[发明专利]燃料电池电源系统的控制器

说明书

本发明涉及一种燃料电池电源系统的控制器。

在燃料电池电源系统中，即使当电源系统没有使用时，燃料电池通常也保持在一适当的温度，以防止它们的电解质变性。例如，在磷酸电解液燃料电池电源系统中，一个燃料电池电源单元或一个含有多个燃料电池的燃料电池堆，是由诸如电热器，循环加热气体等等适宜的加热装置一般地维持在大约100℃，使磷酸电解液不致变性。

当这种磷酸电解液燃料电池电源系统开始工作时，燃料电池堆首先被加热装置加热到大约120℃的温度，在这温度下燃料电池可以产生反应，而然后工作气体，即可燃气体和处理过的空气被输送到燃料电池堆，用燃料电池反应的热来加热燃料电池堆。同时，一个直流负载电阻作为虚拟负载接入电源系统的输出电路中，当燃料电池堆的温度达到其最佳操作温度约190℃时，燃料电池电源系统维持额定输出的稳定状态下工作，而将产生的电功率输送至负载，然后切断虚拟负载。

然而，在负荷下以反应的热加热燃料电池堆的期间，产生的电功率作为热浪费地消耗掉，结果降低了发电的效率。

另一方面，当燃料电池系统停止工作时，负载从燃料电池堆的输出电路脱开，而负载电阻作为虚拟负载接入输出电路，使燃料电池不致由于开路引起的过电压而损伤。这也导致发电效率的降低。

上述缺点可采用如图3中所示的副电池来克服。副电池连至燃料电池电源单元（FC）的输出电路，而负载（L）是经逆变器（INV）和开关（SW）连至电源单元（FC）输出电路。然而，如果电池（E）是充足了电，在以燃料电池反应的热来加热电源单元（FC）时，就不可能将它用作虚拟负载。此外，不可能以充足了电的副电池（E）来防止过电压，过电压可能在负载（L）从输出电路脱开时发生使电源单元停止工作。

因此，本发明的一个目的是提供一燃料电池电源系统的控制器，使系统在负荷状态以燃料电池反应的热来加热燃料电池电源单元时，可以将电功率损失减至最小。

本发明的另一目的是提供一燃料电池电源系统的控制器，使燃料电池电源单元在不降低电源单元的效率的情况下，也可以不致由于开路产生过电压而损伤。

根据本发明提供的燃料电池电源系统的控制器，包括一主开关元件接入燃料电池电源单元和直流-交流变换器之间，一副电池连接到一充电开关元件和一放电开关元件，以及一开关元件的控制电路，所说充电开关元件和放电开关元件是串联和跨接主开关元件，在电源单元以燃料电池反应的热加热操作期间，或在电源单元停止工作期间，在主开关元件保持断开状态的同时，所说电池藉接通充电开关单元充电，当燃料电池电源单元达到其额定工作温度时，所说电池藉接通放电开关元件，通过直流-交流变换器放电。

在本发明的具有控制器的燃料电池电源系统中，在以燃料电池反应的热加热其电源单元操作期间，产生的电功率是充电到副电池，而当电源单元达到额定工作温度时，所充的电功率的大部分作为正常的电功率，通过直流-交流变换器放电至负载。因而，本发明可使工作气体的耗损减少，结果改进了发电效率。因为在燃料电池电源单元的额定工作之前，副电池进行放电，在电源单元停止工作期间产生的电功率是通过充电开关元件充电至副电池，这样可以使燃料电池电源单元避免产生过电压。

图1是根据本发明的具有控制器的燃料电池电源系统的方框图;

图2是图1的控制器的电压-电流特性图;以及

图3是具有先有技术的控制器的燃料电池电源系统的方框图。

现参阅图1，燃料电池电源系统通常包括：一燃料电池电源单元（1），一直流-交流变换器（2），即通常所说的逆变器，以及一控制器（6）安装在电源单元（1）的输出电路和直流-交流变换器之间。电源单元（1）包含一堆燃料电池和连接到一可燃气体输送管（7），一处理过的空气输送管（9）及一冷却气体输送管（11），各输送管分别备有流量控制阀（8），（10）及（12）。燃料电池电源单元（1）装有一温度检测器（未画出）以检测其温度（T_f）。检测器的电测输出被馈送至在下面叙述的控制电路（＊）。