控制燃料电池系统中的电压值的偏置控制装置和方法

摘要

本发明的目的是一种偏置控制装置，用于控制用燃料电池产生电力的燃料电池系统中的电压值，燃料电池系统中的各燃料电池具有阳极侧(100)、阴极侧(102)和位于阳极侧和阴极侧之间的电解质(104)，燃料电池系统包括至少两个燃料电池构成的至少一个燃料电池阵列(103)，以及用于执行负载功能的至少一个负载(146)。偏置控制装置包括：电压监测装置(142)，用于监测负载(146)的输入电压以获得监测信息；用于处理所述监测信息的控制处理器(120)；串联连接到至少一个燃料电池阵列(103)的至少一个偏置源(140)，偏置源(140)的功率电平大大低于燃料电池阵列(103)的功率电平，并且偏置源(140)被设置成执行燃料电池阵列输出电压的至少单向偏移以基于监测信息和处理后的监测信息中至少一方减少对于负载(146)可见的电压窗口，并且偏置控制装置还包括用于当在燃料电池系统中检测到断开原因时将至少一个燃料电池阵列(103)从负载(146)断开的装置(144)。

说明书

技术领域

尤其因为环境问题，已经在发展环境友好并且具有高效率的新能源。燃料电池装 置是很有前途的未来能量转换装置，其通过燃料例如生物气经过环境友好处理中的化 学反应而直接转变成电力。

背景技术

如图1所呈现的，燃料电池具有阳极侧100和阴极侧102以及位于它们之间的电 解质材料104。在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气被输送到阴极侧102并通 过从阴极接收电子而被还原成负氧离子。该负氧离子穿过电解质材料104而到达阳极 侧100，在这里，它与所用的燃料反应而产生水并且通常还产生二氧化碳(CO₂)。在 阳极100和阴极102之间是外部电路111，其中包括针对燃料电池的负载110。

图2呈现了SOFC装置，作为高温燃料电池装置的示例。SOFC装置能够利用例 如天然气、生物气、甲醇或其它含有烃混合物的化合物作为燃料。图2中的SOFC装 置系统包括以一个或多个堆栈结构形式103(SOFC堆栈)的超过一个、通常为多个 的燃料电池。一个更大的SOFC装置系统包括多个堆栈103中的大量燃料电池。各燃 料电池具有如图1所呈现的阳极100结构和阴极102结构。所用的燃料的一部分可以 在反馈装置109中再循环。图2中的SOFC装置还包括燃料热交换器105和转化器 107。热交换器用于控制燃料电池处理中的热状况并且它们中的超过一个可以位于 SOFC装置中的不同位置。循环气体中的额外的热能在一个或更多个热交换器105中 被回收以在SOFC装置中或在外部利用。转化器107是将燃料例如空气转化成适于燃 料电池的组合物的装置，例如转换为包含以下全部或者至少一些的组合物：氢气、甲 烷、二氧化碳、一氧化碳、惰性气体和水。无论如何，在各SOFC装置中不必须具有 转化器。

通过采用测量装置115(例如燃油流量计、电流表和温度计)，执行用于SOFC 装置的操作的必要测量。用于阳极100的气体的仅一部分在反馈装置109中再循环， 并且其余部分气体从阳极100排出114。

燃料电池是将反应物的化学能直接转化成电和热的电化学装置。燃料电池系统具 有显著超过同等尺寸的传统能量产生技术的电效率和CHP(热电联产)效率的潜力。 燃料电池系统被广泛的认为是未来能量产生技术的关键。

为了将燃料电池系统的性能和寿命最大化，需要精确控制燃料电池的操作条件。 燃料电池产生DC电流，而在更高功率系统中，通常希望AC输出，并由此需要从 DC到AC的功率转换。为了允许燃料电池的实用接口和电流收集以及随后的功率转 换，燃料电池被制造制成含有多个串联的单个电池的堆栈。

