CN100578846C - 用于燃料电池系统的控制装置及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统及其控制装置和控制方法，能够不使用检测燃料浓度的燃料浓度传感器就可以简单和精确地控制燃料的浓度，该燃料电池系统包括：燃料电池，通过燃料和水的燃料混合物与氧化剂的电化学反应来产生电能；向燃料电池提供燃料的燃料供给器；和控制装置，当从燃料电池输出的第一电流和第一电压的第一点位于基准电流-电压曲线之下时，首先增加预定量的燃料供给量，然后响应于从燃料电池输出的第二电流和第二电压的第二点的相对移动，增加和减少燃料供给量和水供给量中的任一个。

Description

用于燃料电池系统的控制装置及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2005年9月28日在韩国知识产权局提交的韩国申请号2005-90737的权益，其公开的内容在此引作参考。
技术领域
本发明的方案涉及燃料电池系统、燃料电池系统的控制装置和燃料电池系统的控制方法，其中控制装置不使用甲醇浓度传感器，就可以通过方便和精确地控制燃料的浓度来稳定和连续地操作系统。
背景技术
燃料电池是用于通过氢和氧的电化学反应产生电能的能量产生系统。根据所使用的电解质的类型，燃料电池可以分类成磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、聚合物电解质隔膜燃料电池和碱性燃料电池等。这些类型的燃料电池基本上以相同的原理运行，但是所使用的燃料、催化剂和电解质等的类型以及运行温度不同。
在各种类型的燃料电池中，聚合物电解质隔膜燃料电池(PEMFC)与其它燃料电池相比具有几个优点，包括显著的高输出、低运行温度以及快速的启动和响应。PEMFC广泛应用于移动电源，例如便携式电子设备，或者可运输的电源，例如用于汽车的电源，以及配电电源，例如在家中或者公共建筑物中使用的固定发电设备等。作为聚合物隔膜燃料电池的类型，有直接液体燃料型燃料电池，例如直接甲醇燃料电池，其可以直接将液体甲醇燃料提供给燃料电池。燃料电池可以包括堆，它们是通过堆叠多个用于发电的单元燃料电池制造的燃料电池结构。因为不像聚合物电解质隔膜燃料电池那样，直接燃料型燃料电池不使用重整器，所以在考虑到小型化时，更有利。
燃料电池系统，例如直接甲醇燃料电池等具有一些缺点，主要在于启动时间长，系统的体积大于二次电池等的体积，以及单位重量的能量密度较小。因此，常规燃料电池系统具有附加的能量存储装置，例如电池或者超大电容器，以便于克服上述的缺点。这种系统被称为混合电源。
同时，直接甲醇燃料电池证明了响应于提供给燃料电池的燃料的浓度变化的效率差异。这种现象的其中一个原因是由于这样的事实，即当前使用的直接甲醇燃料电池的电解质膜不能选择性地只传送氢离子，相反，还允许燃料穿越或者渗透过隔膜。
例如，如图1所示，如果将具有高于预定浓度的高浓度燃料提供给直接甲醇燃料电池中的堆的阳极侧(其中燃料的高浓度意味着燃料混合物中包含的燃料的摩尔浓度高于能够产生最佳有效能量的燃料的浓度)，那么通过电解质膜从阳极侧穿越或者渗透到阴极侧的燃料的量增加了。因此，传送到电解质膜的燃料在阴极侧被氧化，并使得从堆产生的电势降低。相反，如果将具有低于预定浓度的低浓度燃料提供给直接甲醇燃料电池中的堆的阳极侧(其中燃料的低浓度意味着，燃料混合物中包含的燃料的摩尔浓度低于能够产生最佳效率能量的燃料的浓度)，那么在阳极中就会出现燃料短缺现象，并使得从堆产生的电势降低。
因此，在常规的直接甲醇燃料电池中，重要的是均匀地维持燃料的浓度，以便长时间稳定地操作燃料电池系统。
还有，上述的常规燃料电池系统配备有再循环器，用于再循环从燃料电池中的电化学反应所产生的副产品，以再利用它们。因此改善了系统的整体效率。
副产品包括不反应的或者尚未反应的燃料或者水等。例如，常规的直接甲醇燃料电池使用混合罐和甲醇浓度传感器，用于再循环从燃料电池排放出来的不反应的或者尚未反应的燃料和水，以再利用它们。甲醇浓度传感器通常安装在提供燃料混合物的通路上或者燃料或水循环的通路上，其目的是适当地控制提供给堆的燃料中的甲醇浓度。
上述的甲醇浓度传感器可以是公用的浓度传感器，例如石英振子。然而，甲醇浓度传感器由于自身的误差限度和外界温度，会在检测的值上产生偏差。因此，使用甲醇浓度传感器的常规燃料电池系统必须考虑所检测的浓度值，以及例如校正值、温度等变量，其目的是适当地控制提供给堆的燃料的浓度。因此，控制装置是复杂的，并且在设计用于控制燃料电池的控制装置时，自由度是受限制的。而且，当甲醇浓度传感器出故障时，常规的直接甲醇燃料电池不能稳定并连续地运行，因为它几乎不可能向堆提供适当浓度的燃料。
发明内容
本发明的方案包括燃料电池系统的控制方法、使用该方法的燃料电池系统控制装置和燃料电池系统，其不使用甲醇浓度传感器，就可以通过控制施加给直接甲醇燃料电池的浓度来稳定和连续地操作该系统。
本发明的方案包括燃料电池系统的控制方法，使用该方法的燃料电池系统控制装置和燃料电池系统，其即使在甲醇浓度传感器故障时，仍可以容易地控制使用甲醇浓度传感器的直接甲醇燃料电池中的甲醇的浓度。
