專利名稱：線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更具體地涉及一種線路連接型(lineconnection type)燃料電池系統(tǒng)的供電裝置和方法，其通過自動地將燃料電池的輸出電流控制為最大，能夠提高燃料電池系統(tǒng)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效率。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池是用于將燃料能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。在燃料電池中，陽極和陰極安裝在聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)。在陽極(或氧化電極)產(chǎn)生作為燃料的氫的電化學(xué)氧化，在陰極(或還原電極)產(chǎn)生作為氧化劑的氧的電化學(xué)還原。也就是說，燃料電池通過電化學(xué)氧化還原產(chǎn)生電子，并通過電子的運(yùn)動產(chǎn)生電能。
典型的燃料電池包括磷酸燃料電池、堿燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池和直接甲醇燃料電池。此外，燃料電池按應(yīng)用的領(lǐng)域可分為商用燃料電池、家用燃料電池、用于電動車輛的車用燃料電池和用于便攜式終端或筆記本電腦的小型燃料電池。特別地，家用燃料電池已被改進(jìn)以有效地使房屋中的家用電器或照明裝置運(yùn)行，商用燃料電池已被改進(jìn)以有效地使購物中心或工廠中的照明裝置、馬達(dá)或機(jī)器運(yùn)行。
燃料電池系統(tǒng)連接于線路供電系統(tǒng)(例如公共電力公司)。如果供應(yīng)到負(fù)載的電力不足，則燃料電池系統(tǒng)就不能供應(yīng)足量的電力給線路供電系統(tǒng)；如果供應(yīng)到負(fù)載的電力太多，則燃料電池系統(tǒng)就會供應(yīng)過剩的電力給線路供電系統(tǒng)。
圖1是示出傳統(tǒng)的線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電裝置的框圖。參照圖1，該傳統(tǒng)供電裝置包括燃料電池1、電源轉(zhuǎn)換單元2和線路供電單元3。燃料電池1包括由陽極和陰極組成的堆(未示出)，用于通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電，并且從堆(未示出)中產(chǎn)生DC電壓。
電源轉(zhuǎn)換單元2包括DC/DC轉(zhuǎn)換單元(未示出)，用于將DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓，升高或降低AC電壓，整流所得的電壓，并輸出DC電壓。電源轉(zhuǎn)換單元2還包括逆變器(未示出)，用于將來自DC/DC轉(zhuǎn)換單元的DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓。
線路供電單元3供應(yīng)公共電力給各個房屋或公共設(shè)施(負(fù)載)。也就是說，燃料電池系統(tǒng)和線路供電單元3相互連接，用于供應(yīng)電力給各個房屋或公共設(shè)施。
在將燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生的電力出售給公共電力公司(線路供電單元)的情況下，如果從燃料電池1輸出的電流大于預(yù)設(shè)最大輸出電流，則降低該電流。此外，在將燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生的電力出售給公共電力公司(線路供電單元)的情況下，如果從燃料電池1輸出的電壓低于最小輸出電壓，則降低燃料電池1的輸出電流。也就是說，傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)至少保持燃料電池的特定最小輸出電壓。
但是，即使輸出電壓低于可能的最小電壓，如果減小輸出電流，則燃料電池系統(tǒng)也會穩(wěn)定地工作。然而，當(dāng)燃料電池的輸出電壓低于可能的最小電壓因而停止驅(qū)動燃料電池時，這使燃料電池系統(tǒng)的可用工作寬度變窄。因此，燃料電池系統(tǒng)的工作效率降低。
