專利名稱:燃料電池電源系統(tǒng)的控制器的制作方法
本發(fā)明涉及一種燃料電池電源系統(tǒng)的控制器。
在燃料電池電源系統(tǒng)中，即使當(dāng)電源系統(tǒng)沒(méi)有使用時(shí)，燃料電池通常也保持在一適當(dāng)?shù)臏囟?，以防止它們的電解質(zhì)變性。例如，在磷酸電解液燃料電池電源系統(tǒng)中，一個(gè)燃料電池電源單元或一個(gè)含有多個(gè)燃料電池的燃料電池堆，是由諸如電熱器、循環(huán)加熱氣體等等適宜的加熱裝置一般地維持在大約100℃，使磷酸電解液不致變性。
當(dāng)這種磷酸電解液燃料電池電源系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，燃料電池堆首先被加熱裝置加熱到大約120℃的溫度，在這溫度下燃料電池可以產(chǎn)生反應(yīng)，而然后工作氣體，即可燃?xì)怏w和處理過(guò)的空氣被輸送到燃料電池堆，用燃料電池反應(yīng)的熱來(lái)加熱燃料電池堆。同時(shí)，一個(gè)直流負(fù)載電阻作為虛擬負(fù)載接入電源系統(tǒng)的輸出電路中。當(dāng)燃料電池堆的溫度達(dá)到其最佳操作溫度約190℃時(shí)，燃料電池電源系統(tǒng)維持額定輸出的穩(wěn)定狀態(tài)下工作，而將產(chǎn)生的電功率輸送至負(fù)載。然后切斷虛擬負(fù)載。
然而，在負(fù)荷下以反應(yīng)的熱加熱燃料電池堆的期間，產(chǎn)生的電功率作為熱浪費(fèi)地消耗掉，結(jié)果降低了發(fā)電的效率。
另一方面，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)停止工作時(shí)，負(fù)載從燃料電池堆的輸出電路脫開(kāi)，而負(fù)載電阻作為虛擬負(fù)載接入輸出電路，使燃料電池不致由于開(kāi)路引起的過(guò)電壓而損傷。這也導(dǎo)致發(fā)電效率的降低。
上述缺點(diǎn)可采用如圖3中所示的副電池來(lái)克服。副電池連至燃料電池電源單元(FC)的輸出電路，而負(fù)載(L)是經(jīng)逆變器(INV)和開(kāi)關(guān)(SW)連至電源單元(FC)輸出電路。然而，如果電池(E)是充足了電，在以燃料電池反應(yīng)的熱來(lái)加熱電源單元(FC)時(shí)，就不可能將它用作虛擬負(fù)載。此外，不可能以充足了電的副電池(E)來(lái)防止過(guò)電壓，過(guò)電壓可能在負(fù)載(L)從輸出電路脫開(kāi)時(shí)發(fā)生使電源單元停止工作。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一燃料電池電源系統(tǒng)的控制器，使系統(tǒng)在負(fù)荷狀態(tài)以燃料電池反應(yīng)的熱來(lái)加熱燃料電池電源單元時(shí)，可以將電功率損失減至最小。
本發(fā)明的另一目的是提供一燃料電池電源系統(tǒng)的控制器，使燃料電池電源單元在不降低電源單元的效率的情況下，也可以不致由于開(kāi)路產(chǎn)生過(guò)電壓而損傷。
根據(jù)本發(fā)明提供的燃料電池電源系統(tǒng)的控制器，包括一主開(kāi)關(guān)元件接入燃料電池電源單元和直流-交流變換器之間，一副電池連接到一充電開(kāi)關(guān)元件和一放電開(kāi)關(guān)元件，以及一開(kāi)關(guān)元件的控制電路，所說(shuō)充電開(kāi)關(guān)元件和放電開(kāi)關(guān)元件是串聯(lián)和跨接主開(kāi)關(guān)元件，在電源單元以燃料電池反應(yīng)的熱加熱操作期間，或在電源單元停止工作期間，在主開(kāi)關(guān)元件保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)的同時(shí)，所說(shuō)電池藉接通充電開(kāi)關(guān)單元充電，當(dāng)燃料電池電源單元達(dá)到其額定工作溫度時(shí)，所說(shuō)電池藉接通放電開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)直流-交流變換器放電。
