专利名称：一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统。
背景技术：
燃料电池作为备用电源可以用在银行，医院，机场，商业楼宇等，替代目前大量应 用的铅酸电池和柴油发电机，具有环保无污染，无噪音，轻便，便于维护等许多优点。
备用电源作为随着人们生活品质的不断提高，社会工业化生产的迅猛发展，现代 社会和经济对电力的依赖已达到不可或缺的程度，电力已成为社会和经济运行的总开关， 没有了电， 一切便迅速陷入全面瘫痪。 下面以备用电源在通信方面的应用为例介绍燃料电池在备用电源领域应用情 况 对于通信基站用备用电源，一旦大面积电网停电，这将严重影响人们的正常生活， 甚至对社会经济和人类生命安全造成巨大损失。在去年的冰雪灾害和今年的汶川地震中能 够足见断电给通信带来的影响。 目前用做应通信基站备用电源的主要采用铅蓄电池和用柴油发电机组相组合的 方式进行，这种备用电源的现状同当前备用电源的需求之间的矛盾越来越大，主要表现在
a. 铅蓄电池容量有限，备用时间一般不超过为IO小时，根本满足不了重大应急险情需求。
b. 而且铅蓄电池存在重量大，寿命短(一般3-5年左右)，污染大，品质不均一，寿命难保证 等缺点.c.为了延长发电备用时间，要配备大量的柴油发电油机车，一般是10-20个左右的 基站配备一个发电油机车。大部分时间，油机车封存不用，经常不用对油机车不好，需要经 常维护，日常维护比较频繁，工作量大。在遇到大面积停电或重大险情时，油机车根本不够 用。 燃料电池作为一种节能环保的发电设备，体积小，重量轻，无噪音，价格便宜，维护 低，可连续工作(48小时或更长的备用时间)等特点非常适合用在备用电源领域。
燃料电池在备用电源的应用已经进入市场。美国plugpower在2006年到07年 间已经销售1000台5KWGenCore⑧燃料电池给电信部门用做电信备用电源。08年5月， BALLARD同印度电信签定了未来三年用22. 7丽的燃料电池。2008年2月11日，在西班牙 巴塞罗那GSMA世界移动大会上，美国Motorola公司将美国Itatech公司ElectraGenTM5XTR 燃料电池系统为通信设备BTS站提供动力。2008年4月6日，在拉斯维加斯举行的2008美 国无线通信展(CTIAWIRELESS2008)展上。康普旗下EcoPower无线通信公司推出专为无线 运营商设计体积更小、更强劲的燃料电池备用电源。2008年5月份，印度最大的电信设备供 应商IC0匪Tele对全球公开招标，准备采购6000台以燃料电池做备用电源的用于GSM或 CDMA的BTS基站。 在我国，电信设备供应商，燃料电池生产商正积极介入通信基站备用电源领域。可 以预计在未来5年内，燃料电池将会在备用电源领域得到广泛的应用。
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在燃料电池应用领域，众所周知燃料电池的开关机操作对燃料电池的寿命影响 比较大，主要是因为在燃料电池开关机操作时能够产生比较高的局部过电压，这将导致燃 料电池催化剂碳载体氧化，使燃料电池性能衰减比较快。我们可以通过改变阳极侧催化剂 导电载体的方法，如换用抗腐蚀性金属氧化物导电载体的方法，提高燃料电池的催化剂抗 氧化性，降低燃料电池开关机对燃料电池性能的影响，如在专利200610027287. 2所介绍 的。也可以通过燃料电池带负载启动的方法降低燃料电池的局部过电位，但是在带大的负 载是燃料电池在比较低的电压下启动比较危险，往往造成燃料电池的永久性损害。
另外一个方面的问题是在目前燃料电池备用电源领域，如美国的PLUGPOWER， EC0P0WER， ITATECH公司所采用的燃料电池备用电源技术方案主要是一种替代性的燃料电 池独立供电的技术方案。在这些技术方案中，燃料电池作为通信用的备用电源，其输出电压 是一种软电压特性，必须经过DC/DC稳压后提供给通信用电设备，通信用电设备对DC/DC的 输出电压有有比较严格的要求。此外，因为燃料电池作为一种软电压特性的电池，其在外界 负载变化时，燃料电池的电压变化范围比较大，这对DC/DC的制作要求比较高，而且价格比 较高。