CN101006601A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括：DBFC，用于通过接收燃料发电；PEMFC，用于通过接收DBFC的阳极处在反应之后产生的副产品氢气作为燃料来发电；补充电力装置，通过DBFC和PEMFC产生的电力来部分地充电以及将所充的电力释放；负载感测单元，用于感测与DBFC、PEMFC和补充电力装置相连的负载；以及控制单元，用于根据负载感测单元所感测的负载来控制DBFC、PEMFC和补充电力装置的电力并且由此选择性地供应到负载。据此，回收在DBFC产生的氢气，并且感测负载量以稳定地应对负载变化，由此最大化燃料的利用效率和稳定地驱动系统。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更特别地，涉及通过稳定地应对负载变化而能够最大化燃料利用效率的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
正在开发的燃料电池作为妨害生态环境的化石燃料的替代物。与普通的蓄电池不同，燃料电池通过向阳极供应燃料(氢或碳氢化合物)和向阴极供应氧气，直接将氢与氧进行电化学反应前后产生的能量差转化为电能，而不需要燃烧燃料(氧化反应)。
正在开发的燃料电池应用广泛，可作为向家庭供电的家用燃料电池、用在电动汽车中的燃料电池、用在移动终端或者笔记本电脑中的燃料电池、可在室内移动并供应电力的燃料电池。
特别地，用于通过在家中或者室外移动来运行家用电器或者其它电子设备的燃料电池必须最小化以方便地携带，而且必须在其大小受限的情况下最大化燃料利用效率。
燃料电池包括磷酸燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接硼氢化物燃料电池(DBFC)等。
DBFC、KBH4、NaBH4等作为用于分解氢的燃料来使用。在NaBH4用作燃料的情况下，加入电解质水溶液，NaOH或KOH等。在NaBH4用作燃料而NaOH用作电解质水溶液的情况下，在阳极处进行如下反应。
2H2O+NaBH4→NaBO2+4H2
如上面的公式所示，在燃料电池的发电过程期间，产生了H2。必须安全地处理具有很强爆炸特性的H2。在燃料效率方面，优选通过回收重新使用所述H2。
由于在家庭或者工厂等处使用的负载量是变化的，优选根据负载量来控制发电量。但是，通过控制燃料量或者催化剂量来控制发电量导致反应时间变慢，因此不可能得到快速的反应。据此，不可能对于电力供应瞬间急剧增加做出反应，因此不能稳定地供电。而且，在突然将大负载应用到无负载状态的情况下，与负载逐渐增加的情况相比，更清楚地出现了过冲现象，即在单元电池中电压瞬时大幅降低并且降低的电压没有良好恢复的现象。特别地，在阳极和阴极堆叠的堆中各单元电池组之间存在电压偏差的情况下，具有低电压的单元电池被非常低的电压严重损坏。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统及其控制方法，该燃料电池系统能够最大化燃料利用效率，并且通过回收在DBFC处产生的H2和感测负载量，稳定地应对负载变化而稳定运行。
为了达到这些目的，提供了一种燃料电池，其包括：DBFC，用于通过接收燃料来发电；PEMFC，用于通过接收反应后在DBFC的阳极处产生的副产品氢气作为燃料来发电；补充电力装置，通过在DBFC和PEMFC处产生的电力来部分地充电以及释放所充的电力；负载感测单元，用于感测与DBFC、PEMFC和补充电力装置相连的负载；以及控制单元，用于根据负载感测单元所感测的负载来控制DBFC、PEMFC和补充电力装置的电力，并由此选择性地供应到负载。
为了达到这些目的，还提供了控制燃料电池系统的方法，包括：第一步骤，在初始系统驱动时，使用补充电力装置的电力，通过驱动DBFC来发电，并将反应后的副产品氢气供应给PEMFC；第二步骤，用PEMFC发电(geneo)；第二步骤，使用第一步骤中供应的氢气来geneMFC；第三步骤，测量负载所消耗的电力，该负载消耗在DBFC和PEMFC处所产生的电力；以及第四步骤，当在第三步骤中测量到的负载的电力消耗大于DBFC和PEMFC所产生电力的总和时，将补充电力装置放电，而当在第三步骤中测量到的负载的电力消耗小于DBFC和PEMFC所产生电力的总和时，将补充电力装置充电。
附图说明
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的结构图；
图2是示出DBFC结构的结构图；
图3是示出PEMFC结构的结构图；
图4是示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的信号传输顺序的流程图；
图5是示出本发明第二实施例的结构图；
图6是根据本发明第一实施例的用于确定驱动方法的燃料电池系统的控制方法的流程图；
图7是根据本发明第二实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下文中，将参考附图说明根据本发明的燃料电池系统如下。
