專利名稱：一體化電池、包括其的一體化電池堆和一體化電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，尤其涉及一種一體化電池、包括其的一體化電池堆和一體化電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池用于備用電源或分布式電站時，需要解決氫氣的來源問題。一般采用高壓儲氫的方式，然而，其放電的可持續(xù)性受儲氫裝置的規(guī)模限制，需定期補(bǔ)充氫氣燃料。此外，也有其他方法用于提供氫氣燃料專利申請?zhí)枮?1120272. 6的中國專利，用重整器將富氫燃料轉(zhuǎn)化為氫氣提供給燃料電池作為燃料，但存在以下問題，重整器需要消 耗額外電力及造成熱量能量損耗，重整器需要脫硫脫一氧化碳造成其系統(tǒng)極為復(fù)雜昂貴。專利申請?zhí)枮?01110126307. 2的中國專利，使用市電作為能量來源通過電解電堆制氫，以提供燃料電池作為燃料，但該系統(tǒng)分別包含電解電堆與燃料電池堆，系統(tǒng)集成性較低，造成可靠性不足；不涉及系統(tǒng)中水的循環(huán)利用，系統(tǒng)可持續(xù)性不足；不涉及系統(tǒng)能量的綜合管理，使用市電作為能量主要來源經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換，造成能量效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種一體化電池、包括其的一體化電池堆和一體化電池系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池堆發(fā)電系統(tǒng)集成性低、可靠性不足的問題。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種一體化電池，該一體化電池包括產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解電池；利用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池，與電解電池共用集流板且接收由電解電池產(chǎn)生的氫氣和氧氣。進(jìn)一步地，上述電解電池包括依次貼合連接的第一集流板、電解陽極電極、第一質(zhì)子交換膜、電解陰極電極和第二集流板；燃料電池包括依次貼合連接的第二集流板、燃料陽極電極、第二質(zhì)子交換膜、燃料陰極電極、石墨板、燃料電池冷卻腔和第三集流板。進(jìn)一步地，上述一體化電池還包括端板，端板包括與第一集流板遠(yuǎn)離電解陽極電極一側(cè)貼合的第一端板以及與第三集流板遠(yuǎn)離燃料電池冷卻腔一側(cè)貼合的第二端板。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種一體化電池堆，該一體化電池堆包括產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解電池堆，包括一個或多個電解電池；利用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池堆，與電解電池堆相連，接收由電解電池堆產(chǎn)生的氫氣和氧氣，燃料電池堆包括一個或多個燃料電池，并與電解電池堆共用第二集流板。進(jìn)一步地，上述一體化電池堆還包括端板，端板包括遠(yuǎn)離電解陽極電極并與第一集流板貼合的第一端板以及遠(yuǎn)離燃料電池冷卻腔并與第三集流板貼合的第二端板。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供了一種一體化電池系統(tǒng)，該一體化電池系統(tǒng)包括上述的一體化電池堆；向一體化電池堆的電解電池堆供水的供水系統(tǒng)，與電解電池堆相連；向一體化電池堆的燃料電池堆提供冷卻水的冷卻水系統(tǒng)，與燃料電池堆相連；將電解電池堆產(chǎn)生的氫氣輸送到燃料電池堆的氫氣系統(tǒng)，連接在一體化電池堆中電解電池堆和燃料電池堆之間；將電解電池堆產(chǎn)生的氧氣輸送到燃料電池堆的氧氣系統(tǒng)，連接在一體化電池堆中電解電池堆和燃料電池堆之間；以及處理燃料電池堆產(chǎn)生的尾氣的尾氣處理系統(tǒng)，與燃料電池堆相連。進(jìn)一步地，上述供水系統(tǒng)包括第一水箱，第一水箱與電解電池堆的電解陽極電極相連。進(jìn)一步地，上述第一水箱與電解陽極電極之間的流路上設(shè)置有第一水泵。