燃料電池系統的操作方法

2023-05-20 09:22:46

專利名稱：燃料電池系統的操作方法
技術領域：
本發明的實施例的方面涉及操作燃料電池系統的系統和方法。
背景技術：
燃料電池，作為用於通過使用燃料(氫或重整氣)和氧化劑(氧或空氣)以電化學方式產生電力(power)的設備，通過電化學反應將從外部(例如，外部源)連續供應的燃料和氧化劑直接轉換成電能。例如，燃料電池可以使用純氧(或包含大量氧的空氣)作為氧化劑並且使用純氫 (或通過重整碳氫燃料(LNG、LPG、CH3OH))而產生的包含大量氫的燃料)作為燃料。

發明內容
本發明的方面針對能夠容易地(或穩定地)向燃料電池堆供應燃料而不使用濃度傳感器的操作燃料電池堆的方法和系統。根據本發明的一個實施例，一種操作燃料電池系統的方法包括在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產生電力；將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流；測量所述輸出電流的增加速率；當所述輸出電流的增加速率低於閾值速率時，開始向所述燃料電池堆供應燃料；以及控制所述燃料電池堆中的燃料濃度，以將所述輸出電流維持在目標電流電平。產生所述電力的步驟可以包括操作所述燃料電池堆直到所述燃料電池堆產生的電力的輸出電壓被穩定在開路電壓電平為止。在降低所述電力的輸出電壓時，所述輸出電壓可以減小直到其達到所述目標電壓為止。在一個實施例中，所述閾值速率不大於OA/s。 所述閾值速率可以在OA/s與-0. 5A/s之間。所述輸出電壓可以被維持在所述目標電壓。控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟可以包括在第一時段期間供應燃料；以及在第二時段期間停止燃料供應。控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟可以包括操作燃料泵以將燃料從燃料箱供應到混合器。控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟還可以包括在所述混合器中將來自所述燃料箱的燃料與水混合。所述燃料泵由從下列的組中選擇的控制器來控制，所述組包括比例控制器、比例積分控制器、和比例積分微分控制器。所述操作燃料電池系統的方法還可以包括將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；檢測燃料電池堆中的溫度；以及當檢測到的溫度大於閾值溫度時，降低所述目標電壓。 降低所述目標電壓的步驟可以包括控制所述燃料電池堆中的燃料的濃度，以將所述輸出電壓維持在降低的目標電壓。所述閾值溫度可以在大於參考操作溫度2%與10%之間。所述操作燃料電池系統的方法還可以包括將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；測量供應到配置用於冷卻所述燃料電池堆的風扇的功率；以及當測得的供應到所述風扇的功率大於閾值功率時，降低所述目標電壓。所述閾值功率可以比參考操作功率大5%到 20%。所述參考操作功率可以是所述風扇的最大使用功率的70%。
根據本發明的另一實施例中，一種操作燃料電池系統的系統包括燃料電池堆，其被配置為在不從燃料箱供應燃料的同時產生電力；外圍設備，其被配置為將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流，並且測量所述輸出電流的增加速率; 以及控制器，其被配置為在所述輸出電流的增加速率低於閾值速率時開始向所述燃料電池堆供應燃料，並且控制所述燃料電池堆中的燃料濃度以將所述輸出電流維持在目標電流電平。