在包括多个堆栈的燃料电池系统中，堆栈的电互连拓扑是关键的设计参数。多个 堆栈的串联连接提供更低的布线和功率转换损耗以及更低的用于部件的成本。然而， 燃料电池负载的电隔离限制和最佳操作电压电平通常限制串联连接的堆栈的可行数 量。因此，如果需要比单串串联堆栈更高的功率水平，则需要堆栈或堆栈组的某种并 联连接。

当诸如燃料电池这样的电源被并联时，如果单个源的电特性存在偏差，则会发生 不均匀的负载共享。对于燃料电池，很明显的问题是因为不均匀的负载共享会降低效 率，由于燃料利用率的降低、和/或使得在高于上述平均电流操作那些燃料电池显著 的劣化。由于堆栈之间串联电阻的固有变化和由于年龄、温度等引起的变化，如果将 堆栈直接并联，则通常会发生一定程度的不均匀的负载共享。由于它们的内阻的固有 的负温度系数，堆栈的电并联特别在高温燃料电池系统中是个问题。这个特性会在并 联堆栈之间的负载共享平衡中造成正反馈行为，即具有更高电流的堆栈变热，这会由 于内阻降低而趋于增加电流。为了避免电流共享问题，常常采用针对各堆栈或一串堆 栈的单独转换器，这为系统带来了相当高的成本。

燃料电池通常具有远比电池(battery)非刚性的电流-电压特性。图3呈现了燃料 电池的一般形状和完整操作范围128以及作为对比的电池的一般形状和完整操作范 围130。从图3可以看到，通常地，在燃料电池的标称操作点124处的电压电平显著 低于无负载或低负载条件下的燃料电池的最大电压。附图标记130表示电池的标称操 作窗口，而附图标记128表示燃料电池的操作窗口。结果，与该燃料电池接口的电力 电子装置或更一般的负载需要应对相对宽的操作电压窗口。在系统寿命中发生的燃料 电池劣化进一步降低全负载电压，需要更宽的操作窗口。对于电力电子装置，大的电 压窗口一般需要在组件选择和滤波器尺寸方面的多方面妥协，这对于价格和效率有负 面影响。例如，如果燃料电池的标称操作操作窗口例如为0.6-0.8V/电池，并且开路 电压例如为1.1V/电池，电力电子部件需要根据最高电压来定尺寸，尽管大多数时间 是在较低电压操作。

大的燃料电池系统一般包括用于向电网或3相负载馈送电力的3相逆变器。对于 逆变器，在最佳输入电压，即DC链路电压，是能产生不失真的输出的最小电压。理 论最小电压是母线电压乘以2的平方根，即566V针对400VAC电网连接。在该电 压上，需要合理的电压余量来补偿滤波器和开关上的电压降以及电网电压变化。用于 400VAC逆变器的通常的DC链路设定点为625V。该电压之上的操作产生更高的开 关和滤波损耗以及更高的电磁发射，而该电压之下的操作会导致失真的输出。最大允 许电压由逆变器部件的电压等级决定，对于400VAC逆变器一般为800V，据此，施 加了20％的安全余量的最大电压为720V。

从燃料电池向逆变器的馈送电力通常通过直接连接到逆变器(或其它负载)来进 行或者通过DC/DC转换器级馈送燃料电池电力。如果采用DC/DC转换器，可以在 DC/DC侧施加电压窗口匹配并且逆变器电压在所有时刻都保持在最佳。可以采用分 立的DC/DC转换器，用于不同组的燃料电池堆栈，从而各DC/DC转换器可以控制相 应堆栈组的电流，以减轻对于并联堆栈的普遍的不均匀的电流共享问题。引入所述分 立DC/DC转换器的缺点是与所述分立转换器相关的转换损耗以及额外的经济成本。

