CN1689182A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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金奎晸
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Abstract

本发明公开一燃料电池系统，包括：一燃料箱，通过一燃料供应管线与所述燃料电池堆的阳极连通，以将含氢的燃料供应到所述阳极；一个加热单元，用于对供应到所述燃料电池堆的燃料和空气进行加热；一个清除单元，用于当系统被停止时将每个系统中剩余的燃料送回到所述燃料箱。因此，通过在系统操作时对燃料的加热，电池堆的温度能够在最短时间达到目标温度，而且当系统被停止时，在燃料电池堆和每个系统中剩余的燃料被送回所述燃料箱，因此增加了所述燃料电池系统效能。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一燃料电池系统，特别是涉及一电池堆，它能够在最短时间达到目标温度而增加燃料电池的可靠性，并在该燃料电池停止工作时，使燃料电池堆的温度最快地下降，从而确保燃料电池稳定性的燃料电池系统，以及它的控制方法。
背景技术
一般，燃料电池用作化石燃料的替代物，并且与普通电池(一个电池)不同，它将燃料(氢气或碳氢化合物)供应到阳极并将氧气供应到阴极。因此，所述燃料电池系统内氢气和氧气之间进行的是电化学反应，而不是燃料的燃烧反应(氧化反应)，且因此在反应的前后直接转换成不同的能量，直接成为电能。
如图1所示，一个常规的燃料电池系统包括：一个燃料电池堆106，由一个阳极102和一个阴极104经多个堆叠而形成，所述阳极具有一个电解质膜(未示出)，通过在该膜上氢气的氧气之间的电化学反应产生电能；一个储存供应到所述阳极102的含氢燃料的燃料箱108；和一个用于将含氧的空气供应到阴极104的空气供应单元110。
在所述燃料箱108和所述燃料电池堆106的阳极102之间安装一个用于将储存在所述燃料箱108内的燃料泵出的燃料泵112。
所述空气供应单元110包括：一个空气泵114，用于将大气中的空气供应到燃料电池堆106的阴极104；一个空气过滤器116，用于对供应到燃料电池堆106的空气进行过滤；和一个加湿器118，用于对供应到所述燃料电池堆106的空气进行加湿。这里为了将水供应到所述加湿器内，给所述加湿器118配置一个水箱120。
下面要对通过向所述常规燃料电池供应燃料而产生电能的过程进行描述。
如果由一个控制单元(未示出)的控制信号使燃料泵112操作，因此在燃料箱108内的燃料被供应到燃料电池堆106的阳极102。同样，如果所述空气泵114被操作，由空气过滤器116过滤的空气流过加湿器118被加湿，并且被供应到燃料电池堆106的阴极104。
一旦燃料和空气被供应到所述燃料电池堆106，在电解质膜(未示出)位于所述阳极102和阴极104之间的状态下，在所述阳极102处进行氢气的电化学氧化，且在所述阴极104处进行氧气的电化学二次氧化。此时，产生电子运动因此产生电力。所产生的电力被供应到一个负载126。
在常规的燃料电池系统中，要费许多时间使燃料电池堆达到一个目标温度，因此燃料电池的可靠性和功能会变劣。
同样，燃料电池堆的温度保持在较高水平，即使在所述燃料电池被停止后也如此，使燃料电池的稳定性下降。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一个燃料电池系统以及它的控制方法，能够通过加热燃料，使燃料电池堆在最短时间达到目标温度而增加燃料电池可靠性和功能，加热燃料使用的热量是当燃料粉末与水混合时和由燃料电池堆的阳极所产生的氢气被点燃时所产生的热量。
本发明的另一个目的在于提供一个燃料电池系统及它的控制方法，能够通过在该燃料电池系统停止工作时使燃料电池堆的温度最快地下降而增加燃料电池的稳定性，并且通过将在每个系统中剩余的燃料送回燃料箱中以增加其效能。
