燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，具体涉及用于基于启动时和停止 时的各自的温度在所述启动时和停止时控制燃料电池的燃料电池系 统。
背景技术：
近年来，如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、笔记本型个人计 算机、数字照相机、以及数字摄像机之类的移动电子设备实现了多功 能，并且要由各个设备处理的信息量增加，导致增加了其越来越多的 功耗。
由于这个原因，强烈希望实现要被安装在那些设备上的更高能量 密度的电源。
燃料电池是这样一种设备，其中，典型为氢的燃料和典型为氧的 氧化剂在该设备中互相发生化学反应以获得化学能，并且所获得的化 学能被直接转换为电能。
上述的燃料电池在燃料中具有更高的能量密度，从而与常规蓄电 池相比，每体积和每重量的能量容量能够增大。另外，如果采用从外 部空气中取得氧气的结构，就不必提供氧化剂材料，并且每体积和每 重量的能量容量能够进一步提高。
在燃料电池中，聚合物电解质燃料电池(PEFC)具有使用聚合 物膜作为电解质的全固体结构，使得燃料电池具有如其操作容易、结 构简单、低温下工作、以及用于燃料电池的启动的时段短之类的特性。 从上述特性中，可以说燃料电池适用于要安装在移动电子设备上的功 率源。
聚合物电解质燃料电池基本上包括具有质子传导性的聚合物电 解质膜和设置在聚合物电解质膜的两个表面上的一对电极。
每个电极包括由铂或者属于铂族的金属制成的催化剂层，以及用 于提供气体并收集电流的形成在催化剂层外部的气体扩散电极。
通过将这些电极和聚合物电解膜集成为一体获得的組件被称为
膜电极组件(MEA)，其中向一个电极提供燃料，向另一个电极提供 氧化剂，来进行功率生成。
一对膜电极组件的理论电压是大约1.23V，并且在普通工作条件 下，膜电极组件在很多情况下是在大约0.7V下被驱动的。因此在需 要更高电压的情况下，多个电池单元被电气上串联地堆叠和布置以便 被使用。
这种类型的堆叠结构被称为燃料电池堆，并且在这个堆中，氧化 剂流路和燃料流路通常由被称为分离器的部件所隔离。
作为燃料电池的燃料给出各种燃料，并且提供燃料的方法示例包 括直接提供如曱醇之类的液体燃料的方法；提供氢的方法；以及将 液体燃料改性来生成氲并将氢提供给燃料电极的方法。
在那些方法中，从高输出和小尺寸的优点来看，氢提供系统被优 选地用于移动电子设备。
为了操作燃料电池系统，已经提出了通过使用连接在燃料电池的 燃料电极和氧化剂电极之间的电阻器在启动时和停止时控制燃料电 池的操作的方法。
在燃料电池启动时，必需尽快使聚合物电解质膜潮湿以便获得稳 定的电气特性。
对于要使用的聚合物电解质膜，需要提供需求特性，如质子传导 性、阻气特性、电子绝缘特性、化学和电气稳定性、阻热、以及高机 械强度。
响应这些需求，基于全氟磺酸的离子交换树脂是特别优选的，并 ,皮广泛4吏用。
在基于全氟磺酸的离子交换树脂所形成的聚合物电解质膜中，需 要附带水分(accompanying water )用于质子传导。因此在聚合物电 解质膜中水分含量低的情况下，质子传导性低，而在水分含量高的情 况下质子传导性高。
聚合物电解质膜的质子传导性对燃料电池的内部电阻造成很大 影响，因此导致显著影响功率生成的特性。由于这个原因，设计一种 方法来快速转入潮湿状态是很重要的，所述状态是当在通常具有低的 水分含量的聚合物电解质膜的情况下在燃料电池启动时水分含量增 大的状态。
在聚合物电解质燃料电池中，在燃料电极处生成的质子在聚合物 电解质膜中向氧化剂电极移动，并且产生水分的反应发生在氧化剂电 极。通过聚合物电解质膜中的浓度梯度引起的扩散，氧化剂电极处产 生的水分从氧化剂电极向燃料电极移动，从而聚合物电解质膜的总的 水分含量增加。为了在短的时段内增加聚合物电解质膜的总的水分含 量，聚合物电解质膜薄到聚合物电解质膜能够实现如防止燃料和氧化 剂交叉泄漏并且确保两个电极之间的电气绝缘特性的功能的程度是 优选的。
