專利名稱：支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅(qū)動與控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(qū)動與控制裝置。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)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(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)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(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)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(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)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(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)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(dǎo)流槽。這些導(dǎo)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(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)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(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)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(dǎo)流進口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)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(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)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(yīng)的導(dǎo)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(tài)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(zhì)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(tǒng)，又可用作手提式、固定式的發(fā)電裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池用作車、船動力系統(tǒng)或移動式、固定式發(fā)電站時，一般用氫氣為燃料，空氣為氧化劑，并且根據(jù)用途的不同要求，輸出的凈功率不等，一般凈功率要求從幾千瓦到幾百千瓦。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成(1).燃料電池堆；(2).燃料氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)；(3).空氣供應(yīng)子系統(tǒng)；(4).冷卻散熱子系統(tǒng)；(5).自動控制及電能輸出子系統(tǒng)。整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)除了燃料電池堆以外的其他部分可以統(tǒng)稱為燃料電池運行支持系統(tǒng)。
為了保證燃料電池堆的持續(xù)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(huán)冷卻水(冬天采用防凍液)，因此提供空氣的鼓風(fēng)機或空氣壓縮機、給循環(huán)冷卻水(防凍液)提供動力的水泵、散熱器風(fēng)扇以及電磁閥和其他控制及監(jiān)控部件等燃料電池堆運行支持系統(tǒng)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(fēng)機(或空氣壓縮機)、水泵及散熱器。電磁閥和其他的控制及監(jiān)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(fā)電系統(tǒng)，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(yīng)裝置；6’、6為水-汽分離器；7為水箱；8為冷卻流體循環(huán)泵；9為散熱器；10為氫循環(huán)泵；11、12為增濕裝置。
燃料電池發(fā)電原理實際上是燃料電池中氫燃料與向燃料電池供應(yīng)空氣中的氧氣化合生成水，這一化學(xué)反應(yīng)過程是大部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的過程。所以燃料電池發(fā)電的速度受到許多因素的影響(1)向燃料電池供應(yīng)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(yīng)速度；上述三點與燃料電池本身的發(fā)電能力設(shè)計有關(guān)。
一般來說，當出現(xiàn)燃料電池電動車起動、加速等變功況情況，或燃料電池發(fā)電站供應(yīng)的用戶變加載等情況時，要求燃料電池輸出功率的響應(yīng)也隨之變化。
雖然燃料電池額定輸出功率的設(shè)計即本身的發(fā)電能力一般都會滿足作為車載動力源，或發(fā)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，由于燃料電池本身的上述三種極化效應(yīng)，導(dǎo)致輸出電壓也發(fā)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(fā)電系統(tǒng)當功率輸出發(fā)生變化時，其輸出電壓變化是較大的。所以，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)支持自身運行各個耗功部件的電機運轉(zhuǎn)，例如供應(yīng)空氣的鼓風(fēng)機或空氣壓縮機，給循環(huán)冷卻水(或防凍液)提供動力的水泵、氫氣循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇的各個電機運轉(zhuǎn)，都是先采用一種直流-直流變換穩(wěn)壓裝置，將燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中燃料電池堆輸出的電壓-電流通過直流-直流穩(wěn)壓裝置升壓或降壓，穩(wěn)定在某一個合適的電壓上，然后再帶動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)支持自身運行的各個耗功部件的各個電機運轉(zhuǎn)，如圖中2a，2b所示。I空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的空氣壓縮裝置電機，II氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的氫氣循環(huán)裝置電機，III冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)中的循環(huán)泵電機，IV冷卻流體循環(huán)子系統(tǒng)中的散熱風(fēng)扇電機。
