專利名稱：一種集成式燃料電池堆的控制連接方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池堆的連接方法，尤其涉及一種集成式燃料電池堆的控制連接方法。
背景技術：
電化學燃料電池是一種能夠將氫及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學發應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達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，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
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)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統，又可以用作移動式或固定式發電站。
燃料電池發電系統由燃料電池堆及其支持系統構成。目前燃料電池發電系統用于運載工具的動力系統或用作發電站，都要求有很高的功率輸出。這種高的功率輸出體現在要求燃料電池堆必須要求高電壓、大電流輸出。
在實際應用上，大功率的燃料電池堆都是由多個燃料電池堆模塊經集成方式構成體積上較緊湊的大燃料電池堆的方法來實現的。
例如圖1所示“US Patent 5486430”的方法，將多個燃料電池堆平行排列，每個燃料電池堆的所有空氣、氫氣、冷卻水的進口、出口實行統一集成到一塊共用的前端面板上。前端面板上有所有燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻水的進口、出口共用的六大流體通道。再例如上海神力科技有限公司的專利“一種集成式的燃料電池〔專利號為02265512.3〕”所描述的方法，由多個燃料電池堆共用一塊集流面板，該集流面板上的前、后集成了多個燃料電池堆。該集流面板相當于在多個燃料電池堆的中間，所有燃料電池堆的空氣、氫氣、冷卻流體的進口、出口都統一集成到這塊共用集流面板上。該集流面板上有所有燃料電池堆上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進口、出口共用的六大流體通道。
上述通過各種方法實現的集成式燃料電池，每個燃料電池堆模塊雖然共用各流體通道，但每個模塊都有自己的正、負極集流母板，通過對所有的燃料電池模塊上的正、負極母板進行串、并聯連接，整個集成式燃料電池可以輸出符合實際需要的高電壓、大電流的要求。
例如，圖2所示，由八個燃料電池模塊構成的集成式燃料電池所實現的高電壓、大電流的效果注每個燃料電池模塊由100個單電池組成，額定工作電壓65伏、電流200安培按照以上圖2中的八個相同的燃料電池模塊的集成方式，四個燃料電池模塊串聯；另四個燃料電池模塊也串聯，然后二組四個串聯的燃料電池并聯，將產生總額定工作電壓為260伏，總額定工作電流為400安培的效果。
可是這種集成式燃料電池的串、并聯連接雖然可以實現高電壓、大電流的效果，但有以下巨大的不可克服的技術缺陷1.當整個集成式燃料電池在運行過程中突然發生其中一個燃料電池堆模塊出現工作性能故障時。例如某個模塊燃料電池堆中某個單電池出現低電壓，或零電壓，或某個模塊燃料電池堆某個電極擊穿等突然運行故障時，整個集成式燃料電池運行必須及時中止，無法繼續運行。
2.如果要排除故障，必須拆換某個單電池，那么就必須拆換整個模塊燃料電池堆，所以要及時排除故障幾乎是不可能的，這對燃料電池發電系統作為運載工具的動力系統與發電站的應用構成巨大的障礙。
3.燃料電池堆模塊處于長時間運行的壽命比處于間歇性運行的壽命短。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種便于維修、可提高模塊使用壽命的集成式燃料電池堆的控制連接方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種集成式燃料電池堆的控制連接方法，其特征在于，該控制連接方法如下將整個集成式燃料電池中所有燃料電池堆模塊的正、負極單獨引出電纜線，每個電池堆模塊的正、負極都有電子控制的接觸開關，并由一個集成式燃料電池的中心控制器來控制所有燃料電池堆模塊的導通與否，或串、并聯連接方式，控制整個集成式燃料電池的電壓、電流輸出；在任何時候，在整個集成式燃料電池中都會有一至二個電池堆模塊的正、負極的電子控制式接觸開關處于非導通狀態；在處于非導通、不放電狀態時，一至二個電池堆模塊始終有氫氣、空氣、冷卻流體在里面進、出，但處于非放電狀態；整個集成式燃料電池在正常運行時，中心控制器一般會隨機并每隔一定時間就會使其中一至二個電池堆模塊從運行放電狀態切換至非放電狀態；每隔一段很長的時間，每個電池堆模塊都會有一段時間內是處于非導通、非放電狀態的，但當某電池堆模塊運行參數出現異常狀態或故障時，中心控制器將使這個燃料電池堆模塊處于非導通、不放電的狀態，從而保證整個集成式燃料電池的正常運行。
