用於燃料電池的管理系統及其方法
2023-06-06 06:40:16
專利名稱：用於燃料電池的管理系統及其方法
技術領域：
本發明通常涉及燃料電池，並且特別涉及燃料電池的管理系統及其方法。
背景技術：
燃料電池技術為用於可攜式電源和電子應用的耐用能源的商業開發提供了機會。隨著消費電子產品越來越輕便的趨勢，一些燃料電池技術提供有前途的選擇性能源來滿足對於可攜式電源日益增長的需求。燃料電池能夠潛在地替代目前在消費電子產品中被使用的各種類型的高密度電池，比如鎳氫和鋰電池系統以及相對便宜的鹼性電池，或者能夠有利地與之競爭。這些類型的電池由於其的低功率密度、短循環壽命、再充電性能或者費用的任何一個原因，而對於諸如膝上型電腦和可攜式電話的消費電子產品而言是不太令人滿意的電源。另外，所有這些類型的電池都帶來環境安全問題和進行適當處理的費用問題。
燃料電池系統是通過電化學反應將化學能轉化成可用的電能的電力生產設備，電化學反應涉及到諸如天然氣、甲醇、乙醇或氫的燃料反應物，以及氧化劑，通常氧來自周圍的空氣。燃料電池系統可以被分成「基於重整裝置的」系統，即，其中燃料在被引入到電池之前被以一些方式處理的那些系統，或者「直接氧化」系統，即，其中燃料不經內部處理便被直接供應給電池的那些系統。當前最可用的穩定的燃料電池是基於重整裝置的燃料電池。然而，這種電池的燃料處理要求限制了那些電池對於相對大的系統的適用性。這樣，不需要重整燃料的直接氧化燃料電池對於手持可攜式電子產品而言是具有吸引力的能源。
儘管直接氧化燃料電池系統是一種有前途的能源，但是它們因以下事實而受到限制，即它們被設計為使用一種指定的燃料或者數量有限的適當燃料來操作。在前的燃料電池系統尚未被設計來確保只有一種兼容的燃料被傳遞給該燃料電池系統。
另外，因為在前的燃料電池系統未被設計為按照與該燃料電池系統接收燃料的能力一致的方式去調節燃料的傳遞，所以它們已經受到限制。結果，這些在前的燃料電池系統的性能未被最優化。
而且，在前的燃料電池系統未被設計為確保只使用能夠安全地將燃料傳遞給燃料電池系統的設備。結果，當使用不適當的再次裝填設備時，在前的燃料電池系統給操作員造成危險。
在前的燃料電池系統還存在燃料電池系統操作的管理問題。例如，在前的燃料電池系統不能監控剩餘燃料的水平或量，這樣便不能在需要一個新的燃料罐時發信號通知操作員，或者在燃料被耗盡時自動補充燃料。另外，在前的燃料電池系統不能監控燃料的特性並且不能根據所監控的數據去調整燃料供應特性。
發明概述根據本發明的實施方案的一種燃料電池系統包括一個燃料電池、一個燃料供應系統和一個燃料電池控制系統。所述燃料電池將燃料轉化成電能。所述燃料供應系統與所述燃料電池進行流體通信並且所述燃料電池控制系統被耦合到所述燃料電池和所述燃料供應系統。所述燃料電池控制系統根據關於所述燃料和燃料供應系統至少之一的信息去管理從所述燃料供應系統供應到所述燃料電池的燃料，從而控制所述燃料到電能的轉化。
根據本發明的實施方案的一種控制燃料電池系統操作的方法包括供應燃料、將被供應的燃料轉化成電能、以及根據關於被供應燃料的信息去調節所述供應從而控制燃料到電能的轉化。
本發明提供了一種在燃料電池系統中有效地並且高效地管理補給燃料和燃料傳遞的系統和方法。根據本發明，諸如剩餘燃料的體積、燃料濃度以及燃料罐或盒的使用歷史的、被讀出、被計算或者被記錄的信息，能夠從所述燃料罐或盒被獲得，以及/或者被發送到所述燃料罐或盒。另外，諸如製造日期和標識燃料罐或盒或燃料電池的序號的靜態信息能夠從所述燃料罐或盒被獲得以及/或者被發送到所述燃料罐或盒。本發明還能夠確定何時需要再裝滿所述燃料罐或盒，並且能夠控制所述再裝滿操作以及還能夠移除廢燃料。而且，根據本發明，所述燃料供應系統能夠在安裝地點執行操作軟體升級。
附圖簡述
圖1A是一個根據本發明的實施方案具有一個燃料罐的燃料電池系統的框圖；圖1B是一個根據本發明的實施方案具有一個燃料盒的燃料電池系統的框圖；圖2A-2D是根據本發明的實施方案用於管理具有一個燃料罐的燃料電池的方法的流程圖；以及圖3A-3B是根據本發明的實施方案用於管理具有一個燃料罐的燃料電池的方法的流程圖。
詳細說明在圖1A和1B中表示了根據本發明的實施方案的燃料電池系統10(1)和10(2)。在這些實施方案中，燃料電池系統10(1)包括燃料罐14(1)和燃料電池處理系統17(1)，並且燃料電池系統10(2)包括燃料盒14(2)和燃料電池處理系統17(2)，不過燃料電池系統10(1)和10(2)也可以包括其它部件、其它數量的部件，以及以其它方式被耦合到一起的部件的其它組合。燃料電池處理系統17(1)和17(2)還具有到一個從燃料電池處理系統17(1)和17(2)接收電力的電器的連接，並且因此可以利用在所述電器中的任何計算、存儲、或顯示功能，以便執行計算、存儲信息、顯示數據、或者接收與燃料電池系統10(1)或10(2)的操作有關的輸入。本發明提供了用於在燃料電池系統中有效地並且高效地管理補給燃料和燃料傳遞的系統和方法。
