燃料电池单元制造技术

本发明专利技术涉及用在聚集燃料电池中的燃料电池单元，尤其在燃料电池并联连接时有用。对多个聚集型燃料电池上的燃料电池输出的管理的改进提高了燃料电池的效率。本发明专利技术涉及包括燃料电池和调压变换器的燃料电池单元，并且还涉及包括并联连接的多个燃料电池单元的燃料电池模块。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用在聚集燃料电池中的用于管理燃料电池电流的装置。具体地，本专利技术涉及一种当燃料电池并联连接时管理燃料电池电流的装置。
技术介绍
在过去的几十年间，认识到全球能源正在减少引起了对识别电效率高的能量解决方案、同时也最小化通过释放有害废气而源于化石燃料的使用的环境影响的关注。燃料电池提供了这样有希望的发电手段，具有至少50％的电效率。当与热机相比时，燃料电池不发出有害的污染气体，从而使得它们更有利于环境保护。燃料电池包括阳极、阴极和电解质，该电解质使得离子电荷能够在阳极与阴极之间流动,同时电子被迫采用外部电通路从而提供供电。通常根据所使用的电解质的类型(例如，固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC))或者根据其工作温度来对燃料电池进行分类。例如，SOFC具有大约700℃至1000℃的工作温度。温度变化可能出现在燃料电池上，并且可能对燃料电池使用寿命有负面影响、同时也具有诸如提高燃料电池效率的正面效果。因此，燃料电池设计极其依赖于竞争因素的折衷以达到良好的燃料电池效率和使用寿命。燃料电池通过与氧气或其他氧化作用剂(即，氧化剂)的化学反应将来自燃料(即，反应物)的化学能转换成电力。氢气是最常用的燃料，但也可以使用诸如天然气的碳氢化合物以及如甲醇的酒精。恒定的反应物流和恒定的氧化剂流被供给至燃料电池以维持化学反应和电力生成。燃料电池可以持续地产生电力，只要提供这些输入即可。存在扩大燃料电池的规模以便传递越来越多的电能的驱动，尤其是对于固定发电站应用。民用的固定功率应用的期望输出为800W至几兆瓦的量级。为了传递大功率输出，通过将单独燃料电池串联和/或并联连接在一起来将它们聚集在一起。因此，燃料电池元件可包括串联连接在一起的多个单独燃料电池。可将多个这样的燃料电池元件聚集在一起以构成功率更大的燃料电池元件，并且可再次将这些功率增大的燃料电池元件聚集以构成另一燃料电池元件。聚集方式将取决于所需要的输出并且也会受加燃料和冷却剂要求的影响。在本说明书中，术语“燃料电池”可以指单独燃料电池或代表某一聚集级别的燃料电池元件。具体地，燃料电池模块是指并联连接在一起的多个燃料电池单元，其中燃料电池单元是聚集型燃料电池元件。在包括并联连接的多个燃料电池单元的燃料电池模块的使用寿命期间，每个燃料电池单元可能经历不同的劣化。这是由在整个燃料电池模块内的温度变化引起的，而这归因于老化以及燃料电池单元内的面积比电阻(ASR)的累积差异。燃料电池的ASR是利用燃料电池的面积来归一化的燃料电池的电阻。由于燃料电池是按单位面积进行比较的，因此ASR是比燃料电池的电阻更有用的度量。可以通过将电流密度与ASR相乘来识别欧姆电压损耗。每个更小的燃料电池元件的ASR通常在其使用寿命期间增大，而燃料电池模块上的开路电压分布图(profile)跟踪温度变化，并且通常，对燃料电池进行操作，以使得温度分布图保持不变。因此，接近每个燃料电池单元的使用寿命终止(EOL)或者在每个燃料电池单元的寿命终止时，每个燃料电池单元上的电流可能非常不同，其中电流经常在燃料电池模块内的燃料电池单元之间变化，从而反映了由累积的劣化造成的电压变化与温度之间的平衡的局部变化。此外，单独燃料电池单元的制造差别也可能造成每个燃料电池单元上的电流的差别。一个特定的燃料电池单元可能遭受完全故障并因此需要替换。当前，由于较旧的燃料电池单元会经历一定劣化，因此用新燃料电池单元替换有缺陷的燃料电池单元可能引起燃料电池模块上的电流与向该燃料电池模块供给的燃料之间的不平衡，从而预期到作为整体的燃料电池模块的效率的降低。