本發(fā)明要求保護(hù)的主題不限于解決如上所述的環(huán)境中的缺點(diǎn)或僅在這些環(huán)境下工作的實(shí)施例。更確切地說，僅提供此背景來說明本發(fā)明所述的某些實(shí)施例可以實(shí)施的一個典型技術(shù)領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置和方法，其通過預(yù)設(shè)作為燃料電池的穩(wěn)定工作區(qū)域的正常區(qū)域，根據(jù)燃料電池的輸出電壓、輸出電流和在燃料電池出售時的工作條件來檢測燃料電池的當(dāng)前工作點(diǎn)，以及自動地將燃料電池的輸出電流控制為最大以使檢測到的工作點(diǎn)可存在于正常區(qū)域中，能夠提高燃料電池系統(tǒng)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效率。
為獲得這些以及其它優(yōu)點(diǎn)，并且根據(jù)本發(fā)明的目的，如在此具體實(shí)施和廣泛描述的，提供一種線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置，包括存儲單元，用于根據(jù)燃料電池的工作條件和燃料電池的輸出電壓與輸出電流之間的相互關(guān)系，來預(yù)存儲正常區(qū)域和警報區(qū)域；以及控制單元，用于基于燃料電池的工作條件來檢測工作點(diǎn)，將檢測到的工作點(diǎn)與正常區(qū)域和警報區(qū)域相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出用于增加或降低燃料電池的輸出電流的控制信號。
另一實(shí)施例涉及一種用于線路連接型燃料電池系統(tǒng)的方法，包括以下步驟檢測燃料電池的工作點(diǎn)；將該工作點(diǎn)與正常區(qū)域和警報區(qū)域相比較；以及根據(jù)比較結(jié)果改變?nèi)剂想姵氐妮敵鲭娏鳌?br> 提供此概述內(nèi)容來以簡化形式介紹本發(fā)明原理的選擇，這些原理在以下的具體實(shí)施方式
部分進(jìn)一步說明。此概述內(nèi)容并非用以確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特性或本質(zhì)特征，也不用以輔助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。
其它特征將在以下說明中闡述，并且通過說明將部分地變得明顯，或者可通過實(shí)踐這里的教導(dǎo)而被了解。通過所附權(quán)利要求中特別指出的設(shè)備和組合，可以實(shí)現(xiàn)并獲得本發(fā)明的特征。從以下說明和所附的權(quán)利要求，本發(fā)明的特征將變得更加完整明顯，或者可通過實(shí)施以下所述的發(fā)明而被了解。


附圖示出本發(fā)明的實(shí)施例并與說明書一起用以解釋發(fā)明原理，其包括在說明書中以構(gòu)成說明書的一部分用以提供對于本發(fā)明的進(jìn)一步理解。
在附圖中圖1是示出傳統(tǒng)線路連接型燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置的框圖；圖3是示出圖2中的燃料電池的輸出電壓與輸出電流之間相互關(guān)系的坐標(biāo)圖；及圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的供電方法的順序步驟流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)參照構(gòu)成說明書一部分的附圖，其中為了舉例說明示出可以實(shí)施本發(fā)明的特定實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍下，可以使用其它實(shí)施例，并且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置和方法，其通過自動地將燃料電池的輸出電流控制為最大，能夠提高燃料電池系統(tǒng)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效率。
如圖2所示，線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置可以包括燃料電池10、電源轉(zhuǎn)換單元20、線路供電單元30、控制單元40和存儲單元50。燃料電池10包括由陽極和陰極組成的堆(未示出)，用于通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電，并且從堆中(未示出)產(chǎn)生DC電壓。電源轉(zhuǎn)換單元20將來自燃料電池10的DC電壓轉(zhuǎn)換為預(yù)定電平的AC電壓，并輸出該AC電壓。在一個實(shí)施例中，電源轉(zhuǎn)換單元20包括DC/DC轉(zhuǎn)換單元21和逆變器22。