在燃料电池启动时，为了用通过功率生成反应产生的水分快速使 聚合物电解质膜潮湿并将聚合物电解质膜的质子传导性增大到稳定 状态，花费时间，并且在电流密度低的情况下无法获得进一步的充分 激活。因此，需要以尽可能大的电流密度将电流提供到燃料电池单元 中。然而，如果电流的提供在聚合物电解质膜的低水分含量和其高的 内部电阻的状态下以过大的电流密度来进行，则质子的提供变得不足 并且发生极性反转，这会引起燃料电池单元的毁坏。
因此，在燃料电池启动时，在执行向电子设备的供电之前，在燃 料电池的燃料电极和氧化剂电极之间执行电阻器连接。
这两个电极之间的电阻器连接使得功率生成所产生的短路电流 流动，然后氧化剂电极处产生的水分增大了聚合物电解质膜的水分含 量，由此导致稳定了燃料电池的电气特性。
仅将电阻器连接到燃料电池单元不引起过量的电流流动，并且使 最大电流根据燃料电池的激活状态作为短路电流流动。结果，可以不 引起极性反转的问题并且在短时段内获得燃料电池的稳定电气特性。 在接收到燃料电池的电气特性被充分激活的判断时，通过关断短路电 流电路，并且通过启动向电子设备的电功率供给，使得能够进行稳定
的电功率供给。
在燃料电池停止时，需要消耗残留的燃料以防止燃料电池的劣化。
在聚合物电解质燃料电池中，如果燃料电极和氧化剂电极处的气 体置于残留状态同时燃料电池的工作是停止状态(连接燃料电池的输 出端和负载的电路处于开路状态)，则引起催化剂燃烧。
换言之，如果气体置于残留状态，则发生交叉泄漏，所述交叉泄 漏是在一个电极侧的气体逐渐穿过电解质膜到达另一个电极的现象。 如果发生交叉泄漏，则燃料和氧化剂直接在催化剂上互相反应，从而 引起催化剂燃烧。催化剂燃烧生成大量热能，使构成燃料电池的材料 劣化。
此外，气体的残留引起燃料电极和氧化剂电极之间的电位差。已 知，如果原样置于这种状态，则取决于电位差的水平促进构成材料的 劣化。
对于这种现象，在燃料电池停止时，为防止上述的劣化，在燃料 电池的燃料电极和氧化剂电极之间建立电阻器的连接以使得残留燃 料能够被迅速消耗并去除。
在针对移动电子设备的小型燃料电池系统中，需要提供能够在启 动时和停止时进行燃料电池的控制的单一机构，以便同时避免系统的 扩大。进而，为了减少额外设备如控制电路的数量，通过使用无源的 机构进行上述的控制是更加优选的。
至今，提出了在启动时和停止时基于绝对温度进行燃料电池的控制。
日本专利申请特开第No. 2005-327587号提出了使用这样一种结 构的燃料电池，在该结构中，在室温下表现出传导性而在高于室温的
作为要被连接在燃料电池的燃料电极和氧化剂电极之间的部件， 使用包含钛酸钡等作为成分的PTC部件(如PTC电热调节器之类的 温度可变电阻器)。
此外，日本专利申请特开No. 2005-166547提出了一种用于燃料 电池系统的启动设备，其中包含如双金属器件之类的温度开关的负载 电路被连接在燃料电池的燃料电极和氧化剂电极之间，并且该开关在 室温下被控制为闭合状态而在高于室温的预定温度下被控制为开路 状态。
在日本专利申请特开No. 2005-327587和日本专利申请特开No. 2005-166547中所述的现有技术中，启动时和停止时的燃料电池的控 制按如下述方式进行。
在启动时，在电阻器被连接在燃料电极和氧化剂电极之间的情况 下燃料电池开始功率生成，由于功率生成所生成的热，燃料电池达到 预定温度或者更高温度，并且电阻器的连接被断开。在所述预定温度 或者更高温度，电阻器的断开状态被保持。
进而，在燃料电池停止时，当燃料电池的温度变为预定温度或者 更低温度时，在燃料电极和氧化剂电极之间建立电阻器的连接。在这 种情况下要测量的温度不是相对的，而是燃料电池的绝对温度。
