[发明专利]集成DC/DC变换器以及电化学储能系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换器以及电化学储能系统，尤其涉及一种可以监测电池工作状态的集成DC/DC变换器以及包含该集成DC/DC变换器的电化学储能系统。

背景技术

氢氧质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)是一种电化学装置，直接将化学能转换为电能，传统内燃机能量转换受到卡诺循环限制，而氢氧质子交换膜燃料电池能量转换不受卡诺循环限制，理论上其能量转换效率更高。由于参与反应的物质为氢气和空气，反应产物为水，没有产生有害排放物，因此受到人们的青睐，逐渐应用于备用电站、交通运输和移动电源等领域。

质子交换膜燃料电池输出特性为直流，其单片输出电压小于1V，典型为0.7V，为了能够提供更高的电压，需要将很多燃料电池单片串联在一起，形成燃料电池电堆，其输出功率相应提高。燃料电池单片由阳极气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)、膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies，简称MEA)和阴极气体扩散层组成。

燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心部件，在电堆外围有许多附件系统辅助燃料电池电堆进行工作，包括空气系统、氢气系统、冷却系统、功率调节系统、增湿系统和控制系统等。空气系统负责为电堆提供适量的氧化剂即空气，需要根据工况调节进入电堆的空气的温度、压力和流量；氢气系统负责为电堆供应氢气，需要根据工况调节进入电堆的氢气压力和流量；冷却系统则通过冷却剂循环的方式使电堆温度保持合适水平，保证电堆稳定可靠运行；功率调节系统则通过调节燃料电池电堆输出电压或输出电流的方式使燃料电池系统输出特性能满足负载需求；增湿系统负责调节进入电堆的空气的湿度，过干或过湿对质子交换膜和电堆都有不利的影响，因此需要对进入电堆的空气进行湿度控制；控制系统是整个燃料电池发电系统的“大脑”，尤其对电堆外围的各个子系统进行优化控制，使得电堆处于最佳工作状态，保证电堆长期稳定可靠运行。

请参阅图1，一种典型的燃料电池系统100包括燃料电池电堆10、氢气系统12、空气系统14、冷却系统16、回收系统18以及DC/DC控制器19。其中，空气系统14包括空压机142、散热器144、增湿器146以及第一流量控制阀148。所述回收系统18包括冷凝器182以及第二流量控制阀184。环境空气经由空压机142压缩后进入散热器144，由散热器144冷却后进入增湿器146进行增湿，增湿后进入燃料电池电堆10，燃料电池电堆10阴极侧的氧气和来自阳极侧的氢离子发生化学反应，在输出电能的同时产生水(气态或液态)。因此在参与反应后的阴极空气中氧气含量下降，水含量(湿度)增加。在燃料电池电堆10出口的空气经冷凝器182回收水分后，通过第二流量控制阀184排入空气环境中。其中，可通过空压机142、第一流量控制阀148以及第二流量控制阀的协调控制来控制进入燃料电池电堆10的空气流量和空气压力，可以通过散热器144调整进气温度，通过增湿器146来控制进气湿度。

根据PEMFC的工作原理和性能特点可知，由于燃料电池电堆内部反应生成的水(气态或者液态)需要经过阴极反应通道带出，如果生成的液态水不及时排除，生成的水会阻碍流道，即所谓的水淹现象，导致电堆性能下降，影响燃料电池的使用。为了提高排水能力，需要提高空气的流量或流速以便顺利吹除液态水。在怠速或小负荷时，由于生成的水量偏小，如果一直保持较大的空气流量，则容易把流道和质子交换膜表面水都吹干，导致膜过干而性能下降；如果一直保持较小的空气流量，则不容易吹走流道内的液态水而导致水淹。

在燃料电池控制系统中，基于现有的传感器配置，包括阴阳极进口温度和压力传感器、阴阳极出口温度和压力传感器、阴极进出口湿度传感器，通常采用集总参数模型对燃料电池电堆内部工作状态进行观测，但由于燃料电池电堆由许多单片串联而成，受电堆供气系统结构的限制，每个燃料电池单片进气压力、温度、湿度和进气组分都有所差异，单片供气状态差异和温度差异导致单片电压出现不一致性，当供系统结构不合理和单片数量增加时，单片电压不一致性更加明显。由于不能实时观测燃料电池单片的工作状态，尤其不能及时有效判断单片是否出现水淹或膜干现象，因此通过对燃料电池供气系统和增湿系统的控制实现调节燃料电池内部工作状态难以避免出现局部燃料电池单片出现水淹或膜干现象，这对燃料电池系统性能提升是非常不利的。

如何准确获悉燃料电池单片工作状态，判断燃料电池单片是否处于非正常工作状态如膜干或水淹，来及时调整燃料电池供气系统和增湿系统控制环节，以改善燃料电池性能，是燃料电池系统控制的一个挑战。