CN1885605B - 修正燃料电池系统的燃料供给单元中的流速的方法 - Google Patents

修正燃料电池系统的燃料供给单元中的流速的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种控制燃料电池系统的燃料供给单元中的燃料的流速的方法。该燃料电池系统包括燃料泵、每分钟转数(RPM)测量单元、微计算机和功率变换器。该控制流速的方法控制燃料供给单元，以便将燃料提供给重整器或堆，该重整器重整燃料以产生氢，该堆通过燃料和氧的反应来产生电能。该控制流速的方法包括：测量该燃料泵的实际RPM；将该实际RPM与该燃料泵的基准RPM进行比较；和根据该比较结果调整该燃料泵的驱动电压。

Description

修正燃料电池系统的燃料供给单元中的流速的方法
技术领域
本发明涉及控制燃料电池系统的燃料供给单元的方法，并且更特别地，涉及修正燃料供给单元中的流速的方法。
背景技术
常规的燃料电池系统包括为重整器或堆提供燃料的燃料泵。燃料泵由发动机驱动以产生抽汲力，从而把燃料提供给重整器或堆。
当燃料泵提供燃料时，需要根据场合的要求增加或者减少所提供的燃料的量。一种方法是，通过改变提供给燃料泵的功率的量来增加或者减少燃料泵的输出，由此来改变燃料的量。另一种方法是，在燃料泵中安装流量计和控制流量计的控制器，流量计测量燃料的流速，而控制器传递作为测量结果的信号，从而根据所处理过信号控制燃料泵。
前一控制流速的方法的优点在于，由于结构简单，所以燃料电池的制造成本低，但是其缺点在于，不可能实现高精度的流速控制。另一方面，后一控制燃料流速的方法的优点在于，可能实现高精度的流速控制，但是其缺点在于，由于要额外提供流量计和控制流量计的控制器，所以增加了制造成本和整个系统的大小。因此，需要一种能够以低成本实现高精度流速控制的燃料电池系统。
发明内容
本发明提供了一种控制燃料电池系统的燃料供给单元中的燃料的流速的方法，在该系统中燃料供应给重整器或堆，该重整器重整燃料以产生氢，该堆通过燃料与氧的反应来产生电能，其中该燃料电池系统包括燃料泵、每分种转数(RPM)测量单元、微计算机和功率变换器，该方法包括：测量该燃料泵的实际RPM；将该实际RPM与该燃料泵的基准RPM进行比较；根据该比较结果调整该燃料泵的驱动电压。
在一个实施例中，所述比较包括利用存储在所述微计算机中的流速控制程序，通过计算下述公式，确定所述基准RPM，V0＝fv(Q0)，和rpm0＝frpm(Q0)其中V0表示基准电压，Q0表示基准流速，rmpo表示所述燃料泵的基准RPM。
在另一实施例中，所述微计算机具有存储在自身中用于执行下述步骤的的流速控制程序：(a)在对应于基准流速的基准电压施加到所述燃料泵上时，测量所述燃料泵的实际RPM；(b)从对应于该基准流速的基准RPM中减去所述燃料泵的实际RPM，计算所获取的RPM差；(c)根据该RPM差和该基准电压计算所述燃料泵的实际流速；(d)通过比较该实际流速和该基准流速，计算所述燃料泵要求的修正的流速；和(e)根据该RPM差和该修正的流速，计算修正的输出，其中所述调整驱动电压进一步包括提供对应于该修正的输出的修正的电压到所述燃料泵。
所述实际流速的计算可根据下述公式：Qc＝fQ(Δrpm，V0)，其中Qc表示所述实际流速，V0表示所述基准电压，并且Δrpm表示所述RPM差。所述计算修正的流速可根据下述公式：QA＝Q0+(Q0-Qc)，其中QA表示所述修正的流速，Q0表示所述基准流速，Qc表示所述实际流速。所述计算修正的输出根据下述公式：VA＝fV(Δrmp，QA)，其中VA表示所述修正的输出，Δrmp表示所述RPM差，QA表示所述修正的流速。