在燃料电池模块的使用寿命期间较后期替换燃料电池单元会导致新的燃料电池单元承担与打算给几个燃料电池单元的电流负荷等同的大得多的电流负荷。在这样的状况下，作为燃料摩尔流量(molarflow)与电流的摩尔等效流量之比的燃料利用率可能在高电流元件中显著增大并且在剩余的燃料电池模块中下降至可接受水平以下。燃料利用率与燃料电池的效率直接相关，并且同样地，燃料利用率的优化是关键的。局部燃料电池模块化学性质是燃料利用率的函数。高燃料利用率通常导致使燃料电池模块损坏或劣化的化学状态(chemicalregime)。因此，必须将燃料利用率提高至不损害燃料电池使用寿命的最大水平。通常，为了获得最大效率而不缩短燃料电池使用寿命而必须传递的燃料利用比率的可接受范围可能小于5％，有时小至2％。必须与电流匹配的燃料流量基本上是固定的并且是按在制造时固定的燃料单元内的设计特征来设定的。例如纹波电流所引起的其他问题也可能造成在纹波电流影响燃料电池模块的化学性质的情况下燃料电池模块的电流/功率不平衡或者对燃料电池模块的直接损坏。US7,557,532B2公开了一种用于通过用于摩托车的燃料电池或其他低功率燃料电池的DC-DC电压变换器对燃料电池的输出电压进行稳定的系统。通常，燃料电池的输出电压当其接通负荷时会下降，US7,557,532B2旨在提供一种针对该问题的解决方案。DC-DC变换器和控制电路将总输出电压补偿至稳定电压。控制电路调节DC-DC电压变换器输出电压的幅值并且监视总输出电压。然而，该系统没有解决与管理多个燃料电池上的电流或电压和负荷相关联的问题。因此，本专利技术试图提供一种用在聚集燃料电池中的用于管理燃料电池电流和电压的装置，其减少、优选地克服上述问题。
技术实现思路
根据一个方面，提供了一种燃料电池单元，其被适配成连接至正极负载导轨(loadrail)和负极负载导轨，该燃料电池单元适合于作为与正极负载导轨和负极负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一，燃料电池单元包括燃料电池和调压变换器，该燃料电池具有在正极燃料电池输出端子与负极燃料电池输出端子之间提供的燃料电池输出电压，该调压变换器具有在正极变换器输出端子与负极变换器输出端子上提供的直流(DC)变换器输出电压以及被适配成被驱动的变换器输入；该调压变换器被配置成使得：变换器输入由燃料电池输出电压与变换器输出电压串联驱动；以及变换器输出电压与燃料电池输出电压组合，以使得燃料电池和调压变换器上的电压与正极负载导轨和负极负载导轨上的电压相同。可选地，调压变换器是DC-DC变换器。可选地，调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池单元，被适配成连接至正极负载导轨和负极负载导轨，所述燃料电池单元适合于作为与所述正极负载导轨和所述负极负载导轨并联连接的多个燃料电池单元之一，所述燃料电池单元包括燃料电池和调压变换器，所述燃料电池具有在正极燃料电池输出端子与负极燃料电池输出端子之间提供的燃料电池输出电压，所述调压变换器具有在正极变换器输出端子与负极变换器输出端子上提供的直流DC变换器输出电压以及被适配成被驱动的输入；所述调压变换器被配置成使得：所述输入由所述燃料电池输出电压与所述变换器输出电压串联驱动；以及所述变换器输出电压与所述燃料电池输出电压组合，以使得所述燃料电池和所述调压变换器上的电压与所述正极负载导轨和所述负极负载导轨上的电压相同。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.04 GB 1315754.01.一种燃料电池单元，被适配成连接至正极负载导轨和负极负载导
轨，所述燃料电池单元适合于作为与所述正极负载导轨和所述负极负载导
轨并联连接的多个燃料电池单元之一，所述燃料电池单元包括燃料电池和
调压变换器，所述燃料电池具有在正极燃料电池输出端子与负极燃料电池
