氢气产生装置及控制氢气产生量的燃料电池发电系统的制作方法

专利名称：氢气产生装置及控制氢气产生量的燃料电池发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氢气产生装置(制氢装置，hydrogen generating apparatus),更具体地说，涉及一种可以控制供应给燃料电池的氢气 的产生量的氢气产生装置。
背景技术：
燃料电池指的是通过电化学反应将燃料(氢气、LNG、 LPG、 甲醇等)和空气的化学能直接转换成电和/或热的能量转换装置。与 需要燃津牛燃烧、蒸汽产生、或者涡轮4几或发电4几(power generator) 的常规发电技术不同，燃料电池技术不需要燃烧过程或驱动装置 (driving device )，,人而增加了能量效率并控制了环境问题。图1 i^明了燃冲+电池的工作结构。参照图1,燃料电池100由作为燃剩-才及(fuel pole ) 110的阳极 和作为空气才及130的阴极构成。燃料极110提供有氢分子(H2)， 并将它们分解成氢离子(H+)和电子(e-)。氢离子(H+)穿过为电 解质层的膜(隔膜，membrane) 120向空气极130移动。电子通过 外电3各140移动以产生电流。在空气极130中，氢离子和电子与空 气中的氧分子结合，产生水分子。下列化学式代表在燃料电池100 中发生的上述化学反应。
化学式1
燃泮牛冲及110: H2 － 2H+ + 2e-空气才及130: l/2 02 + 2H+ + 2e-－H20 总反应H2 + 1/2 02 － H20
简而言之，通过将由于分解的电子的流动产生的电流供应^^外 电路140,燃料电池100起电池的作用。这样的燃料电池100几乎 不会放出大气污染物如SOx和NOx并且产生很小的噪音和振动。
同时，为了在燃剩-才及110中产生电子，燃津牛电池100需要可以
将普通燃料转变成氢气的氢气产生装置。
然而，通常被称为氢气产生装置的氢气储存罐(贮氢罐， hydrogen storage tank )，占用4艮大的空间，并且应该小心4呆存。
此外，因为便携式电子装置，如移动电话和笔记本式计算机， 需要大容量功率，所以燃冲+电池必须具有大容量并且表i见出高性能 同时是小型的。
为了满足上述需要，由国际民间4元空组织(International Civil Aviation Organization, ICAO )允许带入飞才几的甲醇或曱酸:帔用于燃料重整(fuel reforming),或者直接使用曱醇、乙醇、或甲酸作为用 于燃津+电池的燃冲牛。
然而，前一种情况需要高的重整温度，具有复杂的系统，消耗 驱动功率，并且包含除了纯氬气之外的杂质(例如，C02和CO)。
后 一种情况由于在阳极中化学反应的低速度和^灰氢化合物穿过膜 的渗透(cross-over)而降低了功率密度。

发明内容
本发明提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制氢 气产生的量的方法，以及记录有"^丸行方法的程序的记录介质，该方 法可以在室温下通过电^1学反应产生纯氢气。
本发明还提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制 氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该 方法可以在没有单独的BOP (周边设备，Balance of Plant)单元同 时保持简单结构的情况下控制氢气产生的量。
本发明还提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制 氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该 方法是经济的和对生态环境友好的。
本发明还提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制 氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该 方法可以利用开关的开/关时间和/或开/关频率控制氬气产生的量。
此外，本发明提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统， 控制氢气产生的量的方法，以及记录有4丸4于方法的程序的记录介质，该方法4又通过打开开关就可以防止、浪费或过剩的氢气泄漏到空 气中的危险，并且通过不4吏用气泵或液泵而降4氐噪音和功率消诔毛。此外，本发明提供了一种氢气产生装置，该氢气产生装置根据 来自连接至燃料电池的负载的需要利用反馈控制可以控制产生的量。本发明的 一 个方面的特征在于 一 种能够控制氢气产生的量的 氢气产生装置。根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置包括电解槽， 该电解槽装有含氢离子的含水电解质溶液；第一电极，该第一电极 容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并且产生电子；第二电极，该第二电极容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并 且接收电子以产生氢气；开关，该开关位于第一电极和第二电极之 间；流量计，该流量计测量第二电极中氢气产生的量；以及开关控 制器，该开关控制器接收设定值，将通过流量计测量的氩气产生的 量与设定值比较，并且控制开关的开/关状态。开关控制器可以通过输入装置直4妾乂人用户，俞入有设定^直。氢气 产生装置可以连接至燃料电池并供应氢气，并且开关控制器可以根 据燃料电池需要的氢气产生的量输入有设定值。形成第一电极的金属可以具有比形成第二电极的金属更高的 电离，页向。流量计可以以流量的单位测量氢气产生的量。开关控制器可以 产生和输出使开关打开和关闭的开关控制信号，并且开关控制器可 以通过改变开关控制信号的占空比(duty ratio)来确定一个周期范 围内开关的开/关比。开关控制器可以通过改变开关控制信号的开/关频率来控制在 氢气产生的量上的波动。开关控制器可以将设定值与测量的氢气产 生量进行比较，如果氢气产生的量小于设定值则可以增加占空比， 如果氢气产生的量大于设定值则降低占空比，并且如果氢气产生的 量等于设定值则保持占空比。设定值包括上限和下限，并且开关控 制器可以将设定值与测量的氢气产生的量进行比较，如果氢气产生 的量小于下限则可以增加占空比，如果氬气产生的量大于上限则降 低占空比，并且如果氢气产生的量在下限和上限之间则保持占空 比。本发明的另 一个方面的特征在于一种包括能够控制氢气产生 的量的氢气产生装置的燃料电池发电系统。根据本发明 一种具体实施方式
