CN220086965U - 一种用于氢燃料电池的多级储能系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于氢燃料电池的多级储能系统，包括储能单元的输入端连于强电电源，用于储存电能并输出强电电压信号，氢燃料电池发电单元用于向负载供电，交直流变换单元连于氢燃料电池发电单元与负载之间，用于将氢燃料电池发电单元产生的直流电变换为负载所需的交流电，负载检测单元用于向负载获取负载功率信号并基于负载功率信号发出补电指令信号，补电单元接收所述强电电压信号，强电电压信号用于启动补电单元，补电单元接收补电指令信号并基于补电指令信号向交直流变换单元输送电压。本申请中补电单元能够补足氢燃料电池发电单元升载缓冲时间的电能，使得用户端的用电需求能够得到快速的响应。

Description

一种用于氢燃料电池的多级储能系统

技术领域

本申请涉及氢燃料电池的领域，尤其是涉及一种用于氢燃料电池的多级储能系统。

背景技术

目前，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

因此，氢燃料电池的输出为直流电且在升载和降载时均需要一个较长的缓冲时间，导致其升载曲线和降载曲线都比较平缓，若作为民用电源使用，当用户需要用电时，很难做到及时响应，并且当用户关闭电源开关时，氢燃料电池在一段时间内将会持续产生电能而不会迅速关断，产生多余的电能若不加以利用将会造成资源的浪费。

针对上述情况，本申请提出了一种用于氢燃料电池的多级储能系统，用以解决氢燃料电池升载与降载的缓冲期间，用户用电响应慢的问题。

实用新型内容

为了解决氢燃料电池升载与降载的缓冲期间，用户用电响应慢的问题，本申请提供一种用于氢燃料电池的多级储能系统。

本申请提供的一种用于氢燃料电池的多级储能系统，采用如下的技术方案：

一种用于氢燃料电池的多级储能系统，包括：

储能单元，输入端连于强电电源，用于储存电能并输出强电电压信号；

氢燃料电池发电单元，用于向负载供电；

交直流变换单元，连于所述氢燃料电池发电单元与负载之间，用于将所述氢燃料电池发电单元产生的直流电变换为负载所需的交流电；

负载检测单元，用于向负载获取负载功率信号并基于所述负载功率信号发出补电指令信号；

补电单元，输入端连接供电电源，输出端连于所述交直流变换单元的输入端，所述补电单元形成有补电使能端，所述补电使能端用于接收所述强电电压信号，所述强电电压信号用于启动所述补电单元，所述补电单元接收所述补电指令信号并基于所述补电指令信号向所述交直流变换单元输送电压。

通过采用上述技术方案，本申请所述的氢燃料电池用于为用户供电，用户能够选择采用电网供电或采用本申请所述的氢燃料电池供电，由于氢燃料电池升载产生电能需要一定的时间，不能做到瞬间响应用户需求。

因此，当用户需要用电时，上述的负载检测单元能够基于负载功率的变化向上述的补电单元发出高电平的补电指令信号，随后，补电单元能够基于高电平的补电指令信号向上述的交直流变换单元输出电能，从而与氢燃料电池发电单元共同为负载供给直流电，再通过交直流变换单元将直流电变换为交流电输出给负载供用户使用。对应地，当氢燃料电池升载完成，无需补电单元将电量补足时，补电单元能够受控于定时装置而停止向交直流变换单元输送电能，因此，补电单元能够补足氢燃料电池发电单元升载缓冲时间的电能，使得用户端的用电需求能够得到快速的响应。

储能单元能够将由强电电源获取的电能储存起来，并且能够基于强电电源停止供电的情况向其他元件输送电能，由于补电单元的开启需要强电电压信号，因此，在电网停电时，补电单元能够由储能单元储备的强电产生的强电电压信号开启。

可选的，所述交直流变换单元包括：

交直流变换器，连于所述氢燃料电池发电单元，用于将所述氢燃料电池发电单元产生的直流电变换为交流电；

变压器，连于所述交直流变换器与负载之间，用于将所述交直流变换器输出的交流电电压变换为负载供电电压。

通过采用上述技术方案，由于氢燃料电池发电单元产生的直流电不能直接利用与用户的日常用电环境中，因此，采用交直流变换器和变压器，能够将氢燃料电池发电单元产生的低压直流电变换为合适用户使用的高压交流电，使得氢燃料电池能够替代电网为用户端负载供电。

