專利名稱：供電系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種供電系統(tǒng)及其控制裝置和控制方法，并且更具體地涉 及一種供電系統(tǒng)，其接收發(fā)電燃料以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣體并將所產(chǎn)生 的氣體供應(yīng)給發(fā)電單元，以執(zhí)行發(fā)電操作，并且還涉及其控制裝置和控制 方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著對(duì)環(huán)境問題或者能源問題的關(guān)注，燃料電池(或者使用 燃料電池的供電系統(tǒng))作為供電系統(tǒng)(或者發(fā)電系統(tǒng))己經(jīng)吸引了大家的 注意，其形成了下一代的主流。正如所公知的，燃料電池的發(fā)電理論具有 的優(yōu)點(diǎn)在于極少排放溫室氣體或者污染物，并且對(duì)環(huán)境(環(huán)境負(fù)荷)的 影響非常小，這是因?yàn)槔昧耸褂脷錃夂脱鯕獾碾娀瘜W(xué)反應(yīng)來輸出電能。 此外，可以實(shí)現(xiàn)的發(fā)電效率(能量轉(zhuǎn)換效率)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)(例 如，基于通過燃燒例如礦物燃料而獲得的熱能等來產(chǎn)生電能的系統(tǒng))的發(fā) 電效率，因此旨在在各種工業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)展的研究和發(fā)展都在積 極的進(jìn)行中。
這里，雖然將高濃度氫氣作為施加的發(fā)電燃料直接供應(yīng)給燃料電池是 令人期望的，但是直接將這種氫氣供應(yīng)給燃料電池主體的系統(tǒng)很難廣泛且 迅速地?cái)U(kuò)展，這是因?yàn)樵诋a(chǎn)生、存儲(chǔ)和供應(yīng)氫氣時(shí)的技術(shù)方面或安全方面 或者在諸如提供社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施等經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)上難以進(jìn)行。這個(gè)系統(tǒng)被實(shí)際用 于相對(duì)大型的系統(tǒng)中，例如特定商業(yè)設(shè)施中的發(fā)電單元，或者用于驅(qū)動(dòng)某 些特殊車輛的驅(qū)動(dòng)設(shè)備中的發(fā)電單元。
另一方面，當(dāng)將使用燃料電池的供電系統(tǒng)應(yīng)用到例如筆記本電腦或移 動(dòng)電話等小型便攜式電子設(shè)備(便攜式設(shè)備)中時(shí)，大家認(rèn)為使用基于碳 氫化合物的液體燃料(酒精)，例如甲醇或乙醇是現(xiàn)實(shí)的，所述基于碳?xì)浠?合物的液體燃料容易獲得并且便于使用，且具有低的制造成本。 在使用這種液體燃料的供電系統(tǒng)中，作為向燃料電池供應(yīng)發(fā)電燃料的 模式，直接燃料供應(yīng)模式和重整燃料供應(yīng)模式都是公知的，其中，直接燃 料供應(yīng)模式是直接向燃料電池主體供應(yīng)相應(yīng)的發(fā)電燃料(甲醇)，而重整燃 料供應(yīng)模式是供應(yīng)通過重整相應(yīng)的發(fā)電燃料而獲得的氫氣。
在采用直接燃料供應(yīng)模式的燃料電池中，由于諸如甲醇等發(fā)電燃料可 以直接供應(yīng)給燃料電池主體，因此在燃料供應(yīng)路徑中不需要后面描述的燃 料重整器等的結(jié)構(gòu)等，并且這種燃料電池(供電系統(tǒng))的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu) 可以簡(jiǎn)化。然而，采用這種模式的燃料電池一般具有的缺陷在于它的發(fā) 電效率(能量轉(zhuǎn)換效率)低于采用重整燃料供應(yīng)模式的燃料電池的發(fā)電效 率。
另一方面，采用重整燃料供應(yīng)模式的燃料電池的優(yōu)點(diǎn)在于它的發(fā)電 效率(能量轉(zhuǎn)換效率)高于采用直接燃料供應(yīng)模式的燃料電池的發(fā)電效率， 這是由于可以將通過重整諸如甲醇等發(fā)電燃料而產(chǎn)生的高純度(高濃度) 氫氣供應(yīng)給燃料電池主體。
下面將簡(jiǎn)要介紹一種常規(guī)技術(shù)中的供電系統(tǒng)，這種供電系統(tǒng)應(yīng)用了采 用重整燃料供應(yīng)模式的燃料電池。
圖6是示出了常規(guī)技術(shù)中采用重整燃料供應(yīng)模式的燃料電池所應(yīng)用的 供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意性方框圖。
圖7示出了適用于供電系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)部分中的化學(xué)反應(yīng)的實(shí)例的示 意圖，其中采用重整燃料供應(yīng)模式的燃料電池適用于該供電系統(tǒng)。
如圖6所示，應(yīng)用了常規(guī)技術(shù)中的燃料電池的供電系統(tǒng)一般包括燃 料供應(yīng)部分310，在該燃料供應(yīng)部分310中，存儲(chǔ)或裝入了諸如甲醇等發(fā)電 燃料；化學(xué)反應(yīng)部分320，其重整所述發(fā)電燃料以產(chǎn)生主要含有氫氣的發(fā)電 氣體；以及發(fā)電電池部分330，其基于使用所產(chǎn)生的氫氣和大氣中的氧氣的 電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生并輸出電能。
這里，如圖6和圖7所示，化學(xué)反應(yīng)部分320包括至少一個(gè)蒸發(fā)器 (燃料蒸發(fā)器)321，其對(duì)由發(fā)電燃料(例如，甲醇CH30H)和水(H20) 組成的水溶液進(jìn)行汽化(蒸發(fā))，以產(chǎn)生燃料氣體；重整器322，其基于重 整反應(yīng)改良燃料氣體，以產(chǎn)生含有氫氣(H2)的發(fā)電氣體；以及一氧化碳 去除器(下文將其稱作"CO去除器")323，其基于選擇氧化反應(yīng)將二氧化
碳(co2)中的有害一氧化碳(CO)和重整反應(yīng)中作為副產(chǎn)品產(chǎn)生的少量 一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)換成二氧化碳C02，并除去經(jīng)轉(zhuǎn)換的二氧化碳C02。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)將由化學(xué)反應(yīng)部分320產(chǎn)生的高濃度氫氣供應(yīng)給 發(fā)電電池部分330的正極側(cè)時(shí)，利用該氫氣產(chǎn)生氫離子和電子。當(dāng)氫離子 穿過置于在正極和負(fù)極之間的質(zhì)子交換膜而與負(fù)極側(cè)上的氧分子(大氣中 的氧氣)相結(jié)合時(shí)，從正極側(cè)朝著負(fù)極側(cè)移動(dòng)的電子被輸出，從而產(chǎn)生電 能。應(yīng)注意的是，化學(xué)反應(yīng)部分和發(fā)電電池部分中的具體化學(xué)反應(yīng)將在"具 體實(shí)施方式"的部分中詳細(xì)介紹。
同時(shí)，在應(yīng)用了采用重整燃料供應(yīng)模式的燃料電池的供電系統(tǒng)中，從 化學(xué)反應(yīng)部分320供應(yīng)給發(fā)電電池部分320的氫氣的量必須保持恒定，以 穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)與該供電系統(tǒng)連接的負(fù)載。這里，化學(xué)反應(yīng)部分320中的氫氣的 產(chǎn)生狀態(tài)(重整器322中的重整反應(yīng)的進(jìn)展?fàn)顟B(tài))受溫度條件控制，其中， 該溫度條件根據(jù)包括重整器322的化學(xué)反應(yīng)部分320來設(shè)定。因此，必須 將化學(xué)反應(yīng)部分320設(shè)定為預(yù)定的高溫狀態(tài)，必須保持這種狀態(tài)，并且必 須將重整器322中的重整反應(yīng)的進(jìn)展?fàn)顟B(tài)保持在預(yù)定狀況，以便保持由化 學(xué)反應(yīng)部分320產(chǎn)生的氫氣的量恒定。
這里，作為使化學(xué)反應(yīng)部分320保持在預(yù)定高溫狀態(tài)(固定溫度)的 方法，下列技術(shù)等是公知的。也就是說，例如，在發(fā)電電池部分330的發(fā) 電操作(電化學(xué)反應(yīng))中，通過使用燃燒熱來執(zhí)行加熱，該燃燒熱是通過 燃燒設(shè)置在化學(xué)反應(yīng)部分320附近的催化燃燒室(未示出)中含有的剩余 未反應(yīng)氫氣的廢氣而獲得的，或者通過使用從電加熱器(未示出)等獲得 的熱量來執(zhí)行加熱，以將其設(shè)定到預(yù)定高溫狀態(tài)。
具體來說，在通過使用廢氣的燃燒熱來將化學(xué)反應(yīng)部分320 (重整器 322)設(shè)定到預(yù)定高溫狀態(tài)(固定溫度)的技術(shù)中，對(duì)供應(yīng)給廢氣燃燒室的 廢氣或氧氣的量進(jìn)行控制，這允許設(shè)定廢氣燃燒的程度(產(chǎn)生的燃燒熱的 量)，進(jìn)而控制化學(xué)反應(yīng)部分320 (重整器322)中的氫氣的產(chǎn)生狀態(tài)(重 整反應(yīng)的進(jìn)展?fàn)顟B(tài))。
然而，將其中采用通過使用廢氣的燃燒熱來控制化學(xué)反應(yīng)部分(重整 器)的溫度狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和方法的供電系統(tǒng)設(shè)定為供應(yīng)氫氣，所述氫氣的量 大于發(fā)電操作所需的氫氣的量與化學(xué)反應(yīng)部分(重整器)內(nèi)的氫氣產(chǎn)生操
作中所需的作為熱能的氫氣的量的總和，以便基于發(fā)電電池部分中的發(fā)電 操作來穩(wěn)定輸出固定的電能(電流)。也就是說，從發(fā)電電池部分中排出的 廢氣中的氫氣的量被設(shè)定為遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于廢氣燃燒室中消耗的量(即，重整器 產(chǎn)生熱能所需要的量)。
這里，在由化學(xué)反應(yīng)部分(重整器)產(chǎn)生的氫氣中，實(shí)際上，無法將 發(fā)電操作(電化學(xué)反應(yīng))和氫氣產(chǎn)生操作(廢氣燃燒)中未利用的氫氣排 放到系統(tǒng)的外部。因此，該氫氣必須在例如殘余氣體燃燒器中燃燒，以轉(zhuǎn) 換成(消耗)水。
因此，該供電系統(tǒng)具有的問題在于，利用發(fā)電燃料產(chǎn)生的一部分氫氣 會(huì)被不經(jīng)濟(jì)地消耗掉，從而降低了發(fā)電效率(能量轉(zhuǎn)換效率)。此外，必須 額外提供殘余氣體燃燒室及其外圍設(shè)備(例如閥門或流量計(jì))，因此該供電 系統(tǒng)還具有系統(tǒng)尺寸增加、控制復(fù)雜、制造成本增加、以及其它問題。

發(fā)明內(nèi)容
在接收發(fā)電燃料以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣體并將所產(chǎn)生的氣體供應(yīng)給 發(fā)電部分以執(zhí)行發(fā)電操作的供電系統(tǒng)、該供電系統(tǒng)的控制裝置、以及該供 電系統(tǒng)的控制方法中，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生的氫氣可以得到高效的利 用，從而提高了發(fā)電效率，而沒有系統(tǒng)尺寸增加、控制復(fù)雜或者生產(chǎn)成本 增加等問題。