在一個實(shí)施例中，DC/DC轉(zhuǎn)換單元21將DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓，升高或降低該AC電壓，整流所得的電壓，并輸出DC電壓。逆變器22根據(jù)控制信號將來自DC/DC轉(zhuǎn)換單元21的DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓，并輸出該AC電壓。按照本發(fā)明，DC/DC轉(zhuǎn)換單元21根據(jù)控制信號改變輸出電流，以使圖2所示的燃料電池系統(tǒng)工作于正常區(qū)域。
線路供電單元30供應(yīng)公共電力給各個房屋或公共設(shè)施(負(fù)載)。在一個實(shí)施例中，存儲單元50預(yù)設(shè)并預(yù)存儲作為燃料電池10的穩(wěn)定工作區(qū)域的正常區(qū)域。存儲單元50也可預(yù)存儲警報區(qū)域。可以利用燃料電池10的基于工作條件、輸出電流和輸出電壓之間的相互關(guān)系的負(fù)載特性曲線，來確定警報區(qū)域。
如圖3所示，可以基于燃料電池10的工作條件、如輸出電壓與輸出電流之間的相互關(guān)系所確定的特性曲線以及預(yù)設(shè)負(fù)載對應(yīng)曲線來設(shè)定正常區(qū)域和警報區(qū)域?？刂茊卧?0檢測燃料電池10的工作點(diǎn)，將該工作點(diǎn)與正常區(qū)域和警報區(qū)域相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出用于增加或降低燃料電池10的輸出電流的控制信號。也就是說，當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于警報區(qū)域中，控制單元40可以降低燃料電池10的輸出電流。當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于正常區(qū)域中，控制單元40可以增加燃料電池10的輸出電流。當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)不存在于正常區(qū)域或警報區(qū)域中，控制單元40停止(即禁用)燃料電池系統(tǒng)。
按照本發(fā)明，燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生的電力可以出售給負(fù)載，例如電力公司或者居住地或商業(yè)上的應(yīng)用場所。在一個實(shí)施例中，所產(chǎn)生的電力可被最大化地供應(yīng)給負(fù)載，并從負(fù)載要求報酬。在一個實(shí)施例中，即使燃料電池10的工作點(diǎn)存在于正常區(qū)域中，電流也可被最大化，以產(chǎn)生最大輸出。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置的運(yùn)行方法的一個實(shí)施例。存儲單元50基于如圖3所示的燃料電池10的工作條件、輸出電流和輸出電壓(即，輸出電壓與輸出電流之間的相互關(guān)系)的特性曲線以及負(fù)載對應(yīng)曲線，來預(yù)設(shè)并預(yù)存儲作為燃料電池10的穩(wěn)定工作區(qū)域的正常區(qū)域和警報區(qū)域。該工作條件可以包括供應(yīng)到燃料電池10的空氣量和燃料量以及外部溫度。
在這種狀態(tài)下，包括陽極和陰極的燃料電池10的堆(未示出)通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電，并將所得的DC電壓施加到電源轉(zhuǎn)換單元20的DC/DC轉(zhuǎn)換單元21。DC/DC轉(zhuǎn)換單元21將來自燃料電池10的DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓，升高或降低該AC電壓，將升高或降低的AC電壓整流為DC電壓，并將該DC電壓施加至逆變器22。逆變器22根據(jù)控制信號將來自DC/DC轉(zhuǎn)換單元21的DC電壓轉(zhuǎn)換為預(yù)定電平的AC電壓，并輸出該AC電壓。
控制單元40在步驟S1和步驟S2檢測燃料電池10的工作條件、輸出電流和輸出電壓，并在步驟S3利用檢測到的工作條件、輸出電流和輸出電壓來檢測燃料電池10的當(dāng)前工作點(diǎn)。在步驟S4控制單元40確定檢測到的工作點(diǎn)是否存在于正常區(qū)域中。
根據(jù)在步驟S4和步驟S8中確定的結(jié)果，當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)不存在于正常區(qū)域也不存在于警報區(qū)域中，在步驟S10控制單元40降低燃料電池10的輸出電流，例如通過降低逆變器的輸出電流來降低燃料電池10的輸出電流。在一個實(shí)施例中，控制單元40通過控制電源轉(zhuǎn)換單元20的DC/DC轉(zhuǎn)換單元21的轉(zhuǎn)換(升高或降低)，來降低燃料電池10的輸出電流。也就是說，控制單元40通過降低由DC/DC轉(zhuǎn)換單元21在燃料電池10中產(chǎn)生的DC電壓，來降低燃料電池10的輸出電壓?？刂茊卧?0降低燃料電池10的輸出電流，直到檢測到的工作點(diǎn)存在于正常區(qū)域中為止。根據(jù)在步驟S4和步驟S8中確定的結(jié)果，當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)不存在于正常區(qū)域而存在于警報區(qū)域中，在步驟S9控制單元40停止燃料電池系統(tǒng)的工作。
