DE112006004093T5

DE112006004093T5 - Vorrichtung für tragbare Brennstoffzellen und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE112006004093T5
Application number: DE112006004093T
Authority: DE
Inventors: Jaeyoung Lee; Suk-Woo Nam; Tae Hoon Lim; In Hwan Oh; Sung Pil Yoon; Seong Ahn Hong; Jonghee Han; Hyoung-Juhn Kim; Eun Ae Cho; Hyung Chul Hahm; Yeong Cheon Kim
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Korea Institute of Science and Technology KIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Korea Institute of Science and Technology KIST
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2009-09-03
Also published as: JP2010507894A; US20100021775A1; WO2008050933A1; KR100783047B1; US8927163B2

Abstract

Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Brennstoffzelle, die eine Elementarzelle oder einen Stapel der Elementarzellen umfasst;
eine Sekundärbatterie, die ladbar und entladbar ist; und
ein Leistungsmanagementsystem (PMS) mit einem Gleichstromumrichter, wobei das PMS von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung empfängt und die Leistung einem Gerät zuführt, das mit der Sekundärbatterie verbunden ist, um Leistung zu empfangen oder zuzuführen, Leistung für den Betrieb der Brennstoffzelle zuzuführen, die Spannung der Brennstoffzelle zu messen und die Leistungszufuhr anhand der Messung zu regulieren,
wobei dem PMS bei einem Stabilisierungszustand Leistung von der Brennstoffzelle so zugeführt wird, dass die gemessene Spannung von der Brennstoffzelle nach dem Anfangsbetrieb der Brennstoffzelle einen konstanten Zustand erreicht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gesamte Brennstoffzellenvorrichtung (im Folgenden als "Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle" bezeichnet) für die Leistungsversorgung tragbarer elektronischer Geräte, die eine Sekundärbatterie, eine Brennstoffzelle und einen Leistungsregler enthält, und insbesondere auf eine Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle, in der ein problemloser Anfangsbetrieb möglich ist, die Energieverluste minimiert werden können sowie ein stabiles und effizientes Energiemanagement möglich ist, und auf ein Betriebsverfahren hierfür.
Stand der Technik
Eine Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle wird in verschiedenen Geräten wie etwa Mobiltelephonen, Notebook-Computern (industriellen oder militärischen) menschenähnlichen Robotern, Notstromversorgungen, elektrischen Rollstühlen, militärischen Kommunikationsvorrichtungen oder dergleichen als eine Leistungsquelle mit einer Abgabe im Bereich vom W-Niveau bis zum kW-Niveau (z. B. 1 W–5 kW) verwendet. Als eine Brennstoffzelle, die auf eine solche Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle direkt anwendbar ist, gibt es eine modifizierte Wasserstoffbrennstoffzelle (die Methanol, Diesel, Erdgas oder dergleichen verwendet), eine Direktflüssigkeitsbrennstoffzelle, eine Wasserstoffbrennstoffzelle, die einen Wasserstofflagerbehälter verwendet, oder andere.
Allerdings konzentriert sich die herkömmliche Entwicklung hauptsächlich auf ein Gerät selbst, auf das die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle als eine Leistungsquelle anwendbar ist, oder auf ein Erscheinen, nachdem die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle eingebaut worden ist. Wie dies ist im Ergebnis einer solchen früheren Forschung für die anderen peripheren Dinge als die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle selbst tatsächlich eine Forschung für das für die Kommerzialisierung der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle erforderliche Energiemanagement kaum untersucht worden.
Insbesondere gibt es keine Ideen zur Minimierung der von der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle erzeugten Energieverluste, zur Realisierung eines stabilen und effizienten Energiemanagements und zur Betrachtung der Auswahl und Anordnung der Komponenten in der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle angesichts dieses Energiemanagements.
Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, wobei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle und ein Betriebsverfahren davon ist, wobei die von der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle erzeugten Energieverluste minimiert werden können, ein stabiles und wirksames Energiemanagement realisiert werden kann und die Auswahl und Anordnung der Komponenten in der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle angesichts dieses Energiemanagements ausgeführt werden können.
