專利名稱：用于控制外設系統(tǒng)的方法和使用該方法的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，更具體地說，本發(fā)明涉及用于控制燃料電池的外設系統(tǒng)的方法以及使用該方法的燃料電池系統(tǒng)，其中可以通過順序啟動用于操作燃料電池的外設裝置來減少(或者最小化或者防止)不希望的損傷和對電存儲裝置的壽命與安全的不利影響。
背景技術：
燃料電池是通過氫(或者燃料)和氧(或者氧化劑)之間的電化學反應將化學反應能直接轉換為電能的發(fā)電系統(tǒng)。
根據(jù)所使用的電解質類型，可以將燃料電池分類為磷酸燃料電池、熔碳酸鹽(molten carbonate)燃料電池、固氧燃料電池、聚合物電解質薄膜燃料電池、堿性燃料電池等。根據(jù)相同的基本原理來操作這些燃料電池，但是它們在所使用的燃料類型、操作溫度、催化劑、電解質等方面有所不同。
與其他燃料電池相比較，聚合物電解質薄膜燃料電池(PEMFC)具有相對高的輸出特性、較低的操作溫度特性以及快速啟動和響應特性。因此，可以廣泛地將PEMFC用作便攜電子設備的移動電源或者汽車的可移動電源，以及諸如用于房屋、公共建筑物之類的固定發(fā)電廠之類的分布式電源等。而且，直接甲醇燃料電池(DMFC)與上述PEMFC類似，可以被當作PEMFC類型，但是DMFC可以直接使用液體甲醇燃料。因此，由于DMFC不需要使用轉化器(reformer)，所以DMFC在尺寸上可以小于需要轉化器的PEMFC。
傳統(tǒng)PEMFC(或者DMFC)系統(tǒng)包括用于存儲燃料的燃料箱、用于傳輸燃料的燃料泵、用于壓縮和傳輸空氣的空氣泵、用于控制系統(tǒng)的控制器以及單元電池堆棧。堆棧(或者燃料電池堆?；蛘呷剂想姵?具有彼此相鄰堆棧的幾十到幾百個單元電池。一個單元電池包括薄膜電極組件(MEA)和堆棧在MEA的任一側上的分隔器。這里，薄膜電極組件具有彼此附著并且其間帶有聚合物電解質薄膜的陰極電極(也稱為“空氣電極”和“還原(reduction)電極”)以及陽極電極(也稱作“燃料電極”或者“氧化電極”)。分隔器包括用于提供燃料(例如，氫)或者氧化劑(例如，氧)的流動通道，并且還作為導體工作以電性串連多個薄膜電極組件(MEA)。在上述結構的系統(tǒng)中，如果將諸如甲醇水溶液之類的液體燃料或者諸如氫氣(或者富氫氣體)之類的氣體燃料提供給堆棧的陽極，并且將諸如大氣中的空氣或者氧氣之類的氧化劑提供給陰極，則堆棧通過將燃料與氧化劑進行電化學反應來產生電力和熱。
而且，傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)包括諸如輔助電池、超級電容器之類的具有用于控制其充電/放電的控制器的電存儲裝置。當燃料電池啟動時，電存儲裝置將電能提供給諸如燃料泵、空氣泵、風扇之類的燃料電池外設裝置，或者當負載需要過量的電功率時，電存儲設備將所充的電能而不是來自燃料電池(或者燃料電池系統(tǒng)的堆棧)的能量提供給負載。因此，包括電存儲裝置的燃料電池系統(tǒng)能夠延長使用時間，并且優(yōu)化系統(tǒng)響應特性。
但是，在傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)中，選擇電存儲裝置以平滑地將啟動電功率提供給為了提高系統(tǒng)的操作效率所安裝的燃料電池系統(tǒng)的各種外設裝置，并且具有足夠的能力以當負載需要過量的電功率時來滿足負載的功率需要。在這種情況中，因為電存儲裝置的重量和體積增加，所以燃料電池系統(tǒng)的重量和體積也增加。
而且，將電存儲裝置的容量設計得相對較大。也就是說，因為最大瞬間電功率(即，當燃料電池系統(tǒng)啟動時在外設裝置中消耗的瞬時峰值電功率)可能損壞電存儲裝置，所以使用相對大的電存儲裝置來維持(或者負責)外設裝置的瞬間峰值電功率。但是，即使這樣，瞬時峰值電功率還可能(和/或常常)損壞諸如輔助電池之類的電存儲裝置。
而且，在使用輔助電池的燃料電池系統(tǒng)的情況中，當輔助電池的剩余容量較小或者啟動所需要的時間在啟動的時候被延長時，導致輔助電池的過放電，這可能損壞或者破壞輔助電池。因此，在傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)中，應該使用具有比用于燃料電池系統(tǒng)的典型操作所需要的功率量大的功率量的輔助電池。
如上所述，在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，當燃料電池的外設裝置啟動時，可能損壞諸如輔助電池或者超級電容器之類的電存儲裝置，從而不利地影響其安全。因此，需要具有對燃料電池系統(tǒng)的電存儲裝置的壽命和/或安全不具有不利影響的方案的燃料電池系統(tǒng)。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個方面是提供用于在啟動使用電存儲裝置的燃料電池系統(tǒng)時，能夠減少(或者最小化或者防止)對電存儲裝置的損壞以及對其壽命和安全的不利影響的操作燃料電池的外設裝置的方法。
