專利名稱：具有致動器控制單元的燃料電池和操作該燃料電池的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更具體地涉及一種具有致動器(actuator)控制 單元的燃料電池和操作該燃料電池的方法。
背景技術：
燃料電池系統(tǒng)是使用諸如曱醇(methanol)的燃料來產生能量的裝置。 燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，即，通過使燃料中的氫和空氣中的氧發(fā)生反 應來產生電能的電力產生部分；以及燃料盒(cartridge)，即燃料箱，其向燃料 電池提供燃料。圖1圖示了傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)ss1的結構。參照圖1，燃料電池io包 括燃料電池堆ioa、緩沖器(buffer)10b、以及致動器ioc。燃料電池堆10a 是產生電力的部分，并且包括多個單元電池。致動器10c將燃料從燃料盒12 傳送到緩沖器iob。當向致動器ioc提供燃料的燃料盒12被視為燃料電池系 統(tǒng)ss1的主燃料存儲器時，緩沖器10b可以是副燃料存4渚器。緩沖器iob存 儲由致動器ioc提供的燃料，并且提供與燃料電池堆ioa所需的燃料一樣多 的燃料。由于使用燃料電池系統(tǒng)ss1作為電源的負載的瞬時使用量是可變的， 因此燃料電池堆ioa消耗的燃料量相應地變化。緩沖器iob對應于在每個時 刻變化的燃料電池堆ioa的燃料消耗量而將燃料提供給燃料電池堆ioa。燃料電池堆10a消耗的燃料量可能比從致動器10c提供給緩沖器10b 的燃料量大。換言之，從緩沖器iob輸出的燃料量可能比輸入到緩沖器10b 的燃料量大。由于緩沖器iob被用作副燃料存儲器，因此即使當從緩沖器10b 輸出的燃料量大于輸入到緩沖器10b的燃料量的情況發(fā)生一次或兩次，也不 會有問題。然而，當上述情況連續(xù)發(fā)生時，即使在緩沖器iob被視為副燃料存儲器 時，可能也難以將必要量的燃料從緩沖器iob提供給燃料電池堆ioa。最后， 可能出現(xiàn)在緩沖器10b的一部分中燃料被完全耗盡的現(xiàn)象。
在相反的情況下，燃料電池堆IOA消耗的燃料量可能少于輸入到緩沖器IOB的燃料量。只要這樣的情況不連續(xù)，它就不會是個問題，因為緩沖器10B 具有燃料存儲能力。此外，即使當該情況連續(xù)時，如果緩沖器10B沒有完全 充滿燃料，那么它也不會是個嚴重的問題。然而，當緩沖器10B完全充滿燃 料時，從致動器IOC輸入到緩沖器10B的燃料量被按原樣-提供給燃料電池堆 IOA。因此，燃料被過多地提供給燃料電池堆IOA。當燃料電池系統(tǒng)SS1處于關閉狀態(tài)下時，在燃料電池堆10A中剩余的燃 料繼續(xù)發(fā)生反應。結果，燃料電池堆IOA的性能可能下降。此外，當在燃料 電池堆IOA過度地充滿燃料的狀態(tài)下關閉燃料電池系統(tǒng)時，燃料電池堆10A 的性能下降可能更加嚴重。這導致更低的燃料利用率。發(fā)明內容為了解決上述和/或其它問題，本發(fā)明提供了一種燃料電池，其可以提供 燃料電池堆所需的適當燃料量，同時防止緩沖器枯竭。此外，本發(fā)明提供了一種上述燃料電池的操作方法。根據本發(fā)明的一個方面， 一種包含燃料電池堆、緩沖器和致動器的燃料 電池可以包括根據緩沖器的預定物理量的值來控制致動器操作的控制電路部 分。燃料電池堆可以是單極堆和雙極堆中的任一種。 所述預定物理量可以是電阻。所述緩沖器可以包括燃料存儲介質，該燃料存儲介質能夠在其整個區(qū)域 內均勻地存儲燃料，而與燃料電池的位置無關。所述緩沖器可以具有盤形、盒形以及圓柱形中的任一種。根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作燃料電池的方法，所述燃料電 池包括燃料電池堆、緩沖器和致動器，所述方法包括測量緩沖器的預定物 理量；將所測量的預定物理量與所述預定物理量的基準值進行比較；以及根 據比較結果來操作致動器。可以使用控制電路部分來測量所述預定物理量?？梢允褂每刂齐娐凡糠謥韴?zhí)行所測量的預定物理量的比較?？梢允褂每刂齐娐凡糠謥砜刂浦聞悠鞯牟僮鳌Ｋ鲱A定物理量可以是電阻和電流中的任一個。所述基準值可以是當緩沖器充滿預定量的燃料時測量的物理量。 致動器的操作可以包括當所述預定物理量大于基準值時，將致動器接通 給定時間。致動器的操作可以包括當所述預定物理量不大于基準值時，將致動器關 閉給定時間。接通致動器可以包括重復緩沖器的預定物理量的測量以及所測量的預定 物理量的比較。關閉致動器可以包括重復緩沖器的預定物理量的測量以及所測量的預定 物理量的比較。


通過參考附圖描述本發(fā)明的詳細優(yōu)選實施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)點將變得更加清楚，在附圖中圖1圖示了傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的結構；圖2圖示了根據本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)的結構；圖3圖示了圖2的燃料電池的緩沖器、致動器和控制電路部分之間的操作關系；圖4是示出在圖3的緩沖器的另一位置上提供附接到該緩沖器的電極的 情況的截面圖；以及圖5是示出圖2的燃料電池的緩沖器、致動器和控制電路部分之間的操 作方法的流程圖。
具體實施方式
下面，參照附圖來描述根據本發(fā)明實施例的具有致動器控制單元的燃料 電池及其操作方法。在附圖中，為了清楚起見而夸大了層和區(qū)域的厚度。圖2圖示了根據本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)的結構。參照圖2，根據 本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)SS2包括燃料電池20和燃料盒30。燃料電池 20使用燃料來產生電能。燃料盒30存儲被提供給燃料電池20的燃料。當將 燃料盒30安裝在燃料電池20上時，通過閥門(未示出)將燃料提供給燃料電池 20。燃料電池20包括燃料電池堆20A，在該燃料電池堆20A中，以單極堆或 雙極堆的形式堆疊多個單元電池。單極堆具有一個平面膜以及配置該平面膜
的多個單元電池。雙極堆具有被垂直地堆疊的多個單元電池。燃料電池20包括作為副燃料存儲器的緩沖器20B、致動器20C、以及控制電路部分20D。 這里，可以將燃料盒30視為主燃料存儲器。致動器20C根據控制電路部分 20D的控制而將燃料盒30中的燃料傳遞給緩沖器20B或者切斷該傳遞。緩沖 器20B存儲由致動器20C傳遞的燃料，并且將與在燃料電池堆20A中消耗的 燃料量一樣多的適當量的燃料提供給燃料電池堆20A。作為邏輯電路的控制 電路部分20D控制致動器20C的操作?？刂齐娐凡糠?0D使用電阻值(在下 文中被稱為電阻)作為用于控制致動器20C的值。為了測量緩沖器20B的電阻，可以將電極El和E2附接在緩沖器20B 的兩端，如圖3所示。當緩沖器20B包括絕緣殼體以及在絕緣殼體中提供的 燃料存儲介質(例如多孔材料)時，提供電極E1和E2以接觸該燃料存儲介質。 此外，當緩沖器20B是絕緣殼體并且該殼體充滿燃料時，可以在該殼體中提 供電極E1和E2以接觸燃料。緩沖器20B可以具有盤形、盒形以及圓柱形中 的任何一種。為了測量緩沖器20B的電阻，控制電路部分20D通過電極El和E2向 緩沖器20B施加預定電壓，并且測量在緩沖器20B中流動的電流?？刂齐娐?部分20D使用施加到緩沖器20B的電壓和所測量的電流來計算緩沖器20B的 電阻。盡管緩沖器20B的電流和電阻實際上是包含燃料的燃料存儲介質或者 絕緣殼體中的燃料的電流和電阻，但是為了便于解釋，將它們稱為緩沖器20B 的電流和電阻。緩沖器20B的電阻根據存在于緩沖器20B中的燃料量而變化。例如，當 在緩沖器20B沒有剩余燃料時，緩沖器20B的電阻比當在緩沖器20B中剩余 有燃料時的電阻高得多。當在緩沖器20B中剩余有燃料時，緩沖器20B的電 阻隨著燃料量的增加而減小。因此，當在緩沖器20B中剩余有與可平穩(wěn)地提 供的燃料存儲堆20A中消耗的燃料的量一樣多的燃料時，例如，當在緩沖器 20B中剩余有相當于緩沖器20B的內部容積的一半或者例如1/3的量的燃料 時，將此時的緩沖器20B的電阻設置為基準電阻值(在下文中被稱為基準電 阻)。緩沖器20B的電阻大于基準電阻的事實意味著在緩沖器20B中分布的燃 料的體積小于緩沖器20B的內部容積的一半。因此，控制電路部分20D操作 致動器20C ，直到緩沖器20B的電阻下降到基準電阻以下為止。當緩沖器20B的電阻小于基準電阻(這意味著在緩沖器20B中分布的燃J陣量大于緩沖器20B 的內部容積的一半)時，控制電路部分20D停止致動器20C的操作。當緩沖器20B的電阻改變時，緩沖器20B的電流相應地改變。因此，可 以使用緩沖器20B的電流而不是緩沖器20B的電阻作為控制值，來控制致動 器20C的操作。圖3圖示了圖2的燃料電池的緩沖器20B、致動器20C、和控制電路部 分20D之間的操作關系。在圖3中，方框箭頭Al指示從緩沖器20B提供給 燃料電池堆20A的燃料。參考圖3，當緩沖器20B的電阻大于基準電阻時，將預定操作信號從控 制電路部分20D施加到致動器20C。致動器20C被接通，并且根據該操作信 號而將燃料提供給緩沖器20B。通過附加在緩沖器20B底部的燃料擴散盤40 而將由致動器20C提供的燃料提供給緩沖器20B。由于燃料擴散盤40,可以 將致動器20C提供的燃料同時提供到緩沖器20B的底面的整個區(qū)域中?？梢?將所述操作信號施加第一時間段tl。在施加了所述操作信號之后，致動器20C 被關閉第二時間段t2,直到提供給緩沖器20B的燃料被均勻地分布在緩沖器 20B的整個容積內為止。在第二時間t2期間，控制電路部分20D測量緩沖器 20B的電阻。當緩沖器20B的電阻仍然大于基準電阻時，在第二時間t2之后， 控制電路部分20D將接通信號傳送給致動器20C，以便再次操作致動器20C。 然而，當在第二時間t2之后緩沖器20B的電阻低于或等于基準電阻時，控制 電路部分20D將致動器20C連續(xù)地保持在關閉狀態(tài)下，直到緩沖器20B的電 阻大于基準電阻為止。優(yōu)選地，將第一時間tl設置為短于第二時間t2,以便防止由于過多的燃 料供應而導致的問題。然而，可能存在例外。第一時間tl和第二時間t2的和 (tl+t2)是控制電路部分20D提供給致動器20C以控制致動器20C的操作信號 的周期。該周期可以是例如10秒。當該周期是大約10秒時，第一時間tl大 約是3-5秒，而第二時間t2大約是5-7秒。根據緩沖器20B的電阻，周期 時間(tl+t2)可以大于或小于10秒?？梢詫⒏浇釉诰彌_器20B兩端的電極E1和E2附接在緩沖器20B的底面 的兩端，如圖4所示。此外，緩沖器20B可以是多孔材料。該多孔材料的孔 的尺寸最好是例如以微米為單位，使得提供給緩沖器20B的燃料可被均勻地 分布在緩沖器20B中，而與^f吏用燃料電池的環(huán)境無關。緩沖器20B可以具有
多種形狀。此外，當在致動器20C和燃料擴散盤40之間額外提供閥門(未示出)以調 節(jié)它們之間的燃料的流動時，控制電路部分20D可以利用與用于控制致動器 20C的原理相同的原理來直接控制所迷值。下面將描述按照上面所述配置的根據本發(fā)明的燃料電池的操作方法。圖 5是示出圖2的燃料電池的緩沖器20B、致動器20C和控制電路部分20D之 間的操作方法的流程圖。參照圖3和圖5,在本發(fā)明的操作方法中，首先， 使用控制電路部分20D來測量緩沖器20B的電阻R1(S1)。將所測量的緩沖器 20B的電阻Rl與事先輸入到控制電路部分20D中的基準電阻Rref進行比較， 并且確定Rl是否大于Rref(S2和S2')。當在S2和S2，中確定Rl大于Rref(Rl〉Rref)(Y)時，控制電路部分20D 在預定時間內將操作信號施加到致動器20C以便操作致動器20C(S3)。然后， 將Rl與Rref相比較，以確定哪一個更大(S4)。當Rl仍然大于Rref(Y)時， 重復S3。同時，當在S2和S2，中Rl不大于Rref(N)時，即，當Rl等于或小于Rref 時，控制電路部分20D停止致動器20C的操作(S5)。然后，將Rl與Rref相 比較，以確定哪一個更大(S6)。當Rl仍然不大于Rref(N)時，重復S5。致動 器20C的非操作狀態(tài)一直繼續(xù)直到Rl變得大于Rref為止。在S3中，可以將施加到致動器20C的操作信號施加參照圖3描述的第 一時間段tl。此外，可以將致動器20C的非操作狀態(tài)保持參照圖3描述的第 二時間段t2。在以上操作方法中，可以使用緩沖器的其它物理量。例如，代替測量緩 沖器20B的電阻，測量電流，并且可以將所測量的電流與基準電流相比較。盡管參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例而具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領域 技術人員將理解可以在其中進行各種形式和細節(jié)上的改變，而不背離由所 附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。例如，本發(fā)明所屬技術領域的技術件，例如致動器或燃料盒的結構。此外，在圖3中，可以將緩沖器20B分為 兩個或更多，并且如果必要的話，可以將燃料擴散盤40分為相同的數(shù)目。如上所述，根據本發(fā)明的燃料電池包括控制電路部分，其測量緩沖器的 電阻，將所測量的電阻與基準電阻相比較，并且控制致動器的操作。因此， 根據本發(fā)明，通過適當?shù)卦O置基準電阻，可以將從緩沖器提供給燃料電池堆 的燃料量有規(guī)律地控制在給定范圍內。當要關閉燃料電池時，可以操作該燃 料電池以便將在緩沖器中剩余的燃料量減小到特定水平。由于可以將從緩沖器提供給燃料電池堆的燃料量有規(guī)律地控制在給定范 圍內，因此可以將燃料電池的輸出穩(wěn)定地保持在給定范圍內。此外，可以防 止燃料耗盡現(xiàn)象以及過度地將燃料提供給燃料電池堆。此外，當燃料電池處于關閉狀態(tài)下時，由于可以將緩沖器中剩余的燃料 量減小到特定水平，因此可以在增大燃料使用效率的同時，防止由于燃料電 池中剩余的燃料的反應而導致的燃料電池堆性能的下降。
權利要求
1. 一種燃料電池，包含燃料電池堆、緩沖器和致動器，該燃料電池包括 控制電路部分，用于根據緩沖器的預定物理量的值來控制致動器的操作。
2. 如權利要求1所述的燃料電池，其中，所述燃料電池堆是單極堆和雙 極堆中的任一種。
3. 如權利要求1所述的燃料電池，其中，所述預定物理量是電阻。
4. 如權利要求1所述的燃料電池，其中，所述緩沖器包括燃料存儲介質，該燃料存儲介質能夠在其整個區(qū)域中均勻地存儲燃料，而與燃料電池的位置 無關。
5. 如權利要求4所述的燃料電池，其中，所述緩沖器具有盤形、盒形和 圓柱形中的任一種。
6. —種操作燃料電池的方法，該燃料電池包括燃料電池堆、緩沖器和致 動器，該方法包括測量緩沖器的預定物理量；將所測量的預定物理量與該預定物理量的基準值相比較；以及 根據比較結果來操作所述致動器。
7. 如權利要求6所述的方法，其中，使用控制電路部分來測量所述預定 物理量。
8. 如權利要求6所述的方法，其中，使用控制電路部分來執(zhí)行所測量的 預定物理量的比較。 .
9. 如權利要求6所述的方法，其中，使用控制電路部分來控制致動器的操作。
10. 如權利要求8所述的方法，其中，使用控制電路部分來控制致動器 的操作。
11. 如權利要求6所述的方法，其中，所述預定物理量是電阻和電流中 的任一個。
12. 如權利要求6所述的方法，其中，所述基準值是在緩沖器充滿預定 量的燃料時測量的物理量。
13. 如權利要求6所述的方法，其中，所述致動器的操作包括當所述預 定物理量大于基準值時，將致動器接通給定時間。
14. 如權利要求6所述的方法，其中，所述致動器的操作包括當所述預 定物理量不大于基準值時，將致動器關閉給定時間。
15. 如權利要求13所述的方法，其中，接通致動器包括重復緩沖器的預 定物理量的測量以及所測量的預定物理量的比較。
16. 如權利要求14所述的方法，其中，關閉致動器包括重復緩沖器的預 定物理量的測量以及所測量的預定物理量的比較。
17. 如權利要求7所述的方法，其中，使用控制電路部分來執(zhí)行所測量 的預定物理量的比較。
18. 如權利要求7所述的方法，其中，使用控制電路部分來控制致動器 的操作。
19. 如權利要求13所述的方法，其中，所述致動器的操作包括當所述預 定物理量不大于基準值時，將致動器關閉給定時間。
全文摘要
一種燃料電池包括燃料電池堆、緩沖器、致動器和控制電路部分。控制電路部分根據緩沖器的預定物理量的值來控制致動器的操作。通過測量緩沖器的預定物理量、將所測量的預定物理量與該預定物理量的基準值相比較、并且根據比較結果而操作致動器，來操作包括燃料電池堆、緩沖器和致動器的燃料電池。
文檔編號H01M8/00GK101145616SQ20071009657
公開日2008年3月19日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權日2006年9月13日
發(fā)明者姜尚均, 李在鏞 申請人:三星Sdi株式會社