一种燃料电池系统，其使用彼此串联并且与电源总线上的燃料电池组并联电耦合的超级电容器和电池。当电源总线上的电压随着系统的操作要求而改变时，超级电容器在相对较大的电压摆动（诸如８５％ＳＯＣ摆动）上被充电和放电。超级电容器均衡或电压匹配电源总线上的电压变化，其被电池组电压设置为电池的电压。因此，电池当在充电和放电期间提供大部分能量和功率时，具有相对小的被限定ＳＯＣ摆动，其用来维护电池寿命。所述系统还可以包括与超级电容器并联电耦合的二极管，用于提供反向电压保护和电源旁路。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及一种燃料电池系统，并且尤其涉及一种使用电 池/电容器电能存储系统的燃料电池系统，所述存储系统不必需要DC/DC转换器。
技术介绍
氢是十分诱人的燃料，这是因为它是清洁的并且可以用来在燃料 电池中有效地生成电流。在开发氢燃料电池作为车辆功率源的过程 中汽车工业消耗显著的资源。这种车辆可能是更高效的并且比今天 使用内燃机的车辆产生更少的排放物。氲燃料电池是电化学设备，包括阳极和阴极以及在它们之间的电 解液。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极被分解 以便产生游离氢质子和电子。氢质子穿过电解液到阴极。氢质子与 阴极中的氧气和电子反应以便产生水。来自阳极的电子无法穿过电 解液，并且从而被从负载引导以便在被发送到阴极之前做功。所述 功用于操作所述车辆。质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行燃料电池。 PEMFC通常包括固相聚合物电解质子导电薄膜，诸如全氟磺酸 (perf luorosulfonic acid)薄膜。阳极和阴极典型情况下包括细 碎的催化粒子，通常为柏(Pt),维持在碳粒子上并且与离子聚合 物混合。催化混合物被淀积在薄膜的相对端上。阳极催化混合物、 阴极催化混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件(MEA) 。 MEA制 造起来相对昂贵并且要求确定的条件才能有效操作。这些条件包括 适当的水管理和湿化，并且控制诸如一氧化碳(C0)之类的催化剂 中毒组分。的功率。燃料电池组接收阴极输入气体，典型情况下为通过压缩器 压到燃料电池组的气流。并非所有的氧气都被电池组消耗并且一些 空气作为阴极废气输出，所述废气可以包括水作为电池组的副产品。燃料电池组还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入 电池组的阳极端。大部分燃料电池车辆是混合动力型汽车，其除燃料电池组之外使用可充电的附加电源，诸如DC电池或超级电容器(也被称为超电容 器或双层电容器)。当燃料电池组不能提供所想要的功率时，电源 向各个车辆辅助负载、系统启动和高功率需求期间提供了附加功 率。更特别地是，燃料电池组经由DC电压总线线路向牵引电动机及 其它车辆系统提供了功率以用于车辆操作。在那些需要附加功率超 出电池组可以提供的功率期间，诸如在巨大加速度期间，电池向电 压总线线路提供了附加功率。例如，燃料电池组可以提供70 kW的功 率。然而，车辆加速度可能要求IOO kW或更多的功率。使用燃料电 池组来在燃料电池组能够满足系统功率需求的那些时间为电池重新由DC总线为电池重新充电。在上述混合动力型车辆中，典型情况下需要双向的DC/DC转换器 来提升来自电池的DC电压以4更使电池电压匹配由电池组电压所规定 的总线线路电压并且在电池重新充电期间降低所述电池组电压。然 而，DC/DC转换器相对较大、昂贵且沉重，这是明显的缺点。因此希 望从包括附加电源的燃料电池车辆中去除DC/DC转换器。在工业中存在各种尝试通过提供能够在燃料电池组的操作情况 下处理较大的燃料电池电压摆动来消除在燃料电池供电的混合动力 型车辆中的DC/DC转换器。在一个已知的系统中，超电容器(也被称 为超级电容器和双层电容器)被用为附加电源。然而，超电容器由 于其与电池相比较而言的低能容量而受到其可以放电多少的限制。 超电容器还要求用于在系统启动时提升电容器电压的供电设备。还 使用确定类型的电池来消除车辆燃料电池系统中的DC/DC转换器。然而，这些系统还受到使电池在确定电平以上放电的能力的限制。换 句话说，作为在系统操作期间DC总线上大电压摆动的结果，这些类 型的电池可能会被损坏。