CN113364108A - 一种空间氢氧燃料电池混合能源系统 - Google Patents

一种空间氢氧燃料电池混合能源系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113364108A
CN113364108A CN202110624093.5A CN202110624093A CN113364108A CN 113364108 A CN113364108 A CN 113364108A CN 202110624093 A CN202110624093 A CN 202110624093A CN 113364108 A CN113364108 A CN 113364108A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
converter
lithium ion
output
battery pack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110624093.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113364108B (zh
Inventor
陈海涛
丁帅
邓呈维
徐墨尘
顾伟伟
王磊
杨梓威
苗伟童
王雨琛
黄军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Space Power Sources
Original Assignee
Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Space Power Sources filed Critical Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority to CN202110624093.5A priority Critical patent/CN113364108B/zh
Publication of CN113364108A publication Critical patent/CN113364108A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113364108B publication Critical patent/CN113364108B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/106—Parallel operation of dc sources for load balancing, symmetrisation, or sharing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/109—Scheduling or re-scheduling the operation of the DC sources in a particular order, e.g. connecting or disconnecting the sources in sequential, alternating or in subsets, to meet a given demand
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/30—The power source being a fuel cell

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

本发明提供一种空间氢氧燃料电池混合能源系统，包括燃料电池、DC/DC变换器和锂离子蓄电池组；燃料电池的输出端与DC/DC变换器的输入端连接，DC/DC变换器的输出端与负载连接；燃料电池用于采用氢气、氧气为原料产生电能；DC/DC变换器用于调控燃料电池输出给负载的电能；DC/DC变换器的输出端还与锂离子蓄电池组连接，当负载的能量需求高于然料电池的电能输出时，锂离子蓄电池组向负载提供必要的峰值功率输出，当负载的能量需求低于然料电池的电能输出时，锂离子蓄电池组接受DC/DC变换器输出的电能进行充电。本发明能够实现空间燃料电池混合能源系统1kW@48h电源输出，具有生成物清洁无污染、高能量密度等特点。

