專利名稱：一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其是涉及一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電 源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池作為備用電源可以用在銀行，醫(yī)院，機場，商業(yè)樓宇等，替代目前大量應(yīng) 用的鉛酸電池和柴油發(fā)電機，具有環(huán)保無污染，無噪音，輕便，便于維護等許多優(yōu)點。備用電源作為隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，社會工業(yè)化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代 社會和經(jīng)濟對電力的依賴已達到不可或缺的程度，電力已成為社會和經(jīng)濟運行的總開關(guān)， 沒有了電，一切便迅速陷入全面癱瘓。下面以備用電源在通信方面的應(yīng)用為例介紹燃料電池在備用電源領(lǐng)域應(yīng)用情 況對于通信基站用備用電源，一旦大面積電網(wǎng)停電，這將嚴重影響人們的正常生活， 甚至對社會經(jīng)濟和人類生命安全造成巨大損失。在去年的冰雪災(zāi)害和今年的汶川地震中能 夠足見斷電給通信帶來的影響。目前用做應(yīng)通信基站備用電源的主要采用鉛蓄電池和用柴油發(fā)電機組相組合的 方式進行，這種備用電源的現(xiàn)狀同當前備用電源的需求之間的矛盾越來越大，主要表現(xiàn)在
a.鉛蓄電池容量有限，備用時間一般不超過為10小時，根本滿足不了重大應(yīng)急險情需求。
b.而且鉛蓄電池存在重量大，壽命短(一般3-5年左右)，污染大，品質(zhì)不均一，壽命難保證 等缺點.c.為了延長發(fā)電備用時間，要配備大量的柴油發(fā)電油機車，一般是10-20個左右的 基站配備一個發(fā)電油機車。大部分時間，油機車封存不用，經(jīng)常不用對油機車不好，需要經(jīng) 常維護，日常維護比較頻繁，工作量大。在遇到大面積停電或重大險情時，油機車根本不夠 用。燃料電池作為一種節(jié)能環(huán)保的發(fā)電設(shè)備，體積小，重量輕，無噪音，價格便宜，維護 低，可連續(xù)工作(48小時或更長的備用時間)等特點非常適合用在備用電源領(lǐng)域。在我國，電信設(shè)備供應(yīng)商，燃料電池生產(chǎn)商正積極介入通信基站備用電源領(lǐng)域。在 燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域，眾所周知燃料電池的開關(guān)機操作對燃料電池的壽命影響比較大，主要 是因為在燃料電池開關(guān)機操作時能夠產(chǎn)生比較高的局部過電壓，這將導(dǎo)致燃料電池催化劑 碳載體氧化，使燃料電池性能衰減比較快。我們可以通過改變陽極側(cè)催化劑導(dǎo)電載體的方 法，如換用抗腐蝕性金屬氧化物導(dǎo)電載體的方法，提高燃料電池的催化劑抗氧化性，降低燃 料電池開關(guān)機對燃料電池性能的影響，如在專利200610027287. 2所介紹的。也可以通過燃 料電池帶負載啟動的方法降低燃料電池的局部過電位，但是在帶大的負載是燃料電池在比 較低的電壓下啟動比較危險，往往造成燃料電池的永久性損害。另外一個方面的問題是在目前燃料電池備用電源領(lǐng)域，如美國的PLUGP0WER， EC0P0WER, ITATECH公司所采用的燃料電池備用電源技術(shù)方案主要是一種替代性的燃料電 池獨立供電的技術(shù)方案。在這些技術(shù)方案中，燃料電池作為通信用的備用電源，其輸出電壓
