專利名稱：一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其涉及一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統。
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。這些導流極板可以是金屬材料的極板，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(PEMFC)可用作一切車、船等運載工具的動力系統，又可用作手提式、固定式的發電裝置。質子交換膜燃料電池在用作車、船動力系統或移動式/固定式發電站時，一般用氫氣為燃料，空氣為氧化劑，并且根據用途的不同要求輸出的凈功率不等，一般凈功率輸出要求從幾千瓦到幾百千瓦。
燃料電池發電系統一般由以下幾個部分組成(1)燃料電池堆；(2)燃料氫氣供應子系統；(3)空氣供應子系統；(4)循環冷卻散熱子系統；(5)自動控制及電能輸出子系統。整個燃料電池發電系統除了燃料電池堆以外的其他部分也可以統稱為燃料電池運行支持系統。
為了保證燃料電池堆的持續性、安全可靠性運行并向外輸出所需的有效功率，必須給燃料電池提供足夠的空氣，氫氣及循環冷卻水(冬天采用防凍液)，因此提供空氣的鼓風機或空氣壓縮機、給循環冷卻水(防凍液)提供動力的水泵、散熱器風扇以及電磁閥和其他控制及監控部件等燃料電池堆運行支持系統自身也必須消耗一定的功率。其中最主要的功率消耗部件是鼓風機(或空氣壓縮機)、水泵及散熱器。電磁閥和其他的控制及監控部件的消耗功率只是很小的一部分。
采用鼓風機供空氣的燃料電池系統在系統額定凈功率輸出時其運行支持系統自身所消耗的總功率不超過電堆輸出總功率的10％，且鼓風機及水泵都可以采用緩啟動，所需的啟動功率很小，因此完全可以實現自啟動。而采用空氣壓縮機供空氣的燃料電池系統在系統額定凈功率輸出時其運行支持系統自身所消耗的總功率要占電堆輸出總功率的20％左右，且空氣壓縮機緩起啟動所需的功率很大，因此實現自啟動的難度相對增加。
目前多數質子交換膜燃料電池發電系統在開始啟動時必須要有外部電源供電，這種外部電源，可以是蓄電池，或是從電網上取電。幫助燃料電池發電系統啟動一直到穩定的工作狀態，等到燃料電池發電系統處于穩定的工作狀態后，再切換至燃料電池自身供電。燃料電池發電系統作為車、船動力系統或移動式發電站應用時，上述二種外部電源有不可克服的技術缺陷1.從電網上取電對車用燃料電池動力系統、船用燃料電池動力系統根本就不可行，對于固定式或移動式燃料電池發電系統也非常不便，當電網停電時就根本不能啟動。
2.采用蓄電池啟動采用蓄電池啟動時就必然要在系統內加裝一組供電蓄電池，增加了系統的復雜性，而且蓄電池電壓很難與燃料電池的電壓輸出相匹配。對于幾十千瓦至幾百千瓦的燃料電池發電系統，與其相匹配的啟動蓄電池用量也非常巨大，增大了系統的成本，并且系統重量增加巨大，對于車用燃料電池動力系統和船用燃料電池動力系統而言，蓄電池占住了大量的空間，增加了裝配難度，且重量的增加降低了燃料的經濟性。
上海神力科技公司專利“一種帶自起動裝置的燃料電池發電系統”(專利號03209953.3)提供了一種方法，這種帶自啟動裝置的燃料電池發電系統，包括燃料電池堆、燃料氫氣供應子系統、空氣供應子系統、冷卻散熱子系統、自動控制及電能輸出子系統以及自啟動裝置。該技術只需要攜帶一至二節功率、體積、重量非常小的蓄電池就可以實現燃料電池發電系統的自啟動。其示意圖如圖1所示。圖1中，4.高壓氫氣罐、2.空氣輸送泵、1.燃料電池堆、8.氫氣供應電磁閥、31.空氣供氣電磁閥、12.氫氣水汽分離器、32.空氣水汽分離器、33.空氣排出節流閥、41.氫氣循環泵、15.冷卻水(液)箱、16.冷卻水(液)循環泵、17.散熱器、51.電堆輸出負載、30.空氣減壓閥、7.氫氣減壓閥。但該技術還有以下技術缺陷1.額外地增加了一些自啟動裝置，例如小型空氣泵、空氣泵電磁閥、一至二節功率較小的蓄電池組。這些器件不但導致整個燃料電池發電系統的復雜性，使得價格增高，而且當燃料電池發電系統作為車、船動力系統應用時，占據了車、船上寶貴的有效空間，降低了車、船的動力效率。