本發(fā)明的另一個方面是提供使用上述用于操作燃料電池的外設裝置的方法的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的第一實施方式提供燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括多個外設裝置，包括用于將氧化劑提供給燃料電池以通過混合的燃料與氧化劑之間的電化學反應來產生電的氧化劑提供器，用于將高濃度燃料提供給用于存儲從燃料電池所排放的液體中回收的未反應燃料和水的混合箱的燃料提供器，以及用于將混合箱中存儲的混合燃料供給到燃料電池的燃料供給器；與外設裝置電連接的電存儲裝置；以及通過根據(jù)(預先設置的)操作優(yōu)先級使用電存儲裝置中所存儲的電能來順序操作外設裝置的控制器。
本發(fā)明的第二實施方式提供燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括外設裝置，包括用于將燃料提供給燃料電池以通過燃料和氧化劑之間的電化學反應來產生電的燃料提供器；電存儲裝置，用于將電能提供給外設系統(tǒng)，并且具有比能夠維持在整個外設系統(tǒng)啟動時所產生的瞬間峰值負載的功率量小的功率量；以及控制器，用于根據(jù)(預先設置的)操作優(yōu)先級使用在電存儲裝置中所存儲的電能來順序啟動外設系統(tǒng)。
本發(fā)明的第三實施方式提供用于控制多個外設裝置以將燃料和氧化劑提供給燃料電池，并且提供適合操作燃料電池的環(huán)境。該方法包括將操作優(yōu)先級分配給外設裝置；存儲操作優(yōu)先級的信息；和根據(jù)操作優(yōu)先級通過使用在小容量電存儲裝置中所存儲的電能來順序操作外設裝置。
在一個實施方式中，電存儲裝置包括電池或者超級電容器中的至少一個，而小容量電存儲裝置是具有比能夠維持同時啟動所有外設裝置時瞬時的峰值負載的功率量小的功率量的電存儲裝置。這里外設系統(tǒng)包括外設裝置。
在一個實施方式中，燃料電池包括用于使用包括氫氣作為主要成分的氣體燃料或者氫氣的聚合物電解質薄膜燃料電池。
在一個實施方式中，上述方法包括步驟用于響應于輸入的啟動請求信號，以一定時間間隔順序操作用于濕潤(hydrate)燃料電池中的電解質薄膜的增濕器，用于將燃料提供給燃料電池的燃料提供器，以及用于將氧化劑提供給燃料電池的氧化劑提供器。


附圖和說明書一同說明了本發(fā)明的示例實施方式，而且和說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的變型例子的框圖；圖3A、3B、3C和3D示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的用于操作燃料電池的外設裝置的方法的流程圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的對于燃料電池系統(tǒng)可用的控制器的框圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的用于操作燃料電池的外設裝置的方法的流程圖。
具體實施例方式
在下面詳細描述中，通過說明的方式示出和描述本發(fā)明的特定示例實施方式。本領域的普通技術人員應該理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以用各種方式對所描述的示例實施方式進行修改。因此，應該將附圖和描述當作說明性的而不是限制性的。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的框圖。
參照圖1，燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池(或者燃料電池堆棧)110、氧化劑提供器112、與燃料箱113配對的燃料提供器114、燃料供給器115、混合箱120、電池(或者輔助電池)130、開關部分140和控制器150。
更詳細地說，燃料電池110具有堆棧結構，其中將幾十到幾百個薄膜電極組件(MEA)彼此相鄰地進行堆棧并且其間(即在兩個MEA之間)帶有分隔器。在本發(fā)明中，燃料電池可以具有其他合適的結構并且不限于上述的堆棧結構。燃料提供器114將例如高濃度甲醇水溶液的高濃度燃料提供給混合箱120；燃料供給器115將混合箱120中所存儲的混合燃料提供給燃料電池110的陽極110a；而且氧化劑提供器112將例如空氣、氧氣之類的氧化劑提供給燃料電池110的陰極110b。如果將混合的燃料和氧化劑提供給燃料電池110，則燃料電池110通過混合燃料與氧化劑的電化學反應來產生電和熱?；旌舷?20恢復并且存儲從燃料電池110釋放的陰極出口汽和/或陽極出口汽中回收的液體，例如未反應的燃料和水。
電池130將電能提供給諸如上述的氧化劑提供器112、燃料提供器114和燃料供給器115之類的用于維持燃料電池操作的燃料電池外設裝置。這里，電池130的容量小于維持當燃料電池的外設裝置啟動時所產生的瞬間峰值所需要的容量。將上述電池130描述為由用于控制充電/放電的控制器150所控制的電存儲裝置的例子，并且在本實施方式中，可以用諸如超級電容器之類的可以被充電電能重復使用的各種電存儲裝置來代替輔助電池130。
