CN1921205A - 能够根据负载工作的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明构造一种能够根据负载工作的燃料电池，使得精确计算负载中需要的电能的量中燃料电池中所需的电能的量以及从公共电源提供的电能的量，并且根据燃料电池中所需的电能的量控制燃料电池的驱动，使得在电能的生产中不消耗非必要量的燃料，从而优化了燃料电池的操作系统并增加了其效率。

Description

能够根据负载工作的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体的，涉及能够根据负载工作的燃料电池，其通过调节燃料电池产生的电力使效率最大化。
背景技术
一般的，燃料电池是一种将燃料的能量直接转换成电能的设备。这种燃料电池是一种燃料电池系统，在该系统中，阳极和阴极安装在聚合物电解质膜的两侧，并且该系统通过当在阳极(氧化电极或燃料电极)作为燃料的氢发生电化学氧化，而在阴极(还原电极或空气电极)作为氧化剂的氧发生电化学还原时所生成的电子的运动产生电能，其可以被称作一种发电设备(power generation plant)。
上述的燃料电池可以根据工作的温度和主燃料的类型分类成碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态电解质燃料电池(SOFC)、聚合物电解质燃料电池(PEMFC)等等。其中，聚合物电解质燃料电池的电解质不是液态的而是固态聚合物薄膜，这截然不同于其他的燃料电池类型。在聚合物电解质燃料电池中，典型地以这样的方式使用燃料，即，通过在重整单元的脱硫、重整反应和氢精炼处理将碳氢化合物(CH)燃料，如LNG、LPG等，精炼成氢气(H2)，并将精炼的氢气提供到电池组(stackunit)的燃料电极。
图1是PEMFC(质子交换膜燃料电池)类型燃料电池的系统图，其中使用碳氢化合物(CH)燃料CH3OH等(图中的“LPG”)，在重整器中通过脱硫、重整反应和氢精炼处理将其精炼成氢气(H2)并用作燃料。
如其中所示，现有技术的燃料电池包括：重整单元10，其从LNG中精炼氢气；电池组40，其设有连接到重整单元10以接收精炼的氢气的燃料电极41和接收空气中的氧气的空气电极42，以通过氢气和氧气间的电化学反应产生电力和热；电力转换单元50，其连接到电池组40的上侧，用于转换电力并将其提供给负载；热交换单元60，其将水提供到重整单元10和电池组40，并冷却重整单元10和电池组40；以及控制单元(未示出)，其电连接到上述单元10、40、50和60并控制它们。
电力转换单元50包括：DC-DC变换器51，其转换电池组中生成的DC，来产生AC，并且将该AC整流来再次产生DC；以及逆变器52，其将DC转换成AC，来将其提供到使用AC电源的电器设备。
未作解释的附图标记20表示燃料供应单元，21表示燃料供应管线，22表示燃料供应泵，30表示空气供应单元，31表示空气供应管线，61表示存储容器，62表示水循环管线，63表示散热器，而64表示水循环泵。
上述现有技术的燃料电池操作如下：
即，碳氢化合物燃料在重整单元10中被重整并被精练成氢气，并且将氢气提供到电池组40的燃料电极41，同时将空气提供到电池组40的空气电极42，从而使得在燃料电极41发生氧化反应，而在空气电极42则发生还原反应。在从燃料电极41运动到空气电极42时，在此处理过程中生成的电子产生电力，而在电力输出单元50的DC-DC变换器51中转换电力中的DC，来产生AC，该AC通过线圈、变压器、电容等逐步增加或降低，然后被整流来再次产生DC，之后逆变器52将该DC再次转换成AC，并将其提供到各种AC电力负载。
这里，如果总的负载大于燃料电池中生成的电量，则利用公共电源来补充总的负载所需的电量。
但是，在现有技术的燃料电池中，在将燃料电池用作家庭或建筑物电源的情况中，实际使用中的负载每小时都在变，并且这可能导致产能过剩或产能不足。例如，部分的家用电器设备是临时使用的，当这些电器设备在使用中时所用的电量增加，而在没有使用时所用的电量减少。在这种情况下，在有些国家和地区不允许销售电能，如果燃料电池中生产的电力不根据总的负载的变化而增加或减少的话，这将导致不必要的电力的生产，或者必需准备具有考虑这种变化的产能过剩的燃料电池，因而导致了不必要的成本。
