CN107112559A - 包括电化学电池堆叠体的电气系统及用于控制系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电气系统(1)包括：电化学电池(5)的堆叠体(3)；电连接到堆叠体(3)的电转换器(9)；电压比较器(7)，用于比较堆叠体(3)的至少一个电化学电池(5)的至少一个组的端子上的电压与阈值电压；用于控制转换器(9)的控制模块(11)。控制模块(11)包括用于生成控制转换器(9)的控制指令的发生器(74)以及将控制指令传输给转换器(9)的传输元件(76)。电压比较器(7)适用于向传输元件(76)传输信号，该信号包括第一指令和第二指令，该第一指令来自：传输指令和当被比较的电压大于阈值电压时锁定控制指令的指令，该第二指令来自：传输指令和当被比较的电压小于或等于阈值电压时锁定控制指令的指令。

Description

包括电化学电池堆叠体的电气系统及用于控制系统的方法
技术领域
本发明涉及一种电气系统，包括：
电化学电池的堆叠体，该电化学电池彼此串联电连接，以使得堆叠体的端子上的电压等于电化学电池的端子上的电压之和，
电转换器，其与堆叠体的端子电连接，
电压比较器，其用于将堆叠体的至少一个电化学电池的至少一个组的端子上的电压与阈值电压进行比较，以及
转换器的控制模块。
本发明还涉及一种用于控制该电气系统的方法。
背景技术
能够通过氧化性流体和还原性流体之间的氧化还原反应产生电的电化学电池是已知的。特别地，已知燃料电池的电池组能够通过包括氢的燃料和包含氧的氧化剂之间的氧化还原反应产生电。将燃料注入电池的阳极管中并将氧化剂注入电池的阴极管中，确保这两个导管之间的密封性的电解质层允许离子交换。由于这些离子交换，燃料中包含的氢可以与燃料中包含的氧反应以通过在阳极生成电子而产生水。上述过程确保了在电池工作期间在电解质的两侧之间建立电势差，可以利用该电势差生成电流。
然而，在燃料电池的单个电池内建立的电势差依然较低，约为0.6V至1.0V。而且，为了得到可利用的输出电压，电池常常堆叠起来并彼此串联电连接，这种电池通常被称为燃料电池。
通常将燃料电池电连接到电转换器，给出了通过负载对流出燃料电池的电流进行定制以用于其消耗的可能性。通过作用于转换器的控制模块来控制电转换器以使得流出转换器的电流适用于负载。典型地，控制模块对输出电流的电压进行调整，并且当输出电流为交流电流时，调整输出电流的频率。
最常见的，燃料电池装配有应急停止模块，该应急停止模块用于在燃料电池出现故障的情况下(例如在其中一个电池的电解质层的密封性缺失的情况下)使燃料电池停止工作。应急停止模块通常与测量燃料电池的电池组的端子上电压的端子相关联以检测所述故障。
已知的燃料电池目前遇到的问题在于，由于燃料电池上聚集了太大量的电力，所以应急止动不能及时触发。特别地，当燃料电池是冷的而所要求的功率突然增大时，或者当燃料电池老化并且性能有限时，会发生上述情况。
US 6428917提出了对流出燃料电池的最大输出电流进行调节。为此，US 6428917提出了一种利用燃料电池的电能生产系统，该燃料电池包括控制模块，该控制模块被编程为用于根据最低电池电压和阈值电压之间的比较结果推断出燃料电池的输出部处的最大输出电流，以及用于向电转换器传输表示所述最大电流的一组值。
然而，该生产系统需要执行复杂操作的计算机。因此，生产系统很难生产，并且成本较高。此外，该控制模块不太适用于具有大量(例如大于100个)电化学电池的燃料电池。
已知电化学电池还给出了通过第三方流体的电解来产生氧化性流体和还原性流体的可能性。特别地，已知水电解电池给出了产生氢和氧的可能性。将水注入电池的阳极管或者阴极管中，电解质层通过允许进行离子交换确保这两个导管之间的密封性。在施加在两个导管之间的电势差的影响下，水分解成氢正离子及氧负离子，相同符号的离子迁移通过电解质层到电池的另一导管中。因此，氧离子与氢离子分离。然后，氧离子释放其电子而转换成氧气，同时氢离子接收电子而被转换成氢气。
电解电池常常互相堆叠体叠并彼此串联电连接，该电解电池目前被称为电解槽(électrolyseur)。
通常将电解槽电连接到电转换器，给出了对通过电源提供给电解槽的供应电流进行定制的可能性。通过作用于转换器的控制模块来控制电转换器以使得流出转换器的电流适用于电解槽。典型地，控制模块对供应电流的电压进行调整。
最常见的，电解槽装配有应急停止模块，该应急停止模块用于在电解槽出现故障的情况下(例如在超过其中一个电池的端子上的电压的情况下)使电解槽停止工作。应急停止模块通常与测量电解槽的电池端子上的电压的单元相关联以检测所述故障。
然而，已知的测量单元非常不适于测量大电解槽的电池端子上的电压，该大电解槽典型地包括超过一百个电化学电池。
发明内容
本发明的一个目的在于避免不及时的安全停止。其他目的在于延长电化学电池的堆叠体的寿命，以及提出一种简单且成本低的系统。
为此，本发明的目的在于一种上述提及的类型的电气系统，其中，控制模块包括用于控制转换器的设定值的发生器以及用于将控制设定值传输给转换器的单元，电压比较器适于向传输单元传输信号；所述信号包括第一设定值和第二设定值，该第一设定值来自以下：传输设定值和用于当被比较的电压大于阈值电压时锁定(block)控制设定值的设定值，该第二设定值来自以下：当被比较的电压小于或等于阈值电压时用于控制设定值的传输设定值和锁定设定值，传输单元适于当其接收到传输设定值时将控制设定值传输给转换器，以及用于当其接收到锁定设定值时锁定该控制设定值。