于_提交的、并且分配给本申请受让人的美国专利申请序号(代理人概要号GP - 304895 )题目为DC/DC - Less Coupling of Matched Batteries to Fuel Cel ls乂^开了 一种所建i义的系统，用于去除燃料电池混合动力型车辆中的DC/DC转换器。此系统使用匹 配的电池，其电压输出在整个电压操作范围内与DC总线线路相匹 配。然而在此设计中，对于诸如NiMH电池之类的现有技术的电池的 当前状态来说，在车辆操作期间电池充电状态(S0C)摆动可能导致 缩短电池寿命。例如，电池SOC摆动可能在其最低放电点的20。/。容量 和在其最高充电点的80。/。容量之间，产生了6(T/。的S0C摆动。当电池在这种大soc摆动上循环时，电池寿命可能被显著地减少。
技术实现思路
依照本专利技术的教导，公开了一种燃料电池系统，其使用彼此串联 并且与电源总线上的燃料电池组并联电耦合的超级电容器和电池。 在一个实施例中，超级电容器的额定功率和能量显著地小于电池的 额定功率和能量，而二者被额定为用于相同的电流。当在系统操作 期间电源总线上的电压随着电池组电压改变而改变时，超级电容器在相对较大的电压摆动(诸如85% SOC摆动)上被充电和放电。超级 电容器均衡或匹配电源总线上的电压变化，其被电池组电压设置为 电池的电压。因此，电池具有相对小的SOC摆动，其减少其SOC循环 并且用于维持电池寿命。所述系统还可以包括与超级电容器并联电 耦合的二极管，用于对电容器提供反向电压保护。结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本专利技术的附加优点和 特征将变得更加清楚。附图说明图l是依照本专利技术实施例用于混合动力型车辆的燃料电池系统的 示意性框图，其中所述系统包括电池和超级电容器，用于提供电能 存储系统并且不必需要DC/DC转换器。具体实施例方式针对使用超级电容器和电池的燃料电池系统的本专利技术实施例的 以下论述实质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本专利技术或其应 用或使用。例如，这里所描述的燃料电池系统对于燃料电池混合动 力型车辆来说具有特定应用。然而，燃料电池系统除车辆应用之外还可以具有其它应用。图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性框图，所述 燃料电池组12具有许多串联电耦合的燃料电池20。燃料电池组12向 高电压总线线路提供电功率，所述高电压总线线路这里被表示为正 的总线线路16和负的总线线路18。在车辆燃料电池系统中，燃料电 池组12可以包括大约400个单元20。在本申请中，燃料电池组12在全 负载要求期间在总线线路16和18上提供了大约280伏，并且在低负载 要求期间在总线线路16和18上提供大约400伏。这在总线线路16和18 上提供了大约120伏的摆动。开关32有选择地使正的总线线路16从燃 料电池组12脱离并且开关34有选择地使负的总线线路18与燃料电池 组12脱离以便在关闭期间使燃料电池组12与系统10电断开连接以用 于安全目的。依照本专利技术，燃料电池系统10包括被串联电耦合到正的总线线路 16和18的电池14和超电容器、双层电容器或超级电容器30。如下面 所进一步详细描述，在系统10的操作期间超级电容器30在总线线路 16和18上在相对较大的S0C电压摆动(120V)上放电和充电，并且使 电池14与总线电压摆动隔离。电池14和超级电容器30组合以便提供 电能存储系统(EESS)，用于在那些电池组12不能提供功率需求期 间(诸如在巨大加速度期间)向总线线路16和18提供附加功率，并 且当燃料电池组12不操作时向各个车辆系统提供附加功率。在一个 例子中，70 kW的功率本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：电源总线；与所述电源总线电耦合的燃料电池组；与所述电源总线电耦合的电池；和与所述电池串联且与所述电源总线电耦合的电容器，所述电容器为所述电源总线上的大电压摆动提供电压匹配。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：S赖泽，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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