CN100405693C - 一种给家用电器供电的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种给家用电器供电的燃料电池系统，主要由氢气罐(1)、氧气罐(2)、氢气电空阀(3)、氧气电空阀(4)、燃料电池(5)、直流电压变换模块(6)、蓄电池(7)、电压传感器(8)、逆变器(9)、电流传感器(10)和家用电器(11)构成。本发明提出了一种燃料电池的使用模式，解决了输出电流对输出电压的影响并且实现了对输出功率的控制，这使得燃料电池在家用电器领域的大面积推广成为可能。

Description

一种给家用电器供电的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种给家用电器供电的燃料电池系统。
背景技术
随着常规能源(如石油、煤炭等)的日益枯竭，各国都在积极寻找新型能源。燃料电池作为一种新型高效能源，自从问世之初，就备受关注。
燃料电池是一个电化学系统，它将化学能直接转化为电能。如图1所示，燃料电池由3个主要部分组成：阳极1、电解液2、阴极3和隔膜4。其工作原理是：阳极1输入的氢气在电解液2中电离，分解成氢离子和电子。电子经过外部用电器流入阴极，余下的氢离子通过隔膜4被送到阴极。在阴极，氢离子与由氧气极3输入的氧气发生反应并吸收电子，生成水并释放出热量。由于燃料电池能直接将化学能转化为电能，所以它的转化效率非常高，并且噪声和废气排放量都很小。基于这些优点，燃料电池是一种高效的清洁能源，适于在电力不足的地区使用。
由于燃料电池问世时间还比较短，各种相关的技术都还处在完善的过程之中。从应用角度来说，还存在如下两个主要问题：1、燃料电池的输出电流对输出电压的影响非常剧烈，也就是说，燃料电池的输出电压随输出电流的变化而发生明显的变化，不是一个严格意义上的电压源；2、燃料电池的输出的是直流电，且输出电压小，但功率大；同时，由于燃料电池的特殊结构，输出的直流电压一般不是民用的标准直流电压(如12V，24V，48V)。然而，各国家用电器的供电电源都是大电压、小电流的交流电(在中国，家用电器的供电指标一般是电压为220V、频率为50Hz的交流电)。因此，为了能使燃料电池给家用电器供电，就必须把它所输出的小电压、不稳定的直流电转变成大电压的、稳定的交流电。
发明内容
为了克服以上问题，本发明提出了一种燃料电池的使用模式，解决了输出电流对输出电压的影响并且实现了对输出功率的控制，这使得燃料电池在家用电器领域的大面积推广成为可能。
本发明提出了一种给家用电器供电的燃料电池系统的结构。如图2所示。
一种给家用电器供电的燃料电池系统，主要由氢气罐、氧气罐、氢气电空阀、氧气电空阀、燃料电池、直流电压变换模块、电压传感器、蓄电池、逆变器、电流传感器和家用电器构成，其特征在于，氢气罐、氧气罐、氢气电空阀、氧气电空阀、燃料电池、直流电压变换模块、逆变器、家用电器依次串联连接，蓄电池和电压传感器并联在直流电压变换模块与逆变器之间，电流传感器接在逆变器输出并反馈到氢气电空阀和氧气电空阀。
所述的给家用电器供电的燃料电池系统，直流电压变换模块和电压传感器通过控制电路连接成负反馈闭环；同时，直流电压变换模块后还可以连接蓄电池。
所述的给家用电器供电的燃料电池系统，电流传感器和氧气电空阀通过控制电路连接成负反馈闭环。
附图说明
图1是燃料电池的主要部分组成示意图。
图2是本发明的家用电器系统的结构图。
具体实施方式
如图2所示，本发明的给家用电器供电的燃料电池系统，主要组成部分为：氢气罐1、氧气罐2、氢气电空阀3、氧气电空阀4、燃料电池5、具有控制功能的直流电压变换模块6、蓄电池7、电压传感器8、逆变器9、电流传感器10和家用电器11。(注，直流电压变换模块和逆变器可以是同一个物理器件)
