CN100438179C - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种燃料电池系统，减小多个燃料电池的电压变化，并且稳定燃料电池组产生的功率。根据本发明的燃料电池系统包括：燃料电池组，具有串联的多个燃料电池；燃料供应设备；空气供应设备；以及控制器。控制器根据每个燃料电池的电压，来设置每个燃料电池的燃料供应量和空气供应量中的至少一个，使得多个燃料电池的每个电压变化最小化，以及燃料供应设备根据每个燃料电池的燃料供应量，给每个燃料电池提供燃料，并且/或者空气供应设备根据每个燃料电池的空气供应量，给每个燃料电池提供空气。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种适用于电子设备等的电源的燃料电池系统。
背景技术
近年来，可以较长时间持续供电的燃料电池被评论作为电子设备等的电源。燃料电池通常具有设置在电解层两侧的燃料电极和空气电极。当向燃料电极提供氢气并且向空气电极提供氧气时，产生电化学反应，并且产生DC(直流)电流。由于作为产生电流的最小单元的燃料电池的电动势较小，必须串联多个燃料电池以提供使用燃料电池作为电源的设备所需的功率。当堆叠多个燃料电池以形成燃料电池组时，提供了较强的功率。
尽管可以通过放大反应面积以使燃料电池的电流成为希望值，由于需要使便携式电子设备小型化，所以不能够放大反应面积。为了以有限的反应面积有效地产生大量反应，需要操作控制，例如根据负载设备所需的功率，平稳地给每个燃料电池提供燃料。
在专利文献1中公开了一种可以有效且安全地操作的第一传统示例中的燃料电池的操作方法和操作设备。当减小空气供应源的空气压缩机的负载或极大地减小可燃气体流量的供应以提高燃料电池系统的效率时，降低或翻转了电池电压，并且在一些情况下会损坏燃料电池。因此，第一传统示例中的燃料电池的操作方法和设备监视燃料电池的燃料电池电压，以控制负载电流、空气供应量、空气压力、可燃气体供应量以及可燃气体压力，使得燃料电池电压的标准偏差不会超过预定值，而是标准偏差遵守预定值。因此，第一传统示例中的操作方法和操作设备安全地操作燃料电池，不会使之受损，并且提高了燃料电池系统的效率。
在专利文献2中公开了另一个传统示例中的燃料电池系统。根据该传统示例中的燃料电池系统，氢气供应量根据负载所需的功率而变化，并且执行电压控制，使得组成燃料电池组的燃料电池的每个输出电压变为预定的电池电压。即使在组成燃料电池组的燃料电池具有不同的电压特性时，可以避免由于电压下降而引起的过度放电。
专利文献1：JP-A-2000-208161
专利文献2：JP-A-2002-184443
发明内容
本发明要解决的问题
第一传统示例中的燃料电池的操作方法和操作设备监视组成燃料电池组的多个燃料电池的每个电压，并且控制要提供给燃料电池组的燃料和空气量。另一个传统示例中的燃料电池系统测量组成燃料电池组的多个燃料电池的每个电压，并且控制要提供给燃料电池组的氢气量和电池的目标电压。然而，根据传统示例，难以根据产生的功率和所需的功率之间的差值来确定要提供给燃料电池组的燃料或空气总量，并且难以在保持燃料或空气总量不变的同时增加或减小每个燃料电池的燃料供应量或空气供应量，以便减小每个燃料电池的电压变化。为了以高精确度均匀地给组成燃料电池组的多个电池中的每个提供具有均匀浓度的燃料，希望可以单独地给每个燃料电池提供燃料。
本发明的目的是提供一种燃料电池系统，可以减小组成燃料电池组的多个燃料电池的电压变化，并且稳定由燃料电池组产生的功率。
解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明具有以下配置。根据本发明一个方面的燃料电池系统具有：燃料电池组，具有串联的多个燃料电池；燃料供应设备，根据作为目标值的燃料供应量，给每个燃料电池提供燃料；空气供应设备，根据作为目标值的空气供应量，给每个燃料电池提供空气；以及控制器，根据负载设备所需的功率和每个燃料电池的电压，来确定燃料供应量和空气供应量，并且所述控制器根据每个燃料电池的电压，来设置每个燃料电池的燃料供应量和空气供应量中的至少一个，使得每个燃料电池的电压变化最小化，并且燃料供应设备根据每个燃料电池的燃料供应量，给每个燃料电池提供燃料，并且/或者空气供应设备根据每个燃料电池的空气供应量，给每个燃料电池提供空气。
根据本发明，燃料电池系统可以减小组成燃料电池组的多个燃料电池的电压变化，并且稳定燃料电池组产生的功率。根据本发明，燃料电池系统可以避免降低任何燃料电池的电压，并且避免由于组成燃料电池组的多个燃料电池的特性的变化或者燃料供应设备的特性的变化而使任何燃料电池劣化。根据本发明，燃料电池系统可以避免降低组成燃料电池组的多个燃料电池中的任何一个的电流，并且避免降低燃料电池组产生的功率。
在根据本发明另一个方面的燃料电池系统中，控制器可以每隔预定时间计算作为每个燃料电池的电压和多个燃料电池的电压平均值之间的差值的电压偏差，并且在保持总燃料供应量不变的同时，根据电压偏差来增加或减小每个燃料电池的燃料供应量，并且/或者在保持总空气供应量不变的同时，根据电压偏差来增加或减小每个燃料电池的空气供应量。
