專(zhuān)利名稱(chēng)：一種燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱(chēng)MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過(guò)程中生成的電子，通過(guò)外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過(guò)遷移穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過(guò)滲透穿過(guò)多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過(guò)來(lái)的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開(kāi)來(lái)，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過(guò)來(lái)的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽(yáng)極反應(yīng)H2→2H++2e陰極反應(yīng)1/2O2+2H++2e→H2O在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過(guò)壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過(guò)程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^(guò)直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過(guò)平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過(guò)一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過(guò)前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開(kāi)在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車(chē)、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可以用作移動(dòng)式或固定式的發(fā)電站。
現(xiàn)有的燃料電池作為單一的車(chē)、船動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，有以下的技術(shù)缺陷
1.燃料電池的輸出電壓-電流特性曲線往往表現(xiàn)出極化較嚴(yán)重的曲線，如圖1所示。就是說(shuō)燃料電池輸出電壓隨著輸出電流的增加而降低較快。這主要是因?yàn)槿剂想姵丶哟箅娏鬏敵鰰r(shí)，電池內(nèi)部因燃料、氧化劑的供應(yīng)、擴(kuò)散速度受到限制引起極化，也由于電池內(nèi)部?jī)?nèi)阻、催化引起較大的極化。所以，燃料電池作為單一的車(chē)、船動(dòng)力時(shí)，當(dāng)車(chē)、船需求功率發(fā)生很大變化時(shí)，燃料電池輸出電壓會(huì)發(fā)生很大的變化，對(duì)動(dòng)力控制帶來(lái)了很大的麻煩；2.燃料電池作為單一的車(chē)、船動(dòng)力時(shí)，當(dāng)車(chē)、船需求功率發(fā)生很大變化時(shí)，燃料電池對(duì)應(yīng)的運(yùn)行條件與控制參數(shù)相差很大，大大增加了燃料電池運(yùn)行控制的難度；3.燃料電池作為單一的車(chē)、船動(dòng)力時(shí)，當(dāng)車(chē)、船需求功率發(fā)生很大的變化時(shí)，燃料電池對(duì)應(yīng)的運(yùn)行條件與控制參數(shù)變化很大。運(yùn)行條件，特別是溫度、流量、壓力、濕度的急劇變化，燃料電池的運(yùn)行壽命與穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重的負(fù)面影響。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供的一種能明顯改善動(dòng)力狀況，成本較低的燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料電池、直流-直流交換降壓裝置、快充快放的儲(chǔ)能裝置、負(fù)載電機(jī)，所述的燃料電池與直流-直流交換降壓裝置、快充快放的儲(chǔ)能裝置作并聯(lián)連接。
所述的燃料電池正極端設(shè)有防止電流反極的二極管。
所述的負(fù)載電機(jī)設(shè)有控制器。
所述的快充快放的儲(chǔ)能裝置包括選自超級(jí)電容，或者高倍率充放的高能蓄電池。
所述的燃料電池輸出電壓由一個(gè)可自動(dòng)控制電流輸出的直流-直流變換器降壓、穩(wěn)壓到降壓穩(wěn)壓值，燃料電池輸出電壓低于該降壓穩(wěn)壓值時(shí)，直接由直流-直流變換器直通輸出，不再作降壓、穩(wěn)壓處理。
所述的燃料電池在0～I(xiàn)1的電流范圍內(nèi)，通過(guò)直流-直流變換器輸出的電壓始終高于快充、快放儲(chǔ)能裝置的工作輸出電壓。
所述的燃料電池通過(guò)直流-直流變換器輸出的電流大于I1～I(xiàn)2電流范圍時(shí)，燃料電池輸出電壓低于該DC/DC降壓-穩(wěn)壓值時(shí)，作直通輸出，并經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，恰好在大電流范圍內(nèi)工作電壓與快充、快放儲(chǔ)能裝置的工作輸出電壓相等，并同時(shí)并聯(lián)輸出電流。
車(chē)、船在剎車(chē)時(shí)可以通過(guò)負(fù)載電機(jī)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)優(yōu)先給快充快放儲(chǔ)能裝置F充電，此時(shí)DC/DC處于關(guān)斷狀態(tài)。
