CN104752740B - 燃料电池发热量的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了包括以相互机械地连接来接收燃料和空气的供给的多个燃料电池堆的燃料电池的发热量控制装置及其方法,所述装置包括:多个堆状态感测部,其分别感测所述多个燃料电池堆的状态;转换部,其将所述多个燃料电池堆中的至少一部分相互连接,以将所连接的燃料电池堆连接到至少两个发热量调节部中的至少一个;控制部,其基于由所述多个堆状态感测部感测到的堆状态,若感测到发热量的值超出预先设定的发热量临界值的范围的至少一个发热量调节对象堆,则控制所述转换部的操作,来分别形成至少一个包括感测到的至少一个发热量调节对象堆的发热量调节对象堆部,并且将所述发热量调节对象堆部分别连接到所述至少两个发热量调节部中的至少一个。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池装置,特别地涉及包括多个燃料电池堆的燃料电池的发热量的控制装置和燃料电池发热量的控制方法。
背景技术
从燃料产生电和热的燃料电池通过将多个燃料电池堆(stack)进行连接来获得更大的容量。燃料电池堆通过相互机械连接来接收燃料、空气以及热化学反应所需的附加物等的供给,并且在所述燃料电池堆或者包括多个所述燃料电池堆的堆模块中,数十至数百张的单位燃料电池叠层连接,以便获得期望的电力输出。
然而,堆或堆模块分别具有相互不同的劣化速度的偏差的情况下,在所述堆或堆模块中随着工作时间的经过而会发生堆或堆模块的性能的偏差,同时在由于一部分堆的非正常劣化的加速而呈现低性能的情况下,各堆之间也会发生性能偏差。此外,也存在由于生产的堆或堆模块之间的性能不均一而在工作初期就存在偏差的情况。
而且,在发生如上所述的性能偏差时,发热量也会在堆或堆模块之间变得不同,从而也会产生堆温度的偏差。此外,上述的堆或堆模块的构造通常如下所述地具有发热量小的堆的温度比发热量大的堆的温度下降得更多的倾向,这最终带来堆或堆模块性能的进一步变化。如果这种现象持续反复而经过一定时间点,则一部分堆或堆模块偏离出工作可能的堆温度或堆电压等的工作限制条件而发生停机(shut down)现象。
将参照图1a、图1b和图2a、图2b来说明上述现象。
图1a是用于说明燃料电池堆并联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的示图,图1b是用于说明燃料电池堆并联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的堆电压和堆电流的曲线图。本示例中呈现出不管堆的劣化而产生相同电力的工作模式。
如图1a和图1b所示,在燃料电池堆并联电气连接的燃料电池系统([1]的正常性能)中,若一个堆由于冲击或外部环境而暂时劣化([2]的状态2,1个劣化),则劣化堆在经过一定时间之后从状态2变为状态3,工作点移动到状态3'的正常堆具有比劣化堆相对较大的发热量。
所述正常堆的发热量大于所述劣化堆的发热量的原因在于,尽管初始测得的正常堆或劣化堆的开路电压(OCV,Open Circuit Voltage)或能斯特电位(Nernst potential)与当前测得的堆的电压之差的电压损失(ΔV)相同,但正常堆的工作电流更大。如图1b所示,OCV标记为79V。
具体地,参照图1b,正常堆和劣化堆分别处于当前状态3'和3([3]的一次波及),因而虽然电压损失(ΔV)相同,但此时由于正常堆的工作电流大于劣化堆的工作电流(发热量值=电压损失×当前工作电流),可以知道正常堆的发热量大于劣化堆的发热量。
即,在当前状态3'和3中存在正常堆和劣化堆的情况下,正常堆的发热量为电压损失(79-63=16V)×24A,劣化堆的发热量为16V×17A,从而正常堆的发热量变得大于劣化堆的发热量。此时,由于劣化堆的发热量相对小于正常堆的发热量,劣化堆的温度相比于状态2(750℃)降低(状态3为730℃)。
此后,为了降低过热的正常堆的发热量,包括堆或堆模块的燃料装置需要更多冷却流体,与正常堆机械连接的劣化堆的温度由于冷却流体而进一步降低,劣化堆由于其温度进一步降低而阻抗增加从而劣化堆的电压下降,最终发生电流相对集中于正常堆的现象,并且电流相对集中现象发生直到获得与初始电力几乎相同的电力。由此,正常堆和劣化堆之间的工作电流之差变得更大(在图1a和图1b中,从状态3'和3移动至状态4'和4,在[4]二次波及)。此时,如图1a所示,初始电力为65V×40A(20A+20A),新的电力变为60V×43A(15A+28A)。
随着时间的经过,如果持续这种现象,则劣化堆的温度进一步降低,或者工作电压减小至低于最小基准值,从而引起堆、堆模块和包括这些的燃料电池装置完全停机。
