支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置的製作方法
2023-10-10 16:17:24 1
專利名稱：支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及一種支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置。
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反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流迴路。
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)，並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)，並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。
在採用氫氣為燃料，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，並與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在採用氫氣、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、衝壓或機械銑刻，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，並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、後端板及拉杆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、汽油經重整後得到的富氫氣體)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並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，並且根據用途的不同要求，輸出的淨功率不等，一般淨功率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).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、安全可靠性運行並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(冬天採用防凍液)，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。
圖1是一種典型的燃料電池發電系統，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』、6為水-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；11、12為增溼裝置。
燃料電池發電原理實際上是燃料電池中氫燃料與向燃料電池供應空氣中的氧氣化合生成水，這一化學反應過程是大部分化學能轉化成電能的過程。所以燃料電池發電的速度受到許多因素的影響(1)向燃料電池供應氫燃料、空氣的速度與充分性；(2)氫氣、空氣中的氧氣向燃料電池中的電極擴散的速度；(3)氫氣、空氣中的氧氣在電極中的催化反應速度；上述三點與燃料電池本身的發電能力設計有關。
一般來說，當出現燃料電池電動車起動、加速等變功況情況，或燃料電池發電站供應的用戶變加載等情況時，要求燃料電池輸出功率的響應也隨之變化。
雖然燃料電池額定輸出功率的設計即本身的發電能力一般都會滿足作為車載動力源，或發電站最大功率需求的要求，但是燃料電池在輸出功率變化時，由於燃料電池本身的上述三種極化效應，導致輸出電壓也發生較大的變化。一般來說，燃料電池功率輸出隨著電流輸出的增大而增大。典型的一種是10KW燃料電池伏-安-功率輸出曲線，如圖2所示。從途中可以看出，燃料電池發電系統當功率輸出發生變化時，其輸出電壓變化是較大的。所以，燃料電池發電系統支持自身運行各個耗功部件的電機運轉，例如供應空氣的鼓風機或空氣壓縮機，給循環冷卻水(或防凍液)提供動力的水泵、氫氣循環泵及散熱風扇的各個電機運轉，都是先採用一種直流-直流變換穩壓裝置，將燃料電池發電系統中燃料電池堆輸出的電壓-電流通過直流-直流穩壓裝置升壓或降壓，穩定在某一個合適的電壓上，然後再帶動燃料電池發電系統支持自身運行的各個耗功部件的各個電機運轉，如圖中2a，2b所示。I空氣供應子系統中的空氣壓縮裝置電機，II氫氣供應子系統中的氫氣循環裝置電機，III冷卻流體循環子系統中的循環泵電機，IV冷卻流體循環子系統中的散熱風扇電機。
將燃料電池堆降壓或升壓後，再帶動燃料電池發電系統自身支持運行的各個耗功部件的電機運轉，C1、C2、C3、C4分別是各個電機的調速控制器。
