专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及使单元电池的数目或其电极面积优化的技术、从而使该燃料电池系统输出的能量最大化、并以此延长由燃料电池系统提供电能的装置的驱动时间。
背景技术：
伴随着宽带的普及，最近在便携式电子装置(例如，笔记本个人计算机、摄象机、数码照相机和便携式电话)的性能方面取得的进展有需要增加功率驱动该装置的倾向。
为方便起见，便携式电子装置通常由电池操作。随着便携式电子装置在性能和小型化方面取得进步，要求提高电池的能量密度。
锂离子二次电池被认为是主要电池的一种。锂离子二次电池的体积能量密度约为每升400Wh或更多。然而，据说目前积极进行研究和发展的燃料电池例如，使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池的体积能量密度，比锂离子二次电池大数倍。即，由于其高能量密度，燃料电池有望成为下一代电池。然而，燃料电池的每个电池单元(或每单个电池)输出的密度及其操作电压较低。因此，燃料电池要求各种各样的装置以驱动电子装置。
例如，一已知结构模式(参见，例如，日本专利申请公开号No.2000-188120)，其中由DC-DC转换器提高燃料电池的终端电压，从而产生驱动电子装置所需的电压。通过将燃料电池系统要求的最大功率除以每电池单元的最大输出，可以得出构成燃料电池的电池单元的数目。所得电池单元数目为构成燃料电池系统的电池单元的数目的最小值。这样，可实现燃料电池的小型化。
同时，已提出对于被称作混合燃料电池系统的一种控制方法(参见，例如，日本专利申请公开号No.7-153474)，其中，燃料电池以使其燃料电池的输出最大化的方式连接于可再充电二次电池。
这样，通过使燃料电池工作以使电池单元的输出接近其最大输出的方式进行对于燃料电池的输出设计和控制，可使整个燃料电池系统输出密度最大化。
发明内容
然而，燃料电池的特点不在于其输出密度，而在于能量密度，即，燃料电池输出的能量总数。换言之，理想的是设计一种燃料电池，通过利用该燃料电池可更持久地操作便携式电子装置。对比之下，有人尝试在相关系统中使电池单元的输出最大化，从而所需的燃料量增加。相应地，相关系统有一个缺陷整个燃料电池系统的能量密度降低。
下文中通过图6-8的示意图表描述这一缺陷。
图6展示电池单元的输出电流(I)和终端电压之间的关系(下文该关系表示为“输出电流-终端电压特性”)。
作为该燃料电池的特点，观察到终端电压随输出电流的增加而降低的趋势。
图7展示具有该电流-电压特性的燃料电池终端电压和输出功率(w)之间的关系(下文表示为“电压-输出特性”)。图8展示输出电流(I)和其输出功率(w)之间的关系(下文表示为“电流-输出特性)。
如图7所示，如果由横坐标轴表示的终端电压具有一给定值(下文表示为Vmin)，功率有最大值(下文表示为“wmax”)。如图8所示，如果由横坐标轴表示的电流I具有一给定值(下文表示为“Imax”)，功率有最大值wmax。
通常设计燃料电池，使得电池单元可以在等于或高于使燃料电池的输出功率表现出最大功率wmax的最低电压Vmin的电压下工作。这是由于这样的事实通过在高于最低电压Vmin的电压下运行燃料电池，可以输出在低于最低电压Vmin的电压下运行电池单元时获得的功率，而且，如果在较高压下运行燃料电池，可以通过使用较少量的燃料来运行燃料电池。
相关技术的系统设计成使电池单元的输出接近最大功率wmax。然而，正如图8所示的电流-输出特性明确显示的那样，如果电池单元的功率设置为最大功率wmax，就需要更大电流即更大量的燃料。为得到作为电池单元的输出的最大功率wmax而增加所需燃料量的结果是，整个燃料电池系统的能量密度降低(即不能完全开发出燃料电池的特性)。
相应地，理想的是使燃料电池系统整体输出的电能的量最大化，并实现向电能所供应的目标装置长时间供应电能。鉴于上述情况，得出本发明。
在根据具有包括一个或更多各自包括成对电极和电解质的电池单元燃料电池部件、和具有用以储存电池单元所用的燃料的燃料箱的本发明实施例的燃料电池系统中，如果E表示燃料电池系统输出的电能总量，n表示电池单元数目或电极面积，电能总量E表示为电池单元数目或电极面积n的函数E(n)，n的某个取值从下列各值中选择(1)当E(n)为最大值或其近似最大值时的n值；和(2)当E(n)为通过将其最大值乘以小于1的系数而得到的值时的n值。