根据本发明的方案，燃料电池系统包括：燃料电池，通过燃料和水的燃料混合物与氧化剂的电化学反应产生电能；向燃料电池提供燃料的燃料供给器；和控制装置，当从燃料电池输出的第一电流和第一电压的第一点位于基准电流-电压曲线之下时，首先增加预定量的燃料供给量，并随后响应从燃料电池输出的第二电流和第二电压的第二点的移动方向，增加和/或减少燃料供给量和水供给量中的任一个。
根据本发明的方案，控制装置包括检测燃料电池温度的温度传感器；检测从燃料电池输出的电流和电压的输出传感器；比较操作单元，用于判断第一点是否位于对应于预检测的温度的基准电流-电压曲线之下，并判断相对于第一点，第二点是接近还是远离基准电流-电压曲线；以及控制信号发生器，用于响应比较操作单元的输出，产生用于增加预定量的燃料供给量的第一控制信号和用于控制燃料供给量和水供给量中的至少一个的第二控制信号。
进一步，控制装置包括用于存储对应于多个温度的多个基准电流-电压曲线的存储器；和访问存储器以执行控制操作的处理器。当第二点接近于基准电流-电压曲线时，处理器增加预定量的燃料供给量，而当第二点远离基准电流-电压曲线时，增加预定量的水供给量。一方面，当第二点接近于基准电流-电压曲线时，处理器减少预定量的水供给量，而当第二点远离基准电流-电压曲线时，减少预定量的燃料供给量。另一方面，当第二点接近于基准电流-电压曲线时，处理器增加预定量的燃料供给量并减少预定量的水供给量，而当第二点远离基准电流-电压曲线时，减少预定量的燃料供给量并增加预定量的水供给量。
根据本发明的方案，用于燃料电池系统的控制装置，包括直接甲醇燃料电池，用于通过燃料和水的燃料混合物与氧化剂的电化学反应产生电能，以及第一和第二流量控制装置，用于控制燃料供给量和水供给量，该用于燃料电池系统的控制装置包括：存储基准电流-电压曲线的存储器；和访问存储器的处理器，其中当从燃料电池输出的第一电流和第一电压所指示的第一点位于基准电流-电压曲线之下时，该处理器首先增加预定量的燃料供给量，然后响应于从燃料电池输出的第二电流和第二电压所指示的第二点的移动方向，增加和减少燃料供给量和水供给量中的任一个。
根据本发明的方案，存储器存储对应于燃料电池的多个温度的多个基准电流-电压曲线，并且处理器使用响应于所检测的燃料电池温度所选出的基准电流-电压曲线。
根据本发明的方案，燃料电池系统的控制方法，其中燃料电池系统包括使用燃料和水的燃料混合物的燃料电池，以及燃料供给器，用于通过连接到燃料电池和燃料供给器的控制装置向燃料电池提供燃料混合物，该控制方法包括：检测从燃料电池输出的第一电流和第一电压；判断第一电流和第一电压所指示的第一点是否位于燃料电池的基准电流-电压曲线之下；当第一点位于基准电流-电压曲线之下时，增加预定量的燃料供给量；并响应于从第一点移动到指示从燃料电池检测到的第二电流和第二电压的第二点的移动方向，增加和减少提供给燃料电池的燃料混合物中燃料和水的任一个。
还有，增加和减少燃料混合物中燃料和水的任一个的步骤包括：判断第二点是接近还是远离基准电流-电压曲线；当第二点接近于基准电流-电压曲线时，增加预定量的燃料供给量和/或减少预定量的水供给量；当第二点远离基准电流-电压曲线时，减少预定量的燃料供给量和/或增加预定量的水供给量；判断从燃料电池检测到的第三电流和第三电压的第三点是否位于基准电流-电压曲线的可允许范围内；并且当第三点位于可允许的范围之内时，改变并存储燃料和水的供给比例。
还有，控制方法进一步包括检测燃料电池的温度。在这种情况中，响应于燃料电池的预检测温度，从多个基准电流-电压曲线中选择基准电流-电压曲线。
根据本发明的方案，没有甲醇浓度传感器的燃料电池系统包括：通过燃料混合物和氧化剂的反应产生电能的燃料电池；和控制装置，用于确定燃料电池的输出，比较输出和燃料电池的预定电流-电压信息，并根据输出和预定电流-电压信息的比较结果，调整燃料混合物和/或氧化剂的供给。
根据本发明的方案，向包括不具有甲醇浓度传感器的燃料电池的燃料电池系统提供燃料混合物和氧化剂的方法包括：确定燃料电池的输出；比较输出和燃料电池的预定电流-电压信息；并根据输出和预定电流-电压信息的比较结果，调整燃料混合物和/或氧化剂的供给。
在下述的说明书中将部分地陈述本发明的方案和/或优点，并且本发明的方案和/或优点将部分地根据说明书变得明显，或者可以通过实践本发明来获知。
附图说明
结合附图，从方案的以下描述中，这些和/或其它方案和优点将变得明显并更容易理解，其中：
图1是依据相关技术的典型燃料电池系统中燃料的浓度变化的电流-电压曲线；
图2是根据本发明方案的燃料电池系统的方框图；
图3是根据本发明方案的燃料电池系统的控制装置的方框图；
图4是根据本发明另一方案的用于燃料电池系统的控制装置的方框图；
图5A到图5C是说明用图4的控制装置实现的控制燃料浓度的方法的曲线图；
图6是根据本发明方案的燃料电池系统的控制方法的流程图；
图7A和图7B是说明根据图6的燃料电池系统的控制方法控制燃料浓度的控制方法的曲线图。
具体实施方式
现在将对本发明的各个方案作出具体介绍，其实例示出在附图中，其中在全文中相同的附图标记表示相同的元件。为了通过参考附图解释本发明，以下描述这些方案。
在下面的描述中当任何部分连接到其它部分时，它们可以直接彼此连接，也可以通过在其间的其它部件彼此连接。
图2是根据本发明方案的燃料电池系统的方框图。
如图所示，通过不使用浓度传感器检测燃料混合物中的燃料浓度，就能将燃料混合物中的燃料浓度控制到所期望的浓度，燃料电池系统100可以稳定和连续地运行燃料电池系统100。为此目的，燃料电池系统100包括燃料电池110、燃料供给器120、混合器130、再循环器140、电能分配器150、辅助电能供给器160和控制装置170。
