提高燃料電池堆的可控性的方法和裝置的製作方法

2023-05-11 03:26:51 2

專利名稱：提高燃料電池堆的可控性的方法和裝置的製作方法
技術領域：
特別由於環境問題，環保並高效的新能源已經得到了開發。燃料電池設備將能夠利用未來能量轉換設備，通過環保處理中的化學反應，直接將如沼氣的燃料轉換成電力。
背景技術：
如圖1所呈現的，燃料電池包括陽極側100和陰極側102，以及陽極側100和陰極側102之間的電解質材料104。在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，氧氣被饋送至陰極側 102，並且通過從陰極接收電子，氧氣被分解(reduce)為負氧離子。負氧離子經過電解質材料104到達陽極側100，負氧離子在陽極側100與所使用的燃料發生反應產生水，並且通常還產生二氧化碳(CO2)。在陽極100和陰極102之間是包括燃料電池的負載110的外部電路 111。在圖2中，呈現了作為高溫燃料電池設備的示例的SOFC設備。例如，SOFC設備可以利用天然氣、沼氣、甲醇或含烴混合物(hydrocarbon mixture)的其它化合物作為燃料。 圖2中的SOFC設備系統在一個或多個堆結構103(S0FC堆)中包括一個以上的燃料電池， 通常包括多個燃料電池。較大的SOFC設備系統在多個堆103中包括很多燃料電池。如圖1 所呈現的，每個燃料電池包括陽極100和陰極102結構。部分使用過的燃料可以在反饋裝置109中進行再循環。圖2中的SOFC設備還包括燃料熱交換器105和轉化器107。熱交換器被用於控制燃料電池過程中的熱狀態，並且在SOFC設備的不同位置中可以存在這些熱交換器中的一個以上。在一個或多個熱交換器105中回收循環氣體中的額外熱能，以便在SOFC設備中或外部使用。轉化器107是將諸如天然氣的燃料轉換為適合燃料電池的混合物(例如，包括以下全部或至少部分的混合物氫氣、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、惰性氣體和水)的設備。然而，無論如何，在各SOFC設備中並不是必須要具有轉換器的。通過利用測量模塊115 (比如燃料流量計、流速計和溫度計)執行對SOFC設備的運行的必要的測量。僅用於陽極100的部分氣體在反饋裝置109中進行再循環，而其它部分氣體從陽極100排出114。固體氧化物燃料電池(SOFC)設備是從對燃料的氧化中直接產生電的電化學轉換設備。SOFC設備的優點包括高效率、長期穩定性、低排放、低燃料易變性以及低成本。主要缺陷在於導致啟動時間長以及機械和化學二者兼容性問題的高運行溫度。燃料電池系統具有顯著超出相當尺寸的常規的能源生產技術的電力生產和熱電聯產(CHP)的效率的潛能。燃料電池系統被廣泛認為是關鍵的未來能源生產技術。為了最大化燃料電池系統的性能和壽命，需要對燃料電池的運行狀態的精確控制。燃料電池產生DC電流，而在更高功率的系統中，通常期望AC輸出，因此需要從DC到AC 的電力轉換。為了顧及實際的對接和從燃料電池收集電流以及後續的電力轉換，將燃料電池製造為包含多個串聯的個體電池的堆。在包括多個堆的燃料電池系統中，堆的電互連拓撲是關鍵的設計參數。多個堆的串聯提供較低的布線和電力轉換損耗以及較低的組件成本。然而，缺點是所有串聯的堆將具有相同的電流。理想地，當所有堆是相同的，且它們的運行狀態完全等同時，這不是問題。 但是，在實際系統中，將總是有一些溫度、燃料流和堆特性上的變化。尤其在設計為考慮替換個體堆的系統中，由於使用時間差異，在堆之間可能存在顯著的變化。當相異的堆被置於電串聯時，它們的電流通常需要根據串聯中性能最差的堆而受限。因此，燃料電池系統失去了較健壯的堆的潛在性能。由於堆的內阻的固有的負溫度係數，堆的電並聯尤其是在高溫燃料電池系統中是有問題的。在將多個串聯的堆的串並聯在一起時，此特性甚至引起不平均的均流(current sharing)問題。為了避免該均流問題，通常使用針對每個堆的獨立的轉換器，而這為系統帶來了額外的成本。在芬蘭專利公開FI118553 Bl中呈現了一種生物催化的燃料電池裝置，該燃料電池裝置中的燃料電池串聯或並聯。以提高所述生物催化的燃料電池裝置的輸出電壓為目的，這種裝置包括通過採用控制電路控制的可控開關，以使得所述開關能夠循環地改變至導通狀態和從導通狀態改變。由於在FI118553 Bl中沒有呈現能夠單獨測量堆以及為了避免串聯的堆之間的相異性問題而進行調整的實施方式，所以，無論如何，FI118553 Bl並沒有給出對所描述的至少是置於電串聯的相異堆(其中，其電流需要根據串聯中最差性能的堆而受限)的問題的解決方案。

