专利名称：用于向电网馈送电流的燃料电池装置和方法
技术领域：
燃料电池装置在满足各种电子产品需求方面正成为主导力量。燃料电池装置是储备有反应物用于产生电能的电化学装置。
背景技术：
燃料电池装置是在环保处理中能产生高占空比的电流的电化学装置。燃料电池技术被认为是未来最有前途的发电方法之一。如图1所示，燃料电池包括阳极端100和阴极端102以及它们之间的电解质材料 104。馈送给燃料电池装置的反应物经历了由于放热反应而产生电能和热量的过程。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气106被馈送给阴极端102并且通过从阴极接收电子而被还原为负氧离子。负氧离子穿过电解质材料104抵达阳极端100，在那里负氧离子与废燃料(used fuel) 108起反应，产生了水通常还会产生二氧化碳(C02)。位于阳极和阴极之间的是用于将电子e-传送到阴极的外部电子电路111。外部电子电路包括负载 110。图2中示出的是可将例如天然气、沼气(bio gas)、甲醇或其它包含碳氢化合物的混合物用作燃料的SOFC装置。图2中的SOFC装置包括堆结构103 (S0FC堆)的平板式燃料电池。如图1所示，每个燃料电池都包括图1中给出那样的阳极100和阴极102构造。部分废燃料通过每个阳极再流回到反馈装置109中。图2中的SOFC装置包括燃料热交换器105和重整器(REF) 107。热交换器被用于控制燃料电池处理过程中的热条件，并且在SOFC装置的不同位置可设置不止一个这种热交换器。在热恢复单元中，循环气体中的额外热能在将在SOFC装置内或外部使用的热交换器105中恢复。热恢复热交换器(heat recovering heat exchanger)可因此设置在图2 所示的不同位置。重整器是将例如天然气的燃料转化为适合于燃料电池的混合物(例如转化为包括一半为氢气而另一半为甲烷、二氧化碳和惰性气体的混合物)的装置。然而，重整器在整个燃料电池实现中不是必需的，未处理的燃料也可被直接馈送给燃料电池103。通过使用测量装置115(例如燃料流量计、流速计和温度计)从所穿过的阳极再循环气体中，实现所述SOFC装置的操作的必要测量。只有在燃料电池103的阳极100(图1) 处使用的部分气体才再循环穿过反馈装置109中的阳极，并由此在如图2中还被示意性表示为从阳极100排出的气体114的另一部分。燃料电池装置以包括低电压电平的直流电的形式产生电能。可通过联合若干燃料电池或燃料电池的联合体以形成例如堆结构的串行连接来提高电压电平。燃料电池的伏安特性取决于例如反应物成分、质量流量、温度和压力。燃料电池中的电化学反应快速作用于燃料电池负载的波动。然而，反应物输入系统的反应能力通常十分缓慢，这意味着几秒甚至几分钟的反应时间。当试图在燃料电池外获得比反应物的主要输入所允许的更高的效率时，就会导致燃料电池电压的弱化，甚至可能导致燃料电池的不可恢复的损坏。另外，在燃料电池中，负载变化引起燃料电池的快速温度变化，尤其是在高温燃料电池中，这会导致有害的热机械压力，造成燃料电池的性能显著减弱和寿命显著缩短。因此，必须设计燃料电池系统，使得每个燃料电池的负载都尽可能保持不变，并且设法将负载中的可能变化都尽可能实现为可控的。当燃料电池被用于获取独立可变的AC负载，或被用于向配电网供应电力时，需要 DC-AC转换器将DC电力转换为AC电力。还可能需要DC-DC转换器将从燃料电池获得的DC 电压提升到适合DC-AC转换器的水平。然而，由于燃料电池响应于负载变化的非常有限的兼容性和容量，现有技术的燃料电池实施，尤其是高温燃料电池实施，作为电源使用以将独立可变的AC负载或可变电力馈送给配电网效果很差。试图修复上述问题的一种公知方法为使用能量缓冲器，能量缓冲器包括例如铅酸蓄电池。能量缓冲器的功能是在快速变化的条件下馈送或消耗功率，以便控制燃料电池的负载变化。尤其在大型燃料电池系统中，由于成本高、尺寸大和重量大以及效率有限，上述现有技术实施的缺点变得更加严重。在电网连接应用中，一种用于维持恒定燃料电池负载的可选的现有技术实施是在将电力馈送到网络的过程中使用电流受控转变(transform)。基于电流受控转变的控制并不适合于网络独立操作，因此不能作为用于燃料电池系统内部或外部的临界AC负载的应急电源使用。高温燃料电池系统需要较大热能总额来将系统加热到工作温度。这导致启动时间会长达数十个小时。关闭和启动序列中的广阔温度交替将燃料电池和相关系统组件暴露于超高的热机械应力。因此，高温燃料电池系统必须被设计为连续工作尽可能长的时间段，甚至数千小时而不关闭。为了达到这个目的，系统必须被设计为满足高可靠性，且被设计为最小化可能关闭该系统或者可能将该系统驱动到有害工作条件下的外界因素。电流受控转换器在燃料电池应用中存在如下问题，它不能保护燃料电池不受负载的突然变化的影响，所述变化是由例如电源故障、电压暂降或瞬变的不同网络中断引起的。
发明内容
