CN100527505C - 燃料电池的电路连接控制系统及操作它的方法 - Google Patents

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Abstract

提供包括多个电池的燃料电池的电路连接控制系统及其控制方法。电路连接控制系统包括：点连接部分，其电连接到每个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；电压测量单元，用于测量每个电池的输出电压；开关单元，其在点连接部分连接多个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；和DC-DC转换器，用于将从燃料电池产生的电压转换为预定的电压。

Description

燃料电池的电路连接控制系统及操作它的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池的电路连接控制系统及操作它的方法，本发明尤其涉及方便电池之间的电连接的电路连接控制系统以及操作它的方法。
背景技术
在单极型燃料电池中，将多个电池形成在电解质薄膜的两端，并且串联这些电池。在美国专利公开No.2003/0180594和2003/0198853中已经公开了用于连接电解质薄膜的第一表面上的阳极电极和电解质薄膜的第二表面上的阴极电极的结构。该连接结构有效地串联电流集电器，然而，当电池之一损坏时，可能降低整体燃料电池的性能。
在单极型燃料电池堆的情况下，导电板(分离器)使得单元电池之间串联。然而，当单元电池的性能降低时，很难拆卸或替换单元电池。
在美国专利公开No.2004/0247964中，提供用于通过连接燃料电池的单元电池来检测单元电池的电压的元件和用于旁路在降低的电平上运行的单元电池的元件。然而，当将在降低的电平上运行的单元电池与相邻的正常单元电池并联时，在降低的电平上运行的单元电池可以提高功率密度。因此，需要开发具有将在降低的电平上运行的单元电池与相邻的正常单元电池并联的装置的电路连接控制系统。
发明内容
本发明提供方便多个单元电池之间的轻松连接的燃料电池的电路连接控制系统，其具有用于将在降低电平上运行的单元电池并联到燃料电池的相邻的正常单元电池，或者从其它单元电池旁路在降低的电平上运行的单元电池的元件，本发明还提供用于操作该系统的方法。
根据本发明的一个方面，提供具有多个电池的燃料电池的电路连接控制系统，包括：点连接部分，其电连接到每个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；电压测量单元，用于测量每个电池的输出电压；开关单元，其在点连接部分连接多个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；和DC-DC转换器，用于将从燃料电池产生的电压转换为预定电压。
根据本发明，开关单元可以包括在电池的输入端(inlet)上安装的多个主开关；连接电池的输出端(outlet)和另一个电池的输入端的多个串联开关；连接电池的输入端和另一个电池的输入端的多个旁路开关；和连接电池的输出端和另一个电池的输出端的多个并联开关。
开关单元可以通过闭合第一和第二电池的主开关、第一和第二电池之间的旁路开关和并联开关，并且通过断开第一和第二电池之间的串联开关来并联第一电池和第二电池。
此外，开关单元可以通过断开第一电池的主开关、第一和第二电池之间的串联开关和并联开关，并且通过连接第一和第二电池之间的旁路开关来将第一电池与第二电池电分离。
该电路连接控制系统还可以包括控制部分，其主要将展示低于预定第一电压的电压的第一电池连接到第二电池，并且当第一电池的电压低于第二电压时，将第一电池与其它电池电分离，其中第二电压低于第一电压。
可以将DC-DC转换器连接到开关单元的开关，以便提供电压来操作开关。
根据本发明的另一方面，提供操作具有多个电池的燃料电池的电路连接控制系统的方法，包括：测量每个电池的输出电压；检测展示低于第一电压的输出电压的第一电池；和将第一电池并联到第二电池。
根据本发明，第一电压可以是开路电压(OCV)的10到30％。
第一电池与第二电池的并联可以包括闭合第一和第二电池的主开关以及第一和第二电池之间的旁路开关和并联开关，并且断开第一和第二电池之间的串联开关。
根据本发明的又一方面，提供操作具有多个电池的燃料电池的电路连接控制系统的方法，包括：测量每个电池的输出电压；检测展示低于预定第一电压的输出电压的第一电池；确定第一电池的输出电压，即第一电池的输出电压是否低于预定的第二电压，该第二电压低于第一电压；如果第一电池的输出电压等于或大于第二电压，则将该第一电池并联到第二电池；和如果第一电池的输出电压低于第二电压，则将第一电池与其它电池电分离。