的燃料电池发电系统具有氢气 产生装置，该氢气产生装置通过控制连接在电极之间的开关的开/ 关状态来控制氢气产生的量；燃坤+电池，该燃冲牛电池4皮供应有由氩 气产生装置产生的氢气并且通过将氢气的化学能转换成电能而产 生直流电；以及负载，该负载被提供电能并且执行预定的操作。氪气产生装置可以包括电解槽，该电解槽装有含氢离子的含 水电解质溶液；第一电极，该第一电极容纳在电解槽中，浸没在含 水电解质溶液中，并且产生电子；第二电4及，该第二电4及容纳在电 解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并且4妄收电子以产生氢气；开 关，该开关位于第一电极和第二电极之间；开关控制器，该开关控 制器从负载接收需要的功率(power),测量燃料电池的输出，将需 要的功率与输出进行比專交，并且控制开关的开/关状态。形成第一电极的金属可以具有比形成第二电极的金属更高的电离倾向。开关控制器可以产生和输出使开关打开和关闭的开关控制信 号，并且开关控制器可以通过改变开关控制信号的占空比来确定一个周期范围内开关的开/关比。开关控制器可以通过改变开关控制信 号的开/关频率来控制在氢气产生的量上的波动。开关控制器可以将 需要的功率与输出进行比较，如果输出大于需要的功率则可以降低 占空比，如果输出小于需要的功率则增加占空比，并且如果输出等 于需要的功率则保持占空比。
根据本发明 一种具体实施方式
的燃料电池发电系统进一 步包 :括可充电电池，该可充电电池连4妄在燃并+电池和负载之间，净皮来自 燃料电池的电能充电，并且当负载需要时提供充电的电能。
氢气产生装置可以包括电解槽，该电解槽装有含氢离子的含 水电解质溶液；第一电极，该第一电极容纳在电解槽中，浸没在含 水电解质溶液中，并且产生电子；第二电极，该第二电极容纳在电 解槽中，浸没在含水电解质溶液中，4妻收电子以产生氢气；开关， 该开关位于第一电极和第二电极之间；开关控制器，该开关控制器 测量可充电电池的当前电压，将完全充电电压(fully-charged voltage)与当前电压进行比较，并且控制开关的开/关状态。形成第 一电才及的金属可以具有比形成第二电才及的金属更高的电离倾向。
开关控制器产生和输出使开关打开和关闭的开关控制信号，并 且开关控制器通过改变开关控制信号的占空比来确定一个周期范 围内开关的开/关比。并且开关控制器通过改变开关控制信号的开/ 关频率来控制在氢气产生的量上的波动。
开关控制器将当前电压与完全充电电压进行比较，如果当前电 压小于完全充电电压则增加占空比，并且如果当前电压等于或大于 完全充电电压则将占空比减到最小。本发明的另一个方面的特征在于一种在氢气产生装置中控制 氢气产生的量的方法，该氢气产生装置通过控制位于电极之间的开 关的开/关状态而控制氢气产生的量。
根据本发明一种具体实施方式
的控制氢气产生的量的方法包
括以下步骤输入有设定值；将测量的氢气产生的量与设定值进行 比较；以及如果氢气产生的量小于设定值则增加开关控制信号的占 空比，如果氢气产生的量大于设定值则降低开关控制信号的占空 比，并且如果氢气产生的量等于设定值则保持开关控制信号的占空 比，其中开关控制信号根据占空比控制一个周期范围内开关的开/ 关状态。
根据本发明另一种具体实施方式
的控制氢气产生的量的方法 包括以下步骤输入有上限值和下限值；将测量的氢气产生的量与 上限值和下限值进4于比專交；以及如果氢气产生的量小于下限值则增 加开关控制信号的占空比，如果氢气产生的量大于上限值则降低开 关控制信号的占空比，并且如果氢气产生的量在下限值和上限值之 间则保持开关控制信号的占空比，其中开关控制信号根据占空比控 制 一个周期范围内开关的开/关状态。
根据本发明另 一种具体实施方式
的控制氢气产生的量的方法， 该方法通过控制位于电纟及之间的开关的开/关状态而控制氢气产生 的量，测量燃料电池的输出并乂人负载4妄收需要的功率，将输出与需 要的功率进行比较，如果输出大于需要的功率则降低开关控制信号 的占空比，如果输出小于需要的功率则增加开关控制信号的占空 比，并且如果输出等于需要的功率则保持开关控制信号的占空比， 其中开关控制信号根据占空比控制 一个周期范围内开关的开/关状 态。根据本发明另一种具体实施方式
的控制氢气产生的量的方法， 该方法通过控制位于电极之间的开关的开/关状态而控制氢气产生 的量，测量可充电电-也的当前电压，将当前电压与完全充电电压进 行比较，如果当前电压小于完全充电电压则增加开关控制信号的占 空比，并且如果当前电压等于或大于完全充电电压则将开关控制信 号的占空比减到最小，其中开关控制信号根据占空比控制 一个周期 范围内开关的开/关状态。


根据以下描述、所附权利要求以及附图，将使本发明的这些和
其它特征、方面和优点变得更好理解，在附图中 图l说明了燃料电池的工作结构；
图2示出了根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的剖 视图3示出了移动电话的功率消耗的曲线图4是在根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置中第一 电极和第二电极之间的电流的量与产生的氢气量关系曲线图5示出了根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的控 制单元的方沖匡图6示出了根据本发明另一种具体实施方式