更具體地參考圖1A，燃料電池系統10(1)包括可拆地耦合到燃料電池處理系統17(1)的燃料罐14(1)。在燃料罐14(1)和17(1)之間可以建立各種不同的通信路徑，諸如從燃料罐14(1)到燃料電池處理系統17(1)的單路通信、從燃料電池處理系統17(1)到燃料罐14(1)的單路通信、或者在燃料罐14(1)和燃料電池處理系統17(1)之間的雙路通信。燃料電池處理系統17(1)還被耦合到一個從它接收電力的電器，並且因此可以利用在所述電器中的任何計算、存儲、或顯示功能以便執行計算、存儲信息、顯示數據、或接收與燃料電池系統10(1)的操作有關的輸入。
燃料罐14(1)被可拆地連接並且為燃料系統10(1)存儲燃料和任何廢燃料。儘管只有燃料罐14(1)被顯示，但是取決於諸如參考圖1B被更詳細描述的燃料盒14(2)的具體燃料電池系統，而可以使用各種不同類型的燃料存貯系統。燃料罐14(1)的一個例子在Acker等人的美國專利6,460,733Multiple Walled Fuel Container andDelivery System(多壁燃料容器和傳遞系統)中被揭示，其全部內容在此合併作為參考。
燃料罐14(1)包括補充控制系統12、容器控制系統20、傳感器系統22、燃料補充源容器15、和廢燃料存儲器19，不過燃料罐14(1)也可以包括其它部件、其它數量的部件、以及以其它方式被耦合到一起的部件的其它組合。補充控制系統12被耦合到容器控制系統20。容器控制系統20被耦合到傳感器系統22，傳感器系統22被耦合到燃料補充源容器15和廢燃料存儲器19。燃料補充源容器15和廢燃料存儲器19與傳遞調節系統32進行流體通信，傳遞調節系統32與燃料電池電力產生系統或燃料電池18、燃料箱34、和廢燃料箱36進行流體通信。在這個具體的實施方案中，燃料罐14(1)具有一個可拆地耦合到容器控制系統20的通信接口，以便在燃料罐14(1)和燃料處理系統17(1)之間提供一條通信鏈路。能夠被使用的一種類型的可拆的電連接的例子是一種PCMCIA連接系統，不過諸如紅外線或無線通信連結的其它類型的可拆的連接也可以被使用。
補充控制系統12具有處理器24、存儲器26、備用電池28、用戶輸入設備29、I/O接口系統30、以及顯示器31，它們通過一條或多條總線被耦合在一起，不過補充控制系統12也可以具有其它部件、其它數量的部件、以及以其它方式被耦合在一起的部件的其它組合。在補充控制系統12中，存儲器26存儲用於根據如在此被描述和表示的本發明的實施方案去控制燃料電池系統10(1)的操作的被編程指令和數據，以便由所述處理器執行，不過這些指令和數據中的一些或全部也可以被存儲在其它地方。可以使用各種不同類型的存儲設備，諸如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)或軟盤、硬碟、CD ROM，或者通過磁、光或耦合到所述處理器的其它讀和/或寫系統來讀出和/或寫入的其它計算機可讀媒體。備用電池28可以被用於在燃料電池18不產生電力時為系統10提供電力。在補充控制系統12中或者來自與補充控制系統12通信的其它設備的用戶輸入系統29(諸如鍵盤或滑鼠)使得操作員管理者能夠將請求和數據輸入到補充控制系統12中。諸如圖形用戶接口或印表機的顯示器31允許管理者觀看信息，諸如關於燃料容器、燃料的量或水平、或燃料濃度的信息。處於補充控制系統12中的I/O接口系統30通過使用一種或多種不同通信協議的網絡35而被耦合到燃料容器14中的容器控制系統20，並且被耦合到在傳遞調節系統16中的傳遞控制系統32。
補充控制系統12通過通信網絡35被耦合到燃料電池18、容器控制系統20和傳遞控制系統32，不過補充控制系統12也可以被以其它方式耦合到其它部件。各種不同類型的連接系統和通信協議可以供這些部件使用。
在這個具體的實施方案中，在燃料罐14(1)中的容器控制系統20具有一個處理器、存儲器、和一個I/O接口系統，它們通過一條或多條總線被耦合在一起，並且具有諸如導管或其它管道、閥門和泵的流體管理部件，用於控制燃料和廢燃料去往和來自補充源容器15和廢燃料存儲器19的流動，不過容器控制系統20也可以具有其它部件、其它數量的部件、以及以其它方式被耦合在一起的部件的其它組合。例如，容器控制系統20可以是一個存儲關於燃料罐14(1)的數據的集成電路或晶片。在容器控制系統20中，所述存儲器存儲關於燃料罐14(1)的信息，諸如序號、燃料類型、以及燃料罐14(1)先前使用的歷史，並且具有用於根據如在此被描述和表示的本發明的實施方案去控制傳感器系統22和燃料電池系統10(1)的操作的被編程指令，以便由所述處理器執行，不過這些指令中一些或全部可以被存儲在其它地方。可以使用各種不同類型的存儲設備，諸如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)或軟盤、硬碟、CD ROM、或者通過磁、光或耦合到所述處理器的其它讀和/或寫系統來讀出和/或寫入的其它計算機可讀取媒體。通過使用一個或多個不同通信協議的網絡35，容器控制系統20中的I/O接口系統被耦合到補充控制系統12中的I/O接口系統30並且被耦合到傳遞調節系統16中的傳遞控制系統32。