本发明的目的是实现没有分离的电能存储装置的燃料电池装置，并且所述燃料电池装置将高品质电流馈送给电网，并且当所述电网中发生故障时，所述燃料电池装置立即变为与电网断开的工作模式以实现其它功能。这是通过用于产生到电网的电流的燃料电池装置来完成的。至少一个燃料电池装置已被布置为并联到所述电网，并且包括电力变换器(power transformer)，其包括控制电路和电流受控的电力级(power stage)，用于当所述燃料电池装置并联到电网时向所述电网输入电流，并且所述控制电路用于形成要在输入所述电流时使用的相位基准信号；可控负载，其用于维持所述燃料电池装置的功率稳定性； 用于当电网中发生故障时将所述燃料电池装置与电网断开的装置，所述电力变换器通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网断开的工作模式，以执行所述电力变换器的电压受控操作，并且所述可控负载用于维持所述电压受控电力变换器与所述燃料电池装置的其它部件之间的功率稳定性，并且，当所述故障从电网中消失时，所述电力变换器通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网接通的工作模式，以执行所述电力变换器的电流受控操作。本发明还着重于一种通过燃料电池装置来产生电流的方法，所述燃料电池装置向电网输入电流。在该方法中，至少一个燃料电池装置被设置为并联到电网，形成要在输入所述电流时使用的相位基准信号，凭借包括电力级的电力变换器将电流输入到电流受控的电网，当所述燃料电池装置并联到电网时，当电网发生故障时所述燃料电池装置与电网断开， 通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网断开的工作模式，以执行所述电力变换器的电压受控操作，并且可控负载被用于维持所述电压受控电力变换器与所述燃料电池装置的其它部件之间的功率稳定性，并且，当所述故障从电网中消失时，通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网接通的工作模式，以执行所述电力变换器的电流受控操作。本发明基于在所述燃料电池装置的操作中使用了电流受控电力变换器拓扑，并且在向电网输入电流时使用了所述相位基准信号。当所述电网中发生故障时，所述燃料电池装置通过使用执行断开的装置立即与所述电网断开，并通过使用所述相位基准信号和所述可控负载，将所述燃料电池装置变为与电网断开的工作模式，其中，根据本发明的燃料电池装置的一部分以电压受控的方式工作，并通过使用所述可控负载来平衡功率失衡。本发明的优点在于燃料电池装置实施的成功，所述燃料电池装置确保了不同情况下稳定的燃料电池负载，而无需昂贵且分离的电能贮存装置。在根据本发明的实施方式中， 当在电网中检测出故障时，将燃料电池装置的工作模式从所述燃料电池装置并联到电网的工作模式立即变为所述燃料电池装置与所述电网断开的工作模式。因此，所述燃料电池装置在所述电网的短时间或长时间故障期间可持续工作。由此，省略了燃料电池装置的长期启动过程，并且在电网故障期间，燃料电池装置的操作可被用于一些其它目的，例如作为应急电源来工作，例如用于移动电话网络的基站132。在所述电网的故障消除之后，燃料电池装置的工作可立即返回到与电网接通的工作模式，在该模式下，所述燃料电池装置向电网馈送电流。
图1示出了单燃料电池结构；图2示出了燃料电池装置的一个实例；图3示出了根据本发明的一个优选实施方式。
具体实施例方式在根据本发明的实施方式中，在将电流馈送给电网125的过程中，而且在燃料电池装置123与电网断开以执行未连接操作的情况下，成功使用了燃料电池技术。在以下描述中详细示出了本发明的优选实施方式，其中图3示出了其框图。至少一个燃料电池装置被设置为并联到电网以将由所述燃料电池装置产生的电馈送给电网。所述燃料电池装置的电力变换器122包括控制电路1 和电流受控电力级124，用于当所述燃料电池装置123并联到电网时将电流输入到电网。通过使用所述电力级包括的电流受控转换器，例如通过使用电流受控DC-DC转换器，来实现电力转变拓扑。所述电流受控的实施方式使得即使燃料电池的电压发生变化或DC-AC转换器的中间电路电压发生变化，所述燃料电池也可以保持在期望的工作范围内。在包括许多燃料电池堆的燃料电池系统中，可以针对每个堆或堆组来使用分离的DC-DC转换器，以确保这些燃料电池堆之间的负载分配的可控性。在所述燃料电池装置123与电网125接通的工作模式中，通过三相电流受控电力级122将所述燃料电池装置产生的电流馈送给所述电网。电力变换器122包括用于形成相位基准信号以将电流输入到电网的控制电路128。例如，形成所述相位基准信号，以使得用于相位电流的所述控制电路128中的三相正弦基准信号基本保持不变。所述相位基准信号，即，正弦波基准信号是由与三相主电压相比被频率锁定在三相中的所述控制电路形成的。通过对所述正弦波基准信号施加偏移(offset)值，馈送给电网的电流的相位角可在一定限度内被随意设置为延迟的或是提前的。同样，所述控制电路1 执行幅度控制以使得所述相位基准信号(即本实例中的正弦波基准信号)乘以源自电力级124的中间电路电压的幅度基准信号。