CN101378130A - 驱动燃料电池装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种驱动燃料电池装置的方法，该方法包括：基于浓度传感器元件(31)检测到的燃料浓度与预定理想燃料浓度的差值，计算燃料短缺；并基于温度传感器元件(18)检测到的起电部的温度，与控制部(16)测量的负载电流，获得起电部(12)的电力产生效率。该方法包括基于起电部的输出，与获得的电力产生效率，计算起电部对电力产生的燃料消耗；以及由提供部对混合池(28)补充一定量的燃料，该数量等于计算的燃料短缺与计算的燃料消耗之和，从而控制提供到起电部的燃料浓度。

Description

驱动燃料电池装置的方法

技术领域

本发明涉及一种驱动用于向电子装置等提供电流的燃料电池装置的方法。

背景技术

目前，诸如锂离子电池的二次电池主要被用作电子装置的能源，该电子装置例如，便携式笔记本个人计算机(笔记本PC)，移动装置，等。近年来，体积小，输出高，且无需充电的燃料电池有望成为新能源，以满足日益增加的能耗，与长久使用具有更高功能的电子装置的需要。在各类燃料电池中，与使用氢作为其燃料的燃料电池相比，使用甲醇溶液作为其燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)，允许更方便地处理燃料与更简单的系统配置。因此，DMFC是值得注意的电子装置的能源。

通常，DMFC提供有燃料池，其包含甲醇，液泵，其将甲醇液压到起电部，气泵，其对起电部提供空气，等等。起电部设置有电池组，其由层叠的单一电池组成，各自包括阳极和阴极。当分别对阳极和阴极侧提供甲醇与空气时，将通过化学反应产生电力。作为电力产生所生成的反应产物，将在起电部的阳极侧生成未反应的甲醇和二氧化碳，并在阴极侧生成水。作为反应产物的水将被压缩为蒸汽并排出。

以此种方式构成的燃料电池已经被开发作为保证清洁废气的电池。在系统异常的情形中，可能会排出未反应的甲醇，多余的二氧化碳，或者中间产物，诸如蚁酸，蚁醛等。因此，为了稳定运行燃料电池，当起电部以最佳控制浓度提供燃料时，应当测量其产生的电力，与电池组的温度。

举例来说，在第2006-286239号日本专利申请KOKAI公布中披露的燃料电池系统中，提供有浓度/电压控制机构，其在发电机的温度升高时，降低含水甲醇溶液的浓度，与DMFC电力发电机的电压。提出有一个方法，其中提供甲醇以补充与设定浓度相比的不足，并且从组输出与修正的燃料消耗因子，估计过去预定时间段中的甲醇消耗，从而修正要补充的甲醇的量。

然而，通常，DMFC的电力产生效率具有如下特征，其并不关于电池组温度与负载电流的改变而固定，在确定的温度或负载电流取得最大值，并随着距离从最大值减少。如果在DMFC系统启动时，或者由于周围环境的变动，电子装置的能耗变动等，DMFC系统的任何情况，尤其是电池组温度和负载电流，将会变化，因此，将燃料消耗因子或电力产生效率视为固定补充的传统浓度控制，会导致围绕阳极循环的含水甲醇溶液的浓度不稳定，并影响DMFC系统的稳定性。

