Устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента и способ такого преобразования

Устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента и способ такого преобразования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к топливному элементу, а более конкретно к устройству преобразования электроэнергии для топливного элемента, способному максимизировать эффективность преобразования электроэнергии топливного элемента, и к способу такого преобразования.

Описание предшествующего уровня техники

Система топливного элемента служит для непосредственного преобразования энергии топлива в электрическую энергию.

Система топливного элемента оснащена анодом и катодом по обе стороны от высокомолекулярной электролитной мембраны. По мере того, как водородное топливо электрохимически окисляется на аноде, а кислород электрохимически восстанавливается на катоде, вырабатываются электроны. Система топливного элемента вырабатывает электрическую энергию, поскольку выработанные электроны движутся.

Фиг.1 представляет собой схему, показывающую топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC), в котором топливо на основе углеводородов, такое как сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный нефтяной газ (СНГ), метанол CH₃OH и т.п. (на чертеже - СПГ), подвергается процессу десульфуризации, процессу реформинга и процессу гидроочистки в реформинг-установке (реформере), в результате чего получается только водород с тем, чтобы быть использованным в качестве топлива.

Как показано на Фиг.1, традиционная система топливного элемента содержит блок 10 реформинга для вырабатывания водорода из СПГ; блок 20 подачи топлива для подачи полученного водорода на анод посредством подключения блока 10 реформинга к аноду; блок 30 подачи воздуха для подачи атмосферного воздуха на катод; блок 40 батареи, имеющий анод 41, на который подается водород, и катод 42, на который подается воздух, для выработки электроэнергии и тепла посредством электрохимической реакции водорода и воздуха. Блок 50 выдачи электроэнергии, присоединенный к выходу блока 40 батареи, для подачи электроэнергии на нагрузку; блок 60 теплообмена для охлаждения блока 10 реформинга и блока 40 батареи посредством соответственной подачи в них воды и контроллер (не показан), электрически подключенный к каждому из блоков и управляющий работой каждого блока.

Блок 50 выдачи электроэнергии содержит блок преобразования постоянного тока в постоянный ток для выработки переменного тока посредством переключения постоянного тока, вырабатываемого блоком 40 батареи, и выпрямления выработанного переменного тока в постоянный ток и блок 52 преобразования для преобразования постоянного тока, выдаваемого из блока 51 преобразования постоянного тока в постоянный ток, в переменный ток и тем самым генерирования переменного тока.

Непоясненный ссылочный номер 21 обозначает подающий топливопровод, 22 обозначает насос подачи топлива, 31 обозначает подающий воздухопровод, 61 обозначает бак хранения воды, 62 обозначает линию циркуляции воды, 63 обозначает теплоизлучатель и 64 обозначает насос циркуляции воды.

Далее будет пояснена работа традиционной системы топливного элемента.

Сначала топливо на основе углеводородов подвергается реформингу в блоке 10 реформинга тем самым получается водород. Полученный водород подается на анод 41 блока 40 батареи.

Блок 10 реформинга подает воздух на катод 42 блока 40 батареи.

На аноде 41 блока батареи осуществляется электрохимическое окисление, а на катоде 42 блока 40 батареи осуществляется электрохимическое восстановление.

При осуществлении окисления и восстановления вырабатываются электроны. Так как выработанные электроны движутся к катоду 42 от анода 41, вырабатывается постоянное напряжение. Выработанное постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение блоком 51 преобразования постоянного тока в постоянный ток блока 50 выдачи электроэнергии.

Переменное напряжение, выдаваемое из блока 51 преобразования постоянного тока в постоянный ток, повышается или понижается по управляющему сигналу, выдаваемому из блока управления (не показан). Затем повышенное или пониженное переменное напряжение выпрямляется в постоянное напряжение с тем, чтобы подаваться в блок 52 преобразования.

Блок 52 преобразования преобразует постоянное напряжение, выдаваемое из блока 51 преобразования постоянного тока в постоянный ток, в переменное напряжение и подает это переменное напряжение на нагрузку, такую как домашний электроприбор.

Однако традиционная система топливного элемента имеет следующие проблемы. Прежде всего, когда напряжение, выдаваемое из топливного элемента, должно преобразовываться в промышленное напряжение, то выдаваемое из топливного элемента напряжение повышается или понижается блоком преобразования постоянного тока в постоянный ток, а уже затем это повышенное или пониженное напряжение должно преобразовываться в переменное напряжение. Поскольку выдаваемое из топливного элемента напряжение преобразовывается в промышленное напряжение в два этапа, снижается эффективность преобразования электроэнергии.

