[发明专利]无DC-DC变换器的燃料电池稳压方法和燃料电池系统

说明书

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)

CH₃OH+H₂O＝CO₂+6H⁺+6e^-             (2)

O₂+4H⁺+4e^-＝2H₂O                (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10％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，即，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。