CN102292861A - 用于监测燃料电池设备的电气隔离的装置和方法 - Google Patents

用于监测燃料电池设备的电气隔离的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是一种用于监测燃料电池设备的电气隔离(120)的方法。在该方法中，将至少一个燃料电池堆(103)和燃料电池的至少一个负载电路(111)设置为相对于在燃料电池附近的至少一个结构(122)电性自由浮动的配置；经由至少两个开关点(126、128)执行到至少一个测量元件(124)的受控制的切换，该至少一个测量元件(124)包括与所述至少一个结构(122)有关的已知阻抗；从所述测量元件执行测量以形成电压信息；处理所述形成的电压信息和开关点(126、128)之间的至少电压信息以检查燃料电池相对于该至少一个结构的浮动。

Description

用于监测燃料电池设备的电气隔离的装置和方法
技术领域
燃料电池设备在满足不同类型的产电需要方面正在变得通用。燃料电池设备是供应用于产生电能的反应物的电化学设备。
背景技术
燃料电池设备是电化学设备，其能够在环保的处理中以高的能率比产电。燃料电池技术被认为是未来最有前景的产生能量的方法之一。
如图1中展示的，燃料电池包括阳极侧100和阴极侧102以及阳极侧100和阴极侧102之间的电解质材料104。馈送到燃料电池设备的反应物经过经放热反应产生电能和热量的处理。例如，在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧106被馈送到阴极侧102，它通过接收来自阴极的电子而被还原为负氧离子。负氧离子经过电解质材料104到阳极侧100，在阳极侧100负氧离子与使用的燃料108反应，产生水并且通常还产生二氧化碳(CO2)。在阳极和阴极之间的外部电路111作为燃料电池的负载，用于向阴极传送电子。外部电路包括负载110。
在图2中展示了作为燃料电池设备的示例的SOFC设备，其可以利用例如天然气、沼气、甲醇或包含碳氢化合物的其它化合物作为燃料。图2中的SOFC设备包括堆叠形式的平面状燃料电池103(SOFC堆)。每个燃料电池包括如图1中展示的阳极100和阴极102。部分使用的燃料在反馈装置中通过每个阳极再循环。图2中的SOFC设备包括燃料热交换器105和转化器107。热交换器用于控制燃料电池处理中的热状态，并且可以将这些热交换器中的一个以上设置在SOFC设备的不同位置。循环气体中的额外的热能在热交换器105中被回收以在SOFC设备中利用，或者在外部在热回收单元中被回收。热回收热交换器因而可以位于如图2中所示的不同位置。转化器107是将诸如天然气的燃料例如转换为适合于燃料电池的合成物(例如转换为包含有一半的氢和另一半的甲烷、二氧化碳和惰性气体的合成物)的设备。但是，转化器不必用在所有的燃料电池实现中，而是，未处理的燃料也可以直接馈送到燃料电池103。
通过使用测量装置115(诸如燃料流量计、电流计和温度计)，从通过阳极的再循环气体对SOFC设备的运行执行必要的测量。在燃料电池103的阳极100(图1)处使用的仅部分燃料在反馈装置109中通过阳极再循环，并且由此还在图2中图解地表示出，同时其他部分的气体从阳极100排出114。
在燃料电池系统中，燃料电池堆最经常被分组为串联和/或并联连接的组。在燃料堆中产生的电压电平必须在燃料电池堆之间进行隔离，以避免不希望的电流回路。通常电压电平还必须与燃料电池设备的安装结构隔离，安装结构例如包括支撑结构和管路，管路例如包括燃料馈入线路。