如果燃料电池直接连接到负载(例如逆变器)，则它们的电压，即，电池数量， 必须被选择为使得输出电压充足，即使对于来自燃料电池的最小输出电压，即最大负 载。假设0.65的最小电池电压，需要961个电池来产生625V的逆变器电压。在例 如为1.1V的电池电压无负载条件下，输出电压为1058V。这需要在逆变器中采用至 少1200V额定的部件，优选更高额定电压，而非800V部件。而且，逆变器只在寿 命条件的末期操作在最佳电压。这些妥协增加成本并降低逆变器的效率。额外缺点是 缺少积极手段来控制并联连接的堆栈之间的电流共享。特别是在这种情况下高温燃料 电池容易发生不均匀的电流共享，因为它们的串联电阻具有负温度系数，导致电流共 享的差别。提供更高负载的堆栈或堆栈组会过压并且经受加速的不可逆的劣化。

发明内容

本发明的目的是经济友好地提高燃料电池系统的效率和可控性，并通过尽可能地 使燃料电池系统的物理尺寸更紧凑。这是用于控制利用燃料电池产生电的燃料电池系 统中的电压值的偏置控制装置来实现的，该燃料电池系统中的各燃料电池包括阳极 侧、阴极侧和位于该阳极侧和阴极侧之间的电解质，该燃料电池系统包括至少两个燃 料电池的至少一个燃料电池阵列，以及用于执行负载功能的至少一个负载。该偏置控 制装置包括用于监测负载的输入电压以获得监测信息的电压监测装置、用于处理所述 监测信息的控制处理器、与该至少一个燃料电池阵列串联连接的至少一个偏置源，该 偏置源的功率水平大大低于燃料电池阵列的功率水平，并且该偏置源被设置成执行燃 料电池阵列的输出电压的至少单向偏移，以基于监测信息和处理后的监测信息中的至 少一方减小对于负载是可见的电压窗口，并且该偏置控制装置还包括用于当在燃料电 池系统中检测到断开原因时将至少一个燃料电池阵列从负载断开的装置。

本发明的焦点还在于用于控制利用燃料电池产生电的燃料电池系统中的电压值 的偏置控制方法，燃料电池系统中的各燃料电池包括阳极侧、阴极侧和位于阳极侧和 阴极侧之间的电解质。在该方法中，监测燃料电池系统的负载的输入电压以获得监测 信息，该检测信息被处理，至少一个偏置源串联连接到至少一个燃料电池阵列，该偏 置源的功率水平大大低于燃料电池阵列的功率水平，并且至少一个偏置源执行燃料电 池阵列的输出电压的至少单向偏移，以基于监测信息和处理后的监测信息中的至少一 方减小对于负载是可见的电压窗口，并且当在燃料电池系统中检测到断开原因时，将 至少一个燃料电池阵列从负载断开。

本发明涉及一种偏置控制，该偏置控制与燃料电池系统中的至少一个燃料电池阵 列串联，该偏置的功率电平大大低于该燃料电池阵列的功率电平。通过所述偏置设置 燃料电池阵列的输出电压的至少单向偏移，以基于燃料电池系统的负载的输出电压的 监测信息减小对于负载是可见的电压窗口。本发明还涉及当在燃料电池系统检测到断 开原因时，将该至少一个燃料电池阵列从负载断开。

本发明的优点是通过根据本发明采用客观的少的补偿功率，可以实现所需的控制 能力，显著的降低了经济成本、物理尺寸和操作功率损耗。本发明的优点还包括改善 的可控性以及由此得到的最有可能的改善的燃料电池寿命。

