本发明专利技术的目的是一种偏置控制装置，用于控制用燃料电池产生电力的燃料电池系统中的电压值，燃料电池系统中的各燃料电池具有阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于阳极侧和阴极侧之间的电解质(104)，燃料电池系统包括至少两个燃料电池构成的至少一个燃料电池阵列(103)，以及用于执行负载功能的至少一个负载(146)。偏置控制装置包括：电压监测装置(142)，用于监测负载(146)的输入电压以获得监测信息；用于处理所述监测信息的控制处理器(120)；串联连接到至少一个燃料电池阵列(103)的至少一个偏置源(140)，偏置源(140)的功率电平大大低于燃料电池阵列(103)的功率电平，并且偏置源(140)被设置成执行燃料电池阵列输出电压的至少单向偏移以基于监测信息和处理后的监测信息中至少一方减少对于负载(146)可见的电压窗口，并且偏置控制装置还包括用于当在燃料电池系统中检测到断开原因时将至少一个燃料电池阵列(103)从负载(146)断开的装置(144)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术的目的是一种偏置控制装置，用于控制用燃料电池产生电力的燃料电池系统中的电压值，燃料电池系统中的各燃料电池具有阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于阳极侧和阴极侧之间的电解质(104)，燃料电池系统包括至少两个燃料电池构成的至少一个燃料电池阵列(103)，以及用于执行负载功能的至少一个负载(146)。偏置控制装置包括：电压监测装置(142)，用于监测负载(146)的输入电压以获得监测信息；用于处理所述监测信息的控制处理器(120)；串联连接到至少一个燃料电池阵列(103)的至少一个偏置源(140)，偏置源(140)的功率电平大大低于燃料电池阵列(103)的功率电平，并且偏置源(140)被设置成执行燃料电池阵列输出电压的至少单向偏移以基于监测信息和处理后的监测信息中至少一方减少对于负载(146)可见的电压窗口，并且偏置控制装置还包括用于当在燃料电池系统中检测到断开原因时将至少一个燃料电池阵列(103)从负载(146)断开的装置(144)。【专利说明】
尤其因为环境问题，已经在发展环境友好并且具有高效率的新能源。燃料电池装置是很有前途的未来能量转换装置，其通过燃料例如生物气经过环境友好处理中的化学反应而直接转变成电力。
技术介绍
如图1所呈现的，燃料电池具有阳极侧100和阴极侧102以及位于它们之间的电解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气被输送到阴极侧102并通过从阴极接收电子而被还原成负氧离子。该负氧离子穿过电解质材料104而到达阳极侧100，在这里，它与所用的燃料反应而产生水并且通常还产生二氧化碳(CO2)。在阳极100和阴极102之间是外部电路111，其中包括针对燃料电池的负载110。图2呈现了 SOFC装置，作为高温燃料电池装置的示例。SOFC装置能够利用例如天然气、生物气、甲醇或其它含有烃混合物的化合物作为燃料。图2中的SOFC装置系统包括以一个或多个堆栈结构形式103(S0FC堆栈)的超过一个、通常为多个的燃料电池。一个更大的SOFC装置系统包括多个堆栈103中的大量燃料电池。各燃料电池具有如图1所呈现的阳极100结构和阴极102结构。所用的燃料的一部分可以在反馈装置109中再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和转化器107。热交换器用于控制燃料电池处理中的热状况并且它们中的超过一个可以位于SOFC装置中的不同位置。循环气体中的额外的热能在一个或更多个热交换器105中被回收以在SOFC装置中或在外部利用。转化器107是将燃料例如空气转化成适于燃料电池的组合物的装置，例如转换为包含以下全部或者至少一些的组合物:氢气、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、惰性气体和水。无论如何，在各SOFC装置中不必须具有转化器。通过采用测量装置115 (例如燃油流量计、电流表和温度计)，执行用于SOFC装置的操作的必要测量。用于阳极100的气体的仅一部分在反馈装置109中再循环，并且其余部分气体从阳极100排出114。燃料电池是将反应物的化学能直接转化成电和热的电化学装置。燃料电池系统具有显著超过同等尺寸的传统能量产生技术的电效率和CHP(热电联产)效率的潜力。燃料电池系统被广泛的认为是未来能量产生技术的关键。为了将燃料电池系统的性能和寿命最大化，需要精确控制燃料电池的操作条件。燃料电池产生DC电流，而在更高功率系统中，通常希望AC输出，并由此需要从DC到AC的功率转换。为了允许燃料电池的实用接口和电流收集以及随后的功率转换，燃料电池被制造制成含有多个串联的单个电池的堆栈。在包括多个堆栈的燃料电池系统中，堆栈的电互连拓扑是关键的设计参数。多个堆栈的串联连接提供更低的布线和功率转换损耗以及更低的用于部件的成本。