專利名稱：無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
技術領域：
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：
為了解決環(huán)境污染和化石燃料日益枯竭的迫切問題，世界各國都 對燃料電池進行了廣泛的關注，因為燃料電池是一種高效清潔能源， 對環(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。很多國家尤其是發(fā)達國家已投入了大量的人力物力和財力對 燃料電池進行廣泛的研究和開發(fā)。作為發(fā)展中國家的中國也加大了對 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能量轉(zhuǎn)換器，把燃料(和氧氣)中的化學 能直接轉(zhuǎn)化成電能。燃料在燃料電池的陽極被氧化，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。反應式(1)表述了氫氣在陽極的氧化過程，反應式 (2)表述了甲醇在陽極的氧化過程，反應式(3)表述了相應的氧氣
在陰極的還原過程
H2 二 2H+ + 2e— (1) CH30H + H20 = C02 + 6H+ + 6e_ (2)02 + 4H++ 4e— = 2H20 (3) 如圖1所示，電堆、DC-DC變換器、啟動電源、水熱管理和控制器
通常是構(gòu)成一個燃料電池系統(tǒng)主要模塊。其中，電堆是作為反應氣(燃 料和氧氣)發(fā)生電化學反應的地方，可以由一個大電堆或多個小電堆 組成，而每個電堆由若干單電池構(gòu)成；DC-DC變換器把從電堆中產(chǎn)生 的電能變換到負載所需的值，通常是把電堆的輸出電壓變化到負載所 需的輸入電壓；啟動電源通常是電池或電容或兩者的結(jié)合，用來啟動 燃料電池系統(tǒng)和在需要時給負載提供額外的能量；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行過程。
對于千瓦級燃料電池系統(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 輸出電壓隨著負載的變化而變化，燃料電池輸出的電壓就會隨著負載 的變化而來回波動，不能輸出穩(wěn)定的電壓，而滿足不了有些負載需要 穩(wěn)定電壓的要求。為此，又有人提出把一個較大的電池(該電池也可 能是燃料電池內(nèi)的啟動電源)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 體的方案來實現(xiàn)這一想法。
發(fā)明內(nèi)容
針對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DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法，以實現(xiàn)無需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，滿足負載的穩(wěn)壓要求。
本發(fā)明采用如下技術解決方案 一種無DC-DC變換器的燃料電池 穩(wěn)壓方法，是在工作負載變化時，通過調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)中參與供電 的氧化還原反應的有效活性反應區(qū)域大小來改變?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)的輸 出功率，使其與工作負載匹配，但維持電堆輸出的總電壓不變，從而 保證燃料電池系統(tǒng)輸出的電壓穩(wěn)定在工作負載所要求的電壓范圍內(nèi)。
由于燃料電池的發(fā)電是基于燃料和氧氣在電池的反應區(qū)域發(fā)生 氧化還原反應，因此通過控制反應區(qū)域的大小可以改變電池的輸出電 流和功率。調(diào)整電堆有效活性反應區(qū)域大小可以通過調(diào)整燃料電池系 統(tǒng)中參與供電的有效小電堆的數(shù)量來實現(xiàn)。當然，調(diào)整電堆有效活區(qū) 域大小也可以通過調(diào)整燃料電池系統(tǒng)中單電池上的膜電極有效活性 區(qū)間大小來實現(xiàn)。
本發(fā)明還提供了一種無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，包括電堆 以及控制器，所述的控制器用于采集燃料電池系統(tǒng)的輸出功率和電 流，并將輸出功率與負載進行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整參與供電的所 述小電堆中氧化還原反應的有效活性反應區(qū)域大小來改變?nèi)剂想姵?系統(tǒng)的輸出功率，使其與工作負載匹配，但維持電堆輸出的總電壓不 變，從而保證燃料電池系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在工作負載所要求的電壓范 圍內(nèi)。
所述的有效活性反應區(qū)域是指構(gòu)成電堆的單電池中膜電極的有 效活性區(qū)域。改變膜電極的有效活性區(qū)間可以通過若干種方式來進行。例如可以將所述的膜電極被活動蓋板遮蓋，所述的控制器通過控 制活動蓋板的執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整所述活動蓋板遮蓋膜電極活性區(qū)域的大 小。還可以通過所述的控制器控制執(zhí)行機構(gòu)將膜電極一側(cè)或兩側(cè)極板 上的流道部分堵塞或放開來調(diào)整參與氧化還原反應的有效活性區(qū)域 大小。
所述的有效活性反應區(qū)域也可以是指燃料電池系統(tǒng)中小電堆的 數(shù)量。對于以小電堆為單位來改變膜電極反應活性區(qū)域的方式，可以 采用每一個小電堆對應有一個開關用于實現(xiàn)電堆與輸出母線的接通 和斷開，所述的控制器控制所述的開關的通斷，用于通過控制參與供 電的工作小電堆的數(shù)量來調(diào)整燃料電池總輸出功率與工作負載匹配， 但維持電堆輸出的總電壓不變。這樣是以小電堆輸出功率的整數(shù)倍為 調(diào)節(jié)量進行調(diào)節(jié)輸出功率，每個小電堆可以由一片或若干片單電池組 成。這種躍級調(diào)節(jié)方式，只要單個小電堆的輸出功率小于工作負載的 通常變化幅度即可保證燃料電池輸出電壓穩(wěn)定在工作負載允許的電 壓范圍內(nèi)。小電堆與對應的開關之間還可以有二極管用于防止電流反 灌。
本發(fā)明是根據(jù)負載的變化，通過調(diào)節(jié)燃料電池的有效活性反應區(qū) 域來控制反應速率，進而控制燃料電池的輸出功率，達到使整個燃料 電池系統(tǒng)功率與工作負載始終匹配，但維持電堆輸出的總電壓不變， 以滿足燃料電池系統(tǒng)輸出的電壓符合工作負載的穩(wěn)壓要求，從而避免
了采用DC-DC變換器時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DC-DC變換器燃料電池系統(tǒng)的應用范圍，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DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)的一種實施方式 原理圖。
圖4為通過蓋板遮蓋膜電極的反應區(qū)域的示意圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，以助于理解本 發(fā)明的內(nèi)容。
實施例1-調(diào)節(jié)小電堆數(shù)量來控制輸出功率
圖3所示是本發(fā)明的一種實施方式示意圖。燃料電池系統(tǒng)包括 10個并聯(lián)的小電堆T1 T10，以及控制器l;并聯(lián)的小電堆T1 T10 通過輸出母線向負載2供電。
每一個小電堆對應有一個開關即S1 S10，用于實現(xiàn)小電堆T1 T10與輸出母線的接通和斷開，實現(xiàn)并網(wǎng)供電和從系統(tǒng)中切離出來。 控制器1用于采集燃料電池系統(tǒng)的輸出功率和電流，并將輸出功率與 負載進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制器1控制開關S1 S10的通斷，以 調(diào)整參與供電的小電堆數(shù)量，來改變?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)的輸出功率使其與 工作負載匹配，但維持電堆輸出的總電壓不變。
當控制器檢測到電堆的輸出總功率高于負載時，控制器依據(jù)功率 和電流采樣值，計算、判斷斷開小電堆模塊的數(shù)量，并控制相應的開關si-sio中某些開關斷開，從而系統(tǒng)總的輸出電流和總的輸出功率
下降，達到額定(或額定范圍)電壓下的電流值和功率值。當系統(tǒng)檢 測到電堆的輸出總功率低于負載時，控制器依據(jù)功率和電流采樣值， 計算、判斷合上小電堆模塊的數(shù)量，并控制相應的開關接通，從而系 統(tǒng)總的輸出電流和總的輸出功率上升，達到額定(或額定范圍)電壓 下的電流值和功率值。這樣就實現(xiàn)了各種負載情況下電壓的相對穩(wěn) 定。如果系統(tǒng)在調(diào)節(jié)瞬間有穩(wěn)壓需要，波動能量的吸收或釋放可以通 過電池或超級電容來輔助完成的。
在小電堆T1 T10和與之對應的開關S1 S10之間還可以有二極 管D1 D10用于防止電流反灌。
可以理解的是所述的電堆也可以由多個小電堆串聯(lián)組成，每一 個小電堆對應有一個開關用于實現(xiàn)電堆與輸出母線的接通和斷開，所 述的控制器控制所述的開關的通斷，用于通過控制參與供電的工作小 電堆的數(shù)量來調(diào)整燃料電池總輸出功率與工作負載匹配。當一個小電 堆與輸出母線斷開時， 一根導線將串聯(lián)到母線上以保證輸出母線上的 電流暢通。
實施例2-調(diào)節(jié)單電池中能夠參與氧化還原反應的膜電極活性區(qū)域的 大小來控制輸出功率
如圖4所示，這種方式是通過控制器的一個執(zhí)行機構(gòu)(圖中省略) 控制蓋板20將膜電極反應區(qū)域10部分遮蓋，改變單電池中能夠參與 氧化還原反應的膜電極活性區(qū)域的大小，來改變輸出功率，但保證電 堆的輸出電壓穩(wěn)定。當外界負載變小時控制器會相應地減小膜電極的有效活性面積，而當外界負載增加時控制器會相應地增加膜電極的有 效活性區(qū)間，電堆的輸出功率和電流會隨著膜電極的有效活性區(qū)間的 減小或增加而減小或增加，而電堆的輸出電壓穩(wěn)定。這種方式能夠在 輸出功率連續(xù)變化時維持電堆的輸出電壓穩(wěn)定。
權利要求
1、一種無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法，是在工作負載變化時，通過調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)中參與供電的氧化還原反應的有效活性反應區(qū)域大小來改變?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)的輸出功率，使其與工作負載匹配，但維持電堆輸出的總電壓不變，從而保證燃料電池系統(tǒng)輸出的電壓穩(wěn)定在工作負載所要求的電壓范圍內(nèi)。
2、 如權利要求1所述的無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于所述的有效活性反應區(qū)域大小，是指燃料電池系統(tǒng)中參 與供電的有效小電堆的數(shù)量。
3、 如權利要求1所述的無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于所述的有效活性反應區(qū)域大小，是指燃料電池系統(tǒng)中單 電池上的膜電極有效活性區(qū)間大小。
4、 一種無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，包括電堆以及控制器， 其特征在于所述的控制器用于采集燃料電池系統(tǒng)的輸出功率和電 流，并將輸出功率與負載進行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整參與供電的所 述小電堆中氧化還原反應的有效活性反應區(qū)域大小來改變?nèi)剂想姵?系統(tǒng)的輸出功率，使其與工作負載匹配，但維持電堆輸出的總電壓不 變，從而保證燃料電池系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在工作負載所要求的電壓范 圍內(nèi)。
5、 如權利要求4所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特 征在于所述的有效活性反應區(qū)域是指構(gòu)成電堆的單電池中膜電極的有效活性區(qū)域，所述的膜電極被活動蓋板遮蓋，所述的控制器通過控 制活動蓋板的執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整所述活動蓋板遮蓋膜電極活性區(qū)域的大 小。
6、 如權利要求4所述的無DODC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特 征在于所述的有效活性反應區(qū)域是指構(gòu)成電堆的單電池中膜電極的活性區(qū)域，所述的控制器控制執(zhí)行機構(gòu)將膜電極一側(cè)或兩側(cè)極板上的 流道部分堵塞或放開來調(diào)整參與氧化還原反應的有效活性區(qū)域大小。
7、 如權利要求4所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的電堆由多個小電堆并聯(lián)成，每一個小電堆對應有一個開關用于實現(xiàn)電堆與輸出母線的接通和斷開，所述的控制器控制所述 的開關的通斷，用于通過控制參與供電的工作小電堆的數(shù)量來調(diào)整燃 料電池總輸出功率與工作負載匹配。
8、 如權利要求7所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特 征在于小電堆與對應的開關之間還有二極管用于防止電流反灌。
9、 如權利要求4所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的電堆由多個小電堆串聯(lián)組成，每一個小電堆對應有一個開關用于實現(xiàn)電堆與輸出母線的接通和斷開，所述的控制器控制所 述的開關的通斷，用于通過控制參與供電的工作小電堆的數(shù)量來調(diào)整 燃料電池總輸出功率與工作負載匹配。
10、 如權利要求9所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于當一個小電堆與輸出母線斷開時， 一根導線將串聯(lián)到母線上以保證輸出母線上的電流暢通。
11、如權利要求4所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的電堆由多個小電堆串并聯(lián)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法和燃料電池系統(tǒng)，一種無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法，是在工作負載變化時，通過調(diào)節(jié)燃料電池系統(tǒng)中參與供電的氧化還原反應的有效活性反應區(qū)域大小來改變?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)的輸出功率，使其與工作負載匹配，但維持燃料電池輸出的總電壓不變，從而保證燃料電池系統(tǒng)輸出的電壓穩(wěn)定在工作負載所要求的電壓范圍內(nèi)。由于沒有DC-DC變換器，所以減少了電能無謂的消耗，提高了燃料電池的輸出效率。
文檔編號H01M8/04GK101593995SQ200910148490
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月1日 優(yōu)先權日2009年7月1日
發(fā)明者齊志剛 申請人:武漢銀泰科技燃料電池有限公司