燃料電池系統的製作方法
2023-08-06 21:16:06
專利名稱：燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及使單元電池的數目或其電極面積優化的技術、從而使該燃料電池系統輸出的能量最大化、並以此延長由燃料電池系統提供電能的裝置的驅動時間。
背景技術：
伴隨著寬帶的普及，最近在可攜式電子裝置(例如，筆記本個人計算機、攝象機、數位照相機和可攜式電話)的性能方面取得的進展有需要增加功率驅動該裝置的傾向。
為方便起見，可攜式電子裝置通常由電池操作。隨著可攜式電子裝置在性能和小型化方面取得進步，要求提高電池的能量密度。
鋰離子二次電池被認為是主要電池的一種。鋰離子二次電池的體積能量密度約為每升400Wh或更多。然而，據說目前積極進行研究和發展的燃料電池例如，使用甲醇作為燃料的直接甲醇燃料電池的體積能量密度，比鋰離子二次電池大數倍。即，由於其高能量密度，燃料電池有望成為下一代電池。然而，燃料電池的每個電池單元(或每單個電池)輸出的密度及其操作電壓較低。因此，燃料電池要求各種各樣的裝置以驅動電子裝置。
例如，一已知結構模式(參見，例如，日本專利申請公開號No.2000-188120)，其中由DC-DC轉換器提高燃料電池的終端電壓，從而產生驅動電子裝置所需的電壓。通過將燃料電池系統要求的最大功率除以每電池單元的最大輸出，可以得出構成燃料電池的電池單元的數目。所得電池單元數目為構成燃料電池系統的電池單元的數目的最小值。這樣，可實現燃料電池的小型化。
同時，已提出對於被稱作混合燃料電池系統的一種控制方法(參見，例如，日本專利申請公開號No.7-153474)，其中，燃料電池以使其燃料電池的輸出最大化的方式連接於可再充電二次電池。
這樣，通過使燃料電池工作以使電池單元的輸出接近其最大輸出的方式進行對於燃料電池的輸出設計和控制，可使整個燃料電池系統輸出密度最大化。
發明內容
然而，燃料電池的特點不在於其輸出密度，而在於能量密度，即，燃料電池輸出的能量總數。換言之，理想的是設計一種燃料電池，通過利用該燃料電池可更持久地操作可攜式電子裝置。對比之下，有人嘗試在相關系統中使電池單元的輸出最大化，從而所需的燃料量增加。相應地，相關系統有一個缺陷整個燃料電池系統的能量密度降低。
下文中通過圖6-8的示意圖表描述這一缺陷。
圖6展示電池單元的輸出電流(I)和終端電壓之間的關係(下文該關係表示為「輸出電流-終端電壓特性」)。
作為該燃料電池的特點，觀察到終端電壓隨輸出電流的增加而降低的趨勢。
圖7展示具有該電流-電壓特性的燃料電池終端電壓和輸出功率(w)之間的關係(下文表示為「電壓-輸出特性」)。圖8展示輸出電流(I)和其輸出功率(w)之間的關係(下文表示為「電流-輸出特性)。
如圖7所示，如果由橫坐標軸表示的終端電壓具有一給定值(下文表示為Vmin)，功率有最大值(下文表示為「wmax」)。如圖8所示，如果由橫坐標軸表示的電流I具有一給定值(下文表示為「Imax」)，功率有最大值wmax。
通常設計燃料電池，使得電池單元可以在等於或高於使燃料電池的輸出功率表現出最大功率wmax的最低電壓Vmin的電壓下工作。這是由於這樣的事實通過在高於最低電壓Vmin的電壓下運行燃料電池，可以輸出在低於最低電壓Vmin的電壓下運行電池單元時獲得的功率，而且，如果在較高壓下運行燃料電池，可以通過使用較少量的燃料來運行燃料電池。
相關技術的系統設計成使電池單元的輸出接近最大功率wmax。然而，正如圖8所示的電流-輸出特性明確顯示的那樣，如果電池單元的功率設置為最大功率wmax，就需要更大電流即更大量的燃料。為得到作為電池單元的輸出的最大功率wmax而增加所需燃料量的結果是，整個燃料電池系統的能量密度降低(即不能完全開發出燃料電池的特性)。
相應地，理想的是使燃料電池系統整體輸出的電能的量最大化，並實現向電能所供應的目標裝置長時間供應電能。鑑於上述情況，得出本發明。
在根據具有包括一個或更多各自包括成對電極和電解質的電池單元燃料電池部件、和具有用以儲存電池單元所用的燃料的燃料箱的本發明實施例的燃料電池系統中，如果E表示燃料電池系統輸出的電能總量，n表示電池單元數目或電極面積，電能總量E表示為電池單元數目或電極面積n的函數E(n)，n的某個取值從下列各值中選擇(1)當E(n)為最大值或其近似最大值時的n值；和(2)當E(n)為通過將其最大值乘以小於1的係數而得到的值時的n值。
