CN101266065B - 燃料电池系统及使用该燃料电池系统的空调 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空调，该空调具有可变负载以经受瞬时功率消耗的快速改变。燃料电池系统将通过燃料与氧气反应所产生的电供给到空调。如果空调的瞬时功率消耗降低，则燃料电池系统存储产生的电，如果瞬时功率消耗增加，则将存储的电与产生的电一起供给到空调。

Description

燃料电池系统及使用该燃料电池系统的空调
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及使用该燃料电池系统的空调，更具体地说，本发明涉及一种可以为具有可变负载的空调正常供电的燃料电池系统以及使用该燃料电池系统的空调，该可变负载经受功率消耗的快速变化。
背景技术
燃料电池系统是一种将通过燃料的氧化产生的化学能转变为电能的设备。燃料电池系统用作车辆的驱动源，或连接到电力系统以为各种电子装置供电。
如韩国专利申请公开文件第2003-0078973号所述，传统的燃料电池系统包括用以从燃料产生氢气的转化器；通过氢气与氧气反应产生电能的燃料电池堆；将燃料电池堆所产生的电能供给到负载的电能输出单元；和控制燃料电池系统的控制器。
当氧气和氢气被供给到燃料电池堆时，传统的燃料电池系统使氢气和氧气反应以产生电，并将产生的电供给到连接到燃料电池系统的负载。
然而，此传统的燃料电池系统不适用于可变负载的使用，该可变负载经受压缩容量的快速变化，并因此经受功率消耗的根本改变，例如在韩国专利申请公开文件第2002-0066659号中所述的可变容量的螺旋压缩机或韩国专利申请公开文件第2005-0008475号中所述的可调容量的螺旋压缩机。
也就是说，燃料电池系统通常改变通过改变供给的燃料量而产生的电量。然而，由于该系统为改变供给的燃料量以使产生的电量发生变化而花费了相当长的时间，所以，其不可能在短时间内改变通过燃料电池堆产生的电量。由于上述螺旋压缩机在几秒内重复进行0％的压缩容量(空载操作)和100％的压缩容量(加载操作)的操作，所以，上述螺旋压缩机在短时间内经受功率消耗的快速改变。因此，对于传统的燃料电池系统来说，很难将所需的功率适当地供给到该压缩机。
发明内容
因此，本发明的一个方面提供一种可以为具有可变负载的空调正常供电的燃料电池系统以及使用该燃料电池系统的空调，该可变负载经受功率消耗的快速变化。
本发明的其它方面和/或优点将在以下说明中部分阐述，并且将从所述说明中部分地清楚呈现，或可在对本发明的实践中获悉。
本发明的前述和/或其它方面可以通过提供一种使用燃料电池系统的空调实现，该空调包括：可变负载，所述可变负载经受瞬时功率消耗的快速变化，其中所述燃料电池系统将通过燃料与氧气反应所产生的电供给到空调，以及如果所述空调的瞬时功率消耗降低，则所述燃料电池系统存储产生的功率，而如果瞬时功率消耗增加，则将存储的电与产生的电一起供给到空调。
如果所述瞬时功率消耗低于通过所述燃料电池系统产生的功率，则所述燃料电池系统存储产生的电，而如果瞬时功率消耗高于通过所述燃料电池系统产生的功率，则将存储的电与产生的电一起供给到所述空调。
可变负载是在循环中重复具有100％的压缩容量的加载操作和具有0％的压缩容量的空载操作的可变容量压缩机，利用加载操作和空载操作的持续时间之间的比确定所述可变容量压缩机的平均操作比。
根据可变负载的平均操作比确定通过所述燃料电池系统产生的功率。
燃料电池系统包括存储电的电存储器，其中所述电存储器具有提供一个循环的加载和空载操作所需要的总功率消耗的四分之一或更少的容量。
本发明的前述和/或其它方面还通过提供一种燃料电池系统实现，所述燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池通过燃料与氧气反应以产生电；以及电存储器，所述电存储器存储通过所述燃料电池产生的电，其中所述燃料电池和电存储器连接到具有可变负载的空调，以及其中如果空调的瞬时功率消耗降低，则通过燃料电池产生的电存储在电存储器中，而如果瞬时功率消耗增加，则将存储在电存储器中的电与通过燃料产生的电一起供给到空调。
