便携设备的燃料电池系统及其操作方法技术方案

一种用于便携设备的燃料电池系统，所述便携设备具有发热部件，所述燃料电池系统包括：燃料电池主体，其中燃料发生化学反应，提供电能，所产生的反应产物包括水；燃料供给及循环驱动装置，用于根据燃料浓度和／或燃料温度，控制燃料循环回路中的燃料量和／或燃料流速；水循环驱动装置，用于根据燃料温度、发热部件的温度，控制水循环回路中的水量和／或水流速；燃料循环回路，构成了燃料电池主体与燃料供给及循环驱动装置之间的回路，通过其向燃料电池主体提供燃料，并将剩余燃料送回燃料供给及循环驱动装置；水循环回路，构成了反应产物中的水在其中流动的回路；以及双重循环热交换单元，其中燃料循环回路、水循环回路和发热部件之间发生热交换。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于便携设备的燃料电池系统，更具体地，涉及一种具有主、辅循环回路和双重循环热交换单元的燃料电池系统及其操作方法。
技术介绍
随着信息技术的蓬勃发展，便携电子设备的功能越来越强大，功耗随之增加，为了满足一定的使用时间，便携设备对能量的需求也越来越大。而为了体现便携性，便携设备的体积又有很大的局限性，人们总是希望体积越小越好。所以便携设备的功能、时间、体积和能量之间的矛盾是一个非常现实的问题。目前便携设备大量使用的锂二次电池，由于目前锂二次电池的性能指标已接近理论上限，所以，依赖锂二次电池技术的发展不能够有效解决上述问题。燃料电池具有高能量密度、高转换效率、无污染等特点，以其替代锂二次电池作为便携设备的电源，近年来越来越多地得到人们的重视。目前比较适合在便携设备上应用的燃料电池有直接甲醇燃料电池和甲醇改质型燃料电池两种，这两种燃料电池的总化学反应方程式如下：燃料电池本身是一个较复杂的发电系统，其具有燃料存储装置、燃料供给及控制装置、核心发电装置、启动电源装置、系统管理装置和产物处理装置等。以目前的技术状态，一个典型的直接醇燃料电池的系统逻辑框图如图1所示。在图1中，燃料存储单元100通过燃料输送管道与燃料供给单元101连接，燃料供给单元101与燃料电池组105通过燃料输送管道连-->接。燃料供给单元101提供输送动力，将燃料存储单100中的燃料输入燃料电池组105的燃料级。从燃料电池组105燃料级排出的燃料余液经过气液分离单元106后，废气被输送到尾气处理/排放单元107，而低浓度燃料(未燃烧的甲醇与反应产物水混合，降低了燃料的浓度)则通过管道返回到燃料供给单元101。在燃料供给单元101与燃料电池组105之间的输送管道上，有串联的燃料浓度监控单元102，其与燃料电池控制/变换/侍服单元104之间通过数据信号线相连。燃料电池控制/变换/侍服单元104与燃料供给单元101之间有控制信号线相连。燃料电池控制/变换/侍服单元104通过燃料浓度监控单元102浓度传感器获得输送到燃料电池组105的燃料浓度值，通过逻辑判断，发送控制信号给燃料供给单元101，由燃料供给单元101调节被输送到燃料电池组105的燃料保持在一定浓度范围之内。空气供给单元109通过空气传输管道与燃料电池组105的空气级相连，与燃料电池控制/变换/侍服单元104之间有控制信号线相连。空气供给单元109为传输空气提供动力并且接收燃料电池控制/变换/侍服单元104发来的控制信号，控制输送给燃料电池组105的空气流量。从燃料电池组105空气级排出的尾气经过冷凝/气液分离单元108进行气液分离，废气被输送到尾气处理/排放单元107处理排放，而分离出来的水则通过输送管道输送到燃料供给单元101以用来调节燃料的浓度。冷凝/气液分离单元108有控制信号线与燃料电池控制/变换/侍服单元104相连。由燃料电池控制/变换/侍服单元104发出控制信号给冷凝/气液分离单元108，来控制分离出来的水量。启动电源103通过燃料电池控制/变换/侍服单元104的控制为燃料电池组105提供启动能源。在燃料电池组105正常发电时，可由燃料电池控制/变换/侍服单元104对启动电源103进行充电。燃料电池组105发出的电能通过燃料电池控制/变换/侍服单元104处理后输出。燃料电池控制/变换/侍服单元104与燃料电池电池组105之间有数据信号线相连，由燃料电池控制/变换/侍服单元104通过燃料电池组105中的传感器来监控燃料电池组105的工作状态。燃料电池组105由若干发电单体构成，燃料电池发电的总化学反-->应方程式为：目前，在便携设备如笔记本电脑上应用燃料电池，从严格意义上讲，燃料电池还是作为一个独立的部件存在，即燃料电池与笔记本电脑之间，基本上还是结构上的“匹配”(相应接口间的连接)，从功能上讲，分界很清楚。这样做，不但会造成整个系统的体积很难缩小，而且整个(笔记本电脑+燃料电池)系统部件冗余，没有充分利用各功能部件的能力。实际上，如果把燃料电池“系统”和笔记本电脑“系统”有机地融合在一起，充分利用各自的特点，扬长避短充分发挥各功能部件的能力，可以有效优化整个系统，促进燃料电池在便携设备上应用。中国专利技术专利申请“燃料电池、设备、便携计算机及驱动燃料电池的方法”(公开号：CN 1647305A，申请号：03808411.2)公开了以下内容：利用燃料电池的供给燃料吸收笔记本电脑CPU等发热部件的热量，在降低便携设备发热部件温度的同时提高燃料电池的燃料温度，进而又提高燃料电池的反应效率。该专利技术虽然利用了燃料电池液体燃料循环的特点，提出了在一定程度上解决便携设备冷却的方法。但是，这个专利技术并没有充分发挥出燃料电池“系统”内液体循环的特点，同时该技术方案存在以下技术缺陷：1、该专利技术仅利用燃料电池的前端甲醇水溶液燃料供给线路，构成冷却回路。没有利用到燃料电池反应产物水的回收利用。实际上，水的比热容要大于甲醇水溶液的比热容。(水的比热容4.19c/KJ.kg-1k-1，甲醇比热容2.50c/KJ.kg-1k-1)2、该技术方案使用的燃料是甲醇水溶液。