专利名称：燃料电池适配器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池适配器，尤其是适用于质子交换膜燃料电池的适配器。
背景技术：
燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的一种电化学装置。它具有高效、环境友好、安静与可靠性高等优点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。但是，与其他种类的电池相比，燃料电池存在一个很难克服的缺点，即燃料电池的输出电压随输出电流的增大迅速降低。例如，氢氧质子交换膜燃料电池单池开路电压在1V以上，但工作时电压要低于0.8V；直接甲醇燃料电池单池理论开路电压为1.2V，但工作时电压在0.4V左右。燃料电池的这个缺点极大的限制了燃料电池的应用，而现在解决这个问题的常用的办法就是采用相关电路将燃料电池的宽范围输出电压转变为恒定的电压输出，采用其他可充电的储能装置辅助供电，并对电源进行管理，以提高燃料电池系统的整体性能。
介绍了采用蓄电池或其他可充电装置作为辅助能源和燃料电池并联，监测燃料电池的电压，当过载现象发生使燃料电池的电压低于设定值时，辅助能源在设定的时间内给负载提供额外的电流。该专利对于过载现象很难发生的系统不适用，而且辅助能源供电的时间受设定电路的限制。
介绍了采用可调节的DC/DC模块调整燃料电池的输出电压，监测燃料电池的输出电流，用一组蓄电池作为辅助能源，在负载电流突然上升时由蓄电池快速放电，等燃料电池的电流恢复到100％状态时，蓄电池结束放电。此系统实现起来较复杂，燃料电池在负载运行时要一直给负载供电，不利于提高其性能。
介绍了由燃料电池和两组蓄电池组成基于微处理器控制的混合动力系统，当负载所需能量超过预定值时通过一个开关把燃料电池从系统中分离出来。由传感器检测蓄电池的充电状态，通过开关防止过充。该专利没有对充电电路做具体说明，例如锂电池对充电要求较高，需要精密的充电电路以保证充电的安全。
在目前可充电的储能装置中超级电容虽然功率性能优于蓄电池，但在同样尺寸的条件下存储的能量小于蓄电池。在对体积要求严格的场合不适用；镍镉、镍氢蓄电池都有记忆效应，容易造成容量降低，即使用完全充放电的方法释放记忆，也会损耗电池的使用寿命，应用在混合动力系统中会降低系统的灵活性；锂电池和铅酸电池都没有记忆效应，可随时对其充电。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池适配器，稳定燃料电池的输出电压，使系统适应负载功率的突然变化，控制燃料电池的放电深度。
为实现上述目的，本发明提供的燃料电池适配器，主要由DC/DC模块、蓄电池、传感器、控制器、二级稳压变压电路、充电电路、虚拟负载以及可控开关构成；其中DC/DC模块的输入端与燃料电池的输出端连接，该模块的输出端分为三路其中一路通过一可控开关及传感器与负载连接，另一路通过一可控开关和虚拟负载相连接，还有一路和二级稳压变压电路的输入端连接；二级稳压变压电路的输出端和控制器及充电电路的输入端连接；
充电电路的输出端和蓄电池连接；蓄电池通过一可控开关及传感器和负载连接；传感器的输出端和控制器的输入端连接；控制器的输出端分别连接三个可控开关及充电电路的控制端；上述装置中，采用蓄电池为辅助能源，采用由集成充电控制器构成的充电电路，可以设定燃料电池的最大放电电流以及蓄电池的最大充电电流；当负载电流小于设定值1时，充电电路给蓄电池充电；负载电流大于设定值1但小于设定值2，充电电路停止充电；负载电流大于设定值2但小于设定值3，燃料电池和蓄电池一起给负载供电；负载电流大于设定值3，燃料电池和负载断开，全部由蓄电池给负载供电，燃料电池只给控制电路供电。
所述的燃料电池适配器，其中蓄电池为锂离子电池、锂聚合物电池、铅酸电池或上述电池的电池组。
所述的燃料电池适配器，其中传感器为霍尔电流传感器或取样电阻。
所述的燃料电池适配器，其中控制器采用单片机、运算放大器或电压比较器。
所述的燃料电池适配器，其中DC/DC模块构成的二级稳压变压电路保证控制电路的稳定工作并给充电电路以及燃料电池系统中的泵和风扇提供所需的电压。
所述的燃料电池适配器，其中虚拟负载为电阻或热电元件，该虚拟负载产生的热量用来加热燃料电池，提升燃料电池的温度。