圖1是根據本發明的第一示範性實施例的燃料電池系統的示意性框圖；圖2是示出根據本發明的第一示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的流程圖；圖3是根據圖2中示出的操作燃料電池系統的方法的電壓和電流對照時間的曲線圖；圖4是根據本發明的第二示範性實施例的燃料電池系統的示意性框圖；圖5是示出根據本發明的第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的流程圖；圖6是示出根據依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的電池堆的電壓、電流、功率、和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖7是示出根據依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的電流和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖8是示出根據依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的電池堆溫度、陽極溫度、和外部溫度隨時間變化的曲線圖；圖9是示出當通過依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法重新開始操作時電池堆的功率、電壓、電流、和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖10是示出當通過依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法重新開始操作時電池堆的電流和燃料濃度隨時間變化的曲線圖；圖11示出根據本發明第三示範性實施例的燃料電池系統的示意性框圖；和圖12是示出根據本發明第三示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的流程圖。
具體實施例方式以下將參照附圖更充分地描述本發明的實施例的方面。如本領域技術人員將認識到的，所描述的實施例可以以各種不同的方式修改，而全都不會背離本發明的精神或範圍。向燃料電池系統供應均勻數量的燃料是很重要的。在20W的直接甲醇燃料電池系統中，如果通量(或通過燃料電池堆的燃料的流量)按照0.03立方釐米/分鐘(cc/min) 變化，則燃料電池系統的燃料效率可能改變大約10%。通量的變化改變諸如操作濃度、操作溫度、操作壓力等操作狀態(或條件)，這降低燃料電池堆的穩定性並且減少燃料電池的壽命。用於精細地(或精確地)控制通量(或燃料的流量)的常用方法使用精確濃度傳感器和高精度泵。然而，精確濃度傳感器在溫度改變時不能精確地測量濃度。已經使用了根據溫度的變化校正濃度傳感器的方法。然而，該方法難以根據環境溫度的變化精確地校正所測量的濃度，原因是溫度傳感器也受到燃料電池堆產生的熱的影響。此外，當長時間使用(或操作)燃料電池系統時，精確濃度傳感器的零點(或定零點(zeroing point))改變，從而導致所測量的濃度產生誤差。另外，低通量和高精度泵容易受到其中引入的雜質的損壞，並且當操作了很長時間時性能嚴重下降並且耐久性變弱。由於低通量和高精度泵通常製造(或設計)用於實驗室，因此當其用於長時間供應帶有大量雜質的燃料的場合時其耐久性變弱(或降低)。圖1是根據本發明的第一示範性實施例的燃料電池系統的示意性框圖。參照圖1，根據本發明第一示範性實施例的燃料電池系統101可以使用直接甲醇燃料電池系統，其通過甲醇和氧的直接反應而產生電能。然而，本發明的實施例不限於此。根據第一示範性實施例的燃料電池系統可以被配置為直接氧化燃料電池，其將諸如乙醇、LPG、LNG、汽油、丁烷氣等包含氫的液體和氣體燃料與氧反應。此外，該燃料電池系統可以被配置為聚合物電極膜燃料電池(PEMFC)，其將燃料重整為富含氫的重整氣並且將該富含氫的重整氣氧化以產生電。燃料電池系統101中使用的燃料可以是諸如甲醇、乙醇、天然氣、LPG等由液體或氣體構成的碳氫燃料。然而，燃料電池系統101可以使用存儲在單獨的存儲單元中的空氣或氧氣作為與燃料中的氫進行反應的氧化劑。根據本發明第一示範性實施例的燃料電池系統101包括燃料電池堆30，其使用燃料和氧化劑產生電力；燃料箱(tank) 12，其向燃料電池堆30供應燃料；氧化劑泵21，其向燃料電池堆30供應氧化劑以產生電；以及混合器16，其安裝在燃料電池堆30與燃料箱 12之間。第一燃料泵14連接至燃料箱12以通過泵力(例如，預定泵力)將存儲在燃料箱 12中的液體燃料從燃料箱12放出。第一示範性實施例中，存儲在燃料箱12中的燃料可以由甲醇組成(或者包括甲醇)。此外，氧化劑泵21用於向燃料電池堆30供應空氣。混合器16將從燃料箱12供應的燃料和通過回收管道(withdraw pipe)從燃料電池抽出的水混合，並且將混合物供應到燃料電池堆30。