發明內容
本發明的目的是實現一種燃料電池系統，其中多個燃料電池可以串聯，以使得燃料電池系統中的燃料電池堆的負載能夠得到積極的優化，且可以使各燃料電池的壽命更長，並且因此甚至可以基本上使整個燃料電池系統的壽命更長。通過一種用於調整用於利用燃料電池產生電的燃料電池系統中的電流值的裝置可以達到上述目的，所述燃料電池系統中的每個燃料電池包括陽極側、陰極側和陽極側與陰極側之間的電解質，並且燃料電池系統包括至少兩個電串聯的個體燃料電池堆或堆組，每個堆包括至少一個燃料電池。用於調整燃料電池系統中的電流值的裝置包括用於從至少一個串聯中汲取電流的主要部分的模塊；至少一個調整電路，該調整電路用於調整串聯中的所述個體燃料電池堆或堆組的電流值；集成模塊，該集成模塊用於集成所述至少一個調整電路與所述個體燃料電池堆或堆組以布置與電流的主要部分相比較小的補償電流經過所述至少一個調整電路，並且所述至少一個調整電路包括用於控制所述至少一個燃料電池堆中的所述較小的補償電流的模塊。本發明還針對一種用於調整利用燃料電池堆產生電的燃料電池系統中的電流值的方法。在該方法中，對所述電流值的調整通過以下步驟實現從個體燃料電池堆或堆組的至少一個串聯汲取所述電流的主要部分；通過集成所述至少一個調整電路與所述個體燃料電池堆或堆組以布置與所述電流的主要部分相比較小的補償電流經過所述至少一個調整電路，來調整所述串聯中的所述個體燃料電池堆或堆組的電流值；以及通過利用所述至少一個集成調整電路來控制所述至少一個燃料電池堆中的所述較小的補償電流。本發明基於與至少一個燃料電池堆集成的至少一個調整電路，其中，至少一個燃料電池堆至少串聯到至少一個其它燃料電池堆，這種集成被布置為使得與在所述至少串聯的堆中的電流相比較小的電流經過所述至少一個調整電路。所述至少一個調整電路感測所述至少一個燃料電池堆中的電壓或電流值，所述至少一個燃料電池堆與所述至少一個調整電路集成，並且所述至少一個調整電路被布置為基於所感測到的電壓或電流值調整所述至少一個燃料電池堆中的電流值。本發明的益處在於其使得經濟地建立具有長串聯的燃料電池系統成為可能，其中該長串聯可以包括多個燃料電池堆，其不會因為堆的差異性而降低能量產生能力。這些燃料電池系統還具有較長的預期壽命，由此提高了本發明可實現的成本節省。


圖1呈現了單個燃料電池結構。圖2呈現了 SOFC設備的示例。圖3呈現了根據本發明的優選實施方式。圖4呈現了調整電路的第一優選實現方式。圖5呈現了調整電路的第二優選實現方式。
具體實施例方式本發明的目的在於通過布置串聯和/或並聯的組內的堆的有限電流的可調性來避免串聯堆和並聯堆的缺點。通過引入與燃料電池堆相關的基本上較小的電流調整電路使此特徵成為可能。這些調整電路能夠從與其它堆串聯或並聯的堆汲取有限電流，或向該堆供應有限電流。圖3中呈現了根據本發明的優選實施方式。在該燃料電池設備中，多個燃料電池堆103串聯，並且串聯的燃料電池堆103的組並聯。儘管圖3中的示例僅示出了串聯的四個燃料電池堆103，但可以有更多串聯的燃料電池堆，並且該串聯堆103的組可以與一個或多個其它串聯堆的組並聯。可以藉助於汲取或者供應補償電流的堆特定的電流調整電路112 在一定的約束內對串聯堆103的電流進行單獨且主動的控制。優選地，對於每個堆103或兩個堆，布置其各自的堆特定的電流調整電路112，該堆特定的電流調整電路112能夠從與串聯堆的組中的其它堆串聯的堆汲取有限電流或者向該堆供應有限電流。換句話說，優選地，針對每個堆103，通過將至少一個調整電路112與每個堆集成來布置單獨且主動的負載控制，以便使負載狀態保持最優，而不管在利用燃料電池產生電的過程中的堆差異性。圖3 中的這一布置還包括轉換器122，例如DC-AC轉換器。