CN1983760A - 线路连接型燃料电池系统的供电装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种线路连接型燃料电池系统的供电装置和方法。该线路连接型燃料电池系统的供电装置，包括：存储单元，用于根据燃料电池的工作条件和燃料电池的输出电压与输出电流之间的关系，来预存储正常区域和警报区域；以及控制单元，用于基于燃料电池的工作条件来检测工作点，将检测到的工作点与正常区域和警报区域相比较，并根据比较结果输出用于增加或降低燃料电池的输出电流的控制信号。

Description

线路连接型燃料电池系统的供电装置和方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，更具体地涉及一种线路连接型(lineconnection type)燃料电池系统的供电装置和方法，其通过自动地将燃料电池的输出电流控制为最大，能够提高燃料电池系统的工作效率和经济效率。
背景技术
通常，燃料电池是用于将燃料能直接转换为电能的装置。在燃料电池中，阳极和阴极安装在聚合物电解质膜的两侧。在阳极(或氧化电极)产生作为燃料的氢的电化学氧化，在阴极(或还原电极)产生作为氧化剂的氧的电化学还原。也就是说，燃料电池通过电化学氧化还原产生电子，并通过电子的运动产生电能。
典型的燃料电池包括磷酸燃料电池、碱燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池。此外，燃料电池按应用的领域可分为商用燃料电池、家用燃料电池、用于电动车辆的车用燃料电池和用于便携式终端或笔记本电脑的小型燃料电池。特别地，家用燃料电池已被改进以有效地使房屋中的家用电器或照明装置运行，商用燃料电池已被改进以有效地使购物中心或工厂中的照明装置、马达或机器运行。
燃料电池系统连接于线路供电系统(例如公共电力公司)。如果供应到负载的电力不足，则燃料电池系统就不能供应足量的电力给线路供电系统；如果供应到负载的电力太多，则燃料电池系统就会供应过剩的电力给线路供电系统。
图1是示出传统的线路连接型燃料电池系统的供电装置的框图。参照图1，该传统供电装置包括燃料电池1、电源转换单元2和线路供电单元3。燃料电池1包括由阳极和阴极组成的堆(未示出)，用于通过氢和氧的电化学反应来发电，并且从堆(未示出)中产生DC电压。
电源转换单元2包括DC/DC转换单元(未示出)，用于将DC电压转换为AC电压，升高或降低AC电压，整流所得的电压，并输出DC电压。电源转换单元2还包括逆变器(未示出)，用于将来自DC/DC转换单元的DC电压转换为AC电压。
线路供电单元3供应公共电力给各个房屋或公共设施(负载)。也就是说，燃料电池系统和线路供电单元3相互连接，用于供应电力给各个房屋或公共设施。
在将燃料电池系统中产生的电力出售给公共电力公司(线路供电单元)的情况下，如果从燃料电池1输出的电流大于预设最大输出电流，则降低该电流。此外，在将燃料电池系统中产生的电力出售给公共电力公司(线路供电单元)的情况下，如果从燃料电池1输出的电压低于最小输出电压，则降低燃料电池1的输出电流。也就是说，传统的燃料电池系统至少保持燃料电池的特定最小输出电压。
但是，即使输出电压低于可能的最小电压，如果减小输出电流，则燃料电池系统也会稳定地工作。然而，当燃料电池的输出电压低于可能的最小电压因而停止驱动燃料电池时，这使燃料电池系统的可用工作宽度变窄。因此，燃料电池系统的工作效率降低。
本发明要求保护的主题不限于解决如上所述的环境中的缺点或仅在这些环境下工作的实施例。更确切地说，仅提供此背景来说明本发明所述的某些实施例可以实施的一个典型技术领域。
发明内容