將燃料電池堆降壓或升壓后，再帶動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)自身支持運行的各個耗功部件的電機運轉(zhuǎn)，C1、C2、C3、C4分別是各個電機的調(diào)速控制器。
目前，這種采用DC/DC直流-直流變換裝置將燃料電池堆降壓或升壓后，再帶動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)自身支持運行的各個耗功部件電機運轉(zhuǎn)的技術(shù)方案(如圖2a，2b)有以下技術(shù)缺陷1.燃料電池堆經(jīng)過DC/DC降壓或升壓后有部分功率損耗，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占據(jù)了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的寶貴空間，增加了重量，而且往往增加了系統(tǒng)的不可靠性；3.DC/DC器件是價格較高的器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)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(qū)動與控制裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅(qū)動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應(yīng)裝置、氫氣循環(huán)裝置、空氣供應(yīng)裝置、冷卻流體循環(huán)裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環(huán)裝置包括氫氣循環(huán)泵，所述的空氣供應(yīng)裝置包括鼓風(fēng)機或空壓機，所述的冷卻流體循環(huán)裝置包括冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇，其特征在于，所述的氫氣循環(huán)泵、鼓風(fēng)機或空壓機、冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇各采用與其相匹配的無刷電機，該無刷電機由與其串接的調(diào)速控制器控制。
所述的各無刷電機與各調(diào)速控制器的串接電路并聯(lián)后，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范圍與燃料電池堆工作電壓范圍一致。
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范圍為100V～60V，電流范圍為0A～160A。
所述的無刷電機的工作電壓范圍為100V～60V。
所述的調(diào)速控制器適應(yīng)電壓范圍為100V～60V，調(diào)速方式為電流控制型。
所述的散熱風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)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(diào)速控制器控制散熱風(fēng)扇電機停轉(zhuǎn)，超過工作溫度時，調(diào)速控制器控制散熱風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)動。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明根據(jù)上述不同功用的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的耗功部件電機運轉(zhuǎn)特點進行設(shè)計，具有如下特點1.根據(jù)燃料電池堆輸出電壓的數(shù)值，特別設(shè)計采用帶動空氣壓縮裝置、氫氣循環(huán)裝置、冷卻流體循環(huán)水泵以及散熱風(fēng)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，即電機工作電壓范圍基本與燃料電池堆工作電壓范圍一致。
2.根據(jù)燃料電池堆的工作電壓范圍以及電機工作電壓、電流，上述各類電機采用不同的調(diào)速控制器，可在燃料電池堆工作電壓輸入范圍內(nèi)進行各類電機的調(diào)速。
3.本發(fā)明設(shè)計的燃料氫氣電池自身運行耗功部件的電機驅(qū)動與控制裝置具有提高燃料電池的燃料效率，節(jié)約燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的空間，增加系統(tǒng)運行可靠性，降低成本，簡便、高效的特點。


圖1為現(xiàn)有燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有一種10KW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的典型伏-安-功率輸出曲線圖；圖2a為現(xiàn)有支持燃料電池運行的各個主要耗功部件驅(qū)動電機的示意圖；圖2b為現(xiàn)有采用DC/DC直流-直流變換裝置驅(qū)動的各個主要耗功部件驅(qū)動電機的示意圖；圖3為采用本發(fā)明技術(shù)驅(qū)動的各個主要耗功部件驅(qū)動電機的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例如圖3，并結(jié)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(qū)動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應(yīng)裝置、氫氣循環(huán)裝置、空氣供應(yīng)裝置、冷卻流體循環(huán)裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環(huán)裝置包括氫氣循環(huán)泵，所述的空氣供應(yīng)裝置包括鼓風(fēng)機或空壓機，所述的冷卻流體循環(huán)裝置包括冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇，所述的氫氣循環(huán)泵、鼓風(fēng)機或空壓機、冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇各采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(diào)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(diào)速控制器C1、C2、C3及C4的串接電路并聯(lián)后，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工作電壓范圍與燃料電池堆1工作電壓范圍一致。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的輸出電壓范圍為100V～60V，電流范圍為0A～160A。所述的無刷電機I、II、III、IV的工作電壓范圍為100V～60V。所述的調(diào)速控制器C1、C2、C3及C4適應(yīng)電壓范圍為100V～60V，調(diào)速方式為電流控制型。所述的散熱風(fēng)扇電機IV的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)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(diào)速控制器C4控制散熱風(fēng)扇電機IV停轉(zhuǎn)，超過工作溫度時，調(diào)速控制器C4控制散熱風(fēng)扇電機IV轉(zhuǎn)動。