在要求高以及化学腐蚀性环境的情况下(诸如在具有例如高温燃料电池应用的情况下)，难以实现充分和稳定的电隔离。在这些背景中，可以由燃料电池的电压差引起和/或促进的腐蚀、热机械应力、材料劣化或电化学现象各作为单独的现象并一起作用而可以导致穿过隔离的导电路径和/或导致隔离击穿。在燃料电池中内部产生的泄漏电流降低负载功率并可以导致对燃料电池的不可逆的劣化，并且甚至完全毁坏燃料电池堆，这些泄漏电流很有可能造成严重影响。这些令人不愉快的影响要部分地或全部地避免，所以要持续地监测电气隔离电平并且尽早地发现隔离的缺失，而为采取必要的保护动作留下时间。
在燃料电池设备外部的电压和/或电流测量中通常不能容易地检测到隔离的劣化。如果燃料电池堆电性上稳定，可以利用故障电流测量来监测泄漏电流。但是，所述方法不适合于识别泄漏电流的位置并且所述方法也不适合于观察燃料电池设备内部的泄漏电流。
发明内容
本发明的目的是监测燃料电池设备中的电气隔离，使得尽早地检测到隔离中的劣化，以成功避免由隔离的击穿所导致的代价昂贵和有害的结果。这通过监测燃料电池设备的电气隔离的测量装置来实现，燃料电池设备包括至少一个燃料电池堆、燃料电池的至少一个负载电路、和在至少一个所述堆附近的至少一个结构。燃料电池设备包括作为负载电路的电流处理装置，该电流处理装置包括用于处理燃料电池所产生的直流电流(dc电流)的功率电子器件，燃料电池设备包括电气隔离，该电气隔离用于将所述至少一个燃料电池堆和燃料电池的所述至少一个负载电路布置为相对于至少一个结构电性自由浮动的配置，测量装置包括至少一个测量元件，至少一个测量元件包括与所述至少一个结构有关的已知阻抗和用于从测量元件执行测量、以形成燃料电池相对于所述结构浮动的电压信息的装置，燃料电池设备包括至少两个开关点，并且测量装置包括至少两个开关，该至少两个开关用于将开关点切换到所述测量元件，测量装置包括至少一个信号处理器，至少一个信号处理器为了监测电气隔离而在测量中控制所述开关，并处理所述形成的电压信息和开关点之间的至少电压信息，以形成电气隔离的电阻信息和电容信息，并且电容信息的形成是基于电容值和电压信息曲线的指数常数之间的可比较性(comparability)，而且所述至少一个信号处理器用于组合所述电阻和电容信息以形成关于电气隔离的状态的信息和关于所述状态的可能的改变的信息。
本发明的焦点还在于一种用于监测燃料电池设备的电气隔离的方法。在该方法中：使用电流处理作为燃料电池的负载电路，所述电流处理装置包括用于处理由燃料电池产生的直流电流(dc电流)的功率电子器件；将至少一个燃料电池堆和燃料电池的所述至少一个负载电路设置为相对于在燃料电池附近的至少一个结构电性自由浮动的配置；经由至少两个开关点执行到至少一个测量元件的受控制的切换，该至少一个测量元件包括与该至少一个结构有关的已知阻抗；从测量元件执行测量以形成电压信息；处理所述形成的电压信息和开关点之间的至少一个电压信息，以形成电气隔离的电阻信息和电容信息；并且电容信息的形成是基于电容值和电压信息曲线的指数常数之间的可比较性，而且组合所述电阻和电容信息以形成关于电气隔离的状态的信息和关于所述状态的可能的改变的信息。
本发明是基于：将燃料电池和燃料电池的至少一个负载电路设置为相对于燃料电池附近的至少一个结构电性自由浮动的配置。通过使用开关，执行到至少一个测量元件的切换，该至少一个测量元件具有固定的阻抗、即在实现本发明期间保持大致相同的阻抗。所述阻抗与燃料电池附近的至少一个结构电气相关。通过在燃料电池设备的工作期间在不同切换时刻执行从测量元件的测量而形成燃料电池相对于该结构浮动的测量信息。测量信息可以通过不同方式的计算来处理，以解决例如在燃料电池设备的电气隔离中出现的泄漏电流的位置和/或值。测量信息还可以通过用于形成关于电气隔离的电容值的信息的计算来处理。电容值包括关于在电气隔离中的伪信号的可能路径的信息。