本发明提供一种线路连接型燃料电池系统的供电控制装置和方法，其通过预设作为燃料电池的稳定工作区域的正常区域，根据燃料电池的输出电压、输出电流和在燃料电池出售时的工作条件来检测燃料电池的当前工作点，以及自动地将燃料电池的输出电流控制为最大以使检测到的工作点可存在于正常区域中，能够提高燃料电池系统的工作效率和经济效率。
为获得这些以及其它优点，并且根据本发明的目的，如在此具体实施和广泛描述的，提供一种线路连接型燃料电池系统的供电控制装置，包括：存储单元，用于根据燃料电池的工作条件和燃料电池的输出电压与输出电流之间的相互关系，来预存储正常区域和警报区域；以及控制单元，用于基于燃料电池的工作条件来检测工作点，将检测到的工作点与正常区域和警报区域相比较，并根据比较结果输出用于增加或降低燃料电池的输出电流的控制信号。
另一实施例涉及一种用于线路连接型燃料电池系统的方法，包括以下步骤：检测燃料电池的工作点；将该工作点与正常区域和警报区域相比较；以及根据比较结果改变燃料电池的输出电流。
提供此概述内容来以简化形式介绍本发明原理的选择，这些原理在以下的具体实施方式部分进一步说明。此概述内容并非用以确定所要求保护的主题的关键特性或本质特征，也不用以辅助确定所要求保护的主题的范围。
其它特征将在以下说明中阐述，并且通过说明将部分地变得明显，或者可通过实践这里的教导而被了解。通过所附权利要求中特别指出的设备和组合，可以实现并获得本发明的特征。从以下说明和所附的权利要求，本发明的特征将变得更加完整明显，或者可通过实施以下所述的发明而被了解。
附图说明
附图示出本发明的实施例并与说明书一起用以解释发明原理，其包括在说明书中以构成说明书的一部分用以提供对于本发明的进一步理解。
在附图中：
图1是示出传统线路连接型燃料电池系统的框图；
图2是示出根据本发明的燃料电池系统的供电控制装置的框图；
图3是示出图2中的燃料电池的输出电压与输出电流之间相互关系的坐标图；及
图4是示出根据本发明的燃料电池系统的供电方法的顺序步骤流程图。
具体实施方式
下面详细参照构成说明书一部分的附图，其中为了举例说明示出可以实施本发明的特定实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围下，可以使用其它实施例，并且可以进行结构变化。
本发明的实施例涉及一种线路连接型燃料电池系统的供电控制装置和方法，其通过自动地将燃料电池的输出电流控制为最大，能够提高燃料电池系统的工作效率和经济效率。
如图2所示，线路连接型燃料电池系统的供电控制装置可以包括燃料电池10、电源转换单元20、线路供电单元30、控制单元40和存储单元50。燃料电池10包括由阳极和阴极组成的堆(未示出)，用于通过氢和氧的电化学反应来发电，并且从堆中(未示出)产生DC电压。电源转换单元20将来自燃料电池10的DC电压转换为预定电平的AC电压，并输出该AC电压。在一个实施例中，电源转换单元20包括DC/DC转换单元21和逆变器22。
在一个实施例中，DC/DC转换单元21将DC电压转换为AC电压，升高或降低该AC电压，整流所得的电压，并输出DC电压。逆变器22根据控制信号将来自DC/DC转换单元21的DC电压转换为AC电压，并输出该AC电压。按照本发明，DC/DC转换单元21根据控制信号改变输出电流，以使图2所示的燃料电池系统工作于正常区域。
线路供电单元30供应公共电力给各个房屋或公共设施(负载)。在一个实施例中，存储单元50预设并预存储作为燃料电池10的稳定工作区域的正常区域。存储单元50也可预存储警报区域。可以利用燃料电池10的基于工作条件、输出电流和输出电压之间的相互关系的负载特性曲线，来确定警报区域。
如图3所示，可以基于燃料电池10的工作条件、如输出电压与输出电流之间的相互关系所确定的特性曲线以及预设负载对应曲线来设定正常区域和警报区域。控制单元40检测燃料电池10的工作点，将该工作点与正常区域和警报区域相比较，并根据比较结果输出用于增加或降低燃料电池10的输出电流的控制信号。也就是说，当检测到的工作点存在于警报区域中，控制单元40可以降低燃料电池10的输出电流。当检测到的工作点存在于正常区域中，控制单元40可以增加燃料电池10的输出电流。当检测到的工作点不存在于正常区域或警报区域中，控制单元40停止(即禁用)燃料电池系统。
