CN101593994B - 无dc-dc变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统 - Google Patents

无dc-dc变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统，系统中电堆的输出电压设置在负载所需电压范围内，输出功率设置在工作负载大部分时间所需的功率值上，燃料电池的电堆并联至少两个具有充放电功能的蓄能器；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，其中一个含有饱和电量的蓄能器与电堆一起向工作负载放电以补偿电堆输出功率的不足；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，电堆向工作负载供电的同时向另一个非饱和蓄能器充电，以使整个燃料电池系统输出的总功率与工作负载功率匹配，保证输出电压的稳定。由于没有DC-DC变换器，所以减少了电能无谓的消耗，提高了燃料电池的输出效率。

Description

无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统 
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体来说是一种不需要DC-DC变换器的燃料电池。 
背景技术
为了解决环境污染和化石燃料日益枯竭的迫切问题，世界各国都对燃料电池进行了广泛的关注，因为燃料电池是一种高效清洁能源，对环境没有或只有很小的污染，并能用可再生性物质如氢气和甲醇做为燃料。很多国家尤其是发达国家已投入了大量的人力物力和财力对燃料电池进行广泛的研究和开发。作为发展中国家的中国也加大了对燃料电池研发的投入。很多省市已把开发燃料电池提升到了战略高度，并把开发燃料电池作为最重要的研发方向之一。 
燃料电池是一种电化学能量转换器，把燃料(和氧气)中的化学能直接转化成电能。燃料在燃料电池的阳极被氧化，氧气在燃料电池的阴极被还原。只要有燃料和氧气不停地输入，燃料电池就能源源不断地产生电能。反应式(1)表述了氢气在阳极的氧化过程，反应式(2)表述了甲醇在阳极的氧化过程，反应式(3)表述了相应的氧气在阴极的还原过程： 
H2＝2H++2e-               (1) 
CH3OH+H2O＝CO2+6H++6e-    (2) 
O2+4H++4e-＝2H2O    (3) 
如图1所示，电堆、DC-DC变换器、启动电源、水热管理和控制器通常是构成一个燃料电池系统主要模块。其中，电堆是作为反应气(燃料和氧气)发生电化学反应的地方；DC-DC变换器把从电堆中产生的电能变换到负载所需的值，通常是把电堆的输出电压变化到负载所需的输入电压；启动电源通常是电池或电容或两者的结合，用来启动燃料电池系统和在需要时给负载提供额外的能量；水热管理保证水和热的平衡以便让电堆和系统中的其他模块处于最佳工作状态；控制器用来控制燃料电池系统中的所有模块和它们的运行过程。 
对于千瓦级燃料电池系统，DC-DC变换器的能耗通常在10％以上，这是很大的能量损失，大大地降低了整个燃料电池系统的输出功率。为此，有人提出了去掉DC-DC变换器的想法。但是，由于燃料电池的输出电压随着负载的变化而变化，即，燃料电池输出的电压随着负载的变化而来回波动，不能输出稳定的电压，而满足不了有些负载需要稳定电压的要求。为此，又有人提出把一个较大的电池(该电池也可能是燃料电池内的启动电源)并联到燃料电池系统上而把燃料电池的输出电压拉到和电池电压相同的值上，如图2所示。然而，尚没有具体的方案来实现这一想法。 
发明内容
针对目前的燃料电池采用DC-DC变换器造成的输出功率降低问题，本发明的目的在于提供一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，以实现无需DC-DC变换器而能够保证燃料电池系统输出电压的稳定，满足负载的稳压要求。
本发明采用如下技术解决方案：一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，系统中电堆的输出电压设置在工作负载所需电压范围内，输出功率设置在工作负载的正常功率值上，燃料电池的电堆并联至少两个具有充放电功能的蓄能器，它们的工作电压也设置在工作负载所需电压范围内，并和电堆工作电压相同或至少很接近；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，其中一个含有较饱和电量的蓄能器与电堆一起向工作负载放电以补偿电堆输出功率的不足；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，电堆向工作负载供电的同时向另一个较空蓄能器充电，以使整个燃料电池系统输出的总功率与工作负载功率匹配，保证输出电压的稳定。 
在所述电堆的输出功率高于工作负载功率并且向蓄能器充电仍然不能满足工作负载变动的要求时，还可以通过增加一个或一组变级负载来消耗掉那部分多余的能量，而达到电堆的输出电压和功率稳定而不随外界负载的变化而波动。 
本发明还提供了一种无DC-DC变换器的燃料电池系统，包括燃料电池电堆；至少一个处于电量较饱和状态的具有充放电功能的第一蓄能器，和至少一个处于电量较空状态的具有充放电功能的第二蓄能器；和控制器，用于监测第一蓄能器和第二蓄能器电量的变化，并根据工作负载功率的变化控制第一蓄能器或第二蓄能器的断开和接通；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，控制器控制第一蓄能器接通与燃料电池电堆同时向工作负载放电，以补偿燃料电池输出功 率的不足，维持整个燃料电池系统输出功率与工作负载功率匹配；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，控制器控制第二蓄电器接通，使燃料电池电堆在给工作负载输出电能同时向第二蓄能器充电，以维持整个燃料电池系统输出的功率与工作负载功率匹配。 
