專利名稱：驅(qū)動燃料電池裝置的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種驅(qū)動用于向電子裝置等提供電流的燃料電池裝置的方法。
背景技術(shù)：
目前，諸如鋰離子電池的二次電池主要被用作電子裝置的能源，該電子裝置例如，便 攜式筆記本個人計算機(筆記本PC)，移動裝置，等。近年來，體積小，輸出高，且無需
充電的燃料電池有望成為新能源，以滿足日益增加的能耗，與長久使用具有更高功能的電 子裝置的需要。在各類燃料電池中，與使用氫作為其燃料的燃料電池相比，使用甲醇溶液
作為其燃料的直接甲醇燃料電池(DMFC)，允許更方便地處理燃料與更簡單的系統(tǒng)配置。 因此，DMFC是值得注意的電子裝置的能源。
通常，DMFC提供有燃料池，其包含甲醇，液泵，其將甲醇液壓到起電部，氣泵，其 對起電部提供空氣，等等。起電部設置有電池組，其由層疊的單一電池組成，各自包括陽 極和陰極。當分別對陽極和陰極側(cè)提供甲醇與空氣時，將通過化學反應產(chǎn)生電力。作為電 力產(chǎn)生所生成的反應產(chǎn)物，將在起電部的陽極側(cè)生成未反應的甲醇和二氧化碳，并在陰極 側(cè)生成水。作為反應產(chǎn)物的水將被壓縮為蒸汽并排出。
以此種方式構(gòu)成的燃料電池已經(jīng)被開發(fā)作為保證清潔廢氣的電池。在系統(tǒng)異常的情形 中，可能會排出未反應的甲醇，多余的二氧化碳，或者中間產(chǎn)物，諸如蟻酸，蟻醛等。因 此，為了穩(wěn)定運行燃料電池，當起電部以最佳控制濃度提供燃料時，應當測量其產(chǎn)生的電 力，與電池組的溫度。
舉例來說，在第2006-286239號日本專利申請KOKAI公布中披露的燃料電池系統(tǒng)中， 提供有濃度/電壓控制機構(gòu)，其在發(fā)電機的溫度升高時，降低含水甲醇溶液的濃度，與DMFC 電力發(fā)電機的電壓。提出有一個方法，其中提供甲醇以補充與設定濃度相比的不足，并且 從組輸出與修正的燃料消耗因子，估計過去預定時間段中的甲醇消耗，從而修正要補充的 甲醇的量。
然而，通常，DMFC的電力產(chǎn)生效率具有如下特征，其并不關于電池組溫度與負載電 流的改變而固定，在確定的溫度或負載電流取得最大值，并隨著距離從最大值減少。如果
在DMFC系統(tǒng)啟動時，或者由于周圍環(huán)境的變動，電子裝置的能耗變動等，DMFC系統(tǒng)的 任何情況，尤其是電池組溫度和負載電流，將會變化，因此，將燃料消耗因子或電力產(chǎn)生 效率視為固定補充的傳統(tǒng)濃度控制，會導致圍繞陽極循環(huán)的含水甲醇溶液的濃度不穩(wěn)定， 并影響DMFC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到這些情況作出的，其目的是提供一種驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其中 將補充最佳量的燃料，以設置適當?shù)娜剂蠞舛龋瑥亩鼙ＷC穩(wěn)定運行并提高輸出能量。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供有一種驅(qū)動燃料電池裝置的方法，該燃料電池裝置設置有 起電部，該起電部包括陽極和陰極，并基于提供到陽極的燃料與提供到陰極的空氣的化學 反應產(chǎn)生電力；控制部，其基于所連接的電子裝置的負載電流，將輸出從起電部傳遞到所 連接的電子裝置；混合池，其配置為包含提供到陽極的燃料；燃料通道，從混合池提供的 燃料通過起電部的陽極側(cè)流過該通道；空氣通道，空氣通過陰極穿過該通道；補充容器， 其包含要補充到混合池的燃料；燃料提供部，其將補充容器中的燃料提供到混合池；濃度 傳感器元件，其放置在混合池與起電部之間的燃料通道中，并檢測流動穿過燃料通道的含 水燃料溶液的燃料濃度；以及溫度傳感器元件，其檢測起電部的溫度，該方法包含基于 濃度傳感器元件檢測到的燃料濃度與預定理想燃料濃度的差值，計算燃料短缺；基于溫度 傳感器元件檢測到的起電部的溫度，與控制部測量的負載電流，獲得起電部的電力產(chǎn)生效 率；基于起電部的輸出，與獲得的電力產(chǎn)生效率，計算起電部用于電力產(chǎn)生的燃料消耗； 以及由提供部對混合池補充一定量的燃料，該數(shù)量等于計算的燃料短缺與計算的燃料消耗 之和，從而控制提供到起電部的燃料濃度。