按照本发明，燃料电池系统中产生的电力可以出售给负载，例如电力公司或者居住地或商业上的应用场所。在一个实施例中，所产生的电力可被最大化地供应给负载，并从负载要求报酬。在一个实施例中，即使燃料电池10的工作点存在于正常区域中，电流也可被最大化，以产生最大输出。
图4示出根据本发明的线路连接型燃料电池系统的供电控制装置的运行方法的一个实施例。存储单元50基于如图3所示的燃料电池10的工作条件、输出电流和输出电压(即，输出电压与输出电流之间的相互关系)的特性曲线以及负载对应曲线，来预设并预存储作为燃料电池10的稳定工作区域的正常区域和警报区域。该工作条件可以包括供应到燃料电池10的空气量和燃料量以及外部温度。
在这种状态下，包括阳极和阴极的燃料电池10的堆(未示出)通过氢和氧的电化学反应来发电，并将所得的DC电压施加到电源转换单元20的DC/DC转换单元21。DC/DC转换单元21将来自燃料电池10的DC电压转换为AC电压，升高或降低该AC电压，将升高或降低的AC电压整流为DC电压，并将该DC电压施加至逆变器22。逆变器22根据控制信号将来自DC/DC转换单元21的DC电压转换为预定电平的AC电压，并输出该AC电压。
控制单元40在步骤S1和步骤S2检测燃料电池10的工作条件、输出电流和输出电压，并在步骤S3利用检测到的工作条件、输出电流和输出电压来检测燃料电池10的当前工作点。在步骤S4控制单元40确定检测到的工作点是否存在于正常区域中。
根据在步骤S4和步骤S8中确定的结果，当检测到的工作点不存在于正常区域也不存在于警报区域中，在步骤S10控制单元40降低燃料电池10的输出电流，例如通过降低逆变器的输出电流来降低燃料电池10的输出电流。在一个实施例中，控制单元40通过控制电源转换单元20的DC/DC转换单元21的转换(升高或降低)，来降低燃料电池10的输出电流。也就是说，控制单元40通过降低由DC/DC转换单元21在燃料电池10中产生的DC电压，来降低燃料电池10的输出电压。控制单元40降低燃料电池10的输出电流，直到检测到的工作点存在于正常区域中为止。根据在步骤S4和步骤S8中确定的结果，当检测到的工作点不存在于正常区域而存在于警报区域中，在步骤S9控制单元40停止燃料电池系统的工作。
根据在步骤S4中确定的结果，当检测到的工作点存在于正常区域中并且公共电力电流大于零时，在步骤S6控制单元40增加燃料电池10的输出电流，例如通过增加逆变器的输出电流来增加燃料电池10的输出电流。当检测到的工作点存在于正常区域中但公共电力电流小于或等于零时，控制单元40降低燃料电池10的输出电流，例如通过降低逆变器的输出电流来降低燃料电池10的输出电流。
在本发明的一个实施例中，假设燃料电池系统中产生的电力被出售。这时，燃料电池系统的输出电流可以以该燃料电池系统的正常区域范围中的最大值输出。
再次参照图3，传统的供电系统可以将工作点1、2、3和4设定为燃料电池的可能最小电压。当燃料电池的输出电压降低到可能最小电压以下时，停止燃料电池系统。相反，根据本发明，即使燃料电池的输出电压降低到工作点1-4的可能最小电压以下，由于燃料电池的输出电流也降低，使得燃料电池系统也能够工作于工作点5、6和7。
如前所述，根据本发明，线路连接型燃料电池系统的供电控制装置预设作为燃料电池的稳定工作区域的正常区域，根据燃料电池的输出电压、输出电流和在燃料电池出售时的工作条件检测燃料电池的当前工作点，并自动将燃料电池的输出电流控制为最大，以使检测到的工作点能够存在于正常区域中。因此，能够提高燃料电池系统的工作效率和经济效率。