图2a是用于说明燃料电池堆串联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的示图,图2b是用于说明燃料电池堆串联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的堆电压和堆电流的曲线图。本示例中呈现出不管堆的劣化而产生相同电力的工作模式。
如图2a和图2b所示,在燃料电池堆串联连接的情况([1]的正常性能)下,假设一个堆由于冲击或外部环境而暂时劣化([2]的状态2,1个劣化)。此时,由于暂时劣化的劣化堆以串联连接,各个堆的电流相同,各个堆的电压取决于各堆的阻抗。
参照图2a中[2]的状态和图2b,虽然正常堆和劣化堆的工作电流相同,但由于劣化堆的电压损失(ΔV)大于正常堆的电压损失,可以知道劣化堆的发热量大于正常堆的发热量。由于劣化堆的发热量变大,因此劣化堆的温度上升,为了降低过热的劣化堆的温度,需要更多的冷却流体,与劣化堆机械连接的正常堆的温度由于冷却流体而降低,正常堆的阻抗增加,从而正常堆的性能曲线下降([3]的一次波及)。于是,为了获得相同的电力,进一步增加工作电流,如果为了冷却由此伴随增加的发热量而增加冷却流体,则正常堆的温度进一步降低,并且正常堆的性能曲线也下降(工作点从状态3'移动到状态4')。
随着时间的经过,如果持续这种现象,则正常堆的温度进一步降低,或者工作电压减小至低于最小基准值,从而引起堆、堆模块和包括这些的燃料电池装置完全停机。
为了解决这问题,需要一种燃料电池发热量的控制装置和一种燃料电池发热量的控制方法,其在发生停机现象之前控制非正常的堆或堆模块的发热量,进一步使得用户为了特定目的而任意地控制堆或堆模块的发热量。
发明内容
[要解决的技术问题]
为了解决上述现有技术中的问题而作出本发明,本发明所要解决的技术问题是提供一种燃料电池发热量的控制装置和一种燃料电池发热量的控制方法,其能够在将多个燃料电池堆或燃料电池堆模块进行电气连接时,通过使多个燃料电池堆或燃料电池堆模块之间的发热量偏差最小化,从而防止促进劣化、防止性能急速降低或者防止停机,使得堆或堆模块稳定且有效地工作,同时能够使用户根据需要或任意地控制堆或堆模块的发热量,从而获得符合用户便利的堆或堆模块。
[技术方案]
根据为了解决上述技术问题的本发明的实施例,一种燃料电池发热量的控制装置,所述燃料电池包括相互机械地连接来接收燃料和空气的供给的多个燃料电池堆,所述控制装置包括:多个堆状态感测部,其分别感测所述多个燃料电池堆的状态;以及控制部,其基于由所述多个堆状态感测部感测到的堆状态,若感测到发热量的值超出预先设定的发热量临界值的范围的至少一个发热量调节对象堆,则形成至少一个包括感测到的至少一个发热量调节对象堆的发热量调节对象堆部,并且将所述发热量调节对象堆部连接到至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部。
所述控制部控制所述发热量调节部,从而使连接有所述发热量调节对象堆部的发热量调节部执行调节,使得所述发热量调节对象堆部的发热量的值处于所述预先设定的发热量临界值的范围内。
所述燃料电池发热量的控制装置还包括转换(switching)部,所述转换部将所述多个燃料电池堆中的至少一部分相互连接,以将所连接的燃料电池堆连接到至少两个发热量调节部中的至少一个,所述转换部包括:燃料电池堆用转换部,通过燃料电池堆用转换部的开闭操作,所述至少一个发热量调节对象堆形成为所述至少一个发热量调节对象堆部;发热量调节部用转换部,其将所述至少一个发热量调节对象堆部连接到所述至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部。
所述控制部基于所感测到的堆状态,若感测到所述发热量的值高于预先设定的发热量临界值的范围的发热量调节对象堆,则形成至少一个包括感测到的至少一个发热量调节对象堆的发热量调节对象堆部,将所述发热量调节对象堆部连接到所述至少两个发热量调节部中的第一发热量调节部,并且通过所述控制部的第一控制信号来控制所连接的第一发热量调节部,使得所述第一发热量调节部执行第一调节,以根据所述第一控制信号来将所述发热量调节对象堆部的发热量的值降低至处于所述预先设定的发热量临界值的范围内,或者所述控制部基于所感测到的堆状态,若感测到所述发热量的值低于预先设定的发热量临界值的范围的发热量调节对象堆,则形成至少一个包括感测到的至少一个发热量调节对象堆的发热量调节对象堆部,将所述发热量调节对象堆部连接到所述至少两个发热量调节部中的第二发热量调节部,并且通过所述控制部的第二控制信号来控制所连接的第二发热量调节部,使得所述第二发热量调节部执行第二调节,以根据所述第二控制信号来将所述发热量调节对象堆部的发热量的值提高至处于所述预先设定的发热量临界值的范围内。