发明内容

本发明是考虑到这些情况作出的，其目的是提供一种驱动燃料电池装置的方法，其中将补充最佳量的燃料，以设置适当的燃料浓度，从而能保证稳定运行并提高输出能量。

根据本发明的一方面，提供有一种驱动燃料电池装置的方法，该燃料电池装置设置有起电部，该起电部包括阳极和阴极，并基于提供到阳极的燃料与提供到阴极的空气的化学反应产生电力；控制部，其基于所连接的电子装置的负载电流，将输出从起电部传递到所连接的电子装置；混合池，其配置为包含提供到阳极的燃料；燃料通道，从混合池提供的燃料通过起电部的阳极侧流过该通道；空气通道，空气通过阴极穿过该通道；补充容器，其包含要补充到混合池的燃料；燃料提供部，其将补充容器中的燃料提供到混合池；浓度传感器元件，其放置在混合池与起电部之间的燃料通道中，并检测流动穿过燃料通道的含水燃料溶液的燃料浓度；以及温度传感器元件，其检测起电部的温度，该方法包含：基于浓度传感器元件检测到的燃料浓度与预定理想燃料浓度的差值，计算燃料短缺；基于温度传感器元件检测到的起电部的温度，与控制部测量的负载电流，获得起电部的电力产生效率；基于起电部的输出，与获得的电力产生效率，计算起电部用于电力产生的燃料消耗；以及由提供部对混合池补充一定量的燃料，该数量等于计算的燃料短缺与计算的燃料消耗之和，从而控制提供到起电部的燃料浓度。

根据上述安排，可以提供驱动燃料电池装置的方法，其中能补充最佳数量的燃料，以设置合适的燃料浓度，从而能保证稳定运行并提高输出能量。

本发明的其他目的和优势将在以下中进行阐述，其中部分通过说明显而易见，或者可以通过实践本发明进行了解。本发明的目的和优势可以通过以下特别指出的手段和组合来实现和获得。

附图说明

以下参照附图，说明实现本发明诸多特征的总体结构。附图及其相关说明是提供来图释本发明的实施例，而非限制本发明的范围。

图1是示意性显示根据本发明实施例的燃料电池装置的图表；

图2是示意性显示构成燃料电池装置的电池组的单一电池的视图；

图3是显示电池组温度，用于电池组的负载电流，与燃料电池装置的电力产生效率之间的关系的图表；

图4是显示电池组温度，用于电池组的负载电流，与燃料电池装置的电力产生效率之间的关系的图表；

图5是显示对燃料电池装置的燃料浓度的优化操作的流程图。

具体实施方式

以下参照附图，详细说明本发明的实施例。

图1示意性显示了根据本发明实施例的燃料电池装置10。如图1所示，燃料电池装置10构成为使用甲醇作为其液体燃料的DMFC。装置10提供有电池组12，燃料池14，循环系统20，和电池控制部16。电池组12构成起电部。循环系统20对电池组提供燃料和空气。电池控制部16控制整个燃料电池装置的运行。控制部16包括微型计算机(CPU)等，并电连接到电池组12。此外，控制部16将电池组12产生的电力提供到电子装置17，诸如笔记本PC，移动电话等。电池控制部16同时测量电池组12的输出能量，与从电子装置17到电池组12的负载电流。

燃料池14具有密封结构，其中包含有高浓度甲醇作为液体燃料。池14可以形成为可移除地附接到燃料电池装置10的燃料盒。

循环系统20包括阳极通道(燃料通道)22，阴极通道(气体通道)24，以及多个辅助组件。从燃料池14的燃料入口提供的燃料，通过电池组12穿过阳极通道22。包含空气的气体通过电池组12穿过阴极通道24。辅助组件结合在阳极和阴极通道中。阳极和阴极通道22和24各自由管道等形成。

电池组12通过逐层堆叠多个单一电池形成。图2示意显示各单一电池的电力产生反应。各单一电池140设置有薄膜电极组件(MEA)，其集成地包括阴极(空气电极)66，阳极(燃料电极)67，和大致为矩形的聚合物电解质薄膜144。阴极66和阳极67大致为矩形板，各自由催化剂层和碳素纸形成。聚合物电解质薄膜144夹在阴极和阳极之间。聚合物电解质薄膜144的面积大于阳极67和阴极66。

提供的燃料和空气在阳极67与阴极66之间的聚合物电解质薄膜144中互相化学反应，从而在阳极和阴极之间产生电力。电池组12中产生的电力通过电池控制部16，提供到电子装置17。

