CN101145616B - 具有致动器控制单元的燃料电池和操作该燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池包括燃料电池堆、缓冲器、致动器和控制电路部分。控制电路部分根据缓冲器的预定物理量的值来控制致动器的操作。通过测量缓冲器的预定物理量、将所测量的预定物理量与该预定物理量的基准值相比较、并且根据比较结果而操作致动器，来操作包括燃料电池堆、缓冲器和致动器的燃料电池。

Description

具有致动器控制单元的燃料电池和操作该燃料电池的方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，更具体地涉及一种具有致动器(actuator)控制单元的燃料电池和操作该燃料电池的方法。
背景技术
燃料电池系统是使用诸如甲醇(methanol)的燃料来产生能量的装置。燃料电池系统包括：燃料电池，即，通过使燃料中的氢和空气中的氧发生反应来产生电能的电力产生部分；以及燃料盒(cartridge)，即燃料箱，其向燃料电池提供燃料。
图1图示了传统的燃料电池系统SS1的结构。参照图1，燃料电池10包括燃料电池堆10A、缓冲器(buffer)10B、以及致动器10C。燃料电池堆10A是产生电力的部分，并且包括多个单元电池。致动器10C将燃料从燃料盒12传送到缓冲器10B。当向致动器10C提供燃料的燃料盒12被视为燃料电池系统SS1的主燃料存储器时，缓冲器10B可以是副燃料存储器。缓冲器10B存储由致动器10C提供的燃料，并且提供与燃料电池堆10A所需的燃料一样多的燃料。由于使用燃料电池系统SS1作为电源的负载的瞬时使用量是可变的，因此燃料电池堆10A消耗的燃料量相应地变化。缓冲器10B对应于在每个时刻变化的燃料电池堆10A的燃料消耗量而将燃料提供给燃料电池堆10A。
燃料电池堆10A消耗的燃料量可能比从致动器10C提供给缓冲器10B的燃料量大。换言之，从缓冲器10B输出的燃料量可能比输入到缓冲器10B的燃料量大。由于缓冲器10B被用作副燃料存储器，因此即使当从缓冲器10B输出的燃料量大于输入到缓冲器10B的燃料量的情况发生一次或两次，也不会有问题。
然而，当上述情况连续发生时，即使在缓冲器10B被视为副燃料存储器时，可能也难以将必要量的燃料从缓冲器10B提供给燃料电池堆10A。最后，可能出现在缓冲器10B的一部分中燃料被完全耗尽的现象。
在相反的情况下，燃料电池堆10A消耗的燃料量可能少于输入到缓冲器10B的燃料量。只要这样的情况不连续，它就不会是个问题，因为缓冲器10B具有燃料存储能力。此外，即使当该情况连续时，如果缓冲器10B没有完全充满燃料，那么它也不会是个严重的问题。然而，当缓冲器10B完全充满燃料时，从致动器10C输入到缓冲器10B的燃料量被按原样提供给燃料电池堆10A。因此，燃料被过多地提供给燃料电池堆10A。
当燃料电池系统SS1处于关闭状态下时，在燃料电池堆10A中剩余的燃料继续发生反应。结果，燃料电池堆10A的性能可能下降。此外，当在燃料电池堆10A过度地充满燃料的状态下关闭燃料电池系统时，燃料电池堆10A的性能下降可能更加严重。这导致更低的燃料利用率。
发明内容
为了解决上述和/或其它问题，本发明提供了一种燃料电池，其可以提供燃料电池堆所需的适当燃料量，同时防止缓冲器枯竭。
此外，本发明提供了一种上述燃料电池的操作方法。
根据本发明的一个方面，一种包含燃料电池堆、缓冲器和致动器的燃料电池可以包括根据缓冲器的预定物理量的值来控制致动器操作的控制电路部分。
燃料电池堆可以是单极堆和双极堆中的任一种。
所述预定物理量可以是电阻。
所述缓冲器可以包括燃料存储介质，该燃料存储介质能够在其整个区域内均匀地存储燃料，而与燃料电池的位置无关。
所述缓冲器可以具有盘形、盒形以及圆柱形中的任一种。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作燃料电池的方法，所述燃料电池包括燃料电池堆、缓冲器和致动器，所述方法包括：测量缓冲器的预定物理量；将所测量的预定物理量与所述预定物理量的基准值进行比较；以及根据比较结果来操作致动器。
可以使用控制电路部分来测量所述预定物理量。
可以使用控制电路部分来执行所测量的预定物理量的比较。
可以使用控制电路部分来控制致动器的操作。