開關部分140通過控制器150的控制電性地并且順序將輔助電池130連接到燃料電池的外設裝置。開關部分140包括用于將輔助電池130順序連接到燃料電池系統(tǒng)100的各個外設裝置的多個開關觸點a、b、c。獨立裝置或者控制器150的一部分的功能部分可以實現(xiàn)開關部分140。
控制器150執(zhí)行用于響應于輸入的啟動請求信號順序地操作燃料電池系統(tǒng)100的外設裝置的例程(或者方案)?？刂破?50包括用于順序地操作燃料電池的外設裝置的機構。用于順序地操作外設裝置的機構包括在存儲器或者控制器150中安裝的、并且由觸發(fā)器實現(xiàn)的邏輯電路中預先存儲的信息。而且，控制器150使用電平傳感器122來檢測在混合箱120中所存儲的混合燃料的電平，而且還使用從濃度傳感器124輸入的信息來檢測混合燃料的燃料濃度，以便有效地和靈活地考慮(或者處理)燃料電池系統(tǒng)的各種狀態(tài)?？梢允褂酶鞣N適當?shù)膫鞲衅鱽韺崿F(xiàn)電平傳感器122和濃度傳感器124。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的變形例子的框圖。
參照圖2，燃料電池系統(tǒng)100a包括燃料電池110、氧化劑提供器112、與燃料箱113配對的燃料提供器114、燃料供給器115、與水箱116配對的供水器117、混合箱120a、輔助電池130、開關部分140a和控制器150a。
圖2的燃料電池系統(tǒng)100a與圖1的上述燃料電池系統(tǒng)100基本相同，但是被構造為還包括幾個附加外設裝置(或者部件)。而且，在下面的描述中，為了避免重復，將不再提供與燃料電池系統(tǒng)100的上述外設裝置的描述相同或者類似的部件詳細描述。
更具體地描述附加部件，供水器117將水箱116中所存儲的水提供給混合箱120a。在一個實施方式中，所述的水是純水以減小(或者最小化或者防止)水對燃料電池110中的電解薄膜或者電極催化劑等的不利影響。
熱交換器118從燃料電池110釋放的液體中回收熱量并且冷凝未反應的燃料和水?？梢杂蓪⑷剂想姵?10的陽極110a和/或陰極110b連接到混合箱120a的管道的(可被預定的)位置上安裝的風扇來實現(xiàn)熱交換器118。在這種情況中，可以將與風扇相鄰的一些管道暴露給風扇以增加它們的導熱性和/或通風。而且，在一種實施方式中，可以將熱交換器118與用于冷凝未反應的燃料和水并且用于釋放不需要的氣體的收集器(trap)119安裝在一起。
由控制器150a來控制燃料電池系統(tǒng)100a的、包括上述供水器117和熱交換器118的所有外設裝置。特別是，當啟動燃料電池系統(tǒng)100a時，控制器150a控制開關部分140a以順序開通其觸點，從而順序地將在輔助電池130中所存儲的電能提供給相應的外設裝置。
根據(jù)上述結構，燃料電池系統(tǒng)(例如，100或者100a)能夠通過減小當燃料電池系統(tǒng)啟動時在輔助電池中所需要的瞬間峰值功率來減少(最小化或者防止)對輔助電池的損壞，并且即使當輔助電池的功率量較小時也能夠減小輔助電池(例如130)的過放電。
而且，如上所述的燃料提供器、燃料供給器、氧化劑提供器和供水器都包括通過電能進行操作以執(zhí)行對應功能的裝置。例如，裝置包括諸如泵、通風器、吹風機、風扇之類的傳輸器，用于通過產生(可以被預定的)壓力來直接傳輸液體；或者諸如功率閥之類的控制器，用于通過控制由分離壓力所傳輸?shù)囊后w的傳輸路徑的開口(或者開口尺寸)來控制液體的供應。
圖3A到圖3D示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的用于操作燃料電池的外設裝置的方法的流程圖。在本發(fā)明的一種實施方式中，將用于操作燃料電池的外設裝置的方法應用于上述燃料電池系統(tǒng)100或者100a。
參照圖3A，用于操作燃料電池的外設裝置的方法將操作優(yōu)先級分配給燃料電池的外設裝置，并且存儲關于所分配的操作優(yōu)先級的信息(S10)。之后，當系統(tǒng)啟動時控制器響應于啟動請求信號順序地操作燃料電池的外設裝置(S20)。根據(jù)操作優(yōu)先級順序地啟動燃料電池的外設裝置。
使用上述操作方法的燃料電池系統(tǒng)上所安裝的電存儲裝置具有功率量，將其設置為能夠維持(或者滿足)瞬時峰值負載、小于傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)上所安裝的電存儲裝置的功率量。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以在尺寸方面使得電存儲裝置小于傳統(tǒng)的電存儲裝置，從而可以使得燃料電池系統(tǒng)小型化和/或重量輕。