为完成这些发明目的，提供一个燃料电池系统，其中包括：一个燃料电池堆，其中一阳极和一阴极被布置成使一电解质膜放在它们之间；一个经过燃料供应管线连接到所述燃料电池堆的阳极的燃料箱，将含氢的燃料供应到所述阳极；一个经过一个空气供应管线连接到燃料电池堆的阴极的空气供应单元，将含氧的空气供应到所述阴极；一个加热单元，对供应到燃料电池堆的空气和燃料进行加热；及一个清除单元，当系统的操作被停止时，将在每个系统中所剩余的燃料送回所述燃料箱。
一个当系统操作被停止时冷却燃料电池堆的冷却风扇被安装在所述燃料电池堆中。
所述加热单元包括一个安装在燃料供应管线和空气供应管线上的氢燃烧器，以将由燃料电池堆所产生的氢气作为热源对供应到燃料电池堆的燃料和空气进行加热。
所述清除单元包括一个在所述燃料电池堆和所述燃料箱之间连通的回收管线，将由燃料电池堆排放的燃料送回燃料箱，及一个安装在燃料收集管线上的回收泵，当系统操作被停止时，将每个系统剩余的燃料通过燃料收集管线送回燃料箱。
为了完成这些目的，也提供了一种控制燃料电池系统的方法，其中包括：一个对燃料进行加热的加热步骤；一个将加热的燃料和空气供应到一个燃料电池堆进行发电并因此产生电能的步骤；和一个在完成所述第一和第二步骤后系统操作被停止时，将每个系统中剩余的燃料送回燃料箱的清除步骤。
所述加热步骤中进一步包括在加热燃料后使用一个电池电源驱动一个系统的步骤。
在所述加热步骤中，通过使用当燃料与水混合时所产生的热量对燃料进行加热。
在所述加热步骤中，一个储存燃料粉末(NaOH和BH4的粉末)的燃料包被安装到一个储存有水的燃料箱内并且因此燃料粉末与水进行混合。
在所述清除步骤中，当系统驱动被停止时，驱动一个回收泵以回收在所述燃料电池堆和各个管线内剩余的燃料经过回收管线返回到燃料箱。
附图说明
图1表示根据已有技术的一个燃料电池系统的结构示意图。
图2表示根据本发明一个实施例的燃料电池系统的结构示意图。
图3表示根据本发明的一个燃料电池系统的剖视图。
图4表示根据本发明一个实施例的燃料电池系统的控制装置的方框图。
图5表示根据本发明另一个实施例的燃料电池系统的结构示意图。
图6表示根据本发明一个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
下面将参考附图对本发明的燃料电池系统的控制方法进行描述。
尽管根据本发明的燃料电池系统的控制方法可以有许多实施例，下面仅对最好的实施例进行描述。
图2表示根据本发明一个实施例的燃料电池系统的结构示意图。
根据本发明的一个燃料电池系统包括：一个燃料电池堆14，由一个阳极10和一个阴极12经多个堆叠而形成，所述阳极具有一个电解质膜(未示出)，在该膜上通过在氢气和氧气之间的电化学反应产生电能；一个燃料箱，储存要供应到所述阳极10的燃料；一个空气供应单元，将含氧的空气供应到所述阴极12；一个氢燃烧器22，通过利用在阳极10反应后产生的氢气，加热供应到所述燃料电池堆14的燃料和空气；一个清除单元，当所述系统被停止时，将在每个系统中剩余的燃料送回燃料箱；及一个用于控制每个部件的控制装置。
为冷却所述燃料电池堆14，为其提供了一个冷却风扇20。
通过一个燃料供应管线26，所述燃料箱16与所述燃料电池堆的阳极10连通；并且在所述供应管线26的一侧安装一个燃料泵28，将储存在燃料箱16内的燃料泵出。
还有，如图3所示，所述燃料箱16包括一个燃料包30，以在燃料电池系统操作之前，利用当所述燃料粉末与在所述燃料箱16内所述储存的水混合时所产生的热量增加所述燃料的温度；及一个桨叶32，用于当所述燃料粉末由燃料包30供应到所述燃料箱16内时使所述燃料粉末与水更好地混合。
储存在所述燃料包30内的所述燃料粉末包括NaOH和BH4。如果NaOH与水混合，以下列的反应方程式进行反应并放热。
反应式：