進(jìn)一步地，上述氧氣系統(tǒng)包括第一氣水分離器，具有第一進(jìn)口和第一氣體出口，第一進(jìn)口與電解電池堆的電解陽極電極相連；氧氣儲罐，具有氧氣進(jìn)口和氧氣出口，氧氣進(jìn)口與第一氣水分離器的第一氣體出口相連，氧氣出口與燃料電池堆的燃料陽極電極相 連；上述氫氣系統(tǒng)包括第二氣水分離器，具有第二進(jìn)口和第二氣體出口，第二進(jìn)口與電解電池堆的電解陰極電極相連；氫氣儲罐，具有氫氣進(jìn)口和氫氣出口，氫氣進(jìn)口與第二氣水分離器的第二氣體出口相連，氫氣出口與燃料電池堆的燃料陰極電極相連。進(jìn)一步地，上述氧氣系統(tǒng)還包括第一散熱器，設(shè)置在第一氣水分離器與電解陽極電極之間的連接流路上；氧氣壓縮機(jī)，設(shè)置在第一氣水分離器與氧氣儲罐之間的連接流路上；上述氫氣系統(tǒng)還包括第二散熱器，設(shè)置在第二氣水分離器與電解陰極電極之間的連接流路上；氫氣壓縮機(jī)，設(shè)置在第二氣水分離器與氫氣儲罐之間的連接流路上。進(jìn)一步地，上述第一氣水分離器和第二氣水分離器分別具有與第一水箱相連的第一液體出口和第二液體出口。進(jìn)一步地，上述冷卻水系統(tǒng)包括第二水箱、第二水泵和第三散熱器，第二水箱通過第二水泵與燃料電池冷卻腔的入口相連，并通過第三散熱器與燃料電池冷卻腔的出口相連。進(jìn)一步地，上述尾氣系統(tǒng)包括第三氣水分離器，具有第三進(jìn)口、第三液體出口和尾氣排出口，第三進(jìn)口與燃料電池堆的燃料陽極電極和燃料陰極電極相連；第三水箱，與第三氣水分離器的第三液體出口相連。進(jìn)一步地，上述尾氣系統(tǒng)還包括設(shè)置在靠近第三氣水分離器的第三進(jìn)口處的緩沖罐，緩沖罐分別與燃料電池堆的燃料陽極電極和燃料陰極電極相連。進(jìn)一步地，上述第三水箱通過第三水泵與第一水箱和第二水箱相連。進(jìn)一步地，上述一體化電池系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括控制氫氣和氧氣在電解電池堆和燃料電池堆的輸送的氣體控制模塊，與氧氣系統(tǒng)和氫氣系統(tǒng)相連；控制液體在一體化電池系統(tǒng)中的流動狀態(tài)的液體控制模塊，與氧氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及供水系統(tǒng)相連；控制尾氣的排放的尾氣控制模塊，與緩沖罐相連。進(jìn)一步地，上述氣體控制模塊判斷燃料電池堆是否需要供電，若是，則向燃料電池堆提供氫氣和氧氣。進(jìn)一步地，上述液體控制模塊包括第一子模塊，判斷第一氣水分離器的水位是否高于預(yù)設(shè)值Q，若高于，則第一氣水分離器以預(yù)設(shè)值V向第一水箱補(bǔ)水；第二子模塊，判斷第二氣水分離器的水位是否高于預(yù)設(shè)值Q，若高于，則第二氣水分離器以預(yù)設(shè)值V向第一水箱補(bǔ)水；第三子模塊，判斷第三氣水分離器的水位是否高于預(yù)設(shè)值Q，若高于，則第三氣水分離器以預(yù)設(shè)值V向第三水箱補(bǔ)水；第四子模塊，在燃料電池堆工作過程中，判斷第二水箱的水位是否低于預(yù)設(shè)值X2，若低于預(yù)設(shè)值X2，進(jìn)一步判斷第三水箱的水位是否低于預(yù)設(shè)值M，若高于預(yù)設(shè)值M，則第三水箱以預(yù)設(shè)值M向第二水箱補(bǔ)水，否則或補(bǔ)水后第二水箱的水位仍然低于預(yù)設(shè)值X2時，燃料電池堆停止工作，并向用戶界面反饋第二水箱的水位不足的信息；第五子模塊，在燃料電池堆工作過程中，判斷第三水箱的水位是否高于預(yù)設(shè)值XI，若高于，第三水箱向第一水箱補(bǔ)水至第三水箱的水位低于預(yù)設(shè)值Xl ;第六子模塊，在電解電池堆工作過程中，判斷第一水箱的水位是否低于預(yù)設(shè)值X3，若低于預(yù)設(shè)值X3，進(jìn)一步判斷第三水箱的水位是否高于預(yù)設(shè)值XI，若高于預(yù)設(shè)值XI，則第三水箱以預(yù)設(shè)值M向第一水箱補(bǔ)水，若第三水箱向第一水箱補(bǔ)水后水位仍然低于預(yù)設(shè)值X3，由外界向第一水箱補(bǔ)水，預(yù)設(shè)值Xl大于預(yù)設(shè)值M。進(jìn)一步地，上述第一子模塊、第二子模塊和第三子模塊相互不影響，且第一子模塊、第二子模塊和第三子模塊的級別優(yōu)于第四子模塊，第四子模塊的級別優(yōu)于第五子模塊，第五子模塊的級別優(yōu)于第六子模塊。進(jìn)一步地，上述尾氣控制模塊控制緩沖罐中的氧氣尾氣的量大于氫氣尾氣的量。 本發(fā)明將電解電池和燃料電池一體化設(shè)置形成一體化電池，減少了集流板的使用數(shù)量，大大節(jié)約了成本；一體化設(shè)置后其集成性較高，便于對一體化電池管理和維護(hù)；在電解電池產(chǎn)生的氫氣近距離輸送到燃料電池中供燃料電池發(fā)電過程中可靠性增強(qiáng)；而且氧氣的利用避免了利用空氣時需要將空氣進(jìn)行純化的復(fù)雜過程，利用純氧作為反應(yīng)氣進(jìn)一步提高了電池的輸出電壓。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