可以構建用于操作燃料電池的外設裝置的上述方法，以靈活地處理燃料電池系統(tǒng)的各種狀態(tài)。也就是說，在一種實施方式中并且參照圖3B，用于操作燃料電池系統(tǒng)的外設裝置的方法將操作優(yōu)先級分配給燃料電池的外設裝置，并且存儲關于所分配的操作優(yōu)先級的信息(S10)。之后，如果將啟動請求信號輸入到燃料電池系統(tǒng)的控制器，則控制器響應于啟動請求信號感測在混合箱中所存儲的混合燃料的電平(S12)。
隨后，控制器確定(或者判斷)所感測的電平是否在參考電平以下(S14)。參考電平可以參照當由于缺乏在混合箱中存儲的混合燃料而(需要)補充燃料和/或水時的電平。因此，控制器可以首先操作供水器以將水提供到混合箱(S16)。然后，控制器可以根據(jù)預存的操作優(yōu)先級順序地操作燃料電池的其他外設裝置(S20)。
而且，用于操作燃料電池的外設裝置的方法可以包括用于順序地操作燃料電池的外設裝置的下面過程。參照圖3C，控制器首先感測混合燃料的濃度(S21)。隨后，控制器確定(或者判斷)所感測的濃度是否在參考濃度內(S23)。參考濃度在考慮影響燃料電池系統(tǒng)的能力和/或功能的、諸如燃料的交叉(crossover)之類的燃料(或者堆棧)的特性的情況下，適當?shù)剡x擇混合燃料的濃度。在甲醇水溶液的情況中，根據(jù)電解液薄膜的特性而選擇具有0.5到6摩爾的范圍的甲醇水溶液。
作為上述確定(或者判斷)的結果，如果所感測的濃度在參考濃度的范圍內，則控制器順序地以氧化劑提供器、燃料供給器和燃料提供器的順序來操作每個外設裝置(S25)。
在上述步驟(S25)中首先操作氧化劑提供器的原因是，用于操作氧化劑提供器所需要的功率量(或者運行氧化劑提供器所需要的功率)通常大于運行燃料供給器或者燃料提供器所需的功率量。換句話說，如果在操作其他外設裝置之前操作氧化劑提供器，則可以減小對諸如輔助電池之類的電存儲裝置的負擔(或者負載)。在氧化劑提供器之后操作燃料供給器的原因是為了快速地操作燃料電池系統(tǒng)。燃料提供器在順序啟動氧化劑提供器和燃料供給器之后啟動，以將高濃度的燃料提供到混合箱，從而可以將混合燃料的濃度維持在所期望的濃度。
作為上述確定(或者判斷)的結果，如果所感測的濃度不在參考濃度的范圍內，則控制器判斷所感測的濃度是否在參考濃度之下(S27)。作為該確定(或者判斷)的結果，如果所感測的濃度在參考濃度之下，則控制器以燃料供給器、氧化劑提供器和燃料提供器的順序來順序地操作燃料電池系統(tǒng)的每個外設裝置(S29)。
在步驟(S29)中首先操作燃料供給器的原因是，將混合燃料的濃度上升到所期望的濃度，這是因為提供給燃料電池的混合燃料的濃度較低。以所述順序來操作氧化劑提供器和燃料供給器的原因是，如上所述操作氧化劑提供器以將空氣作為氧化劑提供給燃料電池所需要的功率量，通常大于操作燃料供給器以將混合燃料提供給燃料電池所需要的功率量。
而且，作為上述確定(或者判斷)的結果，如果所感測的濃度不低于參考濃度，則該操作過程終止。在使用直接甲醇燃料電池的情況中，混合燃料的濃度上升很少發(fā)生，因此設計成不執(zhí)行用于感測濃度的獨立處理。但是，在所感測的濃度高于參考濃度的情況中，將控制器進行設計以產生系統(tǒng)報警和/或首先操作供水器。
上述用于操作燃料電池的外設裝置的方法在啟動時間被延長而且混合燃料電平被減小的情況下，還包括圖3D中所示的過程。
參照圖3D，如上所述，控制器根據(jù)預設的操作優(yōu)先級順序地操作燃料電池的外設裝置，之后感測混合燃料的電平以監(jiān)測混合燃料的電平狀態(tài)(S30)?？刂破鞔_定(或者判斷)所感測的電平是否在參考電平之下(S32)。
作為上述確定(或者判斷)的結果，如果所感測的混合燃料的電平低于參考電平，則控制器進一步操作熱交換器(S34)。熱交換器帶走高溫液體的熱能并且將液體中所包括的氣態(tài)汽和未反應的燃料冷凝為水和液態(tài)燃料，以便從燃料電池中釋放的未反應的燃料和汽很好地流到混合箱。作為上述確定(或者判斷)的結果，如果所感測的混合燃料的電平不低，則設計該操作過程以在熱交換的操作停止的狀態(tài)下終止，假設其在參考電平的范圍內。
而且，當系統(tǒng)操作時減小在大多數(shù)直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中的混合燃料的電平，而且將不描述混合燃料的電平超過參考電平的范圍的情況。但是，在混合燃料的電平超過參考電平的范圍的情況下，在本實施方式中，例如，可以設計控制器以產生系統(tǒng)警報。
如上所述，用于操作燃料電池系統(tǒng)的外設裝置的方法可以根據(jù)啟動時燃料電池系統(tǒng)的各種狀態(tài)，來順序地操作其他外設裝置以及熱交換器，從而增強電存儲裝置的安全性并且提高燃料電池系統(tǒng)的可靠性。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的可以由燃料電池系統(tǒng)使用的(或者適應于燃料電池系統(tǒng)的)控制器的框圖。
參考圖4，控制器150b控制燃料電池系統(tǒng)的整個操作。為此，控制器150b包括用于存儲用于控制燃料電池系統(tǒng)的幾個部件的程序的存儲器系統(tǒng)157，以及與存儲器系統(tǒng)157配對的用于運行(或者操作)程序的處理器151。
