[发明专利]燃料电池串并联多堆协同运行系统及其控制方法

说明书

本发明公开了燃料电池串并联多堆协同运行系统及其控制方法，该系统包括多个燃料电池电堆、气体供给模块、DC/DC转换器、串联气体供给回路、并联气体供给回路、电气串联回路、电气并联回路和控制器。其中，串联气体供给回路和电气串联回路在控制器选定串联工作模式下运行；并联气体供给回路和电气并联回路在控制器选定并联工作模式下运行。本发明能充分结合燃料电池多堆系统串联运行和并联运行的优点，提升燃料电池使用寿命，降低控制策略的复杂程度。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池串并联多堆协同运行系统及其控制方法。

背景技术

风、光等新能源发电具有不可控的缺点，通过电解水制氢的方式将新能源的电能储存起来是一种非常好的解决办法。因此，各国大力发展氢能应用场景。其中，燃料电池可通过电化学反应将氢气的化学能直接转换为电能，由于不经过燃烧，不受卡诺循环的限制，具有能量转换效率高的显著优点，将广泛运用于各种机械设备。

目前，质子交换膜燃料电池的单堆功率约在100kW，一般运用于乘用车和公交汽车等领域。当需求功率增大后，目前存在两种方案增加燃料电池输出功率，一种是继续增加燃料电池的单电池数目，在单堆的基础上提升燃料电池输出功率，但这会导致电堆装配难度加大，出现局部热点频繁发生等不利现象；另一种是增加燃料电池的电堆数目，采用多个燃料电池电堆共同工作的方式输出目标功率。

其中，燃料电池多堆系统运行存在两种运行方式：多堆串联运行和多堆并联运行。多堆串联运行具有结构简单、控制简单的显著优点，但是它的缺点也非常明显：系统中的一个燃料电池电堆损坏则整个系统便不能使用，并且即使负载功率需求低时，整个系统也需要同时开启，此时燃料电池电堆整体工作在高电势，不利于电池寿命。多堆并联运行具有运行灵活的优点，即使系统中的某些燃料电池电堆损坏整个系统也还能运行，但是现在的多堆并联运行系统为每个燃料电池电堆配备了一个DC/DC转换器，造成控制策略复杂、控制困难和投资成本高等问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的不足，本发明实施例提供了一种燃料电池串并联多堆协同运行系统及其控制方法，能够充分结合燃料电池多堆系统串联运行和并联运行的优点，不仅避免了燃料电池多堆系统在负载较小时导致的高电势的不利工况，提升燃料电池使用寿命，还避免了燃料电池多堆系统在负载较大时导致的控制策略复杂的情况，降低控制策略的复杂程度，并降低系统成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池串并联多堆协同运行系统，其包括：多个燃料电池电堆、气体供给模块、DC/DC转换器、串联气体供给回路、并联气体供给回路、电气串联回路、电气并联回路和控制器；所述气体供给模块通过所述串联气体供给回路将所述多个燃料电池电堆串联连接；所述气体供给模块还通过所述并联气体供给回路将所述多个燃料电池电堆串联连接；所述多个燃料电池电堆通过所述电气串联回路与所述DC/DC转换器串联连接；所述多个燃料电池电堆通过所述电气并联回路与所述DC/DC转换器并联连接；所述串联气体供给回路、所述并联气体供给回路、所述电气串联回路及所述电气并联回路均与所述控制器连接；其中，所述串联气体供给回路和所述电气串联回路在所述控制器选定串联工作模式下运行；所述并联气体供给回路和所述电气并联回路在所述控制器选定并联工作模式下运行。

进一步地，所述串联气体供给回路用于在所述控制器选定串联工作模式下将所述气体供给模块提供的反应气体传输至所有燃料电池电堆以及将所有燃料电池电堆产生的尾气排放至大气；所述并联气体供给回路用于在所述控制器选定并联工作模式下将所述气体供给模块提供的反应气体传输至预设个数的燃料电池电堆以及将所述预设个数的燃料电池电堆产生的尾气排放至大气；所述电气串联回路用于在所述控制器选定所述串联工作模式下将所有燃料电池电堆产生的能量串联传输至所述DC/DC转换器；所述电气并联回路用于在所述控制器选定所述并联工作模式下将所述预设个数的燃料电池电堆产生的能量并联传输至所述DC/DC转换器。