附圖構(gòu)成本說明書的一部分、用于進(jìn)一步理解本發(fā)明，附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理。圖中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一體化電池的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一體化電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明的實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，但如下實(shí)施例以及附圖僅是用以理解本發(fā)明，而不能限制本發(fā)明，本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。在本發(fā)明的一種典型的實(shí)施方式中，提供了一種一體化電池，該一體化電池包括產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解電池和利用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池，燃料電池與電解電池共用集流板且接收由電解電池產(chǎn)生的氫氣和氧氣。本發(fā)明將電解電池和燃料電池一體化設(shè)置形成一體化電池，減少了集流板的使用數(shù)量，大大節(jié)約了成本；一體化設(shè)置后其集成性較高，便于對一體化電池管理和維護(hù)；在電解電池產(chǎn)生的氫氣近距離輸送到燃料電池中供燃料電池發(fā)電過程中可靠性增強(qiáng)；而且氧氣的利用避免了利用空氣時需要將空氣進(jìn)行純化的復(fù)雜過程，利用純氧作為反應(yīng)氣進(jìn)一步提高了電池的輸出電壓。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖I所示，一體化電池的電解電池包括依次貼合連接的第一集流板21、電解陽極電極31、第一質(zhì)子交換膜41、電解陰極電極32和第二集流板22 ;—體化電池的燃料電池包括依次貼合連接的第二集流板22、燃料陽極電極33、第二質(zhì)子交換膜42、燃料陰極電極34、石墨板10、燃料電池冷卻腔20和第三集流板23。具有上述結(jié)構(gòu)的一體化電池的結(jié)構(gòu)比較緊湊，集成度更高更易進(jìn)行電源的管理。本發(fā)明的一體化電池還包括端板，端板包括與第一集流板21遠(yuǎn)離電解陽極電極31 一側(cè)貼合的第一端板11以及與第三集流板23遠(yuǎn)離燃料電池冷卻腔20 —側(cè)貼合的第二端板12。端板的設(shè)置不僅增大了電解電池和燃料電池的集成度，而且，增加了一體化電池的集成度，從而進(jìn)一步增加了一體化電池的可靠性；而且由于將電解電池和燃料電池一體化設(shè)置，使原有至少使用四個端板減少為兩個端板，很大程度上減少了一體化電池的制作成本。在本發(fā)明的另一種典型的實(shí)施方式中，還提供了一種一體化電池堆，該一體化電池堆包括產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解電池堆,包括一個或多個電解電池；利用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池堆,與電解電池堆相連,接收由電解電池堆產(chǎn)生的氫氣和氧氣,燃料電池堆包 括一個或多個燃料電池，并與電解電池堆共用第二集流板22。將一個或多個電解電池和一個或多個燃料電池組合作為一體化電池堆，增強(qiáng)了一體化電池堆的發(fā)電能力；而且，電解電池的個數(shù)和燃料電池的個數(shù)可以依據(jù)用戶的充電能力和供電需求進(jìn)行調(diào)整；同時，也能實(shí)現(xiàn)和一體化電池相同的節(jié)約制作成本的效果。具有上述結(jié)構(gòu)的一體化電池堆還包括端板，該端板包括遠(yuǎn)離電解陽極電極31并與第一集流板21貼合的第一端板11以及遠(yuǎn)離燃料電池冷卻腔20并與第三集流板23貼合的第二端板12。