专利名称：具有燃料电池系统阵列的电源装置的制作方法
技术领域：
发明领域该公开文本总体上涉及使用燃料电池系统阵列的电源。
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背景技术：
描述燃料电池在本领域是众所周知的。燃料电池用电化学的方法将包含氢的燃料流和包含氧的氧化剂流起反应以产生电流。燃料电池电源装置已经用于运输、便携和固定物的应用上。
当电力不足或中断时，传统的备用电源系统使用可再充电的蓄电池组用于供电。系统设计成供给AC电源，代表性的包括UPS单元，它包括UPS开关，蓄电池充电器和逆变器(并且可以进一步包括电源滤波和/或调节设备)。电源网通常将主电源供给负载。当电网停止时，蓄电池组通过逆变器给负载供电，该逆变器将输入的DC转换成AC输出。当主电源恢复时，蓄电池充电器给蓄电池组再充电。
多数阀调节铅酸电池(VRLA)经常在蓄电池组中使用。电池的数量和大小依据所需的运行时间。商业上可利用的UPS和其它电子设备，比如逆变器，具有不同的输入电压需求(包括48，72和96VDC)，这些是VRLA电池12VDC输出的倍数；并且它们的输出功率额定值与适当的蓄电池组的供应相匹配。
使用燃料电池电源装置的备用电源系统也被描述。一种方法是当负载的需求超出燃料电池组的输出时，使用具有与燃料电池系统并联电连接的电池的燃料电池模块，以提供额外的电流，并且当燃料电池组的输出超过负载的需求时，存储电流。模块的终端特性也可以设计成与现有的VRLA电池类似。
然而，燃料电池模块与商用设备及VRLA蓄电池组的电流，电压或功率电平不匹配。理想的，是具有更好匹配DC输入电压和可用的备用电设备，比如UPS的功率输出的燃料电池电源装置。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种具有燃料电池系统阵列的电源装置，它比传统使用的电源系统小并且轻，可以满足“瞬时接通”的操作要求。
本实用新型的目的是这样实现的一种具有燃料电池系统阵列的电源装置，包括燃料电池系统阵列，该阵列具有组合的电源输出并且包括，电力汇流排，和至少两个燃料电池系统，每一个燃料电池系统包括一个燃料电池组，一个与燃料电池组并联电连接的电源存储设备，及用于控制从燃料电池组流向电源存储设备和电源汇流排的电流的装置，每一个燃料电池系统具有一个输出电压和功率输出；其特点是电源装置进一步包括至少两个电源调节单元，每一个单元与电源汇流排电连接，电源调节单元具有一个输出电压和总的额定功率输出，并且其中电连接到电源汇流排的燃料电池系统的数量被选择潢足电源调节单元的输入电压；并且电源调节单元的数量被选择以使总的额定功率输出满足或超过阵列的功率输出。尤其在于燃料电池系统的输出电压和功率输出分别是24VDC和1KW。
根据上述的技术方靠，本实用新型的有益效果是电源装置的输出和燃料电池的输出无需相同相匹配，它比传统的电源系统小并且轻，满足“瞬时接通”的操作要求。
再补充描述的是，特定的详细细节被列出以提供对本实用新型各种实施例的彻底理解。然而，本领域的技术人员将理解，无需这些细节，发明也可以实施。在其它的实施例中，众所周知的与燃料电池，燃料电池组，电源存储设备相联系的结构，比如电池，飞轮，和超级电容器，反应传递系统，温度控制系统和燃料电池系统没有被示出或详细描述以避免不必要的混淆发明实施例的描述。
正如这里和随后所附的权利要求中使用的那样，“UPS”，代表任何拓扑学的不中断电源供应，包括无源备用设备，线路交互，和在IEC 62040-3和ENV50091-3标准中识别的双变换型。
通过以下附图对实施例进行详细描述，其中图1表示合成燃料电池模块10；图2表示燃料电池系统的二维阵列68；图3A表示四个燃料电池的阵列；图313表示三个燃料电池的阵列。
具体实施方式