发明内容
因此，考虑到现有技术的燃料电池的上述问题，产生了本发明，并且本发明目的在于提供一种能够根据负载工作的燃料电池，其能够根据实际使用的负载的变化调整电力输出。
为实现这些和其他优点，并根据本发明的目的，如在此所具体实施和广泛描述的，提供一种燃料电池，其包括：燃料供应单元；空气供应单元；电池组，其经燃料供应管线连接到燃料供应单元，以接收氢气，并经空气供应管线连接到空气供应单元，以接收氧气，从而通过氢气和氧气之间的电化学反应生成电能和热能；电力转换单元，其用于转换在电池组中生成的电能，以便提供给负载；电能测量单元，用于检测在电力转换单元将电力提供给负载后所余的电能的剩余量和通过公共电源提供的电能的补充量这两者；以及控制单元，其电连接到电能测量单元，并计算由电能测量单元所检测的电能的剩余量和电能的补充量两者之间的差，来控制电池组的电力输出。
附图说明
本申请包括附图以提供对本发明的进一步理解，其被结合进并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起作用来解释本发明的原理。
在附图中：
图1是现有技术的燃料电池的一个示例的系统图；
图2是根据本发明的燃料电池的一个示例的系统图；以及
图3是示出在本发明的燃料电池中根据负载控制过程的顺序图。
具体实施方式
下面，将参考附图中示出的一个实施例来说明根据本发明的能够根据负载工作的燃料电池。
图2是根据本发明的燃料电池的一个示例的系统图。图3是示出本发明的燃料电池中根据负载控制的过程的顺序图。
如其中所示的，根据本发明的燃料电池包括：重整单元10，其从LNG中精炼氢气；燃料供应单元20，其连接到重整单元10，并将精炼的氢气提供到稍后说明的燃料电极；空气供应单元30，其将大气中的空气提供到稍后说明的空气电极；电池组40，其设有燃料电极41来接收氢气，和空气电极42来从空气中接收氧气，以通过氢气和氧气间的电化学反应产生电力和热；电力转换单元50，其连接到电池组40的输出侧，以将电力提供到负载；热交换单元60，其将水提供到重整单元10和电池组40，并冷却重整单元10和电池组40；电能测量单元170，其检测在电力转换单元50将电力提供到负载后所剩余的电能的剩余量，以及通过公共电源提供的电能的补充量；以及控制单元180，其计算由电能测量单元170所检测的电能的剩余量和电能的补充量之间的差，以控制电池组40的电力输出。
燃料供应单元20和空气供应单元30分别具有燃料供应管线21和空气供应管线31，其连接到电池组40的燃料电极41和空气电极42。在燃料供应管线21和空气供应管线31的中部设置燃料供应泵22和空气供应泵32，以便调节燃料的供应量和空气的供应量。这里，该燃料供应泵22可以安装在重整单元10的上流侧或重整单元10的下流侧。
电池组40具有燃料电极41和空气电极42，其被布置为其间插入有电解质膜，并且将具有燃料流路和空气流路的分隔板(未示出)安装在燃料电极41和空气电极42的外部表面，以形成单元电池(unitcell)。该单元电池以多层堆叠，以构成电池组40。
电力转换单元50包括：DC-DC变换器51，其转换电池组40中生成的DC，以产生AC，并将该AC整流，来再次产生DC；以及逆变器52，其将DC转换成AC，来将其提供给使用AC电源的电器设备。
电能测量单元170包括：计量表171，其安装在燃料电池的电力转换单元50和公共电源之间，以检测各种负载所用的电能的量；第一电能传感器172，其安装在电力转换单元50的输出端，用于检测通过电力转换单元50所产生的电能的量，并发送信号到控制单元180；以及第二电能传感器173，其安装在计量表171和负载之间，用于检测在通过燃料电池将电能提供到各种负载后所余下的电能的剩余量，以及从公共电源提供到各种负载的电能的补充量。