2.當蓄電池久置失效，或因自放電等原因引起失效時，就無法自啟動整個燃料電池發電系統。
實用新開內容本實用新型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需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，該系統由以下五個子系統組成(1)氫氣供應子系統，(2)空氣供應子系統，(3)冷卻散熱子系統，(4)控制子系統，(5)燃料電池堆電能輸出子系統；所述的氫氣供應子系統包括高壓儲氫罐、氫罐手動截止閥、充氫閥、一級高壓減壓閥、供氫電磁閥、氫氣增濕器、氫氣汽水分離器、氫氣定時排放電磁閥及連接管道，所述的空氣供應子系統包括高壓鼓風機、空氣增濕器及連接管道，所述的冷卻散熱子系統包括冷卻水儲箱、冷卻水循環泵、冷卻水散熱器、冷卻水儲箱排水閥及連接管道，所述的控制子系統包括中央控制器，該中央控制器集中控制供氫電磁閥、氫氣定時排放電磁閥、高壓鼓風機、冷卻水循環泵的開啟與關停，并由該中央控制器控制正常運行下的高壓鼓風機及冷卻水循環泵電機的轉速以及氫氣定時排放電磁閥的排放頻率，所述的燃料電池堆電能輸出子系統包括燃料電池外接負載系統，該外接負載系統包括接觸器和外接負載；其特征在于，所述的氫氣供應子系統還包括供氫手動截止閥、二級低壓減壓閥、氫氣手動排放截止閥，所述的燃料電池堆電能輸出子系統還包括燃料電池自身供電系統，該自身供電系統包括穩壓模塊、第一調速器、第二調速器，所述的第一調速器控制起動狀態下的高壓鼓風機，所述的第二調速器控制起動狀態下的冷卻水循環泵。
所述的二級低壓減壓閥設在供氫電磁閥與氫氣增濕器之間。
所述的高壓儲氫罐上的氫罐手動截止閥可手動操作打開，供應高壓氫氣。
所述的供氫手動截止閥設在一級高壓減壓閥與二級低壓減壓閥之間，并與供氫電磁閥并聯。
所述的氫氣手動排放截止閥設在燃料電池堆氫氣出口管道上，并與氫氣汽水分離器并聯。
所述的穩壓模塊為24V DC穩壓模塊。
所述的第一調速器為第一DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器。
所述的第二調速器為第二DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器。
所述的冷卻水散熱器帶有散熱風扇。
所述的燃料電池發電系統在自起動之前，可以向燃料電池堆空氣排出管內用嘴或打氣筒送入一定量空氣以幫助自起動。
與現有技術相比，本實用新型不需要任何外電源幫助即可實現自起動，它省去了現有燃料電池發電系統必備的起動蓄電池，結構更加緊湊、制造成本更低；同時，也解決了現有燃料電池發電系統的蓄電池因久置而失效，或因自放電而失效，導致無法起動燃料電池發電系統的問題。
本實用新型適應于所有的車用燃料電池發電系統、船用燃料電池發電系統、固定式及移動式發電站等的自起動。
圖1為現有燃料電池發電系統的結構示意圖；圖2為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例，對本實用新型作進一步說明。