在本發(fā)明的具有控制器的燃料電池電源系統(tǒng)中，在以燃料電池反應(yīng)的熱加熱其電源單元操作期間，產(chǎn)生的電功率是充電到副電池，而當(dāng)電源單元達(dá)到額定工作溫度時(shí)，所充的電功率的大部分作為正常的電功率，通過(guò)直流-交流變換器放電至負(fù)載。因而，本發(fā)明可使工作氣體的耗損減少，結(jié)果改進(jìn)了發(fā)電效率。因?yàn)樵谌剂想姵仉娫磫卧念~定工作之前，副電池進(jìn)行放電，在電源單元停止工作期間產(chǎn)生的電功率是通過(guò)充電開(kāi)關(guān)元件充電至副電池，這樣可以使燃料電池電源單元避免產(chǎn)生過(guò)電壓。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有控制器的燃料電池電源系統(tǒng)的方框圖;
圖2是圖1的控制器的電壓-電流特性圖;以及圖3是具有先有技術(shù)的控制器的燃料電池電源系統(tǒng)的方框圖。
現(xiàn)參閱圖1，燃料電池電源系統(tǒng)通常包括一燃料電池電源單元(1)，一直流-交流變換器(2)，即通常所說(shuō)的逆變器，以及一控制器(6)安裝在電源單元(1)的輸出電路和直流-交流變換器之間。電源單元(1)包含一堆燃料電池和連接到一可燃?xì)怏w輸送管(7)、一處理過(guò)的空氣輸送管(9)及一冷卻氣體輸送管(11)，各輸送管分別備有流量控制閥(8)、(10)及(12)。燃料電池電源單元(1)裝有一溫度檢測(cè)器(未畫(huà)出)以檢測(cè)其溫度(Tf)。檢測(cè)器的電測(cè)輸出被饋送至在下面敘述的控制電路(5)。
控制器(6)包括一主開(kāi)關(guān)元件(Th3)、一充電開(kāi)關(guān)元件(Th1)、一放電開(kāi)關(guān)元件(Th2)和一副電池4。主開(kāi)關(guān)元件(Th3)被接入燃料電池電源單元(1)和變換器2之間，而開(kāi)關(guān)元件(Th1)和(Th2)接成串聯(lián)并跨接主開(kāi)關(guān)元件(Th3)，如圖1所示。開(kāi)關(guān)元件(Th1)、(Th2)和(Th3)可以是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，比如可控硅、功率晶體管等等。在此實(shí)施例中，采用可控硅，和由包括熟知的可控硅斷續(xù)器(未畫(huà)出)的控制電路(5)來(lái)控制。電源單元(1)的輸出電壓(Vf)象副電池(4)的端電壓(Vb)一樣，也被饋送至控制電路(5)?？刂齐娐?5)的輸出端是通過(guò)激勵(lì)器(13)、(14)和(15)連接至流量控制閥(8)、(10)和(12)。
當(dāng)燃料電池電源系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，控制器被驅(qū)動(dòng)，以及電源單元(1)首先藉適宜的加熱裝置比如電熱器，以傳統(tǒng)的方式加熱。在預(yù)熱期間，所有的流量控制閥(8、10和12)處于關(guān)閉狀態(tài)，和所有的開(kāi)關(guān)元件(Th1、Th2和Th3)是保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。當(dāng)電源單元(1)的溫度達(dá)到圖2中在時(shí)間(t0)時(shí)的預(yù)定溫度(通常約為120℃)時(shí)，由控制電路(5)分別地控制激勵(lì)器(13)和(14)以打開(kāi)流量控制閥(8)和(10)。于是，工作氣體，即可燃?xì)怏w和處理過(guò)的空氣被輸送到燃料電池電源單元(1)，逐漸地產(chǎn)生燃料電池反應(yīng)的熱和電功率。
