无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无ＤＣ－ＤＣ变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统，系统中电堆的输出电压设置在负载所需电压范围内，输出功率设置在工作负载大部分时间所需的功率值上，燃料电池的电堆并联至少两个具有充放电功能的蓄能器；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，其中一个含有饱和电量的蓄能器与电堆一起向工作负载放电以补偿电堆输出功率的不足；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，电堆向工作负载供电的同时向另一个非饱和蓄能器充电，以使整个燃料电池系统输出的总功率与工作负载功率匹配，保证输出电压的稳定。由于没有ＤＣ－ＤＣ变换器，所以减少了电能无谓的消耗，提高了燃料电池的输出效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，具体来说是一种不需要DC-DC变换器的 燃料电池。
技术介绍
为了解决环境污染和化石燃料日益枯竭的迫切问题，世界各国都 对燃料电池进行了广泛的关注，因为燃料电池是一种高效清洁能源， 对环境没有或只有很小的污染，并能用可再生性物质如氢气和甲醇做 为燃料。很多国家尤其是发达国家已投入了大量的人力物力和财力对 燃料电池进行广泛的研究和开发。作为发展中国家的中国也加大了对 燃料电池研发的投入。很多省市已把开发燃料电池提升到了战略高 度，并把开发燃料电池作为最重要的研发方向之一。燃料电池是一种电化学能量转换器，把燃料(和氧气)中的化学 能直接转化成电能。燃料在燃料电池的阳极被氧化，氧气在燃料电池 的阴极被还原。只要有燃料和氧气不停地输入，燃料电池就能源源不 断地产生电能。反应式(1)表述了氢气在阳极的氧化过程，反应式 (2)表述了甲醇在阳极的氧化过程，反应式(3)表述了相应的氧气在阴极的还原过程<formula>formula see original document page 5</formula>02 + 4H++ 4e— = 2H20 (3) 如图1所示，电堆、DODC变换器、启动电源、水热管理和控制器通常是构成一个燃料电池系统主要模块。其中，电堆是作为反应气(燃 料和氧气)发生电化学反应的地方；DC-DC变换器把从电堆中产生的 电能变换到负载所需的值，通常是把电堆的输出电压变化到负载所需 的输入电压；启动电源通常是电池或电容或两者的结合，用来启动燃 料电池系统和在需要时给负载提供额外的能量；水热管理保证水和热 的平衡以便让电堆和系统中的其他模块处于最佳工作状态；控制器用 来控制燃料电池系统中的所有模块和它们的运行过程。对于千瓦级燃料电池系统，DC-DC变换器的能耗通常在10。/o以上， 这是很大的能量损失，大大地降低了整个燃料电池系统的输出功率。 为此，有人提出了去掉DC-DC变换器的想法。但是，由于燃料电池的 输出电压随着负载的变化而变化，g卩，燃料电池输出的电压随着负载 的变化而来回波动，不能输出稳定的电压，而满足不了有些负载需要 稳定电压的要求。为此，又有人提出把一个较大的电池(该电池也可 能是燃料电池内的启动电源)并联到燃料电池系统上而把燃料电池的 输出电压拉到和电池电压相同的值上，如图2所示。然而，尚没有具 体的方案来实现这一想法。
技术实现思路
针对目前的燃料电池采用DC-DC变换器造成的输出功率降低问 题，本专利技术的目的在于提供一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方 法，以实现无需DC-DC变换器而能够保证燃料电池系统输出电压的稳定，满足负载的稳压要求。本专利技术采用如下技术解决方案 一种无DC-DC变换器的燃料电池 稳压方法，系统中电堆的输出电压设置在工作负载所需电压范围内， 输出功率设置在工作负载的正常功率值上，燃料电池的电堆并联至少 两个具有充放电功能的蓄能器，它们的工作电压也设置在工作负载所 需电压范围内，并和电堆工作电压相同或至少很接近；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，其中一个含有饱和电量的蓄能器与电堆一起向工作负载放电以补偿电堆输出功率的不足；当燃料电池电 堆的输出功率高于工作负载功率时，电堆向工作负载供电的同时向另 一个非饱和蓄能器充电，以使整个燃料电池系统输出的总功率与工作 负载功率匹配，保证输出电压的稳定。在所述电堆的输出功率高于工作负载功率并且向蓄能器充电仍 然不能满足工作负载变动的要求时，还可以通过增加一个或一组变级 负载来消耗掉那部分多余的能量，而达到电堆的输出电压和功率稳定 而不随外界负载的变化而波动。