第一电能传感器172和第二电能传感器173可以包括用于感测电流的传感器或者感测电流和电压两者的混合传感器。
控制单元180电连接到燃料供应泵21和空气供应泵31，使得能够根据电能的剩余量和电能的补充量调节燃料和空气供应的量。可以通过直接读取第一电能传感器172或通过利用通信协议来交换数据。
未作解释的附图标记61表示存储容器，62表示水循环管线，63表示散热器，而64表示水循环泵。
在附图中，使用相同的附图标记来指定相同的部件。
该能够根据负载工作的燃料电池的工作效果如下：
即，如果电池组40通过来自控制单元180的命令反应，电池组40产生电力和热，并通过电力转换单元50将该电力利用作为家庭或办公室所需电能，同时结合房间加热或热水系统将热利用作为热能。
此时，部分连接到燃料电池以接收电力的电器设备临时使用。因而，根据用户的使用频率，总的负载中所需的电能的量可以大于或小于燃料电池中生产的电能的量。因此，在本发明中，燃料电池的控制单元180持续地管理电力输出和电能的使用量，并总是允许在燃料电池中产生合适量的电力。
例如，如图2和3中所示，第一电能传感器172检测燃料电池中生产的电能的量，第二电能传感器173检测在将电能提供到整个负载后所余的电能的剩余量，或者由于通过燃料电池所产生的电能的量不能覆盖全部负载而从公共电源提供到负载的电能的补充量，并且控制单元180将从第一电能传感器172检测的电能生产的当前量与从第二电能传感器173检测的值比较，来计算要在燃料电池中生产的适当的电力的量，调节燃料供应泵22和空气供应泵32的打开和闭合的量，以便使燃料和空气供应增加或减少如其增量或减量那么多。此外，命令电力转换单元50的DC-DC变换器51和逆变器52来增加或减少电能的输出量，从而总是允许燃料电池生产合适量的电力。
结果，燃料电池生产如负载实际所需量的电能，使得在电能的生产中不消耗非必要量的燃料，从而优化燃料电池的操作系统，并增加其效率。

Claims (8)

1.一种燃料电池，包括：
燃料供应单元；
空气供应单元；
电池组，其经燃料供应管线连接到燃料供应单元，以接收氢气，并经空气供应管线连接到空气供应单元，以接收氧气，从而通过氢气和氧气之间的电化学反应生成电能和热能；
电力转换单元，其用于转换在电池组中生成的电能，以便提供给负载；
电能测量单元，用于检测在电力转换单元将电力提供给负载后所余的电能的剩余量和通过公共电源提供的电能的补充量这两者；以及
控制单元，其电连接到电能测量单元，并计算由电能测量单元所检测的电能的剩余量和电能的补充量两者之间的差，来控制电池组的电力输出。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中该电能测量单元包括：
计量表，用于检测各种负载所用的电能的量；
第一电能传感器，其用于检测电池组中所产生的电能的量；以及
第二电能传感器，其用于检测在通过燃料电池将电能提供到各种负载后所余下的电能的剩余量，以及从公共电源提供到各种负载的电能的补充量。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其中该计量表安装在电池组的输出端和公共电源之间。
4.如权利要求2所述的燃料电池，其中该第一电能传感器安装在电池组和负载之间。
5.如权利要求2所述的燃料电池，其中该第二电能传感器安装在计量表和负载之间。
6.如权利要求2所述的燃料电池，其中该第一电能传感器和第二电能传感器包括用于感测电流的电流传感器。
7.如权利要求2所述的燃料电池，其中该第一电能传感器和第二电能传感器包括用于感测电流和电压的混合传感器。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其中该燃料供应单元和空气供应单元具有电连接到控制单元能够根据负载工作的燃料供应泵和空气供应泵，该燃料供应泵和空气供应泵安装在燃料供应管线和空气供应管线的中部，以便根据电能的剩余量和电能的补充量之间的差调节燃料和空气的供应量。
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