向燃料電池堆30供應存儲在混合器 16中的燃料的第二燃料泵18安裝在混合器16與燃料電池堆30之間，。燃料電池堆30包括多個發電器35，它們引起燃料與氧化劑的氧化/還原反應以產生電能。每個發電器35包括單元電池(unit cell)，單元電池產生電並且包括使燃料氧化並且使氧化劑中的氧還原的膜-電極組件(MEA)31，還包括向膜-電極組件31供應燃料和氧化劑的分隔器32和33 (在本領域中也被稱為雙極板)。發電器35具有這樣的結構，其中分隔器32和33中各自放置在膜_電極組件31的相對兩側。分隔器32和33相互緊密附接，以膜-電極組件31位於分隔器32與33之間， 從而在膜-電極組件31的相對兩側形成燃料通道和空氣通道。燃料通道位於膜-電極組件31的陽極側，而空氣通道位於膜-電極組件31的陰極側。電解質膜將從陽極產生的質
6子移動至陰極以與陰極電極的氧進行反應，從而實現離子交換和水的產生。結果，通過氧化反應將陽極的氫分解為電子和質子(氫離子)。質子通過電解質膜移動至陰極電極，而電子通過分隔器33 (而不是通過電解質膜)移動至相鄰的膜-電極組件31的陰極。通過電子的流動產生電流。此外，通過移動的質子、移動的電子、和氧的還原反應在陰極中產生溼氣(moisture)。燃料電池系統101包括燃料電池堆30，其包括多個發電器35。燃料電池堆30的一側安裝有用於冷卻燃料電池堆30的冷卻風扇36。由於在發電期間在燃料電池堆中產生大量的熱，因此冷卻風扇36向燃料電池堆30供應空氣以降低燃料電池堆30的溫度(或者冷卻燃料電池堆30)。根據第一示範性實施例的燃料電池堆30是具有小容量的30W的燃料電池堆30。 然而，這僅僅是示例描述，因而本發明的實施例不限於此。外圍設備50將燃料電池堆30電連接至負載62。外圍設備50包括電壓傳感器52、 電流傳感器53、和轉換器51。電壓傳感器52測量燃料電池堆30的電壓(或輸出電壓)，而電流傳感器53測量燃料電池堆的電流(或輸出電流)。此外，轉換器51用於校正輸出電壓和輸出電流以使得從燃料電池堆30產生的電力的電壓和電流可以在負載中使用。轉換器 51連接至負載62以向負載62供電。燃料電池系統101還包括控制器40，用於根據測量得到的電壓和電流來控制第一燃料泵14的操作。圖2是示出根據本發明第一示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的流程圖， 而圖3是根據圖2示出的操作燃料電池系統的方法的電壓和電流對照時間的曲線圖。將參照圖2和3描述根據本發明第一示範性實施例的操作燃料電池系統的方法。根據第一示範性實施例的操作燃料電池系統101的方法包括在其中不供應燃料的開始步驟(SlOl)、電壓降低步驟610 、電流增加速率測量步驟(S103)、燃料供應步驟 (S104)、和遵循電流的燃料供應步驟(S105)。在其中不供應燃料的操作開始步驟(SlOl)，燃料電池系統101通過將轉換器51連接至處於燃料供應停止狀態的燃料電池堆30來開始其操作。當燃料供應被停止時，燃料電池系統101以恆定電壓工作直到開路電壓(OCV)穩定為止。當開路電壓是穩定的(或者得到穩定)時，輸出電壓(堆電壓)以一速率(例如，恆定速率)減小(例如，轉換器51減小輸出電壓)直到其達到目標電壓(Vs。)。隨著輸出電壓減小，輸出電流(堆電流)增加(以保持恆定功率輸出)直到電流最終停止增加並開始減小。輸出電流開始減小是因為燃料電池堆30中剩餘的燃料被耗盡用於發電。即，電流開始減小的時間可以被看作燃料電池堆30 中的燃料濃度被最小化或者基本最小化的時間。電流增加速率測量步驟(Sl(XB)測量電流增加的速率，以確定電流增加速率是否小於目標增加速率(Ire。)。當電流增加速率小於目標增加速率(1 。)時，燃料供應步驟 (S104)開始向燃料電池堆30供應燃料。在一個實施例中，電流的目標增加速率(Ire。)在 OA/s到-0. 5A/s範圍內。在遵循電流的燃料供應步驟610 期間，在燃料供應開始之後，根據電流的輸出控制燃料濃度，以使得可以從燃料電池堆30輸出目標電流(IJ。此時，通過轉換器將燃料電池堆30的輸出電壓恆定地固定到(固定在)目標電壓(Vs。)。目標電壓(Vs。)和目標電流(Is。)可以根據燃料電池系統的類型來適當地設置。例如，在燃料電池系統具有60W的額定輸出的情況下，目標電壓可以是1.5V並且目標電流可以是40A。