专利名称：燃料电池系统及驱动该燃料电池系统的方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，并且更特别地，涉及利用燃料电池和辅助电源来驱动负载系统的燃料电池系统及驱动该燃料电池系统的方法。
背景技术：
常规上，各种一次电池或二次电池已在小型便携式电子设备内采用。然而，由于现在的小型电子设备需要消耗大量电能以展现高性能，所以常规的小型轻量化一次电池无法适应为它们提供电能。虽然二次电池具有可再充电的优点，但能够一次性充入二次电池的可用电能的量小于一次电池的可用电能。并且，为二次电池充电需要诸如电源或充电器之类的辅助设备。另外，对常规的二次电池进行充电需要花费几十分钟到几小时的时间。所以，常规的二次电池在使用上有些不方便。
为解决这个问题，已经考虑到小型燃料电池。常规上，燃料电池被发展为车辆或大型发电机的驱动源。这是因为与常规的发电系统相比，燃料电池具有更高的发电效率并排放更清洁的残余物。另外，每单位重量或每单位体积的燃料电池能够提供的电能的量，是常规一次电池或二次电池所提供的几倍或几十倍。并且，只需要通过补充燃料就能够永久地使用燃料电池，且燃料电池的充电时间短于传统二次电池。因此，将燃料电池系统作为小型电子设备的驱动源已经引起了关注。
通常，燃料电池是指通过发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换为电能的电化学设备。例如，使通过对诸如石油或天然气之类的燃料进行重整得到的纯氢或氢与空气中的氧气进行反应，能够提取电能，并可由此获得作为副产品的热量和蒸汽(水)。因此，燃料电池在通过电化学反应发电这方面与电池相似，同时在注入燃料以使自身运转这方面又与发动机类似。也就是说，燃料电池通过接收外部燃料并对其进行合成/分解来发电。因此，在燃料电池系统中，只需要供给燃料就可发电，无需要独立的充电操作。如果供给了足量的燃料，燃料电池就能够在足够长的时间里发电。另外，燃料电池的加燃料时间明显短于常规的可再充电电池的充电时间。
尽管如此，因为现有的燃料电池技术没有能力安全地产生能够满足需求水平的电，所以燃料电池无法用作诸如便携式计算机或个人数字助理之类的便携式小型电子设备的电源。
此外，在初始运转阶段，燃料电池需要预定时间段以便安全地供电，这就使得在初始运转阶段无法从燃料电池获取所需水平的电。为克服上述缺点，开发了包括交替使用的二次电池和燃料电池系统的混合型燃料电池。
然而，这种混合型燃料电池系统仍然不能克服常规燃料电池系统不安全发电的技术缺陷。因此，这种混合型燃料电池系统仍然不能够满足在便携式小型电子设备中的实际使用。
发明内容
本发明提供了一种为负载系统供电的燃料电池系统，包括利用空气和燃料来发电的燃料电池单元；为所述负载系统供电的供电单元，其以选择性的方式用所述燃料电池单元产生的电力来充电；控制单元，其监控所述供电单元的电荷状态，并在所述供电单元放电到第一预定水平或更低时，使所述燃料电池单元运转以便为所述供电单元充电；和输出单元，其将由所述供电单元输出的电力提供给所述负载系统。
所述控制单元可适于在所述供电单元充电到第二预定水平或更高时，中断所述燃料电池单元的运转。所述第一预定水平可不同于所述第二预定水平。
所述供电单元可包括二次电池，并且所述燃料电池系统可进一步包括连接到所述供电单元上的接口单元，以便使所述供电单元与外部电源相互连接并为所述供电单元充电。
本发明还提供了为负载系统供电的燃料电池系统另一实施例，该燃料电池系统包括供电单元，适于输出电力到所述负载系统；燃料电池单元，适于接收空气和燃料、利用所接收的空气和燃料来发电并将所产生的电力输出到所述供电单元；传感器，适于测定所述供电单元的电荷状态；和连接到所述传感器的控制单元，其适于根据所测定的电荷状态控制所述燃料电池单元的发电。所述传感器可进一步适于实时监控所述供电单元的电荷状态。
在一个实施例中，比较器适于将由所述传感器测定的电荷状态与预定水平进行比较，并输出比较结果给所述控制单元，并且所述控制单元适于根据所述比较结果控制所述燃料电池单元的发电。
本发明提供了驱动用于为负载系统供电的燃料电池系统的方法的实施例，包括利用来自所述供电单元的电力为所述负载系统供电；监控所述供电单元的电荷状态，以测定所述供电单元是否放电到低于第一预定水平；和在测定出所述供电单元放电至低于所述第一预定水平时，使所述燃料电池单元运转以发电，并利用所产生的电力为所述供电单元充电。
在向所述负载系统供电时，所述燃料电池单元可关闭，并且所述监控电荷状态可以是实时的。在一个实施例中，在所述供电单元被测定为并未放电到低于所述第一预定水平时，所述监控电荷状态是实时的。
一个实施例还包括，在所述供电单元充电至第二预定水平或更高时，在所述燃料电池单元运转之后关闭所述燃料电池单元。所述第二预定水平可不同于所述第一预定水平。
本发明还提供了另一种驱动用于为负载系统供电的燃料电池系统的方法，包括将来自所述供电单元的电力供应给所述负载系统；测定所述供电单元的电荷水平；和基于所测定的电荷水平，选择性地将来自所述燃料电池单元的电力供应给所述供电单元。
所述测定电荷水平可包括检测所述供电单元的电荷状态；和将所检测的电荷状态与第一预定电荷水平进行比较。所述选择性地向供电单元供电包括在所检测的电荷状态等于或高于所述第一预定电荷水平时，停止所述燃料电池单元的运转，在所检测的电荷状态等于或低于所述第一预定电荷水平时，使所述燃料电池单元运转。
一个实施例还包括用外部电源为所述供电单元充电。