第一电池与第二电池的并联可以包括闭合第一和第二电池的主开关、第一和第二电池之间的旁路开关和并联开关，并且断开第一和第二电池之间的串联开关。
将第一电池与其它电池电分离可以包括断开第一电池的主开关、第一和第二电池之间的串联开关和并联开关，并且闭合第一和第二电池之间的旁路开关。
附图说明
通过参照所附附图详细描述本发明示例性实施例，本发明的以上和其它特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
图1是连接了根据本发明实施例的电路连接控制系统的燃料电池的示意性截面图；
图2是图1的支撑主体的平面图；
图3是在其中根据本发明实施例集成地形成集流部分、导电部分和连接线的集流器；
图4是根据本发明实施例的燃料电池的电路连接控制系统的示意配置；
图5是显示当每个单元电池的电压正常时的电路连接的电路图；
图6是显示当第一电池CE1在降低的电平上运行时从第一电池CE2电分离第一电池CE1的电路连接的电路图；
图7是显示当第一电池CE1在降低的电平上运行时并联第一电池CE1和第二电池CE2的电路配置的电路图；
图8和9是显示图1的单极型直接进液型(liquidfeed)燃料电池的性能的图，其中图8显示六个电池的电压，而图9显示该六个电池的总功率密度；
图10和11是显示根据本发明实施例的直接进液型燃料电池的性能的图，其中10显示六个电池的电压，而图11显示该六个电池的总功率密度；和
图12是显示控制根据本发明实施例的电路连接控制系统的方法的流程图。
具体实施方式
将参照附图描述根据本发明的燃料电池的电路连接控制系统以及操作电路连接控制系统的方法。
图1是连接了根据本发明实施例的电路连接控制系统的燃料电池的示意性截面图。图2是图1的支撑主体的平面图。图3是将集流部分、导电部分和连接线集成地形成在一个单元中的集流器。
参照图1到图3，燃料电池100包括插入了集流器的单极型薄膜-电极组件101、具有用于向阳极电极130供应燃料的流槽102a的单极板102和具有用于向阴极电极170供应氧化剂(空气)的空气路径103a的单极板103。将单极板102和103安装在薄膜电极组件101的两侧。薄膜电极组件101包括电解质薄膜110，在其中形成多个电池区域，例如六个电池区域(第一到第六电池)。在电解质薄膜110的两侧安装非导电支撑主体114和116，它们中每一个具有与每个电池区域对应的多个矩形开口114a和116a。支撑主体114和116分别包括延伸到电解质薄膜110外的延伸部分114b和116b。将阳极集流部分120和阴极集流部分160分别置于支撑主体114和116的电池区域上。
将导电部分122形成在阳极集流部分120一侧。在延伸部分114b上形成从导电部分122延伸出并将电连接到外部的连接线124。将导电部分162形成在阴极集流部分160侧边，并且在延伸部分116b上形成从导电部分162延伸出并将电连接到外部的连接线164。将阳极电极130形成在阳极集流部分120上，而将阴极电极170形成在阴极集流部分160上。将连接线124和164分别连接到电路连接控制系统200。由于连接线124和164一起形成在延伸部分114b和116b上，因此可以轻易地将连接线124和164电连接到电路连接控制系统200。
图4是根据本发明实施例的燃料电池的电路连接控制系统的示意配置；图4中相同的附图标记表示与图1到3中相同的元件，因此将不重复其描述。
电路连接控制系统200包括燃料电池100的单元电池CE1到CE6的阳极集流部分A1到A6和阴极集流部分C1到C6所直接电连接的点连接部分210、互连点连接部分210的连接点的开关单元220和控制电路连接控制系统200的控制部分240。控制部分240包括测量每个单元电池的电压的电压测量单元250和将从燃料电池100产生的直流转换为使用该直流电压的电子装置所需要的直流电压并控制开关单元220的电路连接的DC-DC转换器260。
这里，根据本发明实施例的燃料电池100不限于图1到图3所述的具有6个电池的单极型燃料电池，而是可以应用到使用单极板和由数十个单元电池组成的燃料电池组中。
电压测量单元250可以测量每个电池的电压以及电池的总电压。
开关单元220包括用于串联电池CE1到CE6的串联开关SS1到SS5、安装在每个电池的输入端的主开关MS1到MS6、将输入到主开关MS1到MS6的电流旁路到不同电池的输入端的旁路开关BS1到BS6和将已经通过一个电池的电流连接到下一电池的输出端的并联开关PS1到PS5。可以使用来自DC-DC转换器260的电压来切换开关SS1到SS5、MS1到MS6、BS1到BS6和PS1到PS5。
图5是显示当每个单元电池的电压正常时的电路连接的电路图。参照图5，主开关MS1到MS6以及串联开关SS1到SS5闭合，并且旁路开关BS1到BS6和并联开关PS1到PS5断开。
