專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的操作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例的方面涉及操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
燃料電池，作為用于通過使用燃料(氫或重整氣)和氧化劑(氧或空氣)以電化學方式產(chǎn)生電力(power)的設備，通過電化學反應將從外部(例如，外部源)連續(xù)供應的燃料和氧化劑直接轉(zhuǎn)換成電能。例如，燃料電池可以使用純氧(或包含大量氧的空氣)作為氧化劑并且使用純氫 (或通過重整碳氫燃料(LNG、LPG、CH3OH))而產(chǎn)生的包含大量氫的燃料)作為燃料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面針對能夠容易地(或穩(wěn)定地)向燃料電池堆供應燃料而不使用濃度傳感器的操作燃料電池堆的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法包括在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產(chǎn)生電力；將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流；測量所述輸出電流的增加速率；當所述輸出電流的增加速率低于閾值速率時，開始向所述燃料電池堆供應燃料；以及控制所述燃料電池堆中的燃料濃度，以將所述輸出電流維持在目標電流電平。產(chǎn)生所述電力的步驟可以包括操作所述燃料電池堆直到所述燃料電池堆產(chǎn)生的電力的輸出電壓被穩(wěn)定在開路電壓電平為止。在降低所述電力的輸出電壓時，所述輸出電壓可以減小直到其達到所述目標電壓為止。在一個實施例中，所述閾值速率不大于OA/s。 所述閾值速率可以在OA/s與-0. 5A/s之間。所述輸出電壓可以被維持在所述目標電壓。控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟可以包括在第一時段期間供應燃料；以及在第二時段期間停止燃料供應?？刂扑鋈剂想姵囟阎械娜剂蠞舛鹊牟襟E可以包括操作燃料泵以將燃料從燃料箱供應到混合器?？刂扑鋈剂想姵囟阎械娜剂蠞舛鹊牟襟E還可以包括在所述混合器中將來自所述燃料箱的燃料與水混合。所述燃料泵由從下列的組中選擇的控制器來控制，所述組包括比例控制器、比例積分控制器、和比例積分微分控制器。所述操作燃料電池系統(tǒng)的方法還可以包括將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；檢測燃料電池堆中的溫度；以及當檢測到的溫度大于閾值溫度時，降低所述目標電壓。 降低所述目標電壓的步驟可以包括控制所述燃料電池堆中的燃料的濃度，以將所述輸出電壓維持在降低的目標電壓。所述閾值溫度可以在大于參考操作溫度2%與10%之間。所述操作燃料電池系統(tǒng)的方法還可以包括將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；測量供應到配置用于冷卻所述燃料電池堆的風扇的功率；以及當測得的供應到所述風扇的功率大于閾值功率時，降低所述目標電壓。所述閾值功率可以比參考操作功率大5%到 20%。所述參考操作功率可以是所述風扇的最大使用功率的70%。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，一種操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)包括燃料電池堆，其被配置為在不從燃料箱供應燃料的同時產(chǎn)生電力；外圍設備，其被配置為將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流，并且測量所述輸出電流的增加速率; 以及控制器，其被配置為在所述輸出電流的增加速率低于閾值速率時開始向所述燃料電池堆供應燃料，并且控制所述燃料電池堆中的燃料濃度以將所述輸出電流維持在目標電流電平。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖；圖3是根據(jù)圖2中示出的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的電壓和電流對照時間的曲線圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖；圖6是示出根據(jù)依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的電池堆的電壓、電流、功率、和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖7是示出根據(jù)依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