一体化电池、包括其的一体化电池堆和一体化电池系统

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种一体化电池、包括其的一体化电池堆和一体化电池系统。 

背景技术

质子交换膜燃料电池用于备用电源或分布式电站时，需要解决氢气的来源问题。一般采用高压储氢的方式，然而，其放电的可持续性受储氢装置的规模限制，需定期补充氢气燃料。此外，也有其他方法用于提供氢气燃料：专利申请号为01120272.6的中国专利，用重整器将富氢燃料转化为氢气提供给燃料电池作为燃料，但存在以下问题，重整器需要消耗额外电力及造成热量能量损耗，重整器需要脱硫脱一氧化碳造成其系统极为复杂昂贵。专利申请号为201110126307.2的中国专利，使用市电作为能量来源通过电解电堆制氢，以提供燃料电池作为燃料，但该系统分别包含电解电堆与燃料电池堆，系统集成性较低，造成可靠性不足；不涉及系统中水的循环利用，系统可持续性不足；不涉及系统能量的综合管理，使用市电作为能量主要来源经过二次转换，造成能量效率较低。 

发明内容

本发明提供了一种一体化电池、包括其的一体化电池堆和一体化电池系统，用于解决现有技术中燃料电池堆发电系统集成性低、可靠性不足的问题。 

根据本发明的一个方面，提供了一种一体化电池，该一体化电池包括：产生氢气和氧气的电解电池；利用氢气和氧气发电的燃料电池，与电解电池共用集流板且接收由电解电池产生的氢气和氧气。 

进一步地，上述电解电池包括依次贴合连接的第一集流板、电解阳极电极、第一质子交换膜、电解阴极电极和第二集流板；燃料电池包括依次贴合连接的第二集流板、燃料阳极电极、第二质子交换膜、燃料阴极电极、石墨板、燃料电池冷却腔和第三集流板。 

进一步地，上述一体化电池还包括端板，端板包括与第一集流板远离电解阳极电极一侧贴合的第一端板以及与第三集流板远离燃料电池冷却腔一侧贴合的第二端板。 

根据本发明的另一方面，还提供了一种一体化电池堆，该一体化电池堆包括：产生氢气和氧气的电解电池堆，包括一个或多个电解电池；利用氢气和氧气发电的燃料电池堆，与电解电池堆相连，接收由电解电池堆产生的氢气和氧气，燃料电池堆包括一个或多个燃料电池，并与电解电池堆共用第二集流板。 

进一步地，上述一体化电池堆还包括端板，端板包括远离电解阳极电极并与第一集流板贴合的第一端板以及远离燃料电池冷却腔并与第三集流板贴合的第二端板。 

根据本发明的又一方面，还提供了一种一体化电池系统，该一体化电池系统包括：上述的一体化电池堆；向一体化电池堆的电解电池堆供水的供水系统，与电解电池堆相连；向一体化电池堆的燃料电池堆提供冷却水的冷却水系统，与燃料电池堆相连；将电解电池堆产生的氢气输送到燃料电池堆的氢气系统，连接在一体化电池堆中电解电池堆和燃料电池堆之间；将电解电池堆产生的氧气输送到燃料电池堆的氧气系统，连接在一体化电池堆中电解电池堆和燃料电池堆之间；以及处理燃料电池堆产生的尾气的尾气处理系统，与燃料电池堆相连。 

进一步地，上述供水系统包括第一水箱，第一水箱与电解电池堆的电解阳极电极相连。 

进一步地，上述第一水箱与电解阳极电极之间的流路上设置有第一水泵。 

进一步地，上述氧气系统包括：第一气水分离器，具有第一进口和第一气体出口，第一进口与电解电池堆的电解阳极电极相连；氧气储罐，具有氧气进口和氧气出口，氧气进口与第一气水分离器的第一气体出口相连，氧气出口与燃料电池堆的燃料阳极电极相连；上述氢气系统包括：第二气水分离器，具有第二进口和第二气体出口，第二进口与电解电池堆的电解阴极电极相连；氢气储罐，具有氢气进口和氢气出口，氢气进口与第二气水分离器的第二气体出口相连，氢气出口与燃料电池堆的燃料阴极电极相连。 

