CN102473952B - 提高燃料电池堆的可控性的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于一种用于调整利用燃料电池产生电的燃料电池系统中的电流值的装置，所述燃料电池系统中的每个燃料电池包括阳极侧100、阴极侧102以及阳极侧和阴极侧之间的电解质104，并且该燃料电池系统包括至少两个电串联的个体燃料电池堆或堆组，每个所述堆103包括至少一个燃料电池。用于调整燃料电池系统中的电流值的装置包括：用于从至少一个串联中汲取电流的主要部分的模块；至少一个调整电路112，该至少一个调整电路112用于调整所述串联内的所述个体燃料电池堆或堆组的电流值；集成模块116、124，该集成模块116、124用于集成所述至少一个调整电路112与所述个体燃料电池堆或堆组，以将与所述电流的主要部分相比较小的补偿电流布置为经过所述至少一个调整电路；并且所述至少一个调整电路112包括用于控制所述至少一个燃料电池堆103中的所述较小的补偿电流的模块。

Description

提高燃料电池堆的可控性的方法和装置
技术领域
特别由于环境问题，环保并高效的新能源已经得到了开发。燃料电池设备将能够利用未来能量转换设备，通过环保处理中的化学反应，直接将如沼气的燃料转换成电力。
背景技术
如图1所呈现的，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。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气被馈送至阴极侧102，并且通过从阴极接收电子，氧气被分解(reduce)为负氧离子。负氧离子经过电解质材料104到达阳极侧100，负氧离子在阳极侧100与所使用的燃料发生反应产生水，并且通常还产生二氧化碳(CO2)。在阳极100和阴极102之间是包括燃料电池的负载110的外部电路111。
在图2中，呈现了作为高温燃料电池设备的示例的SOFC设备。例如，SOFC设备可以利用天然气、沼气、甲醇或含烃混合物(hydrocarbon mixture)的其它化合物作为燃料。图2中的SOFC设备系统在一个或多个堆结构103(SOFC堆)中包括一个以上的燃料电池，通常包括多个燃料电池。较大的SOFC设备系统在多个堆103中包括很多燃料电池。如图1所呈现的，每个燃料电池包括阳极100和阴极102结构。部分使用过的燃料可以在反馈装置109中进行再循环。图2中的SOFC设备还包括燃料热交换器105和转化器107。热交换器被用于控制燃料电池过程中的热状态，并且在SOFC设备的不同位置中可以存在这些热交换器中的一个以上。在一个或多个热交换器105中回收循环气体中的额外热能，以便在SOFC设备中或外部使用。转化器107是将诸如天然气的燃料转换为适合燃料电池的混合物(例如，包括以下全部或至少部分的混合物：氢气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、惰性气体和水)的设备。然而，无论如何，在各SOFC设备中并不是必须要具有转换器的。
通过利用测量模块115(比如燃料流量计、流速计和温度计)执行对SOFC设备的运行的必要的测量。仅用于阳极100的部分气体在反馈装置109中进行再循环，而其它部分气体从阳极100排出114。
固体氧化物燃料电池(SOFC)设备是从对燃料的氧化中直接产生电的电化学转换设备。SOFC设备的优点包括高效率、长期稳定性、低排放、低燃料易变性以及低成本。主要缺陷在于导致启动时间长以及机械和化学二者兼容性问题的高运行温度。
燃料电池系统具有显著超出相当尺寸的常规的能源生产技术的电力生产和热电联产(CHP)的效率的潜能。燃料电池系统被广泛认为是关键的未来能源生产技术。
为了最大化燃料电池系统的性能和寿命，需要对燃料电池的运行状态的精确控制。燃料电池产生DC电流，而在更高功率的系统中，通常期望AC输出，因此需要从DC到AC的电力转换。为了顾及实际的对接和从燃料电池收集电流以及后续的电力转换，将燃料电池制造为包含多个串联的个体电池的堆。