的燃料电池发电系 统的方一匡图7是才艮据本发明另 一种具体实施方式
的燃冲牛电池发电系统的 方框图；图8示出了当开关打开时以流量的单位表示的氢气产生的量的 曲线图9示出了根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的开 关的开/关频率的第 一 实施例；
图10示出了根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的 开关的开/关频率的第二实施例；
图11示出了当控制开关的开/关频率时氢气产生的量是如何与 时间坤目关的；
图12示出了根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的 开关的占空比的第一实施例；
图13示出了根据本发明一种具体实施方式
的氬气产生装置的 开关的占空比的第二实施例；
图14示出了当控制开关的占空比时氢气产生的量与时间关系 曲线图15示出了在根据本发明一种具体实施方式
的氩气产生装置 中控制氢气产生的量的方法的流程图16示出了在根据本发明另一种具体实施方式
的氢气产生装 置中控制氢气产生的量的方法的流程图；以及
图17示出了在根据本发明另一种具体实施方式
的氢气产生装 置中控制氢气产生的量的方法的流程图。
1具体实施例方式
由于本发明可以存在多种变更和具体实施方式
，所以将参照附 解i兑明和描述一些具体实施方式
。然而，这绝不是将本发明限 于某些具体实施方式
，并且应当理解为包括由本发明的精神和范围 所覆盖的所有变更、等价物和替换。在全部附图中，对类似的元件 给出类似的参考标号。在本发明的整个描述中，当描述某一4支术被 确定为与本发明的要点无关时，将省略有关的详细描述。
术语如"第一，，和"第二，，可以用于描述各种元件，-f旦上述元 件不应当限于上述术语。上述术语仅用于4吏一个元件区别于另 一个 元件。例如，在不背离本发明的权利要求范围的情况下，第一元件 可以^皮命名为第二元件，反之亦然。术语"和/或"应当包4舌多种 所列项目的组合或多种所列项目的任何一种。
当一个元件^皮描述为"连4妄"或1妻触"妄近)"至另一元件 时，应当被理解为直接连接或接触至另一个元件，但是也可理解为 在其间可能具有另外的元件。另一方面，如果一个元件被描述为"直 接连接"或"直4l接触"至另一元件时，应当^皮理解为在其间不存 在其它元件。
在说明书中使用的术语仅用于描述某些具体实施方式
，而决不 应当限制本发明。除非明确地以其它方式4吏用，否则单数的表达包 括复l史的含义。在本发明的描述中，如"包括"或"由…组成"的 表达用于指明特征、数量、步骤、操作、元件、部分或其组合，而 不应当理解为排除一个或更多其它特征、凄t量、步-骤、操作、元件、 部分或其组合的任何存在或可能性。
除非另外限定，本文中使用的所有术语，包括技术术语和科学 术语，具有与如其通常被本发明相关领域的普通技术人员所理解的域的情况下具有同样的含义，并且，除非另外明确地限定，不应当 净皮解释为具有理想主义或过分形式主义的含义。
在下文中，将参照附图详细地描述某些具体实施方式
。不管附
图号如何，相同或相应的元件将给以相同的参考标号，并JM寻不再
重复对相同或相应元件的任何多余的描述。
图2是根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的剖视图。
氢气产生装置200包括电解槽210、第一电才及220、第二电极 230以及控制单元240。为了^f更于描述和理解，下面将假定第一电 才及220由4美(Mg)构成，而第二电极230由不^t秀钢构成。
电解槽210装有含水电解质;容液215。含水电解质溶液215含 有氢离子，氢离子^皮氢气产生装置20(H吏用以产生氢气。
用于含水电解质溶液215的电解质的实例是LiCl、 KC1、 NaCl、 KN03、 NaN03、 CaCl2、 MgCl2、 K2S04、 Na2S04、 MgS04、 AgCl等。
电解槽210容纳第一电极220和第二电极230,第一电才及220 和第二电才及230的整体或部分浸没在电解质溶液215中。
第 一 电才及220是有源电才及(active electrode ),其中由于4美和水 的电离能的不同，镁(Mg)被氧化成镁离子(Mg2+)，释放出电子。 释放的电子通过第一电线225、控制单元240以及第二电线235移 动至第二电才及230。第二电才及230是惰性电才及(inactive electrode ),其中7Jc分子4妻 收/人第一电才及220移动来的电子，然后纟皮分解成氢分子。
上述4匕学反应可以表示为下列化学式2:
化学式2
第一电才及220: Mg + Mg2+ + 2e-第二电才及230: 2H20 + 2e-^ H2 + 2(OH)-总反应Mg + 2H20 Mg(OH)2 + H2
化学反应的反应速率和效率取决于各种因素，包括第一电极 220和/或第二电极230的面积，含水电解质溶液215的浓度，含水 电解质溶液215的种类，第一电极220和/或第二电极230的凄t量， 连接第一电极220和第二电极230的方法，第一电极220和第二电 才及230之间的电阻。
改变上述因素中的任何一种会影响在第一电4及220和第二电极 230之间流动的电流的量(即，电子的数量)，乂人而改变化学式2所 示的电化学反应的反应速率，这又改变在第二电极230中产生的氢 气的量。
因此，通过控制在第一电才及220和第二电才及230之间5户u动的电 流的量可以控制第二电极230中产生的氢气的量。法拉第定4聿对此 进行了解释，如下面数学公式l所示。数学公式1
氛气
氢气2 x 96485
r =-
氛气2 x 96485 =7 x /(m/ / min )
x 60 x 22400 (m〃min)
其中，TV氣气是每秒钟产生的氢气的量(mol/s)， F氛气是每分钟 产生的氢气的体积(ml/min), /是电流(C/s )，"是反应电子的数 量，以及五是每摩尔的电子电荷(C/mol)。
在上述化学式2的情况下，由于两个电子在第二电极230处反 应，所以"具有2的翁 f直，以及五具有-96,485 C/mol的教 f直。