Description

一种空间氢氧燃料电池混合能源系统
技术领域
本发明涉及空间燃料电池技术领域，特别涉及一种空间氢氧燃料电池混合能源系统。
背景技术
随着航天探测及载人航天任务的不断发展，对空间电源技术提出了更高的性能需求。燃料电池技术作为一项非常重要的空间电源技术，可以直接将燃料和氧化剂中所蕴含的化学能以电化学方式转化为电能。氢氧燃料电池使用纯氢和纯氧为反应物，其产物只有水和热能，其可与航天器中的电力系统、推进剂系统等有效兼容，在空间工程中具有很好的应用前景。
在地面用氢空燃料电池电源系统有部分研究及应用，而空间用氢氧燃料电池混合能源系统国际上研究较少，空间更无应用。本发明针对空间应用需求，提供一种空间燃料电池混合能源系统设计方案。
发明内容
本发明的目的在于提供本发明的目的在于提供一种空间氢氧燃料电池混合能源系统，由于燃料电池具有输出特性软、动态响应慢、不能回收电能等特点，必须选择其他辅助供电装置(锂离子蓄电池组、DC/DC变换器)，与燃料电池一起构成混合能源系统共同为负载供电，以解决空间航天器短期高能量密度供电问题。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种空间氢氧燃料电池混合能源系统，包括燃料电池、DC/DC变换器和锂离子蓄电池组；
所述燃料电池的输出端与所述DC/DC变换器的输入端连接，所述DC/DC变换器的输出端与至少一个负载连接；
所述燃料电池用于采用氢气、氧气为原料产生电能；
所述DC/DC变换器用于调控所述燃料电池输出给所述负载的电能；
所述DC/DC变换器的输出端还与所述锂离子蓄电池组连接，当所述负载的能量需求高于所述然料电池的电能输出时，所述锂离子蓄电池组向所述负载提供必要的峰值功率输出，当所述负载的能量需求低于所述然料电池的电能输出时，所述锂离子蓄电池组接受所述DC/DC变换器输出的电能进行充电，所述锂离子蓄电池组还用于所述燃料电池启动供电。
进一步的，所述DC/DC变换器的输出端通过不调节母线与至少一个所述负载连接。
进一步的，所述燃料电池的输出电压范围为47V～66V，所述DC/DC变换器的输出电压范围为26V～33V。
进一步的，所述锂离子蓄电池组的总容量为8Ah。
进一步的，所述锂离子蓄电池组由4Ah锂离子蓄电池单体2并8串组成。
进一步的，所述燃料电池采用抗辐射加固定制产品，型号为HOPEMFC-1，所述DC/DC变换器采用抗辐射加固定制产品，型号为HODCDC-1，所述锂离子蓄电池组中锂电池单体型号为Inp4。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的空间氢氧燃料电池混合能源系统，由燃料电池产生电能，通过DC/DC变换器调控燃料电池输出，锂离子蓄电池组主要为混合能源系统提供必要的峰值功率输出，同时当负载正常工作且燃料电池输出功率富余时，接受充电。对所使用的元器件进行严格选型，并进行严格筛选，可用于空间强电磁辐射干扰环境。
进一步地，所述的空间氢氧燃料电池混合能源系统，通过DC/DC变换器将燃料电池的输出电压和不调节母线解耦，很好地解决了燃料电池输出电压受功率变化影响较大的缺点。燃料电池的输出也与不调节母线形成了隔离，更有利于对燃料电池的优化和控制。
进一步地，所述的空间氢氧燃料电池混合能源系统可以满足输出功率大于1kW@48小时的航天器供电问题。
本发明提供的空间氢氧燃料电池混合能源系统，能够满足空间航天器26V-33V负载供电需求。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的空间氢氧燃料电池混合能源系统的结构示意图；
图2为本发明中燃料电池工作原理示意图；
图3为本发明中DC/DC变换器的电路拓扑架构图；
图4为本发明中锂离子蓄电池组的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
本发明提供的空间氢氧燃料电池混合能源系统适用于空间环境，具体适用于高、低轨(包括程控轨道)等航天器平台。图1示出了本发明一实施例提供的空间氢氧燃料电池混合能源系统，包括燃料电池100、DC/DC变换器200和锂离子蓄电池组300；所述燃料电池100的输出端与所述DC/DC变换器200的输入端连接，所述DC/DC变换器200的输出端与至少一个负载400连接；所述燃料电池100用于采用氢气、氧气为原料产生电能；所述DC/DC变换器200用于调控所述燃料电池100输出给所述负载400的电能；所述DC/DC变换器200的输出端还与所述锂离子蓄电池组300连接，当所述负载400的能量需求高于所述然料电池100的电能输出时，所述锂离子蓄电池组300向所述负载400提供必要的峰值功率输出，当所述负载400的能量需求低于所述然料电池100的电能输出时，所述锂离子蓄电池组300接受所述DC/DC变换器200输出的电能进行充电，所述锂离子蓄电池组还用于所述燃料电池启动供电。本发明采用DCDC变换器和锂离子蓄电池组作为辅助供电装置，与燃料电池一起构成混合能源系统共同为负载供电，解决了空间航天器短期高能量密度供电问题。
如图2所示，本发明中燃料电池100工作过程如下：将氢、氧化学能按照电化学原理直接转化为电能，氢、氧分别进入电池的阳极和阴极，氢在阳极催化剂作用下离解为氢离子和电子，氢离子通过电解质膜迁移至阴极，电子通过外电路对负载做功后进入阴极，在阴极催化剂作用下，氧气和氢离子、电子反应后生成水。生成的水需及时排出电极，才能维持电池稳定工作。电池反应如下：
阳极：H2→2H++2e
阴极：1/2O2+2H++2e→H2O
总反应：H2+1/2O2→H2O(标准电动势为1.23V)。
如图3所示，本发明中DC-DC变换器200实现为燃料电池100经DC/DC变换器200后为负载400供电，可通过控制DC/DC变换器200的输出功率直接调节燃料电池100的输出，实现能量管理，并可对燃料电池100进行有效保护。所述DC/DC变换器200的输出端通过不调节母线与至少一个所述负载400连接。所述DC/DC变换器200实现了将燃料电池100的电压范围47V～66V变换为不调节母线的电压范围26V～33V。由此，在燃料电池100与负载400之间设置DC-DC变换器200，可以将燃料电池100的输出电压和负载400的不调节母线解耦，以解决燃料电池1000的输出电压受负载400功率变化影响较大的问题。同时DC-DC变换器200也实现了燃料电池100的输出与不调节母线的隔离，更有利于对燃料电池100的优化和控制。
如图4所示，本发明中锂离子蓄电池组300主要为燃料电池系统提供必要的峰值功率输出，同时当负载1400正常工作且燃料电池100输出功率富余时，接受系统充电。本实施例中，锂离子蓄电池组300的总容量8Ah，由4Ah锂离子蓄电池单体2并8串组成。此外，所述锂离子蓄电池组300还用于所述燃料电池100启动供电，具体实现过程可参考现有技术，在此不做赘述。
本发明对所使用的元器件进行严格选型，并进行严格筛选。所述燃料电池采用抗辐射加固定制产品，型号为HOPEMFC-1，所述DC/DC变换器采用抗辐射加固定制产品，型号为HODCDC-1，所述锂离子蓄电池组中锂电池单体型号为Inp4。由此，本发明提供的空间氢氧燃料电池混合能源系统能够用于空间强电磁辐射干扰环境。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种空间氢氧燃料电池混合能源系统，其特征在于，包括燃料电池、DC/DC变换器和锂离子蓄电池组；
所述燃料电池的输出端与所述DC/DC变换器的输入端连接，所述DC/DC变换器的输出端与至少一个负载连接；
所述燃料电池用于采用氢气、氧气为原料产生电能；
所述DC/DC变换器用于调控所述燃料电池输出给所述负载的电能；
所述DC/DC变换器的输出端还与所述锂离子蓄电池组连接，当所述负载的能量需求高于所述然料电池的电能输出时，所述锂离子蓄电池组向所述负载提供必要的峰值功率输出，当所述负载的能量需求低于所述然料电池的电能输出时，所述锂离子蓄电池组接受所述DC/DC变换器输出的电能进行充电，所述锂离子蓄电池组还用于所述燃料电池启动供电。
2.如权利要求1所述的空间氢氧燃料电池混合能源系统，其特征在于，所述DC/DC变换器的输出端通过不调节母线与至少一个所述负载连接。
3.如权利要求1所述的空间氢氧燃料电池混合能源系统，其特征在于，所述燃料电池的输出电压范围为47V～66V，所述DC/DC变换器的输出电压范围为26V～33V。
4.如权利要求1所述的空间氢氧燃料电池混合能源系统，其特征在于，所述锂离子蓄电池组的总容量为8Ah。
5.如权利要求4所述的空间氢氧燃料电池混合能源系统，其特征在于，所述锂离子蓄电池组由4Ah锂离子蓄电池单体2并8串组成。
6.如权利要求1所述的空间氢氧燃料电池混合能源系统，其特征在于，所述燃料电池采用抗辐射加固定制产品，型号为HOPEMFC-1，所述DC/DC变换器采用抗辐射加固定制产品，型号为HODCDC-1，所述锂离子蓄电池组中锂电池单体型号为Inp4。
CN202110624093.5A 2021-06-04 2021-06-04 一种空间氢氧燃料电池混合能源系统 Active CN113364108B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110624093.5A CN113364108B (zh) 2021-06-04 2021-06-04 一种空间氢氧燃料电池混合能源系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110624093.5A CN113364108B (zh) 2021-06-04 2021-06-04 一种空间氢氧燃料电池混合能源系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113364108A true CN113364108A (zh) 2021-09-07
CN113364108B CN113364108B (zh) 2023-08-25