傳感器系統22在燃料罐14(1)中或者會與燃料罐14(1)通信，並且被用於獲得信息，諸如在燃料補充源容器15中剩餘燃料的水平或量或者燃料濃度的測量，以及在廢燃料存儲器19中剩餘的廢燃料的量或濃度的測量。傳感器系統22被耦合到容器控制系統20，不過傳感器系統22也能夠以其它方式被連接，諸如被直接耦合到補充控制系統12。因為不同類型的傳感器系統，諸如那些用於測量燃料水平或量或者燃料濃度測量的系統，是本領域的普通技術人員所熟知的，所以在此將不再詳細描述。在燃料電池系統中傳感器系統的一個例子在Acker等人的美國專利申請09/725,728Fuel Cell Control andMeasurement Apparatus Using Dielectric Constants(使用介電常數的燃料電池控制和測量設備)中被揭示，其全部內容在此合併作為參考。
燃料電池處理系統17(1)包括傳遞調節系統16、燃料電池18、補充箱34、以及廢燃料箱36，不過燃料電池處理系統14(1)也可以包括其它部件、其他部件數量、以及以其它方式被耦合在一起的部件的其它組合。
傳遞調節系統16包括導管或其它管道、閥門、泵，以及傳遞控制系統32，後者控制這些閥門和泵的操作，諸如哪些閥門開和關以及哪些泵被接通。所述傳遞調節系統在燃料補充源容器15和燃料箱34之間以及在廢燃料存儲器19和廢燃料箱36之間以流體方式被連接。傳遞調節系統16用沿著管道的閥門和/泵或者用其它傳遞機制來調節液體、固體或蒸氣形式的燃料從燃料補充源容器15到燃料電池18或者到燃料箱34、從燃料箱34到燃料電池18的燃料供應或流動，廢燃料從燃料電池18到廢燃料箱36，以及廢燃料從廢燃料箱36到廢燃料存儲器19的供應或流動，不過傳遞調節系統16也可以被用於以其它方式以及在其它部件之間調節所述流動。因為具有用於調節流動的諸如管道、閥門和泵的部件的傳遞調節系統是本領域的普通技術人員所熟知的，所以在此將不再詳細描述。在燃料電池系統中的傳遞調節系統的一個例子在Gottesfeld的美國專利申請09/855,982Methods andApparatuses for a Pressure Driven Fuel Cell System(用於壓力驅動的燃料電池系統的方法和設備)中被揭示，其全部內容在此合併作為參考。
在傳遞調節系統16中的傳遞控制系統32具有一個處理器、存儲器、和一個I/O接口系統，它們通過一條或多條總線被耦合到一起，不過傳遞控制系統32也可以具有其它部件、其他部件數量，以及以其它方式被耦合到一起的其它部件的組合，並且其它類型的傳遞控制系統，諸如MEMS設備也可以被用於控制在傳遞調節系統16中閥門和泵的操作。在傳遞控制系統32中，所述存儲器已經存儲了用於根據如在此被描述和表示的本發明實施方案來控制傳遞調節系統16的操作的被編程指令，以便由所述處理器執行，不過這些指令和數據中的一些或者全部也可以被存儲在其它地方。也能夠使用各種不同類型的存儲設備，諸如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)或軟盤、硬碟、CD ROM、或者通過磁、光或被耦合到處理器的其它讀和/或寫系統來讀出和/或寫入的其它計算機可讀媒體。通過使用一個或多個不同通信協議的網絡35，在傳遞控制系統32中的I/O接口系統被耦合到在補充控制系統12中的I/O接口系統30，並且被耦合到燃料罐14(1)中的容器控制系統20。
燃料箱34是一個燃料儲備，它可以被用於補充燃料電池18中的燃料。該燃料箱包括傳感器系統37，它處於燃料箱34中，或與燃料箱34通信。傳感器系統37被用於獲得諸如在燃料箱34中剩餘燃料的水平或量或者燃料濃度的測量的信息。廢燃料箱36是一個臨時燃料儲存庫，可以被用於保存來自燃料電池18的廢的或不能用的燃料。廢燃料箱36包括傳感器系統38，它處於廢燃料箱36中，或與廢燃料箱36通信。傳感器系統38被用於獲得諸如在廢燃料箱36中剩餘燃料的水平或量或者燃料濃度的測量的信息。傳感器系統37、38被耦合到傳遞控制系統32。因為本領域的普通技術人員熟知不同類型的傳感器系統，諸如那些用於測量燃料水平或量或者燃料濃度測量的系統，所以在此將不再詳細描述它們。
燃料電池18將燃料轉化成電能。燃料電池的一個例子在2002年10月1日出版的Ren等人的美國專利6,458,479Air BreathingDirect Methanol Fuel Cell(吸氣的直接甲醇燃料電池)中被揭示，其內容在此合併作為參考。因為本領域的普通技術人員熟知燃料電池，所以在此將不再詳細描述它們。