作為另一示例，在燃料電池系統具有300W的額定輸出的情況下，目標電壓可以是6V並且目標電流可以是50A。遵循電流的燃料供應步驟610 包括重複地向混合器16供應燃料和停止供應燃料。第一示範性實施例中，使用第一燃料泵14，其可以是低精度泵，並且在一個時段(例如， 其中在第一時段期間執行燃料供應並且在第二時段期間執行停止燃料供應的預定時段) 期間執行燃料供應和停止燃料供應，其可以獲得與在整個時段內供應均勻(或恆定)數量的燃料相同的效果。例如，當期望供應第一燃料泵14能夠供應的最大數量的燃料的1/10 時，第一燃料泵在該時段的1/10(例如，第一時段是1/10時間單位長)內供應燃料而在該時段的9/10(例如，第二時段是9/10時間單位長)內停止燃料供應，從而可以獲得期望的精度(例如，供應期望數量的燃料)。導入混合器16的燃料與水充分混合，然後被導入燃料電池，從而可以確保均勻的(或穩定的)濃度。如上所述，輸出電壓被固定到目標電壓OU，並且輸出電流根據燃料濃度而改變， 從而可以最小化或降低對燃料電池堆30的損害。相反，如果目標電流(Iso)被轉換器強制輸出，則反應被強制產生，那麼燃料電池堆30可能被損壞。由於燃料濃度是根據從燃料箱12供應的燃料的數量來確定的，控制器40根據測量的電流來控制第一燃料泵14的操作，因此第一燃料泵14可以通過各種適合的方法來控制，所述方法諸如比例(P)、比例積分(PI)、比例積分微分(PID)控制等，這些方法都是本領域公知的，因此，將省略其描述。根據第一示範性實施例，控制器40根據輸出電流來控制供應的燃料數量以將輸出電流基本上維持在目標電流Is。，而不使用濃度傳感器，因此，能夠更容易地供應燃料。此外，高濃度燃料和水在混合器16中混合，然後被供應到燃料電池堆30，使得可以使用低精度泵。當通過控制器40 (例如，PID控制器等)使用低精度泵周期性地將一個數量的燃料 (例如，預定數量的燃料)從燃料箱12供應到混合器16時，可以連續地(或穩定地)供應穩定濃度的燃料(例如，預定濃度的燃料)。在燃料電池堆30的開始操作時，燃料電池堆30的溫度低，而且並未有效地發電。 如果通過控制燃料濃度將燃料電池堆30初始控制為輸出目標電流，則高濃度的燃料將被供應(或初始供應)到燃料電池堆30，使得燃料電池堆30可能被損壞。然而，根據第一示範性實施例，燃料電池堆30的操作開始時並不從燃料箱12供應燃料，而是在燃料電池堆 30中的燃料濃度基本上被最小化的狀態下供應(或開始供應)燃料，使得雖然供應了燃料 (例如，低濃度燃料)以輸出目標電流，但是並沒有供應高濃度燃料。此外，操作通過使用燃料電池堆30中剩餘的燃料開始，並且在燃料電池堆30的溫度增加的狀態下供應燃料，從而可以平穩地輸出目標電流。圖4是根據本發明的第二示範性實施例的燃料電池系統的示意性框圖，而圖5是示出根據本發明的第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的流程圖。參照圖4和5，根據本發明第二示範性實施例的燃料電池系統102包括溫度傳感器 38，其安裝在燃料電池堆30中。除了溫度傳感器38之外，燃料電池系統102與根據第一示範性實施例的燃料電池系統具有相同的配置，因此，將省略對類似組件的詳細描述。操作根據第二示範性實施例的燃料電池系統102的方法包括第一目標電壓下的遵循電流的燃料供應步驟(S201)、燃料電池堆溫度測量步驟620 、電壓降低步驟
8(S203)、和第二目標電壓下的遵循電流的燃料供應步驟(S204)。第一目標電壓下的遵循電流的燃料供應步驟(S201)控制供應到燃料電池堆30的燃料的濃度，從而可以輸出目標電流(IJ。此時，執行恆定電壓(CV)操作，其將輸出電壓維持在第一目標電壓(VsJ。燃料電池堆溫度測量步驟620 測量燃料電池堆30的溫度以確定燃料電池堆30 的溫度是否高於閾值溫度(Tsl)。當燃料電池系統102操作了很長時間時，燃料電池堆30 的性能下降，因此，在第一目標電壓(VsJ條件下可能不能輸出該目標電流。該情況下，為了輸出目標電流(Is。)，在向燃料電池堆30供應高濃度燃料(或額外的燃料)時存在問題。 當供應高濃度燃料時，在燃料電池堆30中可能產生過多的熱，這會損壞燃料電池堆30。第二實施例中，為了冷卻燃料電池堆30，將冷卻風扇36放置在燃料電池堆30的一側，並且冷卻風扇36被設置為以恆定的速度旋轉。