專利名稱：操作燃料電池系統(tǒng)的方法和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用燃料電池作為電源的燃料電池系統(tǒng)及其操作方法。
背景技術(shù)：
近年來，以便攜式電話為代表的便攜式裝置的功耗以設(shè)備的高 次函數(shù)形式日益增長，而電源容量的增長造成嚴重的問題。最近， 作為具有高能量密度的小尺寸能量源的燃料電池獲得了關(guān)注。就燃 料電池而言，電解質(zhì)被放入兩種電極之間。通過用燃料電極氧化氬、
曱醇等燃料并用氧電極脫去空氣中的氧來產(chǎn)生電。在燃料電池中， 固體聚合體型燃料電池能在接近室溫的條件下產(chǎn)生電能，配有高輸
出密度并能被減小尺寸，所以其作為便攜式裝置的電源的應(yīng)用是可 預期的。
然而，在固體聚合體型燃料電池停止發(fā)電之后，當殘留在燃料 電池內(nèi)部的燃料沒有從燃料電池中去除時，會引發(fā)各種問題。
例如，當曱醇被用作燃料時，會引發(fā)由電解質(zhì)膜膨脹造成的電 解質(zhì)膜的劣化、曱醇等燃料的雜合造成的燃料消耗等問題，當氫被 用做燃料時，會引發(fā)氬泄漏以及氬泄漏造成的爆炸危險等問題。
對于這些問題，存在已知的去除燃料電池內(nèi)部燃料的方法通 過由燃料電池用殘留在電池內(nèi)部的燃料產(chǎn)生電能以及用加熱器、電 阻等負載來消耗電能。
然而，利用方法，會引發(fā)有效利用燃料的速率降低以及燃料電 池系統(tǒng)的能量密度降低的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是操作包括與燃料供給器連接的燃料電池、電能存儲部 件以及與燃料電池和電能存儲部件連接的控制單元的燃料電池系統(tǒng)
的方法，該方法包括如下步驟在啟動燃料電池系統(tǒng)時，開始從電 能存儲部件向控制單元和連接到控制單元的外部負載供電；檢測電 能存儲部件的放電量；當電能存儲部件的放電量達到預定放電量時， 開始從燃料供給器向燃料電池才是供燃料；以及開始從燃料電池向控 制單元供電和中斷從電能存儲部件向控制單元供電。
因此，例如，在啟動使用DMFC的、與作為燃料電池的多個電 池串聯(lián)的燃料電池系統(tǒng)過程中，當燃料電池系統(tǒng)向外部負載或燃料 電池系統(tǒng)內(nèi)部供電時，在將構(gòu)成燃料的曱醇提供給燃料電池之前， 從電能存儲部件向外部負載供電，從電能存儲部件輸出的電量被檢 測，當檢測值等于或大于預定方文電量時，供應(yīng)開始，且燃料電池的 發(fā)電開始。
此處，當該預定放電量的值(在停止從燃料供給器向燃料電池提 供燃料后通過由燃料電池消耗殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的燃料而提供 的電量)用符號Cl表示時，在啟動該系統(tǒng)的過程中，當從電能存儲 部件輸出的電量達到Cl或更多時，通過開始向燃料電池提供燃料， 確保電能存儲部件中的空缺電量等于或大于至少Cl。
此外，當能從燃料電池向控制單元供電時，通過控制單元將對外
部負載的供電控制單元從電能存儲部件切換到燃料電池的輸出。
在操作燃料電池系統(tǒng)的方法中，該方法在開始向燃料電池:t是供燃
料的步驟之后還包括從燃料電池經(jīng)由控制單元向外部負載供電的 步驟；當負載請求的功率等于或大于燃料電池的最大輸出時，通過 重新啟動從電能存儲部件經(jīng)由控制單元向外部負載供電來檢測電能 存儲部件的放電量的步驟；以及當負載請求的功率少于燃^h電池的 最大功率并且電能存儲部件的;^文電量等于或大于預定值時，從燃料 電池經(jīng)由控制單元向外部負載供電并對電能存儲部件充入預定值和
放電量之間的差額電量的步驟。
因此，當從負載請求的功率等于或大于燃料電池的最大^r出時， 燃料電池的輸出和電能存儲部件的輸出被同時提供給外部負載。另 外，當從負載請求的功率小于燃料電池的最大輸出并且電能存儲部 件的放電量等于或大于預定值時，預定值和放電量之間的差額電量 被釋放，所以，當燃料被提供給燃料電池時，通過留出例如ci的空 缺容量，電能被充入電能存儲部件，所以，在從燃料供給器向燃料 電池傳送燃料的狀態(tài)下，電能存儲部件未被滿充電，當從燃料供給 器向燃料電池的燃料供應(yīng)被切斷時，電能存儲部件被保證了可充入 的空缺容量。