图1示出了本实新型实施例中使用的为负载12供电的合成燃料电池模块10。负载12代表性的组成了由合成燃料电池模块10供电的设备，比如车辆，仪表，计算机和/或相关的外围设备。然而合成燃料电池模块10不代表性的认为是负载12的一部分，合成燃料电池模块10的一部分比如控制电子设备在一些可能的实施例中可以组成负载12的一部分或全部。
合成燃料电池模块10包括包含许多串联电连接的单独燃料电池的燃料电池组14。燃料电池组14接收通过反应物供应系统16由箭头9所示的诸如氢和空气之类的反应物。反应物供应系统16可以包括一个或更多的反应物供应存储器或电源11，转化炉(未示出)，和/或一个或更多控制元件，比如一个或更多压缩机、泵和/或阀18或其它反应物调节元件。燃料电池组14的操作产生反应产物，由箭头20代表，典型的包括水。燃料电池模块10可以重新利用一些或所有反应产物20。比如，由箭头22代表，一些或所有的水可以被返回到燃料电池组14在正确的温度湿润氢和空气和/或水合离子交换膜(未示出)或控制燃料电池组14的温度。
燃料电池组14产生经由由正极和负极电压轨道19a，19b形成的高压汇流排的组电压Vs。组电流Is从燃料电池组14经由高压汇流排流到负载12。正如在这里使用的，“高压”指的是由传统的燃料电池组14产生的用于给负载12供电的电压，并用来区分燃料电池模块10使用的其它用于控制和/或通信的电压(比如，5伏)。这样，高压就不必要是相对于其它电系统“高”。
合成燃料电池模块10包括一个电源发电存储设备，比如超级电容和/或经由高压汇流排的轨道19a，19b与燃料电池组14电并联连接，用于给负载12供电的电池24。将电池24的断路电压选择为与燃料电池组14的全负载电压相似。将电池24的内组RB选择为比燃料电池组14的内阻低一些。这样，电池24作为一个缓冲器，当燃料电池组14产生的电流比负载12所需的多时，吸收过度的电流，并且当燃料电池组14产生的电流比负载12所需的少时，为负载12提供电流。经由高压汇流排19a，19b的电压将是电池24的断路电压减去电池放电电流与电池24的内阻值RB的乘积。电池24的内阻值RB越小，汇流排电压的变化就越小。一个可选择的反向电流模块化二极管D1被电连接在燃料电池组14和电池24之间以阻止电流从电池24流向燃料电池组14。燃料电池模块10还可以包括其它二极管，及熔丝或其它电涌保护元件以阻止短路和/或电涌。
图2示出了燃料电池系统10的二维阵列68，安排M行和N列用于经由电源汇流排56为负载12供电。燃料电池系统10分别由10(1，1)-10(M，N)代表，其中括号中的第一个数代表在二维阵列68中的燃料电池模块10的行位置，并且括号中的第二个数代表二维阵列68中燃料电池模块10的列位置。图3中的椭圆说明了二维阵列68的不同行和列可以包含附加的燃料电池系统(未明确示出)。
燃料电池系统10(1，1)-10(M，N)中的每一个都分别连接到电源汇流排56以提供想要的输出功率，电压或电流的变化。在每一个列1-M中的燃料电池系统10(1-M，1)，10(1-M，2)，10(1-M，3)-10(1-M，N)都相互串联电连接到一起。在每一个行1-N中的燃料电池系统10(1，1-N)，10(2，1-N)，10(3，1-N)-10(M，1-N)都相互并联电连接到一起。从图3和这些描述中，本领域的技术人员将意识到，二维阵列68允许串联连接燃料电池系统10，以通过调整输出电压来调整电源供应系统的输出功率。本领域的技术人员还将意识到，二维阵列68允许并联连接燃料电池系统10，以通过调整输出电流来调整电源系统的输出电源。本领域的技术人员将进一步的意识到，二维阵列68允许串联和并联连接燃料电池系统10以通过调整输出电流和输出的电压来调整电源系统的输出功率。这样，通过并联较大的燃料电池组增加电源使功率增加，或是通过串联较多燃料电池增加电压使功率增加，对于说明的实施例其中每一个燃料电池系统中产生，比如，在24伏和40安是1KW的情况下，N*M KW的最大输出功率是可能的。本领域的技术人员将进一步的意识到，在这里所讨论的一和二维的阵列结构是指相对于另一个的电连接位置，并且无需燃料电池系统在物理上被安排在行和/或列中。
