專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它具有效率高，污染少和噪聲低等特點(diǎn)。燃料電池可以只是一個(gè)單體燃料電池，也可以是由多個(gè)單體燃料電池構(gòu)成的燃料電池組。如圖1所示，單體燃料電池一般包括質(zhì)子交換膜1、陽極2、陰極3和導(dǎo)流極板4。在有機(jī)燃料電池系統(tǒng)中，一般用空氣或氧氣作為氧化劑，甲醇、甲酸或乙醇等有機(jī)物作為燃料。例如，以空氣作為氧化劑、甲醇作為燃料的燃料電池在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)陽極 CH3OH+H2O→CO2+6H++6e(1)陰極 3/2O2+6H++6e→3H2O(2)陽極和陰極的反應(yīng)導(dǎo)致如下的總反應(yīng)發(fā)生CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O(3)由式(1)可以看出，在電池陽極2，甲醇通過擴(kuò)散層擴(kuò)散到催化層進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成CO2、H+和電子。又由式(2)可以看出，陽極2生成的電子通過陽極2外層的導(dǎo)流極板4和外部導(dǎo)電體，最后被陰極3捕獲。而陽極2生成的質(zhì)子則透過質(zhì)子交換膜1直接傳遞給陰極3，這樣就形成了電流。
現(xiàn)有的燃料電池供料/供氣方式主要為兩種被動式和主動式。
所謂被動式的供料/供氣方式為通過供料和供氣管道利用濃度擴(kuò)散原理向燃料電池的兩極供應(yīng)燃料和氧化劑氣體。但是，由于反應(yīng)過程中累積的產(chǎn)物CO2和H2O不能夠及時(shí)排放，阻礙了燃料和氧化氣向催化層的擴(kuò)散，同時(shí)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)區(qū)附近的反映物的濃度也越來越低，導(dǎo)致了反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散障礙問題，這些因素使得燃料電池的輸出功率非常不穩(wěn)定，性能降低。圖2為圖1所示的單體燃料電池的輸出電壓-電流曲線圖，圖3為10個(gè)圖1所示的單體燃料電池層疊組成的燃料電池堆在被動供料/供氣方式下的輸出功率隨時(shí)間變化的曲線圖，可以看出輸出的功率并不穩(wěn)定，時(shí)間越長、放電電流越小、功率越低。所以，為了得到較大輸出功率，就需要主動傳遞更多的反應(yīng)物和氧化劑，即主動式。
所謂主動式的供料/供氣方式，即提供燃料傳輸和氧化劑氣體傳輸所用的裝置，更具體地說是在燃料電池系統(tǒng)中添加燃料泵和空氣壓縮機(jī)或風(fēng)扇。
例如，CN1567630A中所公開的一種燃料電池，在其發(fā)電器的陽極上連接有供給燃料的燃料供給管和為了回收反應(yīng)結(jié)束后的燃料的燃料回收管，而在發(fā)電器的陰極上連接有供給空氣的空氣供給管和為了排出反應(yīng)后的空氣的空氣排出管，再由陽極上進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)和陰極上進(jìn)行的電化學(xué)還原反應(yīng)而產(chǎn)生電，性能調(diào)節(jié)裝置包括為了測定上述發(fā)電器的電壓值的電壓測定器和為了與測定的電壓值跟規(guī)定值進(jìn)行比較而檢測到異常發(fā)生部位或?yàn)榱苏{(diào)節(jié)性能的控制器。此外，在燃料供給管上設(shè)置有抽吸燃料的燃料泵，在空氣供給管上設(shè)置有抽吸空氣的空氣壓縮機(jī)。
上述的這種燃料電池及其控制方法是根據(jù)燃料電池的電壓來控制燃料和氣體的供量變化的，但是如之前所述，燃料電池的電壓變化并不是反映電池中化學(xué)反應(yīng)過程的真實(shí)情況的直接參數(shù)，所以根據(jù)燃料電池的電壓來控制供料/供氣的方法顯然不夠直接有效，并不能起到提前預(yù)防的作用，并不科學(xué)。
此外，上述這種主動式供料/供氣的燃料電池及其控制方法還存在兩個(gè)缺點(diǎn)一是外加的燃料泵和空氣壓縮機(jī)或風(fēng)扇持續(xù)工作會消耗大量的能量，這樣電池的輸出效率比較低；二是燃料泵和空氣壓縮機(jī)或風(fēng)扇在持續(xù)工作的情況下使用壽命短。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述現(xiàn)有的主動式供料/供氣的燃料電池系統(tǒng)以及控制方法中存在的控制不夠直接、效率低、壽命短的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種控制直接有效、輸出效率高、壽命長的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，反映燃料電池反應(yīng)過程真實(shí)情況的直接參數(shù)為放電電流。從上述反應(yīng)式(1)、(2)、(3)可以看出，當(dāng)在陽極2參加反應(yīng)的甲醇多時(shí)，燃料電池的放電電流就大(即產(chǎn)生的電子多)；當(dāng)在陽極2參加反應(yīng)的甲醇少時(shí)，燃料電池的放電電流就小(即產(chǎn)生的電子少)?？梢?，放電電流的大小和反應(yīng)物的量是直接對應(yīng)的。同樣，在陰極3也是一樣，燃料電池放電電流大小與氧化劑的量也是直接對應(yīng)的。因此，將放電電流與燃料電池所用燃料和氣體直接關(guān)聯(lián)得到的燃料電池系統(tǒng)以及控制方法更為直接有效。