車(chē)、船處于待命狀態(tài)或滑行時(shí)，消耗功率較小，燃料電池輸出電流＜I1，此時(shí)DC/DC輸出電壓高于F的工作輸出電壓，故可以給F充電，充電電流受DC/DC控制不大于I1；車(chē)、船處于加速、起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，燃料電池輸出電流在I1～I(xiàn)2之間，燃料電池輸出電壓與快充快放儲(chǔ)能裝置F的輸出電壓始終相等，與F并聯(lián)共同放電供給負(fù)載電機(jī)；車(chē)、船處于長(zhǎng)期均勻前進(jìn)時(shí)，燃料電池輸出電流為處于I1～I(xiàn)2中的Im值，此時(shí)，F(xiàn)的電流E放完，由燃料電池單獨(dú)供電。


圖1為燃料電池典型的電壓-電流輸出特性曲線；圖2為本實(shí)用新型動(dòng)力系統(tǒng)的示意圖；圖3為本實(shí)用新型燃料電池單獨(dú)供電時(shí)電壓-電流輸出特性曲線；圖4為本實(shí)用新型燃料電池作直通輸出時(shí)電壓-電流輸出特性曲線。
其中，圖2動(dòng)力系統(tǒng)主要由以下等器件構(gòu)成A燃料電池，B防止電流反極的二極管，CDC/DC、直流-直流交換降壓裝置，D負(fù)載電機(jī)，E負(fù)載電機(jī)的控制器，F(xiàn)快充、快放儲(chǔ)能裝置，如超級(jí)電容、或高倍率充放的高能蓄電池。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例一種由80KW的燃料電池與60KW的超級(jí)電容組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)。燃料電池開(kāi)路(零電流)電壓輸出為720V，在0～100A范圍內(nèi)，燃料電池都經(jīng)過(guò)DC/DC進(jìn)行降壓-穩(wěn)壓處理，輸出電壓穩(wěn)定在510V左右；當(dāng)燃料電池輸出電流大于100A時(shí)，DC/DC不再進(jìn)行穩(wěn)壓，燃料電池輸出電壓低于510V，作直通輸出，輸出特性曲線如圖4。其中超級(jí)電容在0～100A的工作電流下，輸出電壓始終低于燃料電池；但在120A的工作電流下，其輸出的工作電壓與燃料電池輸出電壓相等；大于120A輸出時(shí)，輸出工作電壓高于燃料電池。
所以，當(dāng)這種動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用在城市大巴車(chē)上時(shí)，有以下幾種功況1.大巴士起動(dòng)或加速時(shí)燃料電池輸出電流大于120A，此時(shí)超級(jí)電容F與燃料電池一起放電，超級(jí)電容F將進(jìn)行滿(mǎn)負(fù)荷放電，而燃料電池限制在120A以?xún)?nèi)。
2.大巴士剎車(chē)，減速大巴士的負(fù)載電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)優(yōu)先給超級(jí)電容F充電，DC/DC處于關(guān)斷狀態(tài)。
3.大巴士處于紅燈前待命，或停車(chē)待命，或平滑行，或慢速行駛?cè)剂想姵剌敵鲭娏餍∮?00A，經(jīng)過(guò)DC/DC穩(wěn)壓510V，高于超級(jí)電容電壓500V，給超級(jí)電容充電。
4.大巴士處于長(zhǎng)時(shí)間勻速行駛?cè)剂想姵剌敵鲭娏鞔蠹s為120A，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，超級(jí)電容放電完畢，全部由燃料電池供電。
權(quán)利要求1.一種燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料電池、直流-直流交換降壓裝置、快充快放的儲(chǔ)能裝置、負(fù)載電機(jī)，所述的燃料電池與直流-直流交換降壓裝置、快充快放的儲(chǔ)能裝置作并聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃料電池正極端設(shè)有防止電流反極的二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述的負(fù)載電機(jī)設(shè)有控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述的快充快放的儲(chǔ)能裝置包括超級(jí)電容，或者高倍率充放的高能蓄電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃料電池輸出電壓由一個(gè)可自動(dòng)控制電流輸出的直流-直流變換器降壓、穩(wěn)壓到降壓穩(wěn)壓值，燃料電池輸出電壓低于該降壓穩(wěn)壓值時(shí)，直接由直流-直流變換器直通輸出，不再作降壓、穩(wěn)壓處理。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種燃料電池與可以快充快放的儲(chǔ)能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃料電池、直流－直流交換降壓裝置、快充快放的儲(chǔ)能裝置、負(fù)載電機(jī)，所述的燃料電池與直流－直流交換降壓裝置、快充快放的儲(chǔ)能裝置作并聯(lián)連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型能明顯改善車(chē)船的動(dòng)力狀況，并且設(shè)計(jì)合理、成本較低。
文檔編號(hào)H02J7/34GK2892548SQ20052004470
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者胡里清, 付明竹, 夏建偉, 章波 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司