电堆/DC-DC变换器模块和采用该模块的燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种电堆／ＤＣ－ＤＣ变换器模块和采用该模块的燃料电池，每个模块均包括一个小电堆和与该小电堆对应的一个ＤＣ－ＤＣ转换器，所述的小电堆和对应的ＤＣ－ＤＣ转换器集成为一个有机整体，形成一个模块。本发明专利技术便于实现燃料电池中出现故障的小电堆或ＤＣ－ＤＣ转换器的更换和维修，且不会影响输出电压，而且可以提高生产效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，具体来说是提供了独特的电堆/DC-DC变 换器一体式模块的燃料电池系统，提高了燃料电池的可靠性和可操作 性，适合于各类燃料电池。
技术介绍
为了解决环境污染和化石燃料日益枯竭的迫切问题，世界各国都 对燃料电池进行了广泛的关注，因为燃料电池是一种高效清洁能源， 对环境没有或只有很小的污染，并能用可再生性物质如氢气和甲醇做 为燃料。很多国家尤其是发达国家已投入了大量的人力物力和财力对 燃料电池进行广泛的研究和开发。作为发展中国家的中国也加大了对 燃料电池研发的投入。很多省市已把开发燃料电池提升到了战略高 度，并把开发燃料电池作为最重要的研发方向之一。燃料电池是一种电化学能量转换器，把燃料(和氧气)中的化 学能直接转化成电能。电堆是燃料电池系统中的核心部分。电堆是由 若干单片膜电极(和其他部件如双极板、气体扩散层等)摞加在一起 组成。 一个电堆中可能有几百片膜电极、双极板、和气体扩散层。燃 料在电堆的阳极被氧化，氧气在电堆的阴极被还原。只要有燃料和氧 气不停地输入，燃料电池就能源源不断地产生电能。反应式(1)表 述了氢气在阳极的氧化过程，反应式(2)表述了甲醇在阳极的氧化过程，反应式(3)表述了相应的氧气在阴极的还原过程H2 = + 2e- (1) CH3OH + H20 = C02 + + 6e- (2) 02 + 4H+ + 4e' = 2H20 (3)电堆是一个燃料电池系统的核心部分，在燃料电池系统的性能、 可靠性和寿命方面起着决定性的作用。 一般一个燃料电池系统只有一 个电堆，如果该电堆出了故障，整个燃料电池系统就无法工作。同此， 电堆中任何一个零部件出了故障，整个电堆就不能正常工作。由于一 个电堆可能有几百片膜电极、双极板、和气体扩散层等零部件，可想 而知， 一个电堆出故障的几率是很大的。电堆的可靠性不能满足要求 是制约燃料电池商业化的一个主要原因。为了避免电堆中的一个零部件的失效就必须把整个电堆从燃料 电池系统中取下维修而使得整个燃料电池系统不能工作，美国公司 Relion专利技术了模块式电堆结构，其基本点可参阅美国专利6030718。 在这种结构中， 一个电堆被分成了几个小电堆，当一个小电堆由于某 个零部件失效而不能正常工作时，只需把这个小电堆抽出，而其余电 堆仍能正常工作。这样，整个燃料电池系统也就仍能维持正常工作。 如果有备用的小电堆，当不正常的小电堆被抽出后，备用的小电堆可 以立即插入，保证燃料电池系统的正常功率输出。Relion燃料电池系统采用了常规的电堆串联后的总输出再和 DC-DC转换器总输入连接，变换器之间并联，每个小电堆和DC-DC转换 器是单独的。小电堆与DC-DC转换器上下排列，当一个失效的小电堆被抽出时，电堆之间通过控制开关将故障或抽出的电堆自动切除系 统，而正常电堆通过开关仍保持连接，DC-DC转换器仍在原处。另外，为了节省材料几个小电堆可能共享一个DC-DC转换器。这种设计的缺点是当失效的小电堆被抽出后电堆的总输出电压会下降，和其连接的DC-DC转换器要重新调整以适应输出电能的变化。这种调整可能会引 起输出电压的不稳，甚至引起故障，此外，串联开关增加了损耗，而 一旦出现故障，系统将瘫痪。另外，由于几个小电堆可能共享一个 DODC转换器，若该DC-DC转换器出了故障，所有这些小电堆都不能正 常工作。再次，在更换小电堆或DODC转换器的过程中，小电堆和DC-DC 转换器的连接可能会遭到损坏。
技术实现思路