實施例如圖2所示，一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，該系統由以下五個子系統組成(1)氫氣供應子系統，(2)空氣供應子系統，(3)冷卻散熱子系統，(4)控制子系統，(5)燃料電池堆電能輸出子系統；所述的氫氣供應子系統包括高壓儲氫罐4、氫罐手動截止閥6、充氫閥5、一級高壓減壓閥7、供氫電磁閥8、供氫手動截止閥9、二級低壓減壓閥10、氫氣增濕器11、氫氣汽水分離器12、氫氣定時排放電磁閥13、氫氣手動排放截止閥14及連接管道，所述的二級低壓減壓閥10設在供氫電磁閥8與氫氣增濕器11之間，所述的供氫手動截止閥9設在一級高壓減壓閥7與二級低壓減壓閥10之間，并與供氫電磁閥8并聯，所述的氫氣手動排放截止閥14設在燃料電池堆1氫氣出口管道上，并與氫氣汽水分離器12并聯；所述的空氣供應子系統包括高壓鼓風機2、空氣增濕器3及連接管道；所述的冷卻散熱子系統包括冷卻水儲箱15、冷卻水循環泵16(帶有散熱風扇)、冷卻水散熱器17、冷卻水儲箱排水閥18及連接管道；所述的控制子系統包括中央控制器23，該中央控制器23集中控制供氫電磁閥8、氫氣定時排放電磁閥13、高壓鼓風機2、冷卻水循環泵16的開啟與關停，并由該中央控制器23控制正常運行下的高壓鼓風機2及冷卻水循環泵16電機的轉速以及氫氣定時排放電磁閥13的排放頻率；所述的燃料電池堆電能輸出子系統包括燃料電池自身供電系統、燃料電池外接負載系統，所述的燃料電池自身供電系統包括24V DC穩壓模塊19、第一DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器20、第二DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器21，所述的外接負載系統包括接觸器22和外接負載，所述的第一DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器20控制起動狀態下的高壓鼓風機2，所述的第二DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器21控制起動狀態下的冷卻水循環泵17。
將本實施例應用到一種5～10kw車載動力用燃料電池發電系統，該發電系統燃料電池堆由100個單電池組成，開路電壓是100V左右，工作電壓范圍是100V～50V之間。所有電磁閥、散熱風扇及控制電源都由24VDC穩壓模塊提供，24VDC穩壓模塊直接從燃料電池取電。鼓風機和水泵通過一個升壓DC/DC(輸入電壓為100VDC～50VDC，輸出電壓為310VDC)和變頻器從燃料電池直接取電。所有電磁閥的開閉、鼓風機和水泵的起停及調速、散熱風扇的起停都由中央控制器集中控制。
本實用新型燃料電池自起動步驟1.燃料電池發電系統在停機達到一定時間后，由于燃料電池堆中與氫管道中的氫燃料都已消耗殆盡，整個系統沒有向外界或向支持燃料電池發電系統的功率消耗器件供電的能力。所有電磁閥都處于常閉狀態，表現在燃料電池堆1的開路電壓為零。
2.打開高壓氫氣罐手動截止閥6，調節一級高壓減壓閥7至所需壓力，打開供氫手動閥9，調節二級低壓減壓閥10至電堆運行壓力，打開氫氣手動排放截止閥14吹除氫側的雜質氣體和液態水，然后關閉氫氣手動排放截止閥，此時，燃料電池堆氫側與氫氣子系統已經充滿氫氣。
3.燃料電池堆空氣子系統中有以下二種可能(1)燃料電池堆空氣側及空氣子系統中已經有空氣；(2)燃料電池堆空氣側及空氣子系統中氧已經消耗殆盡。
對于第二種可能需要用嘴或打氣筒向排空氣與水的管送進一定量空氣，保證燃料電池堆空氣側以及空氣子系統中有空氣(即有氧存在)。
4.當燃料電池堆空氣側有氧存在，氫氣側有氫氣存在，整個燃料電池堆就建立了開路電壓。一旦建立了開路電壓，燃料電池堆就會給24VDC穩壓模塊19和100V～50V升310V升壓DC/DC20、21供電。24VDC穩壓模塊給中央控制器供電，此時，控制器自動探測整個系統處于正常后，先打開供氫電磁閥5，同時變頻起動鼓風機2和水泵16，定時開啟及關閉氫氣定時排放電磁閥，散熱器的風扇會根據系統運行溫度開停。
5.待整個燃料電池發電系統處于完全自動控制狀態后，關閉供氫手動截止閥9。
6.燃料電池發電系統運行正常后，合上外接負載前端接觸器，燃料電池開始給外接負載供電。