根据本发明，燃料电池系统可以在保持燃料电池组的操作点恒定的同时，减小多个燃料电池的电压变化。
根据本发明另一个方面的燃料电池系统还可以具有温度测量设备，用于测量燃料电池组的温度，并且控制器可以具有用于根据燃料电池组的温度和负载设备所需的功率来计算总燃料供应量的总燃料供应量表和/或用于根据燃料电池组的温度和负载设备所需的功率来计算总空气供应量的总空气供应量表。控制器可以接收来自温度测量设备的燃料电池组的温度以及来自负载设备的所需功率，并且根据总燃料供应量表和/或总空气供应量表，计算总燃料供应量和/或总空气供应量，以便将通过将总燃料供应量和/或总空气供应量除以燃料电池总数而获得的量设置为每个燃料电池的燃料供应量和/或空气供应量的初始值。然后，控制器可以每隔预定时间重复计算作为每个燃料电池的电压和多个燃料电池的电压平均值之间的差值的电压偏差，并且通过从每个燃料电池的燃料供应量和/或空气供应量中减去通过使电压偏差乘以预定值而获得的值，获得目标燃料供应量和/或目标空气供应量。
根据本发明，燃料电池系统可以在使燃料电池组产生的功率与负载设备所需的功率尽可能地匹配的同时，减小多个燃料电池的电压变化。
在根据本发明另一个方面的燃料电池系统中，控制器可以每隔预定时间计算作为每个燃料电池的电压和多个燃料电池的电压平均值之间的差值的电压偏差，并且当多个燃料电池的电压偏差的绝对值的最大值小于预定值时，控制器可以计算在预定时间内燃料电池组产生的功率。并且根据产生的功率和负载设备所需的功率之间的功率差值，增加或减小总燃料供应量或总空气供应量。
根据本发明，燃料电池系统可以避免降低任何燃料电池的电压，并且避免由于组成燃料电池组的多个燃料的特性的变化或燃料供应设备的特性的变化而使任何燃料电池劣化。根据本发明，燃料电池系统可以使燃料电池组产生的功率与负载设备所需的功率尽可能地一致。
在根据本发明另一个方面的燃料电池系统中，可以通过向总燃料供应量或总空气供应量加上通过使燃料电池产生的功率和负载设备所需的功率之间的功率差值乘以预定值而获得的值，可以增加或减小总燃料供应量或总空气供应量。
根据本发明，燃料电池系统可以使燃料电池组产生的功率与负载设备所需的功率尽可能地一致。
根据本发明另一个方面的燃料电池系统还可以具有功率转换器，用于进行控制以使燃料电池组的电压或电流变为控制器所确定的目标电压或目标电流，并且将功率从燃料电池组提供给负载设备。当多个燃料电池的电压的最小电压值变为小于预定电压值时，控制器可以增加目标电压，以使功率转换器增加燃料电池组的电压，或者控制器可以减小目标电流，以使功率转换器减小燃料电池组的电流。
根据本发明，燃料电池系统可以避免降低任何燃料电池的电压，并且避免由于组成燃料电池组的燃料电池的特性的变化或燃料供应设备的特性的变化而使任何燃料电池劣化。根据本发明，燃料电池系统可以避免降低组成燃料电池组的多个燃料电池中的任意一个的电流，并且避免降低燃料电池组产生的功率。
在根据本发明另一个方面的燃料电池系统中，当多个燃料电池的电压的最小值变为小于预定电压值时，控制器可以通过使最小电压值和预定电压值之间的电压差值乘以预定值，获得一个值，并且向目标电压加上获得的值，并且功率转换器可以根据目标电压来增加燃料电池组的电压，或者控制器可以通过使最小电压值和预定电压值之间的电压差值乘以预定值，获得一个值，并且从目标电流中减去获得的值，并且功率转换器可以根据目标电流，减小燃料电池组的电流。
根据本发明，燃料电池系统可以避免降低任何燃料电池的电压，并且避免由于组成燃料电池组的燃料电池的特性的变化或燃料供应设备的特性的变化而使任何燃料电池劣化。根据本发明，燃料电池系统可以避免降低组成燃料电池组的多个燃料电池中的任意一个的电流，并且避免降低燃料电池组产生的功率。
本发明的效果
根据本发明，燃料电池系统可以通过增加或减小每个燃料电池的燃料供应量或空气供应量，减小组成燃料电池组的多个燃料电池的电压变化，并且稳定燃料电池组产生的功率。
此外，根据本发明，燃料电池系统可以避免降低任何燃料电池的电压，并且避免由于组成燃料电池组的燃料电池的特性的变化或燃料供应设备的特性的变化而使任何燃料电池劣化。
此外，根据本发明，燃料电池系统可以避免降低组成燃料电池组的多个电池中的任意一个的电流，并且避免降低燃料电池组产生的功率。
此外，根据本发明，燃料电池系统可以使燃料电池组产生的功率与负载设备所需的功率尽可能地一致。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施方式1的燃料电池系统的示意配置图；
图2是示出了根据本发明实施方式1的燃料电池系统的控制算法的流程图；
图3是示出了在根据本发明实施方式1的燃料电池系统中燃料供应量和燃料电池的最大输出功率之间的关系的视图；
图4是示出了在根据本发明实施方式1的燃料电池系统中所需功率和总燃料供应量之间的关系的视图；
图5是示出了根据本发明实施方式2的燃料电池系统的示意配置图；
图6是示出了根据本发明实施方式2的燃料电池系统的控制算法的流程图；