更具体地，燃料电池110包括发电单元或者发电系统，以通过一种或者多种燃料和一种或者多种氧化剂的电化学反应产生电能。燃料电池110的阳极侧提供有燃料，其阴极侧提供有氧化剂。燃料包括氢气、天然气、甲醇、煤、石油、生物燃料气体、废物填注池气体等或者这些气体的任意组合。而且，氧化剂包括空气或者氧化性气体等。
优选地，燃料电池110是直接甲醇燃料电池(DMFC)。直接甲醇燃料电池具有这样的结构，其中由膜电极组件(MEA)构成的多个单元燃料电池(未示出)被堆叠，且其间夹有隔板。膜电极组件具有这样的结构，其中阳极(所谓的“燃料电极”或者“氧化电极”)和阴极(所谓的“空气电极”或者“还原电极”)附着到聚合物电解膜的两侧。该结构被称为堆。
在燃料电池100的上述结构中，如果将燃料施加给阳极侧上的催化剂层，通过经过催化剂层中的电化学反应，燃料被电离和氧化成氢离子(质子，H+)和电子(e-)。电离的氢离子通过聚合物电解质膜从阳极侧上的催化剂层移动到阴极侧上的催化剂层，而电子通过外部导线移动到阴极侧的催化剂层。到达阴极侧上催化剂层的氢离子与提供给阴极侧上催化剂层的空气中的氧发生电化学反应。反应产生反应热和水，此外，电子移动产生电能。燃料电池110的反应可以表示如下。
[反应1]
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极：6H++3/2O2+6e-→3H2O
总：CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2
提供给燃料电池110阳极侧的燃料是水和燃料的燃料混合物。例如，燃料混合物是包含恒定或者固定摩尔浓度的甲醇和恒定或者固定比例的水的燃料。通过使用安装在燃料电池110和混合器130之间的泵112，可以任意地控制燃料混合物的供给量。而且，通过使用连接到燃料电池阴极侧的空气泵114，可以任意地控制提供给燃料电池110的空气供给量。因此，燃料混合物的供给量和用于燃料混合物的空气供给量都可以根据需要改变。
在各种方案中，燃料供给器120存储提供给燃料电池110的燃料。燃料供给器120包括燃料存储容器(未示出)，例如燃料罐或者筒式的燃料存储容器(未示出)。这种燃料存储容器可以容易地被替换。存储在燃料供给器120中的燃料包括混合了燃料、水等的燃料混合物，或者没有混合水或其它燃料的纯燃料。在燃料混合物的情况中，存储在燃料供给器120中的燃料是其燃料的摩尔浓度高于提供给燃料电池110的燃料混合物的摩尔浓度的燃料混合物。这样的燃料可以是纯燃料。通过使用安装在燃料供给器120和混合器130之间的泵122，可以任意地控制从燃料供给器120提供给混合器130的燃料供给量。
如图所示，混合器130将燃料供给器120和/或再循环器140等提供的燃料和水混合并存储起来。提供给混合器130的燃料从燃料电池110排放出来，并包括通过燃料循环装置提供给混合器130的不反应的或者尚未反应的燃料。燃料循环装置包括将燃料电池110连接到混合器130的管116。而且，提供给混合器130的水可以从燃料电池110排放出来，并可以包括通过再循环器140提供给混合器130的蒸汽或者水。例如，如果从燃料电池110阴极侧产生的大约三分之一的水被再回收，并提供给燃料电池110的阳极侧，那么没必要用额外的水来混合燃料。
而且，当使用混合器130时，对于相同体积的燃料来说，使用浓缩的燃料比使用稀释的燃料产生电能的时间更长。例如，在需要大约0.124372摩尔/分钟的纯甲醇燃料的12W直接甲醇燃料电池的情况中，需要以大约0.310929摩尔/分钟的速度的10摩尔燃料混合物，以及需要以大约3.109292摩尔/分钟的速度的1摩尔燃料混合物。同样，如果燃料的体积是相同的，对于持续的操作来说，使用较高溶度的燃料是有利的。而且，如果产生电能的时间是相同的，对于燃料混合物来说，通过使用较高浓度的燃料，可以使燃料供给器(燃料罐)的尺寸较小。
如图所示，再循环器140强力地冷凝通过连接到燃料电池110阴极侧的管118所排放的预定量的蒸汽。例如，再循环器140可以由能够去除(耗散)蒸汽热量的金属管和迫使空气冷却金属管的风扇构成。当然，再循环器140可以由多种热交换器或者冷凝器构成。因此，当使用安装在燃料电池110和混合器130之间的再循环器140时，可以任意地控制提供给混合器130的水的量。
如图所示，电能分配器150将燃料电池110的输出传送给负载。如果需要，电能分配器150还将燃料电池110的输出转化成负载需要的电能类型。例如，电能分配器150可以包括DC-DC转换器和DC-AC转换器等，或者它们的组合。
而且，如图所示，电能分配器150将辅助电能供给器160的输出传送给负载。电能分配器150可以将燃料电池110的输出和辅助电能供给器160的输出的组合提供给负载，或者可选择地将燃料电池110的输出和辅助电能供给器160的输出的任一个提供给负载。而且，电能分配器150可以将过剩的电能提供给辅助电能供给器160，同时将燃料电池110的输出提供给负载。在这种情况中，辅助电能供给器160可以是电荷存储装置。
进一步，在诸如电能转换过程之类的过程中，电能分配器150可以减少预定量的燃料电池110的输出。因此，优选使用高效率的电能分配器150。