附图结合申请文件图解了本发明的示范性实施例，并结合说明书解释本发明的原理。
图1是示出根据本发明实施例的燃料电池系统的示意性结构的框图。
图2是示意性示出根据本发明实施例的通过燃料电池单元对供电单元进行充电的流程图。
具体实施例方式
在下述说明中，通过图解的方式显示并描述了某些示范性实施例。本领域技术人员应意识到，所述示范性实施例可以在不脱离本发明思想或范围的基础上进行各种修改。因此，附图和说明书应被认为在本质上是描述性的，而非限制性的。
图1是示出根据本发明实施例的燃料电池系统的示意性结构的框图。
根据本发明实施例的燃料电池系统100包括燃料电池单元110、控制单元120、供电单元130和输出单元140。
燃料电池单元110具有燃料箱111、泵112、重整器113、空气入口单元115和燃料电池堆117。
在该实施例中，燃料箱111为用来储存诸如甲醇或石油之类的化学燃料的罐。泵112抽取存储在燃料箱111内的燃料，以便将燃料提供给重整器113。空气入口单元115吸入外部空气，并将空气提供给燃料电池堆117，以便促进与由燃料箱111提供的燃料的电化学反应。重整器113对通过泵112提供自燃料箱111的燃料进行重整以产生氢。在燃料电池堆117中，重整器113提供的氢和空气入口单元115提供的空气进行电化学反应，以产生电动势。
控制单元120适于监控供电单元130的电荷状态，并适于在电荷状态满足预定基准水平时(例如，供电单元130放电到其充电容量的70％时)，打开泵112以便向重整器113输送燃料。同样，控制单元120也适于使燃料电池单元110运转并利用因此产生的电动势为供电单元130充电。
供电单元130向负载系统(图中未示出)提供所需电力。当供电单元130需要充电时，其以选择性的方式进行充电。也就是说，供电单元130可以通过外部电源或内部燃料电池进行充电，如下所述。在一个实施例中，供电单元130可由二次电池构成。在该实施例中，燃料电池系统进一步包括用于将二次电池连接到外部电源的接口单元150，以便为二次电池充电。
供电单元130形成为多个具有二次电池的组。每个组都电连接到燃料电池堆117，并且这些组可以在燃料电池系统100运转时运转，从而使一组作为主电源使用进行放电，而另一组则进行充电。
输出单元140使供电单元130与负载系统相互连接，负载系统例如诸如便携式计算机之类的小型电子设备，以便将充入供电单元130的电力传输到负载系统。
下面，将参照附图详细描述对供电单元130进行选择性充电的过程。图2是示出供电单元的充电过程的流程图。
参见图1和图2，在使负载系统运转的初始阶段，控制单元120适于关闭泵112，以便中断提供给重整器113的燃料并关闭燃料电池单元110。因此，在初始运转阶段，负载系统利用由供电单元130提供的电力来运转(S11)。
当负载系统利用由供电单元130提供的电力运转时，控制单元120实时监控供电单元130的运转状态(S11)。同时，供电单元130提供电力给负载系统。
另外，控制单元120监控供电单元130的电荷状态，并实时测定供电单元130的电荷状态是否满足预定的基准水平(S13)(例如，是否放电到供电单元130的充电容量的70％或者更高)(S12)。
结果，如果测定供电单元130的电荷状态满足该预定水平，则返回上述步骤S 12，继续监控供电单元130的电荷状态。
另一方面，如果测定供电单元130的电荷状态不满足该预定基准水平，则控制单元120打开泵112，以提供燃料给重整器113并开始使燃料电池单元110运转。然后，在该过程中由燃料电池单元110产生的电力提供给供电单元130，为供电单元130充电(S14)。
当通过这样的充电操作将供电单元130充电到预定基准水平时(例如，充电到供电单元130的充电容量的90％或更高时)，控制单元120关闭泵112，停止燃料电池单元110的运转。
结果，供电单元130在利用由燃料电池单元110提供的电能进行充电的同时，能够为负载系统提供电力。
可选地，除上述过程之外，供电单元130也可以直接利用外部电源进行充电。也就是说，供电单元130可以通过连接到供电单元130上的接口单元150从外部电源接收电能，并可由该外部电源对其充电。
如上所述，根据本发明所述实施例的燃料电池系统，可以选择性地由燃料电池单元110产生的电力或由从外部电源直接接收的电力来充电。因此，能够向负载系统安全地供电。除此之外，即使负载系统用于无法提供外部电源的情况下，该燃料电池系统也可以通过燃料电池产生的电力来持续充电，以防止供电单元被完全放电。
因此，根据本发明某些实施例，有可能采用混合型燃料电池系统为负载系统安全地供电。在根据本发明的燃料电池系统的这些实施例中，由于二次电池被用来提供电能，所以有可能安全地供电。本质是，由于在二次电池放电到预定水平或更低时，二次电池通过燃料电池产生的电力来充电，所以二次电池不会被完全放电。另外，由于二次电池能够利用外部电源直接充电，所以能够用户提供便利。
虽然已经描述了本发明的示范性实施例和修改的实施例，但本发明并不局限于此，在不脱离所附权利要求、详细说明书和附图的保护范围的前提下，可以做各种修改，因此，这种修改落入所附权利要求及其等价替换所限定的本发明的范围之内。
权利要求
