专利名称：使用热交换器的直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用热交换器的直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法和装置，其可以有效提供所需浓度的燃料给燃料电池组，从而进行持续而稳定的操作。
背景技术：
燃料电池是一种发电系统，它利用甲醇、乙醇、天然气等烃类物质中的氢和空气中的氧之间的平稳电化学反应产生电能。
燃料电池的工作原理基本相同，但是其燃料、工作温度、催化剂、电解液等各不相同。例如，根据电解液种类，可以将燃料电池分为磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、碱性燃料电池等类别。
其中，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)因其输出性能卓越、工作温度低、启动和反应速度快等特点，优于其它类的燃料电池。另外，PEMFC广泛应用于便携式电子设备或车辆的便携式电源，以及分布式电源，诸如房屋和公共建筑的固定发电站。此外，直接甲醇燃料电池(DMFC)与PEMFC一样采用聚合物电解质，所不同的是，DMFC直接向堆供给液体燃料，例如甲醇。由于DMFC不需要使用转化器，其尺寸可以比一般的PEMFC小。
DMFC一般配备有堆、燃料槽、燃料泵，等等。在堆中，含氢燃料与氧、空气等氧化剂发生电化学反应产生电能。堆的结构是几十到几百个单位电池堆叠在一起，每个单位电池包含一个膜电极组件(MEA)和一个隔板。这里，膜电极组件包含一个聚合物电解质膜，和分别附着于该膜两侧的阴极和阳极。
在DMFC中，其工作效率很大程度依赖于供给到阴极和阳极的燃料的摩尔浓度。例如，如果供给到阳极的燃料摩尔浓度高，那么从阳极流向阴极的燃料的量会受当前可用聚合物电解质膜的限制而上升，这样在阴极反应的燃料就会产生相反的电动势，输出电压就会降低。因此，由燃料电池组的结构和特点可以看出，直接甲醇燃料电池在预定的燃料摩尔浓度时才能得到最佳的输出效率。因此，应该适当调整燃料的摩尔浓度，以使DMFC稳定而持续地工作。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种使用热交换器的直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法和装置，其可以有效地将所需浓度的燃料提供给燃料电池组，从而使其持续而稳定地操作。
为实现上述目的和/或本发明的其它目的，本发明提供一种用于直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法，该直接甲醇燃料电池系统包括混合器，用来将由未反应的燃料、从燃料电池组中出来的水、从燃料进料器提供的高浓度燃料组成的混合燃料提供给燃料电池组的阳极，该方法包括测量燃料电池组的输出电压或输出电流；从查找表中选取对应于所测得的输出电压或输出电流的混合燃料的浓度值；将所选取的混合燃料的浓度值与基准浓度值进行比较；如果所选取的混合燃料的浓度值高于该基准浓度值，则通过与连接燃料电池组阴极出口和混合器的管道相连的热交换器，强制冷却该管道中流动的流体一段预定时间。
为实现另一目的，本发明提供一种用于直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法，该直接甲醇燃料电池系统包括循环器，用来存储未反应的燃料和从燃料电池组中出来的水；混合器，用来混合来自循环器的低浓度燃料和来自燃料进料器的高浓度燃料，并将这种混合燃料提供给燃料电池组，该方法包括检测低浓度燃料的浓度；将与检测到的浓度对应的低浓度燃料的浓度值与基准浓度值相比较；如果低浓度燃料的浓度值高于该基准浓度值，则通过与连接燃料电池组阴极出口和循环器的管道相连的热交换器，强制冷却管道中流动的流体一段预定时间。