當(dāng)電源單元(1)的開(kāi)路輸出電壓(Vf)在時(shí)間(t1)達(dá)到一預(yù)定電壓(V1)時(shí)，充電開(kāi)關(guān)元件(Th1)由控制電路(5)激發(fā)導(dǎo)通，而主開(kāi)關(guān)元件(Th3)保持?jǐn)嚅_(kāi)。因而，副電池(4)作為虛擬負(fù)載被接入電源單元(1)的輸出電路，而電流(i)作為充電電流(i1)從電源單元(1)輸送到副電池(4)。此負(fù)載的作用減少了電源單元(1)溫度上升的困難。
在負(fù)荷狀態(tài)以反應(yīng)的熱加熱操作期間，充電開(kāi)關(guān)元件(Th1)由控制電路(5)用斷續(xù)器控制以使在電壓(Vf)等于或低于與燃料電池堆的溫度(Tf)相稱的額定電壓(V1)時(shí)，燃料電池電源單元輸送電功率至副電池(4)。
當(dāng)燃料電池電源單元(1)在時(shí)間(t2)到達(dá)其最佳工作溫度(約190℃)時(shí)，放電開(kāi)關(guān)元件(Th2)由控制電路(5)接通，而來(lái)自副電池(4)的電流(i2)連同來(lái)自電源單元(1)的電流(i)通過(guò)放電開(kāi)關(guān)元件(Th2)輸送至變換器(2)。同時(shí)，工作氣體由流量控制閥(8)和(10)這樣的調(diào)節(jié)，使從電源單元(1)輸送出的電流(i)減少到一預(yù)定的值，例如約額定電流的25%。這引起燃料電池反應(yīng)的熱減少，結(jié)果使電源單元的工作溫度上升停止。然而，因?yàn)榧词乖诖穗A段，冷卻氣體的流量控制閥(12)也保持關(guān)閉狀態(tài)，電源單元(1)是維持在最佳工作溫度。當(dāng)負(fù)載(L)有某些變化時(shí)，充電開(kāi)關(guān)元件(Th1)由控制電路(5)用斷續(xù)器控制以使電流(i)增加與負(fù)載變化相適應(yīng)。于是，電流(i0)是(i)與(i2)的和，它保持恒定而作為從電源系統(tǒng)通過(guò)直流-交流變換器(INV)的額定電流輸送。
當(dāng)副電池(4)的端電壓(Vb)低于一預(yù)定值或它的放電終電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)元件(Th1)和(Th2)由控制電路(5)關(guān)斷，而開(kāi)關(guān)元件(Th3)接通。于是，燃料電池電源單元(1)通過(guò)開(kāi)關(guān)元件(Th3)直接連接到變換器(2)。同時(shí)，流量控制閥(8)和(10)由激勵(lì)器(13)和(14)完全打開(kāi)，使電源單元(1)在額定條件工作。產(chǎn)生的電功率通過(guò)變換器(2)輸送至負(fù)載(3)。流量控制閥(12)由控制電路控制，使電源單元(1)維持在其約190℃的最佳工作溫度。
當(dāng)燃料電池系統(tǒng)停止工作，或當(dāng)直流-交流變換器必須關(guān)斷時(shí)，在時(shí)間t4，與關(guān)斷變換器(2)的同時(shí)，充電開(kāi)關(guān)元件(Th1)接通，同時(shí)，主開(kāi)關(guān)元件(Th3)關(guān)斷，而來(lái)自燃料電池電源單元(1)的電流(i)作為充電電流(i1)輸送到副電池(4)。燃料電池電源單元的輸出電壓維持在額定電壓(V1)以下，這樣可使燃料電池電源單元不致產(chǎn)生過(guò)電壓。
