设计成用来确保工作稳定性的燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供了一种被设计成能确保燃料电池组工作稳定性的燃料电池控制系统。该系统包含磁性传感器和控制器。磁性传感器用以测量电流所产生磁场的磁通量密度的变化，所述电流是由每个燃料电池中进行的电化学反应产生的。控制器被设计成能分析由磁性传感器测得的磁通量密度的变化以确定引起燃料电池组中局部出现发电能力下降的原因和位置。控制器可采取预定的措施以控制燃料电池组的工作，从而消除该燃料电池组发电能力下降的现象。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总的来说涉及一种燃料电池系统，它被设计成能利用磁性传感器监测燃料电池组(fuel cell stack)中电流的分布，更具体地讲，涉及这样一种系统，它可以确定引起燃料电池组发电能力下降的原因和位置，并采取选定的措施以消除该原因。
技术介绍
燃料电池，尤其是固态聚合物燃料电池正被研发用于固定动力系统或机动车辆的移动动力系统。如本
中众所周知的，燃料电池用以将氢和氧电化学反应产生的能量转化为电能。具体地说，氢气(燃料)和氧气(空气)被输送至燃料电池并在电极发生电化学反应，其具有以下形式：燃料电极    H2→2H++2e-空气电极    2H++1/2O2+2e-→H2O电池        H2+1/2O2→H2O典型的燃料电池包括由电解质薄膜和固定在电解质薄膜两个侧面的空气电极、燃料电极组成的装置以及使装置保持在它们之间的分隔器(separator)。分隔器中设有气体流路。燃料电池中氧气被输送至空气电极而氢气被输送至燃料电极以产生电力。通常单个燃料电池难以提供足够实际使用的电力。多个燃料电池往往被装配成一组并串联起来以产生大量的电力。燃料电池组的其中一个工作目的是要利用尽可能少的燃料气体(氢气)和空气(氧气)供应来产生最大量的电力。固态聚合物燃料电池组通常需要有湿气作为质子传输的媒介。为此，燃料气体在被输送-->至燃料电池组之前应该加湿。燃料电池组中的反应产生水。然而，燃料电池组中过量的湿气会妨碍反应进行，从而引起燃料电池组发电能力的下降。因此，燃料电池组中的湿气量必须保持在有限范围内。燃料电池组中的每个燃料电池也要求将湿气量保持在有限范围内。即使输送至燃料电池组气体的温度、压力或湿度得到控制而使燃料电池组的工作保持在所要求的状态，其中任何一个燃料电池也都有可能部分偏离所要求的状态。在这种情况下，这个燃料电池就不能产生所要求的电量，从而导致其发电面积的减小。这会加快这个发电部位的老化，于是使燃料电池组总的使用寿命减小。因此，必须使每个燃料电池中的湿气保持在所要求的值。燃料电池组的工作状态一般是通过测量每个燃料电池的输出电压来监测的。具体地说，当其中某个燃料电池的输出电压发生不希望有的下降时，这个燃料电池可以被确定为出现故障。日本首次公报No.9-259913中介绍了一种燃料电池系统，它被设计成能分析燃料电池组中的电流分布以判定对于燃料电池组中的反应来说气体供应是够还是不够。这种燃料电池系统可控制输送至燃料电池组的气体流率或燃料电池组上的电负荷从而使燃料电池组的故障减到最少。这种燃料电池系统能够监测燃料电池产生电力的能力，然而却不能诊断其中某个燃料电池是否有一部分不能产生电力。
技术实现思路
因此，本专利技术的主要目的是要提供一种燃料电池系统，它可监测燃料电池组的发电状态以确保其工作稳定性。根据本专利技术的一个方面，提供了一种燃料电池控制装置，它被设计成能诊断燃料电池组的工作情况以确保所要求数量的电力。这种装置包括：(a)磁性传感器，其用以输出作为磁场的磁通量密度之函数的信号，所述磁场在燃料电池组的一部分周围产生，每个燃料-->电池中电化学反应所产生的电流流过这一部分；和控制器，其被设计成能分析从磁性传感器输出的信号以检测因该燃料电池组中局部出现发电能力下降而引起的磁通量密度的变化。控制器可采取预定的措施以控制燃料电池组的工作从而消除该燃料电池组发电能力下降的现象。具体地说，这种装置被设计成能诊断燃料电池组性能的部分下降并能消除这一缺陷以确保燃料电池组的工作稳定性。