因此，燃料電池堆溫度測量步驟620 可以使用溫度傳感器38來確定燃料電池堆30的溫度是否高於閾值溫度(Tsl)。將閾值溫度(Tsl)設置為比參考操作溫度高2%到10%的溫度。由於參考操作溫度依賴於燃料電池系統的類型，因此可以根據參考操作溫度適當地設置閾值溫度(Tsl)。例如，直接甲醇燃料電池(DMFC)，其參考操作溫度為62°C，可以將其閾值溫度(Tsl)設置為例如63. 4°C到68. 2°C範圍內的溫度。當燃料電池堆30的溫度高於閾值溫度(Tsl)時，電壓降低步驟(S203)將目標電壓從第一目標電壓(U降低到第二目標電壓(Vs。2)。當根據燃料電池堆30的性能下降而降低目標電壓時，輸出(或繼續輸出)目標電流，並且燃料濃度並非過高(或不上升到過高的電平)。第二目標電壓(Vs。2)下的電流跟蹤的燃料供應步驟(S204)控制燃料泵14以輸出目標電流(Is。)，同時基本上將輸出電壓固定(或維持)在第二目標電壓(vs。2)。如上所述，根據第二示範性實施例，即便當燃料電池堆30的性能在長時間操作過程中(或者在操作了很長時間之後)下降時，其也可以穩定地供應燃料同時防止燃料濃度過多地增加而無需使用濃度傳感器。圖6是示出根據依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的燃料電池堆的電壓(V_stack)、電流(I_staCk)、功率(P_stack)、和燃料濃度(MeOH)隨時間變化的曲線圖，圖7是示出根據依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的電流(I_staCk)和燃料濃度(MeOH)隨時間變化的曲線圖，並且圖8是示出根據依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的堆溫度(T_stack)、 陽極溫度(T_anode)、和外部溫度(^external)隨時間變化的曲線圖。參照圖6到8，其操作特性在曲線圖中示出的示範性燃料電池堆是額定輸出為 30W、額定電壓為20V、並且額定電流為1. 5A的燃料電池。首先，如圖7中所示，當燃料電池系統啟動時，其以與第一示範性實施例的方式相同的方式操作，以使得濃度的範圍在0.63M到0.9M之間。此外，在燃料電池系統啟動之後， 在經過240分鐘與430分鐘之間的時間之後，其確認燃料濃度被穩定到處於0. 68M到0. 72M 範圍內。如圖6到圖8所示，從燃料電池系統的操作開始時起到開始之後大約200分鐘，燃料濃度增加並且燃料電池堆的溫度增加到大約65°C。當燃料電池堆30的目標電壓在大約200分鐘時從22V下降到21V時，燃料濃度降低一段時間，然後在開始之後大約230分鐘開始穩定地維持(或者維持在穩定的水平)。此時，燃料電池堆30的溫度、燃料濃度、電流、和電壓被穩定地維持。圖9是示出當通過依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法重新開始燃料電池系統的操作時電池堆的功率(P_stack)、電壓(V_stack)、電流(1_ stack)、和燃料濃度(MeOH)的曲線圖，並且圖10是示出當通過依據本發明第一和第二示範性實施例的操作燃料電池系統的方法重新開始燃料電池系統的操作時電池堆的電流(1_ stack)和燃料濃度(MeOH)的曲線圖。圖9和10示出當在燃料電池系統的目標電壓下降的狀態下燃料電池系統重新啟動時示範性燃料電池系統的操作。如圖8和9所示，在燃料電池系統啟動之後30分鐘，供應的燃料濃度處於穩定狀態，並且電流和功率被穩定地輸出。如上所述，根據第一和第二示範性實施例，當燃料電池系統啟動時並且在燃料電池系統操作時，其可以根據目標電流以穩定的濃度供應燃料而無需使用濃度傳感器。圖11示出根據本發明第三示範性實施例的燃料電池系統的示意性框圖，並且圖 12是示出根據本發明第三示範性實施例的操作燃料電池系統的方法的流程圖。參照圖11和12，根據第三示範性實施例的燃料電池系統103還包括功率傳感器 37，其測量冷卻風扇36的操作電壓。除了功率傳感器37之外，該燃料電池系統與根據第一示範性實施例的燃料電池系統具有基本相同的配置，因此，將省略對類似組件的描述。