儘管燃料電池系統10(1)的一個例子被顯示，但是在燃料電池系統10(1)中部件的其它劃分也是可能的，諸如如果所述燃料傳遞控制全部被包括在燃料電池處理系統17(1)中，則將容器控制系統20和傳遞控制系統32中的全部燃料控制元件布局在一個集中的位置。在另一個例子中，補充控制系統12可以被全部包括在燃料電池處理系統17(1)中。
參考圖1B，它表示根據本發明的實施方案的燃料電池系統10(2)。除了在此被描述的外，燃料電池系統10(2)等同於燃料電池系統10(1)。與圖1A中被顯示和被描述的元件同樣的圖1B中的元件將具有同樣的編號，並且在此將不再被詳細顯示和描述。
燃料電池系統10(2)包括可拆裝的燃料盒14(2)，它可拆地耦合到燃料電池處理系統17(2)。在這個實施方案中，燃料盒14(2)包括燃料補充源容器15和廢燃料存儲器19，然而和實施方案10(1)不同，在燃料電池處理系統17(1)中沒有其它用於存儲燃料或廢燃料的存儲箱。另外，更換控制系統12被包括在燃料電池處理系統17(1)中。如將被本領域的普通技術人員認識到的，燃料電池系統的劃分可以用其它方式定義，諸如將補充控制系統12的一些或全部包含在燃料盒14(2)中。
下面討論根據本發明的實施方案用於控制燃料電池系統10(1)或10(2)的操作的方法。通過例子，參考圖1A和2A-2D而特別引用系統10(1)。儘管也可以使用導致相同的基本功能性的其它序列。更具體地參考圖2A，所述操作在步驟100中開始。在步驟102中，燃料罐14(1)可拆地耦合到燃料處理系統17(1)，並且被存儲在容器控制系統20中的關於燃料罐14(1)的標識的信息被傳遞控制系統32讀取。
在步驟104中，傳遞控制系統32檢驗關於燃料罐14(1)的標識的信息以便確定在燃料罐14(1)中的燃料是否是適合於燃料處理系統17(1)的類型。傳遞控制系統32具有被存儲在存儲器中的標識信息，該信息可以被檢索並且與來自燃料罐14(1)的標識信息相比以便確定是否匹配，不過也可以使用用於確定燃料罐14(1)中的燃料是否是適合於燃料處理系統17(1)的類型的其它技術。如果在步驟104中，傳遞控制系統32確定燃料罐14(1)不是適合於燃料電池系統10的類型，則隨後取「否」分支而進到步驟106。
在步驟106中，傳遞控制系統32、補充控制系統12以及從燃料電池處理系統17(1)接收電力的電器的每一個可以使用顯示器31或者通過燃料電池17(1)可用的任何其它手段將錯誤通知給燃料電池系統10(1)的操作員。儘管在這個例子中顯示器31被用於將錯誤通知給操作員，但是也可以使用諸如燈或蜂鳴器的其它類型的通知系統來告訴操作員已經安裝錯誤類型的燃料罐14(1)。因此，本發明有助於確保在燃料電池系統10(1)中使用具有正確燃料的正確的燃料罐14(1)。
在步驟108中，補充控制系統12、傳遞控制系統32以及所述電器中可以每個都在存儲器26中或者在它們各自的存儲器子系統中存儲一個確定安裝錯誤類型的燃料罐14(1)的錯誤代碼以備將來使用，不過也可以使用用於記錄所述錯誤的其它技術。當現在的燃料罐14(1)被移去並且一個新的燃料罐14(1)被安裝在燃料處理系統17(1)中時，系統10(1)返回到步驟100並且再次開始。
如果在步驟104中傳遞控制系統32根據獲得的標識信息確定燃料罐14(1)是適合於燃料處理系統17(1)的類型，則隨後取「是」分支而進到步驟110。在步驟110中，傳遞控制系統32從容器控制系統20讀取諸如燃料罐14(1)的序號、燃料罐14(1)的製造日期或者到期日期、燃料罐14(1)中剩餘的燃料水平或量的測量以及在燃料罐14(1)中燃料濃度的測量的信息，不過其它類型的信息也可以被獲得。容器控制系統20具有此靜態信息中的一些，諸如被存儲在容器控制系統20中的存儲器中的燃料罐14(1)的序號以及燃料罐14(1)的製造日期或到期日期。其它動態信息，諸如在燃料補充源容器中剩餘燃料的水平或量和廢燃料存儲器中可用空間的量以及燃料濃度的測量中的每一個通過傳感器系統22被獲得，並且被發送到容器控制系統20。因為本領域的普通技術人員熟知傳感器系統22監控和測量諸如燃料罐中剩餘燃料的水平或量的測量以及燃料罐14(1)中燃料濃度的測量的信息的方式，所以在此將不再詳細描述。
參考圖2B，在步驟140中，傳遞控制系統32確定在廢燃料箱36是否有剩餘的廢燃料。這個信息被中繼到補充控制系統12。如果沒有剩餘的廢燃料，則在步驟140中取「否」分支，並且傳遞控制系統32移到步驟112。如果有剩餘的廢燃料，則隨後在步驟140中取「是」分支並且傳遞控制系統32移到步驟142。
