燃料电池系统和操作该系统的方法

专利名称：燃料电池系统和操作该系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种电源设备，更具体地，涉及一种燃料电池系统和操作该 系统的方法。
背景技术：
有许多类型的燃料电池。燃料电池能够分成直接使用曱醇的直接曱醇燃 料电池(DMFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。DMFC在膜电极组件(MEA )的阳极处产生的电子和氢离子移动到MEA 的阴极并且在与氧反应的过程中产生能量。通过从燃料箱提供的曱醇和水在 MEA的阳极处的反应，产生了电子和氢离子。当DMFC在运行时，燃料连 续地从箱提供到MEA。因此，当DMFC的运行停止或没有负载连接到该 DMFC对，不再提供燃料，但是残留的燃料可能保持在箱和MEA之间，并 且也在MEA的内部。如果DMFC是无源燃料电池，当DMFC停止运行时，完全地去除残留 的燃料非常困难，由此要求额外的方法来去除残留的燃料。如果残留的燃料没有从MEA移除，则MEA连续地暴露给残留的燃料，使得该MEA,特别 是安装在MEA中的过滤器和电极可能被结构性地损坏。特别是，如果燃料 是高浓度的，则对MEA的损坏可能变得更加严重。同样，当残留燃料从二 氧化碳(C02)出口排出时，可能出现违反国际标准化组织(ISO )安全标准 的问题。如果DMFC是有源燃料，则可使用有源组件来在某种程度上去除残留的 燃料。然而，需要额外的能量来操作该有源组件，并且因此，难以完全地从 MEA去除残留燃料。 已经做出许多尝试来解决由DMFC的残留燃料引起的问题。在这些尝试 当中，有一种通过连接额外的负载到DMFC来燃烧DMFC中的残留燃料的方 法。然而，由于该方法必须需要额外的负载，因此该方法变得复杂，并且消 谇毛时间和成本。发明内容本发明提供了一种燃料电池系统，其通过控制燃料电池的操作，能够安 全地燃烧在燃料电池中剩余的残留燃料而不需要任何额外的负载。本发明还提供了 一种操作该燃料电池系统的方法，其能够燃烧在燃料电 池中剩余的残留燃料。根据本发明的一个方面，提供了 一种用于提供电力给负载的燃料电池系 统，该燃料电池系统包括燃料电池，其包括至少一个单元电池(unit cell); 接通/断开开关，其具有分别连接到该燃料电池的不同类型的电极的第一端和 第二端；以及电路单元，其控制该开关的操作。该燃料电池可以包括多个串联连接的单元电池。开关的第一端可以连接 到多个单元电池的第 一单元电池的阳极，并且开关的第二端可以连接到多个 单元电池的最后一个单元电池的阴极。可以使用多个开关。开关的数量可以等于单元电池的数量，并且各开关 可以以一对一的形式对应于各单元电池，并且每个开关的第一端和第二端可 以连接到它对应的单元电池的不同类型的电极。开关的数量可以少于多个单元电池的数量，开关的至少一个可以对应于 两个单元电池，并且剩余的开关可以以 一对一 的形式对应于剩余的单元电池。控制电路可以包括控制器，其通过将脉冲信号施加到开关来接通或断开 开关。该燃料电池系统除了所述多个开关还可以包括一个开关，该开关具有连 接到所述多个单元电池的第一单元电池的阳极的第一端，以及连接到所述多 个单元电池的最后一个单元电池的阴极的第二端。该燃料电池系统还可以包括转换器、蓄电池、电池充电器、以及负载和 所述燃料电池之间的开关单元。根据本发明的另一方面，提供了一种操作燃料电池系统的方法，所述燃 料电池系统包括燃料电池，该燃料电池包含至少一个单元电池以提供电力
给负载；以及开关，连接到该燃料电池并且当燃料电池正常运行时断开，以 当该燃料电池的运行停止或没有负载连接到该燃料电池时，消耗在燃才牛电池中剩余的残留燃料，所述方法包括将开关维持在接通状态持续第一时间； 将开关维持在断开状态持续第二时间；以及有限地重复上面的操作，其中第 一时间短于第二时间。所述燃料电池可以包括多个串联连接的单元电池。开关的第一端可以连接到多个单元电池的第一单元电池的阳极，并且开 关的第二端可以连接到多个单元电池的最后 一个单元电池的阴极。在有限的重复上面的操作时，至少一次操作中的第二时间可以短于之前 的和随后的操作中的第二时间。可以提供两个或多个的开关。开关的数量可以以一对一的形式对应于单 元电池的数量，并且每个开关的第一端和第二端可以连接到它对应的单元电 池的不同电极。该燃料电池系统还可以包括一个开关，该开关具有连4妄到所 述多个单元电池的第一单元电池的阳极的第一端、以及连接到所述多个单元 电池的最后 一个单元电池的阴极的第二端。多个开关可以同时地或顺序地接通和断开。当多个开关顺序地接通和断开时，所述方法还可以包括将所述多个开 关分成多个开关组；以及以时间间隔将所述多个开关组顺序地接通和断开。 包括在所述多个开关组的一组中的各开关可以同时地或顺序地接通和断开。