利用兩個端板將電解電池堆和燃料電池堆更好地集成在一起，結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的又一種典型的實(shí)施方式中，還提供了一種一體化電池系統(tǒng)，一體化電池系統(tǒng)包括上述一體化電池堆；向一體化電池堆的電解電池堆供水的供水系統(tǒng)，與電解電池堆相連；向一體化電池堆的燃料電池堆提供冷卻水的冷卻水系統(tǒng)，與燃料電池堆相連；將電解電池堆產(chǎn)生的氫氣輸送到燃料電池堆的氫氣系統(tǒng)，連接在一體化電池堆中電解電池堆和燃料電池堆之間；將電解電池堆產(chǎn)生的氧氣輸送到燃料電池堆的氧氣系統(tǒng)，連接在一體化電池堆中電解電池堆和燃料電池堆之間；以及處理燃料電池堆產(chǎn)生的尾氣的尾氣處理系統(tǒng)，與一體化電池堆中燃料電池堆相連。如圖2所示，由于本發(fā)明的一體化電池堆的集成度較高，因此供水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)和尾氣系統(tǒng)可以和一體化電池堆的近距離設(shè)置，增強(qiáng)了一體化電池系統(tǒng)的集成度，節(jié)約了建立輸送管道所用的材料，減少了輸送過程的耗能和損失，近距離供水以及近距離氣體輸送使一體化電池系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。在本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施例中，上述一體化電池系統(tǒng)的供水系統(tǒng)包括第一水箱51，第一水箱51與電解電池堆的電解陽極電極31相連。采用水箱供水可以及時、充足供應(yīng)向電解電池堆產(chǎn)生氫氣和氧氣所需的水源。為了實(shí)現(xiàn)電解電池堆工作的穩(wěn)定性，本發(fā)明優(yōu)選在第一水箱51與電解陽極電極31之間的流路上設(shè)置有第一水泵91。在本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施例中，上述一體化電池系統(tǒng)的氧氣系統(tǒng)包括第一氣水分離器61，具有第一進(jìn)口和第一氣體出口，第一進(jìn)口與電解電池堆的電解陽極電極31相連；氧氣儲罐101,具有氧氣進(jìn)口和氧氣出口，氧氣進(jìn)口與第一氣水分離器61的第一氣體出口相連，氧氣出口與燃料電池堆的燃料陽極電極33相連；上述氫氣系統(tǒng)包括第二氣水分離器62，具有第二進(jìn)口和第二氣體出口，第二進(jìn)口與電解電池堆的電解陰極電極32相連；氫氣儲罐102,具有氫氣進(jìn)口和氫氣出口，氫氣進(jìn)口與第二氣水分離器62的第二氣體出口相連，氫氣出口與燃料電池堆的燃料陰極電極34相連。由電解電池堆產(chǎn)生的氫氣或氧氣從電解電池堆輸出后直接利用氣水分離器將未反應(yīng)的水與氫氣或氧氣進(jìn)行分離得到純凈的氫氣或氧氣，然后將氫氣或氧氣儲存在儲罐中備用，當(dāng)儲罐中的氣體量達(dá)到設(shè)定的儲罐的最大容積時可以停止向電解電池堆供水；當(dāng)燃料電池供電時，利用管路將氫氣和氧氣輸送倒燃料電池堆中進(jìn)行發(fā)電。優(yōu)選地，上述實(shí)施例中的氧氣系統(tǒng)還包括第一散熱器71，設(shè)置在第一氣水分離器61與電解陽極電極31之間的連接流路上；氧氣壓縮機(jī)81，設(shè)置在第一氣水分離器61與 氧氣儲罐101之間的連接流路上；上述實(shí)施例中的氫氣系統(tǒng)還包括第二散熱器72，設(shè)置在第二氣水分離器62與電解陰極電極32之間的連接流路上；氫氣壓縮機(jī)82，設(shè)置在第二氣水分離器62與氫氣儲罐102之間的連接流路上。設(shè)置散熱器將從電解電池堆中輸出的氣水混合物快速冷卻，提高了電解電池堆的供電效率；壓縮機(jī)壓縮后將氣體壓縮后進(jìn)入儲罐內(nèi)，可以加快氣體的輸送速度還可以增加儲罐的氣體容納量，以及為氣體從儲罐輸送到燃料電池堆時提供動力。在本發(fā)明又一種優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的第一氣水分離器61和第二氣水分離器62分別具有與第一水箱51相連的第一液體出口和第二液體出口。將第一氣水分離器61和第二氣水分離器62與第一水箱51相連，實(shí)現(xiàn)了水的回收利用，大大節(jié)約了用水量。在本發(fā)明又一種優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的一體化電池系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)包括第二水箱52、第二水泵92和第三散熱器73，第二水箱52通過第二水泵92與燃料電池冷卻腔20的入口相連，并通過第三散熱器73與燃料電池冷卻腔20的出口相連。單獨(dú)設(shè)置向燃料電池冷卻腔供水的冷卻水系統(tǒng)，能夠及時地對燃料電池堆進(jìn)行降溫，使其穩(wěn)定工作；將冷卻水重復(fù)利用，進(jìn)一步節(jié)約了冷卻水的用量。