图7是示出了在根据本发明实施方式2的燃料电池系统中空气供应量和燃料电池的最大输出功率之间的关系的视图；
图8是示出了在根据本发明实施方式2的燃料电池系统中所需功率和总空气供应量之间的关系的视图；以及
图9是示出了燃料电池相对于根据本发明实施方式2的燃料电池系统的空气供应量的变化的电流-电压特性和电流-功率特性的视图。
参考数字的说明
100         燃料电池组
101、501    燃料供应设备
102、502    空气供应设备
103         功率转换器
104         二次电池(secondary cell)
105         电压测量设备
106         电流测量设备
107         温度测量设备
108         控制器
109         负载设备
110         燃料电池
具体实施方式
下面将参考附图来描述用于执行本发明的最佳模式的实施方式。
《实施方式1》
下面参考图1至4来描述根据本发明实施方式1的燃料电池系统。图1是示出了根据本发明实施方式1的燃料电池系统的配置的图。如图1所示，根据本发明实施方式1的燃料电池系统具有：燃料电池组100，具有多个燃料电池；燃料供应设备101(1)至101(n)(n是大于等于2的任意正整数)，用于给燃料电池组100的每个燃料电池提供燃料；空气供应设备102，用于给燃料电池组的每个燃料电池提供空气；功率转换器103，用于控制燃料电池组100的电压；二次电池104，用于当燃料电池组100产生的功率小于负载设备所需的功率时补足短缺的功率；电压测量设备105，用于测量燃料电池组100的每个燃料电池的电压；电流测量设备106，用于测量燃料电池组100的电流；温度测量设备107，用于测量燃料电池组100的温度；以及控制器108，用于控制燃料电池系统。根据本实施方式的燃料电池系统给负载设备109供电。
燃料电池组100具有串联的n(n是大于等于2的任意正整数)个燃料电池110(1)至110(n)。燃料电池110(1)至110(n)中的每个具有设置在电解层(未示出)两侧上的燃料电极和空气电极。当向燃料电极施加用于产生氢气或氢离子的燃料(例如甲醇)并且向空气电极施加氧气时，发生电化学反应，并且产生DC(直流)电流。从燃料供应设备101(1)至101(n)分别给燃料电池110(1)至110(n)提供为每个燃料电池所设置的量的燃料。从空气供应设备102给每个燃料电池110(1)至110(n)提供相同量的空气。
每个燃料供应设备101(1)至101(n)从控制器108接收每个燃料电池的燃料供应量，并且根据该量，将燃料分别提供给每个燃料电池101(1)至110(n)。
空气供应设备102从控制器108接收空气供应量，并且根据该量，给燃料电池110(1)至110(n)提供空气。所有燃料电池110(1)至110(n)中的每一个的空气供应量都是相同的。
在实施方式1中，功率转换器103是恒定输入电压类型的DC-DC转换器。功率转换器103控制燃料电池组100的电压(串联的燃料电池110(1)至110(n)的总电压)，使得燃料电池组100的电压变为控制器108所设置的目标电压。
二次电池104与功率转换器103的输出端相连。在实施方式1中，二次电池104是锂离子二次电池。当燃料电池组100产生的功率对于负载设备109所需的功率不足时，二次电池104放电并且给负载设备109供电。根据本发明的燃料电池系统根据所需功率设置了燃料电池组100的目标电压和总燃料供应量，使得燃料电池组100产生的功率可以与负载设备109所需的功率一致，然而，仅仅燃料电池组产生的功率不能够紧密跟随负载设备109所需的功率。因此，二次电池通过放电来补偿短缺量的功率。当燃料电池组100产生的功率大于负载设备109所需的功率时，由剩余功率(通过将产生的功率减去所需功率所获得的值)对二次电池104进行充电。
电压测量设备105测量n个燃料电池110(1)至110(n)的每个的电压，并且将n个测量的电压值发送到控制器108。电流测量设备106测量燃料电池组100的输出电流，并且将测量的电流值发送到控制器108和功率转换器103。温度测量设备107测量燃料电池组100的温度，并且将测量的温度发送到控制器108。
控制器108接收负载设备109所需的功率，并且根据所需功率来确定燃料电池组100的目标电压，并且将目标电压输出到功率转换器103。控制器108具有总燃料供应量表401(图4)。下面将对图4进行描述。控制器108接收负载设备109所需的功率和温度测量设备107所测量的温度，并且根据总燃料供应量表401，来计算要提供给燃料电池110(1)至110(n)的总燃料供应量。
控制器108接收从电压测量设备105输出的n个燃料电池110(1)至110(n)的电压值，并且根据电压值，分别确定要提供给n个燃料电池的每个的燃料供应量。n个燃料电池的燃料供应量之和等于总燃料供应量。图2中详细示出了用于计算燃料供应量的方法。下面将图2进行描述。控制器108将n个燃料供应量分别输出至相应燃料供应设备101(1)至101(n)。控制器108将确定的空气供应量输出至空气供应设备102。
