专利名称：用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法。
背景技术：
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。
根据专家研究的结果预测，到2020年，中国汽车保有总量将会达到1亿辆，年产销量可能超过一千万辆，应该说汽车市场是巨大的，也充分说明了汽车工业在我国国民经济当中的重要地位。2003年，我国石油资源进口日益增多，石油对外依赖度超过了30％。支付外汇同比增长超过50％，中国已成为世界第二大石油消费国。近年来，由于很多外部的原因，加之中东局势的问题，能源安全问题已十分突出。氢燃料电池电动车是利用可再生的新能源载体—氢气为燃料的交通工具。氢气可以是从各种可再生能源，如太阳能、水、电、风能、地热能等发电进行电解水制氢；也可以通过生物能制氢；还可以通过煤、天然气重整制氢。氢气是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源载体，大力发展氢燃料电池电动车对发展我国可持续发展汽车工业有重大意义。
我国城市环境空气质量监测表明，70％的城市环境空气质量不达标。随着城市机动车保有量的急剧增加，机动车污染排放已成为很多城市空气污染的主要来源。
随着机动车保有量的持续增长，我国机动车污染排放总量也持续攀升。2003年全国机动车碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物排放量已分别达到836.1万吨、3639.8万吨和549.2万吨，分别是1995年的2.51、2.05和3.01倍。
根据有关部门预测，2005年我国大城市机动车尾气排放污染量将有可能达到总大气污染量的75％左右，如果不有效控制汽车排放污染，大城市大气污染类型将会从煤烟型转化为汽车尾气型。
氢燃料电池电动车是一种真正实现零排放的交通工具，氢燃料电池电动车唯一排放的是纯净水，而且氢燃料电池制造过程与内部构件都不存在任何对环境有毒害的物质。但目前由于制造技术及制造成本等原因，由于城市大巴的燃料电池发动机还未能实现工业化批量生产。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，该方法采用模块化燃料电池发动机的设计，每个模块化燃料电池发动机在零部件、结构、制造、设计、装配等方面完全一致，输出功率大约在50千瓦左右，根据不同城市大巴的具体情况可以进行多个模块化燃料电池发动机的组合式集成装配，达到功率累加完全满足不同城市大巴整体动力性能的要求。
所述的发动机采用常压空气、低压氢气运行的方式。
所述的模块化的燃料电池发动机采用了高功率密度、常压空气运行的燃料电池堆。
可以利用城市大巴内燃机、柴油发动机原有安装空间，进行二个模块化燃料电池发动机的组合集成；其中二个模块化燃料电池发动机完全独立运行，每个发动机模块包括独立的燃料电池堆模块、空气供应子系统、氢气供应子系统、水循环以及散热子系统、控制及监控子系统；二个独立的模块化燃料电池发动机的电输出采用并联连接，各自加有二极管和接触器；二个发动机同时工作向外输出电流时，其输出电压相同，但工作电流可以不同；其中一个模块化的燃料电池发动机出现故障，可以随时进行隔离式关机，并不影响另一模块化发动机的运行，保证可以让整车开回来。
所述的模块化的燃料电池发动机可以单独拆装、维护。
可以采取三个或三个以上模块化燃料电池发动机的组合集成，以满足某些更大功率城际公交大巴的需求。
所述的燃料电池发动机采用CAN通讯控制，保证燃料电池发动机的安全、保护性能，包括安全、自动运行控制模式，安全监测，事故自诊断以及防范处理功能。
图1为本发明模块化燃料电池发动机的结构示意图；图2为本发明模块化燃料电池发动机中燃料电池堆输出功率曲线图；图3为本发明模块化燃料电池发动机的净输出功率性能曲线；图4为本发明二个模块化燃料电池发动机合并输出性能曲线图；图5为本发明三个模块化燃料电池发动机的组合集成图；图6为本发明三个模块化燃料电池发动机的并联、合并输出性能曲线。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1根据不同城市大巴车，主要是城内公交、城际载客、乘客人员、需求功率等要求不同，对燃料电池发动机的特性，例如输出功率、允许尺寸、重量、续驶里程要求有很大的不同。
原则上，根据不同类型的城市大巴车设计不同类型的燃料电池发动机是可行的。但每次设计将带来大量的零部件、结构装配、制造工艺的变化，大大增加了制造成本、产品的一致性以及质量控制的难度。
为了解决上述问题，我们创新性地采用了模块化燃料电池发动机的设计，每个模块化燃料电池发动机在零部件、结构、制造、设计、装配等方面完全一致，输出功率大约在50千瓦左右。但根据不同城市大巴的具体情况可以进行多个模块化燃料电池发动机的组合式集成装配，达到功率累加完全满足不同城市大巴整体动力性能的要求。