更具體地說，處理器151包括用于執(zhí)行計算的算術邏輯單元(ALU)152、用于臨時存儲數(shù)據(jù)或者命令的寄存器153和用于控制系統(tǒng)的操作的控制單元154。處理器151包括具有諸如Digital公司的Alpha；MIPS Technology、NEC、IDT、西門子之類的MIPS；英特爾、Cyrix、AMD和Nexgen的x86；以及摩托羅拉的PowerPC之類的各種架構的一個或多個處理器。
而且，處理器151包括輸入級155和輸出級156?？梢杂脦в卸鄠€比特(或者預定數(shù)量比特)的模擬到數(shù)字轉換器來實現(xiàn)輸入級155?？梢杂脭?shù)字到模擬轉換器和/或輸出緩沖器來實現(xiàn)輸出級156，用于以適合控制燃料電池系統(tǒng)中的每個部件的信號的形式來輸出控制信號、接收從控制單元154輸出的信號、以及將所接收的信號發(fā)送到對應裝置。
具有上述結構的控制器150b從燃料電池系統(tǒng)或者獨立的電源160接收功率，經由電壓和電流測量裝置161來感測燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓和電流，通過電平傳感器162感測要存儲在混合箱中的混合燃料的電平等，而且通過放大器164感測用于濃度傳感器163中所檢測到的混合燃料的濃度的電信號。
而且，控制器150b控制，例如，在氧化劑提供器中所包括的第一泵165、在燃料提供器中包括的第二泵166、和在燃料供給器中所包括的第三泵167和諸如熱交換器之類的其他外設裝置168(設備平衡，(Balance-of-Plant)BOP)等，而且特別是，控制器150b在系統(tǒng)啟動時根據(jù)存儲器系統(tǒng)157中所存儲的操作優(yōu)先級來順序操作每個外設裝置。在這種情況中，處理器151可以控制每個外設裝置控制器(未示出)來控制每個外設裝置165、166、167、168，或者使用頻率直接控制諸如泵之類的外設裝置。
存儲器系統(tǒng)157包括諸如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)之類的存儲介質形式的高速存儲器；諸如軟盤、硬盤、磁帶、CD-ROM、閃存之類的長期存儲介質形式的副存儲器；和/或用于通過使用電、磁、光來存儲數(shù)據(jù)的裝置，和/或其他存儲介質。
而且，存儲系統(tǒng)157存儲用于系統(tǒng)啟動時有效地順序操作燃料電池系統(tǒng)的外設裝置的信息。在一種實施方式中并且如上面參照圖3A到3B所述，將這些信息分級分割并且進行存儲，以根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的狀態(tài)靈活地響應。存儲器系統(tǒng)157還存儲關于混合燃料的參考濃度和混合燃料的參考電平的信息。
而且，將根據(jù)本發(fā)明的用于操作燃料電池的外設裝置的方法進行設計，以適合于直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。但是，還可以將本發(fā)明應用于諸如聚合物電解質薄膜燃料電池系統(tǒng)之類的其他類型的燃料電池。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
參照圖5，聚合物電解質薄膜燃料電池系統(tǒng)200包括用于通過燃料與氧化劑的電化學反應來產生電的燃料電池(或者堆棧)210、用于將燃料提供給燃料電池的陽極的燃料提供器220、用于將氧化劑提供給燃料電池210的陰極的氧化劑提供器230、用于濕潤燃料電池210中的電解質薄膜211的增濕器240、以及用于控制燃料提供器220、氧化劑提供器230和增濕器240的操作的控制器(未示出)。
以這樣的方式來設計圖5的聚合物電解質薄膜燃料電池系統(tǒng)燃料電池210不使用由獨立的轉化器提供的轉化的氣體，而是直接使用包括氫的氣態(tài)燃料。因此，燃料提供器220變成能夠提供氫氣(或者富氫氣體)的裝置，而且燃料是氫氣?？刂破髟谶@里以與第一實施方式中所描述的方式基本上相同的方式來操作燃料電池系統(tǒng)200。也就是說，控制器在系統(tǒng)啟動時根據(jù)操作優(yōu)先級順序地操作諸如燃料提供器、氧化劑提供器和增濕器之類的每個外設裝置。
更加詳細地描述上述聚合物電解質薄膜燃料電池系統(tǒng)，燃料電池210包括薄膜電極組件(MEA)，其包括聚合物電解質薄膜211和分別放置在電解質薄膜211的相對側上的陽極電極212a、212b和陰極電極213a、213b；和分隔器215、215a、215b，其串聯(lián)多個薄膜電極組件，并且將燃料和氧化劑分別提供給陽極電極212a、212b、212c和陰極電極213a、213b、213c。而且，燃料電池210包括放置在電解質薄膜211和分隔器215、215a、215b之間的密封圈(gasket)214；一對端板216，用于提供(可以是預定的)嚙合(engaging)壓力給薄膜電極組件的堆棧結構和分隔器215、215a、215b；以及嚙合機構217，用于嚙合(和/或結合)所述一對端板216。