在圖2中，在t1和t2之間以及t4和t5之間的陰影區(qū)域，分別表示在以燃料電池反應(yīng)的熱加熱電源單元操作期間和電源系統(tǒng)停止工作期間，充電至副電池(4)的電容量。在t2和t3之間有交叉線的區(qū)域，表示從副電池放電的容量。
具有330電池堆的50仟瓦燃料電池電源單元，其額定電壓為200伏和額定電流為250安。于是，要求使用有容量為375安培小時(shí)和電壓為200伏的副電池，當(dāng)以燃料電池反應(yīng)的熱加熱電源單元時(shí)用作燃料電池電源單元的負(fù)載，和用作防止電源單元開(kāi)路過(guò)電壓的電壓控制器。假若這樣，以反應(yīng)的熱加熱燃料電池電源單元的時(shí)間大約為1小時(shí)。這樣，在t1和t2之間的時(shí)間間隔內(nèi)，充電的容量大約是200至230安培小時(shí)。當(dāng)燃料電池電源單元的額定負(fù)載(L)被接入時(shí)，從電源系統(tǒng)輸送出-250安(200伏)的電流(i0)，它是電流(i2)與(i)的和。既然是這樣，電池以約190安(200伏)放電。因而，放電時(shí)間即t2和t3之間的時(shí)間大約為1小時(shí)。
從上面所述可以了解到，根據(jù)本發(fā)明當(dāng)加熱燃料電池電源單元時(shí)，不發(fā)生電功率損失，這樣可使發(fā)電效率得到改進(jìn)。此外，當(dāng)變換器關(guān)斷時(shí)，因?yàn)殡娫磫卧妮敵鲭娐愤B接到副電池，不會(huì)有過(guò)電壓加到燃料電池電源單元。于是，不必?fù)?dān)心由過(guò)電壓引起的損害。因此，可以取得電源系統(tǒng)的簡(jiǎn)化以及效率的改進(jìn)。
權(quán)利要求
一種燃料電池電源系統(tǒng)的控制器，其特征是包括一主開(kāi)關(guān)元件接入燃料電池電源單元和直流-交流變換器之間，一副電池連接到一充電開(kāi)關(guān)元件和一放電開(kāi)關(guān)元件，以及一開(kāi)關(guān)元件的控制電路，所說(shuō)充電開(kāi)關(guān)元件和放電開(kāi)關(guān)元件接成串聯(lián)并跨接主開(kāi)關(guān)元件，在電源單元以燃料電池反應(yīng)的熱加熱操作期間，或在電源單元停止工作期間，而主開(kāi)關(guān)元件保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)，所說(shuō)電池藉接通充電開(kāi)關(guān)單元充電，當(dāng)燃料電池電源單元達(dá)到其額定工作溫度時(shí)，所說(shuō)電池藉接通放電開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)直流-交流變換器放電。
專利摘要
燃料電池電源系統(tǒng)的控制器包括主開(kāi)關(guān)元件接入燃料電池電源單元和直流-交流變換器之間，副電池連接到充電開(kāi)關(guān)元件和放電開(kāi)關(guān)元件，和開(kāi)關(guān)元件的控制電路，所說(shuō)充電開(kāi)關(guān)元件和放電開(kāi)關(guān)元件是串聯(lián)和跨接主開(kāi)關(guān)元件。當(dāng)電源單元在加熱操作時(shí)或當(dāng)直流-交流變換器從電源單元輸出電路脫開(kāi)以停止電源單元工作時(shí)，副電池借接通充電開(kāi)關(guān)元件充電，而當(dāng)燃料電池電源單元達(dá)到額定工作溫度時(shí)，電池借接通放電開(kāi)關(guān)元件通過(guò)直流-交流變換器放電。
文檔編號(hào)H01M10/44GK86104766SQ86104766
公開(kāi)日1987年1月14日 申請(qǐng)日期1986年7月16日
發(fā)明者山田誠(chéng), 塚本一義 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan