阅读说明：本技术 燃料电池系统及燃料电池系统的堆模块的更换方法 (Fuel cell system and method for replacing stack module of fuel cell system ) 是由 徐埈硕 孙镕斗 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种能够在不停止燃料电池系统的运行的情况下维护堆模块的燃料电池系统及燃料电池系统的堆模块的更换方法。该燃料电池系统包括：多个堆模块,并联连接到氢气管路和空气管路,多个堆模块中的两个或更多个堆模块连接以形成组；以及逆变器,连接到堆模块组并且能够被接通和断开。(Disclosed are a fuel cell system capable of maintaining a stack module without stopping the operation of the fuel cell system, and a method for replacing the stack module of the fuel cell system. The fuel cell system includes: a plurality of stack modules connected in parallel to the hydrogen line and the air line, two or more of the plurality of stack modules being connected to form a group; and an inverter connected to the stack module group and capable of being turned on and off.)

燃料电池系统及燃料电池系统的堆模块的更换方法

技术领域

本发明涉及一种能够在不停止燃料电池系统的运行的情况下维护堆模块的燃料电池系统及燃料电池系统的堆模块的更换方法。

背景技术

在用于发电的燃料电池系统中，堆模块可以发电并供应电力。燃料电池堆包括用于供应或阻断堆的电力的堆主继电器。当燃料电池系统正常运行时，在连接堆主继电器的状态下执行操作。同时，当需要进行诸如维修或更换燃料电池堆的维护工作时，停止燃料电池系统的运行以完全耗尽堆的剩余电压后执行堆的维护工作。

然而，在这样的燃料电池系统中，由于每当需要维护堆时燃料电池系统的运行停止，因此系统的运行率可能降低。另外，随着系统停止次数增加，系统部件和堆模块的性能可能劣化。

在该部分中公开的信息仅用于增强对本发明的一般背景的理解，而不应被视为对该信息构成本领域技术人员已知的现有技术的承认或任何形式的暗示。

发明内容

本发明提供一种能够在不停止燃料电池系统的运行的情况下维护堆模块的燃料电池系统及燃料电池系统的堆模块的更换方法。

根据本发明的方面，上述和其他目的可以通过提供一种燃料电池系统来实现，该燃料电池系统可以包括：多个堆模块，并联连接到氢气管路和空气管路；以及多个逆变器，分别连接到多个堆模块并且能够被接通和断开。

根据本发明的另一方面，上述和其他目的可以通过提供一种燃料电池系统来实现，该燃料电池系统可以包括：多个堆模块，并联连接到氢气管路和空气管路，多个堆模块中的两个或更多个堆模块连接以形成组；以及逆变器，连接到堆模块组并且能够被接通和断开。

多个堆模块可以串联连接以形成堆模块组。主继电器可以分别连接在多个堆模块中的每个堆模块和用于每个堆模块的逆变器之间，并且旁路继电器可以被连接以绕过彼此配对的多个堆模块和主继电器。多个堆模块中的每个堆模块的第一端可以与主继电器中的每个主继电器的第一端直接连接，并且旁路继电器中的每个旁路继电器的两端可以分别连接到多个堆模块中的每个堆模块的第二端和主继电器中的每个主继电器的第二端。

多个堆模块可以并联连接以形成堆模块组。主继电器可以分别连接在多个堆模块中的每个堆模块和用于每个堆模块的逆变器之间。燃料阻断阀可以设置在用于每个堆模块的氢气管路上，并且鼓风机可以设置在用于每个堆模块的空气管路上。

根据本发明的另一方面，上述和其他目的可以通过提供一种燃料电池系统的堆模块的更换方法来实现，该方法可以包括：控制器分别监控堆模块；以及当检测到堆模块的异常时，控制器使连接到发生异常的堆模块的逆变器停止并且使堆模块电断路。

该方法可以进一步包括：在堆模块被电断路之后，使配置成向堆模块供应空气的鼓风机停止；断开配置成调节向堆模块供应氢气燃料的燃料阻断阀；以及当更换堆模块时，驱动停止的逆变器以使堆模块再次运行。

根据本发明的另一方面，上述和其他目的可以通过提供一种燃料电池系统的堆模块的更换方法来实现，该方法可以包括：控制器分别监控堆模块；以及当检测到堆模块的异常时，控制器断开连接到发生异常的堆模块的主继电器，接通旁路继电器，并且使堆模块电断路。

该方法可以进一步包括：在堆模块被电断路之后，使配置成向堆模块供应空气的鼓风机停止；断开配置成调节向堆模块供应氢气燃料的燃料阻断阀；以及当更换堆模块时，断开接通的旁路继电器并接通断开的主继电器以使堆模块再次运行。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征及其他优点，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的配置的视图；