国外这些公司燃料电池系统比较复杂加上比较贵的DC/DC等使整个燃料电池备用电 源系统成本很高，在价格上难同传统的铅酸电池竞争，因而也直接影响了燃料电池的推广 应用速度。需要注意的是在新一代燃料电池系统中(空冷自增湿燃料电池系统)，燃料电 池系统的成本几乎同DC/DC相当，如果去掉DC/DC的直接连接方式可以将燃料电池供电部 分的成本直接降低50%。 目前，在备用电源领域主要是铅酸储能电池，燃料电池全部替换铅酸电池，这在初 期会遇到比较大的阻力，首先是原有的铅酸电池将废弃掉也会造成一定的浪费；其次，燃料 电池系统成本相对较高；再者，这对燃料电池的氢气供应和电池本身的特性也提出了很高 的要求。 因此，结合实际情况研究一种低成本，高稳定可靠性的燃料电池备用电源系统方 案具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低，稳定性 高、寿命长的燃料电池与储能电池组成的备用电源系统。 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种燃料电池与储能电池组成的备 用电源系统，其特征在于，该系统包括燃料电池和储能电池，所述的燃料电池与储能电池之 间通过单向二极管连接在一起，燃料电池给储能电池和负载提供电力和/或燃料电池与储 能电池共同为匹配的负载提供电力。 所述的燃料电池的进口端设有电磁阀，燃料电池给储能电池充电达到设定电压 时，电磁阀关闭，燃料电池停止工作；燃料电池与储能电池组成的备用电源系统给负载提供 电力时，电磁阀打开，燃料电池开始工作，给储能电池和负载提供电力和/或与储能电池共 同为负载提供电力。 所述的燃料电池与储能电池相匹配，燃料电池直接对储能电池充电。 所述的储能电池包括铅酸蓄电池或镍氢电池，其电压波动范围为18% 30%。 所述的燃料电池与负载相匹配，负载的消耗功率设定在燃料电池的输出功率范围
4内。 所述的燃料电池采用氢气为燃料，空气为氧化剂，燃料电池工作时，氢气进入燃料 电池1秒 300秒后，空气供应设备开始运行，将空气输入燃料电池。 所述的氢气进入燃料电池3秒 30秒后，空气供应设备开始运行，将空气输入燃 料电池。 所述的燃料电池连接控制电路板和空气供应设备，燃料电池给储能电池充电完毕 后，剩余的电力通过控制电路板和空气供应设备消耗完毕。 与现有技术相比，本发明采用燃料电池同相匹配的储能电池并联的方式输出电 力，其特征在于其中燃料电池同储能电池之间通过一个单向二极管直接连接在一起，燃料 电池同储能电池一起为用电负载提供电力，燃料电池同相匹配的储能电池之间的连接不需 要可控开关和DC/DC转换器，该系统能够大幅度提高燃料电池启动次数，大幅度降低燃料 电池开关机对电池性能的影响，大幅度降低系统成本，这对于该系统直接应用在备用电源 领域具有非常重要的意义。
图1为本发明燃料电池同储能电池组成的备用电源系统的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 本发明燃料电池备用电源系统，该系统采用燃料电池同相匹配的储能电池并联的
方式输出电力，其中燃料电池同储能电池之间通过一个单向二极管直接连接在一起，燃料
电池同相匹配的储能电池之间的连接不需要可控开关和DC/DC转换器，燃料电池给储能电
池和负载提供电力和或燃料电池同储能电池一起为匹配的负载提供电力。 所述燃料电池同相匹配的储能电池之间的连接不需要可控开关，当燃料电池给储
能电池充电，燃料电池和储能电池组成的整体输出电压达到设定电压时，通过关闭燃料电
池燃料进口端的电磁阀来使燃料电池停止工作。在外界市电断电，储能电池因为输出电能
导致的两端电压降低到设定的电压时，燃料电池的进口端电磁阀打开，燃料电池开始工作，
一方面给储能电池充电和或给匹配的负载供应电力。 所述匹配储能电池的匹配性包括燃料电池在储能电池合理的工作电压范围内工 作；燃料电池给该储能电池充电不需要进行限流；燃料电池工作时提供给储能电池的充电 电流不超过储能电池的合理充电电流。 所述的相匹配的储能电池是采用宽电压范围的电池，可以是铅酸蓄电池，镍氢电
池等可以在宽电压范围工作的电池，其电压波动范围一般为18% _30%之间。 所述匹配的负载，在燃料电池在宽的工作电压范围内，其功率输出也有较宽的范