在本专利技术的优选方式中，控制器把从磁性传感器输出的信号的值与一参考值作比较，该参考值是在所述燃料电池组正常工作以产生所要求电量的情况下预先确定的。当发现所述信号值与参考值之间有差异时，控制器采取预定的措施以消除该燃料电池组发电能力下降的现象。磁性传感器所处位置对于其中一个燃料电池周围所产生磁场的选定部分是能够进行感测的。磁性传感器可以固定于其中一个燃料电池的选定部分。磁性传感器或者可以安置在其中一个燃料电池的选定部分中。磁性传感器可以被安置在燃料电池组长度的中间。每个燃料电池由一单元构成，所述单元包含由电解质薄膜、燃料电极和空气电极组成的组件，燃料侧分隔器，以及空气侧分隔器。燃料侧分隔器和空气侧分隔器分别固定在燃料电极和空气电极上。磁性传感器布置在燃料侧分隔器和空气侧分隔器的其中一个上面。磁性传感器或者可以安装在燃料侧分隔器和空气侧分隔器的其中一个里面。当检测到磁通量密度发生变化时，控制器选择对应于磁场选定部分的其中一个预定措施，并执行这个措施以控制燃料电池组的工作，从而消除磁通量密度的变化。燃料电池组中的每个燃料电池具有通过那里将空气输送至燃料电池的空气入口、从那里排出空气的空气出口、通过那里将氢气输送至燃料电池的氢气入口、以及从那里排出氢气的氢气出口。磁性-->传感器所处位置对于空气入口、空气出口、氢气入口和氢气出口的其中一个周围出现的磁场的一部分是能够进行感测的。燃料电池控制装置还可以包含第二磁性传感器，它对于空气入口、空气出口、氢气入口和氢气出口的其中另一个周围出现的磁场的一部分是能够进行感测的。控制器把从所述磁性传感器和所述第二磁性传感器输出的信号的值与参考值作比较，参考值是在燃料电池组正常工作以产生所要求电量的情况下预先确定的。当发现至少有一个信号值与相应的其中一个参考值之间有差异时，控制器选择其中一个预定措施以消除这种差异。一集电器被布置在燃料电池组的其中一个端部上，由燃料电池组产生的电流从那里输出。根据本专利技术的第二个方面，提供了一种测量燃料电池组中电流分布的方法，该燃料电池组的长度中包含多个燃料电池构成的叠组，它们分别由第一分隔器和第二分隔器以及夹在第一分隔器和第二分隔器之间的组件构成。该组件包括电解质、固定于电解质的第一表面上的空气电极、以及固定于电解质的与第一表面相反的第二表面上的燃料电极。这种方法包括以下步骤：(a)在燃料电池组的垂直于其长度的周边上设置磁性传感器，以测量由流过燃料电池组长度的电流所产生的磁场；(b)根据磁性传感器测得的磁场来确定燃料电池组中的电流分布。在本专利技术的优选方式中，磁性传感器被安置在燃料电池组长度的中间。这种方法还可以包括在燃料电池组的周边上设置额外的磁性传感器。根据本专利技术的第三个方面，提供了一种燃料电池组，它包括：(a)装配成叠组(stack)的多个燃料电池，燃料电池中的每一个包括电解质、固定于电解质的第一表面上的空气电极、固定于电解质的与第一表面相反的第二表面上的燃料电极、以及将电解质、空气电极和-->燃料电极的组件夹在其中间的带有气体流路的分隔器；和(b)布置在燃料电池组的垂直于其长度的周边上的磁性传感器。在本专利技术的优选方式中，磁性传感器被安置在电池组长度的中间。燃料电池组还可以包括布置在其周边上的额外的传感器。燃料电池组还可以包含一电流分布确定电路，它利用磁性传感器的输出来确定燃料电池组中的电流分布，所述输出是作为磁通量密度变化的函数而产生的。根据本专利技术的第四个方面，提供了一种控制燃料电池组工作的方法，该燃料电池组的长度中包含多个燃料电池构成的叠组，它们分别由第一分隔器和第二分隔器以及夹在第一分隔器和第二分隔器之间的组件构成。该组件包括电解质、固定于电解质的第一表面上的空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池控制装置，包括：　　　　磁性传感器，其用以输出作为磁场的磁通量密度之函数的信号，所述磁场在燃料电池组的一部分周围产生，每个燃料电池中电化学反应所产生的电流流过这一部分；和　　　　控制器，其被设计成能分析从所述磁性传感器输出的所述信号以检测因所述燃料电池组中局部出现发电能力下降而引起的磁通量密度的变化，所述控制器可采取预定的措施以控制所述燃料电池组的工作，从而消除所述燃料电池组发电能力下降的现象。