的電流和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖8是示出根據(jù)依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的電池堆溫度、陽極溫度、和外部溫度隨時間變化的曲線圖；圖9是示出當通過依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法重新開始操作時電池堆的功率、電壓、電流、和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖10是示出當通過依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法重新開始操作時電池堆的電流和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖11示出根據(jù)本發(fā)明第三示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖；和圖12是示出根據(jù)本發(fā)明第三示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖。
具體實施例方式以下將參照附圖更充分地描述本發(fā)明的實施例的方面。如本領域技術人員將認識到的，所描述的實施例可以以各種不同的方式修改，而全都不會背離本發(fā)明的精神或范圍。向燃料電池系統(tǒng)供應均勻數(shù)量的燃料是很重要的。在20W的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中，如果通量(或通過燃料電池堆的燃料的流量)按照0.03立方厘米/分鐘(cc/min) 變化，則燃料電池系統(tǒng)的燃料效率可能改變大約10%。通量的變化改變諸如操作濃度、操作溫度、操作壓力等操作狀態(tài)(或條件)，這降低燃料電池堆的穩(wěn)定性并且減少燃料電池的壽命。用于精細地(或精確地)控制通量(或燃料的流量)的常用方法使用精確濃度傳感器和高精度泵。然而，精確濃度傳感器在溫度改變時不能精確地測量濃度。已經(jīng)使用了根據(jù)溫度的變化校正濃度傳感器的方法。然而，該方法難以根據(jù)環(huán)境溫度的變化精確地校正所測量的濃度，原因是溫度傳感器也受到燃料電池堆產(chǎn)生的熱的影響。此外，當長時間使用(或操作)燃料電池系統(tǒng)時，精確濃度傳感器的零點(或定零點(zeroing point))改變，從而導致所測量的濃度產(chǎn)生誤差。另外，低通量和高精度泵容易受到其中引入的雜質(zhì)的損壞，并且當操作了很長時間時性能嚴重下降并且耐久性變?nèi)?。由于低通量和高精度泵通常制?或設計)用于實驗室，因此當其用于長時間供應帶有大量雜質(zhì)的燃料的場合時其耐久性變?nèi)?或降低)。圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖。參照圖1，根據(jù)本發(fā)明第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)101可以使用直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其通過甲醇和氧的直接反應而產(chǎn)生電能。然而，本發(fā)明的實施例不限于此。根據(jù)第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)可以被配置為直接氧化燃料電池，其將諸如乙醇、LPG、LNG、汽油、丁烷氣等包含氫的液體和氣體燃料與氧反應。此外，該燃料電池系統(tǒng)可以被配置為聚合物電極膜燃料電池(PEMFC)，其將燃料重整為富含氫的重整氣并且將該富含氫的重整氣氧化以產(chǎn)生電。燃料電池系統(tǒng)101中使用的燃料可以是諸如甲醇、乙醇、天然氣、LPG等由液體或氣體構成的碳氫燃料。然而，燃料電池系統(tǒng)101可以使用存儲在單獨的存儲單元中的空氣或氧氣作為與燃料中的氫進行反應的氧化劑。根據(jù)本發(fā)明第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)101包括燃料電池堆30，其使用燃料和氧化劑產(chǎn)生電力；燃料箱(tank) 12，其向燃料電池堆30供應燃料；氧化劑泵21，其向燃料電池堆30供應氧化劑以產(chǎn)生電；以及混合器16，其安裝在燃料電池堆30與燃料箱 12之間。第一燃料泵14連接至燃料箱12以通過泵力(例如，預定泵力)將存儲在燃料箱 12中的液體燃料從燃料箱12放出。第一示范性實施例中，存儲在燃料箱12中的燃料可以由甲醇組成(或者包括甲醇)。此外，氧化劑泵21用于向燃料電池堆30供應空氣?；旌掀?6將從燃料箱12供應的燃料和通過回收管道(withdraw pipe)從燃料電池抽出的水混合，并且將混合物供應到燃料電池堆30。