[發(fā)明專利]燃料電池系統(tǒng)的控制裝置和控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410203470.8
• 申請(qǐng)日: 2014-05-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104425833B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉炅儐;金榮大;禹成濟(jì);李琇鉉;姜秉喜;李正杓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: SK新技術(shù)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M8/04955
• 分類號(hào): H01M8/04955;H01M8/04537;H01M8/04664;H02J1/08;H02J1/10
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11112
• 代理人: 陳源;張帆

本發(fā)明公開(kāi)了燃料電池系統(tǒng)的控制裝置和控制方法。所述控制裝置包括：多個(gè)堆狀態(tài)感測(cè)部，其分別感測(cè)多個(gè)燃料電池堆的狀態(tài)；轉(zhuǎn)換部，其將所述多個(gè)燃料電池堆中的至少一部分進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接；以及控制部，其基于由所述多個(gè)堆狀態(tài)感測(cè)部感測(cè)到的堆狀態(tài)來(lái)感測(cè)至少一個(gè)劣化堆，并控制所述轉(zhuǎn)換部的操作來(lái)形成至少一個(gè)包括感測(cè)到的至少一個(gè)劣化堆的劣化堆部。能夠不使用多個(gè)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而利用廉價(jià)的電氣開(kāi)關(guān)來(lái)在工作期間快速容易地將各堆以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)連接，防止各堆之間由于性能降低引起的劣化波及，從而提高整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的耐久性，防止容量降低，使壽命縮短最小化，對(duì)劣化堆和正常堆進(jìn)行再排列來(lái)使用，從而能夠有效地使用燃料電池堆。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，特別地涉及包括多個(gè)燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的控制裝置和控制方法。

背景技術(shù)

在數(shù)十千瓦(KW)至數(shù)兆瓦(MW)的中大型發(fā)電用固體氧化物燃料電池(SOFC：SolidOxide Fuel Cell)系統(tǒng)中，連接多個(gè)小容量燃料電池堆(stack)來(lái)獲得大容量。燃料電池堆是指為了獲得期望電力輸出而將數(shù)十至數(shù)百?gòu)埖膯挝蝗剂想姵丿B層連接的構(gòu)造。

在連接燃料電池堆時(shí)僅以串聯(lián)電氣連接的情況下，具有如下缺點(diǎn)：如果一個(gè)堆發(fā)生問(wèn)題而停機(jī)(shut down)，則電氣連接斷開(kāi)，從而整個(gè)燃料電池系統(tǒng)停機(jī)。因此，一般將各堆以串聯(lián)和并聯(lián)混合地進(jìn)行電氣連接來(lái)構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)。

然而，在將各堆并聯(lián)連接的情況下，如果連接的多個(gè)堆中的一部分堆發(fā)生劣化，該影響會(huì)波及到其他正常堆，不僅整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的耐久性會(huì)加速降低，而且容量也降低，從而縮短壽命。

圖1(a)是用于說(shuō)明在燃料電池堆并聯(lián)連接的情況下各個(gè)堆之間的劣化波及影響的示意圖，圖1(b)是用于說(shuō)明在燃料電池堆并聯(lián)連接的情況下各個(gè)堆之間的劣化波及影響的堆電壓與堆電流的曲線圖。

如圖1(a)和圖1(b)所示，如果在各燃料電池堆以并聯(lián)電氣連接的燃料電池系統(tǒng)中一個(gè)堆劣化([2]一個(gè)劣化)，則劣化堆的內(nèi)部阻抗增加從而發(fā)生電流相對(duì)集中于正常堆的現(xiàn)象。即，在并聯(lián)連接的堆中的較快劣化的堆中，由于內(nèi)部阻抗的增加，流過(guò)的電流減小，在其他正常堆中，流過(guò)的電流大于正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流。即，電流相對(duì)集中于正常堆，導(dǎo)致電流不均衡。盡管劣化堆中流過(guò)的電流減小，但電流相對(duì)集中于正常堆，劣化波及到正常堆([3]一次波及)。

此外，在劣化堆中，由于發(fā)熱反應(yīng)減小，溫度降低，阻抗會(huì)進(jìn)一步增大，電流相對(duì)集中于正常堆的現(xiàn)象變得更嚴(yán)重，對(duì)于正常堆的劣化波及影響變得更大，因而劣化堆和正常堆的劣化均加速([4]二次波及)。

圖1(c)是示出在燃料電池系統(tǒng)中堆的劣化加速時(shí)劣化堆的劣化波及到其他正常堆的示意圖，圖1(d)是將在燃料電池系統(tǒng)中堆的劣化加速時(shí)包括劣化堆的燃料電池系統(tǒng)的壽命與正常燃料電池系統(tǒng)的壽命進(jìn)行比較的曲線圖。

參照?qǐng)D1(c)和圖1(d)，在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)連接的多個(gè)堆中一部分堆發(fā)生劣化從而劣化加速的情況下，劣化堆的劣化波及到其他正常堆，從而整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的耐久性和容量降低并且壽命縮短。

防止劣化堆對(duì)正常堆產(chǎn)生影響的最容易的方法是獨(dú)立地控制燃料電池系統(tǒng)內(nèi)所有堆的電流和電壓等。然而，為了獨(dú)立控制所有堆的電流和電壓等，不僅系統(tǒng)構(gòu)造會(huì)變得復(fù)雜，費(fèi)用的增加也不可避免。特別地，由于中大型發(fā)電用SOFC系統(tǒng)由多個(gè)堆構(gòu)成，因而存在使針對(duì)每個(gè)堆配置一個(gè)電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(PCS：Power Conditioning System)商業(yè)化變得很困難的問(wèn)題。

下述的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中記載的專利文獻(xiàn)1涉及具有旁路電路的燃料電池系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)方法。參照專利文獻(xiàn)1的圖2，專利文獻(xiàn)1的發(fā)明包括旁路電路300和轉(zhuǎn)換電路250-254，其在存在不良堆的情況下利用轉(zhuǎn)換電路來(lái)將不良堆旁路，從而防止不良堆對(duì)正常堆產(chǎn)生影響。

然而，專利文獻(xiàn)1的發(fā)明僅公開(kāi)了旁路不良堆，并沒(méi)有公開(kāi)將劣化堆再排列來(lái)使用劣化堆。