负载设备109与二次电池的两端相连。在本实施方式1中，负载设备109是笔记本计算机。负载设备109向控制器108输出所需功率。给负载设备109提供从燃料电池组100输出的功率和二次电池104所释放的功率的总功率来进行工作。
根据本实施方式中如上所述配置的燃料电池系统，当由于燃料供应量的变化或燃料电池特性的变化而引起燃料电池110(1)至110(n)中的每个电池的电压变化时，要减小燃料电池的电压变化。本发明通过控制每个燃料电池的燃料供应量，来减小燃料电池的电压变化，以避免燃料电池的劣化，并且稳定燃料电池组产生的功率。
图3是示出了提供给燃料电池的燃料供应量和燃料电池的最大输出功率之间的关系的视图。在图3中，水平轴示出了燃料供应量(cc/min)，垂直轴示出了最大输出功率(W)。如图3所示，燃料电池的最大输出功率根据提供给每个燃料电池110(1)至110(n)的燃料供应量的增加而增加，直到燃料供应量达到预定燃料供应量(Ri_max)为止。根据本发明实施方式1的燃料电池系统，在该单调增加区域(Ri_min≤燃料供应量≤Ri_max)内，给每个燃料电池提供燃料。
图4是示出了在根据本发明实施方式1的燃料电池系统中所需功率和总燃料供应量之间的关系的总燃料供应量表401。在图4中，水平轴示出了负载设备109所需的功率，垂直轴示出了要提供给燃料电池组100的总燃料供应量。所需功率和总燃料供应量之间的关系根据温度而变化。如图4所示，燃料电池组的温度越低，则满足负载设备所需功率的总燃料供应量越大。
图2是示出了根据本发明实施方式1的燃料电池系统的控制算法的流程图。首先，控制器108接收来自负载设备109的所需功率(Preq)以及来自温度测量设备107的燃料电池组100的温度测量值(T1)，并且参考总燃料供应量表401，来计算总燃料供应量(Rtotal)(步骤200)。此时，控制器108根据所需功率，来确定燃料电池组100的目标电压V0，并且将目标电压V0输出至功率转换器103。
控制器108将通过将总燃料供应量(Rtotal)除以燃料电池数而获得的值设置为每个燃料电池的燃料供应量的初始值(Ri←Rtotal/n(i＝1至n))(步骤201)。
燃料供应设备101(1)至101(n)分别根据控制器108所设置的燃料供应量(Ri)(i＝1至n)，给燃料电池110(1)至110(n)提供燃料。空气供应设备102根据控制器108所设置的恒定空气供应量，给每个燃料电池110(1)至110(n)提供空气。每个燃料电池110(1)至110(n)被提供了燃料和空气，并且产生功率。功率转换器103接收燃料电池组100的电压，并且进行控制，使得燃料电池组100的电压变为目标电压。
然后，确定是否经过了特定时间(实施方式1中是1分钟)(步骤202)。没有经过特定时间，则给每个燃料电池提供初始值的燃料供应量的燃料。当经过了特定时间时，计算特定时间内燃料电池的各自的平均电压(V1至Vn)(步骤203)。然后，计算n个电压(V1至Vn)的平均电压(Vave)(步骤204)。计算作为每个电压(V1至Vn)和平均电压(Vave)之间的差值的每个燃料电池的电池电压偏差(ei＝Vi-Vave(i＝1至n))(步骤205)。
然后，根据电池电压偏差(ei)，再次计算每个燃料电池的燃料供应量(Ri)(Ri＝Ri-k1×ei)(步骤206)。此处，k1指代预定正常数[cc/min/V]。燃料电池的电压越高，则燃料供应量(Ri)越小。燃料电池的电压越低，则燃料供应量(Ri)越大。结果，尽管提供给所有燃料电池的总燃料供应量(Rtotal)不变，提供给每个燃料电池的燃料供应量(Ri)可以根据每个燃料电池的电压变化(ei)而改变。由以下方程示出了在步骤206处总燃料供应量不变的原因。
∑Ri＝∑Ri-k1∑ei
＝∑Ri-k1(∑Vi-nVave)
＝∑Ri-k1×0
＝∑Ri
＝Rtotal
执行燃料供应量(Ri)的饱和处理，使得燃料供应量(Ri)被控制在单调增加区域内(燃料电池产生的功率根据燃料电池的燃料供应量的增加而单调增加的区域(图3))(步骤207)。该饱和处理使得当燃料供应量(Ri)小于最小燃料供应量(Ri_min)时，Ri被设置为Ri_min，并且当燃料供应量(Ri)大于最大燃料供应量(Ri_max)时，Ri被设置为Ri_max。原因在于即使当多于最大燃料供应量(Ri_mix)的燃料被提供给燃料电池时，产生的功率也并不增加。因此，燃料供应设备101(1)至101(n)分别根据饱和处理之后的燃料供应量(Ri)(i＝1至n)，给燃料电池110(1)至110(n)提供燃料。
此处，在燃料电池110(1)至110(n)的最小电压值小于预定值时，为了避免燃料电池受损，控制器108复位要输出到功率转换器103的燃料电池组100的目标电压(步骤220至223)。