这样，可以在足以允许未失真的电流馈入电网的最小程度上实现所述幅度控制，由此优化了所述燃料电池装置的效率。在本发明的优选实施方式中，用于将所述燃料电池装置与电网断开的装置被设置为，当电网中发生故障时，立即将所述燃料电池装置切换为与电网断开的工作模式的保护继电器装置130。例如，根据电压或频率检测来检测电网中的故障。发送器将上述断开告知给所述电力变换器122的控制电路128，并且通过基于所述控制电路的内部正弦波基准信号来使用所述控制电路，所述燃料电池装置的操作被立即转换为与电网断开的工作模式。 在与电网断开的工作模式中，所述燃料电池装置123在电压受控的工作模式下工作，在该模式下形成了稳定的负载独立三相电压。可使用发送器-接收器装置来构造所述保护继电器130以与燃料电池装置所包括的其它保护继电器131进行通信，使得所述燃料电池装置形成包括负载132(例如，移动电话网络基站)的局部孤立的单元，当需求出现时，所述燃料电池装置可作为应急电源来工作。与所述单元中的可能的其它电压单元共享所述负载例如可如下实现通过在电源与频率之间施加负反馈。图3中示出的保护继电器131在本发明的实施中不是必需的。在与电网断开的工作模式下，通过利用用于维持功率稳定性的可控负载，即所谓的缓冲器负载，将所述燃料电池装置123的燃料电池保持在恒定负载状态，所述缓冲器负载的加载(loading)适用于消除差值，所述差值基于燃料电池产生的电能与负载所需的当前实际电能之间的差。虽然所述燃料电池103的加载持续为电流可控的，但是在与电网断开之后，电力变换器122(在本发明的一个优选实施方式中在此示出为DC/AC变换器)只能在电压受控工作模式下工作。可控负载1 被用于平衡由上述电压和电流控制引起的电力失衡。基于存在所述电力级的中间电路电压值由控制装置来完成可控负载126的适应。用于控制的装置可以使用例如触发角受控的晶闸管控制器(tyristor controller)。馈送给可控负载126的电能总额也表示用于增加馈送给负载的当前电能的临界(marginal)。仅在所述燃料电池装置需要更长的时间段来馈送比其标称工作电力产生更多的AC电力的情况下，才需要电能贮存器。上述电网125的故障可能会根据在长时间段(断电)中极短的时间段(例如电压窄脉冲)的持续时间而变化。当分别检测到故障已从电网中消除时，燃料电池装置123 的操作也可立即返回到接通电网工作模式，在该工作模式下燃料电池装置将电流馈送给电网。因此，本发明的优选实施方式也可被指定为用于燃料电池装置应用的可连接到不同种类电网的网络交互电能平衡器。因此，电网可以是单相的、两相的、三相的等等，交流电网和 DC电网络也是可以的。针对主要旨在并联于电网工作的燃料电池装置，例如分区(divisional)燃料电池系统，其主要优势在于在没有用于存储电能的装置的情况下可以工作。在根据本发明的接通电网的工作模式下，因为不必要另外生成电来将能量储存的电能量保持为足够高，所以电能储存装置的缺少意味着效率获益。在根据本发明的与电网断开的工作模式下，电阻器中的能量损失是可以忽略的，因为该工作模式的时段相对短暂。尽管电能贮存器可包含在燃料电池装置中，但燃料电池装置必须工作在某一最低负载下，以便在燃料电池装置的工作中满足温度平衡的要求。在根据本发明的实施方式中，可通过在燃料电池附近设置电阻负载和通过使用用于加热燃料电池的电阻负载的热能，和/或当燃料电池装置作为例如移动电话网络基站的外部负载132的应急电源而工作时，降低燃料电池的最低容许负载。尽管上述根据本发明连同附图呈现的实施方式被用于SOFC燃料电池装置中，但应当注意，根据本发明的所述实施方式可被用于不同种类的燃料电池装置中。在本发明的优选实施方式中，电网通常被认为是常见的电能分配网络，并且燃料电池装置产生的DC电流例如通过三相DC-AC变换被馈送给所述网络。在根据本发明的实施方式中，可实现多种电网应用，因此例如DC-AC变换在每个应用中并不是必需的。尽管已经结合附图和具体实施方式
示出了本发明，但本发明不限于它们，本发明受到权利要求在允许范围内的变化的限制。
权利要求
1.一种用于产生到电网(125)的电流的燃料电池装置，其特征在于，至少一个燃料电池装置(123)已经被设置为并联到电网(125)，并且该燃料电池装置包括-电力变换器(122)，其包括控制电路(128)和电流受控电力级(IM)，用于当所述燃料电池装置已经并联到电网时向所述电网输入电流，并且所述控制电路(128)用于形成要在输入所述电流时使用的相位基准信号，-可控负载(126)，其用于维持所述燃料电池装置的功率稳定性；-用于当电网中发生故障时将所述燃料电池装置与电网断开的装置(130)，-所述电力变换器(12 通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网断开的工作模式，以执行所述电力变换器(122)的电压受控操作，并且所述可控负载(126) 用于维持电压受控的所述电力变换器(122)与所述燃料电池装置的其它部件之间的功率稳定性，并且，-当所述故障已从电网中消失时，所述电力变换器(12 通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网接通的工作模式，以执行所述电力变换器(12 的电流受控操作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置(12 包括所述控制电路(1 )，所述控制电路(128)用于形成三相正弦相位基准信号，以向电网输入电流。