可选的，所述补电单元包括：

双电层电容，连于所述交直流变换单元，用于储存供电电源输出的电能并输出电能于用户负载；

补电开关，连于所述双电层电容并形成所述补电使能端，所述补电使能端用于接收所述强电电压信号并基于所述强电电压信号开启所述补电开关，所述补电开关接收所述补电指令信号并基于所述补电指令信号控制所述双电层电容充放电。

通过采用上述技术方案，双电层电容是超级电容器的一种，介于电池和电容之间，其极大的容量完全可以作为电池使用，而双电层电容相比采用电化学原理的电池，其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，所以其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。当用户需要用电时，补电开关基于高电平的补电指令信号控制双电层电容放电，对应地，当用户不需要用电时，补电开关基于低电平的补电指令信号控制双基层电容充电。

可选的，所述补电单元接收并储存由所述氢燃料电池发电单元产生的电能。

通过采用上述技术方案，当用户不需要用电时，负载检测单元能够基于负载功率的变化情况向上述补电单元发出低电平的补电指令信号，随后，补电单元将基于低电平的补电指令信号从上述的氢燃料电池发电单元获取电能，从而将氢燃料电池降载所产生的电能储存起来，用以供下一次的升载补电使用。对应地，当氢燃料电池降载完成，无法向补电单元供电时，补电单元能够受控于定时装置而停止从氢燃料电池获取电能，因此，补电单元能够在氢燃料电池发电单元降载缓冲的时间中将氢燃料电池产生的外电能储存起来，提高了氢燃料电池产生电能的利用率，解决了其降载缓冲期能源浪费问题。

可选的，所述储能单元包含若干个储能电池，若干个所述储能电池连于强电电源且用于在氢燃料电池离网状态下输出强电电压信号。

通过采用上述技术方案，当氢燃料电池离网时，储能电池能够代替电网强电电源产生强电电压信号，从而启动补电单元，使得用户能够在离网状态下使用氢燃料电池发电单元为负载供电。

可选的，所述氢燃料电池发电单元包括：

氢燃料电池电堆，连于所述交直流变换单元和所述补电单元，用于发生电化学反应并产生电能；

控制单元，所述负载检测单元基于所述负载功率信号产生升载信号和降载信号，所述控制单元用于获取所述负载检测单元发出的升载信号与降载信号，基于所述升载信号控制所述氢燃料电池电堆发生电化学反应，基于所述降载信号控制所述氢燃料电池电堆停止发生电化学反应。

可选的，所述控制单元检测所述氢燃料电池电堆反应情况并基于检测结果发出控制信号，所述氢燃料电池发电单元还包括：

氢气供应单元，连于所述氢燃料电池电堆，基于所述控制信号向所述氢燃料电池电堆输送氢气；

空气供应单元，连于所述氢燃料电池电堆，基于所述控制信号向所述氢燃料电池电堆输送空气。

可选的，所述氢燃料电池发电单元还包括DC/DC功率变换单元，所述DC/DC功率变换单元连于所述氢燃料电池电堆，用于稳定所述氢燃料电池电堆的输出电压。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.补电单元能够补足氢燃料电池发电单元升载缓冲时间的电能，使得用户端的用电需求能够得到快速的响应。

2.采用交直流变换器和变压器，能够将氢燃料电池发电单元产生的低压直流电变换为合适用户使用的高压交流电，使得氢燃料电池能够替代电网为用户端负载供电。

3.双电层电容相比采用电化学原理的电池，其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，所以其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

4.补电单元能够在氢燃料电池发电单元降载缓冲的时间中将氢燃料电池产生的外电能储存起来，提高了氢燃料电池产生电能的利用率，解决了其降载缓冲期能源浪费问题。

5.当氢燃料电池离网时，储能电池能够代替电网强电电源产生强电压信号。从而启动补电单元，使得用户能够在离网状态下使用氢燃料电池发电单元为负载供电。

附图说明

图1是本申请实施例中一种用于氢燃料电池的多级储能系统的连接图。

实施方式

以下结合附图，对本申请作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在以下描述中，为了解释的目的，阐述了很多具体细节，以便提供对发明构思的彻底理解。作为本说明书的一部分，本公开的附图中的一些附图以框图形式表示结构和设备，以避免使所公开的原理复杂难懂。为了清晰起见，实际具体实施的并非所有特征都有必要进行描述。在本公开中对“一个具体实施”或“具体实施”的提及意指结合该具体实施所述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个具体实施中，并且对“一个具体实施”或“具体实施”的多个提及不应被理解为必然地全部是指同一具体实施。

