[发明专利]一种高比能量高比功率组合电源发电系统

说明书

本发明涉及一种高比能量高比功率组合电源发电系统，特别涉及一种以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池和超级电容器的组合电源发电系统，包括质子交换膜燃料电池、燃料供给模块、氧化剂供给模块、水热管理模块、DC/DC变换器、超级电容器。本发明特点是发电系统中氢燃料通过液氢或高压氢气方式储存，使系统具有高能量密度，有利于延长燃料电池的工作时间，使之产生更大的电能储存在超级电容器中；同时采用高比功率的超级电容器，与质子交换膜燃料电池高能量密度的特点相互补充，使系统兼具高比能量、高比功率特性，能够根据载荷需求快速释放大量电能。

技术领域

本发明涉及一种高比能量高比功率组合电源发电系统，特别涉及质子交换膜燃料电池和超级电容器的组合电源发电系统，使燃料电池产生大量电能储存在超级电容器中，根据载荷需求，由超级电容器快速释放大量电能。

背景技术

燃料电池是一种能够将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，其特点是能量转化效率高、环境友好。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，采用氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂，能量密度高、工作噪音小、可在低温快速启动，不仅可用于建设分散电站，也特别适宜用作电动车、飞机等移动动力源，是军、民通用的一种新型动力源。

超级电容器是一种介于传统电容器和化学电源之间的无污染新型储能元件，比传统电容器容量大100倍左右，与二次电池相比，具有比功率高、大电流快速充放电、使用温度范围宽、循环使用寿命长、真正免维护等特点。

在通讯、医疗、国防等领域中一些设备可能会在短时间内(短至秒级、甚至毫秒级)消耗大量电能，这时就需要既具有高能量密度、又同时具有高功率密度的特种电源，目前应用较多的是锂离子电池。尽管锂离子电池具有能量密度高和功率密度高的特点，但锂离子电池在高功率运行时存在循环寿命低、可靠性和安全性差的问题；而相对于锂离子电池，燃料电池能量密度更高，超级电容器则功率密度更高。因此将燃料电池与超级电容器进行组合，能够实现优势互补，使系统兼具高能量密度、高功率密度的特点，可有效解决载荷设备超大电能获取问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在短时间内输出超大电能的高比能量、高比功率组合电源发电系统。

本发明的技术方案是：一种组合电源发电系统，包括质子交换膜燃料电池、DC/DC变换器、超级电容器；质子交换膜燃料电池通过DC/DC变换器与超级电容器串联，质子交换膜燃料电池产生的电能储存在超级电容器中，超级电容器负责对外输出电能。

所述质子交换膜燃料电池为单电池或电堆，所述组合电源发电系统系统还包括燃料供给模块、氧化剂供给模块、水热管理模块。

所述燃料供给模块包括燃料供给装置及相应管路，燃料供给装置通过管路与质子交换膜燃料电池的燃料入口和燃料出口相连；所述氧化剂供给模块包括氧化剂供给装置及相应管路，氧化剂供给装置通过管路与质子交换膜燃料电池的氧化剂入口和氧化剂出口相连。

所述水热管理模块包括水箱、散热器、水泵及相应管路；超级电容器上设有冷却水通道；水箱中水由水泵通过管路经质子交换膜燃料电池的冷却水通道、超级电容器冷却水通道后再经散热器返回水箱。

所述DC/DC变换器上也可设有冷却水通道，水箱中水由水泵通过管路经质子交换膜燃料电池的冷却水通道、超级电容器冷却水通道、DC/DC变换器冷却水通道，然后进入散热器，最后返回水箱。

所述燃料供给模块和/或氧化剂供给模块上也可设有冷却水通道，水箱中水流经质子交换膜燃料电池的冷却水通道、超级电容器冷却水通道、DC/DC变换器冷却水通道中的一个或二个以上后，再流经燃料供给模块和/或氧化剂供给模块的冷却水通道，然后进入散热器，最后返回水箱。

所述燃料供给模块，其燃料供给装置中装载有液氢或高压氢气，优选液氢；所述氧化剂供给模块，其氧化剂供给装置为储氧装置或空气供给装置，储氧装置中装载有液氧或高压氧气，空气供给装置为气泵、风机或空压机。