在上面提到的日本专利申请特开No. 2005-327587和日本专利申 请特开No. 2005-166547中公开的现有技术中，如上所述，启动时和 停止时的燃料电池的控制是基于绝对温度进行的。因此，仍然留有一 个问题，即燃料电池的控制被使用环境中的外部空气温度影响。
当想到将燃料电池安装到移动电子设备上时，燃料电池在室外或 室内并且在所有季节被使用，所以燃料电池的设计需要考虑到夏季和 冬季之间的温度差别。然而，用于燃料电池的控制的预定温度必须被 设置为高于夏季温度的温度。
因此，取决于环境温度，直到燃料电池的温度达到预定温度的时 间和燃料消耗产生了很大的差别。
如果对于在环境温度为水点或更低时启动燃料电池，将用于控制 的预定温度设定在60。C，则担忧在燃料电池被设计用于低输出目的的 情况下不可能将燃料电池的温度升高到预定温度。
此外，即使在被设计为用于高输出的目的并且具有大加热功率的 燃料电池的情况下，直到燃料电池的温度达到预定的温度，燃料电池
也花费可观的时间和燃料消耗。用于通过使聚合物电解质潮湿来稳定 燃料电池的电气特性所花费的这些时间和燃料消耗被认为是过度的 和浪费的消耗。

发明内容
为了解决上面提到的问题，本发明针对能够控制使用环境中的外 部空气温度的影响并能够用简单结构执行这种控制的燃料电池系统。 为了解决上面提到的问题，本发明提供如下所述构造的燃料电池系统。
根据本发明的燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池包括 用于基于从燃料罐提供的燃料执行功率生成的功率生成部分，所述功 率生成部分包括燃料电极和氧化剂电极；以及设置在燃料电极和氧化 剂电极之间以便切换燃料电极和氧化剂电极之间的电阻器的连接和 断开的开关，其中，通过开关切换电阻器的连接和断开是基于至少一 个温度差来执行的，所述温度差是燃料电池的功率生成部分、燃料罐、 以及外部空气这三者之中的两者之间的温度差。
根据本发明，当在燃料电池启动时和停止时控制燃料电池时，燃 料电池系统能够控制使用环境中外部空气温度的影响。另外，上述控 制可以通过简单结构进行。
通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将 变得清晰。


图1是示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构 的示意图。
图2是示出了根据本发明的第一实施例的将电阻器连接到燃料 电池堆的结构性示例的示意图。
图3是示出了根据本发明的第一实施例的将电阻器连接到燃料 电池单元的另一个结构性示例的示意图。
图4是用于示出本发明的第一实施例的曲线图，这些曲线图各自
罐的温度，以及这两个温度之间的温度差随时间经过的变化。
图5是用于示出本发明的第一实施例的曲线图，这些曲线图各自
罐的温度，以及这两个温度之间的温度差随时间经过的变化。
图6是示出了根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的结构 的示意图。
图7是示出了根据本发明的第三实施例的燃料电池系统的结构 性示例的示意图。
图8是示出了根据本发明的第三实施例的燃料电池系统的另一 个结构性示例的示意图。
具体实施例方式
现在，将对本发明的实施例模式进行描述。在根据本发明的实施 例的燃料电池系统中，电阻器被连接在燃料电池的燃料电极和氧化剂 电极之间，或者通过热电换能器的电动势进行用于断开电阻器的连接 的控制。因此，实现不是基于绝对温度而是基于温度差的燃料电池控 制，从而抑制使用环境中的外部空气温度的影响。结果，能够执行燃 料电池的确实恒定控制而不论外部空气温度如何。因此，本发明的燃 料电池系统对于在室外或者室内并且在所有季节都使用的燃料电池 是十分有用的。
此外，可以釆用使用两个用于感测温度差的温度传感器并且测量
各自的温度来计算它们之间的差的方法。然而，可以通过使用热电换
能器的电动势来将传感器的数量简化为一个，这是更加优选的。
进而，与燃料电池系统的操作相关联的热能变动可以在热电换能