更詳細地說，薄膜電極組件通過導致燃料和氧化劑的氧化與還原反應來產生電能。陽極電極包括用于將燃料轉換為電子和氫離子的催化劑層212a，和用于平滑地移動燃料和二氧化碳并且用于移動電子的擴散層212b。陰極電極包括催化劑層213a，用于通過還原反應將諸如大氣中的氧氣之類的氧化劑轉換為電子和氧離子；以及擴散層213b，用于平滑地移動空氣并且用于平滑地釋放所產生的水。電解質薄膜211是帶有范圍從50到200μm的厚度的固態(tài)聚合物電解質，并且具有用于將陽極電極的催化劑層212a中所產生的氫離子移動到陰極電極的催化劑層213a的離子交換功能。在一種實施方式中，陽極電極或者陰極電極的擴散層212b或者213b包括用于將燃料或者氧化劑向催化劑層212a或者213a進行分布或者提供的多微孔層212c或者213c，并且多微孔層212c或者213c覆蓋在擴散層212b或者213b的表面上。
更加詳細地描述每種成分，根據(jù)一種實施方式的電解質薄膜211包括從包括下面物質的組中挑選的至少一種氫離子導體聚合物基于全氟代(perfluoro-based)的聚合物、基于苯并咪唑(benzimidazole-based)的聚合物、基于聚酰亞胺(polyimide-based)的聚合物、基于聚醚酰亞胺(polyetherimide-based)聚合物、基于聚苯硫醚(polyephenylensulfide)的聚合物、基于聚砜(polysulfone)的聚合物、基于聚醚砜(polyethersulfone)的聚合物、基于聚醚酮(polyetherketon)的聚合物、基于聚醚-醚酮(polyether-etherketon)的聚合物、基于聚苯喹喔啉(polyphenylquinoxaline)的聚合物以及其組合。所選擇的氫離子導電性聚合物應該具有較高的氫離子導電性。在一種實施方式中，電解質薄膜211包括從包括下面物質的組中選擇的至少一種氫離子導體聚合物四氯乙烯(tetrafluoroethylne)和氟代烯基醚(fluorovinylether)的共聚物，包括聚(全氟代磺酸(perfluorosulfonic acid))、聚(perfluorosulfonic acid)和磺酸基(sulfonic group)、脫氟聚醚酮硫化物(defluorinated polyetherketon sulfide)、芳酮(aryl keton)、聚(2，2′-(間-亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑)(聚(2，2′-(間-亞苯基)-5，5′-二苯并咪唑))和聚(2，5′-苯并咪唑)及其組合。
在一種實施方式中，催化劑層212a、213a包括從包括下面物質的組中選擇的至少一種金屬催化劑鉑、釕、鋨、鉑釕合金、鉑鋨合金、鉑鈀合金、鉑M合金(M是從包括下面物質的組中選擇的至少一種過渡(transition)金屬Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及其組合)以及其組合。而且，催化劑層212a、213a可以包括從包括下面物質的組中選擇的至少一種過渡金屬鉑、釕、鋨、鉑釕合金、鉑鋨合金、鉑鈀合金、以及鉑M合金(M是從包括下面物質的組中選擇的至少一種過渡金屬Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)，其在載體(carrier)中被支持。作為載體，可以使用帶有適當導電率的任何物質；但是，在一種實施方式中，使用碳載體。
提供擴散層212b、213b來均勻地擴散燃料、水、空氣等；收集所產生的電；和/或防止催化劑層212a、213a通過液體而損失?？梢杂弥T如碳步、碳紙之類的碳基底來實現(xiàn)擴散層212b、213b。
在一種實施方式中，多微孔層212c、213c包括從包括下面物質的組中選擇的至少一種碳物質石墨、碳納米管(carbon nano tube，CNT)、富勒烯(C60)、活性炭、火成炭(vulcan)、Ketjenblack、碳黑和碳納米角(carbon nano horn)，并且還可以包括從包括下面物質的組中選擇的至少一種粘合劑(binder)聚(全氟磺酸(perfluorosulfone acid))、聚(四氯乙烯)、氟化乙烯-丙烯及其組合。
分隔器215、215a、215b作為導體工作以電性串連相鄰的薄膜電極組件，并且作為路徑工作以將薄膜電極組件的氧化反應和還原反應所需要的燃料和氧化劑提供給陽極和陰極。分隔器215、215a、215b包括在陽極215a的側面上的單板、在陰極215b的側面上的單極板、以及在陽極215a的側面上的單板和在陰極215b的側面上的單板之間的至少一個雙極板。用雙極板215將陽極215a的側面上的單板和陰極215b的側面上的單板進行結合。