3是一種軟電壓特性，必須經(jīng)過DC/DC穩(wěn)壓后提供給通信用電設(shè)備，通信用電設(shè)備對DC/DC的 輸出電壓有有比較嚴格的要求。此外，因為燃料電池作為一種軟電壓特性的電池，其在外界 負載變化時，燃料電池的電壓變化范圍比較大，這對DC/DC的制作要求比較高，而且價格比 較高。國外這些公司燃料電池系統(tǒng)比較復(fù)雜加上比較貴的DC/DC等使整個燃料電池備用電 源系統(tǒng)成本很高，在價格上難同傳統(tǒng)的鉛酸電池競爭，因而也直接影響了燃料電池的推廣 應(yīng)用速度。需要注意的是在新一代燃料電池系統(tǒng)中(空冷自增濕燃料電池系統(tǒng))，燃料電 池系統(tǒng)的成本幾乎同DC/DC相當，如果去掉DC/DC的直接連接方式可以將燃料電池供電部 分的成本直接降低50%。在專利CN200810204755. 8中介紹了燃料電池同儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)， 該系統(tǒng)中是一個整體的燃料電池同儲能電池組成的備用電源，在該系統(tǒng)中，為了匹配負載， 燃料電池同儲能電池組成的系統(tǒng)電壓在一個相對比較寬的范圍內(nèi)變化，這樣會造成電源系 統(tǒng)的電壓不是很穩(wěn)定，而且，為了防止儲能電池的大電流充電，和燃料電池相匹配的儲能電 池容量比較大。再者，在這個專利中，燃料電池在停止工作時需要供風(fēng)設(shè)備將剩余的燃料電 池的電壓消耗掉，消耗速度相對比較慢，消耗電壓不徹底，過程中，空氣是富余狀態(tài)，氫氣相 對供應(yīng)不足，容易對電池造成損害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種在減少儲能電 池用量的同時能夠進一步提高對燃料電池系統(tǒng)的護養(yǎng)，提高備用電源系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性， 提高電池壽命的模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種模塊化燃料電池與儲能電池 組成的備用電源系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括燃料電池、儲能電池，單向二極管，所述的燃 料電池與儲能電池通過單向二極管并聯(lián)連接，所述的燃料電池由多個燃料電池模塊并聯(lián)組 成，各燃料電池模塊均設(shè)有相對獨立的控制電路板來控制其運行狀況，燃料電池為儲能電 池和負載提供電力或燃料電池與儲能電池共同為匹配的負載提供電力，所述的各燃料電池 模塊的輸出端均連接一可控開關(guān)，該可控開關(guān)在控制電路的控制下進行導(dǎo)通或斷開，將燃 料電池模塊直接進行短路，釋放燃料電池的剩余電壓，并控制燃料電池升溫或?qū)θ剂想姵?進行維護。所述的多個燃料電池模塊的數(shù)量多少取決于耗電負載的大小，多個燃料電池模塊 各自均通過一個單向二極管連接儲能電池。所述的燃料電池模塊由多個單電池片疊加而成，多個燃料電池模塊的各模塊內(nèi)的 單電池片數(shù)量相同或不同，各模塊的輸出功率相同或不同。所述的燃料電池模塊的單電池片數(shù)為10-100片。所述的燃料電池還包括主控電路板，該主控電路板分別連接各燃料電池模塊、儲 能電池和電流傳感器，主控電路板控制各燃料電池模塊的運行與否，各燃料電池模塊運行 與否是通過整個備用電源需要為負載提供的電流大小來實現(xiàn)的。所述的多個燃料電池模塊包括2-10個模塊。所述的備用電源系統(tǒng)根據(jù)檢測儲能電池的電壓或和電流信號來控制燃料電池工
作與否。
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與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將多個燃料電池模塊并聯(lián)成燃料電池，各燃料電池模塊 分別通過單向二極管連接儲能電池，燃料電池與儲能電池并聯(lián)，燃料電池為儲能電池和負 載提供電力或燃料電池與儲能電池共同為匹配的負載提供電力。提供的電力電壓更加穩(wěn) 定，電池運行壽命更長，成本更低，儲能電池用量更加節(jié)省，能夠使用于電源要求比較高的 應(yīng)用場合。