所述预定物理量可以是电阻和电流中的任一个。
所述基准值可以是当缓冲器充满预定量的燃料时测量的物理量。
致动器的操作可以包括当所述预定物理量大于基准值时，将致动器接通给定时间。
致动器的操作可以包括当所述预定物理量不大于基准值时，将致动器关闭给定时间。
接通致动器可以包括重复缓冲器的预定物理量的测量以及所测量的预定物理量的比较。
关闭致动器可以包括重复缓冲器的预定物理量的测量以及所测量的预定物理量的比较。
附图说明
通过参考附图描述本发明的详细优选实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加清楚，在附图中：
图1图示了传统燃料电池系统的结构；
图2图示了根据本发明实施例的燃料电池系统的结构；
图3图示了图2的燃料电池的缓冲器、致动器和控制电路部分之间的操作关系；
图4是示出在图3的缓冲器的另一位置上提供附接到该缓冲器的电极的情况的截面图；以及
图5是示出图2的燃料电池的缓冲器、致动器和控制电路部分之间的操作方法的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图来描述根据本发明实施例的具有致动器控制单元的燃料电池及其操作方法。在附图中，为了清楚起见而夸大了层和区域的厚度。
图2图示了根据本发明实施例的燃料电池系统的结构。参照图2，根据本发明实施例的燃料电池系统SS2包括燃料电池20和燃料盒30。燃料电池20使用燃料来产生电能。燃料盒30存储被提供给燃料电池20的燃料。当将燃料盒30安装在燃料电池20上时，通过阀门(未示出)将燃料提供给燃料电池20。燃料电池20包括燃料电池堆20A，在该燃料电池堆20A中，以单极堆或双极堆的形式堆叠多个单元电池。单极堆具有一个平面膜以及配置该平面膜的多个单元电池。双极堆具有被垂直地堆叠的多个单元电池。燃料电池20包括作为副燃料存储器的缓冲器20B、致动器20C、以及控制电路部分20D。这里，可以将燃料盒30视为主燃料存储器。致动器20C根据控制电路部分20D的控制而将燃料盒30中的燃料传递给缓冲器20B或者切断该传递。缓冲器20B存储由致动器20C传递的燃料，并且将与在燃料电池堆20A中消耗的燃料量一样多的适当量的燃料提供给燃料电池堆20A。作为逻辑电路的控制电路部分20D控制致动器20C的操作。控制电路部分20D使用电阻值(在下文中被称为电阻)作为用于控制致动器20C的值。
为了测量缓冲器20B的电阻，可以将电极E1和E2附接在缓冲器20B的两端，如图3所示。当缓冲器20B包括绝缘壳体以及在绝缘壳体中提供的燃料存储介质(例如多孔材料)时，提供电极E1和E2以接触该燃料存储介质。此外，当缓冲器20B是绝缘壳体并且该壳体充满燃料时，可以在该壳体中提供电极E1和E2以接触燃料。缓冲器20B可以具有盘形、盒形以及圆柱形中的任何一种。
为了测量缓冲器20B的电阻，控制电路部分20D通过电极E1和E2向缓冲器20B施加预定电压，并且测量在缓冲器20B中流动的电流。控制电路部分20D使用施加到缓冲器20B的电压和所测量的电流来计算缓冲器20B的电阻。尽管缓冲器20B的电流和电阻实际上是包含燃料的燃料存储介质或者绝缘壳体中的燃料的电流和电阻，但是为了便于解释，将它们称为缓冲器20B的电流和电阻。
缓冲器20B的电阻根据存在于缓冲器20B中的燃料量而变化。例如，当在缓冲器20B没有剩余燃料时，缓冲器20B的电阻比当在缓冲器20B中剩余有燃料时的电阻高得多。当在缓冲器20B中剩余有燃料时，缓冲器20B的电阻随着燃料量的增加而减小。因此，当在缓冲器20B中剩余有与可平稳地提供的燃料存储堆20A中消耗的燃料的量一样多的燃料时，例如，当在缓冲器20B中剩余有相当于缓冲器20B的内部容积的一半或者例如1/3的量的燃料时，将此时的缓冲器20B的电阻设置为基准电阻值(在下文中被称为基准电阻)。
缓冲器20B的电阻大于基准电阻的事实意味着在缓冲器20B中分布的燃料的体积小于缓冲器20B的内部容积的一半。因此，控制电路部分20D操作致动器20C，直到缓冲器20B的电阻下降到基准电阻以下为止。当缓冲器20B的电阻小于基准电阻(这意味着在缓冲器20B中分布的燃料量大于缓冲器20B的内部容积的一半)时，控制电路部分20D停止致动器20C的操作。
