專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和操作該系統(tǒng)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電源設備，更具體地，涉及一種燃料電池系統(tǒng)和操作該 系統(tǒng)的方法。
背景技術：
有許多類型的燃料電池。燃料電池能夠分成直接使用曱醇的直接曱醇燃 料電池(DMFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。DMFC在膜電極組件(MEA )的陽極處產(chǎn)生的電子和氫離子移動到MEA 的陰極并且在與氧反應的過程中產(chǎn)生能量。通過從燃料箱提供的曱醇和水在 MEA的陽極處的反應，產(chǎn)生了電子和氫離子。當DMFC在運行時，燃料連 續(xù)地從箱提供到MEA。因此，當DMFC的運行停止或沒有負載連接到該 DMFC對，不再提供燃料，但是殘留的燃料可能保持在箱和MEA之間，并 且也在MEA的內(nèi)部。如果DMFC是無源燃料電池，當DMFC停止運行時，完全地去除殘留 的燃料非常困難，由此要求額外的方法來去除殘留的燃料。如果殘留的燃料沒有從MEA移除，則MEA連續(xù)地暴露給殘留的燃料，使得該MEA,特別 是安裝在MEA中的過濾器和電極可能被結構性地損壞。特別是，如果燃料 是高濃度的，則對MEA的損壞可能變得更加嚴重。同樣，當殘留燃料從二 氧化碳(C02)出口排出時，可能出現(xiàn)違反國際標準化組織(ISO )安全標準 的問題。如果DMFC是有源燃料，則可使用有源組件來在某種程度上去除殘留的 燃料。然而，需要額外的能量來操作該有源組件，并且因此，難以完全地從 MEA去除殘留燃料。 已經(jīng)做出許多嘗試來解決由DMFC的殘留燃料引起的問題。在這些嘗試 當中，有一種通過連接額外的負載到DMFC來燃燒DMFC中的殘留燃料的方 法。然而，由于該方法必須需要額外的負載，因此該方法變得復雜，并且消 誶毛時間和成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其通過控制燃料電池的操作，能夠安 全地燃燒在燃料電池中剩余的殘留燃料而不需要任何額外的負載。本發(fā)明還提供了 一種操作該燃料電池系統(tǒng)的方法，其能夠燃燒在燃料電 池中剩余的殘留燃料。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了 一種用于提供電力給負載的燃料電池系 統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其包括至少一個單元電池(unit cell); 接通/斷開開關，其具有分別連接到該燃料電池的不同類型的電極的第一端和 第二端；以及電路單元，其控制該開關的操作。該燃料電池可以包括多個串聯(lián)連接的單元電池。開關的第一端可以連接 到多個單元電池的第 一單元電池的陽極，并且開關的第二端可以連接到多個 單元電池的最后一個單元電池的陰極?？梢允褂枚鄠€開關。開關的數(shù)量可以等于單元電池的數(shù)量，并且各開關 可以以一對一的形式對應于各單元電池，并且每個開關的第一端和第二端可 以連接到它對應的單元電池的不同類型的電極。開關的數(shù)量可以少于多個單元電池的數(shù)量，開關的至少一個可以對應于 兩個單元電池，并且剩余的開關可以以 一對一 的形式對應于剩余的單元電池?？刂齐娐房梢园刂破?，其通過將脈沖信號施加到開關來接通或斷開 開關。該燃料電池系統(tǒng)除了所述多個開關還可以包括一個開關，該開關具有連 接到所述多個單元電池的第一單元電池的陽極的第一端，以及連接到所述多 個單元電池的最后一個單元電池的陰極的第二端。該燃料電池系統(tǒng)還可以包括轉換器、蓄電池、電池充電器、以及負載和 所述燃料電池之間的開關單元。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃 料電池系統(tǒng)包括燃料電池，該燃料電池包含至少一個單元電池以提供電力
給負載；以及開關，連接到該燃料電池并且當燃料電池正常運行時斷開，以 當該燃料電池的運行停止或沒有負載連接到該燃料電池時，消耗在燃才牛電池中剩余的殘留燃料，所述方法包括將開關維持在接通狀態(tài)持續(xù)第一時間； 將開關維持在斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間；以及有限地重復上面的操作，其中第 一時間短于第二時間。所述燃料電池可以包括多個串聯(lián)連接的單元電池。開關的第一端可以連接到多個單元電池的第一單元電池的陽極，并且開 關的第二端可以連接到多個單元電池的最后 一個單元電池的陰極。在有限的重復上面的操作時，至少一次操作中的第二時間可以短于之前 的和隨后的操作中的第二時間?？梢蕴峁﹥蓚€或多個的開關。開關的數(shù)量可以以一對一的形式對應于單 元電池的數(shù)量，并且每個開關的第一端和第二端可以連接到它對應的單元電 池的不同電極。該燃料電池系統(tǒng)還可以包括一個開關，該開關具有連4妄到所 述多個單元電池的第一單元電池的陽極的第一端、以及連接到所述多個單元 電池的最后 一個單元電池的陰極的第二端。多個開關可以同時地或順序地接通和斷開。當多個開關順序地接通和斷開時，所述方法還可以包括將所述多個開 關分成多個開關組；以及以時間間隔將所述多個開關組順序地接通和斷開。 包括在所述多個開關組的一組中的各開關可以同時地或順序地接通和斷開。