根據(jù)上述安排，可以提供驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其中能補充最佳數(shù)量的燃料，以 設置合適的燃料濃度，從而能保證穩(wěn)定運行并提高輸出能量。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)勢將在以下中進行闡述，其中部分通過說明顯而易見，或者可 以通過實踐本發(fā)明進行了解。本發(fā)明的目的和優(yōu)勢可以通過以下特別指出的手段和組合來 實現(xiàn)和獲得。


以下參照附圖，說明實現(xiàn)本發(fā)明諸多特征的總體結(jié)構(gòu)。附圖及其相關說明是提供來圖 釋本發(fā)明的實施例，而非限制本發(fā)明的范圍。
圖1是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池裝置的圖表；
圖2是示意性顯示構(gòu)成燃料電池裝置的電池組的單一電池的視圖3是顯示電池組溫度，用于電池組的負載電流，與燃料電池裝置的電力產(chǎn)生效率之 間的關系的圖表；
圖4是顯示電池組溫度，用于電池組的負載電流，與燃料電池裝置的電力產(chǎn)生效率之 間的關系的圖表；
圖5是顯示對燃料電池裝置的燃料濃度的優(yōu)化操作的流程圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，詳細說明本發(fā)明的實施例。
圖1示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池裝置10。如圖1所示，燃料電池裝置 IO構(gòu)成為使用甲醇作為其液體燃料的DMFC。裝置10提供有電池組12，燃料池14，循環(huán) 系統(tǒng)20，和電池控制部16。電池組12構(gòu)成起電部。循環(huán)系統(tǒng)20對電池組提供燃料和空 氣。電池控制部16控制整個燃料電池裝置的運行。控制部16包括微型計算機(CPU)等， 并電連接到電池組12。此外，控制部16將電池組12產(chǎn)生的電力提供到電子裝置17，諸 如筆記本PC，移動電話等。電池控制部16同時測量電池組12的輸出能量，與從電子裝置 17到電池組12的負載電流。
燃料池14具有密封結(jié)構(gòu)，其中包含有高濃度甲醇作為液體燃料。池14可以形成為可 移除地附接到燃料電池裝置10的燃料盒。
循環(huán)系統(tǒng)20包括陽極通道(燃料通道)22，陰極通道(氣體通道)24，以及多個輔 助組件。從燃料池14的燃料入口提供的燃料，通過電池組12穿過陽極通道22。包含空氣 的氣體通過電池組12穿過陰極通道24。輔助組件結(jié)合在陽極和陰極通道中。陽極和陰極 通道22和24各自由管道等形成。
電池組12通過逐層堆疊多個單一電池形成。圖2示意顯示各單一電池的電力產(chǎn)生反 應。各單一電池140設置有薄膜電極組件(MEA)，其集成地包括陰極(空氣電極)66， 陽極(燃料電極)67，和大致為矩形的聚合物電解質(zhì)薄膜144。陰極66和陽極67大致為 矩形板，各自由催化劑層和碳素紙形成。聚合物電解質(zhì)薄膜144夾在陰極和陽極之間。聚 合物電解質(zhì)薄膜144的面積大于陽極67和陰極66。
提供的燃料和空氣在陽極67與陰極66之間的聚合物電解質(zhì)薄膜144中互相化學反應， 從而在陽極和陰極之間產(chǎn)生電力。電池組12中產(chǎn)生的電力通過電池控制部16，提供到電 子裝置17。
如圖1所示，電池組12裝配有溫度傳感器18，用來檢測其溫度。傳感器18電連接到 電池控制部16，并將檢測的電池組12的溫度輸出到電池控制部16。
如圖1所示，充當燃料提供部的燃料泵26連接到陽極通道22。泵26用管道連接到燃 料池14的燃料入口。泵26的驅(qū)動電壓或轉(zhuǎn)動頻率由電池控制部16控制，從而調(diào)整提供 到陽極通道22和混合池28 (稍后說明)的高濃度燃料的流速。