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的结构图。
如图所示，根据本发明的燃料电池系统包括：DBFC 100，用于通过接收燃料发电；PEMFC 300，用于通过接收反应后在DBFC 100的阳极处产生的副产品氢气作为燃料来发电；补充电力装置500，通过在DBFC 100和PEMFC300处所产生的电力来部分地充电以及释放所充的电力；负载感测单元(未示出)，用于感测与DBFC 100、PEMFC 300和补充电力装置500相连的负载；以及控制单元(未示出)，用于根据负载感测单元感测到的负载来控制DBFC 100、PEMFC 300和补充电力装置500的电力，并由此选择性地供应到负载。
图2是示出DBFC结构的结构图。
如图所示，DBFC 100包括：燃料电池堆110，其中阴极112和阳极111是在电解质膜(未示出)被置于阴极112与阳极111之间的情况下设置的；燃料箱121，用于储存燃料；燃料泵122，用于将储存在燃料箱121中的燃料抽送到燃料电池堆110的阳极111；空气供应单元130，通过空气供应管线与燃料电池堆110的阳极112相连，用于将氧气等供应给阴极112；气/液分离器123，用于将燃料、空气和反应之后剩余在燃料电池堆112中的副产品分离为气体和液体；以及氢气供应单元150，用于将气/液分离器123所分离的氢气供应给PEMFC。
空气供应单元130包括：空气压缩机131，用于将大气中的空气供应到燃料电池堆110的阴极112；空气过滤器132，用于过滤供应给燃料电池堆110的空气；增湿器133，用于增湿供应到燃料电池堆110的空气；以及水箱134，用于给增湿器133供应水分。
氢气供应单元150优选控制供应给PEMFC的氢气一定的量来供应。
可以使用NaBH4、KBH4、LiAlH4、KH、NaH等其中之一作为供应到DBFC100的燃料和例如NaOH、KOH等其中一种电解质水溶液。
图3是示出PEMFC结构的结构图。
如图所示，PEMFC 300包括：燃料电池堆310，其中阳极311和阴极312是以电解质膜(未示出)置于阳极311与阴极312之间的方式设置的，所述阳极接收在DBFC 100处产生的氢气。空气压缩机331，用于将大气中的空气供应给燃料电池堆310的阴极312；空气过滤器332，用于过滤供应给燃料电池堆310的空气；热交换器333，用于增湿和加热供应给燃料电池堆310的空气；以及蒸发器323，用于蒸发反应后剩余在阴极312处的材料。
作为补充电力装置500，可以是能够控制充电和放电的任何元件。另外，可利用电池或者电容器作为补充电力装置。在补充电力装置是由电子器件构成的情况下，可以通过控制单元400针对负载变化执行快速反应，因为电子器件的时间常数比利用普通化学反应发电的DBFC或PEMFC的时间常数更小。
补充电力装置500优选与燃料电池系统的外部电力相连，因此在完全放电时由外部电力充电。
控制单元400包括：升压器410、420和430，分别与DBFC 100、PEMFC300和补充电力装置500串连，用于升高电压；以及逆变器440，与升压器410、420和430相连，用于将直流电转换为交流电。
升压器410、420和430优选将DBFC 100、PEMFC 300和补充电力装置500的电压升高到350V。
逆变器440优选将330V直流电转换为家用的220V交流电。
优选地，控制单元400还包括降压转换器450，降压转换器450与升压器410、420和430相连，用于将直流电转换为直流电。
降压转换器450是一种切换模式电源，并且是使用诸如MOSFET之类用于电力的半导体器件作为开关、将DC输入电压转换为方波电压、然后获得由过滤器控制的DC输出电压的设备。
图4是示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的信号传输顺序的流程图。
与DBFC 100、PEMFC 300和补充电力装置500相连的负载600的大小由负载感测单元200实时测量，并被传送到控制单元400。控制单元400根据所输入的算法来确定DBFC 100、PEMFC 300和补充电力装置500的驱动方法。通过所确定的驱动方法，将电力供应给负载600。
图5是示出本发明第二实施例的结构图。
如图所示，第二感测单元250与燃料电池堆710中的每个单元电池720(其中堆叠阳极711和阴极712)相连，并测量单元电池720的电压。
第二控制单元460与第二感测单元250相连从而接收信号。如果单元电池的电压比预设电压小，那么第二控制单元460就使用补充电力装置500来补偿电压。
下面将说明根据本发明第一实施例的燃料电池系统的控制方法。
用于控制燃料电池系统的方法包括：第一步骤，在初始系统驱动时，使用补充电力装置的电力，通过驱动DBFC来发电，并且将反应后的副产品氢气供应给PEMFC；第二步骤，使用第一步骤中供应的氢气，通过驱动PEMFC来发电；第三步骤，测量负载所消耗的电力，所述负载消耗在DBFC和PEMFC处产生的电力；以及第四步骤，当在第三步骤中测量到的负载的电力消耗比在DBFC和PEMFC处所产生的电力的总和更多时将补充电力装置放电，而当测量到的负载的电力消耗比在DBFC和PEMFC处所产生的电力的总和更小时将补充电力装置充电。