为实现另一目的，本发明还提供一种用于直接甲醇燃料电池系统中水管理的装置，该直接甲醇燃料电池系统包括混合器，用来将由未反应的燃料、从燃料电池组中出来的水、从燃料进料器提供的高浓度燃料组成的混合燃料提供给燃料电池组的阳极，该装置包括热交换器，其邻近连接燃料电池组阴极出口和混合器的管道而设置，并冷凝流过该管道的流体；控制器，用于测量燃料电池组的输出电压或输出电流，从事先存储好的查找表选取对应于测得的输出电压或输出电流的燃料浓度值，并且当所选取的燃料浓度值高于预先存储的基准浓度值时，通过操作该热交换器来增加流体的冷凝量。
通过结合如下附图描述优选实施例，本发明的各个方面和优点将变得很清楚，并且也更容易理解本发明的这些内容。
图1为采用本发明一个实施例的水管理方法的直接甲醇燃料电池系统的框图；图2为本发明一个实施例中直接甲醇燃料电池系统的水管理方法的流程图；图3为采用本发明另一实施例的水管理方法的直接甲醇燃料电池系统的框图；图4为图3中直接甲醇燃料电池系统的水管理方法的流程图；图5为本发明一个实施例的直接甲醇燃料电池系统的水管理装置中所采用的控制器的框图。
具体实施例方式
以下将参照附图描述本发明的优选实施例，其中相同的标号表示相同的元件。
图1为采用本发明一实施例的水管理方法的直接甲醇燃料电池系统的框图。
参见图1，直接甲醇燃料电池系统包括燃料进料器110、燃料电池组120、混合器130、泵140、控制器150、功率变换器160和热交换器170。
燃料进料器110包括燃料箱和泵，该泵用于将燃料箱中储存的高浓度燃料送至混合器130。
燃料电池组120包括膜电极组件，该膜电极组件具有聚合物电解质膜和附着于聚合物电解质膜两侧的阳极和阴极。此外，燃料电池组120具有堆叠结构，此堆叠结构中，形成单位电池的多个膜电极组件堆叠在隔板或双极板之间。燃料电池组120使用供应到阳极的混合燃料和供应到阴极的氧化剂来产生电能。这里，混合燃料包括含氢燃料如甲醇，氧化剂包括空气、氧气等。此外，燃料电池组120的阴极流出物通过第一管道122引入混合器130，燃料电池组120的阳极流出物通过第二管道124引入混合器130。
混合器130储存混合燃料，从燃料电池组120引入的未反应的燃料和水与燃料进料器110供给的高浓度燃料在混合器130内混合。此外，混合器130可以具有用于排出从燃料电池组120引入的二氧化碳或类似废气的装置。储存在混合器130中的混合燃料通过泵140供给燃料电池组120的阳极。
控制器150包括用于存储程序的存储器，和与该存储器连接并基于该程序控制燃料电池系统的中央处理单元。此外，控制器150控制存储器存储混合燃料的基准浓度值，该基准浓度值由燃料电池组120的结构和特征确定。同样，控制器150控制存储器存储与燃料电池组120的输出电压或输出电流相应的混合燃料浓度值。例如，所存储的混和燃料浓度值可以查找表的形式提供，在此查找表中列出与各种输出电压或各种输出电流对应的各种浓度估计值。
控制器150从功率变换器160接收一个具有与燃料电池组120的输出电压或输出电流相应的预定电平的电信号。所接收的电信号被控制器150转换成与其相应的预定燃料浓度值，并用于控制热交换器170。
在燃料电池组120正常运行时，功率变换器160向控制器150、燃料泵140或外部负载提供电力。功率变换器160将燃料电池组120的输出电压或输出电流传送给控制器150。
将热交换器170设置为与连接燃料电池组120和混合器130的第一管道122相邻。这里，热交换器170由基于控制器150的控制信号来控制其开启或关闭。热交换器170优选由风扇实现，风扇一般用来控制系统温度。风扇可向第一管道122鼓风。在这种情况下，为了用风扇提高经过第一管道122的流体的强制冷却效果，第一管道122部分或全部暴露，并且至少在正对转轮的部分具有螺旋或类似形状。
图2是本发明第一实施例直接甲醇燃料电池系统的水管理方法的流程图。