根據第三示範性實施例的操作燃料電池系統103的方法包括第一目標電壓(VsJ 下的遵循電流的燃料供應步驟(S301)、測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)的步驟(S302)、 電壓降低步驟(S303)、和第二目標電壓(Vs。2)下的遵循電流的燃料供應步驟(S304)。第一目標電壓(VsJ下的遵循電流的燃料供應步驟(S301)控制將要供應到燃料電池堆30的燃料濃度，以便輸出目標電流(Is。)。此時，輸出電壓基本上被維持在第一目標電壓(Vsol)。此外，測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)的步驟(S302)使用功率傳感器37測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)，並且確定冷卻風扇36的操作功率(Pf)是否高於閾值功率(Pfl)。當燃料電池系統103操作了很長時間時，燃料電池堆30的性能下降，因此，在第一目標電壓(VsJ條件下並不輸出目標電流。該情況下，為了在第一目標電壓(VsJ下輸出目標電流(IJ，需要將高濃度燃料供應到燃料電池堆30。然而，當供應高濃度燃料時，在燃料電池堆30中可能產生過多的熱，那麼燃料電池堆30可能被損壞。第三示範性實施例中，當燃料電池堆30中的溫度增加時，冷卻風扇36的轉速增加，以使得燃料電池堆30能夠維持基本穩定的溫度(例如，預定溫度)。因此，當在燃料電池堆30中產生過多的熱時，增加冷卻風扇36的操作功率(Pf)以增加冷卻風扇36的轉速， 並且測量冷卻風扇36的操作功率(Pf)以確定冷卻風扇36的操作功率(Pf)是否高於閾值操作功率(Pfl)。這裡，將閾值操作功率(Pfl)設置為比參考操作功率高5%到20%的功率。由於參考操作功率依賴於燃料電池系統的大小，因此閾值操作功率(Pfl)可以根據參考操作電壓來設置。例如，當參考操作功率是最大使用功率的70%時，閾值操作功率(Pfl)可以在最大使用功率的73. 5%到84%範圍內。
當冷卻風扇36的操作功率(Pf)高於閾值操作功率(Pfl)時，電壓降低步驟(S303) 將目標電壓從第一目標電壓(VsJ降低到第二目標電壓(Vs。2)。當根據燃料電池堆30的性能下降而降低目標電壓時，輸出(或繼續輸出)目標電流，並且燃料濃度並非過高(或不上升到過高的水平)。第二目標電壓(Vs。2)下的遵循電流的燃料供應步驟(S304)控制燃料泵以輸出目標電流(IJ，同時將輸出電壓固定或基本維持在第二目標電壓(Vs。2)。如上所述，根據第三示範性實施例，即便在燃料電池堆30的性能由於長時間操作而(或者在操作了很長時間之後)下降時，其也能夠穩定地供應燃料，同時防止燃料濃度過多地增加。雖然已經結合某些示範性實施例描述了本發明，但是不難理解，本發明不限於公開的實施例，而是相反，旨在涵蓋包括在所附權利要求書及其等價物的精神和範圍內的各種修改和等價配置。
權利要求
1.一種操作燃料電池系統的方法，該方法包括 在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產生電力；將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低，以增加所述電力的輸出電流； 測量所述輸出電流的增加速率；當所述輸出電流的增加速率低於閾值速率時，開始向所述燃料電池堆供應燃料；以及控制所述燃料電池堆中的燃料濃度，以將所述輸出電流維持在目標電流電平。
2.如權利要求1所述的方法，其中產生所述電力的步驟包括操作所述燃料電池堆直到所述燃料電池堆產生的電力的輸出電壓被穩定在開路電壓電平為止。
3.如權利要求1所述的方法，其中在降低所述電力的輸出電壓時，所述輸出電壓減小直到其達到所述目標電壓為止。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述閾值速率不大於OA/s。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述閾值速率在OA/s與-0.5A/s之間。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述輸出電壓被維持在所述目標電壓。
7.如權利要求1所述的方法，其中控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟包括 在第一時段期間供應燃料；以及在第二時段期間停止燃料供應。
