可攜式質子交換膜燃料電池電源系統的製作方法
2023-05-29 08:18:01
可攜式質子交換膜燃料電池電源系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種可攜式質子交換膜電池電源系統，涉及燃料電池【技術領域】。該系統主要由燃料電池電堆、金屬儲氫瓶、進氣閥、排氣閥、軸流風機、空氣過濾器、DC/DC模塊、蓄電池及電源管理模塊組成，只要一颱風機為電堆提供反應所需空氣，又為電堆冷卻降溫，同時為金屬儲氫瓶加熱；該系統採用風冷電堆，無需任何加溼設備，系統整體結構簡單、緊湊、節能、環保、運行成本低，便於攜帶，應用前景廣闊。
【專利說明】可攜式質子交換膜燃料電池電源系統
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及燃料電池【技術領域】，尤其是一種可攜式質子交換膜燃料電池電源系統。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池是一種高效、清潔的能源方式，由於其不受卡諾循環限制，理論電效率高達80%，水是唯一產物，對環境無任何汙染。因而被認為是人類社會發展的終極能源。其在大型電站、各行業的備用電源、車用電源等方面有著廣泛的應用前景。
[0003]質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以空氣中的氧氣或者純氧氣為氧化劑，兩種氣體在燃料電池電堆內發生電化學反應產生電能、熱量和水。由於質子交換膜在一定的溼度下才能工作，因此一般需要對氫氣或者氧化劑進行加溼，目前主要以對氧化劑加溼為主，然而加溼器成本高，體積大，系統維護成本高。如申請號為201010118216.X的專利《帶金屬氫化物儲氫單元的燃料電池可攜式手提電源》，其需要對空氣進行加溼，同時使用空氣泵，系統的重量和成本會大大提高。
[0004]目前氫氣的儲存方式以高壓氣瓶為主，然而重量和體積大，且需要減壓閥減壓後才能進入電堆工作；另外也有甲醇重整制氫和電解水制氫等設備，該類設備可以現場製備氫氣供燃料電池電堆使用，但是其價格昂貴，且需要額外能量輸入，降低了整個系統的效率，更重要的是該類設備一般體積和重量大，系統控制複雜，對於小型以及可攜式燃料電池電源系統來說不易使用。
[0005]質子交換膜燃料電池電堆工作時會產生熱量，所以需要對電堆進行冷卻，目前最主要的冷卻方式有水冷和風冷兩種。所謂水冷電堆即在電堆中設計水流道，利用水來為電堆降溫，該冷卻效果好，但是電堆的結構複雜，使整個系統的重量和體積增加；風冷電堆是通過控制風機的轉速對電堆進行降溫，此類電堆結構簡單，易於控制，很適合應用於可攜式電源系統。但是目前的可攜式燃料電池系統體積和重量都較大，且燃料電池的熱量均沒有很好的利用，同時整個系統結構複雜，不易控制和攜帶。如申請號為201210020921.5的專利《一種可攜式PEMFC燃料電池電源系統》需要兩個風機，一個為電堆提供氧化劑，一個為電堆散熱，而電堆的熱量無法利用。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種重量和體積小、結構緊湊、控制簡單、成本低、節能環保的可攜式質子交換膜燃料電池電源系統。
[0007]本實用新型所採取的技術方案是:一種可攜式質子交換膜燃料電池電源系統，包括燃料電池電堆、氫氣供給單元、空氣供給單元和冷卻單元，其改進之處是所述燃料電池電堆的氫氣進口端通過進氣閥與金屬儲氫瓶相連接，氫氣出口端與排氣閥連接，共同形成氫氣流道，作為氫氣供給單元；同時，空氣過濾器位於燃料電池電堆的空氣進口端，軸流風機位於燃料電池電堆的空氣出口端，共同形成空氣流道，作為空氣供給單元和冷卻單元，氫氣流道與空氣流道相分開；該電源系統中設有DC/DC模塊、電源管理模塊和蓄電池，燃料電池電堆的正、負極分別與DC/DC模塊的正、負極相連，DC/DC模塊的正、負極分別與蓄電池正、負極以及負載的正、負極相連，電源管理模塊分別與燃料電池電堆、金屬儲氫瓶、進氣閥、軸流風機、排氣閥、DC/DC模塊、蓄電池相連接。
[0008]進一步的方案是:軸流風機位於空氣流道的出口端，其出風口朝向金屬儲氫瓶；進氣閥、排氣閥均為電磁閥；金屬儲氫瓶為單只儲氫瓶或者一組儲氫瓶，儲氫瓶出口處設有手動壓力調節閥；蓄電池為鋰離子電池、鉛酸蓄電池或超級電容器；燃料電池電堆採用自增溼質子交換膜。
[0009]本實用新型中，只用一臺軸流風機，設在空氣出口端，不僅為電堆提供所需的空氣，同時又為電堆冷卻降溫，減少了風機的數量，從而降低系統的重量和體積。軸流風機的出風口朝向金屬儲氫瓶組，利用電堆空氣尾氣的熱量為金屬儲氫瓶加熱，利於氫氣的釋放。金屬儲氫瓶在釋放氫氣時需要吸熱，該系統中充分利用電堆的餘熱，節能、環保。被吸進電堆的一部分空氣在電堆內外部壓差的作用下擴散進電堆參與反應，通過控制軸流風機轉速來滿足電堆對空氣量的需求。所述氫氣流道與空氣流道是分開的，排氣閥排出氫氣流道中的廢氣，軸流風機排出空氣流道中的廢氣。
