专利名称：无dc-dc变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，具体来说是一种不需要DC-DC变换器的 燃料电池。
背景技术：
为了解决环境污染和化石燃料日益枯竭的迫切问题，世界各国都 对燃料电池进行了广泛的关注，因为燃料电池是一种高效清洁能源， 对环境没有或只有很小的污染，并能用可再生性物质如氢气和甲醇做 为燃料。很多国家尤其是发达国家已投入了大量的人力物力和财力对 燃料电池进行广泛的研究和开发。作为发展中国家的中国也加大了对 燃料电池研发的投入。很多省市已把开发燃料电池提升到了战略高 度，并把开发燃料电池作为最重要的研发方向之一。
燃料电池是一种电化学能量转换器，把燃料(和氧气)中的化学 能直接转化成电能。燃料在燃料电池的阳极被氧化，氧气在燃料电池 的阴极被还原。只要有燃料和氧气不停地输入，燃料电池就能源源不 断地产生电能。反应式(1)表述了氢气在阳极的氧化过程，反应式 (2)表述了甲醇在阳极的氧化过程，反应式(3)表述了相应的氧气
在阴极的还原过程
H2 = 2H+ + 2e— (1) CH30H + H20 二 C02 + 6H+ + 6e_ (2)02 + 4H++ 4e_ = 2H20 (3)
如图1所示，电堆、DC-DC变换器、启动电源、水热管理和控制器 通常是构成一个燃料电池系统主要模块。其中，电堆是作为反应气(燃 料和氧气)发生电化学反应的地方；DC-DC变换器把从电堆中产生的 电能变换到负载所需的值，通常是把电堆的输出电压变化到负载所需 的输入电压；启动电源通常是电池或电容或两者的结合，用来启动燃 料电池系统和在需要时给负载提供额外的能量；水热管理保证水和热 的平衡以便让电堆和系统中的其他模块处于最佳工作状态；控制器用 来控制燃料电池系统中的所有模块和它们的运行过程。
对于千瓦级燃料电池系统，DC-DC变换器的能耗通常在1(^以上， 这是很大的能量损失，大大的降低了整个燃料电池系统的输出功率。 为此，有人提出了去掉DC-DC变换器的想法。但是，由于燃料电池的 输出电压随着负载的变化而变化，S卩，燃料电池输出的电压会随着负 载的变化而来回波动，不能输出稳定的电压，而满足不了有些负载需 要稳定电压的要求。为此，又有人提出把一个较大的电池(该电池也 可能是燃料电池内的启动电源)并联到燃料电池系统上而把燃料电池 的输出电压拉到和电池电压相同的值上，如图2所示。然而，尚没有 具体的方案来实现这一想法。
发明内容
针对目前的燃料电池采用DC-DC变换器造成的输出功率降低问 题，本发明的目的在于提供一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方 法，以实现无需DC-DC变换器而能够保证燃料电池系统输出电压的稳定，满足负载的稳压要求。
本发明采用如下技术解决方案 一种无DC-DC变换器的燃料电池 稳压方法，是在工作负载变化时，通过调节燃料电池氧化反应的反应 条件，而使燃料电池输出电压稳定在工作负载所需要的电压范围。
上述的反应条件可以是电堆反应物的流量、压力或浓度。当反应 气体的流量、压力、或浓度降低时，单位时间内参与氧化还原反应的 反应物就减少，从而使得反应速率降低，燃料电池的输出功率也随之 会降低。这样，当负载降低时，控制器会相应地降低反应气体的流量、 压力、或浓度来降低电堆的功率输出。该功率输出的降低是由于反应 气体的流量、压力、或浓度的降低而导致电堆产生的电流的降低，而 电堆的输出电压不变。反之，当反应气体的流量、压力或浓度增加时， 燃料电池的输出功率会增加。所述的反应物是指燃料或空气，或者同 时控制燃料和空气。
上述的被控制的反应条件也可以是电堆的工作温度，通过改变电 堆的工作温度来调节燃料电池的输出功率进而取得稳定的电堆电压 输出。由于电堆的输出功率会随着电堆的升温而增加或随着电堆的降 温而减小，这样，当负载变小时控制器会相应地通过增加冷却剂(液 体或气体)的流量使其带走更多的热量而降低电堆的温度。反之，当 负载变大时控制器会相应地通过减小冷却剂(液体或气体)的流量使 其带走更少的热量而升高电堆的温度。电堆输出的电流会随着输出功 率的减小或增加而减小或增加，保证电堆的输出电压稳定。
