CN101420039B - 燃料电池***和计算燃料量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有储存液体燃料的燃料筒的燃料电池***和计算燃料筒内剩余燃料量的方法。本发明的燃料电池***包括：用于储存燃料的燃料筒；通过燃料和氧气的电化学反应发电的燃料电池堆；用于抽吸储存于燃料筒内燃料的燃料泵；在燃料筒的接合单元和燃料泵之间的燃料通道上设置的压力传感器；以及用于计算燃料筒内的燃料几乎耗尽的时间点的燃料量计算单元。通过本发明，能够以低成本预先感应燃料筒内的燃料耗尽，以防止燃料电池中MEA的损害，并能够防止对使用者造成的不便或意想不到的损害。

Description

燃料电池***和计算燃料量的方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2007年10月23日向韩国知识产权局递交的韩国专利申请10-2007-0106768的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种通过更换燃料筒来再补充燃料的燃料电池***，特别涉及具有储存液体燃料的燃料筒的燃料电池***和计算燃料筒内剩余燃料量的方法。
背景技术
通常，燃料电池是通过氢气和氧气的电化学反应直接将化学能转化为电能的发电***。作为氢气，可以直接向燃料电池供应纯氢气，或者可以供应通过重整诸如甲醇、乙醇、天然气等材料而获得的氢气。作为氧气，可以直接向燃料电池***供应纯氧气，或者用空气泵供应普通空气中所含的氧气。
燃料电池可以分为聚合物电解质膜燃料电池、在100℃或者更低的温度下工作的直接甲醇燃料电池、在约150～200℃下工作的磷酸燃料电池、在600～700℃的温度下工作的熔融碳酸盐燃料电池以及在1000℃或者更高的温度下工作的固体氧化物燃料电池。这些燃料电池在发电原理上基本是相同的，只是使用了不同种类的燃料、催化剂、电解质等。
其中，直接甲醇燃料电池(DMFC)直接将高浓度液相甲醇和水的混合物来代替氢气用作燃料。直接甲醇燃料电池在输出密度上低于将氢气直接用作燃料的燃料电池。然而，直接甲醇燃料电池的优点在于，对于每单位体积的用作燃料的甲醇具有高能量密度，燃料易于储存，以及适合于燃料电池需要在低输出和长时间下进行操作的情形。而且，直接甲醇燃料电池可以具有更紧凑的结构，这是因为不需要诸如重整燃料以产生氢气的重整器等附加装置。
而且，直接甲醇燃料电池(DMFC)包括具有聚合物电解质膜的膜电极组件(MEA)、与聚合物电解质膜两侧接触的阴极和阳极。作为聚合物电解质膜可以使用含氟聚合物。然而，因为甲醇可极其迅速地渗入到含氟聚合物膜内，在直接甲醇燃料电池将高浓度甲醇用作燃料时，会发生未反应的甲醇渗透聚合物电解质膜的窜透现象(crossover phenomenon)。因此，为了降低甲醇浓度，必须向燃料电池***供应甲醇与水混合的混合燃料。
在上述燃料电池的情况下，尤其是便携式的DMFC，考虑到方便使用者，典型地使用燃料罐，该燃料罐采用其中装满燃料的燃料筒，而不是直接向燃料电池内的燃料罐注入流体燃料。
然而，当燃料筒内的燃料耗尽时，空气会供应到燃料电池的MEA中，由此会对燃料电池***产生致命损害。因此，需要一种设备，用于向使用者提供燃料罐内燃料耗尽的信息或者通过预先感应燃料耗尽来停止燃料电池***。然而，因为燃料筒型的燃料电池***是紧凑的***，附加的用于预先感应燃料筒中燃料耗尽的设备在体积和成本方面对燃料电池***增加了较重负担。
而且，在具有防止向燃料电池的MEA注入空气的结构的燃料电池***内，在电子设备使用期间，由于燃料电池内的燃料耗尽而突然停止电子设备会对使用者产生巨大的不便和数据丢失的风险。
发明内容
本发明解决了以上问题，并且还提供了附加优点。本发明的目的是提供一种能够以低成本预先感应燃料筒内燃料耗尽的燃料电池***。
为了实现上述目的，本发明的燃料电池***包括：用于储存燃料的燃料筒；通过燃料和氧气的电化学反应发电的燃料电池堆；用于抽吸储存于燃料筒内燃料的燃料泵；在燃料筒的接合单元和燃料泵之间的燃料通道中设置的压力传感器；以及用于计算燃料筒内的燃料接近耗尽的时间点的燃料量计算单元。
为了实现上述目的，在本发明的燃料电池***内执行的计算燃料量的方法包括：在燃料泵之前的燃料通道上监测压力；和如果在预定时间内压力差超出预定参考值，则计算为接近燃料耗尽。
附图说明
结合附图，从以下特定的示例性实施方式的描述中，这些和/或其它实施方式和优点会变得显而易见并更容易理解。
图1为表示根据本发明的一个实施方式的燃料电池***的示意图；
图2为表示使用袋式燃烧筒时在燃料泵之前的燃料通道中压力变化的曲线图；
图3A为表示在图1的燃料量计算单元内执行计算燃料量的方法的一个实施方式的流程图；和
图3B为表示在图1的燃料量计算单元内执行计算燃料量的方法的另一个实施方式的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图将会对特定的示例性实施方式进行说明。这里，当描述第一元件与第二元件连接时，第一元件不但可以与第二元件直接连接，而且还可以通过第三元件与第二元件间接连接。而且，为清楚起见，省略了对完全理解本发明不重要的元件。并且，相同的附图标记在全文中指代相同的元件。
下面为了使本领域技术人员易于实现本发明，将参照附图对示例性实施方式进行更详细地说明。然而，本发明的实施方式可以以若干形式实现，而不仅限于此。
例如，在贯穿本发明的实施方式的说明中使用了称为燃料电池堆的术语。然而，这仅仅是为了方便起见。用于描述本发明实施方式的燃料电池堆包括具有堆叠型的单元电池的堆、具有扁平型的单元电池的堆以及具有单个单元电池的单元堆(unit stack)。
并且，本发明的实施方式是基于包括用于回收未反应燃料的混合罐的直接甲醇燃料电池进行说明的。然而，本发明实施方式的构思可以应用于任何使用液体燃料(例如甲醇、乙酸、含氢合金溶液等)的燃料电池***。这也属于本发明的范围。
图1示出了根据本发明实施方式的更换燃料筒模式的DMFC燃料电池***的基本结构。
图1示出了包括混合罐120的燃料电池***，该混合罐将燃料电池堆130的阴极副产物与燃料筒180中的燃料进行混合来稀释燃料。然而，本发明的构思可以应用于不具有混合罐的燃料电池***。
图1中，混合罐120从一根管道接受燃料电池堆130的流出物，但实际上它同时接受包括MEA的燃料电池堆130的阴极和阳极的流出物。
并且，在混合罐120和燃料电池堆130间的管道内可以提供冷凝器，用于将燃料电池堆130的流出物中的气体组分冷凝成液体组分。
高浓度甲醇储存在用作燃料罐的燃料筒180内。如果将燃料筒180和燃料电池***100通过燃料筒的连接单元182和燃料电池***的连接单元112结合在一起，则燃料电池***100利用燃料泵118可以从燃料筒180的燃料出口接受燃料。燃料筒180包括储存液体燃料的袋186，储存在袋186中的液体燃料通过排液管184流向所结合的燃料电池***100的燃料泵118。
袋186可以由诸如PVC等塑性材料制成，而且具有被挤压时容积变小的特性，而储存在其中的燃料被消耗时袋的表面积不发生变化。
混合罐120将来自燃料筒180的高浓度燃料和燃料电池堆130的阴极产物进行混合以产生具有适当浓度的甲醇水溶液，并将其供应给燃料电池堆130的阳极。
整流器160将燃料电池堆中电化学反应产生的电的电压/电流进行转换以适于使用，并将其传输给外部负载，并且将部分能量作为燃料电池内的各部件的驱动功率，尤其是供应给驱动控制器150和/或燃料量计算单元142。根据一个实施方式，驱动控制器150和燃料量计算单元142可以是同一个运算单元。
在燃料筒180与燃料电池***100接合的状态下，燃料泵118根据驱动控制器150的指示进行抽吸。因此，通过袋186的自身弹力产生了为维持袋186的内部容积的力，并且该力给燃料电池***100的燃料通道114施加了一定负压。在此，压力传感器116感应燃料通道114内的燃料压力。
图2为当包括PVC材料的袋的燃料筒应用于根据本发明的燃料电池***时，显示压力传感器检测的感应值变化的曲线图。
如图所示，可以理解，在燃料耗尽前5分钟存在一个指示恒定负压的感应值迅速下降的点。估计此现象发生在这样一个时间点上，在该时间点产生对抗因燃料消耗的袋容积减少和因袋材料自身的袋容积减少的力。