器中被积极利用，从而能量使用的效率能够提高。
再进一步，在使用热电换能器的电动势执行用于在燃料电池的燃 料电极和氧化剂电极之间建立电阻器连接的开关的操作的情况下，没
有外部电功率源的电功率消耗。
现在，对本发明的实施例进行描述。 (第一实施例)
在本发明的第一实施例中，将对应用本发明的燃料电池系统进行 描述。图l是示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构
的示意图。在图1中，燃料电池系统包括燃料电池11、燃料罐12、 燃料供给控制器13、开关14、热电换能器15、控制单元16、燃料电 极17、氧化剂电极18、以及固体聚合物电解质膜19。
根据本发明的燃料电池系统包括燃料电池11，所述燃料电池ll 包括包括燃料电极17和氧化剂电极18的功率生成部分；用于向燃 料电池11提供燃料的燃料罐12;以及用于建立燃料电池11的燃料电 极17和氧化剂电极18之间的电阻器连接的开关14。
在本实施例中，通过开关14执行的电阻器的连接和断开是基于 热电换能器15的电动势进行的，该热电换能器15将燃料电池11的 功率生成部分的温度、燃料罐12的温度与外部空气温度之中的两个 温度之间的温度差转换为电功率。
对于这个实施例的燃料电池11，如纯氢和曱醇之类的任何燃料 可以被用作燃料，并且可以使用用于提供燃料的任何系统。
此外，燃料电池11的功率生成部分包括具有质子传导性的聚合 物电解质膜19和包括燃料电极17和氧化剂电极18的两个电极，这 两个电极被设置在聚合物电解质膜19的两侧，并且由催化剂层和气 体扩散层形成。
氢燃料从燃料罐12被提供给燃料电极17，而氧气通过自然扩散 被提供给氧化剂电极18。
作为聚合物电解质膜19的材料，可以使用任何材料，但是基于 全氟磺酸的质子交换树脂膜19是优选的。
聚合物电解质膜19需要通过氧化剂电极18处产生的水分的反向 扩散被快速并完全潮湿化，并且因此希望聚合物电解质膜19尽可能 薄。然而，从膜的机械强度、气阻特性等方面看，大约50jim的厚度
会是优选的。
用于聚合物电解质燃料电池的膜电极组件是如下构造的。
首先，如铂黑之类的催化剂微粒、如载铂碳(platinum-carrying carbon)之类的催化剂承载微粒、聚合物电解质溶液、以及如异丙基 乙醇之类的有机溶剂被混合在一起产生催化剂墨水。
然后，通过喷涂法、丝网印刷法、刮墨刀法将催化剂墨水涂覆到 如聚四氟乙烯(PTFE)之类的聚合物膜以及导电多孔体的碳电极基 板，并在其上形成膜，从而形成催化剂层。
接着，这样获得的催化剂层通过热传递等与聚合物电解质膜的两 侧接触接合，使得催化剂承栽侧面向内侧，从而能够获得用于聚合物 电解质燃料电池的膜电极组件。只要能够将氢燃料提供到燃料电池
11，燃料罐12可以是任意类型的。燃料包括纯氢、存储在氢存储材 料中的氢、液体燃料如甲醇和乙醇。
此外，还可以釆用用于将液体燃料提供到燃料电池的系统或者用 于使用改性剂并将改性的氢提供给燃料电池的系统。
在本实施例中，釆用其中在燃料电池系统工作时发生温度差的结 构是优选的。因此，用高压氢或者氢储存合金储存的氢来装填燃料罐 12是优选的。
在这种情况下，从燃料罐12中的氢释放涉及吸热，使得燃料罐 12在燃料电池系统工作时被冷却。
另外，如果使用氢储存合金，则氢可以以高效率在低压被储存， 这是更加优选的。
为了防止从燃料罐12提供的氢燃料从燃料流路和燃料电极室泄 漏到燃料电池系统的外部，各个部分之间的连接部分经受密封处理以 保持封闭状态。
燃料供应控制器13在燃料电池系统工作时能够执行从燃料罐12 将燃料提供给燃料电池11，然而通过在停止时接收从电子设备发送的 停止信号等，中断燃料的供给。
给出电磁阀作为用于通过接收这样的电信号来控制燃料供给的 单元。
进而，可以釆用这样一种结构，即燃料罐12和燃料电池11通过 连接件连接，并且当连接件连接在它们之间时连接端口的耦合是开路 的，反之，当连接件脱离时，耦合是闭合的。还可以采用在停止时通 过使燃料罐12脱离来中断燃料供给的方法。
