[发明专利]一种燃料电池组合电源系统及其控制方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池组合电源系统及其控制方法，通过系统内的第一储能部件启动系统，电堆产生的电能通过功率调整电路供给负载或储存到第二储能部件中。系统内不使用燃料浓度传感器，控制器根据电堆的输出功率、电堆电压、电堆温度输出周期、占空比变化的燃料进料控制信号，燃料补充机构周期性间歇式的动作，补充高浓度燃料或者纯燃料。同时系统具有防冻模式，实时检测部件的温度，通过消耗燃料的办法保证部件的温度在安全范围之内，进而实现了低温存储以及低温环境下的运行。本发明简化了燃料电池系统结构，提高了集成度，启动防冻模式后便可以在低温环境下存储与使用。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池组合电源系统及其控制方法，尤其适用于使用高浓度或者纯甲醇进料的直接甲醇燃料电池系统。

背景技术

传统的直接液体燃料电池系统采用浓度传感器来控制甲醇等燃料的进料。然而，当电化学式甲醇浓度传感器温度低于15℃时极限电流信号很小，传感器基本无法正常工作。在此条件下依靠电化学式甲醇浓度传感器的系统是无法正常启动的，很容易造成进料过多，浓度失控。原来的控制方法依靠经验，定时往系统中添加定量的甲醇。依靠经验值虽然也能启动系统，但是出于安全考虑，添加的量较少，启动时间较长。

文献1，[Yu-Jen Chiu，Journal of Power Sources 159(2006)1162–1168]，提出了将电堆当作一个传感器，检测电堆的电压、电流以及温度间接的推算出输入电堆的甲醇浓度的方法。当电堆性能发生衰减时推算出来的浓度值就会比真实值低，不适合需要长时间工作的系统。

文献2，[Tae Jung Ha，International Journal of Hydrogen Energy 33(2008)7163-7171]，提出了通过计算甲醇的消耗速度来控制甲醇浓度的方法。这种方法实际上属于开环控制，运行时间越长偏差就会越大。

[中国专利200610162725.6]介绍了一种燃料电池系统及其控制装置和方法。不使用浓度传感器，检测燃料电池的输出电压和输出电流，如果低于设定值就增加预定量的燃料，如果检测燃料电池的输出电压和输出电流如何变化，然后调整燃料供给量。燃料电池在不同的温度条件下表现出来的电性能是不一样的，这种方法未考虑温度因素带来的影响。

[美国专利US6991865B2]介绍了一种不用甲醇浓度传感器调节燃料电池系统甲醇浓度的方法及设备。通过检测燃料电池供给负载的电压、燃料电池的开路电压、距离燃料流道末端最近的单池电压以及这片单池的短路电流来主动的控制甲醇的浓度。这种方法也没考虑温度对燃料电池电性能的影响。

发明内容

针对低温条件下燃料进料浓度的控制问题，本发明采用以下技术方案来实现。

一种燃料电池组合电源系统，包括燃料电池电堆(101)、温度传感器(102)、风扇(103)、冷凝器(104)、水分离器(105)、燃料循环泵(106)、控制器(107)、燃料混合器(108)、燃料补充机构(109)、二氧化碳分离器(110)、空气泵(111)和燃料罐(114)；其中，

空气泵的出口和燃料电池电堆的阴极入口相连；电堆的阴极出口和冷凝器的入口相连；冷凝器的出口和水分离器的入口相连；水分离器的气体出口和大气相通，水分离器的水出口和燃料混合器的水入口相连；

燃料电池电堆的阳极出口和二氧化碳分离器的入口相连；二氧化碳分离器的气体出口和大气相通，二氧化碳分离器的燃料出口和燃料混合器的循环燃料入口相连；燃料罐的出口和燃料补充机构的入口相连；燃料补充机构的出口和燃料混合器的高浓度燃料入口相连；

燃料混合器的混合燃料出口和燃料循环泵的入口相连，燃料循环泵的出口和燃料电池电堆阳极入口相连；

温度传感器设置于燃料电池电堆上，用于检测电堆的温度；