如图所示，辅助电能供给器160向控制装置170、负载等提供所需要的电能。例如，在燃料电池110完全可操作之前启动燃料电池110时，辅助电能供给器160通过电能分配器150向控制装置170和燃料电池110的外围设备(或者部件)提供电能。所使用的辅助电能供给器160可以是电池、电容器、超大电容器等或者它们的组合。
如果是电池，可用作辅助电能供给器160的电池的类型包括二次电池，其用从燃料电池110或者任意其它电源输出的电能充电，并放出所充的电能。对于二次电池，辅助电能供给器160的可使用类型可以是镍氢(Ni-MH)二次电池、锂二次电池等。对于锂二次电池，辅助电能供给器160的可使用类型可以是锂离子二次电池、锂离子聚合物二次电池和锂聚合物二次电池。
如图所示，控制装置170控制连接到燃料电池110阳极侧的泵112，以向具有堆结构的燃料电池110提供足够量的燃料混合物和氧化剂。控制装置170还控制氧化剂供给器，例如连接到燃料电池110阴极侧的空气泵114。控制装置170分别产生需要的控制信号CS1、CS2，并将它们施加给泵112和空气泵114。泵112或者空气泵114是能够控制通过对应的泵112和114的燃料混合物和/或空气流量的流量控制装置的示例。
而且，控制装置170包括具有预定容量的存储器。控制装置170检测在接近于燃料电池110高负载的操作状态中的电流和电压输出，使用检测到的电流和电压产生基准燃料浓度，并存储所产生的基准燃料浓度以及同时建立的基准电流-电压曲线信息。存储在存储器中的基准燃料浓度和基准电流-电压曲线包括与适用于燃料电池多个温度相对应的多条信息，以及指示出依赖于温度的其它输出特性的那些信息。
而且，控制装置170检测燃料电池110的温度。燃料电池110的温度用作信息，以在最初时确认燃料电池的正常操作，或者在正常操作的过程中维持操作的最优效率。为此目的，燃料电池110设置有温度检测器(未示出)，例如热敏电阻等。因此，控制装置170从温度检测器接收检测信号DS1。
还有，控制装置170检测从燃料电池110输出的电流和电压。在检测从燃料电池110输出的电流和电压时，控制装置170知道或者检测提供给燃料电池110的燃料混合物的浓度是否接近于或者靠近在最佳效率过程中所检测到的基准浓度。例如，通过电能分配器150，控制装置170检测从燃料电池110输出的电流和电压。因此，控制装置170接收来自电能分配器150的对于在燃料电池110的输出端中所检测到的电流和电压的检测信号DS2。
进一步，控制装置170产生控制信号CS3，以控制从燃料供给器120提供给混合器130的燃料供给量，并将所产生的控制信号CS3施加给泵122。而且，例如，控制装置170产生控制信号CS4，以控制从燃料电池110的阴极侧排放的蒸汽的冷凝率，并将所产生的控制信号CS4施加给再循环器140的风扇(未示出)。其间，控制装置170接收来自安装在混合器130中的液位测量装置或者液位传感器(未示出)的燃料混合物的液位(或者量)的检测信号DS3，并且控制装置170根据检测信号DS3控制燃料供给量和/或水供给量。
在本发明的方案中，控制装置170检测从燃料电池110输出的电流和电压，并判断所检测的电流和电压的点(电能曲线或者电流-电压曲线上的点)是否在预存储的基准电流-电压曲线的可能范围之外。如果所检测的输出电流和电压在曲线之外，控制装置170则响应于表示燃料电池110的输出电流和电压的点的变化(移动方向或者相对移动)，增加和/或减少预定量的燃料，以控制燃料的供给量，或者增加和/或减少预定量的水，以控制水的供给量。因此，快速和精确地最优化了燃料混合物的浓度。控制装置170和控制装置170的控制方法将在下面的说明书中更具体地加以描述。
根据本发明的方案，不使用甲醇浓度传感器，就可以快速和精确地控制适用于燃料电池的最优燃料浓度。也就是说，即使当施加给燃料电池的燃料混合物的浓度改变，就象当循环水的量改变时或者当使用具有不同摩尔浓度的燃料时的情况下，可以不使用甲醇浓度控制器就能简单和精确地调节或者最优化提供给燃料电池的燃料混合物的浓度。因此，可以长时间稳定地操作燃料电池系统，而不使用甲醇浓度传感器。而且，对于具有甲醇浓度传感器的燃料电池系统来说，即使在甲醇浓度传感器发生故障之后，也可以连续和稳定地操作燃料电池系统。
图3是根据本发明方案的燃料电池系统的控制装置的方框图。图3的控制装置200对应于控制装置170。
图3的控制装置200检测燃料电池的温度、电流和电压，并控制燃料供给量和/或水供给量，以允许表示所检测到的电压和电流的点接近于基准电流-电压曲线(靠近或者在其范围之内)，以便于以最优的效率操作燃料电池。
控制装置200包括检测燃料电池的温度的温度传感器210；检测燃料电池输出的电流和电压的输出传感器220；存储燃料电池的基准电流-电压曲线的存储器230；比较操作单元240，用于判断表示所检测到的电流和电压的点是在基准电流-电压曲线的可允许范围之外还是接近于基准电流-电压曲线(靠近或者在其范围之内)；和控制信号发生器250，用于产生控制信号，以根据基于所检测到的电流和电压的判断结果来控制燃料的浓度。
根据本发明的方案，控制装置200可以通过控制泵(未示出)来任意地控制燃料混合物的摩尔浓度，其能够响应于所检测到的电流和电压来控制燃料供给量。控制装置200还可以任意地控制风扇或者泵(未示出)，其能够控制水供给量。控制装置200可以由微处理器和存储器构成。尽管不是在所有的方案中都需要，但控制装置200的功能可以用与一个或者多个处理器和/或计算机一起使用的软件和/或固件来实现。而且，可以用计算机和/或处理器的可执行指令来编码控制装置200和/或计算机可读介质，以实现其功能。