这样，根据本发明实施例，可通过优化电池单元数目或燃料电池系统的电极面积，使燃料电池系统输出的电能的量最大化或使其等于或大于目标值。
根据本发明燃料电池系统的另一实施例，如果表示燃料箱容量的Vf(n)是n的函数，表示流过燃料电池系统的总电流的Ia(n)是n的函数，则选择n的最佳值，在该值上，与{Vf(n)/Ia(n)}成正比的E(n)表现为最大值或近似最大值。这样，考虑到该系统总体积的能量效率和燃料容量，可得出电池单元数目或电极面积的最佳值nopt。相应地，可使燃料电池系统输出的电能的量最大化。
本发明燃料电池系统还有另一实施例，根据该实施例，如果“I＝f(w)”表示每个电池单元的电流I和输出功率w的函数关系，V表示燃料电池系统的总体积，Vc表示每个电池单元的体积，Vm表示用于控制燃料电池部件的控制部件的体积，则选择n的最佳值，在该值上E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)(“K”为比例常数)显示最大值或近似最大值。这样，如果燃料电池系统受因电池单元数目或电极面积增加而使燃料容量减少这种限制，则可使燃料电池系统输出的电能的量最大化。
本发明燃料电池系统还有另一实施例，根据该实施例，如果nmin表示定义为通过将燃料电池系统要求的最大功率除以每个电池单元的最大输出功率得到的值的n的最小值，表示燃料箱容量的Vf(n)是n的函数，表示流过燃料电池系统的总电流的Ia(n)是n的函数，电能总量E(n)与{Vf(n)/Ia(n)}成正比，E(n)的值等于或大于通过将E(n)的最大值与小于1的系数相乘得出的值、且n的该取值大于nmin的方式确定n的最佳值。
本发明燃料电池系统还有另一实施例，根据该实施例，如果nmin表示定义为通过将燃料电池系统的最大功率除以每个电池单元的最大输出功率得到的值的n的最小值，“I＝f(w)”表示每个电池单元的电流I和输出功率w之间的函数关系，V表示燃料电池系统的总体积，Vc表示每个电池单元的体积，Vm表示用于控制燃料电池部件的控制部件的体积，则以这种方式确定n值，E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)(“K”为比例常数)等于或大于通过将E(n)的最大值与小于1的系数相乘得出的值，且n的该取值大于nmin。
相应地，与电池单元的数目或电极面积等于最佳值nopt的情况相比，系统的成本的降低和其小型化可通过减少电池单元的数目或电极面积而实现。
图1是描述根据本发明实施例的燃料电池系统的基本结构的图表。
图2A，2B和2C为同图3-5一起描述根据本发明实施例的例子的图表；图2A为描述电流-电压特性的图表；图2B为描述电压-输出特性的图表；图2C为描述电流-输出特性的图表；图3为描述在输出一定功率的情况下整个燃料电池所需的总电流如何随电池单元数目的增加而减少的图表；图4为描述燃料容量如何随电池单元数目的增加而减少的图表；图5为描述电池单元数目与标准化电能总量之间关系的图表；图6为描述燃料电池的输出电流-终端电压特性的图表；图7为描述燃料电池的终端电压-输出功率特性的图表；图8为描述燃料电池的输出电流-输出功率特性的图表；和图9为描述燃料电池的电池数目和燃料容量的关系以及电池单元数目和其能量效率的关系的图表。
具体实施例方式
本发明涉及具有电池单元的燃料电池系统，应用于例如便携式电子装置的电源单元。然而，本发明的应用并不限于此。本发明也可用于汽车电源和家用电源。可使用诸如氢和甲醇的化学品作为燃料电池的燃料。也可使用任意材料作为燃料。根据本发明的燃料电池系统的结构模式如下(1)只包括燃料电池型电源的燃料电池系统；和(2)包括燃料电池型电源和另一种类型的电源装置的组合的混合燃料电池系统，例如蓄电池型。
下文在描述系统构造之前，描述在根据本发明实施例的燃料电池系统中使用的电池单元数目的优化。