所述的燃料电池适配器，其中燃料电池和蓄电池之间通过切换使燃料电池的电压得到回升。
本发明的有益效果是该适配器和燃料电池配合使用便构成混合动力系统，由控制器根据负载运行情况控制燃料电池、蓄电池及充电电路的工作状态，使燃料电池和负载相匹配，稳定了燃料电池的输出电压、适应了负载功率的突然变化、控制了燃料电池的放电深度。与现有的技术相比，本发明结构简单，体积小，性能可靠，特别适用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，包括以甲醇、乙醇等液体进料的直接醇类燃料电池(DAFC)。
下列附图是关于本发明的一些具体化实例，它们可以解释本发明的原理及效果，简要说明如下图1为本发明的燃料电池适配器的结构示意图。
图2为采用本发明的燃料电池适配器后系统运行状态示意图。
图3为本发明的燃料电池适配器采用锂电池作为辅助能源时充电电路原理示意图。
图4为本发明的燃料电池适配器采用铅酸电池作为辅助能源时充电电路原理示意图。
图5为采用本发明的燃料电池适配器后燃料电池功率、负载功率以及蓄电池功率的变化曲线。
具体实施例方式
本发明采用DC/DC模块构成的二级稳压变压电路，保证控制电路的稳定工作并给充电电路以及燃料电池系统中的泵、风扇等部件提供所需的电压。
本发明采用无记忆效应的蓄电池作为辅助能源，由集成充电控制器构成的充电电路，充电效率高，最大充电电流可以调整，还具有防止过充和对电池温度监控的功能。
本发明采用了由电阻或热电元件制成的虚拟负载，使燃料电池不出现开路状态，消除了燃料电池的开路高压，产生的热量用来加热燃料电池，提升燃料电池的温度，并通过燃料电池和蓄电池的切换使燃料电池的电压得到回升。
本发明的负载电流大于设定值1但小于设定值2，充电电路停止充电；负载电流大于设定值2但小于设定值3，燃料电池和蓄电池一起给负载供电；负载电流大于设定值3，燃料电池和负载断开，全部由蓄电池给负载供电，燃料电池只给控制电路供电。
详细描述如下图1为本发明的燃料电池适配器的结构示意图。其中1为DC/DC模块，它将燃料电池的输出电压稳定在负载的额定电压；2为蓄电池。在负载功率超过设定值时给负载供电；3为传感器，测量负载的电流从而反映负载的功率变化；4为控制器，根据负载的功率情况来控制可控开关；5为二级稳压变压电路，确保控制电路的正常工作，给充电电路以及燃料电池系统中的泵、风扇等部件提供额定电压；6为充电电路；7、8、9为可控开关；10为虚拟负载。
图2为采用本发明的燃料电池适配器后系统运行状态图。0～t1期间燃料电池和适配器连接，负载未启动，虚拟负载工作。t0～t1期间负载启动，燃料电池放电，电流迅速增大，当超过设定值时由蓄电池放电，燃料电池电流迅速减小，启动过程完成后燃料电池电流回升到正常状态。t1～t2期间负载电流小于设定值1，充电电路给蓄电池充电。t2～t3期间负载电流大于设定值1但小于设定值2，充电电路停止充电。t3～t4期间负载电流大于设定值2但小于设定值3，燃料电池和蓄电池一起给负载供电。t4～t5期间负载电流大于设定值3，燃料电池和负载断开，全部由蓄电池给负载供电，燃料电池只给控制电路供电，电流迅速下降。t5～t6期间负载电流继续增大，仍全部由蓄电池给负载供电。t6～t7期间负载电流减小到设定值1以下，燃料电池电流回升到正常状态，充电电路给蓄电池充电。t7～t8期间充电电流逐渐减小，直到充满。t8以后为负载电流低于设定值1且蓄电池处于充满状态的运行情况。
图3为本发明的燃料电池适配器采用锂电池作为辅助能源时充电电路原理示意图。充电电路采用开关模式的集成充电控制器MAX1758，充电效率高，噪声干扰低，还有对锂电池温度监测的功能。内部有安全计时器，防止过充现象的发生。调整R3的值便可以调整最大充电电流。D和A、B、C相连对应着一节、三节和四节锂电池，悬空时对应二节锂电池。
图4为本发明的燃料电池适配器采用铅酸电池作为辅助能源时充电电路原理示意图。采用铅酸电池充电专用控制集成电路UC3906，它具有铅酸电池最佳充电所需的全部控制和检测功能，能使充电电压随电池电压温度系数的变化而变化。调整R1的值便可以调整最大充电电流。
图5为采用本发明的燃料电池适配器后燃料电池功率、负载功率以及蓄电池功率的变化曲线。当负载功率突然增大使其电流超过设定值时，蓄电池快速响应，燃料电池不会出现功率突然增大很多的情况。在条件满足时燃料电池给蓄电池充电，使其内部存贮的能量得以补充。