本发明具有以下优点：从隔离中的泄漏电流和它们的位置以及还从伪信号的可能的流动路径获得的信息可以例如通过尽早启动针对燃料电池设备的保护性服务工作而在防止隔离缺陷导致的燃料电池设备的运行问题中利用。由于根据本发明的对电气隔离的监测，立即检测出新的隔离缺陷并防止所述缺陷变得更坏，并因而能够增加串联连接的燃料电池堆的数量。本发明的实现可以在任何燃料电池设备中利用，这样的燃料电池设备包括布置成电性自由浮动配置的一个或更多个燃料电池堆。另外，本发明的方法可以利用便宜的组件来实现，而不需要到燃料电池的附加连接。以下也是很有益的：根据本发明的实现，允许在加载燃料电池的同时测量并因此允许对电气隔离进行监测，而不中断加载功率电子器件。
附图说明
图1示出了单个燃料电池的实现。
图2示出了燃料电池设备的实现。
图3示出了根据本发明优选实施方式的集成到燃料电池设备的测量装置。
图4示出了根据本发明的对隔离电阻的监测，其中燃料电池堆的正输出和负输出经由测量电阻器Rm依次连接到地电势和/或连接到燃料电池堆附近的结构的电势。
图5示出了当闭合开关S1并且负载被高度隔离时针对泄漏电流的等效电路。
图6示出了在形成针对电压源和电阻器的输出的两个接口的等效电路时戴维宁理论的应用。
具体实施方式
在燃料电池系统中一般需要燃料电池堆之间的电气隔离，以及燃料电池堆和燃料电池附近的至少一个结构之间的电气隔离。所述结构例如表示基本位于燃料电池堆周围的安装结构。换言之，结构122(图3)表示燃料电池堆附近的一个或更多个安装结构以及诸如管路的其他结构，燃料电池堆需要与上述结构电气隔离。但是，在要求高以及化学腐蚀性环境的情况下(诸如在具有例如高温燃料电池应用的情况下)，难以实现充分和稳定的电隔离。隔离的击穿或隔离的变弱导致泄漏电流，这减少了可用于负载的电功率的量，并可以导致对燃料电池设备的不可逆的削弱，甚至导致对经受了泄漏电流的燃料电池堆的击穿。当在燃料电池设备的运行期间监测电气隔离的质量并且尽早地检测隔离减弱的量以启动必要的安全工作时，这些负效应完全可避免或者至少部分地可避免。
根据本发明实现一种在燃料电池设备的运行期间持续地监测电气隔离特性的低成本实现。在根据本发明的实现中，燃料电池和它们的负载相对于泄漏电流传导至的周围结构(诸如接地结构和/或安装结构)电性地浮动。燃料电池的负载110是作为燃料电池的加载电路111，例如集成在燃料电池设备的背景中的电流处理装置，所述装置包括用于处理燃料电池所产生的直流电流(dc电流)的功率电子器件。
在图3中，展示出根据本发明的优选实施方式的在燃料电池设备的背景中实现的用于监测电气隔离120的测量装置125。除了燃料电池堆103，燃料电池设备包括安装结构122和燃料电池的加载电路111，安装结构122大致位于燃料电池堆的周围。安装结构和与该安装结构连接的其他可能的结构优选地连接到保护电势。电气隔离120形成在燃料电池堆103和安装结构122之间，并且如有需要，也可以形成在燃料电池堆和管线122之间，用于将燃料电池堆和燃料电池的加载电路111布置为相对于所述安装结构(并且如果需要，相对于所述管线)电性自由浮动的配置。根据本发明的优选实施方式的燃料电池的加载电路包括：作为负载110的例如用于处理由燃料电池产生的电的DC功率转换器(DC-DC转换器)。
在燃料电池设备的背景中实现的测量装置125包括：至少一个测量元件124，该至少一个测量元件124具有与安装结构122有关的已知阻抗。在本发明的优选实施方式中，使用至少一个测量电阻器作为测量元件124，但测量元件124还可以利用一个或更多个电容器或线圈来实现或者利用一个或更多个电阻器、电容器、和/或线圈的某一组合来实现。根据本发明的测量装置还可以包括用于形成不同测量区域的测量元件，这些测量区域彼此之间具有不同的相对于安装结构的阻抗。