正如以前讨论的，在本电源装置(比如，10(M+1))中的一个或更多燃料电池系统，可以用作“冗余”燃料电池系统。电连接到燃料电池系统10形成行(比如，10(3，1)，10(3，2)，10(3，3)，…10(3，N))的链路(未示出)也可以被利用以提供至少N+1的冗余度。链路阻止在列中的任何个别的燃料电池系统10由于阻碍充分为负载12供电的能力所引起的损失。进一步，链路可以被抽头或可以形成抽头，以在电压汇流排的轨道上产生想要的电势能。这对于本领域的技术人员将是很明显的，冗余的概念也可以用于本电源装置各种其它系统。
燃料电池模块的可调整的阵列可以配制成与现有的商用设备的燃料电池的电流，电压或功率水平相匹配。燃料电池模块被配制成适合在使用蓄电池组的当前的备用电源系统中使用的标准的输出口或箱。该方法的优点是用户的电设备需要很少或不需修改就可以使用燃料电池做备用电源。将燃料电池与它们的产品相结合，可以节省用户的成本和时间。
不幸的是，商业上可利用的燃料电池模块的电压和功率的输出并不总与商业上可利用的UPS和其它电设备的输入电压和电源输出特性相电匹配。特别是通常使用较小电池的产品的情况，具有较低的安培-小时额定值，串联连接在较低的电流电平产生较高的电压。
举例来说，NexaTM燃料电池系统(Ballard电源系统公司，Burnaby，CA)在24伏和40安供给1千瓦。NexaTM模块可以被串联电连接以提供适合于给定的电源转化单元的输入电压。举例来说，4个模块可以被串联和并联连接以在80安提供48VDC来备份在远程通信备用电源系统使用的现有的整流器。
商用的电源调节设备，比如逆变器和UPS单元，具有多倍于12VDC的VRLA电池输出的输入需要。这种设备的额定输出也被设计成与在给出的应用中使用的可用蓄电池组的性能相匹配。举例来说，额定2KWAC输出的逆变器和UPS是商用的，需要72或96VDC输入。3个或4个NexaTM模块可以被串联电连接以分别产生72或96VDC输出，以匹配这些输入要求(如需要，附加模块也可以电连接以提供所需的冗余水平)。然而，燃料电池阵列的输出能力(分别是3和4KW)，当在96VDC UPS中使用备用电源产生器的情况下，与UPS的额定输出不匹配，一半的可用燃料电池电源没有被利用。
本燃料电池电源装置包括连接到DC汇流排的燃料电池模块阵列；和至少两个UPS，逆变器或其它电源调节设备(比如DC/DC变换器)。串联连接到DC汇流排的燃料电池模块数量被选择与电源调节设备的DC输入电压要求相匹配。电源调节单元的数量被选择，以至于这样单元的总功率额定值充分匹配或超过燃料电池模块的额定功率输出。在一些应用中，燃料电池模块和电源调节设备配置成适合于标准输出口或箱。
图3A和3B说明了本燃料电池电源装置的两个实施例。电源装置70包括四个燃料电池10的阵列(比如，NexaTM燃料电池模块)，每一个在24伏供给1KW。燃料电池模块被配制成适合导轨72，并且串联电连接到96VDC汇流排(未示出)。两个2KW UPS单元74被并联连接到DC汇流排。齿条控制器76监测和控制电源装置70的输出。燃料电池模块10的阵列的输出与UPS74要求的输入电压相匹配；并且阵列和UPS74的总输出也在4KW匹配。这样，通过使用附加的UPS单元，电源装置的输出有效的是两倍。
电源装置80包括3个燃料电池模块10阵列(比如，NexaTM燃料电池模块)，每一个电源在24伏供给1KW，串联电连接到72VDC汇流排(未示出)；3个1.5KW的逆变器82被并联连接到DC汇流排，并且充电器84用于为与燃料电池模块10连接的电池和/或超级电容器充电。逆变器82被并联连接到DC汇流排以提供n+1冗余3.0KWAC输出。