首先，计算燃料电池110(1)至110(n)的电压的最小值(min(Vi)(i＝1至n))和预定值(Vref_min)之间的电池最小电压偏差(em)(em←min(Vi)(i＝1至n)-Vref_min)(步骤220)。然后，确定电池最小电压偏差(em)是否小于预定值(步骤221)。当电池最小电压小于预定值时，增加燃料电池组100的目标电压(目标电压←目标电压+k3×em)(步骤222)。此处，k3是预定系数。因此，控制器108增加目标电压，以使功率转换器103增加燃料电池组100的电压，使得燃料电池组100的电压变为与在步骤222处设置的新目标电压相等。因此，避免了燃料电池的电压变得小于预定值并且产生过度放电以及燃料电池的电解膜受损或弄坏。当电池电压最小偏差是预定值或更大时，目标电压再次被设置为原始值V0(步骤223)。
接下来，确定示出了燃料电池110(1)至110(n)的电压变化的n个电压偏差(ei(i＝1至n))的绝对值的最大值是否小于预定值(步骤208)。当n个电压偏差的最大绝对值不小于预定值时，确定n个燃料电池的电压变化较大，并且操作返回到步骤202。重复步骤202至223的操作，直到减小燃料电池110(1)至110(n)的电压变化为止。
同时，当n个电压偏差的最大绝对值小于预定值时，确定减小了燃料电池110(1)至110(n)的电压变化，并且计算在最近的预定时间(特定时间)内燃料电池组100产生的功率(P)(功率(P)＝总电压(∑vi)×电流)(步骤209)。
然后，计算负载设备109所需的功率(Preq)和燃料电池组100产生的功率(P)之间的功率差值(ep)(步骤210)。然后，确定该功率差值(ep)的绝对值是否小于预定值(步骤211)。当功率差值(ep)的绝对值小于预定值时，确定当前产生的功率令人满意，并且操作返回到步骤202。
当功率差值(ep)的绝对值不小于预定值时，确定总燃料供应量过量或不足，并且根据功率差值再次计算总燃料供应量(Rtotal←Rtotal+k2×ep)(步骤212)。此处，k2是预定正常数[cc/min/V]。更具体地，当燃料电池组100产生的功率(P)小于所需功率(Preq)时，确定燃料供应量不足，并且增加总燃料供应量(Rtotal)。同时，当产生的功率(P)大于所需功率(Preq)时，确定燃料供应量过量，并且减小总燃料供应量(Rtotal)。
此时，为了避免在燃料电池组100产生的功率不足时总燃料供应量(Rtotal)增加太多或者变为零，执行饱和处理(步骤213)。此处，该饱和处理使得当总燃料供应量(Rtotal)小于最小总燃料供应量(Rtotal_min＝n×Ri_min)时，Rtotal被设置为Rtotal_min，当总燃料供应量(Rtotal)大于最大总燃料供应量(Rtotal_max＝n×Ri_max)时，Rtotal被设置为Rtotal_max。当改变总燃料供应量(Rtotal)时，以相同的比例改变提供给每个燃料电池110(1)至110(n)的每个燃料供应量(Ri)(1＝i至n)。然后，操作返回到步骤202。
然后，燃料电池系统重复步骤202之后的操作，以在调节每个燃料电池的燃料供应量(Ri)(i＝1至n)以便减小燃料电池110(1)至110(n)的电压变化的同时，使燃料电池组100产生的功率(P)与所需功率(Preq)一致。
如上所述，根据本实施方式的燃料电池系统根据每个燃料电池110(1)至110(n)的电压变化来控制每个燃料电池的燃料供应量(Ri)。因此，即使在燃料电池的特性存在一些变化或者燃料供应设备的特性存在一些变化时，也可以减小或消除燃料电池的电压变化。因此，可以避免降低燃料电池的电压，并且避免燃料电池劣化。此外，避免由于燃料电池的电流下降而降低燃料电池组产生的功率。
根据本发明实施方式1中的燃料电池系统，通过根据所需功率和产生功率之间的差值来管理总燃料供应量，可以使负载设备109所需的功能与燃料电池组100产生的功率彼此尽可能地一致。当燃料电池110(1)至110(n)的电压的最小值变为小于预定值时，可以通过增加燃料电池组100的电压，预先避免燃料电池劣化。
此外，本发明的本实施方式1中的功率转换器103是DC-DC转换器，用于进行控制以使燃料电池组100的电压与目标电压一致。然而，功率转换器103可以是DC-DC转换器，用于进行控制以使燃料电池组的电流与目标电流一致。在这种情况下，在图2的步骤222处，代替增加燃料电池组100的目标电压，控制器108降低燃料电池组的目标电流(目标电流←目标电流-k4×em)(k4是预定正常数)。
此外，尽管在本发明实施方式1中与燃料电池相同数目的燃料供应设备的每一个给每个燃料电池提供燃料，燃料供应设备的数目不局限于此。如果可以根据与多个燃料电池的每一个相对应的燃料供应量来分别提供燃料，则燃料供应设备的数目可以是任意数目。例如，一个燃料供应设备可以分别给组成燃料电池组的多个燃料电池提供燃料。
《实施方式2》
下面参考图5至9来描述根据本发明实施方式2的燃料电池系统。图5是示出了根据本发明实施方式2的燃料电池系统的配置的图。在图5中，相同的参考数字表示与图1相同的组件，并且省略关于它们的详细描述。实施方式2中的燃料电池系统具有：空气供应设备502(1)至502(n)(n是大于等于2的正整数)，用于分别给燃料电池110(1)至110(n)提供空气；以及一个燃料供应设备501，用于均匀地给每个燃料电池提供燃料。控制器108具有空气供应量表801(图8)。除了上述配置之外，实施方式2中的燃料电池系统与实施方式1的燃料电池系统相同。