围，匹配负载的消耗功率设定在燃料电池宽的输出功率范围内。 所述燃料电池，燃料电池工作时，开始阶段燃料氢气首先进入电池，给燃料电池提 供反应用空气设备不运行，燃料电池提供的电能稳定后，提供空气的设备才开始运行。从燃 料氢气进入燃料电池到提供空气的设备运行之间的时间间隔一般为1秒到5分钟时间，最 优的时间为3秒-30秒的时间。
所述燃料电池，燃料电池停止工作时，燃料氢气进口电磁阀关闭，因为单向二极管 的存在，燃料电池电压在接近储能电池的电压时，燃料电池不再对外输出电力，燃料电池存 在的电压将靠电池的控制电路板和空气供应设备消耗完毕。 通过本发明的实施，燃料电池的开关机启动次数显著增加，燃料电池储能电池系 统稳定性显著增强，成本显著降低，燃料电池对氢气方面的要求和自身的快速反应供电要 求显著降低，具有非常重要的商业价值。
实施例1 如图1所示，一种燃料电池同储能电池组成的通信用备用电源系统，工作原理，过 程和匹配性如下 负载4即为通信设备，此系统中负载4消耗功率一般为1. 5-2. 5KW，其消耗功率同 通信设备的通信量有关，通信设备的工作电压范围一般为40V-60VDC通常状况下，负载4消 耗的电力来自于220VAC交流电(或380VAC) ， 220VAC交流电通过AC/DC8转化成55. 5VDC 直流电后提供给负载4和铅酸电池2，铅酸电池2单片的工作电压为1.8V-2. 35V，24块串联 后工作电压范围为43. 2-56. 4VDC。燃料电池1为多片串联组成的电池堆，电压范围很宽， 但是在此系统中同铅酸蓄电池2相匹配，因此其工作的电压范围为43. 2-56. 4VDC，事例中 用到的是一个80单电池组成的燃料电池，每个单电池的工作电压平均为0. 54-0. 705VDC， 燃料电池的电流从61A-20A，因此电池的输出功率将随电压的变化而变化，范围从 2. 63KW-1. 13KW变化。负载的功率波动范围同燃料电池的输出功率范围接近，燃料电池1的 输出时的电压在铅酸储能电池2的电压范围内。 系统中的燃料电池1采用新一代空冷自增湿燃料电池，铅酸电池2的容量一般大 于IOOAH。 通常状况下，燃料电池1检测到AC/DC的正常的输出电压时不工作。在外界220VAC 电断电后，燃料电池1虽然检测到AC/DC的电压为零，燃料电池1不立即工作，此时负载4 消耗的电力全部由铅酸电池2提供，铅酸电池2的电压从55. 5VDC开始下降，当铅酸电池2 的电压下至一个设定值时，如48VDC，燃料电池1开始工作。 燃料电池1工作时首先将氢气进口电磁阀5打开，此时氢气迅速进入燃料电池1， 燃料电池1电压开始上升，因为由单向二极管3的存在，燃料电池的输出电压达到48. 6V时 (48V加0. 6V单向二极管的压降)，开始输出电流到铅酸电池2和负载4。燃料电池1的每 片电池的工作电压接近O. 6V，但因为此时供空气设备如风扇6没有启动，所以，燃料电池1 电流快速上冲大约l-5S的时间后，由于电池阴极侧的缺氧导致电流快速下降到一个非常 低的电流约2A左右。大约经过IOS后，燃料电池1的风扇6供空气设备开始运行，燃料电 池1开始正常工作，此时燃料电池1在48. 6V时输出电流在48A左右，输出功率为2. 3KW，因 若此时的负载为1.5KW，燃料电池1发出的电将有一部分直接提供给负载4，另有部分电力 提供给铅酸电池2，考虑到铅酸电池2充电是的过电位，此时燃料电池1同储能电池的稳定 电位将大于48. 6V，在该系统中给负载4的供电电压为52V左右，燃料电池1的输出电流为 35A，因此，燃料电池1提供给负载的电流约28. 8A，提供给铅酸电池2的电流为6. 2A，根据 铅酸电池2充电电流不超过O. 1C最优充电电流规定，上述100AH的铅酸电池2能够满足要 求。因为随着铅酸电池2被充电，系统的电压将会慢慢上升，因为燃料电池1在56. 2V时输 出功率仅l. 13KW，小于负载4的消耗功率，所以铅酸电池2被充电的最后平衡电压一般不会
