CN1716667A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种自适应燃料电池系统，其包括：堆体，其通过氢和氧之间的电化学反应产生电能并将电能施加到负载；重整器，重整燃料以产生供应给堆体的氢；燃料供应单元，其将燃料供应给所述重整器；供氧单元，其将氧供应给所述堆体；第一缓冲单元，电连接至负载，以根据负载的使用电能向负载施加辅助电能；第二缓冲单元，连接到所述重整器和堆体，根据所述负载的使用电能调节从重整器供应给堆体的氢的量；以及控制单元，检测堆体的基准电能和负载的使用电能并根据所述使用电能控制缓冲单元。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及一种具有改善的电气响应特性的燃料电池系统，其能够对负载的电能需求做出响应。

背景技术

燃料电池是一种将氧和氢之间的化学反应的化学反应能转换成电能的发电系统。用在反应中的氢可以含在诸如甲醇、乙醇和天然气的碳氢化合物材料中。

最近开发的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有极好的输出特性、低运转温度和快速启动及响应特性。因此，PEMFC具有多种应用，其可以用在车辆的移动电源中，用在楼宇的分布式电源中，或用在电子设备的小功率电源中。

采用PEMFC的燃料电池系统包括主体，重整器和气泵或风扇，主体也称为堆体，重整器用于重整燃料以产生氢并将氢供应给堆体，而气泵或风扇用于将氧供应给堆体。

堆体通过氢氧之间的电化学反应生成预定输出水平的电能并将电能提供给预定负载，氢从重整器供应，氧由气泵或风扇供应。

燃料电池系统包括辅助电源装置，例如可充电蓄电池，用于向燃料泵供应辅助动力并用于启动燃料电池系统。举例来说，在启动燃料电池系统时，燃料泵和一些其他部件是由辅助电源装置供应的动力驱动的。

此外，在常规燃料电池系统中，在负载所需电能超过堆体输出电能且燃料电池处于电过载状态的情况下，由辅助电源装置向负载提供辅助动力。负载所需的电能也称为“使用电能”。施加给负载的辅助动力对应于超出堆体输出电能的负载使用电能。

不过，在常规燃料电池系统中，因为燃料电池的电过载状态是利用辅助电源装置向负载施加辅助动力补救的，所以辅助电源装置必须要生成大量的电能。这增加了整个燃料电池系统的运行成本。

发明内容

本发明提供了一种具有改善的电气响应特性的燃料电池系统，它能够利用堆体的输出电能处理电过载的燃料电池。

本发明的一个实施例提供了一种燃料电池系统，其包括：堆体，其通过氢和氧之间的电化学反应产生电能并将电能施加到预定负载；重整器，其重整燃料以产生所需的氢并将氢供应给堆体；燃料供应单元，其将燃料供应给所述重整器；供氧单元，其将氧供应给所述堆体；以及缓冲单元，其连接到所述重整器和所述堆体，其中所述缓冲单元根据所述负载的使用电能调节从重整器供应给堆体的氢的量。

在有些实施例中，所述缓冲单元可以包括：位于所述重整器和堆体之间的路径上的存储单元，存储对应于超过所述堆体的基准电能的超出的使用电能的量的氢；以及连接到所述存储单元的供氢单元，在使用电能超过所述基准电能时，将存储在存储单元中的氢供应到所述堆体。

此外，所述燃料供应单元可以包括：存储燃料的燃料罐；和连接到所述燃料罐的燃料泵，排出所述燃料罐中存储的燃料，其中所述燃料罐和所述重整器通过第一供应管线彼此连接，且其中所述重整器和所述堆体通过第二供应管线彼此连接。

供氧管线可以包括气泵，其抽入大气空气并将空气供应给所述堆体，其中所述气泵和堆体通过第三供应管线彼此连接。

所述缓冲单元可以包括：氢气罐，位于所述第二供应管线上，所述氢气罐具有大于所述第二供应管线的截面积并存储对应于超出所述堆体的预定基准电能的使用电能的量的氢；以及连接到所述氢气罐的氢泵，在使用电能超过所述基准电能时，所述氢泵将存储在氢气罐中的氢供应到所述堆体。

