燃料电池系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种燃料电池系统以及一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统被控制为能够在应用诸如超级电容器的具有相对低能量密度的辅助电源时稳定地发电。

背景技术：

1、燃料电池是从其外部供应氢气和空气并且利用燃料电池堆中的电化学反应产生电能的装置，其可用作各种领域的电源，诸如燃料电池电动车辆(fcev)、发电用燃料电池等。

2、燃料电池系统包括通过堆叠用作电源的燃料电池而形成的燃料电池堆、向燃料电池堆供应作为燃料的氢等的燃料供应系统、供应作为电化学反应所需的氧化剂的氧气的空气供应系统、控制燃料电池堆温度的水热管理系统等。

3、燃料供应系统将氢罐中的压缩氢减压并且供应到燃料电池堆的阳极，而空气供应系统将通过操作空气压缩机吸入的外部空气供应到燃料电池堆的阴极。

4、当氢气被供应到燃料电池堆的阳极并且氧气被供应到燃料电池堆的阴极时，氢离子通过在阳极处的催化被分离。分离出来的氢离子通过电解质膜传递到作为阴极的氧化电极，从阳极分离出来的氢离子与电子和氧气在氧化电极发生电化学反应，从而获得电能。详细地说，在阳极发生氢的电化学氧化，在阴极发生氧的电化学还原，由于本过程中产生的电子的运动而产生电和热，并且通过氢和氧的结合的化学作用产生蒸气或水。

5、提供一种排放器，用于排出不与燃料电池堆发电过程中产生的诸如蒸气、水和热的副产品发生反应的氢气、氧气等，诸如蒸气、氢气和氧气的气体通过排气通道排放到大气中。

6、燃料电池中发生的电化学反应的方程式如下。

7、[阳极反应]2h2(g)→4h+(aq.)+4e-

8、[阴极反应]o2(g)+4h+(aq.)+4e-→2h2o(l)

9、[全反应]2h2(g)+o2(g)→2h2o(l)+电能+热能

10、如方程式所示，氢分子在阳极分解，因此产生四个氢离子和四个电子。电子通过外电路运动，从而产生电流(电能)，氢离子通过电解质膜移动到阴极并产生阴极反应。此外，水和热作为电化学反应的副产品产生。

11、近来，在诸如车辆、船舶、发电机的各种应用中正在尝试用燃料电池系统替代现有的内燃机。

12、与电池系统不同，燃料电池系统是当有来自负载的请求电力时通过产生电力来提供所需输出的系统，其特征在于必须从特殊外部能源向其提供能量以开始发电。因此，燃料电池系统不作为单一能源使用，在特定应用中一般采用混合型燃料电池系统和辅助电源系统。

13、然而，燃料电池系统和辅助电源系统以简单的并联方式配置，不可能控制燃料电池系统的输出和控制上限电压以提高耐久性。因此，应用特殊的功率转换系统(转换器)来控制燃料电池系统的输出和电压上限，一般采用电力网配置，其中在燃料电池系统的后端部分应用功率转换系统(转换器)以实现能够强制限制从燃料电池系统提供的输出的附加优点。

14、相关技术的控制功率转换系统(转换器)的方法具有无论辅助电源的种类如何都可通用的优点。然而，在应用诸如超级电容器的具有相对低能量密度的辅助电源的应用中存在以下限制。

15、当转换器的输出电压产生过电压故障情况时，主动控制很困难。转换器通过控制输入电压来控制燃料电池系统的输出，当转换器的输出电压出现过电压问题时，转换器简单地停止操作，因此来自燃料电池系统中的电流被突然切断，由此在当前情况下可能存在输出不能很好地提供给负载的问题。

16、在由于转换器的低输出电压而具有电压重叠故障的可能性的情况下，主动控制很困难。当控制输入电压时，当输入电压和输出电压之间的电压差小于特定值或反转(inversed)时，转换器简单地停止操作。在当前情况下，输入电压和输出电压具有相同的电位并且存在燃料电池系统的耐久性可能劣化并且转换器可能个别地永久损坏的问题。

17、超级电容器的可用操作容量由于转换器的输出电压的大振荡而受到限制。使用超级电容器作为辅助电源时，与使用锂离子电池时相比，转换器的输出电压振荡较大，无法将超级电容器的充电量维持在较高水平，以免操作应用程序时超过转换器的最大输出电压。这是因为当超级电容器用作辅助电源时，与锂离子电池相比，相同充电量的电压变化较大，因此必须考虑到与充电最大值的较大余量来操作应用程序。

