CN101425592A - 控制直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种直接液体燃料电池以及用于控制其中的燃料浓度的方法和装置。感测每单位面积的燃料电池输出电流以确定它是否变得下降超过某一幅度并且维持了一定时间。从每单位面积的电流下降的时间点之前且临近该时间点的原始输出电压到输出电压，感测燃料电池输出电压，新的输出电压随着每单位面积的电流的下降而增大，并且然后稳定在新的电平。将新的输出电压与在原始输出电压和新的输出电压之间感测的瞬变电压进行比较。如果瞬变电压等于或者小于新的输出电压，则增加提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。

Description

控制直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年10月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2007-0109804的优先权，其全部内容通过引用纳入本文之中。
技术领域
本发明涉及燃料电池，并且更为具体地涉及用于控制直接液体燃料电池(DLFC)中的燃料浓度的方法和装置。
背景技术
DLFC是在其阳极中直接使用液体燃料的燃料电池，典型地包括直接甲醇燃料电池(DMFC)。因为DLFC使用固态聚合物作为电解质，所以它没有电解质腐蚀或者电解质蒸发的风险，并且在小于100℃的工作温度工作。因而，它适合作为便携式电子设备或者小型电子设备的电源。鉴于这些优势，对DLFC进行了积极的研究。
DLFC的性能会受到提供给阳极的燃料浓度的影响。由于DLFC通过使液体燃料和氧化剂进行电化学反应而发电，所以在其工作期间燃料浓度可能会降低。因此，由于低燃料浓度导致的燃料供应不足会损害阳极电极，有可能使DLFC的工作性能恶化。所以，为了获得令人满意的工作性能，燃料浓度需要维持在适当的范围内。
而且，随着便携式电子设备，例如便携式终端、便携式多媒体播放器(PMP)等等，变得越来越小，DLFC也需要小型化，以使它们能被用作这些便携式电子设备的电源。
为了满足现时需求，需要小型DLFC和用于控制在制备好的燃料电池中控制燃料浓度的浓度传感器两者。然而，最传统的浓度传感器随着使用时间的增加其感测能力会迅速降低。而且，由于浓度传感器的大小通常相对较大，所以将其用于小型DLFC是一个难题。
发明内容
根据本发明提供了一种用于控制DLFC中的燃料浓度的方法和装置，其能够使用响应于每单位面积的燃料电池输出电流的突然变化的燃料电池堆的燃料电池输出电压，容易地控制燃料浓度。
根据本发明还提供了一种高性能小型DLFC，其使用了如上所述的用于控制DLFC中的燃料浓度的方法。
根据本发明的示例性实施例，一种用于控制DLFC中的燃料浓度的方法，包括：(a)监视燃料电池堆的燃料电池输出电流和燃料电池输出电压；(b)感测每单位面积的燃料电池输出电流是否变得下降了大于某一幅度并且维持了一定时间；(c)感测从每单位面积的电流下降的时间点之前且临近该时间点的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压随着每单位面积的电流的下降而增大，然后维持在新的每单位面积的电流；(d)将新的燃料电池输出电压与在原始燃料电池输出电压和新的燃料电池输出电压之间感测的瞬变电压进行比较；以及(e)如果瞬变电压等于或者小于新的燃料电池输出电压，则增大提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
在示例性实施例中，根据本发明的用于控制DLFC中的燃料浓度的方法进一步包括，如果瞬变电压大于新的燃料电池输出电压，则维持提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