為了獲得該優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)包括化學(xué)反應(yīng)部分，其接 收發(fā)電燃料并利用化學(xué)反應(yīng)重整該發(fā)電燃料，以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣體; 發(fā)電部分，其接收發(fā)電氣體、使一部分所述發(fā)電氣體反應(yīng)以產(chǎn)生電能、將 所產(chǎn)生的電能供應(yīng)給負(fù)載、以及將所述發(fā)電氣體中的未反應(yīng)的成份作為廢 氣排出；加熱部分，其接收所述廢氣、使用所述廢氣來產(chǎn)生熱能、以及加 熱所述化學(xué)反應(yīng)部分；輸出控制部分，其對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的 量進(jìn)行控制；以及控制部分，其利用所述輸出控制部分來控制從所述發(fā)電 部分輸出的電能的量，以將所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度改變?yōu)轭A(yù)定溫度，其 中該化學(xué)反應(yīng)部分的溫度是基于由所述加熱部分產(chǎn)生的熱能設(shè)定的。
所述供電系統(tǒng)還包括溫度測(cè)量部分，其測(cè)量所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度。 所述溫度測(cè)量部分還起到電加熱器的作用，該電加熱器產(chǎn)生熱能，以加熱
所述化學(xué)反應(yīng)部分。所述控制部分基于由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量的所述化 學(xué)反應(yīng)部分的溫度來對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制。
所述化學(xué)反應(yīng)部分具有重整器，該重整器基于重整反應(yīng)來產(chǎn)生所述發(fā) 電氣體。所述預(yù)定溫度是適于所述重整器部分中的所述重整反應(yīng)的溫度。 所述控制部分包括溫度比較模塊，其用于將由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量的所 述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度與所述預(yù)定溫度進(jìn)行比較，并且所述控制部分基于 由所述溫度比較模塊獲得的比較結(jié)果來對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量 進(jìn)行控制。
所述加熱部分基于使用含在所述廢氣中的氫氣的燃燒反應(yīng)來產(chǎn)生熱 能。廢氣中的氫氣的量根據(jù)由所述輸出控制部分控制的所述發(fā)電部分輸出 的電能的量而變化。所述加熱部分所產(chǎn)生的熱能的量是根據(jù)含在所述廢氣 中的氫氣的量設(shè)定的。
所述輸出控制部分根據(jù)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量來控制從所述 發(fā)電部分輸出的輸出電流的電流值。所述控制部分包括電流值判斷部分， 其判斷從所述發(fā)電部分輸出的所述輸出電流的電流值是否落入其中所述發(fā) 電部分展現(xiàn)特定發(fā)電特性的范圍內(nèi)。
所述供電系統(tǒng)還包括電壓轉(zhuǎn)換部分，其對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電 能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生具有預(yù)定電壓值和電流值的負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率，并將所產(chǎn) 生的負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率供應(yīng)給負(fù)載；以及功率保持部分，其存儲(chǔ)從所述發(fā)電部 分輸出的電能。所述電壓轉(zhuǎn)換部分對(duì)存儲(chǔ)在所述功率保持部分中的電能進(jìn) 行轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生所述負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率。
所述控制部分包括電壓值判斷部分，當(dāng)從所述發(fā)電部分輸出電能時(shí)， 所述電壓值判斷部分對(duì)來自所述發(fā)電部分的輸出電壓的電壓值進(jìn)行檢測(cè)， 并且判斷所述輸出電壓的電壓值是否落入了其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā) 電特性的范圍內(nèi)。
所述化學(xué)反應(yīng)部分包括蒸發(fā)器，其接收所述發(fā)電燃料和水，并且對(duì) 所供應(yīng)的發(fā)電燃料和水進(jìn)行蒸發(fā)；以及重整器，其接收由所述蒸發(fā)器產(chǎn)生 的經(jīng)蒸發(fā)的發(fā)電燃料和水，并基于催化反應(yīng)來產(chǎn)生作為所述發(fā)電氣體的含 有氫氣的氣體。所述發(fā)電燃料是其成份中含有氫原子的液體燃料，并且所 述加熱部分將所述熱能供應(yīng)給所述燃料重整器。
所述發(fā)電部分例如是質(zhì)子交換膜燃料電池，其基于使用含在所述發(fā)電 氣體中的氫氣的電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能。
為了獲得該優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)的控制裝置是包括下列部分 的供電系統(tǒng)的控制裝置，該供電系統(tǒng)包括化學(xué)反應(yīng)部分，其接收發(fā)電燃 料并利用化學(xué)反應(yīng)重整該發(fā)電燃料，以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣體；發(fā)電部 分，其接收所述發(fā)電氣體并使一部分所述發(fā)電氣體反應(yīng)以產(chǎn)生電能；以及 加熱部分，其接收從所述發(fā)電部分排出的廢氣、使用所述廢氣來產(chǎn)生熱能、 以及加熱所述化學(xué)反應(yīng)部分。所述控制裝置包括輸出控制部分，其對(duì)從 所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制；以及控制部分，其利用所述輸出 控制部分來控制從所述發(fā)電部分輸出的電能的量，以將所述化學(xué)反應(yīng)部分 的溫度改變?yōu)轭A(yù)定溫度，其中該化學(xué)反應(yīng)部分的溫度是基于由所述加熱部 分產(chǎn)生的熱能設(shè)定的。
所述控制裝置還包括溫度測(cè)量部分，其測(cè)量所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度。 所述控制部分基于由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度來 對(duì)所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制。
所述預(yù)定溫度是適于所述化學(xué)反應(yīng)部分中的所述化學(xué)反應(yīng)的溫度。所 述控制部分基于由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度與所 述預(yù)定溫度之間的差值來控制從所述發(fā)電部分輸出的電能的量。
所述輸出控制部分根據(jù)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量來控制從所述 發(fā)電部分輸出的輸出電流的電流值。所述控制部分包括電流值判斷部分， 其判斷所述輸出電流的電流值是否落入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā)電特 性的范圍內(nèi)。
所述控制部分包括電壓值判斷部分，當(dāng)從所述發(fā)電部分輸出電能時(shí)， 所述電壓值判斷部分對(duì)來自所述發(fā)電部分的輸出電壓的電壓值進(jìn)行檢測(cè)， 并且判斷所述輸出電壓的電壓值是否落入了其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā) 電特性的范圍內(nèi)。
為了獲得該優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)的控制方法是包括下列部分 的供電系統(tǒng)的控制方法，該供電系統(tǒng)包括化學(xué)反應(yīng)部分，其接收發(fā)電燃 料并利用化學(xué)反應(yīng)重整該發(fā)電燃料，以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣體；發(fā)電部 分，其接收所述發(fā)電氣體并使一部分所述發(fā)電氣體反應(yīng)以產(chǎn)生電能；以及
加熱部分，其接收從所述發(fā)電部分排出的廢氣、使用所述廢氣來產(chǎn)生熱能、 以及加熱所述化學(xué)反應(yīng)部分。所述控制方法包括測(cè)量所述化學(xué)反應(yīng)部分 的溫度的操作；以及根據(jù)測(cè)量到的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度對(duì)從所述發(fā)電 部分輸出的電能的量進(jìn)行控制以將所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度改變?yōu)轭A(yù)定溫 度的操作，其中該化學(xué)反應(yīng)部分的溫度是基于由所述加熱部分產(chǎn)生的熱能 設(shè)定的。
對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作包括以下操作將 測(cè)量到的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度與所述預(yù)定溫度進(jìn)行比較；以及根據(jù)所 述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度與所述預(yù)定溫度之間的差值來增加/減小從所述發(fā)電 部分輸出的電能的量。
對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作包括以下操作根 據(jù)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量來控制從所述發(fā)電部分輸出的輸出電流
入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā)^特:的范圍內(nèi)。A對(duì)從所述發(fā)電部分輸出 的電能的量進(jìn)行控制的操作還包括以下操作當(dāng)確定從所述發(fā)電部分輸出 的所述輸出電流的電流值在其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)所述特定發(fā)電特性的范 圍之外時(shí)，將從所述發(fā)電部分輸出的所述輸出電流的電流值返回到其中所 述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā)電特性的范圍內(nèi)。
對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作包括以下操作當(dāng) 從所述發(fā)電部分輸出電能時(shí)，檢測(cè)所述發(fā)電部分的輸出電壓的電壓值；以 及判斷所述輸出電壓的所述電壓值是否落入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā) 電特性的范圍內(nèi)。對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作還包 括以下操作當(dāng)確定所述輸出電壓的電壓值在其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定 發(fā)電特性的范圍之外時(shí)，控制從所述發(fā)電部分輸出的輸出電流的電流值， 以使得所述輸出電壓的電壓值落入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)所述特定發(fā)電特 性的范圍內(nèi)。