18、本发明的此背景技术部分中包含的信息仅用于增强对本发明的一般背景的理解，不能被视为承认或任何形式的暗示该信息构成本领域技术人员已知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的各个方面旨在提供一种燃料电池系统，在输出电压过高时，通过逐步地对燃料电池系统的输出进行降额(derate)，该系统可防止燃料电池系统的输出瞬时断开并且能够以最大容量操作超级电容器，该系统可通过以最大容量操作超级电容器来最大化辅助电源的输出辅助时间，可通过转换器的最小占空比控制防止燃料电池和电池的电压重叠、燃料电池系统耐久性的恶化以及功率转换系统的永久损害，并且该系统可通过将辅助电源的容量设计得比一般情况小来降低材料成本，而且还提供一种控制燃料电池系统的方法。

2、为实现上述目的，根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统包括：燃料电池，其通过转换器连接到主母线；辅助电源，其在转换器的输出侧与主母线并联；以及控制器，其与转换器电连接，并且配置成通过改变转换器的目标输入电压来控制转换器调整燃料电池的输出，配置成当转换器的输出电压为设定最大值或大于设定最大值时增加转换器的目标输入电压，并且配置成当转换器的输出电压为设定最小值或小于设定最小值时降低转换器的目标输入电压。

3、当转换器的输出电压在设定最小值和设定最大值之间时，控制器可根据连接到主母线的负载的请求输出来设定转换器的目标输入电压。

4、控制器可被配置成通过改变包括在转换器中的开关装置的占空比来控制转换器的输入电压以跟随目标输入电压。

5、辅助电源可以是超级电容。

6、当转换器的输出电压是设定最大值或大于设定最大值时，控制器可被配置成确定转换器的输出电压与设定最大值之间的差值，并且可根据差值增加转换器的目标输入电压。

7、当转换器的输出电压是设定最大值或大于设定最大值时，控制器可被配置成确定转换器的输出电压与设定最大值之间的差值，可根据差值确定补偿电压，并且可通过将补偿电压添加到转换器的输入电压来确定目标输入电压。

8、差值越大，补偿电压可增加得越多。

9、当转换器的输出电压为设定最小值或小于设定最小值并且其输入电压大于输出电压除以转换器的最小电压传输比而获得的值时，控制器可降低转换器的目标输入电压。

10、当转换器的输出电压为设定最小值或小于设定最小值并且其输入电压大于输出电压除以转换器的最小电压传输比而获得的值时，控制器可将目标输入电压设定为转换器的输出电压除以最小电压传输比所获得的值。

11、当转换器的输出电压为设定最小值或小于设定最小值并且目标输入电压大于通过将输出电压除以转换器的最小电压传输比而获得的值时，控制器可降低转换器的目标输入电压。

12、当转换器的输出电压为设定最小值或小于设定最小值并且目标输入电压大于通过将输出电压除以转换器的最小电压传输比而获得的值时，控制器可将目标输入电压重新设定为将转换器的输出电压除以最小电压传输比而获得的值。

13、最小电压传输比可以是当转换器被控制在最小占空比时获得的转换器的电压传输比。

14、本发明的燃料电池系统的控制方法是一种控制燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括通过转换器连接到主母线的燃料电池和并联到转换器的主母线的输出侧的辅助电源，该方法包括：当转换器的输出电压在设定最小值和设定最大值之间时，由控制器根据负载的请求输出来改变转换器的目标输入电压；当转换器的输出电压为设定最大值或大于设定最大值时，增加转换器的目标输入电压；以及当转换器的输出电压为设定最小值或小于设定最小值时，降低转换器的目标输入电压。

15、在增加目标输入电压时，当转换器的输出电压为设定最大值或大于设定最大值时，控制器可被配置成确定转换器的输出电压和设定最大值之间的差值，可根据差值确定补偿电压，并且可通过将补偿电压与转换器的输入电压相加得到目标输入电压。

16、在降低目标输入电压时，当转换器的输出电压为设定最小值或小于设定最小值并且其输入电压大于输出电压除以转换器的最小电压传输比时，控制器可将目标输入电压设定为通过将转换器的输出电压除以最小电压传输比而获得的值。

17、该方法还可包括由控制器通过改变包括在转换器中的开关装置的占空比来控制转换器的输入电压跟随目标输入电压。

18、根据本发明的燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法，当输出电压过高时，通过逐步地对燃料电池系统的输出进行降额，可防止燃料电池系统输出的瞬时断开并且以最大容量操作超级电容器，可通过以最大容量操作超级电容器来最大化辅助电源的输出辅助时间，可通过转换器的最小占空比控制防止燃料电池和电池的电压重叠、燃料电池系统的耐久性恶化以及功率转换系统的永久损坏，并且可通过将辅助电源的容量设计得比现有技术中的容量小来降低材料成本。

19、本发明的方法和设备具有其他特征和优点，这些特征和优点将从并入本文的附图和下面的详细描述中显而易见或更详细地阐述，这些附图一起用于解释本发明的某些原则。