如果所述瞬时功率消耗低于通过燃料电池产生的功率，则所述电存储器存储产生的电，而如果瞬时功率消耗高于通过燃料电池产生的功率，则将存储的电供给到空调。
可变负载是在循环中重复具有100％的压缩容量的加载操作和具有0％的压缩容量的空载操作的可变容量压缩机，利用加载操作和空载操作的持续时间之间的比确定所述可变容量压缩机的平均操作比，以及其中根据可变负载的平均操作比确定通过燃料电池产生的功率。
燃料电池系统还包括电存储器，所述电存储器存储电，其中所述电存储器具有提供一个循环的加载和空载操作所需要的总功率消耗的四分之一或更少的容量。
附图说明
将从以下的实施例的说明中，参照附图使本发明的典型实施例的这些和/或其它方面和优点变得显而易见并更易于理解，其中：
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统和使用该燃料电池系统的空调的方块图；
图2A和2B是图1的可变容量压缩机的剖视图；
图3是示出图2A和2B所示的可变容量压缩机的操作比的图表；
图4是示出与图3所示的可变容量压缩机的操作比相关的电存储器的输出的图表；以及
图5是与根据本发明的燃料电池系统一体形成的空调的方块图。
具体实施方式
现在将对本发明的典型实施例进行详细地说明，本发明的实例在附图中说明，其中全文相同的参考符号表示相同的元件。以下将通过参照附图描述实施例以说明本发明。
如图1所示，根据本发明实施例的燃料电池系统和使用该燃料电池系统的空调包括：用以冷却和加热房间的空调20、和用以供电至空调20的燃料电池系统10。
空调20包括诸如室外热交换器鼓风机(未示出)和电操作阀(未示出)的固定负载21、作为可变负载的可变容量压缩机22、将从燃料电池系统10供给的电传递到室外热交换器鼓风机或可变容量压缩机22的电源23、以及控制空调20的操作的控制器24。
如图2A和2B所示，可变容量压缩机22包括具有入口37和出口38的壳体30、设置在壳体30中的电动机31、通过电动机31的扭矩旋转的动涡旋盘(orbiting scroll)32、以及在静涡旋盘(fixed scroll)34和动涡旋盘32之间限定压缩空间33的静涡旋盘34。使入口37和静涡旋盘34的上部分相互连接的旁路管35安装在壳体30上。螺线管型脉宽调制(PWM)阀36安装在旁路管35上。
在图2A中，关闭PWM阀36以关闭旁路管35，并因此，通过入口37供给到压缩空间33的制冷剂被压缩并通过出口38排出。该操作是加载操作，其中可变容量压缩机22的压缩容量(或操作比)是100％。在图2B中，PWM阀36打开以打开旁路管35，且因此，不压缩通过入口37供给到压缩空间33的制冷剂，取而代之的是制冷剂通过旁路管35供给返回到压缩空间33。该操作是空载操作，其中可变容量压缩机22的压缩容量(或操作比)为0％。
如图3所示，可变容量压缩机22在有规则的循环中重复加载操作和空载操作。根据需要的冷却量确定每个循环中的加载操作时间A和空载操作时间B。在图3中，X轴表示时间，而Y轴表示可变容量压缩机22的操作比。图3中的水平虚线表示可变容量压缩机22以图3的负荷比进行操作时的可变容量压缩机22的平均操作比。利用公式“平均操作比＝(负载操作时间/1个循环)×100”计算平均操作比。
控制器24根据需要的冷却量确定加载和空载操作时间的负荷比，并根据负荷比打开或关闭PWM阀36。控制器24还利用上述平均操作比的计算公式计算可变容量压缩机22的平均操作比。
燃料电池系统10包括供氧装置11、燃料供给装置12、转化器13、燃料电池14、电存储器15、以及控制器16。供氧装置11将氧气供给至燃料电池14，而燃料供给装置12将燃料供给到转化器13。该燃料可以是诸如天然气或甲烷的气态燃料或诸如甲醇或联氨的液态燃料。转化器13通过加热燃料产生氢气，并将氢气提供给燃料电池14。
燃料电池14包括多个干电池(堆)(未示出)。每个干电池都包括电解液膜(未示出)、空气电极(阴极)(未示出)、以及燃料电极(阳极)(未示出)。当氢气供给到燃料电极时，其被分成氢离子和电子。氢离子通过电解液膜移动到空气电极，而电子通过外部电路移动到空气电极。在空气电极中，供给到空气电极的氧与氢离子反应以形成水。因此，在每个干电池中，氧气与氢气反应以产生电和水。