Technische Lösung
Es wird eine Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle geschaffen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Brennstoffzelle, die eine Elementarzelle oder einen Stapel der Elementarzellen umfasst; eine Sekundärbatterie, die ladbar und entladbar ist; und ein Leistungsmanagementsystem (PMS) mit einem Gleichstromumrichter, wobei das PMS von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung empfängt und die Leistung einem Gerät zuführt, das mit der Sekundärbatterie verbunden ist, um Leistung zu empfangen oder zuzuführen, Leistung für den Betrieb der Brennstoffzelle zuzuführen, die Spannung der Brennstoffzelle zu messen und die Leistungszufuhr anhand der Messung zu regulieren, wobei dem PMS bei einem Stabilisierungszustand Leistung von der Brennstoffzelle so zugeführt wird, dass die gemessene Spannung von der Brennstoffzelle nach dem Anfangsbetrieb der Brennstoffzelle einen konstanten Zustand erreicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung misst das PMS, ob die Spannung der Brennstoffzelle einen Leerlaufspannungswert (OCV-Wert) der Elementarzelle oder des Stapels davon übersteigt, wenn die Spannung der Brennstoffzelle bei dem Anfangsbetrieb angehoben wird, und nach einer Zeit wiederum, ob die Spannung der Brennstoffzelle den OCV-Wert erreicht, und wobei ihm nach der zweimaligen Messung die Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung bestimmt das PMS, dass die Spannung den OCV-Wert erreicht, wenn die Spannung nach der Zeit innerhalb ±5% des OCV-Werts erreicht, und wird ihm Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung führt die Sekundärbatterie die Leistung von 10 bis 15% der von der Brennstoffzelle erzeugten Gesamtleistung als Anfangsbetriebsleistung der Brennstoffzelle zu.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die verbrauchte Leistung der Sekundärbatterie für die Anfangsbetriebsleistung der Brennstoffzelle bis zum Abschluss ihrer Vollladung von dem PMS zugeführt und daraufhin die Verbindung zwischen dem PMS und der Sekundärbatterie getrennt.
In einer Ausführungsform der Erfindung hält das PMS die Leistungszuführung zu der Brennstoffzelle an, um den Betrieb der Brennstoffzelle anzuhalten, wenn die Brennstoffzelle nach ihrem Normalbetriebszustand ihre Leistungsmerkmals-Verschlechterungsphase erreicht, sodass das Potential davon unter dem Grenzpotential erreicht, und wird ihm Leistung von der Sekundärbatterie zugeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung hält das PMS das Betriebspotential der Brennstoffzelle auf 40 bis 60% des Verwendungspotentials des Geräts, um den Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters auf 85 bis 90% oder mehr zu halten.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Anzahl der Separatoren und eine Fläche der MEA der Brennstoffzelle so gesteuert, dass das Betriebspotential 60% nicht übersteigt.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle geschaffen, wobei die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle, die eine Elementarzelle oder einen Stapel der Elementarzellen umfasst; eine Sekundärbatterie, die ladbar und entladbar ist; und ein Leistungsmanagementsystem (PMS) mit einem Gleichstromumrichter umfasst, wobei das PMS von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung empfängt und die Leistung einem Gerät zuführt, das mit der Sekundärbatterie verbunden ist, um Leistung zu empfangen oder zuzuführen, Leistung für den Betrieb der Brennstoffzelle zuzuführen, die Spannung der Brennstoffzelle zu messen und die Leistungszufuhr anhand der Messung zu regulieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Zuführen von Anfangsbetriebsleistung von der Sekundärbatterie zu der Brennstoffzelle (S1); Zuführen von Leistung von der Brennstoffzelle zu dem PMS bei einer Stabilisierungsphase, wobei die von der Brennstoffzelle gemessene Spannung nach dem Anfangsbetrieb der Brennstoffzelle einen konstanten Zustand erreicht (S2); Zuführen von Leistung von dem PMS, dem Leistung zugeführt wird, zu einem Gerät, zu der Brennstoffzelle und zu der Sekundärbatterie (S3); und Anhalten der Leistungszuführung von der Sekundärbatterie zu der Brennstoffzelle, wenn die Leistung von dem PMS zu der Brennstoffzelle zugeführt wird (S4).
In einer Ausführungsform der Erfindung misst das PMS, ob die Spannung der Brennstoffzelle einen Leerlaufspannungswert (OCV-Wert) der Elementarzelle oder des Stapels davon übersteigt, wenn die Spannung der Brennstoffzelle bei dem Anfangsbetrieb angehoben wird, und nach einer Zeit, ob die Spannung der Brennstoffzelle den OCV-Wert wieder erreicht, und wird ihm nach der zweimaligen Messung die Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung bestimmt das PMS in dem Schritt S2, wenn die Spannung nach der Zeit innerhalb ±5% des OCV-Werts erreicht, dass die Spannung den OCV-Wert erreicht, wobei ihm Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung führt die Sekundärbatterie in dem Schritt S1 die Leistung von 10 bis 15% der von der Brennstoffzelle erzeugten Gesamtleistung als Anfangsbetriebsleistung der Brennstoffzelle zu.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärbatterie in dem Schritt S3 mit überschüssiger Leistung geladen, die verbleibt, nachdem die Leistung dem Gerät und der Brennstoffzelle zugeführt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung hält das PMS das Betriebspotential der Brennstoffzelle auf 40 bis 60% des Verwendungspotentials des Geräts, um den Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters auf 85 bis 90% oder mehr zu halten.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Anzahl der Separatoren und eine Fläche der MEA der Brennstoffzelle so gesteuert, dass das Betriebspotential 60% nicht übersteigt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt: Anhalten der Leistungszuführung von dem PMS zu der Sekundärbatterie bei der Vollladung der Sekundärbatterie (S5).