在包括多个堆的燃料电池系统中，堆的电互连拓扑是关键的设计参数。多个堆的串联提供较低的布线和电力转换损耗以及较低的组件成本。然而，缺点是所有串联的堆将具有相同的电流。理想地，当所有堆是相同的，且它们的运行状态完全等同时，这不是问题。但是，在实际系统中，将总是有一些温度、燃料流和堆特性上的变化。尤其在设计为考虑替换个体堆的系统中，由于使用时间差异，在堆之间可能存在显著的变化。当相异的堆被置于电串联时，它们的电流通常需要根据串联中性能最差的堆而受限。因此，燃料电池系统失去了较健壮的堆的潜在性能。
由于堆的内阻的固有的负温度系数，堆的电并联尤其是在高温燃料电池系统中是有问题的。在将多个串联的堆的串并联在一起时，此特性甚至引起不平均的均流(current sharing)问题。为了避免该均流问题，通常使用针对每个堆的独立的转换器，而这为系统带来了额外的成本。
在芬兰专利公开FI118553 B1中呈现了一种生物催化的燃料电池装置，该燃料电池装置中的燃料电池串联或并联。以提高所述生物催化的燃料电池装置的输出电压为目的，这种装置包括通过采用控制电路控制的可控开关，以使得所述开关能够循环地改变至导通状态和从导通状态改变。由于在FI118553 B1中没有呈现能够单独测量堆以及为了避免串联的堆之间的相异性问题而进行调整的实施方式，所以，无论如何，FI118553 B1并没有给出对所描述的至少是置于电串联的相异堆(其中，其电流需要根据串联中最差性能的堆而受限)的问题的解决方案。
发明内容
本发明的目的是实现一种燃料电池系统，其中多个燃料电池可以串联，以使得燃料电池系统中的燃料电池堆的负载能够得到积极的优化，且可以使各燃料电池的寿命更长，并且因此甚至可以基本上使整个燃料电池系统的寿命更长。通过一种用于调整用于利用燃料电池产生电的燃料电池系统中的电流值的装置可以达到上述目的，所述燃料电池系统中的每个燃料电池包括阳极侧、阴极侧和阳极侧与阴极侧之间的电解质，并且燃料电池系统包括至少两个电串联的个体燃料电池堆或堆组，每个堆包括至少一个燃料电池。用于调整燃料电池系统中的电流值的装置包括：用于从至少一个串联中汲取电流的主要部分的模块；至少一个调整电路，该调整电路用于调整串联中的所述个体燃料电池堆或堆组的电流值；集成模块，该集成模块用于集成所述至少一个调整电路与所述个体燃料电池堆或堆组以布置与电流的主要部分相比较小的补偿电流经过所述至少一个调整电路，并且所述至少一个调整电路包括用于控制所述至少一个燃料电池堆中的所述较小的补偿电流的模块。
本发明还针对一种用于调整利用燃料电池堆产生电的燃料电池系统中的电流值的方法。在该方法中，对所述电流值的调整通过以下步骤实现：从个体燃料电池堆或堆组的至少一个串联汲取所述电流的主要部分；通过集成所述至少一个调整电路与所述个体燃料电池堆或堆组以布置与所述电流的主要部分相比较小的补偿电流经过所述至少一个调整电路，来调整所述串联中的所述个体燃料电池堆或堆组的电流值；以及通过利用所述至少一个集成调整电路来控制所述至少一个燃料电池堆中的所述较小的补偿电流。
本发明基于与至少一个燃料电池堆集成的至少一个调整电路，其中，至少一个燃料电池堆至少串联到至少一个其它燃料电池堆，这种集成被布置为使得与在所述至少串联的堆中的电流相比较小的电流经过所述至少一个调整电路。所述至少一个调整电路感测所述至少一个燃料电池堆中的电压或电流值，所述至少一个燃料电池堆与所述至少一个调整电路集成，并且所述至少一个调整电路被布置为基于所感测到的电压或电流值调整所述至少一个燃料电池堆中的电流值。
本发明的益处在于其使得经济地建立具有长串联的燃料电池系统成为可能，其中该长串联可以包括多个燃料电池堆，其不会因为堆的差异性而降低能量产生能力。这些燃料电池系统还具有较长的预期寿命，由此提高了本发明可实现的成本节省。
附图说明
图1呈现了单个燃料电池结构。
图2呈现了SOFC设备的示例。
图3呈现了根据本发明的优选实施方式。
图4呈现了调整电路的第一优选实现方式。
图5呈现了调整电路的第二优选实现方式。
具体实施方式
本发明的目的在于通过布置串联和/或并联的组内的堆的有限电流的可调性来避免串联堆和并联堆的缺点。通过引入与燃料电池堆相关的基本上较小的电流调整电路使此特征成为可能。这些调整电路能够从与其它堆串联或并联的堆汲取有限电流，或向该堆供应有限电流。