附图说明

图1呈现单个燃料电池结构。

图2呈现SOFC装置的示例。

图3呈现燃料电池的通常形状和操作范围以及用于比较的电池的通常形状和操 作范围。

图4呈现根据本发明的燃料电池阵列103、DC链路和正负偏置源140b、140a的 示例性电压曲线。

图5呈现根据本发明的示例性优选实施方式。

具体实施方式

根据本发明的装置包括偏置源140(图5)，其可以被选定为一起源或汇例如-0.2V/ 电池至例如0.13V/电池的电压，即向燃料电池阵列103的电压提供相应的补偿偏置 电压。与燃料电池阵列串联设置并设计成精确并快速控制该串联的总输出电压，该燃 料电池阵列与所属偏置源140组合的输出电压从负载的角度从例如0.65-1.1V每电池 有效地降到0.78-0.9V每电池，。对于例如800个电池，这转换为624-720V的电压窗 口，即，这是对于具有800V额定部件的典型的400VAC逆变器的可接受的电压窗 口。由于在补偿源中源或者汇的电压只是总电池电压的一部分，并且电流与针对燃料 电池阵列的一样，偏置源的额定功率也只是燃料电池阵列的一部分。因此，与处理单 个燃料电池阵列的完整功率的分立DC/DC转换器相比，成本和损耗也只是一部分。

当根据本发明的装置包括多个燃料电池阵列103时，可针对各阵列设置分立的偏 置源140。从而，连接到不同阵列的源能被构造成提供不同的偏置电压以补偿阵列的 电压中的可能的差异。因此，本发明也固有地提供了用于以低成本主动控制基本上并 联的燃料电池阵列之间的电流共享的有效装置。然而，本发明的方法以及装置的优点 不限于电流共享补偿，而申请人的先前专利申请FI20095776关注于电流共享补偿问 题。

根据本发明的装置能够提供显著的电压，该电压与燃料电池阵列电压相比仍是小 的。该装置还与复杂的控制处理器组合。这个装置可提供瞬时电压偏置，该电压偏置 足够大以将燃料电池阵列的有效电压窗口降低到对于标准逆变器可接受的变化边界 之内。

在图5中呈现根据本发明的示例性优选实施方式。在下面的说明书中也用示例性 的数值说明了详细的一个优选实施方式。偏置补偿电压范围可以是单极的，例如 0-0.3V/电池，严格向下或向上补偿。在这个示例中，燃料电池堆栈阵列103可被选定 为以在开路条件下提供例如720V，即约655个电池，从而最小电压将为0.65V*654 =426V，从而在最小电压条件下将要求199V或约0.3V/电池向上的偏置。另选地， 可以电池可以传统选定为在最小电压条件下产生625V，即961个电池，从而在开路 负载条件下，偏置补偿要求是961*1.1V-720V=337V或者约0.35V/电池向下。对于 最佳性能，然而，建议双极性偏置补偿，使得偏置源140(图5中的140a，140b)的 额定功率以及在通常操作条件下的补偿要求最小化。利用能双极输出电压的单个装置 或是另选地串联的具有相反极性的两个单极装置，可以实现双极偏置补偿能力。对于 先前提到的约-0.12V/电池-0.2V/电池的优选的补偿电压范围，在U_cell＞0.9V或U_cell＜ 0.77V的范围内，要求电压补偿。因此，在不补偿的情况下通常的操作范围即 0.75-0.85V的大部分是可以处理的，因此，几乎没有损耗。对于向下的补偿电压范围 U_cell＞0.9V，电池电流小于标称，假设比标称低50-60％或更少，从而对于-0.2V负 偏置值要求的额定功率基本上等于在全电流对应于0.12V正偏置值的额定功率。

如果两个偏置源140串联，为了稳定原因，其中的一个应该是电压受控的，而另 一个也可以是电压受控的或实现电流控制，以有利于精确主动的电流共享控制。例如， 负偏置源140a在起始阶段可以是电压受控的和主动的，而正偏置源140b在全部时间 可以在电流受控模式下操作。这样，除了当可以不允许在负电压偏置上面进行正电压 偏置时的纯开路条件之外，由至少一个正偏置源140b实现电流共享控制。可以设置 多堆栈阵列103构造，使得各阵列103具有专用正偏置源140b，而采用公共负偏置 源140a。