根据本发明的另一示例性实施例，一种用于控制DLFC中的燃料浓度的方法包括：(a)限制燃料电池输出电流，以使燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流下降大于某一幅度；(b)感测从每单位面积的电流下降的时间点之前且临近该时间点的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压随着每单位面积的电流的下降而增大，然后维持在恒定电平；(c)将新的燃料电池输出电压与在原始燃料电池输出电压和新的燃料电池输出电压之间感测的瞬变电压进行比较；以及(d)如果瞬变电压小于或者等于新的燃料电池输出电压，则增大提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
根据本发明的另一示例性实施例，一种用于控制DLFC中的燃料浓度的装置，其控制直接提供给燃料电池堆阳极的液体燃料的燃料浓度，所述装置包括恒流电路单元，用于使燃料电池堆中的每单位面积的电流阶梯式下降。传感器感测从每单位面积的电流下降的时间点之前且临近该时间点的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压从所述时间点增大，并且然后稳定在新的燃料电池输出电压。比较器感测原始燃料电池输出电压和新的燃料电池输出电压之间的瞬变电压与新的燃料电池输出电压，并且，如果瞬变电压小于或者等于新的燃料电池输出电压，则工作控制器增大提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
根据本发明的再一示例性实施例，一种用于控制在DLFC中的燃料浓度的装置，其控制直接提供给燃料电池堆阳极的液体燃料中的燃料浓度，所述控制装置包括存储器，其中存储程序。处理器连接到该存储器，以执行该程序。借助于该程序，处理器用于：从燃料电池堆输出测试电流，其从第一每单位面积的电流变化到小于该第一每单位面积的电流的第二每单位面积的电流；感测响应于来自燃料电池堆的测试电流而增大的新的燃料电池输出电压；以及如果在达到该新的燃料电池输出电压之前的瞬变电压等于或者小于该新的燃料电池输出电压，则增大液体燃料中的燃料浓度。
根据本发明的再一示例性实施例，一种用于控制DLFC中的燃料浓度的装置，所述装置包括燃料电池堆，其具有阳极、阴极、以及位于阳极和阴极之间的电解质，其通过提供给阳极的液体燃料和提供给阴极的氧化剂的电化学反应产生电能。燃料提供设备将液体燃料提供到燃料电池堆。控制装置控制燃料提供设备，以便控制提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。该控制装置包括恒流电路单元，用于使该燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流阶梯式下降。传感器感测从每单位面积的燃料电池输出电流下降的时间点之前且临近该时间点的燃料电池堆的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压从该时间点增大，并且然后稳定在恒定电平。比较器比较新的燃料电池输出电压与原始燃料电池输出电压与新的燃料电池输出电压之间的瞬变电压。如果该瞬变电压等于或者小于新的燃料电池输出电压，则工作控制器增大提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
恒流电路单元可以连接在燃料电池堆和外部负载之间。
恒流电路单元可以包括串联连接在燃料电池堆和外部负载之间的恒流二极管。
处理器可以控制所述处理器控制开关装置将恒流二极管串联连接在燃料电池堆和外部负载之间以产生测试电流。
附图说明
图1是根据本发明示例性实施例的DLFC的示意方框图。
图2是描述根据本发明示例性实施例的用于控制DLFC中的燃料浓度的方法的流程图。
图3A和3B是解释根据本发明示例性实施例的用于控制DLFC中的燃料浓度的方法的图表。
图3C是描述根据本发明示例性实施例的燃料电池输出电压和DLFC中的燃料浓度的关系的图表。
图3D是描述根据本发明示例性实施例的燃料电池输出电压和DLFC中的燃料提供速度的关系的图表。
图4是根据本发明示例性实施例的DLFC的示意方框图。
图5是描述根据本发明示例性实施例的用于控制DLFC中的燃料浓度的方法的流程图。