這樣，根據本發明實施例，可通過優化電池單元數目或燃料電池系統的電極面積，使燃料電池系統輸出的電能的量最大化或使其等於或大於目標值。
根據本發明燃料電池系統的另一實施例，如果表示燃料箱容量的Vf(n)是n的函數，表示流過燃料電池系統的總電流的Ia(n)是n的函數，則選擇n的最佳值，在該值上，與{Vf(n)/Ia(n)}成正比的E(n)表現為最大值或近似最大值。這樣，考慮到該系統總體積的能量效率和燃料容量，可得出電池單元數目或電極面積的最佳值nopt。相應地，可使燃料電池系統輸出的電能的量最大化。
本發明燃料電池系統還有另一實施例，根據該實施例，如果「I＝f(w)」表示每個電池單元的電流I和輸出功率w的函數關係，V表示燃料電池系統的總體積，Vc表示每個電池單元的體積，Vm表示用於控制燃料電池部件的控制部件的體積，則選擇n的最佳值，在該值上E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)(「K」為比例常數)顯示最大值或近似最大值。這樣，如果燃料電池系統受因電池單元數目或電極面積增加而使燃料容量減少這種限制，則可使燃料電池系統輸出的電能的量最大化。
本發明燃料電池系統還有另一實施例，根據該實施例，如果nmin表示定義為通過將燃料電池系統要求的最大功率除以每個電池單元的最大輸出功率得到的值的n的最小值，表示燃料箱容量的Vf(n)是n的函數，表示流過燃料電池系統的總電流的Ia(n)是n的函數，電能總量E(n)與{Vf(n)/Ia(n)}成正比，E(n)的值等於或大於通過將E(n)的最大值與小於1的係數相乘得出的值、且n的該取值大於nmin的方式確定n的最佳值。
本發明燃料電池系統還有另一實施例，根據該實施例，如果nmin表示定義為通過將燃料電池系統的最大功率除以每個電池單元的最大輸出功率得到的值的n的最小值，「I＝f(w)」表示每個電池單元的電流I和輸出功率w之間的函數關係，V表示燃料電池系統的總體積，Vc表示每個電池單元的體積，Vm表示用於控制燃料電池部件的控制部件的體積，則以這種方式確定n值，E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)(「K」為比例常數)等於或大於通過將E(n)的最大值與小於1的係數相乘得出的值，且n的該取值大於nmin。
相應地，與電池單元的數目或電極面積等於最佳值nopt的情況相比，系統的成本的降低和其小型化可通過減少電池單元的數目或電極面積而實現。
圖1是描述根據本發明實施例的燃料電池系統的基本結構的圖表。
圖2A，2B和2C為同圖3-5一起描述根據本發明實施例的例子的圖表；圖2A為描述電流-電壓特性的圖表；圖2B為描述電壓-輸出特性的圖表；圖2C為描述電流-輸出特性的圖表；圖3為描述在輸出一定功率的情況下整個燃料電池所需的總電流如何隨電池單元數目的增加而減少的圖表；圖4為描述燃料容量如何隨電池單元數目的增加而減少的圖表；圖5為描述電池單元數目與標準化電能總量之間關係的圖表；圖6為描述燃料電池的輸出電流-終端電壓特性的圖表；圖7為描述燃料電池的終端電壓-輸出功率特性的圖表；圖8為描述燃料電池的輸出電流-輸出功率特性的圖表；和圖9為描述燃料電池的電池數目和燃料容量的關係以及電池單元數目和其能量效率的關係的圖表。
具體實施例方式
本發明涉及具有電池單元的燃料電池系統，應用於例如可攜式電子裝置的電源單元。然而，本發明的應用並不限於此。本發明也可用於汽車電源和家用電源。可使用諸如氫和甲醇的化學品作為燃料電池的燃料。也可使用任意材料作為燃料。根據本發明的燃料電池系統的結構模式如下(1)只包括燃料電池型電源的燃料電池系統；和(2)包括燃料電池型電源和另一種類型的電源裝置的組合的混合燃料電池系統，例如蓄電池型。
下文在描述系統構造之前，描述在根據本發明實施例的燃料電池系統中使用的電池單元數目的優化。
在本說明書中，假設表述「電池單元」表示夾於各有一單位電極面積的兩個電極之間的燃料電池體，且電池單元不包括燃料箱。此外，在本說明書中，表述「電池單元數目」也可作「電極面積」解(即，電池單元數目和電極面積存在正比關係)。