如图1所示，电池组12装配有温度传感器18，用来检测其温度。传感器18电连接到电池控制部16，并将检测的电池组12的温度输出到电池控制部16。

如图1所示，充当燃料提供部的燃料泵26连接到阳极通道22。泵26用管道连接到燃料池14的燃料入口。泵26的驱动电压或转动频率由电池控制部16控制，从而调整提供到阳极通道22和混合池28(稍后说明)的高浓度燃料的流速。

调整燃料浓度的混合池28放置在阳极通道22中，并通过管道连接到燃料泵的输出部分。在阳极通道22中，液泵30设置在混合池与电池组12之间，并连接到混合池28的输出部分。液泵30的输出部分通过阳极通道22，连接到电池组12的阳极67。因此，液泵30将含水甲醇溶液从混合池28提供到阳极67。

在阳极通道22中，浓度传感器31设置在混合池28与液泵30之间。传感器31检测从混合池28提供到电池组12的液体燃料的浓度，并将检测数据输出到电池控制部16。

电池组12的阳极67的输出部分通过阳极通道22，连接到混合池28的输入部分。气液分离器32附接到阳极通道22中位于电池组12的输出部分与混合池28之间的部分。废液从阳极67排出，即，包含含水甲醇溶液中未用于化学反应的未反应部分，与生成的二氧化碳(CO2)的气液两相流体，被馈送到气液分离器32，在其中分离二氧化碳。分离的含水甲醇溶液通过阳极通道22返回到混合池28，并再次提供到阳极67。气液分离器32分离的二氧化碳通过过滤器(未显示)，排放到空气中。

阴极通道24的引入口24a和废气口24b独立开放到大气中。结合在阴极通道24中的辅助组件包括空气过滤器40，气泵42，和废气过滤器44。空气过滤器40位于阴极通道24在电池组12上游侧的引入口24a附近。气泵42连接到阴极通道24位于电池组12与空气过滤器之间的部分。废气过滤器44位于电池组12与在电池组下游侧的废气口24b之间。

当启动气泵42时，空气通过引入口24a馈送到阴极通道24。在馈送的空气通过空气过滤器40之后，其将从气泵42馈送到电池组12的阴极66，从而利用空气中的氧气来产生电力。从阴极66排出的空气穿过阴极通道24和废气过滤器44，并通过废气口24b排出到大气中。

空气过滤器40捕获并移除进入阴极通道24的空气中的尘埃，并净化有害组分，例如二氧化碳，蚁酸(formic acid)，可燃气体，甲酸甲酯(methyl fomate)，蚁醛(formaldehyde)等。废气过滤器44净化通过阴极管道24排放到外部的空气中的副产物，并捕获废气中的可燃气体等。

在运行以此种方式构成的燃料电池装置10作为电子装置17的能源时，在电池控制部16的控制下，启动燃料泵26，液泵30，和气泵42，并打开开关阀。甲醇由燃料泵26，从燃料池14提供到混合池28，从而在混合池中与水混合，以形成具有理想浓度的含水甲醇溶液。此外，混合池28中的含水甲醇溶液由液泵30，穿过阳极通道22，提供到电池组12的阳极67。

气泵42将开放气体通过其引入口24a，引入到阴极通道24中。当空气穿过空气过滤器40时，将去除其尘埃和杂质。在穿过过滤器40之后，空气提供到电池组12的阴极66。

提供到电池组12的甲醇和空气在位于阳极67与阴极66之间的电解质薄膜中进行电化学反应，从而在阳极与阴极之间产生电力。电池组12中产生的电力通过电池控制部16，提供到电子装置17。

随着电化学反应的进行，在电池组12中，将分别在阳极67与阴极66侧生成二氧化碳和水作为反应产物。在阳极侧生成的二氧化碳和未用于化学反应的含水甲醇溶液中的未反应部分，通过阳极通道22馈送到气液分离器32，从而彼此分离。分离的含水甲醇溶液通过阳极通道22，从气液分离器32回收到混合池28中，并再次用来产生电力。分离的二氧化碳从分离器32排出到大气中。