權利要求1.一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，該系統由以下五個子系統組成(1)氫氣供應子系統，(2)空氣供應子系統，(3)冷卻散熱子系統，(4)控制子系統，(5)燃料電池堆電能輸出子系統；所述的氫氣供應子系統包括高壓儲氫罐、氫罐手動截止閥、充氫閥、一級高壓減壓閥、供氫電磁閥、氫氣增濕器、氫氣汽水分離器、氫氣定時排放電磁閥及連接管道，所述的空氣供應子系統包括高壓鼓風機、空氣增濕器及連接管道，所述的冷卻散熱子系統包括冷卻水儲箱、冷卻水循環泵、冷卻水散熱器、冷卻水儲箱排水閥及連接管道，所述的控制子系統包括中央控制器，該中央控制器集中控制供氫電磁閥、氫氣定時排放電磁閥、高壓鼓風機、冷卻水循環泵的開啟與關停，并由該中央控制器控制正常運行下的高壓鼓風機及冷卻水循環泵電機的轉速以及氫氣定時排放電磁閥的排放頻率，所述的燃料電池堆電能輸出子系統包括燃料電池外接負載系統，該外接負載系統包括接觸器和外接負載；其特征在于，所述的氫氣供應子系統還包括供氫手動截止閥、二級低壓減壓閥、氫氣手動排放截止閥，所述的燃料電池堆電能輸出子系統還包括燃料電池自身供電系統，該自身供電系統包括穩壓模塊、第一調速器、第二調速器，所述的第一調速器控制起動狀態下的高壓鼓風機，所述的第二調速器控制起動狀態下的冷卻水循環泵。
2.根據權利要求1所述的一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，其特征在于，所述的二級低壓減壓閥設在供氫電磁閥與氫氣增濕器之間。
3.根據權利要求1所述的一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，其特征在于，所述的供氫手動截止閥設在一級高壓減壓閥與二級低壓減壓閥之間，并與供氫電磁閥并聯。
4.根據權利要求1所述的一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，其特征在于，所述的氫氣手動排放截止閥設在燃料電池堆氫氣出口管道上，并與氫氣汽水分離器并聯。
5.根據權利要求1所述的一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，其特征在于，所述的穩壓模塊為24V DC穩壓模塊。
6.根據權利要求1所述的一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，其特征在于，所述的第一調速器為第一DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器。
7.根據權利要求1所述的一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，其特征在于，所述的第二調速器為第二DC/DC+變頻調速或寬電壓范圍電機調速器。
8.根據權利要求1所述的一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，其特征在于，所述的冷卻水散熱器帶有散熱風扇。
專利摘要本實用新型涉及一種不需外電源幫助便可實現自起動的燃料電池發電系統，該系統由以下五個子系統組成(1)氫氣供應子系統，(2)空氣供應子系統，(3)冷卻散熱子系統，(4)控制子系統，(5)燃料電池堆電能輸出子系統。與現有技術相比，本實用新型不需要任何外電源幫助即可實現自起動，它省去了現有燃料電池發電系統必備的起動蓄電池，結構更加緊湊、制造成本更低；同時，也解決了現有燃料電池發電系統的蓄電池因久置而失效，或因自放電而失效，導致無法起動燃料電池發電系統的問題。
文檔編號H01M8/00GK2775852SQ20042010765
公開日2006年4月26日 申請日期2004年11月2日 優先權日2004年11月2日
發明者夏建偉, 付明竹, 章波, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司