1.一种为负载系统供电的燃料电池系统，该燃料电池系统包括利用空气和燃料来发电的燃料电池单元；为所述负载系统供电的供电单元，其以选择性的方式用所述燃料电池单元产生的电力来充电；控制单元，其监控所述供电单元的电荷状态，并在所述供电单元放电到第一预定水平或更低时，使所述燃料电池单元运转以便为所述供电单元充电；和输出单元，其将由所述供电单元输出的电力提供给所述负载系统。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制单元适于在所述供电单元充电到第二预定水平或更高时，中断所述燃料电池单元的运转。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述第一预定水平不同于所述第二预定水平。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述供电单元包括二次电池。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括连接到所述供电单元上的接口单元，以便使所述供电单元与外部电源相互连接并为所述供电单元充电。
6.一种为负载系统供电的燃料电池系统，该燃料电池系统包括供电单元，适于输出电力到所述负载系统；燃料电池单元，适于接收空气和燃料、利用所接收的空气和燃料来发电并将所产生的电力输出到所述供电单元；传感器，适于测定所述供电单元的电荷状态；和连接到所述传感器的控制单元，其适于根据所测定的电荷状态控制所述燃料电池单元的发电。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述传感器进一步适于实时监控所述供电单元的电荷状态。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，进一步包括比较器，其适于将由所述传感器测定的电荷状态与预定水平进行比较，并输出比较结果给所述控制单元，其中所述控制单元适于根据所述比较结果控制所述燃料电池单元的发电。
9.一种驱动用于为负载系统供电的燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括燃料电池单元和供电单元，该方法包括利用来自所述供电单元的电力为所述负载系统供电；监控所述供电单元的电荷状态，以测定所述供电单元是否放电到低于第一预定水平；和在测定出所述供电单元放电至低于所述第一预定水平时，使所述燃料电池单元运转以发电，并利用所产生的电力为所述供电单元充电。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在向所述负载系统供电时，所述燃料电池单元被关闭。
11.根据权利要求9所述的方法，其中对所述电荷状态的监控是实时的。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在所述供电单元被测定为并未放电到低于所述第一预定水平时，实时监控所述供电单元的电荷状态。
13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在所述供电单元充电至第二预定水平或更高时，在所述燃料电池单元运转之后关闭所述燃料电池单元。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二预定水平不同于所述第一预定水平。
15.一种驱动用于为负载系统供电的燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括燃料电池单元和供电单元，该方法包括将来自所述供电单元的电力供应给所述负载系统；测定所述供电单元的电荷水平；和基于所测定的电荷水平，选择性地将来自所述燃料电池单元的电力供应给所述供电单元。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述测定电荷水平包括检测所述供电单元的电荷状态；和将所检测的电荷状态与第一预定电荷水平进行比较。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述选择性地向供电单元供电包括在所检测的电荷状态等于或高于所述第一预定电荷水平时，停止所述燃料电池单元的运转。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述选择性地向供电单元供电包括在所检测的电荷状态等于或低于所述第一预定电荷水平时，使所述燃料电池单元运转。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述测定电荷水平进一步包括将所检测的电荷状态与第二预定电荷水平进行比较，并且其中所述选择性地向供电单元供电进一步包括在所检测的电荷状态等于或高于所述第二预定电荷水平时，停止所述燃料电池单元的运转。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括用外部电源为所述供电单元充电。
全文摘要
本发明提供了一种为负载系统供电的燃料电池系统，包括利用空气和燃料来发电的燃料电池单元；为所述负载系统供电的供电单元，其以选择性的方式用所述燃料电池单元产生的电力来充电；控制单元，其监控所述供电单元的电荷状态，并在所述供电单元放电到第一预定水平或更低时，使所述燃料电池单元运转以便为所述供电单元充电；和输出单元，其将由所述供电单元输出的电力提供给所述负载系统。
文档编号H01M8/00GK1885602SQ20061009262
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月26日 优先权日2005年6月24日
发明者张元赫, 李钟基, 李东润, 李时贤 申请人:三星Sdi株式会社