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt: Anhalten der Leistungszuführung von dem PMS zu der Brennstoffzelle, um den Betrieb der Brennstoffzelle anzuhalten, und Zulassen, dass dem PMS Leistung von der Sekundärbatterie zugeführt wird, wenn die Brennstoffzelle nach ihrem Normalbetriebszustand ihre Leistungsmerkmals-Verschlechterungsphase erreicht, sodass das Potential davon unterhalb des Grenzpotentials gelangt (S6).
Vorteilhafte Wirkungen
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es mittels der Anfangsbetriebserfassung, einer effizienten Umsetzung des Betriebspotentials, der minimalen Verwendung der Brennstoffkonzentration in einer Brennstoffzelle, der maximalen Verwendung einer Sekundärbatterie beim Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle usw. möglich, die erzeugten Energieverluste zu minimieren und ein stabiles und effizientes Energiemanagement auszuführen. Außerdem ist es mittels Auswahl und Anordnung der Komponenten in der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle angesichts dieses Energiemanagements möglich, die Wirtschaftlichkeit und die Verfügbarkeit der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle zu erhöhen.
Da die Bestimmung des Anfangsbetriebs anhand der Leerlaufspannung (OCV) eine Zuverlässigkeit von 95% oder mehr aufweist, wird sie in der vorliegenden Erfindung insbesondere in der Weise stabil gesteuert, dass sie ein optimales Betriebspotential und minimale Energieverluste aufweist, wodurch die Leistungsmerkmale der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle konstant gehalten werden.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung nicht nur für die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle, sondern auch für das optimale Leistungsmanagement in verschiedenen Arten von Brennstoffzellensystemen verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Ansicht der Struktur einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht, die einen Betrieb einer Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle in ihrem Anfangsbetriebszustand und in ihrem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
3 ist ein graphisches Diagramm, das die Änderung des Brennstoffzellenpotentials gemäß der Betriebszeit in einem Anfangsbetriebszustand und in einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein graphisches Diagramm, das ein Ergebnis der erfassten Ansprechzeit einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle in einem Anfangsbetriebszustand und in einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
5 ist eine schematische Ansicht, die den Betrieb (die Ausführung des Minimalleistungsmanagements) einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle in der Phase der Leistungsmerkmalsverschlechterung der Brennstoffzelle nach einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
6 ist ein graphisches Diagramm, das die Änderung des Brennstoffzellenpotentials gemäß der Betriebszeit in der Phase der Brennstoffzellen-Leistungsmerkmalsverschlechterung nach einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
7 ist ein graphisches Diagramm, das ein Ergebnis der erfassten Ansprechzeit einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle in der Phase der Leistungsmerkmalsverschlechterung der Brennstoffzelle nach einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
8 ist ein graphisches Diagramm, das den Wirkungsgrad eines Gleichstromumrichters gemäß dem Eingangspotential in einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden eine Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle und ein Betriebsverfahren davon gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
Im Kontext kann auf eine "Brennstoffzelle" in der Weise Bezug genommen werden, dass sie ebenfalls eine Brennstoffzufuhreinheit, eine Brennstoffzufuhrpumpe, eine Gaszufuhrpumpe, ein Kühlluftgebläse, einen BOP usw., die der Brennstoffzelle im Allgemeinen beigefügt sind, sowie eine Elementarzelle oder einen Stapel der Elementarzellen umfasst.
1 ist eine schematische Ansicht der Struktur einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 veranschaulicht ist, enthält die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Brennstoffzelle 10, die aus einer Elementarzelle oder aus einem Stapel von Elementarzellen, aus einer ladbaren, entladbaren Sekundärbatterie 31 und aus einem Leistungsmanagementsystem (PMS) 30 für das Management der Leistungszufuhr in der Vorrichtung besteht. Das PMS empfängt von der Brennstoffzelle 10 erzeugte Leistung (Spannung – Strom) und führt sie einem Gerät 40 oder der Sekundärbatterie 31 zu oder empfängt wieder Leistung von der Sekundärbatterie 31. Das PMS enthält einen Gleichstromumrichter (nicht gezeigt) und ein Voltmeter (nicht gezeigt), um in Echtzeit eine Spannung der Brennstoffzelle 10 zu messen. Das PMS 30 steuert hier einen Spannungswert entsprechend der Spezifikation des mit der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle verbundenen Geräts 40 oder entsprechend den Teilen (einer Flüssigkeitspumpe 12, einer Gaspumpe 20, einem Kühlluftgebläse 21, einem BOP 22 oder dergleichen) in der Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle. Der Gleichstromumrichter in dem PMS 30 erhöht die erzeugte Energie geeignet für eine Zielspannung.