图4是根据本发明另一方案的用于燃料电池系统的控制装置的方框图。
参见图4，根据本发明方案的控制装置300由能够处理实时信号的微处理器(处理器)310和连接到该微处理器并存储程序的存储器系统330构成。
处理器310包括执行计算的运算逻辑单元(ALU)314、临时存储数据和指令字的寄存器316，以及控制燃料电池系统操作的控制器318。处理器310包括具有各种计算机架构的至少一个处理器，例如来自Digital公司的Alpha；来自MIPS技术、NEC、IDT、Siemens等的MIPS；来自Intel公司的Cyrix；来自包括AMD和Nexgen公司的x86；和来自IBM和Motorola的Power PC。上述的一个或者多个是各个公司或者商标持有者的商标。
存储器系统330包括存储数据的装置。这些装置包括诸如随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)之类的存储介质形式的高速主存储器、诸如软盘、硬盘、磁带、CD-ROM和闪存之类的长期存储介质形式的辅助存储器，以及电、磁、光或者其它存储介质。主存储器可以包括通过显示装置显示图像的图像存储器。而且，存储器系统330包括被制造成可以执行预定例行程序的元件，例如双稳态多谐振荡器或者锁存器。
存储器系统330存储包括基准电流-电压曲线的查找列表332、334。优选地，查找列表332、334包括相对于燃料电池堆(未示出)的温度变化的多个基准电流-电压曲线。基准电流-电压曲线指的是基于从相关燃料电池堆输出的电流和电压所准备的电流-电压曲线，其指示了在燃料电池堆的特定温度时的最优效率。
如图所示，处理器310接收来自具有堆结构的燃料电池(未示出)的电能。辅助电能供给器或者电能供给器349，例如商业电源等，检测来自燃料电池堆的电流和电压输出347，并接收来自温度传感器341的燃料电池堆温度的检测信号。此时，通过放大器343将温度检测信号输入到处理器310。而且，处理器310从安装在混合器(未示出)中的液位传感器345接收燃料混合物液位(量)的检测信号。经过由预定位的模数转换器构成的输入级312输入到处理器310的信号由处理器310识别。
随后，当表示从燃料电池输出的第一电流和第一电压的第一点位于基准电流-电压曲线之下时，处理器310使用存储器系统330，以执行程序或者预定的例行程序，以便首先增加预定量的燃料供给量。其后，响应于从燃料电池输出的第二电流和第二电压的第二点相对于第一点和/或基准电流-电压曲线的移动，通过控制再循环器353中的第一泵351和/或风扇，处理器310控制燃料供给量和水供给量中的任一个。
更具体地，如图5A所示，当第一点(起点)位于基准电流-电压曲线之下，并且由于燃料混合物的浓度变化成低于适当(基准或者最佳)浓度的浓度，第二点朝着基准电流-电压曲线移动时，如果注入预定量的燃料，则控制装置300检测第二点朝着基准电流-电压曲线的移动方向，并确定燃料混合物为低浓度，进一步施加预定量的燃料，同时继续监控从燃料电池输出的电流和电压，以控制系统使得从燃料电池输出的电流和电压尽可能与基准电流-电压曲线一致。
一方面，如图5B所示，如果进一步施加水，而不是燃料，以便将燃料混合物的浓度改变成比适当(基准或者最佳)浓度更低的浓度，则出现燃料短缺，从而突然恶化燃料电池的输出。在最坏的情形中，燃料电池的操作可能停止。
另一方面，如图5C所示，当第一点位于基准电流-电压曲线之下，并且由于燃料混合物的浓度变化到高于适当(基准或者最佳)浓度的浓度，第二点远离基准电流-电压曲线移动时，如果注入预定量的燃料，则控制装置300检测远离基准电流-电压曲线的第二点的移动方向，并确定燃料混合物是高浓度的，并进一步施加预定量的水，同时继续监控从燃料电池输出的电流和电压，以控制系统使得从燃料电池输出的电流和电压的点尽可能与基准电流-电压曲线一致。
根据上述，允许处理器310控制燃料供给量和水供给量中的任何一个的方法之一是，执行一系列处理，以便在增加预定量的燃料供给量之后，如果第二点更接近于基准电流-电压曲线，则继续增加预定量的燃料供给量，或者可替换地，在增加预定量的燃料供给量之后，如果第二点更远离基准电流-电压曲线，则继续增加预定量的水供给量。另一个方法是执行一系列处理，以便在增加预定量的燃料供给量之后，如果第二点接近于基准电流-电压曲线，则继续减少预定量的水供给量，或者可替换地，在增加预定量的燃料供给量之后，如果第二点远离基准电流-电压曲线，则继续减少预定量的燃料供给量。
另一个方法是执行一系列处理，以便在增加预定量的燃料供给量之后，如果第二点接近于基准电流-电压曲线，则继续减少预定量的水供给量，同时增加预定量的燃料供给量，或者可替换地，在增加预定量的燃料供给量之后，如果第二点远离基准电流-电压曲线，则增加预定量的水供给量，同时减少预定量的燃料供给量。
如图4所示，例如，第一泵351对应于向混合器提供燃料的泵351。处理器310控制第二泵355和第三泵357，其中第二泵355和第三泵357分别对应于将燃料混合物提供给燃料电池的泵和将空气提供给燃料电池的空气泵。
如所示的，根据本发明方案的控制装置不使用检测燃料浓度的燃料浓度传感器，例如甲醇浓度传感器，就可以方便地控制提供给燃料电池堆的燃料混合物，使之具有最佳的效率，以便从燃料电池堆产生最佳的电流和电压。