除非明确限定，否则术语“一个”、“一种”和“该”并非旨在指代单数实体，而是包括其特定示例可以被用于举例说明的一般性类别。因此，术语“一个”或“一种”的使用可以意指至少一个的任意数目，包括“一个”、“一个或多个”、“至少一个”和“一个或不止一个”。术语“或”意指可选项中的任意者以及可选项的任何组合，包括所有可选项，除非可选项被明确指示是相互排斥的。短语“中的至少一者”在与项目列表组合时是指列表中的单个项目或列表中项目的任何组合。所述短语并不要求所列项目的全部，除非明确如此限定。

本申请实施例公开一种用于氢燃料电池的多级储能系统。参照图1，一种用于氢燃料电池的多级储能系统，包括氢燃料电池发电单元、交直流变换单元、储能单元、负载检测单元和补电单元，储能单元输入端连于强电电源，用于储存电能并输出强电电压信号，氢燃料电池发电单元用于向负载供电，交直流变换单元连于氢燃料电池发电单元与负载之间，用于将氢燃料电池发电单元产生的直流电变换为负载所需的交流电，负载检测单元用于向负载获取负载功率信号并基于负载功率信号发出补电指令信号，补电单元的输入端连接供电电源，输出端连于交直流变换单元的输入端，补电单元形成有补电使能端，补电使能端用于接收强电电压信号，强电电压信号用于启动补电单元，补电单元接收补电指令信号并基于补电指令信号向交直流变换单元输送电压。

本申请的氢燃料电池用于为用户供电，用户能够选择采用电网供电或采用本申请的氢燃料电池供电，由于氢燃料电池升载产生电能需要一定的时间，不能做到瞬间响应用户需求。

因此，当用户需要用电时，上述的负载检测单元能够基于负载功率的变化向上述的补电单元发出高电平的补电指令信号，随后，补电单元能够基于高电平的补电指令信号向上述的交直流变换单元输出电能，从而与氢燃料电池发电单元共同为负载供给直流电，再通过交直流变换单元将直流电变换为交流电输出给负载供用户使用。对应地，当氢燃料电池升载完成，无需补电单元将电量补足时，补电单元能够受控于定时装置而停止向交直流变换单元输送电能，因此，补电单元能够补足氢燃料电池发电单元升载缓冲时间的电能，使得用户端的用电需求能够得到快速的响应。

储能单元能够将由强电电源获取的电能储存起来，并且能够基于强电电源停止供电的情况向其他元件输送电能，由于补电单元的开启需要强电电压信号，因此，在电网停电时，补电单元能够由储能单元储备的强电产生的强电电压信号开启。

具体的，氢燃料电池发电单元包括氢燃料电池电堆、控制单元、氢气供应单元、空气供应单元和DC/DC功率变换单元，氢燃料电池电堆连于交直流变换单元和补电单元，用于发生电化学反应并产生电能，负载检测单元基于负载功率信号产生升载信号和降载信号，控制单元用于获取负载检测单元发出的升载信号与降载信号，基于升载信号控制氢燃料电池电堆发生电化学反应，基于降载信号控制氢燃料电池电堆停止发生电化学反应。其中，控制单元检测氢燃料电池电堆反应情况并基于检测结果发出控制信号，氢气供应单元连于氢燃料电池电堆，基于控制信号向氢燃料电池电堆输送氢气，空气供应单元连于氢燃料电池电堆，基于控制信号向氢燃料电池电堆输送空气，DC/DC功率变换单元连于氢燃料电池电堆，用于稳定氢燃料电池电堆的输出电压。

具体的，在不同实施例中，交直流变换单元可以为由不同元件组成，但凡能够完成整流与逆变过程即可，作为示例的，交直流变换单元包括交直流变换器和变压器，交直流变换器连于氢燃料电池发电单元，用于将氢燃料电池发电单元产生的直流电变换为交流电，变压器连于交直流变换器与负载之间，用于将交直流变换器输出的交流电电压变换为负载供电电压。由于氢燃料电池发电单元产生的直流电不能直接利用与用户的日常用电环境中，因此，采用交直流变换器和变压器，能够将氢燃料电池发电单元产生的低压直流电变换为合适用户使用的高压交流电，使得氢燃料电池能够替代电网为用户端负载供电。

在不同实施例中，补电单元可以由不同的元件组成，但凡能够基于补电指令信号完成补电与充电即可，本申请具体但非限定地提供一种方案，补电单元包括双电层电容和补电开关，双电层电容连于交直流变换单元，用于储存供电电源输出的电能并输出电能于用户负载，补电开关连于双电层电容并形成补电使能端，补电使能端用于接收强电电压信号并基于强电电压信号开启补电开关，补电开关接收补电指令信号并基于补电指令信号控制双电层电容充放电。