Более того, увеличивается количество конструктивных элементов полупроводникового прибора для преобразования электроэнергии, а соответственно, увеличиваются затраты на производство.

Раскрытие изобретения

Поэтому цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента, способное улучшить эффективность преобразования электроэнергии посредством согласования полного сопротивления между топливным элементом и линией электропередачи с помощью блока согласования полного сопротивления и посредством преобразования постоянного напряжения, выдаваемого из топливного элемента, в переменное напряжение посредством повышения или понижения с помощью блока преобразования, а также способ такого преобразования.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с назначением настоящего изобретения, как оно воплощено и в общих чертах описано здесь, предложено устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента, содержащее блок преобразования для преобразования постоянного напряжения, выдаваемого из топливного элемента, в повышенное или пониженное переменное напряжение путем переключения по сигналу управления переключением и блок управления для сравнения детектированного переменного напряжения с заранее заданным переменным напряжением и выдачи сигнала управления переключением для управления переключением блока преобразования на основе результата сравнения.

Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с назначением настоящего изобретения, как оно воплощено и в общих чертах описано здесь, предложено устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента, который содержит блок батареи, имеющий анод и катод и вырабатывающий электроэнергию посредством электрохимической реакции водорода и кислорода, содержащее блок согласования полного сопротивления для согласования полного сопротивления силовой линии топливного элемента с полным сопротивлением реальной промышленной линии электропередачи; блок преобразования для преобразования постоянного напряжения, введенного из блока согласования полного сопротивления, в повышенное или пониженное переменное напряжение путем переключения по сигналу управления переключением; фильтр для фильтрации переменного напряжения, выдаваемого из блока преобразования, и тем самым выдачи переменного напряжения синусоидальной формы; блок детектирования мощности для детектирования переменного напряжения, выдаваемого из фильтра и блок управления для сравнения детектированного переменного напряжения с заранее заданным переменным напряжением и управления преобразованием постоянного напряжения, выдаваемого из топливного элемента, в переменное напряжение на основе результата сравнения.

Вышеприведенные и другие цели, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания настоящего изобретения при его рассмотрении в сочетании с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые приведены для обеспечения лучшего понимания изобретения, включены в это описание изобретения и составляют его часть, иллюстрируют варианты реализации изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.

На этих чертежах:

Фиг.1 представляет собой структурную схему, показывающую пример системы топливного элемента в соответствии с традиционным уровнем техники;

Фиг.2 представляет собой схематичный вид, показывающий конструкцию устройства преобразования электроэнергии для топливного элемента согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 представляет собой блок-схему последовательности операций способа преобразования электроэнергии топливного элемента согласно настоящему изобретению;

Фиг.4 представляет собой вид, показывающий форму сигнала переключения блока преобразования согласно настоящему изобретению; и

Фиг.5 представляет собой вид, показывающий форму сигнала выходного напряжения из блока преобразования согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Далее будут более подробно описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.

В дальнейшем со ссылкой на приложенные чертежи будет пояснено устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента, способное улучшить эффективность преобразования электроэнергии посредством преобразования постоянного напряжения, выдаваемого из топливного элемента, в переменное напряжение путем повышения или понижения блоком преобразования без дополнительного повышающего устройства или понижающего устройства, а также способ такого преобразования.

Фиг.2 представляет собой схематичный вид, показывающий конструкцию устройства преобразования электроэнергии для топливного элемента согласно настоящему изобретению.

Как показано на Фиг.2, устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента согласно настоящему изобретению содержит блок 100 согласования полного сопротивления, блок 200 преобразования, фильтр 300, блок 400 детектирования напряжения, блок 500 хранения и блок 600 управления.

Блок 100 согласования полного сопротивления согласует полное сопротивление силовой линии топливного элемента с полным сопротивлением реальной промышленной линии электропередачи.

Блок 100 согласования полного сопротивления содержит первую катушку L1, имеющую передний конец, присоединенный к выходу топливного элемента, первый конденсатор C1, имеющий передний конец, присоединенный к выходу топливного элемента, вторую катушку L2, имеющую передний конец, присоединенный к заднему концу первой катушки L1, и задний конец, присоединенный к заднему концу первого конденсатора C1, и второй конденсатор C2, присоединенный между задним концом первой катушки L1 и передним концом второй катушки L2.