燃料量计算单元142监测压力传感器116的感应值以识别燃料耗尽前5分钟压力迅速下降的点。其后，燃料量计算单元判断该时间点作为燃料接近耗尽的时间点。燃料接近耗尽意味着燃料量已低于下限量。换句话说，一旦当压力传感器116测出压力下降超过一个域值，燃料计算单元142计算出燃料的耗尽可能在一定时间段(在本实施方式中为约5分钟)内发生。该压力下降预示着燃料电池中的燃料降至所述下限以下。所述燃料电池***可进一步包括告警单元。据此，如果燃料量计算单元142判断为燃料接近耗尽的点，所述告警单元则可以利用例如声音、语音、诸如LED等的光来通知使用者燃料已接近耗尽，和/或执行燃料电池***的驱动停止。在一些实施方式中，图1的燃料电池***包括诸如LED等的显示装置149。在燃料电池***的驱动停止的情况下，燃料泵118首先停止，然后当由于燃料供应的停止使燃料电池堆130的发电能力降低时，其它部件再停止。燃料泵118可以使用直线电动机型泵，然而在一些实施方式中，紧凑的***可以使用泵压为脉冲形式等的隔膜泵。在隔膜泵的情况下，在燃料电池***中有充足的燃料时，根据关于脉冲形式的泵送信号进行隔膜泵的抽吸而变化的泵压对压力传感器的感应值没有太大影响。
以下，参照图3A和3B，对在燃料量计算单元内所完成的计算燃料剩余量的方法进行说明。
在燃料量计算单元内所完成的计算燃料剩余量的方法包括(a)监测燃料泵之前的燃料通道中的压力(S110)；和(b)如果预定时间窗口的压力差超出预定参考值(S120)，则判断为燃料接近耗尽(S130)。在判断为燃料接近耗尽时，该方法进一步包括(c)显示告警信息(S140)。
在步骤(a)中，在监测压力时起点和终点随着所经过的时间而改变，并且因为它们之间的间隔需要在恒定的时间间隔(称为时间窗口)内的压力感应值，因此通过利用循环缓冲器将这些压力感应值存储在边界线随着所经过的时间移动的预定时间窗中。燃料量计算单元周期性地获取这些压力感应值。在使用循环缓冲器的情况下，最近的压力感应值在第一时间点所存储的压力感应值的位置上被重写。这样，在与任何时刻都具有恒定大小的时间窗口相应的时间点上得到的感应值被存储。
在步骤(b)中，搜索存储在循环缓冲器中的压力感应值的最大值和最小值，并且如果它们的差值作为压力差超出了预定参考值，则燃料量计算单元判断燃料接近耗尽。
在步骤(c)中，通过使用诸如LED或LCD的显示方式，或者诸如在燃料电池***内安装扬声器的声学方式通知使用者燃料筒中的燃料很快将被耗尽。
如图2的曲线图所示，当观测燃料耗尽期间的压力测定值的波形和燃料几乎被耗尽时的压力测定值的波形时，压力感应值在燃料耗尽期间的任意的时间点(曲线中的5分钟时段)上迅速下降了一个第一预定差值的量，而且在燃料几乎耗尽时，压力感应值的波形产生剧烈波动，因此最大值和最小值之差远远大于所述第一差值。
因此，作为为了进行诸如告警和相应于燃料耗尽***停止的两步法的燃料几乎耗尽的时间点的计算方法，第一方法是当在时间窗口内压力感应值的最大值和最小值之差大于第二预定参考值时判断为燃料几乎耗尽，其中第二预定参考值大于所述第一差值，第二方法是当在从步骤(b)中判断出接近燃料耗尽的时间点开始经过预定时间(曲线图中为5分钟)时判断为燃料几乎耗尽，以及第三方法是根据在监测的压力感应值的波形中产生的波动频率来判断燃料几乎耗尽。其中，第三方法的实现相当复杂不作为示例。
在图3A所示的第一方法的情况下，在本发明的实施方式中，计算燃料量的方法可以进一步包括：(d)如果在步骤(b)中判断出燃料接近耗尽，在执行步骤(c)的同时继续监测在燃料泵之前的燃料通道内的压力(S150)；(e)当压力差超过第二预定参考值，根据判断燃料几乎耗尽(S160)，停止燃料电池***(S190)。
在图3B所示的第二方法的情况下，步骤(d)和步骤(e)被省略，可以用步骤(f)和步骤(g)代替步骤(d)和步骤(e)，其中(f)从步骤(b)中判断出燃料接近耗尽的时间点开始计算所经过的时间(S170)；(g)如果所述计算值超出预定参考时间(S180)，则根据判断为燃料几乎耗尽而停止燃料电池***(S195)。
