專利名稱：一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統。
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。這些導流極板上的流體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可用作車、船等運載工具的動力系統，又可用作移動式、固定式的發電裝置。
質子交換膜燃料電池用作車、船動力系統或移動式和固定式發電站時，必須包括電池堆、燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻散熱子系統、自動控制及電能輸出各個部分。
圖1為燃料電池發電系統，在圖1中1為燃料電池堆；2為儲氫瓶或其他儲氫裝置；3為減壓閥；4為空氣過濾裝置；5為空氣壓縮供應裝置；6為氫氣水—汽分離器；6’為空氣水—汽分離器；7為水箱；8為冷卻流體循環泵；9為散熱器；10為氫循環泵。
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“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、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、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、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。
對更大功率輸出的燃料電池發電系統，原則上可以通過集成更多的燃料電池堆模塊，并讓所有的燃料電池堆模塊上的所有空氣、氫氣、冷卻流體的進、出口共用六大流體通道，即集成后的大燃料電池堆同樣是一種具有總空氣、氫氣、冷卻流體進、出口的六大流體管道的一體化結構。
但是對超大功率輸出的燃料電池發電系統，例如對100KW以上，甚至數百千瓦以上輸出的燃料電池發電系統來說，需要集成的燃料電池堆模塊數量太多，將這么多的燃料電池堆模塊集成起來成為一體化結構的集成式燃料電池，不管是采用何種集成方法，難度都是非常大的，甚至從工程技術上來說是不可能的。
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不通過盲目增加集成燃料電池堆模塊數量的方法仍可以達到大功率或超大功率輸出的可以平行運行的雙燃料電池動力系統。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，包括燃料電池堆，燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻流體循環子系統、自動控制及電能輸出子系統，其特征在于，所述的燃料電池堆包括采用二套集成式的燃料電池大堆平行上下或相鄰緊靠一體化裝配，其中，二套集成式燃料電池大堆中的2個氫氣進口共用一條總進氫氣管，2個氫氣出口共用一條總出氫氣管，2個冷卻流體進口共用一條總進冷卻流體管，2個冷卻流體出口共用一條總出冷卻流體管，2個空氣進口可以共用一條總進空氣管，也可以分別單獨各使用一條進空氣管，2個空氣出口可以共用一條總出空氣管，也可以分別單獨各使用一條出空氣管。
在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，燃料氫氣供應子系統可以共用一套儲氫、供氫裝置及氫氣控制、循環裝置。
在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，冷卻流體循環子系統可以共用一套冷卻流體循環裝置，即整個冷卻流體循環子系統中只有一臺冷卻流體循環泵及一套散熱器。
在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，空氣供應子系統可以共用一臺總空氣供應裝置，或在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，空氣供應子系統分別有兩臺空氣供應裝置，空氣供應管路單獨分開。
在所述的二套管集成式燃料電池動力系統中，自動控制及電能輸出子系統進行統一的一體化同步運行控制，二套集成式燃料電池大堆可以進行串聯或并聯。
在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，在作為車載動力源的應用情況下，可以進行非同步運行控制，即，可以讓一套集成式燃料電池大堆處于工作狀態，而另一套處于非工作狀態；也就是說，整個發電系統的功率輸出不是由二套平行運行共同輸出的方法，可以是在小功率輸出時由某一套單獨輸出，而在大功率輸出需求時由二套共同平行輸出。
本發明不通過盲目增加集成燃料電池堆模塊數量的方法，而是通過一種可以平行運行的雙燃料電池發電系統達到大功率或超大功率輸出的目的。二套燃料電池發電系統可以平行運行，但二套燃料電池發電系統中的二套集成式燃料電池大堆，燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻散熱子系統、自動控制及電能輸出各個部分都進行統一的一體化設計，以達到在減少體積、減少重量，符合車載或固定式發電需要，統一同步控制及可以進行二套發電系統的輸出電流的串、并聯，以達到實際應用目的的需要。
圖1為現有燃料電池發電系統的結構示意圖；圖2為本發明燃料電池動力系統中二套集成式燃料電池大堆平行上下裝配的結構示意圖；圖3為本發明燃料電池動力系統中二套集成式燃料電池大堆平行緊靠相鄰一體化裝配的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。