圖1的示意性方框圖示出了根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)及其控制裝置的實(shí) 施例；
圖2的示意性方框圖示出了應(yīng)用于根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)的發(fā)電電 池部分的實(shí)例；
圖3的示意性電路方框圖示出了應(yīng)用于根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)的輸 出電流控制部分的實(shí)例；
圖4的流程圖示出了根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)中的控制方法的實(shí)例；
圖5的視圖示出了應(yīng)用于根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)的發(fā)電電池部分的 輸出特性(發(fā)電特性)；
圖6的示意性方框圖示出了常規(guī)技術(shù)中采用重整燃料供應(yīng)模式的燃料 電池所應(yīng)用的供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)例；以及
圖7的示意圖示出了應(yīng)用于供電系統(tǒng)的燃料重整部分中的化學(xué)反應(yīng)的 實(shí)例，該供電系統(tǒng)應(yīng)用了采用重整燃料供應(yīng)模式的燃料電池。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將在下文中基于舉例說明的實(shí)施例，詳細(xì)介紹根據(jù)本發(fā)明的供 電系統(tǒng)、該供電系統(tǒng)的控制裝置以及該供電系統(tǒng)的控制方法。 <供電系統(tǒng)>
首先將介紹根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)及其控制裝置的結(jié)構(gòu)。 圖1的示意性方框圖示出了根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)及其控制裝置的實(shí) 施例。
應(yīng)注意，本文將描述甲醇作為發(fā)電燃料的實(shí)例。
如圖1所示，根據(jù)第一實(shí)施例的供電系統(tǒng)具有的設(shè)備大致包括燃料
箱200，其中裝入了含有甲醇CH3OH和水H20的作為發(fā)電燃料的混合液體 (甲醇溶液)；化學(xué)反應(yīng)部分100，其基于通過使用甲醇CH3OH、水H20 和大氣中的氧氣02的一系列化學(xué)反應(yīng)(這將在后面詳細(xì)描述)來產(chǎn)生氫氣 H2;由燃料電池形成的發(fā)電電池部分(燃料電池；發(fā)電部分)150，其基于 使用從化學(xué)反應(yīng)部分100提供的氫氣H2和大氣中的氧氣02的電化學(xué)反應(yīng) 來產(chǎn)生并輸出電能；輸出控制部分160，其控制輸出電流的電流值，并基于 來自后面描述的系統(tǒng)控制部分170的控制信號(hào)(電流控制值)來控制作為 輸出的輸出，所述輸出電流的電流值與發(fā)電電池部分150所產(chǎn)生的電能相 對(duì)應(yīng)；DC/DC轉(zhuǎn)換器(電壓轉(zhuǎn)換部分)180，其將發(fā)電電池部分150輸出的
電能轉(zhuǎn)換成所期望的電壓值，并控制電能存儲(chǔ)在二次電池190中或者控制 電能輸出到負(fù)載；二次電池(存儲(chǔ)部分)190，例如蓄電池，其存儲(chǔ)從發(fā)電 電池部分150輸出的電能；以及系統(tǒng)控制部分(控制部分)170，其控制每
個(gè)設(shè)備中的操作以進(jìn)一步控制供電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)(其主要是化學(xué)反應(yīng)部
分100中的化學(xué)反應(yīng)(重整反應(yīng))的進(jìn)展?fàn)顟B(tài)或者發(fā)電電池部分150中的 發(fā)電操作)。
下文將詳細(xì)介紹每一個(gè)設(shè)備。 (化學(xué)反應(yīng)部分)
如圖1所示，化學(xué)反應(yīng)部分100具體包括發(fā)電燃料蒸發(fā)器IIO，其加 熱并蒸發(fā)(汽化)從燃料箱200提供的甲醇溶液，以產(chǎn)生包括甲醇?xì)怏w和 潮濕蒸氣的燃料氣體；燃料重整器120，其基于使用所述燃料氣體的催化反 應(yīng)(蒸汽重整反應(yīng))來產(chǎn)生含有氫氣H2的發(fā)電氣體；CO去除器130，其基 于使用氧氣02和一氧化碳CO的催化反應(yīng)(選擇氧化反應(yīng))來除去一氧化 碳CO，從而產(chǎn)生二氧化碳，其中所述一氧化碳CO是在燃料重整器120中 的催化反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣時(shí)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品；廢氣催化燃燒室(加熱部分) 140，其基于使用大氣中的氧氣02和含有未反應(yīng)氫氣H2的廢氣的催化燃燒 反應(yīng)，產(chǎn)生用于促進(jìn)或保持至少在發(fā)電燃料蒸發(fā)器110、燃料重整器120和 CO去除器130中的每個(gè)化學(xué)反應(yīng)所需的熱能，其中所述未反應(yīng)氫氣H2是 在供電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下供應(yīng)給發(fā)電電池部分150的氫氣H2中的在發(fā)電 電池部分150內(nèi)未發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的那部分氫氣；電加熱器/溫度計(jì)(溫度 測(cè)量部分)HS1、 HS2和HS3，其使用啟動(dòng)供電系統(tǒng)時(shí)存儲(chǔ)在二次電池190 中的電能來產(chǎn)生促進(jìn)或保持至少在發(fā)電燃料蒸發(fā)器110、燃料重整器120和 CO去除器130中的每個(gè)化學(xué)反應(yīng)所需的熱能，并且測(cè)量發(fā)電燃料蒸發(fā)器 110、燃料重整器120和CO去除器130中的溫度狀態(tài)。
此外，在燃料箱200與發(fā)電燃料蒸發(fā)器110之間的燃料供應(yīng)路徑上， 設(shè)置了流體泵PN1、控制驅(qū)動(dòng)器DR1、流體閥VL1和流量計(jì)FL1，其中流 體泵PN1用于提供(排出)燃料箱200的甲醇溶液，控制驅(qū)動(dòng)器DR1用于 控制該流體泵PN1的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，流體閥VL1用于設(shè)定供應(yīng)給發(fā)電燃料蒸發(fā) 器110的甲醇溶液的量，而流量計(jì)FL1用于檢測(cè)所述供應(yīng)量。
此外，由于CO去除器130、廢氣催化燃燒室140和發(fā)電電池部分150
中的各種化學(xué)反應(yīng)(催化反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)及其它反應(yīng))都需要氧氣，因
此還提供了用于吸收和供應(yīng)大氣中的空氣的氣泵PN2、用于控制該氣泵PN2 的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的控制驅(qū)動(dòng)器DR2、用于設(shè)定供應(yīng)給CO去除器130、廢氣催化 燃燒室140和發(fā)電電池部分150中的每一個(gè)的氧氣的供應(yīng)量的流體閥VL2、 VL3和VL4，以及用于測(cè)量所述供應(yīng)量的流量計(jì)FL2、 FL3和FL4。
這里，各個(gè)控制驅(qū)動(dòng)器DR1和DR2基于從系統(tǒng)控制部分170發(fā)出的指 令(控制信號(hào)CD)來控制泵PN1和PN2的狀態(tài)。另夕卜，流量計(jì)FL1到FL4 向系統(tǒng)控制部分170輸出供應(yīng)給每個(gè)設(shè)備的甲醇溶液和空氣的流率數(shù)據(jù) FO。
各個(gè)電加熱器/溫度計(jì)HSl到HS3被設(shè)置成臨近或緊靠發(fā)電燃料蒸發(fā)器 110、燃料重整器120和CO去除器130，并且在供電系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生適于 促進(jìn)在發(fā)電燃料蒸發(fā)器110、燃料重整器120和CO去除器130中的各個(gè)化 學(xué)反應(yīng)的熱能?？刂乞?qū)動(dòng)器DR3、 DR4和DR5分別與電加熱器/溫度計(jì)HS1 到HS3連接，該控制驅(qū)動(dòng)器DR3、 DR4和DR5用于控制對(duì)發(fā)電燃料蒸發(fā) 器110、燃料重整器120和CO去除器130中的由熱能實(shí)現(xiàn)的溫度的測(cè)量。 各個(gè)控制驅(qū)動(dòng)器D3到D5調(diào)整將要排出的熱能，同時(shí)基于系統(tǒng)控制部分170 發(fā)出的指令(控制信號(hào)CD)來監(jiān)測(cè)由各個(gè)電加熱器/溫度計(jì)HS1到HS3檢 測(cè)到的溫度。
值得注意的是，在具有上述結(jié)構(gòu)的供電系統(tǒng)中，在根據(jù)本實(shí)施例的化 學(xué)反應(yīng)部分100內(nèi)的廢氣催化燃燒室140、燃料重整器120和CO去除器130 以及發(fā)電燃料蒸發(fā)器110中的每一個(gè)中，例如，可以應(yīng)用半導(dǎo)體設(shè)備制造 技術(shù)來形成精細(xì)槽，將該精細(xì)槽作為絕緣基板上的反應(yīng)管道，或者設(shè)置多 個(gè)隔板來形成反應(yīng)管道，其中的每個(gè)隔板都由薄的金屬板構(gòu)成，或者可以 將預(yù)定的催化劑施加到被構(gòu)造為精細(xì)化學(xué)反應(yīng)器(微反應(yīng)器)的管道的內(nèi) 壁上。
此外，對(duì)于每個(gè)電加熱器/溫度計(jì)HSl到HS3，可以應(yīng)用具有例如薄膜 電阻材料的部件，該部件緊靠著上述的每一種結(jié)構(gòu)。
此外，可以采用每個(gè)化學(xué)反應(yīng)器與薄膜電阻器順序疊加的結(jié)構(gòu)。例如， 如圖1所示，第一單元具有電加熱器/溫度指示器HSl和疊加在其中的發(fā)電 燃料蒸發(fā)器110，第二單元具有電加熱器/溫度指示器HS2和疊加在其中的
燃料重整器120，第三單元具有電加熱器/溫度指示器HS3和疊加在其中的 CO去除器130。這些單元是按照適當(dāng)?shù)捻樞虔B加的(圖1示出了一種結(jié)構(gòu)， 在該結(jié)構(gòu)中，第一單元、第二單元和第三單元按照提到的順序進(jìn)行疊加)。 這些單元通過諸如管之類的管道相互連接，并且所獲得的結(jié)構(gòu)被密封在真 空絕緣容器中。
這里，利用以下方式形成管道，使得發(fā)電燃料蒸發(fā)器110的出口與燃 料重整器120的供應(yīng)端口連接，燃料重整器120的出口與CO去除器130 的供應(yīng)端口連接，以及CO去除器130的出口與發(fā)電電池部分150連接。
值得注意的是，已經(jīng)針對(duì)以下結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明在該結(jié)構(gòu)中，將甲醇 和水的混合液體(甲醇溶液)密封在燃料箱200中，并且將該混合液體供 應(yīng)給發(fā)電燃料蒸發(fā)器110。然而，本發(fā)明并不限于此。例如，甲醇和水可以 密封在各自的箱中(即，甲醇箱和水箱)，并且可以將甲醇和水從這些箱通 過分別提供的泵、控制驅(qū)動(dòng)器、流體閥和流量計(jì)(即，各自的供應(yīng)系統(tǒng)) 供應(yīng)給發(fā)電燃料蒸發(fā)器110。
現(xiàn)在將具體介紹在化學(xué)反應(yīng)部分100 (發(fā)電燃料蒸發(fā)器110、燃料重整 器120以及CO去除器130)中產(chǎn)生氫氣的一系列化學(xué)反應(yīng)(加熱和蒸發(fā)處 理、蒸汽重整反應(yīng)和選擇氧化反應(yīng))。