目前，這種採用DC/DC直流-直流變換裝置將燃料電池堆降壓或升壓後，再帶動燃料電池發電系統自身支持運行的各個耗功部件電機運轉的技術方案(如圖2a，2b)有以下技術缺陷1.燃料電池堆經過DC/DC降壓或升壓後有部分功率損耗，從而降低了燃料電池的燃料效率；2.DC/DC降壓或升壓器件不但佔據了燃料電池發電系統的寶貴空間，增加了重量，而且往往增加了系統的不可靠性；3.DC/DC器件是價格較高的器件。
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的一種簡便、高效的支持燃料氫氣電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應裝置、氫氣循環裝置、空氣供應裝置、冷卻流體循環裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環裝置包括氫氣循環泵，所述的空氣供應裝置包括鼓風機或空壓機，所述的冷卻流體循環裝置包括冷卻流體循環泵及散熱風扇，其特徵在於，所述的氫氣循環泵、鼓風機或空壓機、冷卻流體循環泵及散熱風扇各採用與其相匹配的無刷電機，該無刷電機由與其串接的調速控制器控制。
所述的各無刷電機與各調速控制器的串接電路並聯後，其兩端與燃料電池堆的正負極連接。
所述的無刷電機工作電壓範圍與燃料電池堆工作電壓範圍一致。
所述的無刷電機為直流無刷電機。
所述的燃料電池堆的輸出電壓範圍為100V～60V，電流範圍為0A～160A。
所述的無刷電機的工作電壓範圍為100V～60V。
所述的調速控制器適應電壓範圍為100V～60V，調速方式為電流控制型。
所述的散熱風扇電機的轉動與轉速受燃料電池工作溫度控制，當溫度未達到燃料電池工作溫度時，調速控制器控制散熱風扇電機停轉，超過工作溫度時，調速控制器控制散熱風扇電機轉動。
與現有技術相比，本發明根據上述不同功用的燃料電池發電系統中的耗功部件電機運轉特點進行設計，具有如下特點1.根據燃料電池堆輸出電壓的數值，特別設計採用帶動空氣壓縮裝置、氫氣循環裝置、冷卻流體循環水泵以及散熱風扇的各種無刷電機，這些無刷電機可以直接承受燃料電池堆輸出的電壓，即電機工作電壓範圍基本與燃料電池堆工作電壓範圍一致。
2.根據燃料電池堆的工作電壓範圍以及電機工作電壓、電流，上述各類電機採用不同的調速控制器，可在燃料電池堆工作電壓輸入範圍內進行各類電機的調速。
3.本發明設計的燃料氫氣電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置具有提高燃料電池的燃料效率，節約燃料電池發電系統的空間，增加系統運行可靠性，降低成本，簡便、高效的特點。
圖1為現有燃料電池的結構示意圖；圖2為現有一種10KW燃料電池發電系統的典型伏-安-功率輸出曲線圖；圖2a為現有支持燃料電池運行的各個主要耗功部件驅動電機的示意圖；圖2b為現有採用DC/DC直流-直流變換裝置驅動的各個主要耗功部件驅動電機的示意圖；圖3為採用本發明技術驅動的各個主要耗功部件驅動電機的示意圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
實施例如圖3，並結合圖1，圖2a，圖2b，支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應裝置、氫氣循環裝置、空氣供應裝置、冷卻流體循環裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環裝置包括氫氣循環泵，所述的空氣供應裝置包括鼓風機或空壓機，所述的冷卻流體循環裝置包括冷卻流體循環泵及散熱風扇，所述的氫氣循環泵、鼓風機或空壓機、冷卻流體循環泵及散熱風扇各採用與其相匹配的無刷電機II、I、III及IV，該無刷電機II、I、III及IV由與其串接的調速控制器C1、C2、C3及C4控制。
所述的各無刷電機II、I、III及IV與各調速控制器C1、C2、C3及C4的串接電路並聯後，其兩端與燃料電池堆1的正負極連接。所述的無刷電機II、I、III及IV工作電壓範圍與燃料電池堆1工作電壓範圍一致。所述的無刷電機I、II、III、IV為直流無刷電機。所述的燃料電池堆1的輸出電壓範圍為100V～60V，電流範圍為0A～160A。所述的無刷電機I、II、III、IV的工作電壓範圍為100V～60V。所述的調速控制器C1、C2、C3及C4適應電壓範圍為100V～60V，調速方式為電流控制型。所述的散熱風扇電機IV的轉動與轉速受燃料電池工作溫度控制，當溫度未達到燃料電池工作溫度時，調速控制器C4控制散熱風扇電機IV停轉，超過工作溫度時，調速控制器C4控制散熱風扇電機IV轉動。
本實施例為一種10KW燃料電池發電系統。燃料電池堆由100個單電池組成，每個單電池由一套雙極板及一張電極組成。雙極板尺寸為200mm×200mm×2.5mm。燃料電池堆輸出電壓範圍為100V～60V；電流範圍為0～160A。