根据实施方式2的燃料电池系统控制空气供应量以减小燃料电池110(1)至110(n)的电压变化，并且稳定燃料电池组产生的功率。燃料电池系统避免了在由于空气供应量的变化而产生燃料电池110(1)至110(n)的电压变化时燃料电池劣化。图6示出了用于确定每个燃料电池110(1)至110(n)的空气供应量的详细方法。下面将对图6进行描述。
图7是示出了在根据本发明实施方式2的燃料电池系统中提供给燃料电池的空气供应量和燃料电池的最大输出功率之间的关系的视图。在图7中，水平轴示出了空气供应量(L/min)，垂直轴示出了最大输出功率(W)。如图7所示，当增加每个燃料电池110(1)至110(n)的空气供应量时，也单独地增加了燃料电池的最大输出功率，直到空气供应量达到预定空气供应量(Ai_max)为止。根据本发明实施方式2中的燃料电池系统，在该单调增加区域(Aimin≤空气供应量≤Ai_max)内给每个燃料电池110(1)至110(n)提供空气。
图8是示出了在根据本发明实施方式2的燃料电池系统中所需功率和总空气供应量之间的关系的总空气供应量表801。在图8中，水平轴示出了负载设备109所需的功率，垂直轴示出了要提供给燃料电池组100的总空气供应量。所需功率和总空气供应量之间的关系根据温度而改变。燃料电池组100的温度越低，则满足负载设备109所需功率的总空气供应量越大。
图9是示出了基于空气供应量的改变作为参数的燃料电池的电流-电压特性901(空气供应量较大)、电流-电压特性902(空气供应量中等)、电流-电压特性903(空气供应量较小)、电流-功率特性911(空气供应量较大)、电流-功率特性912(空气供应量中等)以及电流-功率特性913(空气供应量较小)。在图9中，水平轴、左垂直轴和右垂直轴分别示出了电流(A)、电压(V)和功率(W)。在图9中，燃料电池的燃料供应量是2cc/min。从图9中可见，当减小要提供给每个燃料电池110(1)至110(n)的空气供应量时，降低了从燃料电池输出的电压和功率。
下面描述图6。图6是示出了根据本发明实施方式2的燃料电池系统的控制算法的流程图。如图6的流程图所示，实施方式2中的燃料电池系统确定要提供给每个燃料电池110(1)至110(n)的空气供应量。在图6中，相同的数字表示与图2相同的步骤。
首先，控制器108接收来自负载设备109的所需功率(Preq)以及来自温度测量设备107的燃料电池组100的温度测量值(T1)，并且参考总空气供应量表801，来计算总空气供应量(Atotal)(步骤600)。此时，控制器108根据所需功率，来确定燃料电池组100的目标电压V0，并且将目标电压V0输出到功率转换器103。
控制器108将通过将总空气供应量(Atotal)除以燃料电池数目而获得的值设置为要提供给每个燃料电池的空气供应量的初始值(Ai)(Ai←(i＝1至n))(步骤601)。
空气供应设备502(1)至502(n)分别根据控制器108所设置的空气供应量(Ai)(i＝1至n)，来给燃料电池110(1)至110(n)提供空气。燃料供应设备501根据控制器108所设置的恒定燃料供应量，均匀地给每个燃料电池110(1)至110(n)提供燃料。每个燃料电池110(1)至110(n)被提供了燃料和空气，并且产生功率。功率转换器103接收燃料电池组的电压，并且进行控制，以使燃料电池组的电压变为目标电压。
然后，确定是否经过了特定时间(实施方式2中是1分钟)(步骤202)。没有经过特定时间，则给每个燃料电池提供初始值的空气供应量的燃料。当经过了特定时间时，计算特定时间内燃料电池的各自的平均电压(V1至Vn)(步骤203)。然后，计算n个电压(V1至Vn)的平均电压(Vave)(步骤204)。计算作为每个电压(V1至Vn)和平均电压(Vave)之间的差值的每个燃料电池的电池电压偏差(ei＝Vi-Vave(i＝1至n))(步骤205)。
然后，根据电池电压偏差(ei)，再次计算每个燃料电池的空气供应量(Ai)(Ai＝Ai-k1×ei)(步骤606)。此处，k1指代预定正常数[L/min/V]。燃料电池的电压越高，则空气供应量(Ai)越小。燃料电池的电压越低，则空气供应量(Ai)越大。结果，尽管提供给所有燃料电池的总空气供应量(Atotal)不变，提供给每个燃料电池的燃空气供应量(Ai)可以根据每个燃料电池的电压变化(ei)而改变。由以下方程示出了在步骤606处总空气供应量不变的原因。
∑Ai＝∑Ai-k1∑ei
＝∑Ai-k1(∑Vi-nVave)
＝∑Ai-k1×0
＝∑Ai
＝Atotal
