并网型甲醇重整氢燃料电池系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种并网型甲醇重整氢燃料电池系统，包括电网、并网变换器、燃料电池电堆、重整室和加热体，所述电网与并网变换器的输入端电连接，所述并网变换器的输出端还分别与所述燃料电池电堆和加热体电连接，所述重整室分别与加热体和燃料电池电堆连接；所述并网变换器由交错并联BuckBoost电路、高频隔离双向全桥DC/DC电路和三相全桥DC/AC电路串联组成。本实用新型专利技术实现了系统自启动，降低了成本，提高了系统的功率密度。

Grid connected methanol reforming hydrogen fuel cell system

【技术实现步骤摘要】
并网型甲醇重整氢燃料电池系统
本技术涉及燃料电池系统，尤其涉及一种并网型甲醇重整氢燃料电池系统。
技术介绍
甲醇重整氢燃料电池属于质子交换膜燃料电池中的一类，甲醇溶液作为主要燃料与去离子水以等摩尔比混合后进入重整室，并通过高温反应CH3OH+H2O→CO2+3H2(ΔH298＝49.4kJ/mol)生产二氧化碳和氢气，随后氢气进入燃料电池系统，通过电解水的逆反应把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。其具备功率和容量可独立设计、安全可靠、寿命长、维护成本低等优点，使其在电动汽车、应急电源、电网调峰等领域有着极其广阔的应用前景。由于甲醇重整氢燃料电池系统不仅需要控制电池电堆充放电，还需要为重整室加热提供电源，系统供电回路复杂。并且，该系统启动过程中需要先将重整室加热至反应温度后，燃料电池电堆才能正常发电，系统控制逻辑复杂。同时，燃料电池侧的低压直流系统需要与电网侧的高压交流系统进行电气隔离，系统电路拓扑结构要求较高。针对上述问题，目前发展了以下电路结构和控制方法以实现甲醇重整燃料电池的并网控制。1、为满足启动过程中的电加热需求，甲醇重整燃料电池系统均额外配置一套锂电池储能模块以及对应的电源转换模块，在燃料电池电堆尚未达到反应温度时，首先通过锂电池为重整室提供电加热所需电源，该锂电池模块及其电源转换模块增加了系统的额外投资及体积重量，且在燃料电堆启动后退出运行，极大降低了系统整体运行效率及能量密度。2、在甲醇重整燃料电池系统中同时设置锂电池加热模块及燃料电池电堆控制模块，启动过程中需首先运行锂电池加热模块直至重整室达到反应温度，随后启动电堆发电控制模块，一方面向电网输出所需电量，另一方面还需为锂电池模块补充电量以备下一次启动加热所需，两套控制模块的的协调运行及组间通讯增加了控制系统的复杂性，降低了系统可靠性。3、目前部分甲醇重整燃料电池系统的并网逆变器依赖于高压侧工频变压器实现电气隔离，但未实现燃料电池低压直流侧与交流高压侧的电气隔离，在电池短路、变换器故障等情况下，燃料电池系统依然存在安全隐患。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本技术的目的是提供一种并网型甲醇重整氢燃料电池系统，本技术优化了并网型甲醇重整氢燃料电池系统的电路结构，实现系统无需锂电池的自启动功能，并实现低压直流侧的电气隔离。本技术的一种并网型甲醇重整氢燃料电池系统，包括电网、并网变换器、燃料电池电堆、重整室和加热体，电网与并网变换器的输入端电连接，并网变换器的输出端还分别与燃料电池电堆和加热体电连接，重整室分别与加热体和燃料电池电堆连接；并网变换器由交错并联BuckBoost电路、高频隔离双向全桥DC/DC电路和三相全桥DC/AC电路串联组成。进一步地，交错并联BuckBoost电路包括电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4。进一步地，电容C1的一端与电感L1和L2的一端相连，电感L1的另一端与开关管S2以及开关管S4相连，S4的另一端与电容C2的一端相连，电感L2的另一端与开关管S1以及开关管S3相连，开关管S3的另一端与电容C2的一端相连，电容C1的另一端与开关管S1、开关管S2以及电容C2的另一端相连，电容C2与高频隔离双向全桥DC/DC电路相连接。进一步地，高频隔离双向全桥DC/DC电路为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4；次级端连接的桥式结构的上下桥臂之间并联高压直流母线电容C3。进一步地，电容C2与高频变压器T1的初级端连接的桥式结构的上下桥臂并联。进一步地，高频变压器T1的变比为1:6。进一步地，电网是三相电网。进一步地，三相全桥DC/AC电路包括滤波电路、三相电感L和三组IGBT桥臂组成，滤波电路和三相电感L用于对三相电网发出的三相交流电进行滤波，三组IGBT桥臂并联高压直流母线电容C3。