参见图5的示例性优选实施方式，该逆变器146将在电压受控模式下操作，其中 DC链路的电压被维持在由燃料电池系统控制处理器120提供的设定点。在起始条件 下，DC电压设定点将是最大值，即，例如720V，从而该负偏置值可以提供高至针 对燃料电池的开路电压。通过控制，即，降低负偏置源140a的电压设定点实现控制， 即增大堆栈电流，从而，电流开始从堆栈流向负载，并这样实现逆变操作。为了促进 电流共享控制，控制处理器向正偏置源140b提供电流设定点并且控制负偏置源140a 的电压，使得对于性能最佳的堆栈阵列103来说，几乎不要求或者不要求正偏置。根 据性能最佳的堆栈阵列，随着电流斜坡上升，负偏置电压则逐渐降低到零，在这之后， 通过将DC链路设定点向其最小值(625V)减小，可以继续电压降低。随着达到最 小DC链路电压并且堆栈电压继续降落，在电流受控模式下操作的正偏置源140b将 接着开始提供越来越多的正电压偏置，以维持期望的电流。这样，堆栈阵列的电压可 以降低到最小DC链路电压下方，直到性能最差的阵列达到了最小平均电池电压为 止，即，对于800个电池，0.65V=＞520V。

在图4中呈现根据本发明的原理的燃料电池堆栈阵列103、DC链路和正偏置源 140b、负偏置源140a的示例性电压曲线。附图标记132表示效率曲线，附图标记134 表示DC链路的电压曲线，附图标记136表示燃料电池电压曲线，附图标记138表示 正偏置曲线以及附图标记140表示负偏置曲线。结合图4，假设不同阵列103之间的 电压差平均为10V，在全部电压电平由正偏置源140b来补偿。在假设补偿源的一个 非常适中的转化效率90％、针对各补偿源的最小电压损耗1.0V以及当操作于720V 而非625V时增量逆变器损耗0.5％的情况下，来计算从堆栈的能量吞吐效率。

如从图4可见，在标称操作范围的大部分实现了超过99％的吞吐效率，而仍旧 保持各堆栈阵列的各自的电流控制能力。当任一源不活跃时，通过增加DC/DC转换 器的适度效率或通过在偏置源上增加旁路接触器，可以容易地进一步提高效率。

在现有的解决办法中，为了向400V电网供电，需要1200V或1300V额定逆变 器，由于非最佳操作电压和非最佳电力电子部件导致的损耗估计在2-4％的范围。这 样，从整体功率吞吐量的角度，本方法和装置在效率上略有优点。然而，优点不仅限 于效率，而是还包括由于能够利用标准800V逆变器设备引起的成本的降低、以及改 善的控制能力，以及由此带来的最有可能的改善的堆栈寿命。相比于相关技术的具有 分别用于各堆栈阵列的单个降压或升压DC/DC转换器，在根据本发明的装置中，效 率和成本特性明显更好。

用于在故障情形下将燃料电池堆栈阵列103从逆变器146断开的正确装置144 是实现装置的可操作性和安全性的关键。必须主动监测逆变器输入电压，并且如果电 压升高到超出允许边界则要在几十毫秒内发生断开。优选的，通过利用该负偏置源 140a的控制电路141作为所述监测装置142，逆变器146DC链路的电压监测装置142 可以包括在负偏置源140a内，该控制电路141控制作为所述用于将燃料电池堆栈阵 列103从逆变器146断开的装置144的第一主燃料电池阵列接触器144a(图5)。这 样，在例如由于堆栈的加载终止或偏置源140a、140b中的一个或更多个的故障引起 的突然电压上升的情况下，在不需要由燃料电池系统控制处理器120立即采取行动的 情况下，可以发生立即断开。用于FC堆栈的双极断开的第二接触器144b可以由同 样的信号控制或可选地由例如正偏置源140b中的监测装置142分别控制。

