一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法技术方案

本发明专利技术公开一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法，燃料电池系统包括发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池内设有催化剂；所述催催化剂活化模块，包括IGBT和IGBT驱动控制保护电路；充电放电模块，包括超级电容、第一控制开关和充电放电控制电路，所述超级电容与第一控制开关串联，所述充电放电控制电路与超级电容两端并联以及主控模块，包括主控电路。所述方法包括以下步骤：1）向反应电堆输入空气；2）净化反应电堆；3）超级电容充电；4）润湿质子交换膜；5）催化剂活化；6）为负载供电。本发明专利技术既能有效提高燃料电池系统的发电性能，又能以持续稳定功率输出为负载供电，延长负载的使用寿命。

A Fuel Cell System and a Method of Sustainable and Stable Power Output

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法
本专利技术涉及发电设备
，特别涉及一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法。
技术介绍
氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是CO2和SO2，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢燃烧后唯一的产物是水，是非常环保的能源。随着技术的发展，氢气在产业中的应用越来越广泛，例如合成氨工业和石油精制加氢工业等等，除此之外，氢气还可用于发电，随着时代进步，涌现出一批燃料电池，该燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应产生电能，如图1所示，在燃料电池4的负极：2H2→4H++4e-，H2分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜42进入正极，电子经外部负载进入正极，在燃料电池的正极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O，而一般而言，这一反应过程中是需要在质子交换膜42中的催化剂催化下提高反应速率。由于在燃料电池4的正极中质子交换膜42中的催化剂能与氧气接触，这样使催化剂容易与氧气生成氧化物而失去催化剂的活性，导致燃料电池4的发电性能下降，降低燃料电池4的使用寿命。针对这一问题，专利技术人提出一种提高发电性能的燃料电池系统，该燃料电池系统内设有催化剂活化模块2，所述催化剂活化模块2在催化剂活化期间能使燃料电池4的正极和负极之间发生短路，以使燃料电池4内的质子交换膜42瞬间获取大电流，从而使质子交换膜42的催化剂层中的氧化物重新被还原以此活化成催化剂，即催化剂活化期间所述负载14处于断路状态，而催化剂活化的时间很短，且次数多，这样就会导致负载14在一端时间内不停开合，如此会使负载14容易损坏，降低负载14的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对上述现有技术中的不足，提供一种燃料电池系统及持续稳定功率输出的方法，其既能有效提高燃料电池系统的发电性能，又能以持续稳定功率输出为负载供电，减少负载损坏的机率，延长负载的使用寿命。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种燃料电池系统，包括发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路供电；所述燃料电池包括多个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道和空气输送通道，氢气输送通道与空气输送通道之间设有质子交换膜，所述质子交换膜中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；催化剂活化模块，用于为燃料电池提供瞬间大电流以活化燃料电池内的催化剂，包括IGBT和IGBT驱动控制保护电路；主控模块，用于控制发电模块、催化剂活化模块和充电放电模块的工作，包括主控电路；充电放电模块，用于存储燃料电池产生的电能，并在催化剂活化期间为负载供电，包括超级电容和充电放电控制电路，所述充电放电控制电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路根据主控电路发出的主控信号对超级电容进行充放电控制，根据主控信号调整充放电电流；所述负载电路的一端与燃料电池的正极连接，所述负载电路的另一端与燃料电池的负极连接，所述充电放电模块和IGBT分别与负载电路并联，所述IGBT的集电极分别与燃料电池的正极连接，所述IGBT的发射极分别与燃料电池的负极连接，所述IGBT的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路一端与燃料电池正极连接，所述充电放电控制电路另一端与超级电容正极连接，所述的超级电容负极与燃料电池的负极连接。