执行空气供应量(Ai)的饱和处理，使得空气供应量(Ai)被控制在单调增加区域内(燃料电池产生的功率根据燃料电池的空气供应量的增加而单调增加的区域(图7))(步骤607)。在该饱和处理中，当空气供应量(Ai)小于最小空气供应量(Ai_min)时，Ai被设置为Ai_min，并且当空气供应量(Ai)大于最大空气供应量(Ai_max)时，Ai被设置为Ai_max。原因在于即使当多于最大空气供应量(Ai_mix)的空气被提供给燃料电池时，产生的功率也并不增加。因此，空气供应设备502(1)至502(n)分别根据饱和处理之后的空气供应量(Ai)(i＝1至n)，给燃料电池110(1)至110(n)提供空气。
此处，在燃料电池110(1)至110(n)的电压最小值小于预定值时，为了避免燃料电池受损，控制器108复位要输出到功率转换器103的燃料电池组100的目标电压(步骤220至223)。
首先，计算燃料电池110(1)至110(n)的电压的最小值(min(Vi)(i＝1至n))和预定值(Vref_min)之间的电池电压最小偏差(em)(em←min(Vi)(i＝1至n)-Vref_min)(步骤220)。然后，确定电池电压最小偏差(em)是否小于预定值(步骤221)。当电池电压最小偏差小于预定值时，增加燃料电池组100的目标电压(目标电压←目标电压+k3×em)(步骤222)。此处，k3是预定系数。因此，控制器108增加目标电压，以使功率转换器103增加燃料电池组100的电压，使得燃料电池组100的电压变为与在步骤222处设置的新目标电压相等。因此，避免了燃料电池的电压变得小于预定值并且产生过度放电以及燃料电池的电解膜受损或弄坏。当电池电压最小偏差大于预定值时，目标电压再次被设置为原始值V0(步骤223)。
接下来，确定示出了燃料电池110(1)至110(n)的电压变化的n个电压偏差(ei(i＝1至n))的绝对值的最大值是否小于预定值(步骤208)。当n个电压偏差的绝对值的最大值不小于预定值时，确定n个燃料电池的电压变化较大，并且操作返回到步骤202。重复步骤202至223的操作，直到减小燃料电池110(1)至110(n)的电压变化为止。
同时，当n个电压偏差的绝对值的最大值小于预定值时，确定减小了燃料电池110(1)至110(n)的电压变化，并且计算在最近的预定时间内燃料电池组100产生的功率(P)(功率(P)＝总电压(∑vi)×电流)(步骤209)。
然后，计算负载设备109所需的功率(Preq)和燃料电池组100产生的功率(P)之间的功率差值(ep)(步骤210)。然后，确定该功率差值(ep)的绝对值是否小于预定值(步骤211)。当功率差值(ep)的绝对值小于预定值时，确定当前产生的功率令人满意，并且操作返回到步骤202。
当功率差值(ep)的绝对值不小于预定值时，确定总空气供应量过量或不足，并且根据功率差值再次计算总空气供应量(Atotal←Atotal+k2×ep)(步骤612)。此处，k2是预定正常数[L/min/V]。更具体地，当燃料电池组100产生的功率(P)小于所需功率(Preq)时，确定空气供应量不足，并且增加总空气供应量(Atotal)。同时，当产生的功率(P)大于所需功率(Preq)时，确定空气供应量过量，并且减小总空气供应量(Atotal)。
此时，为了避免在燃料电池组100产生的功率不足时总空气供应量(Atotal)增加太多或者变为零，执行饱和处理(步骤613)。在该饱和处理中，当总空气供应量(Atotal)小于最小总空气供应量(Atotal_min＝n×Ai_min)时，Atotal被设置为Atotal_min，当总空气供应量(Atotal)大于最大总空气供应量(Atotal_max＝n×Ai_max)时，Atotal被设置为Atotal_max。当改变总空气供应量(Atotal)时，以相同的比例改变提供给每个燃料电池110(1)至110(n)的每个空气供应量(Ai)(1＝i至n)。然后，操作返回到步骤202。
然后，燃料电池系统重复步骤202之后的操作，以在调节每个燃料电池的空气供应量(Ai)(i＝1至n)以便减小燃料电池110(1)至110(n)的电压变化的同时，使燃料电池组100产生的功率(P)与所需功率(Preq)一致。
如上所述，根据本实施方式的燃料电池系统根据每个燃料电池110(1)至110(n)的电压变化来控制每个燃料电池的空气供应量(Ai)。因此，即使在燃料电池的特性存在一些变化或者空气供应设备的特性存在一些变化时，也可以减小或消除燃料电池的电压变化。因此，可以避免降低燃料电池的电压，并且避免燃料电池劣化。此外，避免由于燃料电池的电流下降而降低燃料电池组产生的功率。
根据本发明实施方式2中的燃料电池系统，通过根据所需功率和产生功率之间的差值来管理总空气供应量，可以使负载设备109所需的功能与燃料电池组100产生的功率彼此尽可能地一致。当燃料电池110(1)至110(n)的电压的最小值变为小于预定值时，可以通过增加燃料电池组的电压，预先避免燃料电池劣化。
此外，本发明的本实施方式2中的功率转换器103是DC-DC转换器，用于进行控制以使燃料电池组100的电压与目标电压一致。然而，功率转换器103可以是DC-DC转换器，用于进行控制以使燃料电池组的电流与目标电流一致。在这种情况下，在图6的步骤222处，代替增加燃料电池组100的目标电压，控制器108降低燃料电池组的目标电流(目标电流←目标电流-k4×em)(k4是预定正常数)。