图3中呈现了根据本发明的优选实施方式。在该燃料电池设备中，多个燃料电池堆103串联，并且串联的燃料电池堆103的组并联。尽管图3中的示例仅示出了串联的四个燃料电池堆103，但可以有更多串联的燃料电池堆，并且该串联堆103的组可以与一个或多个其它串联堆的组并联。可以借助于汲取或者供应补偿电流的堆特定的电流调整电路112在一定的约束内对串联堆103的电流进行单独且主动的控制。优选地，对于每个堆103或两个堆，布置其各自的堆特定的电流调整电路112，该堆特定的电流调整电路112能够从与串联堆的组中的其它堆串联的堆汲取有限电流或者向该堆供应有限电流。换句话说，优选地，针对每个堆103，通过将至少一个调整电路112与每个堆集成来布置单独且主动的负载控制，以便使负载状态保持最优，而不管在利用燃料电池产生电的过程中的堆差异性。图3中的这一布置还包括转换器122，例如DC-AC转换器。模块127、122从堆103的串联汲取电流的主要部分。箭头117描述了从转换器122输出的电力，例如从DC-AC转换器输出的AC电力。作为转换器122，还可以例如是dc-dc转换器，并且继而所述输出电力117是dc电力。
调整电路112的结构和尺寸使得其能够通过单独调整包括多个堆的串联和/或并联配置中的每个堆的最优电流来补偿堆103之间的差异。在本发明的优选实施方式中，这意味着额定堆103电流的例如5-10％的补偿范围。因此，堆电流仍然在主电流布线127中流动，然而，与所述堆电流相比，最大5-10％的补偿范围的电流经过调整电路112和相关布线116。补偿范围电流值通常小于所述5-10％的补偿范围电流最大值。调整电路112可以允许双向电流流动。这意味着补偿范围电流值对主路径电流的影响使得堆电流在平均主路径电流值的例如90％-110％之间变化。这些变化通常在更窄的范围内，例如在97％-103％之间，与平均主路径电流值相比，补偿范围电流最大值为3％。调整电路112也可以被限制为单向电流流动。这意味着补偿范围电流值对主路径电流的影响使得堆电流在平均主路径电流值的例如90％-100％之间或100％-110％之间变化。
由于在根据本发明的实施方式中，仅总燃料电池堆电力的一小部分经过调整电路112，所以对调整电路的相关布线可以较小，并且在不牺牲总体效率的情况下，调整电路的电力转换效率可以明显低于主电力路径的效率。这使得调整电路112和相关布线116的低成本实现成为可能。在本发明的优选实施方式中，由于调整电路112上的拓扑相关电压仅是一个或两个堆103的电压，因此可以使用低电压和高频率的组件来产生非常紧凑的电路。利用集成模块116、124实现调整电路112与燃料电池堆103的集成，该集成模块包括例如用于通过使用相同布线116和电路板124测量堆的电压的现有模块124，由此再次实现了成本节省。用于测量的模块(即，用于感测燃料电池堆103的电压的模块124)产生控制信号，优选地，调整电路112使用该控制信号单独地调整每个燃料电池堆的最优电流。该集成还可以实现为使得根据本发明的优选实施方式使用燃料电池系统中用于传递(relay)测量结果以及执行根据本发明的实施方式时的控制信号的现有数据布线116。
实现调整电路112存在多种可能性。在图4中，呈现了调整电路112的第一优选实现方式，也就是隔离高频变压器装置(例如顺向型、反激式、推挽式、全桥装置)。作为集成模块124，此装置包括作为隔离级的dc-dc转换器123、可控开关S、作为整流级的二极管D以及控制模块131，该控制模块131控制用于将调整电路单独地与串联的燃料电池堆集成的开关，以允许与主电流布线127中的电流的主要部分相比较小的补偿电流经过调整电路112和相关布线116。各燃料电池堆的电压由用于感测电压值以产生控制信号的模块来测量。利用相关的控制模块131来操作对开关S打开或闭合位置的控制，优选地，该控制模块131在各所述开关S附近，以单独地调整各燃料电池堆103的电流。这是所谓的开关S的低级别控制，并且可以通过用于为所述控制模块131提供电流设置点的系统控制120来独立地布置所谓的开关S的高级别控制。例如，系统控制120可以是可编程逻辑控制器(PLC)。优选地，开关S可以是双极型晶体管或FET型晶体管或某些其它晶体管开关。图4中的该装置还包括主dc-dc转换器122，该主dc-dc转换器122与包括DC-AC转换器121的负载电路相连接。模块127、121、122从堆103的串联汲取电流的主要部分。