在本發(fā)明又一種優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的一體化電池系統(tǒng)的尾氣系統(tǒng)包括第三氣水分離器63，具有第三進(jìn)口、第三液體出口和尾氣排出口，第三進(jìn)口與燃料電池堆的燃料陽極電極33和燃料陰極電極34相連；第三水箱53，與第三氣水分離器63的第三液體出口相連。通過尾氣系統(tǒng)的第三氣水分離器63將燃料電池堆中產(chǎn)生的氣體和液體分離，將少量的氫氣和氧氣排入大氣不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染，對分離出的水進(jìn)行回收已進(jìn)行再利用，進(jìn)一步節(jié)約了成本。上述實(shí)施例中的尾氣系統(tǒng)還包括設(shè)置在靠近第三氣水分離器63的第三進(jìn)口處的緩沖罐111，該緩沖罐111分別與燃料電池堆的燃料陽極電極33和燃料陰極電極34相連。在氣水分離器63與燃料電池堆之間設(shè)置緩沖罐111將含有氫氣的氣水混合物與含有氧氣的氣水混合物預(yù)先混合，然后通過同一個氣水分離器即可實(shí)現(xiàn)氣水分離。在本發(fā)明又一種優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的一體化電池系統(tǒng)的第三水箱53通過第三水泵93與第一水箱51和第二水箱52相連。將第三水箱53與第一水箱51和第二水箱52相連，實(shí)現(xiàn)了第三水箱53對第一水箱51和第二水箱52的補(bǔ)水，進(jìn)一步提高了水的利用效率。在本發(fā)明又一種優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的一體化電池系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括控制氫氣和氧氣在電解電池堆和燃料電池堆的輸送的氣體控制模塊，與氧氣系統(tǒng)和氫氣系統(tǒng)相連；控制液體在一體化電池系統(tǒng)中的流動狀態(tài)的液體控制模塊，與氧氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及供水系統(tǒng)相連；控制尾氣的排放的尾氣控制模塊，與緩沖罐111相連。由于本發(fā)明的一體化電池系統(tǒng)一般是用于戶外，人工現(xiàn)場存在一定的難度，也難以達(dá)到較高的效率，因此設(shè)置了上述控制系統(tǒng)，控制通過控制系統(tǒng)對一體化電池系統(tǒng)的控制保證了一體化電池系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、高效地工作。上述實(shí)施例中的氣體控制模塊判斷燃料電池堆是否需要供電，若是，則向燃料電池堆提供氫氣和氧氣。對氣體模塊進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一體化電池系統(tǒng)工作的智能化。上述實(shí)施中的液體控制模塊包括第一子模塊，判斷第一氣水分離器61的水位是否高于預(yù)設(shè)值Q，若高于，則第一氣水分離器61以預(yù)設(shè)值V向第一水箱51補(bǔ)水；第ニ子模 塊，判斷第二氣水分離器62的水位是否高于預(yù)設(shè)值Q，若高于，則第二氣水分離器62以預(yù)設(shè)值V向第一水箱51補(bǔ)水；第三子模塊，判斷第三氣水分離器63的水位是否高于預(yù)設(shè)值Q，若高干，則第三氣水分離器63以預(yù)設(shè)值V向第三水箱53補(bǔ)水；第四子模塊，在燃料電池堆エ作過程中，判斷第二水箱52的水位是否低于預(yù)設(shè)值X2，若低于預(yù)設(shè)值X2，進(jìn)ー步判斷第三水箱53的水位是否低于預(yù)設(shè)值M，若高于預(yù)設(shè)值M，則第三水箱53以預(yù)設(shè)值M向第二水箱52補(bǔ)水，否則或補(bǔ)水后第二水箱52的水位仍然低于預(yù)設(shè)值X2時，燃料電池堆停止工作，并向用戶界面反饋第二水箱52的水位不足的信息；第五子模塊，在燃料電池堆工作過程中，判斷第三水箱53的水位是否高于預(yù)設(shè)值XI，若高于，第三水箱53向第一水箱51補(bǔ)水至第三水箱53的水位低于預(yù)設(shè)值Xl ;第六子模塊，在電解電池堆工作過程中，判斷第一水箱51的水位是否低于預(yù)設(shè)值X3，若低于預(yù)設(shè)值X3，進(jìn)ー步判斷第三水箱53的水位是否高于預(yù)設(shè)值XI，若高于預(yù)設(shè)值XI，則第三水箱53以預(yù)設(shè)值M向第一水箱51補(bǔ)水，若第三水箱53向第一水箱51補(bǔ)水后水位仍然低于預(yù)設(shè)值X3，由外界向第一水箱51補(bǔ)水，預(yù)設(shè)值Xl大于預(yù)設(shè)值M。