进一步地，上述氧气系统还包括：第一散热器，设置在第一气水分离器与电解阳极电极之间的连接流路上；氧气压缩机，设置在第一气水分离器与氧气储罐之间的连接流路上；上述氢气系统还包括：第二散热器，设置在第二气水分离器与电解阴极电极之间的连接流路上；氢气压缩机，设置在第二气水分离器与氢气储罐之间的连接流路上。 

进一步地，上述第一气水分离器和第二气水分离器分别具有与第一水箱相连的第一液体出口和第二液体出口。 

进一步地，上述冷却水系统包括第二水箱、第二水泵和第三散热器，第二水箱通过第二水泵与燃料电池冷却腔的入口相连，并通过第三散热器与燃料电池冷却腔的出口相连。 

进一步地，上述尾气系统包括：第三气水分离器，具有第三进口、第三液体出口和尾气排出口，第三进口与燃料电池堆的燃料阳极电极和燃料阴极电极相连；第三水箱，与第三气水分离器的第三液体出口相连。 

进一步地，上述尾气系统还包括设置在靠近第三气水分离器的第三进口处的缓冲罐，缓冲罐分别与燃料电池堆的燃料阳极电极和燃料阴极电极相连。 

进一步地，上述第三水箱通过第三水泵与第一水箱和第二水箱相连。 

进一步地，上述一体化电池系统还包括控制系统，控制系统包括：控制氢气和氧气在电解电池堆和燃料电池堆的输送的气体控制模块，与氧气系统和氢气系统相连；控制液体在一体化电池系统中的流动状态的液体控制模块，与氧气系统、氢气系统、冷却水系统以及供水系统相连；控制尾气的排放的尾气控制模块，与缓冲罐相连。 

进一步地，上述气体控制模块判断燃料电池堆是否需要供电，若是，则向燃料电池堆提供氢气和氧气。 

进一步地，上述液体控制模块包括：第一子模块，判断第一气水分离器的水位是否高于预设值Q，若高于，则第一气水分离器以预设值V向第一水箱补水；第二子模块，判断第二气水分离器的水位是否高于预设值Q，若高于，则第二气水分离器以预设值V向第一水箱补水；第三子模块，判断第三气水分离器的水位是否高于预设值Q，若高于，则第三气水分离器以预设值V向第三水箱补水；第四子模块，在燃料电池堆工作过程中，判断第二水箱的水位是否低于预设值X2，若低于预设值X2，进一步判断第三水箱的水位是否低于预设值M，若高于预设值M，则第三水箱以预设值M向第二水箱补水，否则或补水后第二水箱的水位仍然低于预设值X2时，燃料电池堆停止工作，并向用户界面反馈第二水箱的水位不足的信息；第五子模块，在燃料电池堆工作过程中，判断第三水箱的水位是否高于预设值X1，若高于，第三水箱向第一水箱补水至第三水箱的水位低于预设值X1；第六子模块，在电解电池堆工作过程中，判断第一水箱的水位是否低于预设值X3，若低于预设值X3，进一步判断第三水箱的水位是否高于预设值X1，若高于预设值X1，则第三水箱以预设值M向第一水箱补水，若第三水箱向第一水箱补水后水位仍然低于预设值X3，由外界向第一水箱补水，预设值X1大于预设值M。 

进一步地，上述第一子模块、第二子模块和第三子模块相互不影响，且第一子模块、第二子模块和第三子模块的级别优于第四子模块，第四子模块的级别优于第五子模块，第五子模块的级别优于第六子模块。 

进一步地，上述尾气控制模块控制缓冲罐中的氧气尾气的量大于氢气尾气的量。 

本发明将电解电池和燃料电池一体化设置形成一体化电池，减少了集流板的使用数量，大大节约了成本；一体化设置后其集成性较高，便于对一体化电池管理和维护；在电解电池产生的氢气近距离输送到燃料电池中供燃料电池发电过程中可靠性增强；而且氧气的利用避免了利用空气时需要将空气进行纯化的复杂过程，利用纯氧作为反应气进一步提高了电池的输出电压。 