在步驟142中，傳遞控制系統32檢驗容器控制系統20以便感測廢燃料存儲器19是否是滿的。如果廢燃料存儲器19不滿，則隨後在步驟142中取「否」分支並且控制移到步驟146。如果廢燃料存儲器19是滿的，則隨後取「是」分支而進到步驟144。在步驟144中，通過將信息寫到補充控制系統12，燃料罐14(1)被禁用，並且通過顯示器31或者其它可用的裝置將一個適當的輸出信號遞送給用戶，隨後序列移到步驟100。
在步驟146、148中，傳遞控制系統32與容器控制系統20合作通過打開廢燃料閥門並且將廢燃料從廢燃料箱36泵到廢燃料存儲器19而將廢燃料從廢燃料箱36傳遞到廢燃料存儲器19。如果在燃料箱34中沒有可用的燃料，則隨後傳遞控制系統12將通知補充控制系統12利用備用電池按需要給閥門或泵通電。如本領域的普通技術人員所熟知的，通過適當的選擇閥門或泵而發生廢燃料的遞送，使得有一條實質的連接來移動物質的任何形式，如固體、液體或氣體形式的燃料。
在步驟150中，傳遞控制系統32確定在廢燃料存儲器19中是否有可用的空間。如果廢燃料存儲器19未滿，則在步驟150中取「否」分支，並且控制移到步驟152。如果在這個步驟期間廢燃料存儲器19變滿，則在步驟150中取「是」分支並且控制移到步驟144。
在步驟152中，傳遞控制系統32檢驗廢燃料箱36是否變空。如果廢燃料箱36變空，則在步驟152中取「是」分支，並且控制移到步驟112。如果廢燃料箱36不空，則在步驟152中取「否」分支而回到步驟150，其中廢燃料的傳遞繼續，直到廢燃料存儲器19被裝滿或者廢燃料箱36變空，無論哪一個先出現。
再參考圖2A，在步驟112中，傳遞控制系統32確定在燃料罐14(1)中是否有剩餘的燃料。在這個具體的實施方案中，傳感器系統22一經請求就感測在燃料罐14(1)中的燃料補充源容器15中剩餘的燃料量，並且將這個關於剩餘燃料的量的信息發送到容器控制系統20，不過傳感器系統22也可以以其它方式操作，諸如提供在燃料罐14(1)中特定特徵的定期的讀數。容器控制系統20發送這個信息到補充控制系統12以及傳遞控制系統32。如果在燃料罐14(1)中基本上所有的燃料已經被使用，則取「否」分支而進到步驟114。
在步驟114中，傳遞控制系統32傳送信息到燃料罐14(1)中的容器控制系統20和補充控制系統12，以便記錄指示燃料罐14(1)至少基本上為空的信息，諸如通過設置一個被存儲在容器控制系統20中的存儲器中和被存儲在存儲器26中的比特來表示一種空設置。如果燃料罐14(1)被重新插入燃料處理系統17(1)中，則被記錄的、燃料罐14(1)為空的信息可以被讀出。在這個實例中，傳遞調節系統16例如將通過關閉連接管道中的一個或多個閥門和/或關掉一個泵或多個泵，而切斷從燃料罐14(1)到燃料處理系統17(1)的燃料傳遞。同時，如果燃料電池18缺乏燃料並且因此不產生電力，則補充控制系統12連接備用電池28直到能夠供應更多的燃料為止。當空的當前的燃料罐14(1)被移去以及用一個新的燃料罐14(1)更換時，系統10(1)返回到步驟100並且再次開始。
在步驟116中，傳遞控制系統32確定給燃料電池18提供燃料的燃料箱34是否裝滿燃料。處於燃料箱34中或者與燃料箱34通信的傳感器系統37讀出在燃料箱34中剩餘的燃料量並且將這個關於剩餘燃料量的信息發送到補充控制系統12。如果燃料箱34裝滿燃料，則隨後取「是」分支而進到步驟118。
在步驟118中，如前面提及的，在顯示器31或者任何其它顯示器上通知燃料電池系統10(1)的操作員燃料箱34裝滿燃料，不過其它指示燃料狀態的方式也可以被使用。一旦步驟118被完成，則隨後如前面所描述的、燃料電池系統10(1)進到步驟100。
在圖2C中，如果在步驟116中燃料箱34未充分裝滿燃料，則隨後取「否」分支而進到步驟120。在步驟120中，在傳遞調節系統16中的傳遞控制系統32與容器控制系統20聯繫以便打開一個或多個閥門和/或打開一個或多個泵，從而允許燃料從燃料罐14(1)流到燃料箱34。在傳遞調節系統16中的傳遞控制系統32打開一個或多個閥門和/或打開一個或多個泵以便允許燃料從燃料補充源容器15流到廢燃料箱34。
在步驟122中，傳遞控制系統32確定燃料箱34是否已經基本被再裝滿燃料。此外，處於燃料箱34中或者與燃料箱34通信的傳感器系統37讀出其中的燃料量並且通過傳遞調節系統16將這個關於剩餘的燃料量的信息發送到補充控制系統12。如果燃料箱34未被充分裝滿燃料，則隨後取「否」分支而進到步驟123的開始。傳遞調節系統16在步驟122中不斷檢驗，直到燃料箱34已經被基本裝滿燃料。如果燃料箱34被基本裝滿燃料，則隨後取「是」分支而進到步驟124。
在步驟123中，補充控制系統使用傳感器系統22確定燃料補充源容器15是否是空的。如果燃料補充源容器15被確定是空的，則隨後取「是」分支並且控制移到步驟114。如果燃料補充源容器15被確定為不是空的，則隨後在步驟123中取「否」分支，並且當燃料補充源容器15不空而燃料箱34不滿時，在步驟122和123中繼續傳送燃料。同時，如果燃料箱34變滿，則隨後在步驟122中，取「是」分支並且控制移到步驟124。