每分钟产生的氢气的体积可以通过使时间(60秒)和氢气的摩 尔体积(22400ml)与每秒钟产生的氢气的量相乘而计算出。
例如，在燃料电池用于2W系统中并且布i定燃料电池在室温下 正在运4亍0.6 V的电压以及氢气的利用率是60 %的情况下，消谇毛 42 ml/mo1的氬气和6 A的电;充。在燃:扦电-也用于5 W系乡克中的情 况下，消摔毛105 ml/mo1的氢气和15 A的电;充。
通过控制流过连接至第一电4及220的第一电线225、以及连接 至第二电极230的第二电线235的电流的量，氢气产生装置200可 以满足连4妾其上的燃津牛电池的不同的氢气需求。然而， 一旦制造了氢气产生装置200，除了第一电极220和第 二电极230之间的电阻之外，决定发生在氢气产生装置200的第二
电极处的氢气产生反应速率的大多数因素几乎难以改变。
因此，为了调节第一电极220和第二电极230之间的电阻，根 据本发明该具体实施方式
的氢气产生装置200具有设置在连4妾第一 电极220和第二电极230的第 一电线225和第二电线235之间的控 制单元240。
因此，氢气产生装置200控制第一电极220和第二电才及230之 间的电阻，即，控制两者之间流动的电流的量，,人而产生:feo燃冲牛电 池需要的那样多的氢气。
第一电极220还可以由具有相对高的电离倾向的金属如铁 (Fe)、铝(Al)、锌(Zn)等构成。第二电极230还可以由相比于 第一电极220的金属具有相对低的电离倾向的金属如铂(Pt)、铝 (Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、 4失(Fe)等构成。
控制单元240控制转移速率，即，电流的量，以该转移速率在 第一电极220中产生的电子被转移至第二电才及230。
并且根据该信息，保持、或增加或降低从第一电才及220流动至第二 电才及230的电子的凄t量。
例如，将参照如图3所示的移动电话的功率消耗进行描述。图 3是示出了移动电话的功率消耗的曲线图。
移动电话的模式取决于当前工作的按键或菜单选择，并且功率 消碑毛也相应i也改变。范围301显示出通过拨号请求通话的情况，范围302显示出随 着听回铃音等待接收者的应答的情况，范围303显示出通过移动电 话交谈的情况，范围304显示出结束通话的情况，以及范围305显 示出发送通话费用信息(call rate message )的情况。由于移动电话 在每种情况下运行不同的部件，所以如图3所示功率消耗频繁地变 化。
因此，控制器24(U妻收例如如图3所示的移动电话的负载所需 要的功率的反馈，并且控制以生成如需要的那样多的氢气来症会连接 至燃料电池的负载才是供足够的功率。
氢气产生装置可以进一步包括输入装置，以便用户手动地输入 需要的功率或氬气的量。
本发明的氢气产生装置可以具有多个第一电才及220和/或第二 电极230。在设置多个第一电极220和/或第二电才及230的情况下， 由于氢气产生装置200每单位时间可以产生更多的氢气，所以可以 在更短的时间产生需要的氢气的量。
图4是示出了在第一电才及220和第二电才及230之间流动的电流 的量与第二电极230上产生的氢气的量关系曲线图。这里，应该注 意，氢气的量以每分钟测量的流量来显示，因为对于燃料电池来说 重要的不是产生的氢气的总量而是氢气的流量。
在下列条件下实施图3的实验 第一电才及220: 4美(Mg) 第二电才及230:不4秀钢 电才及之间的3巨离3 mm 电解质的成分和浓度30wt%KCl电极的数量每个有3个镁(电极)，每个有3个不锈钢(电
极)
电才及连4妄方法串联
含7jc电解质溶'液的体积、60 cc (额外条4牛(excessive condition)) 电才及的尺寸24 mm x 85 mm x 1 mm
上述条件被用于在描述本发明时所涉及的每个曲线图。
图4示出了比基于数学公式1的理论值更大的氢气的流量，原 因在于三对电极的相互作用。
然而，乂人图4证实，氢气的流量与第一电才及220和第二电才及230 之间的电流量相关联。该曲线图示出了在流量和电流量之间的几乎 线性关系，这与#1学7>式1一致。
图5是根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的控制单 元240的方冲匡图。
控制单元240包4舌流量计510、开关控制器520以及开关530。
流量计510以流量的单位测量从氢气产生装置的第二电才及230 产生的氢气量。如上所述，为了通过连接至燃料电池而使用才艮才居本 发明的氢气产生装置200，应该保持一定量的氢气产生而不是^f呆持 氢气产生的总量，因此需要以ml/min的单位测量氢气产生量。当然， 可以4吏用其它测量单^f立，只要该单位能够测量流量。
开关控制器520被输入与氢气产生量相关的设定值。氢气产生 装置200 "i殳置有单独的输入装置(未示出)，使用者可以通过该输 入装置输入设定值。或者需要的输出的功率可以通过由连接至氢气 产生装置200的燃料电池供电的负载输入。在后一种的情况下，负载可以单独地配备有功率需求单元(po丽 requiring unit), 用于输 入氢气产生装置200需要的功率。
开关控制器520将输入的i殳定值与通过流量计510测量的氢气 产生的量进行比较。如果产生的氢气的量小于设定值，则控制开关 530以增加氢气产生的量，并且如果产生的氢气的量大于i殳定值， 则控制开关530以降低氢气产生的量。假定开关530通过开关控制 信号控制使得开关控制器520可以打开或关闭开关530。
开关530设置在第一电极220和第二电才及230之间。如果开关 530打开，则在第一电4及220中产生的电子^皮转移至第二电才及230， 并且如果开关530关闭，则在第一电极220中产生的电子不能^皮转 移至第二电才及230。
即，控制单元240使用开关530以控制电子是否从第 一 电才及220 转移至第二电极230，从而控制氢气产生的量。
图6是根据本发明另 一种具体实施方式
的燃料电池发电系统， 该燃料电池发电系统包括氢气产生装置200的控制器240、连接其 上的燃泮+电池、以及负载。