整个系统的主要工作流程为：氢气和氧气分别从氢气罐1和氧气罐2中流入氢气电空阀3和氧气电空阀4；经过这两个电空阀的调节作用，氢气和氧气按设定的流量分别流入燃料电池5的燃料极12和氧气极13；氢气在燃料电池的阳极发生电离反应，生成带正电荷的氢离子和带负电荷的电子；电子从燃料电池的电极14流出，经过燃料电池外部的直流电压变换器6、逆变器7以及家用电器11，最后流入燃料电池的电极15，完成对外部家用电器11的供电。
在燃料电池5向外部家用电器11供电过程中，燃料电池5的输出电压需要经过直流电压变换模块6变换成标准的民用直流电压(如12V、24V、48V等)。直流电压变换模块6是一种通用的电力电子产品，它由电力电子器件及其辅助电子元器件构成。一般来说，该模块用PWM调制波来控制输出电压，它的主要功能是可以根据实际需要来变换输出电压的幅度。在本发明中，直流电压变换模块6的输出端需要安装一个电压传感器8，用来测量直流电压变换模块6的输出电压，电压传感器8的测量信号经过一个特殊的控制电路，来控制PWM调制波的占空比。最终，电压传感器8和直流电压变换模块6形成一个负反馈闭环，使直流电压变换模块6的输出电压保持稳定。为了进一步提高直流电压变换模块6的输出电压的稳定性，直流电压变换模块6的正输出极16和负输出极17之间可以连接一个蓄电池7，蓄电池7有两个作用：一是吸收直流电压变换模块6的尖峰电压，防止后续的逆变器9由于输入端加入高压而被烧坏；二是存储多余的电能，在燃料供应不足时向家用电器11供电。
目前，各国的家用电器基本上都是使用交流电(例如，中国的家用电器使用的是电压为220V、频率为50Hz的交流电)。为了满足实际需要，直流电压变换模块6所输出的直流电能还需要逆变成交流电能。逆变器9就是能满足这种需要的一种通用电力电子设备。
不同的家用电器11的耗电功率不一样，这就要求燃料电池的5的输出功率能够跟踪家用电器11的耗电功率。为了提高系统运行效率且保证家用电器11能正常工作，就需要根据用电量来对燃料电池5的输出功率进行控制。控制燃料电池5输出功率的最有效的方法是根据家用电器11的功率来控制输入氧气的流量。控制过程如下：在逆变器9的输出端18安装电流传感器10，用来实时测量逆变器9的输出电流，然后用测量信号通过一个特殊的控制电路，来驱动氢气管道上的氢气电空阀3和氧气管道上的氧气电空阀4，最终对燃料电池5输入的氢气流量和氧气流量进行控制，进而完成对燃料电池5输出功率的控制。
通过上述方式构成的用燃料电池供电的家用电器系统，不仅能向家用电器提供稳定的交流电压，保证用电器能正常高效的工作；而且还能根据用电器的耗电功率来调节氧气的流量，提高氢气和氧气的利用率。

Claims (2)

1.一种给家用电器供电的燃料电池系统，主要由氢气罐、氧气罐、氢气电空阀、氧气电空阀、燃料电池、直流电压变换模块、电压传感器、蓄电池、逆变器、电流传感器和家用电器构成，其特征在于：氢气罐与氢气电空阀依次串联后与燃料电池的燃料极连接，氧气罐与氧气电空阀依次串联后与燃料电池的氧气极连接，燃料电池、直流电压变换模块、逆变器、家用电器依次串联连接，蓄电池和电压传感器并联在直流电压变换模块与逆变器之间，电流传感器接在逆变器输出并反馈到氢气电空阀和氧气电空阀，电流传感器和氧气电空阀和氢气电空阀通过控制电路连接成负反馈闭环。
2.如权利要求1所述的给家用电器供电的燃料电池系统，其特征在于：直流电压变换模块和电压传感器通过控制电路连接成负反馈闭环。
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