在步驟124中，在傳遞調節系統16中的傳遞控制系統32聯繫容器控制系統20以便關閉所述一個和多個閥門和/或關閉一個或多個泵，從而終止燃料從燃料罐14(1)流到燃料箱34。
在步驟126中，傳遞控制系統32確定已經被可拆地連接到燃料處理系統17(1)的燃料罐14(1)是否具有任何新的被存儲在補充控制系統12中的存儲器中的指令。如果在燃料罐14(1)中的補充控制系統12具有新的指令要被下載，則隨後取「是」分支而進到步驟128。
在步驟128中，在燃料罐14(1)中的補充控制系統12發送或下載所述新的指令到傳遞調節系統16以便在存儲器中存儲。這些新的指令可以包括用於管理燃料電池系統10(1)的控制的新的或被更新的步驟和/或數據。
如果在步驟126中，傳遞控制系統32確定在燃料罐14(1)中的補充控制系統12沒有新的指令要被下載，則隨後取「否」分支而進到步驟130，或者如果在步驟128中所述信息已經被下載，則隨後燃料電池系統10(1)進入步驟130。
在步驟130中，補充控制系統12在顯示器31上通知燃料電池系統10(1)的操作員斷開該可拆地連接的燃料罐14(1)，不過補充控制系統16和傳遞調節16也可以用其它方式通知操作員，包括在由所述燃料電池提供電力的電器上進行顯示。
在步驟132中，補充控制系統12增加一個燃料填充計數器以記錄關於再充填操作的信息，它包括但不限於被傳遞到燃料箱34的燃料量、被從廢燃料箱36傳遞的廢燃料的量以及每個操作被執行的次數。
參考圖2D，在步驟134中，傳遞調節系統16獲得在燃料罐34中的燃料濃度的測量或讀數。根據被測量的燃料濃度，傳遞調節系統16確定被調整的、從燃料箱34到燃料電池18的燃料傳遞參數。傳遞調節系統16使用這些被調整的參數來控制傳遞控制系統32如何控制多少閥門被打開以及泵操作的速度，以便允許燃料從燃料罐34流到燃料電池18。因此，根據本發明，隨著剩餘燃料屬性的改變，燃料電池系統10(1)的操作能夠繼續被最優化。
在步驟136中，所述傳遞調節系統使用可能已經被下載的任何新的指令來執行所述指令，以便管理燃料電池系統10(1)的控制。
在步驟138中，傳遞調節系統16定期地輪詢以便了解燃料罐14(1)是否已經被可拆地連接，不過也可以使用用信號通知燃料罐14(1)的連接的其它方式。
在步驟139中，傳遞控制系統32使用傳感器系統37檢驗燃料箱34是否是處於一種空狀況中。如果燃料箱34是空的或者低於一個設置水平，則將在顯示器31或者另一個顯示器上通知燃料電池系統10(1)的操作員需要連接一個燃料容器14(1)以便供應更多的燃料。
在步驟141中，傳遞控制系統32還使用傳感器系統38來確定是否廢燃料箱36是處於一種滿狀況中。如果燃料箱34是滿的或者高於一個設置水平，則將在顯示器31上或在另一個顯示器上通知燃料電池系統10(1)的操作員需要連接一個燃料容器14(1)以便移去廢燃料。儘管在此已經描述了如通過特定控制系統12、20和32完成的不同步驟，但是，對於本領域的普通技術人員而言，顯而易見的是可以使用完成這些步驟的其它安排。
下面參考圖1B和3A-3B討論一種根據本發明的實施方案控制燃料電池系統10(2)的操作的方法。特別參考圖3A，所述操作在步驟200中開始。在步驟202中，燃料盒14(2)可拆地耦合到燃料處理系統17(2)，並且被存儲在容器控制系統20中的關於燃料盒14(2)的標識的信息被補充控制系統12讀取。
在步驟204中，補充控制系統12確定燃料盒14(2)是否被正確地安裝。一種確定燃料盒14(2)是否被正確安裝的方法是確定是否能夠建立在補充控制系統12和容器控制系統20之間的通信，不過也可以使用做出這個確定的其它方式。如果在步驟204中補充控制系統12確定燃料盒14(2)未被正確安裝，則隨後取「否」分支而進到步驟206。
在步驟206中，補充控制系統12在存儲器26中存儲諸如確定燃料盒14(2)未被正確安裝、確定安裝了錯誤類型的燃料盒14(2)、燃料盒14(2)已經用空、或者在燃料盒14(2)中的燃料不合格的錯誤的錯誤代碼，不過也可以使用其它記錄所述錯誤的技術。
在步驟208中，補充控制系統12使用顯示器31將所述錯誤通知給燃料電池系統10(2)的操作員。儘管在這個例子中顯示器31被用於將所述錯誤通知給操作員，但是諸如不同的照明顯示器或者不同聲音的其它類型的通知系統也可以被用於將所述特定的錯誤通知給操作員。當新的燃料盒14(2)在燃料處理系統17(1)中被安裝時，系統10(2)回到步驟100並且再次開始。
如果在步驟204中補充控制系統12根據所述被獲得的標識信息，確定燃料盒14(2)被正確地安裝用於燃料處理系統17(2)，則隨後取「是」分支而進到步驟210。
