專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池型備用電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及備用電源領(lǐng)域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池型備用電源。應(yīng)用在主
電力中斷的情況下，為通訊、金融、消防等領(lǐng)域提供應(yīng)急電力。
背景技術(shù)：
備用電源是在供電電網(wǎng)發(fā)生事故的情況下，向必需的負(fù)載提供所需的應(yīng)急電力， 從而可有效降低因?yàn)閿嚯姸斐傻膿p失。傳統(tǒng)備用電源一般為柴油發(fā)電機(jī)和鉛酸蓄電池。 傳統(tǒng)備用電源的不足是柴油發(fā)電機(jī)需要一套復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的排出物對(duì)環(huán)境會(huì) 造成污染且噪音很大；鉛酸蓄電池能量密度較低，電池容量有限，同時(shí)鉛酸蓄電池的組成成 分對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染，對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生危害。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池型備用電源，以質(zhì)子交換膜燃料電池作備用電 源，在主電力中斷的情況下提供應(yīng)急電力。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一 種燃料電池型備用電源，包括發(fā)電系統(tǒng)、DC/DC變換器、儲(chǔ)能單元及控制單元，其特征在于 所述發(fā)電系統(tǒng)是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括質(zhì)子 交換膜燃料電池模塊、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)及空氣供應(yīng)系統(tǒng)，所述空氣供應(yīng)系統(tǒng)由供風(fēng)機(jī) 械和回流控制器組成；所述儲(chǔ)能單元是鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池或電化學(xué)電容 器；所述控制單元與質(zhì)子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)以及儲(chǔ) 能單元用信號(hào)線(xiàn)連接，質(zhì)子交換膜燃料電池模塊與氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、控 制單元及DC/DC變換器由電路連接，儲(chǔ)能單元與氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、控制 單元及DC/DC輸出端由電路連接，DC/DC變換器的輸出端與負(fù)載連接。 本發(fā)明所述的一種燃料電池型備用電源，其特征在于所述質(zhì)子交換膜燃料電池模 塊由多節(jié)單電池以壓濾機(jī)方式組裝成燃料電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)；燃料電池模塊的冷卻劑是空氣， 燃料電池模塊的燃料腔(氫氣腔)、氧化劑腔(空氣腔)和冷卻腔中，氧化劑腔和冷卻腔與 其外部環(huán)境空氣連通，為開(kāi)放式腔，同一供風(fēng)機(jī)械提供的空氣由氧化劑腔和冷卻腔的下部 流入，由上部流出；燃料腔中的氫氣由燃料腔的上部流入，由下部流出，形成燃料腔中氫氣 的流動(dòng)方向與氧化劑腔中空氣的流動(dòng)方向相反。 本發(fā)明所述的一種燃料電池型備用電源，其特征在于所述質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā) 電系統(tǒng)的空氣回流控制器由步進(jìn)電機(jī)與導(dǎo)流板組成，所述步進(jìn)電機(jī)由控制單元根據(jù)實(shí)時(shí)檢 測(cè)燃料電池模塊冷卻腔出口處冷卻空氣的溫度控制轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)流 板處于不同位置實(shí)現(xiàn)空氣尾氣(即流經(jīng)燃料電池模塊的空氣)全部排放、部分回流或全部 回流，使燃料電池模塊處在一個(gè)最佳的工作溫度范圍。 由于燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)需要一定的時(shí)間和能量，因此在燃料電池備用電源中引入 一個(gè)儲(chǔ)能單元。儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存一定電量，在電力中斷的瞬間可以無(wú)間斷地向負(fù)載供電，并同 時(shí)向燃料電池系統(tǒng)和控制單元供電，燃料電池啟動(dòng)后通過(guò)DC/DC變換器將燃料電池輸出端電壓變換為穩(wěn)定的電壓向直流負(fù)載供電，同時(shí)可以對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、燃料電池系統(tǒng)可由一個(gè)或多個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池模塊組成，當(dāng)采用多個(gè)模塊
并聯(lián)使用時(shí)，系統(tǒng)具有較高的可靠性，某一個(gè)模塊的損壞不會(huì)影響系統(tǒng)的工作； 2、質(zhì)子交換膜燃料電池模塊采用空氣冷卻方式，輔助元件較少，系統(tǒng)可靠性較高，
通過(guò)回流控制器確保燃料電池模塊始終處于最佳工作溫度范圍。 3、可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)主電路中斷后，燃料電池備用電源高效、無(wú)間斷地向負(fù)載供電。