参见图2，在直接甲醇燃料电池系统的水管理方法中，在操作S12处，控制器检测燃料电池组的输出电压或输出电流，并从预先存储的查找表中选取与所检测的信号相应的混合燃料浓度值。这里，查找表预先存储与燃料电池组的各种输出电压和/或各种输出电流相应的混合燃料的估计的各种浓度值。此外，查找表根据燃料电池组的特征其列表内容各异。
然后，在操作S14处，判断所选取的混合燃料浓度值是否高于基准浓度值。当所选取的混合燃料浓度值高于基准浓度值时，在操作S16处，经过连接燃料电池组阴极出口和混合器的第一管道122的流体被强制冷却一段预定的时间。这里，冷却时间由所选取的混合燃料浓度值与基准浓度值的差值确定。例如，所选取的混合燃料浓度值与基准浓度值相差很大时，风扇开启与差值对应的相对长的一段时间。另一方面，所选取的混合燃料浓度值低于基准浓度值时，热交换器停止运行并且停止当前操作。热交换器停止运行时，热交换器不会将外部空气送入管道。另外，在使用现有热交换器控制系统温度的情况下，可能提供阻断装置或类似装置以防止热交换器将外部空气送入管道，这样经过燃料电池组和混合器之间的管道的流体不会受到热交换器的明显影响。此外，所选取的混合燃料浓度值低于基准浓度值时，控制燃料进料器在一段预定时间内提高高浓度燃料的供给量。此外，所选取的混合燃料浓度值等于基准浓度值时，停止当前操作且无需另外处理。
通过前述操作，经过第一管道的水蒸气凝结增加，引入混合器的水量也相应增加了所增加的凝结水，从而使混合气中的燃料浓度相应地降低。因此，在操作S18处，所需浓度的混合燃料被送入燃料电池组。通过前述装置，热交换器被用来有效地管理燃料电池组中产生的水，以便容易地向燃料电池组供给所需浓度的燃料。
图3是采用本发明第二实施例水管理方法的直接甲醇燃料电池系统的框图。
参见图3，本发明实施例的直接甲醇燃料电池系统包括燃料进料器110、燃料电池组120、燃料混合器132、142、控制器152、功率变换器160、热交换器170、循环器180和浓度传感器190。
燃料电池组120通过供给阳极的含氢燃料和供给阴极的氧化剂之间的电化学反应来产生电能。这里，燃料电池组120的阴极流出物通过第一管道122引入循环器180，燃料电池组120的氧极流出物通过第二管道124引入循环器180。引入循环器180的未反应的燃料和水作为低浓度燃料通过燃料泵142供给燃料混合器132。供给燃料混合器132的低浓度燃料与燃料进料器110供应的高浓度燃料混合，然后重新供给燃料电池组120的阳极。
循环器180储存来自燃料电池组120的阳极出口的未反应的燃料并排放反应产物，如二氧化碳或类似产物。此外，循环器180储存来自燃料电池组120的阴极出口的水并排放不需要的气体，如氮气和氧气。同样，循环器180利用泵142将通过混合未反应燃料和水得到的低浓度燃料供给燃料混合器132。循环器180优选包括用于引入阳极流出物的下半部分，和用于引入阴极流出物的上半部分，以及允许气体和液体分别渗入上半部分和下半部分的选择性渗透膜。
燃料混合器132包括燃料箱或类似部件，来自燃料进料器110的高浓度燃料和来自循环器180的低浓度燃料在燃料箱中混合并存储。燃料混合器132包括适于平稳混合高浓度燃料和低浓度燃料而不成块的结构。例如，燃料混合器132优选具有使高浓度燃料和低浓度燃料通过树脂或过滤器并混合的混合燃料箱结构。
控制器152包括用于存储程序的存储器，和与该存储器连接并基于此程序控制燃料电池系统的中央处理单元。此外，控制器152控制存储器存储混合燃料的基准浓度值，其中基准浓度值由燃料电池组120的结构和特征确定。同样，控制器152控制存储器存储与燃料电池组120的输出电压或输出电流相应的低浓度燃料的估计的浓度值。例如，所存储的低浓度燃料的浓度值可以查找表的形式提供，在查找表中列出与燃料电池组的各种输出电压或各种输出电流对应的估计的各种浓度估计值。