所述控制部执行控制,使得所述第一发热量调节部和所述第二发热量调节部同时执行第一调节和第二调节。
所述控制部执行控制,使得所述第一发热量调节部和所述第二发热量调节部以相互不同的顺序来执行第一调节和第二调节。
所述发热量调节部调节所述发热量调节对象堆的电流。
所述发热量调节对象堆的发热量的值满足如下等式:发热量的值=I×ΔV,其中利用了作为初期测得的所述发热量调节对象堆的开路电压(OCV,Open Circuit Voltage)或能斯特电压(Nernst potential)与当前测得的堆的电压之差的电压损失(ΔV)以及当前测得的工作电流(I),或者所述发热量的值是以由所述多个堆状态感测部感测到的所述发热量调节对象堆的温度来测定并算出。
所述堆状态感测部感测所述多个燃料电池堆的电流、电压或温度中的至少一个,并将所感测到的电流、电压或温度中的至少一个传送到所述控制部,所述控制部基于所感测到的电流、电压或温度中的至少一个来感测所述发热量调节对象堆。
根据为了解决上述技术问题的本发明的实施例,一种燃料电池发热量的控制装置,所述燃料电池包括相互机械地连接来接收燃料和空气的供给的多个燃料电池堆模块,所述燃料电池堆模块包括至少一个燃料电池堆,所述控制装置包括:多个堆模块状态感测部,其分别感测所述多个燃料电池堆模块的状态;以及控制部,其基于由所述多个堆模块状态感测部感测到的堆模块状态,若感测到发热量的值超出预先设定的发热量临界值的范围的至少一个发热量调节对象堆模块,则形成至少一个包括感测到的至少一个发热量调节对象堆模块的发热量调节对象堆模块部,并且将所述发热量调节对象堆模块部连接到至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部。
所述控制部控制所述发热量调节部,从而使连接有所述发热量调节对象堆模块部的发热量调节部执行调节,使得所述发热量调节对象堆模块部的发热量的值处于所述预先设定的发热量临界值的范围内。
所述燃料电池发热量的控制装置还包括转换模块部,所述转换模块部将所述多个燃料电池堆模块中的至少一部分相互连接,以将所连接的燃料电池堆模块连接到至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部,所述转换模块部包括:燃料电池堆模块用转换模块部,通过燃料电池堆模块用转换模块部的开闭操作,所述至少一个发热量调节对象堆模块形成为所述至少一个发热量调节对象堆模块部;发热量调节部用转换模块部,其将所述至少一个发热量调节对象堆模块部连接到所述至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部。
所述堆模块状态感测部感测所述多个燃料电池堆模块的电流、电压或温度中的至少一个,并将所感测到的电流、电压或温度中的至少一个传送到所述控制部,所述控制部基于所感测到的电流、电压或温度中的至少一个来感测所述发热量调节对象堆模块。
通过参照附图描述的以下详细说明,本发明的特征和优点将变得更加明显。
在此之前,应当理解的是,本说明书和权利要求书中所使用的术语或词语应当以一般含义来解释,而不应以词典中含义来解释,并且在基于发明人为了以最佳方法说明自己的发明而可以确切地定义术语的概念的原则下,所述术语或词语应当解释为符合本发明技术思想的含义和概念。
[有益效果]
根据本发明,在将多个燃料电池堆或燃料电池堆模块进行电气连接时,通过使多个燃料电池堆或燃料电池堆模块之间的发热量偏差最小化,从而防止促进劣化、防止性能急速降低或者防止停机,使得堆或堆模块稳定且有效地工作。
此外,根据本发明,用户根据需要或任意地控制堆或堆模块的发热量,从而获得符合用户便利的堆或堆模块。
附图说明
图1a是用于说明燃料电池堆并联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的示图,图1b是用于说明燃料电池堆并联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的堆电压和堆电流的曲线图。
图2a是用于说明燃料电池堆串联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的示图,图2b是用于说明燃料电池堆串联连接的情况下的堆之间的劣化波及影响的堆电压和堆电流的曲线图。
图3a、图3b和图3c分别为用于示出在正常堆中产生一个劣化堆的情况下根据本发明实施例的燃料电池发热量控制装置的操作的框图。
图4a、图4b和图4c分别为用于示出在正常堆中产生两个劣化堆的情况下根据本发明实施例的燃料电池发热量控制装置的操作的框图。
