一种燃料电池与可以快充快放的储能装置混合动力系统

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种燃料电池与可以快充快放的储能装置混合动力系统。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池既可以用作车、船等运载工具的动力系统，又可以用作移动式或固定式的发电站。

现有的燃料电池作为单一的车、船动力系统应用时，有以下的技术缺陷：

1.燃料电池的输出电压-电流特性曲线往往表现出极化较严重的曲线，如图1所示。就是说燃料电池输出电压随着输出电流的增加而降低较快。这主要是因为燃料电池加大电流输出时，电池内部因燃料、氧化剂的供应、扩散速度受到限制引起极化，也由于电池内部内阻、催化引起较大的极化。所以，燃料电池作为单一的车、船动力时，当车、船需求功率发生很大变化时，燃料电池输出电压会发生很大的变化，对动力控制带来了很大的麻烦；

2.燃料电池作为单一的车、船动力时，当车、船需求功率发生很大变化时，燃料电池对应的运行条件与控制参数相差很大，大大增加了燃料电池运行控制的难度；

3.燃料电池作为单一的车、船动力时，当车、船需求功率发生很大的变化时，燃料电池对应的运行条件与控制参数变化很大。运行条件，特别是温度、流量、压力、湿度的急剧变化，燃料电池的运行寿命与稳定性会受到严重的负面影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种能明显改善动力状况，成本较低的燃料电池与可以快充快放的储能装置混合动力系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池与可以快充快放的储能装置混合动力系统，其特征在于，包括燃料电池、直流-直流交换降压装置、快充快放的储能装置、负载电机，所述的燃料电池与直流-直流交换降压装置、快充快放的储能装置作并联连接。

所述的燃料电池正极端设有防止电流反极的二极管。

所述的负载电机设有控制器。

所述的快充快放的储能装置包括选自超级电容，或者高倍率充放的高能蓄电池。

所述的燃料电池输出电压由一个可自动控制电流输出的直流-直流变换器降压、稳压到降压稳压值，燃料电池输出电压低于该降压稳压值时，直接由直流-直流变换器直通输出，不再作降压、稳压处理。

所述的燃料电池在0～I₁的电流范围内，通过直流-直流变换器输出的电压始终高于快充、快放储能装置的工作输出电压。

所述的燃料电池通过直流-直流变换器输出的电流大于I₁～I₂电流范围时，燃料电池输出电压低于该DC/DC降压-稳压值时，作直通输出，并经过设计，恰好在大电流范围内工作电压与快充、快放储能装置的工作输出电压相等，并同时并联输出电流。

车、船在刹车时可以通过负载电机反转，产生反电动势优先给快充快放储能装置F充电，此时DC/DC处于关断状态。

车、船处于待命状态或滑行时，消耗功率较小，燃料电池输出电流＜I₁，此时DC/DC输出电压高于F的工作输出电压，故可以给F充电，充电电流受DC/DC控制不大于I₁；

车、船处于加速、起动状态时，燃料电池输出电流在I₁～I₂之间，燃料电池输出电压与快充快放储能装置F的输出电压始终相等，与F并联共同放电供给负载电机；车、船处于长期均匀前进时，燃料电池输出电流为处于I₁～I₂中的I_m值，此时，F的电流E放完，由燃料电池单独供电。

附图说明

图1为燃料电池典型的电压-电流输出特性曲线；

图2为本发明动力系统的示意图；

图3为本发明燃料电池单独供电时电压-电流输出特性曲线；

图4为本发明燃料电池作直通输出时电压-电流输出特性曲线。

其中，图2动力系统主要由以下等器件构成：

A：燃料电池，

B：防止电流反极的二极管，

C：DC/DC、直流-直流交换降压装置，

D：负载电机，

E：负载电机的控制器，

F：快充、快放储能装置，如：超级电容、或高倍率充放的高能蓄电池。