控制单元240包括开关控制器610和开关530。这里，开关530
以与先前参照图5描述的相同的方式起作用，因此将省略它们的描述。
开关控制器610连接至由燃料电池100供电的负载620。如上 所述，负载620根据当前的工作条件需要不同的功率(参照图3)。 因此，开关控制器610接收负载620的当前工作条件需要的功率。并且，开关控制器610连接至燃料电池100以*接收燃料电-也100 的输出。燃料电池100的输出是例如由燃料电池100提供给负载620 的功率，该燃^f电池100接收来自氢气产生装置200的氢气。如上
所述，为了通过连接至燃料电池而使用根据本发明的氢气产生装置 200,应该保持氢气产生的一定量而不是氢气产生的总量，因此以 瓦特(W )的单位接收基于氬气产生的量的燃料电池100的电功率。 此外，开关控制器610测量燃一牛电池100的电压并且通过〗吏用电阻 转换成电功率。当然，可以〗吏用其它测量单^f立，只要该单4立能够测 量电功率。
开关控制器610将燃料电池100的输出与负载620需要的功率 进行比较。在燃料电池100的输出小于需要的功率的情况下，开关 控制器610改变开关530的开/关时间以增加氢气产生的量，并且在 燃料电池100的输出大于需要的功率的情况下，开关控制器610改 变开关530的开/关时间以降低氢气产生的量。在与需要的功率相比 燃泮牛电池10 0的输出在 一 定的误差范围内的情况下，保持当前氢气 产生的量。，i定该开关^喿作是通过能够使开关控制器61(H殳定开关 530的开/关时间的开关控制信号进行的。
图7是根据本发明又一种具体实施方式
的燃料电池发电系统， 该燃料电池发电系统包括氢气产生装置200的控制器240、连接其 上的燃冲十电池、以及负载。
控制单元240包括开关控制器710和开关530。这里，开关530
以与先前参照图5描述的相同的方式起作用，因此将省略重复的描述。
当与如图6所示的燃料电池发电系统进行比较时，图7中的燃 料电池发电系统进一步包括可充电电池700。由于燃料电池100具有'隄的响应性，所以不能瞬时响应来自负载620的峰^f直功率。因此， 通过予贞先为可充电电;也700充电可以响应峰<直功率。
开关《^空制器710测量可充电电池700的电压以连续i也产生氢 气，用于使可充电电池700完全充电以及用于使燃料电池IO(H呆持 提供电压。
并且才艮据负载620需要的功率提供可充电电池700的充电电 压，在可充电电池700的电压下降的情况下，使氢气产生装置200 产生氢气。
即，开关4空制器710将可充电电池700的当前电压与完全充电 电压进行比较。完全充电电压是指当可充电电池700被完全充电时 的电压。如果当前电压小于完全充电电压，那么改变开关530的开 /关时间以增加氢气产生的量，并且如果当前电压等于或者大于完全 充电电压，那么改变开关530的开/关时间以4亭止氩气产生。作i定该 开关操作是通过能够使开关控制器710设定开关530的开/关时间的 开关控制信号进行的。
这里，可充电电池700可以是超级电容器(super capacitor )或
小型可充电电池。超级电容器具有提高的电容量，并且如果需要的 -活则可以充入和i文出电功率。
图8是当开关打开时以流量的单位表示的氢气产生的量的曲线图。
如果开关530保持打开一段时间，则反应开始时变得4艮快，升 高了温度并且迅速地增加了氢气产生的量达100ml/min。然后，由 于含水电解质溶液中的水和构成第 一电极220的金属的减少引起氢 气产生的量快速下降。在这样的情况下，控制氢气产生的量很困难，因此通过4吏开关
控制器520、 610、 710控制开关530的打开/关闭使得开关530具有 一定的占空比和/或开/关频率而将氢气产生的量控制至期望的流 量。这将^皮参照图9进一步描述。
图9是^4居本发明 一种具体实施方式
的氢气产生装置的开关的 开/关频率的第一实施例，而图10是根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的开关的开/关频率的第二实施例。此外，图11示 出了当控制开关的开/关频率时氢气产生的量与时间关系曲线图。在 下文中将假定当输入的开关控制信号的大小是M(即，高)时开关 530打开，而当输入的开关控制信号的大小是O (即，低)时关闭。
参照图9,输入至开关530的开关控制信号具有T的频率和50 % 的占空比。换句话说，输入至开关530的开关控制信号对于i/2丁是高 的，而^"于V^T^^氐的。
参照图10，另一方面，输入至开关530的开关控制信号具有'/4T 的频率和50%的占空比。4奐句"i舌i兌，输入至开关530的开关4空制4言 号乂于于WT是高的，而只十于V4T ^_<氐的。
输入至开关530的开关控制信号具有一定的占空比(例如，在图 9和图10的情况下为50 % ),因此在一个周期范围内使开关530打开和 关闭相同的持续时间。
参照图11，当控制开关530的占空比l吏得产生42 ml/min的氢气 用于需要2W电功率的燃料电池时，根据开/关频率在氲气产生的量 上存在波动。氢气产生装置200的温度1110稳定地升高但保持在 80。C以下。氢气产生的量1120接近42 ml/min。当如图9中的开/关频率相 对4艮小(即，大的周期)时，波动4艮强烈，如由1140表示的冲匡(box) 中所示。当如图10中的开/关频率相对很大(即，小的周期)时， 波动很樣i弱，如由1150表示的框中所示。
因此，对于相同的占空比，开关控制信号的开/关频率相对越大 引起波动越小，并且更容易保持期望的氢气产生的量。
图12是根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的开关 的占空比的第一实施例，而图13是根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的开关的占空比的第二实施例。图14示出了当控 制开关的占空比时氪气产生的量与时间关系曲线图。