當在開關維持處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間時測量的每個單元電池的電壓 是預設的參考電壓時，可以停止維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第一時間。開關的數(shù)量可以少于所述多個單元電池的數(shù)量，至少 一個開關可以對應 至少兩個單元電池，并且剩余的開關可以以一對一的形式對應于剩余的單元 電池。所述燃料電池系統(tǒng)還可以包括另一開關，該開關具有可以連接到多個單 元電池的第 一單元電池的陽極的第 一端，以及可以連接到多個單元電池的最 后一個單元電池的陰極的第二端。當多個所述開關或所述另一開關斷開時， 剩余的各開關可以重復地接通和斷開。所述多個開關可以順序地接通和斷開。燃料電池可以具有單極或疊式結構。當?shù)谝粫r間為t并且第二時間為T時，第一時間t與第二時間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 )。所述燃料電池還可以包括轉換器、蓄電池、電池充電器、以及在負載和 燃料電池之間的開關單元。在這種情形下，該方法還可以包括在維持開關處 于接通狀態(tài)持續(xù)第一時間、維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間、并且有限 地重復上述操作之前，充分充電蓄電池，或還包括充電蓄電池兩次或更多， 其中在充電蓄電池和下一次充電蓄電池之間，執(zhí)行維持開關處于接通狀態(tài)持 續(xù)第一時間，維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間，并且有限地重復上述操 作。根據(jù)本發(fā)明，在燃料電池中或在燃料電池的模電極組件(MEA)和箱之 間剩余的殘留燃料，能夠被穩(wěn)定且快速地燒盡。結果，能夠防止燃料泄漏， 能夠防止MEA在沒有負載的情形下暴露給高濃度燃料,并且當箱需要替換 時，能夠最大程度將燃料從箱中去除。同樣，由于通過燃料電池的單元電池 短路來燒盡殘留燃料，所以不需要額外的負載，由此簡化了燃料電池系統(tǒng)的 配置。此外，由于通過重復短期的短路來燒盡殘留燃料，能夠防止燃料電池 的溫度升高，并且也能夠防止存儲用來再使用的水蒸發(fā)。


通過參照附圖詳細描述其示例性實施例，本發(fā)明的上述和其它的特征和 優(yōu)點將變得更加明顯，在附圖中圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)、和使用該燃料電池系 統(tǒng)運行燃料電池的方法的電路圖；圖2是圖示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的燃料電池系統(tǒng)、和使用該燃料電 池系統(tǒng)運行燃料電池的方法的電路圖；圖3是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的、圖2的燃料電池系統(tǒng)的開關的另一 配置的電路圖，所述開關順序地接通和斷開；圖4是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的、圖2的燃料電池系統(tǒng)的開關的另一 配置的電路圖，所述開關順序地接通和斷開；圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明的另 一 實施例的燃料電池系統(tǒng)的方框圖；圖6是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的、運行圖5的燃料電池系統(tǒng)的燃料電 池以消耗在燃料電池中剩余的殘留燃料的方法的圖；圖7是圖示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的、運行圖5的燃料電池系統(tǒng)的燃
料電池以消耗在燃料電池中剩余的殘留燃料的方法的圖；以及圖8是圖示當通過充電蓄電池、以圖6和7的方法消耗殘留燃料時，圖 5的燃料系統(tǒng)的各元件的狀態(tài)的電路圖。
具體實施方式
現(xiàn)在將參照附圖，更加完整地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示 例性實施例。附圖中示出的層或區(qū)域的厚度為了清楚被夸大。圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)、和使用該燃料電池系 統(tǒng)運行燃料電池20的方法的電路圖。參照圖1,燃料電池系統(tǒng)包括單極燃料電池20,其包括第一單元電池20a 至第五單元電池(unit cell)20e。雖然燃料電池20包括圖1中的五個單元電池 20a至20e,但單元電池的數(shù)量不限于此。例如，燃料電池20可以包括五個經(jīng)由線L1，第一單元電池20a的陰極連接到第二單元電池20b的陽極。類似 地，第二單元電池20b的陰極連接到第三單元電池20c的陽極。以這種同樣 的方式，第三單元電池20c到第五單元電池20e串聯(lián)連接。經(jīng)由開關25,第 一單元電池20a的陽極和第五單元電池的陰極直接相互連接。燃料電池20可 以具有疊式結構，其中燃料電池20和開關以這種方式連接。作為在第一單元 電池20a至第五單元電池20e之間切斷或通過電流的裝置的開關25,當燃料 電池20正常運行以給負載35提供電力時維持在斷開狀態(tài)(off state)。然而， 當電力不從燃料電池20提供到負載35，燃料電池20的運行停止或移除負載 35時，開關25重復地接通和斷開直到燃料電池20變成指定的狀態(tài)，也就是 說，直到在燃料電池的第一單元電池20a至第五單元電池20e的模電極組件 (MEA)中剩余的殘留燃料達到指定的量，以及剩余在安裝于燃料電池20 上的燃料箱和MEA之間的殘留燃料也完全燒盡。在開關25的重復接通和斷 開操作期間，開關25維持在斷開狀態(tài)的斷開時間T，長于開關25維持在接 通狀態(tài)(on state)的接通時間t (T>t)。由于當開關25接通時，第一單元電池 20a至第五單元電池20e為短路，燃料電池系統(tǒng)的溫度可以在短時間內(nèi)增加。 西此，在開關25的重復接通和斷開操作期間，開關25的閉合的時間，即接 通時間t,應該足夠短，以防止由于短路引起的溫度增加影響燃料電池系統(tǒng)， 并且物理地損壞MEA。然而，由于接通時間t非常依賴各種生產(chǎn)條件和MEA
