CN101544197A - 用较低电压燃料电池系统对电能存储器件完全充电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用较低电压燃料电池系统对电能存储器件完全充电的方法。一种燃料电池系统，其包括电耦合到公共高电压总线线路的燃料电池堆和EESD。EESD具有比燃料电池堆更高的电压输出，并因此该堆例如在系统关闭时不能对EESD完全充电。为了允许燃料电池堆对EESD完全充电，EESD被分成多个具有较低电压电势的单独的电存储库。一系列接触器被提供以便在正常系统运行期间串联电耦合该存储库，并且使用燃料电池堆对存储库分别充电使得它们被完全充电。所述一系列接触器还能够被配置为使得存储库能够在系统正常运行期间被串联电耦合而在系统关闭的充电期间被并联电耦合。

Description

用较低电压燃料电池系统对电能存储器件完全充电的方法
技术领域
本发明主要涉及一种包括燃料电池堆和电能存储器件的燃料电池系统，并且更具体地涉及一种包括燃料电池堆和电能存储器件的燃料电池系统，其中该电能存储器件被分成多于一个的存储库(storage bank)使得该燃料电池堆具有足够高的电压来对该电能存储器件充电。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能够被用来在燃料电池中有效地发电。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学器件。阳极接收氢气而阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中被离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在阴极中与氧和电子反应从而产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，并且因此被引导通过负载以在被发送到阴极之前做功(performwork)。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是常见的用于交通工具的燃料电池。PEMFC通常包括例如全氟磺酸膜的固体聚合物电解质质子传导膜。阳极和阴极通常包括精细分开的催化微粒，一般是铂(Pt)，该催化微粒被载持在碳微粒上并与离聚物相混合。催化混合物沉积在该膜的相对两侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。MEA在制造上相对昂贵并且需要某些条件才能有效工作。
几个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以便产生期望的功率。例如，用于交通工具的典型的燃料电池堆可以具有两百个或者更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，该阴极输入气体典型地为由压缩机强制通过该堆的空气流。不是所有的氧都被该堆消耗掉并且一些空气作为阴极废气排出，所述阴极废气可能包括水作为电池堆副产物。燃料电池堆也接收流到该堆的阳极侧中的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括一系列定位在该堆中的这几个MEA之间的双极板，其中该双极板和MEA定位在两个端板(end plate)之间。该双极板包括用于该堆中邻近燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道被提供在允许阳极反应气体流到相应MEA的双极板的阳极侧上。阴极气流通道被提供在允许阴极反应气体流到相应MEA的双极板的阴极侧上。一个端板包括阳极气流通道，并且另一个端板包括阴极气流通道。双极板和端板由例如不锈钢或导电复合材料的导电材料制成。端板将燃料电池所产生的电传导出该电池堆。
大多数燃料电池交通工具为混合动力交通工具，其除了燃料电池堆以外还使用补充电源或电能存储器件(EESD)，例如高压DC蓄电池(battery)或超级电容器。在燃料电池堆不能提供期望的功率时EESD为各种交通工具辅助负载、为系统启动以及在高功率需求期间提供补充的功率。燃料电池堆通过DC高压总线线路为电力牵引电机提供功率以用于交通工具运行。在需要超出该堆能够提供的额外功率的那些时候期间(例如在急加速期间)，EESD向电压总线线路提供补充功率。例如，燃料电池堆可以提供70kW的功率。然而，交通工具加速可能需要100kW的功率。在燃料电池堆能够提供系统功率需求的那些时候燃料电池堆用来对EESD再充电。在再生制动期间来自牵引电机的可用发电机功率也用来对EESD再充电。