另外，在燃料电池系统内部位于电堆的正极和负极之间也可再加一个“变级负载”如变级电阻，由所述的控制器控制其通断电和调节负载值来进一步协调两个电池组的功能。由于该变级负载是一个纯消耗电能的器件，所以一般来讲，该变级电阻只有在蓄能器不能完全满足工作负载变动的幅度要求时才用。例如，当外界的工作负载变小而蓄能器不能完全接受电堆产生的超过所需的额外电量时才接通，那些多余的电量将被消耗在变级负载上。由于变级负载的负载可变，它可以根据需要进行调节而接受不同的能量消耗。 
所述的蓄能器可以为各种可充电电池或者电容或者电容电池，或其它具有蓄电和反复充放性能的装置。 
第一蓄能器和第二蓄能器的数量均可以为一个也可以根据需要为多个，根据工作负载功率变化幅度和燃料电池电堆的功率来确定。 
由于在工作过程中蓄能器的电量是变化的，总是重复着充电和放电过程，这里的第一蓄能器和第二蓄能器，仅是用于区分放电和充电状态的蓄能器。 
本发明是利用蓄能器的充放电特性，使得在燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时向蓄能器充电，将多余的电量暂时储存，而在燃料电池电堆的输出功率低于工作负载功率时将蓄能器内储存的电能放出，与燃料电池电堆一起向工作负载供电，达到使整个燃料电池系统(包括燃料电池电堆和蓄能器)功率与工作负载始终匹配，以满足燃料电池系统输出的电压符合工作负载的稳压要求，从而避免了采用DC-DC变换器时存在的能量损失问题。这种方法和系统减少了输出电压杂音，拓宽了无DC-DC变换器燃料电池系统的应用范围，提高了燃料电池的可靠性，降低了燃料电池成本，适合于各类燃料电池。 
附图说明
图1为现有的燃料电池系统组成结构示意图。 
图2为一种燃料电池系统的组成方案示意图。 
图3为本发明的无DC-DC变换器的燃料电池系统的一种实施方式原理图。 
图4为本发明的无DC-DC变换器的燃料电池系统的另一种实施方式原理图。 
图5为本发明的无DC-DC变换器的燃料电池系统的另一种实施方式原理图。 
图6为本发明的无DC-DC变换器的燃料电池系统的控制原理图。 
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细描述，以助于理解本发明的内容。 
实施例1 
如图3所示，是本发明的一种无DC-DC变换器的燃料电池系统实 施方式原理图，包括燃料电池电堆，一个处于电量饱和状态的具有充放电功能的充电电池1(简称为饱电池)与电堆并联，以及一个处于电量放空状态的具有充放电功能的充电电池2(简称空电池)。还有控制器，用于监测电池1和电池2的电量变化和负载功率变化，并根据工作负载功率的变化控制电池1或电池2的断开和接通。 
其控制方法和燃料电池的稳压原理如图6所示，电堆的的输出电压设置在负载所需电压范围内，输出功率设置在负载大部分时间所需的功率值上，即固定电堆输出。控制器监测工作负载的功率变化，和充放电电池的电量变化，当工作负载功率与电堆的设定值相比其本相同时，即工作负载功率与设定值相比没有变化，此时仅由电堆给负载供电(回路1)。当控制器检测到工作负载的功率变小，此时电堆的功率超过负载的需求，此时控制器控制接通电堆和空电池，即电堆在向负载供电通时还给空电池充电，将超出负载需要的电量充给空电池(回路2)。而当工作负载功率增加时，控制器控制接通饱电池和工作负载，在电堆向工作负载供电同时，饱电池同时给负载供电，以补偿电堆输出功率的不足(回路3)。这样由于整个燃料电池系统总输出与工作负载的功率保持匹配，以就保证了电池系统在没有DC-DC变换器时仍然能够使电压符合负载的稳压要求。 
假设负载需要的输入电压是50(±5)V，输入功率在绝大多数时间是2000瓦，电池1和2在工作状态时的电压都在50V。在系统操作过程中，电堆的额定输出电压一直都被控制在50V，额定输出功率一直都被控制在2000瓦。当负载功率稳定在2000瓦时，电堆单独 给其供电，而两个电池组都处于闲置状态。如负载功率从2000瓦上升到2500瓦，控制器控制电池1(饱电池)的开关接通并给负载提供500瓦的电量，电堆的输出功率仍保持在2000瓦，而电池2仍处于闲置状态。这样，通过电堆和电池1的组合，负载总共得到了2500瓦、稳定在50V的电量。当负载功率从2500瓦往下降到2200瓦时，电堆的输出功率仍保持在2000瓦，但电池1的输出功率从500瓦降低到200瓦。这样，通过电堆和电池1的组合，负载得到了总共2200瓦、稳定在50V的电量。 
反之，当负载功率从2000瓦降低到到1500瓦，电堆的输出功率仍保持在2000瓦，其中的1500瓦用来给负载供电，而额外输出的500瓦用来给电池2(空电池)充电。这样，通过电堆和电池2的组合，负载得到了总共1500瓦、稳定在50V的电量.当负载功率从1500瓦往上升到1800瓦时，电堆的输出功率仍保持在2000瓦，其中的200瓦用来给电池2充电。这样，通过电堆和电池2的组合，负载总共得到了1800瓦、稳定在50V的电量. 
由于饱电池是用来放电而空电池用来接收电，一段时间以后，饱电池会变成空电池，而空电池变成饱电池。燃料电池的控制器会一直监测两组电池的电量情况，以便一直首选饱电池放电、空电池接收电。监测电池电量的方法有若干种，其中一个简便方法是监测电池的电压，高电压表示较饱和电池，而低电压表示较空电池。 
由于电容也是一种具有充放电性能的蓄能器件，所以还可以如图5所示用一个电容代替图3中的一个可充电电池，或者是两个电池都 用电容代替，其工作原理是相同的。 
在图4所示的实施例中，还在电堆的正极和负极之间加一个变级负载，可以是一个变级电阻，在外界的工作负载变小而电池或电容等蓄能器不能完全接受电堆产生的超过所需的额外电量时，由控制器控制该变级负载接通和调节其大小，以使那些多余的电量被消耗在该变级负载上。 
可充电的电池可以是铅酸蓄电池、二次碱性电池、镍氢电池或锂离子电池等。 