本专利技术还提供了一种无DC-DC变换器的燃料电池系统，包括燃料 电池电堆；至少一个处于电量饱和或半饱和状态的具有充放电功能的 第一蓄能器，和至少一个处于电量放空状态或半饱和状态的具有充放 电功能的第二蓄能器；和控制器，用于监测第一蓄能器和第二蓄能器 电量的变化，并根据工作负载功率的变化控制第一蓄能器或第二蓄能 器的断开和接通；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，控 制器控制第一蓄能器接通与燃料电池电堆同时向工作负载放电，以补偿燃料电池输出功率的不足，维持整个燃料电池系统输出功率与工作负载功率匹配；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，控制器控制第二蓄电器接通，使燃料电池电堆在给工作负载输出电能同 时向第二蓄能器充电，以维持整个燃料电池系统输出的功率与工作负 载功率匹配。另外，在燃料电池系统内部位于电堆的正极和负极之间也可再加 一个"变级负载"如变级电阻，由所述的控制器控制其通断电和调节 负载值来进一步协调两个电池组的功能。由于该变级负载是一个纯消 耗电能的器件，所以一般来讲，该变级电阻只有在蓄能器不能完全满 足工作负载变动的幅度要求时才用。例如，当外界的工作负载变小而 蓄能器不能完全接受电堆产生的超过所需的额外电量时才接通，那些 多余的电量将被消耗在变级负载上。由于变级负载的负载可变，它可 以根据需要进行调节而接受不同的能量消耗。所述的蓄能器可以为各种可充电电池或者电容或者电容电池，或 其它具有蓄电和反复充放性能的装置。第一蓄能器和第二蓄能器的数量均可以为一个也可以根据需要 为多个，根据工作负载功率变化幅度和燃料电池电堆的功率来确定。由于在工作过程中蓄能器的电量是变化的，总是重复着充电和放 电过程，这里的第一蓄能器和第二蓄能器，仅是用于区分放电和充电 状态的蓄能器。本专利技术是利用蓄能器的充放电特性，使得在燃料电池电堆的输出 功率高于工作负载功率时向蓄能器充电，将多余的电量暂时储存，而功率时将蓄能器内储存的 电能放出，与燃料电池电堆一起向工作负载供电，达到使整个燃料电 池系统(包括燃料电池电堆和蓄能器)功率与工作负载始终匹配，以 满足燃料电池系统输出的电压符合工作负载的稳压要求，从而避免了采用DC-DC变换器时存在的能量损失问题。这种方法和系统减少了输 出电压杂音，拓宽了无DC-DC变换器燃料电池系统的应用范围，提高 了燃料电池的可靠性，降低了燃料电池成本，适合于各类燃料电池。 附图说明图1为现有的燃料电池系统组成结构示意图。 图2为一种燃料电池系统的组成方案示意图。 图3为本专利技术的无DC-DC变换器的燃料电池系统的一种实施方式 原理图。图4为本专利技术的无DC-DC变换器的燃料电池系统的另一种实施方 式原理图。图5为本专利技术的无DC-DC变换器的燃料电池系统的另一种实施方 式原理图。图6为本专利技术的无DC-DC变换器的燃料电池系统的控制原理图。 具体实施例方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步详细描述，以助于理解本 专利技术的内容。 实施例1如图3所示，是本专利技术的一种无DC-DC变换器的燃料电池系统实施方式原理图，包括燃料电池电堆， 一个处于电量饱和状态的具有充 放电功能的充电电池1 (简称为饱电池)与电堆并联，以及一个处于 电量放空状态的具有充放电功能的充电电池2 (简称空电池)。还有 控制器，用于监测电池1和电池2的电量变化和负载功率变化，并根 据工作负载功率的变化控制电池1或电池2的断开和接通。其控制方法和燃料电池的稳压原理如图6所示，电堆的的输出电压设置在负载所需电压范围内，输出功率设置在负载大部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无ＤＣ－ＤＣ变换器的燃料电池稳压方法，电池中电堆的输出电压设置在工作负载所需电压范围内，输出功率设置在工作负载的正常功率值上，燃料电池的电堆并联至少两个具有充放电功能的蓄能器，它们的工作电压也设置在工作负载所需电压范围内，并和电堆工作电压相同或至少很接近；当燃料电池电堆输出功率低于工作负载功率时，其中一个含有饱和电量的蓄能器与电堆一起向工作负载放电以补偿电堆输出功率的不足；当燃料电池电堆的输出功率高于工作负载功率时，电堆向工作负载供电的同时向另一个非饱和蓄能器充电，以使整个燃料电池系统输出的总功率与负载功率匹配，保证输出电压的稳定。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐志刚，
申请(专利权)人：武汉银泰科技燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]