在本说明书中，假设表述“电池单元”表示夹于各有一单位电极面积的两个电极之间的燃料电池体，且电池单元不包括燃料箱。此外，在本说明书中，表述“电池单元数目”也可作“电极面积”解(即，电池单元数目和电极面积存在正比关系)。
首先，根据图8所示电流-功率特性，如果燃料电池的输出设置为最大功率wmax的一半(wmax/2)，则输出该设定功率所需的电流等于或小于输出最大功率wmax所需电流的一半。因此，适用于通过使用各用以输出最大功率wmax的一半功率的两个电池单元以输出最大功率wmax的燃料电池系统可以通过利用与适用于通过使用单个电池单元以输出最大功率wmax的燃料电池系统相比可以用更小电流输出等量的输出功率。
即，如果要输出一定的功率，每个电池单元的输出功率随电池单元数量的增加而降低。这样，使用较少燃料即可输出该功率。相应地，能量效率可提高。
另一方面，电池单元数目的增加影响燃料量。例如，如果增加电池单元数目，可增大堆叠有电池单元的燃料电池堆的体积。在燃料电池系统的尺寸或体积一定的情况下，该燃料电池系统所占体积的增加可导致燃料容量减少。
图9以示意图的形式描述了该关系。其横坐标轴表示电池单元的数目。该图中图表曲线表示电池单元数目和能量效率之间的关系，此外另一图表曲线表示电池单元数目和燃料容量之间的关系。
虽然能量效率通过增加电池单元数目而提高，燃料容量却随电池单元数目增加而减小。即，燃料电池系统可输出的电能的量由能量效率和燃料容量的乘积决定。这样可知，电能的量在电池单元数目为一定量时达到最大值。
通过将燃料电池系统所需的最大功率(下文表示为“Wmax”)除以每个电池单元可输出的最大功率wmax，可得出电池单元的最小数目(下文表示为“nmin”)。因此，燃料电池可输出的电能的量可以通过将电池单元的实际数目设置为大于电池单元最小数目nmin的最佳值而最大化，且通过每个电池单元的能量效率和燃料容量来决定。
图1为描述根据本发明实施例的燃料电池系统的基本结构的附图。在这种情况下，描述仅包括如直接甲醇燃料电池的燃料电池型电源的系统。
燃料电池系统1由燃料箱2、燃料电池部件3、控制部件4构成，并且连接于如便携式电子装置的负载5。
燃料箱2储存用于燃料电池电池单元的燃料，即产生电功率所需燃料(这里为甲醇)。根据该实施例的系统的结构模式既可以是燃料箱2固定于该系统的固定型，也可以是燃料箱2与该系统之间为可分离式接触的卡型。
燃料电池部件3由电池单元3a、......和3a构成，每个3a由成对电极和电解质组成。例如，具有电池单元堆叠结构的燃料电池堆可具有多个电池单元串联堆叠的串联结构、多个电池单元并联堆叠的并联结构、和串联结构与并联结构组合的复合结构。
在每个电池单元3a中，固体电解质膜容纳于例如燃料电极和空气电极。
本发明不限于使用由多个电池单元堆叠的单个燃料电池堆的系统。该系统可使用多个电池堆。电池单元可以是一组(或一对)电极(这里电池单元数目与电极面积本身等同)。
控制燃料电池部件4的控制部件4包括控制燃料电池系统所需的控制装置，例如控制燃料流速的燃料供应装置、监控燃料电池输出电压的装置、和提高输出电压的如DC-DC转换器的电路。
燃料电池系统1输出的电能总量(下文表示为“E”)可由电池单元数目(或电极面积)(下文表示为“n”)的函数E(n)表示。
首先概述下文描述中使用的符号如下Wmax燃料电池系统1所需的最大功率。
wmax每个电池单元3a的最大输出功率。
I＝f(w)每个电池单元3a的电流-输出特性(函数)。
V整个燃料电池系统的容量。
Vc每个电池单元3a的容量。
Vm控制部件4的容量。
Vf燃料体积(燃料箱2的内部容积)。
Ia通过整个燃料电池系统的的总电流。
即使电池单元数目增加，容量“Vm”仍保持不变(即，假设容量“Vc”包括体积V随电池单元数目增加的增量，例如，燃料供应管的体积)。
操作该燃料电池系统所需的电池单元的最小数目nmin通过下式得出nmin＝Wmax/wmax另一方面，每个电池单元所需的功率w通过下式给出w＝Wmax/n这里，“n”表示电池单元数目。
至此，通过整个燃料电池系统的总电流Ia通过下式得出Ia＝n·f(w)。
考虑到功率w与电池单元数目n成反比的事实，可知Ia由n的函数Ia(n)表示。
燃料的容量Vf通过下式给出Vf＝V-(Vm+n·Vc)这样，燃料容量Vf由n的函数Vf(n)表示。