在操作燃料電池系統(tǒng)的方法中，該方法還包括當外部負載停止 時，停止向燃料電池供應(yīng)燃料的步驟；用殘留在燃料電池內(nèi)部的燃 料繼續(xù)產(chǎn)生電能的步驟；以及將殘留燃料產(chǎn)生的電能經(jīng)由控制單元 供給電能存儲部件的步驟。
因此，通過用燃料電池繼續(xù)產(chǎn)生電能并在不向燃料電池供應(yīng)燃料 的情況下，對電能存儲部件充電，殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的燃料 被消耗，燃料電池內(nèi)部的燃料減少，同時，電能存儲部件達到基本 上滿充電的狀態(tài)。
在操作燃料電池系統(tǒng)的方法中，該方法還包括當外部負載停止 并且電能存儲部件的放電量等于或大于預定值時，由燃料電池產(chǎn)生 預定值和放電量之間的差額電量，并經(jīng)由控制單元將該電能供應(yīng)到 電能存儲部件的步驟；停止向燃料電池供應(yīng)燃料的步驟；用殘留在 燃料電池內(nèi)部的燃料繼續(xù)產(chǎn)生電能的步驟；以及將殘留燃料產(chǎn)生的 電能經(jīng)由控制單元供給電能存儲部件的步驟。
因此，在停止外部負載之后，例如，當電能存儲部件的放電量等 于或大于C1時，直到充入電能存儲部件的空缺容量達到Cl為止， 燃料被提供給燃料電池并且電能存儲部件被充電。雖然當電能存儲 部件的空缺容量達到Cl時，停止對燃料電池供應(yīng)燃料，但是其后，
系統(tǒng)內(nèi)部
的燃料，并通過由燃料電池繼續(xù)產(chǎn)生電能來對電能存儲部件充電， 殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的燃料被消耗，燃料電池內(nèi)部的燃料被減 少，同時，電能存儲部件達到基本上滿充電的狀態(tài)。
在操作燃料電池系統(tǒng)的方法中，該方法特征在于在停止外部負 載后和停止從燃料供給器向燃料電池供應(yīng)燃料之后，由燃料電池用 殘留在燃料電池內(nèi)部的燃料繼續(xù)產(chǎn)生電能的步驟中，在繼續(xù)產(chǎn)生電 能的過程中，電能僅由構(gòu)成燃料電池的單個電池產(chǎn)生。因此，當對 燃料電池的燃料供應(yīng)停止并且殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的燃料量很 少時，即使這時多個電池凈皮串耳關(guān)或并聯(lián)，仍會造成電池遭受由電池 內(nèi)部阻抗變化引起的極性逆轉(zhuǎn)等的影響，通過只從構(gòu)成燃料電池的 單個電池提供輸出，發(fā)電可繼續(xù)進行，而此時并非所有構(gòu)成燃料電 池的電池均會遭受極性逆轉(zhuǎn)的影響。
本發(fā)明提供了燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池；燃料供給器，該 供給器包括用于盛裝燃料或輔助進行反應(yīng)的催化劑的燃料容器和連 接到該燃料容器、用.于將燃料提供給燃料電池的閥；至少一個能存 儲和釋放電能的電能存儲部件；連接到燃料電池的、用于控制燃料 電池輸出的、包含DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制單元；連接到電能存儲部件 的、用于檢測電能存儲部件的充電和放電量的功率檢測電路；連接 到DC-DC轉(zhuǎn)換器和功率檢測電路的控制電路，用于形成由DC-DC 轉(zhuǎn)換器、功率檢測電路及外部負載組成的電氣路徑，并開啟和關(guān)閉 閥。
另外，從燃料供給器向燃料電池傳送的燃料不限于曱醇，而可以 是由如下物質(zhì)構(gòu)成的組中的至少一種或更多種氣態(tài)酒精，不同于 酒精的氫等物質(zhì)，硼氫化鈉的水溶液，包含穩(wěn)定的硼氬化鈉等物質(zhì) 的水溶液，化學卣化物，等等。
另外，對于電能存儲部件，可從二次電池、電容器、蓄電器 (condenser)等構(gòu)成的組中任選至少一個。對于二次電池，可從鋰離子
二次電池、鋰聚合物二次電池、金屬鋰二次電池、鎳氬二次電池、 鎳鎘二次電池、鎳鐵二次電池、鎳鋅二次電池、鋅氧化銀二次電池、 鋅卣素二次電池、鉛蓄電池、氧化還原液流蓄能電池、鈉石危電池等 構(gòu)成的組中的4壬選至少一個。
控制電路的特征在于基于由功率檢測電路檢測到的電能存儲部