Claims (10)

1.一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，电池中电堆的输出电压设置在工作负载所需电压范围内，输出功率设置在工作负载的正常功率值上，燃料电池的电堆并联至少两个具有充放电功能的蓄能器，它们的工作电压也设置在工作负载所需电压范围内，并和电堆工作电压相同或至少很接近；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，其中一个含有较饱和电量的蓄能器与电堆一起向工作负载放电以补偿电堆输出功率的不足；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，电堆向工作负载供电的同时向另一个较空蓄能器充电，以使整个燃料电池系统输出的总功率与负载功率匹配，保证输出电压的稳定。
2.如权利要求1所述的无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，其特征在于：在所述电堆的输出功率高于负载功率，并且向蓄能器充电仍然不能满足工作负载变动的要求时，还将电堆接一个变级负载来消耗多余的功率。
3.如权利要求2所述的无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，其特征在于：所述的变级负载为变级电阻。
4.如权利要求1至3中之一所述的无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，其特征在于：所述的蓄能器为充电电池或电容或电容电池。
5.一种无DC-DC变换器的燃料电池系统，包括燃料电池电堆，其特征在于：还包括至少一个处于电量较饱和状态的具有充放电功能的第一蓄能器；以及至少一个处于电量较空状态的具有充放电功能的 第二蓄能器；和控制器，用于监测第一蓄能器和第二蓄能器电量的变化，并根据工作负载功率的变化控制第一蓄能器或第二蓄能器的断开和接通；当燃料电池电堆输出功率低于负载功率时，控制器控制第一蓄能器接通，使第一蓄能器与电堆同时向工作负载放电，以补偿电堆输出功率的不足，维持整个燃料电池系统输出功率与负载功率匹配；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，控制器控制第二蓄电器接通，使燃料电池电堆在给工作负载输出电能同时还向第二蓄能器充电，以维持整个燃料电池系统输出的功率与工作负载功率匹配。
6.如权利要求5所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：电堆的正极和负极之间还加一个变级负载，在外界的工作负载变小而蓄能器不能完全接受电堆产生的超过工作负载所需的额外电量时，由控制器控制该变级负载接通和调节其大小，以使那些多余的电量被消耗在该变级负载上。
7.如权利要求6所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的变级负载为变级电阻。
8.如权利要求5至6中之一所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的第一蓄能器为可充电电池或者电容或者电容电池。
9.如权利要求5至6中之一所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的第二蓄能器为可充电电池或者电容或者电容电池。 
10.如权利要求5至6中之一所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的第一蓄能器和/或第二蓄能器的数量为多个。 
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