密封圈214、端板216和嚙合機構217用于氣密地將一個或多個薄膜電極組件與分隔器的堆棧結構耦合，并且可以使用各種適當?shù)牟牧?，具有各種適當?shù)男螤詈徒Y構。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的用于操作燃料電池的外設裝置的方法的流程圖。
參照圖6，用于操作燃料電池系統(tǒng)的外設裝置的方法分配操作優(yōu)先級，并且存儲關于所分配的操作優(yōu)先級的信息(S40)。
之后，控制器響應于對燃料電池系統(tǒng)的啟動請求，根據(jù)操作優(yōu)先級來順序操作燃料電池系統(tǒng)的外設裝置。然后首先操作增濕器以濕潤電解質薄膜(S42)。隨后，操作氧化劑提供器(S44)。然后，操作燃料提供器(S46)。
在燃料提供器之前操作氧化劑提供器的原因是，在大多數(shù)燃料電池系統(tǒng)中，將用于提供空氣給燃料電池的例如空氣泵之類的氧化劑提供器進行設計，以需要比用于提供燃料的燃料提供器所需要的功率量更大的功率量(或者消耗更多的電功率)。因此，在濕潤電解質薄膜之后并且在燃料提供器之前啟動氧化劑提供器，從而可以減小對電存儲裝置的起始負擔。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式耦合有電存儲裝置的燃料電池系統(tǒng)中，通過減少(或者最小化或者防止)當系統(tǒng)啟動時在電存儲裝置中所產生的不期望的損壞和不利影響，來提高電存儲裝置的壽命和安全。
而且，在上述實施方式中，已經解釋了電存儲裝置的功率量小于當啟動燃料電池的所有外設裝置時能夠維持(或者滿足)瞬時峰值負載的功率量。但是，在一種實施方式中，可以將本發(fā)明的電存儲裝置的容量實現(xiàn)為小于當同時啟動至少兩個或更多個外設裝置時維持(或者滿足)瞬時峰值負載所需要的容量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，燃料電池系統(tǒng)減小(最小化或者防止)當燃料電池系統(tǒng)啟動時為了提供啟動電功率給燃料電池的外設裝置而在電存儲裝置中可能產生的不期望的損壞和不利影響，從而可以擴展電存儲裝置的壽命和安全。此外，可以提高使用電存儲裝置的燃料電池系統(tǒng)的可靠性。
雖然已經結合特定示例實施方式描述了本發(fā)明，但是本領域的普通技術人員應該理解，本發(fā)明并不限于所公開的實施方式，相反地，本發(fā)明試圖覆蓋在所附權利要求及其等效物的精神和范圍內所包括的各種變形。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括多個外設裝置，包括氧化劑提供器，用于將氧化劑提供給燃料電池以通過混合燃料與氧化劑之間的電化學反應來產生電，燃料提供器，用于將高濃度燃料提供給用于存儲從燃料電池所排放的液體中回收的未反應燃料和水的混合箱，以及燃料供給器，用于將存儲在混合箱中的混合燃料供給到燃料電池；電存儲裝置，與外設裝置電連接；以及控制器，通過根據(jù)操作優(yōu)先級使用電存儲裝置中所存儲的電能來順序操作外設裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中電存儲裝置具有比能夠維持在同時啟動燃料電池的所有外設裝置時所產生的瞬時峰值負載的功率量小的功率量。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中控制器響應于輸入的啟動請求信號來感測混合燃料的濃度，而且當濃度在參考濃度范圍內時在操作燃料供給器之前操作氧化劑提供器。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中控制器響應于輸入的啟動請求信號來感測混合燃料的濃度，而且當濃度在參考濃度之下時操作燃料供給器。
5.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中外設裝置還包括用于將水提供給混合箱的供水器，而控制器響應于輸入的啟動請求信號通過耦合到混合箱的電平傳感器來感測混合燃料的電平，并且當所感測的混合燃料的電平在參考電平之下時首先操作供水器。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中外設裝置還包括用于從燃料電池中釋放的液體中回收熱并且用于冷凝未反應的燃料和水的熱交換器，其中控制器感測混合燃料的電平并且當所感測的混合燃料的電平在參考電平之下時首先操作熱交換器。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括開關部分，用于將電存儲裝置與外設裝置電連接，其中控制器對開關部分進行控制。
8.根據(jù)權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中控制器包括在存儲器中存儲的程序和用于運行程序并且耦合到存儲器的處理器，其中還將操作優(yōu)先級存儲在存儲器中，而且處理器響應于輸入的啟動請求信號根據(jù)在存儲器中所存儲的操作優(yōu)先級來控制開關部分。
