CN101593995A - 无dc-dc变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统 - Google Patents
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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，一种无DC－DC变换器的燃料电池稳压方法，是在工作负载变化时，通过调节燃料电池系统中参与供电的氧化还原反应的有效活性反应区域大小来改变燃料电池系统的输出功率，使其与工作负载匹配，但维持燃料电池输出的总电压不变，从而保证燃料电池系统输出的电压稳定在工作负载所要求的电压范围内。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
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，可以由一个大电堆或多个小电堆组成，而每个电堆由若干单电池构成；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，大大的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，燃料电池输出的电压就会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，是在工作负载变化时，通过调节燃料电池系统中参与供电的氧化还原反应的有效活性反应区域大小来改变燃料电池系统的输出功率，使其与工作负载匹配，但维持电堆输出的总电压不变，从而保证燃料电池系统输出的电压稳定在工作负载所要求的电压范围内。
由于燃料电池的发电是基于燃料和氧气在电池的反应区域发生氧化还原反应，因此通过控制反应区域的大小可以改变电池的输出电流和功率。调整电堆有效活性反应区域大小可以通过调整燃料电池系统中参与供电的有效小电堆的数量来实现。当然，调整电堆有效活区域大小也可以通过调整燃料电池系统中单电池上的膜电极有效活性区间大小来实现。
本发明还提供了一种无DC-DC变换器的燃料电池系统，包括电堆以及控制器，所述的控制器用于采集燃料电池系统的输出功率和电流，并将输出功率与负载进行比较，根据比较结果调整参与供电的所述小电堆中氧化还原反应的有效活性反应区域大小来改变燃料电池系统的输出功率，使其与工作负载匹配，但维持电堆输出的总电压不变，从而保证燃料电池系统输出电压稳定在工作负载所要求的电压范围内。
所述的有效活性反应区域是指构成电堆的单电池中膜电极的有效活性区域。改变膜电极的有效活性区间可以通过若干种方式来进行。例如可以将所述的膜电极被活动盖板遮盖，所述的控制器通过控制活动盖板的执行机构调整所述活动盖板遮盖膜电极活性区域的大小。还可以通过所述的控制器控制执行机构将膜电极一侧或两侧极板上的流道部分堵塞或放开来调整参与氧化还原反应的有效活性区域大小。
所述的有效活性反应区域也可以是指燃料电池系统中小电堆的数量。对于以小电堆为单位来改变膜电极反应活性区域的方式，可以采用每一个小电堆对应有一个开关用于实现电堆与输出母线的接通和断开，所述的控制器控制所述的开关的通断，用于通过控制参与供电的工作小电堆的数量来调整燃料电池总输出功率与工作负载匹配，但维持电堆输出的总电压不变。这样是以小电堆输出功率的整数倍为调节量进行调节输出功率，每个小电堆可以由一片或若干片单电池组成。这种跃级调节方式，只要单个小电堆的输出功率小于工作负载的通常变化幅度即可保证燃料电池输出电压稳定在工作负载允许的电压范围内。小电堆与对应的开关之间还可以有二极管用于防止电流反灌。
本发明是根据负载的变化，通过调节燃料电池的有效活性反应区域来控制反应速率，进而控制燃料电池的输出功率，达到使整个燃料电池系统功率与工作负载始终匹配，但维持电堆输出的总电压不变，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为通过盖板遮盖膜电极的反应区域的示意图。
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-调节小电堆数量来控制输出功率
图3所示是本发明的一种实施方式示意图。燃料电池系统包括10个并联的小电堆T1～T10，以及控制器1；并联的小电堆T1～T10通过输出母线向负载2供电。
每一个小电堆对应有一个开关即S1～S10，用于实现小电堆T1～T10与输出母线的接通和断开，实现并网供电和从系统中切离出来。控制器1用于采集燃料电池系统的输出功率和电流，并将输出功率与负载进行比较，根据比较结果控制器1控制开关S1～S10的通断，以调整参与供电的小电堆数量，来改变燃料电池系统的输出功率使其与工作负载匹配，但维持电堆输出的总电压不变。