在步骤(e)和步骤(g)中停止燃料电池***的驱动。这时，典型地首先停止燃料泵，而不是突然地同时停止整个燃料电池***，以防止空气注入燃料电池堆，然后在填满燃料电池堆内的燃料被耗尽使输出电压降低时停止其它部件，而本发明并仅不限于此。
由于通过执行根据该结构的计算燃料量方法来完成本发明实施方式的燃料电池***，能够以低成本感应燃料筒内的燃料耗尽，以防止燃料电池内的MEA损害，并能够防止对使用者的数据造成不便或者意想不到的损害。
虽然已示出并说明了本发明的若干实施方式，但本领域技术人员应理解的是，可以在实施方式上进行改变而不背离本发明的原则和精神，所述范围由权力要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种燃料电池***，包括：
燃料筒，用于储存燃料；
燃料电池堆，配置为通过燃料和氧气的电化学反应发电；
燃料泵，配置为抽吸储存于燃料筒内的燃料；
压力传感器，设置在燃料筒的接合单元和燃料泵之间的燃料通道中；和
燃料量计算单元，配置为计算燃料筒内的燃料接近耗尽的时间点；
其中所述燃料量计算单元包括循环缓冲器，用于存储压力传感器在预定时间窗口内的感应值，
如果在循环缓冲器内感应值的最大值和最小值之差超过第一预定参考值，则燃料量计算单元将该时间点计算为燃料接近耗尽的时间点。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，进一步包括告警单元以在燃料量计算单元计算出燃料接近耗尽的时间点时通知使用者燃料已接近耗尽。
3.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中所述燃料量计算单元计算出燃料接近耗尽的时间点，然后监测压力传感器的压力，和
其中如果在循环缓冲器内感应值的最大值和最小值之差超过第二预定参考值，则燃料量计算单元停止燃料电池***。
4.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中如果从燃料接近耗尽的时间点开始所经过的时间超过预定参考时间值，则燃料量计算单元停止燃料电池***。
5.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中所述燃料筒包括袋容器，所述袋容器具有恒定的表面积，但随燃料的消耗具有可变的容积。
6.根据权利要求5所述的燃料电池***，其中所述袋容器包括塑性材料。
7.根据权利要求1所述的燃料电池***，进一步包括产生稀释的燃料的混合罐，所述稀释的燃料为燃料泵抽吸的燃料和燃料电池堆的流出物的混合物，
其中所述混合罐配置为向燃料电池堆供应稀释的燃料。
8.根据权利要求1所述的燃料电池***，进一步包括整流器，配置为将燃料电池堆内产生的电进行转换以适于传输给外部负载。
9.根据权利要求1所述的燃料电池***，进一步包括驱动控制器，配置为控制燃料电池***内各个部件的运行。
10.根据权利要求9所述的燃料电池***，其中驱动控制器和燃料量计算单元为同一运算单元。
11.一种在燃料电池***内执行的计算燃料量的方法，包括：
在燃料泵上游的燃料通道中监测压力；和
如果在预定时间内压力的变化幅度超出第一预定参考值，则计算为燃料接近耗尽。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括向使用者显示燃料接近耗尽的告警信息。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括当计算出燃料接近耗尽时，继续监测燃料泵上游的燃料通道内的压力；和如果压力变化的幅度超过第二预定参考值，则根据计算出燃料几乎耗尽而停止燃料电池***。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在计算出燃料接近耗尽时，在向使用者显示告警信息的同时从计算出燃料接近耗尽的时间点开始计算所经过的时间；和如果所计算的时间超出预定参考时间，则根据计算出燃料几乎耗尽而停止燃料电池***。
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