6超过设定的56. 2V。 如果负载4的消耗功率逐渐增加，当大于燃料电池1在工作电压下的电流时，燃料 电池l同铅酸电池2将一起为负载提供电力。此时系统的电压将慢慢降低，但是，随着系 统电压的降低，燃料电池l的输出电流将增大，输出功率将增加。因此在合适的电压下，此 系统的电压将达到平衡，系统的电压将不在降低。因为一般设定燃料电池在低的电压如 43. 2V+0. 6V( 二极管损耗)时，输出功率大于负载的消耗功率，因此铅酸电池及同燃料电池 组成系统的对外供电电压一般不会43. 2V。 当检测到市电220VAC重新供给时，燃料电池1将氢气进口电磁阀5将关闭，燃料 电池1停止工作，因为单向二极管3的存在，燃料电池1电压在接近储能电池2的电压时， 燃料电池1不再对外输出电力，燃料电池1存在的电压将靠电池的控制电路板7和空气供 应设备消耗完毕。燃料电池1残余的氢气将被风扇6消耗完毕。此时，负载4和铅酸电池 2由AC/DC8提供电力。 同传统的单独燃料电池用做备用电源的系统相比，上述燃料电池系统可以大幅度 降低成本，提高燃料电池开关机对电池性能的影响。同时，燃料电池的应用又可以大量节省 传统铅酸电池的用量，在一般的通信用备用电源铅酸电池的容量一般为500AH，甚至更大如 1000AH，2000AH，燃料电池应用后可以将铅酸电池的用量节省50% -80%。
上述事例主要是说明本发明的系统工作过程，而不是对本发明的限制。
权利要求
一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在于，该系统包括燃料电池和储能电池，所述的燃料电池与储能电池之间通过单向二极管连接在一起，燃料电池给储能电池和负载提供电力和/或燃料电池与储能电池共同为匹配的负载提供电力。
2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在 于，所述的燃料电池的进口端设有电磁阀，燃料电池给储能电池充电达到设定电压时，电磁 阀关闭，燃料电池停止工作；燃料电池与储能电池组成的备用电源系统给负载提供电力时， 电磁阀打开，燃料电池开始工作，给储能电池和负载提供电力和/或与储能电池共同为负 载提供电力。
3. 根据权利要求1所述的一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在 于，所述的燃料电池与储能电池相匹配，燃料电池直接对储能电池充电。
4. 根据权利要求1所述的一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在 于，所述的储能电池包括铅酸蓄电池或镍氢电池，其电压波动范围为18% 30%。
5. 根据权利要求1所述的一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在 于，所述的燃料电池与负载相匹配，负载的消耗功率设定在燃料电池的输出功率范围内。
6. 根据权利要求1所述的一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在 于，所述的燃料电池采用氢气为燃料，空气为氧化剂，燃料电池工作时，氢气进入燃料电池l 秒 300秒后，空气供应设备开始运行，将空气输入燃料电池。
7. 根据权利要求6所述的一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在 于，所述的氢气进入燃料电池3秒 30秒后，空气供应设备开始运行，将空气输入燃料电 池。
8. 根据权利要求1所述的一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，其特征在 于，所述的燃料电池连接控制电路板和空气供应设备，燃料电池给储能电池充电完毕后，剩 余的电力通过控制电路板和空气供应设备消耗完毕。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池与储能电池组成的备用电源系统，该系统包括燃料电池和储能电池，所述的燃料电池与储能电池之间通过单向二极管连接在一起，燃料电池给储能电池和负载提供电力和/或燃料电池与储能电池共同为匹配的负载提供电力。与现有技术相比，本发明具有成本低，稳定性高、寿命长等优点。
文档编号H01M8/00GK101752895SQ20081020475
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者李明, 李秀云, 田丙伦, 田丙坤, 董辉 申请人:上海攀业氢能源科技有限公司