所述空气供应单元18包括：一个空气供应管线34，引导大气中的空气到所述燃料电池堆14的阴极12；一个空气过滤器36，被安装在空气供应管线的入口并且对吸入到供应管线34内的空气进行过滤；一个空气泵42，被安装在空气供应管线34的一侧，并且产生一个吸力，将外部的空气吸入；和一个加湿器38，对空气泵42吸入的空气进行加湿。所述加湿器38上设置一个供应水的水箱40。
所述清除单元可以以各种方法进行，在下面将进行描述。
根据一个实施例的所述清除单元包括：一个气体/液体分离器44，将反应后由燃料电池堆14的阳极10排出的燃料进行气体和液体的分离；一个回收管线48，将由气体/液体分离器44排放的液体燃料送回燃料箱16；及一个回收泵46，被安装在回收管线48上并将液体燃料泵回所述燃料箱16。
根据一个实施例的所述清除单元，通过在所述系统停止工作后驱动所述回收泵46一确定的时间，将在燃料电池堆14剩余的燃料经过回收管线送回燃料箱16。
在燃料电池堆14的阳极10反应后产生的NaBO2和4H2被分离气体和液体。再次，水和液体的NaBO2经过回收管线48被送回所述燃料箱16且所述氢气向外排放。
所述氢燃烧器22与所述燃料供应管线26和所述空气供应管线34连通并且通过一个氢气供应管线50与所述气体/液体分离器连通，因此通过利用点燃由气体/液体分离器44供应的氢气所产生的热量对流过燃料供应管线26和空气供应管线34的燃料和空气进行加热。
当所述系统被停止时，根据第二实施例的所述清除单元将燃料泵28反向驱动并且因此将在燃料电池堆14和在每个管线内的燃料送回燃料箱16。就是当所述系统被停止时，通过控制单元80在一个确定的时间内，所述清除单元以相反的反向驱动所述燃料泵28。
根据第三实施例的所述清除单元如图4所示，包括一个连通在燃料供应管线和空气供应管线之间的清除管线，及一个三通阀，安装在所述清除管线与所述燃料供应管线连通的位置。
在根据所述第三实施例的清除单元中，当所述系统被停止时，所述三通阀被操作时所述空气供应管线与所述阳极连通，并且所述空气泵42被操作向所述阳极供应空气且因此在所述阳极内剩余的燃料经过循环管线被送回燃料箱。
图5表示根据本发明的用于燃料电池系统的控制装置的方框图。
所述控制装置包括：一个温度传感器64，安装在燃料电池堆14上并指示所述燃料电池堆14的温度；一个开/闭开关66，用于打开/关闭燃料电池；和一个控制单元，用于根据温度传感器64和开/闭开关66的信号控制每个部件的操作。
下面对根据本发明的燃料电池系统的控制方法进行描述。
图6表示根据本发明的燃料电池系统的控制方法的流程图。
首先，将燃料包30安装到所述燃料箱16内因此在燃料包内储存的燃料粉末与在燃料箱内储存的水混合，因此制造燃料溶液。在此时，在所述燃料箱内所述水和燃料粉末彼此混合，产生热量(S10)。
同样，如果燃料溶液的温度达到一个适当的水平，通过一个电池的动力操作所述燃料电池系统(S20)。
就是通过一个电池的动力，所述燃料泵28被操作，经过在所述燃料箱16内混合的增加了温度的燃料被供应到所述燃料电池堆14的阳极10。在此同时，通过电池的动力，所述空气泵42被操作，此由空气供应单元18来的空气被供应到所述的阴极12。因此，燃料和空气与所述电解质膜反应并形成离子。经过电化学反应离子形成水的过程中，在所述阳极10产生电子并移向所述阴极12，因此产生了电力。
同样，在所述燃料电池堆14的阳极10产生的氢气在反应后通过气体/液体分离器44获得，然后将该氢气供应到氢气供应管线50。
由所述气体/液体分离器44排出的氢气经过所述氢气供应管线50被供应到所述氢气燃烧器22。然后，所述氢气在所述氢气燃烧器22内被点燃，因而产生热量，并且使供应到所述燃料电池堆14的燃料和空气通过所述氢气燃烧器22而被加热(S30)。
如此，在第一阶段，通过利用由在燃料箱16内的燃料和水混合所产生的热量对燃料进行加热，并且此后操作燃料电池系统，通过所述氢气燃烧器22加热燃料。因此，所述燃料电池堆14的温度能够在最短的时间内达到一个目标温度。
当所述燃料电池系统操作时，判断所述燃料电池堆14的温度是否高于一个设定温度α(S40)。