图6是解释根据本发明示例性实施例的适用于DLFC中的控制装置的示意方框图。
具体实施方式
参照图1，DLFC 10包括燃料电池主体20，其通过液体燃料与氧化剂的电化学反应产生电能并且将产生的电能提供到外部负载60。燃料提供设备包括燃料箱30和燃料泵32，燃料箱30存储要提供给燃料电池主体20的液体燃料，而燃料泵32将所存储的液体燃料传输到燃料电池主体20。控制装置40连接到电流传感器51和电压传感器52，并基于响应于从燃料电池主体20输出的每单位面积的电流的急剧下降而导致的燃料电池输出电压的变化过程，将提供给燃料电池主体20的液体燃料的燃料浓度控制在期望的范围之内。
燃料电池主体20通常包括燃料电池堆。燃料电池堆包括膜电极组件(MEA)，其具有阳极、阴极、以及位于阳极和阴极之间的固态聚合物电解质。燃料电池堆可以被设计为活性型(active type)的电池堆，包括分离的氧化剂提供设备以用于将氧化剂提供到阴极，或者可以被设计为半钝性(semi-passive)型(也称为钝性(passive)型)的电池堆，不包括氧化剂提供设备，但是包括燃料转输设备，用以将液体燃料提供到阳极。在这里，液体燃料包括石油或者从石油中获得的含碳氢化合物的(hydro-carbonaceous)物质、甲醇和乙醇，并且还可以包括液体燃料作为主要成分以及一些气体燃料的混合燃料。氧化剂包括纯氧或者空气中的氧。
在上述燃料电池堆中，电解质能够通过含氟的电解质膜或者含碳氢化合物的电解质膜来实现。阳极可以包括位于电解质膜一个表面上的阳极电极，以及接触该阳极电极的隔板(separator)，该隔板包括用于有效地将液体燃料提供到阳极电极的流场(flow field)。与此类似，阴极可以包括位于电解质膜的另一表面上的阴极电极，以及接触该阴电极的隔板，该隔板包括用于有效地将氧化剂提供到阴极电极的流场或孔。燃料电池主体20还包括阳极流出(effluent)端口和阴极流出端口。
控制装置40连接到用于测量从燃料电池主体20输出的每单位面积的电流的电流传感器51，并且连接到用于测量从燃料电池主体20输出的电压的电压传感器52，以便监视从燃料电池主体20输出的电流和电压的变化。控制装置40可以通过诸如可编程逻辑控制器(PLC)之类的逻辑电路或者微处理器的一些功能部分来实现。
现在参照图1和图2，控制装置40首先感测(S10)从燃料电池主体20输出的每单位面积的电流是否变成下降了超过某一幅度并且维持了一定时间。在该步骤(S10)中，获得通过电流传感器51以一定时间间隔顺序地感测的燃料电池主体20中每单位面积的燃料电池输出电流突然阶梯式下降的时间点。每单位面积的电流突然下降的情况包括，在系统运行期间连接到燃料电池主体20的外部负载60所需的功率变得相当大，以至外部负载60将负荷施加到燃料电池主体20。在这种情况下，燃料电池主体20中的每单位面积燃料电池输出电流会立即下降超过某一幅度。
接下来，控制装置40感测(S12)从每单位面积的电流突然下降的时间点之前且临近该时间点的燃料电池输出电压(以下称为原始燃料电池输出电压)到新的燃料电池输出电压，新的燃料电池输出电压的电平随着每单位面积的电流的下降而提高，并且接着维持在新的电平。在该步骤(S12)中，当燃料电池主体20中的每单位面积的燃料电池输出电流突然下降时，原始燃料电池输出电压和新的燃料电池输出电压之间的瞬变电压也被感测。瞬变电压可以通过立即升高到高于新的燃料电池输出电压的电平、然后稳定在该新的燃料电池输出电压来达到新的燃料电池输出电压，或者通过慢慢地从原始燃料电池输出电压增加而达到该新的燃料电池输出电压。
随后，控制装置40将瞬变电压与新的燃料电池输出电压进行比较(S14)。该步骤(S14)基于瞬变电压的幅度判断当前燃料浓度的状态是否适当，该瞬变电压根据直接提供给燃料电池主体20的液体燃料的燃料浓度而显示不同的电平。
接下来，如果瞬变电压等于或者小于新的燃料电池输出电压，则控制装置40提高(S16)提供给燃料电池主体20的液体燃料的燃料浓度。如果瞬变电压大于新的燃料电池输出电压，则控制装置40按照原样维持(S18)提供给燃料电池主体的液体燃料的燃料浓度。