图5是示出在图3a至图3c和图4a至图4c中产生劣化堆或劣化堆模块的情况下堆或堆模块的发热量随着根据本发明实施例执行燃料电池发热量控制装置的操作而得到控制的曲线图。
图6是示出根据本发明实施例的控制部控制燃料电池发热量的方法的流程图。
具体实施方式
根据以下与附图相关联的详细说明和优选实施例,本发明的目的、特定优点和新颖特征将变得更加明显。
要注意的是,关于对每个附图的构成要素附加参考编号,相同的构成要素在示出的不同附图中具有相同的编号。
此外,使用的“第一”、“第二”等术语是为了将一个构成要素区别于另一个构成要素,而不是为了将构成要素限制于所述术语。
下文中,在说明本发明时将省略那些使本发明的要点不必要地模糊的相关公知技术。
下文中,将参照附图来详细描述本发明的优选实施例。
图3a、图3b和图3c为用于示出在正常堆中产生一个劣化堆的情况下根据本发明实施例的燃料电池发热量控制装置的操作的框图,图4a、图4b和图4c为用于示出在正常堆中产生两个劣化堆的情况下根据本发明实施例的燃料电池发热量控制装置的操作的框图。
在说明燃料电池发热量控制装置的操作之前,参照图3a至图3c和图4a至图4c来说明各个构造和各个构造的功能。
燃料电池发热量控制装置的构造及其功能
参照图3a至图3c和图4a至图4c,燃料电池发热量控制装置包括:多个堆状态感测部310、320、330、340,其分别感测多个燃料电池堆210、220、230、240的状态;以及转换部100、400,其将所述多个燃料电池堆210、220、230、240中的至少一部分相互例如以串联、并联或串并联进行电气连接,并将所连接的燃料电池堆部连接到至少两个发热量调节部510、520中的一个。此处,所述燃料电池发热量控制装置中所包括的多个燃料电池堆210、220、230、240相互机械连接以接收燃料和空气的供给。例如,所述发热量调节部可以为电力调节系统(PCS:Power Conditioning System)。
此后,“电气连接或连接”是指特定构造可以以串联、并联或串并联连接,除非另有特别说明。
所述转换部100、400包括:燃料电池堆用转换部100,其通过开闭操作,来将多个燃料电池堆中的至少一部分,例如至少一个发热量调节对象堆形成为至少一个发热量调节对象堆部;以及发热量调节部用转换部400,其将通过所述燃料电池堆用转换部形成的至少一个发热量调节对象堆部连接到至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部。
例如,燃料电池堆用转换部100和发热量调节部用转换部400可以包括具有两个或三个开关端子的开关元件,但不限于此,其可以包括执行相同功能的或者根据用户设计来适当构造的开关元件,例如二极管、FET或晶体管等或其组合。
此外,所述燃料电池发热量控制装置还包括控制部600,其控制转换部100、400的开闭操作,接收堆状态感测部310、320、330、340的感测信号,并且控制至少两个发热量调节部510、520的发热量。此处,所述堆状态感测部310、320、330、340分别连接至多个燃料电池堆210、220、230、240,在燃料电池堆发生变化的情况下,即,在燃料电池堆的发热量的值超出预先设定的发热量临界值的范围的情况下,所述堆状态感测部310、320、330、340感测所变化的燃料电池堆的电流、电压或温度中的至少一个,以将感测到的电流、电压或温度中的至少一个作为感测信号传送到控制部600。
例如,堆状态感测部310、320、330、340可以作为堆的燃料或空气出口处的温度测定点、或者堆的中央部的温度测定点等的能够测定堆的温度的一个或一个以上的温度测定点。由此,根据测得的温度值来定义各堆的发热程度或发热量。
此外,例如,堆状态感测部310、320、330、340可以包括检测流过的电流的分流器或霍尔传感器。
所述预先设定的发热量临界值的范围由事先输入的输入值构成,所述输入值存储在控制部中所包括的存储器(未图示)中。所述事先输入的输入值是指基于用户目的的特定值,例如发热量的测定统计值、发热量的测定实验值、发热量的测定预期值等,但其不限于此,其可以指用户定义的所有值。因此,所述预先设定的发热量临界值的范围基于存储在控制部的存储器中的输入值。尽管本文中预先设定的发热量临界值的范围存储在控制部中所包括的存储器中,其不限于此,其也可以存储在控制器外部设置的存储器中。