Die Brennstoffzelle 10 ist mit allgemeinen Vorrichtungen versehen, die für eine Brennstoffzelle vorgesehen sein können. Das heißt, die Brennstoffzelle 10 enthält eine Brennstofflagereinheit 11, eine Brennstoffzufuhrpumpe 12 zum Zuführen von Brennstoff aus der Brennstofflagereinheit 11 zu der Brennstoffzelle 10, die aus einer Elementarzelle oder aus einem Stapel der Elementarzellen besteht, eine Luftpumpe 20 zum Zuführen von Luft zu der Brennstoffzelle 10, ein Kühlluftgebläse 21 zum Kühlen der Brennstoffzelle 10, einen mit der Brennstoffzelle 10 verbundenen BOP 22 und dergleichen.
Die Luftpumpe 20, das Kühlluftgebläse 21 und der BOP 22 werden unter Verwendung der zuerst von der Sekundärbatterie 31 zugeführten Leistung in der Weise betrieben, dass die Brennstoffzelle 10 zum Erzeugen elektrischer Leistung betrieben wird. Als die Sekundärbatterie 31 kann eine Sekundärbatterie mit extra kleinerer Aufnahmefähigkeit z. B. von 5 V Gleichspannung, 12 V Gleichspannung oder 21 V Gleichspannung verwendet werden. Obgleich die Aufnahmefähigkeit gemäß der Erzeugungsleistung der Brennstoffzelle geändert werden kann, kann vorzugsweise die Aufnahmefähigkeit verwendet werden, die näherungsweise 10–15% der Gesamtleistung entspricht.
Zum Beispiel ist die optimale Energieanforderung der Teile (Flüssigkeitspumpe 12, Gaspumpe 20, usw.) für den Betrieb einer 30-Wh-Brennstoffzelle 10 näherungsweise 6 W, wobei die Sekundärbatterie 31 mit näherungsweise 1 Wh (was näherungsweise 3% der Abgabe pro Stunde/0,3% der Gesamtabgabe entspricht) erforderlich ist, falls die Stabilisierungszeit auf unter 10 Minuten eingestellt ist. Als Referenz beträgt die Abgabe pro Stunde im Fall einer kürzlich entwickelten Brennstoffzelle für Notebooks 20 bis 30 Wh und die Gesamtabgabe näherungsweise 300 W.
Wie später beschrieben wird, wird die verbrauchte Leistung der Sekundärbatterie 31 mit zusätzlicher Leistung der in dem Gerät 40 zu verwendenden Leistung geladen, wobei die Leistung nur durch die Verbindung zwischen der Batterie und dem Gerät ununterbrochen verbraucht wird, wenn die Sekundärbatterie voll geladen ist, sodass die Verbindung getrennt wird, um zu verhindern, dass die Energieeffizienz abnimmt.
Zwischen der Brennstoffzelle 10 und der Sekundärbatterie 31 und dem PMS 30 oder zwischen der Sekundärbatterie 31 und der Luftpumpe 20, dem Kühlluftgebläse 21 und dem BOP 22 oder zwischen der Luftpumpe 20, dem Kühlluftgebläse 21 und dem BOP 22 und dem PMS 30 sind Leistungsschalter zum Einschalten/Ausschalten des Stromflusses vorgesehen, wobei die Schalter durch das PMS 30 zum Einschalten/Ausschalten gesteuert werden.
Währenddessen kann für das PMS 30 zusätzlich ein Kondensator 33 vorgesehen sein, um die Energiezufuhr zu dem Gerät 40 gemäß dem dynamischen Energieverbrauch des Geräts 40 zu berücksichtigen.
2 ist eine Ansicht, die einen Betrieb einer Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle in ihrem Anfangsbetriebszustand und in ihrem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Wie oben beschrieben wurde, wird in 2 den Teilen 12, 20, 21 und 22 Anfangsleistung von der Sekundärbatterie 31 zugeführt, um die Brennstoffzelle 10 zu betreiben. "Ein 1" des Schalters bezeichnet hier die Leistungszufuhr. Diese Anfangsleistungszufuhr ist im Fall des Zustands "Ein 3" angehalten (d. h. "Ein 1" auf "Aus 1" geschaltet).