如上所述，DLFC的燃料电池输出电压受工作条件的影响显著，所述工作条件诸如接近燃料电池堆的阳极进口的燃料浓度，或者燃料提供量，或者燃料电池堆的每单位面积的电流电平。换句话说，在DLFC的燃料电池输出电压中，燃料电池输出电压的过冲(overshooting)响应于每单位面积的燃料电池输出电流中的突然改变。也就是说，动态工作(dynamic operation)以对燃料电池堆中的单个电池(以下称为电池)提供足够燃料为基础。足够燃料的提供可以通过提供给燃料电池堆的阳极进口的燃料量，也就是，燃料浓度是否在适当的范围内来进行判断。因此，当燃料电池堆中每单位面积的燃料电池输出电流阶梯式变化时，可以判断提供给阳极进口的燃料浓度很低。本发明利用这一点来控制DLFC中的燃料浓度。
图3A到3D是用于描述根据本发明的DLFC的工作原理的图表。在解释本实施例时，每单位面积的燃料电池输出电流和燃料电池输出电压分别对应于图3A到3D中示出的图表的电池电流和电池电压。
工作原理包括对燃料电池堆的每单位面积的电流电平阶梯式变低时，燃料电池堆的燃料电池输出电压增加到新的电压电平做出响应。变化的燃料电池输出电压和感测到的瞬变电压高于新的燃料电池输出电压指示提供给燃料电池堆的阳极的燃料浓度的状态。
更为具体地描述根据本发明的工作原理：以一定间隔监视燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流，并且制备其阳极被提供有流速为平均1ml/min(毫升/分钟)的1摩尔甲醇的燃料电池堆。如图3A所示，当通过电流传感器的燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流突然从180mA/cm2(毫安/平方厘米)下降到100mA/cm2，也就是说下降大约80mA/cm2时，燃料电池堆的燃料电池输出电压的变化被测量。如图3B所示，根据如图3A所示的每单位面积的电流的突然下降，燃料电池主体的燃料电池输出电压从大约0.49V(伏特)的原始燃料电池输出电压提高至大约0.54V的新的燃料电池输出电压。燃料电池输出电压变得稳定，从原始燃料电池输出电压经由大约0.58V的瞬变电压改变到新的燃料电池输出电压。
如上所述每单位面积的燃料电池输出电流的下降幅度取决于燃料电池堆的工作条件以及MEA的性能，并且在示例性的实施例中，该幅度可以设置为大于大约30mA/cm2的值。如果每单位面积的电流变化幅度被设置为大约30mA/cm2或者更少，则燃料电池输出电压产生的瞬变电压会很小。并且，如上所述每单位面积的燃料电池输出电流的下降幅度的上限可以通过考虑可以借助于燃料电池堆的结构进行预置的、额定的每单位面积的燃料电池输出电流来进行限制。并且，由于在下降的每单位面积的燃料电池输出电流维持了一定时间时感测燃料电池输出电压的变化，在示例性的实施例中，下降的每单位面积的燃料电池输出电流被设置为至少2秒或者更多。
现在参照图3C，在DMFC系统将燃料浓度有区别地设置为1摩尔、0.75摩尔、0.5摩尔的工作条件下，当每单位面积的燃料电池输出电流在短时间内迅速地从180mA/cm2下降到100mA/cm2时，在1摩尔的情况下燃料电池堆的燃料电池输出电压从大约0.49V经由大约0.58V的瞬变电压变化到大约0.54V的新电压，在0.75摩尔的情况下从大约0.49V经由大约0.59V的瞬变电压变化到大约0.55V的新电压，以及在0.5摩尔的情况下从大约0.41V变化到大约0.52V的新电压而没有瞬变电压。
作为另一个例子，如图3D所示，在DMFC系统分别以平均1.4ml/min和3ml/min的流速提供1摩尔的甲醇的工作条件下，当燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流突然从180mA/cm2下降到100mA/cm2时，燃料电池堆的燃料电池输出电压在燃料提供速度是平均1.4ml/min的情况下从大约0.48V经由大约0.58V的瞬变电压变化到大约0.54V的新电压，在燃料提供速度是平均3ml/min的情况下从大约0.46V经由大约0.56V的瞬变电压变化到大约0.52V的新电压。