下面描述图5呈现的优选实施方式的总结描述。燃料电池阵列103优选地包括至 少两个串联的燃料电池堆栈，并且燃料电池系统可以具有两个或更多个并联连接的燃 料电池阵列103。燃料电池系统包括用于执行负载功能的至少一个负载146，并且在 优选实施方式中，该负载是逆变器，例如DC/AC逆变器，用于执行逆变操作。偏置 控制装置包括：的电压监测装置142，该的电压监测装置142用于监测逆变器146的 输入电压以获得监测信息；以及燃料电池系统控制处理器120，该燃料电池系统控制 处理器120用于处理该监测信息。该偏置控制装置还包括串联到至少一个燃料电池阵 列103的偏置源140a、140b，偏置源140a、140b的功率电平大大低于燃料电池阵列 103的功率电平。在本发明的优选实施方式中，这些偏置源，即，负偏置源140a和 正偏置源140b被设置成执行燃料电池阵列输出电压的双向偏移，即，负和正偏置， 以在至少一个监测信息和被处理的监测信息基础上减小对逆变器146可见的电压窗 口。优选地利用负偏置源140a的控制电路141作为所述监测装置142，控制电路141 控制至少一个主燃料电池阵列接触器144a，该主燃料电池阵列接触器144a用作当通 过所述监测在燃料电池系统中检测到将至少一个原料电池阵列103从负载146断开的 原因时将至少一个燃料电池阵列103从负载146断开的装置144。

在根据本发明的优选实施方式中，该偏置控制装置包括至少一个分立的偏置源 140，该偏置源140针对各阵列103用于提供单个偏置值来补偿阵列103之间的电压 值的差。该优选的偏置控制装置包括：正偏置源140b，该正偏置源140b用于为至少 一个燃料电池阵列103主要在操作寿命末期提供至少正偏置值；以及负偏置源140a， 该负偏置源140a用于为至少一个燃料电池阵列103提供至少负偏置值，以主要减少 逆变器146的极高的电压峰值。在一个优选实施方式中，该偏置控制装置包括针对各 燃料电池阵列103的分立的正偏置源140b，以及针对全部阵列103或针对大多数阵 列103的公共负偏置源140a。

下面将解释偏置源框(140a，140b)中的公共符号：附图标记150表示滤波级， 附图标记152表示整流级，附图标记154表示高频转移级以及附图标记156表示可控 开关级。

此外在优选实施方式中，偏置控制装置包括燃料电池系统控制处理器120，该燃 料电池系统控制处理器120用于实现至少两个燃料电池阵列103之间的电流共享控 制，通过向正偏置源140b提供电流设定点和电压设定点中的至少一方以便燃料电池 系统的持续操作，并通过控制负偏置源140a的电压或电流中的至少一方以使得为了 最好地运行燃料电池阵列103，几乎不实施或者不实施正偏置。所述负偏置源140a 主要在燃料电池系统的启动阶段活动。

在根据本发明的实施方式中，该偏置控制装置包括单个偏置源140，能够双极输 出电压，以便执行燃料电池阵列103的双极偏置补偿。而且，根据本发明，该偏置控 制装置可以包括串联并且具有相反的极性的两个单极偏置源140，以便执行阵列103 的双极偏置补偿。

采用偏置电压源140a、140b原理不限于电网电压，以上提供的电池的数量和/或 电压范围是作为示例。该原理可以被缩放以应用于任何电网电压(例如200V或 480V)和燃料电池技术。而且，根据本发明的原理可以用于通过变压器连接到中压 设施的系统。控制处理器120可以包括不同种类的模拟和/或数字电子装置，这些电 子装置例如是基于可编程处理器的。

并且利用所描述的SOFC，本发明还可用于MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)和其 它燃料电池。MCFC是高温燃料电池，其采用由悬浮在多孔、化学惰性陶瓷矩阵中的 熔融碳酸盐混合物构成的电解质。而且尽管在图2中的SOFC装置示例中描述了反馈 装置，但是其中利用了本发明的燃料电池系统不需要具有反馈装置。

尽管结合附图和说明书呈现了本发明，但是本发明不以任何方式限制于此，可以 在权利要求允许的范围内修改本发明。