9.一種燃料電池系統(tǒng)，包括外設系統(tǒng)，包括用于將燃料提供給燃料電池以通過燃料和氧化劑之間的電化學反應來產生電的燃料提供器；電存儲裝置，用于將電能提供給外設系統(tǒng)，并且具有比能夠維持在整個外設系統(tǒng)啟動時所產生的瞬間峰值負載的功率量小的功率量；以及控制器，用于通過根據(jù)操作優(yōu)先級使用在電存儲裝置中所存儲的電能來順序啟動外設系統(tǒng)。
10.根據(jù)權利要求9所述的燃料系統(tǒng)，其中外設系統(tǒng)還包括用于將氧化劑提供給燃料電池的氧化劑提供器、用于冷卻燃料電池的冷卻器、和用于濕潤燃料電池中的電解質薄膜的增濕器。
11.根據(jù)權利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中控制器響應于輸入的啟動請求信號以一定時間間隔順序地操作增濕器、燃料提供器和氧化劑提供器。
12.根據(jù)權利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于連接電存儲裝置和外設系統(tǒng)的開關部分，其中開關部分具有多個開關觸點并且由控制器進行控制以被順序地接通和斷開。
13.根據(jù)權利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中燃料包括氫氣或者包含氫氣作為主要成分的氣體燃料。
14.一種用于控制多個外設裝置以將燃料和氧化劑提供給燃料電池并且提供適合操作燃料電池的環(huán)境的方法，該方法包括將操作優(yōu)先級分配給外設裝置；存儲操作優(yōu)先級的信息；和通過根據(jù)操作優(yōu)先級使用在小容量電存儲裝置中所存儲的電能來順序操作外設裝置。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中電存儲裝置包括電池或者超級電容器中的至少一個，而小容量電存儲裝置是具有比能夠維持同時啟動所有外設裝置時瞬時的峰值負載的功率量小的功率量的電存儲裝置。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中外設裝置包括用于將氧化劑提供給燃料電池的氧化劑提供器、用于將燃料和水的燃料混合體供給到燃料電池的燃料供給器、和用于將高濃度燃料提供給存儲燃料混合體的混合箱的燃料提供器。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括響應于輸入的啟動請求信號來感測燃料混合體的電平。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，還包括當燃料混合物的電平在參考電平之下時，操作供水器以首先將水提供給混合箱。
19.根據(jù)權利要求16所述的方法，還包括響應于輸入的啟動請求信號來感測燃料混合體的濃度。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，還包括當所感測的混合物的濃度在參考濃度之下時，以一定的時間間隔順序操作燃料提供器、氧化劑提供器和燃料供給器。
21.根據(jù)權利要求19所述的方法，還包括當所感測的混合燃料的濃度在參考濃度范圍內時，以一定時間間隔順序操作氧化劑提供器、燃料供給器和燃料提供器。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，還包括當燃料混合體的電平在參考電平之下時，操作熱交換器以回收從燃料電池中釋放的液體的熱能。
23.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中燃料電池包括用于直接使用包括氫的液體燃料的直接甲醇燃料電池。
24.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中燃料電池包括使用氫氣或者包含氫氣作為主要成分的氣體燃料的聚合物電解質薄膜燃料電池。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中順序操作外設裝置包括響應于輸入的啟動請求信號，以一定的時間間隔順序操作用于濕潤燃料電池中的電解質薄膜的增濕器、用于將燃料提供給燃料電池的燃料提供器、和用于將氧化劑提供給燃料電池的氧化劑提供器。
全文摘要
用于控制外設系統(tǒng)(或者多個外設裝置)的方法以及使用該方法的燃料電池系統(tǒng)。該方法包括將操作優(yōu)先級分配給外設裝置；存儲操作優(yōu)先級的信息；和通過根據(jù)操作優(yōu)先級使用在小容量電存儲裝置中所存儲的電能來順序操作外設裝置。燃料電池系統(tǒng)包括多個外設裝置；與外設裝置電連接的電存儲裝置；和通過根據(jù)操作優(yōu)先級使用在電存儲裝置中所存儲的電能來順序操作外設裝置的控制器。
文檔編號H01M8/00GK1964117SQ200610143548
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月10日 優(yōu)先權日2005年11月10日
發(fā)明者安鎮(zhèn)弘, 金賢, 朱利亞, 金東珞 申請人:三星Sdi株式會社