的特性，所以接通時間t與打開的時間(即斷開時間)T的比率t/T，可以根據(jù)MEA的特性的大于零并且小于1，也就是說，在范圍0< (t/T) <1中，但 是優(yōu)選地在范圍0< (t/T) 中。開關25的操作由電路單元30控制。電路單元30通過檢測燃料電池20 是否正在運行以及燃料電池20是否連接到負載35,來確定是否使開關25處 于接通狀態(tài)。同樣，電路單元30根據(jù)預設的時間控制開關25的接通和斷開 時間t和T。同樣，當開關25接通時，電路單元30檢測燃料電池系統(tǒng)的溫度 是否升高超過預設水平。當燃料電池系統(tǒng)的溫度由于開關25的接通狀態(tài)而超 過預設水平時，電路單元30可以減少接通時間t,并且也減少斷開時間T, 以便恒定地保持用來燃燒在燃料電池20中剩余的殘留燃料的總時間。同樣， 當負載35在開關25的重復接通和斷開操作期間連接到燃料電池20時，電路 單元30檢測負載35與燃料電池20的連接，并且使得開關25維持在打開的 狀態(tài)。電路單元30可以包括第一控制器(未示出)，其實質(zhì)上控制開關25的 接通和斷開操作。第一控制器將脈沖信號施加到開關25,使得開關25能夠 執(zhí)行接通和斷開操作。只有當脈沖信號從第一控制器施加到開關25時，開關 25能夠維持在接通狀態(tài)?？蛇x地，當脈沖信號從第一控制器施加到開關25 時，開關25能夠維持在斷開狀態(tài)。第五單元電池20e的陰極經(jīng)由電路單元30 連接到負載35的第一終端。第一單元電池20a的陽極經(jīng)由電路單元30連接 到負載35的第二終端。負載35可以是電子設備，其能夠使用原電池或蓄電 池作為電源。負載35的示例包括移動電話、游戲機、MP3播放器、個人數(shù)字 助理(PDA)，全球定位系統(tǒng)(GPS)、數(shù)字多媒體廣播(DMB)、攝像放像機 (camcorder)以及相機。圖2是圖示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的燃料電池系統(tǒng)、和使用該燃料電 池系統(tǒng)運行燃料電池20的方法的電路圖。雖然圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)被配置使得一個開關25連接到燃料電池 20,但圖2的燃料電池系統(tǒng)被配置，使得兩個或多個開關可以連接到燃料電 池20,并且每個開關可以連接到構成燃料電池20的每個單元電池。雖然圖2 的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池20包括圖2中的第一單元電池20a至第五單元電 池20e,但單元電池的數(shù)量不限于此。具體地，參照圖2，燃料電池20的第一單元電池20a的陰極連接到第二 單元電池20b的陽極，并且第二單元電池20b的陰極連接到與第二單元電池 20b相鄰的第三單元電池20c的陽極。以這種方式，第三單元電池20c至第五 單元電池20e串聯(lián)連接。然而，與圖1的燃料電池系統(tǒng)不同，第一單元電池 20a至第五單元電池20e各自的陽極和陰極，經(jīng)由第一開關25a至第五開關 25e連接。例如，第一單元電池20a的陽極和陰極經(jīng)由第一開關25a相互連接， 以及第二單元電池20b的陽極和陰極經(jīng)由第二開關25b相互連接。因此，當 第一開關25a至第五開關25e接通時，第一單元電池20a至第五單元電池20e 分別閉合(短路)，由此燃燒在每個單元電池中剩余的燃料。當燃料電池20 正常地運行以給負載35提供電力時，第一開關25a至第五開關25e維持在斷 開狀態(tài)。第一開關25a至第五開關25e可以是控制電路40的元件。由于圖2 中示出的燃料電池系統(tǒng)包括第 一開關25a至第五開關25e,所以除了圖2的電 路單元40必須控制更多的開關之外，圖2的電路單元40執(zhí)行與圖1的燃料 電池系統(tǒng)的電路單元3 0相同的功能。第五單元電池20e的陰極和第五開關25e經(jīng)由電路單元40連4妻到負載 35的第一終端。第一單元電池20a的陽極和第一開關25a經(jīng)由電路單元40 連接到負載35的第二終端。當負載35從燃料電池系統(tǒng)分開、或負載35附接到燃料電池系統(tǒng)時燃料 電池20的運行停止時，為了燃燒在第一單元電池20a至第五單元電池20e的 MEA中、以及在箱和MEA之間剩余的殘留燃料時，第一開關25a至第五開 關25e重復地接通和斷開給定時間段。可以持續(xù)重復的接通和斷開#:作，直 到剩余在MEA中以及箱和MEA之間的殘留燃料完全燒盡。同樣，可以持續(xù) 重復的接通和斷開操作，直到第一單元電池20a至第五單元電池20e的每一 個的電壓達到參考電壓，例如0.1V。在本實施例中，第一單元電池20a至第 五單元電池20e的每電池的電壓，是當在第一開關25a至第五開關25e重復 的接通和斷開操作期間、第一開關25a至第五開關25e處于打開狀態(tài)時測量 的開路電壓(OCV)。由于當?shù)谝婚_關25a至第五開關25e閉合時，第一單元 電池20a至第五單元電池20e是短路，所以第一開關25a至第五開關25e維 持在閉合狀態(tài)的接通時間tl,應當短于第一開關25a至第五開關25e維持在 打開狀態(tài)的斷開時間Tl。例如，接通時間tl與斷開時間Tl的比率(tl/Tl )， 根據(jù)MEA的特性可以大于0并且小于1,也就是說在范圍0<(tl/Tl ) <1中。 在電路單元40的控制下，例如在包括電路單元40中、并且實質(zhì)上控制第一 開關25a至第五開關25e的接通和斷開操作的第二控制器(未示出)的控制
