CN101569042A - 包括可靠电力分配器的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用氢和氧之间的电化学反应来产生电力的燃料电池系统。燃料电池系统包括电力分配器，能根据操作条件，选择系统电源和燃料电池堆之一作为产生用于各种平衡设备(BOP)以及控制器的电力的电源，并从所选择的电源分配电力。燃料电池系统能通过在系统电力和堆电力共存的状态下切换电源，稳定地将电力分配给BOP和控制器，而不产生临时接触点间隙。

Description

包括可靠电力分配器的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种使用氢和氧之间的电化学反应来产生电力的燃料电池系统。更具体的，本发明涉及一种燃料电池系统，该系统能根据操作条件，选择系统电源和燃料电池堆之一，作为产生用于各种平衡设备(balance of plants，BOP)以及控制器的电力的电源，并从所选择的电源分配电力。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用具有氢离子交换特性的质子交换膜作为电解质膜。PEMFC通过含氢的燃料气体与含氧的空气之间的电化学反应产生电和热。PEMFC具有快速启动性能，并且能设计成小尺寸。因此，PEMFC广泛地用于各种各样的应用，例如便携式电源、汽车电源以及家庭热电厂。
PEMFC包括具有膜电极组件和分隔片的单元电池。燃料电池堆包括多个单元电池。
现有技术的具有燃料电池堆的燃料电池系统，该电池堆通过氢和氧之间的电化学反应产生电力，将燃料电池堆产生的电力(堆电力)供给给外部。燃料电池系统将从燃料电池堆产生的一部分堆电力或从系统电源供给的系统电力用作操作驱动燃料电池系统所需的BOP和控制器的电力。就此而言，燃料电池系统不是同时都使用燃料电池堆和系统电源，而是根据其操作条件，选择性地将燃料电池堆和系统电源之一用作电源。因此，燃料电池系统包括电力分配器，电力分配器能根据操作条件，选择系统电源和燃料电池堆之一，作为产生用于各种平衡设备(balance of plants，BOP)以及控制器的电力的电源，并从所选择的电源分配电力。
图5是示出现有技术燃料电池系统的电力分配器的连接结构的示意图。
如图5所示，从燃料电池堆10产生的堆电力和从系统电源50供给的系统电力输入到电力分配器200。
电力分配器200包括第一继电器210和AC/DC转换器240，第一继电器210用于选择性地开/关供给系统电力的系统电源50，AC/DC转换器240用于将AC220V的交流电力转换为直流电力。
电力分配器200进一步包括第二继电器220和DC/DC转换器250，第二继电器220用于选择性地开/关供给堆电力的燃料电池堆，DC/DC转换器250用于将DC48V的堆电力转换为能用于各种BOP和控制器的DC24V。
电力分配器200进一步包括第三继电器230，第三继电器230根据操作条件，选择和供给从AC/DC转换器240供给的系统电力和从DC/DC转换器250供给的堆电力之一。
在现有技术的电力分配器中，第一和第二继电器210和220切断系统电力和堆电力之一，并且第三继电器230选择不被切断的系统电力和堆电力之一作为供给电力。然后，从第三继电器230输出的电力用作操作系统所需的BOP和控制器的损耗电力。
然而，在第三继电器230中切换电源期间，不可避免地产生从燃料电池堆10或系统电源50不供给电力的临时接触点间隙。由于临时不供给电力，使用从第三继电器230所供给的电力的控制器和BOP，例如泵或吹风机，可能发生故障。
因此，如图5所示，用于补偿接触点间隙的冷凝器(condenser)281、282和283安装在第三继电器230的前后端。然而，根据系统和堆电力结合的结点处负载的环境条件和各种其他控制条件，即使安装了冷凝器281、282和283，也可能不能完全解决接触点间隙的问题。另外，仍然存在着在燃料电池系统启动和停止操作时来自第三继电器230的输出电压电平波动的问题。
发明内容
【要解决的技术问题】
本发明的典型实施例提供了一种燃料电池系统，具有可靠电力分配器系统，能根据操作条件，选择系统电源和燃料电池堆之一，作为产生用于各种平衡设备(balance of plants，BOP)以及控制器的电力的电源，并从所选择的电源分配电力，以及能在电力分配期间防止产生接触点间隙。
【技术方案】