由于本发明可具体实施为多种形式而不脱离其精神或实质特性，所以应当理解，除非另有规定，上述实施例不限于前述的任何细节，而应在所附权利要求限定的精神和范围内宽泛地解释，因此，落入权利要求范围及其等效范围内的全部变化和修改都应被所附权利要求所涵盖。

Claims (20)

1、一种线路连接型燃料电池系统的供电控制装置，包括：
存储单元，用于根据燃料电池的工作条件和燃料电池的输出电压与输出电流之间的相互关系，来预存储正常区域和警报区域；以及
控制单元，用于基于燃料电池的工作条件来检测工作点，将该工作点与正常区域和警报区域相比较，并根据比较结果输出用于增加或降低燃料电池的输出电流的控制信号。
2、如权利要求1所述的供电控制装置，其中该工作条件包括：供应到燃料电池的空气量和燃料量，以及外部温度。
3、如权利要求1所述的供电控制装置，其中该控制单元利用燃料电池的工作条件、输出电压和输出电流来检测燃料电池的当前工作点。
4、如权利要求1所述的供电控制装置，其中该正常区域和警报区域是基于燃料电池的工作条件、输出电流和输出电压的特性曲线以及预设的负载对应曲线而设定的。
5、如权利要求1所述的供电控制装置，包括电源转换单元，用于根据该控制信号来增加或降低燃料电池的输出电流。
6、如权利要求5所述的供电控制装置，其中该电源转换单元包括DC/DC转换单元，用于通过根据该控制信号升高或降低来自燃料电池的DC电压来增加或降低燃料电池的输出电流。
7、如权利要求1所述的供电控制装置，其中当检测到的工作点存在于该警报区域中，该控制单元降低燃料电池的输出电流。
8、如权利要求7所述的供电控制装置，其中所述的控制单元降低燃料电池的输出电流的操作，直到检测到的工作点存在于该正常区域中为止。
9、如权利要求1所述的供电控制装置，其中当检测到的工作点存在于该正常区域中，该控制单元增加燃料电池的输出电流。
10、如权利要求9所述的供电控制装置，其中只要检测到的工作点不超出该正常区域，该控制单元就增加燃料电池的输出电流。
11、如权利要求1所述的供电控制装置，其中当检测到的工作点不存在于该正常区域而存在于该警报区域中，该控制单元停止该燃料电池系统。
12、一种线路连接型燃料电池系统的供电控制方法，包括以下步骤：
检测燃料电池的工作点；
将该工作点与正常区域和警报区域相比较；以及
根据比较结果改变燃料电池的输出电流。
13、如权利要求12所述的供电控制方法，其中检测工作点的步骤还包括：
检测燃料电池的工作条件；
检测燃料电池的输出电流和输出电压；以及
利用燃料电池的输出电流、输出电压和工作条件，来检测燃料电池的工作点。
14、如权利要求13所述的供电控制方法，还包括：
基于燃料电池的工作条件、输出电流和输出电压的特性曲线以及预设的负载对应曲线，来预设该正常区域和警报区域。
15、如权利要求12所述的供电控制方法，其中改变燃料电池的输出电流的步骤还包括：
当检测到的工作点存在于该警报区域中，降低燃料电池的输出电流。
16、如权利要求15所述的供电控制方法，其中所述的降低燃料电池的输出电流的操作，直到检测到的工作点存在于该正常区域中为止。
17、如权利要求12所述的供电控制方法，其中改变燃料电池的输出电流的步骤还包括：
当检测到的工作点存在于该正常区域中，增加燃料电池的输出电流。
18、如权利要求17所述的供电控制方法，其中只要检测到的工作点不超出该正常区域，就进行所述的增加燃料电池的输出电流的操作。
19、如权利要求12所述的供电控制方法，其中改变燃料电池的输出电流的步骤还包括：
当检测到的工作点不存在于该正常区域以及该警报区域中，停止该燃料电池系统。
20、如权利要求12所述的供电控制方法，其中该工作条件包括：供应到燃料电池的空气量和燃料量，以及外部温度。
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