CN101192671A - 便携设备的燃料电池系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于便携设备的燃料电池系统，所述便携设备具有发热部件，所述燃料电池系统包括：燃料电池主体，其中燃料发生化学反应，提供电能，所产生的反应产物包括水；燃料供给及循环驱动装置，用于根据燃料浓度和/或燃料温度，控制燃料循环回路中的燃料量和/或燃料流速；水循环驱动装置，用于根据燃料温度、发热部件的温度，控制水循环回路中的水量和/或水流速；燃料循环回路，构成了燃料电池主体与燃料供给及循环驱动装置之间的回路，通过其向燃料电池主体提供燃料，并将剩余燃料送回燃料供给及循环驱动装置；水循环回路，构成了反应产物中的水在其中流动的回路；以及双重循环热交换单元，其中燃料循环回路、水循环回路和发热部件之间发生热交换。

Description

便携设备的燃料电池系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及用于便携设备的燃料电池系统，更具体地，涉及一种具有主、辅循环回路和双重循环热交换单元的燃料电池系统及其操作方法。

背景技术

随着信息技术的蓬勃发展，便携电子设备的功能越来越强大，功耗随之增加，为了满足一定的使用时间，便携设备对能量的需求也越来越大。而为了体现便携性，便携设备的体积又有很大的局限性，人们总是希望体积越小越好。所以便携设备的功能、时间、体积和能量之间的矛盾是一个非常现实的问题。目前便携设备大量使用的锂二次电池，由于目前锂二次电池的性能指标已接近理论上限，所以，依赖锂二次电池技术的发展不能够有效解决上述问题。

燃料电池具有高能量密度、高转换效率、无污染等特点，以其替代锂二次电池作为便携设备的电源，近年来越来越多地得到人们的重视。目前比较适合在便携设备上应用的燃料电池有直接甲醇燃料电池和甲醇改质型燃料电池两种，这两种燃料电池的总化学反应方程式如下：

燃料电池本身是一个较复杂的发电系统，其具有燃料存储装置、燃料供给及控制装置、核心发电装置、启动电源装置、系统管理装置和产物处理装置等。以目前的技术状态，一个典型的直接醇燃料电池的系统逻辑框图如图1所示。

在图1中，燃料存储单元100通过燃料输送管道与燃料供给单元101连接，燃料供给单元101与燃料电池组105通过燃料输送管道连接。燃料供给单元101提供输送动力，将燃料存储单100中的燃料输入燃料电池组105的燃料级。从燃料电池组105燃料级排出的燃料余液经过气液分离单元106后，废气被输送到尾气处理/排放单元107，而低浓度燃料(未燃烧的甲醇与反应产物水混合，降低了燃料的浓度)则通过管道返回到燃料供给单元101。在燃料供给单元101与燃料电池组105之间的输送管道上，有串联的燃料浓度监控单元102，其与燃料电池控制/变换/侍服单元104之间通过数据信号线相连。燃料电池控制/变换/侍服单元104与燃料供给单元101之间有控制信号线相连。燃料电池控制/变换/侍服单元104通过燃料浓度监控单元102浓度传感器获得输送到燃料电池组105的燃料浓度值，通过逻辑判断，发送控制信号给燃料供给单元101，由燃料供给单元101调节被输送到燃料电池组105的燃料保持在一定浓度范围之内。

空气供给单元109通过空气传输管道与燃料电池组105的空气级相连，与燃料电池控制/变换/侍服单元104之间有控制信号线相连。空气供给单元109为传输空气提供动力并且接收燃料电池控制/变换/侍服单元104发来的控制信号，控制输送给燃料电池组105的空气流量。从燃料电池组105空气级排出的尾气经过冷凝/气液分离单元108进行气液分离，废气被输送到尾气处理/排放单元107处理排放，而分离出来的水则通过输送管道输送到燃料供给单元101以用来调节燃料的浓度。冷凝/气液分离单元108有控制信号线与燃料电池控制/变换/侍服单元104相连。由燃料电池控制/变换/侍服单元104发出控制信号给冷凝/气液分离单元108，来控制分离出来的水量。