下，第一開關25a至第五開關25e維持在閉合狀態(tài)的接通時間tl可以短于或 長于預設時間。電路單元40的第二控制器控制第一開關25a至第五開關25e, 以通過將脈沖信號施加到該第一開關25a至第五開關25e執(zhí)行接通和斷開操 作，與圖1的燃料電池系統(tǒng)的第一控制器類似。第二控制器可以是單個的用 來控制第一開關25a至第五開關25e的控制器，或者包括與相應第一開關25a 至第五開關25e —樣多的控制器，并且以一對一的方式控制各開關。可以以至少兩種方法執(zhí)行第一開關25a至第五開關25e的重復接通和斷 開操作。在第一種方法中，第一開關25a至第五開關25e可以同步地操作。在第 二種方法中，第 一開關25a至第五開關25e可以以間隔順序地操作。以與圖1中的燃料電池系統(tǒng)中描述的相同方式執(zhí)行第一種方法?？梢砸?各種方式執(zhí)行第二種方法。在第一種方式中，第一開關25a至第五開關25e 可以以如圖2中示出的、從第五開關25e到第一開關25a的順序順序地操作。 相反，各開關可以以從第一開關25a到第五開關25e的順序順序地操作。具 體地，只有第五開關25e維持給定時間tl的接通狀態(tài)，以及第一開關25a至 第四開關25d維持給定時間tl的斷開狀態(tài)。接下來，只有第四開關25d維持 給定時間tl的接通狀態(tài)，以及第一開關25a至第三開關25c和第五開關25e 維持給定時間tl的斷開狀態(tài)。接下來，只有第三開關25c維持給定時間tl的 接通狀態(tài)，以及第一開關和第二開關25a和25b、以及第四開關和第五開關 25d和25e維持給定時間tl的斷開狀態(tài)。接下來，只有第二開關25b維持給 定時間tl的接通狀態(tài)，以及第一開關25a和第三開關25c至第五開關25e維 持給定時間tl的斷開狀態(tài)。接下來，只有第一開關25a維持給定時間tl的接 通狀態(tài)，以及第二開關25b至第五開關25e維持給定時間tl的斷開狀態(tài)。如 果在第 一單元電池20a至第五單元電池20e的MEA中剩余的殘留燃料在這個 過程中沒有完全燒盡，則可以重復該第一開關25a至第五開關25e的順序的 接通和斷開操作?？梢砸缘诙N方式執(zhí)行第二種方法。也就是說，例如第一開關25a至第 五開關25e被分成至少兩組，并且第一組的第三開關25c至第五開關25e可 以以時間間隔順序地接通和斷開，以及第二組的第 一開關25a和第二開關25b 可以以時間間隔同時i也4妄通和斷開。圖3是圖示根據(jù)第二種方式、圖2的燃料電池系統(tǒng)的第一開關25a至第 五開關25e的另一配置的電路圖，該第一開關25a至第五開關25e以時間間 隔順序地接通和斷開。為了方便，圖3只圖示第一開關25a至第五開關25e 以及第一開關25a至第五開關25e的接通和斷開時間。參照圖3，包括在第一開關組50中的第三開關25c至第五開關25e,以 從第五開關25e至第三開關25c的順序順序地接通和斷開。然后，包括在第 二開關組60中的第一開關25a和第二開關25b維持給定時間tl的接通狀態(tài)。 相反，包括在第二開關組60中的第一開關25a和第二開關25b可以順序地接 通和斷開，然后，包括在第一開關組50中的第三開關25c至第五開關25e維 持給定時間tl的接通狀態(tài)。持續(xù)第一開關25a至第五開關25e的接通和斷開 操作，直到從第一單元電池20a至第五單元電池20e測量的電壓(該電壓在 第一開關25a至第五開關25e處于斷開狀態(tài)時測量)達到參考電壓。例如，在第一開關組50和第二開關組60的順序的接通和斷開操作中， 當?shù)谝婚_關組50和第二開關組60維持在斷開狀態(tài)時測量的電壓達到參考電 壓時，停止第一開關組50和第二開關組60的接通和斷開操作。然而，在該 接通和斷開操作中，當?shù)谝婚_關組50維持在斷開狀態(tài)、從第一單元電池20a 至第五單元電池20e測量的電壓達到參考電壓，而當?shù)诙_關組60維持在斷 開狀態(tài)、從第一單元電池20a至第五單元電池20e測量的電壓沒有達到參考 電壓時，停止第一開關組50的接通和斷開操作，而繼續(xù)重復第二開關組60 的接通和斷開操作。在上述第一開關組50和第二開關組60的接通和斷開操 作中，當?shù)诙_關組60的第一開關25a和第二開關25b同時地接通和斷開時， 可以用如圖4中示出的單個開關28來替換第二開關組60的第一開關25a和 第二開關25b。類似地，當?shù)谝婚_關組50的第三開關25c至第五開關25e同 時地接通和斷開時，可以用單個開關(未示出)來替換第一開關組50的第三 開關25c至第五開關25e。在這點上，在圖2的燃料電池系統(tǒng)中提供以燃燒在燃料電池20的MEA 中或在MEA和箱之間剩余的殘留燃料的開關的數(shù)量，可以少于燃料電池20 的單元電池的數(shù)量。當每電池的電壓達到理想工作點(在該理想工作點第一單元電池20a至 第五單元電池20e各自的陽極和陰極的電勢彼此相等)時，第 一單元電池20a 至第五單元電池20e產(chǎn)生最大電流。較大的電流產(chǎn)生導致較大的燃料消耗。 因此，在圖l和圖2的任何燃料電池系統(tǒng)的開關25和開關25a至25e的重復