开关14包括用于在燃料电池11的燃料电极17和氧化剂电极18 之间连接电阻器的机构，并且在其间连接电阻器的操作是通过热电换 能器15的电动势来执行的。
执行电阻器的连接使得包括电阻器的开关电路在这两个电极之 间保持在连接状态，并且执行开关的开路/闭合控制。
进而，由控制单元16执行开路/闭合控制。
可以取决于其设计而任意选择电阻器。然而，考虑在启动时或停 止时的迅速操作，使用如金属之类的具有低电阻率的低阻材料是优选 的。
进而，本实施例的燃料电池11可以是其中堆叠有多个燃料电池 单元的燃料电池堆。
此时，如图2所示，电阻器22被提供给堆叠有多个燃料电池单 元23的燃料电池堆24，并且能够通过开关21自由执行连接与断开。
然而，如图2所示，电阻器22被连接在燃料电池堆24的输出端 子之间，在燃料电池单元23之间发生电压分布波动，并且具有引起 部分燃料电池单元23极性反转的风险。
因此，作为在上述情况中的用于连接电.阻器22的方法，电阻器 22被连接到单个燃料电池单元23是优选的，如图3所示。
将热电换能器15布置为以便获得基于以下中的两个之间的任何 一个温度差的电动势(i)燃料电池ll的功率生成部分、(ii)燃料 罐12、以及(iii)外部空气，即，(i)与(ii)之间的温度差、(ii) 与(m)之间的温度差、以及(i)与(iii)之间的温度差。然而，将 热电换能器15设置在燃料电池的功率生成部分和燃料罐之间是优选 的。
这是因为燃料电池的功率生成部分由于与功率生成反应关联的 生热而成为高温源，进而，燃料罐由于与氢释放关联的吸热而成为低 温源，从而能够在燃料电池系统内获得最大的温度差。例如，在普通 的聚合物电解质燃料电池的情况下，在普通操作下的功率生成部分的
温度成为大约80°C，而取决于合金的种类和氢气体的离解压的选择， 氢储存合金的温度成为冰点或者更低。在实际的燃料电池系统中，从 防止燃料电池系统劣化、氢的加速释放、以及防止结露的方面看，设 计为在功率生成部分和燃料罐之间生成热流，这样使得不出现过大的 温度差。然而，在功率生成部分和燃料罐之间可以充分确保大约30。C 的温度差。
在燃料电池单元的氧化剂电极的催化剂层中，燃料电池的功率生 成部分的温度可以升高到最高温度。这是因为当质子在氧化剂电极的 催化剂层中被氧化时，没有被作为电能提取的残留能量变成热。因此， 在氧化剂电极的封闭部分处测量功率生成部分的温度是最有效率的。 然而，在因为结构问题而很难将传感器并入到氧化剂电极的封闭部分 的情况下，另外一个部分的温度，例如插入在燃料电池单元之间的分 离器的温度可以被确定，或者可以通过考虑热传递进行设计，在燃料 电池的外部电池结构的壁的表面上进行测量。在使用其中使氧化剂气 体如氧气或者空气流向氧化剂电极的结构的情况下，可以测量气流的 出口的温度来确定功率生成部分的温度。
燃料罐的温度在罐内部成为最低，然而测量罐的外部电池结构的 壁表面温度是普通的情况。
在距离发生生热或吸热的燃料电池的功率生成部分或燃料罐尽 可能远的部分测量外部空气温度是优选的。然而，当将热隔离结构用 于这些部分时，即使它们之间的距离是近的，也能充分地测量外部空 气温度。此外，当采用进气口结构时，在靠近进气口部分的部分测量 外部温度是优选的。
这时生成的电动势用axAT表达，其中作为高温源的燃料电池的 功率生成部分与作为低温源的燃料罐之间的温度差用AT表示，并且
热电换能器的Seebeck系数用a表达。
热电换能器最好具有这样一种结构，其中p型半导体和n型半 导体被交替连接以获得更高的电压。作为常规上已知的，(Bi, Sb)2Te3 等能够用于p型半导体，并且Bi2(Te，Se)3等能够用于n型半导体，作 为其材料。并且，也可以使用p-n结型氧化物材料或者有机材料。在 使用这些热电动势设备的情况下，并且当温度差例如是30°C时，能 够获得7mW/cn^的热电动势。