在步驟210中，補充控制系統12確定是否燃料盒14(2)曾經被騰空。在這個具體的實施方案中，容器控制系統20一經請求便發送被存儲的關於盒14(2)的歷史以及在燃料補充源容器15中剩餘的燃料水平的數據，並且將這個信息傳送到補充控制系統12。如果全部燃料已經基本被使用或者燃料盒14(2)是空的，則隨後如前面描述的，取「是」分支而進到步驟206。如果在燃料盒14(2)中基本所有燃料未被使用，則隨後取「是」分支而進到步驟212。
在步驟212中，補充控制系統12確定在燃料盒14(2)中的燃料是否合格或者是否是適合於燃料處理系統17(2)的類型。補充控制系統12具有被存儲在存儲器26中的標識信息，它可以被檢索並且與關於來自燃料盒14(2)的燃料的標識信息相比較，從而確定是否匹配，不過確定燃料盒14(2)中燃料是否合格的其它技術也可以被使用。如果在步驟212中補充控制系統12確定燃料盒14(2)中的燃料不合格，則隨後如較早描述的，取「否」分支而進到步驟206。如果在步驟212中補充控制系統12確定燃料盒14(2)中的燃料是合格的，則隨後取「是」分支而進到步驟214。
參考圖3B，在步驟214中，傳感器系統22感測或者測量燃料補充源容器15中燃料的水平並且傳送這個關於剩餘燃料量的信息到補充控制系統12。補充控制系統12在存儲器26中存儲這個信息並且觸發在盒14(2)中的一個計數器的遞增。根據這個關於剩餘燃料量的信息，補充控制系統還可以啟動將燃料從燃料補充源容器15傳送到燃料箱34。如果燃料電池電力產生系統18實質上缺少燃料，則備用電池28可以在任何時間被使用以便為計算或者起動泵和閥門來提供電力。
在步驟216中，補充控制系統12確定已經被可拆地連接到燃料處理系統17(2)的燃料盒14(2)是否具有被存儲在容器控制系統20中的存儲器中的新的指令。如果在燃料盒14(2)中的容器控制系統20具有新的指令要被下載，則隨後取「是」分支而進到步驟218。
在步驟218中，燃料盒14(2)中的容器控制系統20發送或者下載所述新的指令到補充控制系統12以便在存儲器26中存儲。這些新的指令可以包括用於管理燃料電池系統10(2)的控制的新的或者被更新的步驟和/或數據。
如果在步驟216中補充控制系統12確定在燃料罐14(1)中的容器控制系統20沒有新的指令要被下載，則隨後取「否」分支而進到步驟220，或者如果在步驟218中所述信息已經被下載，則隨後燃料電池系統10(2)進行到步驟220。
在步驟220中，補充控制系統12使用可能已經被下載的任何新的指令去執行用於管理燃料電池系統10(2)的控制的指令。補充控制系統12還定期輪詢以便查看燃料盒10(2)是否已經被移去，不過也可以使用用信號通知燃料盒14(2)的移去的其它方式。而且，補充控制系統12使用傳感器系統22監控燃料盒14(2)中燃料補充源容器15和廢燃料存儲器19中的空燃料狀況。
在步驟222中，補充控制系統12確定給燃料電池18供應燃料的燃料盒14(2)中的燃料補充源容器15是否缺少燃料。處於燃料補充源容器15中或者與其通信的傳感器系統20讀出燃料罐14(2)中剩餘燃料的量，並且將這個關於剩餘燃料量的信息發送到補充控制系統12。如果燃料補充源容器15不缺乏燃料，則隨後取「否」分支而進到步驟220。如果燃料補充源容器15缺乏燃料，則隨後取「是」分支而進到步驟224。
在步驟224中，補充控制系統12發送信息到燃料盒14(2)中的容器控制系統20，以便記錄指示燃料盒14(2)至少基本上是空的信息，諸如通過設置一個被存儲在容器控制系統20中的存儲器中的比特來表示一種空設置。如果燃料盒14(2)被重新插入燃料處理系統17(2)中，則被記錄的燃料盒14(2)是空的信息能夠被讀出。補充控制系統12還可以通知傳遞調節系統16例如通過關閉在連接管道中的一個或多個閥門和/或一個或多個泵，而切斷從燃料盒14(2)到燃料電池18的燃料傳遞。同時，如果燃料電池18缺少燃料並且不產生電力，則補充控制系統12連接備用電池28直到能夠供應更多的燃料為止。當現在空的燃料盒14(2)被移去並且以一個新的燃料盒14(2)更換時，系統10(2)回到步驟100，並且再次開始。
因此，如上所示，本發明提供了一種在燃料電池系統10中有效並且高效地管理加燃料和燃料傳遞的系統和方法。根據本發明，諸如剩餘燃料量、燃料濃度、安裝日期、以及燃料容器14的標識的信息，能夠從燃料容器14被獲得。此外，諸如燃料容器14的使用歷史的信息能夠從燃料容器14被獲得。關於燃料容器14的這個信息的部分或全部可以被用於管理去往和來自所述燃料電池的燃料或廢燃料的傳送。而且，根據本發明所述燃料供應系統能夠在安裝地點執行操作軟體升級。
