CN101924389A - 一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，该系统包括燃料电池、储能电池，单向二极管，所述的燃料电池与储能电池通过单向二极管并联连接，所述的燃料电池由多个燃料电池模块并联组成，各燃料电池模块均设有相对独立的控制电路板来控制其运行状况，燃料电池为储能电池和负载提供电力或燃料电池与储能电池共同为匹配的负载提供电力，所述的各燃料电池模块的输出端均连接一可控开关，该可控开关在控制电路的控制下进行导通或断开，将燃料电池模块直接进行短路。与现有技术相比，本发明系统提供的电力电压更加稳定，电池运行寿命更长，成本更低，储能电池用量更加节省，能够使用于电源要求比较高的应用场合。

Description

一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统。

背景技术

燃料电池作为备用电源可以用在银行，医院，机场，商业楼宇等，替代目前大量应用的铅酸电池和柴油发电机，具有环保无污染，无噪音，轻便，便于维护等许多优点。

备用电源作为随着人们生活品质的不断提高，社会工业化生产的迅猛发展，现代社会和经济对电力的依赖已达到不可或缺的程度，电力已成为社会和经济运行的总开关，没有了电，一切便迅速陷入全面瘫痪。

下面以备用电源在通信方面的应用为例介绍燃料电池在备用电源领域应用情况：

对于通信基站用备用电源，一旦大面积电网停电，这将严重影响人们的正常生活，甚至对社会经济和人类生命安全造成巨大损失。在去年的冰雪灾害和今年的汶川地震中能够足见断电给通信带来的影响。

目前用做应通信基站备用电源的主要采用铅蓄电池和用柴油发电机组相组合的方式进行，这种备用电源的现状同当前备用电源的需求之间的矛盾越来越大，主要表现在：a.铅蓄电池容量有限，备用时间一般不超过为10小时，根本满足不了重大应急险情需求。b.而且铅蓄电池存在重量大，寿命短(一般3-5年左右)，污染大，品质不均一，寿命难保证等缺点.c.为了延长发电备用时间，要配备大量的柴油发电油机车，一般是10-20个左右的基站配备一个发电油机车。大部分时间，油机车封存不用，经常不用对油机车不好，需要经常维护，日常维护比较频繁，工作量大。在遇到大面积停电或重大险情时，油机车根本不够用。

燃料电池作为一种节能环保的发电设备，体积小，重量轻，无噪音，价格便宜，维护低，可连续工作(48小时或更长的备用时间)等特点非常适合用在备用电源领域。

在我国，电信设备供应商，燃料电池生产商正积极介入通信基站备用电源领域。在燃料电池应用领域，众所周知：燃料电池的开关机操作对燃料电池的寿命影响比较大，主要是因为在燃料电池开关机操作时能够产生比较高的局部过电压，这将导致燃料电池催化剂碳载体氧化，使燃料电池性能衰减比较快。我们可以通过改变阳极侧催化剂导电载体的方法，如换用抗腐蚀性金属氧化物导电载体的方法，提高燃料电池的催化剂抗氧化性，降低燃料电池开关机对燃料电池性能的影响，如在专利200610027287.2所介绍的。也可以通过燃料电池带负载启动的方法降低燃料电池的局部过电位，但是在带大的负载是燃料电池在比较低的电压下启动比较危险，往往造成燃料电池的永久性损害。

另外一个方面的问题是：在目前燃料电池备用电源领域，如美国的PLUGPOWER，ECOPOWER，ITATECH公司所采用的燃料电池备用电源技术方案主要是一种替代性的燃料电池独立供电的技术方案。在这些技术方案中，燃料电池作为通信用的备用电源，其输出电压是一种软电压特性，必须经过DC/DC稳压后提供给通信用电设备，通信用电设备对DC/DC的输出电压有有比较严格的要求。此外，因为燃料电池作为一种软电压特性的电池，其在外界负载变化时，燃料电池的电压变化范围比较大，这对DC/DC的制作要求比较高，而且价格比较高。国外这些公司燃料电池系统比较复杂加上比较贵的DC/DC等使整个燃料电池备用电源系统成本很高，在价格上难同传统的铅酸电池竞争，因而也直接影响了燃料电池的推广应用速度。需要注意的是：在新一代燃料电池系统中(空冷自增湿燃料电池系统)，燃料电池系统的成本几乎同DC/DC相当，如果去掉DC/DC的直接连接方式可以将燃料电池供电部分的成本直接降低50％。