在另一实施例中，所述测量燃料泵的实际RPM包括：对所述燃料泵的RPM进行多次检测，以获取多个检测值；和对所述多个检测值进行平均，以获取所述燃料泵的实际RPM。
附图说明
附图结合申请文件图解了本发明的示范性实施例，并结合说明书解释本发明的原理。
图1为示出根据本发明实施例的燃料电池系统的示意性框图。
图2为示出根据本发明实施例的流速控制单元的示意性框图。
图3为示出根据本发明实施例的流速控制单元的控制系统的示意性框图。
图4为示出根据本发明实施例的修正流速的方法的控制过程的流程图。
图5为示出根据本发明实施例的修正流速的方法中燃料泵的输出和流速变化之间关系的时间图。
具体实施方式
在下面的具体描述中，通过图解的方式展示和描述了本发明的特定示范性实施例。本领域的技术人员应该理解，所述的示范性实施例都可以通过不同的方式进行修改，而不超出本发明的精神或范围。因此，附图和说明在本质上应被认为是解释性的，而不是限定性的。
图1为示出根据本发明实施例的燃料电池系统的结构的示意性框图。
图1中燃料电池系统110使用高分子电解质薄膜燃料电池(PEMFC，polymer electrolyte membrane fuel cell)，该燃料电池通过重整燃料来生成氢，并通过氢和氧化剂气体的电化学反应来产生电能。
在燃料电池系统110中，用于生成氢的燃料包括含氢的液体或气体，例如甲醇、乙醇或天然气。为了表述方便，下文中将液体燃料称为“燃料”。
在燃料电池系统110中，与氢反应的氧化剂气体可以是存储在单独的存储工具中的氧，或者是含氧的空气。在下文中将对此进行讨论。
根据图1所示实施例的燃料电池系统110基本上包括：通过氢和氧的电化学反应产生电能的堆111；运用热能从前述的燃料中生成氢，并将氢提供给堆111的重整器113；用于给重整器113提供燃料的燃料供给单元115；和用于给堆111提供空气的空气供给单元118。
堆111包括燃料电池，燃料电池使由重整器113提供的氢和由空气供给单元118提供的氧进行电化学反应，以产生电能。
堆111包括用于产生电能的发电器112的最小单元。可通过将隔板(也称为“双极板”)配置为与膜电极组件(MEA)的两侧紧密接触，来构成发电器112。
在本实施例中，多个发电器112构成最小单元。因此，多个发电器112顺序地设置，使堆111形成为发电器112的堆叠结构。因为堆111可以构造为普通高分子电解质薄膜燃料电池的堆，所以省略对堆的额外描述。
重整器113利用热能通过燃料的化学催化反应从含有氢的燃料中生成氢，例如，蒸汽重整反应、局部氧化反应或自热化反应。
用于给重整器113提供燃料的燃料供给单元115包括存储燃料的燃料箱116，以及连接到燃料箱115以便将燃料从燃料箱115释放出的燃料泵2。
用于给堆111提供空气的空气供给单元118包括空气泵119，其用于抽汲空气，并将空气提供给堆111的发电器112。
另一方面，依据本发明另一实施例的燃料电池系统，可构造为直接氧化型燃料电池系统，例如直接甲醇燃料电池(DMFC)系统，在DMFC系统中燃料直接提供给堆，并通过燃料和氧的电化学反应产生电能。
另外，依据本发明另一个实施例的燃料电池系统，可构造为主动型燃料电池系统，该系统中燃料和氧分别从燃料供给单元和空气供给单元提供，并且通过燃料和氧的电化学反应产生电能。不像PEMFC类型的燃料电池系统，在主动型燃料电池系统中可能会移除重整器，如图1中虚线所示，直接用管线连接燃料供给单元的燃料箱和堆。
根据本发明实施例的修正流速的方法，可适用于具有上述结构的燃料电池系统110，该方法也适用于如图2和图3所示包括燃料泵2、每分钟转数(RPM)测量装置4、微计算机6和功率变换器8的流速供应控制器。