启动电源103通过燃料电池控制/变换/侍服单元104的控制为燃料电池组105提供启动能源。在燃料电池组105正常发电时，可由燃料电池控制/变换/侍服单元104对启动电源103进行充电。

燃料电池组105发出的电能通过燃料电池控制/变换/侍服单元104处理后输出。燃料电池控制/变换/侍服单元104与燃料电池电池组105之间有数据信号线相连，由燃料电池控制/变换/侍服单元104通过燃料电池组105中的传感器来监控燃料电池组105的工作状态。

燃料电池组105由若干发电单体构成，燃料电池发电的总化学反应方程式为：

目前，在便携设备如笔记本电脑上应用燃料电池，从严格意义上讲，燃料电池还是作为一个独立的部件存在，即燃料电池与笔记本电脑之间，基本上还是结构上的“匹配”(相应接口间的连接)，从功能上讲，分界很清楚。这样做，不但会造成整个系统的体积很难缩小，而且整个(笔记本电脑+燃料电池)系统部件冗余，没有充分利用各功能部件的能力。实际上，如果把燃料电池“系统”和笔记本电脑“系统”有机地融合在一起，充分利用各自的特点，扬长避短充分发挥各功能部件的能力，可以有效优化整个系统，促进燃料电池在便携设备上应用。

中国发明专利申请“燃料电池、设备、便携计算机及驱动燃料电池的方法”(公开号：CN 1647305A，申请号：03808411.2)公开了以下内容：利用燃料电池的供给燃料吸收笔记本电脑CPU等发热部件的热量，在降低便携设备发热部件温度的同时提高燃料电池的燃料温度，进而又提高燃料电池的反应效率。该发明虽然利用了燃料电池液体燃料循环的特点，提出了在一定程度上解决便携设备冷却的方法。但是，这个发明并没有充分发挥出燃料电池“系统”内液体循环的特点，同时该技术方案存在以下技术缺陷：

1、该发明仅利用燃料电池的前端甲醇水溶液燃料供给线路，构成冷却回路。没有利用到燃料电池反应产物水的回收利用。实际上，水的比热容要大于甲醇水溶液的比热容。(水的比热容4.19c/KJ.kg^-1k^-1，甲醇比热容2.50c/KJ.kg^-1k^-1)

2、该技术方案使用的燃料是甲醇水溶液。而纯甲醇的沸点为64.7℃，所以，对于纯甲醇燃料不能应用到该技术方案里。因为汽化的纯甲醇在密闭的液体循环线路里会导致安全隐患。由于不能使用纯甲醇，所以该方案的有效能量密度低，使用相同的燃料罐，可提供的能量低。

3、由于便携设备，如笔记本电脑的实际发热量很大，所以该技术方案仅依靠前端燃料供给线路的单一液体循环方式，很难达到有效冷却发热部件并同时提高燃料电池效率的效果。

4、该技术方案燃料温度控制手段仅依靠流量控制，手段单一。一旦最大流量也不能有效阻止燃料温度升高的情况下，将使燃料电池发电本体温度不可控，反而会降低燃料电池的效率，甚至缩短燃料电池的寿命。

图2示出了中国发明专利申请CN 1647305A的系统框图，该方案只是在燃料供给/流量调整单元201与燃料电池组206之间的燃料输送管道上串接热交换单元202，由热交换单元202(位于发热部件如CPU等附近)利用发热部件所发出的热量，对通过的燃料进行加热，再输送给206。而没有利用后端反应产物水。

美国专利“Portable electronic device powered by protonexchange membrane fuel cell Patent No.US 6447945”，提供了一种使用燃料电池供电的笔记本电脑的技术方案，其描述了一种燃料电池副产物水的处理方案，只是在水路布置时，放在显示器后面的水路部分可以帮助显示屏进行散热。该专利重点是如何进行水处理。而未能针对燃料电池系统和笔记本电脑系统的系统散热优化提出解决方法。

中国发明专利申请“一种电气设备用的冷却装置”(CN01807323.9)，其美国同族专利申请“Cooling system，especiallyfor electrical appliances”(US2003141038)，该发明是利用燃料供给回路中燃料的物理态变化，比如(压缩液态氢化成氢气的热力学吸热过程)作为吸收热量达到散热目的。而实际上中这种物理态变化很难应用，尤其对便携设备来讲，易用性差，如需要携带压缩液氢等。另外，该技术方案没有有效利用反应产物水。

美国发明专利申请“System to remove heat and water from afuel cell powered device”(US20030096144)，该发明提出的是一种将反应产物水收集后，传输到发热部件处，发热部件处有海绵等吸水材料，通过吸水材料中的水自然挥发吸热，以达到散热的目的，可以通过风扇加速散热。该方案没有有效再利用产物水，而是将其直接挥发掉，仅仅为了散热而作的一种处理，这是资源的浪费。

发明内容

根据本发明的一个方案，提出了一种用于便携设备的燃料电池系统，所述便携设备具有发热部件，所述燃料电池系统包括：燃料电池主体，在所述燃料电池主体中，燃料发生化学反应，提供电能，所产生的反应产物包括水；燃料供给及循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料浓度和/或燃料温度，控制燃料循环回路中的燃料量和/或燃料流速；水循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料温度、发热部件的温度，控制水循环回路中的水量和/或水流速；燃料循环回路，构成了燃料电池主体与燃料供给及循环驱动装置之间的回路，通过其向燃料电池主体提供燃料，并将未发生化学反应的剩余燃料送回燃料供给及循环驱动装置；水循环回路，构成了反应产物中的水在其中流动的回路；以及双重循环热交换单元，在所述双重循环热交换单元中，燃料循环回路、水循环回路和发热部件之间发生热交换。

优选地，所述用于便携设备的燃料电池系统还包括辅助散热装置，用于根据水循环回路中的水量和/或水流速以及燃料循环回路中的燃料温度，对水循环回路进行散热。

优选地，所述用于便携设备的燃料电池系统还包括水收集及供给装置，用于收集反应产物水，并根据水循环回路中的水温，向水循环回路中补充温度低于水循环回路中的水温的反应产物水，以及排出水循环回路中多余的水。更优选地，所述水收集及供给装置还根据所述燃料供给及循环驱动装置的指令，向所述燃料供给及循环驱动装置提供水；所述燃料供给及循环驱动装置利用所述水收集及供给装置提供的水来调节提供给所述燃料电池主体的燃料的浓度。

优选地，所述用于便携设备的燃料电池系统还包括未反应燃料收集装置，用于分离未发生化学反应的剩余燃料和反应产物，并将剩余燃料送入燃料循环回路，返回给燃料供给及循环驱动装置。

优选地，所述用于便携设备的燃料电池系统还包括燃料存储装置，用于存储高纯度的燃料。

优选地，所述发热部件是所述便携设备的中央处理器、存储器、图像处理器和显示器中的至少一个。

优选地，所述燃料是甲醇。

根据本发明的另一方案，提出了上述燃料电池系统的操作方法，包括以下步骤：启动燃料供给及循环驱动装置，从而使燃料循环回路运转；判断燃料温升是否已经达到第一阈值；当燃料温升达到第一阈值时，启动水循环驱动装置，从而使水循环回路运转；判断燃料温度是否已经超过第二阈值；当燃料温度已经超过第二阈值时，判断发热部件的温度是否超过第三阈值；当发热部件的温度未超过第三阈值时，驱动水循环驱动装置，从而加大水循环回路中的流量，并返回对燃料温度进行判断的步骤。

优选地，所述燃料电池系统的操作方法，还包括步骤：当燃料温度未超过第二阈值时，停止辅助散热装置。

优选地，所述燃料电池系统的操作方法，还包括步骤：当发热部件的温度超过第三阈值时，判断水循环回路中的流量是否已经达到最大值；如果水循环回路中的流量已经达到最大值，则启动辅助散热装置。

优选地，所述燃料电池系统的操作方法，还包括步骤：如果水循环回路中的流量未达到最大值，则驱动水循环驱动装置，从而加大水循环回路中的流量，并返回对发热部件的温度进行判断的步骤。

优选地，所述燃料电池系统的操作方法，还包括步骤：与上述步骤并行地判断燃料循环回路中的燃料浓度是否在预先指定的范围内；如果燃料浓度超过预先指定的范围的上限值，则向燃料供给及循环驱动装置提供水进行稀释，以降低燃料浓度；如果燃料浓度低于预先指定的范围的下限值，则燃料供给及循环驱动装置提高燃料浓度。

优选地，所述燃料电池系统的操作方法，还包括步骤：与上述步骤并行地判断是否接收到关闭燃料电池系统的指令；当接收到关闭燃料电池的指令时，关闭所述燃料电池系统。

附图说明

下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了典型的直接醇燃料电池的系统逻辑框图。

图2示出了中国发明专利申请CN 1647305A的系统框图。

图3A和3B分别示出了根据本发明的燃料电池系统的简化系统框图和具体系统框图。

图4示出了用在本发明中的双重循环热交换部件的(三视)示意图。

图5示出了根据本发明的燃料电池系统在各个阶段的详细操作流程。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。

本发明提出的技术方案，能够有效利用直接醇燃料电池的前端燃料供给线路和后端反应产物水的回收线路，不但可以使用纯甲醇作为燃料，提高了有效能量密度，而且通过构建液体双重循环冷却回路，以水作为主循环冷却回路的冷却剂，以燃料(如甲醇)作为辅循环冷却回路冷却剂，在有效冷却便携设备发热部件的同时，合理配比燃料水溶液浓度，并能够准确控制燃料温度，在理想的温度下，输入燃料电池的发电部，从而使燃料电池达到最佳的反应效率。

图3A和3B分别示出了根据本发明的燃料电池系统的简化系统框图和具体系统框图。

以下对图3A和图3B进行详细的描述，在图3A和图3B中，相同的部件以相同的参考符号来表示，并对其进行统一的描述，以避免重复。

燃料存储单元300通过燃料输送管道与燃料供给及浓度控制单元301连接，燃料供给及浓度控制单元301与双重循环热交换单元303通过燃料传输管道相连接，双重循环热交换单元303与便携设备的发热部件紧密相接处，通过热传导的方式传输发热部件的热量。由燃料供给及浓度控制单元301提供动力传输到双重循环热交换单元303的燃料经过双重循环热交换单元303的上层内部通道吸收发热部件传导过来的热量后，经燃料传输管道及燃料温度监控单元302，传输至燃料电池组307的燃料级。从燃料电池组307的燃料级排出的反应后的燃料余液经过气液分离单元308后，废气被输送到尾气处理/排放单元307，而低浓度燃料(未燃烧的甲醇与反应产物水混合，降低了燃料的浓度)则通过燃料传输管道返回到燃料供给及浓度控制单元301。在双重循环热交换单元303与燃料电池组307之间的燃料输送管道上，有串联的燃料温度监控单元302，其与燃料电池控制/变换/侍服单元306之间通过数据信号线相连。燃料电池控制/变换/侍服单元306与燃料供给及浓度控制单元301之间有控制信号线相连。燃料电池控制/变换/侍服单元306通过燃料温度监控单元302的温度传感器获得输送到燃料电池组307的燃料温度值。燃料电池控制/变换/侍服单元306通过燃料供给及浓度控制单元301的浓度传感器获得输送到燃料电池组307的燃料浓度值。通过逻辑判断，发送控制信号给燃料供给及浓度控制单301，由燃料供给及浓度控制单元301调节被输送到燃料电池组307的燃料保持在一定浓度范围之内。

