CN100399617C - 具有控制装置的燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有控制装置的燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池反应堆、燃料供给部、空气供给部、电能输出部以及控制部；与控制部连接的控制装置包括：流量检测部件、一氧化碳检测部件、电力检测部件、电压检测部件以及显示部；其控制方法包括如下阶段：驱动系统阶段；检测信号阶段；比较阶段；判断阶段。本发明的有益效果是：本发明提供的燃料电池系统的控制装置是根据负荷的变化可以良好地调节电能的产生量，故能够避免不必要的燃料浪费，同时也能够事先防止由于电能的不足而引起的使用上的不便。

Description

具有控制装置的燃料电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是燃料电池，特别涉及的是燃料电池系统的控制装置及其控制方法。

背景技术

人类使用的能量大部分是从化石燃料中获取。但是，化石燃料的使用会导致大气的污染、酸雨以及地球的温室效应等，对环境产生恶劣影响，能量的效率也低。

为了解决使用化石燃料导致上述存在的问题，因此，人们正在开发燃料电池系统。

燃料电池系统与通常的电池(2次电池)不同，它是通过向阴极提供燃料(氢气或碳化氢)以及向阳极提供氧气而发电的系统，也可以说是一种发电装置。

上述燃料电池的燃料不进行燃烧(氧化)反应，而是由氢和氧进行电化学反应，将其反应前后的能量差直接转化为电能，不产生NOx和SOx，同时也不产生噪音和振动。其热效率占发电量与热回收量相加后能够达到80％以上，且不产生NOx或SOx等有害气体，故可以称作为绿色发电系统。

但是，上述燃料电池，不能根据负荷的变化调节电能的产量，导致不必要的燃料浪费，而且由于电能的不足而引起使用上的不便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种根据负荷的变化能够有效调节电能产量的燃料电池系统的控制装置及其控制方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种具有控制装置的燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池反应堆、燃料供给部、空气供给部、电能输出部以及控制部；其中的燃料电池反应堆内的电解质膜两侧分别叠层设置有能供给燃料和空气进行电化学反应产生电的燃料极和空气极；其燃料供给部具有将从燃料供给源上供给的燃料进行重整反应，并将产生的氢气供给燃料极的重整器；其空气供给部向空气极供给空气；电能输出部与燃料电池反应堆相连，并输出电能；其控制部通过电能输出部输出的电能与跟电能输出部相连的全体负荷做比较，进而调节燃料和空气的供给状态，与控制部连接的控制装置包括：流量检测部件、一氧化碳检测部件、电力检测部件、电压检测部件以及显示部；其中，流量检测部件设置在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间的燃料供给管上，并与控制部相连接检测燃料供给量；一氧化碳检测部件设置在燃料电池反应堆与重整器之间的燃料供给管上，并与控制部相连接检测燃料中是否含有一氧化碳；电力检测部件设置在电能输出部上，并与控制部相连接检测当前的负荷；电压检测部件设置在电能输出部上，并与控制部相连接检测当前产生的电能；显示部设置在控制部的输出端，当上述各个部件向控制部传递的各自的检测信号超出设定值范围时，显示出错信息告知外部。

一种具有控制装置的燃料电池系统的控制方法，该控制方法包括如下阶段：

1).驱动系统阶段：首先，驱动系统；

2).检测信号阶段：系统被驱动后，通过设置在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间的燃料供给管上、在燃料电池反应堆与重整器之间的燃料供给管上、在控制部上的流量计、一氧化碳传感器、第一电压计、第二电压计以及负荷传感器检测各自信号阶段；

3)比较阶段：从各检测部件接收的信号值与设定在控制部里的信号设定值做比较的比较阶段；

4).判断阶段：判断信号检测值是否超出信号设定值的规定范围阶段；若信号检测值未超出信号设定值的规定范围，则维持系统的驱动状态，相反，若信号检测值超出信号设定值的规定范围，则停止系统的当前驱动，同时通过显示部向外界显示出错信息的警告信息的阶段。

本发明的有益效果是：本发明提供的燃料电池系统的控制装置是根据负荷的变化可以良好地调节电能的产生量，故能够避免不必要的燃料浪费，同时也能够事先防止由于电能的不足而引起的使用上的不便。