所述控制部600基于堆状态感测部310、320、330、340的感测信号来判断是否存在至少一个发热量调节对象堆,若感测到至少一个发热量调节对象堆,则控制所述燃料电池堆用转换部100的开闭操作来将感测到的至少一个发热量调节对象堆形成为至少一个发热量调节对象堆部。即,控制部600控制燃料电池堆用转换部100的操作,从而分别形成发热量调节对象堆部。此外,控制部600利用发热量调节部用转换部400来将至少一个发热量调节对象堆部分别连接到至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部。
所述至少两个发热量调节部510、520分别根据所述控制部600的控制信号来调节发热量,例如可以调节电流或电压、或者电流和电压二者来调节发热量。
换言之,控制部600控制所述发热量调节部,使得通过所述发热量调节部用转换部400而连接有发热量调节对象堆部的至少两个发热量调节部调节所述发热量调节对象堆的发热量的值来使该值处于预先设定的发热量临界值的范围内。即,控制部600的控制信号控制所述发热量调节部,从而所述发热量调节部(连接有发热量调节对象堆部)使发热量调节对象堆部的发热量的值处于预先设定的发热量临界值的范围内。
例如,所述控制部600基于通过堆状态感测部感测到的堆状态,即,基于堆状态感测部的感测信号,若感测到发热量的值高于预先设定的发热量临界值的范围的发热量调节对象堆,则控制转换部100、400的操作,来形成至少一个包括所感测到的至少一个发热量调节对象堆的发热量调节对象堆部,将所述发热量调节对象堆部连接到所述至少两个发热量调节部中的第一发热量调节部,并且通过所述控制部的第一控制信号来控制所连接的第一发热量调节部,使得所述第一发热量调节部可以执行第一调节,以根据所述第一控制信号来将所述发热量调节对象堆部的发热量的值降低至处于所述预先设定的发热量临界值的范围内。
此外,所述控制部600基于通过堆状态感测部感测到的堆状态,即,基于堆状态感测部的感测信号,若感测到发热量的值低于预先设定的发热量临界值的范围的发热量调节对象堆,则控制转换部100、400的操作,来形成至少一个包括所感测到的至少一个发热量调节对象堆的发热量调节对象堆部,将所述发热量调节对象堆部连接到所述至少两个发热量调节部中的第二发热量调节部,并且通过所述控制部的第二控制信号来控制所连接的第二发热量调节部,使得所述第二发热量调节部可以执行第二调节,以根据所述第二控制信号来将所述发热量调节对象堆部的发热量的值提高至处于所述预先设定的发热量临界值的范围内。
此外,所述控制部600执行控制,使得所述第一发热量调节部和所述第二发热量调节部同时执行第一调节和第二调节,或者所述第一发热量调节部和所述第二发热量调节部在执行第一调节之后执行第二调节或在执行第二调节之后执行第一调节。
现在通过示例来具体说明燃料电池发热量控制装置如何控制发热量。
燃料电池发热量控制装置的发热量控制方法
参照图3a至图3c,如图3a所示,如上所述,所述燃料电池发热量控制装置一般具有多个燃料电池堆。在此所述多个燃料电池堆210、220、230、240由四个燃料电池堆构成并以并联连接,假设均为正常燃料电池堆。由于多个燃料电池堆均正常,通过转换部100、400电气连接的多个燃料电池堆仅连接到两个发热量调节部中的一个即可以发挥多个燃料电池堆的自身功能。即,多个燃料电池堆可以输出正常电力。下文中将此情况称为状态1或1'。
如果具有四个正常的燃料电池堆或正常燃料电池堆的燃料电池发热量控制装置由于外部或内部环境变化,例如施加冲击或者构成燃料电池堆的组成物异常,而一个燃料电池堆劣化的情况下,即,如图3b所示,考虑形成劣化的燃料电池堆或劣化燃料电池堆240的情况。下文中将此情况称为状态2或状态2'。
在此情况下,由于正常燃料电池堆210、220、230的发热量大于劣化燃料电池堆240的发热量(多个燃料电池堆并联连接,劣化燃料电池堆240发生在多个燃料电池堆中,则正常燃料电池堆的发热量大于劣化燃料电池堆的发热量,参照上述的停机现象),控制部600降低正常燃料电池堆的发热量并提高劣化燃料电池堆240的发热量,以获得期望发热量的值。此处,以预先设定的(或期望的)发热量临界值的范围为基准,为了示出同时收敛于预先设定的发热量临界值的范围,即,为了示出如下箭头所示的劣化燃料电池堆的发热量和正常燃料电池堆的发热量分别收敛于预先设定的发热量临界值的范围,假设预先设定的发热量临界值的范围低于正常燃料电池堆的发热量、高于劣化燃料电池堆的发热量。
劣化燃料电池堆的发热量→预先设定的发热量临界值的范围←正常燃料电池堆的发热量。
参照于此,如图3c所示,首先,控制部600针对正常燃料电池堆通过控制转换部100、400的开闭操作来形成包括所述正常燃料电池堆210、220、230的至少一个正常燃料电池堆部250,将所述正常燃料电池堆部250连接到所述至少两个发热量调节部510、520中的第一发热量调节部510,并且通过控制部600的第一控制信号来控制所连接的第一发热量调节部510,使得所述第一发热量调节部510根据所述第一控制信号来执行第一调节,以使所述正常燃料电池堆部250的发热量的值降低至处于预先设定的发热量临界值的范围内。