如圖2、圖3所示，1a，2a，3a分別是第一套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的進口；1b，2b，3b分別是第一套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的出口；1’a，2’a，3’a分別是第二套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的進口；1’b，2’b，3’b分別是第二套集成式燃料電池大堆的氫、冷卻流體、空氣的出口。
二套燃料電池發電系統中的二套集成式燃料電池大堆中的2個氫氣進口1a與1’a共用一條總管路，再由總管路分支出2條分管路到1a、1’a上；2個氫氣出口1b與1’b出口也先由二條支管引出并匯合共用一條總管路。
二套燃料電池發電系統中的二套集成式燃料電池大堆中的2個冷卻流體進口3a、3’a共用一條總管路，再由二條支管分別分流到3a、3’a進口上；2個冷卻流體出口3b與3’b也先由二條支管引出并匯合共用一條總管路。
二套燃料電池發電系統中的二套集成式燃料電池大堆中的2個空氣進口2a、2’a可以共用一條總管路，再由二條支管分別分流到2a、2’a進口上，或者2個空氣進口2a、2’a為分別單獨供空氣管道提供；2個空氣流出出口2b、3’b也先由2條支管引出并匯合共用一條總管路；或者2個空氣出口2b、2’b為分別單獨出空氣管道流出。
圖3中1為燃料電池堆，2為儲氫瓶或其他儲氫裝置，3為減壓閥，4為空氣過濾裝置，5為空氣壓縮供應裝置，6為氫氣水—汽分離器，6’為空氣水—汽分離器，7為水箱，8為冷卻流體循環泵，9為散熱器，10為氫循環泵。
實施例如圖3所示，二套集成式燃料電池堆進行平行緊鄰一體化裝配，每套集成式燃料電池大堆由8個模塊的小燃料電池堆組成，額定工作可輸出功率是60～70KW，工作電流是240A，工作電壓是300V；二套集成式燃料電池堆共用一套氫氣供應子系統，共用一套冷卻流體循環子系統，但分別由二套空氣供應子系統進行空氣輸送與運行。
二套集成式燃料電池堆采用串聯連接，工作電壓為600V，工作電流為240A，額定輸出功率為144KW。整個發電系統采用一體化二套發電系統的同步運行控制。
權利要求
1.一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，包括燃料電池堆，燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻流體循環子系統、自動控制及電能輸出子系統，其特征在于，所述的燃料電池堆包括采用二套集成式的燃料電池大堆平行上下或相鄰緊靠一體化裝配，其中，二套集成式燃料電池大堆中的2個氫氣進口共用一條總進氫氣管，2個氫氣出口共用一條總出氫氣管，2個冷卻流體進口共用一條總進冷卻流體管，2個冷卻流體出口共用一條總出冷卻流體管，2個空氣進口可以共用一條總進空氣管，也可以分別單獨各使用一條進空氣管，2個空氣出口可以共用一條總出空氣管，也可以分別單獨各使用一條出空氣管。
2.根據權利要求1所述的一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，燃料氫氣供應子系統可以共用一套儲氫、供氫裝置及氫氣控制、循環裝置。
3.根據權利要求1所述的一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，冷卻流體循環子系統可以共用一套冷卻流體循環裝置，即整個冷卻流體循環子系統中只有一臺冷卻流體循環泵及一套散熱器。
4.根據權利要求1所述的一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，空氣供應子系統可以共用一臺總空氣供應裝置，或在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，空氣供應子系統分別有兩臺空氣供應裝置，空氣供應管路單獨分開。
5.根據權利要求1所述的一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，其特征在于，在所述的二套管集成式燃料電池動力系統中，自動控制及電能輸出子系統進行統一的一體化同步運行控制，二套集成式燃料電池大堆可以進行串聯或并聯。
6.根據權利要求1所述的一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，其特征在于，在所述的二套集成式燃料電池動力系統中，在作為車載動力源的應用情況下，可以進行非同步運行控制，即，可以讓一套集成式燃料電池大堆處于工作狀態，而另一套處于非工作狀態。
全文摘要
本發明涉及一種可以平行運行的雙燃料電池動力系統，包括燃料電池堆，燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻流體循環子系統、自動控制及電能輸出子系統，所述的燃料電池堆包括采用二套集成式的燃料電池大堆平行上下或相鄰緊靠一體化裝配，其中，二套集成式燃料電池大堆中的2個氫氣進、出口共用一條總進、出氫氣管，2個冷卻流體進、出口共用一條總進、出冷卻流體管，2個空氣進、出口可以共用一條總進、出空氣管，也可以分別單獨各使用一條進、出空氣管。與現有技術相比，本發明在不通過盲目增加集成燃料電池堆模塊數量的的情況下仍可達到大功率或超大功率輸出的目的。
文檔編號H01M8/00GK1635657SQ20031012291
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月29日 優先權日2003年12月29日
發明者胡里清, 夏建偉, 傅明竹 申請人:上海神力科技有限公司