專利名稱：無(wú)dc-dc變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，具體來說是一種不需要DC-DC變換器的 燃料電池。
背景技術(shù)：
為了解決環(huán)境污染和化石燃料日益枯竭的迫切問題，世界各國(guó)都 對(duì)燃料電池進(jìn)行了廣泛的關(guān)注，因?yàn)槿剂想姵厥且环N高效清潔能源， 對(duì)環(huán)境沒有或只有很小的污染，并能用可再生性物質(zhì)如氫氣和甲醇做 為燃料。很多國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家已投入了大量的人力物力和財(cái)力對(duì) 燃料電池進(jìn)行廣泛的研究和開發(fā)。作為發(fā)展中國(guó)家的中國(guó)也加大了對(duì) 燃料電池研發(fā)的投入。很多省市已把開發(fā)燃料電池提升到了戰(zhàn)略高 度，并把開發(fā)燃料電池作為最重要的研發(fā)方向之一。
燃料電池是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換器，把燃料(和氧氣)中的化學(xué) 能直接轉(zhuǎn)化成電能。燃料在燃料電池的陽(yáng)極被氧化，氧氣在燃料電池 的陰極被還原。只要有燃料和氧氣不停地輸入，燃料電池就能源源不 斷地產(chǎn)生電能。反應(yīng)式(1)表述了氫氣在陽(yáng)極的氧化過程，反應(yīng)式 (2)表述了甲醇在陽(yáng)極的氧化過程，反應(yīng)式(3)表述了相應(yīng)的氧氣
在陰極的還原過程
H2 = 2H+ + 2e— (1) CH30H + H20 二 C02 + 6H+ + 6e_ (2)02 + 4H++ 4e_ = 2H20 (3)
如圖1所示，電堆、DC-DC變換器、啟動(dòng)電源、水熱管理和控制器 通常是構(gòu)成一個(gè)燃料電池系統(tǒng)主要模塊。其中，電堆是作為反應(yīng)氣(燃 料和氧氣)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方；DC-DC變換器把從電堆中產(chǎn)生的 電能變換到負(fù)載所需的值，通常是把電堆的輸出電壓變化到負(fù)載所需 的輸入電壓；啟動(dòng)電源通常是電池或電容或兩者的結(jié)合，用來啟動(dòng)燃 料電池系統(tǒng)和在需要時(shí)給負(fù)載提供額外的能量；水熱管理保證水和熱 的平衡以便讓電堆和系統(tǒng)中的其他模塊處于最佳工作狀態(tài)；控制器用 來控制燃料電池系統(tǒng)中的所有模塊和它們的運(yùn)行過程。
對(duì)于千瓦級(jí)燃料電池系統(tǒng)，DC-DC變換器的能耗通常在1(^以上， 這是很大的能量損失，大大的降低了整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的輸出功率。 為此，有人提出了去掉DC-DC變換器的想法。但是，由于燃料電池的 輸出電壓隨著負(fù)載的變化而變化，S卩，燃料電池輸出的電壓會(huì)隨著負(fù) 載的變化而來回波動(dòng)，不能輸出穩(wěn)定的電壓，而滿足不了有些負(fù)載需 要穩(wěn)定電壓的要求。為此，又有人提出把一個(gè)較大的電池(該電池也 可能是燃料電池內(nèi)的啟動(dòng)電源)并聯(lián)到燃料電池系統(tǒng)上而把燃料電池 的輸出電壓拉到和電池電壓相同的值上，如圖2所示。然而，尚沒有 具體的方案來實(shí)現(xiàn)這一想法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前的燃料電池采用DC-DC變換器造成的輸出功率降低問 題，本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方 法，以實(shí)現(xiàn)無(wú)需DC-DC變換器而能夠保證燃料電池系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定，滿足負(fù)載的穩(wěn)壓要求。
本發(fā)明采用如下技術(shù)解決方案 一種無(wú)DC-DC變換器的燃料電池 穩(wěn)壓方法，是在工作負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃料電池氧化反應(yīng)的反應(yīng) 條件，而使燃料電池輸出電壓穩(wěn)定在工作負(fù)載所需要的電壓范圍。
上述的反應(yīng)條件可以是電堆反應(yīng)物的流量、壓力或濃度。當(dāng)反應(yīng) 氣體的流量、壓力、或濃度降低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)參與氧化還原反應(yīng)的 反應(yīng)物就減少，從而使得反應(yīng)速率降低，燃料電池的輸出功率也隨之 會(huì)降低。這樣，當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，控制器會(huì)相應(yīng)地降低反應(yīng)氣體的流量、 壓力、或濃度來降低電堆的功率輸出。該功率輸出的降低是由于反應(yīng) 氣體的流量、壓力、或濃度的降低而導(dǎo)致電堆產(chǎn)生的電流的降低，而 電堆的輸出電壓不變。反之，當(dāng)反應(yīng)氣體的流量、壓力或濃度增加時(shí)， 燃料電池的輸出功率會(huì)增加。所述的反應(yīng)物是指燃料或空氣，或者同 時(shí)控制燃料和空氣。