Bei der Erzeugung von Leistung durch Betreiben der Brennstoffzelle 10 wird die erzeugte Leistung dem PMS 30 zugeführt. Die anfangs erzeugte Leistung wird hier nicht direkt zugeführt, sondern die Leistung wird im Fall eines (im Folgenden weiter ausführlich beschriebenen) Stabilisierungszustands, in dem die von der Brennstoffzelle 10 gemessene Spannung nach dem Anfangsbetrieb konstant wird, von der Brennstoffzelle 10 dem PMS 30 zugeführt. "Ein 2" bezeichnet hier die Leistungszufuhr.
Währenddessen führt das PMS 30 von der Brennstoffzelle 10 empfangene Leistung dem Gerät 40, der Sekundärbatterie 31 und den Teilen 12, 20, 21 und 22 zu. Die Leistungszufuhr ist hier als "Einschalten 3" und "Einschalten 4" des Schalters bezeichnet. Beim Abschluss des Ladens in der Sekundärbatterie 31 wird die der Sekundärbatterie 31 zugeführte Leistung abgeschaltet (d. h. "Einschalten 4" wird in "Ausschalten 2" geschaltet). Wenn nach der Vollladung der Sekundärbatterie 31 das PMS 30 mit der Sekundärbatterie 31 verbunden wird (d. h. nicht in "Ausschalten 2" ist), kann die Energieeffizienz der gesamten Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle wegen einer Erscheinung, dass eine bestimmte Energiemenge verbraucht wird, verringert werden.
Eine wichtige Tatsache in dem obigen Betrieb ist, wie der Anfangsstabilisierungszustand bestimmt wird.
3 ist ein graphisches Diagramm, das die Änderung des Brennstoffzellenpotentials gemäß der Betriebszeit in einem Anfangsbetriebszustand und in einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Während Brennstoff und Luft zugeführt werden, wird wie in 3 dargestellt das Ausgangspotential der Brennstoffzelle von 0 V auf einen Maximalpunkt (z. B. 11 V oder weniger im Fall eines Direktflüssigkeits-Brennstoffzellensystems, das 15 Lagen Bipolarplattenseparatoren verwendet) angehoben und daraufhin das Ausgangspotential schrittweise stabilisiert.
Allerdings wird die Elementarzelle oder der Stapel davon in der Brennstoffzelle 10 im Allgemeinen nach einer konstanten Zeit stabilisiert, wobei die Stabilisierungszeit gemäß der Spezifikation und dem Ausgangsbereich der Elementarzelle oder des Stapels davon geändert werden kann.
Somit ist es nicht geeignet, dass die Stabilisierung des Betriebs der Brennstoffzelle 10 anhand eines Zeitkonzepts bestimmt wird, wobei selbst im Fall der Betrachtung des experimentellen Werts der instabile Zustand der Brennstoffzelle 10 verursacht werden kann und der dynamische Betrieb des Geräts 40 problematisch sein kann.
Somit wird der Stabilisierungszustand bevorzugt durch Prüfen der OCV bestimmt, die die Elementarzelle oder der Stapel davon zeigen kann.
Genauer wird die OCV, die die Elementarzelle oder der Stapel davon angeben kann, im Voraus gemessen und in das PMS 30 eingegeben. Das PMS 30 erfasst die Spannung der Brennstoffzelle 10 in Echtzeit. Ferner prüft das PMS 30, wenn die Spannung von 0 V auf den Anfangsbetrieb angehoben wird, ob die Spannung den OCV-Wert übersteigt, wobei das PMS 30 nach einer bestimmten Zeit erneut prüft, ob die Spannung den OCV-Wert erreicht. Wenn der OCV-Wert zweimal geprüft wird, wird das PMS 30 zu diesem Zweck so eingestellt, dass ihm Leistung von der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird.
Da die Erfindung bei der Sekundärspannungsmessung den OCV-Wert verwendet, der der Stabilisierungszustandswert ist, um zu erfassen, ob die Spannung den OCV-Wert erreicht, verwendet das PMS währenddessen nicht einen Absolutwert für die Spannung, sondern bestimmt das PMS, dass die Spannung den OCV-Wert erreicht, wenn erfasst wird, dass die Spannung innerhalb ±5% des OCV-Werts liegt, wodurch die Brennstoffzelle 10 betrieben wird.
Im Fall einer Direktflüssigkeitsbrennstoffzelle, die mit 15 Lagen Bipolarplattenseparatoren gekoppelt ist, ist die OCV jedes Separators 0,5–0,75 V. Somit wird das Gesamtpotential von 7,5–11,25 V, das 15 Lagen der Separatoren entspricht, zweimal erfasst.
Wie oben beschrieben wurde, wird hier die Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle 10 den Teilen wie etwa dem BOP 22 über das PMS 30 zugeführt, während es gleichzeitig die entladene Sekundärbatterie 31 lädt. Nach Abschluss der Volladung der Sekundärbatterie 31 wird die verbundene Leistungsquelle abgeschaltet.