针对目前的电堆和DC-DC转换器不同的使用方式存在的上述问 题，本专利技术的目的在于提供一种电堆/DC-DC变换器一体式集成模块。本专利技术采用如下技术方案 一种电堆/DC-DC变换器模块，包括 一个小电堆和与该小电堆对应的一个DC-DC转换器，所述的小电堆和 对应的DC-DC转换器集成为一个有机整体，形成一个模块。本专利技术还提供了一种采用上述模块的燃料电池，该电池由多个电 堆/DC-DC转换器模块组成，每一个电堆/DC-DC转换器模块均为由一 个小电堆和一个DC-DC转换器集成的一个有机整体。所述的燃料电池中的电堆/DC-DC转换器模块可以采用插装结构 组装在一起，以便于进行进行插拔式安装和更换，当某一个模块中小 电堆或DC-DC转换器损坏时，可以方便地将该电堆/DC-DC转换器模块整体拔下，以及方便地把好的电堆/DC-DC转换器模块插上进行更换。上述插拔更换可以在燃料电池系统运行中进行而不影响该系统的 正常工作。这种更换可被称为"热更换"或"在线更换"。所述的构成燃料电池的多个电堆/DC-DC转换器模块中，虽然各 模块可以任意组放，但比较理想的方式是采用相邻的模块以DC-DC转 换器相挨的方式排列。所述的燃料电池可以为质子膜燃料电池、甲醇燃料电池、碱性燃 料电池、磷酸燃料电池、熔融盐燃料电池或固体氧化物燃料电池等各 种燃料电池。本专利技术的有益效果在于每一个小电堆都有对应它自己的DC-DC 转换器，而且，每一个小电堆和它自己的DC-DC转换器连接成一个有 机整体。不论是该小电堆出了故障、还是与之相连的DC-DC转换器出 了故障，该小电堆/DODC转换器模块是作为一个整体被拿下，换上 一个好的小电堆/DC-DC转换器模块。这样，虽然在拿下和换上暂短 时间内整个燃料电池系统的输出功率有所降低，但输出的电压不会波 动，也不会引起故障，更不能出现小电堆和DC-DC转换器的连接遭到 损坏的情况。其次，本专利技术所述电堆/DC-DC变换器一体式模块组成 的燃料电池系统在系统整合的过程中，小电堆/DC-DC转换器整体可 以有很多的排列方式，使用更加灵活。第三，本专利技术所述电堆/DC-DC 变换器模块一体式的燃料电池系统在系统整合的过程中费时少，可以 提高生产效率，从而降低燃料电池系统的成本。 附图说明图1为本专利技术的一个电堆/DC-DC变换器模块的示意图。图2为燃料电池系统中部分电堆/DC-DC变换器模块的排列方式示意图。具体实施例方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步详细描述，以助于理解本 专利技术的内容。如图1所示是一个电堆/DC-DC变换器模块的示意图，包括一个 小电堆2和与该小电堆对应的一个DC-DC转换器1，所述的小电堆2 和对应的DC-DC转换器l集成为一个有机整体， 一个模块，而且可以 被封装在一个壳体内。如图2所示是一个由四个模块构成的燃料电池系统的结构示意 图，四个独立的电堆/DC-DC变换器模块10、 20、 30、 40，每一个模 块均为由一个小电堆和该小电堆对应的一个DC-DC转换器集成的一 个有机整体，均采用同样的外型和规格尺寸以保证互换性。各模块采 用插拔结构装在一起。四个小电堆/DC-DC转换器模块10、 20、 30、 40在图2中排列成上下和左右的方式。对于上下排列的两个小电堆 /DC-DC转换器模块10和30以及20和40，两个DC-DC转换器11与 31上下挨在一起，DC-DC转换器21与41上下挨在一起。这样的排列 使这两个DC-DC转换器挨得最近，便于它们的进一步连接，同时，减 小了通过其他连接方式而必须用较长导线时的能量损耗。同理，左右 排列的两个两个DC-DC转换器由于也挨得最近，起到同样的效果。而 对于Relion的模块式燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电堆／ＤＣ－ＤＣ变换器模块，包括一个小电堆和与该小电堆对应的一个ＤＣ－ＤＣ转换器，其特征在于：所述的小电堆和对应的ＤＣ－ＤＣ转换器集成为一个有机整体，形成一个模块。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐志刚，吴望生，段惠松，
申请(专利权)人：武汉银泰科技燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]