УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ПОДКЛЮЧАЕМОЙ К ЛИНИИ СИСТЕМЫ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2008 года по МПК H02J7/34 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к топливному элементу и, конкретнее, к устройству и способу управления источником электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента, которые могут улучшить эффективность и стабильность работы системы топливного элемента.

2. Описание предшествующего уровня техники

Вообще топливный элемент - это устройство для непосредственного преобразования энергии топлива в электроэнергию. В топливном элементе анод и катод расположены с обеих сторон пленки из полимерного электролита. Электрохимическое окисление водорода, который является топливом, производится на аноде (или окислительном электроде), и электрохимическое восстановление кислорода, который является окислителем, производится на катоде (или восстановительном электроде). То есть топливный элемент генерирует электроны с помощью электрохимического окисления и восстановления и генерирует электроэнергию с помощью перемещения электронов.

К типичным топливным элементам относятся фосфорно-кислотный топливный элемент, щелочной топливный элемент, топливный элемент с протонообменной мембраной, топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом, твердоокисный топливный элемент, топливный элемент с прямым окислением метанола и т.д. Кроме того, топливные элементы могут классифицироваться по области применения как промышленные топливные элементы, бытовые топливные элементы, транспортные топливные элементы для электромобилей и малоразмерные топливные элементы, которые используются в мобильных терминалах и портативных компьютерах. Бытовой топливный элемент специально был разработан для эффективного снабжения электробытовых приборов или осветительных приборов в доме, и промышленный топливный элемент специально был разработан для эффективного снабжения осветительных приборов, двигателей и механизмов в торговых центрах или на заводах.

Фиг.1 представляет собой структурную схему, изображающую традиционный источник электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента. По фиг.1 традиционный источник электропитания включает в себя топливный элемент 1, модуль 2 преобразования мощности и модуль 3 электропитания линии. Топливный элемент 1 включает в себя батарею (не показана), содержащую анод и катод для генерирования электричества с помощью электрохимической реакции водорода и кислорода, и генерирует постоянное напряжение от батареи (не показана).

Модуль 2 преобразования мощности включает в себя модуль преобразования DC/DC (не показан) для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, повышения или понижения переменного напряжения, выпрямления получающегося напряжения и выдачи постоянного напряжения. Модуль 2 преобразования мощности также включает в себя инвертор (не показан) для преобразования постоянного напряжения от модуля преобразования DC/DC в переменное напряжение.

Модуль 3 электропитания линии выдает коллективное электропитание каждому дому или общественному объекту. Т.е. система топливного элемента и модуль 3 электропитания линии соединены друг с другом для подачи электропитания каждому дому или общественному объекту.

В случае, когда мощность, сгенерированная системой топливного элемента, не продается публичной энергетической компании (модуль питания линии), контролируется, чтобы ток i1, выдаваемый модулем 2 преобразования мощности, был равен току i3, выдаваемому в нагрузку. Поэтому ток i2 коллективного электропитания, выдаваемый с модуля 3 питания линии, становится равным '0', так что он не может выдаваться в нагрузку.

Когда максимальное значение тока, генерируемого в топливном элементе 1, выше максимального значения тока i1, генерируемого в модуле 2 преобразования мощности, ток i1 ограничивается для защиты системы топливного элемента. Т.е. в системе топливного элемента нормальная область определяется возможным максимальным током и возможным минимальным напряжением. Когда топливный элемент 1 не работает в нормальной области, работа топливного элемента 1 останавливается для защиты системы топливного элемента. Однако, даже если выходное напряжение ниже, чем возможное минимальное напряжение, система топливного элемента может стабильно работать, если выходной ток снижен. Тем не менее, когда выходное напряжение топливного элемента ниже, чем возможное минимальное напряжение, работа топливного элемента останавливается, что снижает рабочую эффективность системы топливного элемента.

Существо изобретения, заявленного здесь, не ограничивается вариантами осуществления, которые устраняют любые недостатки или которые работают только в условиях, подобных тем, что описаны выше. Скорее это описание изобретения приводится только для иллюстрации одной типичной области техники, в которой некоторые варианты осуществления, описанные здесь, могут применяться.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предоставляет устройство и способ управления источником электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента, которые могут увеличить эффективность и стабильность работы системы топливного элемента с помощью предварительной установки нормальной области, которая является областью стабильной работы топливного элемента, определения текущей рабочей точки топливного элемента по выходному напряжению, выходному току и рабочим условиям топливного элемента в топливном элементе для некоммерческого использования, и автоматического регулирования выходного тока инвертора, так чтобы найденная рабочая точка могла находиться в нормальной области.