所述氢气罐可以包括连接到所述第二供应管线的入口和出口。

所述第二供应管线可以是类似管道的形状，在没有向所述氢泵施加任何负载时，所述管道具有的截面积足以对应于所述堆体的基准电能供应一定量的氢。

所述堆体可以由一组产生电能的发电体构成。

另一实施例提供了一种燃料电池系统，其包括：堆体，其通过氢和氧之间的电化学反应产生电能并将电能施加到预定负载；重整器，其重整燃料以产生氢并将氢供应给堆体；燃料供应单元，其将燃料供应给所述重整器；供氧单元，其将氧供应给所述堆体；第一缓冲单元，电连接至负载，以根据负载的使用电能向负载施加辅助电能；第二缓冲单元，连接到所述重整器和堆体，根据所述负载的使用电能调节从重整器供应给堆体的氢的量；以及控制单元，检测堆体的预定基准电能和负载的使用电能并根据所述使用电能控制第一和第二缓冲单元。

第一缓冲单元可以由蓄电池构成，其对应于超出的使用电能向负载提供辅助动力，该超出的使用电能等于超过基准电能的使用电能的量。

所述第二缓冲单元可以包括：位于所述重整器和堆体之间的路径上的存储单元，存储对应于超过所述堆体的基准电能的使用电能的量的氢；以及连接到所述存储单元的供氢单元，在使用电能超过所述基准电能时，将存储在存储单元中的氢供应到所述堆体。

所述存储单元可以是存储氢的罐。

所述供氢单元可以是从所述罐排出氢的泵。

根据本发明的实施例，有可能通过调节供应给所述堆体的氢量适应所述负载的电能使用的增加。因此，有可能减少所述辅助电源的能量消耗和总体燃料电池系统的运转成本。

附图说明

图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的方框图。

图2是图1的详细视图。

图3是图2的第二缓冲单元的横截面视图。

具体实施方式

图1是示出根据本发明一个实施例的燃料电池系统的方框图，而图2是图1的详细视图。燃料电池系统100典型地构建在电子装置之中，例如笔记本电脑、个人计算机、PDA、移动终端等，它们构成了燃料电池系统的负载。燃料电池系统100是一种通过氢氧之间的电化学反应产生电能并将电能供应给负载的系统。

本发明的燃料电池系统100可以采用PEMFC产生氢。用于燃料电池系统100的燃料可以包括包含氢的液体或气体燃料，例如甲醇、乙醇或天然气。尽管含氢燃料可以是液体或气体，不过为了描述方便起见，在各个实施例的讨论中仅假定为液体燃料。

燃料电池系统100可以使用辅助存贮器中存储的纯氧或空气作为与氢反应的氧化剂。在以下的实施例的描述中，用空气作为氧化剂。

燃料电池系统100包括：堆体10，用于通过氢氧之间的电化学反应产生电能；重整器20，用于重整燃料以产生氢并将氢供应给所述堆体10；燃料供应单元30，用于将燃料供应给所述重整器20；以及供氧单元40，用于将氧供应给所述堆体。

堆体10电连接至负载L，以供应负载L所需的使用电能。堆体10包括至少一个发电体11，用于通过氢氧之间的电化学反应产生电能。

每个发电体11可以通过将隔板紧密封装在膜电极组件(MEA)两侧来构建，所述隔板也称为双极板。每个发电体11都是燃料电池的最小单元。

在图1和图2所示的实施例中，多个或一组发电体11依次堆叠以构建堆体10。堆体10中发电体11的数量取决于整个燃料电池系统100的大小和负载L的类型与特征。由堆体10生成电能，电能根据重整器20提供的氢的量以及驱动负载L所需的平均能量决定。对应于驱动负载L所需的平均能量的这一量的能量也称为堆体10产生的“基准电能”。

因为堆体10可以具有与常规PEMFC堆体相同的结构，因此省去堆体10的详细说明。

重整器20是一种一般的重整器，其利用热能通过电化学反应从燃料中产生氢并将所产生的氢供应给堆体10。重整器20具有的结构用于通过催化反应从燃料中产生氢，且用于降低所产生的氢中所含的一氧化碳浓度。可以在重整器20中使用的催化反应包括蒸汽转化反应、部分氧化反应、自动热反应等。所产生的氢中所含的一氧化碳浓度可以通过水煤气转换(WGS)反应、优先氧化(PROX)反应或利用分离膜的氢的净化反应加以降低。