可以从如上所述的实验结果得出的是，当向燃料电池主体的阳极进口提供的燃料的浓度低于燃料电池堆中所要求的浓度时，如在化学计量的燃料量接近1并且浓度为0.5摩尔的甲醇燃料的情况下，由于提供给电池的燃料不足，电池当然不能执行动态工作。另一方面，在0.75摩尔、1摩尔以及更高的甲醇燃料的情况下，电池当然可以利用提供的充分燃料执行动态工作。因而，假定燃料电池堆中或者燃料电池堆的阳极进口中适当摩尔的甲醇超过了0.5摩尔，那么根据本发明，可以使用由于燃料浓度的差异而导致的不同的瞬变电压来容易地判断出燃料的当前浓度是否接近任何水平，并且在甲醇的情况下，当燃料浓度是0.5摩尔或者更少时，通过进一步地提供具有高于0.5摩尔浓度的燃料可以将阳极进口中的燃料浓度控制在所期望的浓度范围内。
如上所述，根据本发明，燃料电池输出电压的动态工作指示了提供给DMFC系统中的燃料电池堆的甲醇中的燃料浓度何时在适当的范围内。因此，根据本发明，通过利用如上所述的燃料电池输出电压的动态工作判断当前提供给燃料电池主体的燃料浓度是处于适当状态还是低状态来控制燃料浓度。
根据本发明，当其阳极被提供有流速为平均1ml/min的1摩尔甲醇的燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流从380mA/cm2阶梯式下降到300mA/cm2时，从燃料电池堆输出的燃料电池输出电压从大约0.35V变化到大约0.38V的新电压。没有产生高于新燃料电池输出电压的瞬变电压。因而，当每单位面积的燃料电池输出电流没有下降超过某一幅度，并且没有产生高于新燃料电池输出电压的瞬变电压时，不应用根据本发明的控制技术。
图4是根据本发明另一个示例性实施例的DLFC的示意方框图。
参照图4，DLFC 10a包括燃料电池主体20、燃料箱30、阀32a、气泵33、控制装置40a、电流传感器51、电压传感器52、恒流二极管53和开关装置54。
与根据之前描述的示例性实施例的DLFC 10相比较，根据本发明的DLFC 10a包括恒流二极管53，其借助于开关装置54可选择地串联连接在燃料电池主体20和外部负载60之间，DLFC 10a还包括控制装置40a，其控制开关装置54的接通关断操作，以便人为地将燃料电池主体20的每单位面积的电流强度降低超过某一幅度。
恒流二极管53是将燃料电池主体20中的每单位面积的电流强制降低超过某一幅度的装置。除了恒流二极管53之外，本实施例还可以使用利用电流镜电路的恒流电路来实现。
开关装置54是只有在测量燃料浓度时才将燃料电池主体20电连接到恒流二极管53的装置。开关装置借助于从控制装置40a施加的控制信号的控制接通和关断，并且可以由机械开关或者半导体开关实现。
控制装置40a基本上包括在先前描述的示例性实施例中的控制装置40的组件与功能，并且包括用于对开关装置54进行接通和关断控制的组件与功能，以将燃料电池主体20的输出端串联连接到恒流二极管53以使燃料电池主体20中每单位面积的电流的幅度下降超过某一幅度，从而测量和控制提供给燃料电池主体20的阳极的液体燃料的燃料浓度。
此外，控制装置40a基于燃料浓度的当前状态控制阀32a的打开，所述燃料浓度的当前状态从响应于燃料电池主体20的每单位面积的燃料电池输出电流的阶梯式变化而产生的燃料电池输出电压的变化的瞬变电压的幅度而获得的。
根据本发明的DLFC可以进一步地在系统中包括用于水管理、热管理和能量管理的装置以改善工作性能与工作效率。换句话说，在本说明书中描述的燃料电池主体基本地可以包括用于水管理、热管理和能量管理的装置之一以及半无源或者有源型燃料电池堆。作为用于水管理、热管理和能量管理的装置，可以具有：混合槽(mixing tank)，其接收和存储来自燃料箱的高浓度的燃料、以及接收和存储来自燃料电池主体的不反应的燃料和水，并将储存的燃料提供到燃料电池堆的阳极；换热器，其使用或者恢复来自燃料电池堆的液体的热能；能量转换装置，其转换燃料电池堆的燃料电池输出；附属电源，其保证启动或者过载时所要求的功率；充电电路，其对附属电源充电；以及不同的传感器，用于感测温度、流量等等。