在图5中，呈现了调整电路112的第二优选实现方式，该调整电路112包括非隔离级联装置，作为如图5所见的电路装置，该非隔离级联结构实现为例如使得其包括集成模块124。这些集成模块124包括线圈L、与二极管D并联的开关S以及与个体燃料电池堆并联的电容器C，但是电容器并不是必须的。通过这些集成模块，调整电路与串联的燃料电池堆单独地集成，以允许与主电流布线127中的电流的主要部分相比较小的补偿电流去往调整电路布线116，以便经过所述调整电路。各燃料电池堆的电压由用于感测电压值以产生控制信号的模块124来测量。系统控制120(例如可编程逻辑控制器(PLC))在将开关S控制处于打开或者闭合位置时使用所述控制信号，以单独地调整各燃料电池堆103的电流。优选地，开关S是双极型晶体管或FET型晶体管或某些其它晶体管开关。图5中的此装置还包括转换器122，其例如是DC-AC转换器。模块127、121从堆103的串联汲取电流的主要部分。箭头117描述了从DC-AC转换器122输出的AC电力。
调整电路112还可以利用将调整电流直接注入到例如主电力转换器121的输入的拓扑来实现。由于调整电路112允许双向电力流，所以经过调整电路的电流可以保持在最小的水平。因此，这样的布线损耗较低，并且实现了每个主电流路径的高电力转换效率。通过考虑主电流路径和电力转换器中的低损耗，同时具有独立地调整堆电流以便对例如不平均的燃料流和/或老化现象进行补偿的可能性，组合了串联和独立堆103加载的益处。由于仅总电流的小部分经过调整电路112，所以本发明考虑到低成本以及电路的紧凑实现。而且，单个电力转换器121可以被用于主电力转换器。由于控制个体堆电流的可能性，可以在一定程度上减轻串联中的均流问题。
系统控制120和控制模块131可以包括不同类型的模拟和/或数字电子实现方式，其可以基于例如可编程处理器。控制模块131还可以包括不同类型的测量装置来感测电压和/或电流值以产生开关S的所述控制信号。
除了所描述的SOFC以外，本发明还可以与MCFC(熔融碳酸盐燃料电池和其它燃料电池一起使用。MCFC是高温燃料电池，该MCFC使用由悬浮在多孔的化学惰性陶瓷基体中的熔融碳酸盐混合物构成的电解质。而且，尽管在图2中的SOFC设备示例中描述了反馈装置，但使用本发明的燃料电池系统并非必须具有反馈装置。
尽管已经参照附图和说明书提出了本发明，但是本发明绝不限于此，因为本发明可以在权利要求的范围内进行变化。

Claims (10)

1.一种用于调整利用燃料电池产生电的燃料电池系统中的电流值的装置，所述燃料电池系统中的每个燃料电池包括阳极侧(100)、阴极侧(102)以及所述阳极侧和所述阴极侧之间的电解质(104)，并且所述燃料电池系统包括至少两个电串联的个体燃料电池堆或堆组，每个所述堆(103)包括至少一个燃料电池，其特征在于，所述用于调整所述燃料电池系统中的电流值的装置包括：
-用于从至少一个电串联的个体燃料电池堆或堆组中汲取所述电流的主要部分的模块(122、127)；
-至少一个调整电路(112)，该至少一个调整电路(112)用于通过汲取或者供应与其它个体燃料电池堆或其它堆组为串联的所述个体燃料电池堆(103)中的至少一个堆的电流或者所述堆(103)组中的至少一个组的电流，来调整电流值，以生成正补偿电流或者负补偿电流；
-集成模块(116、124)，该集成模块(116、124)用于集成所述至少一个调整电路与所述个体燃料电池堆(103)中的至少一个堆，或集成所述至少一个调整电路与所述堆(103)组中的至少一个组，以将所述至少一个个体燃料电池堆的所述补偿电流或所述至少一个组的所述补偿电流布置为经过所述至少一个调整电路(112)，补偿电流值与从所述至少一个电串联的个体燃料电池堆或堆组到所述模块(122、127)的电流相比在0-10％的量级范围内，所述至少一个个体燃料电池堆或所述至少一个堆组中的电流为所述电流的主要部分加上所述补偿电流；并且
