燃料電池發熱量的控制裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及燃料電池裝置,特別地涉及包括多個燃料電池堆的燃料電池的發熱量 的控制裝置和燃料電池發熱量的控制方法。
【背景技術】
[0002] 從燃料產生電和熱的燃料電池通過將多個燃料電池堆(stack)進行連接來獲得 更大的容量。燃料電池堆通過相互機械連接來接收燃料、空氣以及熱化學反應所需的附加 物等的供給,并且在所述燃料電池堆或者包括多個所述燃料電池堆的堆模塊中,數十至數 百張的單位燃料電池疊層連接,以便獲得期望的電力輸出。
[0003] 然而,堆或堆模塊分別具有相互不同的劣化速度的偏差的情況下,在所述堆或堆 模塊中隨著工作時間的經過而會發生堆或堆模塊的性能的偏差,同時在由于一部分堆的非 正常劣化的加速而呈現低性能的情況下,各堆之間也會發生性能偏差。此外,也存在由于生 產的堆或堆模塊之間的性能不均一而在工作初期就存在偏差的情況。
[0004] 而且,在發生如上所述的性能偏差時,發熱量也會在堆或堆模塊之間變得不同,從 而也會產生堆溫度的偏差。此外,上述的堆或堆模塊的構造通常如下所述地具有發熱量小 的堆的溫度比發熱量大的堆的溫度下降得更多的傾向,這最終帶來堆或堆模塊性能的進一 步變化。如果這種現象持續反復而經過一定時間點,則一部分堆或堆模塊偏離出工作可能 的堆溫度或堆電壓等的工作限制條件而發生停機(shutdown)現象。
[0005] 將參照圖la、圖Ib和圖2a、圖2b來說明上述現象。
[0006] 圖Ia是用于說明燃料電池堆并聯連接的情況下的堆之間的劣化波及影響的示 圖,圖Ib是用于說明燃料電池堆并聯連接的情況下的堆之間的劣化波及影響的堆電壓和 堆電流的曲線圖。本示例中呈現出不管堆的劣化而產生相同電力的工作模式。
[0007] 如圖Ia和圖Ib所示,在燃料電池堆并聯電氣連接的燃料電池系統([1]的正常性 能)中,若一個堆由于沖擊或外部環境而暫時劣化([2]的狀態2,1個劣化),則劣化堆在經 過一定時間之后從狀態2變為狀態3,工作點移動到狀態3'的正常堆具有比劣化堆相對較 大的發熱量。
[0008] 所述正常堆的發熱量大于所述劣化堆的發熱量的原因在于,盡管初始測得的正常 堆或劣化堆的開路電壓(〇CV,Open Circuit Voltage)或能斯特電位(Nernst potential) 與當前測得的堆的電壓之差的電壓損失(△¥)相同,但正常堆的工作電流更大。如圖Ib所 示,OCV標記為79V。
[0009] 具體地,參照圖lb,正常堆和劣化堆分別處于當前狀態3'和3([3]的一次波及), 因而雖然電壓損失(△¥)相同,但此時由于正常堆的工作電流大于劣化堆的工作電流(發 熱量值=電壓損失X當前工作電流),可以知道正常堆的發熱量大于劣化堆的發熱量。 [0010] 即,在當前狀態3'和3中存在正常堆和劣化堆的情況下,正常堆的發熱量為電壓 損失(79-63 = 16V) X24A,劣化堆的發熱量為16VX17A,從而正常堆的發熱量變得大于劣 化堆的發熱量。此時,由于劣化堆的發熱量相對小于正常堆的發熱量,劣化堆的溫度相比于 狀態2 (750°C )降低(狀態3為730°C )。
[0011] 此后,為了降低過熱的正常堆的發熱量,包括堆或堆模塊的燃料裝置需要更多冷 卻流體,與正常堆機械連接的劣化堆的溫度由于冷卻流體而進一步降低,劣化堆由于其溫 度進一步降低而阻抗增加從而劣化堆的電壓下降,最終發生電流相對集中于正常堆的現 象,并且電流相對集中現象發生直到獲得與初始電力幾乎相同的電力。由此,正常堆和劣 化堆之間的工作電流之差變得更大(在圖Ia和圖Ib中,從狀態3'和3移動至狀態4'和 4,在[4]二次波及)。此時,如圖Ia所示,初始電力為65VX40A(20A+20A),新的電力變為 60VX43A(15A+28A)。
[0012] 隨著時間的經過,如果持續這種現象,則劣化堆的溫度進一步降低,或者工作電壓 減小至低于最小基準值,從而引起堆、堆模塊和包括這些的燃料電池裝置完全停機。
[0013] 圖2a是用于說明燃料電池堆串聯連接的情況下的堆之間的劣化波及影響的示 圖,圖2b是用于說明燃料電池堆串聯連接的情況下的堆之間的劣化波及影響的堆電壓和 堆電流的曲線圖。本示例中呈現出不管堆的劣化而產生相同電力的工作模式。