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電器、燃料供應(yīng)裝置、氣體供應(yīng)裝置、檢測單元和控制單元；燃料供應(yīng)裝置、氣體供應(yīng)裝置和檢測單元分別與燃料電池發(fā)電器連接；所述控制單元分別與燃料供應(yīng)裝置、氣體供應(yīng)裝置和檢測單元連接，用于接收檢測單元檢測到的燃料電池發(fā)電器的參數(shù)并根據(jù)該參數(shù)控制所述燃料供應(yīng)裝置和氣體供應(yīng)裝置的燃料和氣體供應(yīng)；其中，所述檢測單元為電流檢測裝置，用于檢測燃料電池發(fā)電器的放電電流。
本發(fā)明還提供一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述方法包括檢測燃料電池發(fā)電器的參數(shù)并根據(jù)該參數(shù)控制燃料供應(yīng)裝置和氣體供應(yīng)裝置的燃料和氣體供應(yīng)，其中，檢測的燃料電池發(fā)電器的參數(shù)為燃料電池發(fā)電器的放電電流。
本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法，在現(xiàn)有的具有主動式供料/供氣的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用檢測燃料電池發(fā)電器的放電電流作為主要參數(shù)來控制燃料供應(yīng)裝置/氣體供應(yīng)裝置，較通過檢測燃料電池發(fā)電器的電壓來控制燃料供應(yīng)裝置/氣體供應(yīng)裝置的系統(tǒng)及其控制方法，控制更為直接有效，起到了提前預(yù)防的作用，可以避免反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散障礙問題。并且，本發(fā)明所述的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法還可以根據(jù)放電電流的大小來控制燃料供應(yīng)裝置/氣體供應(yīng)裝置在一個(gè)工作周期內(nèi)的工作時(shí)間的長短，放電電流大則工作時(shí)間長、空閑時(shí)間短，放電電流小則工作時(shí)間短、空閑時(shí)間長。因此，可以使燃料供應(yīng)裝置/氣體供應(yīng)裝置間歇性運(yùn)行，并且該間歇性運(yùn)行與燃料電池的放電電流關(guān)聯(lián)。這樣可以根據(jù)放電電流的情況提供相匹配量的燃料和氧化劑，從而避免了當(dāng)放電電流小時(shí)燃料供應(yīng)裝置/氣體供應(yīng)裝置仍消耗大量功率而導(dǎo)致的效率低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池的較大功率穩(wěn)定輸出。此外，本發(fā)明成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)，對于用于小型電子產(chǎn)品的有機(jī)燃料電池具有非常重要的意義。


圖1是單體燃料電池的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖2是單體燃料電池采用被動式的供料/供氣方式時(shí)的輸出電壓-電流曲線圖；圖3是燃料電池堆采用被動式的供料/供氣方式時(shí)的輸出功率-時(shí)間曲線4是本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)的組成連接圖；圖5是本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)的放電電流和預(yù)定工作時(shí)間之間的關(guān)系曲線圖；圖6是本發(fā)明所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的流程圖；圖7是對比例1的燃料電池系統(tǒng)A的輸出功率-時(shí)間曲線；
圖8是實(shí)例1的燃料電池系統(tǒng)B的輸出功率-時(shí)間曲線；圖9是實(shí)例2的燃料電池系統(tǒng)C的輸出功率-時(shí)間曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法作進(jìn)一步的說明。
如圖4所示，本發(fā)明提供的燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電器5、燃料供應(yīng)裝置6、氣體供應(yīng)裝置7、檢測單元8和控制單元9；燃料供應(yīng)裝置6、氣體供應(yīng)裝置7和檢測單元8分別與燃料電池發(fā)電器5連接；所述控制單元9分別與燃料供應(yīng)裝置6、氣體供應(yīng)裝置7和檢測單元8連接，用于接收檢測單元8檢測到的燃料電池發(fā)電器5的參數(shù)并根據(jù)該參數(shù)控制所述燃料供應(yīng)裝置6和氣體供應(yīng)裝置7的燃料和氣體供應(yīng)；其中，所述檢測單元8為電流檢測裝置，用于檢測燃料電池發(fā)電器5的放電電流。
其中，所述檢測單元8與燃料電池發(fā)電器5的兩極連接，可以是電阻和電流計(jì)的串聯(lián)或是其他測電流的裝置。
所述燃料電池發(fā)電器5為單體燃料電池或燃料電池堆，所述燃料電池堆為多個(gè)單體燃料電池層疊而成，所述燃料電池發(fā)電器5還包括有燃料電池反應(yīng)的電極、具有傳輸氧化劑氣體和燃料的流道的極板、傳輸電流的引流裝置，這些裝置的結(jié)構(gòu)均為本領(lǐng)域人員所公知。
所述燃料供應(yīng)裝置6包括燃料泵10、燃料供給管和燃料回收管，所述燃料供給管和燃料回收管連接到燃料電池發(fā)電器5的陽極入口，所述燃料泵10設(shè)置在燃料供給管上，用于抽吸燃料。所述燃料供給管和燃料回收管與燃料箱連接以供給和回收燃料。
所述氣體供應(yīng)裝置7包括氣源11、氣體供給管和氣體排出管，所述氣體供給管和氣體排出管連接到燃料電池發(fā)電器5的陰極入口，所述氣源11設(shè)置在氣體供給管上，用于抽吸氧化劑氣體。所述氣源11可以是閥門、空氣壓縮機(jī)或風(fēng)扇。所述氣體供給管與氣體存儲罐連接或直接供給空氣以供給氧化劑氣體，所述氣體排出管可以將氣體回收或排放。
所述控制單元9包括信號接收模塊、時(shí)間決策模塊、供料控制模塊、供氣控制模塊、計(jì)時(shí)模塊。所述信號接收模塊接收來自檢測單元8的放電電流的信號并確定放電電流值；所述時(shí)間決策模塊根據(jù)放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間；所述供料控制模塊和供氣控制模塊分別根據(jù)決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間控制燃料泵10和氣源11的工作狀態(tài)；所述計(jì)時(shí)模塊分別對燃料泵10和氣源11的工作時(shí)間和/或空閑時(shí)間計(jì)時(shí)。
具體來講，所述信號接收模塊接收檢測單元8檢測到的燃料電池發(fā)電器5的放電電流的信號，并根據(jù)該信號確定放電電流值，判斷該放電電流值是否為零和/或判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比是否變化。
其中，當(dāng)所述信號接收模塊判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比有變化，則信號接收模塊進(jìn)而判斷放電電流值是否為零；當(dāng)所述信號接收模塊判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比沒有變化，則維持時(shí)間決策模塊先前決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間運(yùn)行。所述信號接收模塊可以實(shí)時(shí)判斷有沒有變化，也可以在一個(gè)工作周期結(jié)束后進(jìn)行判斷，在本實(shí)施方式中采用的是在一個(gè)工作周期結(jié)束后進(jìn)行判斷。
當(dāng)所述信號接收模塊判斷放電電流值為零時(shí)，所述供料控制模塊和供氣控制模塊停止燃料泵10和氣源11；當(dāng)所述信號接收模塊判斷放電電流值不為零時(shí)，所述時(shí)間決策模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間。
所述時(shí)間決策模塊根據(jù)信號接收模塊確定的當(dāng)前放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間并發(fā)送到計(jì)時(shí)模塊。所述預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間的確定根據(jù)燃料電池的不同用途不同需要制定不同的策略，例如圖5所示的關(guān)系曲線，先指定一個(gè)工作周期，根據(jù)具體的放電電流值在圖上找出與之對應(yīng)的預(yù)定工作時(shí)間值，然后用工作周期減去預(yù)定工作時(shí)間值就是預(yù)定空閑時(shí)間值。
所述供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)時(shí)間決策模塊決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間分別控制燃料泵10和氣源11的啟動和停止以及燃料和氣體的供應(yīng)量。當(dāng)燃料泵10和氣源11啟動時(shí)為主動式供料/供氣，當(dāng)燃料泵10和氣源11停止時(shí)為空閑時(shí)間，可通過被動式供料/供氣。
其中，所述供料控制模塊和供氣控制模塊可以控制燃料泵10和氣源11以恒定量或變化量供應(yīng)燃料和氣體。所謂恒定量就是指輸出的燃料和氣體的量是恒定的，對于電動裝置來講就是功率是恒定的；所謂變化量就是指輸出的燃料和氣體的量是根據(jù)放電電流值而變化的，放電電流值大，則輸出的量大，放電電流值小，則輸出量小，對于電動裝置來講就是功率是變化的。
當(dāng)供料控制模塊和供氣控制模塊啟動或停止燃料泵10和氣源11時(shí)，所述計(jì)時(shí)模塊清零，并對燃料泵10和氣源11的工作時(shí)間或空閑時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)經(jīng)過了預(yù)定工作時(shí)間或預(yù)定空閑時(shí)間時(shí)通知供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值控制燃料泵10和氣源11的工作狀態(tài)。
本發(fā)明提供的燃料電池系統(tǒng)的控制方法包括檢測燃料電池發(fā)電器5的參數(shù)并根據(jù)該參數(shù)控制燃料供應(yīng)裝置6和氣體供應(yīng)裝置7的燃料和氣體供應(yīng)，其中，檢測的燃料電池發(fā)電器的參數(shù)為燃料電池發(fā)電器5的放電電流。
其中，所述方法還包括以下步驟接收來自檢測單元8的放電電流的信號并確定放電電流值；根據(jù)放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間；根據(jù)決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間控制燃料泵10和氣源11的工作狀態(tài)；以及分別對燃料泵10和氣源11的工作時(shí)間和/或空閑時(shí)間計(jì)時(shí)。
所述方法還包括當(dāng)確定放電電流值時(shí)，判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比是否變化。其中，當(dāng)判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比有變化，則進(jìn)而判斷放電電流值是否為零；當(dāng)判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比沒有變化，則維持先前決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間運(yùn)行?？梢詫?shí)時(shí)判斷有沒有變化，也可以在一個(gè)工作周期結(jié)束后進(jìn)行判斷，在本實(shí)施方式中采用的是在一個(gè)工作周期結(jié)束后進(jìn)行判斷，所以在一個(gè)工作周期之后如果判斷沒有變化，維持先前決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間運(yùn)行也就是重新啟動燃料泵10和氣源11。
而，當(dāng)判斷放電電流值為零時(shí)，則停止燃料泵10和氣源11；當(dāng)判斷放電電流值不為零時(shí)，則根據(jù)當(dāng)前放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間。
所述控制燃料泵10和氣源11的工作狀態(tài)包括控制燃料泵10和氣源11的啟動和停止以及燃料和氣體的供應(yīng)量。
其中，決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間還被發(fā)送到計(jì)時(shí)模塊。當(dāng)啟動或停止燃料泵10和氣源11時(shí)，對燃料泵10和氣源11的工作時(shí)間或空閑時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)經(jīng)過了預(yù)定工作時(shí)間或預(yù)定空閑時(shí)間時(shí)，通知供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值控制燃料泵10和氣源11的工作狀態(tài)。
其中，所述接收檢測單元8檢測到的燃料電池發(fā)電器5的放電電流的信號，并根據(jù)該信號確定放電電流值，判斷該放電電流值是否為零和判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比是否變化由控制單元9的信號接收模塊執(zhí)行。
所述決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間并發(fā)送到計(jì)時(shí)模塊由控制單元9的時(shí)間決策模塊執(zhí)行。
所述控制燃料泵10和氣源11的工作狀態(tài)分別由控制單元9的供料控制模塊和供氣控制模塊執(zhí)行。
所述對燃料泵10和氣源11的工作時(shí)間或空閑時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)經(jīng)過了預(yù)定工作時(shí)間或預(yù)定空閑時(shí)間時(shí)通知供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值控制燃料泵10和氣源11的工作狀態(tài)由控制單元9的計(jì)時(shí)模塊執(zhí)行。
下面參考圖6，說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的流程。
通過檢測單元8檢測燃料電池發(fā)電器5的放電電流，并將檢測到的放電電流信號發(fā)送給控制單元9的信號接收模塊以確定放電電流值；在燃料電池放電還未結(jié)束時(shí)，即放電電流不為零時(shí)，控制單元9的時(shí)間決策模塊根據(jù)該放電電流值決策出工作時(shí)間和空閑時(shí)間，具體可參考圖5的關(guān)系曲線確定或通過其他公式；控制單元9的供料控制模塊和供氣控制模塊啟動燃料泵10和氣源11以向燃料電池發(fā)電器5主動供給燃料和氧化劑氣體，同時(shí)計(jì)時(shí)模塊清零并針對工作時(shí)間開始計(jì)時(shí)；當(dāng)經(jīng)過預(yù)定工作時(shí)間后，供料控制模塊和供氣控制模塊停止燃料泵10和氣源11，同時(shí)計(jì)時(shí)模塊清零并針對空閑時(shí)間開始計(jì)時(shí)；當(dāng)經(jīng)過預(yù)定空閑時(shí)間后，需要再次檢測放電電流并確定放電電流值；如果當(dāng)前放電電流值和先前的放電電流值相等，則還維持先前決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間控制該燃料電池系統(tǒng)，如果不相等，則根據(jù)當(dāng)前放電電流值重新確定預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間并循環(huán)以上過程直至放電結(jié)束，即放電電流為零。
因此，從中可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供的燃料電池系統(tǒng)利用其控制方法控制的燃料供應(yīng)裝置6/氣體供應(yīng)裝置7根據(jù)放電電流的大小間歇性工作。如果燃料電池發(fā)電器5的放電電流值大，則燃料泵10和氣源11的工作時(shí)間長，空閑時(shí)間短，從而輸送的燃料和氧化劑氣體就多；如果燃料電池發(fā)電器5的放電電流值小，則工作時(shí)間短，空閑時(shí)間長，從而避免燃料泵10和氣源11不必要的功率消耗，工作效率高。
下面通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
對比例1本實(shí)例用于說明現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)。
按照中國專利申請公開號為CN1567630A所公開的燃料電池系統(tǒng)組成燃料電池系統(tǒng)A。
其中，燃料電池發(fā)電器為10個(gè)單體燃料電池層疊而成的燃料電池堆，額定輸出功率和額定電流分別為5瓦和125毫安，每個(gè)單體燃料電池按圖1所示結(jié)構(gòu)構(gòu)成，有效活性面積為10平方厘米。選用市售的無刷微型泵作為燃料泵，工作電壓為3伏、工作電流為0.1安，采用2摩爾/升的甲醇作為燃料，流量為0.05升/分鐘。選用市售的微型空氣壓縮機(jī)作為氣源，工作電壓為3伏、工作電流為0.1安，采用壓力為0.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣作為氧化劑氣體，流量為0.5升/分鐘。所述燃料泵和空氣壓縮機(jī)為恒流量方式工作。
實(shí)例1本實(shí)例用于說明本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)。
按照對比例1所述構(gòu)成各個(gè)組成裝置，所不同的在于，按照圖4所示組成燃料電池系統(tǒng)B。其中燃料電池發(fā)電器的放電電流恒定為125毫安/平方厘米，設(shè)定工作周期為30分鐘，根據(jù)圖5的曲線，電流為125毫安/平方厘米得到預(yù)定工作時(shí)間為60秒，則預(yù)定空閑時(shí)間為29分鐘。
實(shí)例2本實(shí)例用于說明本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)。
按照實(shí)例1所述組成燃料電池系統(tǒng)C。所不同的在于，其中燃料電池發(fā)電器的放電電流恒定為60毫安/平方厘米，設(shè)定工作周期為30分鐘，根據(jù)圖5的曲線，電流為60毫安/平方厘米得到預(yù)定工作時(shí)間為30秒，則預(yù)定空閑時(shí)間為29分鐘30秒。
以下實(shí)施例說明本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)的特點(diǎn)。
實(shí)例3采用電子負(fù)載儀，分別測量燃料電池系統(tǒng)A、B、C的隨時(shí)間變化的輸出功率，并畫出輸出功率-時(shí)間曲線，分別為圖7、圖8、圖9所示曲線。
由圖7可以看出，燃料電池系統(tǒng)A的輸出功率為4.4瓦左右，這是燃料電池發(fā)電器的輸出功率除去燃料泵和空氣壓縮機(jī)所消耗的功率之后的凈輸出功率，可以看到采用這種主動式供料/供氣固然能維持穩(wěn)定的長時(shí)間輸出，但系統(tǒng)自身有消耗，所以輸出功率不高。
由圖8可以看出，燃料電池系統(tǒng)B的輸出功率以每30分鐘為一周期變化，絕大部分時(shí)間(約28分鐘)內(nèi)的輸出功率都穩(wěn)定在4.9瓦至5瓦的范圍內(nèi)。
同樣的，由圖9可以看出，燃料電池系統(tǒng)C的輸出功率也是以每30分鐘為一周期變化，而絕大部分時(shí)間(約28分鐘)內(nèi)的輸出功率都穩(wěn)定在2.7瓦至2.8瓦的范圍內(nèi)。
所以，由圖7-圖9，可以得到本發(fā)明所提供的燃料電池系統(tǒng)在長時(shí)間內(nèi)均能保證具有較高的輸出功率，并且由于燃料供應(yīng)裝置/氣體供應(yīng)裝置均為間歇性工作，降低了能量消耗。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電器(5)、燃料供應(yīng)裝置(6)、氣體供應(yīng)裝置(7)、檢測單元(8)和控制單元(9)；燃料供應(yīng)裝置(6)、氣體供應(yīng)裝置(7)和檢測單元(8)分別與燃料電池發(fā)電器(5)連接；所述控制單元(9)分別與燃料供應(yīng)裝置(6)、氣體供應(yīng)裝置(7)和檢測單元(8)連接，用于接收檢測單元(8)檢測到的燃料電池發(fā)電器(5)的參數(shù)并根據(jù)該參數(shù)控制所述燃料供應(yīng)裝置(6)和氣體供應(yīng)裝置(7)的燃料和氣體供應(yīng)；其中，所述檢測單元(8)為電流檢測裝置，用于檢測燃料電池發(fā)電器(5)的放電電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測單元(8)與燃料電池發(fā)電器(5)的兩極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料電池發(fā)電器(5)為單體燃料電池或燃料電池堆。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料供應(yīng)裝置(6)包括燃料泵(10)、燃料供給管和燃料回收管，所述燃料供給管和燃料回收管連接到燃料電池發(fā)電器(5)的陽極入口，所述燃料泵(10)設(shè)置在燃料供給管上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述氣體供應(yīng)裝置(7)包括氣源(11)、氣體供給管和氣體排出管，所述氣體供給管和氣體排出管連接到燃料電池發(fā)電器(5)的陰極入口，所述氣源(11)設(shè)置在氣體供給管上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制單元(9)包括信號接收模塊、時(shí)間決策模塊、供料控制模塊、供氣控制模塊、計(jì)時(shí)模塊；所述信號接收模塊接收來自檢測單元(8)的放電電流的信號并確定放電電流值；所述時(shí)間決策模塊根據(jù)放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間；所述供料控制模塊和供氣控制模塊分別根據(jù)決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間控制燃料泵(10)和氣源(11)的工作狀態(tài)；所述計(jì)時(shí)模塊分別對燃料泵(10)和氣源(11)的工作時(shí)間和/或空閑時(shí)間計(jì)時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述信號接收模塊接收檢測單元(8)檢測到的燃料電池發(fā)電器(5)的放電電流的信號，并根據(jù)該信號確定放電電流值，判斷該放電電流值是否為零和/或判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比是否變化；當(dāng)所述信號接收模塊判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比有變化，則信號接收模塊進(jìn)而判斷放電電流值是否為零；當(dāng)所述信號接收模塊判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比沒有變化，則維持時(shí)間決策模塊先前決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間運(yùn)行；當(dāng)所述信號接收模塊判斷放電電流值為零時(shí)，所述供料控制模塊和供氣控制模塊停止燃料泵(10)和氣源(11)；當(dāng)所述信號接收模塊判斷放電電流值不為零時(shí)，所述時(shí)間決策模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述時(shí)間決策模塊根據(jù)信號接收模塊確定的當(dāng)前放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間并發(fā)送到計(jì)時(shí)模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)時(shí)間決策模塊決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間分別控制燃料泵(10)和氣源(11)的啟動和停止以及燃料和氣體的供應(yīng)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述供料控制模塊和供氣控制模塊還控制燃料泵(10)和氣源(11)以恒定量或變化量供應(yīng)燃料和氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)供料控制模塊和供氣控制模塊啟動或停止燃料泵(10)和氣源(11)時(shí)，所述計(jì)時(shí)模塊清零，并對燃料泵(10)和氣源(11)的工作時(shí)間或空閑時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)經(jīng)過了預(yù)定工作時(shí)間或預(yù)定空閑時(shí)間時(shí)，通知供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值控制燃料泵(10)和氣源(11)的工作狀態(tài)。
12.一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述方法包括檢測燃料電池發(fā)電器(5)的參數(shù)并根據(jù)該參數(shù)控制燃料供應(yīng)裝置(6)和氣體供應(yīng)裝置(7)的燃料和氣體供應(yīng)，其中，檢測的燃料電池發(fā)電器的參數(shù)為燃料電池發(fā)電器(5)的放電電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述方法還包括以下步驟接收來自檢測單元(8)的放電電流的信號并確定放電電流值；根據(jù)放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間；根據(jù)決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間控制燃料泵(10)和氣源(11)的工作狀態(tài)；以及分別對燃料泵(10)和氣源(11)的工作時(shí)間和/或空閑時(shí)間計(jì)時(shí)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括當(dāng)確定放電電流值時(shí)，判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比是否變化；當(dāng)判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比有變化，則進(jìn)而判斷放電電流值是否為零；當(dāng)判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比沒有變化，則維持先前決策出的預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間運(yùn)行；當(dāng)判斷放電電流值為零時(shí)，則停止燃料泵(10)和氣源(11)；當(dāng)判斷放電電流值不為零時(shí)，則根據(jù)當(dāng)前放電電流值決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述控制燃料泵(10)和氣源(11)的工作狀態(tài)包括控制燃料泵(10)和氣源(11)的啟動和停止以及燃料和氣體的供應(yīng)量。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括將決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間發(fā)送到計(jì)時(shí)模塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括當(dāng)啟動或停止燃料泵(10)和氣源(11)時(shí)，對燃料泵(10)和氣源(11)的工作時(shí)間或空閑時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)經(jīng)過了預(yù)定工作時(shí)間或預(yù)定空閑時(shí)間時(shí)，通知供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值控制燃料泵(10)和氣源(11)的工作狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述接收檢測單元(8)檢測到的燃料電池發(fā)電器(5)的放電電流的信號，并根據(jù)該信號確定放電電流值，判斷該放電電流值是否為零和判斷該放電電流值與先前的放電電流值相比是否變化由控制單元(9)的信號接收模塊執(zhí)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述決策出預(yù)定工作時(shí)間和預(yù)定空閑時(shí)間并發(fā)送到計(jì)時(shí)模塊由控制單元(9)的時(shí)間決策模塊執(zhí)行。
20.根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述控制燃料泵(10)和氣源(11)的工作狀態(tài)分別由控制單元(9)的供料控制模塊和供氣控制模塊執(zhí)行。
21.根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述對燃料泵(10)和氣源(11)的工作時(shí)間或空閑時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)經(jīng)過了預(yù)定工作時(shí)間或預(yù)定空閑時(shí)間時(shí)通知供料控制模塊和供氣控制模塊根據(jù)當(dāng)前放電電流值控制燃料泵(10)和氣源(11)的工作狀態(tài)由控制單元(9)的計(jì)時(shí)模塊執(zhí)行。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法，所述系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電器、燃料供應(yīng)裝置、氣體供應(yīng)裝置、檢測單元和控制單元；所述控制單元用于接收檢測單元檢測到的燃料電池發(fā)電器的參數(shù)并根據(jù)該參數(shù)控制所述燃料供應(yīng)裝置和氣體供應(yīng)裝置；其中，所述檢測單元為電流檢測裝置，用于檢測燃料電池發(fā)電器的放電電流。利用檢測燃料電池發(fā)電器的放電電流作為主要參數(shù)來控制燃料/氣體供應(yīng)裝置，較通過檢測燃料電池發(fā)電器的電壓來控制燃料/氣體供應(yīng)裝置的系統(tǒng)，控制更為直接有效。并且，本發(fā)明所述的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法根據(jù)放電電流的大小來控制燃料/氣體供應(yīng)裝置的工作時(shí)間的長短，可以間歇性運(yùn)行。
文檔編號H01M8/00GK1983692SQ20051013052
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者董俊卿, 周勇 申請人:比亞迪股份有限公司