件的充電和放電量的值來切換閥的開啟和關(guān)閉。
因此，燃料供應(yīng)被控制成可4吏電能存儲部件不會過載。
控制電路的特征在于當從燃料供給器向燃料電池供應(yīng)燃料時，
向電能存儲部件充電，以確保在電能存儲部件處的等于或大于預定
值的空缺容量。
因此，即使在切斷從燃料盛裝部件向燃料電池供應(yīng)燃料之后電能 存儲部件仍被繼續(xù)充電時，電能存儲部件也能避免過載。
燃料供給器的特征在于，它包含用于盛裝燃料或輔助進行反應(yīng)的 催化劑的燃料容器和連接到燃料容器的、用于向燃料電池供應(yīng)燃料 和切斷到燃料電池的燃料供應(yīng)的泵。
從而，能增加從燃料盛裝部件向燃料電池的燃料供應(yīng)量。
燃料供給器的特征在于，它包含用于盛裝燃料源的燃料容器，連 接到燃料電池的、用于形成來自燃料源的燃料電池的燃料的重整裝 置，以及連接到燃料容器和重整裝置的、用于提供和切斷從燃料容 器到重整裝置的燃料源的閥。
因此，通過重整作為燃料源的包括氫、酒精、曱醇等的化學物質(zhì)， 硼氬化鈉等的無機卣化物，環(huán)己胺等的無機化學卣化物來構(gòu)成燃料 電池的燃料，可以在包含燃料電池的燃料的燃料電池系統(tǒng)中進行類 似的操作。
燃料供給器的特征在于，它包含用于盛裝燃料源的燃料容器，連 接到燃料電池的、用于基于燃料源形成燃料電池的燃料的重整裝置， 以及連接到燃料容器和重整裝置的、用于提供和切斷從燃料容器到 重整裝置的燃料源的泵。從而，能增加供應(yīng)燃料源的量。
根據(jù)本發(fā)明，在燃料殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)下，電能存 儲部件未達到滿充電狀態(tài)，所以，殘留在燃料電池內(nèi)部的燃料在停 止外部負載后能被可靠地去除。所以，可避免由于燃料泄漏產(chǎn)生的 爆炸危險和對人體的不利影響，從而可提高燃料電池系統(tǒng)的安全性。 另外，通過去除燃料電池內(nèi)部的燃料，可避免薄膜或催化劑劣化， 這等于延長了燃料電池系統(tǒng)的使用壽命。
另外，可高效利用燃料源或燃料并且可提高燃料電池系統(tǒng)的能量 密度，因為殘留在燃料電池內(nèi)部的燃料被用于燃料電池的發(fā)電，并 且在停止外部負載之后由燃料電池提供的電能被用于對電能存儲部 件充電。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例1到實施例7的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成 示例的框圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例1到實施例7的燃料供給器2的構(gòu)成 的框圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施例5的燃料供給器2的構(gòu)成示例的框圖。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例1到實施例7的控制單元的構(gòu)成示例 的框圖。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明實施例1到實施例7的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成 示例的框圖。
圖6示出在根據(jù)本發(fā)明實施例2的情況下，外部負載5的負載曲 線和DC-DC轉(zhuǎn)換器41的輸出曲線的示例的示意圖。
圖7示出在#4居本發(fā)明實施例3的情況下，外部負載7的負載曲 線和DC-DC轉(zhuǎn)換器41的輸出曲線的示例的框圖。
圖8示出操作根據(jù)本發(fā)明實施例4的燃料電池系統(tǒng)的方法的流程圖。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明實施例5的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成示例的框圖。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明實施例6的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成示例的框圖。