当在开关维持处于断开状态持续第二时间时测量的每个单元电池的电压 是预设的参考电压时，可以停止维持开关处于接通状态持续第一时间。开关的数量可以少于所述多个单元电池的数量，至少 一个开关可以对应 至少两个单元电池，并且剩余的开关可以以一对一的形式对应于剩余的单元 电池。所述燃料电池系统还可以包括另一开关，该开关具有可以连接到多个单 元电池的第 一单元电池的阳极的第 一端，以及可以连接到多个单元电池的最 后一个单元电池的阴极的第二端。当多个所述开关或所述另一开关断开时， 剩余的各开关可以重复地接通和断开。所述多个开关可以顺序地接通和断开。燃料电池可以具有单极或叠式结构。当第一时间为t并且第二时间为T时，第一时间t与第二时间T的比率(t/T)可以大于零(0)并且等于或小于0.7 ( 0<(t/T)$0.7 )。所述燃料电池还可以包括转换器、蓄电池、电池充电器、以及在负载和 燃料电池之间的开关单元。在这种情形下，该方法还可以包括在维持开关处 于接通状态持续第一时间、维持开关处于断开状态持续第二时间、并且有限 地重复上述操作之前，充分充电蓄电池，或还包括充电蓄电池两次或更多， 其中在充电蓄电池和下一次充电蓄电池之间，执行维持开关处于接通状态持 续第一时间，维持开关处于断开状态持续第二时间，并且有限地重复上述操 作。根据本发明，在燃料电池中或在燃料电池的模电极组件(MEA)和箱之 间剩余的残留燃料，能够被稳定且快速地烧尽。结果，能够防止燃料泄漏， 能够防止MEA在没有负载的情形下暴露给高浓度燃料,并且当箱需要替换 时，能够最大程度将燃料从箱中去除。同样，由于通过燃料电池的单元电池 短路来烧尽残留燃料，所以不需要额外的负载，由此简化了燃料电池系统的 配置。此外，由于通过重复短期的短路来烧尽残留燃料，能够防止燃料电池 的温度升高，并且也能够防止存储用来再使用的水蒸发。


通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它的特征和 优点将变得更加明显，在附图中图1是图示根据本发明的实施例的燃料电池系统、和使用该燃料电池系 统运行燃料电池的方法的电路图；图2是图示根据本发明的另一实施例的燃料电池系统、和使用该燃料电 池系统运行燃料电池的方法的电路图；图3是图示根据本发明的实施例的、图2的燃料电池系统的开关的另一 配置的电路图，所述开关顺序地接通和断开；图4是图示根据本发明的实施例的、图2的燃料电池系统的开关的另一 配置的电路图，所述开关顺序地接通和断开；图5是图示根据本发明的另 一 实施例的燃料电池系统的方框图；图6是图示根据本发明的实施例的、运行图5的燃料电池系统的燃料电 池以消耗在燃料电池中剩余的残留燃料的方法的图；图7是图示根据本发明的另一实施例的、运行图5的燃料电池系统的燃
料电池以消耗在燃料电池中剩余的残留燃料的方法的图；以及图8是图示当通过充电蓄电池、以图6和7的方法消耗残留燃料时，图 5的燃料系统的各元件的状态的电路图。
具体实施方式
现在将参照附图，更加完整地描述本发明，在附图中示出了本发明的示 例性实施例。附图中示出的层或区域的厚度为了清楚被夸大。图1是图示根据本发明的实施例的燃料电池系统、和使用该燃料电池系 统运行燃料电池20的方法的电路图。参照图1,燃料电池系统包括单极燃料电池20,其包括第一单元电池20a 至第五单元电池(unit cell)20e。虽然燃料电池20包括图1中的五个单元电池 20a至20e,但单元电池的数量不限于此。例如，燃料电池20可以包括五个经由线L1，第一单元电池20a的阴极连接到第二单元电池20b的阳极。类似 地，第二单元电池20b的阴极连接到第三单元电池20c的阳极。以这种同样 的方式，第三单元电池20c到第五单元电池20e串联连接。经由开关25,第 一单元电池20a的阳极和第五单元电池的阴极直接相互连接。燃料电池20可 以具有叠式结构，其中燃料电池20和开关以这种方式连接。作为在第一单元 电池20a至第五单元电池20e之间切断或通过电流的装置的开关25,当燃料 电池20正常运行以给负载35提供电力时维持在断开状态(off state)。然而， 当电力不从燃料电池20提供到负载35，燃料电池20的运行停止或移除负载 35时，开关25重复地接通和断开直到燃料电池20变成指定的状态，也就是 说，直到在燃料电池的第一单元电池20a至第五单元电池20e的模电极组件 (MEA)中剩余的残留燃料达到指定的量，以及剩余在安装于燃料电池20 上的燃料箱和MEA之间的残留燃料也完全烧尽。在开关25的重复接通和断 开操作期间，开关25维持在断开状态的断开时间T，长于开关25维持在接 通状态(on state)的接通时间t (T>t)。由于当开关25接通时，第一单元电池 20a至第五单元电池20e为短路，燃料电池系统的温度可以在短时间内增加。 西此，在开关25的重复接通和断开操作期间，开关25的闭合的时间，即接 通时间t,应该足够短，以防止由于短路引起的温度增加影响燃料电池系统， 并且物理地损坏MEA。然而，由于接通时间t非常依赖各种生产条件和MEA