4 ist ein graphisches Diagramm, das das Ergebnis einer erfassten Ansprechzeit einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle (Spannungsänderung der Direktflüssigkeitsbrennstoffzelle, die 15 Lagen der Separatoren verwendet) in einem Anfangsbetriebszustand und in einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Wie aus 4 zu sehen ist, wird die Spannung von 0 V auf näherungsweise 11,7 V angehoben, während Brennstoff und Luft zugeführt werden, wobei sie innerhalb etwa 5 Minuten eine Stabilisierungsphase erreicht.
Die OCV der Direktflüssigkeitsbrennstoffzelle, die 15 Lagen Separatoren verwendet, beträgt näherungsweise 8,0 V, wobei wie in 4 gezeigt Strom abgegeben wird, um einen Betrieb zu beginnen, wenn die OCV des tatsächlichen Stapels der Brennstoffzelle 10 8 V erreicht.
Wie dies führt die vorliegende Erfindung einen Betrieb aus, der betrachtet, ob eine Anfangsstabilisierung erhalten wird. Die Bestimmung der Anfangsstabilisierung anhand der absoluten Zeit kann ein Problem dahingehend veranlassen, dass die Stabilität der Vorrichtung und die effiziente Verwendung des Brennstoffs sowie die Minimierung der Energieverluste der gesamten Vorrichtung nicht zufriedengestellt sind, da die jeweiligen Zustände und Bedingungen der Elementarzellen oder des Stapels nicht beachtet werden. Somit wird bevorzugt unter Verwendung der OCV bestimmt, ob eine Anfangsstabilisierung erhalten wird.
5 ist eine schematische Ansicht, die den Betrieb (der Ausführung des Minimalleistungsmanagements) einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle in der Phase der Leistungsmerkmalsverschlechterung der Brennstoffzelle nach einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. 6 ist ein graphisches Diagramm, das die Änderung des Brennstoffzellenpotentials in Übereinstimmung mit der Betriebszeit in der Phase der Brennstoffzellen-Leistungsmerkmalsverschlechterung nach einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Zunächst anhand von 6 veranschaulicht 6, dass das Betriebspotential der Brennstoffzelle in Bezug auf ihre Leistungsmerkmale nach einem Normalbetriebszustand verschlechtert wird, wodurch das Ausgangsgrenzpotential Vmin der Brennstoffzelle erreicht wird.
Das heißt, obgleich der von der Brennstoffzufuhr 11 über eine Konzentrationseinstelleinrichtung zugeführte Brennstoff ununterbrochen verbraucht wird, werden 90–95% oder mehr der chemischen Anfangsenergie (d. h. der Energiedichte) der Brennstoffzelle verbraucht (Stoffaustauschgrenzwerterscheinung), sodass die Leistungsmerkmale der Brennstoffzelle 10 verschlechtert werden. Außerdem kann eine so schnelle Verringerung des Betriebspotentials aus einer Verschlechterung eines Katalysators, einer Polymermembran, eines Separators und einer Elektrode wegen Langzeitverwendung und dynamischem Betrieb verursacht werden.
Wenn anhand von 5 das Ausgangspotential der Brennstoffzelle 10 das Grenzpotential erreicht, wird die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 10 abgeschaltet. Der Schalter ist hier als "Ein 4" bezeichnet. Ferner benötigt es in diesem Fall nicht den Betrieb der Brennstoffzelle 10, sodass das PMS 30 den Betrieb des BOP 22 in der Weise steuert, dass er angehalten wird, was die Brennstoffzelle 10 betreibt. Der Schalter ist hier als "Aus 3" bezeichnet. Der Betrieb bei dem Grenzpotential oder weniger bedeutet den Betrieb im Fall der Zufuhr von Brennstoff niedriger Konzentration oder den Betrieb des Stapels mit hoher Energiedichte, sodass ein Problem in Bezug auf Stabilität und Haltbarkeit der Brennstoffzelle 10 verursacht werden kann.
Außerdem dient das Anhalten des Betriebs des BOP 22 für das Management des Betriebs der Brennstoffzelle 10 beim Grenzpotential zum Maximieren der Energienutzung der Sekundärbatterie 31. Das heißt, selbst dann, wenn keine weitere Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle 10 mehr auftritt, wenn das BOP 22 betrieben wird, kann die Lebensdauer der für den Anfangsbetrieb und für den Brennstoffersatz verwendeten Sekundärbatterie 31 verringert werden.