模块化燃料电池发动机的性能。经过优化设计，模块化燃料电池发动机如图1所示，该发动机由于采用了常压空气、低压氢气运行的方式，大大减少了因燃料电池堆高压力氢气运行引起电池堆泄漏带来的危险，大大提高了安全性、可靠性。
该发动机在全面达到了产品化性能要求，例如稳定、可靠性等。表1是该发动机的具体性能指标。
表1模块化燃料电池发动机的主要性能指标
模块化的燃料电池发动机采用了高功率密度、常压运行的燃料电池堆。输出性能见图2。
燃料电池堆在不同功率输出时，发动机辅助支持运行的功率消耗不同，发动机的净输出功率性能曲线见图3。
根据不同城市大巴要求多个模块化燃料电池发动机的组合集成，达到城市大巴发动机一体化的要求。对城市公交大巴，可以利用内燃机、柴油发动机原有安装空间，进行二个模块化燃料电池发动机的组合集成。其中二个模块化燃料电池发动机完全独立运行，每个发动机模块包括独立的燃料电池堆模块、空气供应子系统、氢气供应子系统、水循环以及散热子系统、控制及监控子系统。二个独立的模块化燃料电池发动机的电输出采用并联连接，各自加有二极管和接触器。二个发动机同时工作向外输出电流时，其输出电压相同，但工作电流可以不同。其中一个模块化的燃料电池发动机出现故障，可以随时进行隔离式关机，并不影响另一模块化发动机的运行，保证可以让整车开回来。
所以，模块化的燃料电池发动机可以单独拆装、维护，大大增加了检修的方便性。图4是二个模块化的燃料电池发动机以并联连接、合并输出性能曲线图。
实施例2对某些需求大功率的城际公交大巴，可以采取三个模块化燃料电池发动机的组合集成，如图5。经过集成的总体燃料电池发动机输出性能如图6，最大总输出功率可达160千瓦。三个模块化的燃料电池发动机采用并联输出连接，每个燃料电池发动机输出电压相同，总电流是三个模块化的燃料电池发动机输出电流的累加。
权利要求
1.用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，该方法采用模块化燃料电池发动机的设计，每个模块化燃料电池发动机在零部件、结构、制造、设计、装配等方面完全一致，输出功率大约在50千瓦左右，根据不同城市大巴的具体情况可以进行多个模块化燃料电池发动机的组合式集成装配，达到功率累加完全满足不同城市大巴整体动力性能的要求。
2.根据权利要求1所述的用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，所述的发动机采用常压空气、低压氢气运行的方式。
3.根据权利要求1所述的用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，所述的模块化的燃料电池发动机采用了高功率密度、常压空气运行的燃料电池堆。
4.根据权利要求1所述的用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，可以利用城市大巴内燃机、柴油发动机原有安装空间，进行二个模块化燃料电池发动机的组合集成；其中二个模块化燃料电池发动机完全独立运行，每个发动机模块包括独立的燃料电池堆模块、空气供应子系统、氢气供应子系统、水循环以及散热子系统、控制及监控子系统；二个独立的模块化燃料电池发动机的电输出采用并联连接，各自加有二极管和接触器；二个发动机同时工作向外输出电流时，其输出电压相同，但工作电流可以不同；其中一个模块化的燃料电池发动机出现故障，可以随时进行隔离式关机，并不影响另一模块化发动机的运行，保证可以让整车开回来。
5.根据权利要求1所述的用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，所述的模块化的燃料电池发动机可以单独拆装、维护。
6.根据权利要求1所述的用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，可以采取三个或三个以上模块化燃料电池发动机的组合集成，以满足某些更大功率城际公交大巴的需求。
7.根据权利要求1所述的用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，其特征在于，所述的燃料电池发动机采用CAN通讯控制，保证燃料电池发动机的安全、保护性能，包括安全、自动运行控制模式，安全监测，事故自诊断以及防范处理功能。
全文摘要
本发明涉及用于城市大巴车的模块化燃料电池发动机的集成方法，该方法采用模块化燃料电池发动机的设计，每个模块化燃料电池发动机在零部件、结构、制造、设计、装配等方面完全一致，输出功率大约在50千瓦左右，根据不同城市大巴的具体情况可以进行多个模块化燃料电池发动机的组合式集成装配，达到功率累加完全满足不同城市大巴整体动力性能的要求。
文档编号H01M8/24GK1897339SQ200510027669
公开日2007年1月17日 申请日期2005年7月11日 优先权日2005年7月11日
发明者胡里清, 夏建伟, 付明竹, 章波 申请人:上海神力科技有限公司