用于调节电堆输出功率的反应条件还可以是电堆中膜电极的湿度，通过改变电堆中的膜电极的湿度来调节燃料电池的输出功率进而 取得稳定的电堆电压输出。 一般来讲，当膜电极的湿度高时，电堆的 输出功率高，而当膜电极的湿度低时，电堆的输出功率低。膜电极的 湿度有若干种方式可以控制和调整。比如，它可以让反应气通过加湿 器来调整。当加湿器控制在不同的温度时，进入电堆的反应气就得到 了不同程度的加湿。当负载变小时控制器会相应地降低加湿器的温度 而降低反应气湿度，从而导致电堆输出功率的降低。反之，当负载增 加时控制器会相应地增加加湿器的温度而增加反应气湿度，从而导致 电堆输出功率的增加。电堆输出的电流会随着输出功率的减小或增加 而减小或增加，保证电堆的输出电压稳定。
本发明还提供了一种无DC-DC变换器的燃料电池系统，包括电堆
以及控制器，还包括用于调节燃料电池电堆工况的调节器，所述的控 制器采集所述电堆的输出电压并与设定电压比较，并根据比较结果控 制和调节所述反应条件，以保证电堆的输出功率与负载匹配且保证输 出的电压稳定在负载所需要的电压范围。
根据调节对象不同，所述的调节器可以为安装在燃料气或空气输 入通道上的流量调节阀或压力调节阀，用于调节燃料气或空气的流
量、浓度或压力；也可以为安装在冷却水通道上的调节阀，用于调节 电堆的工作温度；还可以为控制燃料电池膜电极湿度的湿度调节装 置。
当然，还可以是同时对上述两个或两个以上的对象进行调节。 本发明是根据负载的变化，通过调节燃料电池的反应工况来改变燃料电池的输出功率，达到使整个燃料电池系统的输出功率和输出电
压与工作负载始终匹配，从而避免了采用DC-DC变换器时存在的能量 损失问题。这种方法和系统减少了输出电压杂音，拓宽了无DC-DC变 换器燃料电池系统的应用范围，提高了燃料电池的可靠性，降低了燃 料电池成本，适合于各类燃料电池。
图1为现有的燃料电池系统组成结构示意图。 图2为一种燃料电池系统的组成方案示意图。 图3为本发明的无DC-DC变换器的燃料电池系统的一种实施方式 原理图。
图4为空气流量与燃料电池输出功率关系图。 图5为空气压力与燃料电池输出功率关系图。 图6为控制电堆工作温度的实施例示意图。
具体实施例方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细描述，以助于理解本 发明的内容。
实施例1-调节反应物控制输出功率
图3所示是本发明的一种实施方式示意图，包括向负载2供电的 燃料电池电堆1，氢气入口和空气入口通过通道向燃料电池电堆供应 反应所需要的气体-氢气和空气。控制器将电堆输出电压与设定电压 进行比较，并根据比较结果控制调节阀的开度值，以调节空气和/或 作为燃料的氢气的压力(或流量或浓度)。负载2要求的电压称为设定电压，当电堆l的实际输出电压与设定电压不同时，如实际输出电 压高于设定电压值时，比较器输出绝对值较大的负电压，该电压经过 放大后，驱动调节阀将空气或燃料压力(或流量或浓度)调低，电堆 的实际输出电压开始减小，当达到设定电压时，电压比较器输出电压 为0，表明在该空气和/或燃料压力(或流量或浓度)下电堆的输出 电压和负载所需电压相匹配，系统进入稳定状态。反之，如电堆实际 输出电压低于设定电压值时，比较器输出绝对值较大的正电压，该电 压经过放大后，将燃料和/或空气压力(或流量或浓度)调高，电堆 的实际输出电压开始增加，当达到设定电压时，电压比较器输出电压 为0，表明在该燃料或空气压力(或流量或浓度)下电堆的输出电压 和负载所需电压相匹配，系统进入稳定状态。
这一实施例是在工作负载变化时，通过调节燃料电池氧化还原反 应的反应物来调节输出功率，而使工作负载波动时燃料电池输出电压 稳定在工作负载所需要的电压范围。
图4是为稳定电堆的输出电压在33V时通过改变空气流量时该电 堆输出功率的变化。当空气的流量从50slpm减小到23slpm时，电堆 的输出功率从802瓦减到545瓦，减小了44%，而电堆的输出电压一 直稳定在33V。
图5是为稳定电堆的输出电压在33V时通过改变空气压力时该电 堆输出功率的变化。当空气的压力从60kPag减小到20kPag时，电堆 的输出功率从970瓦减到809瓦，减小了17%，而电堆的输出电压一 直稳定在33V。表明通过调节空气压力能够实现在电压稳定的情况下改变电堆的输出功率。
实施例2-调节电堆工作温度控制输出功率
图6所示是本发明的另一种实施例，与实施例1中不同的是，在