-所述至少一个调整电路(112)包括用于控制所述至少一个个体燃料电池堆(103)或至少一个堆(103)组中的补偿电流的模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调整电路(112)电流值与所述至少一个电串联的个体燃料电池堆(103)或堆组中的电流值相比优选地在0-3％的范围内。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括所述集成模块(116、124)，该集成模块(116、124)用于通过针对所述至少一个调整电路(112)，使用与用于测量所使用的电压的模块相同的布线(116)和相同的至少一个电路板(124)，来集成所述至少一个调整电路(112)和用于测量燃料电池堆(103)的电压的模块(124)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括作为所述至少一个调整电路(112)的隔离高频变压器装置。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调整电路(112)实现为非隔离级联转换器装置，该非隔离级联转换器装置包括用于产生控制信号的模块(116、124)、开关S和控制模块(131)，所述开关S受控处于打开和闭合位置，所述控制模块(131)通过在控制所述开关S处于打开或者闭合位置时使用所述控制信号而作为控制较小的补偿电流的模块，以单独地调整每个燃料电池堆(103)或堆组的电流。
6.一种用于调整利用燃料电池堆(103)产生电的燃料电池系统中的电流值的方法，其特征在于，在所述方法中，对所述电流值的所述调整由以下步骤实现：
-模块(122、127)从至少一个电串联的个体燃料电池堆(103)或堆(103)组中汲取所述电流的主要部分；
-通过汲取或者供应与其它个体燃料电池堆或其它堆组为串联的所述个体燃料电池堆(103)的至少一个堆的电流或者所述堆(103)组的至少一个组的电流来调整电流值，以生成负补偿电流或正补偿电流，以及集成至少一个调整电路(112)与所述个体燃料电池堆(103)的至少一个堆，或者集成所述至少一个调整电路与堆(103)组中的至少一个组，以将所述至少一个个体燃料电池堆或所述至少一个组的所述补偿电流布置为经过所述至少一个调整电路(112)，补偿电流值与从所述至少一个电串联的个体燃料电池堆或堆组到所述模块(122、127)的电流相比在0-10％的量级范围内，所述至少一个个体燃料电池堆(103)或者所述至少一个堆(103)组中的电流是所述电流的主要部分加上所述补偿电流；
-以及，通过使用所述至少一个调整电路(112)来控制所述至少一个个体燃料电池堆(103)或所述至少一个堆(103)组中的补偿电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调整电路(112)电流值与所述至少一个电串联的个体燃料电池堆(103)或堆组中的电流值相比优选地在0-3％的范围内。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过针对所述至少一个调整电路(112)，使用与用于测量所使用的电压的模块相同的布线(116)和相同的至少一个电路板(124)，来集成所述至少一个调整电路(112)和用于测量燃料电池堆(103)的电压的模块(124)。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过隔离高频变压器装置实现所述至少一个调整电路(112)。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调整电路(112)实现为非隔离级联转换器装置，该非隔离级联转换器装置包括用于产生控制信号的模块(116、124)、开关S和控制模块(131)，所述开关S受控处于打开和闭合位置，在所述方法中，产生所述控制信号，并且通过使用控制模块(131)基于所述控制信号来控制开关S处于打开和闭合位置，以单独地调整每个燃料电池堆(130)或堆(103)组的电流。
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