进而，热电换能器生成的电动势可以用于对电容器、二次电池等 进行充电，或者可以用作辅助设备的驱动电力。电力的^f吏用导致了与 燃料电池系统的操作相关联的热能波动的积极利用，这有助于提高能 量使用效率。
控制单元16检测热电换能器15的电动势。当电动势小于预定值 时，控制单元16执行控制使得开关14成为连接状态，而当电动势为 预定值或更大时，开关14成为断开状态。
如上所述，其控制方法例如使得包括电阻器的开关电路在两个电 极之间保持连接状态，并且开关的开路/闭合被控制。
预定值可以基于从燃料电池系统启动到稳定操作的温度差变化 以及与之相关联的电动势的变化而任意选择。外部空气温度不影响所 述变化，预定值可以使得实现稳定工作。
现在，将描述燃料电池系统在启动时和停止时的操作。
图4示出在燃料电池系统启动时燃料电池11的功率生成部分的 温度和燃料罐12的温度，以及这两个温度之间的温度差随时间经过 的变化。
进而，图5示出在燃料电池系统停止时燃料电池11的功率生成 部分的温度和燃料罐12的温度，以及这两个温度之间的温度差随时 间经过的变化。
在燃料电池系统启动时，燃料电池11和燃料罐12各自都具有接 近于外部空气温度的温度，因此燃料电池11和燃料罐12之间的温度 差几乎不存在或者很小，从而在燃料电池的燃料电极17和氧化剂电
极18之间，电阻器22由开关14预先保持在连接状态。
应答启动信号，燃料供给控制器13允许燃料罐12的燃料被提供
给燃料电池11,燃料电池11通过由于电阻器22的连接导致的自身功
率生成，启动对自身的激活从而使聚合物电解质膜19潮湿。
这时，燃料电池11除了发射电能还发射热能，导致功率生成部
分温度的上升。
与之相对照，燃料罐12由于根据向燃料电池11提供氢而吸收温 度，因此被更加冷却。
由于这个原因，燃料电池11和燃料罐12之间的温度差AT在启 动时逐渐变大。
热电换能器15被设置在燃料电池11和燃料罐12之间，使得热 电换能器的电动势在启动时根据燃料电池ll和燃料罐12之间的温度 差的变化而变大。
控制单元16检测热电换能器15的电动势，并且当该电动势为预 定值或更高时，控制单元16执行断开电阻器22的连接的控制。
通过断开电阻器22的连接，对安装的电子设备的输出的供给被 启动，并且功率生成状态变得稳定。结果，功率生成部分的温度和燃 料罐12的温度落入恒定温度范围内。
由于这个原因，温度差AT总是被保持在某个范围或者更大的范 围中。因此，在操作时，负载连接部分被保持在断开电阻器22的连 接的状态。
另一方面，当燃料电池系统在燃料电池系统的操作停止时接收到 功率生成停止命令时，对所安装的电子设备的输出供给被停止，并且 燃料供给控制器13中断燃料电池11和燃料罐12之间的流路，从而 停止燃料的供给。
虽然在燃料电池系统工作时燃料电池11的温度被升高，但是由 于其工作的停止，燃料电池的温度逐渐下降，并且接近外部空气的温 度。另一方面，虽然燃料罐12的温度在燃料电池系统操作时下降， 但是由于氢的释放的停止，燃料罐的温度逐渐上升，并且接近外部空
气温度。
因此，燃料电池11和燃料罐12之间的温度差AT在停止时逐渐变小。
热电换能器的电动势根据燃料电池11和燃料罐12之间的温度差 的变化而变小。
控制单元16检测热电换能器15的电动势，并且当电动势小于预 定值时，控制单元16执行连接负载连接部分的电阻器的控制。这样， 残余燃料被消耗。
进而，在燃料电池系统停止后，热电换能器15的电动势很难生 成，电阻器22的连接状态被保持，直到下次启动。
这样，燃料电池系统能够在启动时快速稳定燃料电池的电气特 性，并且能够在停止时消耗残余燃料，从而抑制了燃料电池的劣化。
另外，燃料电池系统在启动时和停止时的控制通过相同的机构来 执行，导致燃料电池系统的简化。