根据本实施例的流速控制操作，通过检测由燃料产生的回压(back-pressure)PB来执行，这里所说的燃料是在燃料泵2的入口12吸入燃料后，从燃料泵2的出口14释放出的燃料。
存储在微计算机6中的流速控制程序10，存储有用于计算基准电压V0和燃料泵2的基准RPM rmpo的公式1和公式2，其中基准电压V0是用基准流速Q0的函数表示的电压值，rmpo是用基准流速Q0的函数表示的RPM值。
公式1：V0＝fv(Q0)
公式2：rmp0＝frmp(Q0)
公式1和公式2是以通过改变燃料泵2的RPM值和用于驱动燃料泵2的功率变换器8的功率值所获得的燃料供给量的实验数据为基础建立的。
存储在微计算机6中的流速控制程序10根据如图4和图5所示的下述步骤运行。
参见图2到图5，根据来自流速控制程序10的指令，在RPM测量步骤20中，微计算机6在对应于基准流速Q0的基准电压V0加载在燃料泵2上时，测量所产生的实际RPM值rpm。
因为回压PB一般不稳定并经受剧烈的波动，所以燃料泵2的旋转变得不稳定。因此，为促进精密的测量，计算和使用通过三次以上的测量所获取的实际RPM值rpm的平均值。
运用基准电压V0测量了燃料泵2的实际RPM值rpm后，执行输出测量步骤40，在步骤40中通过基于回压的大小计算输出，来测量输出。
更具体地，回压PB可以这样计算，即从对应于基准流速Q0的燃料泵2的基准RPM rmpo中减去所测量的燃料泵2的RPM rmp。换句话说，施加到燃料泵2的回压PB的大小，可通过所测量的RPM rmp与基准RPM rmpo之间的RPM差Δrmp来计算。
例如，当RPM差Δrmp等于零(0)时，表明适量的燃料提供给燃料泵2，基准回压PB施加到燃料泵2上。
当RPM差Δrmp小于零(0)时，表明提供给燃料泵2的燃料量大于基准流速Q0，施加到燃料泵2上的回压小于基准回压PB。
当RPM差Δrmp大于零(0)时，表明提供给燃料泵2的燃料量小于基准流速Q0，施加到燃料泵2上的回压大于基准回压PB。
于是，在计算当前供应的流速的步骤60中，通过将在上述步骤中计算的RPM差Δrmp和预定基准电压V0代入公式3，计算燃料泵2的实际流速Qc。
公式3：Qc＝fQ(Δrmp，V0)
当实际流速Qc的计算步骤完成后，执行流速修正步骤80，在步骤80中，将在步骤60中计算的燃料泵2的实际流速Qc与预定基准流速Q0做比较，得到表明当前供应的流速Qc是不足还是过量的修正流速QA。
修正流速QA通过公式4进行计算。
公式4：QA＝Q0+(Q0-QC)
当修正流速QA的计算步骤完成后，执行输出修正步骤100，在步骤100中，燃料泵2的修正输出电压VA根据RPM差Δrmp和修正流速QA来计算。燃料泵2的修正输出电压VA通过公式5进行计算。
公式5：VA＝fv(Δrmp，QA)
公式5可以通过对公式4进行重新整理或者用公式3中运用的数据来获取。
需要为RPM测量步骤中20和输出修正步骤100提供相同的时间段，但是没有必要一直为步骤20和步骤40提供相同的时间段。当为步骤20和步骤40提供不同的时间段时，有必要将公式4中的差值(Q0-QC)乘以修正值[(RPM测量时间)/(输出修正时间)]。
流速控制程序10的处理循环以预定时间间隔重复执行。
根据本发明实施例的燃料供给控制器可以根据前述数据的实际值，在如图3所示的控制系统的控制下进行电操作。
微计算机6控制着功率变换器8，以便通过功率变换器8的输出端的电压，根据从微计算机6输入到功率变换器8的输出信号而改变。
功率变换器8主要包括电流控制器8a和转换器8b，功率变换器8的输出被输入用作反馈，以便进行精确的控制。