借由上述方案，本技术至少具有以下优点：1、本技术通过构建由交错并联BuckBoost电路、高频隔离双向全桥DC/DC电路、三相全桥DC/AC电路串联的并网变换器拓扑结构，避免系统额外配置大容量锂电池模块及对应的控制装置，实现了系统自启动，节省了系统在锂电池模块配置部分的额外投资，节省了系统的占地面积和体积重量，提高了系统的功率密度。2、本技术通过并网变换器，集成了原有锂电池加热控制以及电堆发电控制的两套控制系统功能，降低了原有两套电源控制系统协同运行的复杂度，降低了不同系统间频繁通讯带来的高频干扰，提高了系统运行稳定性。上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是本技术并网型甲醇重整氢燃料电池系统的结构示意图；图2是本技术并网型甲醇重整氢燃料电池系统的电路示意图；附图标记说明：1-电网；2-并网变换器；3-燃料电池电堆；4-加热体；5-重整室；6-主闸；7-燃料供应装置；20-交错并联BuckBoost电路；21-高频隔离双向全桥DC/DC电路；22-三相全桥DC/AC电路。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。实施例参见图1-2，本技术一较佳实施例的一种并网型甲醇重整氢燃料电池系统，包括三相的电网1、并网变换器2、燃料电池电堆3、重整室5和加热体4，电网1与并网变换器2的输入端电连接，并网变换器2的输出端还分别与燃料电池电堆3和加热体4电连接，重整室5分别与加热体4和燃料电池电堆3连接；燃料供应装置7所供应的燃料(甲醇和水)进入重整室5，加热体4为重整室5提供热量，在此热量的作用下，产生二氧化碳和氢气，随后氢气进入燃料电池电堆3，进行后续电极反应。其中，串联的电网1、并网变换器2、燃料电池电堆3构成燃料电池电堆3主电路，该电路主要实现燃料电池电池并网发电功能，电池电堆主电路中还设有主闸6，以实现电路的启闭。串联的电网1、并网变换器2、加热体4构成启动加热电路，该电路主要在燃料电池系统启动过程中为重整室5提供加热功能。并网变换器2由交错并联BuckBoost电路20、高频隔离双向全桥DC/DC电路21和三相全桥DC/AC电路22串联组成。交错并联BuckBoost电路20包括电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4。高频隔离双向全桥DC/DC电路21为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4；次级端连接的桥式结构的上下桥臂之间并联高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种并网型甲醇重整氢燃料电池系统，其特征在于：包括电网、并网变换器、燃料电池电堆、重整室和加热体，所述电网与并网变换器的输入端电连接，所述并网变换器的输出端还分别与所述燃料电池电堆和加热体电连接，所述重整室分别与加热体和燃料电池电堆连接；所述并网变换器由交错并联BuckBoost电路、高频隔离双向全桥DC/DC电路和三相全桥DC/AC电路串联组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种并网型甲醇重整氢燃料电池系统，其特征在于：包括电网、并网变换器、燃料电池电堆、重整室和加热体，所述电网与并网变换器的输入端电连接，所述并网变换器的输出端还分别与所述燃料电池电堆和加热体电连接，所述重整室分别与加热体和燃料电池电堆连接；所述并网变换器由交错并联BuckBoost电路、高频隔离双向全桥DC/DC电路和三相全桥DC/AC电路串联组成。


2.根据权利要求1所述的并网型甲醇重整氢燃料电池系统，其特征在于：所述交错并联BuckBoost电路包括电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4。


3.根据权利要求2所述的并网型甲醇重整氢燃料电池系统，其特征在于：所述电容C1的一端与电感L1和L2的一端相连，电感L1的另一端与开关管S2以及开关管S4相连，S4的另一端与电容C2的一端相连，电感L2的另一端与开关管S1以及开关管S3相连，开关管S3的另一端与电容C2的一端相连，电容C1的另一端与开关管S1、开关管S2以及电容C2的另一端相连，电容C2与高频隔离双向全桥DC/DC电路相连接。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杨阳，徐海华，陈辉，
申请(专利权)人：国网苏州城市能源研究院有限责任公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32