第一步骤包括：发电步骤，利用补充电力装置，在DBFC处发电；以及氢气供应步骤，用于向PEMFC供应反应后在DBFC产生的氢气。
一旦用户运行燃料电池系统，就运行DBFC从而将NaBH4等和电解质水溶液例如NaOH等供应给阳极，并且将含氧的空气供应到阴极。此时，使用补充电力装置的电力来运行设置在阳极处的水泵和设置在阴极处的压缩机。据此，反应后在DBFC处产生电力和诸如氢气等副产品。所产生的氢气被供应给PEMFC作为燃料。
第二步骤是通过将氢气供应给阳极和将含氧的空气供应给阴极来发电。作为运行PEMFC的组件(例如泵或压缩机)的电力，部分地使用了在DBFC和PEMFC处产生的电力。
第三步骤是通过负载感测单元感测负载量，并且由此将信号传送到控制单元。
第四步骤是确定DBFC、PEMFC和补充电力装置的驱动方法，这将在下文更详细地描述。
图6是根据本发明第一实施例的用于确定DBFC、PEMFC和补充电力装置的驱动方法的燃料电池系统的控制方法的流程图。
如图所示，A表示在DBFC处产生的电量，B表示在PEMFC处产生的电量，而C表示测量到的负载大小。当测量到的负载大小C大于或等于在DBFC和PEMFC处所发电量之和(A+B)时，将补充电力装置放电。在此，补充电力装置的放电量是测量到的负载大小与在DBFC和PEMFC处所发电量之和之间的差(C-(A+B))。如果测量到的负载大小C小于在DBFC和PEMFC处所发电量之和，将补充电力装置放电。在此，补充电力装置的充电量是通过从DBFC和PEMFC处所产生的电量之和中扣除测量到的负载大小而获得的值((A+B)-C)。
已充电的补充电力装置用在负载急剧增加的时候，或者用在初始系统驱动的时候驱动DBFC的组件，或者用于将DBFC的一个组件中剩余的燃料回收到DBFC的另一个预设组件。
燃料电池系统的控制方法还包括第五步骤，即在系统停止时使用PEMFC的电力，将DBFC的一个组件中剩余的燃料回收到DBFC的另一个预设组件。
在DFBC中用作电解质水溶液的NaOH等具有强腐蚀特性，因此腐蚀DBFC的组件连接线。因此，有必要将NaOH等回收到预设组件。当用户停止系统时，DBFC被立即停止，而在PEMFC处尚可使用还没有消耗的氢气发电。因此，有必要使用在PEMFC处产生的电力，并且当在PEMFC处产生的电力不足时使用补充电力装置，来回收剩余在DBFC管线的燃料。
图7是根据本发明第二实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图。
燃料电池系统的控制方法包括：第一步骤，在初始系统驱动时，利用补充电力装置的电力，通过驱动DBFC，并且将反应后的副产品氢气供应给PEMFC来发电；第二步骤，使用第一步骤中所供应的氢气，通过驱动PEMFC来发电；第三步骤，测量DBFC和PEMFC中的每个单元电池的电压；以及第四步骤，当在第三步骤中所测量的电压小于或等于预设电压的时候，将补充电力装置放电一段时间，而在所测量的电压大于预设电压的时候将补充电力装置充电。
当由于负载急剧增加而产生的过冲现象，单元电池的电压急剧降低时，实时检查单元电池的电压。如果所检查的电压小于或等于预设电压值D1，将补充电力装置放电以补偿电压。相反，如果在一段时间T过去之后，随着单元电池的温度增加，单元电池的电压大于比D1更高的D2，则判断为单元电池已经恢复其功能。据此，停止补充电力装置的放电。
工业实用性
如上所述，在本发明的燃料电池系统中，DBFC中产生的氢气是回收的，从而抑制了爆炸性氢气的排放，并且补充电力装置是通过检测负载量而被选择性地驱动的。据此，可以对应于负载的即时变化并由此而稳定地运行系统。另外，即使在DVFC和PEMFC的容量更小的情况下，也能通过使用补充电力装置来应对急剧的负载变化。据此，减少了费用，并且可以构建紧凑的系统。另外，使用补充电力装置能够补偿由于急剧的负载变化所导致的单元电池电压急剧下降，由此逐渐增加负载量。
本领域技术人员应该清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖落在所述权利要求及其等效物的范围内的本发明的修改和变化。

Claims (17)

1.一种燃料电池系统，包括：
DBFC，用于通过接收燃料来发电；
PEMFC，用于通过接收反应后在所述DBFC的阳极处产生的副产品氢气作为燃料来发电；
补充电力装置，通过所述DBFC和PEMFC处产生的电力来部分地充电，以及将所充的电力释放；
负载感测单元，用于感测与所述DBFC、PEMFC和补充电力装置相连的负载；以及
控制单元，用于根据所述负载感测单元感测到的负载，来控制所述DBFC、PEMFC和补充电力装置的电力，并由此选择性地供应到所述负载。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述DBFC包括：