Чтобы добиться этих и других преимуществ, и в соответствии с задачей настоящего изобретения, как осуществлено и подробно описано здесь, предлагается устройство управления источником электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента, включающее в себя: запоминающий модуль для запоминания нормальной области и области предупреждения соответственно рабочим условиям и зависимости между выходным напряжением и выходным током топливного элемента; модуль преобразования мощности для увеличения или уменьшения выходного тока топливного элемента соответственно управляющему сигналу; модуль детектирования для детектирования тока коллективного питания; и модуль управления для нахождения рабочей точки топливного элемента и выдачи управляющего сигнала для изменения выходного тока топливного элемента на основе положения найденной рабочей точки и детектирования или недетектирования тока коллективного питания.

Другой вариант осуществления направлен на способ для подключаемой к линии системы топливного элемента, включающий в себя детектирование рабочей точки топливного элемента и тока коллективного питания. Выходной ток топливного элемента изменяется на основе положения детектированной рабочей точки и детектирования или недетектирования тока коллективного питания.

Это изложение сущности изобретения приведено, чтобы представить в упрощенном виде набор концепций, которые описываются ниже в подробном описании изобретения. Это изложение сущности изобретения не предназначено для определения существенных признаков или основных характеристик заявленного предмета, также оно не предназначено для того, чтобы использоваться для помощи в определении рамок заявленного предмета.

Дополнительные признаки будут установлены дальше в описании, которое следует, и отчасти будут ясны из описания или могут быть изучены с помощью представленной здесь практической реализации идей. Признаки изобретения могут быть осуществлены и применены с помощью инструментария и комбинаций, подробно указанных в прилагаемой формуле изобретения. Признаки настоящего изобретения станут более очевидными из последующего описания и прилагаемой формулы изобретения или могут быть изучены с помощью практики применения изобретения, как установлено дальше.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые включаются в материалы заявки, чтобы обеспечить дальнейшее понимание изобретения, и которые включаются в описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

Фиг.1 представляет собой структурную схему, изображающую традиционный источник электропитания для системы топливного элемента.

Фиг.2 представляет собой структурную схему, изображающую устройство управления источником электропитания для системы топливного элемента по настоящему изобретению.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий зависимость между выходным напряжением и выходным током топливного элемента на фиг.2.

Фиг.4 представляет собой блок-схему, показывающую последовательность этапов управления источником электропитания для системы топливного элемента по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Теперь будут подробно упомянуты сопроводительные чертежи, которые составляют часть этого описания и на которых показаны в виде иллюстраций индивидуальные варианты осуществления, в которых изобретение может быть осуществлено на практике. Следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления и могут быть сделаны структурные изменения, не выходя за рамки настоящего изобретения.

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к устройству и способу управления источником электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента, которые могут увеличить эффективность и стабильность работы системы топливного элемента с помощью изменения выходного напряжения топливного элемента с помощью автоматического управления выходным током инвертора топливного элемента при некоммерческом использовании.

Фиг.2 представляет собой структурную схему, изображающую устройство управления источником электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента по настоящему изобретению. Как показано на фиг.2, устройство управления источником электропитания может включать в себя топливный элемент 10, модуль 20 преобразования мощности, модуль 30 питания линии, модуль управления 40, запоминающий модуль 50 и модуль детектирования 60. Топливный элемент 10 включает в себя батарею (не показана), содержащую анод и катод для генерирования электричества с помощью электрохимической реакции водорода и кислорода, и генерирует постоянное напряжение от батареи (не показана). Модуль 20 преобразования мощности преобразовывает постоянное напряжение от топливного элемента 10 в переменное напряжение заранее установленного уровня и выдает переменное напряжение. В одном варианте осуществления модуль 20 преобразования мощности включает в себя модуль преобразования DC/DC 21 и инвертор 22.

В одном варианте осуществления модуль преобразования DC/DC 21 преобразовывает постоянное напряжение в переменное напряжение, повышает или понижает переменное напряжение, выпрямляет получающееся напряжение и выдает постоянное напряжение. Инвертор 22 преобразовывает постоянное напряжение от модуля преобразования DC/DC 21 в переменное напряжение соответственно управляющему сигналу и выдает переменное напряжение. В соответствии с настоящим изобретением инвертор 22 изменяет выходной ток соответственно управляющему сигналу, таким образом препятствуя тому, чтобы ток i1, генерируемый системой топливного элемента, попал в модуль 30 питания линии. Т.е. инвертор 22 управляет током i1 через выходные контакты системы топливного элемента для предотвращения попадания тока в модуль питания линии.