输出端子之间提供的燃料电池输出电压，所述调压变换器具有在正极变换
器输出端子与负极变换器输出端子上提供的直流DC变换器输出电压以
及被适配成被驱动的输入；
所述调压变换器被配置成使得：
所述输入由所述燃料电池输出电压与所述变换器输出电压串联驱动；
以及
所述变换器输出电压与所述燃料电池输出电压组合，以使得所述燃料
电池和所述调压变换器上的电压与所述正极负载导轨和所述负极负载导
轨上的电压相同。
2.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其中，所述正极燃料电池
输出端子被适配成连接至所述正极负载导轨，所述负极输出变换器端子被
适配成连接至所述负极负载导轨。
3.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器是
DC-DC变换器。
4.根据权利要求3所述的燃料电池单元，其中，所述调节式DC-DC
变换器的输入包括正极变换器输入端子和负极变换器输入端子；以及所述
负极变换器输出端子还连接至所述负极变换器输入端子，所述正极燃料电
池输出端子还连接至所述正极变换器输入端子，并且所述负极燃料电池输
出端子连接至所述正极变换器输出端子。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池单元，其中，所述调节式
DC-DC是升压变换器。
6.根据权利要求3或4所述的燃料电池单元，其中，所述调节式
DC-DC是降压变换器。
7.根据权利要求3或4所述的燃料电池单元，其中，所述调节式
DC-DC是反激变换器。
8.根据权利要求1所述的燃料电池单元，其中，所述负极燃料电池

\t输出端子被适配成连接至所述负极负载导轨，所述正极变换器输出端子被
适配成连接至所述正极负载导轨。
9.根据权利要求2所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器是
DC-DC变换器。
10.根据权利要求9所述的燃料电池单元，其中，所述DC-DC变换
器的输入包括正极变换器输入端子和负极变换器输入端子；所述正极变换
器输出端子还连接至所述正极变换器输入端子，所述负极燃料电池输出还
连接至所述负极变换器输入端子，并且所述正极燃料电池输出端子连接至
所述负极变换器输出端子。
11.根据权利要求9或10所述的燃料电池单元，其中，所述调节式
DC-DC是反激变换器。
12.根据权利要求7或11所述的燃料电池单元，其中，所述反激变
换器是混合式额定反激变换器。
13.根据权利要求12所述的燃料电池单元，其中，所述混合式反激
变换器包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组是针对燃料电池电流或燃
料电池电压中的一个而额定的，所述次级绕组是针对燃料电池电流而额定
的。
14.根据任一前述权利要求所述的燃料电池单元，其中，所述调压变
换器是由过渡电压驱动的。
15.根据权利要求14所述的燃料电池单元，其中，所述过渡电压由
中间变换器提供，所述中间变换器由所述燃料电池输出电压与所述变换器
输出电压串联驱动，以使得所述调压变换器间接地由所述燃料电池输出电
压与所述变换器输出电压串联驱动。
16.根据权利要求15所述的燃料电池单元，其中，所述中间变换器
是降压型变换器。
17.根据权利要求15所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器
是反相DC-DC变换器。
18.根据权利要求14所述的燃料电池单元，其中，所述调压变换器
是由过渡AC电压驱动的AC-DC变换器。
19.根据权利要求18所述的燃料电池单元，其中，所述AC-DC变换
器包括整流器。

【专利技术属性】
技术研发人员：格拉尔德·D·阿格纽，
申请(专利权)人：LG燃料电池系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US