根据本发明的具体实施例，上述电气系统还包括单独地或根据所有技术上可能的组合选取的以下特征中的一个或多个：
堆叠体的每个电化学电池属于组，通过电压比较器将每个电化学电池的电压与阈值电压进行比较；
电压比较器适用于将至少一个电化学电池的多个组中的每个组的端子上的电压和与该组相关联的阈值电压进行比较，以及适用于一旦被比较的电压之一小于或等于相关联的阈值电压就将第二设定值传输给传输单元；
与每个组相关联的阈值电压大体上等于与每个其他组相关联的阈值电压；
传输单元包括受电压比较器传输的信号控制的可控开关，该可控开关特别地为晶体管，例如光电晶体管或者具有金属氧化物栅极的场效应晶体管；
电压比较器适用于将堆叠体的每个电化学电池的端子上的电压和与该电化学电池相关联的阈值电压进行比较，以及用于一旦被比较的电压之一小于或等于相关联的阈值电压就将第二设定值传输给传输单元；
与每个电池相关联的阈值电压大体上等于与每个其他电池相关联的阈值电压；
对于堆叠体的每个电化学电池，电压比较器包括用于控制所述电池的端子上的电压的设备，以及电压调节设备，该电压调节设备与所述电池电连接以使控制设备测量该电池的端子上的电压，所测量的电压以调节设备的端子上的偏移电压降低。
对于堆叠体的每个电化学电池，电压比较器包括用于控制所述电池的端子上的电压的设备，以及电压调节设备，该电压调节设备与所述电池电连接以使控制设备测量电池的端子上的电压，所测量的电压以调节设备的端子上的偏移电压增大；
偏移电压是固定的；
调节设备是诸如二极管的无源设备；
调节设备通过第一端子电连接到堆叠体的连续电池的与要测量电压的电池公共的端子上，并且通过第二端子电连接到所述连续电池的另一端子上；
调节设备的第一端子与要测量电压的电池以及连续电池公共的端子直接电连接；
电阻被电插入在调节设备的第二端子和连续电池的连接所述第二端子的端子之间；
控制设备包括输入部，该输入部一方面连接到要测量电压的电池的端子上，另一方面连接到调节设备的第二端子上；
控制设备是有源光学元件；
控制设备包括用于构造被测量电压的图像的输出部，控制设备中的至少两个控制设备的输出部彼此串联电连接；
电气系统包括用于测量堆叠体的端子上的电压的电压传感器和用于检测堆叠体的故障的模块，该检测模块将电压传感器测量的电压和电压比较器向传输单元传输的信号作为输入；
检测模块被编程为将测量的电压与最大电压进行比较，以及当测量的电压大于最大电压时发出堆叠体故障信号，并且电压比较器向传输单元传输的信号包括锁定设定值；
电气系统包括用于测量流出堆叠体的电流的强度的电流传感器和用于检测堆叠体的故障的模块，该检测模块将电流传感器测量的强度和电压比较器向传输单元传输的信号作为输入；
检测模块被编程为将测量的强度与最小强度进行比较，以及当测量的强度小于最小强度时发出堆叠体故障信号，并且电压比较器向传输单元传输的信号包括锁定设定值。
本发明的目的还在于一种用于控制如上限定的电气系统的方法，该方法包括以下步骤：
将至少一个电化学电池的至少一个组的端子上的电压与阈值电压进行比较，当被比较的电压大于阈值电压时，转换器处于工作状态；
检测该被比较的电压的降低直至小于阈值电压的值；
停止转换器；
检测被比较的电压的升高直至大于阈值电压的值；以及
再启动转换器。
本发明的目的还在于一种用于控制如上限定的电气系统的方法，该方法包括以下步骤：
将至少一个电化学电池的至少一个组的端子上的电压与阈值电压进行比较，当被比较的电压小于阈值电压时，转换器处于工作状态；
检测被比较的电压的升高直至大于阈值电压的值；
停止转换器；
检测到被比较的电压的降低直至小于阈值电压的值；以及
再启动转换器。
附图说明
通过阅读以下仅作为示例并参照附图给出的说明，本发明的其他特征和优点将变得明显，在附图中：
图1为根据本发明的第一实施例的电连接到负载的电气系统的示意图，
图2为图1的电气系统的燃料电池的电化学电池的示意性剖视图，
图3为图1的电气系统的根据第一实施例的第一替代方案的电压比较器的详细示意图，
图4为根据第一实施例的第二替代方案的与图3的电压比较器类似的电压比较器的详细示图，
图5为图1的电气系统的电压比较器的示意图，
图6为图1的电气系统的替代方案的示意图，
图7为根据本发明的第二实施例的电连接到电源的电气系统的示意图，
图8为图7的电气系统的电解槽的电化学电池的示意性剖视图，
图9为图7的电气系统的电压比较器的详细示意图，以及
图10为图7的电气系统的电压比较器的示意图。
具体实施方式
图1中示出的电气系统1为用于产生电能的系统。该系统包括由电化学电池5的堆叠体3形成的燃料电池，其用于由氧化性流体和还原性流体生成电流；电压比较器7，其用于将燃料电池3的每个电池5的端子上的电压与阈值电压单独进行比较；电转换器9，其用于转换通过燃料电池3生成的电流；以及用于控制转换器9的模块11。电气系统1电连接到用于消耗系统1产生的电能的负载13。
图2中示出了燃料电池3的电池5。该电池5包括插入在阳极板18和阴极板22之间的膜电极组件16。
膜电极组件16包括夹在阳极28a和阴极28b之间的离子交换膜26。
膜26使阳极28a与阴极28b电绝缘。
膜26适于仅允许带电离子、优选地为阳离子穿过它。膜26通常为质子交换膜、适于仅允许质子穿过它。典型地，膜26为聚合材料。
阳极28a和阴极28b各包括用于促进反应的催化剂、典型地为铂或铂合金。
阳极板18界定了阳极管20，该阳极管用于使还原性气体沿阳极28a循环并与阳极相接触。为此，板18设置有在面对膜电极组件16的板面上制成的至少一个通道，该至少一个通道通过所述膜电极组件16封闭。阳极板18由导电材料、典型地为石墨形成。所使用的还原性气体为包括氢气的气体，例如纯氢气。
阴极板22界定了阴极管24，该阴极管用于使氧化性气体沿阴极28b循环并与阴极相接触。为此，板22设置有在面对膜电极组件16的板面上制成的至少一个通道，该至少一个通道通过所述膜电极组件16封闭。阴极板22由导电材料、典型地为石墨形成。所使用的氧化性气体为包括氧气的气体，例如纯氧气、空气或者氧气以及诸如氮气或二氧化碳之类的中性气体的重构混合物。
膜26使氧化性气体和还原性气体分离。膜26位于电池5的阳极板18和阴极板22之间并使其彼此电绝缘。
阳极28a与阳极板18电接触。阴极28b与阴极板22电接触。在燃料电池工作期间，还原性气体在阳极28a处发生氧化，诱导电子和质子的产生。然后，电子经由阳极板18向电池5的阴极28b或另一电池的阴极传输，以参与氧化性气体的还原。
因此，电池5包括两个电端子：负电端子和正电端子，负电端子由阳极板18形成，而正电端子由阴极板20形成。
电池5与其他类似的电池堆叠，每个电池的阳极板18与相邻电池的阴极板22相接触。因此，阳极板18和阴极板22确保电子从在一电池中循环的还原性气体向在另一电池中循环的氧化性气体转移。堆叠体的两个相邻电池的阳极板18和阴极板22优选地以相同的材料制成并且一起形成双极板。
电池5彼此串联电连接，以使堆叠体3的端子上的电压等于电池5的端子上的电压之和。
参见图3和图4，针对堆叠体3的每个电池5A，电压比较器7包括用于控制所述电池5A的端子上的电压的设备30。电压比较器还包括电压调节设备32，其布置成使得控制设备30测量电池5A的端子上的电压VA，该电压VA以固定的偏移电压ΔV增大。
在电池5A正常工作时，电压VA典型地介于0.5V和1.0V之间。偏移电压ΔV是调节设备32的端子上的电压。优选地，偏移电压ΔV大致等于0.3V。
控制设备30由有源光学设备(典型地为光耦合器)形成。控制设备包括输出部36以及与电池5A电连接的输入部34，输入部34用于测量控制设备的电压VA，输出部36用于构建测量电压VA的图像。输入部34和输出部36是电绝缘的。
输入部34包括发光二极管38，该发射二极管适于当其端子上的电压大于阈值电压Vmin时发出光子。在电池5A正常工作时，阈值电压Vmin小于电压VA和ΔV之和，以使得发光二极管38发出光子。典型地，阈值电压Vmin介于0.8V和1.2V之间。
输出部36包括光电晶体管40，其适配成处于封闭式配置，即当其基极41C接收到光子时，使其集电器41A及发射器41B彼此连接；以及适配成处于开放式配置，即当其基极41C没有接收到任何光子时，使其集电器41A及发射器41B彼此绝缘。
光电晶体管40与发光二极管38光学耦合。换言之，发光二极管38和光电晶体管40布置成使得二极管38发出的光子到达光电晶体管40的基极41C。因此，通过发光二极管38的状态来控制光电晶体管40从其开放式配置过渡到封闭式配置。
调节设备32为无源电气设备。特别地，调节设备32为二极管、典型地为肖特基二极管，该二极管是有利的，这是由于它不太贵并给出了固定的偏移电压，而且易于控制。该二极管被定向成允许电流从高电势区域通过到低电势区域。因此，在二极管正常工作时，调节设备32的端子上的电压(也为偏移电压ΔV)等于二极管的阈值电压。
调节设备32包括第一端子42，其电连接到堆叠体的与电池5A连续的电池5B的端子44上。换言之，第一端子42被连接到形成电池5A和5B之间的分隔的双极板上。第一端子42与电池5A、电池5B公共的端子44直接电连接，即端子42和端子44之间没有插入电气部件。
调节设备32还包括电连接到连续电池5B的其他端子48上的第二端子46。换言之，第二端子46电连接到电池5B的与电池5B和电池5A的接触面相对的板18、22上。电阻50插入在第二端子46和端子48之间，用于限制穿过调节设备32的电流强度。
控制设备30的输入部34一方面连接到调节设备32的第二端子46上，另一方面连接到电池5A的除公共端子44之外的端子52上。
在图3中示出的示例中，公共端子44是电池5A的具有最高电势的端子。然后，连续电池5B为堆叠体的上层电池。调节设备32被定向成使其端子42为其最低电势的端子。因此，输入部34的端子上的电压等于电压VA和ΔV之和。
在图4中示出的示例中，公共端子44是电池5A的具有最低电势的端子。然后，连续电池5B为堆叠体的下层电池。调节设备32被定向成使其端子42为其最高电势的端子。因此，输入部34的端子上的电压等于电压VA和ΔV之和。
因此，控制设备30测量电池5A的增加了偏移电压ΔV的电压VA，电压VA可以在控制设备30的输入部34的端子上的电压低于阈值电压Vmin之前在较宽的范围内变化。
参见图5，分别通过电压比较器7的控制设备30C、30D、30E、30F来测量燃料电池3的电池5C、5D、5E、5F的端子上的电压VC、VD、VE、VF。以和在图3和图4中示出的电池5A相同的方式，针对每个电池5C、5D、5E、5F分别设置调节设备32C、32D、32E、32F，使得相关联的控制设备30C、30D、30E、30F测量增加了偏移电压ΔV的电压VC、VD、VE、VF。
应该注意的是，出于附图的清晰度考虑，将所示出的燃料电池3的电池数量限制为四个，但是该数量是非限制性的，堆叠体3可以包括多于或少于四个电化学电池。优选地，堆叠体3包括大量的电化学电池，例如大于一百个。
阈值电压Vmin优选地针对所有控制设备30C、30D、30E、30F是大致相同的，并且偏移电压ΔV优选地对所有调节设备32C、32D、32E、32F是大致相同的。因此，对所有电池5C、5D、5E、5F而言，每个电池5C、5D、5E、5F的最小电压是大致相同的，相关联的光电晶体管40在低于该最小电压时打开。
对电池5D、5E、5F中的每一个而言，调节设备32D、32E、32F连接到其端子上的连续电池分别由上层连续电池5C、5D、5E形成。对于电池5C，调节设备32C连接到其端子上的连续电池由下层连续电池5D形成。
控制设备30C、30D、30E、30F的输出部36在正电势V+(典型地为5V)线60和输出线62之间彼此串联电连接。电阻64电插入在线62和参考电势V0线66之间。
因此，只要控制设备30C、30D、30E、30F的光电二极管40闭合，输出线62的电势就等于正电势V+。如果输出线62的电势变为参考电势V0，这标志着其中一个光电晶体管40断开，因而从堆叠体3中提取到过多的功率。
返回到图1，转换器9适用于将系统1产生的电能设置成被负载13消耗的形式。转换器9包括电连接到堆叠体3的端子上的直流(DC)输入部70以及电连接到负载13的端子上的定制的电流输出部72。在示出的示例中，转换器9是DC/AC转换器。可替换地，转换器9是DC/DC转换器。
转换器9受控制模块11的控制。
控制模块11包括控制设定值发生器74和用于将控制设定值传输给转换器9的传输单元76。
控制设定值发生器74被编程为生成转换器9的例如脉冲宽度调制类型的控制设定值，该控制设定值被适配成使得通过转换器的输出部72流出转换器9的电流适用于负载13。这种控制设定值发生器为本领域的技术人员所知。
传输单元76包括电线80，其将控制设定值发生器74的端子82电连接到转换器9的接收端子84。传输单元76还包括用于使电线80选择性断开或闭合的控制开关86。控制开关86典型地为晶体管，例如光电晶体管或者具有金属氧化物栅极的场效应晶体管。
电压比较器7适用于将控制开关86的控制信号传输给传输单元76，当每个电池5的端子上的电压大于电压Vmin-ΔV时，所述信号包括控制设定值的传输设定值；以及当电池5的端子上的一个电压小于或等于电压Vmin-ΔV时，所述信号包括控制设定值的锁定设定值，以使传输单元76在其接收到传输设定值时将控制设定值传输给转换器9，以及当其接收到锁定设定值时锁定该控制设定值。
为此，将电压比较器7的输出部62电连接到传输单元76。
特别地，在控制开关86为具有金属氧化物栅极的场效应晶体管的情况下，将电压比较器7的输出部62电连接到晶体管的栅极。在控制开关86为光电晶体管的情况下，将输出部62电连接到发光二极管(未示出)，该发光二极管适于在其端子上的电压大于阈值电压、小于正电势V+时发出光子，发光二极管与光电晶体管光耦接。
因此，当输出部62处于正电势V+时，开关86闭合，从而控制设定值被传输给转换器9，以及当输出部62处于参考电势V0时，开关86断开，从而不向转换器9传输控制设定值。
因此，通过输出部62传输给传输单元76的信号包括交替的正电势V+下的方波和参考电势V0下的方波，正电势V+下的每个方波形成控制设定值的传输设定值，而参考电势V0下的每个方波形成控制设定值的锁定设定值。
负载13例如为监视器或电气网络。
在图1中示出的替代方案中，电气系统1还包括电压传感器90，用于测量燃料电池3的端子上的电压，以及用于检测燃料电池3的故障的模块92。
检测模块92将通过电压传感器90测量的电压和电压比较器7向传输单元76传输的信号作为输入。检测模块被编程为将测量的电压与最大电压进行比较，以及当测量的电压大于最大电压时发出燃料电池3的故障信号，并且电压比较器7向传输单元76传输的信号包括锁定设定值。典型地，该故障信号被传输给应急停止模块(未示出)，该应急停止模块适于在接收到故障信号后、或者在用于呈现信息的设备(未示出)给用户通知故障后使电气系统1停止工作。
在图6中示出的替代方案中，电气系统1包括用于测量流出燃料电池3的电流的强度的电流传感器94，以及用于检测燃料电池3的故障的模块96。
检测模块96将通过电流传感器94测量的强度和电压比较器7向传输单元76传输的信号作为输入。检测模块被编程为将测量的强度与最小强度进行比较，以及当测量的强度小于最小强度时发出燃料电池3的故障信号，并且电压比较器7向传输单元76传输的信号包括锁定设定值。典型地，将该故障信号传输给应急停止模块(未示出)，该应急停止模块适于在接收到故障信号后、或者在用于呈现信息的设备(未示出)给用户通知故障后使电气系统1停止工作。
现在将参见图1和图6对用于控制电气系统1的方法进行描述。
首先，将电气系统1设定为工作。为此，给燃料电池3提供氧化性流体和还原性流体，通过设定值发生器74生成控制设定值以使转换器9的输出电流适用于负载13。在燃料电池3的每个电池5中发生的氧化还原反应的作用下，在电池的端子之间建立大于Vmin-ΔV的电势差。然后，电压比较器7的全部光电晶体管36闭合，以使电压比较器7的输出信号包括传输设定值。然后，开关86闭合，以使控制设定值被传输给转换器9，转换器9因此开始工作。