燃料电池设备包括至少两个输出极，即开关点正极(+)126和负极(-)128，与之连接的测量装置包括用于经由开关点126、128执行到测量电阻器124的切换的开关S1和S2。所述开关均通过在控制中使用信号处理器130优选地依次被控制到断开或闭合状态。本发明的优选实施方式包括用于测量电阻器的电压以形成电压信息的装置127。形成的电压信息优选地由信号处理器130处理，使得将形成的电压与基准电压电平比较，以检查燃料电池堆103和燃料电池堆的加载电路111相对于安装结构的浮动。另外，如果所述电压信息是未知的，根据本发明的实现，则还需要燃料电池电压(Ufc，图4)的电压信息，该电压信息通过对开关点126、128之间的电压进行电压测量而获得。
在来自于不同隔离位置的电压信息的基础上，可以确定电压信息处理中的隔离电阻值，所述值报告在所述位置中存在泄漏电流。在所述电压信息处理中，可以使用相同的公共信号处理器130，该信号处理器130也在开关S1、S2的控制中使用，或者信号处理器也可以是分离的。信号处理器可以是模拟的和/或数字实现的微控制器、信号处理器、微处理器或为此目的的其他适当的实现。在本发明的优选实施方式中，使用诸如信号处理器的数字设备作为信号处理设备130。
在图4中展示出了按照以下方式进行的隔离电阻监测，即燃料电池堆103的正输出126和负输出128经由测量电阻器Rm 124依次切换到接地电势和/或切换到安装结构的电势，以测量Rm两端的电压(Um)。开关S1和S2可以是诸如晶体管开关的半导体组件，或变换到其他开关实现。在根据本发明的实现中，通过用于测量来自开关点126(+)和128(-)的燃料电池电压的装置来测量(依照图3)一个或更多个燃料电池堆两端的燃料电池堆电压(Ufc)。在实现本发明期间，Ufc还可以是不需要测量的已知电压，诸如在例如燃料电池设备连接到电池的实施方式的情况下，其两极之间的电压是已知的。
在图5中展示出当闭合开关S1时针对泄漏电流的等效电路，假设负载是高度隔离的，这通常是容易实现的。到围绕燃料电池堆的安装结构的电势的泄漏电流可以根据燃料电池堆的不同电压电平而出现，其由电阻器表示，即由图5中的电阻RLn表示。在该情况下，燃料电池堆和泄漏电阻形成一组电压源和电阻。与经由测量电阻器Rm124的微小电流相比，所述电压源被认为是理想的，并且泄漏电阻可以被认为是线性的。
因而，根据图6在将等效电路形成为该组电压源和电阻器的两个接口时可以应用戴维宁理论。根据戴维宁理论，具有两个输出的各相应的组可以由单个电压源Uth和相对于Uth串联连接的电阻器Rth表示。当S1断开且S2闭合时，还应用戴维宁理论，当使用燃料电池堆103的组的负输出作为零电压基准时，形成由电压源Uth-Ufc替代电压源Uth的相应等效电路。
指示了当开关S1和S2依次闭合时测量的测量电压Um1、Um2，可以解出等式组的未知的Uth和Rth：
Rth＝Rm(UFC+Um1-Um2)/(Um2-Um1)
Uth＝-Um1(UFC)/(Um2-Um1)
Uth对应于开路戴维宁电压，这表示在根据本发明的该实施方式中，针对该燃料电池堆的组的负输出的电压的倒数值，当外部负载不经受泄漏电流时，即开关S1和S2在图3和图4中是断开的，这表示已经去除测量电阻器Rm 124。通过应用戴维宁理论，电阻Rth对应于全部泄漏电阻中并联连接的总电阻的泄漏电阻，即，Rth＝RL1||RL2||...||RLn。因而，解出的电压Uth相对于零电压基准给出隔离缺陷的位置的指示，而Rth表示在燃料电池中最坏情况的内部泄漏电流。诸如开关S1和S2交替闭合和断开的测量过程不影响对隔离的负载的操作，并且因而在燃料电池设备的运行期间可以持续执行测量操作。因为浮动的堆103的配置，到底架的单个连接不会影响燃料电池，但是仍然利用根据本发明的测量方法观察，因而在燃料电池堆中产生破坏性内部电流回路之前允许例如切断燃料电池设备的运行。在这样的早期阶段，形成的有关燃料电池设备的隔离性质的变化的指示信息可以在正确的时间在针对燃料电池设备的预防性服务工作中被利用。