就是，如果安装在所述燃料电池堆14上的温度传感器64检测出所述燃料电池堆14的温度，并传输给所述控制单元80，所述控制单元80将所述燃料电池堆14的温度与一个设定的温度α作比较并因此判断所述燃料电池堆14的温度是否高于所述设定温度α。在这里，所述设定温度最好设定为60℃。
在所述步骤中，如果判断所述燃料电池堆14的温度高于所述设定温度α，所述电池被充电，所述系统使用由所述燃料电池堆14所产生的电流，并且该电流被供应到一个负荷上(S50)。
在所述燃料电池系统的操作中，判断系统是否处于一个清除模式状态(S60)。就是判断使用者是否通过调整所述开/闭开关66停止燃料电池系统而关闭该系统。
在此，如果判断所述系统不是清除模式状态，要对所述燃料电池堆14的温度是否高于一个设定温度β作出判断(S70)。就是说如果所述温度传感器64检测所述燃料电池堆14的温度，并输送到所述控制单元80，所述控制单元80将所述燃料电池堆14的温度与所述设定温度β作比较。这里，所述设定温度β最好为大约80℃。
在所述的步骤中，如果判断所述燃料电池堆14的温度高于所述设定温度，操作冷却风扇20以防止所述燃料电池堆14的温度增加到高于所述设定温度β。
下面再次对系统是否处于清除模式状态进行判断(S90)。
如果判断所述系统不是清除模式状态，对所述燃料电池堆14的温度是否低于所述设定温度α进行判断(S100)。
同样，如果判断所述燃料电池堆14的温度低于所述设定温度α，所述控制单元80停止所述冷却风扇20的操作(S110)。
在步骤S60和S90中，如果判断系统处于清除模式状态，就是说如果使用者调整所述开/闭开关66为关闭状态，所述控制单元80根据所述开/闭开关66来的电信号而使冷却风扇20工作，因而对所述燃料电池堆14进行冷却，并且进行系统的清除操作(S120和S130)。
这里，所述清除操作是在停止所述系统的操作之前，将剩余在系统中的各个管线内或在所述燃料电池堆14内的燃料送回所述燃料箱16。
下面将对清除操作的各种实施例进行描述。
对于根据一个实施例的清除操作，当所述系统被停止时，所述控制单元80驱动所述回收泵46工作一定的时间，并且经过所述回收管线48，将在所述燃料电池堆14和每个管线内的燃料回收到所述燃料箱16。
对于根据第二实施例的清除操作，当所述系统被停止时，所述控制单元80将所述燃料泵28反向驱动，并且因此将剩余在所述燃料供应管线26和燃料电池堆14的燃料送回到燃料箱16。
对于根据第三实施例的清除操作，所述控制单元80操作所述三通阀使空气供应管线与所述燃料电池堆的阳极彼此连通，并且驱动所述空气泵以将空气喷入到所述阳极，因此经过回收管线48，将阳极剩余的燃料送回燃料箱16。
然后，如果完成了清除操作，所述系统被停止(S140)。
由于在所述系统操作过程中使用者可以根据需要关闭所述燃料电池系统，因此可以在任一步骤上应用所述清除模式。同样，如果当使用者在系统被停止后操作所述开/闭开关66以重新操作所述系统时，电池的动力被传输到系统中的每个部分因此重复所述步骤(S150)。
根据所述燃料电池系统和它的控制方法，在第一阶段，利用燃料粉末与水混合所传输的热量对燃料进行加热，且在系统被操作后，利用由反应后在阳极产生的氢气对燃料进行加热。因此，能够在最短的时间内使所述燃料电池堆达到一个目标温度因而保证所述燃料电池的功能和可靠性。
同样当所述燃料电池系统被临时停止或所述燃料电池系统的操作被终止时，操作所述冷却风扇以在一个短时间内冷却所述燃料电池系统，因此确保所述系统的稳定性。
而且，当系统被停止时，在燃料电池堆和每个系统中剩余的燃料被送回所述燃料箱，因此增加了效能。
本领域技术人员应该明白在不背离本发明的精神和范围条件下可以作出各种变化和改进。因此，任何有关本发明的改进和变化都落入权利要求书的范围且是等同物。

Claims (17)

1.一燃料电池系统，包括：
一燃料电池堆，其中一阳极和一阴极以在它们之间放置一个电解质膜的状态来布置；
一燃料箱，经过一燃料供应管线与所述燃料电池堆的阳极连通，以将含氢的燃料供应到所述阳极；
