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(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，世界各國都 對燃料電池進(jìn)行了廣泛的關(guān)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(dá)國家已投入了大量的人力物力和財力對 燃料電池進(jìn)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(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)表述了氫氣在陽極的氧化過程，反應(yīng)式 (2)表述了甲醇在陽極的氧化過程，反應(yīng)式(3)表述了相應(yīng)的氧氣
在陰極的還原過程
<formula>formula see original document page 5</formula>02 + 4H++ 4e— = 2H20 (3) 如圖1所示，電堆、DODC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(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(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。
對于千瓦級燃料電池系統(tǒng)，DC-DC變換器的能耗通常在10。/o以上， 這是很大的能量損失，大大地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(fù)載的變化而變化，g卩，燃料電池輸出的電壓隨著負(fù)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(fù)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(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DC-DC變換器的燃料電池 穩(wěn)壓方法，系統(tǒng)中電堆的輸出電壓設(shè)置在工作負(fù)載所需電壓范圍內(nèi)， 輸出功率設(shè)置在工作負(fù)載的正常功率值上，燃料電池的電堆并聯(lián)至少 兩個具有充放電功能的蓄能器，它們的工作電壓也設(shè)置在工作負(fù)載所 需電壓范圍內(nèi)，并和電堆工作電壓相同或至少很接近；當(dāng)燃料電池電
堆輸出功率低于工作負(fù)載功率時，其中一個含有飽和電量的蓄能器與
電堆一起向工作負(fù)載放電以補(bǔ)償電堆輸出功率的不足；當(dāng)燃料電池電 堆的輸出功率高于工作負(fù)載功率時，電堆向工作負(fù)載供電的同時向另 一個非飽和蓄能器充電，以使整個燃料電池系統(tǒng)輸出的總功率與工作 負(fù)載功率匹配，保證輸出電壓的穩(wěn)定。
在所述電堆的輸出功率高于工作負(fù)載功率并且向蓄能器充電仍 然不能滿足工作負(fù)載變動的要求時，還可以通過增加一個或一組變級 負(fù)載來消耗掉那部分多余的能量，而達(dá)到電堆的輸出電壓和功率穩(wěn)定 而不隨外界負(fù)載的變化而波動。
本發(fā)明還提供了一種無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料 電池電堆；至少一個處于電量飽和或半飽和狀態(tài)的具有充放電功能的 第一蓄能器，和至少一個處于電量放空狀態(tài)或半飽和狀態(tài)的具有充放 電功能的第二蓄能器；和控制器，用于監(jiān)測第一蓄能器和第二蓄能器 電量的變化，并根據(jù)工作負(fù)載功率的變化控制第一蓄能器或第二蓄能 器的斷開和接通；當(dāng)燃料電池電堆輸出功率低于工作負(fù)載功率時，控 制器控制第一蓄能器接通與燃料電池電堆同時向工作負(fù)載放電，以補(bǔ)償燃料電池輸出功率的不足，維持整個燃料電池系統(tǒng)輸出功率與工作
負(fù)載功率匹配；當(dāng)燃料電池電堆的輸出功率高于工作負(fù)載功率時，控
制器控制第二蓄電器接通，使燃料電池電堆在給工作負(fù)載輸出電能同 時向第二蓄能器充電，以維持整個燃料電池系統(tǒng)輸出的功率與工作負(fù) 載功率匹配。
另外，在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部位于電堆的正極和負(fù)極之間也可再加 一個"變級負(fù)載"如變級電阻，由所述的控制器控制其通斷電和調(diào)節(jié) 負(fù)載值來進(jìn)一步協(xié)調(diào)兩個電池組的功能。由于該變級負(fù)載是一個純消 耗電能的器件，所以一般來講，該變級電阻只有在蓄能器不能完全滿 足工作負(fù)載變動的幅度要求時才用。例如，當(dāng)外界的工作負(fù)載變小而 蓄能器不能完全接受電堆產(chǎn)生的超過所需的額外電量時才接通，那些 多余的電量將被消耗在變級負(fù)載上。由于變級負(fù)載的負(fù)載可變，它可 以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)而接受不同的能量消耗。