而纯甲醇的沸点为64.7℃，所以，对于纯甲醇燃料不能应用到该技术方案里。因为汽化的纯甲醇在密闭的液体循环线路里会导致安全隐患。由于不能使用纯甲醇，所以该方案的有效能量密度低，使用相同的燃料罐，可提供的能量低。3、由于便携设备，如笔记本电脑的实际发热量很大，所以该技术方案仅依靠前端燃料供给线路的单一液体循环方式，很难达到有-->效冷却发热部件并同时提高燃料电池效率的效果。4、该技术方案燃料温度控制手段仅依靠流量控制，手段单一。一旦最大流量也不能有效阻止燃料温度升高的情况下，将使燃料电池发电本体温度不可控，反而会降低燃料电池的效率，甚至缩短燃料电池的寿命。图2示出了中国专利技术专利申请CN 1647305A的系统框图，该方案只是在燃料供给/流量调整单元201与燃料电池组206之间的燃料输送管道上串接热交换单元202，由热交换单元202(位于发热部件如CPU等附近)利用发热部件所发出的热量，对通过的燃料进行加热，再输送给206。而没有利用后端反应产物水。美国专利“Portable electronic device powered by protonexchange membrane fuel cell Patent No.US 6447945”，提供了一种使用燃料电池供电的笔记本电脑的技术方案，其描述了一种燃料电池副产物水的处理方案，只是在水路布置时，放在显示器后面的水路部分可以帮助显示屏进行散热。该专利重点是如何进行水处理。而未能针对燃料电池系统和笔记本电脑系统的系统散热优化提出解决方法。中国专利技术专利申请“一种电气设备用的冷却装置”(CN01807323.9)，其美国同族专利申请“Cooling system，especiallyfor electrical appliances”(US2003141038)，该专利技术是利用燃料供给回路中燃料的物理态变化，比如(压缩液态氢化成氢气的热力学吸热过程)作为吸收热量达到散热目的。而实际上中这种物理态变化很难应用，尤其对便携本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于便携设备的燃料电池系统，所述便携设备具有发热部件，所述燃料电池系统包括：燃料电池主体，在所述燃料电池主体中，燃料发生化学反应，提供电能，所产生的反应产物包括水；燃料供给及循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料浓度 和／或燃料温度，控制燃料循环回路中的燃料量和／或燃料流速；水循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料温度、发热部件的温度，控制水循环回路中的水量和／或水流速；燃料循环回路，构成了燃料电池主体与燃料供给及循环驱动装置之间的回 路，通过其向燃料电池主体提供燃料，并将未发生化学反应的剩余燃料送回燃料供给及循环驱动装置；水循环回路，构成了反应产物中的水在其中流动的回路；以及双重循环热交换单元，在所述双重循环热交换单元中，燃料循环回路、水循环回路和发热部 件之间发生热交换。

【技术特征摘要】
1.一种用于便携设备的燃料电池系统，所述便携设备具有发热部件，所述燃料电池系统包括：燃料电池主体，在所述燃料电池主体中，燃料发生化学反应，提供电能，所产生的反应产物包括水；燃料供给及循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料浓度和/或燃料温度，控制燃料循环回路中的燃料量和/或燃料流速；水循环驱动装置，用于根据燃料循环回路中的燃料温度、发热部件的温度，控制水循环回路中的水量和/或水流速；燃料循环回路，构成了燃料电池主体与燃料供给及循环驱动装置之间的回路，通过其向燃料电池主体提供燃料，并将未发生化学反应的剩余燃料送回燃料供给及循环驱动装置；水循环回路，构成了反应产物中的水在其中流动的回路；以及双重循环热交换单元，在所述双重循环热交换单元中，燃料循环回路、水循环回路和发热部件之间发生热交换。2.根据权利要求1所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括辅助散热装置，用于根据水循环回路中的水量和/或水流速以及燃料循环回路中的燃料温度，对水循环回路进行散热。3.根据权利要求1所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括水收集及供给装置，用于收集反应产物水，并根据水循环回路中的水温，向水循环回路中补充温度低于水循环回路中的水温的反应产物水，以及排出水循环回路中多余的水。4.根据权利要求3所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于所述水收集及供给装置还根据所述燃料供给及循环驱动装置的指令，向所述燃料供给及循环驱动装置提供水；所述燃料供给及循环驱动装置利用所述水收集及供给装置提供的水来调节提供给所述燃料电池主体的燃料的浓度。-->5.根据权利要求1所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括未反应燃料收集装置，用于分离未发生化学反应的剩余燃料和反应产物，并将剩余燃料送入燃料循环回路，返回给燃料供给及循环驱动装置。6.根据权利要求1到5之一所述的用于便携设备的燃料电池系统，其特征在于还包括燃料存储装置，用于存储高纯度的燃料。7.根据权利要求1到...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海峰，
申请(专利权)人：联想北京有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]