Блок 200 преобразования преобразует постоянное напряжение топливного элемента, введенное из блока 100 согласования полного сопротивления, в переменное напряжение посредством повышения или понижения, а затем выдает повышенное или пониженное переменное напряжение.

Блок 200 преобразования содержит второй pnp-транзистор P2, имеющий коллектор, присоединенный к эмиттеру первого pnp-транзистора P1, третий транзистор P3, имеющий коллектор, присоединенный к коллектору первого pnp-транзистора P1, и четвертый транзистор P4, имеющий коллектор, присоединенный к эмиттеру третьего транзистора P3, и имеющий эмиттер, присоединенный к эмиттеру второго pnp-транзистора P2. Блок 200 преобразования выдает значение разности между напряжением (V_AN), сформированным в точке соединения между первым pnp-транзистором P1 и вторым pnp-транзистором P2, и напряжением (V_BN), сформированным в точке соединения между третьим pnp-транзистором P3 и четвертым pnp-транзистором P4.

Более конкретно, как показано на Фиг.5(а), блок 200 преобразования выдает напряжение (V_AN), сформированное в точке соединения между первым pnp-транзистором P1 и вторым pnp-транзистором P2. Как показано на Фиг.5(b), блок 200 преобразования выдает напряжение (V_BN), сформированное в точке соединения между третьим pnp-транзистором P3 и четвертым pnp-транзистором P4. Как показано на Фиг.5(c), блок 200 преобразования выдает конечное напряжение (V₀).

К pnp-транзисторам P1-P4 соответственно с первого по четвертый параллельно присоединен диод для того, чтобы предотвратить обратный ток.

Фильтр 300, который является фильтром переменного тока, фильтрует переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования, тем самым формируя (генерируя) переменное напряжение синусоидальной формы.

Фильтр 300 содержит конденсатор C3 для разряда зарядного напряжения, когда блок 200 преобразования выполняет операцию понижения напряжения.

Блок 400 детектирования напряжения детектирует уровень переменного напряжения, выдаваемого из фильтра 300.

Блок 500 хранения сохраняет каждое среднеквадратичное (действующее) значение, соответствующее множеству уровней переменного напряжения.

Блок 600 управления сравнивает уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования, с заранее заданным уровнем переменного напряжения, управляет режимом преобразования в блоке 200 преобразования на основе результата сравнения и выдает сигнал управления переключением для управления переключением блока 200 преобразования.

Более конкретно, блок 600 управления сравнивает переменное напряжение, детектированное блоком 400 детектирования напряжения, с переменным напряжением, предварительно заданным пользователем. В результате сравнения, если переменное напряжение, детектированное блоком 400 детектирования напряжения, является большим, чем заранее заданное переменное напряжение, блок 600 управления снижает переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования. Наоборот, если переменное напряжение, детектированное блоком 400 детектирования напряжения, является меньшим, чем заранее заданное переменное напряжение, блок 600 управления повышает переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования.

Во время режима понижения напряжения блок 600 управления преобразует уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования напряжения, в среднеквадратичное значение. Если преобразованное среднеквадратичное значение является большим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению, блок 600 управления увеличивает мертвое время сигнала управления переключением для одновременного выключения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4. Если преобразованное среднеквадратичное значение является меньшим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению, блок 600 управления уменьшает мертвое время сигнала управления переключением для одновременного выключения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4.

Во время режима повышения напряжения блок 600 управления преобразует уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования напряжения, в среднеквадратичное значение. Если преобразованное среднеквадратичное значение является большим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению, блок 600 управления увеличивает время перекрытия сигнала управления переключением для одновременного включения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4. Наоборот, если преобразованное среднеквадратичное значение является меньшим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению, блок 600 управления уменьшает время перекрытия сигнала управления переключением для одновременного включения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4.

Работа устройства преобразования электроэнергии для топливного элемента согласно настоящему изобретению будет разъяснена со ссылкой на Фиг.3.

Прежде всего пользователь задает уровень промышленного переменного напряжения, которое должно использоваться на нагрузке, посредством блока ввода (не показан) (SP1).

Затем блок 600 управления сравнивает уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования напряжения, с уровнем промышленного переменного напряжения, заданным пользователем (SP2), и управляет режимом переключения блока 200 преобразования на основе результата сравнения.