然而，燃料电池负载的电隔离限制和最佳操作电压电平通常限制串联连接的堆栈的可行数量。因此，如果需要比单串串联堆栈更高的功率水平，则需要堆栈或堆栈组的某种并联连接。当诸如燃料电池这样的电源被并联时，如果单个源的电特性存在偏差，则会发生不均匀的负载共享。对于燃料电池，很明显的问题是因为不均匀的负载共享会降低效率，由于燃料利用率的降低、和/或使得在高于上述平均电流操作那些燃料电池显著的劣化。由于堆栈之间串联电阻的固有变化和由于年龄、温度等引起的变化，如果将堆栈直接并联，则通常会发生一定程度的不均匀的负载共享。由于它们的内阻的固有的负温度系数，堆栈的电并联特别在高温燃料电池系统中是个问题。这个特性会在并联堆栈之间的负载共享平衡中造成正反馈行为，即具有更高电流的堆栈变热，这会由于内阻降低而趋于增加电流。为了避免电流共享问题，常常采用针对各堆栈或一串堆栈的单独转换器，这为系统带来了相当高的成本。燃料电池通常具有远比电池(battery)非刚性的电流-电压特性。图3呈现了燃料电池的一般形状和完整操作范围128以及作为对比的电池的一般形状和完整操作范围130。从图3可以看到，通常地，在燃料电池的标称操作点124处的电压电平显著低于无负载或低负载条件下的燃料电池的最大电压。附图标记130表不电池的标称操作窗口，而附图标记128表示燃料电池的操作窗口。结果，与该燃料电池接口的电力电子装置或更一般的负载需要应对相对宽的操作电压窗口。在系统寿命中发生的燃料电池劣化进一步降低全负载电压，需要更宽的操作窗口。对于电力电子装置，大的电压窗口一般需要在组件选择和滤波器尺寸方面的多方面妥协，这对于价格和效率有负面影响。例如，如果燃料电池的标称操作操作窗口例如为0.6-0.8V/电池，并且开路电压例如为1.1V/电池，电力电子部件需要根据最高电压来定尺寸，尽管大多数时间是在较低电压操作。大的燃料电池系统一般包括用于向电网或3相负载馈送电力的3相逆变器。对于逆变器，在最佳输入电压，即DC链路电压，是能产生不失真的输出的最小电压。理论最小电压是母线电压乘以2的平方根，即566V针对400VAC电网连接。在该电压上，需要合理的电压余量来补偿滤波器和开关上的电压降以及电网电压变化。用于400VAC逆变器的通常的DC链路设定点为625V。该电压之上的操作产生更高的开关和滤波损耗以及更高的电磁发射，而该电压之下的操作会导致失真的输出。最大允许电压由逆变器部件的电压等级决定，对于400VAC逆变器一般为800V，据此，施加了 20%的安全余量的最大电压为720V。从燃料电池向逆变器的馈送电力通常通过直接连接到逆变器(或其它负载)来进行或者通过DC/DC转换器级馈送燃料电池电力。如果采用DC/DC转换器，可以在DC/DC侧施加电压窗口匹配并且逆变器电压在所有时刻都保持在最佳。可以采用分立的DC/DC转换器，用于不同组的燃料电池堆栈，从而各DC/DC转换器可以控制相应堆栈组的电流，以减轻对于并联堆栈的普遍的不均匀的电流共享问题。引入所述分立DC/DC转换器的缺点是与所述分立转换器相关的转换损耗以及额外的经济成本。如果燃料电池直接连接到负载(例如逆变器)，则它们的电压，即，电池数量，必须被选择为使得输出电压充足，即使对于来自燃料电池的最小输出电压，即最大负载。假设0.65的最小电池电压，需要961个电池来产生625V的逆变器电压。在例如为1.1V的电池电压无负载条件下，输出电压为1058V。这需要本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种偏置控制装置，该偏置控制装置用于控制利用燃料电池产生电力的燃料电池系统中的电压值，燃料电池系统中的各燃料电池具有阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于阳极侧和阴极侧之间的电解质(104)，所述燃料电池系统包括至少两个燃料电池的至少一个燃料电池阵列(103)，以及用于执行负载功能的至少一个负载(146)，其特征在于，所述偏置控制装置包括：电压监测装置(142)，该电压监测装置用于监测所述负载(146)的输入电压以获得监测信息；控制处理器(120)，该控制处理器(120)用于处理所述监测信息；至少一个偏置源(140)，该至少一个偏置源(140)串联连接到所述至少一个燃料电池阵列(103)，所述偏置源(140)的功率电平大大低于所述燃料电池阵列(103)的功率电平，并且该偏置源(140)被设置成执行燃料电池阵列输出电压的至少单向偏移以基于监测信息和处理后的监测信息中的至少一方减少对于负载(146)可见的电压窗口，并且所述偏置控制装置还包括用于当在燃料电池系统中检测到断开原因时将所述至少一个燃料电池阵列(103)从所述负载(146)断开的装置(144)。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：金·阿斯特罗姆，
申请(专利权)人：康维恩公司，
类型：
国别省市：
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