附图说明

图1是本发明实施例的燃料电池系统的连接图；

图2是本发明燃料电池系统的燃料电池反应堆的结构示意图；

图3是本发明燃料电池系统的控制过程流程图。

具体实施方式

实现上述目的，本发明提供一种具有控制装置的燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池反应堆、燃料供给部、空气供给部、电能输出部以及控制部；其中的燃料电池反应堆内的电解质膜两侧分别叠层设置有能供给燃料和空气进行电化学反应产生电的燃料极和空气极；其燃料供给部具有将从燃料供给源上供给的燃料进行重整反应，并将产生的氢气供给燃料极的重整器；其空气供给部向空气极供给空气；电能输出部与燃料电池反应堆相连，并输出电能；其控制部通过电能输出部输出的电能与跟电能输出部相连的全体负荷做比较，进而调节燃料和空气的供给状态，其特征是与控制部连接的控制装置包括：流量检测部件、一氧化碳检测部件、电力检测部件、电压检测部件以及显示部；其中，流量检测部件设置在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间的燃料供给管上，并与控制部相连接检测燃料供给量；一氧化碳检测部件设置在燃料电池反应堆与重整器之间的燃料供给管上，并与控制部相连接检测燃料是否含有一氧化碳；电力检测部件设置在电能输出部上，并与控制部相连接检测当前的负荷；电压检测部件设置在电能输出部，并与控制部相连接检测当前产生的电能；显示部设置在控制部的输出端，当上述各个部件向控制部传递各自的检测信号超出设定值范围时，显示出错信息告知外部。

在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间设置有与控制部相连接的燃料压缩机，燃料压缩机根据电能输出部的电力检测部件和电压检测部件的以及流量检测部件的检测值被限定其压缩量；空气供给风扇与控制部相连接，通过被一氧化碳检测部件检测到的一氧化碳的量控制其旋转速度；在重整器和燃料电池反应堆供给水的水供给管中间部设置有与控制部相连接调节水供给量的水泵和水供给阀。

在燃料电池反应堆和燃料供给部以及燃料电池反应堆和空气供给部之间设置有与燃料供给管和空气供给管相连接的加湿器；在加湿器上连接与水供给源相连的水供给管；在水供给管上设置有与控制部相连的水供给阀；在空气供给管上设置有与控制部相连的空气压缩机。

下面结合附图对本发明的实施例进一步详述：

如图1所示，本发明燃料电池系统包括：燃料电池反应堆10、燃料供给部20、空气供给部30、燃料/空气加湿部40、电能输出部50、热能回收部60以及控制部70。其中，燃料电池反应堆10通过氢和氧的电化学反应产生电能和热能；燃料供给部20从液化天然气燃料中生成氢气，并将氢气供给到燃料电池反应堆10；空气供给部30向燃料电池反应堆10供给空气；燃料/空气加湿部40设置在燃料电池反应堆10与燃料供给部20之间，以及燃料电池反应堆10与空气供给部30之间，并将燃料和空气转化为水蒸气；电力输出部50将在燃料电池反应堆10上产生的电能供给到负荷；热能回收部60将燃料电池反应堆10和燃料供给部20产生的热量回收；控制部70根据情况对上述各部10、20、30、40、50、60进行适当调节。

如图2所示，燃料电池反应堆，其结构如下。它是将多数个单一电池11叠层后形成。每个单一电池11包括：电解质膜12；在电解质膜12的两侧分别叠层而设置的燃料极13和空气极14；以及分离器15、16，其中分离器叠层设置在燃料极13和空气极14的外侧，使燃料和空气分别与燃料极13和空气极14相接触的状态下循环。两侧分离器15、16的外侧还叠层设置有形成集电电极的集电器17、18。

电解质膜12应使用能够传递氢离子H⁺的高分子膜。例如在湿润状态下具有电导性的高分子离子交换膜等。

燃料极13和空气极14由支撑体和叠层设置在支撑体两侧面的催化剂层构成。其中，支撑体由多孔的复写纸或复写织物构成；催化剂层应使用适合于氢气的氧化以及氧气还原反应的白金。催化剂层为了增加其有效表面积将微小的白金粒子涂层到微小的碳粒子表面而形成。