首先，根據圖8所示電流-功率特性，如果燃料電池的輸出設置為最大功率wmax的一半(wmax/2)，則輸出該設定功率所需的電流等於或小於輸出最大功率wmax所需電流的一半。因此，適用於通過使用各用以輸出最大功率wmax的一半功率的兩個電池單元以輸出最大功率wmax的燃料電池系統可以通過利用與適用於通過使用單個電池單元以輸出最大功率wmax的燃料電池系統相比可以用更小電流輸出等量的輸出功率。
即，如果要輸出一定的功率，每個電池單元的輸出功率隨電池單元數量的增加而降低。這樣，使用較少燃料即可輸出該功率。相應地，能量效率可提高。
另一方面，電池單元數目的增加影響燃料量。例如，如果增加電池單元數目，可增大堆疊有電池單元的燃料電池堆的體積。在燃料電池系統的尺寸或體積一定的情況下，該燃料電池系統所佔體積的增加可導致燃料容量減少。
圖9以示意圖的形式描述了該關係。其橫坐標軸表示電池單元的數目。該圖中圖表曲線表示電池單元數目和能量效率之間的關係，此外另一圖表曲線表示電池單元數目和燃料容量之間的關係。
雖然能量效率通過增加電池單元數目而提高，燃料容量卻隨電池單元數目增加而減小。即，燃料電池系統可輸出的電能的量由能量效率和燃料容量的乘積決定。這樣可知，電能的量在電池單元數目為一定量時達到最大值。
通過將燃料電池系統所需的最大功率(下文表示為「Wmax」)除以每個電池單元可輸出的最大功率wmax，可得出電池單元的最小數目(下文表示為「nmin」)。因此，燃料電池可輸出的電能的量可以通過將電池單元的實際數目設置為大於電池單元最小數目nmin的最佳值而最大化，且通過每個電池單元的能量效率和燃料容量來決定。
圖1為描述根據本發明實施例的燃料電池系統的基本結構的附圖。在這種情況下，描述僅包括如直接甲醇燃料電池的燃料電池型電源的系統。
燃料電池系統1由燃料箱2、燃料電池部件3、控制部件4構成，並且連接於如可攜式電子裝置的負載5。
燃料箱2儲存用於燃料電池電池單元的燃料，即產生電功率所需燃料(這裡為甲醇)。根據該實施例的系統的結構模式既可以是燃料箱2固定於該系統的固定型，也可以是燃料箱2與該系統之間為可分離式接觸的卡型。
燃料電池部件3由電池單元3a、......和3a構成，每個3a由成對電極和電解質組成。例如，具有電池單元堆疊結構的燃料電池堆可具有多個電池單元串聯堆疊的串聯結構、多個電池單元並聯堆疊的並聯結構、和串聯結構與並聯結構組合的複合結構。
在每個電池單元3a中，固體電解質膜容納於例如燃料電極和空氣電極。
本發明不限於使用由多個電池單元堆疊的單個燃料電池堆的系統。該系統可使用多個電池堆。電池單元可以是一組(或一對)電極(這裡電池單元數目與電極面積本身等同)。
控制燃料電池部件4的控制部件4包括控制燃料電池系統所需的控制裝置，例如控制燃料流速的燃料供應裝置、監控燃料電池輸出電壓的裝置、和提高輸出電壓的如DC-DC轉換器的電路。
燃料電池系統1輸出的電能總量(下文表示為「E」)可由電池單元數目(或電極面積)(下文表示為「n」)的函數E(n)表示。
首先概述下文描述中使用的符號如下Wmax燃料電池系統1所需的最大功率。
wmax每個電池單元3a的最大輸出功率。
I＝f(w)每個電池單元3a的電流-輸出特性(函數)。
V整個燃料電池系統的容量。
Vc每個電池單元3a的容量。
Vm控制部件4的容量。
Vf燃料體積(燃料箱2的內部容積)。
Ia通過整個燃料電池系統的的總電流。
即使電池單元數目增加，容量「Vm」仍保持不變(即，假設容量「Vc」包括體積V隨電池單元數目增加的增量，例如，燃料供應管的體積)。
操作該燃料電池系統所需的電池單元的最小數目nmin通過下式得出nmin＝Wmax/wmax另一方面，每個電池單元所需的功率w通過下式給出w＝Wmax/n這裡，「n」表示電池單元數目。
至此，通過整個燃料電池系統的總電流Ia通過下式得出Ia＝n·f(w)。
考慮到功率w與電池單元數目n成反比的事實，可知Ia由n的函數Ia(n)表示。
燃料的容量Vf通過下式給出Vf＝V-(Vm+n·Vc)這樣，燃料容量Vf由n的函數Vf(n)表示。
