[实用新型]燃料电池系统和燃料电池分布式控制系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池，尤其涉及一种燃料电池分布式控制系统。本实用新型还涉及一种燃料电池分布式控制方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是将反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置。如图1所示的质子交换膜燃料电池(PEMFC),包含电解质以及连接到电解质两侧的多孔渗水阴极与阳极组成。电池的阴极与阳极多由集流板、反应气体流道、气体扩散层(GDL)、微孔层和催化层组成，在这些部件中，集流板是起收集电子、向外输出电能的部件，其材料一般由导电率高且力学稳定的金属组成；反应气体流道为反应气体提供流动的通道，同时将反应的水排出燃料电池内部；气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，既利于反应物均匀分配和生产物的及时排出，同时传递电子和热量；微孔层是涂布在GDL上的薄层，它可以均匀分配反应气体，提高电堆性能；催化层的作用是使电池内部O₂与燃料发生电化学反应，催化剂的性能直接影响到质子交换膜燃料电池的性能。如图1所示质子交换膜物质流向，燃料电池连续不断地向阳极输送燃料(H₂),向阴极输送氧气(O₂),在电极表面催化剂的作用下发生电化学反应。带电H⁺通过电解质从一个电极转移到另外一个电极，电子通过外部的电路实现电流的循环，形成电流。

如图2所示，传统的燃料利用方式往往需要化学能-热能-动能-电能转换过程，如在火力发电系统中，需要先将化学能转换为热能，热能转换为动能，然后再将动能转换为电能；在内燃机驱动中，需要将化学能转换为热能，然后将热能转换为动能。由于需要热能-动能的能量转换，传统的燃料利用方式往往受到卡诺循环的限制，转换效率低，整体的效率通常为33％-35％,有将近2/3的能量以热能形式在交换过程中损失掉。而在燃料电池反应的过程中，通过电化学反应，燃料的化学能被直接转换为电能，而电化学反应不受到卡诺循环的限制，这样的能量利用方式可以获得更好的化学能-电能转换效率。

另外，燃料电池与蓄电池并不完全相同。燃料电池与蓄电池都是将化学能转 换为电能的电化学装置，它们之间最大的不同在于燃料电池是能量转换装置，而蓄电池是一个能量存储装置。理论上，只要不断的给燃料电池供给燃料，燃料电池就可以连续不断的输出电能，这使燃料电池具有更高的功率密度。

燃料电池一般包括燃料电池电堆、燃料H₂供给系统、空气供应系统、冷却散热系统、自动控制系统和电能管理系统。图3所示的是一个常见的风冷质子交换膜燃料电池系统，其包括：氢气供应(氢气瓶),减压阀，进气口电磁阀，氢气压力传感器，出气口电池阀，电堆，温度测量单元，电压测量单元，电流测量单元，通过控制风冷风扇转速实现空气供给和氧气供给，燃料电池输出控制系统，数据采集和保护，性能改善单元。燃料电池控制系统主要工作目的为：1)通过合理的开通燃料电池进气电磁阀和尾气电池阀，保持燃料电池内部H₂供给量在合理范围，并定时排除尾气；2)通过控制风冷风扇，控制氧气供给的同时，控制燃料电池的温度在设定温度范围；3)不间断监控燃料电池的运行状态：输出电压、电流、压力、温度等参数，确保燃料电池运行在安全状态，4)对燃料电池出现的警告信息作出适当处理和反应；5)运行过程中定期改善燃料电池运行性能；6)显示与监控；7)根据系统状态控制燃料电池的电能输出。一个合理的燃料电池控制系统，不但可以使燃料电池在不同工况下实现高效运行，而且还能够可以电池的使用寿命。

传统的燃料电池系统控制与监控往往采用一个控制器，和通过该控制器实现以上描述的所有功能，包括数据存储与预算、算法控制、信息状态监控、控制执行、处理和显示。当只有一个燃料电池电堆时，这种类型控制器，如图3所示的所示控制器，能够最大程度的发挥燃料电池控制系统优点。