为了进一步说明本发明，列举以下的实施例。
实施例1燃料电池的功率为6.5W，负载为5W的直流电动机。采用4.5V～9V输入5W的DC/DC模块，采用单节锂聚合物电池作为辅助能源，传感器采用0.05Ω的取样电阻，采用电压比较器LM339作为控制器，充电电路采用充电控制器MAX1757，采用1W的电阻作为虚拟负载，可控开关采用MOSFET。
实施例2燃料电池的功率为30W，负载为笔记本电脑。采用9V～18V输入25W的DC/DC模块，采用三节串连的锂离子电池组作为辅助能源，传感器采用0.1Ω的取样电阻，采用单片机AT89C2051作为控制器，充电电路采用充电控制器MAX1758，采用3W的电阻作为虚拟负载，可控开关采用MOSFET。
实施例3燃料电池的功率为55W，负载为50W的直流电动机。采用10V～40V输入50W的DC/DC模块，采用12V铅酸电池组作为辅助能源，传感器采用霍尔电流传感器，采用运算放大器LM224作为控制器，充电电路采用充电控制器UC3906，采用5W的电热板作为虚拟负载，可控开关采用继电器。
在前述说明中，是通过一些具体实例对本发明加以说明，并不是用来限制本发明的范围，在不脱离本发明的思想和技术范围内可以做一些修改和变化，但这些修改和变化也应属于本发明。
权利要求
1.一种燃料电池适配器，主要由DC/DC模块、蓄电池、传感器、控制器、二级稳压变压电路、充电电路、虚拟负载以及可控开关构成；其中DC/DC模块的输入端与燃料电池的输出端连接，该模块的输出端分为三路其中一路通过一可控开关及传感器与负载连接，另一路通过一可控开关和虚拟负载相连接，还有一路和二级稳压变压电路的输入端连接；二级稳压变压电路的输出端和控制器及充电电路的输入端连接；充电电路的输出端和蓄电池连接；蓄电池通过一可控开关及传感器和负载连接；传感器的输出端和控制器的输入端连接；控制器的输出端分别连接三个可控开关及充电电路的控制端；上述装置中，采用蓄电池为辅助能源，采用由集成充电控制器构成的充电电路，可以设定燃料电池的最大放电电流以及蓄电池的最大充电电流；当负载电流小于设定值1时，充电电路给蓄电池充电；负载电流大于设定值1但小于设定值2，充电电路停止充电；负载电流大于设定值2但小于设定值3，燃料电池和蓄电池一起给负载供电；负载电流大于设定值3，燃料电池和负载断开，全部由蓄电池给负载供电，燃料电池只给控制电路供电。
2.按照权利要求1所述的燃料电池适配器，其中蓄电池为锂离子电池、锂聚合物电池、铅酸电池或上述电池的电池组。
3.按照权利要求1所述的燃料电池适配器，其中传感器为霍尔电流传感器或取样电阻。
4.按照权利要求1所述的燃料电池适配器，其中控制器采用单片机、运算放大器或电压比较器。
5.按照权利要求1所述的燃料电池适配器，其中采用DC/DC模块构成二级稳压变压电路，保证控制电路的稳定工作并给充电电路以及燃料电池系统中的泵和风扇提供所需的电压。
6.按照权利要求1所述的燃料电池适配器，其中虚拟负载为电阻或热电元件，该虚拟负载产生的热量用来加热燃料电池，提升燃料电池的温度。
7.按照权利要求1所述的燃料电池适配器，其中燃料电池和蓄电池之间通过切换使燃料电池的电压得到回升。
全文摘要
一种燃料电池适配器，其结构为DC/DC模块的输入端与燃料电池的输出端连接，该模块的输出端分为三路其中一路通过一可控开关及传感器与负载连接，另一路通过一可控开关和虚拟负载相连接，还有一路和二级稳压变压电路的输入端连接；二级稳压变压电路的输出端和控制器及充电电路的输入端连接；充电电路的输出端和蓄电池连接；蓄电池通过一可控开关及传感器和负载连接；传感器的输出端和控制器的输入端连接；控制器的输出端分别连接三个可控开关及充电电路的控制端。本发明结构简单，体积小，性能可靠，特别适用于质子交换膜燃料电池，包括以甲醇、乙醇等液体进料的直接醇类燃料电池。
文档编号H01M10/42GK101075745SQ200610011929
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月18日 优先权日2006年5月18日
发明者孙公权, 秦兵, 赵钢, 陈利康, 赵锋良, 辛勤 申请人:中国科学院大连化学物理研究所