調(diào)整燃料濃度的混合池28放置在陽極通道22中，并通過管道連接到燃料泵的輸出部 分。在陽極通道22中，液泵30設置在混合池與電池組12之間，并連接到混合池28的輸 出部分。液泵30的輸出部分通過陽極通道22，連接到電池組12的陽極67。因此，液泵 30將含水甲醇溶液從混合池28提供到陽極67。
在陽極通道22中，濃度傳感器31設置在混合池28與液泵30之間。傳感器31檢測 從混合池28提供到電池組12的液體燃料的濃度，并將檢測數(shù)據(jù)輸出到電池控制部16。
電池組12的陽極67的輸出部分通過陽極通道22，連接到混合池28的輸入部分。氣 液分離器32附接到陽極通道22中位于電池組12的輸出部分與混合池28之間的部分。廢 液從陽極67排出，即，包含含水甲醇溶液中未用于化學反應的未反應部分，與生成的二 氧化碳(C02)的氣液兩相流體，被饋送到氣液分離器32，在其中分離二氧化碳。分離的 含水甲醇溶液通過陽極通道22返回到混合池28，并再次提供到陽極67。氣液分離器32 分離的二氧化碳通過過濾器(未顯示)，排放到空氣中。
陰極通道24的引入口 24a和廢氣口 24b獨立開放到大氣中。結(jié)合在陰極通道24中的 輔助組件包括空氣過濾器40，氣泵42，和廢氣過濾器44。空氣過濾器40位于陰極通道 24在電池組12上游側(cè)的引入口 24a附近。氣泵42連接到陰極通道24位于電池組12與空 氣過濾器之間的部分。廢氣過濾器44位于電池組12與在電池組下游側(cè)的廢氣口 24b之間。
當啟動氣泵42時，空氣通過引入口 24a饋送到陰極通道24。在饋送的空氣通過空氣 過濾器40之后，其將從氣泵42饋送到電池組12的陰極66，從而利用空氣中的氧氣來產(chǎn) 生電力。從陰極66排出的空氣穿過陰極通道24和廢氣過濾器44，并通過廢氣口24b排出 到大氣中。
空氣過濾器40捕獲并移除進入陰極通道24的空氣中的塵埃，并凈化有害組分，例如 二氧化碳，蟻酸(formic acid)，可燃氣體，甲酸甲酉旨(methyl formate),蟻醛(formaldehyde) 等。廢氣過濾器44凈化通過陰極管道24排放到外部的空氣中的副產(chǎn)物，并捕獲廢氣中的 可燃氣體等。
在運行以此種方式構(gòu)成的燃料電池裝置IO作為電子裝置17的能源時，在電池控制部 16的控制下，啟動燃料泵26，液泵30，和氣泵42，并打開開關閥。甲醇由燃料泵26，從 燃料池14提供到混合池28，從而在混合池中與水混合，以形成具有理想濃度的含水甲醇 溶液。此外，混合池28中的含水甲醇溶液由液泵30，穿過陽極通道22，提供到電池組12 的陽極67。
氣泵42將開放氣體通過其引入口 24a，引入到陰極通道24中。當空氣穿過空氣過濾 器40時，將去除其塵埃和雜質(zhì)。在穿過過濾器40之后，空氣提供到電池組12的陰極66。
提供到電池組12的甲醇和空氣在位于陽極67與陰極66之間的電解質(zhì)薄膜中進行電 化學反應，從而在陽極與陰極之間產(chǎn)生電力。電池組12中產(chǎn)生的電力通過電池控制部16， 提供到電子裝置17。
隨著電化學反應的進行，在電池組12中，將分別在陽極67與陰極66側(cè)生成二氧化 碳和水作為反應產(chǎn)物。在陽極側(cè)生成的二氧化碳和未用于化學反應的含水甲醇溶液中的未 反應部分，通過陽極通道22饋送到氣液分離器32，從而彼此分離。分離的含水甲醇溶液 通過陽極通道22，從氣液分離器32回收到混合池28中，并再次用來產(chǎn)生電力。分離的二 氧化碳從分離器32排出到大氣中。
電池組12的陰極66側(cè)生成的大部分水壓縮為蒸汽，連同進入陰極通道24的空氣被 排出。包含排出氣體與蒸汽的氣體饋送到廢氣過濾器44，從而清除塵埃與雜質(zhì)，然后通過 陰極管道24的廢氣口 24b排放到外部。
在上述電力產(chǎn)生操作中，電池控制部16基于溫度傳感器18檢測的電池組12的溫度， 與電子裝置17的負載電流，計算燃料電池裝置10的電力產(chǎn)生效率?；谠撾娏Ξa(chǎn)生效率， 電池控制部16控制甲醇供應，從而優(yōu)化提供到陽極67的燃料濃度，以及電力產(chǎn)生操作。