由于燃料电池14连接到空调20的电源23，所以，在燃料电池14处产生的电供给到空调20。根据可变容量压缩机22的平均操作比确定通过燃料电池14产生的功率。更具体地，通过燃料电池14产生的功率的水平确定为提供(或负担)可变容量压缩机22的所需要的功率消耗、和当可变容量压缩机22以平均操作比操作时固定负载21所需要的功率消耗的水平。
因此，由于可变容量压缩机22的加载操作时间比的增加，所以平均操作比增加，因此，通过燃料电池14产生的功率增加。另一方面，由于可变容量压缩机22的加载操作时间比的减少，所以平均操作比减少，因此，通过燃料电池14产生的功率减少。
电存储器15包括超级电容器和副电池，并连接到燃料电池14和空调20的电源23。如图4所示，当可变容量压缩机22在空载操作中时，电存储器15接收和存储由燃料电池产生的电，而当可变容量压缩机22处于加载操作中时，存储的电被排出到空调20。在图4中，X轴表示时间，而Y轴表示电存储器的输出。
当可变容量压缩机22处于空载操作时，通过燃料电池14产生的功率高于空调20的功率消耗，因此，通过燃料电池14产生的一小部分电被提供到空调20，以驱动空调20的固定负载等，而其余部分被存储在电存储器15中。另一方面，当可变容量压缩机22处于加载操作时，空调20的功率消耗高于由燃料电池14产生的功率，因此，不仅是通过燃料电池14产生的电，而且存储在电存储器15中的电都被提供到空调20，以使空调20可以正常操作。
如果电存储器15具有只提供可变容量压缩机22的一个循环的操作所需要的功率消耗的四分之一的水平，则电存储器15的容量足够。需要电存储器15将最高功率供给到空调20的操作形式与加载操作时间和空载操作时间相等的情况相对应。在该情况下，在每个循环的加载操作中，电存储器15必须将可变容量压缩机22的一个循环的操作所需要的功率消耗的四分之一供给到空调20。因此，优选基于可变容量压缩机22的循环(或周期)选择电存储器15的容量以具有适当的水平。
控制器16控制燃料电池系统10，并且具体而言，控制通过燃料电池14产生的功率。当需要确定通过燃料电池14产生的功率时，控制器16执行与空调20的控制器24的数据通讯，以确定可变容量压缩机22的平均操作比，然后，根据确定的平均操作比确定通过燃料电池14产生的功率。为了实现此目的，控制器16事先存储与可变容量压缩机22的平均操作比相关的通过燃料电池产生的功率水平的数据。当确定了通过燃料电池14产生的功率时，控制器16控制燃料供给装置12和转化器13，以使燃料电池14输出产生的目标功率。
图5示出了与燃料电池系统一体形成的空调。由于图5的空调40包括燃料电池系统，所以一个控制器24控制空调40和燃料电池系统。因此，不需要在如图1所示的控制器16和24之间执行数据通讯。
在图5中，燃料电池14、电存储器15、固定负载21、以及可变容量压缩机22都连接到电系统50，使得燃料电池14或电存储器15可以供电至电系统50、或当需要时，电系统50可以将商业电供给至固定负载21或可变容量压缩机22。其它部件的说明与图1的说明相同。
以下将说明根据本发明的燃料电池系统和使用该燃料电池系统的空调如何操作。如果空调20的使用者设定目标温度，并将操作命令输入到空调20，然后，空调20的控制器24基于目标温度和室温之间的差计算需要的冷却量。然后，控制器24根据计算的冷却量设定可变容量压缩机22的加载和空载操作时间(负荷比)。在此，空调20所需要的功率消耗不高，因此，不激活燃料电池14，而电存储器15将少量的电提供到空调20。
当已经设定负荷比时，空调20的控制器24利用平均操作比计算公式计算可变容量压缩机22的平均操作比，并执行与燃料电池系统10的控制器16的数据通讯，以通知平均操作比的控制器16。燃料电池系统10的控制器16参照关于与可变容量压缩机的平均操作比相关的通过燃料电池产生的功率水平的数据，确定通过燃料电池系统10产生的功率。然后，控制器16控制燃料供给装置12等以使得燃料电池系统10可以输出产生的目标功率。