接通和斷開"^喿作中，開關25和開關25a至25e可以短路，使得第一單元電池 20a至第五單元電池20e各自的陽極和陰極能夠具有最低阻抗，由此使得每電 池電壓能夠達到理想工作點。圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的燃料電池系統(tǒng)80的電路圖。 參照圖5，燃料電池系統(tǒng)80包括包含第一單元電池52a至第五單元電 池52e的燃料電池52、第一開關54a至第十開關54j、直流(DC)-DC轉換 器(以下稱為轉換器)56、蓄電池58和電池充電器62。雖然為了方便燃料 電池52可以包括圖5中的五個單元電池52a至52e,但本實施例不限于此，單元電池52a至單元電池52e可以與圖2的單元電池20a至單元電池20e相 同。同樣，第一開關54a至第五開關54e可以執(zhí)行與圖2的開關25a至開關 25e相同的功能，并且第六開關54f可以執(zhí)行與圖l的開關25相同的功能。 第一開關54a至第五開關54e分別并聯(lián)連接到單元電池52a至單元電池52e, 以及第六開關54f并聯(lián)連接到燃料電池52的兩端。當使用第六電池54f時， 第一開關54a至第五開關54e維持在打開狀態(tài)，即斷開狀態(tài)。轉換器56將由 燃料電池52產(chǎn)生的電力轉換為負載35需要的功率電平。第七開關54g放置 在轉換器56和燃料電池52之間。第七開關54g可以用作當燃料電池52不正 常運行或引起了其它電問題時將轉換器56和蓄電池58與燃料電池52分離的 裝置。當?shù)谄唛_關處于閉合狀態(tài)，即接通狀態(tài)時，由燃料電池52產(chǎn)生的電流 可以流到轉換器56。然而，當?shù)谄唛_關處于斷開狀態(tài)時，由燃料電池52產(chǎn) 生的電流被切斷，并且因此不能流到轉換器56。第六開關54f的第一端連接 到將燃料電池52連接到第七開關54g的線。第 一開關54a至第七開關54g可 以是具有低的接通狀態(tài)阻抗(也就是說，在接通狀態(tài)中具有低阻抗)的場效 應晶體管、或具有低的接通狀態(tài)阻抗的機械的或電子的開關。當負載35需要的電力大于由燃料電池52提供的電力時，蓄電池58給負 載35提供與其間的差值相應的電力。因此，當負載35需要的電力由燃料電 池52充分地提供時，蓄電池58可以處于備用狀態(tài)。蓄電池58的輸入端連接 到電池充電器62的輸出端，并且蓄電池58的輸出端連接到轉換器56的輸入 端。第九開關54i和第十開關54j放置在線70上，該線70連接蓄電池58的 輸出端和轉換器56的輸入端。第九開關54i和第十開關54j根據(jù)控制單元(未
示出)的信號，切斷或通過從蓄電池58流到轉換器56的電流。第七開關54g 至第十開關54j可以是功率金屬氧化物場效應晶體管。當蓄電池58運行以給 負載35提供電力時，第九開關54i和第十開關54j處于接通狀態(tài)。然而，當 蓄電池58由電池充電器62充電時，第九開關54i和第十開關54j處于斷開狀態(tài)?，F(xiàn)在將解釋運行圖5的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池52以消耗殘留燃料的方 法?？梢砸詢煞N方法消耗燃料電池52中的殘留燃料。第一種方法通過完全地充電蓄電池58執(zhí)行，并且當仍然存在殘留燃料 時，接通和斷開第一開關54a至第五開關54e、或第六開關54f。第一開關54a 至第五開關54e,可以以與圖2的第一開關25a至第五開關25e的情況中描述 的相同的方式接通和斷開。第六開關54f可以以與圖l的開關25的情況中描 述的相同的方式4妄通和斷開。圖6是說明第一方法的曲線圖。在圖6中，第一曲線圖Gl表示使用殘留燃料的蓄電池58的充電水平， 第二曲線圖G2表示當蓄電池58充電時，殘留燃料的減少，以及第三曲線圖 G3表示當蓄電池58充電，然后第一開關54a至第五開關54e、或第六開關 54f周期性地或非周期性地接通和斷開時(也就是說，燃料電池52的單元電 池52a至單元電池52e周期性地或非周期性地短路)，殘留燃料的減少。參照圖6，當蓄電池58充電時，殘留燃料逐漸地減少。 一旦蓄電池58 完全充電，當燃料電池52的單元電池52a至單元電池52e周期性地或非周期 性地短路時，殘留燃料急劇地減少。運行圖5的燃料電池系統(tǒng)80的燃料電池52以消耗殘留電池的第二種方 法，通過交替地重復充電蓄電池58和短路單元電池52a至單元電池52e來執(zhí) 行。在這種情況下，可以周期性地或非周期性地重復單元電池52a至單元電 池52e的短路。同樣，單元電池52a至單元電池52e可以同時地或順序地短 路。圖7是說明第二種方法的曲線圖。在圖7中，第一曲線圖Gll表示當消耗殘留燃料時蓄電池58的充電水 平，以及第二曲線圖G22表示當交替地重復周期性地充電蓄電池58、和周期 性地短路燃料單元電池52中單元電池52a至單元電池52e時，殘留燃料的減 少。第一曲線圖Gll中示出的第一時間間隔tll是停止蓄電池58的充電并短 路燃料電池52中的單元電池52a至單元電池52e的時間間隔。第二曲線圖 G22包括交替地重復的第一時間間隔TT1和第二時間間隔TT2。第二時間間 隔TT2長于第一時間間隔TT1。第二時間間隔TT2是由于蓄電池58的充電 而消耗殘留燃料的時間間隔。