因此，燃料電池系統輸出的電能總量E與Vf和Ia的商成正比，可由下式表示E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)其中，「K」為比例常數，決定於燃料本身的能量密度。
鑑於V、Vm、Vc和K為常數，且w決定於Wmax與n的商，該關係表達式說明，E為n的函數。
在根據本發明實施例的燃料電池系統中，電池單元數目(或電極面積)設置為最佳值「nopt」，這樣，E(nopt)表現為最大值或近似最大值。即，燃料電池部件(或電池堆)由有最佳值nopt的電池單元(或電極面積)構成，在該值上燃料電池系統輸出的電能總量最大化(附帶地，nopt＞nmin)。具體地，使函數E(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/{n·f(w)}(對於給定值n，E(n)≤E(nopt))的值最大化，這樣可以得出最佳值nopt。
如果n＝nopt，燃料電池系統可輸出的電能總量最大。然而在實際操作中，必須考慮各種因素，例如，能量效率降低和由於各電池單元之間的不同導致的成本增加。這樣可假設，用於燃料電池系統的電池單元數目(或電極面積)有一小於最佳值nopt的值。即，使電能總量E等於或大於通過將量E的最大值乘以小於1的係數(下文表示為「α」)得到的閾值，這樣可確定n的值或其下限。例如，當α＝0.9時的電能總量應等於或大於電能總量的最大值的90％。因此，n的值可小於nopt。此外，當α＝0.8(對應於電能總量的最大值的80％)時，n的值會進一步減小(然而，n的值應等於或大於nmin)。
實施例接著，下文通過參考圖2A至5所描述的模擬結果來描述實際例子。
圖2A、2B和2C描述每個用於根據本發明實施例的例子中的電池單元的特性。圖2A為描述電流-電壓特性的圖表，其橫坐標軸表示電流密度，縱坐標軸表示電壓。圖2B為描述電壓-輸出特性的圖表，其橫坐標軸表示電壓，縱坐標軸表示輸出密度。圖2C為描述電流-輸出特性的圖表，其橫坐標軸表示電流密度，縱坐標軸表示輸出密度。
這些特性都通過模擬得出。在實際使用中，電池單元連接於例如可以控制負載的裝置。這些特性可通過在負載發生變化的同時測量其電流和電壓而得出。理想的是在燃料電池的實際使用環境(如溫度)中進行測量。
在假設此電池單元的電極面積為1cm2的情況下，該電池單元的最大輸出功率wmax為83.8mW。在燃料電池系統所需的最大功率Wmax為1W的情況下，由於1W/83.8mW≌12，nmin約為12。在這種情況下，如圖2C所示，通過電池單元的電流強度為0.451A。
在假設電池單元數目為n的情況下可計算出每個電池單元所需輸出功率w(＝Wmax/n)。然後，從圖2C可知得出該計算所得輸出功率所需的電流I。圖3表示由將已知電流與電池單元數目n相乘得出的總電流Ia(橫坐標軸表示作為連續量的電池單元數目，縱坐標軸表示Ia)。從該圖表清晰可知，這樣，通過增加電池單元數目可減小獲得1W的功率所需的電流，因而減少所需的燃料。
與此同時，圖4顯示在假設整個系統容量V為125cm3、控制部件4的容量Vm為25cm3、且電池單元3a的容量Vc為1cm3的情況下燃料箱的容量Vf和電池單元數目n之間的關係(橫坐標軸表示作為連續量的n，縱坐標軸表示Vf)。
圖5在圖3和圖4的基礎上顯示該燃料電池系統電能總量E和表示為連續量的電池單元數目n之間的關係。圖5的縱坐標軸表示通過將相對應於電池單元數目的電能總量除以在電池單元數目為電池單元數目最小值nmin(＝12)時的電能總量得出的標準化電能總量。
在該例所述情況下，該燃料電池系統可輸出的電能總量可通過將電池單元數目設置為27而最大化。電能總量的最大值為電池單元數目取最小值nmin(＝12)時的電能總量的1.85倍。
雖然增加電池單元數目導致成本增加，最好是所構造的燃料電池系統使燃料電池系統輸出的電能總量的值等於或大於電能總量最大值的90％。在該例所述情況下，電池單元數目須等於或大於17。在燃料電池系統的電能總量的值應等於或大於電能總量最大值的80％的情況下，電池單元數目須等於或大於14。
這樣，上述構造的本發明實施例具有下列優點(1)根據本發明實施例的燃料電池系統輸出的電能的量可通過優化該燃料電池系統中所用的電池單元的數目而最大化。相應地，諸如可攜式電子裝置的由該燃料電池系統提供電能的目標裝置的使用時間可延長。