圖1為本發(fā)明備用電源系統(tǒng)的示意圖；圖中1_氫源，2-氫氣電磁閥，3-可控開關(guān)，4-控制電路板，5-風(fēng)扇，6-燃料電池 模塊，7-單向二極管，8-主控電路板，9-鉛酸電池，10-電流傳感器，11-負載。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1如圖1所示，本發(fā)明燃料電池備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化燃料電池6同相匹 配的儲能電池9并聯(lián)的方式輸出電力，其中燃料電池同儲能電池之間通過單向二極管7直 接連接在一起，每個燃料電池模塊都帶有一個獨立的可控開關(guān)3，該開關(guān)能夠直接將模塊電 池正負極進行短路操作。主控電路板8分別連接各燃料電池模塊6、鉛酸電池9和電流傳感 器10，主控電路板8根據(jù)電流傳感器10的信號來控制氫氣電磁閥2的通斷，從而實現(xiàn)氫源 1的氫氣是否進入燃料電池模塊6。燃料電池同儲能電池組成的通信用備用電源系統(tǒng)，工作原理，過程和匹配性如 下負載11即為通信設(shè)備，此系統(tǒng)中負載4消耗功率一般為1. 5-2. 5KW，其消耗功率同 通信設(shè)備的通信量有關(guān)，通信設(shè)備的工作電壓范圍一般為40V-60VDC通常狀況下，負載11 消耗的電力來自于220VAC交流電(或380VAC)，220VAC交流電通過AC/DC轉(zhuǎn)化成55. 5VDC 直流電后提供給負載11和鉛酸電池9，鉛酸電池2單片的工作電壓為1. 8V-2. 35V，24塊串 聯(lián)后工作電壓范圍為43. 2-56. 4VDC。燃料電池1為多片單電池串聯(lián)組成的電池堆，單電池 片數(shù)可以為10-100片，電壓范圍很寬，但是在此系統(tǒng)中同鉛酸蓄電池2相匹配，因此其工作 的電壓范圍為43. 2-56. 4VDC，本實施例中用到的是80片單電池組成的模塊燃料電池。鉛酸 電池可以為一個40AH的鉛酸電池。系統(tǒng)中的燃料電池6采用模塊化燃料電池，鉛酸電池9的容量可以小于60AH。通常狀況下，主控電路板8檢測到系統(tǒng)沒有持續(xù)的大的輸出電流時不工作。在外 界220VAC電斷電后，鉛酸電池開始輸出電能，這時，主控電路板根據(jù)電流傳感器10傳來的 輸出信號如果為35A電流，燃料電池然后判斷鉛酸電池的兩端電壓，如果鉛酸兩端的電壓 低于電壓50. 5V，主控電路板將打開電磁閥2，燃料電池模塊開始工作。燃料電池模塊的單 模塊如果輸出15A/48. 8V, 12A/50. 5V那么系統(tǒng)中將有3個模塊開始工作，這樣會有IA的電 流給鉛酸電池充電。隨著充電的進行，鉛酸電池的電壓逐漸升高，燃料電池的輸出電流能夠 將進一步降低。整個系統(tǒng)穩(wěn)定后的電壓可能在50. 8V。如果此時負載變化為40A，鉛酸電池 將輸出5A的電流，鉛酸電池電能的消耗，系統(tǒng)的電壓將會降低，因為3個電池模塊的總輸出電流在48. 8V時可以達到45A，所以這個系統(tǒng)電壓能夠穩(wěn)定在48. 8V以上。在通信設(shè)備的用 電低谷期，譬如需求電流為10A，其中的一個燃料電池模塊工作就能滿足要求。當外界市電有接通后，主控器能夠檢測到系統(tǒng)電壓的升高和系統(tǒng)電流變?yōu)镺A或 反向充電電流，此時燃料電池供應(yīng)氧氣用風(fēng)扇停止工作，因為缺少氧氣，燃料電池模塊輸出 電流大幅度減小，因為單向二極管的存在，此時，燃料電池電壓將保持同鉛酸電池電壓接近 的水平，此時可以閉合可控開關(guān)3，使其將殘余的電壓放電干凈，關(guān)閉氫氣電磁閥2，燃料電 池停止工作。在上述實施例中，燃料電池模塊可以是輸出功率不等的模塊，這樣可以對系統(tǒng)的 輸出做更加細致的調(diào)節(jié)，多個燃料電池模塊6可以為2-10個模塊，當然，并聯(lián)的燃料電池模 塊越多，對整個輸出功率的調(diào)節(jié)應(yīng)越精細，但同時也能增加系統(tǒng)成本。本發(fā)明同申請專利CN200810204755. 