工作负载变化时，通过调节燃料电池电堆的工作温度来调节输出功 率，而使工作负载波动时燃料电池输出电压稳定在工作负载所需要的 电压范围。
该燃料电池系统包括向负载2供电的燃料电池电堆1。控制器将 电堆1输出电压与设定电压进行比较，并根据比较结果控制冷却剂调 节阀的开度值，以调节冷却剂的流量，来控制燃料电池的工作温度。 负载2要求的电压称为设定电压，当电堆l的实际输出电压与设定电 压不同时，如实际输出电压高于设定电压值时，比较器输出绝对值较 大的负电压，该电压经过放大后，驱动调节阀将冷却剂流量调高，电 堆温度降低而使得实际输出电压开始减小；当达到设定电压时，电压 比较器输出电压为0，冷却剂流量已使电堆的输出电压和负载的输入 电压相匹配，系统进入稳定状态。反之，如实际输出电压低于设定电 压值时，比较器输出绝对值较大的正电压，该电压经过放大后，将冷 却剂流量调低，电堆的工作温度升高而使实际输出电压增加，当达到 设定电压时，电压比较器输出电压为0，冷却剂流量已使电堆的输出 电压和负载的输入电压相匹配，系统进入稳定状态。
实施例3-控制电堆膜电极的湿度来调节电堆输出功率 该方案是在工作负载变化时，通过调节燃料电池电堆膜电极的湿 度来调节输出功率，而使工作负载波动时燃料电池输出电压稳定在工作负载所需要的电压范围。
膜电极的湿度有若干种方式可以控制和调整。其燃料电池系统参 照图6所示，将其调节阀改为调节加湿器的进水量，或者是如
CN1216392A那样调节加热器、冷却器或者是空气泵来调节湿度，或 者通过调节加湿器的温度来调节膜电极的湿度。
权利要求
1、一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法，是在工作负载变化时，通过调节燃料电池氧化还原反应的反应条件来调节其输出功率，而使燃料电池输出电压稳定在工作负载所需要的电压范围内。
2、 如权利要求1所述的无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法， 其特征在于所述的反应条件是电堆反应物的流量、压力或浓度。
3、 如权利要求2所述的无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法， 其特征在于所述的反应物是指燃料和/或空气。
4、 如权利要求1所述的无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法， 其特征在于所述的反应条件是电堆的工作温度。
5、 如权利要求1所述的无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法， 其特征在于所述的反应条件是电堆膜电极的湿度。
6、 一种无DC-DC变换器的燃料电池系统，包括电堆以及控制器， 其特征在于还包括用于调节燃料电池电堆工况的调节器，所述的控制器采集所述电堆的输出电压并与设定电压比较，并根据比较结果控 制和调节所述调节器，以保证电堆的输出功率与负载匹配且保证输出 电压稳定在负载所需要的电压范围。
7、 如权利要求6所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于所述的调节器为安装在燃料和/或空气输入通道上的流量调节阀或压力调节阀，用于调节燃料或空气的流量、浓度或压力。
8、 如权利要求6所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于所述的调节器为安装在冷却剂通道上的调节阔，用于调节电堆的工作温度。
9、如权利要求6所述的无DC-DC变换器的燃料电池系统，其特征在于所述的调节器为控制燃料电池膜电极湿度的调节装置。
全文摘要
本发明公开了一种无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统，是在工作负载变化时，通过调节燃料电池氧化还原反应的反应条件来调节其输出功率，从而使工作负载波动时燃料电池的输出电压仍能稳定在工作负载所需要的电压范围内。由于没有DC-DC变换器，所以减少了电能无谓的消耗，提高了燃料电池的输出效率。
文档编号H01M8/24GK101593993SQ200910148488
公开日2009年12月2日 申请日期2009年7月1日 优先权日2009年7月1日
发明者齐志刚 申请人:武汉银泰科技燃料电池有限公司