4、燃料電池型備用電源具有安全、緊湊、環(huán)境友好、維護(hù)成本較低、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等 特點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。
本發(fā)明共有附圖四幅，其中 圖1是燃料電池型備用電源結(jié)構(gòu)示意圖，該圖中，單實(shí)線(xiàn)(_)表示控制信號(hào)線(xiàn)路， 雙實(shí)線(xiàn)(=)表示氣路，虛線(xiàn)(…)表示電路。 圖2是組成質(zhì)子交換膜燃料電池模塊的膜電極組件、陽(yáng)極極板和陰極極板示意 圖。 圖3是質(zhì)子交換膜燃料電池模塊立體示意圖。
圖4是空氣回流控制器工作原理示意圖。 附圖中，1、陰極極板，2、陰極極板上的冷卻腔，3、氧化劑腔，4、膜電極組件，5、燃料 腔，6、陽(yáng)極極板，7、陽(yáng)極極板上的冷卻腔，8、冷卻腔，9、氫氣進(jìn)口，10、氫氣出口，11、燃料電 池模塊，12、供風(fēng)機(jī)械，13、回流控制器，14、空氣回流風(fēng)道，15、空氣濾清器，16空氣排放口 。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。燃料電池型備用電源由質(zhì)子交換膜燃料電 池發(fā)電系統(tǒng)、DC/DC變換器、儲(chǔ)能單元及控制單元組成，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由質(zhì) 子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)及空氣供應(yīng)系統(tǒng)組成，空氣供應(yīng)系統(tǒng)由供風(fēng) 機(jī)械和回流控制器組成。 質(zhì)子交換膜燃料電池模塊根據(jù)備用電源功率要求進(jìn)行組裝，并按照陰極極板(1)、 膜電極組件(4)、陽(yáng)極極板(6)的次序以壓濾機(jī)方式組裝，形成多節(jié)燃料電池串聯(lián)構(gòu)成質(zhì)子 交換膜燃料電池模塊。燃料電池模塊具有三個(gè)獨(dú)立的腔，分別為燃料腔(氫氣腔，5)、氧化 劑腔(空氣腔3)和冷卻腔(8)，其中氧化劑腔和冷卻腔為開(kāi)放、貫穿式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，空 氣由氧化劑腔(3)和冷卻腔(8)的下部流入，由上部流出。燃料電池模塊(11)工作時(shí)，來(lái) 自氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)的氫氣進(jìn)入燃料腔作為燃料氣；來(lái)自于供風(fēng)機(jī)械(12)的一小部分 空氣進(jìn)入氧化劑腔(3)，空氣中的部分氧氣作為氧化劑參加反應(yīng)，剩余部分穿過(guò)氧化劑腔排 出；來(lái)自于供風(fēng)機(jī)械(12)的大部分空氣進(jìn)入冷卻腔將燃料電池生成的廢熱帶出電池模塊。 燃料電池模塊中，燃料腔(5)中氫氣的流動(dòng)方向與氧化劑腔(3)中空氣的流動(dòng)方向相反，有 助于提高電池性能。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)燃料電池模塊出口處冷卻空氣的溫度，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)，從而帶動(dòng)導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)尾氣(即流經(jīng)燃料電池模塊的空氣)全部排放(導(dǎo)流板處于 與管壁平行位置時(shí)，圖4中b所示位置)、部分回流(導(dǎo)流板處于與管壁呈1 90度角位
4置時(shí)，圖4中c所示位置)或全部回流(當(dāng)導(dǎo)流板處于與管壁垂直位置時(shí)，圖4中a所示位 置)，確保燃料電池模塊處在一個(gè)最佳的工作溫度范圍。 以額定功率為lkW的燃料電池型備用電源為例，本發(fā)明所述燃料電池備用電源完 整的工作過(guò)程如下 實(shí)例中燃料電池型備用電源由質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、DC/DC變換器、儲(chǔ)能 單元及控制單元組成，其中儲(chǔ)能單元采用鉛酸蓄電池(48V，20Ah)， DC/DC變換器額定功率 為lkW，控制單元采用ATMEL公司高速單指令周期的MCU做為控制核心，可以同時(shí)檢測(cè)12路 以上的模擬量，輸出端采用2路串口 ， 一路作為與LCD連接的通道，另一路作為與上位PC機(jī) 的通訊接口。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由質(zhì)子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng) 系統(tǒng)及空氣供應(yīng)系統(tǒng)組成，空氣供應(yīng)系統(tǒng)由供風(fēng)機(jī)械和回流控制器組成，其中氫氣儲(chǔ)存系 統(tǒng)包括高壓氫氣瓶、氫氣減壓器及電動(dòng)閥件組成，供風(fēng)機(jī)械采用48V橫流風(fēng)機(jī)，回流控制器 有步進(jìn)電機(jī)及導(dǎo)流板組成。 燃料電池備用電源作為提供應(yīng)急備用電力的裝置，在主電路沒(méi)有中斷的情況下處 于待機(jī)狀態(tài)，氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)的電動(dòng)閥件處于閉合狀態(tài)，燃料電池沒(méi)有電力輸出。當(dāng)主 電路突然中斷，作為儲(chǔ)能單元的鉛酸蓄電池在主電路中斷的瞬間無(wú)間斷地向負(fù)載供電，同 時(shí)向燃料電池系統(tǒng)、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)和控制單元供電，氫氣路電動(dòng)閥件打開(kāi)，供風(fēng)機(jī)械 橫流風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，氫氣和空氣分別進(jìn)入燃料電池模塊的燃料腔和氧化劑腔，燃料電池模 塊開(kāi)始通過(guò)DC/DC向直流負(fù)載輸出48V的直流電，額定輸出功率為lkW。