的特性，所以接通时间t与打开的时间(即断开时间)T的比率t/T，可以根据MEA的特性的大于零并且小于1，也就是说，在范围0< (t/T) <1中，但 是优选地在范围0< (t/T) 中。开关25的操作由电路单元30控制。电路单元30通过检测燃料电池20 是否正在运行以及燃料电池20是否连接到负载35,来确定是否使开关25处 于接通状态。同样，电路单元30根据预设的时间控制开关25的接通和断开 时间t和T。同样，当开关25接通时，电路单元30检测燃料电池系统的温度 是否升高超过预设水平。当燃料电池系统的温度由于开关25的接通状态而超 过预设水平时，电路单元30可以减少接通时间t,并且也减少断开时间T, 以便恒定地保持用来燃烧在燃料电池20中剩余的残留燃料的总时间。同样， 当负载35在开关25的重复接通和断开操作期间连接到燃料电池20时，电路 单元30检测负载35与燃料电池20的连接，并且使得开关25维持在打开的 状态。电路单元30可以包括第一控制器(未示出)，其实质上控制开关25的 接通和断开操作。第一控制器将脉冲信号施加到开关25,使得开关25能够 执行接通和断开操作。只有当脉冲信号从第一控制器施加到开关25时，开关 25能够维持在接通状态。可选地，当脉冲信号从第一控制器施加到开关25 时，开关25能够维持在断开状态。第五单元电池20e的阴极经由电路单元30 连接到负载35的第一终端。第一单元电池20a的阳极经由电路单元30连接 到负载35的第二终端。负载35可以是电子设备，其能够使用原电池或蓄电 池作为电源。负载35的示例包括移动电话、游戏机、MP3播放器、个人数字 助理(PDA)，全球定位系统(GPS)、数字多媒体广播(DMB)、摄像放像机 (camcorder)以及相机。图2是图示根据本发明的另一实施例的燃料电池系统、和使用该燃料电 池系统运行燃料电池20的方法的电路图。虽然图1中示出的燃料电池系统被配置使得一个开关25连接到燃料电池 20,但图2的燃料电池系统被配置，使得两个或多个开关可以连接到燃料电 池20,并且每个开关可以连接到构成燃料电池20的每个单元电池。虽然图2 的燃料电池系统的燃料电池20包括图2中的第一单元电池20a至第五单元电 池20e,但单元电池的数量不限于此。具体地，参照图2，燃料电池20的第一单元电池20a的阴极连接到第二 单元电池20b的阳极，并且第二单元电池20b的阴极连接到与第二单元电池 20b相邻的第三单元电池20c的阳极。以这种方式，第三单元电池20c至第五 单元电池20e串联连接。然而，与图1的燃料电池系统不同，第一单元电池 20a至第五单元电池20e各自的阳极和阴极，经由第一开关25a至第五开关 25e连接。例如，第一单元电池20a的阳极和阴极经由第一开关25a相互连接， 以及第二单元电池20b的阳极和阴极经由第二开关25b相互连接。因此，当 第一开关25a至第五开关25e接通时，第一单元电池20a至第五单元电池20e 分别闭合(短路)，由此燃烧在每个单元电池中剩余的燃料。当燃料电池20 正常地运行以给负载35提供电力时，第一开关25a至第五开关25e维持在断 开状态。第一开关25a至第五开关25e可以是控制电路40的元件。由于图2 中示出的燃料电池系统包括第 一开关25a至第五开关25e,所以除了图2的电 路单元40必须控制更多的开关之外，图2的电路单元40执行与图1的燃料 电池系统的电路单元3 0相同的功能。第五单元电池20e的阴极和第五开关25e经由电路单元40连4妻到负载 35的第一终端。第一单元电池20a的阳极和第一开关25a经由电路单元40 连接到负载35的第二终端。当负载35从燃料电池系统分开、或负载35附接到燃料电池系统时燃料 电池20的运行停止时，为了燃烧在第一单元电池20a至第五单元电池20e的 MEA中、以及在箱和MEA之间剩余的残留燃料时，第一开关25a至第五开 关25e重复地接通和断开给定时间段。可以持续重复的接通和断开#:作，直 到剩余在MEA中以及箱和MEA之间的残留燃料完全烧尽。同样，可以持续 重复的接通和断开操作，直到第一单元电池20a至第五单元电池20e的每一 个的电压达到参考电压，例如0.1V。在本实施例中，第一单元电池20a至第 五单元电池20e的每电池的电压，是当在第一开关25a至第五开关25e重复 的接通和断开操作期间、第一开关25a至第五开关25e处于打开状态时测量 的开路电压(OCV)。由于当第一开关25a至第五开关25e闭合时，第一单元 电池20a至第五单元电池20e是短路，所以第一开关25a至第五开关25e维 持在闭合状态的接通时间tl,应当短于第一开关25a至第五开关25e维持在 打开状态的断开时间Tl。例如，接通时间tl与断开时间Tl的比率(tl/Tl )， 根据MEA的特性可以大于0并且小于1,也就是说在范围0<(tl/Tl ) <1中。 在电路单元40的控制下，例如在包括电路单元40中、并且实质上控制第一 开关25a至第五开关25e的接通和断开操作的第二控制器(未示出)的控制
