一种给家用电器供电的燃料电池系统

摘要

一种给家用电器供电的燃料电池系统，主要由氢气罐1、氧气罐2、氢气电空阀3、氧气电空阀4、燃料电池5、直流电压变换模块6、蓄电池7、电压传感器8、逆变器9、电流传感器10和家用电器11构成。本发明提出了一种燃料电池的使用模式，解决了输出电流对输出电压的影响并且实现了对输出功率的控制，这使得燃料电池在家用电器领域的大面积推广成为可能。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种给家用电器供电的燃料电池系统。

背景技术

随着常规能源(如石油、煤炭等)的日益枯竭，各国都在积极寻找新型能源。燃料电池作为一种新型高效能源，自从问世之初，就备受关注。

燃料电池是一个电化学系统，它将化学能直接转化为电能。如图1所示，燃料电池由3个主要部分组成：阳极1、电解液2、阴极3和隔膜4。其工作原理是：阳极1输入的氢气在电解液2中电离，分解成氢离子和电子。电子经过外部用电器流入阴极，余下的氢离子通过隔膜4被送到阴极。在阴极，氢离子与由氧气极3输入的氧气发生反应并吸收电子，生成水并释放出热量。由于燃料电池能直接将化学能转化为电能，所以它的转化效率非常高，并且噪声和废气排放量都很小。基于这些优点，燃料电池是一种高效的清洁能源，适于在电力不足的地区使用。

由于燃料电池问世时间还比较短，各种相关的技术都还处在完善的过程之中。从应用角度来说，还存在如下两个主要问题：1、燃料电池的输出电流对输出电压的影响非常剧烈，也就是说，燃料电池的输出电压随输出电流的变化而发生明显的变化，不是一个严格意义上的电压源；2、燃料电池的输出的是直流电，且输出电压小，但功率大；同时，由于燃料电池的特殊结构，输出的直流电压一般不是民用的标准直流电压(如12V，24V，48V)。然而，各国家用电器的供电电源都是大电压、小电流的交流电(在中国，家用电器的供电指标一般是电压为220V、频率为50Hz的交流电)。因此，为了能使燃料电池给家用电器供电，就必须把它所输出的小电压、不稳定的直流电转变成大电压的、稳定的交流电。

发明内容

为了克服以上问题，本发明提出了一种燃料电池的使用模式，解决了输出电流对输出电压的影响并且实现了对输出功率的控制，这使得燃料电池在家用电器领域的大面积推广成为可能。

本发明提出了一种给家用电器供电的燃料电池系统的结构。如图2所示。

一种给家用电器供电的燃料电池系统，主要由氢气罐、氧气罐、氢气电空阀、氧气电空阀、燃料电池、直流电压变换模块、电压传感器、蓄电池、逆变器、电流传感器和家用电器构成，其特征在于，氢气罐、氧气罐、氢气电空阀、氧气电空阀、燃料电池、直流电压变换模块、逆变器、家用电器依次串联连接，蓄电池和电压传感器并联在直流电压变换模块与逆变器之间，电流传感器接在逆变器输出并反馈到氢气电空阀和氧气电空阀。

所述的给家用电器供电的燃料电池系统，直流电压变换模块和电压传感器通过控制电路连接成负反馈闭环；同时，直流电压变换模块后还可以连接蓄电池。

所述的给家用电器供电的燃料电池系统，电流传感器和氧气电空阀通过控制电路连接成负反馈闭环。

附图说明

图1是燃料电池的主要部分组成示意图。

图2是本发明的家用电器系统的结构图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的给家用电器供电的燃料电池系统，主要组成部分为：氢气罐1、氧气罐2、氢气电空阀3、氧气电空阀4、燃料电池5、具有控制功能的直流电压变换模块6、蓄电池7、电压传感器8、逆变器9、电流传感器10和家用电器11。(注，直流电压变换模块和逆变器可以是同一个物理器件)

整个系统的主要工作流程为：氢气和氧气分别从氢气罐1和氧气罐2中流入氢气电空阀3和氧气电空阀4；经过这两个电空阀的调节作用，氢气和氧气按设定的流量分别流入燃料电池5的燃料极12和氧气极13；氢气在燃料电池的阳极发生电离反应，生成带正电荷的氢离子和带负电荷的电子；电子从燃料电池的电极14流出，经过燃料电池外部的直流电压变换器6、逆变器7以及家用电器11，最后流入燃料电池的电极15，完成对外部家用电器11的供电。

在燃料电池5向外部家用电器11供电过程中，燃料电池5的输出电压需要经过直流电压变换模块6变换成标准的民用直流电压(如12V、24V、48V等)。直流电压变换模块6是一种通用的电力电子产品，它由电力电子器件及其辅助电子元器件构成。一般来说，该模块用PWM调制波来控制输出电压，它的主要功能是可以根据实际需要来变换输出电压的幅度。在本发明中，直流电压变换模块6的输出端需要安装一个电压传感器8，用来测量直流电压变换模块6的输出电压，电压传感器8的测量信号经过一个特殊的控制电路，来控制PWM调制波的占空比。最终，电压传感器8和直流电压变换模块6形成一个负反馈闭环，使直流电压变换模块6的输出电压保持稳定。为了进一步提高直流电压变换模块6的输出电压的稳定性，直流电压变换模块6的正输出极16和负输出极17之间可以连接一个蓄电池7，蓄电池7有两个作用：一是吸收直流电压变换模块6的尖峰电压，防止后续的逆变器9由于输入端加入高压而被烧坏；二是存储多余的电能，在燃料供应不足时向家用电器11供电。

目前，各国的家用电器基本上都是使用交流电(例如，中国的家用电器使用的是电压为220V、频率为50Hz的交流电)。为了满足实际需要，直流电压变换模块6所输出的直流电能还需要逆变成交流电能。逆变器9就是能满足这种需要的一种通用电力电子设备。

不同的家用电器11的耗电功率不一样，这就要求燃料电池的5的输出功率能够跟踪家用电器11的耗电功率。为了提高系统运行效率且保证家用电器11能正常工作，就需要根据用电量来对燃料电池5的输出功率进行控制。控制燃料电池5输出功率的最有效的方法是根据家用电器11的功率来控制输入氧气的流量。控制过程如下：在逆变器9的输出端18安装电流传感器10，用来实时测量逆变器9的输出电流，然后用测量信号通过一个特殊的控制电路，来驱动氢气管道上的氢气电空阀3和氧气管道上的氧气电空阀4，最终对燃料电池5输入的氢气流量和氧气流量进行控制，进而完成对燃料电池5输出功率的控制。

通过上述方式构成的用燃料电池供电的家用电器系统，不仅能向家用电器提供稳定的交流电压，保证用电器能正常高效的工作；而且还能根据用电器的耗电功率来调节氧气的流量，提高氢气和氧气的利用率。