进而，电阻器的连接和断开连接通过检测温度差执行，不是通过 使用常规技术中的绝对温度，而是通过使用热电换能器。结果，能够 将使用环境中的外部空气温度的影响抑制为最小，并且不论外部空气 温度如何，都能够执行燃料电池系统的确实恒定控制。进而，在常规 上，使用至少两个温度传感器，用于检测温度差来计算差别。然而， 使用热电换能器的电动势用来检测温度差，从而传感器的数量能够被 简化为一个。
进而，与燃料电池系统的操作相关联的热能变动能够被积极地用 于热电换能器中，从而使得能够提升能量利用效率。 (第二实施例)
在本发明的第二实施例中，将对燃料电池系统的另一种模式进行
描述，它与第一实施例不同。
图6示出了根据本实施例的燃料电池系统的示意性结构。 在本发明的第一实施例中，控制单元16基于热电换能器15的电
动势执行负载连接部分的控制。为此，在本发明的第一实施例中，需
要用于检测电动势和用于负载连接部分的操作的控制单元16。另外， 需要来自不同于燃料电池11的外部电功率源的电功率供给，它是要 被控制的目标。
因此，本实施例采用这样一种结构，其中通过使用热电换能器 15的电动势来操作开关。
将开关设置为使得包括电阻器的开关电路被保持在燃料电池的 燃料电极和氧化剂电极之间的连接状态。
然后，开关被配置为，在从热电换能器15提供的电动势小于预 定值的情况下，所述开关被控制为闭合状态，以建立电阻器的连接， 并且在所述电动势为预定值或者更大的情况下被控制为开路状态，从 而断开电阻器的连接。
基于电功率供给的存在与否来执行开关的开路/闭合控制的开关 的示例包括电磁开关和半导体开关。
在燃料电池包括包含多个堆叠的燃料电池单元23的燃料电池堆 24的情况下，当电阻器被连接到燃料电池堆24的输出端子时，在燃 料电池单元之间发生电压分布波动，并且存在引起部分燃料电池单元 的极性反转的风险。
因此，作为如图3所示的电阻器的连接方法，电阻器被连接到单 独的燃料电池单元是优选的。
开关14在其操作中基于与燃料电池系统的启动和停止相关联的 热电换能器15的电动势的变化而被控制。
因而，作为在启动时和停止时的必要操作，电阻器22与这两个
给的情况下被执行，从而可以执行燃料电池系统的无源控制。 (第三实施例)
在本发明的第三实施例中，将对燃料电池系统的另一种模式进行 描述，它与上述实施例不同。
图7示出了根据本实施例的燃料电池系统的结构性示例的示意图。图8是示出根据本实施例的燃料电池系统的另一个结构性示例 的示意图。
在第一和第二实施例中，采用这样一种结构，其中热电换能器被 设置在燃料电池的功率生成部分和燃料罐之间。
采取这种结构，燃料电池的功率生成部分由于与燃料电池的操作 相关联的生热而成为高温源，并且，燃料罐由于与氢发射相关联的吸 热而成为低温源，从而在燃料电池系统内能够获得最大温度差。
然而，当然可以使用燃料电池系统工作时的功率生成部分(高温 源)的温度与外部空气温度(低温源)之间的温度差，以及燃料罐12 的温度(低温源)与外部空气温度(高温源)之间的温度差。
在这种情况下，在接近于室温的使用环境下执行燃料电池系统的 操作是优选的，其中，燃料电池11和燃料罐12易于产生与外部空气 温度之间的温度差。
根据本实施例的一个结构性示例，如图7中所示，采用这样一种 结构，其中热电换能器15被布置为使得热电换能器的一个表面暴露 于燃料电池的功率生成部分侧，而它的另一个表面暴露于空气。
在这种情况下，功率生成部分侧成为高温源侧，而空气侧成为低 温源侧。结果，热电换能器15可以基于温度差生成电动势。
进而，根据本发明的另一结构性示例，如图8所示，采用这样一 种结构，其中热电换能器15的一个表面暴露于燃料罐侧，其另一个 表面暴露于空气。在这种情况下，燃料罐12侧成为低温源，而空气 侧成为高温侧。结果，热电换能器15能够基于这两侧之间的温度差 生成电动势。
在任何一种情况下，发生温度差在燃料电池系统启动时扩大，并 且温度差在燃料电池系统停止时减小的这种变化。结果，热电换能器 的电动势示出了相同的趋势。
