[实用新型]便携式质子交换膜燃料电池电源系统

说明书

技术领域

    本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是一种便携式质子交换膜燃料电池电源系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种高效、清洁的能源方式，由于其不受卡诺循环限制，理论电效率高达80%，水是唯一产物，对环境无任何污染。因而被认为是人类社会发展的终极能源。其在大型电站、各行业的备用电源、车用电源等方面有着广泛的应用前景。

质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气中的氧气或者纯氧气为氧化剂，两种气体在燃料电池电堆内发生电化学反应产生电能、热量和水。由于质子交换膜在一定的湿度下才能工作，因此一般需要对氢气或者氧化剂进行加湿，目前主要以对氧化剂加湿为主，然而加湿器成本高，体积大，系统维护成本高。如申请号为201010118216.X的专利《带金属氢化物储氢单元的燃料电池便携式手提电源》，其需要对空气进行加湿，同时使用空气泵，系统的重量和成本会大大提高。

目前氢气的储存方式以高压气瓶为主，然而重量和体积大，且需要减压阀减压后才能进入电堆工作；另外也有甲醇重整制氢和电解水制氢等设备，该类设备可以现场制备氢气供燃料电池电堆使用，但是其价格昂贵，且需要额外能量输入，降低了整个系统的效率，更重要的是该类设备一般体积和重量大，系统控制复杂，对于小型以及便携式燃料电池电源系统来说不易使用。

质子交换膜燃料电池电堆工作时会产生热量，所以需要对电堆进行冷却，目前最主要的冷却方式有水冷和风冷两种。所谓水冷电堆即在电堆中设计水流道，利用水来为电堆降温，该冷却效果好，但是电堆的结构复杂，使整个系统的重量和体积增加；风冷电堆是通过控制风机的转速对电堆进行降温，此类电堆结构简单，易于控制，很适合应用于便携式电源系统。但是目前的便携式燃料电池系统体积和重量都较大，且燃料电池的热量均没有很好的利用，同时整个系统结构复杂，不易控制和携带。如申请号为201210020921.5的专利《一种便携式PEMFC 燃料电池电源系统》需要两个风机，一个为电堆提供氧化剂，一个为电堆散热，而电堆的热量无法利用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种重量和体积小、结构紧凑、控制简单、成本低、节能环保的便携式质子交换膜燃料电池电源系统。

本实用新型所采取的技术方案是：一种便携式质子交换膜燃料电池电源系统，包括燃料电池电堆、氢气供给单元、空气供给单元和冷却单元，其改进之处是所述燃料电池电堆的氢气进口端通过进气阀与金属储氢瓶相连接，氢气出口端与排气阀连接，共同形成氢气流道，作为氢气供给单元；同时，空气过滤器位于燃料电池电堆的空气进口端，轴流风机位于燃料电池电堆的空气出口端，共同形成空气流道，作为空气供给单元和冷却单元，氢气流道与空气流道相分开；该电源系统中设有DC/DC模块、电源管理模块和蓄电池，燃料电池电堆的正、负极分别与DC/DC模块的正、负极相连，DC/DC模块的正、负极分别与蓄电池正、负极以及负载的正、负极相连，电源管理模块分别与燃料电池电堆、金属储氢瓶、进气阀、轴流风机、排气阀、DC/DC模块、蓄电池相连接。

进一步的方案是：轴流风机位于空气流道的出口端，其出风口朝向金属储氢瓶；进气阀、排气阀均为电磁阀；金属储氢瓶为单只储氢瓶或者一组储氢瓶，储氢瓶出口处设有手动压力调节阀；蓄电池为锂离子电池、铅酸蓄电池或超级电容器；燃料电池电堆采用自增湿质子交换膜。

    本实用新型中，只用一台轴流风机，设在空气出口端，不仅为电堆提供所需的空气，同时又为电堆冷却降温，减少了风机的数量，从而降低系统的重量和体积。轴流风机的出风口朝向金属储氢瓶组，利用电堆空气尾气的热量为金属储氢瓶加热，利于氢气的释放。金属储氢瓶在释放氢气时需要吸热，该系统中充分利用电堆的余热，节能、环保。被吸进电堆的一部分空气在电堆内外部压差的作用下扩散进电堆参与反应，通过控制轴流风机转速来满足电堆对空气量的需求。所述氢气流道与空气流道是分开的，排气阀排出氢气流道中的废气，轴流风机排出空气流道中的废气。

本实用新型中，所述的电源管理模块可以监测金属储氢瓶组的温度，控制轴流风机的转速，监测燃料电池电堆的单片电压、总电流、电堆温度，监测DC/DC模块的电压、电流、温度，监测蓄电池的荷电状态。当系统出现异常情况时给出报警信号，严重时关闭系统。