分离器15、16以电导性良好且耐蚀性强的石磨形成，分离器15、16在与燃料极13、空气极14相接触的内侧面上形成有燃料煤气流路Cf和空气流路Co。设置在单一电池11之间的分离器15、16其一侧形成有燃料煤气流路Cf，另一侧形成有空气流路Co，设置在燃料电池反应堆10的两侧端部的分离器15、16只有其内侧面上形成有燃料煤气流路Cf或空气流路Co，该燃料煤气流路Cf和空气流路Co由集合管各自连接形成。

集电器17、18通常是从燃料电池反应堆10上成为电能的终端，应使用电导性良好的铜等材料。

燃料供给部20由：填充有液化天然气的燃料供给源21；由燃料供给源21供给的燃料与水蒸气一同进行重整反应后产生氢气的氢气产生部(通称为重整器)构成。

燃料供给源21由燃料供给管23与重整器25相连，在燃料供给管23上设置有调节液化天然气供给压力的燃料压缩机22和检测燃料供给量的流量计24。在重整器25后端的燃料供给管23上设置有检测经过重整器25燃料中是否含有一氧化碳的一氧化碳传感器26。

重整器25上连接有相连水供给源41的重整用水供给管45，在重整用水供给管45上设置有重整用水供给阀46。并且，重整器25上还连接设置有空气供给风扇27a、27b。上述空气供给风扇27a、27b向重整器25提供在重整反应中必要的净化空气以及为了除去一氧化碳用的空气。

流量计24和一氧化碳传感器26设置在控制部70的输入端，而燃料压缩机22和重整用水供给阀46以及空气供给风扇27a、27b则设置在控制部70的输出端。

空气供给部30与燃料电池反应堆10的空气极14与空气供给管31相连，在空气供给管31的一端设置有将大气中的空气吸入后向燃料电池反应堆10供给的空气压缩机32。

其中，空气压缩机32连接在控制部70的输出端。

上述燃料/空气加湿部40包括：水供给源41、加湿器42、加湿用水供给管43、以及加湿用水供给阀44a、44b。其中，水供给源41供给如自来水等普通水；加湿器42设置在燃料供给管23和空气供给管31上，将供给的燃料和空气以水蒸气加湿；加湿用水供给管43将水供给源41和加湿器42的燃料侧和空气侧并列连接；加湿用水供给阀44a、44b设置在加湿用水供给管45上。

并且，水供给源41和重整器25与重整用水供给管45相连，在重整用水供给管45上设置重整用水供给阀46。

水供给源41在加湿用水供给管43上分管后，以冷却用水供给管81和冷却用水供给阀82与设置在燃料电池反应堆10周围的反应堆用热交换器(未图示)相连。在冷却用水供给管81的中间设置有冷却用水罐83，在冷却用水罐83和燃料电池反应堆10的反应堆用热交换器(未图示)之间设置冷却用水泵84。在冷却用水罐83上连接有将不适合的冷却水排出于外的排水管85，在排水管85上设置有调节排水的排水调节阀86。

在此，加湿用水供给阀44a、44b、冷却用水供给阀82、冷却用水泵84、排水调节阀86及排气阀92与控制部70的输出端相连。

上述电能输出部50由DC/DC变流器51和逆变器52构成。其中DC/DC变流器51与燃料电池反应堆10相连，将产生的电升压为可使用的常用电；逆变器52将直流电转化为家庭用的交流电。

在燃料电池反应堆10和DC/DC变流器51之间设置有检测产生电能的第一电压计53；在DC/DC变流器51与逆变器52之间设置有检测升压后的电能的第二电压计54。

在逆变器52与负荷55之间设置有检测负荷电能的负荷传感器56。

第一电压计53、第二电压计54以及负荷传感器56连接于控制部70的输入端。

热能回收部60由蓄热器等构成。上述畜热器能够收集燃料电池反应堆10或燃料供给部20上产生的热。

控制部70包括：输入端、验算端以及输出端。其中，输入端与流量计24、一氧化碳传感器26、第一电压计53、第二电压计54以及负荷传感器56相连接；验算端对从输入端接收的检测值与设定值做比较；输出端根据验算端的验算结果调节燃料量和空气量，并与燃料压缩机22、空气供给风扇27a，27b、空气压缩机32、加湿用水供给阀44a，44b、重整用水供给阀46、冷却用水供给阀82、冷却用水泵84、排水调节阀86以及净化用排气阀92相连接。