可以通过检测电动势的变化以及借助控制单元来控制开关，或者 通过电动势对开关的操作来执行电阻器与这两个电极的连接和断开 (在启动时和停止时成为必需)。
虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不 局限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被给予最宽的 解释，以便包含所有这样的变形和等同结构及功能。
本申请要求2006年5月26日提交的日本专利申请第 2006-146205号的权益，在此引用其全文作为参考。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池，所述燃料电池包含用于基于从燃料罐供给的燃料执行功率生成的功率生成部分，所述功率生成部分包括燃料电极和氧化剂电极；以及开关，设置在燃料电极和氧化剂电极之间，以便切换燃料电极和氧化剂电极之间的电阻器的连接和断开，其中，通过开关切换电阻器的连接和断开是基于至少一个温度差来执行的，所述温度差是燃料电池的功率生成部分、燃料罐、以及外部空气这三者之中的两者之间的温度差。
2. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中，开关是基于设置在至少一个位置中的热电换能器生成的电 动势而操作的，所述位置是燃料电池的功率生成部分、燃料罐和外部 空气这三者之中的两者之间的位置。
3. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中，开关是通过设置在燃料电池的功率生成部分、燃料罐和外 部空气这三者之中的两者之间的位置中的热电换能器所生成的电动 势来操作的。
4. 根据权利要求3的燃料电池系统，其中，当热电换能器的电动势小于预定值时，开关使电阻器进入 连接状态，当热电换能器的电动势为预定值或者更大时，开关使电阻 器进入断开状态。
5. 根据权利要求2的燃料电池系统，还包括用于通过热电换能器生成的电动势来控制开关的控制器， 其中所述控制器进行控制，使得当热电换能器的电动势小于预定值时 使电阻器进入连接状态，当热电换能器的电动势为预定值或者更大 时，使电阻器进入断开状态。
6. 根据权利要求2的燃料电池系统， 其中，热电换能器被设置在燃料电池的功率生成部分和燃料罐之间。
7. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中，热电换能器被设置在一个位置中，在该位置处，燃料电池 的功率生成部分的温度与外部空气温度之间的温度差以及燃料罐的 温度与外部空气温度之间的温度差中的一个能够被转换为电功率。
8. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中，燃料电池包括其中堆叠多个燃料电池单元的燃料电池堆， 设置多个所述电阻器，各个电阻器被连接到每个燃料电池单元。
9. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中，燃料罐被填充有高压氢和存储在氢存储合金中的氢之一。
全文摘要
为了提供能够在启动-激活时和停止-暂停时用简单的结构控制燃料电池，同时控制在使用环境中的外部空气温度的影响的燃料电池系统，本燃料电池系统包括包含功率生成部分的燃料电池，所述功率生成部分包括燃料电极和氧化剂电极，这两个电极用于基于从燃料罐提供的燃料执行功率生成；以及设置在燃料电极和氧化剂电极之间以便切换燃料电极和氧化剂电极之间的电阻器的连接和断开的开关，其中通过开关对电阻器的连接和断开的切换是基于至少一个温度差执行的，该温度差是燃料电池的功率生成部分、燃料罐和外部空气这三者之中的两者之间的温度差。
文档编号H01M8/10GK101356682SQ20078000133
公开日2009年1月28日 申请日期2007年5月18日 优先权日2006年5月26日
发明者山本润 申请人:佳能株式会社