电池组12的阴极66侧生成的大部分水压缩为蒸汽，连同进入阴极通道24的空气被排出。包含排出气体与蒸汽的气体馈送到废气过滤器44，从而清除尘埃与杂质，然后通过阴极管道24的废气口24b排放到外部。

在上述电力产生操作中，电池控制部16基于温度传感器18检测的电池组12的温度，与电子装置17的负载电流，计算燃料电池装置10的电力产生效率。基于该电力产生效率，电池控制部16控制甲醇供应，从而优化提供到阳极67的燃料浓度，以及电力产生操作。

电池控制部16预先加载有数据，作为指示电池组12的温度，负载电流，与电力产生效率之间关系的数据库。图3显示由电池组12的特征推出的电池组，负载电流，与电力产生效率之间的关系。多个特征曲线a，b，c和d分别代表对负载电流0.5，1，2和3A建立的电池组温度与电力产生效率之间的关系。燃料电池装置的电力产生效率具有如下特征，诸如不关于电池组温度和负载电流的改变而固定，在特定温度或负载电流时达到最大值，并随距离从最大值减少。电池控制部16包括存储器(未显示)，其加载有这些特征作为参考数据。此外，电池控制部16加载有最佳燃料浓度值作为对应于电池组12特征的参考值。

如图4所示，电池组温度与电力产生效率之间的关系，可以通过逐渐改变(1)或线性改变(2)以及基于特定方程的改变(3)来近似。

以下是对燃料电池装置的电力产生操作中，用于优化所提供燃料浓度的调整方法的详细描述。具体说来，电池控制部16基于电池组温度和负载电流，获得燃料电池装置的电力产生效率，并基于获得的电力产生效率和组输出，计算发电所消耗甲醇的估算量。

以下参照图5的流程图，说明调整方法。

首先，电池控制部16引起浓度传感器31检测燃料浓度，即，含水甲醇溶液(ST1)的甲醇浓度，并基于所检测燃料浓度与预定理想燃料浓度(ST2)之间的差值，计算燃料短缺M1。此外，电池控制部16引起温度传感器18检测电池组12的温度，并测量从燃料电池装置10对其供电的电子装置17的负载电流(ST3)。电池控制部16基于所检测电池组12的温度，所测量负载电流，和图3所示预先加载的参考数据，获取电池组12的电力产生效率η(％)(ST4)。

接着，电池控制部16测量电池组12的输出，并基于所测量输出与所获得电力产生效率η，计算电池组12为电力产生要消耗的甲醇M2(ST6)。此外，在作为用于补充的甲醇供应中，电池控制部16计算燃料(甲醇)量，该燃料(甲醇)量等于所计算燃料短缺M1与消耗M2之和(M1+M2)(ST7)。

电池控制部16确定所计算用于补充的甲醇供应是否小于零(ST8)。如果甲醇供应小于零，就以甲醇提供视为零来控制燃料泵26，因为不可能有负值的甲醇提供(ST9)。换而言之，不提供用于补充的甲醇。如果在ST8中得出结论所计算用于补充的甲醇供应大于零，电池控制部16就控制燃料泵26的转动频率或驱动电压，从而从燃料池14提供数量等与所计算甲醇提供应的甲醇到混合池28。因此，提供到电池组12的含水甲醇溶液的浓度被可以保持在用于电力产生的最佳理想值。

在上述燃料浓度控制中，使用预定时间段的平均值，作为电池组12的负载电流与电池组的输出值。该预定时间段长于浓度控制的控制时间段，例如，一秒，并短于含水甲醇溶液循环穿过阳极通道22的所需时间段(例如，阳极通道22的容量(ml)除以含水甲醇溶液的流速(ml/min)的比值)。