使用多充电源调节单元扩充具有较宽范围的电源调节产品和备用电源应用的燃料电池模块阵列的兼容性。这不仅允许电源装置输出与燃料电池模块输出的更好的匹配，它也通过增加电源装置的冗余来提供改善的可靠性。在本实用新型的内容中，电源装置的输出和燃料电池的输出无需相同相匹配；阵列的输出可以超出电源调节设备的额定输出大约10％并且仍保持匹配。举例来说，如果它是4400W，UPS74的4KW电源输出将仍与图3A和3B中的电源装置70中的阵列输出相匹配。
尽管在图3A和3B中未示出，本领域的技术人员也应该认识到，附加的燃料电池模块10可以被电连接到电源装置70和80的阵列，以像上面描述的那样，提供任何想要的模决冗余水平。在电源装置提供AC电源的应用中，单个的逆变器或UPS的AC输出电压的相位被控制以提供如想要的单个的，多相的或分相AC电源。比如，电力供电站80可以配制成提供3KW 120VAC单相电源，或208VAC三相电源。
公开的实施例提供“构件块”或“部件”方法来制造电源供给系统，允许制造者从一些，或甚至一个燃料电池模块10的基本类型产生一个较大变化的电源系统。另外，电源输出可与在商用电源调节设备中使用的燃料电池模块输出相匹配。该方法可以降低设计，制造和工业成本，并且提供冗余以扩充在导致的故障及用户产品(比如，电源系统)间的平均时。该方法也可以简化或降低维护或维修的成本。
一般来说，现有的电源系统可以在备用电源系统的应用中使用，包括，但不限于
1.网络服务器群LAN/WAN设备比如集线器和路由器。
2.通信CATV，无线通信，电信存储系统和/或服务器，无线基站，微波中继站，雷达跟踪系统。
3.机房小的和中等范围的服务器，大型企业服务器，数据存储系统，网络计算机群集器，网络数据中心。
4.桌上型电脑/工作站单机PCs，工作站和计算机外围设备。
5.工业/商用过程控制设备，医疗设备，实验室装置，通信量管理系统，安全设备，出售设备地点。
本电源装置和提供给系统的操作方法比传统的使用VRLA电池的电源系统小并且轻。本电源装置也提供“可以热交换的”具有单独的燃料电池系统的“瞬时接通”操作。
权利要求1.一种具有燃料电池系统阵列的电源装置，包括燃料电池系统阵列，该阵列具有组合的电源输出并且包括，电力汇流排，和至少两个燃料电池系统，每一个燃料电池系统包括一个燃料电池组，一个与燃料电池组并联电连接的电源存储设备，及用于控制从燃料电池组流向电源存储设备和电源汇流排的电流的装置，每一个燃料电池系统具有一个输出电压和功率输出；其特征在于电源装置进一步包括至少两个电源调节单元，每一个单元与电源汇流排电连接，电源调节单元具有一个输出电压和总的额定功率输出，并且其中电连接到电源汇流排的燃料电池系统的数量被选择满足电源调节单元的输入电压；并且电源调节单元的数量被选择以使总的额定功率输出满足或超过阵列的功率输出。
2.如权利要求1所述的具有燃料电池系统列阵的电源装置，其特征在于燃料电池系统的输出电压和功率输出分别是24VDC和1KW。
专利摘要本实用新型的燃料电池系统阵列的电源装置包括配制成适合标准输导轨或箱并且连接到DC汇流排的燃料电池模块阵列；至少两个UPS，逆变器或其它电源调节设备(比如DC/DC换流器)。串联连接到DC汇流排的燃料电池模块的数量被选择与电力调节设备的DC输入需求相匹配。电源调节单元的数量也被选择以使这样单元的总功率额定值等于或超过燃料电池模块的额定功率输出。
文档编号H02J7/34GK2754251SQ20042007411
公开日2006年1月25日 申请日期2004年7月28日 优先权日2004年7月28日
发明者克里斯·罗伯茨 申请人:百拉得动力系统公司