而且,控制部600针对劣化燃料电池堆通过控制转换部100、400的开闭操作来形成包括所述劣化燃料电池堆240的至少一个劣化燃料电池堆部260,将所述劣化燃料电池堆部260连接到所述至少两个发热量调节部510、520中的第二发热量调节部520,并且通过控制部600的第二控制信号来控制所连接的第二发热量调节部520,使得所述第二发热量调节部520根据所述第二控制信号来执行第二调节,以使所述劣化燃料电池堆部260的发热量的值提高至处于预先设定的发热量临界值的范围内。
如前面所述,所述控制部600执行控制,使得所述第一发热量调节部510和所述第二发热量调节部520同时执行第一调节和第二调节,或者所述第一发热量调节部510和所述第二发热量调节部520在执行第一调节之后执行第二调节或在执行第二调节之后执行第一调节。下文中将此情况称为状态3或状态3'。
所述控制部600控制所述第一发热量调节部510和所述第二发热量调节部520以执行第一调节和第二调节,能够使多个燃料电池堆之间的发热量之差最小化。
图4a、图4b和图4c分别为用于示出在正常燃料电池堆中产生两个劣化燃料电池堆的情况下根据本发明实施例的燃料电池发热量控制装置的操作的框图,除了劣化燃料电池堆从一个增加到两个、正常燃料电池堆从三个减少到两个的差异之外,与图3a、图3b和图3c的实施例相同。因此,正常燃料电池堆210、230的个数为两个,劣化燃料电池堆220、240的个数也为两个。
因此,如图4c所示,控制部将两个正常燃料电池堆210、230形成为正常燃料电池堆部250,并将两个劣化燃料电池堆220、240形成为劣化燃料电池堆部260。其余的燃料电池发热量的控制操作与图3a、图3b和图3c的实施例中的操作相同,在此省略其详细描述。
如图3a至图3c和图4a至图4c所示,尽管根据本发明实施例的燃料电池发热量控制装置控制四个燃料电池堆以及两个发热量调节部,但本发明不限于此,当n为2或2以上的整数时,不仅对第一至第n燃料电池堆的n个堆和n个发热量调节部的电气连接进行控制,也对n个发热量调节部的发热量调节进行控制(未图示)。
此外,在图3a至图3c和图4a至图4c中,尽管通过控制部600和转换部100、400来控制多个燃料电池堆中每一个的连接,但本发明不限于此,可以将至少一个燃料电池堆构造为燃料电池堆模块,并构造至少一个燃料电池堆模块,使得通过控制部600和转换部100、400来改变至少一个燃料电池堆模块的电气构造连接。
即,在包含多个包括至少一个燃料电池堆的燃料电池堆模块的燃料电池的发热量控制装置中,控制部600基于通过多个堆模块状态感测部(未图示)感测到的堆模块状态,若感测到发热量的值超出被预先设定的发热量临界值的范围的至少一个发热量调节对象堆模块,则控制转换模块部(未图示)的操作,以分别形成至少一个包括感测到的至少一个发热量调节对象堆模块的发热量调节对象堆模块部(未图示),并将所述发热量调节对象堆模块部分别连接到所述至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部,并且通过控制所述发热量调节部,连接有所述发热量调节对象堆模块部的发热量调节部执行调节,使得所述发热量调节对象堆模块部的发热量的值处于所述预先设定的发热量临界值的范围内。
此时,所述转换模块部包括燃料电池堆模块用转换模块部和发热量调节部用转换模块部,所述燃料电池堆模块用转换模块部通过所述燃料电池堆模块用转换模块部的开闭操作来将所述至少一个发热量调节对象堆模块形成为所述至少一个发热量调节对象堆模块部,并且所述发热量调节部用转换模块部将所述至少一个发热量调节对象堆模块部连接到所述至少两个发热量调节部中的对应发热量调节部。
构成所述堆模块状态感测部和所述转换模块部的元件与上述的堆状态感测部和转换部类似或相同,在此省略其详细描述。
图5是示出在图3a至图3c和图4a至图4c中产生正常燃料电池堆或正常燃料电池堆模块、并产生劣化燃料电池堆或劣化燃料电池堆模块的情况下堆或堆模块的发热量随着根据本发明实施例执行燃料电池发热量控制装置的操作而得到控制的曲线图。
参照图5时,图3a至图3c和图4a至图4c的状态变化,即上述的从状态1或1'到状态3或3'的变化如[表1]所示。
[表1]
图5和[表1]中,参照状态2或2',作为发热量调节对象堆(模块)的正常燃料电池堆(模块)和劣化燃料电池堆(模块)的发热量的值满足如下等式(1),其中利用了作为初期测得的所述发热量调节对象堆的开路电压(OCV,Open Circuit Voltage)或能斯特电压(Nernst potential)与当前测得的堆的电压之差的电压损失(ΔV)以及当前测得的工作电流(I),