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置(12 包括所述控制电路(1 )，所述控制电路(128)用于将所述相位基准信号乘以幅度基准信号，以将不失真的电流输入到电网从而优化所述燃料电池装置的效率。
4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，所述电流受控电力级(124)包括中间电路，并且所述幅度基准信号是由所述中间电路的电压得来的。
5.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置(12 包括所述可控负载(126)，所述可控负载(126)用于在与电网断开的工作模式下将所述燃料电池装置的操作设置为应急电源操作。
6.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置(123)包括不止一个燃料电池堆(10 ；以及针对每个燃料电池堆或针对燃料电池堆组的分离的 DC-DC转换器，用于控制这些燃料电池堆之间的负载分配。
7.—种通过燃料电池装置来产生电流的方法，所述燃料电池装置向电网(12 输入电流，其特征在于，在该方法中-将至少一个燃料电池装置(123)设置为并联到电网(125)，-形成要在输入所述电流时使用的相位基准信号，-当所述燃料电池装置已经被并联到电网时，借助包括电力级(122)的电力变换器 (122)以电流受控的方式向电网输入电流，-当电网中发生故障时，将所述燃料电池装置与电网断开，-通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网断开的工作模式，以执行所述电力变换器(12 的电压受控操作，并且使用可控负载(126)来维持电压受控的所述电力变换器(122)与所述燃料电池装置的其它部件之间的功率稳定性，并且，-当所述故障已从电网中消失时，通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网接通的工作模式，以执行所述电力变换器(122)的电流受控操作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成三相正弦相位基准信号，以向电网输入电流。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述相位基准信号乘以幅度基准信号， 以向电网输入不失真的电流，从而优化所述燃料电池设备(12 的效率。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述幅度基准信号是由所述电力级 (124)的中间电路的电压得来的。
11.根据权利要求7所述方法，其特征在于，在与电网断开的工作模式下，通过使用可控负载(126)将所述燃料电池装置的操作设置为应急电源操作。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使用针对多个燃料电池堆(103)或针对多个燃料电池堆组的分离的DC-DC转换器，来控制这些燃料电池堆之间的负载分配或这些燃料电池堆组之间的负载分配。
全文摘要
本发明着重于一种由燃料电池装置产生电流的方法，所述燃料电池装置将电流输入到电网(125)。在所述方法中，将至少一个燃料电池装置(123)设置为并联到电网(125)；形成要在输入电流时使用的相位基准信号；当所述燃料电池装置已经并联到电网时，借助包括电力级(122)的电力变换器(122)以电流受控的方式将电流输入到电网；当电网中发生故障时将所述燃料电池装置与电网断开。在所述方法中，通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网断开的工作模式，以执行所述电力变换器(122)的电压受控操作，并且使用可控负载(126)来维持电压受控的电力变换器(122)与所述燃料电池装置的其它部件之间的功率稳定性，并且，当所述故障已从电网中消失时，通过使用所述相位基准信号将所述燃料电池装置变为与电网接通的工作模式，以执行所述电力变换器(122)系统的电流受控操作。
文档编号H02M7/48GK102246382SQ200980148942
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月1日 优先权日2008年12月9日
发明者金·阿斯特罗姆 申请人:瓦锡兰芬兰有限公司