8.如權利要求1所述的方法，其中控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟包括操作燃料泵以從所述燃料箱向混合器供應燃料。
9.如權利要求8所述的方法，其中控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的步驟進一步包括在所述混合器中將來自所述燃料箱的燃料與水混合。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述燃料泵由從下列的組中選擇的控制器來控制， 所述組包括比例控制器、比例積分控制器、和比例積分微分控制器。
11.如權利要求1所述的方法，進一步包括 將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；檢測所述燃料電池堆中的溫度；以及當檢測到的溫度大於閾值溫度時，降低所述目標電壓。
12.如權利要求11所述的方法，其中降低所述目標電壓的步驟包括控制所述燃料電池堆中的燃料的濃度，以將所述輸出電壓維持在降低的目標電壓。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述閾值溫度在大於參考操作溫度2%與10%之間。
14.如權利要求1所述的方法，進一步包括 將所述輸出電壓維持在所述目標電壓；測量供應到配置用於冷卻所述燃料電池堆的風扇的功率；以及當測得的供應到所述風扇的功率大於閾值功率時，降低所述目標電壓。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述閾值功率比參考操作功率大5%到20%。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述參考操作功率是所述風扇的最大使用功率的 70%。
17.一種操作燃料電池系統的系統，該系統包括用於在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產生電力的裝置；用於將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流的裝置； 用於測量所述輸出電流的增加速率的裝置；用於在所述輸出電流的增加速率低於閾值速率時開始向所述燃料電池堆供應燃料的裝置；以及用於控制所述燃料電池堆中的燃料濃度以將所述輸出電流維持在目標電流電平的裝置。
18.如權利要求17所述的系統，其中用於控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的裝置包括用於在第一時段期間供應燃料的裝置；以及用於在第二時段期間停止燃料供應的裝置。
19.如權利要求17所述的系統，其中用於控制所述燃料電池堆中的燃料濃度的裝置包括用於將所述輸出電壓維持在所述目標電壓的裝置；用於檢測所述燃料電池堆中的溫度的裝置；以及用於在檢測到的溫度大於閾值溫度時降低所述目標電壓的裝置。
20.一種操作燃料電池系統的系統，該系統包括燃料電池堆，其被配置為在不從燃料箱供應燃料的同時產生電力； 外圍設備，其被配置為將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低以增加所述電力的輸出電流，並且測量所述輸出電流的增加速率；以及控制器，其被配置為在所述輸出電流的增加速率低於閾值速率時開始向所述燃料電池堆供應燃料，並且控制所述燃料電池堆中的燃料濃度以將所述輸出電流維持在目標電流電平。
全文摘要
一種操作燃料電池系統的方法包括在不從燃料箱供應燃料的同時在燃料電池堆中產生電力；將所述電力的輸出電壓向目標電壓降低，以增加所述電力的輸出電流；測量所述輸出電流的增加速率；當所述輸出電流的增加速率低於閾值速率時，開始向所述燃料電池堆供應燃料；以及控制所述燃料電池堆中的燃料濃度，以將所述輸出電流維持在目標電流電平。
文檔編號H01M8/04GK102214831SQ20111007611
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月29日 優先權日2010年4月1日
發明者樸程建, 羅永承, 胡磊, 趙慧貞 申請人:三星Sdi株式會社