第一子模塊、第二子模塊和第三子模塊控制氣水分離器向水箱的補(bǔ)水過程，既可以保證氣水分離器的穩(wěn)定工作，還可以實(shí)現(xiàn)水箱內(nèi)水量的及時補(bǔ)充；第四子模塊通過確保冷卻水的重組保證了燃料電池堆的安全穩(wěn)定工作；第五子模塊控制第三水箱53向第一水箱51的補(bǔ)水過程，使第三水箱53中的水能夠及時地補(bǔ)充至第一水箱51，避免了水資源的浪費(fèi)或第一水箱51水量的不足；第六子模塊通過邏輯控制使第三水箱53以及外界向第一水箱51補(bǔ)水，既實(shí)現(xiàn)了一體化電池系統(tǒng)內(nèi)水的循環(huán)利用節(jié)約水資源成本，又能通過外界向第一水箱51補(bǔ)水保證向電解電池堆及時供水。本發(fā)明在保證一體化電池系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，為了更有效地循環(huán)利用系統(tǒng)中的水資源，對上述六個字模塊的優(yōu)先級別進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)第一子模塊、第二子模塊和第三子模塊相互不影響，且第一子模塊、第二子模塊和第三子模塊的級別優(yōu)于第四子模塊，第四子模塊的級別優(yōu)于第五子模塊，第五子模塊的級別優(yōu)于第六子模塊。從燃料電池堆的尾氣中氫氣和氧氣的量很少，但是為了進(jìn)一步保證在一體化電池系統(tǒng)高效工作時氫氣和氧氣的積累造成危險，本發(fā)明的一體化電池系統(tǒng)的尾氣控制模塊控制緩沖罐111中的氧氣尾氣的量大于氫氣尾氣的量?？梢酝ㄟ^控制氫氣和氧氣向緩沖罐Ill的流速實(shí)現(xiàn)氧氣尾氣的量大于氫氣的量使氫氣的體積含量遠(yuǎn)低于爆炸極限，保證了ー體化電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人 員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種一體化電池，其特征在于，所述一體化電池包括 產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解電池； 利用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池，與所述電解電池共用集流板且接收由所述電解電池產(chǎn)生的氫氣和氧氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一體化電池，其特征在于， 所述電解電池包括依次貼合連接的第一集流板(21)、電解陽極電極(31)、第一質(zhì)子交換膜(41)、電解陰極電極(32 )和第二集流板(22 ); 所述燃料電池包括依次貼合連接的所述第二集流板(22)、燃料陽極電極(33)、第二質(zhì)子交換膜(42 )、燃料陰極電極(34 )、石墨板(10 )、燃料電池冷卻腔(20 )和第三集流板(23 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一體化電池，其特征在于，所述一體化電池還包括端板，所述端板包括與所述第一集流板(21)遠(yuǎn)離所述電解陽極電極(31)—側(cè)貼合的第一端板(11)以及 與所述第三集流板(23)遠(yuǎn)離所述燃料電池冷卻腔(20)—側(cè)貼合的第二端板(12)。
4.一種一體化電池堆，其特征在于，所述一體化電池堆包括 產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解電池堆，包括一個或多個電解電池； 利用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池堆，與所述電解電池堆相連，接收由所述電解電池堆產(chǎn)生的氫氣和氧氣，所述燃料電池堆包括一個或多個燃料電池，并與所述電解電池堆共用第二集流板(22)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一體化電池堆，其特征在于，所述一體化電池堆還包括端板，所述端板包括遠(yuǎn)離電解陽極電極(31)并與第一集流板(21)貼合的第一端板(11)以及遠(yuǎn)離燃料電池冷卻腔(20)并與第三集流板(23)貼合的第二端板(12)。