首先，在發(fā)電燃料蒸發(fā)器110內(nèi)的蒸發(fā)過程中，當(dāng)啟動(dòng)供電系統(tǒng)時(shí)， 控制電加熱器/溫度指示器HSl。此外，在供電系統(tǒng)中的發(fā)電操作處于穩(wěn)定 的穩(wěn)定狀態(tài)下，控制廢氣催化燃燒室140中的廢氣的催化燃燒反應(yīng)，以將 發(fā)電燃料蒸發(fā)器110的溫度條件設(shè)定到一定溫度，該溫度不低于甲醇 CH30H和水H20的混合液體(甲醇溶液)的沸點(diǎn)(例如大約120°C)。因 此，混合液體受熱并蒸發(fā)，從而產(chǎn)生燃料氣體。
然后，在燃料重整器120內(nèi)的蒸汽重整反應(yīng)過程中，類似于蒸發(fā)過程， 通過將溫度條件設(shè)定為250°C到400°C,或者優(yōu)選設(shè)定為大約270°C到 300°C，基于電加熱器/溫度指示器HS2或廢氣催化燃燒室140供應(yīng)的熱能， 利用所述燃料氣體產(chǎn)生含有氫氣H2的發(fā)電氣體，如下面的化學(xué)反應(yīng)式(1) 所示。要注意的是，如圖7中的(a)所示，在該蒸汽重整反應(yīng)中，除了產(chǎn) 生氫氣H2以外，還產(chǎn)生了作為副產(chǎn)品的二氧化碳C02和少量一氧化碳CO。
CH3OH+H20—3H2+C02 ... (1)
如圖7中的(b)所示，為了除去這些有害的副產(chǎn)品，在CO去除器130 內(nèi)的CO去除過程中，類似于蒸發(fā)過程，通過將溫度條件設(shè)定為120°C到 200°C，或者優(yōu)選設(shè)定為大約140°C至lj 180°C，基于電加熱器/溫度指示器 HS3或廢氣催化燃燒室140供應(yīng)的熱能，大氣中的氧氣02與一氧化碳CO 發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生二氧化碳co2的選擇氧化反應(yīng)，如下面的化學(xué) 反應(yīng)式(2)所示。
CO+ (1/2) 02—C02 …(2)
因此，化學(xué)反應(yīng)部分100對(duì)燃料箱200提供的含有甲醇CH3OH (發(fā)電 燃料)和水H20的混合液體(甲醇溶液)進(jìn)行重整，以產(chǎn)生高純度(高濃 度，70%到75%)的氫氣H2。 (發(fā)電電池部分)
圖2的示意性方框圖示出了應(yīng)用于根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)的發(fā)電電 池部分的實(shí)例。這里介紹了一個(gè)實(shí)例，在該實(shí)例中，采用公知的質(zhì)子交換 膜燃料電池作為構(gòu)成發(fā)電電池部分的燃料電池的例子。
如圖2所示，發(fā)電電池部分150具有正極ELa，它由其上附著了例如 鉑或鉑釕的催化劑微粒的碳電極形成；負(fù)極ELc，它由其上附著了鉑等的 催化劑微粒的碳電極形成；以及薄膜狀的質(zhì)子交換膜(離子交換膜)LYi， 它插入在正極ELa和負(fù)極ELc之間。發(fā)電電池部分150以如此方式構(gòu)成， 使得將通過對(duì)化學(xué)反應(yīng)部分100中的發(fā)電燃料(甲醇CH30H)重整所獲得 的高純度(高濃度)氫氣H2供應(yīng)給正極ELa頂ij，另一方面，將氣泵PN2 所吸收的大氣中的氧氣02以預(yù)定流率通過流體閥VL4和流量計(jì)FL4不斷 地供應(yīng)給負(fù)極ELc側(cè)。
這里，在根據(jù)本實(shí)施例的發(fā)電電池部分150中，將通過蒸發(fā)燃料箱200 輸出的甲醇溶液所獲得的燃料氣體供應(yīng)給對(duì)該燃料氣體進(jìn)行重整的燃料重 整器120中，并且只將通過在CO去除器130中除去一氧化碳CO所獲得的 高濃度氫氣H2饋送到正極ELa。
此外，就與具有該結(jié)構(gòu)的發(fā)電電池部分150中的發(fā)電操作有關(guān)的電化 學(xué)反應(yīng)而言，當(dāng)將氫氣H2供應(yīng)給正極ELa時(shí)，如下面的化學(xué)反應(yīng)式(3) 所示，利用催化反應(yīng)，分離出電子e—，從而產(chǎn)生了氫離子IT，并且這些離 子經(jīng)由質(zhì)子交換膜LYi、負(fù)極ELc側(cè)傳送。利用構(gòu)成正極ELa的碳電極，將電子e—輸出并供應(yīng)給負(fù)載LD。
H一H"+2e- …(3)
另一方面，當(dāng)將空氣中的氧氣02供應(yīng)給負(fù)極ELc時(shí)，通過負(fù)載LD傳 送的電子e—與通過質(zhì)子交換膜LYi傳送的氫離子tf和氧氣02利用催化物質(zhì) 進(jìn)行反應(yīng)，從而產(chǎn)生作為副產(chǎn)品的水1120，如下面的化學(xué)反應(yīng)式(4)所示。
2tf+l/202+2e一—H20 …(4)
這里，化學(xué)反應(yīng)式(3)和(4)所示的一系列電化學(xué)反應(yīng)在大約60°C 到80°C的相對(duì)低溫的溫度條件下進(jìn)行。供應(yīng)給正極ELa的氫氣H2進(jìn)行反 應(yīng)，從而發(fā)生消耗，并基于這些電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能。然而，供應(yīng)的氫 氣H2中消耗掉的百分比(氫氣利用率)取決于發(fā)電電池部分150輸出的電
能的量，并且將未消耗掉的且作為未反應(yīng)氫氣剩下的氫氣H2作為廢氣排出。
這里，當(dāng)從發(fā)電電池部分150取出電能時(shí)，為了在發(fā)電電池部分150中適 當(dāng)?shù)貓?zhí)行電化學(xué)反應(yīng)，并防止發(fā)電電池發(fā)生損壞或惡化，氫氣利用率的值 具有適當(dāng)?shù)姆秶?。正如后面將要描述的，通常將氫氣利用率設(shè)定為落入75 %到95%的范圍內(nèi)。當(dāng)依照此范圍從發(fā)電電池部分150中取出與電能對(duì)應(yīng) 的電流時(shí)，電流值被限制在從后面描述的預(yù)定最小電流值到最大電流值的 范圍內(nèi)。發(fā)電電池部分150的輸出功率被限制在落入不小于后面描述的預(yù) 定最小功率值的范圍內(nèi)。發(fā)電電池部分150的輸出電壓被設(shè)定在落入不小 于后面描述的最小電壓值的范圍內(nèi)。當(dāng)超過這些范圍時(shí)，發(fā)電電池部分150 中的電能產(chǎn)生操作將變得不穩(wěn)定。
應(yīng)注意的是，發(fā)電電池部分150所排出的廢氣被供應(yīng)給化學(xué)反應(yīng)部分 100中的廢氣催化燃燒室140中，基于催化燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)換成熱能，并利用廢 氣來設(shè)定并保持上述燃料重整器120、CO去除器130和發(fā)電燃料蒸發(fā)器110 內(nèi)的每一個(gè)中的溫度狀態(tài)(適于每個(gè)化學(xué)反應(yīng)的固定溫度)。 (輸出控制部分)
圖3的示意性電路方框圖示出了根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)所采用的輸 出控制部分。
輸出控制部分160設(shè)置在發(fā)電電池部分150的電能輸出部分中。例如， 如圖3所示，輸出控制部分160包括P溝道型晶體管(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)Trl， 其具有連接到其的電流路徑，其中該P(yáng)溝道型晶體管Trl位于輸入側(cè)觸點(diǎn)
IN和輸出側(cè)觸點(diǎn)OUT之間，該輸入側(cè)觸點(diǎn)IN與發(fā)電電池部分150連接， 而輸出側(cè)觸點(diǎn)OUT經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器180與電子設(shè)備等的負(fù)載連接；P 溝道型晶體管Tr2和Tr3以及電阻元件R，其具有連接到其的各個(gè)電流路徑， 該P(yáng)溝道型晶體管Tr2和Tr3以及電阻元件R串聯(lián)連接在輸入側(cè)觸點(diǎn)IN與 接地電勢(shì)GND之間；比較器(放大器)AP1，其一個(gè)輸入端與輸出側(cè)觸點(diǎn) OUT連接，而另一個(gè)輸入端與晶體管Tr2和Tr3的連接觸點(diǎn)(觸點(diǎn)Nl)連 接，并且輸出端與晶體管Tr3的柵極端連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，其對(duì)由系 統(tǒng)控制部分170輸出的數(shù)字信號(hào)形成的控制信號(hào)(電流控制值)進(jìn)行數(shù)模 轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生設(shè)定電壓Vset;以及比較器AP2，其一個(gè)輸入端與薄膜晶體 管Tr3和電阻元件R的連接觸點(diǎn)(觸點(diǎn)N2)連接，另一個(gè)輸入端被施加了 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC輸出的設(shè)定電壓Vset，并且輸出端(觸點(diǎn)N3)與晶體管 Tr2和Trl的柵極端連接。
在具有該電路結(jié)構(gòu)的輸出控制部分160中，禾擁比較器AP1和晶體管 Tr3，將相對(duì)于流經(jīng)輸出側(cè)觸點(diǎn)OUT的輸出電流Iout (即，對(duì)應(yīng)于發(fā)電電池 部分150輸出的電能的電流值)的例如1/1000 (lout/1000)的電流設(shè)置為 經(jīng)由電阻元件R流經(jīng)接地電勢(shì)GND。將電流流經(jīng)電阻元件R時(shí)在觸點(diǎn)N2 處產(chǎn)生的電勢(shì)施加到比較器AP2的一個(gè)輸入端。此外，基于由系統(tǒng)控制部 分170輸出的數(shù)字信號(hào)形成的控制信號(hào)(電流控制值)，將由數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC產(chǎn)生的設(shè)定電壓(模擬電壓)Vset施加到比較器AP2的另一個(gè)輸入端。
從而，基于通過比較所述觸點(diǎn)N2處的電勢(shì)與設(shè)定電壓Vset而獲得的 輸出電勢(shì)(即，觸點(diǎn)N3處的電勢(shì))，比較器AP2控制晶體管Trl和Tr2的 導(dǎo)通狀態(tài)(開和關(guān))。因此，基于由系統(tǒng)控制部分170輸出的數(shù)字信號(hào)所組 成的控制信號(hào)(電流控制值)，對(duì)與發(fā)電電池部分150輸出的電能相對(duì)應(yīng)的 電流值(輸出電流Iout)進(jìn)行逐步控制(步進(jìn)控制)。也就是說，相對(duì)于發(fā) 電電池部分150，晶體管Trl用作負(fù)載，使得根據(jù)比較器AP2的輸出來控 制相對(duì)于發(fā)電電池部分150的負(fù)載的大小。相對(duì)于發(fā)電電池部分150，輸出 控制部分160用作所謂的電子負(fù)載。
這里，在根據(jù)本實(shí)施例的輸出控制部分160中，當(dāng)輸出電流Iout超過 基于控制信號(hào)(電流控制值)所設(shè)定的電流值(設(shè)定電流)Ilim時(shí)，控制 該輸出電流Iout，以使其與設(shè)定電流Ilim具有相同的電流值(Iout=Ilim)，
并且控制輸出電流lout的電流值，以使其不超過設(shè)定電流Ilim。應(yīng)注意的 是，當(dāng)電阻元件R的電阻值是lkQ時(shí)，設(shè)定電流mm與基于控制信號(hào)所產(chǎn) 生的設(shè)定電壓Vset之間的關(guān)系由下面的表達(dá)式表示。
Ilim/1000=Vset/R"^Ilim (=Iout) 二1000XVset/R
應(yīng)注意的是，設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)中的發(fā)電電池部分150的 輸出部分中的輸出控制部分160并不限于圖3所示的電路結(jié)構(gòu)。沒有必要 說明的是，輸出控制部分160還可以有其它的電路結(jié)構(gòu)，只要它具有的功 能等效于基于系統(tǒng)控制部分170輸出的控制信號(hào)來控制輸出電流lout的電 流值。