空气供给单元313通过空气传输管道与燃料电池组307的空气级相连，与燃料电池控制/变换/侍服单元306之间有控制信号线相连。空气供给单元313为传输空气提供动力并且接收燃料电池控制/变换/侍服单元306发来的控制信号，控制输送给燃料电池组307的空气流量。从燃料电池组307空气级排出的尾气经过冷凝/气液分离单元310进行气液分离，废气被输送到尾气处理/排放单元309处理排放，而分离出来的水则通过输送管道输送到水收集/监控单元304。水收集/监控单元304与燃料电池控制/变换/侍服单元306之间有控制信号线相连，接收燃料电池控制/变换/侍服单元306发出的控制信号。水收集/监控单元304与燃料供给及浓度控制单元301之间有水输送管道，水收集/监控单元304通过接收燃料电池控制/变换/侍服单元306的控制信号为燃料供给及浓度控制单元301补充水。

由水主循环驱动单元312、辅助散热单元311和双重循环热交换单元303构成闭合水主循环回路。由水主循环驱动单元312提供循环动力，水循环管道通过辅助散热单元311，再流经双重循环热交换单元303的下层内部通道吸收发热部件传导过来的热量后，再流回水主循环驱动单元312。在双重循环热交换单元303与水主循环驱动单元312之间水收集/监控单元304可以通过接收燃料电池控制/变换/侍服单元306发出的控制信号向水主循环回路补充水。水主循环驱动单元312、辅助散热单元311和双重循环热交换单元303分别由控制线与燃料电池控制/变换/侍服单元306相连。水主循环驱动单元312通过接收燃料电池控制/变换/侍服单元306的控制信号来调节水主循环回路的流量。辅助散热单元311通过接收燃料电池控制/变换/侍服单元306的控制信号来决定是否进行辅助散热。燃料电池控制/变换/侍服单元306通过辅助散热单元311和双重循环热交换单元303中的温度传感器，获得便携设备发热部件的温度值和水主循环回路中水的温度值。

燃料电池控制/变换/侍服单元306根据获得的燃料温度、便携设备发热部件温度和水主循环回路水的温度，来调节燃料及水的流量，以及决定是否开启辅助散热。

冷凝/气液分离单元310有控制信号线与燃料电池控制/变换/侍服单元306相连。由燃料电池控制/变换/侍服单元306发出控制信号给冷凝/气液分离单元310，来控制冷凝/气液分离单元310分离出来的水量。

启动电源305通过燃料电池控制/变换/侍服单元306的控制为燃料电池组307提供启动能源。在燃料电池组307正常发电时，可由燃料电池控制/变换/侍服单元306视需要情况对启动电源305进行充电。

燃料电池组307发出的电能通过燃料电池控制/变换/侍服单元306处理后输出。燃料电池控制/变换/侍服单元306与燃料电池电池组307之间有数据信号线相连，由燃料电池控制/变换/侍服单元306通过燃料电池组307中的传感器来监控燃料电池组307的工作状态。

虽然在图3A和3B中示出了单独的控制单元(燃料电池控制/变换/侍服单元)，但是本领域普通技术人员可以根据实际需要，将各种控制功能分别实现在各个模块中。这里所示出的分立单元，完全可以根据需要进行组合或进一步的拆分。这些单独的/集合的单元也应包含在本发明的范围内。

图4示出了用在本发明中的双重循环热交换部件的(三视)示意图。

如图所示，双重循环热交换部件包括外壳400、第一入口401、第二入口403、第一出口402和第二出口404。管道的结构为，圆形或方形截面的蛇形管道，且分为上下两条管道。入口401与出口402对应，入口403与出口404对应。每条管道分别直接串接在燃料供给回路和产物水回路上。