根据以此种方式构成的燃料电池装置，基于电池组温度和负载电流获得电力产生效率，基于所获得电力产生效率和组输出计算电力产生所消耗甲醇的估算量，并修正甲醇供应。通过如此，可以提供最佳量的用于补充的甲醇。因此，可以基于燃料电池装置的运行条件，周围环境的波动，电子装置的能耗变动等，准确计算燃料消耗。通过提供相当于消耗量的甲醇用于补充，含水甲醇溶液的浓度可以稳定在最佳量，以致燃料电池装置的电力产生操作很稳定。

因此，可以获得驱动燃料电池装置的方法，其中将补充最佳量的燃料，以设置合适的燃料浓度，从而能保证稳定运行，并提高输出能量。

虽然已经说明本发明的某些实施例，这些实施例仅作为示例呈现，而非意在限制本发明的范围。事实上，本文所述的新颖方法与系统能够以诸多形式实施。此外，可以在本文所述方法与系统的形式中做出诸多省略，替代，和改变，而不背离本发明的精神。附加权利要求及其等价物是意在覆盖此种将落在本发明范围与精神之内的形式或修改。

燃料电池装置也可以建立在电子装置中，而非外部连接到电子装置。所用燃料不限于甲醇，而可以替换为其他醇类，如乙醇或烃系燃料。此外，燃料提供部不限于燃料泵，而可以是任意其他装置，例如注射嘴。举例来说，如果使用注射嘴，可以通过基于计算的燃料提供，控制注射频率，来获得理想的燃料浓度。

Claims (6)

1.一种驱动燃料电池装置的方法，该燃料电池驱动装置设置有起电部，该起电部包括阳极和阴极，并基于提供到阳极的燃料与提供到阴极的空气的化学反应而产生电力；控制部，其基于所连接的电子装置的负载电流，将输出从所述起电部传递到所连接的电子装置；混合池，其配置为包含提供到阳极的燃料；燃料通道，从所述混合池提供的燃料通过所述起电部的阳极侧流过该通道；空气通道，空气通过阴极穿过该通道；补充容器，其包含要补充到所述混合池的燃料；燃料提供部，其将补充容器中的燃料提供到所述混合池；浓度传感器元件，其放置在所述混合池与所述起电部之间的所述燃料通道中，并检测流动穿过燃料通道的含水燃料溶液的燃料浓度；以及温度传感器元件，其检测所述起电部的温度，其特征在于，该方法包含：

基于所述浓度传感器元件检测到的燃料浓度与预定理想燃料浓度的差值，计算燃料短缺；

基于所述温度传感器元件检测到的所述起电部的温度与所述控制部测量的负载电流，获得所述起电部的电力产生效率；

基于所述起电部的输出与所述获得的电力产生效率，计算所述起电部用于电力产生的燃料消耗；以及

由所述提供部对混合池补充一定量的燃料，该量等于计算的燃料短缺与计算的燃料消耗之和，从而控制提供给所述起电部的燃料浓度。

2.如权利要求1所述的驱动燃料电池装置的方法，其特征在于，基于指示先前存储的所述起电部的温度、负载电流与电力产生效率之间关系的数据计算电力产生效率。

3.如权利要求1所述的驱动燃料电池装置的方法，其特征在于，使用预定时间段的平均值作为所述电子装置的负载电流以及起电部的输出，该预定时间段长于燃料浓度控制的控制时间段，并短于燃料循环流过所述燃料通道所需的时间段。

4.如权利要求1所述的驱动燃料电池装置的方法，其特征在于，所述提供部包括燃料泵，其根据所计算的燃料短缺与所计算的燃料消耗的总和被驱动。

5.如权利要求1所述的驱动燃料电池装置的方法，其特征在于，当所计算燃料短缺与所计算燃料消耗的总和小于零时，所述提供部被控制为将该总和视为零。

6.如权利要求1所述的驱动燃料电池装置的方法，其特征在于，使用甲醇，乙醇，或烃系燃料作为燃料。

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