在上面所讨论的混合动力交通工具中，双向的DC/DC转换器有时被用来逐步降低来自EESD的DC电压以使EESD电压与由燃料电池堆的电压输出所要求的总线线路电压相匹配并且在EESD再充电期间逐步增加堆电压。然而，DC/DC转换器相对较大、成本较高、比较沉重并且不可靠，这提供了明显的缺点。期望从包括补充电源的燃料电池交通工具中消除DC/DC转换器。
在工业界已经存在各种尝试来通过提供这样的电源来消除燃料电池供电的交通工具中的DC/DC转换器，其中该电源能够处理来自燃料电池堆的在交通工具运行状况上的大的电压摆动。某些类型的蓄电池也已经被用来消除交通工具燃料电池系统中的DC/DC转换器。然而，这些系统典型地受到在某一水平之外对蓄电池放电的能力的限制。换句话说，由于在系统运行期间在DC总线线路上大的电压摆动，这些类型的蓄电池可能被损坏。
在一个特定的燃料电池系统混合设计中，EESD比燃料电池堆的空转电压(idle voltage)(其为该堆的最大值)具有更高的电压电势，以便允许EESD从电力牵引电机重获再生制动功率。可能期望在系统关闭(shutdown)时对EESD完全充电，使得EESD可以是在系统关闭的长时期内经受耗散的电容器器件。因此，在系统关闭时EESD的电压越高，EESD将越可能具有足够的充电来在下一次交通工具启动时操作系统负载，例如阴极空气压缩机。使用低压蓄电池(例如12伏蓄电池)和12伏到高压的升压转换器来提供除燃料堆功率以外的能量从而对EESD完全充电是可能的。然而，这样的再充电方案在设计考虑上提出了许多挑战，包括12伏蓄电池的大小。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其包括电耦合到公共高压总线线路的EESD和燃料电池堆。该EESD比该燃料电池堆具有更高的电压输出，并因此该电池堆例如在系统关闭时不能对EESD完全充电。为了允许燃料电池堆对EESD完全充电，EESD被分成多个具有较低电压电势的单独的电存储库。提供一系列接触器以在正常的系统运行期间将该存储库串联电耦合，并且使用燃料电池堆对存储库分别充电使得它们被完全充电。所述一系列接触器还能够被配置为使得存储库能够在系统的正常运行期间被串联电耦合而在系统关闭时的充电期间被并联电耦合。
结合附图，根据下面的说明和所附的权利要求书，本发明的附加特征将变得显而易见。
附图说明
图1是使用燃料电池堆和EESD电路的燃料电池系统的示意性框图；
图2是根据本发明实施例的包括两个存储库和用于将该存储库电耦合进电路和耦合出电路的一系列接触器的EESD电路的示意性框图；以及
图3是根据本发明另一实施例的包括两个存储库和用于将该存储库电耦合进电路和耦合出的一系列接触器的EESD电路的示意性框图。
具体实施方式
本发明的实施例的下列讨论针对包括燃料电池堆和被分成多个存储库的EESD的燃料电池系统，该讨论实质上仅仅是示例性的，并且决不打算限制本发明或者其应用或用途。
图1是包括皆电耦合到高压总线线路16的燃料电池堆12和EESD电路14的燃料电池系统10的示意性框图。如下面将详细讨论的，EESD电路14包括多于一个的存储库。EESD电路14为了在这里所述的目的可以使用任何合适的DC电源，例如蓄电池、超电容器(ultracapacitor)、超级电容器(supercapacitor)等。燃料电池堆开关18将燃料电池堆12选择性地连接到高压总线线路16以及与高压总线线路16断开连接。各种电部件(例如推动交通工具的电力牵引电机22)被电耦合到高压总线线路16。另外，驱动用于向燃料电池堆12的阴极侧提供空气的空气压缩机的电机24以及其它系统负载26被电耦合到总线线路16。
燃料电池堆12和EESD电路14具有不同的输出电压，其中EESD电路14的电压通常更高，并且因此，会损坏燃料电池堆12。在一个非限制性实施例中，该堆12的空闲输出电压为330V而EESD电路14的全功率电压为400V。如上面所讨论的，通常在高压总线线路16中提供的DC/DC转换器保护燃料电池堆免受高压DC电源的电压的影响。在该实施例中，没有使用DC/DC转换器。因此，需要某种其它技术来保护燃料电池堆12。为了提供该保护，合适的高压二极管28被提供在高压总线线路16中，该高压二极管防止燃料电池堆12看到EESD电路14的高电压。然而，在系统启动时，当燃料电池堆12不工作时，需要来自EESD电路14的能量来操作各种系统负载，例如空气压缩机电机24。
为了允许来自EESD电路14的DC电压驱动电机24，需要旁路二极管28。因此，旁路线路30被提供在二极管28的周围，并且旁路开关32被提供在旁路线路30中以便选择性地允许二极管28被旁路。因此，在系统启动期间，开关18被断开而开关32被闭合，使得来自EESD电路14的电能能够绕过二极管28并且驱动空气压缩机电机24以及其它系统负载26，而不会损坏燃料电池堆12。