另外，雖然圖1將輸出控制部分160描述為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明 并不限于此?？梢詫⑤敵隹刂撇糠?60與例如DC/DC轉(zhuǎn)換器180構(gòu)成為一 體。在這種情況下，系統(tǒng)控制部分170輸出的控制信號(hào)(電流控制值)經(jīng) 由DC/DC轉(zhuǎn)換器180輸入到例如輸出控制部分160中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC。 (DC/DC轉(zhuǎn)換器/二次電池)
在供電系統(tǒng)的穩(wěn)定操作中，DC/DC轉(zhuǎn)換器180對(duì)發(fā)電電池部分150輸 出的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生具有預(yù)定電壓值和電流值的負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率、將所 產(chǎn)生的功率供應(yīng)給電子設(shè)備等的負(fù)載、產(chǎn)生要被輸出到系統(tǒng)控制部分170 或各個(gè)驅(qū)動(dòng)器DR1到DR5的控制驅(qū)動(dòng)功率、以及使用經(jīng)轉(zhuǎn)換的電壓來對(duì)二 次電池190進(jìn)行充電以使得電能存儲(chǔ)在二次電池190中。此外，例如，在 供電系統(tǒng)啟動(dòng)或臨時(shí)過載的情況下，使用存儲(chǔ)在二次電池l卯中的電能來 產(chǎn)生將要供應(yīng)給電子設(shè)備等的負(fù)載的負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率，并且產(chǎn)生要被輸出到 系統(tǒng)控制部分170或者各個(gè)驅(qū)動(dòng)器DR1到DR5的控制驅(qū)動(dòng)功率。應(yīng)注意的 是，對(duì)于二次電池l卯，可以采用公知的各種蓄電池組，或者可以采用雙電 層電容器等，這可以減少厚度和重量，并且在充電/放電特性上更優(yōu)。
(系統(tǒng)控制部分)
系統(tǒng)控制部分170包括例如CPU、 ROM、 RAM、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn) 換器和其它未示出的設(shè)備，并且系統(tǒng)控制部分170控制各個(gè)設(shè)備中的操作。
具體來說，基于例如用戶啟動(dòng)供電系統(tǒng)的操作，系統(tǒng)控制部分170在 預(yù)定時(shí)刻從燃料箱200將預(yù)定量的甲醇溶液經(jīng)由流體泵PN1、流體閥VL1 和流量計(jì)FL1供應(yīng)給發(fā)電燃料蒸發(fā)器110，并將發(fā)電燃料蒸發(fā)器110設(shè)定為
預(yù)定的溫度狀態(tài)，從而控制蒸發(fā)甲醇溶液的蒸發(fā)過程中的操作狀態(tài)(燃料 蒸發(fā)操作)，以便產(chǎn)生燃料氣體。
此外，系統(tǒng)控制部分170將燃料重整器120設(shè)定為預(yù)定的溫度狀態(tài)， 以便對(duì)用于重整在發(fā)電燃料蒸發(fā)器110中產(chǎn)生的燃料氣體(甲醇CH3OH和 水H20)的蒸汽重整反應(yīng)過程(燃料重整操作)中的操作狀態(tài)進(jìn)行控制， 以產(chǎn)生含有氫氣H2的發(fā)電氣體。
另外，系統(tǒng)控制部分170在預(yù)定時(shí)刻經(jīng)由氣泵PN2、流體閥VL2和流 量計(jì)FL2向CO去除器130供應(yīng)預(yù)定量的氧氣02。此外，系統(tǒng)控制部分170 將CO去除器130設(shè)定為預(yù)定的溫度狀態(tài)，以便控制CO去除過程的操作狀 態(tài)，該CO去除過程由除掉燃料重整器120所產(chǎn)生的發(fā)電氣體中的一氧化碳 CO的選擇氧化反應(yīng)構(gòu)成，以便產(chǎn)生高濃度的氫氣H2。
此外，相對(duì)于其中將經(jīng)過CO去除器130而產(chǎn)生的高濃度氫氣直接供應(yīng) 給正極Ela側(cè)的發(fā)電電池部分150，系統(tǒng)控制部分170在預(yù)定時(shí)刻經(jīng)由氣泵 PN2、流體閥VL4和流量計(jì)FL4向負(fù)極Elc側(cè)供應(yīng)預(yù)定量的氧氣02，從而 基于由化學(xué)反應(yīng)式(4)和(5)表示的一系列電化學(xué)反應(yīng)來對(duì)產(chǎn)生預(yù)定電 能的發(fā)電操作的操作狀態(tài)進(jìn)行控制。
這里，關(guān)于發(fā)電燃料蒸發(fā)器110中的蒸發(fā)過程，燃料重整器120中的 蒸汽重整反應(yīng)過程和CO去除器130中的CO去除過程，在啟動(dòng)供電系統(tǒng)時(shí)， 基于通過向電加熱器/溫度計(jì)HS1、 HS2和HS3中的每一個(gè)供電所釋放的熱 能，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的溫度狀態(tài)。此外，在供電系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)中，將含有 氫氣(即，未在發(fā)電電池部分150中的電化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)并剩下的氫氣) 的廢氣供應(yīng)給廢氣催化燃燒室140,而不需使用電加熱器/溫度計(jì)HSl、 HS2 和HS3，并且在預(yù)定時(shí)刻將預(yù)定量的氧氣02經(jīng)由氣泵PN2、流體閥VL3 和流量計(jì)FL3供應(yīng)給廢氣催化燃燒室140。因此，基于由廢氣催化燃燒室 140中的催化燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的溫度狀態(tài)。
上面提到的化學(xué)反應(yīng)部分100和發(fā)電電池部分150中的每個(gè)操作控制 是通過下列方式實(shí)現(xiàn)的。也就是說，在系統(tǒng)控制部分170中，例如，CPU 執(zhí)行存儲(chǔ)在ROM等中的各種控制程序，以對(duì)各個(gè)流量計(jì)FL1到FL4的每 個(gè)流率數(shù)據(jù)(供應(yīng)量數(shù)據(jù))FO、電加熱器/溫度計(jì)HSl到HS3所測(cè)量的每 個(gè)溫度數(shù)據(jù)(在狹義上，通過各個(gè)控制驅(qū)動(dòng)器DR3到DR5所接收的數(shù)據(jù)信
號(hào))、發(fā)電電池部分150輸出的對(duì)應(yīng)于電能的電流值(輸出電流值)以及其 它進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并取出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。輸出閥門驅(qū)動(dòng)信號(hào)VD、驅(qū)動(dòng)器控 制信號(hào)CD和其它基于每個(gè)數(shù)據(jù)(測(cè)量值)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的信號(hào)，其中閥門 驅(qū)動(dòng)信號(hào)VD是驅(qū)動(dòng)流體閥VL1到VL4所需的，而驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)CD對(duì) 驅(qū)動(dòng)所述泵PN1、PN2及電加熱器/溫度計(jì)HS1到HS3的驅(qū)動(dòng)器DR1到DR5 進(jìn)行控制。
此外，基于由從系統(tǒng)控制部分170輸出到輸出控制部分160的數(shù)字信 號(hào)所組成的控制信號(hào)(電流控制值)，對(duì)由發(fā)電電池部分150中的電化學(xué)反 應(yīng)產(chǎn)生并隨后輸出的電能的電流值進(jìn)行控制，并且利用DC/DC轉(zhuǎn)換器180 將其轉(zhuǎn)換成預(yù)定電壓值。將具有設(shè)定電流值和電壓值的電能臨時(shí)存儲(chǔ)在二 次電池190中。此后，或者沒有這個(gè)存儲(chǔ)操作，將它作為負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率供 應(yīng)給未示出的負(fù)載(電子設(shè)備等)，并且還可以將它作為控制驅(qū)動(dòng)功率供應(yīng) 給系統(tǒng)控制部分170和各個(gè)控制驅(qū)動(dòng)器DR1到DR5。
另外，在根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)內(nèi)的系統(tǒng)控制部分170中，具體而 言，為了在供電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下設(shè)定并保持化學(xué)反應(yīng)部分100中的各 個(gè)設(shè)備(發(fā)電燃料蒸發(fā)器IIO、燃料重整器120或者CO去除器130)的固 定的溫度狀態(tài)，供應(yīng)給廢氣催化燃燒室140的廢氣的量不是使用閥門等控 制的。然而，輸出控制部分160基于系統(tǒng)控制部分輸出的控制信號(hào)(電流 控制值)對(duì)與發(fā)電電池部分150中的發(fā)電操作所產(chǎn)生的電能相對(duì)應(yīng)的電流 值進(jìn)行控制，從而調(diào)整廢氣中的氫氣的量。
原因在于構(gòu)成發(fā)電電池部分150的燃料電池中消耗(用于電化學(xué)反 應(yīng))的氫氣的量(氫氣利用率)通常是基于與由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生并隨后輸 出的電能相對(duì)應(yīng)的輸出電流的電流值唯一確定的。因此，控制與發(fā)電電池 部分150輸出的電能相對(duì)應(yīng)的輸出電流的電流值可以確定發(fā)電電池部分150
的氫氣利用率?；谠摾寐剩瑢?duì)供應(yīng)給廢氣催化燃燒室140的廢氣中的 氫氣的量進(jìn)行調(diào)整。因此，可以任意控制由催化燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱能(發(fā) 熱量)，從而將化學(xué)反應(yīng)部分100中的每個(gè)設(shè)備的溫度狀態(tài)設(shè)定并保持為恒 定。
因此，由于發(fā)電電池部分150供應(yīng)的廢氣中的氫氣的量被調(diào)整為廢氣 催化燃燒室140中所需要的量(即，化學(xué)反應(yīng)部分100中用于產(chǎn)生氫氣的
每個(gè)化學(xué)反應(yīng)所需要的熱能的產(chǎn)生量)，因此廢氣中的氫氣全部由廢氣催化
燃燒室140中的催化燃燒反應(yīng)消耗掉。 (供電系統(tǒng)中的控制方法) 現(xiàn)在將具體介紹具有上述結(jié)構(gòu)的供電系統(tǒng)中的控制方法。 圖4的流程圖示出了根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)中的控制方法的實(shí)例。 在根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制部分(溫度比較部分、電流 值設(shè)定部分、電流值判斷部分和電壓值判斷部分)170使用電加熱器/溫度 計(jì)HS1到HS3來監(jiān)測(cè)(監(jiān)控)化學(xué)反應(yīng)部分100中的每個(gè)設(shè)備(發(fā)電燃料 蒸發(fā)器110、燃料重整器120或者CO去除器130)中的溫度狀態(tài)、將所監(jiān) 測(cè)的狀態(tài)設(shè)定為適于每個(gè)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的固定溫度狀態(tài)、并且執(zhí)行溫 度控制以便保持該溫度狀態(tài)。