所述的蓄能器可以為各種可充電電池或者電容或者電容電池，或 其它具有蓄電和反復(fù)充放性能的裝置。
第一蓄能器和第二蓄能器的數(shù)量均可以為一個也可以根據(jù)需要 為多個，根據(jù)工作負(fù)載功率變化幅度和燃料電池電堆的功率來確定。
由于在工作過程中蓄能器的電量是變化的，總是重復(fù)著充電和放 電過程，這里的第一蓄能器和第二蓄能器，僅是用于區(qū)分放電和充電 狀態(tài)的蓄能器。
本發(fā)明是利用蓄能器的充放電特性，使得在燃料電池電堆的輸出 功率高于工作負(fù)載功率時向蓄能器充電，將多余的電量暫時儲存，而功率時將蓄能器內(nèi)儲存的 電能放出，與燃料電池電堆一起向工作負(fù)載供電，達(dá)到使整個燃料電 池系統(tǒng)(包括燃料電池電堆和蓄能器)功率與工作負(fù)載始終匹配，以 滿足燃料電池系統(tǒng)輸出的電壓符合工作負(fù)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(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為本發(fā)明的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)的另一種實施方 式原理圖。
圖5為本發(fā)明的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)的另一種實施方 式原理圖。
圖6為本發(fā)明的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)的控制原理圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例對本發(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。 實施例1
如圖3所示，是本發(fā)明的一種無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)實施方式原理圖，包括燃料電池電堆， 一個處于電量飽和狀態(tài)的具有充 放電功能的充電電池1 (簡稱為飽電池)與電堆并聯(lián)，以及一個處于 電量放空狀態(tài)的具有充放電功能的充電電池2 (簡稱空電池)。還有 控制器，用于監(jiān)測電池1和電池2的電量變化和負(fù)載功率變化，并根 據(jù)工作負(fù)載功率的變化控制電池1或電池2的斷開和接通。
其控制方法和燃料電池的穩(wěn)壓原理如圖6所示，電堆的的輸出電
壓設(shè)置在負(fù)載所需電壓范圍內(nèi)，輸出功率設(shè)置在負(fù)載大部分時間所需 的功率值上，即固定電堆輸出?？刂破鞅O(jiān)測工作負(fù)載的功率變化，和 充放電電池的電量變化，當(dāng)工作負(fù)載功率與電堆的設(shè)定值相比其本相 同時，即工作負(fù)載功率與設(shè)定值相比沒有變化，此時僅由電堆給負(fù)載 供電(回路1)。當(dāng)控制器檢測到工作負(fù)載的功率變小，此時電堆的 功率超過負(fù)載的需求，此時控制器控制接通電堆和空電池，即電堆在 向負(fù)載供電通時還給空電池充電，將超出負(fù)載需要的電量充給空電池
(回路2)。而當(dāng)工作負(fù)載功率增加時，控制器控制接通飽電池和工 作負(fù)載，在電堆向工作負(fù)載供電同時，飽電池同時給負(fù)載供電，以補(bǔ) 償電堆輸出功率的不足(回路3)。這樣由于整個燃料電池系統(tǒng)總輸 出與工作負(fù)載的功率保持匹配，以就保證了電池系統(tǒng)在沒有DC-DC變 換器時仍然能夠使電壓符合負(fù)載的穩(wěn)壓要求。
假設(shè)負(fù)載需要的輸入電壓是50 (±5) V，輸入功率在絕大多數(shù) 時間是2000瓦，電池1和2在工作狀態(tài)時的電壓都在50V。在系統(tǒng) 操作過程中，電堆的額定輸出電壓一直都被控制在50V，額定輸出功 率一直都被控制在2000瓦。當(dāng)負(fù)載功率穩(wěn)定在2000瓦時，電堆單獨(dú)給其供電，而兩個電池組都處于閑置狀態(tài)。如負(fù)載功率從2000瓦上 升到2500瓦，控制器控制電池1 (飽電池)的開關(guān)接通并給負(fù)載提 供500瓦的電量，電堆的輸出功率仍保持在2000瓦，而電池2仍處 于閑置狀態(tài)。這樣，通過電堆和電池1的組合，負(fù)載總共得到了 2500 瓦、穩(wěn)定在50V的電量。當(dāng)負(fù)載功率從2500瓦往下降到2200瓦時， 電堆的輸出功率仍保持在2000瓦，但電池1的輸出功率從500瓦降 低到200瓦。這樣，通過電堆和電池1的組合，負(fù)載得到了總共2200 瓦、穩(wěn)定在50V的電量。
反之，當(dāng)負(fù)載功率從2000瓦降低到到1500瓦，電堆的輸出功率 仍保持在2000瓦，其中的1500瓦用來給負(fù)載供電，而額外輸出的 500瓦用來給電池2 (空電池)充電。這樣，通過電堆和電池2的組 合，負(fù)載得到了總共1500瓦、穩(wěn)定在50V的電量.當(dāng)負(fù)載功率從1500 瓦往上升到1800瓦時，電堆的輸出功率仍保持在2000瓦，其中的 200瓦用來給電池2充電。這樣，通過電堆和電池2的組合，負(fù)載總 共得到了 1800瓦、穩(wěn)定在50V的電量.