参照图12，开关控制信号具有丁的周期和75%的占空比，即， 开关控制信号对于3/4丁是高的，而对于V^T^^氐的。
参照图13,开关控制信号具有与图12相同的丁周期以及25%的 占空比，即，开关控制信号对于WT是高的，而对于XT是低的。
通过控制输入至开关530的开关控制信号的占空比，可以控制 每段时间(pertime)在氢气产生装置200中产生的氢气产生量。
参照图14,氬气产生的量在开始时自然4呆持增加(参照由1420 表示的曲线图的部分)，然后开关控制器520控制开关530打开和 关闭以产生42 ml/min( 1421 )、 10 ml/min( 1422 )、 42 ml/min( 1423 )、 20 ml/min ( 1424 )以及30 ml/min (1425 )的氢气。
当氢气产生的量,人42 ml/min ( 1421)调整至10 ml/min ( 1422 )
时，开关控制信号在一个周期范围内关闭时间的比率增加，即，占
28空比逐渐减小。然后，当流量计510读取10ml/min的氢气产生时， 通过稳定地保持占空比，氢气产生的量#皮4呆持在10ml/min。
当氢气产生的量从10 ml/min ( 1422 )调整至42 ml/min ( 1423 )
时，开关控制信号在一个周期范围内打开时间的比率增加，即，占 空比逐渐增加。然后，当流量计510读取42ml/min的氢气产生时， 通过稳、定地《呆持占空比，氢气产生的量被4呆持在42 ml/min。
通过反复实施占空比的上述调整，开关控制器520可以才艮据改 变设定值而调整氢气产生的量。
如参照图9至图11所描述的，在保持一定的氢气产生的量的 情况下，通过改变开关530的开/关频率可以控制氢气产生的量上的 波动。
而且，在图8、图11和图14中以流量的单位测量的氢气产生 的量可以是乂人图6或图7所示的氢气产生装置200中的燃料电池100 丰lr出的电功率。例如，耳又决于燃冲+电池100的工作条件，图8、图 11和图14所示的42 ml/min可以3于应于2 W。
换句话说，先前测量的氢气产生的量对应于通过如图6或图7 所示的开关"^空制器610、 710测量的燃冲+电;也的llr出(即，电功率 或电压)。通过开关的开/关控制而控制的氢气产生的量对应于燃料 电池的l俞出，即电功率或电压。
才艮据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的开关可以由 MOS (金属氧化物半导体)晶体管制成。
才艮据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装置的开关控制器控制单元中。换句话说，通过将开关控制器包括在燃料电池发电系 统的控制单元中，可以将开关控制器和燃料电池发电系统的控制单
元制成一个芯片(单片，one chip )。
此外，本发明的氢气产生装置可以构成连接至燃^牛电池的燃泮牛 电池发电系统。燃料电池发电系统包括可以控制氢气产生的量的氢 气产生装置以及通过供应有来自氢气产生装置的氢气而产生电的 燃料电池。
图15是示出了在根据本发明一种具体实施方式
的氢气产生装 置中控制氢气产生的量的方法的流程图。图15的氢气产生装置被 图解i兌明在图5中。
在由S1500表示的步骤中，氢气产生装置200的开关控制器520 打开开关530，并且产生超过一定阈值流量的氢气。
在步-骤S1510中，流量计510测量氢气产生的量，而在步艰《 S1520中，开关控制器520将由流量计510测量的氢气产生的量与 输入的设定值进行比较。这里，输入的设定值可以是一个数值，如 步-骤S1520a所示，或可以具有以一个范围的上限和下限，4口步骤 S1520b所示。
开关控制器520产生用于根据设定值控制开关的开/关的开关 控制信号，并将该开关控制信号施加至开关530。
如果如步骤S1520a所示输入一个设定值，则在步骤S1530a中 将氢气产生的量(A)与设定值(B)进行比较。在氢气产生的量小 于设定值(A<B)的情况下，在步骤S1532a中增加开关控制信号 的占空比，并且如果氢气产生的量大于i殳定^i (A>B)，则在步骤S1534a中降低开关控制信号的占空比。如果氢气产生的量等于i殳定 值(A=B)，则在步骤S1536a中保持开关控制信号的当前占空比。
在步骤S1520b中输入上限和下限的情况下，在步骤S1530b中 比较氢气产生的量(A)、上限(Bl )和下限(B2)。如果氢气产生 的量小于下限(A<B2)，则在步艰《S1532b中增加开关控制4言号的 占空比，并且如果氢气产生的量大于上限(A>B1 ),则在步艰《S1534b 中降低开关控制信号的占空比。如果氢气产生的量在上限和下限之 间(B2^A^B1),则在步骤S1536b中保持开关控制信号的当前占空 比。
通过重复步驶《S1520至S1536a或S1536b，氢气产生装置200 可以根据输入的设定值产生氢气的量。
图16是示出了在根据本发明另一种具体实施方式
的氢气产生 装置中控制氢气产生的量的方法的流程图。图16的氢气产生装置 -波图解"i兌明在图6中。
在由S1600表示的步骤中，氢气产生装置200的开关控制器610 打开开关530,并且产生超过一定阈值流量的氢气。
在由S1610表示的步骤中，开关控制器610测量连4妾至氢气产 生装置200的燃料电池的输出，并且接收连4妾至燃冲十电池100的负 载620需要的功率。这里，燃#+电池100的输出可以是电功率或电 压中的一种，并且在电压的情况下，可以通过电阻来计算电功率。
并且，在步骤S1620中，开关控制器610将燃料电池100的电 功率C与负载620需要的功率D进行比4交。根据比较，在燃料电池IOO的电功率大于需要的功率(OD) 的情况下，在步骤S1630中降低开关控制信号的占空比，在燃料电 池100的电功率小于需要的功率(C<D)的情况下，在步骤S1632 中增加开关控制信号的占空比，以及在燃料电池IOO的电功率等于 需要的功率(C = D)的情况下，在步骤S1634中保持开关控制信 号的占空比。这里，"等于，，是指燃料电池100的电功率基于需要 的功率落在预定的误差范围内。