在输出端还设置有当检测值超出设定值范围时显示出错信息的显示部。

在附图中未说明标号91和92是调节燃料电池反应堆氢气量净化用排气管和净化用排气阀。

为实现上述目的，本发明提供一种具有控制装置的燃料电池系统的控制方法，该控制方法包括如下阶段：

1).驱动系统阶段：首先，驱动系统；

2).检测信号阶段：系统被驱动后，通过设置在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间的燃料供给管上、在燃料电池反应堆与重整器之间的燃料供给管上、在控制部上的流量计、一氧化碳传感器、第一电压计、第二电压计以及负荷传感器检测各自信号阶段；

3)比较阶段：从各检测部件接收的信号值与设定在控制部里的信号设定值做比较的比较阶段；

4).判断阶段：判断信号检测值是否超出信号设定值的规定范围阶段；若信号检测值未超出信号设定值的规定范围，则维持系统的驱动状态，相反，若信号检测值超出信号设定值的规定范围，则停止系统的当前驱动，同时通过显示部向外界显示出错信息的警告信息阶段。

在上述判断阶段中当信号检测值未超出信号设定值的规定范围时，判断此信号检测值是否与信号设定值有差异，若没有差异则各种阀门、压缩机以及泵将维持当前的状态；若有差异则控制部计算两个信号的差值，并适当控制上述的各种阀门、压缩机以及泵，接着又重新回到权利要求4所述的检测信号阶段。

下面对本发明结构的燃料电池系统的作用效果作如下说明：

当控制部70输出驱动时指令，燃料供给部20的燃料压缩机22驱动，通过燃料供给管23将液化天然气燃料从燃料供给源21供给到以重整器25为代表的氢气产生部，并经过脱黄、重整、氢气转换以及除去一氧化碳等一系列过程的同时产生氢气。根据控制部的指令，重整用水供给阀46被开启，水从水供给源41向重整器25供给，并转换为水蒸气后产生重整反应。

根据，控制部70的指令，氢气通过燃料供给管23被输送到燃料电池反应堆10的燃料极13，同时，空气压缩机32驱动，使空气通过空气供给管31被输送到燃料电池反应堆10的空气极14。加湿用水供给阀44a、44b开启，水从水供给源41流入加湿器42，将燃料和空气分别转化为蒸气状态，供给到燃料极13和空气极14，并产生电能。

对此，作如下更为详细说明：燃料煤气经过燃料供给管23，以及分离器15、16上的燃料煤气流路Cf供给；空气供给部30被开启，大气中的空气经过空气供给管31，以及分离器15、16上的空气流路Co供给。

燃料煤气和空气供给到分离器15、16上的燃料煤气流路Cf和空气流路Co后，与燃料极13和空气极14相接触，并发生电化学反应，进而产生电能和热能。

即，在燃料极13上发生氢离子H⁺的电化学氧化反应

H₂→2H++2e-

电解质膜12将传递在氧化/还原反应中产生的离子，在空气极14上发生空气(氧气)的还原反应

4H++O₂+4e-→2H₂O

此时，在燃料极13和空气极14之间产生电动势，此电动势通过设置在燃料电池反应堆10两端的集电器17、18输出，从集电器17、18输出的电流在电能输出部的DC/DC变流器上升压为常用电压，在逆变器上转换为家庭用交流电后供给负荷。

与此同时，负荷传感器56检测负荷，并将此信息传递到控制部70，接收信息的控制部70的验算端，根据事先存有的依负荷量的各调节装置的开闭程度、旋转速度以及压缩程度来调节燃料和空气的供给量、加湿程度、燃料电池反应堆10的冷却程度以及氢气供给程度，使其符合当前的负荷量。

即，如图3所示，系统驱动后，设置在各部位上的流量计24、一氧化碳传感器26、第一电压计53、第二电压计54以及负荷传感器56检测各自的信号。

接着，对从流量计24、一氧化碳传感器26、第一电压计53、第二电压计54以及负荷传感器56接收的信号检测值与事先设定在控制部验算端里的信号设定值做比较。

同时，判断信号检测值是否超出信号设定值的规定范围。

若信号检测值未超出信号设定值的规定范围，则维持系统当前的驱动状态；相反，若信号检测值超出信号设定值的规定范围，通过显示部告显示“警告”信息，同时，则系统停止驱动。