图2是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的配置的视图；

图3是示出根据本发明的示例性实施例的图2所示的燃料电池系统中串联连接的堆模块的配置的视图；

图4是示出根据本发明的示例性实施例的图3中通过旁路继电器来绕过发生故障的堆模块的操作的视图；

图5是示出根据本发明的示例性实施例的图2所示的燃料电池系统中并联连接的堆模块的配置的视图；

图6是示出根据本发明的示例性实施例的图5中阻断电流流到发生故障的堆模块的操作的视图；

图7是示出根据本发明的示例性实施例的图1所示的燃料电池系统的配置中的堆模块的更换过程的视图；

图8是示出根据本发明的示例性实施例的图2所示的燃料电池系统的配置中的堆模块的更换过程的视图；以及

图9是概念性地示出根据本发明的示例性实施例的由控制器控制的组件之间的连接关系的视图。

具体实施方式

将理解的是，如本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用车，包括各种小船和大船的船舶，飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆和其它替代燃料(例如，源自除石油以外的来源的燃料)车辆。如本文提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如汽油和电双动力车辆。

尽管示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性进程，但将理解的是，示例性进程也可以通过一个或多个模块来执行。另外，将理解的是，术语“控制器/控制单元”指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置成存储模块，并且处理器被具体配置成执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个进程。

此外，本公开的控制逻辑可以实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、压缩光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可分布在联接网络的计算机系统中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)以分布式方式被存储并执行。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包括有”在本说明书中使用时说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何项目和所有组合。

除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所使用的，术语“约”被理解为在本领域的正常容差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文另外清楚，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。

将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。

本发明的燃料电池系统是包括多个堆模块1和逆变器3的高容量发电系统。图1是示出根据本发明的燃料电池系统的第一示例性实施例的构造的视图。参照附图，首先，堆模块1使用氢气作为燃料来发电。可以设置多个堆模块并将多个堆模块并联连接到氢气管路5和空气管路7。

例如，可以在每个堆模块1的氢气管路5上设置燃料阻断阀9，使得可以单独地供应和阻断供应到每个堆模块1的氢气燃料。可以在每个堆模块1的空气管路7上设置鼓风机11，从而可以单独地供应和阻断供应到每个堆模块1的空气。特别地，逆变器3可以被配置成将由堆模块1产生的直流电(DC)转换成交流电(AC)，并且分别设置在堆模块1的后端且能够被接通和断开。燃料电池系统可以被配置成连接到电网(grid)。

图2是示出根据本发明的燃料电池系统的第二示例性实施例的配置的视图。参照附图，可以设置多个堆模块1，并且多个堆模块1可以并联连接到氢气管路5和空气管路7。两个或更多个堆模块1可以连接以形成组。另外，逆变器3可以针对每个堆模块1组设置在堆模块1的后端，并且能够被接通和断开。

根据上述配置，在本发明中，由于逆变器3可以分别连接到堆模块1，因此逆变器3可以被独立地停止，从而独立地阻断堆模块1或堆模块1组的电力。因此，当构成燃料电池系统的堆模块1中存在发生异常的堆模块1时，可以仅使连接到发生异常的堆模块1的逆变器3停止操作，并且更换或维修该堆模块1。换句话说，为了维修堆模块中的一个，并非所有逆变器都需要停止。

特别地，当堆模块1发生故障时，能够在不停止燃料电池系统的运行的情况下维护堆模块，从而提高燃料电池系统的运行率。另外，燃料电池系统停止的次数减少，从而防止系统部件和堆模块1的性能劣化。

将参照图7和图9描述图1所示的燃料电池系统中发生故障的堆模块1的更换过程。控制器CLR可以被配置成监控各堆模块1以诊断堆模块1的异常或故障。例如，当作为监控堆模块1的结果，第一堆模块1a发生异常(例如，故障、失灵等)时，可以使连接到第一堆模块1a的逆变器3停止，以能够使在电线中流动的电流绕过第一堆模块1a，从而使第一堆模块1a电断路。

随后，可以使配置成向第一堆模块1a供应空气的鼓风机11停止，以从第一堆模块1a排出空气。另外，可以断开配置成调节向第一堆模块供应氢气燃料的燃料阻断阀9，以阻断向第一堆模块1a供应氢气燃料。之后，可以显示或语音输出指示第一堆模块1a完全电断路的信息，然后可以利用新的堆模块更换第一堆模块1a，并且可以在更换之后使停止的逆变器3操作，从而使第一堆模块1a再次运行。

作为参考，根据本发明的示例性实施例的控制器可以通过配置成存储关于用于执行车辆的各组件的操作的算法或用于执行算法的软件命令的数据的非易失性存储器(未示出)和配置成使用存储在存储器中的数据执行以下描述的操作的处理器(未示出)来实施。特别地，存储器和处理器可以实施为单独的芯片。可选择地，存储器和处理器可以一体地实施为单个芯片。处理器可以包括一个或多个处理器。

此外，在根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统中，多个堆模块1可以串联连接以形成堆模块1组。特别地，在多个堆模块1形成组的燃料电池系统中，当某些堆模块1发生故障时，通过继电器的接通/断开使电流绕过发生故障的堆模块1，从而允许在不停止燃料电池系统的运行的情况下更换或维修堆。