发热量的值(W)=I×ΔV (1)
在所述等式(1)中,代入状态2或2'的电流值(I)和电压损失值(ΔV),正常燃料电池堆(模块)的发热量的值[W]为368W,劣化燃料电池堆(模块)的发热量的值[W]为272W,此时发热量之差为96W,发生停机的可能性变大,如果控制部600控制第一和第二发热量调节部510、520来调节发热量,则如[表1]的状态3或3'所示,该发热量之差变为0W(无发热量之差),从而变得最小。
在上述示例中,控制部600利用堆状态感测部,通过正常燃料电池堆(模块)和劣化燃料电池堆(模块)的电流和电压来计算发热量的值并使发热量之差最小化,但不限于此,如上所述,在所述堆状态感测部作为能够测定正常燃料电池堆(模块)和劣化燃料电池堆(模块)的温度的温度测定点的情况下,控制部600也可以通过如此测得的温度的值来算出或计算发热量的值,使得发热量之差最小化。
因此,本发明的燃料电池发热量控制装置在将多个燃料电池堆或燃料电池堆模块进行电气连接时,通过使多个燃料电池堆或燃料电池堆模块之间的发热量偏差最小化,从而防止促进劣化、防止性能急速降低或者防止停机,使得堆或堆模块稳定且有效地工作。
尽管以图3a至图3c、图4a至图4c以及图5中的正常燃料电池堆和劣化燃料电池堆作为示例,来说明了燃料电池发热量控制装置使正常燃料电池堆与劣化燃料电池堆之间的发热量偏差最小化,但其仅是示例性的并且不限于此。例如,用户通过将期望的特定值输入到所述控制部的存储器中来将所输入的值定义为预先设定的发热量临界值的范围,使得所述燃料电池发热量控制装置的发热量的控制可以迎合用户目的,有意图地增加或减小发热量之差,而不是使其最小化。
控制部的发热量控制方法
图6是示出根据本发明实施例控制部控制燃料电池发热量的方法的流程图。
参照图6,在步骤S600,控制部600对多个堆状态感测部的感测进行控制来感测多个燃料电池堆210、220、230、240的状态。在步骤S610,控制部600基于感测到的多个燃料电池堆的状态,来判断是否存在发热量的值超出预先设定的发热量临界值的范围的至少一个发热量调节对象堆,例如正常燃料电池堆(图3的210、220、230;图4的210、230)或者劣化燃料电池堆(图3的240;图4的220、240)。此处,所述发热量调节对象堆是指需要控制发热量的所有燃料电池堆,不管正常燃料电池堆还是劣化燃料电池堆。
此后,在步骤S620,在控制部600判断出存在至少一个发热量调节对象堆的情况下,所述控制部600控制转换部100、400的操作,来形成至少一个包括所述至少一个发热量调节对象堆的发热量调节对象堆部(例如,正常燃料电池堆部(图3c和图4c的250)或者劣化燃料电池堆部(图3c和图4c的260)中的至少一个燃料电池堆部),并且将所述发热量调节对象堆部连接到所述至少两个发热量调节部510、520中的对应发热量调节部。
如果在步骤S610中控制部600判断出不存在至少一个发热量调节对象堆的情况下,燃料电池发热量的控制方法终止。
在步骤S630,所述控制部600控制所述发热量调节部510、520,使得所述发热量调节部调节所述发热量调节对象堆的发热量的值,使该值处于所述预先设定的发热量临界值的范围内,然后燃料电池发热量的控制方法终止。
根据适用例通过使用多种手段来具体实现本说明书中讨论的方法。例如,上述方法可具体实现为硬件、固件、软件或其任意组合形式。在硬件的实施例中,控制电路或控制部可以具体实现为一个及以上的专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子装置、设计为执行本说明书中讨论的功能的其他电子单元或其组合。
尽管以上通过具体实施例来说明了本发明,这旨在具体说明本发明,而不将本发明限制于此,对于本领域普通技术人员来说,本发明技术思想范围内的变型和改进是显而易见的。
本发明的简单变型和改变均属于本发明的范围,通过所附权利要求书的范围来限定本发明的具体保护范围。
[符号说明]
100:燃料电池堆用转换部
210、220、230、240:燃料电池堆
310、320、330、340:堆状态感测部
400:发热量调节部用转换部
510、520:发热量调节部
600:控制部。
Claims (8)
1.一种燃料电池散热量的控制装置,所述燃料电池包括相互机械地连接来接收燃料和空气的供给的多个燃料电池堆,所述控制装置包括:
多个堆状态感测部,其分别感测所述多个燃料电池堆的状态;以及
控制部,其基于由所述多个堆状态感测部感测到的燃料电池堆的电流、电压、以及温度中的至少一个,若感测到散热量的值超出预先设定的散热量临界值的范围的至少一个散热量调节对象堆,则形成至少一个包括感测到的至少一个散热量调节对象堆的散热量调节对象堆部,并且将所述散热量调节对象堆部连接到至少两个散热量调节部中的对应散热量调节部,