当信号检测值未超出信号设定值的规定范围时，判断此信号检测值是否与信号设定值有差异，若没有差异，则的燃料压缩机22、空气供给风扇27a、27b、空气压缩机32、加湿用水供给阀44a、44b、重整用水供给阀46、冷却用水供给阀82、冷却用水泵84、排水调节阀86以及净化用排气阀92将维持当前的状态；若有差异，则控制部计算两个信号的差值，并适当控制上述的各种阀门、压缩机以及泵，接着又重新回到设置在各部位上的流量计24、一氧化碳传感器26、第一电压计53、第二电压计54以及负荷传感器56检测各自信号的阶段。

本发明并不局限于如上所述实施例的内容，在本发明的技术思想范围内可能会有多种变形。

Claims (5)

1.一种具有控制装置的燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池反应堆、燃料供给部、空气供给部、电能输出部以及控制部；其中的燃料电池反应堆内的电解质膜两侧分别叠层设置有能供给燃料和空气进行电化学反应产生电的燃料极和空气极；其燃料供给部具有将从燃料供给源上供给的燃料进行重整反应，并将产生的氢气供给燃料极的重整器；其空气供给部向空气极供给空气；电能输出部与燃料电池反应堆相连，并输出电能；其控制部通过电能输出部输出的电能与跟电能输出部相连的全体负荷做比较，进而调节燃料和空气的供给状态，其特征是与控制部连接的控制装置包括：流量检测部件、一氧化碳检测部件、电力检测部件、电压检测部件以及显示部；其中，流量检测部件设置在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间的燃料供给管上，并与控制部相连接检测燃料供给量；一氧化碳检测部件设置在燃料电池反应堆与重整器之间的燃料供给管上，并与控制部相连接检测燃料是否含有一氧化碳；电力检测部件设置在电能输出部上，并与控制部相连接检测当前的负荷；电压检测部件设置在电能输出部，并与控制部相连接检测当前产生的电能；显示部设置在控制部的输出端，当上述各个部件向控制部传递各自的检测信号超出设定值范围时，显示出错信息告知外部。

2.根据权利要求1中所述的燃料电池系统，其特征是在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间设置有与控制部相连接的燃料压缩机，燃料压缩机根据电能输出部的电力检测部件和电压检测部件的以及流量检测部件的检测值被限定其压缩量；空气供给风扇与控制部相连接，通过被一氧化碳检测部件检测到的一氧化碳的量控制其旋转速度；在重整器和燃料电池反应堆供给水的水供给管中间部设置有与控制部相连接调节水供给量的水泵和水供给阀。

3.根据权利要求1或2中所述的燃料电池系统，其特征是在燃料电池反应堆和燃料供给部以及燃料电池反应堆和空气供给部之间设置有与燃料供给管和空气供给管相连接的加湿器；在加湿器上连接与水供给源相连的水供给管；在水供给管上设置有与控制部相连的水供给阀；在空气供给管上设置有与控制部相连的空气压缩机。

4.一种具有控制装置的燃料电池系统的控制方法，其特征是该控制方法包括如下阶段：

1).驱动系统阶段：首先，驱动系统；

2).检测信号阶段：系统被驱动后，通过设置在燃料供给部的燃料供给源与重整器之间的燃料供给管上、在燃料电池反应堆与重整器之间的燃料供给管上、在控制部上的流量计、一氧化碳传感器、第一电压计、第二电压计以及负荷传感器检测各自信号阶段；

3)比较阶段：从各检测部件接收的信号值与设定在控制部里的信号设定值做比较的比较阶段；

4).判断阶段：判断信号检测值是否超出信号设定值的规定范围阶段；若信号检测值未超出信号设定值的规定范围，则维持系统的驱动状态，相反，若信号检测值超出信号设定值的规定范围，则停止系统的当前驱动，同时通过显示部向外界显示出错信息的警告信息阶段。

5.根据权利要求4所述控制方法，其特征是在所述判断阶段中当信号检测值未超出信号设定值的规定范围时，判断此信号检测值是否与信号设定值有差异，若没有差异则各种阀门、压缩机以及泵将维持当前的状态；若有差异则控制部计算两个信号的差值，并适当控制上述的各种阀门、压缩机以及泵，接着又重新回到权利要求4所述的检测信号阶段。

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