现在将参照图5描述根据本发明示例性实施例的DLFC的工作过程，图5是描述用于控制DLFC中的燃料浓度的方法的流程图。
参照图4和图5，控制装置40a首先控制开关装置54处于接通状态以将恒流二极管53串联连接到燃料电池主体20的输出侧，以便使燃料电池主体20的每单位面积的燃料电池输出电流受到限制(S20)而立即下降到很低的电平。
接下来，控制装置40a感测对每单位面积的电流的突变作出响应的燃料电池主体20的燃料电池输出电压。此时，控制装置40a感测(S22)原始燃料电池输出电压和新燃料电池输出电压之间的瞬变电压以及新燃料电池输出电压，该新燃料电池输出电压从反应的最初阶段的原始燃料电池输出电压增大然后稳定。
接下来，控制装置40a将感测的瞬变电压与新燃料电池输出电压进行比较(S24)。根据比较结果，如果瞬变电压小于或等于新燃料电池输出电压，则进一步提供燃料(S26)以增加液体燃料的燃料浓度。此外，根据比较结果，如果瞬变电压大于新燃料电池输出电压，则维持(S28)燃料的当前供应状态以按照原样维持液体燃料的燃料浓度。
图6是描述根据本发明的DLFC的示例性控制装置的方框图。
参照图6，根据本发明的控制装置可以包括微处理器100和传感器单元，该传感器单元将有关燃料电池的燃料电池输出电流和燃料电池输出电压的信息提供给微处理器100。此外，控制装置可以进一步地包括在微处理器100的控制之下连接到燃料电池的恒流电路单元。
微处理器100包括用于执行计算的算术逻辑单元(ALU)110，用于暂时储存数据和命令字的寄存器112，和用于控制燃料电池系统的工作的控制器114。微处理器100感测输入到输入级116的信号，基于感测的信号产生用于控制燃料电池系统的工作的控制信号，并通过输出级118输出它们。例如，微处理器100将对阶梯式下降的每单位面积的燃料电池输出电流作出响应的燃料电池堆的燃料电池输出电压的变化存储在寄存器112中，在ALU 110中比较存储的值以判断提供给燃料电池堆阳极的液体燃料的当前燃料浓度是否合适，然后基于判断的燃料浓度状态从控制器114产生控制信号，并且通过所产生的控制信号控制燃料浓度，从而使改善小型燃料电池系统的稳定性和可靠性成为可能。
微处理器100中的输入级可以输入有：检测燃料电池堆或者燃料电池的外围设备(balance of plants，BOP)的温度的温度传感器124的输出信号；检测存储在燃料箱、混合槽和水箱中的液位(fluid level)的液位传感器(levelsensor)128的输出信号；检测燃料电池堆的电压或者电流的传感器130的输出信号；检测附属电源(诸如副电池或者超级电容器)的电压或者电流的传感器132的输出信号；以及检测能量转换装置(power conversion device)(诸如数字-模拟转换器或者数字-数字转换器)的初级侧和次级侧的传感器134的输出信号。特定传感器(例如，图6中示出的温度传感器124)的输出信号可以借助于放大器126放大并接着可以输入到输入级116。
通过微处理器100中的输出级118传送到BOP 138的控制信号可以直接被传送到BOP 138，或者可以通过BOP驱动器传送到BOP138，BOP驱动器用于控制BOP的运行。BOP驱动器可以与低功率驱动器136接口以改善系统的效率。BOP 138可以包括第一泵140、第二泵142、风扇144以及开关装置146中的至少任何一个。第一泵140可以相应于直接将存储在燃料箱中的液体燃料提供到燃料电池堆或者通过混合槽将它提供到燃料电池堆的燃料泵。第二泵142可以相应于将氧化剂(诸如空气等等)提供到燃料电池堆的气泵。风扇144可以相应于用于交换热量或者控制系统中水和燃料的温度的热交换装置。开关装置146可以相应于用于将恒定电路单元连接到燃料电池堆的输出端的装置。
如上所述的微处理器可以由具有不同体系结构的许多处理器中的至少一个实现，诸如来自数字设备公司(Digital Equipment Corporation)的Alpha处理器，来自MIPS技术(MIPS technology)、NEC、IDT、西门子等等的MIPS处理器，来自包括英特尔、Cyrix、AMD和Nexgen的x86处理器，以及来自IBM和摩托罗拉的PowerPC处理器。输入级116可以由模拟数字转换器实现，而输出级118可以由数字模拟转换器和/或输出缓冲器实现。