此外，控制器152从浓度传感器190接收一个具有与低浓度燃料的浓度值相应的预定电平的电信号。并且，控制器152基于对应于所接收的电信号的低浓度燃料的浓度值，控制热交换器170的开启/关闭。如前所述，控制器152通过功率变换器160测量燃料电池组120的输出电压或输出电流，并根据与所测得信号对应的低浓度燃料的浓度值控制热交换器170的开启和关闭。此外，控制器152还控制泵142或燃料进料器110。
将热交换器170设置为与连接燃料电池组120和循环器180的第一管道122相邻，用来强制冷却流经第一管道122的流体。这里，由控制器152根据所检测的燃料浓度控制热交换器170的开启和关闭，从而将供给燃料电池组120阳极的燃料浓度设置为所需的浓度。热交换器170优选用风扇或类似设备实现。例如，热交换器170可通过在第一管道122周围环绕另一流通热交换流体的管道来实现。
浓度传感器190检测由循环器180供给燃料混合器132的低浓度燃料的浓度。换言之，浓度传感器190检测低浓度燃料的浓度，并将对应所检测浓度的电信号传送至控制器152。这时，该电信号在送入控制器152之前会先经过预定装置如放大器或类似装置。这里，浓度传感器190置于连接循环器180和燃料混合器132的燃料输送管中。另一种方法是，将浓度传感器190置于循环器180内部。浓度传感器190可通过使用体积随燃料如甲醇的浓度变化的离子导电聚合树脂、复合树脂等的传感器来实现。
图4是图3所示直接甲醇燃料电池系统的水管理方法的流程图。
参见图4，在直接甲醇燃料电池系统的水管理方法，在操作S22处，控制器从检测储存于循环器并供给燃料混合器的低浓度燃料浓度的浓度传感器接收与低浓度燃料的浓度相关的第一电信号，并从预先存储的第一查找表中选取与接收到的第一电信号对应的低浓度燃料的浓度值。这里，第一查找表预先存储浓度传感器所检测的浓度和对应与燃料浓度的电信号水平。
然后，在操作S24处，控制器根据存储器中存储的低浓度燃料的基准浓度值，判断所选取的低浓度燃料的浓度值是否高于该基准浓度值。当所选取的低浓度燃料的浓度值高于基准浓度值时，在操作S26处，流经设置在燃料电池组阴极出口和循环器之间的第一管道的流体被强制冷却预定时间。这里，热交换器的开启时间由所选取的低浓度燃料的浓度值与基准浓度值的差值确定。例如，所选取的低浓度燃料的浓度值与基准浓度值相差很大时，热交换器开启相对长的一段时间。
另一方面，所选取的低浓度燃料的浓度值不高于基准浓度值时，停止当前操作且无需任何另外操作。同时，所选取的低浓度燃料的浓度值低于基准浓度值时，控制向燃料混合器供应低浓度燃料的泵降低单位时间内从循环器向浓度混合器供应的低浓度燃料的供给量。另外，所选取的低浓度燃料的浓度值等于基准浓度值时，停止当前操作且无需额外操作。
通过前述操作，经过第一管道的水蒸气凝结增加，引入混合器的水量也相应增加了所增加的凝结水。因此，在操作S28中，循环器中的低浓度燃料的浓度降低，使得所需低浓度的低浓度燃料被泵送入燃料混合器。
然后，在操作S30中，选取引入燃料电池组的混合燃料的浓度。例如，从预先存储于控制器的第二查找表中选取对应于燃料电池组的输出电压或输出电流的混合燃料的浓度值。这里，第二查找表预先存储对应于燃料电池组的输出电压或输出电流的混合燃料的浓度值。同时，与检测低浓度燃料的浓度一样，可利用预定浓度传感器来选取混合燃料的浓度值。
然后，在操作S32中，判断所选取的混合燃料的浓度值是否与预先存储的混合燃料的基准浓度值基本相等。在操作S34中，当所选取的混合燃料浓度值与混合燃料的基准浓度值基本相等时，关闭用于强制冷却流过第一管道中的流体的风扇。
通过此配置，可由热交换器有效地控制燃料电池组阴极中产生的水蒸气和水，从而容易地向燃料电池组供给所需浓度的燃料。
图5是本发明一个实施例的直接甲醇燃料电池系统的水管理装置中使用的控制器的结构框图。
参见图5，控制器200包括存储器系统207，用于存储控制燃料电池系统各元件，尤其是直接甲醇燃料电池系统以进行直接甲醇燃料电池系统的水管理的程序；以及与存储器系统207连接并用于执行该程序的处理器201。