6.一種一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述一體化電池系統(tǒng)包括 權(quán)利要求4或5所述的一體化電池堆； 向所述一體化電池堆的電解電池堆供水的供水系統(tǒng)，與所述電解電池堆相連； 向所述一體化電池堆的燃料電池堆提供冷卻水的冷卻水系統(tǒng)，與所述燃料電池堆相連； 將所述電解電池堆產(chǎn)生的氫氣輸送到所述燃料電池堆的氫氣系統(tǒng)，連接在所述一體化電池堆中所述電解電池堆和所述燃料電池堆之間； 將所述電解電池堆產(chǎn)生的氧氣輸送到所述燃料電池堆的氧氣系統(tǒng)，連接在所述一體化電池堆中所述電解電池堆和所述燃料電池堆之間；以及 處理所述燃料電池堆產(chǎn)生的尾氣的尾氣處理系統(tǒng)，與所述燃料電池堆相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述供水系統(tǒng)包括第一水箱(51)，所述第一水箱(51)與所述電解電池堆的電解陽極電極(31)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一水箱(51)與所述電解陽極電極(31)之間的流路上設(shè)置有第一水泵(91)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述氧氣系統(tǒng)包括 第一氣水分離器(61)，具有第一進(jìn)口和第一氣體出口，所述第一進(jìn)口與所述電解電池堆的電解陽極電極(31)相連； 氧氣儲罐(101)，具有氧氣進(jìn)口和氧氣出口，所述氧氣進(jìn)口與所述第一氣水分離器(61)的第一氣體出口相連，所述氧氣出口與所述燃料電池堆的燃料陽極電極(33)相連； 所述氫氣系統(tǒng)包括 第二氣水分離器(62)，具有第二進(jìn)口和第二氣體出口，所述第二進(jìn)口與所述電解電池堆的電解陰極電極(32)相連； 氫氣儲罐(102),具有氫氣進(jìn)口和氫氣出口，所述氫氣進(jìn)口與所述第二氣水分離器(62)的第二氣體出口相連，所述氫氣出口與所述燃料電池堆的燃料陰極電極(34)相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述氧氣系統(tǒng)還包括 第一散熱器(71)，設(shè)置在所述第一氣水分離器(61)與所述電解陽極電極(31)之間的連接流路上； 氧氣壓縮機(jī)(81)，設(shè)置在所述第一氣水分離器(61)與所述氧氣儲罐(101)之間的連接流路上； 所述氫氣系統(tǒng)還包括 第二散熱器(72)，設(shè)置在所述第二氣水分離器(62)與所述電解陰極電極(32)之間的連接流路上； 氫氣壓縮機(jī)(82 )，設(shè)置在所述第二氣水分離器(62 )與所述氫氣儲罐(102 )之間的連接流路上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一體化電池系統(tǒng),其特征在于,所述第一氣水分離器(61)和所述第二氣水分離器(62)分別具有與所述第一水箱(51)相連的第一液體出口和第二液體出口。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻水系統(tǒng)包括第二水箱(52)、第二水泵(92)和第三散熱器(73)，所述第二水箱(52)通過所述第二水泵(92)與所述燃料電池冷卻腔(20)的入口相連，并通過所述第三散熱器(73)與所述燃料電池冷卻腔(20)的出口相連。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述尾氣系統(tǒng)包括 第三氣水分離器(63)，具有第三進(jìn)口、第三液體出口和尾氣排出口，所述第三進(jìn)口與所述燃料電池堆的燃料陽極電極(33)和燃料陰極電極(34)相連； 第三水箱(53)，與所述第三氣水分離器(63)的第三液體出口相連。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述尾氣系統(tǒng)還包括設(shè)置在靠近所述第三氣水分離器(63)的第三進(jìn)口處的緩沖罐(111)，所述緩沖罐(111)分別與所述燃料電池堆的燃料陽極電極(33)和燃料陰極電極(34)相連。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第三水箱(53)通過第三水泵(93)與所述第一水箱(51)和所述第二水箱(52)相連。