在任何时刻，燃料电池3的其中一个电池5的端子上通过的电压低于值Vmin-ΔV。通过使与所述电池5相关联的光电晶体管40断开来检测该电压降，该断开操作导致将电压比较器7的输出部62切换到参考电势V0。电压比较器7的输出信号然后包括锁定设定值。因此，开关86断开，并且停止将控制设定值传输给转换器9，转换器9因此停止工作。
转换器9被停止，因而没有更多的能量施加在堆叠体3上。尽管如此，还是继续给堆叠体3提供氧化还原流体，电池5的端子上的电压升高以使所有的电压值回到值Vmin-ΔV以上。通过使断开的光电晶体管40闭合来检测该电压升高，该导通操作导致将电压比较7的输出部62切换到正电势V+。同时使开关86闭合，并且控制设定值再一次被传输到转换器9，转换器9因此重新启动。
应该注意的是，在使转换器9停止后，电池5的端子上的电压可以很快升高以使转换器9的停止仅持续几分之一秒。因此，不会看到电气系统1给负载13提供的电力的任何中断，而仅仅看到电气系统1可以给负载13提供的电力有限。
通过以上所描述的本发明，避免了电气系统1的不及时的安全止动。通过电气系统1分配的电力根据燃料电池3的性能很容易受到限制。
此外，燃料电池3可以以其最大能力得到利用，而不进入会加速电化学电池5的老化的工作范围中。甚至可以在燃料电池3的寿命截止时从其有限的能力中获取益处，然而这些有限的能力会在现有技术的生产系统中造成多次不及时的停止，从而使得堆叠体不可利用。
此外，电气系统1易于生产且成本较低。
最后，尽管对电压比较器的进行了不同的使用，但是相比较现有技术的生产系统而言，仍然需要对燃料电池3的故障进行监视，这给出了必要时必须使电气系统1停止的可能性。
图7中示出的电气系统100为电解系统。该电解系统包括由电化学电池105的堆叠体103形成的电解槽，其用于通过电解水生成氧气和氢气；电压比较器107，其用于将电解槽103的每个电池105的端子上的电压与阈值电压分别进行比较；电转换器109，其用于转换来自电解槽103的电流；以及用于控制转换器109的模块111。电气系统100电连接到用于产生被系统100消耗的电能的电源113。
图8中示出了电解槽103的电池105。该电池105包括插入在阳极板118和阴极板122之间的膜电极组件116。
膜电极组件116包括夹在阳极128a和阴极128b之间的离子交换膜126。
膜126使阳极128a与阴极128b电绝缘。
膜126适配成仅允许带电离子、优选地为阳离子穿过它。膜126通常为质子交换膜、适于仅允许质子穿过它。典型地，膜126为聚合材料。
阳极128a和阴极128b被定位在膜126的相对面上。阳极128a和阴极128b各自由包括用于促进反应的催化剂、典型地为铂或铂合金的多孔介质形成。
阳极板118利用膜电极组件16来界定用于使待电解的水循环并收集电解反应所产生的氧气的阳极隔室120。该阳极隔室120沿膜126的支承阳极128a的面延伸。
阳极隔室120包含多孔基质121。优选地，如图所示，多孔基质121具有与阳极隔室120大致匹配的形状。
阳极板118由导电材料形成、典型地为钛。
阴极板122利用膜电极组件116来界定用于收集来自电解反应的氢气的阴极隔室124。该阴极隔室124沿膜126的支承阴极128b的面延伸。
阴极隔室124包含多孔基质125。优选地，如图所示，多孔基质125具有与阴极隔室124大致匹配的形状。
阴极板122由导电材料形成、典型地为钛。
膜126将电解反应产生的氧气与氢气分隔开。膜126位于电池105的阳极板118和阴极板122之间并使它们彼此电绝缘。
阳极128a与阳极板118电接触。阴极128b与阴极板122电接触。在电解槽3工作期间，在阳极板118和阴极板122之间施加的电势差的作用下，在阳极128a处发生水的电解。从而，形成的氧离子向阳极板释放电子，以使得形成氧气，同时氢离子通穿过膜126迁移到阴极隔室124中，在阴极隔室中，氢离子吸收电子而结合形成氢气。
电池105与其他类似的电池堆叠在一起，每个电池的阳极板118与相邻电池的阴极板122相接触。因此，阳极板118和阴极板122确保来自在另一电池的阳极隔室124中收集的氧离子的离子的转移。堆叠体的两个相邻电池的阳极板118和阴极板122优选地以相同的材料制成并且一起形成双极板。
电池105彼此串联电连接，以使该堆叠体103的端子上的电压等于电池105的端子上的电压之和。
参见图9，针对电解槽103的每个电池105，电压比较器107包括用于控制所述电池105的端子上的电压的设备130。电压比较器107还包括电压调节设备132，其布置成使控制设备130测量电池105的端子上的降低了固定的偏移电压ΔV的电压V。
在电池105正常工作时，电压V典型地介于0.5V和1.0V之间。偏移电压ΔV是调节设备132的端子上的电压。优选地，偏移电压ΔV介于0.3V和1V之间。
控制设备130由有源光学设备(典型地为光耦合器)形成。控制设备130包括电连接到电池105的输入部134以及输出部136，输入部134用于测量控制设备的电压V，输出部136用于构建测量电压V的图像。输入部134和输出部136是电绝缘的。
输入部134包括发光二极管138，该发光二极管适用于当其端子上的电压大于阈值电压Vmin时发出光子。在电池105正常工作时，阈值电压Vmin大于电压V和ΔV之差，以使得发光二极管138不发出任何光子。典型地，阈值电压Vmin介于0.8V和1.2V之间。