本實施例為一種10KW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。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范圍為100V～60V；電流范圍為0～160A。
該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要支持自身運行的耗功部件如下I空氣鼓風(fēng)機電機(功耗大約300瓦)；II氫氣循環(huán)風(fēng)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(fēng)扇電機(功耗每只25瓦)。
上述電機的調(diào)速控制器分別是C1，C2，C3，C4，可以適應(yīng)電壓范圍為100V～60V，調(diào)速方式為電流控制型，當輸入C1，C2，C3，C4電流越大，可以驅(qū)動上述相應(yīng)的各類電機加快轉(zhuǎn)速。上述所有I，II，III，IV電機均為無刷直流電機，設(shè)計上可以直接設(shè)計成工作電壓范圍100～60V。如圖3所示。
當燃料電池發(fā)電系統(tǒng)處于怠速狀態(tài)時，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)凈輸出功率為零，僅支持I，II，III，IV電機運轉(zhuǎn)，C1，C2，C3分別控制相應(yīng)的I，II，III電機，使其處于最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，而電機IV的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)速將受燃料電池發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)，超過工作溫度時，就控制IV電機轉(zhuǎn)動。
當燃料電池發(fā)電系統(tǒng)處于滿荷功率10KW凈輸出時，此時燃料電池堆輸出電壓為65V，C1，C2，C3分別控制相應(yīng)的I，II，IV電機，使其處于最高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱也最大，C4將控制IV電機進行最高速運轉(zhuǎn)，從而進行散熱，以保持燃料電池工作溫度的正常恒定。上述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡便，燃料效率高達50％以上。
權(quán)利要求
1.支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅(qū)動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應(yīng)裝置、氫氣循環(huán)裝置、空氣供應(yīng)裝置、冷卻流體循環(huán)裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環(huán)裝置包括氫氣循環(huán)泵，所述的空氣供應(yīng)裝置包括鼓風(fēng)機或空壓機，所述的冷卻流體循環(huán)裝置包括冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇，其特征在于，所述的氫氣循環(huán)泵、鼓風(fēng)機或空壓機、冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇各采用與其相匹配的無刷電機，該無刷電機由與其串接的調(diào)速控制器控制。
2.根據(jù)權(quán)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(qū)動與控制裝置，其特征在于，所述的各無刷電機與各調(diào)速控制器的串接電路并聯(lián)后，其兩端與燃料電池堆的正負極連接。
3.根據(jù)權(quán)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(qū)動與控制裝置，其特征在于，所述的無刷電機工作電壓范圍與燃料電池堆工作電壓范圍一致。
4.根據(jù)權(quán)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(qū)動與控制裝置，其特征在于，所述的無刷電機為直流無刷電機。
5.根據(jù)權(quán)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(qū)動與控制裝置，其特征在于，所述的燃料電池堆的輸出電壓范圍為100V～60V，電流范圍為0A～160A。
6.根據(jù)權(quán)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(qū)動與控制裝置，其特征在于，所述的無刷電機的工作電壓范圍為100V～60V。
7.根據(jù)權(quán)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(qū)動與控制裝置，其特征在于，所述的調(diào)速控制器適應(yīng)電壓范圍為100V～60V，調(diào)速方式為電流控制型。
8.根據(jù)權(quán)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(qū)動與控制裝置，其特征在于，所述的散熱風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)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(diào)速控制器控制散熱風(fēng)扇電機停轉(zhuǎn)，超過工作溫度時，調(diào)速控制器控制散熱風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)動。
全文摘要
本發(fā)明涉及支持燃料電池自身運行耗功部件的電機驅(qū)動與控制裝置，包括燃料電池堆、氫氣供應(yīng)裝置、氫氣循環(huán)裝置、空氣供應(yīng)裝置、冷卻流體循環(huán)裝置、自動控制及電能輸出裝置，所述的氫氣循環(huán)裝置包括氫氣循環(huán)泵，所述的空氣供應(yīng)裝置包括鼓風(fēng)機或空壓機，所述的冷卻流體循環(huán)裝置包括冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇，所述的氫氣循環(huán)泵、鼓風(fēng)機或空壓機、冷卻流體循環(huán)泵及散熱風(fēng)扇各采用與其相匹配的無刷電機，該無刷電機由與其串接的調(diào)速控制器控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有提高燃料電池的燃料效率、節(jié)約燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的空間、增加系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者付明竹, 夏建偉, 章波, 胡里清 申請人:上海神力科技有限公司