此外，當(dāng)該化學(xué)反應(yīng)部分100中的每個(gè)設(shè)備的溫度狀態(tài)由于任意因數(shù) 而變化時(shí)(例如，外部溫度的變化、發(fā)電電池部分150的輸出特性的變化、 或者廢氣催化燃燒室140中的催化燃燒反應(yīng)的特性的惡化)，執(zhí)行下面的一 系列控制操作來增大/減小與發(fā)電電池部分150輸出的電能相對(duì)應(yīng)的輸出電 流的電流值，從而控制廢氣中的氫氣的量，這樣可以設(shè)置溫度狀態(tài)，并使 溫度狀態(tài)保持恒定。
應(yīng)注意的是，下文將詳細(xì)介紹對(duì)構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)部分100的燃料重整器 120進(jìn)行溫度控制的實(shí)例。沒有必要說明的是，可以將等效的控制方法應(yīng)用 于包括下文將要描述的其它設(shè)備(發(fā)電燃料蒸發(fā)器110和CO去除器130) 的實(shí)例。
在根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)部分100 (燃料重整器120) 的溫度控制中，首先，利用電加熱器/溫度指示器HS2—直、周期性地或者 在任意時(shí)刻測(cè)量(檢測(cè))燃料重整器120的溫度狀態(tài)，并且將測(cè)量到的溫 度狀態(tài)提供給系統(tǒng)控制部分170 (Slll;溫度測(cè)量步驟)。具體來說，系統(tǒng) 控制部分170向控制驅(qū)動(dòng)器DR4提供驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)CD，從而少量的電 流流到電加熱器/溫度指示器HS2，并且經(jīng)由控制驅(qū)動(dòng)器DR4取出該時(shí)刻的 電壓值，將其作為溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。此外，基于溫度測(cè)量數(shù)據(jù)(電壓值)計(jì) 算該時(shí)刻的電阻值，從而得到燃料重整器120的溫度。
然后，判斷燃料重整器120的溫度(重整器溫度)與預(yù)置溫度條件(設(shè)
定溫度)是否相匹配(S112;溫度比較步驟)。當(dāng)重整器溫度與設(shè)定溫度相
匹配時(shí)，控制返回到步驟Slll，從而繼續(xù)燃料重整器120的溫度測(cè)量操作。 另一方面，當(dāng)所述重整器溫度不同于所述設(shè)定溫度時(shí)，判斷所述重整器溫 度是否高于所述設(shè)定溫度(S113)。
當(dāng)所述重整器溫度低于所述設(shè)定溫度時(shí)，減小發(fā)電電池部分150的輸 出電流Iout，以便升高溫度，并且減小發(fā)電電池部分150中的氫氣利用率， 以便增加廢氣中的氫氣量。當(dāng)所述重整器溫度高于所述設(shè)定溫度時(shí)，增加 發(fā)電電池部分150的輸出電流Iout，以便降低溫度，并且增加發(fā)電電池部分 150中的氫氣利用率，以便減少?gòu)U氣中的氫氣量。這里，發(fā)電電池部分150 所輸出的輸出電流lout的電流值被限制在從后面描述的最小電流值到最大 電流值的范圍內(nèi)。這樣，當(dāng)在步驟S113確定所述重整器溫度低于所述設(shè)定 溫度時(shí)，在S114 (電流值判斷步驟)判斷所述發(fā)電電池部分150的輸出電 流Iout的電流值是否不大于預(yù)置的最小電流值(設(shè)定的最小電流)。另一方 面，當(dāng)重整器溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，在S121 (電流值判斷步驟)判斷輸出 電流lout的電流值是否不小于預(yù)置的最大電流值。
當(dāng)發(fā)電電池部分150的輸出電流lout的值不大于所述最小電流值(設(shè) 定的最小電流)時(shí)(步驟S114)，由于輸出電流Iout的電流值不能減小到低 于該值，因此確定所述電流值過小，并且另外設(shè)置在供電系統(tǒng)或者其上安 裝了供電系統(tǒng)的電子設(shè)備中的通知部分(顯示器、揚(yáng)聲器或者類似設(shè)備) 給出錯(cuò)誤信息(S120)。這里，在給出錯(cuò)誤信息之后，控制返回到步驟Slll， 從而繼續(xù)燃料重整器120的溫度測(cè)量操作，或者根據(jù)輸出電流lout的電流 值的極小化程度而關(guān)閉供電系統(tǒng)(停止操作)。
另一方面，當(dāng)輸出電流lout的電流值大于最小電流值(設(shè)定的最小電 流)時(shí)，使輸出電流的電流值的大小減小一級(jí)(S115;電流值設(shè)定步驟)。 具體來說，將從系統(tǒng)控制部分170輸出到如圖3所示的輸出控制部分的控 制信號(hào)的電流控制值從特定值變化到比該特定值低一級(jí)的值，從而使發(fā)電 電池部分150的輸出電流Iout的電流值減小一級(jí)。
當(dāng)重整器溫度利用這種方式低于設(shè)定溫度時(shí)，減小了發(fā)電電池部分150 的輸出電流lout的電流值，從而降低了發(fā)電電池部分150中的氫氣的消耗 量(降低氫氣利用率)。結(jié)果，可以增加從發(fā)電電池部分150排出的含在廢
氣中的氫氣的量，并由此可以增加從廢氣催化燃燒室140供應(yīng)給燃料重整 器120的熱能，從而升高了重整器的溫度。
然后，發(fā)電電池部分150輸出的功率被限制在不小于后面描述的最小 功率值(設(shè)定的最小功率)的范圍內(nèi)。經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器180,讀取電流 值降低一級(jí)的發(fā)電電池部分150的輸出電壓，將其作為電壓數(shù)據(jù)，以計(jì)算 產(chǎn)生的功率(S116)，并判斷所產(chǎn)生的功率(經(jīng)計(jì)算的值)是否不大于最小 功率值(S117;電壓值判斷步驟)。
當(dāng)產(chǎn)生的功率(經(jīng)計(jì)算的值)大于最小功率值(設(shè)定的最小功率)時(shí) (步驟S117)，控制返回到步驟Slll，從而繼續(xù)燃料重整器120的溫度測(cè) 量操作。另~方面，當(dāng)產(chǎn)生的功率(經(jīng)計(jì)算的值)不大于最小功率值(設(shè) 定的最小功率)時(shí)，確定所述輸出功率過小(低功率判斷)，通知部分提供 錯(cuò)誤信息(S118)，并且使輸出電流Iout的電流值的大小增加一級(jí)(S119)。 具體來說，對(duì)系統(tǒng)控制部分170輸出到輸出控制部分160的控制信號(hào)的電 流控制值進(jìn)行改變，使其比在步驟S115設(shè)定的值高一級(jí)，從而使發(fā)電電池 部分150的輸出電流Iout的電流值增加一級(jí)(存儲(chǔ)電流值)。然后，控制返 回到步驟Slll，從而繼續(xù)燃料重整器120的溫度測(cè)量操作。
此外，當(dāng)輸出電流Iout的電流值不小于最大電流值(設(shè)定的最大電流) 時(shí)(步驟S121)，由于輸出電流lout的電流值不能再增加了，因此確定所 述電流值過大，并且所述通知部分(顯示器、揚(yáng)聲器或者類似設(shè)備)給出 錯(cuò)誤信息(S127)。這里，在給出錯(cuò)誤信息之后，控制返回到步驟Slll，從 而繼續(xù)燃料重整器120的溫度測(cè)量操作，或者根據(jù)輸出電流的值的極大化 程度而關(guān)閉供電系統(tǒng)(停止操作)。
另一方面，當(dāng)輸出電流lout的電流值小于最大電流值(設(shè)定的最大電 流)時(shí)，將從系統(tǒng)控制部分170輸出到輸出控制部分160的控制信號(hào)的電 流控制值從特定值變化為比該特定值高一級(jí)的值，從而使輸出電流lout的 電流值增加一級(jí)(S122;電流值設(shè)定步驟)。
當(dāng)重整器溫度利用這種方式高于設(shè)定值時(shí)，升高發(fā)電電池部分150的 輸出電流Iout的電流值，以增加發(fā)電電池部分150中的氫氣的消耗量(增 加氫氣利用率)。結(jié)果，由于從發(fā)電電池部分150排出的含在廢氣中的氫氣 的量減少了，因此可以減少?gòu)膹U氣催化燃燒室140供應(yīng)給燃料重整器120
的熱能，從而降低重整器的溫度。
然后，將發(fā)電電池部分150的輸出電壓的值限制在不小于后面描述的 最小電壓值(設(shè)定的最小電壓)的范圍內(nèi)。經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器180，讀取 電流值增加一級(jí)的發(fā)電電池部分150的輸出電壓，將其作為電壓數(shù)據(jù) (S123)，并判斷電壓值(讀取到的值)是否小于最小電壓值(設(shè)定的最小 電壓)(S124;電壓值判斷步驟)。
當(dāng)所述電壓值(讀取到的值)不小于最小電壓值(設(shè)定的最小電壓) 時(shí)(步驟S124)，控制返回到步驟Slll，從而繼續(xù)燃料重整器120的溫度 測(cè)量操作。另一方面，當(dāng)所述電壓值(讀取到的值)小于最小電壓值(設(shè) 定的最小電壓)時(shí)，確定所述電壓值過小(低電壓判斷)，所述通知部分給 出錯(cuò)誤信息(S125)，并且對(duì)從系統(tǒng)控制部分170輸出到輸出控制部分160 的控制信號(hào)的電流控制值進(jìn)行改變，使其比在步驟S122設(shè)定的值高一級(jí)。 結(jié)果，使對(duì)應(yīng)于電能的電流值(輸出電流Ioiit)降低一級(jí)(S126)。然后， 控制返回到步驟Slll，從而繼續(xù)燃料重整器120的溫度測(cè)量操作。
順便提一下，當(dāng)在步驟S120和S127給出錯(cuò)誤信息并隨后所述控制返 回到步驟Slll以繼續(xù)溫度測(cè)量操作時(shí)，由于重整器溫度實(shí)際上不會(huì)迅速地 變到適當(dāng)狀態(tài)，因此可以控制例如流體閥VL3或者流體閥VL1 ，流體閥VL3 調(diào)整供應(yīng)給廢氣催化燃燒室140的氧氣的量，而流體閥VL1間接調(diào)整供應(yīng) 給燃料重整器12的燃料氣體的量。結(jié)果，燃料重整器120的溫度狀態(tài)改變 為適當(dāng)狀態(tài)，然后，控制在步驟Slll的溫度測(cè)量操作，使其繼續(xù)進(jìn)行。
現(xiàn)在，將具體介紹應(yīng)用于根據(jù)本實(shí)施的供電系統(tǒng)的發(fā)電電池部分的發(fā) 電特性與控制方法之間的關(guān)系。
圖5的視圖示出了應(yīng)用于根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)的發(fā)電電池部分的 輸出特性(發(fā)電特性)。
在供電系統(tǒng)的控制方法中(對(duì)化學(xué)反應(yīng)部分進(jìn)行溫度控制)，發(fā)電電池 部分150輸出的電能的控制范圍具有極限，并且通常在氫氣利用率在75% 到95 %的發(fā)電操作范圍內(nèi)執(zhí)行控制。
此外，在根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)中，如前所述，發(fā)電電池部分150 所輸出的電能被供應(yīng)給DC/DC轉(zhuǎn)換器180，將所述電能轉(zhuǎn)換成預(yù)定的固定 電壓，然后將其作為負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率饋送到負(fù)載。
在這種供電系統(tǒng)中，如圖5所示，當(dāng)與發(fā)電電池部分150輸出的電能 對(duì)應(yīng)的電流值(輸出電流)增加時(shí)，發(fā)電電池部分150的電壓值(輸出電 壓)往往逐步降低(參見，測(cè)量的電壓值的特性曲線)。
此外，當(dāng)電流值(輸出電流)增加時(shí)，基于電壓值計(jì)算的功率值(產(chǎn) 生的功率)往往大體上線性增加，并且該功率值在發(fā)電電池部分150的氫 氣利用率為75%到95%的控制范圍內(nèi)(發(fā)電電池部分150的普通控制范圍) 具有最大值(參見，測(cè)量的功率值的特性曲線)。
這里，圖4的流程圖和圖5的輸出特性圖所示的設(shè)定的最小電流、設(shè) 定的最大電流、設(shè)定的最小功率以及設(shè)定的最小電壓是與發(fā)電電池部分150 穩(wěn)定工作的范圍的極值相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，以便防止發(fā)電電池的輸出急劇下 降或者防止發(fā)電電池發(fā)生損壞或惡化。