燃料电池系统10还包括例如12伏车用蓄电池的低压蓄电池34。电池34能够向不需要高电压的各种系统和交通工具部件提供功率。然而，在某些时间期间，期望将来自蓄电池34的12伏DC电势转换成高电压低功率电势以便驱动某些系统部件。为了提供这种转换，12伏到高压的转换器36被提供。来自转换器36的高电压低功率能够被用来驱动空气压缩机电机24以便在EESD电路14可能不能起作用或者没有足够功率来这样做的那些时候期间启动燃料电池堆12。因此，该电源用作对于使用EESD电路14的启动程序(starting sequence)的备用系统。
图2是根据本发明实施例的EESD电路14的示意性框图。EESD电路14包括组合起来表示电压总线线路16的正的高压总线线路42和负的高压总线线路44。在该非限制性实施例中，EESD电路14包括两个电存储库46和48。存储库46和48可以是蓄电池组、超级电容器组、超电容器组等等。为了上述的其中EESD为约400伏的设计，电存储库46和48将组合起来提供该400伏，其中在燃料电池系统10的正常运行期间用总线线路42和44将它们串联电耦合以提供期望的功率。存储库46和48的功率输出的分离可以是用于特定应用的任何合适的功率划分。在该实施例中，这两个电存储库46和48可能都是完全充电的大约200伏。因为每个电存储库46和48都具有小于燃料电池堆12的空转电压的额定电压，所以存储库46和48能够在系统关闭时由燃料电池堆12充电。为了提供电存储库46和48在系统10运行期间被串联而在系统关闭期间被分离的适当的电连接，一系列接触器开关50、52、54和56被提供。
在燃料电池系统10运行期间，在系统启动时或者在系统10没有被关闭并且电存储库46和48正被电池堆12充电的任何时间，接触器开关50和56被闭合而接触器开关52和54被断开。在该电配置中，存储库46和48被用高压总线线路42和44串联电耦合，并且将相加提供全EESD功率。
当系统关闭燃料电池堆12被用来对存储库46和48进行充电时，接触器开关50-56被如下配置。为了对存储库46进行充电，接触器开关50和54被闭合而接触器开关52和56被断开，使得存储库46被电耦合到总线线路42和44而存储库48与总线线路42和44断开连接。一旦存储库46被充电，则开关50和54被断开而接触器开关52和56被闭合以便将存储库48电耦合到总线线路42和44从而由燃料电池堆12提供充电。
如所示出的，充电电流控制电路58被提供在电存储库46和48之间。提供充电电流控制电路58以限制在存储库46和48的充电期间到燃料电池堆12的电流从而防止燃料电池堆的损坏。在某些情况下，存储库46和48的电流汲取(current draw)使得它们可能超过电池堆12的电流容量。因此，电路58用作用于该目的的保护电路。在一个实施例中，充电电流控制电路58是防止电流超过预定值的适当的电阻器。在可替代实施例中，充电电流控制电路可以是为不同应用提供可变电流的开关网络。如显而易见的，当在正常的系统运行期间开关52和54被断开而开关50和56被闭合时，充电电流控制电路58被切换出系统10，但是当接触器开关50和54被闭合或者接触器开关52和56被闭合而存储库46和48正被充电时，充电电流控制电路58被切换到系统10中。
如上面所讨论的，电存储库46和48在系统关闭时被分别充电。根据本发明的另一实施例，电存储库在系统关闭时同时被充电。图3中示出了该实施例，其中EESD电路70能够代替EESD电路14。EESD电路70包括正的高压总线线路72和负的高压总线线路74。电路70还包括与存储库46和48类似的电存储库76和78，以及多个接触器开关80-88。在正常的燃料电池系统运行期间当存储库76和78没有在被充电并且需要串联耦合以提供全功率时，接触器80和86被闭合而接触器82、84和88被断开，使得存储库76和78被串联电耦合到总线线路72和74。当在系统关闭要对存储库76和78充电时，接触器开关80和86被断开而接触器开关82、84和88被闭合，使得存储库76和78被彼此并联地电耦合到总线线路72和74。因此，在该实施例中存储库76和78被同时充电并且被均匀地充电。提供接触器开关82使得充电电流控制电路90能够在存储库76和78的充电期间被切换到该电路中，并且能够在开关80和86闭合的正常运行期间被切换出该电路。
虽然上面对于图2和图3所讨论的实施例包括两个单独的存储库，但是在本发明的范围内，可替代的实施例可以使用三个或更多的存储库，通过增加更多的接触器所述三个或更多的存储库总计达到期望的电压电势。
上述讨论仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这样的讨论并且从附图和权利要求书中将容易认识到在不脱离如下面的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下能够进行各种改变、修改和变化。

Claims (20)

1、一种燃料电池系统，包括：
正电压线；
负电压线；
燃料电池堆，其电耦合到该正电压线和该负电压线；
第一电存储库，其选择性地电耦合到该正电压线和该负电压线；
第二电存储库，其选择性地电耦合到该正电压线和该负电压线；以及
电耦合到该正电压线和该负电压线的多个接触器开关，所述多个接触器开关被选择性地断开和闭合，使得在燃料电池系统的运行期间第一和第二电存储库被串联电耦合到该正电压线和该负电压线并且被选择性地断开和闭合以便当系统关闭该燃料电池堆用于对第一和第二电存储库充电时使该电存储库电断开串联。
2、根据权利要求1的系统，其中第一和第二电存储库组合起来以便在它们串联耦合时具有比燃料电池堆的电压输出更高的电压输出，并且其中每一个单独的电存储库具有小于燃料电池堆的电压输出的电压输出。
3、根据权利要求1的系统，其中第一和第二电存储库是电容器组。
4、根据权利要求1的系统，其中第一和第二电存储库是蓄电池组。
5、根据权利要求1的系统，其中所述多个接触器开关被选择性地断开和闭合以通过燃料电池堆分别对第一和第二电存储库进行充电。
6、根据权利要求5的系统，其中该多个接触器开关是四个接触器开关，其中，其中两个接触器开关被闭合而其中两个接触器开关被断开从而将第一和第二电存储库串联电耦合到正电压线和负电压线，不同的其中两个接触器开关被闭合而不同的其中两个接触器开关被断开从而只将第一电存储库电耦合到正电压线和负电压线以对第一电存储库再充电，并且另外不同的其中两个接触器开关被闭合而另外不同的其中两个接触器开关被断开从而只将第二电存储库电耦合到正电压线和负电压线以对第二存储库充电。
7、根据权利要求1的系统，其中所述多个接触器开关被选择性地断开和闭合从而并联连接第一和第二电存储库以使用燃料电池堆同时对第一和第二电存储库充电。
8、根据权利要求7的系统，其中该多个接触器开关是五个接触器开关，其中在燃料电池系统运行期间其中两个接触器开关被闭合而其中三个接触器开关被断开以将第一和第二电存储库串联电耦合到正电压线和负电压线，并且这两个接触器开关被断开而这三个接触器开关被闭合以将第一和第二存储库并联电耦合到正电压线和负电压线从而使用燃料电池堆同时对第一和第二电存储库充电。
9、根据权利要求1的系统，还包括充电电流控制电路，用于在第一和第二存储库的再充电期间限制到第一和第二电存储库的电流。
10、根据权利要求9的系统，其中该充电电流控制电路是电阻器。
11、一种燃料电池系统，包含：
正电压线；
负电压线；
燃料电池堆，其电耦合到该正电压线和该负电压线；
第一电存储库，其选择性地电耦合到该正电压线和该负电压线；
第二电存储库，其选择性地电耦合到该正电压线和该负电压线；以及
电耦合到该正电压线和负电压线的一系列四个接触器开关，其中该多个接触器开关中的两个被闭合而其中两个接触器开关被断开使得在燃料电池系统运行期间第一和第二电存储库被串联电耦合到该正电压线和该负电压线，不同的其中两个接触器开关被断开而不同的其中两个接触器开关被闭合从而将第一电存储库电耦合到该正电压线和该负电压线以便对第一电存储库再充电，并且另外不同的其中两个接触器开关被断开而另外不同的其中两个接触器开关被闭合从而将第一电存储库与该正电压线和该负电压线断开连接并且将第二电存储库连接到该正电压线和该负电压线。
12、根据权利要求11的系统，其中第一和第二电存储库组合起来以便在它们串联耦合时具有比燃料电池堆的电压输出更高的电压输出，并且其中每个单独的电存储库具有小于燃料电池堆的电压输出的电压输出。
13、根据权利要求11的系统，其中第一和第二电存储库是电容器组。
14、根据权利要求11的系统，其中第一和第二电存储库是蓄电池组。
15、根据权利要求11的系统，还包含充电电流控制电路，用于在第一和第二存储库的再充电期间限制到第一和第二电存储库的电流。
16、一种燃料电池系统，包含：
正电压线；
负电压线；
燃料电池堆，其电耦合到该正电压线和该负电压线；
第一电存储库，其选择性地电耦合到该正电压线和该负电压线；
第二电存储库，其选择性地电耦合到该正电压线和该负电压线；以及
电耦合到该正电压线和该负电压线的一系列五个接触器开关，其中，其中两个接触器开关被闭合而其中三个接触器开关被断开从而将第一电存储库和第二电存储库串联电耦合到该正电压线和该负电压线，以及这两个接触器开关被断开且这三个接触器开关被闭合从而将第一和第二电存储库并联电耦合到该正电压线和该负电压线以便使用燃料电池堆对第一和第二电存储库再充电。
17、根据权利要求16的系统，其中第一和第二电存储库组合起来以便在它们串联耦合时具有比燃料电池堆的电压输出更高的电压输出，并且其中每个单独的电存储库具有小于燃料电池堆的电压输出的电压输出。
18、根据权利要求16的系统，其中第一和第二电存储库是电容器组。
19、根据权利要求16的系统，其中第一和第二电存储库是蓄电池组。
20、根据权利要求16的系统，还包含充电电流控制电路，用于在第一和第二存储库的再充电期间限制到第一和第二电存储库的电流。
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