專利名稱：燃料電池型備用電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及備用電源領域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池型備用電源。應用在主
電力中斷的情況下，為通訊、金融、消防等領域提供應急電力。
背景技術：
備用電源是在供電電網(wǎng)發(fā)生事故的情況下，向必需的負載提供所需的應急電力， 從而可有效降低因為斷電而造成的損失。傳統(tǒng)備用電源一般為柴油發(fā)電機和鉛酸蓄電池。 傳統(tǒng)備用電源的不足是柴油發(fā)電機需要一套復雜的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機的排出物對環(huán)境會 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，同時鉛酸蓄電池的組成成 分對環(huán)境會造成污染，對人體會產(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急電力。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一 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、氫氣儲存與供應系統(tǒng)及空氣供應系統(tǒng)，所述空氣供應系統(tǒng)由供風機 械和回流控制器組成；所述儲能單元是鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池或電化學電容 器；所述控制單元與質(zhì)子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲存與供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)以及儲 能單元用信號線連接，質(zhì)子交換膜燃料電池模塊與氫氣儲存與供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、控 制單元及DC/DC變換器由電路連接，儲能單元與氫氣儲存與供應系統(tǒng)、空氣供應系統(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，為開放式腔，同一供風機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 的流動方向與氧化劑腔中空氣的流動方向相反。 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電機與導流板組成，所述步進電機由控制單元根據(jù)實時檢 測燃料電池模塊冷卻腔出口處冷卻空氣的溫度控制轉(zhuǎn)動，步進電機帶動導流板轉(zhuǎn)動，導流 板處于不同位置實現(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最佳的工作溫度范圍。 由于燃料電池系統(tǒng)啟動需要一定的時間和能量，因此在燃料電池備用電源中引入 一個儲能單元。儲能單元儲存一定電量，在電力中斷的瞬間可以無間斷地向負載供電，并同 時向燃料電池系統(tǒng)和控制單元供電，燃料電池啟動后通過DC/DC變換器將燃料電池輸出端電壓變換為穩(wěn)定的電壓向直流負載供電，同時可以對儲能單元進行充電。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1、燃料電池系統(tǒng)可由一個或多個質(zhì)子交換膜燃料電池模塊組成，當采用多個模塊
并聯(lián)使用時，系統(tǒng)具有較高的可靠性，某一個模塊的損壞不會影響系統(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、可以實現(xiàn)當主電路中斷后，燃料電池備用電源高效、無間斷地向負載供電。
4、燃料電池型備用電源具有安全、緊湊、環(huán)境友好、維護成本較低、運行時間長等 特點，市場前景廣闊。
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，單實線(_)表示控制信號線路， 雙實線(=)表示氣路，虛線(…)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、陽極極板，7、陽極極板上的冷卻腔，8、冷卻腔，9、氫氣進口，10、氫氣出口，11、燃料電 池模塊，12、供風機械，13、回流控制器，14、空氣回流風道，15、空氣濾清器，16空氣排放口 。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。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、氫氣儲存與供應系統(tǒng)及空氣供應系統(tǒng)組成，空氣供應系統(tǒng)由供風 機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行組裝，并按照陰極極板(1)、 膜電極組件(4)、陽極極板(6)的次序以壓濾機方式組裝，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獨立的腔，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，來 自氫氣儲存與供應系統(tǒng)的氫氣進入燃料腔作為燃料氣；來自于供風機械(12)的一小部分 空氣進入氧化劑腔(3)，空氣中的部分氧氣作為氧化劑參加反應，剩余部分穿過氧化劑腔排 出；來自于供風機械(12)的大部分空氣進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)中氫氣的流動方向與氧化劑腔(3)中空氣的流動方向相反，有 助于提高電池性能。通過實時檢測燃料電池模塊出口處冷卻空氣的溫度，控制步進電機轉(zhuǎn) 動，從而帶動導流板轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)尾氣(即流經(jīng)燃料電池模塊的空氣)全部排放(導流板處于 與管壁平行位置時，圖4中b所示位置)、部分回流(導流板處于與管壁呈1 90度角位