在专利CN200810204755.8中介绍了燃料电池同储能电池组成的备用电源系统，该系统中是一个整体的燃料电池同储能电池组成的备用电源，在该系统中，为了匹配负载，燃料电池同储能电池组成的系统电压在一个相对比较宽的范围内变化，这样会造成电源系统的电压不是很稳定，而且，为了防止储能电池的大电流充电，和燃料电池相匹配的储能电池容量比较大。再者，在这个专利中，燃料电池在停止工作时需要供风设备将剩余的燃料电池的电压消耗掉，消耗速度相对比较慢，消耗电压不彻底，过程中，空气是富余状态，氢气相对供应不足，容易对电池造成损害。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在减少储能电池用量的同时能够进一步提高对燃料电池系统的护养，提高备用电源系统的电压稳定性，提高电池寿命的模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，该系统包括燃料电池、储能电池，单向二极管，所述的燃料电池与储能电池通过单向二极管并联连接，所述的燃料电池由多个燃料电池模块并联组成，各燃料电池模块均设有相对独立的控制电路板来控制其运行状况，燃料电池为储能电池和负载提供电力或燃料电池与储能电池共同为匹配的负载提供电力，所述的各燃料电池模块的输出端均连接一可控开关，该可控开关在控制电路的控制下进行导通或断开，将燃料电池模块直接进行短路，释放燃料电池的剩余电压，并控制燃料电池升温或对燃料电池进行维护。

所述的多个燃料电池模块的数量多少取决于耗电负载的大小，多个燃料电池模块各自均通过一个单向二极管连接储能电池。

所述的燃料电池模块由多个单电池片叠加而成，多个燃料电池模块的各模块内的单电池片数量相同或不同，各模块的输出功率相同或不同。

所述的燃料电池模块的单电池片数为10-100片。

所述的燃料电池还包括主控电路板，该主控电路板分别连接各燃料电池模块、储能电池和电流传感器，主控电路板控制各燃料电池模块的运行与否，各燃料电池模块运行与否是通过整个备用电源需要为负载提供的电流大小来实现的。

所述的多个燃料电池模块包括2-10个模块。

所述的备用电源系统根据检测储能电池的电压或和电流信号来控制燃料电池工作与否。

与现有技术相比，本发明将多个燃料电池模块并联成燃料电池，各燃料电池模块分别通过单向二极管连接储能电池，燃料电池与储能电池并联，燃料电池为储能电池和负载提供电力或燃料电池与储能电池共同为匹配的负载提供电力。提供的电力电压更加稳定，电池运行寿命更长，成本更低，储能电池用量更加节省，能够使用于电源要求比较高的应用场合。

附图说明

图1为本发明备用电源系统的示意图；

图中：1-氢源，2-氢气电磁阀，3-可控开关，4-控制电路板，5-风扇，6-燃料电池模块，7-单向二极管，8-主控电路板，9-铅酸电池，10-电流传感器，11-负载。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明燃料电池备用电源系统，该系统采用模块化燃料电池6同相匹配的储能电池9并联的方式输出电力，其中燃料电池同储能电池之间通过单向二极管7直接连接在一起，每个燃料电池模块都带有一个独立的可控开关3，该开关能够直接将模块电池正负极进行短路操作。主控电路板8分别连接各燃料电池模块6、铅酸电池9和电流传感器10，主控电路板8根据电流传感器10的信号来控制氢气电磁阀2的通断，从而实现氢源1的氢气是否进入燃料电池模块6。

燃料电池同储能电池组成的通信用备用电源系统，工作原理，过程和匹配性如下：

负载11即为通信设备，此系统中负载4消耗功率一般为1.5-2.5KW，其消耗功率同通信设备的通信量有关，通信设备的工作电压范围一般为40V-60VDC通常状况下，负载11消耗的电力来自于220VAC交流电(或380VAC)，220VAC交流电通过AC/DC转化成55.5VDC直流电后提供给负载11和铅酸电池9，铅酸电池2单片的工作电压为1.8V-2.35V，24块串联后工作电压范围为43.2-56.4VDC。燃料电池1为多片单电池串联组成的电池堆，单电池片数可以为10-100片，电压范围很宽，但是在此系统中同铅酸蓄电池2相匹配，因此其工作的电压范围为43.2-56.4VDC，本实施例中用到的是80片单电池组成的模块燃料电池。铅酸电池可以为一个40AH的铅酸电池。