然后，通过重复步骤S1610至S1630、 S1632或S1634，氢气 产生装置200可以控制用于燃料电池的氢气产生的量以提供与负载
需要的功率对应的车lr出。
图17是在根据本发明另一种具体实施方式
的氢气产生装置中 控制氢气产生的量的方法的流程图。图17的氢气产生装置被图解 :说明在图7中。
在由S1700表示的步骤中，通过打开开关530以产生超过一定 阈值流量的氢气，氢气产生装置200的开关控制器710操作燃料电
燃料电池100和负载620之间的可充电电池700充电。
在步骤S1710中，开关控制器710测量可充电电池700的电压， 而在步-银S1720中将可充电电池700的完全充电电压F与当前电压 E进行比较。
才艮据比丰支，在当前电压等于或大于完全充电电压(E2F)的情 况下，在步骤S1730中开关控制器710将开关控制信号的占空比减 到最小(包4舌0%)以防止可充电电-也700净皮充电，而在当前电压 小于完全充电电压(E<F)的情况下，在步骤S1732中开关控制器710增加开关控制信号的占空比。这里"等于，，是指当前电压基于
完全充电电压落在预定的误差范围内。
然后，通过重复步驶《S1710至S1730、或S1732,氢气产生装 置200可以控制可充电电池700被完全充电用于准备负载620所需 要的峰值功率。
在上述控制氢气产生的量的方法中，步骤S1520至S1536a或 S1536b、或者步骤S1620至S1630、S1632或S1634、或者步艰朵S1720 至S1730或S1732可以写入到计算积』程序中。本领i或普通计算才几程 序员可以很容易实现构成程序的代码和代码段。而且，程序^皮存储 在计算4几可读介质中，并且通过由计算才几读耳又和运4亍来实现控制氢 气产生的量的方法。上述计算才几可读介质包招^兹记录介质、光记录 介质和载波介质。
附图和详细说明仅〗又是本发明的实施例，该实施例〗又用于描述 本发明，而决不是限制或限定本发明的精神和范围。因此，任何本 领域普通才支术人员应当理解许多变更和其它等价的具体实施方式
也是可能的。本发明的保护范围必须仅由所附权利要求的思想所限定。
权利要求
1.一种氢气产生装置，包括电解槽，装有含水电解质溶液；第一电极，容纳在所述电解槽中，浸没在所述含水电解质溶液中，并且产生电子；第二电极，容纳在所述电解槽中，浸没在所述含水电解质溶液中，接收所述电子以产生氢气；开关，位于所述第一电极和所述第二电极之间；流量计，测量所述第二电极中氢气产生的量；以及开关控制器，接收设定值，将通过所述流量计测量的所述氢气产生的量与所述设定值进行比较，并且控制所述开关的开/关状态。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述开关控制器通过输入 装置直4妻乂人用户输入有所述设定值。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述氢气产生装置连接至 燃料电池并供应氢气，并且所述开关控制器根据所述燃并牛电池 所需要的氢气产生的量而输入有所述设定值。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中，形成所述第一i才及的金属 具有比形成所述第二电才及的金属更高的电离倾向。
5. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述流量计以流量的单位 测量所述氢气产生的量。
6. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述开关控制器产生和输 出使所述开关打开和关闭的开关控制信号，并且所述开关控制 器通过改变所述开关控制信号的占空比来确定一个周期范围 内所述开关的开/关比。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述开关控制器通过改变 所述开关控制信号的开/关频率来控制在所述氢气产生的量上 的波动。
8. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述开关控制器爿夸所述设 定值与所述测量的氢气产生的量进行比较，如果所述氢气产生 的量小于所述i文定值则增加所述占空比，如果所述氢气产生的量大于所述设定值则降低所述占空比，并且如果所述氢气产生 的量等于所述设定值则保持所述占空比。
9. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述设定值包括上限和下 限，并且所述开关控制器将所述设定值与所述测量的氢气产生 的量进行比较，如果所述氢气产生的量小于所述下限则增加所 述占空比，如果所述氢气产生的量大于所述上限则降^f氐所述占 空比，并且如果所述氢气产生的量在所述下限和所述上限之间 则寸呆持所述占空比。
10. —种燃冲牛电池发电系统，包括氢气产生装置，通过控制连接在电极之间的开关的开/关 状态而控制氢气产生的量；燃料电池，被供应有由所述氢气产生装置产生的氢气并 且通过将所述氢气的化学能转换成电能而产生直流电；以及负载，被提供所述电能并且执行预定的操作。
11. 根据权利要求IO所述的系统，其中，所述氢气产生装置包括电解槽，装有含氢离子的含水电解质溶液；第一电极，容纳在所述电解槽中，浸没在所述含水电解 质;容液中，并且产生电子；第二电极，容纳在所述电解槽中，浸没在所述含水电解 质溶液中，接收所述电子以产生氢气；开关，位于所述第一电极和所述第二电一及之间；以及开关控制器，从所述负载接收需要的功率，测量所述燃 料电池的输出，将所述需要的功率与所述输出进行比较，并且 控制所述开关的开/关状态。
12. 根据权利要求11所述的系统，其中，形成所述第一电^l的金 属具有比形成所述第二电才及的金属更高的电离倾向。
13. 根据权利要求11所述的系统，其中，所述开关控制器产生和 输出使所述开关打开和关闭的开关控制信号，并且所述开关控 制器通过改变所述开关控制信号的占空比来确定一个周期范 围内所述开关的开/关比。
14. 才艮据权利要求13所述的系统，其中，所述开关控制器通过改 变所述开关控制信号的开/关频率来控制在所述氢气产生的量 上的波动。