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池控制装置，包括：磁性传感器，其用以输出作为磁场的磁通量密度之函数的信号，所述磁场在燃料电池组的一部分周围产生，每个燃料电池中电化学反应所产生的电流流过这一部分；和控制器，其被设计成能分析从所述磁性传感器输出的所述信号以检测因所述燃料电池组中局部出现发电能力下降而引起的磁通量密度的变化，所述控制器可采取预定的措施以控制所述燃料电池组的工作，从而消除所述燃料电池组发电能力下降的现象。2.如权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述控制器把从所述磁性传感器输出的所述信号的值与一参考值作比较，所述参考值是在所述燃料电池组正常工作以产生所要求电量的情况下预先确定的，当发现所述信号值与所述参考值之间有差异时，所述控制器采取所述预定措施以消除所述燃料电池组发电能力下降的现象。3.如权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述磁性传感器所处位置对于其中一个所述燃料电池周围所产生的磁场的选定部分是能够进行感测的。4.如权利要求3所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述磁性传感器固定于其中一个所述燃料电池的选定部分上。5.如权利要求3所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述磁性传感器被安置在其中一个所述燃料电池的选定部分中。6.如权利要求3所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述磁性传感器被安置在所述燃料电池组长度的中间。7.如权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，每个燃料电池由一单元构成，所述单元包含由电解质薄膜、燃料电极和空气电极组成的组件，燃料侧分隔器，以及空气侧分隔器，所述燃-->料侧分隔器和所述空气侧分隔器分别固定在所述燃料电极和所述空气电极上，且所述磁性传感器布置在所述燃料侧分隔器和所述空气侧分隔器的其中一个之上。8.如权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，每个燃料电池由一单元构成，所述单元包含由电解质薄膜、燃料电极和空气电极组成的组件，燃料侧分隔器，以及空气侧分隔器，所述燃料侧分隔器和所述空气侧分隔器分别固定在所述燃料电极和所述空气电极上，且所述磁性传感器安装在所述燃料侧分隔器和所述空气侧分隔器的其中一个之中。9.如权利要求3所述的燃料电池控制装置，其特征在于，当检测到磁通量密度的所述变化时，所述控制器选择对应于所述磁场的所述选定部分的其中一个预定措施，并执行这个措施以控制所述燃料电池组的工作，从而消除所述磁通量密度的变化。10.如权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述燃料电池组中的每个燃料电池具有通过那里将空气输送至所述燃料电池的空气入口、从那里排出空气的空气出口、通过那里将氢气输送至所述燃料电池的氢气入口、以及从那里排出氢气的氢气出口，且所述磁性传感器所处位置对于所述空气入口、所述空气出口、所述氢气入口和所述氢气出口的其中一个周围出现的所述磁场的一部分是能够进行感测的。11.如权利要求10所述的燃料电池控制装置，其特征在于，还包括第二磁性传感器，所述第二磁性传感器对于所述空气入口、所述空气出口、所述氢气入口和所述氢气出口的其中另一个周围出现的所述磁场的一部分是能够进行感测的，以便输出作为所述磁场的所述那一部分的磁通量密度之函数的信号，并且所述控制器把从所述磁性传感器和所述第二磁性传感器输出的所述信号的值与参考值作比较，所述参考值是在所述燃料电池组正常工作以产生所要求电量的情况下预先确定的，当发现至少有一个所述信号的值与相应的-->其中一个所述参考值之间有差异时，所述控制器选择其中一个所述预定措施以消除所述差异。