当燃料电池系统10输出产生的、与可变容量压缩机22的平均操作比相对应的电时，燃料电池系统10的控制器16执行与空调20的控制器24的数据通讯以将实际情况通知给控制器24。然后，空调20的控制器24使可变容量压缩机22执行加载或空载操作，同时根据负荷比打开或关闭PWM阀36。
当可变容量压缩机22在加载操作时，通过燃料电池14产生的功率不只提供空调20的功率消耗，并因此将存储在电存储器15中的电另外供给到空调20。另一方面，当可变容量压缩机22处于空载操作时，通过燃料电池14产生的功率超过空调20需要的功率消耗，因此，剩余的功率存储在电存储器15中。
尽管已经通过具有可变容量压缩机的空调举例说明了应用到本发明的空调，但本发明也可以利用经受功率消耗快速变化的任何其它形式的空调，例如以几分钟时间间隔重复打开和关闭其压缩机的便宜的空调。
从以上明显看出，本发明允许具有低的输出变化比的燃料电池系统正常地将功率供给至经受功率消耗快速变化的空调。
此外，在本发明中，电存储器的容量必须提供达到可变容量压缩机的一个操作循环所需要的功率消耗的四分之一。这样使得燃料电池系统可以使用小容量的电存储，从而降低燃料电池系统的制造成本和尺寸。
尽管已经示出并说明了本发明的实施例，然而本领域普通技术人员将认识到的是，在不背离本发明的原理和精神的情况下可以对此实施例进行变更，本发明的范围由权利要求及其等效形式所限定。

Claims (9)

1.一种使用燃料电池系统的空调，所述空调包括：
可变负载，所述可变负载经受瞬时功率消耗的快速变化，
其中所述燃料电池系统将通过燃料与氧气反应所产生的电供给到空调，以及
如果所述空调的瞬时功率消耗降低，则所述燃料电池系统存储产生的电，而如果瞬时功率消耗增加，则将存储的电与产生的电一起供给到空调。
2.根据权利要求1所述的空调，其中如果所述瞬时功率消耗低于通过所述燃料电池系统产生的功率，则所述燃料电池系统存储产生的电，而如果瞬时功率消耗高于通过所述燃料电池系统产生的功率，则将存储的电与产生的电一起供给到所述空调。
3.根据权利要求2所述的空调，其中所述可变负载是在循环中重复具有100％的压缩容量的加载操作和具有0％的压缩容量的空载操作的可变容量压缩机，利用加载操作和空载操作的持续时间之间的比确定所述可变容量压缩机的平均操作比。
4.根据权利要求3所述的空调，其中根据可变负载的平均操作比确定通过所述燃料电池系统产生的功率。
5.根据权利要求3所述的空调，其中所述燃料电池系统包括存储电的电存储器，其中所述电存储器具有提供一个循环的加载和空载操作所需要的总功率消耗的四分之一或更少的容量。
6.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
燃料电池，所述燃料电池通过燃料与氧气反应以产生电；以及
电存储器，所述电存储器存储通过所述燃料电池产生的电，
其中所述燃料电池和电存储器连接到具有可变负载的空调，以及
其中如果空调的瞬时功率消耗降低，则通过燃料电池产生的电存储在电存储器中，而如果瞬时功率消耗增加，则将存储在电存储器中的电与通过燃料电池产生的电一起供给到空调。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中如果所述瞬时功率消耗低于通过燃料电池产生的功率，则所述电存储器存储产生的电，而如果瞬时功率消耗高于通过燃料电池产生的功率，则将存储的电供给到空调。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述可变负载是在循环中重复具有100％的压缩容量的加载操作和具有0％的压缩容量的空载操作的可变容量压缩机，利用加载操作和空载操作的持续时间之间的比确定所述可变容量压缩机的平均操作比，以及
其中根据可变负载的平均操作比确定通过燃料电池产生的功率。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述电存储器具有提供一个循环的加载和空载操作所需要的总功率消耗的四分之一或更少的容量。
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