当缓冲器20B的电阻改变时，缓冲器20B的电流相应地改变。因此，可以使用缓冲器20B的电流而不是缓冲器20B的电阻作为控制值，来控制致动器20C的操作。
图3图示了图2的燃料电池的缓冲器20B、致动器20C、和控制电路部分20D之间的操作关系。在图3中，方框箭头A1指示从缓冲器20B提供给燃料电池堆20A的燃料。
参考图3，当缓冲器20B的电阻大于基准电阻时，将预定操作信号从控制电路部分20D施加到致动器20C。致动器20C被接通，并且根据该操作信号而将燃料提供给缓冲器20B。通过附加在缓冲器20B底部的燃料扩散盘40而将由致动器20C提供的燃料提供给缓冲器20B。由于燃料扩散盘40，可以将致动器20C提供的燃料同时提供到缓冲器20B的底面的整个区域中。可以将所述操作信号施加第一时间段t1。在施加了所述操作信号之后，致动器20C被关闭第二时间段t2，直到提供给缓冲器20B的燃料被均匀地分布在缓冲器20B的整个容积内为止。在第二时间t2期间，控制电路部分20D测量缓冲器20B的电阻。当缓冲器20B的电阻仍然大于基准电阻时，在第二时间t2之后，控制电路部分20D将接通信号传送给致动器20C，以便再次操作致动器20C。然而，当在第二时间t2之后缓冲器20B的电阻低于或等于基准电阻时，控制电路部分20D将致动器20C连续地保持在关闭状态下，直到缓冲器20B的电阻大于基准电阻为止。
优选地，将第一时间t1设置为短于第二时间t2，以便防止由于过多的燃料供应而导致的问题。然而，可能存在例外。第一时间t1和第二时间t2的和(t1+t2)是控制电路部分20D提供给致动器20C以控制致动器20C的操作信号的周期。该周期可以是例如10秒。当该周期是大约10秒时，第一时间t1大约是3-5秒，而第二时间t2大约是5-7秒。根据缓冲器20B的电阻，周期时间(t1+t2)可以大于或小于10秒。
可以将附接在缓冲器20B两端的电极E1和E2附接在缓冲器20B的底面的两端，如图4所示。此外，缓冲器20B可以是多孔材料。该多孔材料的孔的尺寸最好是例如以微米为单位，使得提供给缓冲器20B的燃料可被均匀地分布在缓冲器20B中，而与使用燃料电池的环境无关。缓冲器20B可以具有多种形状。
此外，当在致动器20C和燃料扩散盘40之间额外提供阀门(未示出)以调节它们之间的燃料的流动时，控制电路部分20D可以利用与用于控制致动器20C的原理相同的原理来直接控制所述值。
下面将描述按照上面所述配置的根据本发明的燃料电池的操作方法。图5是示出图2的燃料电池的缓冲器20B、致动器20C和控制电路部分20D之间的操作方法的流程图。参照图3和图5，在本发明的操作方法中，首先，使用控制电路部分20D来测量缓冲器20B的电阻R1(S1)。将所测量的缓冲器20B的电阻R1与事先输入到控制电路部分20D中的基准电阻Rref进行比较，并且确定R1是否大于Rref(S2和S2’)。
当在S2和S2’中确定R1大于Rref(R1＞Rref)(Y)时，控制电路部分20D在预定时间内将操作信号施加到致动器20C以便操作致动器20C(S3)。然后，将R1与Rref相比较，以确定哪一个更大(S4)。当R1仍然大于Rref(Y)时，重复S3。
同时，当在S2和S2’中R1不大于Rref(N)时，即，当R1等于或小于Rref时，控制电路部分20D停止致动器20C的操作(S5)。然后，将R1与Rref相比较，以确定哪一个更大(S6)。当R1仍然不大于Rref(N)时，重复S5。致动器20C的非操作状态一直继续直到R1变得大于Rref为止。
在S3中，可以将施加到致动器20C的操作信号施加参照图3描述的第一时间段t1。此外，可以将致动器20C的非操作状态保持参照图3描述的第二时间段t2。
在以上操作方法中，可以使用缓冲器的其它物理量。例如，代替测量缓冲器20B的电阻，测量电流，并且可以将所测量的电流与基准电流相比较。
尽管参照本发明的优选实施例而具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解：可以在其中进行各种形式和细节上的改变，而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。例如，本发明所属技术领域的技术人员可以在使本发明的技术思想保持原样的同时修改燃料电池系统的组成元件，例如致动器或燃料盒的结构。此外，在图3中，可以将缓冲器20B分为两个或更多，并且如果必要的话，可以将燃料扩散盘40分为相同的数目。