下，第一开关25a至第五开关25e维持在闭合状态的接通时间tl可以短于或 长于预设时间。电路单元40的第二控制器控制第一开关25a至第五开关25e, 以通过将脉冲信号施加到该第一开关25a至第五开关25e执行接通和断开操 作，与图1的燃料电池系统的第一控制器类似。第二控制器可以是单个的用 来控制第一开关25a至第五开关25e的控制器，或者包括与相应第一开关25a 至第五开关25e —样多的控制器，并且以一对一的方式控制各开关。可以以至少两种方法执行第一开关25a至第五开关25e的重复接通和断 开操作。在第一种方法中，第一开关25a至第五开关25e可以同步地操作。在第 二种方法中，第 一开关25a至第五开关25e可以以间隔顺序地操作。以与图1中的燃料电池系统中描述的相同方式执行第一种方法。可以以 各种方式执行第二种方法。在第一种方式中，第一开关25a至第五开关25e 可以以如图2中示出的、从第五开关25e到第一开关25a的顺序顺序地操作。 相反，各开关可以以从第一开关25a到第五开关25e的顺序顺序地操作。具 体地，只有第五开关25e维持给定时间tl的接通状态，以及第一开关25a至 第四开关25d维持给定时间tl的断开状态。接下来，只有第四开关25d维持 给定时间tl的接通状态，以及第一开关25a至第三开关25c和第五开关25e 维持给定时间tl的断开状态。接下来，只有第三开关25c维持给定时间tl的 接通状态，以及第一开关和第二开关25a和25b、以及第四开关和第五开关 25d和25e维持给定时间tl的断开状态。接下来，只有第二开关25b维持给 定时间tl的接通状态，以及第一开关25a和第三开关25c至第五开关25e维 持给定时间tl的断开状态。接下来，只有第一开关25a维持给定时间tl的接 通状态，以及第二开关25b至第五开关25e维持给定时间tl的断开状态。如 果在第 一单元电池20a至第五单元电池20e的MEA中剩余的残留燃料在这个 过程中没有完全烧尽，则可以重复该第一开关25a至第五开关25e的顺序的 接通和断开操作。可以以第二种方式执行第二种方法。也就是说，例如第一开关25a至第 五开关25e被分成至少两组，并且第一组的第三开关25c至第五开关25e可 以以时间间隔顺序地接通和断开，以及第二组的第 一开关25a和第二开关25b 可以以时间间隔同时i也4妄通和断开。图3是图示根据第二种方式、图2的燃料电池系统的第一开关25a至第 五开关25e的另一配置的电路图，该第一开关25a至第五开关25e以时间间 隔顺序地接通和断开。为了方便，图3只图示第一开关25a至第五开关25e 以及第一开关25a至第五开关25e的接通和断开时间。参照图3，包括在第一开关组50中的第三开关25c至第五开关25e,以 从第五开关25e至第三开关25c的顺序顺序地接通和断开。然后，包括在第 二开关组60中的第一开关25a和第二开关25b维持给定时间tl的接通状态。 相反，包括在第二开关组60中的第一开关25a和第二开关25b可以顺序地接 通和断开，然后，包括在第一开关组50中的第三开关25c至第五开关25e维 持给定时间tl的接通状态。持续第一开关25a至第五开关25e的接通和断开 操作，直到从第一单元电池20a至第五单元电池20e测量的电压(该电压在 第一开关25a至第五开关25e处于断开状态时测量)达到参考电压。例如，在第一开关组50和第二开关组60的顺序的接通和断开操作中， 当第一开关组50和第二开关组60维持在断开状态时测量的电压达到参考电 压时，停止第一开关组50和第二开关组60的接通和断开操作。然而，在该 接通和断开操作中，当第一开关组50维持在断开状态、从第一单元电池20a 至第五单元电池20e测量的电压达到参考电压，而当第二开关组60维持在断 开状态、从第一单元电池20a至第五单元电池20e测量的电压没有达到参考 电压时，停止第一开关组50的接通和断开操作，而继续重复第二开关组60 的接通和断开操作。在上述第一开关组50和第二开关组60的接通和断开操 作中，当第二开关组60的第一开关25a和第二开关25b同时地接通和断开时， 可以用如图4中示出的单个开关28来替换第二开关组60的第一开关25a和 第二开关25b。类似地，当第一开关组50的第三开关25c至第五开关25e同 时地接通和断开时，可以用单个开关(未示出)来替换第一开关组50的第三 开关25c至第五开关25e。在这点上，在图2的燃料电池系统中提供以燃烧在燃料电池20的MEA 中或在MEA和箱之间剩余的残留燃料的开关的数量，可以少于燃料电池20 的单元电池的数量。当每电池的电压达到理想工作点(在该理想工作点第一单元电池20a至 第五单元电池20e各自的阳极和阴极的电势彼此相等)时，第 一单元电池20a 至第五单元电池20e产生最大电流。较大的电流产生导致较大的燃料消耗。 因此，在图l和图2的任何燃料电池系统的开关25和开关25a至25e的重复