燃料泵2由功率变换器8的输出电压来驱动。燃料泵2的RPM通过RPM测量装置4进行测量，并输入给微计算机6。
在根据本发明实施例的修正流速的方法中，因为燃料泵2的输出与燃料的流速有关，所以有可能如图5所示以均匀的流速提供燃料。
更具体地，假设图4中的步骤20、40和60对应于RPM测量操作，步骤80、100对应于输出修正操作，通过在驱动燃料泵2的同时反复地执行RPM测量操作和输出修正操作，并通过根据上述公式计算的值改变施加到燃料泵2上的电压，来增加或者减少实际燃料释放流速。
如上所述，施加到燃料泵上的电压通过存储在微计算机中的控制程序进行改变，不需要流量计和控制流量计的控制器，从而增加或者减少从燃料泵的出口释放出来的燃料的流速。因此，有可能提供一种精度高、结构简单且成本低的燃料供给单元。
虽然已经对本发明的示范性实施例进行了描述，但是本发明不限于这些实施例和例子，本发明可以进行多种形式的修改，而不超出本发明所附权力要求、具体描述和附图的范围。因此，这些修改都属于由所附权力要求和其等价替换所限定的本发明的范围。

Claims (7)

1.一种控制燃料电池系统的燃料供给单元中的燃料流速的方法，在该系统中燃料供应给重整器或堆，该重整器重整燃料以产生氢，该堆通过燃料与氧的反应来产生电能，其中该燃料电池系统包括燃料泵、每分种转数RPM测量单元、微计算机和功率变换器，该方法包括：
测量该燃料泵的实际RPM；
将该实际RPM与该燃料泵的基准RPM进行比较；和
根据该比较结果调整该燃料泵的驱动电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述比较包括：
利用存储在所述微计算机中的流速控制程序，通过计算下述公式，确定所述基准RPM：
V0=fv(Q0)
rpm0＝frpm(Q0)
其中V0表示基准电压，Q0表示基准流速，并且rmp0表示所述燃料泵的基准RPM。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述微计算机具有存储在自身中用于执行下述步骤的流速控制程序：
（a）在对应于基准流速的基准电压施加到所述燃料泵上时，测量所述燃料泵的实际RPM；
（b）从对应于该基准流速的基准RPM中减去所述燃料泵的实际RPM，计算所获取的RPM差；
（c）根据该RPM差和该基准电压计算所述燃料泵的实际流速；
（d）通过比较该实际流速和该基准流速，计算所述燃料泵要求的修正的流速；和
（e）根据该RPM差和该修正的流速，计算修正的输出，
其中所述调整驱动电压进一步包括提供对应于该修正的输出的修正的电压到所述燃料泵。
4.根据权利要求3所述的方法，其中根据下述公式计算所述实际流速：QC＝fQ(Δrpm，V0)
其中Q表示所述实际流速，V0表示所述基准电压，并且Δrpm表示所述RPM差。
5.根据权利要求3所述的方法，其中根据下述公式计算所述修正的流速：
QA＝Q0＋(Q0－QC)
其中QA表示所述修正的流速，Q0表示所述基准流速，并且QC表示所述实际流速。
6.根据权利要求3所述的方法，其中根据下述公式计算所述修正的输出：
VA＝fV(Δrmp，QA)，
其中VA表示所述修正的输出，Δrmp表示所述RPM差，并且QA表示所述修正的流速。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量燃料泵的实际RPM包括：
对所述燃料泵的RPM进行多次检测，以获取多个检测值；和
对所述多个检测值进行平均，以获取所述燃料泵的实际RPM。
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