模塊127、122從堆103的串聯汲取電流的主要部分。箭頭117描述了從轉換器122輸出的電力，例如從DC-AC轉換器輸出的AC 電力。作為轉換器122，還可以例如是dc-dc轉換器，並且繼而所述輸出電力117是dc電力。調整電路112的結構和尺寸使得其能夠通過單獨調整包括多個堆的串聯和/或並聯配置中的每個堆的最優電流來補償堆103之間的差異。在本發明的優選實施方式中，這意味著額定堆103電流的例如5-10%的補償範圍。因此，堆電流仍然在主電流布線127中流動，然而，與所述堆電流相比，最大5-10%的補償範圍的電流經過調整電路112和相關布線116。補償範圍電流值通常小於所述5-10%的補償範圍電流最大值。調整電路112可以允許雙向電流流動。這意味著補償範圍電流值對主路徑電流的影響使得堆電流在平均主路徑電流值的例如90 % -110 %之間變化。這些變化通常在更窄的範圍內，例如在97 % -103 % 之間，與平均主路徑電流值相比，補償範圍電流最大值為3%。調整電路112也可以被限制為單向電流流動。這意味著補償範圍電流值對主路徑電流的影響使得堆電流在平均主路徑電流值的例如90% -100%之間或100% -110%之間變化。由於在根據本發明的實施方式中，僅總燃料電池堆電力的一小部分經過調整電路 112，所以對調整電路的相關布線可以較小，並且在不犧牲總體效率的情況下，調整電路的電力轉換效率可以明顯低於主電力路徑的效率。這使得調整電路112和相關布線116的低成本實現成為可能。在本發明的優選實施方式中，由於調整電路112上的拓撲相關電壓僅是一個或兩個堆103的電壓，因此可以使用低電壓和高頻率的組件來產生非常緊湊的電路。利用集成模塊116、1M實現調整電路112與燃料電池堆103的集成，該集成模塊包括例如用於通過使用相同布線116和電路板IM測量堆的電壓的現有模塊124，由此再次實現了成本節省。用於測量的模塊(即，用於感測燃料電池堆103的電壓的模塊124)產生控制信號，優選地，調整電路112使用該控制信號單獨地調整每個燃料電池堆的最優電流。該集成還可以實現為使得根據本發明的優選實施方式使用燃料電池系統中用於傳遞(relay) 測量結果以及執行根據本發明的實施方式時的控制信號的現有數據布線116。實現調整電路112存在多種可能性。在圖4中，呈現了調整電路112的第一優選實現方式，也就是隔離高頻變壓器裝置(例如順向型、反激式、推挽式、全橋裝置)。作為集成模塊124，此裝置包括作為隔離級的dc-dc轉換器123、可控開關S、作為整流級的二極體 D以及控制模塊131，該控制模塊131控制用於將調整電路單獨地與串聯的燃料電池堆集成的開關，以允許與主電流布線127中的電流的主要部分相比較小的補償電流經過調整電路 112和相關布線116。各燃料電池堆的電壓由用於感測電壓值以產生控制信號的模塊來測量。利用相關的控制模塊131來操作對開關S打開或閉合位置的控制，優選地，該控制模塊 131在各所述開關S附近，以單獨地調整各燃料電池堆103的電流。這是所謂的開關S的低級別控制，並且可以通過用於為所述控制模塊131提供電流設置點的系統控制120來獨立地布置所謂的開關S的高級別控制。例如，系統控制120可以是可編程邏輯控制器(PLC)。 優選地，開關S可以是雙極型電晶體或FET型電晶體或某些其它電晶體開關。圖4中的該裝置還包括主dc-dc轉換器122，該主dc-dc轉換器122與包括DC-AC轉換器121的負載電路相連接。模塊127、121、122從堆103的串聯汲取電流的主要部分。在圖5中，呈現了調整電路112的第二優選實現方式，該調整電路112包括非隔離級聯裝置，作為如圖5所見的電路裝置，該非隔離級聯結構實現為例如使得其包括集成模塊124。這些集成模塊IM包括線圈L、與二極體D並聯的開關S以及與個體燃料電池堆並聯的電容器C，但是電容器並不是必須的。通過這些集成模塊，調整電路與串聯的燃料電池堆單獨地集成，以允許與主電流布線127中的電流的主要部分相比較小的補償電流去往調整電路布線116，以便經過所述調整電路。各燃料電池堆的電壓由用於感測電壓值以產生控制信號的模塊1 來測量。