当控制器检测到电堆的输出总功率高于负载时，控制器依据功率和电流采样值，计算、判断断开小电堆模块的数量，并控制相应的开关S1-S10中某些开关断开，从而系统总的输出电流和总的输出功率下降，达到额定(或额定范围)电压下的电流值和功率值。当系统检测到电堆的输出总功率低于负载时，控制器依据功率和电流采样值，计算、判断合上小电堆模块的数量，并控制相应的开关接通，从而系统总的输出电流和总的输出功率上升，达到额定(或额定范围)电压下的电流值和功率值。这样就实现了各种负载情况下电压的相对稳定。如果系统在调节瞬间有稳压需要，波动能量的吸收或释放可以通过电池或超级电容来辅助完成的。
在小电堆T1～T10和与之对应的开关S1～S10之间还可以有二极管D1～D10用于防止电流反灌。
可以理解的是：所述的电堆也可以由多个小电堆串联组成，每一个小电堆对应有一个开关用于实现电堆与输出母线的接通和断开，所述的控制器控制所述的开关的通断，用于通过控制参与供电的工作小电堆的数量来调整燃料电池总输出功率与工作负载匹配。当一个小电堆与输出母线断开时，一根导线将串联到母线上以保证输出母线上的电流畅通。
实施例2-调节单电池中能够参与氧化还原反应的膜电极活性区域的大小来控制输出功率
如图4所示，这种方式是通过控制器的一个执行机构(图中省略)控制盖板20将膜电极反应区域10部分遮盖，改变单电池中能够参与氧化还原反应的膜电极活性区域的大小，来改变输出功率，但保证电堆的输出电压稳定。当外界负载变小时控制器会相应地减小膜电极的有效活性面积，而当外界负载增加时控制器会相应地增加膜电极的有效活性区间，电堆的输出功率和电流会随着膜电极的有效活性区间的减小或增加而减小或增加，而电堆的输出电压稳定。这种方式能够在输出功率连续变化时维持电堆的输出电压稳定。
Claims (11)
1、一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，是在工作负载变化时，通过调节燃料电池系统中参与供电的氧化还原反应的有效活性反应区域大小来改变燃料电池系统的输出功率，使其与工作负载匹配，但维持电堆输出的总电压不变，从而保证燃料电池系统输出的电压稳定在工作负载所要求的电压范围内。
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：所述的有效活性反应区域大小，是指燃料电池系统中参与供电的有效小电堆的数量。
3、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：所述的有效活性反应区域大小，是指燃料电池系统中单电池上的膜电极有效活性区间大小。
4、一种无DC-DC变换器的燃料电池系统，包括电堆以及控制器，其特征在于：所述的控制器用于采集燃料电池系统的输出功率和电流，并将输出功率与负载进行比较，根据比较结果调整参与供电的所述小电堆中氧化还原反应的有效活性反应区域大小来改变燃料电池系统的输出功率，使其与工作负载匹配，但维持电堆输出的总电压不变，从而保证燃料电池系统输出电压稳定在工作负载所要求的电压范围内。
5、如权利要求4所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的有效活性反应区域是指构成电堆的单电池中膜电极的有效活性区域，所述的膜电极被活动盖板遮盖，所述的控制器通过控制活动盖板的执行机构调整所述活动盖板遮盖膜电极活性区域的大小。
6、如权利要求4所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的有效活性反应区域是指构成电堆的单电池中膜电极的活性区域，所述的控制器控制执行机构将膜电极一侧或两侧极板上的流道部分堵塞或放开来调整参与氧化还原反应的有效活性区域大小。
7、如权利要求4所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的电堆由多个小电堆并联成，每一个小电堆对应有一个开关用于实现电堆与输出母线的接通和断开，所述的控制器控制所述的开关的通断，用于通过控制参与供电的工作小电堆的数量来调整燃料电池总输出功率与工作负载匹配。
8、如权利要求7所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：小电堆与对应的开关之间还有二极管用于防止电流反灌。
9、如权利要求4所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的电堆由多个小电堆串联组成，每一个小电堆对应有一个开关用于实现电堆与输出母线的接通和断开，所述的控制器控制所述的开关的通断，用于通过控制参与供电的工作小电堆的数量来调整燃料电池总输出功率与工作负载匹配。
10、如权利要求9所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：当一个小电堆与输出母线断开时，一根导线将串联到母线上以保证输出母线上的电流畅通。
11、如权利要求4所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于：所述的电堆由多个小电堆串并联构成。
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