输出部136包括光电晶体管140，其适配成处于封闭式配置，即当其基极141C接收到光子时，将其集电器141A及发射器141B彼此电连接，以及适配成处于开放式配置，即当其基极141C没有接收到任何光子时，使其集电器141A及发射器141B相对于彼此电绝缘。
光电晶体管140与发光二极管138光学耦合。换言之，发光二极管138和光电晶体管140布置成使得二极管138发出的光子到达光电晶体管140的基极141C。因此，通过发光二极管138的状态来控制光电晶体管140从其开放式配置过渡到封闭式配置。
调节设备132为无源电气设备。特别地，调节设备132为二极管、典型地为肖特基二极管，该二极管是有利的，这是由于它不太贵且给出了固定的偏移电压，并且易于控制。该二极管被定向成允许电流从高电势区域通过到低电势区域。因此，在二极管正常工作时，调节设备132的端子上的电压(也为偏移电压ΔV)等于二极管的阈值电压。
调节设备132包括第一端子142，其电连接到控制设备130的输入部134的端子144上。第一端子142与端子144直接电连接，即端子142和端子144之间没有插入电气部件。控制设备130的输入部134的另一端子145与电池105的低电势端子147直接电连接。
调节设备132还包括电连接到电池105的高电势端子148上的第二端子146。换言之，第二端子146电连接到电池105的阳极板118上。电阻150插入在第二端子146和端子148之间，以限制穿过调节设备132的电流强度。
从而，控制设备130测量电池105的电压V下降了偏移电压ΔV，电压V可以在控制设备130的输入部134的端子上的电压高于阈值电压Vmin之前在较宽的范围内变化。
参见图10，分别通过电压比较器107的控制设备130A、130B、130C来测量电解槽103的电池105A、105B、105C的端子上的电压V'、V”、V”'。以与图9中示出的电池105相同的方式，针对每个电池105A、105B、105C分别设置调节设备132A、132B、132C，使得相关联的控制设备130A、130B、130C测量下降了偏移电压ΔV的电压V'、V”、V”'。
应该注意的是，为了使附图清晰，将所示出的电解槽103的电池数限制为三个，但是该数量是非限制性的，电解槽103可以包括多于或少于三个电化学电池。优选地，电解槽103包括大量的电化学电池，例如大于一百个。
阈值电压Vmin优选地对于所有控制设备130A、130B、130C而言是大致相同的，并且偏移电压ΔV优选地对所有调节设备132A、132B、132C而言是大致相同的。因此，对所有电池105A、105B、105C而言，相关联的光电晶体管140断开时每个电池105A、105B、105C的最大电压是大致相同的。
控制设备130A、130B、130C的输出部136在正电势V+(典型地为5V)线160和中间线162之间彼此并联连接。电阻164电插入在线162和线165之间，具有参考电势V0。
因此，只要控制设备130A、130B、130C的光电晶体管140断开，中间线162的电势就等于参考电势V0。如果中间线162的电势切换到正电势V+，这标志着其中一个晶体管40闭合，因而向电解槽103施加了过多的功率。
又参见图10，电压比较器7还包括电压转换器166，其电插入在中间线和输出线167之间以在其输出线167上相对于中间线162的电压提供反向电压。
为此，电压转换器166包括晶体管168，该晶体管的基极电连接到中间线162，发射器电连接到线165，而集电器电连接到输出线167，还经由电阻169连接到线160。因此，当中间线162处于参考电势V0时，晶体管168断开，输出线167因此处于正电势V+，并且当中间线162处于正电势V+时，晶体管168闭合，输出线167因此处于参考电势V0。
回到图7，转换器109适配成通过系统100的消耗对电源113产生的电能进行定制。转换器109包括输入部170，用于电连接到电源113的端子上的交流电，以及电连接到电解槽103的端子上的直流电输出部172。在示出的示例中，转换器109是AC/DC转换器的示意实例。可替换地，转换器109是DC/DC转换器。
转换器109受控制模块111控制。
控制模块111包括控制设定值的发生器174和用于将控制设定值传输给转换器109的传输单元176。
控制设定值发生器174被编程为生成转换器109的例如脉冲宽度调制类型的控制设定值，该控制设定值被适配成使得流出转换器109通过其输出部172的电流适用于电解槽103。这种控制设定值发生器为本领域的技术人员所知。
传输单元176包括电线180，其将控制设定值发生器174的输出端子182电连接到转换器109的接收端子184。传输单元176还包括用于使电线180选择性断开或闭合的可控开关186。可控开关186典型地为晶体管、例如光电晶体管或者具有金属氧化物栅极的场效应晶体管。
电压比较器107适于用将可控开关186的控制信号传输给传输单元176，当每个电池105的端子上的电压小于电压Vmin+ΔV时，所述信号包括控制设定值的传输设定值；以及当电池105的端子上的一个电压大于或等于电压Vmin+ΔV时，所述信号包括控制设定值的锁定设定值，以使传输单元176在其接收到传输设定值时将控制设定值传输给转换器109，以及当其接收到锁定设定值时锁定该控制设定值。
为此，将电压比较器107的输出部167电连接到传输单元176。