Более конкретно, когда уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования напряжения, является большим, чем заданный пользователем уровень переменного напряжения, блок 600 управления понижает переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования.

Наоборот, когда уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования напряжения, является меньшим, чем заданный пользователем уровень переменного напряжения, блок 600 управления повышает переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования.

Операция повышения напряжения и операция понижения напряжения блоком 200 преобразования будут пояснены со ссылкой на Фиг.4.

Как показано на Фиг.4(a) и 4(b), во время режима понижения напряжения блок 600 управления управляет сигналом управления переключением для одновременного выключения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4 блока 200 преобразования, чтобы получить мертвое время. В этом состоянии блок 200 преобразования понижает постоянное напряжение, выдаваемое из топливного элемента, на определенный уровень и выдает пониженное постоянное напряжение (SP3).

Затем фильтр 300 фильтрует пониженное переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования, и тем самым выдает переменное напряжение синусоидальной формы на соответствующую нагрузку (SP4).

Блок 400 детектирования напряжения детектирует уровень переменного напряжения, выдаваемого из блока 200 преобразования, с тем, чтобы подавать его в блок 600 управления (SP5).

Затем блок 600 управления преобразует уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования напряжения, в среднеквадратичное значение. Если преобразованное среднеквадратичное значение является большим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению (SP6), блок 600 управления увеличивает мертвое время сигнала управления переключением для одновременного выключения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4 (SP8).

Наоборот, если преобразованное среднеквадратичное значение является меньшим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению (SP6), блок 600 управления уменьшает мертвое время сигнала управления переключением для одновременного выключения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4 блока 200 преобразования (SP7).

Как показано на Фиг.4(c) и 4(d), во время режима повышения напряжения блок 600 управления управляет сигналом управления переключением для одновременного включения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4 блока 200 преобразования на определенное время, чтобы получить время перекрытия. В этом состоянии блок 200 преобразования повышает постоянное напряжение, выдаваемое из топливного элемента, на определенный уровень с тем, чтобы выдавать его (SP9).

Затем фильтр 300 фильтрует повышенное переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования, в переменное напряжение, имеющее синусоидальную форму, и таким образом подает его на соответствующую нагрузку (SP10).

Блок 400 детектирования напряжения детектирует переменное напряжение, выдаваемое из блока 200 преобразования, а затем подает его в блок 600 управления (SP11).

Блок 600 управления преобразует уровень переменного напряжения, детектированный блоком 400 детектирования напряжения, в среднеквадратичное значение. Если преобразованное среднеквадратичное значение является большим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению (SP12), блок 600 управления увеличивает время перекрытия сигнала управления переключением для одновременного включения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4 блока 200 преобразования (SP14).

Наоборот, если преобразованное среднеквадратичное значение является меньшим, чем среднеквадратичное значение, соответствующее заранее заданному переменному напряжению (SP12), блок 600 управления уменьшает время перекрытия сигнала управления переключением для одновременного включения первого pnp-транзистора P1, второго pnp-транзистора P2, третьего pnp-транзистора P3 и четвертого pnp-транзистора P4 блока 200 преобразования (SP13).

Как упомянуто выше, в устройстве преобразования электроэнергии для топливного элемента и способе такого преобразования согласно настоящему изобретению эффективность преобразования энергии топливного элемента улучшена посредством преобразования постоянного напряжения, введенного из топливного элемента, в переменное напряжение путем повышения или понижения блоком преобразования без дополнительного повышающего устройства или понижающего устройства.

Поскольку настоящее изобретение может быть реализовано в нескольких вариантах без выхода за рамки его сущности или существенных признаков, также должно быть понятно, что вышеописанные варианты реализации не ограничены какими бы то ни было подробностями предшествующего описания, если не указано иное, а скорее должны трактоваться более широко, в пределах его сущности и объема, которые определены в прилагаемой формуле изобретения, и поэтому все изменения и модификации, которые попадают в границы и пределы формулы изобретения, или эквиваленты таких границ и пределов, подразумеваются таким образом охваченными прилагаемой формулой изобретения.

1. Устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента содержащее

блок преобразования для преобразования постоянного напряжения, выдаваемого из топливного элемента, в повышенное или пониженное переменное напряжение путем переключения по сигналу управления переключением;

фильтр для фильтрации переменного напряжения, выдаваемого из блока преобразования, и тем самым выдачи переменного напряжения синусоидальной формы; и

блок управления для сравнения детектированного переменного напряжения с заранее заданным переменным напряжением и выдачи сигнала управления переключением для управления переключением блока преобразования на основе результата сравнения.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее блок согласования полного сопротивления для согласования полного сопротивления силовой линии топливного элемента с полным сопротивлением реальной промышленной линии электропередачи.

3. Устройстве по п.2, в котором блок согласования полного сопротивления содержит

первую катушку, имеющую передний конец, присоединенный к выходу топливного элемента;

первый конденсатор, имеющий передний конец, присоединенный к выходу топливного элемента;

вторую катушку, имеющую передний конец, присоединенный к заднему концу первой катушки, и задний конец, присоединенный к заднему концу первого конденсатора; и

второй конденсатор, присоединенный между задним концом первой катушки и передним концом второй катушки.

4. Устройство по п.1, в котором блок преобразования содержит

второй pnp-транзистор, имеющий коллектор, присоединенный к эмиттеру первого pnp-транзистора;

третий pnp-транзистор, имеющий коллектор, присоединенный к коллектору первого pnp-транзистора; и

четвертый pnp-транзистор, имеющий коллектор, присоединенный к эмиттеру третьего pnp-транзистора, и имеющий эмиттер, присоединенный к эмиттеру второго pnp-транзистора, при этом блок преобразования выдает значение разности между напряжением, вырабатываемым в точке соединения между первым pnp-транзистором и вторым pnp-транзистором, и напряжением, вырабатываемым в точке соединения между третьим pnp-транзистором и четвертым pnp-транзистором.

5. Устройство по п.1, дополнительно содержащее блок хранения для хранения каждого среднеквадратичного значения, соответствующего множеству уровней переменного напряжения.

6. Устройство по п.1, в котором блок управления сравнивает выдаваемое из топливного элемента переменное напряжение с заданным пользователем переменным напряжением, понижает выдаваемое из топливного элемента переменное напряжение, когда выдаваемое из топливного элемента переменное напряжение является большим, чем заданное пользователем переменное напряжение, и повышает выдаваемое из топливного элемента переменное напряжение, когда выдаваемое из топливного элемента переменное напряжение является меньшим, чем заданное пользователем переменное напряжение.

7. Устройство по п.1, в котором фильтр содержит конденсатор для разряда зарядного напряжения, когда блок преобразования выполняет операцию понижения напряжения.

8. Устройство преобразования электроэнергии для топливного элемента, который содержит блок батареи, имеющий анод и катод и вырабатывающий электроэнергию посредством электрохимической реакции водорода и воздуха, содержащее

блок согласования полного сопротивления для согласования полного сопротивления силовой линии топливного элемента с полным сопротивлением реальной промышленной линии электропередачи;

блок преобразования для преобразования постоянного напряжения, введенного из блока согласования полного сопротивления, в повышенное или пониженное переменное напряжение путем переключения по сигналу управления переключением;

фильтр для фильтрации переменного напряжения, выдаваемого из блока преобразования, и тем самым выдачи переменного напряжения синусоидальной формы;

блок детектирования мощности для детектирования уровня переменного напряжения, выдаваемого из фильтра; и

блок управления для сравнения детектированного переменного напряжения с заранее заданным переменным напряжением и управления преобразованием постоянного напряжения, выдаваемого из топливного элемента, в переменное напряжение на основе результата сравнения.

9. Способ преобразования электроэнергии для топливного элемента, включающий в себя

детектирование уровня переменного напряжения, выдаваемого из топливного элемента; и

сравнение детектированного уровня переменного напряжения с заранее заданным уровнем переменного напряжения и управление преобразованием переменного напряжения, выдаваемого из топливного элемента.

10. Способ по п.9, в котором этап управления преобразованием включает в себя

сравнение уровня выдаваемого из топливного элемента переменнного напряжения с заранее заданным пользователем уровнем переменного напряжения и понижение выдаваемого из топливного элемента переменного напряжения, когда уровень выдаваемого из топливного элемента переменного напряжения является большим, чем заранее заданный уровень переменного напряжения; и повышение выдаваемого из топливного элемента переменного напряжения, когда уровень выдаваемого из топливного элемента переменного напряжения является меньшим, чем заранее заданный переменный уровень напряжения.