换句话说，在常规的直接甲醇燃料电池中，当燃料电池系统的输出低于适当(基准或者最佳)的输出时，将使用甲醇浓度传感器改变燃料混合物中的摩尔浓度。然而，如果甲醇浓度传感器不存在或者发生故障，则燃料控制系统不能意识到或者检测到燃料混合物中的摩尔浓度的变化，这使得不可能长时间稳定地操作燃料电池系统。然而，根据本发明的方案，当直接甲醇燃料电池的输出电流和/或电压低于适当(基准或者最佳)的输出时，通过进一步施加或者停止不给预定量的燃料、水、空气或者它们的组合，可以将燃料混合物的浓度简单和精确地控制为适当的浓度，并响应于燃料电池的输出变化来精确地判断燃料混合物的浓度变化。因此，根据本发明的方案，不使用燃料浓度传感器就可以长时间稳定地操作直接甲醇燃料电池。
图6是根据本发明方案的燃料电池系统的控制方法的流程图。
参见图6，燃料电池系统的控制装置首先检测从直接甲醇燃料电池输出的电流I和电压V(操作510)。
接下来，判断所检测的电流和电压是否位于基准电流-电压(I-V)曲线之下(操作520)。换句话说，判断所检测的电流和电压的点(或者电能点)是否位于基准电流-电压曲线之下。在参考基准电流-电压曲线时，由于将基准电流-电压曲线设立为在燃料电池的最大输出值附近的值或者是最大输出值处的值，所以不考虑所检测的表示高于基准电流-电压曲线位置的电流和电压的点。
在检测电流和电压时的判断方法之一(操作520)是，检测与基本上和基准电流-电压曲线中的基准电流相同的检测电流相对应的检测电压，并将它与基准电压比较，同时，检测与基本上和基准电流-电压曲线中的基准电压相同的基准电压相对应的检测电流，并将它与基准电流比较。根据比较结果，如果所检测的电流和电压小于比较的基准电流和电压，那么可以理解(确定)的是，所检测的电流和电压位于基准电流-电压曲线之下。
上述的基本相同的基准电流和基本相同的基准电压意味着，基准电流和基准电压在允许的范围内不同。例如，当检测的电流和电压是232mA和4.25V，并且如果基准电流是235mA并且可允许的范围是235mA到230mA时，在和检测电压相同的基准电压中，控制装置判断232mA的检测电流位于基准电流的可允许范围内。还有，应当理解的是，上述过程可以以类似于检测电流的方式应用到检测电压中。
接下来，控制装置最初还提供预定量的燃料(操作530)。通过试验将预定的燃料量设立为可以改变燃料电池输出的最小燃料量。例如，当将具有1摩尔甲醇浓度的燃料混合物提供给12W输出的直接甲醇燃料电池时，导致燃料电池输出变化的燃料的预定量可能是，例如每分钟提供给混合罐的具有大于0％到10％或更少预定范围的纯甲醇的供给量。如果即使在进一步提供预定量的燃料之后，燃料电池的输出也不改变，那么可以将进一步提供的预定量的燃料重复提供两次或者三次。
接下来，控制装置判断燃料电池的电流和电压的另一点是否移动到基准电流-电压曲线附近(更接近或者靠近)(操作540)。在这图7A中示出，其中控制装置判断，相对于具有预定可允许范围Z的基准电流-电压曲线D所测量的电流和电压(所测量的I，V)的点A是否像第一移动点B一样移动到接近于(更接近或者靠近)基准电流电压曲线D，或者点A是否像第二移动点C一样远离基准电流电压曲线D。例如，一个判断方法是，判断在相同电压下所检测的电流与基准电流之差是否减少以及在相同电流下所检测的电压与基准电压之差是否减少。如果差减少，那么添加或者停止不给燃料、水、空气或者它们任意组合就最优化了燃料电池的输出。
根据操作540的判断结果，响应于与所测量的电流和电压相对应的点A的移动，控制装置确定提供给燃料电池的燃料混合物的浓度是高于还是低于适当的(基准或者最佳)浓度。也就是说，如果在燃料电池的输出之后提供预定量的燃料将点A移动到点B(也就是更靠近基准电流-电压曲线)，则控制装置判断燃料混合物的浓度是低浓度的，其需要添加燃料或者增加燃料浓度。另一方面，如果提供预定量的燃料将点A移动到点C(也就是远离基准电流-电压曲线)，则控制装置判断燃料混合物的浓度是高浓度的，其需要停止不给燃料或者降低燃料浓度。
根据操作540的判断结果，如果所检测的电流和电压接近或者靠近基准电流-电压曲线，那么控制装置判断所检测的电流和电压是否位于基准电流-电压曲线的可允许范围内。
根据操作545的判断结果，如果所检测的电流和电压点没有在可允许的范围内，控制装置进一步施加预定量的燃料，以将燃料混合物的浓度提高到适当的浓度(操作550)。当然，为了增加燃料混合物中的燃料浓度，在操作中，可以减少预定量的水供给量，或者在减少预定量的水供给量的同时还增加预定量的燃料供给量。接下来，控制装置再次检测燃料电池的电流和电压，并判断所检测的电流和电压点是否位于基准电流-电压曲线的可允许范围之内(操作560)。根据操作560的判断结果，所检测的电流和电压的点位于基准电流-电压曲线的可允许范围之内，控制装置改变并存储当前提供给燃料电池的燃料和水的供给比率(操作590)。然后，控制过程结束。同时，根据操作545的判断结果，如果在提供预定量的燃料之后燃料电池的检测电流和电压的点位于可允许的范围之内，则控制装置改变并存储当前提供给燃料电池的燃料和水的供给比率(操作590)。然后控制过程结束。
如图7B所示，虽然进行了操作550，但是如果燃料电池的输出点C没有移动到第一点C1，而是移动到第二点C2，由此如果不能进行正常的控制，那么控制装置发出报警，并且如果必要将停止燃料电池的操作。