4置時，圖4中c所示位置)或全部回流(當導流板處于與管壁垂直位置時，圖4中a所示位 置)，確保燃料電池模塊處在一個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 整的工作過程如下 實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、儲能 單元及控制單元組成，其中儲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，可以同時檢測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 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、氫氣儲存與供應 系統(tǒng)及空氣供應系統(tǒng)組成，空氣供應系統(tǒng)由供風機械和回流控制器組成，其中氫氣儲存系 統(tǒng)包括高壓氫氣瓶、氫氣減壓器及電動閥件組成，供風機械采用48V橫流風機，回流控制器 有步進電機及導流板組成。 燃料電池備用電源作為提供應急備用電力的裝置，在主電路沒有中斷的情況下處 于待機狀態(tài)，氫氣儲存與供應系統(tǒng)的電動閥件處于閉合狀態(tài)，燃料電池沒有電力輸出。當主 電路突然中斷，作為儲能單元的鉛酸蓄電池在主電路中斷的瞬間無間斷地向負載供電，同 時向燃料電池系統(tǒng)、氫氣儲存與供應系統(tǒng)和控制單元供電，氫氣路電動閥件打開，供風機械 橫流風機開始工作，氫氣和空氣分別進入燃料電池模塊的燃料腔和氧化劑腔，燃料電池模 塊開始通過DC/DC向直流負載輸出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%，在將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿耐瑫r，部分化學會能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｔ谌剂想姵貑?動后的一段時間內(nèi)，燃料電池模塊溫度較低，此時電化學反應的極化較大，效率較低，在此 時間段內(nèi)控制單元將根據(jù)檢測到的溫度信號控制步進電機轉(zhuǎn)動，并帶動導流板轉(zhuǎn)動，冷卻 空氣尾氣將全部或部分回流，當冷卻空氣尾氣溫度低于4(TC全部回流，當冷卻空氣尾氣達 到4(TC時部分回流，回流比例通過實時檢測的尾氣溫度信號來控制。通過冷卻空氣回流燃 料電池模塊溫度迅速升高，當燃料電池模塊出口處冷卻空氣尾氣溫度升高到5(TC時，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。當主電路回復電力供應后， 燃料電池停止向負載輸出電力，切斷氫氣供應，供風機械停機，燃料電池備用電源再次處于 待機狀態(tài)。
權利要求
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、氫氣儲存與供應系統(tǒng)及空氣供應系統(tǒng)，所述空氣供應系統(tǒng)由供風機械和回流控制器組成；所述儲能單元是鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池或電化學電容器；所述控制單元與質(zhì)子交換膜燃料電池模塊、氫氣儲存與供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)以及儲能單元用信號線連接，質(zhì)子交換膜燃料電池模塊與氫氣儲存與供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、控制單元及DC/DC變換器由電路連接，儲能單元與氫氣儲存與供應系統(tǒng)、空氣供應系統(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載連接。
2. 根據(jù)權利要求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，為開放式腔，同一供風機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 氫氣的流動方向與氧化劑腔中空氣的流動方向相反。
3. 根據(jù)權利要求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電機與導流板組成，所述步進電機由控制單元根 據(jù)實時檢測燃料電池模塊冷卻腔出口處冷卻空氣的溫度控制轉(zhuǎn)動，步進電機帶動導流板轉(zhuǎn) 動，導流板處于不同位置實現(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、氫氣儲存與供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、DC/DC變換器以及儲能單元用信號線、電路和管路連接構(gòu)成。本發(fā)明具有如下優(yōu)點系統(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?、無間斷地向負載供電。具有快速響應、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境友好、安全、緊湊、維護成本較低、運行時間長等特點，市場前景廣闊。
文檔編號H02J7/00GK101694946SQ200910187938
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權日2009年10月15日
發(fā)明者侯中軍, 戚朋, 曲憲濤, 石偉玉 申請人:新源動力股份有限公司;