燃料电池堆，其中阳极和阴极是在电解质膜置于所述阴极与阳极之间的情况下设置的；
燃料箱，用于储存燃料；
燃料泵，用于将储存在所述燃料箱中的燃料抽送取到所述燃料电池堆的阳极；
空气供应单元，通过空气供应管线连接到所述燃料电池堆的阳极，用于将氧等供应给所述阴极；
气/液分离器，用于将燃料、空气以及反应后剩余在所述燃料电池堆中的副产品分离为气体和液体；以及
氢气供应单元，用于将所述气/液分离器所分离的氢气供应给所述PEMFC。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述空气供应单元包括：
空气压缩机，用于将大气中的空气供应到所述燃料电池堆的阴极；
空气过滤器，用于过滤供应给所述燃料电池堆的空气；
增湿器，用于增湿供应给所述燃料电池堆的空气；以及
水箱，用于将水分供应给所述增湿器。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述PEMFC包括：
燃料电池堆，其中阴极和接收所述DBFC处产生的氢的阳极是在电解质膜置于所述阴极与阳极之间的情况下设置的；
空气压缩机，用于将大气中的空气供应到所述燃料电池堆的阴极；
空气过滤器，用于过滤供应到所述燃料电池堆的空气；
热交换器，用于增湿和加热供应到所述燃料电池堆的空气；以及
蒸发器，用于蒸发反应后剩余在所述阴极处的材料。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述负载感测单元还包括第二感测单元，其与所述阴极和阳极堆叠的所述燃料电池堆的单元电池相连，用于感测该单元电池的电压。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述控制单元还包括第二控制单元，其与所述第二感测单元相连以接收其信号，用于在所述单元电池的电压小于预设电压时用所述补充电力装置来补偿电压。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述补充电力装置是电容器。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述补充电力装置是电池。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述补充电力装置与所述燃料电池系统的外部电力相连，由此在被完全放电时通过该外部电力充电。
10.如权利要求1所述的系统，其中供应给所述DBFC的燃料是NaBH4。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述控制单元包括：
升压器，分别与所述DBFC、PEMFC和补充电力装置串连，用于升高电压；以及
逆变器，与所述升压器相连，用于将直流电转换为交流电。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述控制单元还包括：降压转换器，与所述升压器相连，用于将直流电转换为直流电。
13.一种燃料电池系统的控制方法，包括：
第一步骤，在初始系统驱动时，使用补充电力装置的电力，通过驱动DBFC来发电，并将反应后的副产品氢气供应给PEMFC；
第二步骤，使用第一步骤中供应的氢气，通过驱动所述PEMFC来发电；
第三步骤，测量负载所消耗的电力，该负载消耗所述DBFC和PEMFC处所产生的电力；以及
第四步骤，当在第三步骤中测量到的所述负载的电力消耗大于所述DBFC和PEMFC处所产生电力的总和时，将所述补充电力装置放电，而当在第三步骤中测量到的所述负载的电力消耗小于所述DBFC和PEMFC处所产生电力的总和时，将所述补充电力装置充电。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一步骤包括：
发电步骤，用于使用所述补充电力装置在所述DBFC处发电；以及
氢气供应步骤，用于将反应后在所述DBFC处产生的氢气供应到所述PEMFC。
15.如权利要求13所述的方法，还包括第五步骤：在所述系统停止时，使用所述补充电力装置的电力，将在所述DBFC的一个组件中剩余的燃料重新收集到所述DBFC的另一个预设组件。
16.如权利要求13所述的方法，还包括第五步骤：在所述系统停止时，使用所述PEMFC的电力，将在所述DBFC的一个组件中剩余的燃料重新收集到所述DBFC的另一个预设组件。
17.一种燃料电池系统的控制方法，包括：
第一步骤，在初始系统驱动时，使用补充电力装置的电力，通过驱动DBFC来发电，并将反应后的副产品氢气供应至PEMFC；
第二步骤，使用在第一步骤中供应的氢气，通过驱动所述PEMFC来发电；
第三步骤，测量所述DBFC和PEMFC的每个单元电池的电压；以及
第四步骤，当在第三步骤中测量到的电压小于或者等于预设电压时，将所述补充电力装置放电一段时间，而在测量到的电压大于所述预设电压时，将所述补充电力装置充电。
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