特别地，在控制开关186为有金属氧化物栅极的场效应晶体管的情况下，将电压比较器107的输出部162电连接到晶体管的栅极。在控制开关186为光电晶体管的情况下，将输出部162电连接到发光二极管(未示出)，该发光二极管适用于在其端子上的电压大于阈值电压、小于正电势V+时发出光子，发光二极管与光电晶体管光耦接。
因此，当输出部167处于正电势V+时，开关186闭合，从而控制设定值被传输给转换器109，以及当输出部162处于参考电势V0时，开关186断开，从而不向转换器109传输控制设定值。
因此，通过输出部162传输给传输单元176的信号包括交替的正电势V+下的方波和参考电势V0下的方波，正电势V+下的每个方波形成控制设定值的传输设定值，而参考电势V0下的每个方波形成控制设定值的锁定设定值。
电源113例如为监视器或电气网络。
现在将参见图7对用于控制电气系统100的方法进行描述。
首先，将电气系统100设定为工作。为此，给电解槽103提供水，并通过设定值发生器174生成控制设定值，以使转换器109的输出电流适用于电解槽103。在电源113所提供的电流的作用下，在每个电池105的端子之间建立小于Vmin+ΔV的电势差。然后，电压比较器107的全部光电晶体管136断开，以使电压比较器107的输出信号包括传输设定值。因此，开关186闭合以使控制设定值传输到转换器109，从而转换器9开始工作。
在任何时刻，电解槽103的电池105之一的端子上的电压高于值Vmin+ΔV。通过使与所述电池105相关联的光电晶体管140闭合来检测该电压升高，这导致将电压比较器107的输出部167切换到参考电势V0。
电压比较器107的输出信号然后包括锁定设定值。因此，开关186断开，从而停止将控制设定值传输给转换器109，转换器9因此停止工作。
转换器109被停止，因而不再有任何能量施加在电解槽103上。尽管如此，继续给电解槽103提供水，电池105的端子上的电压下降以使所有的电压值回到值Vmin+ΔV以下。通过使闭合的光电晶体管140断开来检测该电压降，这导致将电压比较器107的输出部167切换到正电势V+。再一次闭合开关186，从而控制设定值再一次被传输到转换器109，转换器9因此重新启动。
应该注意的是，在转换器109停止工作后，电池105的端子上的电压会很快下降，以使转换器109的停止总体上仅持续几分之一秒。因此，电源113不会看到电气系统100对负载的提供的中断，而是仅仅看到电气系统100可以吸收的电力受到限制。
通过该第二实施例，电解槽103可以以其最大能力得到利用，而不会进入加速电化学电池105的老化的工作范围中。
此外，电气系统100易于生产且成本较低。

Claims (13)

1.一种电气系统(1，100)，包括：
电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F，105，105A，105B，105C)的堆叠体(3，103)，所述电化学电池彼此串联电连接以使所述堆叠体(3，103)的端子上的电压等于所述电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F，105，105A，105B，105C)的端子上的电压之和，
电转换器(9，109)，与所述堆叠体(3，103)的端子电连接，
电压比较器(7，107)，用于将所述堆叠体(3，103)的至少一个电化学电池(5，105)的至少一个组的端子上的电压与阈值电压进行比较，以及
模块(11，111)，用于控制所述转换器(9，109)，
其特征在于，控制模块(11，111)包括所述转换器(9，109)的控制设定值的发生器(74，174)以及将所述控制设定值传输到所述转换器(9，109)的传输单元(76，176)，所述电压比较器(7，107)适用于向所述传输单元(76，176)传输信号，所述信号包括第一设定值和第二设定值，
所述第一设定值来自以下：传输设定值和用于当被比较的电压大于所述阈值电压时锁定所述控制设定值的设定值；所述第二设定值来自以下：当被比较的电压小于或等于所述阈值电压时用于所述控制设定值的传输设定值和锁定设定值，
所述传输单元(76，176)适用于当其接收到所述传输设定值时将所述控制设定值传输给所述转换器(9，109)，以及用于当其接收到所述锁定设定值时锁定所述控制设定值。
2.根据权利要求1所述的电气系统(1，100)，其中，所述堆叠体(3，103)的每个电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F，105，105A，105B，105C)属于组，对于该组通过所述电压比较器(7，107)进行电压与阈值电压的比较。