如上所述，在處于其中發(fā)電電池150的氫氣利用率為75%到95%的控 制范圍(普通控制范圍)內(nèi)和在發(fā)電電池穩(wěn)定工作的范圍內(nèi)，極好地實(shí)5見 了供電系統(tǒng)中的控制方法(一系列溫度控制操作)。
這里，當(dāng)供電系統(tǒng)正常操作時(shí)，其被設(shè)計(jì)成在上述范圍內(nèi)極好地操作。 然而，當(dāng)發(fā)生發(fā)電電池部分150的輸出電壓或基于該輸出電壓計(jì)算的功率 值(產(chǎn)生的功率)下降到低于設(shè)定的最小電壓或者設(shè)定的最小功率的現(xiàn)象 時(shí)，這意味著在供電系統(tǒng)中出現(xiàn)了任意的故障(機(jī)能失常)。在這種情況下， DC/DC轉(zhuǎn)換器180偏離能夠?qū)崿F(xiàn)正常操作的范圍，并且不能保持由供電系 統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載(電子設(shè)備等)的正常操作。當(dāng)出現(xiàn)這種狀態(tài)時(shí)，給出(例 如顯示)錯(cuò)誤信息，燃料重整器120的溫度狀態(tài)改變?yōu)檎顟B(tài)，并且然 后繼續(xù)燃料重整器120的溫度測(cè)量操作，或者關(guān)閉供電系統(tǒng)(停止操作)。
如上所述，在根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)的控制方法中，當(dāng)燃料重整器 120的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，增加發(fā)電電池部分150的輸出電流的電流值， 以提高發(fā)電電池部分150中的氫氣的消耗量，從而增大了氫氣利用率。也 就是說，在溫度增加時(shí)，促進(jìn)了燃料重整器120中的重整反應(yīng)，并且產(chǎn)生 的氫氣超過了在發(fā)電電池部分150和廢氣催化燃燒室140中消耗掉的氫氣 的量，并且廢氣中的氫氣的量增加。當(dāng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，發(fā)電電池部分150 中的氫氣利用率的增大相對(duì)地減小了廢氣中的氫氣的量，從而減小了由廢 氣催化燃燒室140產(chǎn)生的熱能，因此降低了燃料重整器120中的溫度。
另一方面，當(dāng)燃料重整器120的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，降低發(fā)電電池 部分150的輸出電流的電流值，以減小發(fā)電電池部分150中的氫氣的消耗 量，從而降低了氫氣利用率。也就是說，在溫度降低時(shí)，抑制了燃料重整 器120中的重整反應(yīng)，并且產(chǎn)生的氫氣少于在發(fā)電電池部分150和廢氣催 化燃燒室140中消耗掉的氫氣的量。當(dāng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，減小發(fā)電電池部 分150的氫氣利用率相對(duì)地增大了廢氣中的氫氣的量，以升高由廢氣催化 燃燒室140產(chǎn)生的熱能，從而增加了燃料重整器120中的溫度。
如上所述，當(dāng)發(fā)電電池部分150中的氫氣利用率根據(jù)化學(xué)反應(yīng)部分100 (燃料重整器120)的溫度適當(dāng)調(diào)整時(shí)，含在發(fā)電電池部分150供應(yīng)給廢氣 催化燃燒室140的廢氣中的氫氣的量可以相對(duì)地增加/減小一定的量，該一 定量是在廢氣催化燃燒室140中產(chǎn)生熱能所需要的，以便廢氣中的氫氣可 以全部消耗掉。因此，可以提高供電系統(tǒng)的發(fā)電效率。特別是在根據(jù)本發(fā) 明的供電系統(tǒng)的控制方法中，由于對(duì)化學(xué)反應(yīng)部分100的溫度控制可以在 一定范圍內(nèi)執(zhí)行，在該范圍內(nèi)，產(chǎn)生電能的發(fā)電電池部分150和將負(fù)載驅(qū) 動(dòng)功率供應(yīng)給負(fù)載的DC/DC轉(zhuǎn)換器180都可以極好地操作，因此可以使整 個(gè)供電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)最優(yōu)化以進(jìn)一步改善發(fā)電效率。
此外，在根據(jù)本實(shí)施例的供電系統(tǒng)中，基于直接從化學(xué)反應(yīng)部分100 (燃料重整器120)饋送的氫氣的量，控制發(fā)電電池部分150中的發(fā)電操作 (即，氫氣利用率)和供應(yīng)給廢氣催化燃燒室140的廢氣中的氫氣的量。 因此，不必再提供如結(jié)合常規(guī)技術(shù)介紹的這些用于控制供應(yīng)給廢氣催化燃 燒室140的廢氣的供應(yīng)量的閥門、流量計(jì)等。另外，廢氣催化燃燒室140 排出的氣體(排出氣體)幾乎不含有氫氣。因此，不必再提供如結(jié)合常規(guī) 技術(shù)所介紹的殘余氣體燃燒器。另外，可以減小尺寸或者簡(jiǎn)化供電系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)，或者降低生產(chǎn)成本。
應(yīng)注意的是，在供電系統(tǒng)的控制方法中，己經(jīng)針對(duì)以下這種實(shí)例給出 了說明，即，電加熱器/溫度指示器HS2對(duì)構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)部分100的燃料重 整器120中的溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)該溫度來調(diào)整供應(yīng)給廢氣催化 燃燒室140的廢氣中的氫氣的量。然而，本發(fā)明并不局限于此。例如，當(dāng) 基于廢氣催化燃燒室140供應(yīng)的熱能來設(shè)定并保持處于穩(wěn)定狀態(tài)的供電系 統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)部分100中的各個(gè)設(shè)備(發(fā)電燃料蒸發(fā)器110、燃料重整器
120和CO去除器130)的溫度狀態(tài)時(shí)，電加熱器/溫度計(jì)HS1 、 HS2和HS3 可以對(duì)構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)部分100的發(fā)電燃料蒸發(fā)器110、燃料重整器120和 CO去除器130中的至少一個(gè)的溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而根據(jù)該溫度來調(diào)整 供應(yīng)給廢氣催化燃燒室140的廢氣中的氫氣的量。
此外，在根據(jù)前面實(shí)施例的供電系統(tǒng)中，已經(jīng)對(duì)將甲醇用作發(fā)電燃料 的例子給予了說明。然而，本發(fā)明并不局限于此。還可以將其它基于碳?xì)?化合物(乙醇)的液體燃料用作發(fā)電燃料，只要它們的成份中含有氫原子。
此外，在供電系統(tǒng)中，已經(jīng)對(duì)將質(zhì)子交換膜燃料電池用作發(fā)電電池部 分的例子給予了說明，其中該發(fā)電電池部分通過使用由化學(xué)反應(yīng)部分產(chǎn)生 的氫氣來產(chǎn)生電力。然而，本發(fā)明并不局限于此，可以使用具有其它構(gòu)造 的燃料電池。此外，本發(fā)明可以極好地應(yīng)用于各種構(gòu)造，例如基于機(jī)械能 轉(zhuǎn)換功能等的構(gòu)造(其使用化學(xué)反應(yīng)部分產(chǎn)生的氫氣的燃燒反應(yīng)等所包含 的壓能來旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，以便產(chǎn)生電能(例如燃?xì)鉁u輪機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)或斯特 林發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部燃燒或者外部燃燒發(fā)電))、或者利用由燃燒反應(yīng)所包含的 熱能(溫差發(fā)電)的構(gòu)造。
權(quán)利要求
1、一種供電系統(tǒng)，包括化學(xué)反應(yīng)部分，其接收發(fā)電燃料并利用化學(xué)反應(yīng)重整所述發(fā)電燃料，以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣體；發(fā)電部分，其接收發(fā)電氣體、使一部分所述發(fā)電氣體反應(yīng)以產(chǎn)生電能、將所產(chǎn)生的電能供應(yīng)給負(fù)載、以及將所述發(fā)電氣體中的未反應(yīng)的成份作為廢氣排出；加熱部分，其接收所述廢氣、使用所述廢氣來產(chǎn)生熱能、以及加熱所述化學(xué)反應(yīng)部分；輸出控制部分，其對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制；以及控制部分，其利用所述輸出控制部分來控制從所述發(fā)電部分輸出的電能的量，以將所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度改變?yōu)轭A(yù)定溫度，其中該化學(xué)反應(yīng)部分的溫度是基于由所述加熱部分產(chǎn)生的熱能設(shè)定的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，還包括溫度測(cè)量部分，其測(cè)量所 述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度，其中所述控制部分基于由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量的所述化學(xué)反應(yīng)部分 的溫度來對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的供電系統(tǒng)，其中所述化學(xué)反應(yīng)部分具有重整器，其基于重整反應(yīng)來產(chǎn)生所述發(fā)電 氣體，所述預(yù)定溫度是適于所述重整器中的所述重整反應(yīng)的溫度，并且 所述控制部分包括溫度比較模塊，其用于將由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量 的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度與所述預(yù)定溫度進(jìn)行比較，并且所述控制部分 基于由所述溫度比較模塊獲得的比較結(jié)果來對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能 的量進(jìn)行控制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的供電系統(tǒng)， 其中所述溫度測(cè)量部分還用作電加熱器，其產(chǎn)生熱能來加熱所述化學(xué) 反應(yīng)部分。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其中所述加熱部分基于使用含在所述廢氣中的氫氣的燃燒反應(yīng)來產(chǎn)生 所述熱能。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的供電系統(tǒng)，其中所述廢氣中的氫氣的量根據(jù)由所述輸出控制部分控制的所述發(fā)電 部分輸出的電能的量而變化，并且所述加熱部分所產(chǎn)生的熱能的量是根據(jù)含在所述廢氣中的氫氣的量設(shè) 定的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其中所述輸出控制部分根據(jù)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量來控制從 所述發(fā)電部分輸出的輸出電流的電流值。