電池控制部16預先加載有數(shù)據(jù)，作為指示電池組12的溫度，負載電流，與電力產(chǎn)生 效率之間關系的數(shù)據(jù)庫。圖3顯示由電池組12的特征推出的電池組，負載電流，與電力 產(chǎn)生效率之間的關系。多個特征曲線^， fe， ^和4分別代表對負載電流0.5， 1， 2和3A建 立的電池組溫度與電力產(chǎn)生效率之間的關系。燃料電池裝置的電力產(chǎn)生效率具有如下特 征，諸如不關于電池組溫度和負載電流的改變而固定，在特定溫度或負載電流時達到最大 值，并隨距離從最大值減少。電池控制部16包括存儲器(未顯示)，其加載有這些特征作 為參考數(shù)據(jù)。此外，電池控制部16加載有最佳燃料濃度值作為對應于電池組12特征的參 考值。
如圖4所示，電池組溫度與電力產(chǎn)生效率之間的關系，可以通過逐漸改變(1)或線
性改變(2)以及基于特定方程的改變(3)來近似。
以下是對燃料電池裝置的電力產(chǎn)生操作中，用于優(yōu)化所提供燃料濃度的調(diào)整方法的詳 細描述。具體說來，電池控制部16基于電池組溫度和負載電流，獲得燃料電池裝置的電 力產(chǎn)生效率，并基于獲得的電力產(chǎn)生效率和組輸出，計算發(fā)電所消耗甲醇的估算量。
以下參照圖5的流程圖，說明調(diào)整方法。
首先，電池控制部16引起濃度傳感器31檢測燃料濃度，B卩，含水甲醇溶液(ST1) 的甲醇濃度，并基于所檢測燃料濃度與預定理想燃料濃度(ST2)之間的差值，計算燃料 短缺M1。此外，電池控制部16引起溫度傳感器18檢測電池組12的溫度，并測量從燃料 電池裝置10對其供電的電子裝置17的負載電流(ST3)。電池控制部16基于所檢測電池 組12的溫度，所測量負載電流，和圖3所示預先加載的參考數(shù)據(jù)，獲取電池組12的電力 產(chǎn)生效率n (%) (ST4)。
接著，電池控制部16測量電池組12的輸出，并基于所測量輸出與所獲得電力產(chǎn)生效 率ri，計算電池組12為電力產(chǎn)生要消耗的甲醇M2 (ST6)。此外，在作為用于補充的甲醇 供應中，電池控制部16計算燃料(甲醇)量，該燃料(甲醇)量等于所計算燃料短缺M1 與消耗M2之和(Ml+M2) (ST7)。
電池控制部16確定所計算用于補充的甲醇供應是否小于零(ST8)。如果甲醇供應小 于零，就以甲醇提供視為零來控制燃料泵26，因為不可能有負值的甲醇提供(ST9)。換而 言之，不提供用于補充的甲醇。如果在ST8中得出結(jié)論所計算用于補充的甲醇供應大于零， 電池控制部16就控制燃料泵26的轉(zhuǎn)動頻率或驅(qū)動電壓，從而從燃料池14提供數(shù)量等與 所計算甲醇提供應的甲醇到混合池28。因此，提供到電池組12的含水甲醇溶液的濃度被 可以保持在用于電力產(chǎn)生的最佳理想值。
在上述燃料濃度控制中，使用預定時間段的平均值，作為電池組12的負載電流與電 池組的輸出值。該預定時間段長于濃度控制的控制時間段，例如， 一秒，并短于含水甲醇 溶液循環(huán)穿過陽極通道22的所需時間段(例如，陽極通道22的容量(ml)除以含水甲醇 溶液的流速(ml/min)的比值)。
根據(jù)以此種方式構(gòu)成的燃料電池裝置，基于電池組溫度和負載電流獲得電力產(chǎn)生效 率，基于所獲得電力產(chǎn)生效率和組輸出計算電力產(chǎn)生所消耗甲醇的估算量，并修正甲醇供 應。通過如此，可以提供最佳量的用于補充的甲醇。因此，可以基于燃料電池裝置的運行 條件，周圍環(huán)境的波動，電子裝置的能耗變動等，準確計算燃料消耗。通過提供相當于消 耗量的甲醇用于補充，含水甲醇溶液的濃度可以穩(wěn)定在最佳量，以致燃料電池裝置的電力
產(chǎn)生操作很穩(wěn)定。
因此，可以獲得驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其中將補充最佳量的燃料，以設置合適的 燃料濃度，從而能保證穩(wěn)定運行，并提高輸出能量。