向燃料電池堆30供應存儲在混合器 16中的燃料的第二燃料泵18安裝在混合器16與燃料電池堆30之間，。燃料電池堆30包括多個發(fā)電器35，它們引起燃料與氧化劑的氧化/還原反應以產(chǎn)生電能。每個發(fā)電器35包括單元電池(unit cell)，單元電池產(chǎn)生電并且包括使燃料氧化并且使氧化劑中的氧還原的膜-電極組件(MEA)31，還包括向膜-電極組件31供應燃料和氧化劑的分隔器32和33 (在本領域中也被稱為雙極板)。發(fā)電器35具有這樣的結構，其中分隔器32和33中各自放置在膜_電極組件31的相對兩側(cè)。分隔器32和33相互緊密附接，以膜-電極組件31位于分隔器32與33之間， 從而在膜-電極組件31的相對兩側(cè)形成燃料通道和空氣通道。燃料通道位于膜-電極組件31的陽極側(cè)，而空氣通道位于膜-電極組件31的陰極側(cè)。電解質(zhì)膜將從陽極產(chǎn)生的質(zhì)
6子移動至陰極以與陰極電極的氧進行反應，從而實現(xiàn)離子交換和水的產(chǎn)生。結果，通過氧化反應將陽極的氫分解為電子和質(zhì)子(氫離子)。質(zhì)子通過電解質(zhì)膜移動至陰極電極，而電子通過分隔器33 (而不是通過電解質(zhì)膜)移動至相鄰的膜-電極組件31的陰極。通過電子的流動產(chǎn)生電流。此外，通過移動的質(zhì)子、移動的電子、和氧的還原反應在陰極中產(chǎn)生濕氣(moisture)。燃料電池系統(tǒng)101包括燃料電池堆30，其包括多個發(fā)電器35。燃料電池堆30的一側(cè)安裝有用于冷卻燃料電池堆30的冷卻風扇36。由于在發(fā)電期間在燃料電池堆中產(chǎn)生大量的熱，因此冷卻風扇36向燃料電池堆30供應空氣以降低燃料電池堆30的溫度(或者冷卻燃料電池堆30)。根據(jù)第一示范性實施例的燃料電池堆30是具有小容量的30W的燃料電池堆30。 然而，這僅僅是示例描述，因而本發(fā)明的實施例不限于此。外圍設備50將燃料電池堆30電連接至負載62。外圍設備50包括電壓傳感器52、 電流傳感器53、和轉(zhuǎn)換器51。電壓傳感器52測量燃料電池堆30的電壓(或輸出電壓)，而電流傳感器53測量燃料電池堆的電流(或輸出電流)。此外，轉(zhuǎn)換器51用于校正輸出電壓和輸出電流以使得從燃料電池堆30產(chǎn)生的電力的電壓和電流可以在負載中使用。轉(zhuǎn)換器 51連接至負載62以向負載62供電。燃料電池系統(tǒng)101還包括控制器40，用于根據(jù)測量得到的電壓和電流來控制第一燃料泵14的操作。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第一示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖， 而圖3是根據(jù)圖2示出的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的電壓和電流對照時間的曲線圖。將參照圖2和3描述根據(jù)本發(fā)明第一示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法。根據(jù)第一示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)101的方法包括在其中不供應燃料的開始步驟(SlOl)、電壓降低步驟610 、電流增加速率測量步驟(S103)、燃料供應步驟 (S104)、和遵循電流的燃料供應步驟(S105)。在其中不供應燃料的操作開始步驟(SlOl)，燃料電池系統(tǒng)101通過將轉(zhuǎn)換器51連接至處于燃料供應停止狀態(tài)的燃料電池堆30來開始其操作。當燃料供應被停止時，燃料電池系統(tǒng)101以恒定電壓工作直到開路電壓(OCV)穩(wěn)定為止。當開路電壓是穩(wěn)定的(或者得到穩(wěn)定)時，輸出電壓(堆電壓)以一速率(例如，恒定速率)減小(例如，轉(zhuǎn)換器51減小輸出電壓)直到其達到目標電壓(Vs。)。隨著輸出電壓減小，輸出電流(堆電流)增加(以保持恒定功率輸出)直到電流最終停止增加并開始減小。輸出電流開始減小是因為燃料電池堆30中剩余的燃料被耗盡用于發(fā)電。即，電流開始減小的時間可以被看作燃料電池堆30 中的燃料濃度被最小化或者基本最小化的時間。電流增加速率測量步驟(Sl(XB)測量電流增加的速率，以確定電流增加速率是否小于目標增加速率(Ire。)。當電流增加速率小于目標增加速率(1 。)時，燃料供應步驟 (S104)開始向燃料電池堆30供應燃料。在一個實施例中，電流的目標增加速率(Ire。)在 OA/s到-0. 5A/s范圍內(nèi)。在遵循電流的燃料供應步驟610 期間，在燃料供應開始之后，根據(jù)電流的輸出控制燃料濃度，以使得可以從燃料電池堆30輸出目標電流(IJ。此時，通過轉(zhuǎn)換器將燃料電池堆30的輸出電壓恒定地固定到(固定在)目標電壓(Vs。)。目標電壓(Vs。)