因此，燃料电池系统输出的电能总量E与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”为比例常数，决定于燃料本身的能量密度。
鉴于V、Vm、Vc和K为常数，且w决定于Wmax与n的商，该关系表达式说明，E为n的函数。
在根据本发明实施例的燃料电池系统中，电池单元数目(或电极面积)设置为最佳值“nopt”，这样，E(nopt)表现为最大值或近似最大值。即，燃料电池部件(或电池堆)由有最佳值nopt的电池单元(或电极面积)构成，在该值上燃料电池系统输出的电能总量最大化(附带地，nopt＞nmin)。具体地，使函数E(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/{n·f(w)}(对于给定值n，E(n)≤E(nopt))的值最大化，这样可以得出最佳值nopt。
如果n＝nopt，燃料电池系统可输出的电能总量最大。然而在实际操作中，必须考虑各种因素，例如，能量效率降低和由于各电池单元之间的不同导致的成本增加。这样可假设，用于燃料电池系统的电池单元数目(或电极面积)有一小于最佳值nopt的值。即，使电能总量E等于或大于通过将量E的最大值乘以小于1的系数(下文表示为“α”)得到的阈值，这样可确定n的值或其下限。例如，当α＝0.9时的电能总量应等于或大于电能总量的最大值的90％。因此，n的值可小于nopt。此外，当α＝0.8(对应于电能总量的最大值的80％)时，n的值会进一步减小(然而，n的值应等于或大于nmin)。
实施例接着，下文通过参考图2A至5所描述的模拟结果来描述实际例子。
图2A、2B和2C描述每个用于根据本发明实施例的例子中的电池单元的特性。图2A为描述电流-电压特性的图表，其横坐标轴表示电流密度，纵坐标轴表示电压。图2B为描述电压-输出特性的图表，其横坐标轴表示电压，纵坐标轴表示输出密度。图2C为描述电流-输出特性的图表，其横坐标轴表示电流密度，纵坐标轴表示输出密度。
这些特性都通过模拟得出。在实际使用中，电池单元连接于例如可以控制负载的装置。这些特性可通过在负载发生变化的同时测量其电流和电压而得出。理想的是在燃料电池的实际使用环境(如温度)中进行测量。
在假设此电池单元的电极面积为1cm2的情况下，该电池单元的最大输出功率wmax为83.8mW。在燃料电池系统所需的最大功率Wmax为1W的情况下，由于1W/83.8mW≌12，nmin约为12。在这种情况下，如图2C所示，通过电池单元的电流强度为0.451A。
在假设电池单元数目为n的情况下可计算出每个电池单元所需输出功率w(＝Wmax/n)。然后，从图2C可知得出该计算所得输出功率所需的电流I。图3表示由将已知电流与电池单元数目n相乘得出的总电流Ia(横坐标轴表示作为连续量的电池单元数目，纵坐标轴表示Ia)。从该图表清晰可知，这样，通过增加电池单元数目可减小获得1W的功率所需的电流，因而减少所需的燃料。
与此同时，图4显示在假设整个系统容量V为125cm3、控制部件4的容量Vm为25cm3、且电池单元3a的容量Vc为1cm3的情况下燃料箱的容量Vf和电池单元数目n之间的关系(横坐标轴表示作为连续量的n，纵坐标轴表示Vf)。
图5在图3和图4的基础上显示该燃料电池系统电能总量E和表示为连续量的电池单元数目n之间的关系。图5的纵坐标轴表示通过将相对应于电池单元数目的电能总量除以在电池单元数目为电池单元数目最小值nmin(＝12)时的电能总量得出的标准化电能总量。
在该例所述情况下，该燃料电池系统可输出的电能总量可通过将电池单元数目设置为27而最大化。电能总量的最大值为电池单元数目取最小值nmin(＝12)时的电能总量的1.85倍。
虽然增加电池单元数目导致成本增加，最好是所构造的燃料电池系统使燃料电池系统输出的电能总量的值等于或大于电能总量最大值的90％。在该例所述情况下，电池单元数目须等于或大于17。在燃料电池系统的电能总量的值应等于或大于电能总量最大值的80％的情况下，电池单元数目须等于或大于14。