在根据本发明的实现中，通过由一个或更多个测量元件执行的接地，来形成电性等效电路，以确定泄漏电流的位置。测量曲线的指数形状指示测量的电容。介电常数的值受到潮湿、温度等因素的影响。通过对测量值的更密集的测量或通过计算，可以改善电压信息曲线的指数形状并且可以发现指数常数可以与电容成比例。从测量数据可以观察到，如果在切换的时刻速度的变化很慢，这指示存在显著的电容量。通过信号处理器，计算电压信息并可以确定与开关状态变化有关的电压值的变化动态，这可以在形成电容信息时被利用。
电容是有害的现象，因为它指示隔离的变动。一起形成并且也单独地形成的电容和电阻信息可以按照互补的方式在形成有关电气隔离及其变动的信息时利用。有效的电容反映这样的事实：根据隔离可以发现针对伪信号的向前移动的路径。电阻反映在隔离中出现泄漏电流的事实。
根据本发明，由此可以实现积极的方法，其允许持续监测燃料电池设备中浮动的燃料堆的总隔离电阻和总电容。与燃料电池堆周围的安装结构的稳定电压有关(即，与燃料电池堆的安装结构的电压有关)的隔离电阻由装置通过测量所述测量元件两端的电压来进行测量，该装置经由具有已知阻抗的测量元件顺序地开关燃料电池堆的到安装结构的输出之一。不必准确地知道测量元件的必要的阻抗值，但重要的是，在本发明的实现期间，阻抗保持大致相同。根据电路理论，在测量和由所述测量提供的有关不同位置中的泄漏量的信息的基础上，可以确定总的泄漏电阻。按照该方式获得的信息可以用于防止由隔离缺陷导致的燃料电池堆故障以及燃料电池设备的预防性维护工作。
在根据本发明的方法中，燃料电池堆的组可以是单个的燃料电池堆或者任何尺寸的燃料电池堆的组。燃料电池设备可以包括燃料电池堆的一个或更多个组，并且针对一个或更多个燃料电池堆单独地或针对全部燃料电池堆一起地设置对隔离电阻和/或电容的监测。可以实现根据本发明的方法，使得测量装置布置在单独的设备上和/或集成到燃料电池设备的功率电子器件(该功率电子器件还可以是燃料电池设备的负载)，因而允许将组件的数量和制造成本保持在最小。
尽管上面与附图一起介绍了根据本发明的实现在SOFC燃料电池设备中的利用，但应该指出，在其他类型的燃料设备中也可以利用根据本发明的实现。
尽管参照附图和说明书已经介绍了本发明，但本发明决不限于这些，因为本发明在权利要求书所允许的范围内容易进行变型。

Claims (11)

1.一种用于监测燃料电池设备的电气隔离(120)的测量装置(125)，所述燃料电池设备包括至少一个燃料电池堆(103)、燃料电池的至少一个负载电路(111)、和在至少一个所述堆附近的至少一个结构(122)，其特征在于，
所述燃料电池设备包括作为负载电路(111)的电流处理装置，该电流处理装置包括用于处理燃料电池所产生的直流电流(dc电流)的功率电子器件；
所述燃料电池设备包括电气隔离(120)，该电气隔离用于将所述至少一个燃料电池堆(103)和燃料电池的所述至少一个负载电路(111)布置为相对于至少一个结构(122)电性自由浮动的配置；
所述测量装置包括至少一个测量元件(124)，该至少一个测量元件(124)包括：与所述至少一个结构(122)有关的已知阻抗，和用于从所述测量元件执行测量、以形成燃料电池相对于所述结构浮动的电压信息的装置(127)；
所述燃料电池设备包括至少两个开关点(126、128)，并且所述测量装置(125)包括至少两个开关(S1、S2)，该至少两个开关(S1、S2)用于将所述开关点(126、128)切换到所述测量元件(124)；