其中,所述控制部控制所述散热量调节部,从而使连接有所述散热量调节对象堆部的散热量调节部利用电流、电压、以及温度中的所述至少一个调节所述散热量调节对象堆部的散热量的值,使得所述散热量调节对象堆部的散热量的值处于所述预先设定的散热量临界值的范围内。
2.根据权利要求1所述的燃料电池散热量的控制装置,其中,
所述燃料电池散热量的控制装置还包括转换部,所述转换部将所述多个燃料电池堆中的至少一部分相互连接,以将所连接的燃料电池堆连接到至少两个散热量调节部中的至少一个,
所述转换部包括:
燃料电池堆用转换部,通过燃料电池堆用转换部的开闭操作,所述至少一个散热量调节对象堆形成为所述至少一个散热量调节对象堆部;和
散热量调节部用转换部,其将所述至少一个散热量调节对象堆部连接到所述至少两个散热量调节部中的对应散热量调节部。
3.根据权利要求1所述的燃料电池散热量的控制装置,其中,
所述控制部基于所感测到的堆状态,若感测到所述散热量的值高于预先设定的散热量临界值的范围的散热量调节对象堆,则形成至少一个包括感测到的至少一个散热量调节对象堆的散热量调节对象堆部,将所述散热量调节对象堆部连接到所述至少两个散热量调节部中的第一散热量调节部,并且通过所述控制部的第一控制信号来控制所连接的第一散热量调节部,使得所述第一散热量调节部执行第一调节,以根据所述第一控制信号来将所述散热量调节对象堆部的散热量的值降低至处于所述预先设定的散热量临界值的范围内,或者
所述控制部基于所感测到的堆状态,若感测到所述散热量的值低于预先设定的散热量临界值的范围的散热量调节对象堆,则形成至少一个包括感测到的至少一个散热量调节对象堆的散热量调节对象堆部,将所述散热量调节对象堆部连接到所述至少两个散热量调节部中的第二散热量调节部,并且通过所述控制部的第二控制信号来控制所连接的第二散热量调节部,使得所述第二散热量调节部执行第二调节,以根据所述第二控制信号来将所述散热量调节对象堆部的散热量的值提高至处于所述预先设定的散热量临界值的范围内。
4.根据权利要求3所述的燃料电池散热量的控制装置,其中,
所述控制部执行控制,使得所述第一散热量调节部和所述第二散热量调节部同时执行第一调节和第二调节。
5.根据权利要求3所述的燃料电池散热量的控制装置,其中,
所述控制部执行控制,使得所述第一散热量调节部和所述第二散热量调节部以相互不同的顺序来执行第一调节和第二调节。
6.根据权利要求1所述的燃料电池散热量的控制装置,其中,
所述散热量调节对象堆的散热量的值满足如下等式:散热量的值=I×ΔV,其中利用了作为初期测得的所述散热量调节对象堆的开路电压或能斯特电压与当前测得的堆的电压之差的电压损失ΔV以及当前测得的工作电流I,或者
所述散热量的值是以由所述多个堆状态感测部感测到的所述散热量调节对象堆的燃料或空气出口处的温度值或者所述散热量调节对象堆的中央部处测得的温度值来确定的。
7.一种燃料电池散热量的控制装置,所述燃料电池包括相互机械地连接来接收燃料和空气的供给的多个燃料电池堆模块,所述燃料电池堆模块包括至少一个燃料电池堆,所述控制装置包括:
多个堆模块状态感测部,其分别感测所述多个燃料电池堆模块的状态;以及
控制部,其基于由所述多个堆模块状态感测部感测到的燃料电池堆模块的电流、电压、以及温度中的至少一个,若感测到散热量的值超出预先设定的散热量临界值的范围的至少一个散热量调节对象堆模块,则形成至少一个包括感测到的至少一个散热量调节对象堆模块的散热量调节对象堆模块部,并且将所述散热量调节对象堆模块部连接到至少两个散热量调节部中的对应散热量调节部,
其中,所述控制部控制所述散热量调节部,从而使连接有所述散热量调节对象堆模块部的散热量调节部利用电流、电压、以及温度中的所述至少一个调节所述散热量调节对象堆模块部的散热量的值,使得所述散热量调节对象堆模块部的散热量的值处于所述预先设定的散热量临界值的范围内。
8.根据权利要求7所述的燃料电池散热量的控制装置,其中,
所述燃料电池散热量的控制装置还包括转换模块部,所述转换模块部将所述多个燃料电池堆模块中的至少一部分相互连接,以将所连接的燃料电池堆模块连接到至少两个散热量调节部中的对应散热量调节部,
所述转换模块部包括:
燃料电池堆模块用转换模块部,通过燃料电池堆模块用转换模块部的开闭操作,所述至少一个散热量调节对象堆模块形成为所述至少一个散热量调节对象堆模块部;和
散热量调节部用转换模块部,其将所述至少一个散热量调节对象堆模块部连接到所述至少两个散热量调节部中的对应散热量调节部。
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |