專利名稱：包括可靠電力分配器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用氫和氧之間的電化學反應(yīng)來產(chǎn)生電力的燃料電池系 統(tǒng)。更具體的，本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)操作條件，選擇
系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一，作為產(chǎn)生用于各種平衡設(shè)備(balance of plants, BOP)以及控制器的電力的電源，并從所選擇的電源分配電力。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)使用具有氫離子交換特性的質(zhì)子交換膜作 為電解質(zhì)膜。PEMFC fflil含氫的燃料氣體與含氧的空氣之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生 電和熱。PEMFC具有快速啟動性能，并且能設(shè)計成小尺寸。因此，PEMFC廣 泛地用于各種各樣的應(yīng)用，例如便攜式電源、汽車電源以及家庭熱電廠。
PEMFC包括具有膜電極組件和分隔片的單元電池。燃料電池堆包括多個單 元電池。
現(xiàn)有技術(shù)的具有燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)，該電池堆通過氫和氧之間的 電化學反應(yīng)產(chǎn)生電力，將燃料電池堆產(chǎn)生的電力(堆電力)供給給外部。燃料 電池系統(tǒng)將從燃料電池堆產(chǎn)生的一部分堆電力或從系統(tǒng)電源供給的系統(tǒng)電力用 俏喿作驅(qū)動燃料電池系統(tǒng)所需的BOP和控制器的電力。就此而言，燃料電池系 統(tǒng)不是同時都使用燃料電池堆和系統(tǒng)電源，而是根據(jù)其操作條件，選擇性地將 燃料電池堆和系統(tǒng)電源之一用作電源。因此，燃料電池系統(tǒng)包括電力分配器， 電力分配器能根據(jù)操作條件，選擇系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一，作為產(chǎn)生用于 各種平衡設(shè)備(balance of plants, BOP)以及控制器的電力的電源，并從所選擇 的電源分配電力。
圖5是示出現(xiàn)有技術(shù)燃料電池系統(tǒng)的電力分配器的連接結(jié)構(gòu)的示意圖。 如圖5所示，從燃料電池堆10產(chǎn)生的堆電力和從系統(tǒng)電源50供給的系統(tǒng)
電力輸入到電力分配器200。
電力分配器200包括第一繼電器210和AC/DC轉(zhuǎn)換器240，第一繼電器210
用于選擇性地開/關(guān)供給系統(tǒng)電力的系統(tǒng)電源50， AC/DC轉(zhuǎn)換器240用于將AC220V的交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力。
電力分配器200進一步包括第二繼電器220和DC/DC轉(zhuǎn)換器250，第二繼 電器220用于選擇性地開/關(guān)供給堆電力的燃料電池堆，DC/DC轉(zhuǎn)換器250用于 將DC48V的堆電力轉(zhuǎn)換為能用于各種BOP和控制器的DC24V。
電力分配器200進一步包括第三繼電器230，第三繼電器230根據(jù)操作條 件，選擇和供給從AC/DC轉(zhuǎn)換器240供給的系統(tǒng)電力和從DC/DC轉(zhuǎn)換器250 供給的堆電力之一。
在現(xiàn)有技術(shù)的電力分配器中，第一和第二繼電器210和220切斷系統(tǒng)電力 和堆電力之一，并且第三繼電器230選擇不被切斷的系統(tǒng)電力和堆電力之一作 為供給電力。然后，從第三繼電器230輸出的電力用作操作系統(tǒng)所需的BOP和 控制器的損耗電力。
然而，在第三繼電器230中切換電源期間，不可避免地產(chǎn)生從燃料電池堆 10或系統(tǒng)電源50不供給電力的臨時接觸點間隙。由于臨時不供給電力，使用從 第三繼電器230所供給的電力的控制器和BOP，例如泵或吹風機，可能發(fā)生故 障。
因此，如圖5所示，用于補償接觸點間隙的冷凝器(condenser) 281、 282 和283安裝在第三繼電器230的前后端。然而，根據(jù)系統(tǒng)和堆電力結(jié)合的結(jié)點 處負載的環(huán)境條件和各種其他控制條件，即使安裝了冷凝器281、 282和283， 也可能不能完剖軍決接觸點間隙的問題。另外，仍然存在著在燃料電池系統(tǒng)啟 動和停止操作時來自第三繼電器230的輸出電壓電平波動的問題。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的典型實施例提供了一種燃料電池系統(tǒng)，具有可靠電力分配器系統(tǒng)， 能根據(jù)操作條件，選擇系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一，作為產(chǎn)生用于各種平衡設(shè) 備(balance of plants, BOP)以及控制器的電力的電源，并從所選擇的電源分配 電力，以及能在電力分配期間防止產(chǎn)生接觸點間隙。技術(shù)方案
在本發(fā)明的實施例中，燃料電池系統(tǒng)包括通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn) 生電力的燃料電池堆，將含氫的轉(zhuǎn)化氣供給給"燃料電池堆的燃料處理單元，將 氧供給給燃料電池堆的氧供給單元，為燃料電池堆、燃料處理單元和氧供給單元執(zhí)行啟動、停止和電力產(chǎn)生操作的各種平衡設(shè)備和控制器，以及根據(jù)操作條 件選擇系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一作為電源并將來自所選擇的電源的電力分配 給BOP和控制器的電力分配器。電力分配器包括用于選擇性地開/關(guān)系統(tǒng)電源的
第一繼電器、用于將AC系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換為DC電力的AC/DC轉(zhuǎn)換器、用于根據(jù) 其前后端之間的電勢差而選擇性地切斷電流供給的二極管、用于開/關(guān)燃料電池 堆的第二繼電器、以及將堆電力轉(zhuǎn)換為可用于平衡設(shè)備和控制器的DC電力的 DC/DC轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)電力供給系統(tǒng)和堆電力供給系統(tǒng)在二極管和DC/DC轉(zhuǎn)換 器的后端相互連接，以將來自系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一的電力供給給平衡設(shè) 備和控制器。
DC/DC轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換的輸出電壓比AC/DC轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換的輸出電壓高 0.2-0.5V。
當二極管前端的輸入電勢小于二極管后端的輸出電勢時，二極管切斷電流 供給。當二極管前端的輸入電勢等于或者大于二極管后端的輸出電勢時，二極 管允許電流從其流過。有益效果
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)能根據(jù)操作條件，選擇系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一， 作為產(chǎn)生用于BOP和控制器的電力的電源。燃料電池系統(tǒng)會嗵過在系統(tǒng)電力和 堆電力共存的狀態(tài)下切換電源，穩(wěn)定地將電力分配給BOP和控制器，而不產(chǎn)生 臨時接觸點間隙。


圖1是根據(jù)本發(fā)明典型實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。 圖2是圖1中燃料電池系統(tǒng)的電力分配器的連接結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖3 ^出圖1和2的燃料電池系統(tǒng)啟動產(chǎn)生電力時，電力分配方法的流 程圖。
圖4 ^出圖1和2的燃料電池系統(tǒng)停止產(chǎn)生電力時，電力分配方法的流 程圖。
圖5是現(xiàn)有技術(shù)jt料電池系統(tǒng)的電力分配器的連接結(jié)構(gòu)的示意圖。
※圖中主要元件的附圖標記的描述※
10:燃料電池堆 20:燃料處理單元30:氧供給單元 40:冷卻單元
50:系統(tǒng)電源 100、 200:電力分配器
110、 120、 210、 220、 230:繼電器
130: 二極管
具體實施例方式
在下文中參考附圖對本發(fā)明進行更全面的描述，其中示出本發(fā)明的典型實 施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知曉，肖g以各種不同的方式修改所描述的實施方式 而均不背離本發(fā)明的精神或范圍。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
如圖1所示，本典型實施例包括，燃料電池堆io，通過氫和氧之間的電化
學反應(yīng)產(chǎn)生DC電力；燃料處理單元20，將燃料轉(zhuǎn)化為富氫轉(zhuǎn)化氣并將轉(zhuǎn)化氣 供給會合燃料電池堆10;氧供給單元30，將含氧的氧化劑供纟^^合燃料電池堆10，
冷卻單元40，用于吸收從燃料電池堆10產(chǎn)生的熱；電力轉(zhuǎn)換器，將在燃料電池
堆10中產(chǎn)生的DC電力轉(zhuǎn)換為AC電力；使用力AM料電池堆產(chǎn)生的電力的控制 器和多個BOP，用于啟動、停止和維持系統(tǒng)的電力產(chǎn)生；以及電力分配器IOO， 將在燃料電池堆10中產(chǎn)生的電力分配給BOP。燃料電池系統(tǒng)進一步包括系統(tǒng)電 源50或子電源，例如電池，用以供給BOP的啟動電力。在燃料電池堆10產(chǎn)生 電力后，系統(tǒng)電源50停止電力供給。
具體的，本典型實施例的燃料電池系統(tǒng)的電力分配器100設(shè)計成，在選擇 燃料電池堆10和系統(tǒng)電源50之一作為電源期間不產(chǎn)生接觸點間隙，并且有效 地將電力分配給BOP。關(guān)于這一點，下文中將更詳細地描述。
圖2是圖1中燃料電池系統(tǒng)的電力分配器的連接結(jié)構(gòu)的示意圖。 如圖2所示，電力分配器100包括，第一繼電器IIO，用以選擇性地開/關(guān) 供給系統(tǒng)電力的系統(tǒng)電源50， AC/DC轉(zhuǎn)換器140，用以將AC系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換為 DC電力，以及二極管130，用以根據(jù)前后端之間的電勢差選擇性地切斷電流供
4厶
電力分配器100進一步包括，第二繼電器120，用以選擇性±也開/關(guān)供給堆 電力的燃料電池堆，以及DC/DC轉(zhuǎn)換器150，用以將堆電力轉(zhuǎn)換為可用于BOP 和控制器的DC電力。更詳細地，第一繼電器110總是維持開狀態(tài)(on-state)來供給系統(tǒng)電力， 即使在系統(tǒng)停止時。因此，第一繼電器啟動系統(tǒng)的操作，并將系統(tǒng)電力供給給 BOP和控制器。在燃料電池堆10產(chǎn)生電力后，第一繼電器110切換到閉狀態(tài) (off-state)以切斷系統(tǒng)電力供給。
不像第一繼電器110以機械型式形成，第二繼電器120是以固態(tài)繼電， 型形成。當系統(tǒng)停止時，第二繼電器120維持閉狀態(tài)以切斷堆電力供給。在系 統(tǒng)啟動操作和燃料電池堆10產(chǎn)生電力后，第二繼電器120切換到開狀態(tài)。
二極管130設(shè)計成，根據(jù)前后端之間的電勢差選擇性地切斷電力供給，并 且允許電流僅流向BOP和控制器。
由于系統(tǒng)電力為AC220V， AC/DC轉(zhuǎn)換器140將系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換為可用于 BOP和控制器的DC24V。
由于堆電力為DC48V， DC/DC轉(zhuǎn)換器150將堆電力轉(zhuǎn)換為可用于BOP和 控制器的DC24.5V。在此，當堆電壓通過燃料電池堆10中電化學反應(yīng)的激舌而 達到額定電壓時，DC/DC轉(zhuǎn)換器150的輸出電壓設(shè)置成比AC/DC轉(zhuǎn)換器140 的輸出電壓高0.2-0.5V。
然后，系統(tǒng)電力供給系統(tǒng)和堆電力供給系統(tǒng)在二極管130和DC/DC轉(zhuǎn)換器 150的后端相互連接，從而電力分配器100選擇系統(tǒng)電源50和jt料電池堆10 之一作為電源并將來自所選擇的電源的電力供鄉(xiāng)煞合BOP和控制器。
艮P，由于系統(tǒng)啟動操作時燃料電池堆10的電化學反應(yīng)未被激活，只有 AC/DC轉(zhuǎn)換器140的輸出電壓供給給BOP和控制器。當系統(tǒng)產(chǎn)生電力以及燃 料電池堆10的電化學反應(yīng)被i^活時，第二繼電器120切換到開狀態(tài)以供給來自 燃料電池堆10的堆電力。然后，由于DC/DC轉(zhuǎn)換器150的輸出電壓比AC/DC 轉(zhuǎn)換器140的輸出電壓高0.5V， 二極管130切斷系統(tǒng)電力供給系統(tǒng)的電流，從 而可將堆電力供給給BOP和控制器。進一步，當系統(tǒng)停止操作時，第一繼電器 110切換到開狀態(tài)以供給來自系統(tǒng)電源的系統(tǒng)電九并且燃料電池堆10停止產(chǎn) 生電力。然后，AC/DC轉(zhuǎn)換器140的輸出電壓比DC/DC轉(zhuǎn)換器150的輸出電 壓高，因而二極管130允許將系統(tǒng)電力供給給BOP和控制器。
如上文的描述，在電力分配器100中，即使在用于供給電力給BOP和控制 器的電源被切換時，電壓變化僅為0.2-0.5V，因而能穩(wěn)定地維持BOP和控制器 的操作。
7圖3是示出圖1和2的燃料電池系統(tǒng)啟動產(chǎn)生電力時，電力分配方法的流 程圖。
參考圖2和3，當燃料電池系統(tǒng)啟動產(chǎn)生電力時，通過第一繼電器110將 系統(tǒng)電力供給給BOP和控制器，從而操作BOP和控制器(Sl)。
接著，第一繼電器110維持開狀態(tài)以保持供給系統(tǒng)電力，第二繼電器120 維持閉狀態(tài)以切斷堆電力供給。在此狀態(tài)下，燃料電池堆10中的電化學反應(yīng)由 控制器激活(S2)。
以上步驟后，確定堆電壓是否等于或高于預(yù)設(shè)置的開路電壓(OCV) (S3)。 于是，第二繼電器120維持幵狀態(tài)以供給堆電力，因而堆電力和系統(tǒng)電力共存 (S4)。就此，燃料電池堆10的輸出電壓設(shè)置成比系統(tǒng)電源50的輸出電壓高 0.5V。因此，系統(tǒng)電力維持在備用狀態(tài)而不經(jīng)過二極管130，而將堆電力供纟煞合 BOP和控制器。于是，在燃料電池系統(tǒng)中，即使在用于供給電力給BOP和控制 器電力的電源被切換時，電壓變化僅為0.2-0.5V，因而能穩(wěn)定地維持BOP和控 制器的操作。