Family

ID=77532154

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110624093.5A Active CN113364108B (zh) 2021-06-04 2021-06-04 一种空间氢氧燃料电池混合能源系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113364108B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103170928A (zh) * 2013-03-04 2013-06-26 中国科学院长春应用化学研究所 用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
CN103367782A (zh) * 2013-07-04 2013-10-23 西安交通大学 高电压离子交换膜燃料电池
CN106741984A (zh) * 2017-01-03 2017-05-31 南京航空航天大学 一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法
CN110988698A (zh) * 2019-12-30 2020-04-10 广东爱德曼氢能源装备有限公司 一种新型的燃料电池测试系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103170928A (zh) * 2013-03-04 2013-06-26 中国科学院长春应用化学研究所 用于质子交换膜燃料电池膜电极成型的夹具及质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法
CN103367782A (zh) * 2013-07-04 2013-10-23 西安交通大学 高电压离子交换膜燃料电池
CN106741984A (zh) * 2017-01-03 2017-05-31 南京航空航天大学 一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法
CN110988698A (zh) * 2019-12-30 2020-04-10 广东爱德曼氢能源装备有限公司 一种新型的燃料电池测试系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘健等: "一种空间燃料电池电源系统设计与实现", 《中国空间科学技术》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113364108B (zh) 2023-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Khaled et al. Optimal energy harvesting from serially connected microbial fuel cells
EP2566004B1 (en) Photovoltaic powered system with adaptive power control and method of operating the same
US20070269692A1 (en) Fuel Cell Apparatus and a Charging/Discharging Management System and Method Using Such Apparatus
Chen et al. Hybrid energy storage system for unmanned aerial vehicle (UAV)
CN111614089B (zh) 一种基于模型预测控制的电氢耦合系统功率调控方法
US8427097B2 (en) Hybrid electrical power source
CN115882515A (zh) 协同多类型电解制氢与储能电池的微电网系统及运行方法
CN113098049B (zh) 一种基于下垂控制的航天器电源系统
CN112242698B (zh) 一种百千瓦级航天器全调节电源系统
JP2011008967A (ja) 太陽電池複合リチウム電池モジュール
CN111414036B (zh) 一种卫星用电源系统mppt控制装置及方法
CN113364108A (zh) 一种空间氢氧燃料电池混合能源系统
CN112152257B (zh) 一种分布式能源系统及其控制方法
CN112152258B (zh) 一种分布式能源系统的能源控制方法及装置
Rahman et al. Mathematical modeling of an oscillation criteria based on second order linear difference equations using fuel cell system for electric vehicle
Wang et al. Studies of multi-type composite energy storage for the photovoltaic generation system in a micro-grid
CN111180761A (zh) 车载燃料电池关机时残余能量释放方法
Reynaud et al. A novel distributed photovoltaic power architecture using advanced Li-ion batteries
Han et al. Design of storage system for a hybrid renewable power system
Manhas et al. Power management of PV, BESS and fuel cell based hybrid power system
CN219191980U (zh) 一种铅酸与锂电混合使用的电池系统
Adeleke et al. Vanadium Redox & Lithium Ion Based Multi-Battery Hybrid Energy Storage System for Microgrid
US20070166576A1 (en) Fuel cell power generation control methodology and the applications thereof
Becherif et al. Passivity-based control and sliding mode control applied to electric vehicles based on fuel cells, supercapacitors and batteries on the dc link
US20080096066A1 (en) Power-supply unit

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant