專利名稱：具有致動(dòng)器控制單元的燃料電池和操作該燃料電池的方法
技術(shù)領(lǐng)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(dòng)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(shù)：
燃料電池系統(tǒng)是使用諸如曱醇(methanol)的燃料來產(chǎn)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(yīng)來產(chǎn)生電能的電力產(chǎn)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(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D1，燃料電池io包 括燃料電池堆ioa、緩沖器(buffer)10b、以及致動(dòng)器ioc。燃料電池堆10a 是產(chǎn)生電力的部分，并且包括多個(gè)單元電池。致動(dòng)器10c將燃料從燃料盒12 傳送到緩沖器iob。當(dāng)向致動(dòng)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(chǔ)器時(shí)，緩沖器10b可以是副燃料存4渚器。緩沖器iob存 儲(chǔ)由致動(dòng)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(fù)載的瞬時(shí)使用量是可變的， 因此燃料電池堆ioa消耗的燃料量相應(yīng)地變化。緩沖器iob對(duì)應(yīng)于在每個(gè)時(shí) 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(dòng)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(chǔ)器，因此即使當(dāng)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(huì)有問題。然而，當(dāng)上述情況連續(xù)發(fā)生時(shí)，即使在緩沖器iob被視為副燃料存儲(chǔ)器 時(shí)，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(huì)是個(gè)問題，因?yàn)榫彌_器10B 具有燃料存儲(chǔ)能力。此外，即使當(dāng)該情況連續(xù)時(shí)，如果緩沖器10B沒有完全 充滿燃料，那么它也不會(huì)是個(gè)嚴(yán)重的問題。然而，當(dāng)緩沖器10B完全充滿燃 料時(shí)，從致動(dòng)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(dāng)燃料電池系統(tǒng)SS1處于關(guān)閉狀態(tài)下時(shí)，在燃料電池堆10A中剩余的燃 料繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。結(jié)果，燃料電池堆IOA的性能可能下降。此外，當(dāng)在燃料 電池堆IOA過度地充滿燃料的狀態(tài)下關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)時(shí)，燃料電池堆10A 的性能下降可能更加嚴(yán)重。這導(dǎo)致更低的燃料利用率。發(fā)明內(nèi)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(dāng)燃料量，同時(shí)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(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種包含燃料電池堆、緩沖器和致動(dòng)器的燃料 電池可以包括根據(jù)緩沖器的預(yù)定物理量的值來控制致動(dòng)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(yù)定物理量可以是電阻。所述緩沖器可以包括燃料存儲(chǔ)介質(zhì)，該燃料存儲(chǔ)介質(zhì)能夠在其整個(gè)區(qū)域 內(nèi)均勻地存儲(chǔ)燃料，而與燃料電池的位置無關(guān)。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(jù)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(dòng)器，所述方法包括測(cè)量緩沖器的預(yù)定物 理量；將所測(cè)量的預(yù)定物理量與所述預(yù)定物理量的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較；以及根 據(jù)比較結(jié)果來操作致動(dòng)器?？梢允褂每刂齐娐凡糠謥頊y(cè)量所述預(yù)定物理量?？梢允褂每刂齐娐凡糠謥韴?zhí)行所測(cè)量的預(yù)定物理量的比較?？梢允褂每刂齐娐凡糠謥砜刂浦聞?dòng)器的操作。所述預(yù)定物理量可以是電阻和電流中的任一個(gè)。所述基準(zhǔn)值可以是當(dāng)緩沖器充滿預(yù)定量的燃料時(shí)測(cè)量的物理量。 致動(dòng)器的操作可以包括當(dāng)所述預(yù)定物理量大于基準(zhǔn)值時(shí)，將致動(dòng)器接通 給定時(shí)間。致動(dòng)器的操作可以包括當(dāng)所述預(yù)定物理量不大于基準(zhǔn)值時(shí)，將致動(dòng)器關(guān) 閉給定時(shí)間。接通致動(dòng)器可以包括重復(fù)緩沖器的預(yù)定物理量的測(cè)量以及所測(cè)量的預(yù)定 物理量的比較。關(guān)閉致動(dòng)器可以包括重復(fù)緩沖器的預(yù)定物理量的測(cè)量以及所測(cè)量的預(yù)定 物理量的比較。


通過參考附圖描述本發(fā)明的詳細(xì)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)；圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖3圖示了圖2的燃料電池的緩沖器、致動(dòng)器和控制電路部分之間的操作關(guān)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(dòng)器和控制電路部分之間的操 作方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面，參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有致動(dòng)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(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D2，根據(jù) 本發(fā)明實(shí)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(chǎn)生電能。燃料盒30存儲(chǔ)被提供給燃料電池20的燃料。當(dāng)將 燃料盒30安裝在燃料電池20上時(shí)，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(gè)單元電池。單極堆具有一個(gè)平面膜以及配置該平面膜
的多個(gè)單元電池。雙極堆具有被垂直地堆疊的多個(gè)單元電池。燃料電池20包括作為副燃料存儲(chǔ)器的緩沖器20B、致動(dòng)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(chǔ)器。致動(dòng)器20C根據(jù)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(chǔ)由致動(dòng)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(dāng)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(dòng)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(dòng)器20C的值。為了測(cè)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(dāng)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(chǔ)介質(zhì)(例如多孔材料)時(shí)，提供電極E1和E2以接觸該燃料存儲(chǔ)介質(zhì)。 此外，當(dāng)緩沖器20B是絕緣殼體并且該殼體充滿燃料時(shí)，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(cè)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(yù)定電壓，并且測(cè)量在緩沖器20B中流動(dòng)的電流?？刂齐娐?部分20D使用施加到緩沖器20B的電壓和所測(cè)量的電流來計(jì)算緩沖器20B的 電阻。盡管緩沖器20B的電流和電阻實(shí)際上是包含燃料的燃料存儲(chǔ)介質(zhì)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(jù)存在于緩沖器20B中的燃料量而變化。例如，當(dāng) 在緩沖器20B沒有剩余燃料時(shí)，緩沖器20B的電阻比當(dāng)在緩沖器20B中剩余 有燃料時(shí)的電阻高得多。當(dāng)在緩沖器20B中剩余有燃料時(shí)，緩沖器20B的電 阻隨著燃料量的增加而減小。因此，當(dāng)在緩沖器20B中剩余有與可平穩(wěn)地提 供的燃料存儲(chǔ)堆20A中消耗的燃料的量一樣多的燃料時(shí)，例如，當(dāng)在緩沖器 20B中剩余有相當(dāng)于緩沖器20B的內(nèi)部容積的一半或者例如1/3的量的燃料 時(shí)，將此時(shí)的緩沖器20B的電阻設(shè)置為基準(zhǔn)電阻值(在下文中被稱為基準(zhǔn)電 阻)。緩沖器20B的電阻大于基準(zhǔn)電阻的事實(shí)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(nèi)部容積的一半。因此，控制電路部分20D操作 致動(dòng)器20C ，直到緩沖器20B的電阻下降到基準(zhǔn)電阻以下為止。當(dāng)緩沖器20B的電阻小于基準(zhǔn)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(nèi)部容積的一半)時(shí)，控制電路部分20D停止致動(dòng)器20C的操作。當(dāng)緩沖器20B的電阻改變時(shí)，緩沖器20B的電流相應(yīng)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(dòng) 器20C的操作。圖3圖示了圖2的燃料電池的緩沖器20B、致動(dòng)器20C、和控制電路部 分20D之間的操作關(guān)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(dāng)緩沖器20B的電阻大于基準(zhǔn)電阻時(shí)，將預(yù)定操作信號(hào)從控 制電路部分20D施加到致動(dòng)器20C。致動(dòng)器20C被接通，并且根據(jù)該操作信 號(hào)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(kuò)散盤40 而將由致動(dòng)器20C提供的燃料提供給緩沖器20B。由于燃料擴(kuò)散盤40,可以 將致動(dòng)器20C提供的燃料同時(shí)提供到緩沖器20B的底面的整個(gè)區(qū)域中。可以 將所述操作信號(hào)施加第一時(shí)間段tl。在施加了所述操作信號(hào)之后，致動(dòng)器20C 被關(guān)閉第二時(shí)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(gè)容積內(nèi)為止。在第二時(shí)間t2期間，控制電路部分20D測(cè)量緩沖器 20B的電阻。當(dāng)緩沖器20B的電阻仍然大于基準(zhǔn)電阻時(shí)，在第二時(shí)間t2之后， 控制電路部分20D將接通信號(hào)傳送給致動(dòng)器20C，以便再次操作致動(dòng)器20C。 然而，當(dāng)在第二時(shí)間t2之后緩沖器20B的電阻低于或等于基準(zhǔn)電阻時(shí)，控制 電路部分20D將致動(dòng)器20C連續(xù)地保持在關(guān)閉狀態(tài)下，直到緩沖器20B的電 阻大于基準(zhǔn)電阻為止。優(yōu)選地，將第一時(shí)間tl設(shè)置為短于第二時(shí)間t2,以便防止由于過多的燃 料供應(yīng)而導(dǎo)致的問題。然而，可能存在例外。第一時(shí)間tl和第二時(shí)間t2的和 (tl+t2)是控制電路部分20D提供給致動(dòng)器20C以控制致動(dòng)器20C的操作信號(hào) 的周期。該周期可以是例如10秒。當(dāng)該周期是大約10秒時(shí)，第一時(shí)間tl大 約是3-5秒，而第二時(shí)間t2大約是5-7秒。根據(jù)緩沖器20B的電阻，周期 時(shí)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(guān)。緩沖器20B可以具有
多種形狀。此外，當(dāng)在致動(dòng)器20C和燃料擴(kuò)散盤40之間額外提供閥門(未示出)以調(diào) 節(jié)它們之間的燃料的流動(dòng)時(shí)，控制電路部分20D可以利用與用于控制致動(dòng)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(jù)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(dòng)器20C和控制電路部分20D之 間的操作方法的流程圖。參照?qǐng)D3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(cè)量緩沖器20B的電阻R1(S1)。將所測(cè)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(zhǔn)電阻Rref進(jìn)行比較， 并且確定Rl是否大于Rref(S2和S2')。當(dāng)在S2和S2，中確定Rl大于Rref(Rl〉Rref)(Y)時(shí)，控制電路部分20D 在預(yù)定時(shí)間內(nèi)將操作信號(hào)施加到致動(dòng)器20C以便操作致動(dòng)器20C(S3)。然后， 將Rl與Rref相比較，以確定哪一個(gè)更大(S4)。當(dāng)Rl仍然大于Rref(Y)時(shí)， 重復(fù)S3。同時(shí)，當(dāng)在S2和S2，中Rl不大于Rref(N)時(shí)，即，當(dāng)Rl等于或小于Rref 時(shí)，控制電路部分20D停止致動(dòng)器20C的操作(S5)。然后，將Rl與Rref相 比較，以確定哪一個(gè)更大(S6)。當(dāng)Rl仍然不大于Rref(N)時(shí)，重復(fù)S5。致動(dòng) 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(dòng)器20C的操作信號(hào)施加參照?qǐng)D3描述的第 一時(shí)間段tl。此外，可以將致動(dòng)器20C的非操作狀態(tài)保持參照?qǐng)D3描述的第 二時(shí)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(cè)量緩 沖器20B的電阻，測(cè)量電流，并且可以將所測(cè)量的電流與基準(zhǔn)電流相比較。盡管參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 技術(shù)人員將理解可以在其中進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的改變，而不背離由所 附權(quán)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(shù)領(lǐng)域的技術(shù)件，例如致動(dòng)器或燃料盒的結(jié)構(gòu)。此外，在圖3中，可以將緩沖器20B分為 兩個(gè)或更多，并且如果必要的話，可以將燃料擴(kuò)散盤40分為相同的數(shù)目。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池包括控制電路部分，其測(cè)量緩沖器的 電阻，將所測(cè)量的電阻與基準(zhǔn)電阻相比較，并且控制致動(dòng)器的操作。因此， 根據(jù)本發(fā)明，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置基準(zhǔn)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(nèi)。當(dāng)要關(guān)閉燃料電池時(shí)，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(nèi)，因此可以將燃料電池的輸出穩(wěn)定地保持在給定范圍內(nèi)。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(dāng)燃料電池處于關(guān)閉狀態(tài)下時(shí)，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(shí)，防止由于燃料電 池中剩余的燃料的反應(yīng)而導(dǎo)致的燃料電池堆性能的下降。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池，包含燃料電池堆、緩沖器和致動(dòng)器，該燃料電池包括 控制電路部分，用于根據(jù)緩沖器的預(yù)定物理量的值來控制致動(dòng)器的操作。
2. 如權(quán)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(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述預(yù)定物理量是電阻。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述緩沖器包括燃料存儲(chǔ)介質(zhì)，該燃料存儲(chǔ)介質(zhì)能夠在其整個(gè)區(qū)域中均勻地存儲(chǔ)燃料，而與燃料電池的位置 無關(guān)。
5. 如權(quán)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(dòng)器，該方法包括測(cè)量緩沖器的預(yù)定物理量；將所測(cè)量的預(yù)定物理量與該預(yù)定物理量的基準(zhǔn)值相比較；以及 根據(jù)比較結(jié)果來操作所述致動(dòng)器。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，使用控制電路部分來測(cè)量所述預(yù)定 物理量。
8. 如權(quán)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(cè)量的 預(yù)定物理量的比較。 .
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，使用控制電路部分來控制致動(dòng)器的操作。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，使用控制電路部分來控制致動(dòng)器 的操作。
11. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述預(yù)定物理量是電阻和電流中 的任一個(gè)。
12. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述基準(zhǔn)值是在緩沖器充滿預(yù)定 量的燃料時(shí)測(cè)量的物理量。
13. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述致動(dòng)器的操作包括當(dāng)所述預(yù) 定物理量大于基準(zhǔn)值時(shí)，將致動(dòng)器接通給定時(shí)間。
14. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述致動(dòng)器的操作包括當(dāng)所述預(yù) 定物理量不大于基準(zhǔn)值時(shí)，將致動(dòng)器關(guān)閉給定時(shí)間。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，接通致動(dòng)器包括重復(fù)緩沖器的預(yù) 定物理量的測(cè)量以及所測(cè)量的預(yù)定物理量的比較。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，關(guān)閉致動(dòng)器包括重復(fù)緩沖器的預(yù) 定物理量的測(cè)量以及所測(cè)量的預(yù)定物理量的比較。
17. 如權(quán)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(cè)量 的預(yù)定物理量的比較。
18. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，使用控制電路部分來控制致動(dòng)器 的操作。
19. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述致動(dòng)器的操作包括當(dāng)所述預(yù) 定物理量不大于基準(zhǔn)值時(shí)，將致動(dòng)器關(guān)閉給定時(shí)間。
全文摘要
一種燃料電池包括燃料電池堆、緩沖器、致動(dòng)器和控制電路部分。控制電路部分根據(jù)緩沖器的預(yù)定物理量的值來控制致動(dòng)器的操作。通過測(cè)量緩沖器的預(yù)定物理量、將所測(cè)量的預(yù)定物理量與該預(yù)定物理量的基準(zhǔn)值相比較、并且根據(jù)比較結(jié)果而操作致動(dòng)器，來操作包括燃料電池堆、緩沖器和致動(dòng)器的燃料電池。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101145616SQ20071009657
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月13日
發(fā)明者姜尚均, 李在鏞 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社