由于热交换部件400为金属热良导体器件，并且粘贴在便携设备发热部件(如CPU)的表面，以热传导的方式，吸收便携设备发热部件的热量。由于两条管道分别串接在燃料供给回路和产物水回路上，所以，两个回路中的液体均作为散热介质吸收热量，同时，通过调节各回路的液体流量，来调节各回路液体所吸收的热量，进而控制燃料回路中燃料的温升。

但是，应当清楚，本发明的双重循环热交换部件并不局限于所示出的结构，本领域普通技术人员可以根据需要选择任意结构的热交换部件来实现水循环回路、燃料循环回路与发热部件之间的热交换。

图5示出了根据本发明的燃料电池系统在各个阶段的详细操作流程。

采用本发明技术方案，将双重循环热交换部件与便携设备的主要发热部件紧密结合，在用户启动便携设备后，燃料电池启动。燃料电池的逻辑控制可用单片机来完成，详细流程图如图5所示，在图5中，对于各个判断步骤，向下的箭头方向表示判断结果为“是”，而向左或向右的分支箭头方向表示判断结果为“否”。

接下来，将结合图3A、3B和图5，对根据本发明的便携设备的燃料电池系统各个阶段的操作流程进行详细的描述。

启动流程：

用户发起启动便携设备操作后，由启动电源305提供电力，驱动燃料供给及浓度控制单元301的燃料泵，从燃料罐300中汲取燃料并输送燃料经双重循环热交换单元303和燃料浓度控制单元302，进入燃料电池组307的燃料级，经过燃料电池组307后的燃料残留物，经气液分离单元308后处理后，残液流回燃料供给及浓度控制单元301。此过程为燃料辅循环运转步骤(S501)。

在用户启动便携设备后，燃料电池尚未正常工作前，由启动电源单元301为主设备供电。

双重循环热交换单元303与便携设备的发热部件紧密接触，流经的燃料吸收便携设备发热部件的热量，提高燃料自身的温度，进而通过燃料辅循环将热量带到燃料电池组307的燃料级，加速燃料电池组307的预热过程，缩短预热时间。

燃料电池控制/变换/侍服单元306通过燃料供给及浓度控制单元301中的浓度传感器，监控并调节燃料辅循环回路中的燃料浓度(S513，S514)。如果燃料浓度低于预定浓度范围，则提高从燃料罐300的纯燃料进量(S516)。如果燃料浓度高于预定浓度范围则提高从水收集/监控单元304的水进量(S515)。使得在燃料辅循环回路中的燃料浓度处在理想的预定浓度范围之内。

从用户发起启动便携设备操作后，启动电源305提供电力，驱动空气供给单元313，为燃料电池组307的空气级提供空气，随着燃料辅循环回路中燃料温度的不断提高，燃料电池组307逐渐进入正常发电状态，则燃料电池组307空气级的反应产物逐渐增多，并经过冷凝/气液分离单元310后，残留的水被输送到水收集/监控单元304。

燃料电池控制/变换/侍服单元306通过燃料温度监控单元302中的温度传感器，监控流入燃料电池组307的燃料温度(S504)，在燃料温度超过阈值后，燃料电池控制/变换/侍服单元306开始启动水主循环运转(S505)。

由燃料电池组307发出的电力直接驱动水主循环驱动单元312的水泵，为水主循环回路提供动力。

运行流程：

便携设备运转过程中，由于燃料辅循环回路中燃料的温度需要被控制在合适的温度范围内，所以主要通过水主循环回路来对便携设备的发热部件进行散热，同时控制燃料辅循环回路中燃料的燃料温度。水主循环回路中的水流经双重热交换单元303，在此与燃料辅循环回路建立热交换联系，在吸收便携设备发出的热量的同时，可以通过水主循环回路的流量变化，来控制燃料辅循环回路的温度。从双重热交换单元303流出的水，经分布管道等被动散热装置将热量散到便携设备外部(S506，S509)。