上述的被控制的反應(yīng)條件也可以是電堆的工作溫度，通過改變電 堆的工作溫度來調(diào)節(jié)燃料電池的輸出功率進(jìn)而取得穩(wěn)定的電堆電壓 輸出。由于電堆的輸出功率會(huì)隨著電堆的升溫而增加或隨著電堆的降 溫而減小，這樣，當(dāng)負(fù)載變小時(shí)控制器會(huì)相應(yīng)地通過增加冷卻劑(液 體或氣體)的流量使其帶走更多的熱量而降低電堆的溫度。反之，當(dāng) 負(fù)載變大時(shí)控制器會(huì)相應(yīng)地通過減小冷卻劑(液體或氣體)的流量使 其帶走更少的熱量而升高電堆的溫度。電堆輸出的電流會(huì)隨著輸出功 率的減小或增加而減小或增加，保證電堆的輸出電壓穩(wěn)定。
用于調(diào)節(jié)電堆輸出功率的反應(yīng)條件還可以是電堆中膜電極的濕度，通過改變電堆中的膜電極的濕度來調(diào)節(jié)燃料電池的輸出功率進(jìn)而 取得穩(wěn)定的電堆電壓輸出。 一般來講，當(dāng)膜電極的濕度高時(shí)，電堆的 輸出功率高，而當(dāng)膜電極的濕度低時(shí)，電堆的輸出功率低。膜電極的 濕度有若干種方式可以控制和調(diào)整。比如，它可以讓反應(yīng)氣通過加濕 器來調(diào)整。當(dāng)加濕器控制在不同的溫度時(shí)，進(jìn)入電堆的反應(yīng)氣就得到 了不同程度的加濕。當(dāng)負(fù)載變小時(shí)控制器會(huì)相應(yīng)地降低加濕器的溫度 而降低反應(yīng)氣濕度，從而導(dǎo)致電堆輸出功率的降低。反之，當(dāng)負(fù)載增 加時(shí)控制器會(huì)相應(yīng)地增加加濕器的溫度而增加反應(yīng)氣濕度，從而導(dǎo)致 電堆輸出功率的增加。電堆輸出的電流會(huì)隨著輸出功率的減小或增加 而減小或增加，保證電堆的輸出電壓穩(wěn)定。
本發(fā)明還提供了一種無(wú)DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，包括電堆
以及控制器，還包括用于調(diào)節(jié)燃料電池電堆工況的調(diào)節(jié)器，所述的控 制器采集所述電堆的輸出電壓并與設(shè)定電壓比較，并根據(jù)比較結(jié)果控 制和調(diào)節(jié)所述反應(yīng)條件，以保證電堆的輸出功率與負(fù)載匹配且保證輸 出的電壓穩(wěn)定在負(fù)載所需要的電壓范圍。
根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象不同，所述的調(diào)節(jié)器可以為安裝在燃料氣或空氣輸 入通道上的流量調(diào)節(jié)閥或壓力調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)燃料氣或空氣的流
量、濃度或壓力；也可以為安裝在冷卻水通道上的調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié) 電堆的工作溫度；還可以為控制燃料電池膜電極濕度的濕度調(diào)節(jié)裝 置。
當(dāng)然，還可以是同時(shí)對(duì)上述兩個(gè)或兩個(gè)以上的對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本發(fā)明是根據(jù)負(fù)載的變化，通過調(diào)節(jié)燃料電池的反應(yīng)工況來改變?nèi)剂想姵氐妮敵龉β?，達(dá)到使整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的輸出功率和輸出電
壓與工作負(fù)載始終匹配，從而避免了采用DC-DC變換器時(shí)存在的能量 損失問題。這種方法和系統(tǒng)減少了輸出電壓雜音，拓寬了無(wú)DC-DC變 換器燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，提高了燃料電池的可靠性，降低了燃 料電池成本，適合于各類燃料電池。


圖1為現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為一種燃料電池系統(tǒng)的組成方案示意圖。 圖3為本發(fā)明的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)的一種實(shí)施方式 原理圖。
圖4為空氣流量與燃料電池輸出功率關(guān)系圖。 圖5為空氣壓力與燃料電池輸出功率關(guān)系圖。 圖6為控制電堆工作溫度的實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以助于理解本 發(fā)明的內(nèi)容。
實(shí)施例1-調(diào)節(jié)反應(yīng)物控制輸出功率