重整器20可以与典型的PEMFC燃料电池系统中采用的重整器具有同样的结构。因此，省去对重整器的详细说明。

燃料供应单元30包括存储燃料的燃料罐31和连接到燃料罐31、用于从燃料罐31排出燃料的燃料泵33。

供氧单元40包括气泵41，它抽进空气并以预定的泵压力将空气供应给堆体10。供氧单元40还可以包括风扇。

在燃料电池系统100中，堆体10、重整器20、燃料供应单元30和供氧单元40可以通过管路彼此连接。更具体地说，燃料供应单元30的燃料罐31和重整器20可以通过第一供应管线91彼此连接。重整器20和堆体10可以通过第二供应管线92彼此连接。供氧单元40的气泵41和堆体10可以通过第三供应管线93彼此连接。

由重整器20产生的氢通过第二供应管线92供应给堆体10的发电体11。可以通过燃料泵33的泵压将氢推送到发电体11。第二供应管线92可以是圆柱管道。第二供应管线92的截面积可以这样设定，使得第二供应管线92能够通过使用燃料泵33的预定泵压将相应于堆体10的基准电能的量的氢供应给堆体10。

此外，燃料电池系统100包括第一缓冲单元50，以便提供负载L所需的使用电能。第一缓冲单元50在燃料电池系统100启动期间，利用燃料泵33和气泵41向负载L提供辅助动力。当负载L的使用电能超过堆体10的基准电能时，第一缓冲单元50向负载L提供辅助动力。提供给负载L的辅助动力对应于负载L的“多出的使用电能”，其被定义为超出堆体10所输出的基准电能的负载L的使用电能。

堆体10的基准电能根据从重整器20向堆体10提供的氢的量以及负载L所需的平均使用电能来决定。当负载L，例如笔记本PC启动时，或者在笔记本PC上执行很多软件程序时，负载L通常需要超过负载L的平均使用电能的电能。在这些时候，负载L的使用电能超过堆体10的基准电能，超出的量为超出的使用电能。

结果，当负载L正在使用超过其平均使用能量的能量时，堆体10的基准电能小于负载L所需的使用电能。在这种情况下，第一缓冲单元50向负载L提供对应于负载L的超出的使用电能辅助动力。第一缓冲单元50可以是可充电蓄电池或电容器。在一个实施例中，第一缓冲单元50是蓄电池51。

燃料电池系统100还包括控制单元60。控制单元60控制着整个系统的运转。具体地，控制单元60探测堆体10的基准电能和负载L的使用电能，并基于负载L超出的使用电能驱动第二缓冲单元70或控制第一缓冲单元50的放电。

控制单元60可以利用包括倒换器和转换器以及控制电路的微型计算机构建，倒换器和转换器用于调节第一缓冲单元50和堆体10的输出功率水平，控制电路用于施加各种所需的控制信号以驱动整个系统。

在负载L的电过载状态中，当负载L的使用电能超过堆体10的基准电能时，堆体10无法向负载L提供充足的电能。因此，第一缓冲单元50根据负载L的超出的使用电能的量向堆体10输出辅助电能。

根据本发明的燃料电池系统100包括第二缓冲单元70，它能够根据负载L的使用电能降低第一缓冲单元50的输出功率水平和改善堆体10的响应特性。第二缓冲单元70调节从重整器20向堆体10供应的氢量，以便帮助堆体适应负载L的使用电能。第二缓冲单元70包括位于重整器20和堆体10之间的路径上的存储单元71和连接到存储单元71的供氢单元72。