燃料电池控制/变换/侍服单元306可控制水主循环驱动单元312来调节水主循环回路中的水流速，进而调节流经双重循环热交换安源303的水流量，以调节燃料辅循环回路与水主循环回路的吸收热量分配(S511)。如果在水循环回路最大流量的情况下，仍不能控制燃料辅循环回路中燃料的温度和便携设备发热部件温度继续升高(S508，S510)，燃料电池控制/变换/侍服单元306则启动辅助散热单元311运转(S512)，采用主动散热的方式，帮助水主循环回路把热量排到便携设备之外。当便携设备温度和燃料辅循环回路中燃料温度回落到阈值范围内后，燃料电池控制/变换/侍服单元306则关闭辅助散热单元311的运转(S507)，以节省能量。

燃料电池控制/变换/侍服单元306可控制水收集/监控单元304，通过水收集/监控单元304控制水主循环回路中的水和可提供给燃料供给及浓度控制单元301用于稀释纯燃料的水充足。

燃料电池控制/变换/侍服单元306可控制冷凝/气液分离单元310调节对燃料电池组307空气级排出的反应产物气液分离的比例，以保证适量的水进入水收集/监控单元304。

关闭流程：

在用户发出关闭便携设备的操作后，燃料电池控制/变换/侍服单元306首先关闭燃料供给及浓度控制单元301，停止燃料辅循环，燃料电池组307停止发电。之后又启动电源305提供电力，继续驱动空气供给单元313和水主循环驱动单元311，在预定的延时时间内，由空气供给单元313对燃料电池组307座延时散热。由水主循环回路对便携设备发热部件作延时散热。预定时间过后(或检测发热部件温度低于预定值后)，燃料电池控制/变换/侍服单元306关闭启动电源。整个便携系统处于关闭状态(S502，S503)。

本发明利用直接醇燃料电池的前端燃料循环回路和后端副产物水循环回路双重冷却循环对便携设备的发热部件进行散热。并且通过水主循环回路冷却以及辅助散热部件加强冷却，可以有效控制燃料辅循环回路上燃料的温升，使进入燃料电池组的燃料能够保持理想的温度，进而使燃料电池发电保持高效率。水主循环回路中的水进一步用于稀释高浓度燃料，然后使得稀释后的燃料进入热交换部件，从而使便携设备因可使用高浓度燃料而携带更多的能量。

本发明具有以下优势：

1、使用比热较大的水作为主循环回路对便携设备发热部件进行散热，并且主循环回路上有辅助散热设备，可以保证在发热部件热量较大的时候，能够有效散热冷却；

2、使用主循环回路中的水对高浓度的燃料进行稀释，使携带高浓度，甚至是纯的燃料进行发电成为可能；

3、将稀释的燃料作为辅循环回路对便携设备的发热部件进行辅助散热，提高散热效率的同时，使燃料的温度得到预热，进而提高燃料电池的发电效率；

4、主、辅循环回路通过同一个双重热交换部件进行热交换，所以，燃料的温升能够通过主、辅循环回路的流量控制而得到有效的控制，即进入燃料电池组的燃料温度严格可控。

5、主、辅循环回路，可以以不同的工作顺序，来适应燃料电池系统的不同工作状态。启动时，燃料电池组需快速升温，只辅循环回路工作。关闭时，燃料电池组和发热部件需快速冷却，只主循环回路和辅助散热设备工作，以达到最快的冷却时间。

另外，本方明不但可以应用在小型便携设备上，其原理也可以应用在动力燃料电池驱动的中大型设备上。

最后所应说明的是：以上实施例仅仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种用于便携设备的燃料电池系统，所述便携设备具有发热部件，所述燃料电池系统包括：