Währenddessen wird der Betrieb für die erneute Brennstoffzuführung und für die Prüfung der Brennstoffzelle 10 angehalten. Hier ist die Sekundärbatterie 31 für den Betrieb des Geräts 40 zuständig (als "Ein 5" bezeichnet). Falls Brennstoff einfach erneut geliefert wird, beträgt die Zeit für die erneute Lieferung 5 Minuten oder weniger, was kein Problem beim erneuten Betrieb der gesamten Vorrichtung verursacht.
7 ist ein graphisches Diagramm, das ein Ergebnis der erfassten Ansprechzeit einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle in der Phase der Leistungsmerkmalsverschlechterung der Brennstoffzelle nach einem Normalbetriebszustand in einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Obgleich die Betriebszeit länger wird, wird die Konzentration der Brennstoffzelle, wie in 7 gezeigt ist, verringert, wobei das Betriebspotential von 5,3 V das Grenzpotential von 4,0 V erreicht. Daraufhin erreicht das Potential das Maximalpotential und daraufhin die Stabilisierungsphase von 8,0 V.
8 ist ein graphisches Diagramm, das den Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters in Übereinstimmung mit dem Eingangspotential in eine Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Um den Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters über 85%–90% zu bringen, d. h., um die Energieverluste zu minimieren, sollte die Brennstoffzelle ein Betriebspotential von 40–60% des Verwendungspotentials des Geräts sicherstellen. Zum Beispiel werden die meisten tragbaren Brennstoffzellenvorrichtungen betrieben, während das Gerät in 12 V Gleichspannung ist. Hierbei wird das Betriebspotential der Direktflüssigkeitsbrennstoffzelle, die 15 Lagen Separatoren verwendet, auf näherungsweise 4,8 bis 7,2 V gebracht. Der Wirkungsgrad des Anhebens der Spannung von einem Pegel des Betriebspotentials unter 40%, z. B. 4 V bis 12 V, ist 80% oder weniger. Währenddessen ist im Fall der Verwendung der Brennstoffzelle 10 mit einem Betriebspotential von 5,5 V der Energieverlust 10%, was auf dem sehr kleinen Niveau ist. Ferner wird dann, wenn das Potential von 60% oder mehr, z. B. 7,5 V oder mehr, sichergestellt ist, der Wirkungsgrad erhöht, wobei aber die Anzahl der zu stapelnden Separatoren und die Fläche der MEA erhöht werden sollten, was nicht bevorzugt ist.
Somit sollten die Anzahl der Separatoren und/oder die Fläche der MEA in Anbetracht des Betrags dieses Energieverlusts bestimmt werden. Wenn z. B. im Fall einer Wasserstoffbrennstoffzelle, die z. B. modifizierten Wasserstoff verwendet, etwa 10 Lagen der Separatoren verwendet werden, kann das Betriebspotential auf 6 V oder mehr gehalten werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gesamte Brennstoffzellenvorrichtung zur Leistungsversorgung tragbarer elektronischer Vorrichtungen, die eine Sekundärbatterie, eine Brennstoffzelle und einen Leistungsregler enthält.
Zusammenfassung
Es werden eine Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle und ein Betriebsverfahren hierfür offenbart, wobei der Stabilisierungszustand nach dem Anfangsbetrieb unter Verwendung des Leerlaufspannungswertes (OCV) bestimmt werden kann.

Claims

Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Brennstoffzelle, die eine Elementarzelle oder einen Stapel der Elementarzellen umfasst; eine Sekundärbatterie, die ladbar und entladbar ist; und ein Leistungsmanagementsystem (PMS) mit einem Gleichstromumrichter, wobei das PMS von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung empfängt und die Leistung einem Gerät zuführt, das mit der Sekundärbatterie verbunden ist, um Leistung zu empfangen oder zuzuführen, Leistung für den Betrieb der Brennstoffzelle zuzuführen, die Spannung der Brennstoffzelle zu messen und die Leistungszufuhr anhand der Messung zu regulieren, wobei dem PMS bei einem Stabilisierungszustand Leistung von der Brennstoffzelle so zugeführt wird, dass die gemessene Spannung von der Brennstoffzelle nach dem Anfangsbetrieb der Brennstoffzelle einen konstanten Zustand erreicht.
Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei der das PMS misst, ob die Spannung der Brennstoffzelle einen Leerlauf spannungswert (OCV-Wert) der Elementarzelle oder des Stapels davon übersteigt, wenn die Spannung der Brennstoffzelle bei dem Anfangsbetrieb angehoben wird, und nach einer Zeit, ob die Spannung der Brennstoffzelle den OCV-Wert wieder erreicht, und wobei ihm nach der zweimaligen Messung die Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle nach Anspruch 2, bei der das PMS, wenn die Spannung nach der Zeit innerhalb ±5% des OCV-Werts gelangt, bestimmt, dass die Spannung den OCV-Wert erreicht, und ihm Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Sekundärbatterie die Leistung von 10 bis 15% der von der Brennstoffzelle erzeugten Gesamtleistung als Anfangsbetriebsleistung der Brennstoffzelle zuführt.
Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die verbrauchte Leistung der Sekundärbatterie für die Anfangsbetriebsleistung der Brennstoffzelle bis zum Abschluss ihrer Vollladung von dem PMS zugeführt wird und daraufhin die Verbindung zwischen dem PMS und der Sekundärbatterie getrennt wird.
Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das PMS die Leistungszuführung zu der Brennstoffzelle anhält, um den Betrieb der Brennstoffzelle anzuhalten, wenn die Brennstoffzelle nach ihrem Normalbetriebszustand ihre Leistungsmerkmals-Verschlechterungsphase erreicht, sodass das Potential davon unter das Grenzpotential gelangt, und ihm Leistung von der Sekundärbatterie zugeführt wird.
Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das PMS das Betriebspotential der Brennstoffzelle auf 40 bis 60% des Verwendungspotentials des Geräts hält, um den Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters auf 85 bis 90% oder mehr zu halten.
Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle nach Anspruch 7, bei der die Anzahl von Separatoren und eine Fläche der MEA der Brennstoffzelle so gesteuert werden, dass das Betriebspotential 60% nicht übersteigt.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung für eine tragbare Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung für die tragbare Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle, die eine Elementarzelle oder einen Stapel der Elementarzellen umfasst; eine Sekundärbatterie, die ladbar und entladbar ist; und ein Leistungsmanagementsystem (PMS) mit einem Gleichstromumrichter umfasst, wobei das PMS von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung empfängt und die Leistung einem Gerät zuführt, das mit der Sekundärbatterie verbunden ist, um Leistung zu empfangen oder zuzuführen, Leistung für den Betrieb der Brennstoffzelle zuzuführen, die Spannung der Brennstoffzelle zu messen und die Leistungszufuhr anhand der Messung zu regulieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Zuführen von Anfangsbetriebsleistung von der Sekundärbatterie zu der Brennstoffzelle (S1); Zuführen von Leistung von der Brennstoffzelle zu dem PMS bei einer Stabilisierungsphase, wobei die von der Brennstoffzelle gemessene Spannung nach dem Anfangsbetrieb der Brennstoffzelle einen konstanten Zustand erreicht (S2); Zuführen von Leistung von dem PMS, dem Leistung zugeführt wird, zu einem Gerät, zu der Brennstoffzelle und zu der Sekundärbatterie (S3); und Anhalten der Leistungszuführung von der Sekundärbatterie zu der Brennstoffzelle, wenn die Leistung von dem PMS zu der Brennstoffzelle zugeführt wird (S4).
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das PMS in dem Schritt S2 misst, ob die Spannung der Brennstoffzelle einen Leerlaufspannungswert (OCV-Wert) der Elementarzelle oder des Stapels davon übersteigt, wenn die Spannung der Brennstoffzelle bei dem Anfangsbetrieb angehoben wird, und nach einer Zeit, ob die Spannung der Brennstoffzelle den OCV-Wert wieder erreicht, und ihm nach der zweimaligen Messung die Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das PMS in dem Schritt S2 bestimmt, dass die Spannung den OCV-Wert erreicht, wenn die Spannung nach der Zeit innerhalb ±5% des OCV-Werts erreicht, wobei ihm Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Sekundärbatterie in dem Schritt S1 die Leistung von 10 bis 15% der von der Brennstoffzelle erzeugten Gesamtleistung als Anfangsbetriebsleistung der Brennstoffzelle zuführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Sekundärbatterie in dem Schritt S3 mit überschüssiger Leistung geladen wird, die verbleibt, nachdem die Leistung dem Gerät und der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das PMS das Betriebspotential der Brennstoffzelle auf 40 bis 60% des Verwendungspotentials des Geräts hält, um den Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters auf 85 bis 90% oder mehr zu halten.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Anzahl der Separatoren und eine Fläche der MEA der Brennstoffzelle so gesteuert werden, dass das Betriebspotential 60% nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Anhalten der Leistungszuführung von dem PMS zu der Sekundärbatterie bei der Vollladung der Sekundärbatterie (S5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Anhalten der Leistungszuführung von dem PMS zu der Brennstoffzelle, um den Betrieb der Brennstoffzelle anzuhalten, und Zulassen, dass dem PMS Leistung von der Sekundärbatterie zugeführt wird, wenn die Brennstoffzelle nach ihrem Normalbetriebszustand ihre Leistungsmerkmals-Verschlechterungsphase erreicht, sodass das Potential davon unterhalb des Grenzpotentials erreicht (S6).