接通和断开"^喿作中，开关25和开关25a至25e可以短路，使得第一单元电池 20a至第五单元电池20e各自的阳极和阴极能够具有最低阻抗，由此使得每电 池电压能够达到理想工作点。图5是图示根据本发明的另一实施例的燃料电池系统80的电路图。 参照图5，燃料电池系统80包括包含第一单元电池52a至第五单元电 池52e的燃料电池52、第一开关54a至第十开关54j、直流(DC)-DC转换 器(以下称为转换器)56、蓄电池58和电池充电器62。虽然为了方便燃料 电池52可以包括图5中的五个单元电池52a至52e,但本实施例不限于此，单元电池52a至单元电池52e可以与图2的单元电池20a至单元电池20e相 同。同样，第一开关54a至第五开关54e可以执行与图2的开关25a至开关 25e相同的功能，并且第六开关54f可以执行与图l的开关25相同的功能。 第一开关54a至第五开关54e分别并联连接到单元电池52a至单元电池52e, 以及第六开关54f并联连接到燃料电池52的两端。当使用第六电池54f时， 第一开关54a至第五开关54e维持在打开状态，即断开状态。转换器56将由 燃料电池52产生的电力转换为负载35需要的功率电平。第七开关54g放置 在转换器56和燃料电池52之间。第七开关54g可以用作当燃料电池52不正 常运行或引起了其它电问题时将转换器56和蓄电池58与燃料电池52分离的 装置。当第七开关处于闭合状态，即接通状态时，由燃料电池52产生的电流 可以流到转换器56。然而，当第七开关处于断开状态时，由燃料电池52产 生的电流被切断，并且因此不能流到转换器56。第六开关54f的第一端连接 到将燃料电池52连接到第七开关54g的线。第 一开关54a至第七开关54g可 以是具有低的接通状态阻抗(也就是说，在接通状态中具有低阻抗)的场效 应晶体管、或具有低的接通状态阻抗的机械的或电子的开关。当负载35需要的电力大于由燃料电池52提供的电力时，蓄电池58给负 载35提供与其间的差值相应的电力。因此，当负载35需要的电力由燃料电 池52充分地提供时，蓄电池58可以处于备用状态。蓄电池58的输入端连接 到电池充电器62的输出端，并且蓄电池58的输出端连接到转换器56的输入 端。第九开关54i和第十开关54j放置在线70上，该线70连接蓄电池58的 输出端和转换器56的输入端。第九开关54i和第十开关54j根据控制单元(未
示出)的信号，切断或通过从蓄电池58流到转换器56的电流。第七开关54g 至第十开关54j可以是功率金属氧化物场效应晶体管。当蓄电池58运行以给 负载35提供电力时，第九开关54i和第十开关54j处于接通状态。然而，当 蓄电池58由电池充电器62充电时，第九开关54i和第十开关54j处于断开状态。现在将解释运行图5的燃料电池系统的燃料电池52以消耗残留燃料的方 法。可以以两种方法消耗燃料电池52中的残留燃料。第一种方法通过完全地充电蓄电池58执行，并且当仍然存在残留燃料 时，接通和断开第一开关54a至第五开关54e、或第六开关54f。第一开关54a 至第五开关54e,可以以与图2的第一开关25a至第五开关25e的情况中描述 的相同的方式接通和断开。第六开关54f可以以与图l的开关25的情况中描 述的相同的方式4妄通和断开。图6是说明第一方法的曲线图。在图6中，第一曲线图Gl表示使用残留燃料的蓄电池58的充电水平， 第二曲线图G2表示当蓄电池58充电时，残留燃料的减少，以及第三曲线图 G3表示当蓄电池58充电，然后第一开关54a至第五开关54e、或第六开关 54f周期性地或非周期性地接通和断开时(也就是说，燃料电池52的单元电 池52a至单元电池52e周期性地或非周期性地短路)，残留燃料的减少。参照图6，当蓄电池58充电时，残留燃料逐渐地减少。 一旦蓄电池58 完全充电，当燃料电池52的单元电池52a至单元电池52e周期性地或非周期 性地短路时，残留燃料急剧地减少。运行图5的燃料电池系统80的燃料电池52以消耗残留电池的第二种方 法，通过交替地重复充电蓄电池58和短路单元电池52a至单元电池52e来执 行。在这种情况下，可以周期性地或非周期性地重复单元电池52a至单元电 池52e的短路。