率的响应速度非常快，时间间隔往往是大大少于0.5秒的。

所以上述情况会出现燃料电池发电系统由于空气输送来不及响应，而导致整个燃料电池发电系统无法快速响应输出突然增加的功率需求，严重时，整个燃料电池发电系统会导致崩溃。

实用新型内容

本实用新型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在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置、氢气水-汽分离器、氢循环泵、空气水-汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器，其特征在于，还包括空气补给装置，该空气补给装置包括常闭电磁阀、压缩空气储罐，所述的常闭电磁阀的一端与空气压缩供应装置的出口端连通，所述的常闭电磁阀的另一端与压缩空气储罐连通。

所述的空气补给装置还包括第一补给空气过滤器，该第一补给空气过滤器设在常闭电磁阀与压缩空气储罐之间。

所述的空气补给装置还包括补给空气压缩泵，该补给空气压缩泵的出口端与压缩空气储罐连通。

所述的空气补给装置还包括第二补给空气过滤器，该第二补给空气过滤器与补给空气压缩泵的进口端连通。

所述的空气补给装置还包括空气压力传感器，该空气压力传感器与压缩空气储罐连通。

所述的空气补给装置在燃料电池车辆上还可用作气动刹车装置、气动开关门装置以及其它气动元件的气源。

与现有技术相比，本实用新型技术方案在空气供应管路上，增加了一串快速反应的额外空气补给装置。该空气补给装置只要在燃料电池要求突然增加输出功率时，就会自动打开常闭电磁阀，这样大量原先储存在压缩空气储罐中的压缩空气就会快速、及时的补充给燃料电池堆，这可以弥补空气压缩装置的电机调速的时间迟后效应，燃料电池可以保证大功率突然增加的快速响应。另一方面，在空气压缩装置的电机调速达到正常供给空气流量与压力时，常闭电磁阀会自动关闭，并且补给空气压缩泵会根据压缩空气储罐内的压力大小，启动重新储气，直到达到设定压力为止而自动停止工作。此外，该压缩空气储罐中的压缩空气同时可以兼作车辆气动，如气动刹车、气动开、关车门的气源。

附图说明

图1为现有燃料电池的结构示意图；

图2为本实用新型燃料电池的结构示意图。

图2中51：常闭电磁阀，52：第一补给空气过滤器，53：压缩空气储罐，54：压力传感器，55：补给空气压缩泵，56：第二补给空气过滤器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图2所示，一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，包括燃料电池堆1、储氢装置2、氢减压阀3、氢气增湿装置11、空气过滤装置4、空气压缩供应装置5、空气补给装置、空气增湿装置12、氢气水-汽分离器6、氢循环泵10、空气水-汽分离器6’、水箱7、冷却流体循环泵8、散热器9；所述的空气补给装置包括常闭电磁阀51、压缩空气储罐53、第一补给空气过滤器52、补给空气压缩泵55、第二补给空气过滤器56、空气压力传感器54；所述的常闭电磁阀51的一端与空气压缩供应装置5的出口端连通，所述的常闭电磁阀51的另一端与压缩空气储罐53连通，所述的第一补给空气过滤器52设在常闭电磁阀51与压缩空气储罐53之间，所述的补给空气压缩泵55的出口端与压缩空气储罐53连通，所述的第二补给空气过滤器56与补给空气压缩泵55的进口端连通，所述的空气压力传感器54与压缩空气储罐53连通。

本实施例50KW的燃料电池发电系统作为轿车用的动力系统。

按图2装载有空气补给装置。补给空气压缩泵55是一种小型500W的活塞泵，压缩空气储罐53是一只不锈钢的、容积为6升的小储罐。在轿车处于怠速状态时，燃料电池堆输出功率为5KW，仅用作系统支持运行，此时涡旋式空气压缩机5转速为500转/分钟，供气量为300升/分钟。燃料电池堆运行压力为0.1～2大气压。空气补给装置中压缩空气储罐53中空气压力是5个大气压。

当轿车突然加速，要求燃料电池堆满荷功率输出50KW，此时电机从500转/分钟应控制提速到5000转/分钟，空气流量必须向燃料电池堆供应3000升/分钟，即50升/秒。由于电机提速的时间滞后大约0.5秒，此时常闭电磁阀51在0.01秒内自动打开，在0.5秒内可以向燃料电池堆供应25升/秒的空气流量。0.5秒以后，电机转速已经提升到5000转/分钟，此时常闭电磁阀51自动关闭，小型活塞泵55在压力传感器54少于5个大气压时自动工作重新储气。该压缩空气储罐53内的压缩空气还兼作轿车气动刹车用。

Claims (6)

1.一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，包括燃料电池堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气增湿装置、氢气水—汽分离器、氢循环泵、空气水—汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器，其特征在于，还包括空气补给装置，该空气补给装置包括常闭电磁阀、压缩空气储罐，所述的常闭电磁阀的一端与空气压缩供应装置的出口端连通，所述的常闭电磁阀的另一端与压缩空气储罐连通。

2.根据权利要求1所述的一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，其特征在于，所述的空气补给装置还包括第一补给空气过滤器，该第一补给空气过滤器设在常闭电磁阀与压缩空气储罐之间。

3.根据权利要求1所述的一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，其特征在于，所述的空气补给装置还包括补给空气压缩泵，该补给空气压缩泵的出口端与压缩空气储罐连通。

4.根据权利要求3所述的一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，其特征在于，所述的空气补给装置还包括第二补给空气过滤器，该第二补给空气过滤器与补给空气压缩泵的进口端连通。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，其特征在于，所述的空气补给装置还包括空气压力传感器，该空气压力传感器与压缩空气储罐连通。

6.根据权利要求1所述的一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，其特征在于，所述的空气补给装置在燃料电池车辆上还可用作气动刹车装置、气动开关门装置以及其它气动元件的气源。

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