系統控制120(例如可編程邏輯控制器(PLC))在將開關S控制處於打開或者閉合位置時使用所述控制信號，以單獨地調整各燃料電池堆103的電流。優選地，開關S是雙極型電晶體或FET型電晶體或某些其它電晶體開關。圖5中的此裝置還包括轉換器122，其例如是DC-AC轉換器。模塊127、121從堆103的串聯汲取電流的主要部分。箭頭117描述了從DC-AC轉換器122輸出的AC電力。調整電路112還可以利用將調整電流直接注入到例如主電力轉換器121的輸入的拓撲來實現。由於調整電路112允許雙向電力流，所以經過調整電路的電流可以保持在最小的水平。因此，這樣的布線損耗較低，並且實現了每個主電流路徑的高電力轉換效率。通過考慮主電流路徑和電力轉換器中的低損耗，同時具有獨立地調整堆電流以便對例如不平均的燃料流和/或老化現象進行補償的可能性，組合了串聯和獨立堆103加載的益處。由於僅總電流的小部分經過調整電路112，所以本發明考慮到低成本以及電路的緊湊實現。而且，單個電力轉換器121可以被用於主電力轉換器。由於控制個體堆電流的可能性，可以在一定程度上減輕串聯中的均流問題。系統控制120和控制模塊131可以包括不同類型的模擬和/或數字電子實現方式，其可以基於例如可編程處理器。控制模塊131還可以包括不同類型的測量裝置來感測電壓和/或電流值以產生開關S的所述控制信號。除了所描述的SOFC以外，本發明還可以與MCFC (熔融碳酸鹽燃料電池和其它燃料電池一起使用。MCFC是高溫燃料電池，該MCFC使用由懸浮在多孔的化學惰性陶瓷基體中的熔融碳酸鹽混合物構成的電解質。而且，儘管在圖2中的SOFC設備示例中描述了反饋裝置，但使用本發明的燃料電池系統並非必須具有反饋裝置。儘管已經參照附圖和說明書提出了本發明，但是本發明絕不限於此，因為本發明可以在權利要求的範圍內進行變化。
權利要求
1.一種用於調整利用燃料電池產生電的燃料電池系統中的電流值的裝置，所述燃料電池系統中的每個燃料電池包括陽極側(100)、陰極側(10 以及所述陽極側和所述陰極側之間的電解質(104)，並且所述燃料電池系統包括至少兩個電串聯的個體燃料電池堆或堆組，每個所述堆(103)包括至少一個燃料電池，其特徵在於，用於調整所述燃料電池系統中的電流值的所述裝置包括-用於從至少一個串聯中汲取所述電流的主要部分的模塊；-至少一個調整電路(112)，該至少一個調整電路(112)用於調整所述串聯內的所述個體燃料電池堆或堆組的電流值；-集成模塊(116、1M)，該集成模塊(116、124)用於集成所述至少一個調整電路與所述個體燃料電池堆或堆組，以便將與所述電流的主要部分相比較小的補償電流布置為經過所述至少一個調整電路，並且-所述至少一個調整電路(112)包括用於控制所述至少一個燃料電池堆(103)中的所述較小的補償電流的模塊。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置包括所述調整電路(112)，該調整電路(11 用於通過汲取或者供應所述至少一個燃料電池堆(10 中的電流來調整所述電流值。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置包括所述調整電路(112)，該調整電路(11 用於通過生成調整電路(112)電流值來調整所述至少一個燃料電池堆 (103)中的所述電流值，所述調整電路(112)電流值與所述至少串聯的堆中的電流值相比在0-10%的範圍內。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述調整電路(11 電流值與所述至少串聯的堆(103)中的電流值相比優選地在0-3%的範圍內。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置包括所述集成模塊(116、1對)， 該集成模塊(116、124)用於通過針對所述至少一個調整電路(112)使用與用於測量所使用的電壓的所述模塊相同的布線(116)和相同的至少一個電路板(IM)，來集成所述至少一個調整電路(112)與用於測量燃料電池堆(103)的電壓的模塊(IM)。