和目標電流(Is。)可以根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的類型來適當?shù)卦O置。例如，在燃料電池系統(tǒng)具有60W的額定輸出的情況下，目標電壓可以是1.5V并且目標電流可以是40A。作為另一示例，在燃料電池系統(tǒng)具有300W的額定輸出的情況下，目標電壓可以是6V并且目標電流可以是50A。遵循電流的燃料供應步驟610 包括重復地向混合器16供應燃料和停止供應燃料。第一示范性實施例中，使用第一燃料泵14，其可以是低精度泵，并且在一個時段(例如， 其中在第一時段期間執(zhí)行燃料供應并且在第二時段期間執(zhí)行停止燃料供應的預定時段) 期間執(zhí)行燃料供應和停止燃料供應，其可以獲得與在整個時段內(nèi)供應均勻(或恒定)數(shù)量的燃料相同的效果。例如，當期望供應第一燃料泵14能夠供應的最大數(shù)量的燃料的1/10 時，第一燃料泵在該時段的1/10(例如，第一時段是1/10時間單位長)內(nèi)供應燃料而在該時段的9/10(例如，第二時段是9/10時間單位長)內(nèi)停止燃料供應，從而可以獲得期望的精度(例如，供應期望數(shù)量的燃料)。導入混合器16的燃料與水充分混合，然后被導入燃料電池，從而可以確保均勻的(或穩(wěn)定的)濃度。如上所述，輸出電壓被固定到目標電壓OU，并且輸出電流根據(jù)燃料濃度而改變， 從而可以最小化或降低對燃料電池堆30的損害。相反，如果目標電流(Iso)被轉(zhuǎn)換器強制輸出，則反應被強制產(chǎn)生，那么燃料電池堆30可能被損壞。由于燃料濃度是根據(jù)從燃料箱12供應的燃料的數(shù)量來確定的，控制器40根據(jù)測量的電流來控制第一燃料泵14的操作，因此第一燃料泵14可以通過各種適合的方法來控制，所述方法諸如比例(P)、比例積分(PI)、比例積分微分(PID)控制等，這些方法都是本領域公知的，因此，將省略其描述。根據(jù)第一示范性實施例，控制器40根據(jù)輸出電流來控制供應的燃料數(shù)量以將輸出電流基本上維持在目標電流Is。，而不使用濃度傳感器，因此，能夠更容易地供應燃料。此外，高濃度燃料和水在混合器16中混合，然后被供應到燃料電池堆30，使得可以使用低精度泵。當通過控制器40 (例如，PID控制器等)使用低精度泵周期性地將一個數(shù)量的燃料 (例如，預定數(shù)量的燃料)從燃料箱12供應到混合器16時，可以連續(xù)地(或穩(wěn)定地)供應穩(wěn)定濃度的燃料(例如，預定濃度的燃料)。在燃料電池堆30的開始操作時，燃料電池堆30的溫度低，而且并未有效地發(fā)電。 如果通過控制燃料濃度將燃料電池堆30初始控制為輸出目標電流，則高濃度的燃料將被供應(或初始供應)到燃料電池堆30，使得燃料電池堆30可能被損壞。然而，根據(jù)第一示范性實施例，燃料電池堆30的操作開始時并不從燃料箱12供應燃料，而是在燃料電池堆 30中的燃料濃度基本上被最小化的狀態(tài)下供應(或開始供應)燃料，使得雖然供應了燃料 (例如，低濃度燃料)以輸出目標電流，但是并沒有供應高濃度燃料。此外，操作通過使用燃料電池堆30中剩余的燃料開始，并且在燃料電池堆30的溫度增加的狀態(tài)下供應燃料，從而可以平穩(wěn)地輸出目標電流。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖，而圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖。參照圖4和5，根據(jù)本發(fā)明第二示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)102包括溫度傳感器 38，其安裝在燃料電池堆30中。除了溫度傳感器38之外，燃料電池系統(tǒng)102與根據(jù)第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)具有相同的配置，因此，將省略對類似組件的詳細描述。操作根據(jù)第二示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)102的方法包括第一目標電壓下的遵循電流的燃料供應步驟(S201)、燃料電池堆溫度測量步驟620 、電壓降低步驟
8(S203)、和第二目標電壓下的遵循電流的燃料供應步驟(S204)。第一目標電壓下的遵循電流的燃料供應步驟(S201)控制供應到燃料電池堆30的燃料的濃度，從而可以輸出目標電流(IJ。此時，執(zhí)行恒定電壓(CV)操作，其將輸出電壓維持在第一目標電壓(VsJ。燃料電池堆溫度測量步驟620 測量燃料電池堆30的溫度以確定燃料電池堆30 的溫度是否高于閾值溫度(Tsl)。當燃料電池系統(tǒng)102操作了很長時間時，燃料電池堆30 的性能下降，因此，在第一目標電壓(VsJ條件下可能不能輸出該目標電流。該情況下，為了輸出目標電流(Is。)，在向燃料電池堆30供應高濃度燃料(或額外的燃料)時存在問題。 當供應高濃度燃料時，在燃料電池堆30中可能產(chǎn)生過多的熱，這會損壞燃料電池堆30。第二實施例中，為了冷卻燃料電池堆30，將冷卻風扇36放置在燃料電池堆30的一側(cè)，并且冷卻風扇36被設置為以恒定的速度旋轉(zhuǎn)。因此，燃料電池堆溫度測量步驟620 可以使用溫度傳感器38來確定燃料電池堆30的溫度是否高于閾值溫度(Tsl)。將閾值溫度(Tsl)設置為比參考操作溫度高2%到10%的溫度。由于參考操作溫度依賴于燃料電池系統(tǒng)的類型，因此可以根據(jù)參考操作溫度適當?shù)卦O置閾值溫度(Tsl)。例如，直接甲醇燃料電池(DMFC)，其參考操作溫度為62°C，可以將其閾值溫度(Tsl)設置為例如63. 4°C到68. 2°C范圍內(nèi)的溫度。當燃料電池堆30的溫度高于閾值溫度(Tsl)時，電壓降低步驟(S203)將目標電壓從第一目標電壓(U降低到第二目標電壓(Vs。2)。當根據(jù)燃料電池堆30的性能下降而降低目標電壓時，輸出(或繼續(xù)輸出)目標電流，并且燃料濃度并非過高(或不上升到過高的電平)。第二目標電壓(Vs。2)下的電流跟蹤的燃料供應步驟(S204)控制燃料泵14以輸出目標電流(Is。)，同時基本上將輸出電壓固定(或維持)在第二目標電壓(vs。2)。如上所述，根據(jù)第二示范性實施例，即便當燃料電池堆30的性能在長時間操作過程中(或者在操作了很長時間之后)下降時，其也可以穩(wěn)定地供應燃料同時防止燃料濃度過多地增加而無需使用濃度傳感器。圖6是示出根據(jù)依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的燃料電池堆的電壓(V_stack)、電流(I_staCk)、功率(P_stack)、和燃料濃度(MeOH)隨時間變化的曲線圖，圖7是示出根據(jù)依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的電流(I_staCk)和燃料濃度(MeOH)隨時間變化的曲線圖，并且圖8是示出根據(jù)依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的堆溫度(T_stack)、 陽極溫度(T_anode)、和外部溫度(^external)隨時間變化的曲線圖。參照圖6到8，其操作特性在曲線圖中示出的示范性燃料電池堆是額定輸出為 30W、額定電壓為20V、并且額定電流為1. 5A的燃料電池。首先，如圖7中所示，當燃料電池系統(tǒng)啟動時，其以與第一示范性實施例的方式相同的方式操作，以使得濃度的范圍在0.63M到0.9M之間。此外，在燃料電池系統(tǒng)啟動之后， 在經(jīng)過240分鐘與430分鐘之間的時間之后，其確認燃料濃度被穩(wěn)定到處于0. 68M到0. 72M 范圍內(nèi)。如圖6到圖8所示，從燃料電池系統(tǒng)的操作開始時起到開始之后大約200分鐘，燃料濃度增加并且燃料電池堆的溫度增加到大約65°C。當燃料電池堆30的目標電壓在大約200分鐘時從22V下降到21V時，燃料濃度降低一段時間，然后在開始之后大約230分鐘開始穩(wěn)定地維持(或者維持在穩(wěn)定的水平)。此時，燃料電池堆30的溫度、燃料濃度、電流、和電壓被穩(wěn)定地維持。圖9是示出當通過依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法重新開始燃料電池系統(tǒng)的操作時電池堆的功率(P_stack)、電壓(V_stack)、電流(1_ stack)、和燃料濃度(MeOH)的曲線圖，并且圖10是示出當通過依據(jù)本發(fā)明第一和第二示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法重新開始燃料電池系統(tǒng)的操作時電池堆的電流(1_ stack)和燃料濃度(MeOH)的曲線圖。圖9和10示出當在燃料電池系統(tǒng)的目標電壓下降的狀態(tài)下燃料電池系統(tǒng)重新啟動時示范性燃料電池系統(tǒng)的操作。如圖8和9所示，在燃料電池系統(tǒng)啟動之后30分鐘，供應的燃料濃度處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且電流和功率被穩(wěn)定地輸出。如上所述，根據(jù)第一和第二示范性實施例，當燃料電池系統(tǒng)啟動時并且在燃料電池系統(tǒng)操作時，其可以根據(jù)目標電流以穩(wěn)定的濃度供應燃料而無需使用濃度傳感器。圖11示出根據(jù)本發(fā)明第三示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖，并且圖 12是示出根據(jù)本發(fā)明第三示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖。參照圖11和12，根據(jù)第三示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)103還包括功率傳感器 37，其測量冷卻風扇36的操作電壓。除了功率傳感器37之外，該燃料電池系統(tǒng)與根據(jù)第一示范性實施例的燃料電池系統(tǒng)具有基本相同的配置，因此，將省略對類似組件的描述。根據(jù)第三示范性實施例的操作燃料電池系統(tǒng)103的方法包括第一目標電壓(VsJ 下的遵循電流的燃料供應步驟(S301)、測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)的步驟(S302)、 電壓降低步驟(S303)、和第二目標電壓(Vs。2)下的遵循電流的燃料供應步驟(S304)。第一目標電壓(VsJ下的遵循電流的燃料供應步驟(S301)控制將要供應到燃料電池堆30的燃料濃度，以便輸出目標電流(Is。)。此時，輸出電壓基本上被維持在第一目標電壓(Vsol)。此外，測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)的步驟(S302)使用功率傳感器37測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)，并且確定冷卻風扇36的操作功率(Pf)是否高于閾值功率(Pfl)。當燃料電池系統(tǒng)103操作了很長時間時，燃料電池堆30的性能下降，因此，在第一目標電壓(VsJ條件下并不輸出目標電流。該情況下，為了在第一目標電壓(VsJ下輸出目標電流(IJ，需要將高濃度燃料供應到燃料電池堆30。然而，當供應高濃度燃料時，在燃料電池堆30中可能產(chǎn)生過多的熱，那么燃料電池堆30可能被損壞。第三示范性實施例中，當燃料電池堆30中的溫度增加時，冷卻風扇36的轉(zhuǎn)速增加，以使得燃料電池堆30能夠維持基本穩(wěn)定的溫度(例如，預定溫度)。因此，當在燃料電池堆30中產(chǎn)生過多的熱時，增加冷卻風扇36的操作功率(Pf)以增加冷卻風扇36的轉(zhuǎn)速， 并且測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)以確定冷卻風扇36的操作功率(Pf)是否高于閾值操作功率(Pfl)。這里，將閾值操作功率(Pfl)設置為比參考操作功率高5%到20%的功率。由于參考操作功率依賴于燃料電池系統(tǒng)的大小，因此閾值操作功率(Pfl)可以根據(jù)參考操作電壓來設置。例如，當參考操作功率是最大使用功率的70%時，閾值操作功率(Pfl)可以在最大使用功率的73. 5%到84%范圍內(nèi)。
當冷卻風扇36的操作功率(Pf)高于閾值操作功率(Pfl)時，電壓降低步驟(S303) 將目標電壓從第一目標電壓(VsJ降低到第二目標電壓(Vs。2)。當根據(jù)燃料電池堆30的性能下降而降低目標電壓時，輸出(或繼續(xù)輸出)目標電流，并且燃料濃度并非過高(或不上升到過高的水平)。第二目標電壓(Vs。2)下的遵循電流的燃料供應步驟(S304)控制燃料泵以輸出目標電流(IJ，同時將輸出電壓固定或基本維持在第二目標電壓(Vs。2)。如上所述，根據(jù)第三示范性實施例，即便在燃料電池堆30的性能由于長時間操作而(或者在操作了很長時間之后)下降時，其也能夠穩(wěn)定地供應燃料，同時防止燃料濃度過多地增加。雖然已經(jīng)結合某些示范性實施例描述了本發(fā)明，但是不難理解，本發(fā)明不限于公開的實施例，而是相反，旨在涵蓋包括在所附權利要求書及其等價物的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等價配置。
權利要求
1.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括 在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產(chǎn)生電力；將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低，以增加所述電力的輸出電流； 測量所述輸出電流的增加速率；當所述輸出電流的增加速率低于閾值速率時，開始向所述燃料電池堆供應燃料；以及控制所述燃料電池堆中的燃料濃度，以將所述輸出電流維持在目標電流電平。
2.如權利要求1所述的方法，其中產(chǎn)生所述電力的步驟包括操作所述燃料電池堆直到所述燃料電池堆產(chǎn)生的電力的輸出電壓被穩(wěn)定在開路電壓電平為止。
3.如權利要求1所述的方法，其中在降低所述電力的輸出電壓時，所述輸出電壓減小直到其達到所述目標電壓為止。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述閾值速率不大于OA/s。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述閾值速率在OA/s與-0.5A/s之間。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述輸出電壓被維持在所述目標電壓。
7.如權利要求1所述的方法，其中控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟包括 在第一時段期間供應燃料；以及在第二時段期間停止燃料供應。
8.如權利要求1所述的方法，其中控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟包括操作燃料泵以從所述燃料箱向混合器供應燃料。
9.如權利要求8所述的方法，其中控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟進一步包括在所述混合器中將來自所述燃料箱的燃料與水混合。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述燃料泵由從下列的組中選擇的控制器來控制， 所述組包括比例控制器、比例積分控制器、和比例積分微分控制器。
11.如權利要求1所述的方法，進一步包括 將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；檢測所述燃料電池堆中的溫度；以及當檢測到的溫度大于閾值溫度時，降低所述目標電壓。
12.如權利要求11所述的方法，其中降低所述目標電壓的步驟包括控制所述燃料電池堆中的燃料的濃度，以將所述輸出電壓維持在降低的目標電壓。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述閾值溫度在大于參考操作溫度2%與10%之間。
14.如權利要求1所述的方法，進一步包括 將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；測量供應到配置用于冷卻所述燃料電池堆的風扇的功率；以及當測得的供應到所述風扇的功率大于閾值功率時，降低所述目標電壓。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述閾值功率比參考操作功率大5%到20%。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述參考操作功率是所述風扇的最大使用功率的 70%。
17.一種操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產(chǎn)生電力的裝置；用于將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流的裝置； 用于測量所述輸出電流的增加速率的裝置；用于在所述輸出電流的增加速率低于閾值速率時開始向所述燃料電池堆供應燃料的裝置；以及用于控制所述燃料電池堆中的燃料濃度以將所述輸出電流維持在目標電流電平的裝置。
18.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中用于控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的裝置包括用于在第一時段期間供應燃料的裝置；以及用于在第二時段期間停止燃料供應的裝置。
19.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中用于控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的裝置包括用于將所述輸出電壓維持在所述目標電壓的裝置；用于檢測所述燃料電池堆中的溫度的裝置；以及用于在檢測到的溫度大于閾值溫度時降低所述目標電壓的裝置。
20.一種操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池堆，其被配置為在不從燃料箱供應燃料的同時產(chǎn)生電力； 外圍設備，其被配置為將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流，并且測量所述輸出電流的增加速率；以及控制器，其被配置為在所述輸出電流的增加速率低于閾值速率時開始向所述燃料電池堆供應燃料，并且控制所述燃料電池堆中的燃料濃度以將所述輸出電流維持在目標電流電平。
全文摘要
一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法包括在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產(chǎn)生電力；將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低，以增加所述電力的輸出電流；測量所述輸出電流的增加速率；當所述輸出電流的增加速率低于閾值速率時，開始向所述燃料電池堆供應燃料；以及控制所述燃料電池堆中的燃料濃度，以將所述輸出電流維持在目標電流電平。
文檔編號H01M8/04GK102214831SQ20111007611
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權日2010年4月1日
發(fā)明者樸程建, 羅永承, 胡磊, 趙慧貞 申請人:三星Sdi株式會社