在本实施例中，控制装置被描述为由微处理器实现。然而本发明并不限制在微处理器。例如，控制装置可以包括用于比较从传感器单元输入的信号的比较器，以代替高性能微处理器，并且包括工作控制器，其可以实现为逻辑电路，用于根据比较器的输出信号的幅度增加或者维持燃料浓度。这种修改对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
如上所述，利用本发明，基于与每单位面积的燃料电池输出电流的自然或者人为地突然变化相应的燃料电池输出电压的变化，可以容易地判断接近燃料电池堆的阳极进口的燃料浓度，从而能够容易地维持适合于小型DLFC的燃料浓度，使得改善DLFC系统的工作性能和可靠性成为可能，并且有助于设计高性能的小型DLFC系统。
尽管已经示出和描述了本发明的示例性实施例，但是对于本领域的普通技术人员而言可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对实施例进行改变，本发明的范围在权利要求中和它们的等效物中进行了限定。

Claims (14)

1、一种用于控制直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，包括：
(a)监视直接液体燃料电池的燃料电池堆的燃料电池输出电流和燃料电池输出电压；
(b)感测每单位面积的燃料电池输出电流是否变得下降了大于某一幅度并且维持了一定时间；
(c)感测从每单位面积的电流下降的时间点之前且临近该时间点的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压随着每单位面积的电流的下降而增大，然后维持在新的每单位面积的电流；
(d)将新的燃料电池输出电压与在原始燃料电池输出电压和新的燃料电池输出电压之间出现的瞬变电压进行比较；以及
(e)如果瞬变电压等于或者小于新的燃料电池输出电压，则增大提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
2、根据权利要求1所述的用于控制直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，进一步包括，如果瞬变电压大于新的燃料电池输出电压，则维持提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
3、如权利要求1所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，其中所述某一幅度具有大于30mA/cm2的值。
4、如权利要求1所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，其中所述一定时间具有2秒或者更大的值。
5、如权利要求1所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，其中液体燃料包括甲醇水溶液，并且接近燃料电池堆的阳极进口的燃料浓度的适当范围为超过0.5摩尔。
6、一种用于控制直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，包括：
(a)限制燃料电池输出电流，以使燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流下降大于某一幅度；
(b)感测从每单位面积的电流下降的时间点之前且临近该时间点的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压随着每单位面积的电流的下降而增大，然后维持恒定；
(c)将新的燃料电池输出电压与位于原始燃料电池输出电压和新的燃料电池输出电压之间的瞬变电压进行比较；以及
(d)如果瞬变电压小于或者等于新的燃料电池输出电压，则增大提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