12.如权利要求1所述的燃料电池控制装置，其特征在于，一集电器被布置在所述燃料电池组的其中一个端部上，由所述燃料电池组产生的所述电流从所述端部输出，且所述磁性传感器被布置成对于由流过所述集电器的所述电流产生的磁场是能够进行感测的。13.一种燃料电池系统，包括：由多个装配成叠组的燃料电池构成的燃料电池组，所述燃料电池组可产生流过其长度的电流；可输出作为磁场的磁通量密度之函数的信号的磁性传感器，所述磁场围绕所述燃料电池组的长度产生并且是由于所述电流的流动而引起的；和被设计成能分析从所述磁性传感器输出的所述信号的控制器，其用以检测因所述燃料电池组中局部出现产生所述电流的能力下降而引起的所述磁通量密度的变化，所述控制器可采取预定的措施以控制所述燃料电池组的工作从而消除所述燃料电池组产生所述电流能力下降的现象。14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器把从所述磁性传感器输出的所述信号的值与一参考值作比较，所述参考值是在所述燃料电池组正常工作以产生所要求电量的情况下预先确定的，当发现所述信号值与所述参考值之间有差异时，所述控制器采取所述预定措施以消除所述燃料电池组发电能力下降的现象。15.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，所述磁性传感器所处位置对于其中一个所述燃料电池周围所产生的磁场的选定部分是能够进行感测的。16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，所述磁性传感器固定于其中一个所述燃料电池的选定部分上。-->17.如权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，所述磁性传感器被安置在其中一个所述燃料电池的选定部分中。18.如权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，所述磁性传感器被安置在所述燃料电池组长度的中间。19.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，每个燃料电池由一单元构成，所述单元包含由电解质薄膜、燃料电极和空气电极组成的组件，燃料侧分隔器，以及空气侧分隔器，所述燃料侧分隔器和所述空气侧分隔器分别固定在所述燃料电极和所述空气电极上，且所述磁性传感器布置在所述燃料侧分隔器和所述空气侧分隔器的其中一个之上。20.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，每个燃料电池由一单元构成，所述单元包含由电解质薄膜、燃料电极和空气电极组成的组件，燃料侧分隔器，以及空气侧分隔器，所述燃料侧分隔器和所述空气侧分隔器分别固定在所述燃料电极和所述空气电极上，且所述磁性传感器安装在所述燃料侧分隔器和所述空气侧分隔器的其中一个之中。21.如权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，当检测到磁通量密度的所述变化时，所述控制器选择对应于所述磁场的所述选定部分的其中一个预定措施，并执行这个措施以控制所述燃料电池组的工作，从而消除所述磁通量密度的变化。22.如权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池组中的每个燃料电池具有通过那里将空气输送至所述燃料电池的空气入口、从那里排出空气的空气出口、通过那里将氢气输送至所述燃料电池的氢气入口、以及从那里排出氢气的氢气出口，且所述磁性传感器所处位置对于所述空气入口、所述空气出口、所述氢气入口...

【专利技术属性】
技术研发人员：菊地哲郎，堀部和夫，高嶋博之，加藤豪俊，竹下直宏，
申请(专利权)人：株式会社电装，丰田自动车株式会社，株式会社日本自动车部品综合研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]