图6是显示当第一电池CE1在降低的电平上运行时从第二电池CE2电分离第一电池CE1的电路连接的电路图。参照图6，第一电池CE1的主开关MS1以及第一和第二电池CE1和CE2之间的串联开关SS1断开，并且第一和第二单元CE1和CE2之间的旁路开关BS1闭合。因此，通过旁路第一电池CE1而将来自控制部分240的电流输入到第二电池CE2。串联第二到第六电池CE2到CE6。
图7是显示当第一电池CE1在降低的电平上运行时并联第一电池CE1和第二电池CE2的电路连接的电路图。参照图7，第一和第二电池CE1和CE2的主开关MS1和MS2和第一和第二电池CE1和CE2之间的旁路开关BS1闭合，使得第一电池CE1的阳极集流部分A1和第二电池2的阳极集流部分A2相连接，并且第一和第二电池CE1和CE2之间的并联开关PS1闭合，使得第一电池CE1的阴极集流部分C1和第二电池2的阴极集流部分C2相连接。第二到第六电池CE2到CE6串联。
图8和9是显示图1的单极型直接进液型燃料电池的性能的图，其中图8显示六个电池的电压，而图9显示该六个电池的总功率密度；
当第一到第六电池CE1到CE6串联时，并且如果使用电压测量单元250得出第六电池CE6的电压低，则由于总功率密度低导致燃料电池不能正确工作。此时，当使用旁路开关从其它电池电分离第六电池CE6时，将总功率密度恢复到正常水平。接下来，当第一电池CE1的电压低时，通过将第一电池CE1从其它电池电分离，可以将燃料电池的总功率密度恢复到正常水平。以开路状态操作从其它电池电分离的第一和第六电池CE1和CE6，由此以高电压进行操作。
在燃料电池中使用根据本发明实施例的电路连接控制系统可以轻松地电分离由于某些原因而具有低电压的电池，由此延长了燃料电池的寿命。
图10和11是显示根据本发明实施例的直接进液型燃料电池的性能的图，其中10显示六个电池的电压，而图11显示六个电池的总功率密度。
如参照图8和9所述，当将第一和第六电池CE1和CE6从其它电池电分离时，开路电压增加，而总功率密度降低。此时，当第五电池CE5和第六电池CE6并联时，总功率密度增加。接下来，通过并联第一电池CE1和第二电池CE2来将总功率密度恢复到正常水平。
可以使用根据本发明实施例的电路连接控制系统将以低电平运行的电池容易地并联到其它电池，由此增加燃料电池的寿命。
图12是显示控制根据本发明实施例的电路连接控制系统的方法的流程图。将描述操作使用根据本发明实施例的、图4所示的电路连接控制系统的燃料电池的方法。
通过闭合开关单元220上的主开关MS1到MS6和串联开关SS1到SS5，串联燃料电池的每个电池CE1到CE6。使用电压测量单元250来周期地测量每个电池的电压(操作300)。
检查所测量的电压，以找出是否存在具有低于预定第一电压的较低电压的电池(操作310)。燃料电池的每个电池的正常电压大约是开路电压(OCV)的30到50％。可以将第一电压设置为OCV的10到30％。
当在操作310中检测到具有低电压的电池时，确定所测量的电压是否低于预定第二电压(操作320)。第二电压低于第一电压并可以设置为OCV的10％。
如果在操作320具有低电压的电池的电压等于或大于第二电压，则将具有低电压的电池(为简明的缘故，下面称为第一电池)并联到相邻电池(第二电池)(操作330)。为了这个目的，第一和第二电池的主开关、第一和第二电池之间的旁路开关和并联开关闭合，而第一和第二电池之间的串联开关断开。
如果在操作320第一电池的电压低于第二电压，则将第一电池与第二电池电分离(操作340)。为了这个目的，第一电池的主开关和第一和第二电池之间的串联开关断开，而第一和第二电池之间的旁路开关闭合。
如果在操作310没有检测到具有低电压的电池，则执行操作300，然后执行操作330和340。
当由于低电压而已经与其它电池电分离或已经并联到相邻电池的电池的电压恢复到大于第一电压时，可以将电池恢复到串联状态。
此外，在操作340中，当与其它电池电分离的电池的数量超过预定数时，例如六个电池中的三个以上时，可以停止燃料电池。
由于根据本发明的电路连接控制系统点连接到具有多个电池的单极型燃料电池，因此电路连接控制系统可以检测具有低电压的电池，并且可以将具有低电压的电池并联到相邻电池。因此，增加了并联的电池的面积，并且可以相应地增加功率密度，由此增加燃料电池的性能。此外，如果从具有低电压的电池产生负电压，则可以在电路中从其它电池中分离具有低电压的电池，使得不会由具有低电压的电池影响其它正常电池，由此增加燃料电池的使用寿命。
虽然参照示本发明例性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解可以做出各种形式的改变及其细节，而不背离所附权利要求限定的本发明的宗旨和范围。