第一時間間隔TT1是由于單元電池52a至單元 電池52e的短路而消耗殘留燃料的時間間隔。因此，第二曲線圖G22的第一 時間間隔TT1等于第一曲線圖Gll的第一時間間隔tll。同樣，蓄電池58被 充電、在第一曲線圖Gll的各第一時間間隔tll之間的時間間隔，等于第二 曲線圖G22的第二時間間隔TT2。參照圖7的第二曲線圖G22，由于單元電池52a至單元電池52e的短路 而引起的殘留燃料的減少，大于由于蓄電池58的充電而引起的殘留燃料的減 少。圖8是說明當以第一方法和第二方法通過充電蓄電池58而消耗燃料電池 52的殘留燃料時，圖5的燃料電池系統(tǒng)的各元件的狀態(tài)的方框圖。參照圖8，第一開關54a至第六開關54f、以及第九開關54i和第十開關 54j處于斷開狀態(tài)。第七開關54g和第八開關54h處于接通狀態(tài)。負載35和 燃料電池系統(tǒng)80被認為正處于斷開狀態(tài)。因此，由燃料電池52的殘留燃料 產(chǎn)生的電力可以流過轉換器56和充電器62,并且可以用以充電蓄電池58。以第 一 種方法充電蓄電池5 8可以無中斷地繼續(xù)，直到燃料電池5 2的電 壓下降到預定值之下。然而，以第二種方法充電蓄電池58不可以一次完成，但是可以周期性地 或非周期性地重復，直到燃料電池52的電壓下降到預定值之下。通過在充電 蓄電池58和下一次充電蓄電池58之間，短路燃料電池52的單元電池52a至 單元電池52e，消耗了殘留燃料。第一種方法和第二種方法通過以下方式消耗燃料電池52的殘留燃料，該 方式為同時地短路燃料電池52中的單元電池52a至單元電池52e、或任意地 或順序地短路燃料電池52中的單元電池52a至單元電池52e的一個或多個， 也就是說通過以與在圖1的燃料電池系統(tǒng)的情況下描述的相同的方式，接通 和斷開第一開關52a至第五開關52e或第六開關52f,因此沒有給出其詳細的 解釋。當通過接通和斷開第一開關52a至第五開關52e或第六開關52f消耗 了燃料電池52的殘留燃料時，第七開關54g維持在斷開狀態(tài)。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)使用燃料電池和負載之間的接通/ 斷開開關，作為用于短路整個燃料電池或選擇性地短路各單元電池的裝置。 根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還使用電路單元以控制開關的操作。由于該燃料電池系統(tǒng)以接通時間(短路時間)短于斷開時間的方式重復 地執(zhí)行開關的接通和斷開操作，在燃料電池中或在燃料電池的MEA和箱之 間剩余的殘留燃料，能夠安全地和快速地燒盡，而沒有燃料電池系統(tǒng)的溫度 升高的風險。結果，能夠防止燃料泄露，能夠防止MEA在沒有負載下接觸高濃度的 燃料，并且當需要用新箱替換所述箱時，能夠最大程度地將在所述箱剩余中 的殘留燃料去除。同樣，由于包括在燃料電池中的單元電池的短路燒盡了燃 料，所以能夠簡化燃料電池系統(tǒng)的配置。由于通過重復短周期的短路燒盡了 殘留燃料，能夠防止燃料電池的溫度升高，并且也能夠防止存儲用來再使用 的水蒸發(fā)。雖然已經(jīng)參照其示例性實施例具體地示出和描述了本發(fā)明，但是本領域的普通技術人員將會理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進 行各種形式和細節(jié)的改變。例如，各種接通/斷開開關或晶體管可以用作開關25、開關25a至25e以及開關28。同樣，代替在短時間期間多次接通開關以便燃燒殘留燃料，可以增加斷開時間。也就是說，根據(jù)時間經(jīng)過，斷開時間可以變化。同樣，開關控制器可以安裝在電路單元外部。因此，本發(fā)明的精神和范圍不由上面解釋的實施例而由權利要求定義。
權利要求
1.一種用于給負載提供電力的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，包括至少一個單元電池；接通/斷開開關，具有分別連接到該燃料電池的不同類型電極的第一端和第二端；以及電路單元，控制所述開關的操作。
2. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中燃料電池包括多個串聯(lián)連接 的單元電池。
3. 如權利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述開關的第一端連接到多 個單元電池的第一單元電池的陽極，并且開關的第二端連接到多個單元電池 的最后一個單元電池的陰極。
4. 如權利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中使用了多個開關。
5. 如權利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中開關的數(shù)量等于單元電池的數(shù)量，并且各開關以一對一的形式對應于各單元電池，并且每個開關的第一 端和第二端連接到它對應的單元電池的不同電極。
6. 如權利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中開關的數(shù)量少于單元電池的 數(shù)量，開關的至少一個對應于兩個單元電池，并且剩余的開關以一對一的形 式對應于剩余的單元電池。
7. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池具有單極或疊 式結構。
8. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中電路單元包括控制器，其通 過將脈沖信號施加到開關來接通或斷開開關。
9. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括轉換器、蓄電池、電池充 電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
10. 如權利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括轉換器、蓄電池、電池 充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
11. 如權利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括轉換器、蓄電池、電池 充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
12. 如權利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括轉換器、蓄電池、電池 充電器、以及負載和所迷燃料電池之間的開關單元。
13. 如權利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括轉換器、蓄電池、電池充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
14. 如權利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括轉換器、蓄電池、電池 充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
15. 如權利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括轉換器、蓄電池、電池 充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
16. —種運行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池， 該燃料電池包含至少一個單元電池以提供電力給負載；以及接通/斷開開關，電池的運行停止或沒有負載連接到該燃料電池時，消耗在燃料電池中剩余的 殘留燃料，所述方法包括將開關維持在接通狀態(tài)持續(xù)第 一 時間；將開關維持在斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間；以及有限地重復上面的操作，其中第一時間短于第二時間。
17. 如權利要求16所述的方法，其中所述燃料電池包括多個串聯(lián)連接的 單元電池。
18. 如權利要求17所述的方法，其中開關的第一端連接到多個單元電池 的第一單元電池的陽極，并且開關的第二端連接到多個單元電池的最后一個 單元電池的陰極。
19. 如權利要求16所述的方法，其中在有限地重復上面的操作時，至少 一次操作中的第二時間短于之前的和隨后的操作中的第二時間。
20. 如權利要求17所述的方法，其中提供了兩個或多個開關。
21. 如權利要求20所述的方法，其中開關的數(shù)量對應于單元電池的數(shù)量， 并且每個開關的第一端和第二端連接到它對應的單元電池的不同電極。
22. 如權利要求16所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)還包括轉換器、 蓄電池、電池充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
23. 如權利要求22所述的方法，還包括在維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第 一時間、維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間、并且有限地重復上述操作之 前，充分充電蓄電池。
24. 如權利要求22所述的方法，還包括充電蓄電池兩次或多次，其中在 充電蓄電池和下一次充電蓄電池之間，執(zhí)行維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第一 時間，維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間，并且有限地重復上述操作。
25. 如權利要求21所述的方法，其中所述多個開關同時地或順序地接通和斷開。
26. 如權利要求25所述的方法，當多個開關順序地接通和斷開時，所述 方法還包括將所述多個開關分成多個開關組；以及以時間間隔將所述多個開關組順序地接通和斷開。
27. 如權利要求26所述的方法，其中包括在所述多個開關組的一組中的 多個開關同時地或順序地接通和斷開。
28. 如權利要求20所述的方法，其中開關的數(shù)量少于多個單元電池的數(shù) 量，開關的至少一個對應于至少兩個單元電池，并且剩余的開關以一對一的 形式對應于剩余的單元電池。
29. 如權利要求28所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)還包括轉換器、 蓄電池、電池充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
30. 如權利要求28所述的方法，其中所述多個開關順序地接通和斷開。
31. 如權利要求29所述的方法，其中所述多個開關順序地接通或斷開。
32. 如權利要求16所述的方法，其中當在開關維持在斷開狀態(tài)持續(xù)第二 時間時測量的每個單元電池的電壓是預設的參考電壓時，停止維持開關處于 接通狀態(tài)持續(xù)第 一時間的操作。