所述测量装置(125)包括至少一个信号处理器(130)，该至少一个信号处理器(130)为了监测电气隔离(120)而在测量中控制所述开关，并处理所述形成的电压信息和开关点(126、128)之间的至少电压信息，以形成电气隔离(120)的电阻信息和电容信息，并且电容信息的形成是基于电容值和电压信息曲线的指数常数之间的可比较性，而且所述至少一个信号处理器(130)用于组合所述电阻和电容信息以形成关于电气隔离的状态的信息和关于所述状态的可能的改变的信息。
2.根据权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述燃料电池设备包括连接到保护性接地的所述结构(122)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述测量装置(125)包括用于形成不同测量区域的测量元件(124)，所述测量元件(124)包括这些测量元件(124)之间不同的阻抗。
4.根据权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述测量装置(125)包括所述信号处理器(130)，所述信号处理器(130)在形成电容信息时通过计算对与开关(S1、S2)的开关状态变化有关的电压信息的变化动态的估计，而处理电压信息。
5.根据权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述燃料电池设备包括所述测量装置(125)，所述测量装置(125)被集成到功率电子器件的控制电子器件，所述功率电子器件执行对所述燃料电池设备的电流处理。
6.根据权利要求1所述的燃料电池设备，其特征在于，所述燃料电池设备包括作为所述燃料电池的负载的至少一个DC-DC转换器。
7.一种用于监测燃料电池设备的电气隔离(120)的方法，其特征在于，在该方法中：
使用电流处理装置作为燃料电池的负载电路(111)，所述电流处理装置包括用于处理由燃料电池产生的直流电流(dc电流)的功率电子器件；
将至少一个燃料电池堆(103)和燃料电池的所述至少一个负载电路(111)设置为相对于在燃料电池附近的至少一个结构(122)电性自由浮动的配置；
经由至少两个开关点(126、128)执行到至少一个测量元件(124)的受控制的切换，所述至少一个测量元件包括与所述至少一个结构(122)有关的已知阻抗；
从所述测量元件执行测量以形成电压信息；
处理所述形成的电压信息和开关点(126、128)之间的至少电压信息，以形成电气隔离(120)的电阻信息和电容信息，并且电容信息的形成是基于电容值和电压信息曲线的指数常数之间的可比较性，并且组合所述电阻和电容信息以形成关于电气隔离的状态的信息和关于所述状态的可能的改变的信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述结构(122)连接到保护性接地。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用测量元件(124)以形成不同的测量区域，所述测量元件(124)包括这些测量元件(124)之间的不同阻抗。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，为了形成电容信息，通过计算对与开关(S1、S2)的开关状态变化有关的电压信息的变化动态的估计，而处理电压信息。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述燃料电池产生的直流电流由至少一个DC-DC转换器处理，所述至少一个DC-DC转换器是作为所述燃料电池的负载。
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