Claims (14)

1.一种具有多个电池的燃料电池的电路连接控制系统，包括：
点连接部分，其电连接到每个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；
开关单元，其在点连接部分连接多个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；和
控制部分，用于控制所述电路连接控制系统，包括：
电压测量单元，用于测量每个电池的输出电压；和
DC-DC转换器，用于将从燃料电池产生的电压转换为预定电压，
其中，当第一电池具有低于预定的第一电压的电压时，所述控制部分将第一电池并联到第二电池。
2.如权利要求1所述的电路连接控制系统，其中开关单元包括：
在电池的输入端上安装的多个主开关；
连接电池的输出端和另一个电池的输入端的多个串联开关；
连接电池的输入端和另一个电池的输入端的多个旁路开关；和
连接电池的输出端和另一个电池的输出端的多个并联开关。
3.如权利要求2所述的电路连接控制系统，其中开关单元通过闭合第一和第二电池的主开关、第一和第二电池之间的旁路开关和并联开关，并且通过断开第一和第二电池之间的串联开关来并联第一电池和第二电池。
4.如权利要求2所述的电路连接控制系统，其中开关单元通过断开第一电池的主开关、第一和第二电池之间的串联开关和并联开关，并且通过连接第一和第二电池之间的旁路开关来将第一电池从第二电池电分离。
5.如权利要求1所述的电路连接控制系统，其中当第一电池的电压低于第二电压时，所述控制部分将第一电池与其它电池电分离，其中第二电压低于第一电压。
6.如权利要求2所述的电路连接控制系统，其中将DC-DC转换器连接到开关单元的开关，以便提供电压来操作开关。
7.一种操作具有多个电池的燃料电池的电路连接控制系统的方法，包括：
测量每个电池的输出电压；
检测展示低于第一电压的输出电压的第一电池；和
将第一电池并联到第二电池。
8.如权利要求7所述的方法，其中第一电压是开路电压OCV的10％到30％。
9.如权利要求7所述的方法，其中电路连接控制系统包括：点连接部分，其电连接到每个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；电压测量单元，用于测量每个电池的输出电压；开关单元，其在点连接部分连接多个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；和DC-DC转换器，用于将从燃料电池产生的电压转换为预定电压，其中开关单元包括：在电池的输入端上安装的多个主开关；连接电池的输出端和另一个电池的输入端的多个串联开关；连接电池的输入端和另一个电池的输入端的多个旁路开关；和连接电池的输出端和另一个电池的输出端的多个并联开关，
其中第一电池与第二电池的并联包括闭合第一和第二电池的主开关以及第一和第二电池之间的旁路开关和并联开关，并且断开第一和第二电池之间的串联开关。
10.一种操作具有多个电池的燃料电池的电路连接控制系统的方法，包括：
测量每个电池的输出电压；
检测展示低于预定的第一电压的输出电压的第一电池；
确定第一电池的输出电压，即第一电池的输出电压是否低于预定的第二电压，该第二电压低于第一电压；
如果第一电池的输出电压等于或大于第二电压，则将第一电池并联到第二电池；和
如果第一电池的输出电压低于第二电压，则将第一电池与其它电池电分离。
11.如权利要求10所述的方法，其中第一电压是开路电压OCV的10％到30％。
12.如权利要求10所述的方法，其中电路连接控制系统包括：点连接部分，其电连接到每个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；电压测量单元，用于测量每个电池的输出电压；开关单元，其在点连接部分连接多个电池的阳极集流部分和阴极集流部分；和DC-DC转换器，用于将从燃料电池产生的电压转换为预定电压，其中开关单元包括：在电池的输入端上安装的多个主开关；连接电池的输出端和另一个电池的输入端的多个串联开关；连接电池的输入端和另一个电池的输入端的多个旁路开关；和连接电池的输出端和另一个电池的输出端的多个并联开关，
其中第一电池与第二电池的并联包括闭合第一和第二电池的主开关、第一和第二电池之间的旁路开关和并联开关，并且断开第一和第二电池之间的串联开关。
13.如权利要求10所述的方法，其中第二电压低于开路电压OCV的10％。
14.如权利要求12所述的方法，其中将第一电池从其它电池电分离包括断开第一电池的主开关、第一和第二电池之间的串联开关和并联开关，并且闭合第一和第二电池之间的旁路开关。
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