一个空气供应单元，经过一空气供应管线与所述燃料电池堆的所述阴极连通，以将含氧的空气供应到所述阴极；
一个加热单元，对供应到所述燃料电池堆的燃料和空气进行加热；
一个清除单元，当系统被停止时将每个系统中剩余的燃料送回所述燃料箱。
2.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于在所述燃料电池堆上安装一个当系统操作被停止时冷却所述燃料电池堆的冷却风扇。
3.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于所述加热单元包括安装在燃料供应管线和空气供应管线上的氢燃烧器，以所述燃料电池堆所产生的氢气作为热源对供应到所述燃料电池堆的燃料和空气进行加热。
4.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于所述加热单元包括安装在所述燃料箱上的燃料包，利用燃料粉末与在所述燃料箱内储存的水进行混合所产生的热量来加热燃料。
5.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于所述清除单元包括：
一个连通所述燃料电池堆和所述燃料箱的燃料回收管线，将所述燃料电池堆排放的燃料送回所述燃料箱；及
一个安装在所述燃料回收管线上的回收泵，当所述系统的操作被停止时，经过所述燃料回收管线将每个系统中的剩余燃料送回所述燃料箱。
6.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于所述清除单元包括：
一个安装在燃料供应管线上泵送所述燃料的燃料泵；和
一个控制器，当一个系统操作被停止时通过反向驱动所述燃料泵将在每个系统中剩余的燃料送回所述燃料箱。
7.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于所述清除单元包括：一个连通所述燃料供应管线和所述空气供应管线的清除管线和一个安装在所述清除管线与燃料供应管线连通部分上的三通阀，当所述系统操作被停止时通过将空气喷射到所述阳极而将剩余燃料送回所述燃料箱。
8.一燃料电池系统的控制方法，包括：
对燃料进行加热的加热步骤；
一将被加热过的燃料和空气供应到一燃料电池堆并且产生电能的发电步骤；和
一个清除步骤，当一个系统完成所述第一和第二步骤而被停止操作时将在每个系统中的剩余燃料送回所述燃料箱。
9.如权利要求8所述控制方法，其特征在于还包括一个在对燃料进行加热的加热步骤后通过使用一个电池电源驱动一个系统的步骤。
10.如权利要求8所述控制方法，其特征在于在加热步骤中利用燃料与水的混合所产生的热量对燃料进行加热。
11.如权利要求10所述控制方法，其特征在于储存燃料粉末(NaOH和BH4粉末)的燃料包被安装到储存了水的一个燃料箱上因此在所述加热步骤中燃料粉末与所述水进行混合。
12.如权利要求8所述控制方法，其特征在于在所述加热步骤中利用在所述燃料电池堆的阳极产生的氢气作为热源对燃料进行加热。
13.如权利要求8所述控制方法，其特征在于进一步包括在所述发电步骤中，当所述燃料电池堆的温度高于一个设定温度时对电池进行充电的步骤。
14.如权利要求8所述控制方法，其特征在于在清除步骤中，当系统驱动停止时将所述回收泵驱动以通过回收管线将在所述燃料电池堆内和每个管线内剩余的燃料送回所述燃料箱。
15.如权利要求14所述控制方法，其特征在于还包括一个在所述清除步骤中通过驱动一个冷却风扇冷却所述燃料电池堆的步骤。
16.如权利要求8所述控制方法，其特征在于在所述清除步骤中通过反向驱动一燃料泵，将剩余在燃料供应管线和燃料电池堆内的燃料送回所述燃料箱。
17.如权利要求8所述控制方法，其特征在于在所述清除步骤中当一个系统被停止时，通过将空气喷射到所述燃料电池堆的所述阳极而将在燃料电池堆剩余燃料送回所述燃料箱。
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