Модуль 30 электропитания линии выдает коллективное электропитание каждому дому или общественному объекту. Модуль 60 детектирования детектирует ток коллективного питания i2, выдаваемый от модуля 30 питания линии. В одном варианте осуществления запоминающий модуль 50 предварительно устанавливает и запоминает нормальную область, которая является областью стабильной работы топливного элемента 10. Запоминающий модуль 50 может также сохранять область предупреждения. Область предупреждения может быть определена с помощью использования нагрузочных характеристических кривых в рабочих условиях топливного элемента 10 и зависимости между выходным напряжением и выходным током топливного элемента 10.

Как показано на фиг.3, нормальная область и область предупреждения могут быть установлены на основе характеристических кривых в рабочих условиях, выходного тока и выходного напряжения топливного элемента 10 и предварительно установленных нагрузочных кривых. Модуль 40 управления находит рабочую точку топливного элемента 10 и выдает управляющий сигнал для изменения выходного тока топливного элемента 10 на основе положения найденной рабочей точки и детектирования или недетектирования тока коллективного питания i2. Т.е. когда рабочая точка топливного элемента 10 находится в нормальной области, модуль 40 управления может увеличить или уменьшить выходной ток i1 топливного элемента 10 соответственно детектированию или недетектированию тока коллективного питания i2.

Когда рабочая точка топливного элемента 10 находится в нормальной области, если ток коллективного питания i2 не детектирован модулем 60 детектирования, модуль 40 управления может уменьшить выходной ток инвертора 22. И наоборот, если ток коллективного питания i2 детектирован, модуль 40 управления может увеличить выходной ток инвертора 22.

Когда рабочая точка топливного элемента 10 находится в области предупреждения, модуль 40 управления уменьшает выходной ток топливного элемента 10. В одном осуществлении это выполняется с помощью уменьшения выходного тока i1 инвертора 22. Когда найденная рабочая точка не находится в нормальной области или области предупреждения, модуль 40 управления останавливает, т.е. блокирует систему топливного элемента.

Фиг.4 изображает один вариант осуществления способа работы устройства управления источником электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента согласно настоящему изобретению. Запоминающий модуль 50 предварительно устанавливает и сохраняет нормальную область, которая является областью стабильной работы топливного элемента 10, и область предупреждения на основе характеристических кривых в рабочих условиях топливного элемента 10, зависимости между выходным напряжением и выходным током топливного элемента 10 и нагрузочных кривых, как показано на фиг.3. Рабочие условия могут включать количество воздуха и количество топлива, поданных топливному элементу 10, и внешнюю температуру.

В этом состоянии батарея (не показана) топливного элемента 10, включающая в себя анод и катод, производит электричество с помощью электрохимической реакции водорода и кислорода и подводит получающееся постоянное напряжение к модулю преобразования DC/DC 21 модуля 20 преобразования мощности. Модуль 21 преобразования DC/DC преобразовывает постоянное напряжение от топливного элемента 10 в переменное напряжение, повышает или понижает переменное напряжение, выпрямляет повышенное или пониженное переменное напряжение в постоянное напряжение и подводит постоянное напряжение к инвертору 22. Инвертор 22 преобразовывает постоянное напряжение от модуля 21 преобразования DC/DC в переменное напряжение предварительно установленного уровня соответственно управляющему сигналу и выдает переменное напряжение.

Модуль 40 управления определяет рабочие условия, выходной ток и выходное напряжение топливного элемента 10 (S1 и S2) и определяет рабочую точку тока топливного элемента 10 с помощью использования найденных рабочих условий, выходного тока и выходного напряжения (S3). Модуль 40 управления определяет, находится ли найденная рабочая точка в нормальной области (S4).

В соответствии с результатами определения (S4 и S8), когда найденная рабочая точка не находится в нормальной области или области предупреждения, модуль 40 управления снижает выходной ток топливного элемента 10, например, с помощью снижения выходного тока инвертора (S10). Например, модуль 40 управления может понижать выходной ток инвертора 22, пока найденная рабочая точка не попадет в нормальную область.

В соответствии с результатами определения (S4 и S8), когда найденная рабочая точка не находится в нормальной области, но более того находится в области предупреждения (S8), модуль 40 управления останавливает или блокирует работу системы топливного элемента (S9).

С другой стороны, когда найденная рабочая точка находится в нормальной области, модуль 40 управления определяет, был ли детектирован ток коллективного питания i2 модулем 60 детектирования (S5), и увеличивает или уменьшает выходной ток i1 инвертора 22 топливного элемента 10 (S6 и S7) соответственно результату выбора (S5).