8進行對比后不難發(fā)現(xiàn)，由于采用了模塊化 的設(shè)計，同匹配的儲能電池復(fù)合后作為備用電源，一方面進一步進一步縮小了備用電源系 統(tǒng)的輸出電壓，使得后面的負載更安全穩(wěn)定。另一方面減小了儲能電池的用量，對于放電平 臺比較好的儲能電池也可以在這個體系中應(yīng)用，增加了儲能電池的可選擇的種類。對于可 控開關(guān)的引入進一步增加了燃料電池的壽命，穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括燃料電池、儲能電池，單向二極管，所述的燃料電池與儲能電池通過單向二極管并聯(lián)連接，所述的燃料電池由多個燃料電池模塊并聯(lián)組成，各燃料電池模塊均設(shè)有相對獨立的控制電路板來控制其運行狀況，燃料電池為儲能電池和負載提供電力或燃料電池與儲能電池共同為匹配的負載提供電力，所述的各燃料電池模塊的輸出端均連接一可控開關(guān)，該可控開關(guān)在控制電路的控制下進行導(dǎo)通或斷開，將燃料電池模塊直接進行短路，釋放燃料電池的剩余電壓，并控制燃料電池升溫或?qū)θ剂想姵剡M行維護。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，其特 征在于，所述的多個燃料電池模塊的數(shù)量多少取決于耗電負載的大小，多個燃料電池模塊 各自均通過一個單向二極管連接儲能電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，其特 征在于，所述的燃料電池模塊由多個單電池片疊加而成，多個燃料電池模塊的各模塊內(nèi)的 單電池片數(shù)量相同或不同，各模塊的輸出功率相同或不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，其特 征在于，所述的燃料電池模塊的單電池片數(shù)為10-100片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，其特 征在于，所述的燃料電池還包括主控電路板，該主控電路板分別連接各燃料電池模塊、儲能 電池和電流傳感器，主控電路板控制各燃料電池模塊的運行與否，各燃料電池模塊運行與 否是通過整個備用電源需要為負載提供的電流大小來實現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，其特 征在于，所述的多個燃料電池模塊包括2-10個模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，其特 征在于，所述的備用電源系統(tǒng)根據(jù)檢測儲能電池的電壓或和電流信號來控制燃料電池工作 與否。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化燃料電池與儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池、儲能電池，單向二極管，所述的燃料電池與儲能電池通過單向二極管并聯(lián)連接，所述的燃料電池由多個燃料電池模塊并聯(lián)組成，各燃料電池模塊均設(shè)有相對獨立的控制電路板來控制其運行狀況，燃料電池為儲能電池和負載提供電力或燃料電池與儲能電池共同為匹配的負載提供電力，所述的各燃料電池模塊的輸出端均連接一可控開關(guān)，該可控開關(guān)在控制電路的控制下進行導(dǎo)通或斷開，將燃料電池模塊直接進行短路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明系統(tǒng)提供的電力電壓更加穩(wěn)定，電池運行壽命更長，成本更低，儲能電池用量更加節(jié)省，能夠使用于電源要求比較高的應(yīng)用場合。
文檔編號H01M8/24GK101924389SQ20091005285
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者李明, 李秀云, 田丙倫 申請人:上海攀業(yè)氫能源科技有限公司