[0010]本實用新型中，所述的電源管理模塊可以監測金屬儲氫瓶組的溫度，控制軸流風機的轉速，監測燃料電池電堆的單片電壓、總電流、電堆溫度，監測DC/DC模塊的電壓、電流、溫度，監測蓄電池的荷電狀態。當系統出現異常情況時給出報警信號，嚴重時關閉系統。
[0011]該系統中所述電堆採用自增溼質子交換膜，膜的厚度在20μπι以下，空氣端反應產生的水可以通過反擴散進入膜中，對膜進行潤溼，無需對氫氣或者空氣進行加溼，大大簡化了系統結構，降低了系統成本。所述的金屬儲氫瓶可以為單只或一組，根據使用情況配置，擴大應用範圍、儲氫瓶出口處設有手動壓力調節閥，此閥可以監測金屬儲氫瓶中的氫氣壓力，同時又可起到減壓作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的系統組成和連接關係示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0014]如圖1所示，金屬儲氫瓶出口處壓力調節閥打開，將氫氣出口壓力設置為適合燃料電池工作的壓力，電源管理模塊控制打開進氣閥，氫氣通過進氣閥進入電堆參加反應，未反應的氣體通過排氣閥排出系統外，排氣閥由電源管理模塊定時開啟，當電源管理模塊監測到系統工作異常時會自動關閉進氣閥；環境中的空氣經過空氣過濾器後，軸流風機轉動將過濾後的空氣吸入電堆，該軸流風機同時又為電堆冷卻降溫。軸流風機出風口朝向金屬儲氫瓶。電源管理模塊根據電堆的工作溫度和系統運行情況自動調節風機的轉速，以滿足電堆工作所需的空氣流量和保障電堆的工作溫度最佳。
[0015]本實用新型中所述的金屬儲氫瓶組在釋放氫氣時需要吸熱，空氣經過電堆後其中的大部分氧氣參加反應，空氣中其他氣體經過電堆後被加熱，其攜帶了電堆大量餘熱從軸流風機的出風口流出，直接流向金屬儲氫瓶組，為其加熱，加快氫氣釋放速度。該電源系統充分利用燃料電池電堆的餘熱，提高了整個系統的效率。
[0016]燃料電池電堆的正、負極分別與DC/DC模塊的正、負極相連，DC/DC模塊的正、負極分別與蓄電池和負載的正、負極相連，這樣燃料電池電堆的電壓經DC/DC模塊轉化為適合負載工作的電壓，從而為負載供電；DC/DC模塊為單向工作方式，即蓄電池和負載的電流不能通過DC/DC模塊，從而保護了燃料電池電堆的安全性；電源管理模塊實時監測DC/DC模塊的電壓、電流和溫度，當出現異常時給出報警信號，嚴重時關閉系統；DC/DC模塊或轉化器與蓄電池的出口相連，當電堆開始啟動時，由蓄電池為負載供電。電源管理模塊實時監測蓄電池的荷電狀態,當蓄電池缺電時,燃料電池可通過DC/DC模塊為其充電。
[0017]該可攜式燃料電池電源系統，選擇體積小的金屬儲氫瓶為供氣方式，使用風冷電堆，採用自增溼質子交換膜，無需任何加溼設備，一個風機同時實現氧氣供給和電堆冷卻，同時減少了閥門的使用量，系統結構簡單緊湊，易於管理。該系統充分利用電堆的餘熱為金屬儲氫瓶加熱，加快了氫氣釋放速度。整個系統節能、環保、小巧、實用，便於攜帶。
【權利要求】
1.一種可攜式質子交換膜燃料電池電源系統，包括燃料電池電堆、氫氣供給單元、空氣供給單元和冷卻單元，其特徵是所述燃料電池電堆的氫氣進口端通過進氣閥與金屬儲氫瓶相連接，氫氣出口端與排氣閥連接，共同形成氫氣流道，作為氫氣供給單元；同時，空氣過濾器位於燃料電池電堆的空氣進口端，軸流風機位於燃料電池電堆的空氣出口端，共同形成空氣流道，作為空氣供給單元和冷卻單元，氫氣流道與空氣流道相分開；該電源系統中設有DC/DC模塊、電源管理模塊和蓄電池，燃料電池電堆的正、負極分別與DC/DC模塊的正、負極相連，DC/DC模塊的正、負極分別與蓄電池正、負極以及負載的正、負極相連，電源管理模塊分別與燃料電池電堆、金屬儲氫瓶、進氣閥、軸流風機、排氣閥、DC/DC模塊、蓄電池相連接。
2.按權利要求1所述可攜式質子交換膜燃料電池電源系統，其特徵是所述軸流風機位於空氣流道的出口端，其出風口朝向金屬儲氫瓶。
3.按權利要求1所述可攜式質子交換膜燃料電池電源系統，其特徵是所述進氣閥、排氣閥均為電磁閥。
4.按權利要求1所述可攜式質子交換膜燃料電池電源系統，其特徵是所述金屬儲氫瓶為單只儲氫瓶或者一組儲氫瓶，儲氫瓶出口處設有手動壓力調節閥。
5.按權利要求1所述可攜式質子交換膜燃料電池電源系統，其特徵是所述蓄電池為鋰離子電池、鉛酸蓄電池或超級電容器。
6.按權利要求1所述可攜式質子交換膜燃料電池電源系統，其特徵是所述燃料電池電堆採用自增溼質子交換膜。
【文檔編號】H01M8/04GK203617394SQ201320681111
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年11月1日 優先權日:2013年11月1日
【發明者】佘沛亮, 王利生, 仙存妮, 李超, 刁力鵬 申請人:南京雙登科技發展研究院有限公司