系统中的燃料电池6采用模块化燃料电池，铅酸电池9的容量可以小于60AH。

通常状况下，主控电路板8检测到系统没有持续的大的输出电流时不工作。在外界220VAC电断电后，铅酸电池开始输出电能，这时，主控电路板根据电流传感器10传来的输出信号如果为35A电流，燃料电池然后判断铅酸电池的两端电压，如果铅酸两端的电压低于电压50.5V，主控电路板将打开电磁阀2，燃料电池模块开始工作。燃料电池模块的单模块如果输出15A/48.8V，12A/50.5V那么系统中将有3个模块开始工作，这样会有1A的电流给铅酸电池充电。随着充电的进行，铅酸电池的电压逐渐升高，燃料电池的输出电流能够将进一步降低。整个系统稳定后的电压可能在50.8V。如果此时负载变化为40A，铅酸电池将输出5A的电流，铅酸电池电能的消耗，系统的电压将会降低，因为3个电池模块的总输出电流在48.8V时可以达到45A，所以这个系统电压能够稳定在48.8V以上。在通信设备的用电低谷期，譬如需求电流为10A，其中的一个燃料电池模块工作就能满足要求。

当外界市电有接通后，主控器能够检测到系统电压的升高和系统电流变为0A或反向充电电流，此时燃料电池供应氧气用风扇停止工作，因为缺少氧气，燃料电池模块输出电流大幅度减小，因为单向二极管的存在，此时，燃料电池电压将保持同铅酸电池电压接近的水平，此时可以闭合可控开关3，使其将残余的电压放电干净，关闭氢气电磁阀2，燃料电池停止工作。

在上述实施例中，燃料电池模块可以是输出功率不等的模块，这样可以对系统的输出做更加细致的调节，多个燃料电池模块6可以为2-10个模块，当然，并联的燃料电池模块越多，对整个输出功率的调节应越精细，但同时也能增加系统成本。

本发明同申请专利CN200810204755.8进行对比后不难发现，由于采用了模块化的设计，同匹配的储能电池复合后作为备用电源，一方面进一步进一步缩小了备用电源系统的输出电压，使得后面的负载更安全稳定。另一方面减小了储能电池的用量，对于放电平台比较好的储能电池也可以在这个体系中应用，增加了储能电池的可选择的种类。对于可控开关的引入进一步增加了燃料电池的寿命，稳定性。

Claims (7)

1.一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，该系统包括燃料电池、储能电池，单向二极管，所述的燃料电池与储能电池通过单向二极管并联连接，所述的燃料电池由多个燃料电池模块并联组成，各燃料电池模块均设有相对独立的控制电路板来控制其运行状况，燃料电池为储能电池和负载提供电力或燃料电池与储能电池共同为匹配的负载提供电力，所述的各燃料电池模块的输出端均连接一可控开关，该可控开关在控制电路的控制下进行导通或断开，将燃料电池模块直接进行短路，释放燃料电池的剩余电压，并控制燃料电池升温或对燃料电池进行维护。

2.根据权利要求1所述的一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，所述的多个燃料电池模块的数量多少取决于耗电负载的大小，多个燃料电池模块各自均通过一个单向二极管连接储能电池。

3.根据权利要求1所述的一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，所述的燃料电池模块由多个单电池片叠加而成，多个燃料电池模块的各模块内的单电池片数量相同或不同，各模块的输出功率相同或不同。

4.根据权利要求3所述的一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，所述的燃料电池模块的单电池片数为10-100片。

5.根据权利要求1所述的一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，所述的燃料电池还包括主控电路板，该主控电路板分别连接各燃料电池模块、储能电池和电流传感器，主控电路板控制各燃料电池模块的运行与否，各燃料电池模块运行与否是通过整个备用电源需要为负载提供的电流大小来实现的。

6.根据权利要求1所述的一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，所述的多个燃料电池模块包括2-10个模块。

7.根据权利要求1所述的一种模块化燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，所述的备用电源系统根据检测储能电池的电压或和电流信号来控制燃料电池工作与否。