燃料電池發(fā)電效率 通常為50-70%，在將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿耐瑫r(shí)，部分化學(xué)會(huì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｔ谌剂想姵貑?動(dòng)后的一段時(shí)間內(nèi)，燃料電池模塊溫度較低，此時(shí)電化學(xué)反應(yīng)的極化較大，效率較低，在此 時(shí)間段內(nèi)控制單元將根據(jù)檢測(cè)到的溫度信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)導(dǎo)流板轉(zhuǎn)動(dòng)，冷卻 空氣尾氣將全部或部分回流，當(dāng)冷卻空氣尾氣溫度低于4(TC全部回流，當(dāng)冷卻空氣尾氣達(dá) 到4(TC時(shí)部分回流，回流比例通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的尾氣溫度信號(hào)來(lái)控制。通過(guò)冷卻空氣回流燃 料電池模塊溫度迅速升高，當(dāng)燃料電池模塊出口處冷卻空氣尾氣溫度升高到5(TC時(shí)，冷卻 空氣尾氣全部排放，確保燃料電池模塊處以最佳工作溫度范圍。當(dāng)主電路回復(fù)電力供應(yīng)后， 燃料電池停止向負(fù)載輸出電力，切斷氫氣供應(yīng)，供風(fēng)機(jī)械停機(jī)，燃料電池備用電源再次處于 待機(jī)狀態(tài)。
權(quán)利要求
一種燃料電池型備用電源，包括發(fā)電系統(tǒng)、DC/DC變換器、儲(chǔ)能單元及控制單元，其特征在于所述發(fā)電系統(tǒng)是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)包括質(zhì)子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)及空氣供應(yīng)系統(tǒng)，所述空氣供應(yīng)系統(tǒng)由供風(fēng)機(jī)械和回流控制器組成；所述儲(chǔ)能單元是鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池或電化學(xué)電容器；所述控制單元與質(zhì)子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)以及儲(chǔ)能單元用信號(hào)線(xiàn)連接，質(zhì)子交換膜燃料電池模塊與氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、控制單元及DC/DC變換器由電路連接，儲(chǔ)能單元與氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、控制單元及DC/DC輸出端由電路連接，DC/DC變換器的輸出端與負(fù)載連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池型備用電源，其特征在于所述質(zhì)子交換膜燃料 電池模塊由多節(jié)單電池以壓濾機(jī)方式組裝成燃料電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)；燃料電池模塊的冷卻劑是 空氣，燃料電池模塊的燃料腔(氫氣腔)、氧化劑腔(空氣腔)和冷卻腔中，氧化劑腔和冷卻 腔與其外部環(huán)境空氣連通，為開(kāi)放式腔，同一供風(fēng)機(jī)械提供的空氣由氧化劑腔和冷卻腔的 下部流入，由上部流出；燃料腔中的氫氣由燃料腔的上部流入，由下部流出，形成燃料腔中 氫氣的流動(dòng)方向與氧化劑腔中空氣的流動(dòng)方向相反。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃料電池型備用電源，其特征在于所述質(zhì)子交換膜燃 料電池發(fā)電系統(tǒng)的空氣回流控制器由步進(jìn)電機(jī)與導(dǎo)流板組成，所述步進(jìn)電機(jī)由控制單元根 據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)燃料電池模塊冷卻腔出口處冷卻空氣的溫度控制轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)流板轉(zhuǎn) 動(dòng)，導(dǎo)流板處于不同位置實(shí)現(xiàn)空氣尾氣(即流經(jīng)燃料電池模塊的空氣)全部排放、部分回流 或全部回流，使燃料電池模塊處在一個(gè)最佳的工作溫度范圍。
全文摘要
一種燃料電池型備用電源，電源的發(fā)電系統(tǒng)是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由控制單元與質(zhì)子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、DC/DC變換器以及儲(chǔ)能單元用信號(hào)線(xiàn)、電路和管路連接構(gòu)成。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)具有較高的可靠性，燃料電池模塊采用空氣冷卻方式，輔助元件較少，通過(guò)回流控制器確保燃料電池模塊始終處于最佳工作溫度范圍?？筛咝Аo(wú)間斷地向負(fù)載供電。具有快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、安全、緊湊、維護(hù)成本較低、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101694946SQ200910187938
公開(kāi)日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者侯中軍, 戚朋, 曲憲濤, 石偉玉 申請(qǐng)人:新源動(dòng)力股份有限公司;