作为一种优选方案，所述燃料电池系统还包括用于将燃料电池输出的电压转换成一定电压值的直流转换模块，所述直流转换模块的一侧与燃料电池的两端连接，所述直流转换模块的另一侧与负载电路的两端连接，所述负载电路包括负载和开关，所述开关的一端与燃料电池的正极连接，所述开关的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端与燃料电池的负极连接。作为一种优选方案，所述发电模块还包括正极板和负极板，在氢气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阳极片；在空气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。作为一种优选方案，所述发电模块还包括氢气输气管道、泄气管道和排气管道，所述氢气输气管道与氢气输送通道连通，所述泄气管道和排气管道均与外界空气连通，所述空气输送通道上开设有多个空气进气口，所述氢气自氢气输气管道进入氢气输送通道，在质子交换膜中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜到达空气输送通道，所述负电子经负载电路或IGBT后到达空气输送通道，空气自空气进气口进入空气输送通道，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道中排出。作为一种优选方案，所述发电模块还包括输气电磁阀、泄气电磁阀、排气电磁阀、空气过滤网和送气风扇，所述输气电磁阀安装于氢气输气管道上以控制氢气输气管道的通断，所述泄气电磁阀设于泄气管道上，且所述泄气电磁阀设于输气电磁阀的前端，以使氢气在氢气输气管道超压时经泄气管道泄放；所述排气电磁阀安装于排气管道上以控制排气管道的通断，所述空气过滤网设于燃料电池的一侧，所述送气风扇设于燃料电池的另一侧，所述送气风扇将空气经空气过滤网后自空气进气口送入空气输送通道，并带走反应电堆反应产生的部分热量。一种持续稳定功率输出的方法，基于如上所述燃料电池系统，方法包括以下步骤：1）向反应电堆输入空气：启动发电模块，启动送气风扇使空气经空气进气口进入燃料电池的空气输送通道；2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经氢气输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气电磁阀打开使燃料电池的氢气输送通道内气体经排气管道排出，以达到净化反应电堆的目的；3）超级电容充电：燃料电池与超级电容连接，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流，小电流在充电放电控制电路控制下为超级电容充电，以达到为超级电容充电的目的；4）润湿质子交换膜：开关闭合，在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生小电流/在主控模块和充电放电控制电路的控制下使超级电容释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜；5）催化剂活化：IGBT驱动控制保护电路控制使IGBT的集电极和发射极连通使燃料电池内的质子交换膜瞬间获得大电流，促使质子交换膜内的催化剂活化；6）为负载供电：在主控模块的控制下使燃料电池内反应电堆发生反应产生的电流逐步增大直至负载电流达到负载电流阈值为止，之后，燃料电池持续运行为负载供电；其中，步骤5）在步骤4）的过程中间隔发生1-15次，在步骤5）期间，所述超级电容在主控模块和充电放电控制电路的控制下释放小电流经负载流向燃料电池中质子交换膜，使质子交换膜内部发生反应产生反应水化物润湿质子交换膜。作为一种优选方案，所述持续稳定功率输出的方法，包括以下步骤：1）向反应电堆输入空气：启动发电模块，启动送气风扇使空气经空气进气口进入燃料电池的空气输送通道；2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池系统，其特征在于：包括发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路供电；所述燃料电池包括多个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道和空气输送通道，氢气输送通道与空气输送通道之间设有质子交换膜，所述质子交换膜中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；催化剂活化模块，用于为燃料电池提供瞬间大电流以活化燃料电池内的催化剂，包括IGBT和IGBT驱动控制保护电路；主控模块，用于控制发电模块、催化剂活化模块和充电放电模块的工作，包括主控电路；充电放电模块，用于存储燃料电池产生的电能，并在催化剂活化期间为负载供电，包括超级电容和充电放电控制电路，所述充电放电控制电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路根据主控电路发出的主控信号对超级电容进行充放电控制，根据主控信号调整充放电电流；所述负载电路的一端与燃料电池的正极连接，所述负载电路的另一端与燃料电池的负极连接，所述充电放电模块和IGBT分别与负载电路并联，所述IGBT的集电极分别与燃料电池的正极连接，所述IGBT的发射极分别与燃料电池的负极连接，所述IGBT的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路一端与燃料电池正极连接，所述充电放电控制电路另一端与超级电容正极连接，所述的超级电容负极与燃料电池的负极连接。...