根據(jù)在步驟S4中確定的結(jié)果，當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于正常區(qū)域中并且公共電力電流大于零時，在步驟S6控制單元40增加燃料電池10的輸出電流，例如通過增加逆變器的輸出電流來增加燃料電池10的輸出電流。當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于正常區(qū)域中但公共電力電流小于或等于零時，控制單元40降低燃料電池10的輸出電流，例如通過降低逆變器的輸出電流來降低燃料電池10的輸出電流。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，假設(shè)燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生的電力被出售。這時，燃料電池系統(tǒng)的輸出電流可以以該燃料電池系統(tǒng)的正常區(qū)域范圍中的最大值輸出。
再次參照圖3，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)可以將工作點(diǎn)1、2、3和4設(shè)定為燃料電池的可能最小電壓。當(dāng)燃料電池的輸出電壓降低到可能最小電壓以下時，停止燃料電池系統(tǒng)。相反，根據(jù)本發(fā)明，即使燃料電池的輸出電壓降低到工作點(diǎn)1-4的可能最小電壓以下，由于燃料電池的輸出電流也降低，使得燃料電池系統(tǒng)也能夠工作于工作點(diǎn)5、6和7。
如前所述，根據(jù)本發(fā)明，線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置預(yù)設(shè)作為燃料電池的穩(wěn)定工作區(qū)域的正常區(qū)域，根據(jù)燃料電池的輸出電壓、輸出電流和在燃料電池出售時的工作條件檢測燃料電池的當(dāng)前工作點(diǎn)，并自動將燃料電池的輸出電流控制為最大，以使檢測到的工作點(diǎn)能夠存在于正常區(qū)域中。因此，能夠提高燃料電池系統(tǒng)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效率。
由于本發(fā)明可具體實(shí)施為多種形式而不脫離其精神或?qū)嵸|(zhì)特性，所以應(yīng)當(dāng)理解，除非另有規(guī)定，上述實(shí)施例不限于前述的任何細(xì)節(jié)，而應(yīng)在所附權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)寬泛地解釋，因此，落入權(quán)利要求范圍及其等效范圍內(nèi)的全部變化和修改都應(yīng)被所附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制裝置，包括存儲單元，用于根據(jù)燃料電池的工作條件和燃料電池的輸出電壓與輸出電流之間的相互關(guān)系，來預(yù)存儲正常區(qū)域和警報區(qū)域；以及控制單元，用于基于燃料電池的工作條件來檢測工作點(diǎn)，將該工作點(diǎn)與正常區(qū)域和警報區(qū)域相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出用于增加或降低燃料電池的輸出電流的控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的供電控制裝置，其中該工作條件包括供應(yīng)到燃料電池的空氣量和燃料量，以及外部溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的供電控制裝置，其中該控制單元利用燃料電池的工作條件、輸出電壓和輸出電流來檢測燃料電池的當(dāng)前工作點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的供電控制裝置，其中該正常區(qū)域和警報區(qū)域是基于燃料電池的工作條件、輸出電流和輸出電壓的特性曲線以及預(yù)設(shè)的負(fù)載對應(yīng)曲線而設(shè)定的。