15. 根据权利要求13所述的系统，其中，所述开关控制器将所述 需要的功率与所述输出进行比较，如果所述输出大于所述需要 的功率，则降低所述占空比，如果所述输出小于所述需要的功 率，则增加所述占空比，并且如果所述输出等于所述需要的功 率，则保持所述占空比。
16. 才艮据斗又利要求10所述的系统，进一步包4舌可充电电池，连接在所述燃一+电池和所述负载之间，被 来自所述燃料电池的所述电能充电，并且当所述负载需要时提 供所述充电的电能。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中，所述氢气产生装置包括电解槽，装有含氢离子的含水电解质溶液；第一电极，容纳在所述电解槽中，浸没在所述含水电解 质-容液中，并且产生电子；第二电极，容纳在所述电解槽中，浸没在所述含水电解 质溶液中，^接收所述电子以产生氢气；开关，4立于所述第一电4及和所述第二电才及之间；以及开关控制器，测量所述可充电电池的当前电压，爿寻完全 充电电压与所述当前电压进行比4交，并且控制所述开关的开/ 关状态。
18. 根据权利要求17所述的系统，其中，形成所述第一电极的金 属具有比形成所述第二电才及的金属更高的电离倾向。
19. 根据权利要求17所述的系统，其中，所述开关控制器产生和 输出使所述开关打开和关闭的开关控制信号，并且所述开关控 制器通过改变所述开关控制信号的占空比来确定一个周期范 围内所述开关的开/关比。
20. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述开关控制器通过改 变所述开关控制信号的开/关频率来控制在所述氢气产生的量 上的波动。
21. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述开关控制器将所述 当前电压与所述完全充电电压进行比较，如果所述当前电压小 于所述完全充电电压，则增加所述占空比，并且如果戶斤述当前 电压等于或大于所述完全充电电压，则将所述占空比减到最 小。
22. —种在氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法，所述氢气产 生装置通过控制位于电极之间的开关的开/关状态而控制氢气产生的量，所述方法包"t舌 丰lr入有"i更定值；将测量的氢气产生的量与所述设定值进行比较；以及如果所述氲气产生的量小于所述设定值，则增加开关控 制信号的占空比，如果所述氢气产生的量大于所述"i殳定值，则 降低所述开关控制信号的所述占空比，并且如果所述氢气产生 的量等于所述设定值，则保持所述开关控制信号的所述占空 比，其中，所述开关控制信号根据所述占空比控制一个周期范 围内所述开关的所述开/关状态。
23. —种在氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法，所述氢气产 生装置通过控制位于电才及之间的开关的开/关状态而4空制氢气 产生的量，所述方法包4舌输入有上限值和下限值；将测量的氢气产生的量与所述上限值和所述下限值进行 比4交；以及如果所述氩气产生的量小于所述下限值，则增加开关控 制信号的占空比，如果所述氢气产生的量大于所述上限值，则 降低所述开关控制信号的所述占空比，并且如果所述氢气产生 的量在所述下限值和所述上限值之间，则保持所述开关控制信号的所述占空比，其中，所述开关控制信号根据所述占空比控 制 一个周期范围内所述开关的所述开/关状态。
24. —种在氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法，所述氢气产 生装置连接至为负载提供电能的燃料电池并通过控制位于电 极之间的开关的开/关状态而控制氢气产生的量，所述方法包 括测量所述燃料电池的输出，并且从所述负载接收需要的 功率；将所述输出与所述需要的功率进行比较；以及如果所述输出大于所述需要的功率，则降低开关控制信 号的占空比，如果所述输出小于所述需要的功率，则增加开关 控制信号的所述占空比，并且如果所述输出等于所述需要的功 率，则保持开关控制信号的所述占空比，其中，所述开关控制 信号根据所述占空比控制 一个周期范围内所述开关的所述开/ 关状态。
25. —种在氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法，所述氢气产 生装置连4妻至^f吏可充电电池充有电能的燃4牛电池并通过控制 位于电极之间的开关的开/关状态而控制氢气产生的量，所述 方法包括测量所述可充电电池的当前电压； 将所述当前电压与完全充电电压进行比较；以及如果所述当前电压小于所述完全充电电压，则增加开关 控制信号的占空比，并且如果所述当前电压等于或大于所述完 全充电电压，则将开关控制信号的所述占空比减到最小，其中， 所述开关控制信号根据所述占空比控制一个周期范围内所述 开关的所述开/关状态。
全文摘要
本发明提供了一种能够控制氢气产生的量的氢气产生装置、燃料电池发电系统、以及在氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法。该氢气产生装置具有电解槽；第一电极；第二电极；开关，该开关位于第一电极和第二电极之间；流量计，该流量计测量第二电极中氢气产生的量；以及开关控制器，该开关控制器接收设定值，将通过流量计测量的氢气产生的量与设定值进行比较，并且控制开关的开/关状态。利用开关的开/关时间和/或开/关频率可以控制氢气产生的量。该燃料电池发电系统包括氢气产生装置；燃料电池，被供应有由该氢气产生装置产生的氢气并且通过将氢气的化学能转换成电能而产生直流电；以及负载，被提供电能并且执行预定的操作。
文档编号H01M8/06GK101307457SQ20081000595
公开日2008年11月19日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月21日
发明者吉宰亨, 张宰赫, 蔡敬洙, 金成汉, 阿鲁纳布哈·孔杜 申请人:三星电机株式会社