7、如权利要求6所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，其中(a)包括将恒流电路单元连接在燃料电池堆和外部负载之间。
8、如权利要求7所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的方法，其中所述恒流电路单元进一步包括串联连接在燃料电池堆和外部负载之间的恒流二极管。
9、一种用于控制直接液体燃料电池中的燃料浓度的装置，所述燃料浓度是直接提供给燃料电池堆阳极的液体燃料的燃料浓度，所述装置包括：
恒流电路单元，用于使燃料电池堆中的每单位面积的电流阶梯式下降；
传感器，用于感测从每单位面积的电流下降的时间点之前且临近该时间点的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压从所述时间点增大，并且然后稳定在恒定电平；
比较器，用于将新的燃料电池输出电压与原始燃料电池输出电压和新的燃料电池输出电压之间的瞬变电压进行比较；以及
工作控制器，如果瞬变电压小于或者等于新的燃料电池输出电压，则其使提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度增大。
10、如权利要求9所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的装置，其中，所述恒流电路单元进一步包括串联连接在燃料电池堆和外部负载之间的恒流二极管。
11、一种用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的装置，其控制直接提供给燃料电池堆阳极的液体燃料中的燃料浓度，所述控制装置包括：
存储器，用于存储程序；以及
处理器，连接到该存储器，用于执行该程序，
其中，借助于该程序，处理器用于：
从燃料电池堆输出测试电流，其从第一每单位面积的电流变化到小
于该第一每单位面积的电流的第二每单位面积的电流；
感测响应于来自燃料电池堆的测试电流而增大的新的燃料电池输4出电压；以及
如果在达到该新的燃料电池输出电压之前的瞬变电压等于或者小于该新的燃料电池输出电压，则增大液体燃料中的燃料浓度。
12、如权利要求11所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的装置，其中，所述处理器控制开关装置将恒流二极管串联连接在燃料电池堆和外部负载之间以产生测试电流。
13、一种用于控制直接液体燃料电池中的燃料浓度的装置，所述装置包括：
燃料电池堆，其具有阳极、阴极、以及位于阳极和阴极之间的电解质，其通过提供给阳极的液体燃料和提供给阴极的氧化剂的电化学反应产生电能；
燃料提供设备，用于将液体燃料提供到燃料电池堆；以及
控制装置，用于控制燃料提供设备，以便控制提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度，
其中该控制装置包括：
恒流电路单元，用于使该燃料电池堆的每单位面积的燃料电池输出电流阶梯式下降；
传感器，用于感测从每单位面积的燃料电池输出电流下降的时间点之前且临近该时间点的燃料电池堆的原始燃料电池输出电压到新的燃料电池输出电压，该新的燃料电池输出电压从该时间点增大，并且然后稳定在新的每单位面积的燃料电池输出电流；
比较器，用于比较原始燃料电池输出电压与新的燃料电池输出电压之间的瞬变电压与新的燃料电池输出电压；以及
工作控制器，如果该瞬变电压等于或者小于新的燃料电池输出电压，则其增大提供给燃料电池堆的液体燃料中的燃料浓度。
14、如权利要求13所述的用于控制在直接液体燃料电池中的燃料浓度的装置，
其中所述恒流电路单元进一步包括串联连接在燃料电池堆和外部负载之间的恒流二极管，并且
其中所述恒流电路单元对所述控制装置的控制信号作出响应。
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PB01 Publication
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