其中，双电层电容是超级电容器的一种，介于电池和电容之间，其极大的容量完全可以作为电池使用，而双电层电容相比采用电化学原理的电池，其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，所以其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。当用户需要用电时，补电开关基于高电平的补电指令信号控制双电层电容放电，对应地，当用户不需要用电时，补电开关基于低电平的补电指令信号控制双基层电容充电。

针对上述方案，在不同实施例中，为上述的补电单元供电的电源可以为外部电源，也可以为本申请提供的系统内部的电源，作为示例的，补电单元接收并储存由氢燃料电池发电单元产生的电能。当用户不需要用电时，负载检测单元能够基于负载功率的变化情况向上述补电单元发出低电平的补电指令信号，随后，补电单元将基于低电平的补电指令信号从上述的氢燃料电池发电单元获取电能，从而将氢燃料电池降载所产生的电能储存起来，用以供下一次的升载补电使用。对应地，当氢燃料电池降载完成，无法向补电单元供电时，补电单元能够受控于定时装置而停止从氢燃料电池获取电能，因此，补电单元能够在氢燃料电池发电单元降载缓冲的时间中将氢燃料电池产生的外电能储存起来，提高了氢燃料电池产生电能的利用率，解决了其降载缓冲期能源浪费问题。

针对上述方案，在不同实施例中，储能单元可以由不同元件组成，但凡适合连接于强电电源并存储电能用以向开启补电单元即可，作为示例的，储能单元包含若干个储能电池，若干个储能电池连于强电电源且用于在氢燃料电池离网状态下输出强电电压信号，当氢燃料电池离网时，储能电池能够代替电网启动补电单元，使得用户能够在离网状态下使用氢燃料电池发电单元为负载供电。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，包括：

储能单元，输入端连于强电电源，用于储存电能并输出强电电压信号；

氢燃料电池发电单元，用于向负载供电；

交直流变换单元，连于所述氢燃料电池发电单元与负载之间，用于将所述氢燃料电池发电单元产生的直流电变换为负载所需的交流电；

负载检测单元，用于向负载获取负载功率信号并基于所述负载功率信号发出补电指令信号；

补电单元，输入端连接供电电源，输出端连于所述交直流变换单元的输入端，所述补电单元形成有补电使能端，所述补电使能端用于接收所述强电电压信号，所述强电电压信号用于启动所述补电单元，所述补电单元接收所述补电指令信号并基于所述补电指令信号向所述交直流变换单元输送电压。

2.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，所述交直流变换单元包括：

交直流变换器，连于所述氢燃料电池发电单元，用于将所述氢燃料电池发电单元产生的直流电变换为交流电；

变压器，连于所述交直流变换器与负载之间，用于将所述交直流变换器输出的交流电电压变换为负载供电电压。

3.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，所述补电单元包括：

双电层电容，连于所述交直流变换单元，用于储存供电电源输出的电能并输出电能于用户负载；

补电开关，连于所述双电层电容并形成所述补电使能端，所述补电使能端用于接收所述强电电压信号并基于所述强电电压信号开启所述补电开关，所述补电开关接收所述补电指令信号并基于所述补电指令信号控制所述双电层电容充放电。

4.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，所述补电单元接收并储存由所述氢燃料电池发电单元产生的电能。

5.根据权利要求4所述的用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，所述氢燃料电池发电单元包括：

氢燃料电池电堆，连于所述交直流变换单元和所述补电单元，用于发生电化学反应并产生电能；

控制单元，所述负载检测单元基于所述负载功率信号产生升载信号和降载信号，所述控制单元用于获取所述负载检测单元发出的升载信号与降载信号，基于所述升载信号控制所述氢燃料电池电堆进行电化学反应，基于所述降载信号控制所述氢燃料电池电堆停止发生电化学反应。

6.根据权利要求5所述的用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，所述控制单元检测所述氢燃料电池电堆反应情况并基于检测结果发出控制信号，所述氢燃料电池发电单元还包括：

氢气供应单元，连于所述氢燃料电池电堆，基于所述控制信号向所述氢燃料电池电堆输送氢气；

空气供应单元，连于所述氢燃料电池电堆，基于所述控制信号向所述氢燃料电池电堆输送空气。

7.根据权利要求6所述的用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，所述氢燃料电池发电单元还包括DC/DC功率变换单元，所述DC/DC功率变换单元连于所述氢燃料电池电堆，用于稳定所述氢燃料电池电堆的输出电压。

8.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池的多级储能系统，其特征在于，所述储能单元包含若干个储能电池，若干个所述储能电池连于强电电源且用于在氢燃料电池离网状态下输出强电电压信号。