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的供電系統(tǒng)，其中所述控制部分包括電流值判斷部分，其判斷從所述發(fā)電部分輸出 的所述輸出電流的電流值是否落入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā)電特性的 范圍內(nèi)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，還包括電壓轉(zhuǎn)換部分，其對(duì)從所 述發(fā)電部分輸出的所述電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生具有預(yù)定電壓值和電流值的 負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率，并將所產(chǎn)生的負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率供應(yīng)給負(fù)載。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的供電系統(tǒng)，還包括功率保持部分，其存儲(chǔ) 從所述發(fā)電部分輸出的電能，其中所述電壓轉(zhuǎn)換部分對(duì)存儲(chǔ)在所述功率保持部分中的電能進(jìn)行轉(zhuǎn) 換，以產(chǎn)生所述負(fù)載驅(qū)動(dòng)功率。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其中所述控制部分包括電壓值判斷部分，當(dāng)從所述發(fā)電部分輸出電能 時(shí)，所述電壓值判斷部分對(duì)所述發(fā)電部分的輸出電壓的電壓值進(jìn)行檢測(cè)， 并且判斷所述輸出電壓的電壓值是否落入了其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā) 電特性的范圍內(nèi)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其中所述化學(xué)反應(yīng)部分包括蒸發(fā)器，其接收所述發(fā)電燃料和水，并且對(duì)所供應(yīng)的發(fā)電燃料和水進(jìn) 行蒸發(fā)；以及 '重整器，其接收由所述蒸發(fā)器產(chǎn)生的經(jīng)蒸發(fā)的發(fā)電燃料和水，并基于 催化反應(yīng)來產(chǎn)生作為所述發(fā)電氣體的含有氫氣的氣體。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的供電系統(tǒng)，其中所述發(fā)電燃料是其成份中含有氫原子的液體燃料。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的供電系統(tǒng)，其中所述加熱部分將所述熱能供應(yīng)給所述燃料重整器。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其中所述發(fā)電部分基于使用含在所述發(fā)電氣體中的氫氣的電化學(xué)反應(yīng) 來產(chǎn)生所述電能。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的供電系統(tǒng)，其中所述發(fā)電部分是質(zhì)子交換膜燃料電池。
17、 供電系統(tǒng)的控制裝置，所述供電系統(tǒng)包括化學(xué)反應(yīng)部分，其接 收發(fā)電燃料并利用化學(xué)反應(yīng)重整所述發(fā)電燃料，以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣 體；發(fā)電部分，其接收所述發(fā)電氣體并使一部分所述發(fā)電氣體反應(yīng)以產(chǎn)生電能；以及加熱部分，其接收從所述發(fā)電部分排出的廢氣并且使用所述廢 氣來產(chǎn)生熱能，以加熱所述化學(xué)反應(yīng)部分， 所述控制裝置包括輸出控制部分，其對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制；以及 控制部分，其利用所述輸出控制部分來控制從所述發(fā)電部分輸出的電能的量，以將所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度改變?yōu)轭A(yù)定溫度，其中該化學(xué)反應(yīng)部分的溫度是基于由所述加熱部分產(chǎn)生的熱能設(shè)定的。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的控制裝置，還包括溫度測(cè)量部分，其測(cè)量 所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度，其中所述控制部分基于由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量的所述化學(xué)反應(yīng)部分 的溫度來對(duì)所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制裝置，其中所述預(yù)定溫度是適于所述化學(xué)反應(yīng)部分中的所述化學(xué)反應(yīng)的溫 度，并且所述控制部分基于由所述溫度測(cè)量部分測(cè)量的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫 度與所述預(yù)定溫度之間的差值來控制從所述發(fā)電部分輸出的電能的量。
20、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的控制裝置，其中所述輸出控制部分根據(jù)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量來控制從 所述發(fā)電部分輸出的輸出電流的電流值。
21 、根據(jù)權(quán)利要求20所述的控制裝置，其中所述控制部分包括電流值判斷部分，其判斷所述輸出電流的電流 值是否落入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā)電特性的范圍內(nèi)。
22、根據(jù)權(quán)利要求17所述的控制裝置，其中所述控制部分包括電壓值判斷部分，當(dāng)從所述發(fā)電部分輸出所述 電能時(shí)，所述電壓值判斷部分對(duì)所述發(fā)電部分的輸出電壓的電壓值進(jìn)行檢測(cè)，并且判斷所述輸出電壓的電壓值是否落入了其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特 定發(fā)電特性的范圍內(nèi)。
23、 供電系統(tǒng)的控制方法，所述供電系統(tǒng)包括化學(xué)反應(yīng)部分，其接 收發(fā)電燃料并利用化學(xué)反應(yīng)重整所述發(fā)電燃料，以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣 體；發(fā)電部分，其接收所述發(fā)電氣體并使一部分所述發(fā)電氣體反應(yīng)以產(chǎn)生 電能；以及加熱部分，其接收從所述發(fā)電部分排出的廢氣并且使用所述廢 氣來產(chǎn)生熱能，以加熱所述化學(xué)反應(yīng)部分，所述控制方法包括測(cè)量所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度的操作；以及基于測(cè)量到的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能 的量進(jìn)行控制以將所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度改變?yōu)轭A(yù)定溫度的操作，其中 該化學(xué)反應(yīng)部分的溫度是基于由所述加熱部分產(chǎn)生的熱能設(shè)定的。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的控制方法，其中對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作包括以下操作將測(cè)量到的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度與所述預(yù)定溫度進(jìn)行比較；以及 根據(jù)所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度與所述預(yù)定溫度之間的差值來增加/減小 從所述發(fā)電部分輸出的電能的量。
25、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的控制方法，其中對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作包括以下操作根據(jù)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量來控制從所述發(fā)電部分輸出的輸 出電流的電流值；以及判斷從所述發(fā)電部分輸出的所述輸出電流的電流值是否落入其中所述 發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā)電特性的范圍內(nèi)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的控制方法，其中對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作還包括以下操作當(dāng)確定從所述發(fā)電部分輸出的所述輸出電流的電流值在其中所述發(fā)電 部分展現(xiàn)所述特定發(fā)電特性的范圍之外時(shí)，將從所述發(fā)電部分輸出的所述 輸出電流的電流值返回到其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)所述特定發(fā)電特性的范圍 內(nèi)。
27、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的控制方法，其中對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作包括以下操作當(dāng)從所述發(fā)電部分輸出電能時(shí)，檢測(cè)所述發(fā)電部分的輸出電壓的電壓值；以及判斷所述輸出電壓的所述電壓值是否落入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定 發(fā)電特性的范圍內(nèi)。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的控制方法，其中對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制的操作還包括以下操作當(dāng)確定所述輸出電壓的電壓值在其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)特定發(fā)電特性 的范圍之外時(shí)，控制從所述發(fā)電部分輸出的所述輸出電流的電流值，以使 得所述輸出電壓的電壓值落入其中所述發(fā)電部分展現(xiàn)所述特定發(fā)電特性的 所述范圍內(nèi)。
全文摘要
提供了一種供電系統(tǒng)?；瘜W(xué)反應(yīng)部分接收發(fā)電燃料，并且重整該發(fā)電燃料，以產(chǎn)生含有氫氣的發(fā)電氣體。發(fā)電部分接收發(fā)電氣體、使一部分所述發(fā)電氣體反應(yīng)以產(chǎn)生電能、將電能供應(yīng)給負(fù)載、以及將所述發(fā)電氣體中的未反應(yīng)的成份作為廢氣排出。加熱部分接收所述廢氣，并且使用所述廢氣來產(chǎn)生熱能，以加熱所述化學(xué)反應(yīng)部分。輸出控制部分對(duì)從所述發(fā)電部分輸出的電能的量進(jìn)行控制?？刂撇糠挚刂茝乃霭l(fā)電部分輸出的電能的量，以將基于所述熱能設(shè)定的所述化學(xué)反應(yīng)部分的溫度改變?yōu)轭A(yù)定溫度。
文檔編號(hào)H01M16/00GK101341617SQ200680047969
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2006年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月19日
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