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，其特征在于：包括发电模块，包括燃料电池，所述燃料电池用于氢气及空气中的氧气发生电化学反应产生电能，所产生的电能为负载电路供电；所述燃料电池包括多个反应电堆，所述反应电堆包括氢气输送通道和空气输送通道，氢气输送通道与空气输送通道之间设有质子交换膜，所述质子交换膜中含有催化剂，所述催化剂用于加快氢气及空气中的氧气之间的电化学反应速率；催化剂活化模块，用于为燃料电池提供瞬间大电流以活化燃料电池内的催化剂，包括IGBT和IGBT驱动控制保护电路；主控模块，用于控制发电模块、催化剂活化模块和充电放电模块的工作，包括主控电路；充电放电模块，用于存储燃料电池产生的电能，并在催化剂活化期间为负载供电，包括超级电容和充电放电控制电路，所述充电放电控制电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路根据主控电路发出的主控信号对超级电容进行充放电控制，根据主控信号调整充放电电流；所述负载电路的一端与燃料电池的正极连接，所述负载电路的另一端与燃料电池的负极连接，所述充电放电模块和IGBT分别与负载电路并联，所述IGBT的集电极分别与燃料电池的正极连接，所述IGBT的发射极分别与燃料电池的负极连接，所述IGBT的门极与IGBE驱动控制保护电路连接，所述IGBE驱动控制保护电路与主控电路连接，所述充电放电控制电路一端与燃料电池正极连接，所述充电放电控制电路另一端与超级电容正极连接，所述的超级电容负极与燃料电池的负极连接。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统，其特征在于：还包括用于将燃料电池输出的电压转换成一定电压值的直流转换模块，所述直流转换模块的一侧与燃料电池的两端连接，所述直流转换模块的另一侧与负载电路的两端连接，所述负载电路包括负载和开关，所述开关的一端与燃料电池的正极连接，所述开关的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端与燃料电池的负极连接。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括正极板和负极板，在氢气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阳极片；在空气输送通道的一侧，质子交换膜电性连接有膜阴极片；所述正极板与反应电堆中的膜阴极片电性连接，所述负极板与反应电堆中的膜阳极片电性连接。4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括氢气输气管道、泄气管道和排气管道，所述氢气输气管道与氢气输送通道连通，所述泄气管道和排气管道均与外界空气连通，所述空气输送通道上开设有多个空气进气口，所述氢气自氢气输气管道进入氢气输送通道，在质子交换膜中的催化剂催化下，氢气生成氢质子和负电子，所述氢质子通过质子交换膜到达空气输送通道，所述负电子经负载电路或IGBT后到达空气输送通道，空气自空气进气口进入空气输送通道，氢质子、负电子和空气中的氧气反应生成水蒸汽，水蒸汽及余下未反应的氢气自排气管道中排出。5.根据权利要求4所述的一种燃料电池系统，其特征在于：所述发电模块还包括输气电磁阀、泄气电磁阀、排气电磁阀、空气过滤网和送气风扇，所述输气电磁阀安装于氢气输气管道上以控制氢气输气管道的通断，所述泄气电磁阀设于泄气管道上，且所述泄气电磁阀设于输气电磁阀的前端，以使氢气在氢气输气管道超压时经泄气管道泄放；所述排气电磁阀安装于排气管道上以控制排气管道的通断，所述空气过滤网设于燃料电池的一侧，所述送气风扇设于燃料电池的另一侧，所述送气风扇将空气经空气过滤网后自空气进气口送入空气输送通道，并带走反应电堆反应产生的部分热量。6.一种持续稳定功率输出的方法，其特征在于：基于如权利要求1-5任一项所述燃料电池系统，方法包括以下步骤：1）向反应电堆输入空气：启动发电模块，启动送气风扇使空气经空气进气口进入燃料电池的空气输送通道；2）净化反应电堆：输气电磁阀打开使氢气经氢气输气管道进入燃料电池的氢气输送通道，同时排气...

【专利技术属性】
技术研发人员：向德成，欧科军，
申请(专利权)人：广东亚氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44