圖3所示是本發(fā)明的一種實(shí)施方式示意圖，包括向負(fù)載2供電的 燃料電池電堆1，氫氣入口和空氣入口通過通道向燃料電池電堆供應(yīng) 反應(yīng)所需要的氣體-氫氣和空氣?？刂破鲗㈦姸演敵鲭妷号c設(shè)定電壓 進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果控制調(diào)節(jié)閥的開度值，以調(diào)節(jié)空氣和/或 作為燃料的氫氣的壓力(或流量或濃度)。負(fù)載2要求的電壓稱為設(shè)定電壓，當(dāng)電堆l的實(shí)際輸出電壓與設(shè)定電壓不同時(shí)，如實(shí)際輸出電 壓高于設(shè)定電壓值時(shí)，比較器輸出絕對(duì)值較大的負(fù)電壓，該電壓經(jīng)過 放大后，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥將空氣或燃料壓力(或流量或濃度)調(diào)低，電堆 的實(shí)際輸出電壓開始減小，當(dāng)達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，電壓比較器輸出電壓 為0，表明在該空氣和/或燃料壓力(或流量或濃度)下電堆的輸出 電壓和負(fù)載所需電壓相匹配，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。反之，如電堆實(shí)際 輸出電壓低于設(shè)定電壓值時(shí)，比較器輸出絕對(duì)值較大的正電壓，該電 壓經(jīng)過放大后，將燃料和/或空氣壓力(或流量或濃度)調(diào)高，電堆 的實(shí)際輸出電壓開始增加，當(dāng)達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，電壓比較器輸出電壓 為0，表明在該燃料或空氣壓力(或流量或濃度)下電堆的輸出電壓 和負(fù)載所需電壓相匹配，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
這一實(shí)施例是在工作負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃料電池氧化還原反 應(yīng)的反應(yīng)物來調(diào)節(jié)輸出功率，而使工作負(fù)載波動(dòng)時(shí)燃料電池輸出電壓 穩(wěn)定在工作負(fù)載所需要的電壓范圍。
圖4是為穩(wěn)定電堆的輸出電壓在33V時(shí)通過改變空氣流量時(shí)該電 堆輸出功率的變化。當(dāng)空氣的流量從50slpm減小到23slpm時(shí)，電堆 的輸出功率從802瓦減到545瓦，減小了44%，而電堆的輸出電壓一 直穩(wěn)定在33V。
圖5是為穩(wěn)定電堆的輸出電壓在33V時(shí)通過改變空氣壓力時(shí)該電 堆輸出功率的變化。當(dāng)空氣的壓力從60kPag減小到20kPag時(shí)，電堆 的輸出功率從970瓦減到809瓦，減小了17%，而電堆的輸出電壓一 直穩(wěn)定在33V。表明通過調(diào)節(jié)空氣壓力能夠?qū)崿F(xiàn)在電壓穩(wěn)定的情況下改變電堆的輸出功率。
實(shí)施例2-調(diào)節(jié)電堆工作溫度控制輸出功率
圖6所示是本發(fā)明的另一種實(shí)施例，與實(shí)施例1中不同的是，在
工作負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃料電池電堆的工作溫度來調(diào)節(jié)輸出功 率，而使工作負(fù)載波動(dòng)時(shí)燃料電池輸出電壓穩(wěn)定在工作負(fù)載所需要的 電壓范圍。
該燃料電池系統(tǒng)包括向負(fù)載2供電的燃料電池電堆1?？刂破鲗?電堆1輸出電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果控制冷卻劑調(diào) 節(jié)閥的開度值，以調(diào)節(jié)冷卻劑的流量，來控制燃料電池的工作溫度。 負(fù)載2要求的電壓稱為設(shè)定電壓，當(dāng)電堆l的實(shí)際輸出電壓與設(shè)定電 壓不同時(shí)，如實(shí)際輸出電壓高于設(shè)定電壓值時(shí)，比較器輸出絕對(duì)值較 大的負(fù)電壓，該電壓經(jīng)過放大后，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥將冷卻劑流量調(diào)高，電 堆溫度降低而使得實(shí)際輸出電壓開始減??；當(dāng)達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，電壓 比較器輸出電壓為0，冷卻劑流量已使電堆的輸出電壓和負(fù)載的輸入 電壓相匹配，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。反之，如實(shí)際輸出電壓低于設(shè)定電 壓值時(shí)，比較器輸出絕對(duì)值較大的正電壓，該電壓經(jīng)過放大后，將冷 卻劑流量調(diào)低，電堆的工作溫度升高而使實(shí)際輸出電壓增加，當(dāng)達(dá)到 設(shè)定電壓時(shí)，電壓比較器輸出電壓為0，冷卻劑流量已使電堆的輸出 電壓和負(fù)載的輸入電壓相匹配，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