(2)燃料電池系統的燃料電池所產生的電壓可通過將用於該燃料電池系統的電池單元的數目設置為大於電池單元數目的最小值nmin而增高。這增加了只通過燃料電池型電源即可獲得驅動電子裝置或諸如此類裝置所需電壓的可能性。這種情況下，無需升壓式DC-DC轉換器。即使驅動電子裝置或諸如此類裝置所需電壓不能僅通過燃料電池型電源獲得，燃料電池產生的電壓也可增高。相應地，可實現其DC-DC轉換器的小型化以及其效率的提高。而且可實現整個燃料電池系統的小型化。
該技術領域的技術人員應該理解，根據設計要求和其他因素而進行的各種改裝、組合、次組合和改進都應在所附權利要求或其同等物的範圍之內。
權利要求
1.一種包括具有一個或多個各自包括成對電極和電解質的電池單元的燃料電池部件以及儲存用於電池單元的燃料的燃料箱的燃料電池系統，其中，如果E表示燃料電池系統輸出的電能總量，n表示電池單元數目或電極面積，電能總量E表示為電池單元數目或電極面積n的函數E(n)，選擇n的下列值中的一值(1)當E(n)為最大值或其近似最大值時的n值；和(2)當E(n)為通過將其最大值乘以小於1的係數而得到的值時的n值。
2.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，如果表示燃料箱容量的Vf(n)為n的函數，且表示通過燃料電池系統的總電流的Ia(n)為n的函數，選擇n的最佳值，使在該n值與{Vf(n)/Ia(n)}成正比的E(n)取得最大值或其近似最大值。
3.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，如果「I＝f(w)」表示每個電池單元的電流I和輸出功率w的函數關係，V表示燃料電池系統的總體積，Vc表示每個電池單元的體積，和Vm表示用於控制燃料電池部件的控制部件的體積，則選擇n的最佳值，使在該n值E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)取得最大值或其近似最大值，其中，K為比例常數。
4.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，如果nmin表示定義為通過將燃料電池系統要求的最大輸出功率除以每個電池單元的最大輸出功率得到的值的n的最小值，表示燃料箱的容量的Vf(n)為n的函數，和表示流經燃料電池系統的總電流的Ia(n)為n的函數，以電能總量E(n)與{Vf(n)/Ia(n)}成正比、E(n)的值等於或大於通過將E(n)的最大值乘以小於1的係數得出的值、且n的該取值大於nmin的方式確定n的最佳值。
5.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，如果nmin表示定義為通過將燃料電池系統要求的最大輸出功率除以每個電池單元的最大輸出功率得到的值的n的最小值，「I＝f(w)」表示每個電池單元的電流I和輸出功率w之間的函數關係，V表示燃料電池系統的總體積，Vc表示每個電池單元的體積，和Vm表示用於控制燃料電池部件的控制部件的體積，以E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)(「K」為比例常數)等於或大於通過將E(n)的最大值與小於1的係數相乘得出的值、且n的該取值大於nmin的方式確定n的值。
全文摘要
本發明提供具有包括一個或多個電池單元的燃料電池部件、儲存用於電池單元的燃料的燃料箱、和控制燃料電池部件的控制部件的燃料電池系統。優化電池單元數目，使作為電池單元數目或電極面積的函數的由燃料電池系統輸出的電能總量取得最大值或近似最大值。這樣，可使電能的量最大化或使其等於或大於某個預定值。相應地，可延長由該燃料電池系統提供電能的目標裝置的使用時間。
文檔編號H01M8/24GK1574433SQ20041005959
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月28日 優先權日2003年5月29日
發明者上坂進一, 富田尚 申請人:索尼株式會社