因此，已經描述的本發明的基本概念對於本領域的技術人員是顯而易見的，前述詳細揭示旨在通過例子表示本發明，而不是用於限制本發明。儘管在此沒有明顯地陳述，但是各種改變、改進和修改將出現並且供本領域的技術人員使用。這些改變、改進和修改被提出，並且在本發明的精神和範圍內。此外，處理單元或序列的所陳述的順序，或者數字、字母或其它名稱的使用並非用於將所要求保護的方案限制為除權利要求中規定的任何順序。因此，本發明只被所附權利要求及其等價物限制。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括將燃料轉化成電能的燃料電池；與燃料電池通信的燃料供應系統；以及被耦合到所述燃料電池和所述燃料供應系統的燃料電池控制系統，所述燃料電池控制系統根據關於所述燃料和所述燃料供應系統至少之一的信息來管理從所述燃料供應系統供應到所述燃料電池的燃料，以便控制燃料到電能的轉化。
2.如權利要求1中所述的系統，其中，所述燃料控制系統根據所述信息而確定來自所述燃料供應系統的燃料是否適合於所述燃料電池。
3.如權利要求2中所述的方法，其中，如果所述燃料控制系統確定所述燃料不合適，則所述燃料控制系統阻止燃料供應系統供應燃料。
4.如權利要求1中所述的系統，其中，所述燃料供應系統還包括一個用於燃料的容器。
5.如權利要求4中所述的系統，其中，所述燃料電池控制系統還包括在所述容器和燃料電池之間連接的傳遞調節系統，所述傳遞調節系統調節從所述容器到所述燃料電池的燃料；被連接到所述容器的容器控制系統，所述容器控制系統獲得關於所述容器和所述燃料至少之一的信息；被耦合到所述傳遞調節系統的傳遞控制系統，所述傳遞控制系統控制所述傳遞調節系統以便調節從所述容器到所述燃料電池的燃料；以及被耦合到所述容器控制系統和傳遞控制系統的補充控制系統，所述補充控制系統根據來自所述容器控制系統的信息去控制所述傳遞控制系統。
6.如權利要求1中所述的系統，還包括一個獲得所述信息的傳感器系統，所述傳感器系統在所述容器中並且被耦合到所述燃料電池控制系統。
7.如權利要求1中所述的系統，其中，所述信息是所述容器中燃料量的讀數。
8.如權利要求7中所述的系統，還包括一個被連接到燃料供應系統的補充源，如果讀數的量低於設置的補充水平，則所述燃料電池控制系統控制所述補充源去補充燃料。
9.如權利要求7中所述的系統，其中，所述燃料電池控制系統還包括一個顯示系統，當所述讀數指示燃料基本上被用光時，所述顯示系統提供一個空信號。
10.如權利要求1中所述的系統，其中，所述信息是燃料供應系統中燃料濃度的測量。
11.如權利要求10中所述的系統，其中，所述燃料電池控制系統根據燃料濃度的測量來調整燃料供應系統供應的燃料。
12.如權利要求1中所述的系統，還包括一個被連接到燃料供應系統的廢燃料存儲器，所述燃料電池控制系統管理燃料電池中耗費的至少一部分燃料到所述廢燃料存儲器的移除。
13.如權利要求1中所述的系統，其中，所述燃料電池控制系統確定當所述燃料供應系統被連接時管理從燃料供應系統供應的燃料的新指令是否是可用的。
14.如權利要求13中所述的系統，其中，當所述燃料電池控制系統確定新的指令可用時，所述燃料電池控制系統從所述燃料供應系統獲得新的指令。
15.如權利要求1中所述的系統，其中，所述容器是可更換的容器。
16.一種用於控制燃料電池系統的操作的方法，所述方法包括供應燃料用於轉化成電能；將所供應的燃料轉化成電能；以及根據關於所供應的燃料的信息去調節所述供應以便控制所述燃料到電能的轉化。
17.如權利要求16中所述的方法，還包括獲得關於所述燃料的信息。
18.如權利要求16中所述的方法，還包括根據所述信息來確定所述燃料是否是適合的類型。
19.如權利要求18中所述的方法，還包括如果所述確定是確定出所述燃料不是合適的類型，則阻止所述供應。
20.如權利要求16中所述的方法，其中，所述信息是供應之前剩餘的燃料量的讀數。
21.如權利要求20中所述的方法，還包括如果所述讀數的量低於一個設置的補充水平，則補充燃料。
22.如權利要求20中所述的方法，還包括如果所述讀數的量指示對該燃料的容器基本上是空的，則停止供應。
23.如權利要求16中所述的方法，其中，所述信息是被供應的燃料濃度的測量。
24.如權利要求23中所述的方法，還包括根據所述燃料濃度的測量來調整所述調節。
25.如權利要求16中所述的方法，還包括移除在所述轉化後被耗費的至少一部分燃料。
26.如權利要求16中所述的方法，還包括確定關於所述調節的新指令是否是可用的。
27.如權利要求26中所述的方法，還包括如果所述確定是確定出所述新的指令是可用的，則獲得所述新的指令。
全文摘要
一種燃料電池系統包括一個燃料電池、一個燃料供應系統、和一個燃料電池控制系統。所述燃料電池將燃料轉化成電能。所述燃料供應系統被連接到所述燃料電池，並且所述燃料電池控制系統被耦合到所述燃料電池和燃料供應系統。所述燃料電池控制系統根據關於所述燃料和所述燃料供應系統至少之一的信息來管理從所述燃料供應系統供應到所述燃料電池的燃料，以便控制所述燃料轉化成電能。
文檔編號H01M8/04GK1806358SQ200480016703
公開日2006年7月19日 申請日期2004年4月8日 優先權日2003年4月15日
發明者J·J·貝切拉, M·S·德菲利皮斯 申請人:吉列公司