在通过第二供应管线92从重整器20向堆体10供应氢时，存储单元71对应于负载L的超出的使用电能或负载L的使用电能超出堆体10的基准电能的量，存储额外量的氢。

具有氢存储空间的存储单元71位于将重整器20和堆体10连接到一起的第二供应管线92上。第二供应管线92是从重整器20向堆体10供应氢的管线。

图3示出了第二缓冲单元70的横截面图。如图3所示，位于第二供应管线92上的存储单元71可以利用氢气罐73构建，该氢气罐73具有大于第二供应管线92的截面积。

氢气罐73包括位于第二供应管线92上的入口73a和出口73b。入口73a通过第二供应管线92连接到重整器20，而出口73b通过第二供应管线92连接到堆体10。

当负载L的使用电能超过堆体10的基准电能时，供氢单元72向堆体10供应相当于使用电能超出量的氢。这一量的氢是从存储单元71的氢气罐73中存储的氢供应的。

供氢单元72可以用图2和图3所示的氢泵74构建。氢泵74连接到氢气罐73，以使用氢泵74的泵压将氢气罐73中存储的氢供应给堆体10。

当控制单元60判断出负载L的使用电能超过堆体10的基准电能时，控制单元60驱动氢泵74。结果，氢泵74使用氢泵74预定的泵压将氢气罐73中存储的超出量的氢供应给堆体10。这是利用燃料泵33的泵压供应给堆体10的氢量之外的氢。当控制单元60判断出负载L的使用电能没有超过堆体10的基准电能时，控制单元60就阻止氢泵74泵送。因为泵74维持在非驱动状态，所以只有从重整器20产生的预定量的氢被通过氢气罐73和第二供应管线92供应给堆体10。

燃料电池系统100的运转如下。在启动时，控制单元60令第一缓冲单元50向燃料泵33施加动力。燃料泵33被驱动起来之后，通过第一供应管线91将存储在燃料罐31中的燃料供应给重整器20。

重整器20利用热能通过化学催化反应从燃料中产生氢并通过第二供应线路92将氢供应给堆体10的发电体11。氢被燃料泵33的泵压推动沿着第二供应管线92流动，使得一部分氢被存储在氢气罐73中，而相当于堆体10的基准电能量的氢被供应给堆体10。

同时，控制单元60令第一缓冲单元50向气泵41施加辅助动力。随着气泵41的工作，通过第三供应管线93将空气供应给堆体10的发电体11。

堆体10的发电体11通过来自重整器20的氢和空气中所含的氧之间的电化学反应产生基准电能。堆体10将所产生的电能输出到负载L。

在上述过程中，控制单元60探测堆体10的基准电能和负载L所需的使用电能。根据探测到的基准电能和使用电能，控制单元60判断出使用电能是否超过了基准电能。如果使用电能超过了基准电能，亦即，如果负载L处于电过载状态，控制单元60就让第一缓冲单元50或堆体10向第三供应泵74施加辅助动力或超出的电能。

结果，除了利用燃料泵33的泵压通过第二供应管线92向堆体10的发电体11供应的氢之外，从氢泵74利用氢泵74的泵压向堆体10的发电体11还供应了相当于负载L的超出的使用电能的量的氢。在这一过程中，还利用气泵41向堆体10的发电体11供应了相当于所供氢量的量的空气。结果，堆体10生成了超出的使用电能并将该能量输出到负载L。

根据控制单元60的判断，如果负载L的使用电能没有超过堆体10的基准电能，控制单元60就阻止氢泵74被驱动起来。因此，仅仅是重整器20所产生的相当于基准电能量的氢通过利用燃料泵33的泵压通过第二供应管线被供应给堆体10的发电体11。堆体10生成了相当于基准电能的电能并将该能量输出到负载L。

因此，本发明的燃料电池系统100通过第二缓冲单元70调节供应给堆体10的氢量并进而调节堆体10的输出电能，藉此迅速地适应负载L的电过载状态。结果，有可能降低第一缓冲单元50的能量消耗并自适应地供应相当于负载L的可变使用电能的电能。

虽然已经描述了本发明的示范性实施例，本发明不仅仅局限于实施例，而是能以各种形式改进，同时并不背离本发明的权利要求、详细的说明书和附图的范围。因此，此类改进自然是属于本发明的范围的。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，适于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能，所述系统包括：