[0014] 如圖2a和圖2b所示,在燃料電池堆串聯連接的情況([1]的正常性能)下,假設 一個堆由于沖擊或外部環境而暫時劣化([2]的狀態2,1個劣化)。此時,由于暫時劣化的 劣化堆以串聯連接,各個堆的電流相同,各個堆的電壓取決于各堆的阻抗。
[0015] 參照圖2a中[2]的狀態和圖2b,雖然正常堆和劣化堆的工作電流相同,但由于劣 化堆的電壓損失(AV)大于正常堆的電壓損失,可以知道劣化堆的發熱量大于正常堆的發 熱量。由于劣化堆的發熱量變大,因此劣化堆的溫度上升,為了降低過熱的劣化堆的溫度, 需要更多的冷卻流體,與劣化堆機械連接的正常堆的溫度由于冷卻流體而降低,正常堆的 阻抗增加,從而正常堆的性能曲線下降([3]的一次波及)。于是,為了獲得相同的電力,進 一步增加工作電流,如果為了冷卻由此伴隨增加的發熱量而增加冷卻流體,則正常堆的溫 度進一步降低,并且正常堆的性能曲線也下降(工作點從狀態3'移動到狀態4')。
[0016] 隨著時間的經過,如果持續這種現象,則正常堆的溫度進一步降低,或者工作電壓 減小至低于最小基準值,從而引起堆、堆模塊和包括這些的燃料電池裝置完全停機。
[0017] 為了解決這問題,需要一種燃料電池發熱量的控制裝置和一種燃料電池發熱量的 控制方法,其在發生停機現象之前控制非正常的堆或堆模塊的發熱量,進一步使得用戶為 了特定目的而任意地控制堆或堆模塊的發熱量。
【發明內容】
[0018] [要解決的技術問題]
[0019] 為了解決上述現有技術中的問題而作出本發明,本發明所要解決的技術問題是提 供一種燃料電池發熱量的控制裝置和一種燃料電池發熱量的控制方法,其能夠在將多個燃 料電池堆或燃料電池堆模塊進行電氣連接時,通過使多個燃料電池堆或燃料電池堆模塊之 間的發熱量偏差最小化,從而防止促進劣化、防止性能急速降低或者防止停機,使得堆或堆 模塊穩定且有效地工作,同時能夠使用戶根據需要或任意地控制堆或堆模塊的發熱量,從 而獲得符合用戶便利的堆或堆模塊。
[0020] [技術方案]
[0021] 根據為了解決上述技術問題的本發明的實施例,一種燃料電池發熱量的控制裝 置,所述燃料電池包括相互機械地連接來接收燃料和空氣的供給的多個燃料電池堆,所述 控制裝置包括:多個堆狀態感測部,其分別感測所述多個燃料電池堆的狀態;以及控制部, 其基于由所述多個堆狀態感測部感測到的堆狀態,若感測到發熱量的值超出預先設定的發 熱量臨界值的范圍的至少一個發熱量調節對象堆,則形成至少一個包括感測到的至少一個 發熱量調節對象堆的發熱量調節對象堆部,并且將所述發熱量調節對象堆部連接到至少兩 個發熱量調節部中的對應發熱量調節部。
[0022] 所述控制部控制所述發熱量調節部,從而使連接有所述發熱量調節對象堆部的發 熱量調節部執行調節,使得所述發熱量調節對象堆部的發熱量的值處于所述預先設定的發 熱量臨界值的范圍內。
[0023] 所述燃料電池發熱量的控制裝置還包括轉換(switching)部,所述轉換部將所述 多個燃料電池堆中的至少一部分相互連接,以將所連接的燃料電池堆連接到至少兩個發熱 量調節部中的至少一個,所述轉換部包括:燃料電池堆用轉換部,通過燃料電池堆用轉換部 的開閉操作,所述至少一個發熱量調節對象堆形成為所述至少一個發熱量調節對象堆部; 發熱量調節部用轉換部,其將所述至少一個發熱量調節對象堆部連接到所述至少兩個發熱 量調節部中的對應發熱量調節部。
[0024] 所述控制部基于所感測到的堆狀態,若感測到所述發熱量的值高于預先設定的發 熱量臨界值的范圍的發熱量調節對象堆,則形成至少一個包括感測到的至少一個發熱量調 節對象堆的發熱量調節對象堆部,將所述發熱量調節對象堆部連接到所述至少兩個發熱量 調節部中的第一發熱量調節部,并且通過所述控制部的第一控制信號來控制所連接的第一 發熱量調節部,使得所述第一發熱量調節部執行第一調節,以根據所述第一控制信號來將 所述發熱量調節對象堆部的發熱量的值降低至處于所述預先設定的發熱量臨界值的范圍 內,或者所述控制部基于所感測到的堆狀態,若感測到所述發熱量的值低于預先設定的發 熱量臨界值的范圍的發熱量調節對象堆,則形成至少一個包括感測到的至少一個發熱量調 節對象堆的發熱量調節對象堆部,將所述發熱量調節對象堆部連接到所述至少兩個發熱量 調節部中的第二發熱量調節部,并且通過所述控制部的第二控制信號來控制所連接的第二 發熱量調節部,使得所述第二發熱量調節部執行第二調節,以根據所述第二控制信號來將 所述發熱量調節對象堆部的發熱量的值提高