同样，单元电池52a至单元电池52e可以同时地或顺序地短 路。图7是说明第二种方法的曲线图。在图7中，第一曲线图Gll表示当消耗残留燃料时蓄电池58的充电水 平，以及第二曲线图G22表示当交替地重复周期性地充电蓄电池58、和周期 性地短路燃料单元电池52中单元电池52a至单元电池52e时，残留燃料的减 少。第一曲线图Gll中示出的第一时间间隔tll是停止蓄电池58的充电并短 路燃料电池52中的单元电池52a至单元电池52e的时间间隔。第二曲线图 G22包括交替地重复的第一时间间隔TT1和第二时间间隔TT2。第二时间间 隔TT2长于第一时间间隔TT1。第二时间间隔TT2是由于蓄电池58的充电 而消耗残留燃料的时间间隔。第一时间间隔TT1是由于单元电池52a至单元 电池52e的短路而消耗残留燃料的时间间隔。因此，第二曲线图G22的第一 时间间隔TT1等于第一曲线图Gll的第一时间间隔tll。同样，蓄电池58被 充电、在第一曲线图Gll的各第一时间间隔tll之间的时间间隔，等于第二 曲线图G22的第二时间间隔TT2。参照图7的第二曲线图G22，由于单元电池52a至单元电池52e的短路 而引起的残留燃料的减少，大于由于蓄电池58的充电而引起的残留燃料的减 少。图8是说明当以第一方法和第二方法通过充电蓄电池58而消耗燃料电池 52的残留燃料时，图5的燃料电池系统的各元件的状态的方框图。参照图8，第一开关54a至第六开关54f、以及第九开关54i和第十开关 54j处于断开状态。第七开关54g和第八开关54h处于接通状态。负载35和 燃料电池系统80被认为正处于断开状态。因此，由燃料电池52的残留燃料 产生的电力可以流过转换器56和充电器62,并且可以用以充电蓄电池58。以第 一 种方法充电蓄电池5 8可以无中断地继续，直到燃料电池5 2的电 压下降到预定值之下。然而，以第二种方法充电蓄电池58不可以一次完成，但是可以周期性地 或非周期性地重复，直到燃料电池52的电压下降到预定值之下。通过在充电 蓄电池58和下一次充电蓄电池58之间，短路燃料电池52的单元电池52a至 单元电池52e，消耗了残留燃料。第一种方法和第二种方法通过以下方式消耗燃料电池52的残留燃料，该 方式为同时地短路燃料电池52中的单元电池52a至单元电池52e、或任意地 或顺序地短路燃料电池52中的单元电池52a至单元电池52e的一个或多个， 也就是说通过以与在图1的燃料电池系统的情况下描述的相同的方式，接通 和断开第一开关52a至第五开关52e或第六开关52f,因此没有给出其详细的 解释。当通过接通和断开第一开关52a至第五开关52e或第六开关52f消耗 了燃料电池52的残留燃料时，第七开关54g维持在断开状态。如上所述，根据本发明的燃料电池系统使用燃料电池和负载之间的接通/ 断开开关，作为用于短路整个燃料电池或选择性地短路各单元电池的装置。 根据本发明的燃料电池系统还使用电路单元以控制开关的操作。由于该燃料电池系统以接通时间(短路时间)短于断开时间的方式重复 地执行开关的接通和断开操作，在燃料电池中或在燃料电池的MEA和箱之 间剩余的残留燃料，能够安全地和快速地烧尽，而没有燃料电池系统的温度 升高的风险。结果，能够防止燃料泄露，能够防止MEA在没有负载下接触高浓度的 燃料，并且当需要用新箱替换所述箱时，能够最大程度地将在所述箱剩余中 的残留燃料去除。同样，由于包括在燃料电池中的单元电池的短路烧尽了燃 料，所以能够简化燃料电池系统的配置。由于通过重复短周期的短路烧尽了 残留燃料，能够防止燃料电池的温度升高，并且也能够防止存储用来再使用 的水蒸发。虽然已经参照其示例性实施例具体地示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将会理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进 行各种形式和细节的改变。例如，各种接通/断开开关或晶体管可以用作开关25、开关25a至25e以及开关28。同样，代替在短时间期间多次接通开关以便燃烧残留燃料，可以增加断开时间。也就是说，根据时间经过，断开时间可以变化。同样，开关控制器可以安装在电路单元外部。因此，本发明的精神和范围不由上面解释的实施例而由权利要求定义。
权利要求
1.一种用于给负载提供电力的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池，包括至少一个单元电池；接通/断开开关，具有分别连接到该燃料电池的不同类型电极的第一端和第二端；以及电路单元，控制所述开关的操作。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中燃料电池包括多个串联连接 的单元电池。