燃料电池主体，在所述燃料电池主体中，燃料发生化学反应，提供电能，所产生的反应产物包括水；

燃料供给及循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料浓度和/或燃料温度，控制燃料循环回路中的燃料量和/或燃料流速；

水循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料温度、发热部件的温度，控制水循环回路中的水量和/或水流速；

燃料循环回路，构成了燃料电池主体与燃料供给及循环驱动装置之间的回路，通过其向燃料电池主体提供燃料，并将未发生化学反应的剩余燃料送回燃料供给及循环驱动装置；

水循环回路，构成了反应产物中的水在其中流动的回路；以及

双重循环热交换单元，在所述双重循环热交换单元中，燃料循环回路、水循环回路和发热部件之间发生热交换。

2.根据权利要求1所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括辅助散热装置，用于根据水循环回路中的水量和/或水流速以及燃料循环回路中的燃料温度，对水循环回路进行散热。

3.根据权利要求1所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括水收集及供给装置，用于收集反应产物水，并根据水循环回路中的水温，向水循环回路中补充温度低于水循环回路中的水温的反应产物水，以及排出水循环回路中多余的水。

4.根据权利要求3所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于

所述水收集及供给装置还根据所述燃料供给及循环驱动装置的指令，向所述燃料供给及循环驱动装置提供水；

所述燃料供给及循环驱动装置利用所述水收集及供给装置提供的水来调节提供给所述燃料电池主体的燃料的浓度。

5.根据权利要求1所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括未反应燃料收集装置，用于分离未发生化学反应的剩余燃料和反应产物，并将剩余燃料送入燃料循环回路，返回给燃料供给及循环驱动装置。

6.根据权利要求1到5之一所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括燃料存储装置，用于存储高纯度的燃料。

7.根据权利要求1到5之一所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于所述发热部件是所述便携设备的中央处理器、存储器、图像处理器和显示器中的至少一个。

8.根据权利要求1到5之一所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于所述燃料是甲醇。

9.一种根据权利要求1到8之一所述的燃料电池系统的操作方法，包括以下步骤：

启动燃料供给及循环驱动装置，从而使燃料循环回路运转；

判断燃料温升是否已经达到第一阈值；

当燃料温升达到第一阈值时，启动水循环驱动装置，从而使水循环回路运转；

判断燃料温度是否已经超过第二阈值；

当燃料温度已经超过第二阈值时，判断发热部件的温度是否超过第三阈值；

当发热部件的温度未超过第三阈值时，驱动水循环驱动装置，从而加大水循环回路中的流量，并返回对燃料温度进行判断的步骤。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统的操作方法，其特征在于还包括步骤：

当燃料温度未超过第二阈值时，停止辅助散热装置。

11.根据权利要求9所述的燃料电池系统的操作方法，其特征在于还包括步骤：

当发热部件的温度超过第三阈值时，判断水循环回路中的流量是否已经达到最大值；

如果水循环回路中的流量已经达到最大值，则启动辅助散热装置。

12.根据权利要求11所述的燃料电池系统的操作方法，其特征在于还包括步骤：

如果水循环回路中的流量未达到最大值，则驱动水循环驱动装置，从而加大水循环回路中的流量，并返回对发热部件的温度进行判断的步骤。

13.根据权利要求9所述的燃料电池系统的操作方法，其特征在于还包括步骤：

与上述步骤并行地判断燃料循环回路中的燃料浓度是否在预先指定的范围内；

如果燃料浓度超过预先指定的范围的上限值，则向燃料供给及循环驱动装置提供水进行稀释，以降低燃料浓度；

如果燃料浓度低于预先指定的范围的下限值，则燃料供给及循环驱动装置提高燃料浓度。

14.根据权利要求9所述的燃料电池系统的操作方法，其特征在于还包括步骤：

与上述步骤并行地判断是否接收到关闭燃料电池系统的指令；

当接收到关闭燃料电池的指令时，关闭所述燃料电池系统。

Images