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。 

附图说明

附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明，附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中： 

图1示出了根据本发明的一体化电池的结构示意图；以及 

图2示出了根据本发明的一体化电池系统的结构示意图。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的说明， 但如下实施例以及附图仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。 

在本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种一体化电池，该一体化电池包括产生氢气和氧气的电解电池和利用氢气和氧气发电的燃料电池，燃料电池与电解电池共用集流板且接收由电解电池产生的氢气和氧气。 

本发明将电解电池和燃料电池一体化设置形成一体化电池，减少了集流板的使用数量，大大节约了成本；一体化设置后其集成性较高，便于对一体化电池管理和维护；在电解电池产生的氢气近距离输送到燃料电池中供燃料电池发电过程中可靠性增强；而且氧气的利用避免了利用空气时需要将空气进行纯化的复杂过程，利用纯氧作为反应气进一步提高了电池的输出电压。 

在本发明的一种优选的实施例中，如图1所示，一体化电池的电解电池包括依次贴合连接的第一集流板21、电解阳极电极31、第一质子交换膜41、电解阴极电极32和第二集流板22；一体化电池的燃料电池包括依次贴合连接的第二集流板22、燃料阳极电极33、第二质子交换膜42、燃料阴极电极34、石墨板10、燃料电池冷却腔20和第三集流板23。具有上述结构的一体化电池的结构比较紧凑，集成度更高更易进行电源的管理。 

本发明的一体化电池还包括端板，端板包括与第一集流板21远离电解阳极电极31一侧贴合的第一端板11以及与第三集流板23远离燃料电池冷却腔20一侧贴合的第二端板12。端板的设置不仅增大了电解电池和燃料电池的集成度，而且，增加了一体化电池的集成度，从而进一步增加了一体化电池的可靠性；而且由于将电解电池和燃料电池一体化设置，使原有至少使用四个端板减少为两个端板，很大程度上减少了一体化电池的制作成本。 

在本发明的另一种典型的实施方式中，还提供了一种一体化电池堆，该一体化电池堆包括：产生氢气和氧气的电解电池堆，包括一个或多个电解电池；利用氢气和氧气发电的燃料电池堆，与电解电池堆相连，接收由电解电池堆产生的氢气和氧气，燃料电池堆包括一个或多个燃料电池，并与电解电池堆共用第二集流板22。 

将一个或多个电解电池和一个或多个燃料电池组合作为一体化电池堆，增强了一体化电池堆的发电能力；而且，电解电池的个数和燃料电池的个数可以依据用户的充电能力和供电需求进行调整；同时，也能实现和一体化电池相同的节约制作成本的效果。 

具有上述结构的一体化电池堆还包括端板，该端板包括远离电解阳极电极31并与第一集流板21贴合的第一端板11以及远离燃料电池冷却腔20并与第三集流板23贴合的第二端板12。利用两个端板将电解电池堆和燃料电池堆更好地集成在一起，结构简单易于实现。 

在本发明的又一种典型的实施方式中，还提供了一种一体化电池系统，一体化电池系统包括：上述一体化电池堆；向一体化电池堆的电解电池堆供水的供水系统，与电解电池堆相连；向一体化电池堆的燃料电池堆提供冷却水的冷却水系统，与燃料电池堆相连；将电解电池堆产生的氢气输送到燃料电池堆的氢气系统，连接在一体化电池堆中电解电池堆和燃料电池堆之间；将电解电池堆产生的氧气输送到燃料电池堆的氧气系统，连接在一体化电池堆中电解电池堆和燃料电池堆之间；以及处理燃料电池堆产生的尾气的尾气处理系统，与一体化电池堆中燃料电池堆相连。 

如图2所示，由于本发明的一体化电池堆的集成度较高，因此供水系统、冷却水系统、氢气系统、氧气系统和尾气系统可以和一体化电池堆的近距离设置，增强了一体化电池系统的集成度，节约了建立输送管道所用的材料，减少了输送过程的耗能和损失，近距离供水以及近距离气体输送使一体化电池系统的可靠性得到进一步增强。 