这样，上述构造的本发明实施例具有下列优点(1)根据本发明实施例的燃料电池系统输出的电能的量可通过优化该燃料电池系统中所用的电池单元的数目而最大化。相应地，诸如便携式电子装置的由该燃料电池系统提供电能的目标装置的使用时间可延长。
(2)燃料电池系统的燃料电池所产生的电压可通过将用于该燃料电池系统的电池单元的数目设置为大于电池单元数目的最小值nmin而增高。这增加了只通过燃料电池型电源即可获得驱动电子装置或诸如此类装置所需电压的可能性。这种情况下，无需升压式DC-DC转换器。即使驱动电子装置或诸如此类装置所需电压不能仅通过燃料电池型电源获得，燃料电池产生的电压也可增高。相应地，可实现其DC-DC转换器的小型化以及其效率的提高。而且可实现整个燃料电池系统的小型化。
该技术领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素而进行的各种改装、组合、次组合和改进都应在所附权利要求或其同等物的范围之内。
权利要求
1.一种包括具有一个或多个各自包括成对电极和电解质的电池单元的燃料电池部件以及储存用于电池单元的燃料的燃料箱的燃料电池系统，其中，如果E表示燃料电池系统输出的电能总量，n表示电池单元数目或电极面积，电能总量E表示为电池单元数目或电极面积n的函数E(n)，选择n的下列值中的一值(1)当E(n)为最大值或其近似最大值时的n值；和(2)当E(n)为通过将其最大值乘以小于1的系数而得到的值时的n值。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，如果表示燃料箱容量的Vf(n)为n的函数，且表示通过燃料电池系统的总电流的Ia(n)为n的函数，选择n的最佳值，使在该n值与{Vf(n)/Ia(n)}成正比的E(n)取得最大值或其近似最大值。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，如果“I＝f(w)”表示每个电池单元的电流I和输出功率w的函数关系，V表示燃料电池系统的总体积，Vc表示每个电池单元的体积，和Vm表示用于控制燃料电池部件的控制部件的体积，则选择n的最佳值，使在该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为比例常数。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，如果nmin表示定义为通过将燃料电池系统要求的最大输出功率除以每个电池单元的最大输出功率得到的值的n的最小值，表示燃料箱的容量的Vf(n)为n的函数，和表示流经燃料电池系统的总电流的Ia(n)为n的函数，以电能总量E(n)与{Vf(n)/Ia(n)}成正比、E(n)的值等于或大于通过将E(n)的最大值乘以小于1的系数得出的值、且n的该取值大于nmin的方式确定n的最佳值。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，如果nmin表示定义为通过将燃料电池系统要求的最大输出功率除以每个电池单元的最大输出功率得到的值的n的最小值，“I＝f(w)”表示每个电池单元的电流I和输出功率w之间的函数关系，V表示燃料电池系统的总体积，Vc表示每个电池单元的体积，和Vm表示用于控制燃料电池部件的控制部件的体积，以E(n)＝K·Vf(n)/Ia(n)＝K·{V-(Vm+n·Vc)}/n·f(w)(“K”为比例常数)等于或大于通过将E(n)的最大值与小于1的系数相乘得出的值、且n的该取值大于nmin的方式确定n的值。
全文摘要
本发明提供具有包括一个或多个电池单元的燃料电池部件、储存用于电池单元的燃料的燃料箱、和控制燃料电池部件的控制部件的燃料电池系统。优化电池单元数目，使作为电池单元数目或电极面积的函数的由燃料电池系统输出的电能总量取得最大值或近似最大值。这样，可使电能的量最大化或使其等于或大于某个预定值。相应地，可延长由该燃料电池系统提供电能的目标装置的使用时间。
文档编号H01M8/24GK1574433SQ20041005959
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月29日
发明者上坂进一, 富田尚 申请人:索尼株式会社