堆体，适于产生相当于负载的平均使用能量的电能并适于将所述电能施加给所述负载；

重整器，适于重整燃料以产生氢并适于将所述氢供应给所述堆体；

燃料供应单元，适于将燃料供应给所述重整器；

供氧单元，适于将氧供应给所述堆体；以及

缓冲单元，连接到所述重整器和堆体，所述缓冲单元适于根据所述负载的实际使用能量调节从所述重整器供应给所述堆体的氢的量。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述缓冲单元包括：

连接在所述重整器和所述堆体之间的存储单元，所述存储单元适于存储超出量的氢；以及

连接到所述存储单元的供氢单元，所述供氢单元适于在实际使用电能超过所述平均使用电能时，将存储在所述存储单元中的氢供应到所述堆体。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括：

燃料罐；

连接到所述燃料罐的燃料泵；

第一供应管线，连接所述燃料罐和所述重整器；以及

第二供应管线，连接所述重整器和所述堆体。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述供氧单元包括气泵。

5.如权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述缓冲单元包括：

位于所述第二供应管线上的氢气罐，所述氢气罐具有大于所述第二供应管线的截面积并存储超出量的氢；和

连接到所述氢气罐的氢泵，其适于在实际使用电能超过所述平均使用电能时，将存储在氢气罐中的氢供应到所述堆体。

6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述氢气罐包括连接到所述第二供应管线的入口和出口。

7.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述第二供应管线具有一截面积，所述截面积适于允许相当于所述平均使用能量的量的氢流向所述堆体。

8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述堆体包括多个发电体，所述发电体适于产生电能。

9.一种燃料电池系统，适于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能，所述系统包括：

堆体，适于产生相当于负载的平均使用能量的电能并适于将所述电能施加给所述负载；

重整器，适于重整燃料以产生氢并适于将所述氢供应给所述堆体；

燃料供应单元，适于将燃料供应给所述重整器；

供氧单元，适于将氧供应给所述堆体；

第一缓冲单元，电连接至所述负载，所述第一缓冲单元适于根据相当于负载实际使用能量超出所述平均使用能量的超出使用量向所述负载施加辅助动力；

第二缓冲单元，连接到所述重整器和堆体，所述第二缓冲单元适于根据所述超出使用量调节从所述重整器供应给所述堆体的氢的量；以及

控制单元，适于检测所述超出使用量并适于相应地控制所述第一缓冲单元和所述第二缓冲单元。

10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述第一缓冲单元包括蓄电池，所述蓄电池适于向负载提供相当于所述超出使用量的辅助动力。

11.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述第二缓冲单元包括：

位于所述重整器和所述堆体之间的存储单元，所述存储单元适于存储一定量的氢；和

连接到所述存储单元的供氢单元，所述供氢单元适于在实际使用电能超过所述平均使用电能时，将存储在所述存储单元中的氢供应到所述堆体。

12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述存储单元包括一适于存储氢的氢气罐。

13.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述供氢单元包括一适于从所述氢气罐排出氢的氢泵。

14.一种用于在可变负载下运行燃料电池系统的方法，所述方法包括：

在重整器中重整燃料以产生氢气流；

将一定量的氢气流供应给堆体；

在所述堆体中产生一定量的电能；

向所述负载提供所述量的电能；

将所述堆体产生的电能的量与所述负载比较；且

当所述堆体产生的电能的量超过所述负载时，向氢存储单元提供一部分所述氢气流作为超出量的氢；和

当所述负载超过所述堆体产生的电能的量时，将所述重整器产生的所有的氢气流以及至少一部分所述超过量的氢提供给所述堆体。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括向所述堆体提供空气。

16.如权利要求14所述的方法，进一步包括利用燃料泵从燃料罐向所述重整器提供燃料。

17.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述负载超过所述堆体产生的电能的量时利用氢泵从所述氢存储单元向所述堆体提供所述的超出量的氢。

18.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述负载超过所述堆体产生的电能的量时从所述缓冲单元向所述负载提供一定量的辅助电能。

19.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述燃料电池启动的情况下从缓冲单元向所述负载提供一定量的辅助电能。

20.如权利要求18所述的方法，进一步包括在所述堆体产生的电能的量超过所述负载时向所述缓冲单元提供一定量的超出量的电能。

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