所述的中央控制器指令的切換時間可以是幾秒鐘到數小時。
當燃料電池發電系統作為運載工具的動力系統與發電站的應用時，可以大大減少故障出現的概率，并可以讓燃料電池發電系統一直運行到能安全停下來拆卸換修的時候；即使集成式燃料電池在運行過程中某個模塊出現故障，也不影響整個電池的使用，且可以實現在線維修；由于每個燃料電池堆都有處于間歇性不放電的工作狀態，因此可以大大增加每個燃料電池模塊的運行壽命。
圖1為現有集成式燃料電池的結構示意圖；圖2為現有集成式燃料電池的電池堆模塊連接示意圖；圖3為本發明集成式燃料電池的電池堆模塊第一種實施例連接示意圖；圖4為本發明集成式燃料電池的電池堆模塊第二種實施例連接示意圖。
具體實施例方式
實施例1具有十個燃料電池堆模塊的集成式燃料電池發電系統采用全部并聯的連接方式。每個燃料電池堆模塊的額定工作電流為150A、電壓為100V。其聯接與控制方式如圖3所示。圖3中，1’至10’可以由中心控制器按照程序控制其閉或合的正極接觸開關；1”至10”可以由中心控制器按照程序控制其閉或合的負極接觸開關；1至10是燃料電池堆模塊。
集成式燃料電池中心控制器控制程序方式是使任何10個燃料電池堆模塊中始終有其中1個燃料電池堆模塊前后的正、負極接觸開關處于斷開狀態，其它9個燃料電池堆模塊前后的正、負極接觸開關處于閉合狀態，并且每隔5分鐘其中處于斷開狀態的燃料電池堆從1號堆切換至2號堆，并依次類推。這樣，整個集成式燃料電池的總輸出電壓為100V，電流為1350A。當其中任何一個電池堆模塊出現運行參數〔例如單電池輸出電壓過低，溫度過高等〕異常狀態時，中心控制器馬上能探測到，并按控制程序使該燃料電池堆模塊前后的正、負極接觸開關永遠處于斷開狀態，此時其它9個堆將繼續保持、繼續運行放電狀態。
實施例2具有5個燃料電池堆模塊的集成式燃料電池發電動力系統，采用全部串聯的連接方式。每個燃料電池堆模塊的額定工作電壓為70V，額定工作電流為200A，聯接與控制方式如圖4所示，1，2，3，4，5為燃料電池堆模塊；1’，2’，3’，4’，5’為正極接觸開關；1”，2”，3”，4”，5”為負極電子控制的接觸開關；1，2，3，4，5為斷、短路電子控制的接觸開關。
在整個集成式燃料電池運行時，中心控制器控制程序方式是任何5個燃料電池模塊中始終有其中1個燃料電池堆模塊前后的正、負極接觸開關處于斷開狀態，而該模塊的下面斷、短路開關處于短路導通狀態，其它4個燃料電池堆模塊前后的正、負極接觸開關處于閉合狀態，下面的斷、短路開關處于斷路非導通狀態；并且每隔3小時，其中處于斷開狀態的燃料電池堆從1號堆切換到2號堆，并依次類推。
這樣，整個集成式燃料電池的總額定輸出電壓為280V，電流為200A。當其中任何一個電池堆模塊出現運行參數〔例如單電池電壓、溫度、壓力等〕被中心控制器探測到時，按照控制程序使該燃料電池堆模塊前后的正、負極接觸開關永遠處于斷開狀態，其下面的斷、短路開關處于導通短路狀態，此時其它4個堆將繼續保持運行放電狀態。
權利要求
1.一種集成式燃料電池堆的控制連接方法，其特征在于，該控制連接方法如下將整個集成式燃料電池中所有燃料電池堆模塊的正、負極單獨引出電纜線，每個電池堆模塊的正、負極都有電子控制的接觸開關，并由一個集成式燃料電池的中心控制器來控制所有燃料電池堆模塊的導通與否，或串、并聯連接方式，控制整個集成式燃料電池的電壓、電流輸出；在任何時候，在整個集成式燃料電池中都會有一至二個電池堆模塊的正、負極的電子控制式接觸開關處于非導通狀態；在處于非導通、不放電狀態時，一至二個電池堆模塊始終有氫氣、空氣、冷卻流體在里面進、出，但處于非放電狀態；整個集成式燃料電池在正常運行時，中心控制器一般會隨機并每隔一定時間就會使其中一至二個電池堆模塊從運行放電狀態切換至非放電狀態；每隔一段很長的時間，每個電池堆模塊都會有一段時間內是處于非導通、非放電狀態的，但當某電池堆模塊運行參數出現異常狀態或故障時，中心控制器將使這個燃料電池堆模塊處于非導通、不放電的狀態，從而保證整個集成式燃料電池的正常運行。
2.根據權利要求1所述的集成式燃料電池堆的控制連接方法，其特征在于，所述的中央控制器指令的切換時間可以是幾秒鐘到數小時。
全文摘要
本發明涉及一種集成式燃料電池堆的控制連接方法，該控制連接方法包括將整個集成式燃料電池中所有燃料電池堆模塊的正、負極單獨引出電纜線，每個電池堆模塊的正、負極都有電子控制的接觸開關，并由一個集成式燃料電池的中心控制器來控制所有燃料電池堆模塊的導通與否，或串、并聯連接方式，控制整個集成式燃料電池的電壓、電流輸出；在任何時候，在整個集成式燃料電池中都會有一至二個電池堆模塊的正、負極的電子控制式接觸開關處于非導通狀態，且不斷切換。與現有技術相比，本發明具有便于維修、可提高模塊使用壽命等優點。
文檔編號H01M8/24GK1571205SQ0314169
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月18日 優先權日2003年7月18日
發明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司