3. 如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述开关的第一端连接到多 个单元电池的第一单元电池的阳极，并且开关的第二端连接到多个单元电池 的最后一个单元电池的阴极。
4. 如权利要求2所述的燃料电池系统，其中使用了多个开关。
5. 如权利要求4所述的燃料电池系统，其中开关的数量等于单元电池的数量，并且各开关以一对一的形式对应于各单元电池，并且每个开关的第一 端和第二端连接到它对应的单元电池的不同电极。
6. 如权利要求4所述的燃料电池系统，其中开关的数量少于单元电池的 数量，开关的至少一个对应于两个单元电池，并且剩余的开关以一对一的形 式对应于剩余的单元电池。
7. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池具有单极或叠 式结构。
8. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中电路单元包括控制器，其通 过将脉冲信号施加到开关来接通或断开开关。
9. 如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括转换器、蓄电池、电池充 电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
10. 如权利要求5所述的燃料电池系统，还包括转换器、蓄电池、电池 充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
11. 如权利要求7所述的燃料电池系统，还包括转换器、蓄电池、电池 充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
12. 如权利要求6所述的燃料电池系统，还包括转换器、蓄电池、电池 充电器、以及负载和所迷燃料电池之间的开关单元。
13. 如权利要求8所述的燃料电池系统，还包括转换器、蓄电池、电池充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
14. 如权利要求3所述的燃料电池系统，还包括转换器、蓄电池、电池 充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
15. 如权利要求4所述的燃料电池系统，还包括转换器、蓄电池、电池 充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
16. —种运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池， 该燃料电池包含至少一个单元电池以提供电力给负载；以及接通/断开开关，电池的运行停止或没有负载连接到该燃料电池时，消耗在燃料电池中剩余的 残留燃料，所述方法包括将开关维持在接通状态持续第 一 时间；将开关维持在断开状态持续第二时间；以及有限地重复上面的操作，其中第一时间短于第二时间。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述燃料电池包括多个串联连接的 单元电池。
18. 如权利要求17所述的方法，其中开关的第一端连接到多个单元电池 的第一单元电池的阳极，并且开关的第二端连接到多个单元电池的最后一个 单元电池的阴极。
19. 如权利要求16所述的方法，其中在有限地重复上面的操作时，至少 一次操作中的第二时间短于之前的和随后的操作中的第二时间。
20. 如权利要求17所述的方法，其中提供了两个或多个开关。
21. 如权利要求20所述的方法，其中开关的数量对应于单元电池的数量， 并且每个开关的第一端和第二端连接到它对应的单元电池的不同电极。
22. 如权利要求16所述的方法，其中所述燃料电池系统还包括转换器、 蓄电池、电池充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
23. 如权利要求22所述的方法，还包括在维持开关处于接通状态持续第 一时间、维持开关处于断开状态持续第二时间、并且有限地重复上述操作之 前，充分充电蓄电池。
24. 如权利要求22所述的方法，还包括充电蓄电池两次或多次，其中在 充电蓄电池和下一次充电蓄电池之间，执行维持开关处于接通状态持续第一 时间，维持开关处于断开状态持续第二时间，并且有限地重复上述操作。
25. 如权利要求21所述的方法，其中所述多个开关同时地或顺序地接通和断开。
26. 如权利要求25所述的方法，当多个开关顺序地接通和断开时，所述 方法还包括将所述多个开关分成多个开关组；以及以时间间隔将所述多个开关组顺序地接通和断开。
27. 如权利要求26所述的方法，其中包括在所述多个开关组的一组中的 多个开关同时地或顺序地接通和断开。