因此，在本发明中，如图3所示，对于每个堆模块1，主继电器R1和R2可以分别连接在堆模块1和逆变器3之间，并且可以连接旁路继电器R3和R4以绕过堆模块1和彼此配对的主继电器R1和R2。具体地，每个堆模块1的第一端可以与主继电器R1和R2中的每一个的第一端直接连接，并且旁路继电器R3和R4中的每一个的两端可以分别连接到每个堆模块1的第二端和主继电器R1和R2中的每一个的第二端。

例如，两个堆模块，即第一堆模块1a和第二堆模块1b，可以串联连接以形成组，第一堆模块1a的前端可以与第一主继电器R1直接连接，并且第一旁路继电器R3的两端分别连接到第一主继电器R1的前端和第一堆模块1a的后端。另外，第二堆模块1b的前端可以与第二主继电器R2直接连接，并且第二旁路继电器R4的两端可以分别连接到第二主继电器R2的前端和第二堆模块1b的后端。

第一堆模块1a和第二堆模块1b可以与插置在其间的第二主继电器R2串联连接。换句话说，如图3所示，当燃料电池系统正常运行时，可以在第一主继电器R1和第二主继电器R2接通并且第一旁路继电器R3和第二旁路继电器R4断开的状态下执行操作，从而将第一堆模块1a和第二堆模块1b中产生的电力传送到逆变器3。

然而，当图3的燃料电池系统中的某些堆模块1发生故障时，通过设置在堆模块1中的继电器的操作而使电流绕过发生故障的堆模块1。例如，如图4所示，当第一堆模块1a发生故障时，可以断开第一主继电器R1，可以接通第一旁路继电器R3，可以使第二主继电器R2保持在接通状态，并且可以使第二旁路继电器R4保持在断开状态。

因此，第二堆模块1b连续发电。正常的堆模块中产生的电力绕过第一堆模块1a，从而允许在不使燃料电池系统停止的情况下更换或维修发生故障的第一堆模块1a。同时，在根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统中，多个堆模块1可以并联连接以形成堆模块1组。

特别地，在多个堆模块1形成组的燃料电池系统中，当多个堆模块1中的某些堆模块发生故障时，通过接通/断开继电器使电力绕过发生故障的堆模块1，从而允许在不停止燃料电池系统的运行的情况下更换或维修堆。因此，在本发明中，如图5所示，对于每个堆模块1，主继电器R1和R2可以分别连接在堆模块1和逆变器3之间。

例如，当两个堆模块，即第一堆模块1a和第二堆模块1b并联连接以形成组时，第一堆模块1a的前端可以与第一主继电器R1直接连接，并且第二堆模块1b的前端可以与第二主继电器R2直接连接。第一主继电器R1和第二主继电器R2的前端可以并联连接，并且第一堆模块1a和第二堆模块1b的后端可以并联连接。

换句话说，当燃料电池系统正常运行时，如图5所示，可以在第一主继电器R1和第二主继电器R2接通的状态下执行操作，从而将第一堆模块1a和第二堆模块1b中产生的电力传送到逆变器3。然而，当图5的燃料电池系统中的某些堆模块1发生故障时，通过设置在堆模块1中的继电器的操作而使电流绕过发生故障的堆模块1。

例如，如图6所示，当第一堆模块1a发生故障时，第一主继电器R1可以断开并且第二主继电器R2可以保持在接通状态。因此，第二堆模块1b连续发电。正常的堆模块中产生的电力绕过第一堆模块1a，从而允许在不使燃料电池系统停止的情况下更换或维修发生故障的第一堆模块1a。

将参照图8和图9描述图4和图5所示的燃料电池系统中发生故障的堆模块1的更换过程。控制器CLR可以被配置成监控各堆模块1以诊断堆模块1的异常。例如，当作为监控堆模块1的结果，第一堆模块1a发生异常时，如图4所示，可以断开连接到第一堆模块1a的第一主继电器R1，并且可以接通第一旁路继电器，使得在电线中流动的电流绕过第一堆模块1a，从而使第一堆模块1a电断路。

随后，可以使配置成向第一堆模块1a供应空气的鼓风机11停止，以从第一堆模块1a排出空气。另外，可以断开配置成调节向第一堆模块1a供应氢气燃料的燃料阻断阀9，以阻断向第一堆模块1a供应氢气燃料。之后，可以显示或语音输出指示第一堆模块1a完全电断路的信息，可以利用新的堆模块替换第一堆模块1a，然后可以断开第一旁路继电器R3，并且可以接通第一主继电器R1，从而使第一堆模块1a再次运行。

如上所述，当构成燃料电池系统的堆模块1中存在发生异常的堆模块1时，使逆变器3或继电器操作，以更换或维修发生故障的堆模块1。当堆模块1发生故障时，能够在不停止燃料电池系统的运行的情况下维护堆模块1，从而提高燃料电池系统的运行率。另外，燃料电池系统停止的次数减少，从而防止系统部件和堆模块1的性能劣化。

尽管已经出于说明性目的公开了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离如所附权利要求书中公开的本发明的范围和思想的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。