由于飽電池是用來放電而空電池用來接收電， 一段時間以后，飽 電池會變成空電池，而空電池變成飽電池。燃料電池的控制器會一直 監(jiān)測兩組電池的電量情況，以便一直首選飽電池放電、空電池接收電。 監(jiān)測電池電量的方法有若干種，其中一個簡便方法是監(jiān)測電池的電 壓，高電壓表示較飽和電池，而低電壓表示較空電池。
由于電容也是一種具有充放電性能的蓄能器件，所以還可以如圖 5所示用一個電容代替圖3中的一個可充電電池，或者是兩個電池都在圖4所示的實施例中，還在電堆的正極和負(fù)極之間加一個變級 負(fù)載，可以是一個變級電阻，在外界的工作負(fù)載變小而電池或電容等 蓄能器不能完全接受電堆產(chǎn)生的超過所需的額外電量時，由控制器控 制該變級負(fù)載接通和調(diào)節(jié)其大小，以使那些多余的電量被消耗在該變 級負(fù)載上。
可充電的電池可以是鉛酸蓄電池、二次堿性電池、鎳氫電池或鋰 離子電池等。
權(quán)利要求
1、一種無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法，電池中電堆的輸出電壓設(shè)置在工作負(fù)載所需電壓范圍內(nèi)，輸出功率設(shè)置在工作負(fù)載的正常功率值上，燃料電池的電堆并聯(lián)至少兩個具有充放電功能的蓄能器，它們的工作電壓也設(shè)置在工作負(fù)載所需電壓范圍內(nèi)，并和電堆工作電壓相同或至少很接近；當(dāng)燃料電池電堆輸出功率低于工作負(fù)載功率時，其中一個含有飽和電量的蓄能器與電堆一起向工作負(fù)載放電以補(bǔ)償電堆輸出功率的不足；當(dāng)燃料電池電堆的輸出功率高于工作負(fù)載功率時，電堆向工作負(fù)載供電的同時向另一個非飽和蓄能器充電，以使整個燃料電池系統(tǒng)輸出的總功率與負(fù)載功率匹配，保證輸出電壓的穩(wěn)定。
2、 如權(quán)利要求1所述的無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于在所述電堆的輸出功率高于負(fù)載功率，并且向蓄能器充 電仍然不能滿足工作負(fù)載變動的要求時，還將電堆接一個變級負(fù)載來 消耗多余的功率。
3、 如權(quán)利要求2所述的無DC-DC變換器的燃料電池穩(wěn)壓方法， 其特征在于所述的變級負(fù)載為變級電阻。
4、 如權(quán)利要求1至3中之一所述的無DC-DC變換器的燃料電池 穩(wěn)壓方法，其特征在于所述的蓄能器為充電電池或電容或電容電池。
5、 一種無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池電堆， 其特征在于還包括至少一個處于電量飽和或半飽和狀態(tài)的具有充放 電功能的第一蓄能器；以及至少一個處于電量放空狀態(tài)或半飽和狀態(tài)的具有充放電功能的第二蓄能器；和控制器，用于監(jiān)測第一蓄能器和第二蓄能器電量的變化，并根據(jù)工作負(fù)載功率的變化控制第一蓄能器或第二蓄能器的斷開和接通；當(dāng)燃料電池電堆輸出功率低于負(fù)載功率 時，控制器控制第一蓄能器接通，使第一蓄能器與電堆同時向工作負(fù) 載放電，以補(bǔ)償電堆輸出功率的不足，維持整個燃料電池系統(tǒng)輸出功 率與負(fù)載功率匹配；當(dāng)燃料電池電堆的輸出功率高于工作負(fù)載功率 時，控制器控制第二蓄電器接通，使燃料電池電堆在給工作負(fù)載輸出 電能同時還向第二蓄能器充電，以維持整個燃料電池系統(tǒng)輸出的功率 與工作負(fù)載功率匹配。
6、 如權(quán)利要求5所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于電堆的正極和負(fù)極之間還加一個變級負(fù)載，在外界的工作負(fù) 載變小而蓄能器不能完全接受電堆產(chǎn)生的超過工作負(fù)載所需的額外 電量時，由控制器控制該變級負(fù)載接通和調(diào)節(jié)其大小，以使那些多余 的電量被消耗在該變級負(fù)載上。
7、 如權(quán)利要求6所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特 征在于所述的變級負(fù)載為變級電阻。
8、 如權(quán)利要求5至6中之一所述的無DC-DC變換器的燃料電池 系統(tǒng)，其特征在于所述的第一蓄能器為可充電電池或者電容或者電 容電池。
9、 如權(quán)利要求5至6中之一所述的無DC-DC變換器的燃料電池 系統(tǒng)，其特征在于所述的第二蓄能器為可充電電池或者電容或者電 容電池。
10、如權(quán)利要求5至6中之一所述的無DC-DC變換器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的第一蓄能器和/或第二蓄能器的數(shù)量為多 水
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)，系統(tǒng)中電堆的輸出電壓設(shè)置在負(fù)載所需電壓范圍內(nèi)，輸出功率設(shè)置在工作負(fù)載大部分時間所需的功率值上，燃料電池的電堆并聯(lián)至少兩個具有充放電功能的蓄能器；當(dāng)燃料電池電堆輸出功率低于工作負(fù)載功率時，其中一個含有飽和電量的蓄能器與電堆一起向工作負(fù)載放電以補(bǔ)償電堆輸出功率的不足；當(dāng)燃料電池電堆的輸出功率高于工作負(fù)載功率時，電堆向工作負(fù)載供電的同時向另一個非飽和蓄能器充電，以使整個燃料電池系統(tǒng)輸出的總功率與工作負(fù)載功率匹配，保證輸出電壓的穩(wěn)定。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H01M8/24GK101593994SQ200910148489
公開日2009年12月2日 申請日期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 申請人:武漢銀泰科技燃料電池有限公司