另一方面，根据操作540的判断结果，如果所检测的电流和电压的点没有接近或者靠近基准电流-电压曲线，则控制装置进一步提供预定量的水，以将燃料混合物的浓度降低到适当的(基准或者最佳)浓度(操作570)。当然，在操作中，可以减少预定量的燃料供给量，或者在减少预定量的燃料供给量的同时还增加预定量的水供给量。接下来，控制装置再次检测燃料电池的电流和电压，并判断所检测的电流和电压是否位于基准电流-电压曲线的可允许范围之内(操作580)。根据操作580的判断结果，所检测的电流和电压的点位于基准电流-电压曲线的可允许范围之内，控制装置改变并存储当前提供给燃料电池的燃料和水的供给比率(操作590)。然后，控制过程结束。
如图7B所示，虽然进行了操作570，但是如果燃料电池的输出点C没有移动到第一点C1，而是移动到第二点C2，由此如果不能进行正常的控制，那么控制装置发出报警，并且如果必要将停止燃料电池的操作。
在各个方案中，在制造燃料电池时或者在燃料电池的使用过程中，可以建立基准电流-电压曲线。根据在燃料电池使用过程中建立基准电流-电压曲线的方法，通过在组合燃料电池和电池组的高负载操作之后，立即分离电池，测量从燃料电池输出的电流和电压，可以测量从接近或者靠近最佳效率的燃料电池所输出的电流和电压。同样，相对于基准电流和电压，本发明的方案改变和建立了根据上述方法测量的电流和电压，使得该方法可以容易地适应由于燃料电池长时间操作而引起的变化。
同时，本发明不局限于上述的方案。例如，可以在将燃料和水的每一种提供给直接甲醇燃料电池之后，混合它们。在这种情况中，燃料电池具有能够恰当混合燃料和水的结构。因此，在这样的方案中，可以省略混合器。还有，燃料供给器可以包括从相对于多个燃料电池和检测阀等的远程位置的燃料仓库提供燃料的燃料传送管。而且，可以通过单独的水供给器和/或泵等将水提供给混合器，或者直接提供给燃料电池。还有，如果燃料供给器本身具有提供燃料的预定压力，则可以用阀或者阀控制装置、风扇等代替上述用于提供燃料的泵。还有，燃料电池110还设置有外围设备，例如热交换器、加湿器和冷却器等。
不使用甲醇浓度传感器，通过控制提供给直接甲醇燃料电池的燃料的浓度，本发明的方案就可以稳定和连续地操作系统。还有，在使用甲醇浓度传感器的直接甲醇燃料电池中，即使当甲醇浓度传感器发生故障时，通过容易地控制燃料浓度，本发明的方案仍可以长期稳定地操作燃料电池系统。
尽管已经示出和描述了本发明的几个方案，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的原则和精神的条件下，可以对方案作出变化，而本发明的范围限定在权利要求及其等价物中。

Claims (29)

1、一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，其通过燃料和水的燃料混合物与氧化剂的电化学反应来产生电能；
向燃料电池提供燃料的燃料供给器；和
控制装置，所述控制装置包括：
检测从燃料电池输出的第一电流和第一电压以及第二电流和第二电压的输出传感器；
比较操作单元，用于判断所述第一电流和第一电压所指示的第一点是否位于基准电流-电压曲线之下，并判断相对于第一点，所述第二电流和第二电压所指示的第二点是接近于还是远离于所述基准电流-电压曲线，所述基准电流-电压曲线对应于最优效率过程中所测量的基准燃料浓度；
控制信号发生器，用于响应于比较操作单元的输出，产生用于增加预定量的燃料供给量的第一控制信号和用于控制燃料供给量和水供给量中的至少一个的第二控制信号。
2、如权利要求1的燃料电池系统，其中所述控制装置进一步包括：
检测燃料电池温度的温度传感器；
其中比较操作单元判断第一点是否位于对应于所检测的温度的基准电流-电压曲线之下，并判断相对于第一点，第二点是接近于还是远离于基准电流-电压曲线。
3、如权利要求2的燃料电池系统，进一步包括响应于所述第一和第二控制信号，控制燃料供给量的第一流量控制装置和控制水供给量的第二流量控制装置。
4、如权利要求1的燃料电池系统，其中所述控制装置包括用于存储对应于多个温度的多个基准电流-电压曲线的存储器和用于访问存储器以执行控制操作的处理器。
5、如权利要求4的燃料电池系统，其中当所述第二点接近于基准电流-电压曲线时，所述处理器增加预定量的燃料供给量，并且当所述第二点远离基准电流-电压曲线时，增加预定量的水供给量。
6、如权利要求4的燃料电池系统，其中当所述第二点接近于基准电流-电压曲线时，所述处理器减少预定量的水供给量，并且当所述第二点远离基准电流-电压曲线时，减少预定量的燃料供给量。
7、如权利要求4的燃料电池系统，其中当所述第二点接近于基准电流-电压曲线时，所述处理器增加预定量的燃料供给量并减少预定量的水供给量，并且当所述第二点远离基准电流-电压曲线时，减少预定量的燃料供给量并增加预定量的水供给量。
8、如权利要求1的燃料电池系统，进一步包括连接到所述燃料供给器和燃料电池并存储所述燃料混合物的混合器。
9、如权利要求8的燃料电池系统，其中所述混合器包括测量燃料混合物液位的液位测量装置。
10、如权利要求8的燃料电池系统，进一步包括再循环器，其用于提供由于所述燃料电池中的电化学反应产生的作为副产物排出的蒸汽和水。
11、如权利要求10的燃料电池系统，其中所述再循环器由所述控制装置控制，并包括第一流量控制装置以控制蒸汽的冷凝量。