在本发明一种优选的实施例中，上述一体化电池系统的供水系统包括第一水箱51，第一水箱51与电解电池堆的电解阳极电极31相连。采用水箱供水可以及时、充足供应向电解电池堆产生氢气和氧气所需的水源。 

为了实现电解电池堆工作的稳定性，本发明优选在第一水箱51与电解阳极电极31之间的流路上设置有第一水泵91。 

在本发明一种优选的实施例中，上述一体化电池系统的氧气系统包括：第一气水分离器61，具有第一进口和第一气体出口，第一进口与电解电池堆的电解阳极电极31相连；氧气储罐101，具有氧气进口和氧气出口，氧气进口与第一气水分离器61的第一气体出口相连，氧气出口与燃料电池堆的燃料阳极电极33相连；上述氢气系统包括：第二气水分离器62，具有第二进口和第二气体出口，第二进口与电解电池堆的电解阴极电极32相连；氢气储罐102，具有氢气进口和氢气出口，氢气进口与第二气水分离器62的第二气体出口相连，氢气出口与燃料电池堆的燃料阴极电极34相连。 

由电解电池堆产生的氢气或氧气从电解电池堆输出后直接利用气水分离器将未反应的水与氢气或氧气进行分离得到纯净的氢气或氧气，然后将氢气或氧气储存在储罐中备用，当储罐中的气体量达到设定的储罐的最大容积时可以停止向电解电池堆供水；当燃料电池供电时，利用管路将氢气和氧气输送倒燃料电池堆中进行发电。 

优选地，上述实施例中的氧气系统还包括：第一散热器71，设置在第一气水分离器61与电解阳极电极31之间的连接流路上；氧气压缩机81，设置在第一气水分离器61与氧气储罐101之间的连接流路上；上述实施例中的氢气系统还包括：第二散热器72，设置在第二气水分离器62与电解阴极电极32之间的连接流路上；氢气压缩机82，设置在第二气水分离器62与氢气储罐102之间的连接流路上。设置散热器将从电解电池堆中输出的气水混合物快速冷却，提高了电解电池堆的供电效率；压缩机压缩后将气体压缩后进入储罐内，可以加快气体的输送速度还可以增加储罐的气体容纳量，以及为气体从储罐输送到燃料电池堆时提供动力。 

在本发明又一种优选的实施例中，本发明的第一气水分离器61和第二气水分离器62分别具有与第一水箱51相连的第一液体出口和第二液体出口。将第一气水分离器61和第二气水分离器62与第一水箱51相连，实现了水的回收利用，大大节约了用水量。 

在本发明又一种优选的实施例中，本发明的一体化电池系统的冷却水系统包括第二水箱52、第二水泵92和第三散热器73，第二水箱52通过第二水泵92与燃料电池冷却腔20的入口相连，并通过第三散热器73与燃料电池冷却腔20的出口相连。单独设置向燃料电池冷却腔供水的冷却水系统，能够及时地对燃料电池堆进行降温，使其稳定工作；将冷却水重复利用，进一步节约了冷却水的用量。 

在本发明又一种优选的实施例中，本发明的一体化电池系统的尾气系统包括：第三气水分离器63，具有第三进口、第三液体出口和尾气排出口，第三进口与燃料电池堆的燃料阳极电极33和燃料阴极电极34相连；第三水箱53，与第三气水分离器63的第三液体出口相连。 

通过尾气系统的第三气水分离器63将燃料电池堆中产生的气体和液体分离，将少量的氢气和氧气排入大气不会对环境产生任何污染，对分离出的水进行回收已进行再利用，进一步节约了成本。 

上述实施例中的尾气系统还包括设置在靠近第三气水分离器63的第三进口处的缓冲罐111，该缓冲罐111分别与燃料电池堆的燃料阳极电极33和燃料阴极电极34相连。在气水分离器63与燃料电池堆之间设置缓冲罐111将含有氢气的气水混合物与含有氧气的气水混合物预先混合，然后通过同一个气水分离器即可实现气水分离。 