如上所述，根据本发明的燃料电池包括控制电路部分，其测量缓冲器的电阻，将所测量的电阻与基准电阻相比较，并且控制致动器的操作。因此，根据本发明，通过适当地设置基准电阻，可以将从缓冲器提供给燃料电池堆的燃料量有规律地控制在给定范围内。当要关闭燃料电池时，可以操作该燃料电池以便将在缓冲器中剩余的燃料量减小到特定水平。
由于可以将从缓冲器提供给燃料电池堆的燃料量有规律地控制在给定范围内，因此可以将燃料电池的输出稳定地保持在给定范围内。此外，可以防止燃料耗尽现象以及过度地将燃料提供给燃料电池堆。
此外，当燃料电池处于关闭状态下时，由于可以将缓冲器中剩余的燃料量减小到特定水平，因此可以在增大燃料使用效率的同时，防止由于燃料电池中剩余的燃料的反应而导致的燃料电池堆性能的下降。

Claims (16)

1.一种燃料电池，包含燃料电池堆、缓冲器和致动器，该燃料电池包括控制电路部分，用于比较测量的预定物理参数和该预定物理参数的基准值，以及当测量的预定物理参数大于该预定物理参数的基准值时，接通该致动器第一时间，并且在该第一时间之后关闭该致动器第二时间，以将提供的燃料均匀地分布在该缓冲器中，该物理参数的值取决于缓冲器的燃料量的变化，所述基准值是在缓冲器充满预定量的燃料时测量的物理量，
其中第一时间和第二时间的和是控制电路部分提供给致动器以控制致动器的操作信号的周期，
其中该缓冲器存储从该致动器传递的燃料，并将与在燃料电池堆中消耗的燃料一样多的燃料提供给燃料电池堆，以及
其中通过附加在该缓冲器底部的燃料扩散盘将由致动器提供的燃料提供给缓冲器。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述燃料电池堆是单极堆和双极堆中的任一种。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述物理参数是电阻。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述缓冲器包括燃料存储介质，该燃料存储介质能够在其整个区域中均匀地存储燃料，而与燃料电池的位置无关。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其中，所述缓冲器具有盘形、盒形和圆柱形中的任一种。
6.一种操作燃料电池的方法，该燃料电池包括燃料电池堆、致动器和存储从致动器传递的燃料的缓冲器，该方法包括：
测量基于缓冲器的燃料量的变化的物理参数；
将所测量的预定物理参数与该预定物理参数的基准值相比较；
根据比较结果来操作所述致动器；以及
将与在燃料电池堆中消耗的燃料一样多的燃料提供给燃料电池堆，
所述基准值是在缓冲器充满预定量的燃料时测量的物理量，
其中所述操作致动器包括：当测量的预定物理参数大于该预定物理参数的基准值时，接通该致动器第一时间，并且在该第一时间之后关闭该致动器第二时间，以将提供的燃料均匀地分布在该缓冲器中，
其中第一时间和第二时间的和是控制电路部分提供给致动器以控制致动器的操作信号的周期，以及
其中通过附加在该缓冲器底部的燃料扩散盘将由致动器提供的燃料提供给缓冲器。
7.如权利要求6所述的方法，其中，使用控制电路部分来测量所述物理参数。
8.如权利要求6所述的方法，其中，使用控制电路部分来执行所测量的物理参数的比较。
9.如权利要求6所述的方法，其中，使用控制电路部分来控制致动器的操作。
10.如权利要求8所述的方法，其中，使用控制电路部分来控制致动器的操作。
11.如权利要求6所述的方法，其中，所述物理参数是电阻和电流中的任一个。
12.如权利要求6所述的方法，其中，所述致动器的操作包括当所述物理参数不大于基准值时，将致动器关闭给定时间。
13.如权利要求6所述的方法，其中，接通致动器包括重复缓冲器的预定物理量的测量以及所测量的物理参数的比较。
14.如权利要求12所述的方法，其中，关闭致动器包括重复缓冲器的物理参数的测量以及所测量的物理参数的比较。
15.如权利要求7所述的方法，其中，使用控制电路部分来执行所测量的物理参数的比较。
16.如权利要求7所述的方法，其中，使用控制电路部分来控制致动器的操作。
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