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置包括作為所述至少一個調整電路(112)的隔離高頻變壓器裝置。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述調整電路(112)實現為非隔離級聯轉換器裝置，該非隔離級聯轉換器裝置包括用於產生控制信號的模塊(116、1M)、開關S和控制模塊(131)，所述開關S受控而處於打開和閉合位置，所述控制模塊(131)作為用於通過在控制開關S處於打開或閉合位置時使用所述控制信號來控制所述較小的補償電流以單獨地調整每個燃料電池堆(103)的電流的模塊。
8.一種用於調整用於利用燃料電池堆(103)產生電的燃料電池系統中的電流值的方法，其特徵在於，在所述方法中，對所述電流值的所述調整由以下步驟實現-從個體燃料電池堆(10 或堆組(103)的至少一個串聯汲取所述電流的主要部分；-通過集成所述至少一個調整電路(11 與所述個體燃料電池堆或堆組而將與所述電流的主要部分相比較小的補償電流布置為經過所述至少一個調整電路(112)，來調整所述串聯內的所述個體燃料電池堆(103)或堆(103)組的電流值；-以及，通過使用所述至少一個集成調整電路(11 來控制所述至少一個燃料電池堆 (103)中的所述較小的補償電流。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，通過汲取或者供應所述至少一個燃料電池堆(103)中的電流來調整所述電流值。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，通過生成調整電路(112)電流值來調整所述電流值，其中，所述調整電路(112)電流值與所述至少串聯的堆(103)中的電流值相比在0-10%的範圍內。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述調整電路(112)電流值與所述至少串聯的堆(103)中的電流值相比優選地在0-3%的範圍內。
12.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，通過針對所述至少一個調整電路(112)， 使用與用於測量所使用的電壓的所述模塊相同的布線(116)和相同的至少一個電路板 (IM)，來集成所述至少一個調整電路(11 和用於測量燃料電池堆(10 的電壓的模塊 (124)。
13.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，通過隔離高頻變壓器裝置實現所述至少一個調整電路(112)。
14.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，在所述方法中，產生控制信號，並且通過使用控制模塊(131)基於所述控制信號控制開關S處於打開和閉合位置，以單獨地調整每個燃料電池堆(130)的電流。
全文摘要
本發明的目的在於一種用於調整利用燃料電池產生電的燃料電池系統中的電流值的裝置，所述燃料電池系統中的每個燃料電池包括陽極側100、陰極側102以及陽極側和陰極側之間的電解質104，並且該燃料電池系統包括至少兩個電串聯的個體燃料電池堆或堆組，每個所述堆103包括至少一個燃料電池。用於調整燃料電池系統中的電流值的裝置包括用於從至少一個串聯中汲取電流的主要部分的模塊；至少一個調整電路112，該至少一個調整電路112用於調整所述串聯內的所述個體燃料電池堆或堆組的電流值；集成模塊116、124，該集成模塊116、124用於集成所述至少一個調整電路112與所述個體燃料電池堆或堆組，以將與所述電流的主要部分相比較小的補償電流布置為經過所述至少一個調整電路；並且所述至少一個調整電路112包括用於控制所述至少一個燃料電池堆103中的所述較小的補償電流的模塊。
文檔編號H01M8/12GK102473952SQ201080030543
公開日2012年5月23日 申請日期2010年5月31日 優先權日2009年7月8日
發明者金·阿斯特羅姆 申請人:瓦錫蘭芬蘭有限公司