具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统技术方案

本发明专利技术涉及一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，该系统由以下六个子系统组成：（１）氢气供应子系统，（２）空气供应子系统，（３）冷却散热子系统，（４）控制子系统，（５）燃料电池堆电能输出子系统，（６）燃料电池堆测试与装配架子系统；所述的氢气供应子系统还包括二级低压减压阀、氢气手动排放截止阀，所述的燃料电池堆电能输出子系统还包括燃料电池自身供电系统，该自身供电系统包括蓄电池、调压模块、第一电机控制器、第二电机控制器，所述的燃料电池堆测试与装配架子系统包括工作台、压力可调压紧装置、定位导杆；与现有技术相比，本发明专利技术具有结构简单、成本较低、性能可靠等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统。
技术介绍
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。这些导流极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体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(PEMFC)可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池在用作车、船动力系统或移动式/固定式发电站时，一般用氢气为燃料，空气为氧化剂，并且根据用途的不同要求输出的净功率不等，一般净功率输出要求从几千瓦到几百千瓦。燃料电池发电系统一般由以下几个部分组成(1)燃料电池堆；(2)燃料氢气供应子系统；(3)空气供应子系统；(4)循环冷却散热子系统；(5)自动控制及电能输出子系统。整个燃料电池发电系统除了燃料电池堆以外的其他部分也可以统称为燃料电池运行支持系统。为了保证燃料电池堆的持续性、安全可靠性运行并向外输出所需的有效功率，必须给燃料电池提供足够的空气，氢气及循环冷却水(冬天采用防冻液)，因此提供空气的鼓风机或压缩机、给循环冷却水(防冻液)提供动力的水泵、散热器风扇以及电磁阀和其他控制及监控部件等燃料电池堆运行支持系统自身也必须消耗一定的功率。其中最主要的功率消耗部件是鼓风机(或压缩机)、水泵及散热器。电磁阀和其他的控制及监控部件的消耗功率只是很小的一部分。采用鼓风机供空气的燃料电池系统在系统额定净功率输出时其运行支持系统自身所消耗的总功率大约是电堆输出总功率的10％，且鼓风机及水泵都可以采用缓起动，所需的起动功率很小，因此完全可以实现自起动。而采用空气压缩机供空气的燃料电池系统在系统额定净功率输出时其运行支持系统自身所消耗的总功率大约占电堆输出总功率的20％左右，且空气压缩机起动所需的功率很大，因此实现自起动的难度相对增加。目前多数质子交换膜燃料电池发电系统在开始起动时必须要有外部电源供电，这种外部电源，可以是蓄电池，或是从电网上取电。帮助燃料电池发电系统起动一直到稳定的工作状态，等到燃料电池发电系统处于稳定的工作状态后，再切换至燃料电池自身供电。燃料电池发电系统作为车、船动力系统或移动式发电站应用时，上述二种外部电源有不可克服的技术缺陷1.从电网上取电对车用燃料电池动力系统、船用燃料电池动力系统根本就不可行，对于固定式或移动式燃料电池发电系统也非常不便，当电网停电时就根本不能起动。2.采用蓄电池起动采用蓄电池起动时就必然要在系统内加装多组供电蓄电池，增加了系统的复杂性。对于几十千瓦至几百千瓦的燃料电池发电系统，与其相匹配的起动蓄电池用量也非常巨大，增大了系统的成本，并且系统重量增加巨大，对于车用燃料电池动力系统和船用燃料电池动力系统而言，蓄电池占住了大量的空间，增加了装配难度，且重量的增加降低了燃料的经济性。上海神力科技公司专利“一种带自起动装置的燃料电池发电系统”(专利号03209953.3)提供了一种方法，这种带自起动装置的燃料电池发电系统，包括燃料电池堆、燃料氢气供应子系统、空气供应子系统、冷却散热子系统、自动控制及电能输出子系统以及自起动装置。该技术只需要携带一至二节功率、体积、重量非常小的蓄电池就可以实现燃料电池发电系统的自起动。其示意图如图1所示。图1中，4.高压氢气罐、2.空气输送泵、1.燃料电池堆、8.氢气供应电磁阀、31.空气供气电磁阀、12.氢气水汽分离器、32.空气水汽分离器、33.空气排出节流阀、41.氢气循环泵、15.冷却水(液)箱、16.冷却水(液)循环泵、17.散热器、51.电堆输出负载、30.空气减压阀、7.氢气减压阀。但该技术也有以下技术缺陷额外地增加了一些自起动装置，例如小型空气泵、空气泵电磁阀。这些器件不但导致整个燃料电池发电系统的复杂性，使得价格增高，而且当燃料电池发电系统作为车、船动力系统应用时，占据了车、船上宝贵的有效空间，降低了车、船的动力效率。另外，现有的燃料电池测试站在起动与运转时都需要外电源供电，包括其电磁阀、水泵等都必须外接电源，这样就使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有自我支持与电力输出功能的燃料电池测试系统，该系统由以下六个子系统组成：（１）氢气供应子系统，（２）空气供应子系统，（３）冷却散热子系统，（４）控制子系统，（５）燃料电池堆电能输出子系统，（６）燃料电池堆测试与装配架子系统；所述的氢气供应子系统包括高压储氢罐、氢罐手动截止阀、充氢阀、一级高压减压阀、供氢电磁阀、氢气增湿器、氢气汽水分离器、氢气定时排放电磁阀及连接管道，所述的空气供应子系统包括高压鼓风机、空气增湿器及连接管道，所述的冷却散热子系统包括冷却水储箱、冷却水循环泵、冷却水散热器、冷却水储箱排水阀及连接管道，所述的控制子系统包括中央控制器，该中央控制器集中控制供氢电磁阀、氢气定时排放电磁阀、高压鼓风机、冷却水循环泵的开启与关停，并由该中央控制器控制正常运行下的高压鼓风机及冷却水循环泵电机的转速以及氢气定时排放电磁阀的排放频率，所述的燃料电池堆电能输出子系统包括燃料电池堆、燃料电池外接负载系统，该外接负载系统包括接触器和外接负载；其特征在于，所述的氢气供应子系统还包括二级低压减压阀、氢气手动排放截止阀，所述的燃料电池堆电能输出子系统还包括燃料电池自身供电系统，该自身供电系统包括蓄电池、调压模块、第一电机控制器、第二电机控制器，所述的第一电机控制器控制起动及运行状态下的高压鼓风机，所述的第二电机控制器控制起动及运行状态下的冷却水循环泵，所述的燃料电池堆测试与装配架子系统包括工作台、压力可调压紧装置、定位导杆。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡里清，夏建伟，付明竹，章波，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]