該燃料電池發電系統主要支持自身運行的耗功部件如下I空氣鼓風機電機(功耗大約300瓦)；II氫氣循環風機電機(功耗大約100瓦)；III冷卻流體泵電機(功耗大約250瓦)；
IV四個散熱風扇電機(功耗每隻25瓦)。
上述電機的調速控制器分別是C1，C2，C3，C4，可以適應電壓範圍為100V～60V，調速方式為電流控制型，當輸入C1，C2，C3，C4電流越大，可以驅動上述相應的各類電機加快轉速。上述所有I，II，III，IV電機均為無刷直流電機，設計上可以直接設計成工作電壓範圍100～60V。如圖3所示。
當燃料電池發電系統處於怠速狀態時，燃料電池發電系統淨輸出功率為零，僅支持I，II，III，IV電機運轉，C1，C2，C3分別控制相應的I，II，III電機，使其處於最低轉速狀態，而電機IV的轉動與轉速將受燃料電池發電系統的工作溫度控制。當溫度未達到燃料電池工作溫度時，C4控制電機停轉，超過工作溫度時，就控制IV電機轉動。
當燃料電池發電系統處於滿荷功率10KW淨輸出時，此時燃料電池堆輸出電壓為65V，C1，C2，C3分別控制相應的I，II，IV電機，使其處於最高速運轉狀態，此時燃料電池發電系統產生的廢熱也最大，C4將控制IV電機進行最高速運轉，從而進行散熱，以保持燃料電池工作溫度的正常恆定。上述燃料電池發電系統結構簡便，燃料效率高達50％以上。
權利要求
1.支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應裝置、氫氣循環裝置、空氣供應裝置、冷卻流體循環裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環裝置包括氫氣循環泵，所述的空氣供應裝置包括鼓風機或空壓機，所述的冷卻流體循環裝置包括冷卻流體循環泵及散熱風扇，其特徵在於，所述的氫氣循環泵、鼓風機或空壓機、冷卻流體循環泵及散熱風扇各採用與其相匹配的無刷電機，該無刷電機由與其串接的調速控制器控制。
2.根據權利要求1所述的支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，其特徵在於，所述的各無刷電機與各調速控制器的串接電路並聯後，其兩端與燃料電池堆的正負極連接。
3.根據權利要求1或2所述的支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，其特徵在於，所述的無刷電機工作電壓範圍與燃料電池堆工作電壓範圍一致。
4.根據權利要求1或2所述的支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，其特徵在於，所述的無刷電機為直流無刷電機。
5.根據權利要求1或2所述的支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，其特徵在於，所述的燃料電池堆的輸出電壓範圍為100V～60V，電流範圍為0A～160A。
6.根據權利要求1或2所述的支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，其特徵在於，所述的無刷電機的工作電壓範圍為100V～60V。
7.根據權利要求1或2所述的支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，其特徵在於，所述的調速控制器適應電壓範圍為100V～60V，調速方式為電流控制型。
8.根據權利要求1所述的支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，其特徵在於，所述的散熱風扇電機的轉動與轉速受燃料電池工作溫度控制，當溫度未達到燃料電池工作溫度時，調速控制器控制散熱風扇電機停轉，超過工作溫度時，調速控制器控制散熱風扇電機轉動。
全文摘要
本發明涉及支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應裝置、氫氣循環裝置、空氣供應裝置、冷卻流體循環裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環裝置包括氫氣循環泵，所述的空氣供應裝置包括鼓風機或空壓機，所述的冷卻流體循環裝置包括冷卻流體循環泵及散熱風扇，所述的氫氣循環泵、鼓風機或空壓機、冷卻流體循環泵及散熱風扇各採用與其相匹配的無刷電機，該無刷電機由與其串接的調速控制器控制。與現有技術相比，本發明具有提高燃料電池的燃料效率、節約燃料電池發電系統的空間、增加系統運行可靠性、降低成本、簡便高效等特點。
文檔編號H02K29/00GK1773758SQ20041006806
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月11日 優先權日2004年11月11日
發明者付明竹, 夏建偉, 章波, 胡裡清 申請人:上海神力科技有限公司