12、如权利要求11的燃料电池系统，进一步包括由所述控制装置控制的第二流量控制装置，以控制所述燃料的供给量。
13、如权利要求10的燃料电池系统，进一步包括燃料循环装置，以将从所述燃料电池排出的尚未反应的燃料传送给所述混合器。
14、如权利要求8的燃料电池系统，进一步包括水供给器，以向所述混合器提供水。
15、如权利要求14的燃料电池系统，进一步包括控制燃料供给量的第一流量控制装置和控制水供给量的第二流量控制装置。
16、如权利要求14的燃料电池系统，进一步包括向所述燃料电池提供燃料混合物的燃料供给器和向所述燃料电池提供氧化剂的氧化剂供给器，所述燃料供给器和氧化剂供给器由所述控制装置控制。
17、如权利要求16的燃料电池系统，进一步包括将燃料电池的输出提供给负载的电能分配器。
18、如权利要求17的燃料电池系统，进一步包括连接到所述电能分配器的辅助电能分配器，以向所述控制装置和负载提供电能。
19、一种燃料电池系统的控制装置，该燃料电池系统包括用于通过燃料和水的燃料混合物与氧化剂的电化学反应来产生电能的直接甲醇燃料电池，以及用于控制燃料供给量和水供给量的第一和第二流量控制装置，所述燃料电池系统的控制装置包括：
存储基准电流-电压曲线的存储器，所述基准电流-电压曲线对应于最优效率过程中所测量的基准燃料浓度；和
访问存储器的处理器，其中当从所述燃料电池输出的第一电流和第一电压的第一点位于所述基准电流-电压曲线之下时，该处理器首先增加预定量的燃料供给量，然后响应于从所述燃料电池输出的第二电流和第二电压的第二点的移动方向，增加和/或减少燃料供给量和水供给量中的任一个。
20、如权利要求19的燃料电池系统的控制装置，其中所述存储器存储对应于所述燃料电池的多个温度的多个基准电流-电压曲线，并且所述处理器使用根据所述燃料电池的温度选出的基准电流-电压曲线。
21、一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括使用燃料和水的燃料混合物的燃料电池以及燃料供给器，该燃料供给器借助连接到所述燃料电池和燃料供给器的控制装置向燃料电池提供燃料混合物，该控制方法包括：
检测从所述燃料电池输出的第一电流和第一电压；
判断第一电流和第一电压所指示的第一点是否位于燃料电池的基准电流-电压曲线之下，所述基准电流-电压曲线对应于最优效率过程中所测量的基准燃料浓度；
当所述第一点位于所述基准电流-电压曲线之下时，增加预定量的燃料供给量；并且
响应于从所述燃料电池检测到的第二电流和第二电压的第二点相对于第一点的移动，增加和/或减少提供给所述燃料电池的燃料混合物中燃料和水中的任一个。
22、如权利要求21的燃料电池系统的控制方法，其中，增加和/或减少燃料和水中的任一个的步骤包括：
判断所述第二点是接近还是远离所述基准电流-电压曲线；
当所述第二点接近于基准电流-电压曲线时，增加预定量的燃料供给量和/或减少预定量的水供给量；
当所述第二点远离基准电流-电压曲线时，减少预定量的燃料供给量和/或增加预定量的水供给量；
判断从燃料电池检测到的第三电流和第三电压的第三点是否位于所述基准电流-电压曲线的可允许范围内；并且
当所述第三点位于可允许范围之内时，改变并存储燃料和水的供给比率。
23、如权利要求21的燃料电池系统的控制方法，进一步包括检测燃料电池温度的步骤，且所述基准电流-电压曲线响应于所述燃料电池的温度从多条基准电流-电压曲线中选择。
24、一种不具有甲醇浓度传感器的燃料电池系统，包括：
通过燃料混合物和氧化剂的反应来产生电能的燃料电池；和
控制装置，所述控制装置包括：
检测从燃料电池输出的第一电流和第一电压以及第二电流和第二电压的输出传感器；
比较操作单元，用于判断所述第一电流和第一电压所指示的第一点是否位于预定电流-电压信息之下，并判断相对于第一点，所述第二电流和第二电压所指示的第二点是接近于还是远离于所述预定电流-电压信息，所述预定电流-电压信息对应于最优效率过程中所测量的基准燃料浓度；
控制信号发生器，用于响应于比较操作单元的输出，产生用于增加预定量的燃料供给量的第一控制信号和用于控制燃料供给量和水供给量中的至少一个的第二控制信号。
25、如权利要求24的燃料电池系统，其中所述燃料包括燃料和水的混合物，并且所述控制装置根据所述比较操作单元的输出增加燃料和水的至少一个。
26、如权利要求25的燃料电池系统，其中所述控制装置增加燃料和/或减少水。
27、如权利要求25的燃料电池系统，其中所述控制装置增加水和/或减少燃料。
28、如权利要求24的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统是直接甲醇燃料电池。
29、一种向不具有甲醇浓度传感器的燃料电池的燃料电池系统提供燃料混合物和氧化剂的方法，包括：
确定所述燃料电池输出的第一电流和第一电压；
判断第一电流和第一电压所指示的第一点是否位于燃料电池的基准电流-电压曲线之下，所述燃料电池的基准电流-电压曲线对应于最优效率过程中所测量的基准燃料浓度；并且
当所述第一点位于所述基准电流-电压曲线之下时，增加预定量的燃料供给量；并且
响应于从所述燃料电池检测到的第二电流和第二电压的第二点相对于第一点的移动，增加和/或减少提供给所述燃料电池的燃料混合物中燃料和水中的任一个。
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