雖然己經(jīng)說明本發(fā)明的某些實施例，這些實施例僅作為示例呈現(xiàn)，而非意在限制本發(fā) 明的范圍。事實上，本文所述的新穎方法與系統(tǒng)能夠以諸多形式實施。此外，可以在本文 所述方法與系統(tǒng)的形式中做出諸多省略，替代，和改變，而不背離本發(fā)明的精神。附加權(quán) 利要求及其等價物是意在覆蓋此種將落在本發(fā)明范圍與精神之內(nèi)的形式或修改。
燃料電池裝置也可以建立在電子裝置中，而非外部連接到電子裝置。所用燃料不限于 甲醇，而可以替換為其他醇類，如乙醇或烴系燃料。此外，燃料提供部不限于燃料泵，而 可以是任意其他裝置，例如注射嘴。舉例來說，如果使用注射嘴，可以通過基于計算的燃 料提供，控制注射頻率，來獲得理想的燃料濃度。
權(quán)利要求
1. 一種驅(qū)動燃料電池裝置的方法，該燃料電池驅(qū)動裝置設置有起電部，該起電部包括陽極和陰極，并基于提供到陽極的燃料與提供到陰極的空氣的化學反應而產(chǎn)生電力；控制部，其基于所連接的電子裝置的負載電流，將輸出從所述起電部傳遞到所連接的電子裝置；混合池，其配置為包含提供到陽極的燃料；燃料通道，從所述混合池提供的燃料通過所述起電部的陽極側(cè)流過該通道；空氣通道，空氣通過陰極穿過該通道；補充容器，其包含要補充到所述混合池的燃料；燃料提供部，其將補充容器中的燃料提供到所述混合池；濃度傳感器元件，其放置在所述混合池與所述起電部之間的所述燃料通道中，并檢測流動穿過燃料通道的含水燃料溶液的燃料濃度；以及溫度傳感器元件，其檢測所述起電部的溫度，其特征在于，該方法包含基于所述濃度傳感器元件檢測到的燃料濃度與預定理想燃料濃度的差值，計算燃料短缺；基于所述溫度傳感器元件檢測到的所述起電部的溫度與所述控制部測量的負載電流，獲得所述起電部的電力產(chǎn)生效率；基于所述起電部的輸出與所述獲得的電力產(chǎn)生效率，計算所述起電部用于電力產(chǎn)生的燃料消耗；以及由所述提供部對混合池補充一定量的燃料，該量等于計算的燃料短缺與計算的燃料消耗之和，從而控制提供給所述起電部的燃料濃度。
2. 如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其特征在于，基于指示先前存儲的所 述起電部的溫度、負載電流與電力產(chǎn)生效率之間關系的數(shù)據(jù)計算電力產(chǎn)生效率。
3. 如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其特征在于，使用預定時間段的平均 值作為所述電子裝置的負載電流以及起電部的輸出，該預定時間段長于燃料濃度控制的控 制時間段，并短于燃料循環(huán)流過所述燃料通道所需的時間段。
4. 如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其特征在于，所述提供部包括燃料泵， 其根據(jù)所計算的燃料短缺與所計算的燃料消耗的總和被驅(qū)動。
5. 如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其特征在于，當所計算燃料短缺與所 計算燃料消耗的總和小于零時，所述提供部被控制為將該總和視為零。
6.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動燃料電池裝置的方法，其特征在于，使用甲醇，乙醇，或烴 系燃料作為燃料。
全文摘要
一種驅(qū)動燃料電池裝置的方法，該方法包括基于濃度傳感器元件(31)檢測到的燃料濃度與預定理想燃料濃度的差值，計算燃料短缺；并基于溫度傳感器元件(18)檢測到的起電部的溫度，與控制部(16)測量的負載電流，獲得起電部(12)的電力產(chǎn)生效率。該方法包括基于起電部的輸出，與獲得的電力產(chǎn)生效率，計算起電部對電力產(chǎn)生的燃料消耗；以及由提供部對混合池(28)補充一定量的燃料，該數(shù)量等于計算的燃料短缺與計算的燃料消耗之和，從而控制提供到起電部的燃料濃度。
文檔編號H01M8/04GK101378130SQ20081021040
公開日2009年3月4日 申請日期2008年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月29日
發(fā)明者瀨堀良一, 鈴木貴博, 長崎央雅 申請人:株式會社東芝