例如，处理器201包括执行运算的算术逻辑单元(ALU)202，暂时存储数据和命令的寄存器203，和控制燃料电池系统运行的控制器204。此外，处理器201包括多种一种不同结构的处理器中的至少一种，如Alpha of Digital；MIPS技术；NEC、IDT、西门子公司等的MIPS；Intel & Cyrix、AMD和Nexgen的x86系列；以及IBM和摩托罗拉公司威力电脑(Power PC)。
此外，处理器201从燃料电池组或单独的电源214接收电力；测量燃料电池组的电压&电流213，通过放大器212接收来自浓度传感器211的与燃料浓度相关的电信号。这里，所接收的信号通过输入端205(如模数转换器)传送至处理器201。
此外，处理器201控制在燃料进料器、氧化剂进料器等中使用的第一泵215、第二泵216和第三泵217。这时，处理器201控制驱动器来驱动相应的各个泵215、216和217，或者直接通过频率或类似参数控制泵215、216和217。同样，处理器201基于燃料电池组的输出电压或电流或者基于浓度传感器211检测的燃料浓度来控制热交换器218。
存储器系统201包括高速主存储器，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等；作为长期存储媒介的辅助存储器，如软盘、硬盘、磁带、高密度磁盘(CD)只读存储器、闪存等；和使用电、磁、光或类似存储媒介存储数据的设备。这里，主存储器可以包含通过显示设备显示图像的图像存储器。
此外，存储器系统207包含存储燃料电池组的输出电压和/或电流以及相应燃料浓度值的查找表208；存储从浓度传感器211输入的电信号和相应低浓度燃料的浓度值的查找表209。查找表208和209在控制热交换器218的运行时被访问。此外，存储器系统207存储混合燃料的基准浓度值和低浓度燃料的基准燃料值。这里，基准浓度值根据燃料电池组的特征预先设置以优化燃料电池组的工作效率。
在前述配置中，本发明实施例的水管理装置基于燃料电池组的输出电压或输出电流或者基于浓度传感器检测的低浓度燃料的浓度值来控制热交换器，以便向燃料电池组供给所需浓度的混合燃料，从而长期稳定地运行燃料电池组。
此外，在前述实施例中，与连接燃料电池组阴极出口的管道相邻的热交换器被用于控制燃料电池组阴极流出的流体的凝结量，从而高效率地进行水管理并使得直接甲醇燃料电池系统稳定而持续地运行。另一种方法是将热交换器设置于邻近燃料电池组的阳极出口和阴极出口，从而有效地回收从燃料电池组阳极流出的未反应的燃料。
如前所述，在包括混合器、循环器燃料混合器等用于循环燃料电池组的流出物的直接甲醇燃料电池系统中，热交换器被用来高效率地控制从燃料电池组阴极流出的水，以保证向燃料电池组供给所需浓度的燃料，从而提高燃料电池系统的工作效率。此外，直接甲醇燃料电池系统能够稳定而持续地运行。
尽管已经显示和描述了本发明的几个实施例，但本领域技术人员应该理解，可以在由权利要求和等同替换所限定的本发明的精神和原则之内，对实施方式进行修改。
权利要求
1.一种用于直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法，该直接甲醇燃料电池系统包括混合器，用于向燃料电池组的阳极提供由未反应的燃料、从燃料电池组中出来的水、从燃料进料器提供的高浓度燃料组成的混合燃料，该方法包括测量燃料电池组的输出电压或输出电流；从查找表中选取对应于所测得的输出电压或输出电流的混合燃料的浓度值；将所选取的混合燃料的浓度值与基准浓度值进行比较；如果所选取的混合燃料的浓度值高于该基准浓度值，则通过与连接燃料电池组阴极出口和混合器的管道相连的热交换器，强制冷却该管道中流动的流体一段预定时间。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述强制冷却管道中流动的流体的步骤包括开启热交换器，以将外部空气供给到管道的暴露部分。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括如果所选取的混合燃料的浓度值低于基准浓度值，则停止热交换器。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括如果所选取的混合燃料的浓度值低于基准浓度值，则增加从燃料进料器供给的高浓度燃料的供应量一段预定时间。