28. 如权利要求20所述的方法，其中开关的数量少于多个单元电池的数 量，开关的至少一个对应于至少两个单元电池，并且剩余的开关以一对一的 形式对应于剩余的单元电池。
29. 如权利要求28所述的方法，其中所述燃料电池系统还包括转换器、 蓄电池、电池充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
30. 如权利要求28所述的方法，其中所述多个开关顺序地接通和断开。
31. 如权利要求29所述的方法，其中所述多个开关顺序地接通或断开。
32. 如权利要求16所述的方法，其中当在开关维持在断开状态持续第二 时间时测量的每个单元电池的电压是预设的参考电压时，停止维持开关处于 接通状态持续第 一时间的操作。
33. 如权利要求32所述的方法，其中所述燃料电池系统还包括转换器、 蓄电池、电池充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
34. 如权利要求29所述的方法，还包括在维持开关处于接通状态持续第 一时间、维持开关处于断开状态持续第二时间、并且有限地重复上述操作之 前，充分充电蓄电池。
35. 如权利要求29所述的方法，还包括充电蓄电池两次或多次，其中在 充电蓄电池和下一次充电蓄电池之间，执行维持开关处于接通状态持续第一 时间，维持开关处于断开状态持续第二时间，并且有限地重复上述操作。
36. 如权利要求33所述的方法，还包括在维持开关处于接通状态持续第 一时间、维持开关处于断开状态持续第二时间、并且有限地重复上述操作之 前，充分充电蓄电池。
37. 如权利要求16所述的方法，其中所述燃料电池具有单极或叠式结构。
38. 如权利要求29所述的方法，其中所述燃料电池具有单极或叠式结构。
39. 如权利要求16所述的方法，其中当第一时间为t并且第二时间为T 时，第一时间t与第二时间T的比率(t/T)大于零(0)并且等于或小于0.7(0<(t/T)S0.7 )。
40. 如权利要求29所述的方法，其中当第一时间为t并且第二时间为T 时，第一时间t与第二时间T的比率(t/T)大于零(0)并且等于或小于0.7(0<(t/T) ^0.7 )。
41. 如权利要求28所述的方法，其中所述燃料电池具有单极或叠式结构。
42. 如权利要求33所述的方法，其中所述燃料电池具有单极或叠式结构。
43. 如权利要求28所述的方法，其中当第一时间为t并且第二时间为T 时，第一时间t与第二时间T的比率(t/T)大于零(0)并且等于或小于0.7(0<(t/T)吼7 )。
44. 如权利要求17所述的方法，其中所述燃料电池系统还包括转换器、 蓄电池、电池充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
45. 如权利要求21所述的方法，其中所述燃料电池系统还包括转换器、 蓄电池、电池充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
46. 如权利要求44所述的方法，还包括在维持开关处于接通状态持续第 一时间、维持开关处于断开状态持续第二时间、并且有限地重复上述操作之 前，充分充电蓄电池。
47. 如权利要求44所述的方法，还包括充电蓄电池两次或多次，其中在 充电蓄电池和下一次充电蓄电池之间，执行维持开关处于接通状态持续第一 时间，维持开关处于断开状态持续第二时间，并且有限地重复上述操作。
48. 如权利要求45所述的方法，还包括在维持开关处于接通状态持续第 一时间、维持开关处于断开状态持续第二时间、并且有限地重复上述操作之 前，充分充电蓄电池。
49. 如权利要求45所述的方法，还包括充电蓄电池两次或多次，其中在 充电蓄电池和下一次充电蓄电池之间，执行维持开关处于接通状态持续第一 时间，维持开关处于断开状态持续第二时间，并且有限地重复上述操作。
全文摘要
提供一种燃料电池系统和操作该系统的方法。用于将电力提供给负载的该燃料电池系统包括燃料电池，包括至少一个单元电池；接通/断开开关，具有分别连接到该燃料电池的不同类型电极的第一端和第二端；以及电路单元，控制所述开关的操作。该燃料电池包括串联连接的多个单位电池。开关的第一端连接到多个单位电池的第一单位电池的阳极，并且开关的第二端连接到多个单位电池的最后一个单位电池的阴极。该燃料电池系统可进一步包括转换器、蓄电池、电池充电器、以及负载和所述燃料电池之间的开关单元。
文档编号H02J7/00GK101127403SQ20071014273
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月17日 优先权日2006年8月17日
发明者李在镛, 磊 胡, 赵慧贞, 郑镛洙, 金咏裁 申请人:三星Sdi株式会社