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一體化電池系統(tǒng),其特征在于,所述一體化電池系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括 控制氫氣和氧氣在所述電解電池堆和所述燃料電池堆的輸送的氣體控制模塊，與所述氧氣系統(tǒng)和所述氫氣系統(tǒng)相連； 控制液體在所述一體化電池系統(tǒng)中的流動狀態(tài)的液體控制模塊，與所述氧氣系統(tǒng)、所述氫氣系統(tǒng)、所述冷卻水系統(tǒng)以及所述供水系統(tǒng)相連；控制所述尾氣的排放的尾氣控制模塊，與所述緩沖罐(111)相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體控制模塊判斷所述燃料電池堆是否需要供電，若是，則向所述燃料電池堆提供氫氣和氧氣。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述液體控制模塊包括 第一子模塊，判斷所述第一氣水分離器(61)的水位是否高于預(yù)設(shè)值Q，若高于，則所述第一氣水分離器(61)以預(yù)設(shè)值V向所述第一水箱(51)補(bǔ)水； 第二子模塊，判斷所述第二氣水分離器(62)的水位是否高于所述預(yù)設(shè)值Q，若高于，則所述第二氣水分離器(62)以所述預(yù)設(shè)值V向所述第一水箱(51)補(bǔ)水； 第三子模塊，判斷所述第三氣水分離器(63)的水位是否高于所述預(yù)設(shè)值Q，若高于，則所述第三氣水分離器(63)以所述預(yù)設(shè)值V向所述第三水箱(53)補(bǔ)水； 第四子模塊，在所述燃料電池堆工作過程中，判斷所述第二水箱(52)的水位是否低于預(yù)設(shè)值X2，若低于所述預(yù)設(shè)值X2，進(jìn)一步判斷所述第三水箱(53)的水位是否低于預(yù)設(shè)值M，若高于所述預(yù)設(shè)值M，則所述第三水箱(53)以所述預(yù)設(shè)值M向所述第二水箱(52)補(bǔ)水，否則或補(bǔ)水后所述第二水箱(52)的水位仍然低于所述預(yù)設(shè)值X2時，所述燃料電池堆停止工作，并向用戶界面反饋所述第二水箱(52)的水位不足的信息； 第五子模塊，在所述燃料電池堆工作過程中，判斷所述第三水箱(53)的水位是否高于預(yù)設(shè)值XI，若高于，所述第三水箱(53)向所述第一水箱(51)補(bǔ)水至所述第三水箱(53)的水位低于所述預(yù)設(shè)值Xl ； 第六子模塊，在所述電解電池堆工作過程中，判斷所述第一水箱(51)的水位是否低于預(yù)設(shè)值X3，若低于預(yù)設(shè)值X3，進(jìn)一步判斷所述第三水箱(53)的水位是否高于所述預(yù)設(shè)值XI，若高于預(yù)設(shè)值XI，則所述第三水箱(53)以所述預(yù)設(shè)值M向所述第一水箱(51)補(bǔ)水，若所述第三水箱(53)向所述第一水箱(51)補(bǔ)水后水位仍然低于預(yù)設(shè)值X3，由外界向所述第一水箱(51)補(bǔ)水， 所述預(yù)設(shè)值Xl大于所述預(yù)設(shè)值M。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述第一子模塊、第二子模塊和所述第三子模塊相互不影響，且所述第一子模塊、第二子模塊和所述第三子模塊的級別優(yōu)于所述第四子模塊，所述第四子模塊的級別優(yōu)于所述第五子模塊，所述第五子模塊的級別優(yōu)于所述第六子模塊。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的一體化電池系統(tǒng)，其特征在于，所述尾氣控制模塊控制所述緩沖罐(111)中的氧氣尾氣的量大于氫氣尾氣的量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一體化電池、包括其的一體化電池堆和一體化電池系統(tǒng)。該一體化電池包括產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解電池；利用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池，與電解電池共用集流板且接收由電解電池產(chǎn)生的氫氣和氧氣。本發(fā)明將電解電池和燃料電池一體化設(shè)置形成一體化電池，減少了集流板的使用數(shù)量，大大節(jié)約了成本；一體化設(shè)置后其集成性較高，便于對一體化電池管理和維護(hù)；在電解電池產(chǎn)生的氫氣近距離輸送到燃料電池中供燃料電池發(fā)電過程中可靠性增強(qiáng)；而且氧氣的利用避免了利用空氣時需要將空氣進(jìn)行純化的復(fù)雜過程，利用純氧作為反應(yīng)氣進(jìn)一步提高了電池的輸出電壓。
文檔編號H01M8/06GK102751523SQ20121024796
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者張偉明, 楊海玉, 殷聰, 湯浩, 謝光有, 高建龍 申請人:中國東方電氣集團(tuán)有限公司