此外，尽管在本发明实施方式2中与燃料电池相同数目的空气供应设备的每一个给每个燃料电池提供空气，空气供应设备的数目不局限于此。如果可以根据与多个燃料电池的每一个相对应的空气供应量来分别提供空气，则空气供应设备的数目可以是任意数目。例如，一个空气供应设备可以分别给组成燃料电池组的多个燃料电池提供空气。
此外，根据本发明实施方式1中的燃料电池系统，给每个燃料电池设置燃料供应量，并且所有燃料电池中的每个的空气供应量是相同的。根据本发明实施方式2中的燃料电池系统，为每个燃料电池设置空气供应量，并且所有燃料电池中的每个的燃料供应量是相同的。同时，可以组合这些条件，为每个燃料电池来设置燃料和空气供应量。
根据本发明中的燃料电池系统，可以从具有串联的多个燃料电池的燃料电池组提供稳定的输出电流，并且提供希望的输出电压。因此，可以使堆叠多个燃料电池的燃料电池组小型化，使得可以实现一种适用于便携式电子设备的电源的紧凑燃料电池系统。
工业实用性
根据本发明的燃料电池系统适用于便携式电子设备等的电源。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池组，具有串联的多个燃料电池；
燃料供应设备，根据作为目标值的燃料供应量，给每个燃料电池提供燃料；
空气供应设备，根据作为目标值的空气供应量，给每个燃料电池提供空气；以及
控制器，根据负载设备所需的功率和每个燃料电池的电压，来确定燃料供应量和空气供应量；其中
所述控制器根据每个燃料电池的电压，来设置每个燃料电池的燃料供应量和空气供应量中的至少一个，使得每个燃料电池的电压变化最小化，以及
燃料供应设备根据每个燃料电池的燃料供应量，给每个燃料电池提供燃料，并且/或者空气供应设备根据每个燃料电池的空气供应量，给每个燃料电池提供空气，
其中
控制器
每隔预定时间计算作为每个燃料电池的电压和所有燃料电池的电压平均值之间的差值的电压偏差，
在保持总燃料供应量不变的同时，根据电压偏差来增加或减小每个燃料电池的燃料供应量，并且/或者
在保持总空气供应量不变的同时，根据电压偏差来增加或减小每个燃料电池的空气供应量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括温度测量设备，用于测量燃料电池组的温度，以及
控制器具有用于根据燃料电池组的温度和负载设备所需的功率来计算总燃料供应量的总燃料供应量表和/或用于根据燃料电池组的温度和负载设备所需的功率来计算总空气供应量的总空气供应量表，其中
控制器接收来自温度测量设备的燃料电池组的温度以及来自负载设备的所需功率，并且根据总燃料供应量表和/或总空气供应量表，来计算总燃料供应量和/或总空气供应量，将通过将总燃料供应量和/或总空气供应量除以燃料电池总数而获得的量设置为每个燃料电池的燃料供应量和/或空气供应量的初始值，以及
控制器每隔预定时间重复计算作为每个燃料电池的电压和所有燃料电池的电压平均值之间的差值的电压偏差，并且通过从每个燃料电池的燃料供应量和/或空气供应量中减去通过使电压偏差乘以预定值而获得的值，获得目标燃料供应量和/或目标空气供应量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中
控制器每隔预定时间计算作为每个燃料电池的电压和所有燃料电池的电压平均值之间的差值的电压偏差，以及
当所有燃料电池的电压偏差的绝对值中的最大值小于第一预定值时，控制器计算在预定时间内燃料电池组产生的功率，并且根据产生的功率和负载设备所需的功率之间的功率差值，增加或减小总燃料供应量或总空气供应量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，通过向总燃料供应量或总空气供应量加上通过使燃料电池产生的功率和负载设备所需的功率之间的功率差值乘以第二预定值而获得的值，来增加或减小总燃料供应量或总空气供应量。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括功率转换器，用于进行控制以使燃料电池组的电压或电流与控制器所确定的目标电压或目标电流相等，并且将燃料电池组输出的功率提供给负载设备，其中
当所有燃料电池的电压中的最小电压值小于预定电压值时，控制器增加目标电压，以使功率转换器增加燃料电池组的电压，或者控制器减小目标电流，以使功率转换器减小燃料电池组的电流。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，当所有燃料电池的电压中的最小值小于预定电压值时，
控制器向目标电压加上通过使最小电压值和预定电压值之间的电压差值乘以预定值而获得的值，并且功率转换器根据目标电压，增加燃料电池组的电压，或者
控制器从目标电流中减去通过使最小电压值和预定电压值之间的电压差值乘以预定值而获得的值，并且功率转换器根据目标电流，减小燃料电池组的电流。
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