實(shí)施例3-控制電堆膜電極的濕度來調(diào)節(jié)電堆輸出功率 該方案是在工作負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃料電池電堆膜電極的濕 度來調(diào)節(jié)輸出功率，而使工作負(fù)載波動(dòng)時(shí)燃料電池輸出電壓穩(wěn)定在工作負(fù)載所需要的電壓范圍。
膜電極的濕度有若干種方式可以控制和調(diào)整。其燃料電池系統(tǒng)參 照?qǐng)D6所示，將其調(diào)節(jié)閥改為調(diào)節(jié)加濕器的進(jìn)水量，或者是如
CN1216392A那樣調(diào)節(jié)加熱器、冷卻器或者是空氣泵來調(diào)節(jié)濕度，或 者通過調(diào)節(jié)加濕器的溫度來調(diào)節(jié)膜電極的濕度。
權(quán)利要求
1、一種無(wú)DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法，是在工作負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃料電池氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)條件來調(diào)節(jié)其輸出功率，而使燃料電池輸出電壓穩(wěn)定在工作負(fù)載所需要的電壓范圍內(nèi)。
2、 如權(quán)利要求1所述的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于所述的反應(yīng)條件是電堆反應(yīng)物的流量、壓力或濃度。
3、 如權(quán)利要求2所述的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于所述的反應(yīng)物是指燃料和/或空氣。
4、 如權(quán)利要求1所述的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于所述的反應(yīng)條件是電堆的工作溫度。
5、 如權(quán)利要求1所述的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于所述的反應(yīng)條件是電堆膜電極的濕度。
6、 一種無(wú)DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，包括電堆以及控制器， 其特征在于還包括用于調(diào)節(jié)燃料電池電堆工況的調(diào)節(jié)器，所述的控制器采集所述電堆的輸出電壓并與設(shè)定電壓比較，并根據(jù)比較結(jié)果控 制和調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)器，以保證電堆的輸出功率與負(fù)載匹配且保證輸出 電壓穩(wěn)定在負(fù)載所需要的電壓范圍。
7、 如權(quán)利要求6所述的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的調(diào)節(jié)器為安裝在燃料和/或空氣輸入通道上的流量調(diào)節(jié)閥或壓力調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)燃料或空氣的流量、濃度或壓力。
8、 如權(quán)利要求6所述的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的調(diào)節(jié)器為安裝在冷卻劑通道上的調(diào)節(jié)闊，用于調(diào)節(jié)電堆的工作溫度。
9、如權(quán)利要求6所述的無(wú)DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的調(diào)節(jié)器為控制燃料電池膜電極濕度的調(diào)節(jié)裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無(wú)DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法和燃料電池系統(tǒng)，是在工作負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)燃料電池氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)條件來調(diào)節(jié)其輸出功率，從而使工作負(fù)載波動(dòng)時(shí)燃料電池的輸出電壓仍能穩(wěn)定在工作負(fù)載所需要的電壓范圍內(nèi)。由于沒有DC-DC變換器，所以減少了電能無(wú)謂的消耗，提高了燃料電池的輸出效率。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101593993SQ200910148488
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者齊志剛 申請(qǐng)人:武漢銀泰科技燃料電池有限公司