接著，在燃料電池堆10的額定電力產(chǎn)生穩(wěn)定后，第一繼電器110關(guān)閉以切 斷系統(tǒng)電力供給，從而防止系統(tǒng)電源中電力的不必要損耗(S5)。
圖4 ^出圖1和2的it料電池系統(tǒng)停止產(chǎn)生電力時，電力分配方法的流 程圖。
再次參考圖2和4，燃料電池系統(tǒng)將來自燃料電池堆10的堆電力供給給 BOP和控制器(S6)，以及由于一些系統(tǒng)問題或當燃料電池堆10停止產(chǎn)生電力 時，燃料電池系統(tǒng)停止產(chǎn)生電力。然后，當傳輸電力產(chǎn)生信號時，第一繼電器 IIO切換到開狀態(tài)以供給系統(tǒng)電力，因而系統(tǒng)電力和堆電力共存(S7)。
接著，在燃料電池堆10停止產(chǎn)生電力前，第二繼電器120切換到閉狀態(tài)以 切斷堆電壓供給，因而燃料電池堆10不會過載(S8)。
接著，通過二極管130將系統(tǒng)電力供給給BOP和控制器，因此BOP和控 制 行停止產(chǎn)生電力的操作(S9)。最后，即使燃料電池系統(tǒng)的電力產(chǎn)生突然 停止而使控制器臨時停止操作，由于系統(tǒng)電力供給系統(tǒng)的第一繼電器110為開 狀態(tài)，在啟動產(chǎn)生時系統(tǒng)電力能供給給BOP和控審U器。
雖然結(jié)合當前所認為的實用典型實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解，本發(fā) 明不限于公開的實施方式，相反，本發(fā)明意欲涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精祌和范圍之內(nèi)的各種修改和等價變化。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池系統(tǒng)，包含燃料電池堆，通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電力；燃料處理單元，將含氫的轉(zhuǎn)化氣供給給燃料電池堆；氧供給單元，將氧供給給燃料電池堆；各種平衡設(shè)備和控制器，為燃料電池堆、燃料處理單元和氧供給單元執(zhí)行啟動、停止和電力產(chǎn)生操作；以及電力分配器，根據(jù)操作條件選擇燃料電池堆和系統(tǒng)電源之一作為電源，并將來自所選擇的電源的電力分配給BOP和控制器，其中，作為系統(tǒng)電力供給系統(tǒng)的電力分配器，包括用于選擇性地開/關(guān)系統(tǒng)電源的第一繼電器、用于將AC系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換為DC電力的AC/DC轉(zhuǎn)換器、以及用于根據(jù)其前后端之間的電勢差而選擇性地切斷電流供給的二極管，作為堆電力供給系統(tǒng)的電力分配器，包括用于開/關(guān)燃料電池堆的第二繼電器、以及用于將堆電力轉(zhuǎn)換為可用于平衡設(shè)備和控制器的DC電力的DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且其中系統(tǒng)電力供給系統(tǒng)和堆電力供給系統(tǒng)在二極管和DC/DC轉(zhuǎn)換器的后端相互連接，以將來自系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一的電力供給給平衡設(shè)備和控制器。
2、 權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換的輸出 電壓比AC/DC轉(zhuǎn)化器中轉(zhuǎn)換的輸出電壓高。
3、 權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換的輸出 電壓比AC/DC轉(zhuǎn)化器中轉(zhuǎn)換的輸出電壓高0.2-0.5V。
4、 權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，當二極管前端的輸入電勢小于 二極管后端的輸出電勢時，二極管切斷電流供給，以及，二極管前端的輸入電 勢等于或者大于二極管后端的輸出電勢時，二極管允許電流從其流過。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用氫和氧之間的電化學反應(yīng)來產(chǎn)生電力的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)包括電力分配器，能根據(jù)操作條件，選擇系統(tǒng)電源和燃料電池堆之一作為產(chǎn)生用于各種平衡設(shè)備(BOP)以及控制器的電力的電源，并從所選擇的電源分配電力。燃料電池系統(tǒng)能通過在系統(tǒng)電力和堆電力共存的狀態(tài)下切換電源，穩(wěn)定地將電力分配給BOP和控制器，而不產(chǎn)生臨時接觸點間隙。
文檔編號H01M8/04GK101569042SQ200780043968
公開日2009年10月28日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者劉渡煥, 李尚容, 洪炳善, 辛美男 申請人:燃料電池能量公司