5.一种用于直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法，该直接甲醇燃料电池系统包括循环器，用来存储未反应的燃料和从燃料电池组中出来的水；混合器，用来混合来自循环器的低浓度燃料和来自燃料进料器的高浓度燃料，并将这种混合燃料提供给燃料电池组，该方法包括检测低浓度燃料的浓度；将与检测到的浓度对应的低浓度燃料的浓度值与基准浓度值相比较；如果低浓度燃料的浓度值高于该基准浓度值，则通过与连接燃料电池组阴极出口和循环器的管道相连的热交换器，强制冷却管道中流动的流体一段预定时间。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述强制冷却管道中流动的流体的步骤包括开启热交换器，以将外部空气提供到管道的暴露部分。
7.如权利要求5所述的方法，进一步包括如果混合燃料的浓度值低于基准浓度值，则停止热交换器。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括如果混合燃料的浓度值低于基准浓度值，则增加从燃料进料器供给的高浓度燃料的供应量一段预定时间。
9.一种用于直接甲醇燃料电池系统中水管理的装置，该直接甲醇燃料电池系统包括混合器，该混合器用来将由未反应的燃料、从燃料电池组中出来的水、从燃料进料器提供的高浓度燃料组成的混合燃料提供给燃料电池组的阳极，该装置包括热交换器，其邻近连接燃料电池组阴极出口和混合器的管道而设置，并冷凝流过该管道的流体；控制器，用于测量燃料电池组的输出电压或输出电流，从事先存储好的查找表选取对应于测得的输出电压或输出电流的燃料浓度值，并且当所选取的燃料浓度值高于预先存储的基准浓度值时，通过操作该热交换器来增加流体的冷凝量。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述混合器包括循环器，分别接收未反应的燃料和来自燃料电池组的阳极和阴极的水，并存储所述未反应的燃料和水作为低浓度燃料；和燃料混合器，接收所述低浓度燃料和高浓度燃料，并将低浓度燃料和高浓度燃料的混合燃料提供给燃料电池组的阳极。
11.如权利要求10所述的装置，进一步包括浓度传感器，其设置于连接循环器和燃料混合器的燃料输送管内部，并检测燃料输送管内流过的低浓度燃料的浓度。
12.如权利要求11所述的装置，其中，当所选取的燃料浓度值低于基准浓度值时，所述控制器降低从循环器供应低浓度燃料给燃料混合器的泵的单位时间供应量一段预定时间。
13.如权利要求9所述的装置，其中，当所选取的燃料浓度值低于基准浓度值时，所述控制器增加从燃料进料器供应的高浓度燃料的供应量一段预定时间。
全文摘要
本发明公开了一种使用热交换器的直接甲醇燃料电池系统中水管理的方法和装置，包括测量燃料电池组的输出电压或输出电流；从查找表中选取对应于所测得的输出电压或输出电流的混合燃料的浓度值；将所选取的混合燃料的浓度值与基准浓度值比较；如果所选取的混合燃料的浓度值比基准浓度值高，则通过与连接燃料电池组阴极出口和混合器的管道相连的热交换器，强制冷却该管道中流动的流体一段预定时间。
文档编号H01M8/04GK1933226SQ20061011236
公开日2007年3月21日 申请日期2006年8月31日 优先权日2005年8月31日
发明者徐晙源, 李钟基, 朱利亚, 李东润, 赵殷淑, 崔相铉, 张元赫, 安镇弘 申请人:三星Sdi株式会社