在本发明又一种优选的实施例中，本发明的一体化电池系统的第三水箱53通过第三水泵93与第一水箱51和第二水箱52相连。将第三水箱53与第一水箱51和第二水箱52相连，实现了第三水箱53对第一水箱51和第二水箱52的补水，进一步提高了水的利用效率。 

在本发明又一种优选的实施例中，本发明的一体化电池系统还包括控制系统，控制系统包括：控制氢气和氧气在电解电池堆和燃料电池堆的输送的气体控制模块，与氧气系统和氢气系统相连；控制液体在一体化电池系统中的流动状态的液体控制模块，与氧气系统、氢气系统、冷却水系统以及供水系统相连；控制尾气的排放的尾气控制模块，与缓冲罐111相连。由于本发明的一体化电池系统一般是用于户外，人工现场存在一定的难度，也难以达到较高的效率，因此设置了上述控制系统，控制通过控制系统对一体化电池系统的控制保证了一体化电池系统的稳定、安全、高效地工作。 

上述实施例中的气体控制模块判断燃料电池堆是否需要供电，若是，则向燃料电池堆提供氢气和氧气。对气体模块进行逻辑设计，实现了一体化电池系统工作的智能化。 

上述实施中的液体控制模块包括：第一子模块，判断第一气水分离器61的水位是否高于预设值Q，若高于，则第一气水分离器61以预设值V向第一水箱51补水；第二子模块，判断第二气水分离器62的水位是否高于预设值Q，若高于，则第二气水分离器62以预设值V向第一水箱51补水；第三子模块，判断第三气水分离器63的水位是否高于预设值Q，若高于，则第三气水分离器63以预设值V向第三水箱53补水；第四子模块，在燃料电池堆工作过程中，判断第二水箱52的水位是否低于预设值X2，若低于预设值X2，进一步判断第三水箱53的水位是否低于预设值M，若高于预设值M，则第三水箱53以预设值M向第二水箱52补水，否则或补水后第二水箱52的水位仍然低于预设值X2时，燃料电池堆停止工作，并向用户界面反馈第二水箱52的水位不足的信息；第五子模块，在燃料电池堆工作过程中，判断第三水箱53的水位是否高于预设值X1，若高于，第三水箱53向第一水箱51补水至第三水箱53的水位低于预设值X1；第六子模块，在电解电池堆工作过程中，判断第一水箱51的水位是否低于预设值X3，若低于预设值X3，进一步判断第三水箱53的水位是否高于预设值X1，若高于预设值X1，则第三水箱53以预设值M向第一水箱51补水，若第三水箱53向第一水箱51补水后水位仍然低于预设值X3，由外界向第一水箱51补水，预设值X1大于预设值M。 

第一子模块、第二子模块和第三子模块控制气水分离器向水箱的补水过程，既可以保证气水分离器的稳定工作，还可以实现水箱内水量的及时补充；第四子模块通过确保冷却水的重组保证了燃料电池堆的安全稳定工作；第五子模块控制第三水箱53向第一水箱51的补水过程，使第三水箱53中的水能够及时地补充至第一水箱51，避免了水资源的浪费或第一水箱51水量的不足；第六子模块通过逻辑控制使第三水箱53以及外界向第一水箱51补水，既实现了一体化电池系统内水的循环利用节约水资源成本，又能通过外界向第一水箱51补水保证向电解电池堆及时供水。 

本发明在保证一体化电池系统稳定工作的前提下，为了更有效地循环利用系统中的水资源，对上述六个字模块的优先级别进行了如下设计：第一子模块、第二子模块和第三子模块相互不影响，且第一子模块、第二子模块和第三子模块的级别优于第四子模块，第四子模块的级别优于第五子模块，第五子模块的级别优于第六子模块。

从燃料电池堆的尾气中氢气和氧气的量很少，但是为了进一步保证在一体化电池系统高效工作时氢气和氧气的积累造成危险，本发明的一体化电池系统的尾气控制模块控制缓冲罐111中的氧气尾气的量大于氢气尾气的量。可以通过控制氢气和氧气向缓冲罐111的流速实现氧气尾气的量大于氢气的量使氢气的体积含量远低于爆炸极限，保证了一体化电池系统的安全稳定工作。 

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。