5.如權(quán)利要求1所述的供電控制裝置，包括電源轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)該控制信號來增加或降低燃料電池的輸出電流。
6.如權(quán)利要求5所述的供電控制裝置，其中該電源轉(zhuǎn)換單元包括DC/DC轉(zhuǎn)換單元，用于通過根據(jù)該控制信號升高或降低來自燃料電池的DC電壓來增加或降低燃料電池的輸出電流。
7.如權(quán)利要求1所述的供電控制裝置，其中當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于該警報區(qū)域中，該控制單元降低燃料電池的輸出電流。
8.如權(quán)利要求7所述的供電控制裝置，其中所述的控制單元降低燃料電池的輸出電流的操作，直到檢測到的工作點(diǎn)存在于該正常區(qū)域中為止。
9.如權(quán)利要求1所述的供電控制裝置，其中當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于該正常區(qū)域中，該控制單元增加燃料電池的輸出電流。
10.如權(quán)利要求9所述的供電控制裝置，其中只要檢測到的工作點(diǎn)不超出該正常區(qū)域，該控制單元就增加燃料電池的輸出電流。
11.如權(quán)利要求1所述的供電控制裝置，其中當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)不存在于該正常區(qū)域而存在于該警報區(qū)域中，該控制單元停止該燃料電池系統(tǒng)。
12.一種線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電控制方法，包括以下步驟檢測燃料電池的工作點(diǎn)；將該工作點(diǎn)與正常區(qū)域和警報區(qū)域相比較；以及根據(jù)比較結(jié)果改變?nèi)剂想姵氐妮敵鲭娏鳌?br> 13.如權(quán)利要求12所述的供電控制方法，其中檢測工作點(diǎn)的步驟還包括檢測燃料電池的工作條件；檢測燃料電池的輸出電流和輸出電壓；以及利用燃料電池的輸出電流、輸出電壓和工作條件，來檢測燃料電池的工作點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求13所述的供電控制方法，還包括基于燃料電池的工作條件、輸出電流和輸出電壓的特性曲線以及預(yù)設(shè)的負(fù)載對應(yīng)曲線，來預(yù)設(shè)該正常區(qū)域和警報區(qū)域。
15.如權(quán)利要求12所述的供電控制方法，其中改變?nèi)剂想姵氐妮敵鲭娏鞯牟襟E還包括當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于該警報區(qū)域中，降低燃料電池的輸出電流。
16.如權(quán)利要求15所述的供電控制方法，其中所述的降低燃料電池的輸出電流的操作，直到檢測到的工作點(diǎn)存在于該正常區(qū)域中為止。
17.如權(quán)利要求12所述的供電控制方法，其中改變?nèi)剂想姵氐妮敵鲭娏鞯牟襟E還包括當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)存在于該正常區(qū)域中，增加燃料電池的輸出電流。
18.如權(quán)利要求17所述的供電控制方法，其中只要檢測到的工作點(diǎn)不超出該正常區(qū)域，就進(jìn)行所述的增加燃料電池的輸出電流的操作。
19.如權(quán)利要求12所述的供電控制方法，其中改變?nèi)剂想姵氐妮敵鲭娏鞯牟襟E還包括當(dāng)檢測到的工作點(diǎn)不存在于該正常區(qū)域以及該警報區(qū)域中，停止該燃料電池系統(tǒng)。
20.如權(quán)利要求12所述的供電控制方法，其中該工作條件包括供應(yīng)到燃料電池的空氣量和燃料量，以及外部溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電裝置和方法。該線路連接型燃料電池系統(tǒng)的供電裝置，包括存儲單元，用于根據(jù)燃料電池的工作條件和燃料電池的輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系，來預(yù)存儲正常區(qū)域和警報區(qū)域；以及控制單元，用于基于燃料電池的工作條件來檢測工作點(diǎn)，將檢測到的工作點(diǎn)與正常區(qū)域和警報區(qū)域相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出用于增加或降低燃料電池的輸出電流的控制信號。
文檔編號H01M8/00GK1983760SQ20061016695
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者高承兌, 樸明碩 申請人:Lg電子株式會社, Lg化學(xué)株式會社