3.根据权利要求1或2所述的电气系统(1，100)，其中，所述电压比较器(7，107)适用于将至少一个电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F，105，105A，105B，105C)的多个组中的每个组的端子上的电压和与该组相关联的阈值电压进行比较，以及适用于一旦被比较的电压之一小于或等于相关联的所述阈值电压就将所述第二设定值传输给所述传输单元(76，176)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电气系统(1，100)，其中，所述传输单元(76，176)包括受所述电压比较器(7，107)传输的信号控制的可控开关(86，186)，所述可控开关特别地为晶体管，例如光电晶体管或者具有金属氧化物栅极的场效应晶体管。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电气系统(1，100)，其中，所述电压比较器(7，107)适用于将所述堆叠体(3，103)的每个电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F，105，105A，105B，105C)的端子上的电压和与该电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F，105，105A，105B，105C)相关联的所述阈值电压进行比较，以及用于一旦被比较的电压之一小于或等于相关联的所述阈值电压就将所述第二设定值传输给所述传输单元(76，176)。
6.根据权利要求5所述的电气系统(100)，其中，对于所述堆叠体(3)的每个电化学电池(105，105A，105B，105C)，所述电压比较器(107)包括用于控制所述电池(105，105A，105B，105C)的端子上的电压的设备(130，130A，130B，130C)，以及电压调节设备(132A，132B，132C)；所述电压调节设备(132A，132B，132C)与所述电池(105，105A，105B，105C)电连接以使所述控制设备(130，130A，130B，130C)测量所述电池(105，105A，105B，105C)的端子上的电压，所测量的该电压以所述调节设备(132，132A，132B，132C)的端子上的偏移电压降低。
7.根据权利要求5所述的电气系统(1)，其中，对于所述堆叠体(3)的每个电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F)，所述电压比较器(7)包括用于控制所述电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F)的端子上的电压的设备(30，30C，30D，30E，30F)，以及电压调节设备(32，32C，32D，32E，32F)；所述电压调节设备(32，32C，32D，32E，32F)与所述电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F)电连接以使所述控制设备(30，30C，30D，30E，30F)测量所述电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F)的端子上的电压，所测量的电压以所述调节设备(32，32C，32D，32E，32F)的端子上的偏移电压增大。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电气系统(1)，包括用于测量所述堆叠体(3)的端子上的电压的电压传感器(90)以及用于检测所述堆叠体(3)的故障的模块(92)，检测模块(92)将所述电压传感器(90)测量的电压和所述电压比较器(7)向所述传输单元(76)传输的信号作为输入。
9.根据权利要求8所述的电气系统(1)，其中，所述检测模块(92)被编程为将测量的电压与最大电压进行比较，以及当所述测量的电压大于所述最大电压时发出所述堆叠体(3)的故障信号，并且所述电压比较器(7)向所述传输单元(76)传输的信号包括锁定设定值。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的电气系统(1)，包括用于测量流出所述堆叠体(3)的电流的强度的电流传感器(94)以及用于检测所述堆叠体(3)的故障的模块(96)，检测模块(96)将所述电流传感器(94)测量的强度和所述电压比较器(7)向所述传输单元(76)传输的信号作为输入。
11.根据权利要求10所述的电气系统(1)，其中，所述检测模块(96)被编程为将测量的强度与最小强度进行比较，以及当所述测量的强度小于所述最小强度时发出所述堆叠体(3)的故障信号，并且所述电压比较器(7)向所述传输单元(76)传输的信号包括所述锁定设定值。
12.一种用于控制根据前述权利要求中任一项所述的电气系统(1)的方法，该方法包括以下连续步骤：
将至少一个电化学电池(5，5A，5B，5C，5D，5E，5F)的至少一个组的端子上的电压与阈值电压进行比较，当被比较的电压大于所述阈值电压时，转换器(9)处于工作状态；
检测所述被比较的电压的降低直至小于所述阈值电压的值；
停止所述转换器(9)；
检测所述被比较的电压的升高直至大于所述阈值电压的值；以及
再启动所述转换器(9)。
13.一种用于控制根据权利要求1至6中任一项所述的电气系统(100)的方法，该方法包括以下连续步骤：
将至少一个电化学电池(105，105A，105B，105C)的至少一个组的端子上的电压与阈值电压进行比较，当被比较的电压小于所述阈值电压时，转换器(9)处于工作状态，
检测所述被比较的电压的升高直至大于所述阈值电压的值；
停止所述转换器(109)；
检测所述被比较的电压的降低直至小于所述阈值电压的值；以及
再启动所述转换器(109)。
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