在本发明的实施例中，燃料电池系统包括通过氢和氧之间的电化学反应产生电力的燃料电池堆，将含氢的转化气供给给燃料电池堆的燃料处理单元，将氧供给给燃料电池堆的氧供给单元，为燃料电池堆、燃料处理单元和氧供给单元执行启动、停止和电力产生操作的各种平衡设备和控制器，以及根据操作条件选择系统电源和燃料电池堆之一作为电源并将来自所选择的电源的电力分配给BOP和控制器的电力分配器。电力分配器包括用于选择性地开/关系统电源的第一继电器、用于将AC系统电力转换为DC电力的AC/DC转换器、用于根据其前后端之间的电势差而选择性地切断电流供给的二极管、用于开/关燃料电池堆的第二继电器、以及将堆电力转换为可用于平衡设备和控制器的DC电力的DC/DC转换器。系统电力供给系统和堆电力供给系统在二极管和DC/DC转换器的后端相互连接，以将来自系统电源和燃料电池堆之一的电力供给给平衡设备和控制器。
DC/DC转换器中转换的输出电压比AC/DC转换器中转换的输出电压高0.2-0.5V。
当二极管前端的输入电势小于二极管后端的输出电势时，二极管切断电流供给。当二极管前端的输入电势等于或者大于二极管后端的输出电势时，二极管允许电流从其流过。
【有益效果】
本发明的燃料电池系统能根据操作条件，选择系统电源和燃料电池堆之一，作为产生用于BOP和控制器的电力的电源。燃料电池系统能通过在系统电力和堆电力共存的状态下切换电源，稳定地将电力分配给BOP和控制器，而不产生临时接触点间隙。
附图说明
图1是根据本发明典型实施例的燃料电池系统的示意图。
图2是图1中燃料电池系统的电力分配器的连接结构的示意图。
图3是示出图1和2的燃料电池系统启动产生电力时，电力分配方法的流程图。
图4是示出图1和2的燃料电池系统停止产生电力时，电力分配方法的流程图。
图5是现有技术燃料电池系统的电力分配器的连接结构的示意图。
※图中主要元件的附图标记的描述※
10：燃料电池堆            20：燃料处理单元
30：氧供给单元            40：冷却单元
50：系统电源              100、200：电力分配器
110、120、210、220、230：继电器
130：二极管
具体实施方式
在下文中参考附图对本发明进行更全面的描述，其中示出本发明的典型实施例。本领域的技术人员应知晓，能以各种不同的方式修改所描述的实施方式而均不背离本发明的精神或范围。
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图。
如图1所示，本典型实施例包括，燃料电池堆10，通过氢和氧之间的电化学反应产生DC电力；燃料处理单元20，将燃料转化为富氢转化气并将转化气供给给燃料电池堆10；氧供给单元30，将含氧的氧化剂供给给燃料电池堆10，冷却单元40，用于吸收从燃料电池堆10产生的热；电力转换器，将在燃料电池堆10中产生的DC电力转换为AC电力；使用从燃料电池堆产生的电力的控制器和多个BOP，用于启动、停止和维持系统的电力产生；以及电力分配器100，将在燃料电池堆10中产生的电力分配给BOP。燃料电池系统进一步包括系统电源50或子电源，例如电池，用以供给BOP的启动电力。在燃料电池堆10产生电力后，系统电源50停止电力供给。
具体的，本典型实施例的燃料电池系统的电力分配器100设计成，在选择燃料电池堆10和系统电源50之一作为电源期间不产生接触点间隙，并且有效地将电力分配给BOP。关于这一点，下文中将更详细地描述。
图2是图1中燃料电池系统的电力分配器的连接结构的示意图。
如图2所示，电力分配器100包括，第一继电器110，用以选择性地开/关供给系统电力的系统电源50，AC/DC转换器140，用以将AC系统电力转换为DC电力，以及二极管130，用以根据前后端之间的电势差选择性地切断电流供给。
电力分配器100进一步包括，第二继电器120，用以选择性地开/关供给堆电力的燃料电池堆，以及DC/DC转换器150，用以将堆电力转换为可用于BOP和控制器的DC电力。
更详细地，第一继电器110总是维持开状态(on-state)来供给系统电力，即使在系统停止时。因此，第一继电器启动系统的操作，并将系统电力供给给BOP和控制器。在燃料电池堆10产生电力后，第一继电器110切换到闭状态(off-state)以切断系统电力供给。
不像第一继电器110以机械型式形成，第二继电器120是以固态继电器类型形成。当系统停止时，第二继电器120维持闭状态以切断堆电力供给。在系统启动操作和燃料电池堆10产生电力后，第二继电器120切换到开状态。
二极管130设计成，根据前后端之间的电势差选择性地切断电力供给，并且允许电流仅流向BOP和控制器。
由于系统电力为AC220V，AC/DC转换器140将系统电力转换为可用于BOP和控制器的DC24V。
由于堆电力为DC48V，DC/DC转换器150将堆电力转换为可用于BOP和控制器的DC24.5V。在此，当堆电压通过燃料电池堆10中电化学反应的激活而达到额定电压时，DC/DC转换器150的输出电压设置成比AC/DC转换器140的输出电压高0.2-0.5V。
然后，系统电力供给系统和堆电力供给系统在二极管130和DC/DC转换器150的后端相互连接，从而电力分配器100选择系统电源50和燃料电池堆10之一作为电源并将来自所选择的电源的电力供给给BOP和控制器。
即，由于系统启动操作时燃料电池堆10的电化学反应未被激活，只有AC/DC转换器140的输出电压供给给BOP和控制器。当系统产生电力以及燃料电池堆10的电化学反应被激活时，第二继电器120切换到开状态以供给来自燃料电池堆10的堆电力。然后，由于DC/DC转换器150的输出电压比AC/DC转换器140的输出电压高0.5V，二极管130切断系统电力供给系统的电流，从而可将堆电力供给给BOP和控制器。进一步，当系统停止操作时，第一继电器110切换到开状态以供给来自系统电源的系统电力，并且燃料电池堆10停止产生电力。然后，AC/DC转换器140的输出电压比DC/DC转换器150的输出电压高，因而二极管130允许将系统电力供给给BOP和控制器。
如上文的描述，在电力分配器100中，即使在用于供给电力给BOP和控制器的电源被切换时，电压变化仅为0.2-0.5V，因而能稳定地维持BOP和控制器的操作。
图3是示出图1和2的燃料电池系统启动产生电力时，电力分配方法的流程图。
参考图2和3，当燃料电池系统启动产生电力时，通过第一继电器110将系统电力供给给BOP和控制器，从而操作BOP和控制器(S1)。
接着，第一继电器110维持开状态以保持供给系统电力，第二继电器120维持闭状态以切断堆电力供给。在此状态下，燃料电池堆10中的电化学反应由控制器激活(S2)。
以上步骤后，确定堆电压是否等于或高于预设置的开路电压(OCV)(S3)。于是，第二继电器120维持开状态以供给堆电力，因而堆电力和系统电力共存(S4)。就此，燃料电池堆10的输出电压设置成比系统电源50的输出电压高0.5V。因此，系统电力维持在备用状态而不经过二极管130，而将堆电力供给给BOP和控制器。于是，在燃料电池系统中，即使在用于供给电力给BOP和控制器电力的电源被切换时，电压变化仅为0.2-0.5V，因而能稳定地维持BOP和控制器的操作。
接着，在燃料电池堆10的额定电力产生稳定后，第一继电器110关闭以切断系统电力供给，从而防止系统电源中电力的不必要损耗(S5)。
图4是示出图1和2的燃料电池系统停止产生电力时，电力分配方法的流程图。
再次参考图2和4，燃料电池系统将来自燃料电池堆10的堆电力供给给BOP和控制器(S6)，以及由于一些系统问题或当燃料电池堆10停止产生电力时，燃料电池系统停止产生电力。然后，当传输电力产生信号时，第一继电器110切换到开状态以供给系统电力，因而系统电力和堆电力共存(S7)。
接着，在燃料电池堆10停止产生电力前，第二继电器120切换到闭状态以切断堆电压供给，因而燃料电池堆10不会过载(S8)。
接着，通过二极管130将系统电力供给给BOP和控制器，因此BOP和控制器执行停止产生电力的操作(S9)。最后，即使燃料电池系统的电力产生突然停止而使控制器临时停止操作，由于系统电力供给系统的第一继电器110为开状态，在启动产生时系统电力能供给给BOP和控制器。
虽然结合当前所认为的实用典型实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于公开的实施方式，相反，本发明意欲涵盖包括在所附权利要求的精神和范围之内的各种修改和等价变化。

Claims (4)

1、一种燃料电池系统，包含：
燃料电池堆，通过氢和氧之间的电化学反应产生电力；
燃料处理单元，将含氢的转化气供给给燃料电池堆；
氧供给单元，将氧供给给燃料电池堆；
各种平衡设备和控制器，为燃料电池堆、燃料处理单元和氧供给单元执行启动、停止和电力产生操作；以及
电力分配器，根据操作条件选择燃料电池堆和系统电源之一作为电源，并将来自所选择的电源的电力分配给BOP和控制器，
其中，作为系统电力供给系统的电力分配器，包括用于选择性地开/关系统电源的第一继电器、用于将AC系统电力转换为DC电力的AC/DC转换器、以及用于根据其前后端之间的电势差而选择性地切断电流供给的二极管，
作为堆电力供给系统的电力分配器，包括用于开/关燃料电池堆的第二继电器、以及用于将堆电力转换为可用于平衡设备和控制器的DC电力的DC/DC转换器，并且其中
系统电力供给系统和堆电力供给系统在二极管和DC/DC转换器的后端相互连接，以将来自系统电源和燃料电池堆之一的电力供给给平衡设备和控制器。
2、权利要求1所述的燃料电池系统，其中，DC/DC转换器中转换的输出电压比AC/DC转化器中转换的输出电压高。
3、权利要求2所述的燃料电池系统，其中，DC/DC转换器中转换的输出电压比AC/DC转化器中转换的输出电压高0.2-0.5V。
4、权利要求3所述的燃料电池系统，其中，当二极管前端的输入电势小于二极管后端的输出电势时，二极管切断电流供给，以及，二极管前端的输入电势等于或者大于二极管后端的输出电势时，二极管允许电流从其流过。
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