Когда ток коллективного питания i2 был детектирован модулем детектирования 60 (S5), модуль 40 управления увеличивает выходной ток i1 инвертора 22 топливного элемента 10 (S6). Например, поскольку выходное напряжение системы топливного элемента не может быть реализовано потребителю, выходной ток системы топливного элемента не подается в модуль 30 питания линии.

И наоборот, когда ток коллективного питания i2 не был детектирован модулем 60 детектирования (S5), модуль 40 управления уменьшает выходной ток i1 инвертора 22 топливного элемента 10 (S7).

Повторно обращаясь к фиг.3, увидим, что способ обеспечения электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента согласно настоящему изобретению будет сейчас объяснен более подробно.

В то время как топливный элемент 10 работает в точке, отмеченной '2', модуль 40 управления традиционного источника электропитания может, как правило, управлять топливным элементом 10 в точке, отмеченной '1', или может остановить топливный элемент 10 с помощью автомата низкого напряжения. Однако, согласно настоящему изобретению, модуль 40 управления может нормально управлять топливным элементом 10 в '2', потому что рабочая точка топливного элемента 10 находится в нормальной области.

Как обсуждалось ранее, согласно настоящему изобретению устройство управления источником электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента предварительно устанавливает нормальную область, которая является областью стабильной работы топливного элемента, находит текущую рабочую точку топливного элемента по выходному напряжению, выходному току и рабочим условиям топливного элемента в топливном элементе для некоммерческого использования и автоматически регулирует выходной ток инвертора, так чтобы найденная рабочая точка могла находиться в нормальной области. В результате эффективность и надежность работы системы топливного элемента могут быть улучшены.

Так как настоящее изобретение может быть осуществлено в нескольких формах, не отступая от его духа и основных характеристик, следует понимать, что вышеописанные варианты осуществления не ограничены какими-либо деталями вышеупомянутого описания, пока не установлено обратное, но скорее должны толковаться широко в их духе и рамках, как определено в прилагаемой формуле изобретения, и, следовательно, все изменения и модификации, которые попадают в объем и рамки формулы изобретения или эквиваленты таких объема и рамок, подразумеваются, как охватываемые прилагаемой формулой изобретения.

Настоящее изобретение раскрывает источник и способ электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента. Источник электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента включает в себя: запоминающий модуль для запоминания нормальной области и области предупреждения соответственно рабочим условиям и зависимости между выходным напряжением и выходным током топливного элемента; модуль детектирования для детектирования тока коллективного питания; и модуль управления для нахождения рабочей точки топливного элемента и выдачи управляющего сигнала для изменения выходного тока топливного элемента на основе положения найденной рабочей точки и детектирования или недетектирования тока коллективного питания. Технический результат - увеличение эффективности и стабильности работы топливного элемента. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Источник электропитания для подключаемой к линии системы топливного элемента, содержащий

запоминающий модуль для запоминания нормальной области и области предупреждения соответственно рабочим условиям топливного элемента и зависимости между выходным напряжением и выходным током топливного элемента;

модуль детектирования для детектирования тока коллективного питания; и

модуль управления для нахождения рабочей точки топливного элемента и выдачи управляющего сигнала для изменения выходного тока топливного элемента на основе положения найденной рабочей точки и детектирования или недетектирования тока коллективного питания.

детектирование рабочей точки топливного элемента и тока коллективного питания; и

изменение выходного тока топливного элемента на основе положения детектированной рабочей точки и детектирования или недетектирования тока коллективного питания.

детектирование рабочих условий топливного элемента;

детектирование выходного тока и выходного напряжения топливного элемента; и

детектирование рабочей точки топливного элемента с помощью использования выходного тока, выходного напряжения и рабочих условий топливного элемента.

изменение выходного тока топливного элемента соответственно детектированию или недетектированию тока коллективного питания, когда рабочая точка топливного элемента находится в нормальной области.

увеличение выходного тока инвертора, когда ток коллективного питания детектирован.

уменьшение выходного тока инвертора, когда ток коллективного питания не детектирован.

уменьшение выходного тока инвертора, когда детектированная рабочая точка находится в области предупреждения.

остановку системы топливного элемента, когда детектированная рабочая точка не находится в нормальной области, а находится в области предупреждения.

предварительную установку нормальной области и области предупреждения на основе характеристических кривых в рабочих условиях, выходного тока и выходного напряжения топливного элемента и заданных нагрузочных кривых.