33. 如權利要求32所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)還包括轉換器、 蓄電池、電池充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
34. 如權利要求29所述的方法，還包括在維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第 一時間、維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間、并且有限地重復上述操作之 前，充分充電蓄電池。
35. 如權利要求29所述的方法，還包括充電蓄電池兩次或多次，其中在 充電蓄電池和下一次充電蓄電池之間，執(zhí)行維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第一 時間，維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間，并且有限地重復上述操作。
36. 如權利要求33所述的方法，還包括在維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第 一時間、維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間、并且有限地重復上述操作之 前，充分充電蓄電池。
37. 如權利要求16所述的方法，其中所述燃料電池具有單極或疊式結構。
38. 如權利要求29所述的方法，其中所述燃料電池具有單極或疊式結構。
39. 如權利要求16所述的方法，其中當?shù)谝粫r間為t并且第二時間為T 時，第一時間t與第二時間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. 如權利要求29所述的方法，其中當?shù)谝粫r間為t并且第二時間為T 時，第一時間t與第二時間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. 如權利要求28所述的方法，其中所述燃料電池具有單極或疊式結構。
42. 如權利要求33所述的方法，其中所述燃料電池具有單極或疊式結構。
43. 如權利要求28所述的方法，其中當?shù)谝粫r間為t并且第二時間為T 時，第一時間t與第二時間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. 如權利要求17所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)還包括轉換器、 蓄電池、電池充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
45. 如權利要求21所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)還包括轉換器、 蓄電池、電池充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
46. 如權利要求44所述的方法，還包括在維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第 一時間、維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間、并且有限地重復上述操作之 前，充分充電蓄電池。
47. 如權利要求44所述的方法，還包括充電蓄電池兩次或多次，其中在 充電蓄電池和下一次充電蓄電池之間，執(zhí)行維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第一 時間，維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間，并且有限地重復上述操作。
48. 如權利要求45所述的方法，還包括在維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第 一時間、維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間、并且有限地重復上述操作之 前，充分充電蓄電池。
49. 如權利要求45所述的方法，還包括充電蓄電池兩次或多次，其中在 充電蓄電池和下一次充電蓄電池之間，執(zhí)行維持開關處于接通狀態(tài)持續(xù)第一 時間，維持開關處于斷開狀態(tài)持續(xù)第二時間，并且有限地重復上述操作。
全文摘要
提供一種燃料電池系統(tǒng)和操作該系統(tǒng)的方法。用于將電力提供給負載的該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，包括至少一個單元電池；接通/斷開開關，具有分別連接到該燃料電池的不同類型電極的第一端和第二端；以及電路單元，控制所述開關的操作。該燃料電池包括串聯(lián)連接的多個單位電池。開關的第一端連接到多個單位電池的第一單位電池的陽極，并且開關的第二端連接到多個單位電池的最后一個單位電池的陰極。該燃料電池系統(tǒng)可進一步包括轉換器、蓄電池、電池充電器、以及負載和所述燃料電池之間的開關單元。
文檔編號H02J7/00GK101127403SQ20071014273
公開日2008年2月20日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權日2006年8月17日
發(fā)明者李在鏞, 磊 胡, 趙慧貞, 鄭鏞洙, 金詠裁 申請人:三星Sdi株式會社