具體實施例方式
下面將參照
本發(fā)明的實施例。 (實施例1 )
下面將參照圖1說明根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施例1。在 該實施例中，將具體說明燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
如圖l所示，燃料電池系統(tǒng)由以下部件構(gòu)成用氫作燃料的燃料 電池1，用于從燃料源中產(chǎn)生燃料并供應(yīng)燃料的燃料供給器2，作為 電能存儲部件的鋰離子二次電池3 (下文中稱為LIB3)的單個電池， 以及用于進行控制以形成燃料電池1和LIB3及外部負載5之間的電 氣路徑并向外部負載5供應(yīng)燃料和供電的控制單元。
構(gòu)成燃料電池1的燃料的氫通過讓針對硼氫化鈉水溶液的氫生成 催化劑與硼氫化鈉相接觸來形成。蘋果酸被用作氫生成催化劑。
如圖2所示，燃料供給器2由配以構(gòu)成燃料源的固態(tài)硼氫化鈉的 重整裝置、用于盛裝蘋果酸的燃料容器20和用于開通和切斷來自燃 料容器20的蘋果酸供應(yīng)的闊21構(gòu)成。
如圖4所示，控制單元4由以下部件構(gòu)成用于將燃料電池的輸 出電壓逐步提升到構(gòu)成LIB3的4.2V充電電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器41， 用于4企測LIB3的充電和放電量的功率檢測電路42，以及用于形成 DC-DC轉(zhuǎn)換器41、功率檢測電路42、外部負載的電氣路徑并控制閥 21開啟和關(guān)閉的控制電路。
控制電路40輸入由功率4企測電路42才企測到的LIB3的充電和放 電量的值，并基于所檢測的值來進行控制以連同和切斷DC-DC轉(zhuǎn)換 器41、功率檢測電路42、外部負載5形成的電^各并開啟和關(guān)閉閥21。
電子負載裝置被用于外部負載5。圖5示出了4艮據(jù)實施例1的燃料 電池系統(tǒng)的構(gòu)成的實例。
燃料電池l與燃料電池的兩個單個電池串聯(lián)。燃料電池的開路電
壓是1.89V，且其最大輸出是3.24W (0.9Vx3.6A)。另外，通過在 切斷從燃料供給器2到燃料電池1的燃料供應(yīng)之后，通過燃料電池1 用殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫產(chǎn)生電能的DC-DC轉(zhuǎn)換器所^是供的 電量C1已達0.9W.min。
LIB3的額定值由700mAh的額定容量和4.2V的充電電壓構(gòu)成。 充入LIB3的電流;故控制電路限制為最大350mA。
步進電壓類型的開關(guān)調(diào)壓器被用于DC-DC轉(zhuǎn)換器41。 DC-DC 轉(zhuǎn)換器41的輸出電壓值的測量值為4.21V。 DC-DC轉(zhuǎn)換器41的最 大輸出為2.65V,這種情況下的轉(zhuǎn)換效率已達82%。
盡管圖中未顯示，功率^r測電路42由用于才企測LIB3的充電和 ;改電電流的電流4企測電阻，用于放大電流;險測電阻兩端產(chǎn)生的電勢 差的放大器以及用于輸出放大器的輸出給控制電路40的信號輸出端 子420構(gòu)成。信號端子420的輸出信號被輸入到控制電路40的輸入 端子401。
盡管圖中未顯示，控制電路40由如下部件構(gòu)成用于加上或減 去被輸出到信號輸入端子401的功率檢測電路42的放大器輸出的操 作電路；用于比較操作電路的操作結(jié)果和預定的閾值，并產(chǎn)生信號(該 信號用于控制以連通和切斷DC-DC轉(zhuǎn)換器41、功率檢測電路42和 外部負載的電氣路徑并開啟和關(guān)閉閥21)的比較操作電路，而預定閾 值基于構(gòu)成電量Cl的0.9W'min被設(shè)置。作為操作燃料電池系統(tǒng)的 步驟，待售的使用PC的程序^史形成，并被下載到微機和配置到控制 電3各40中。 (實施例2)
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施例2將參照圖6進行說明。 功率實際上通過實施例i中的燃料電池系統(tǒng);故提供給外部負載。
圖6說明了這種情況下外部負載5的負載曲線和DC-DC轉(zhuǎn)換器41 的輸出曲線。
在啟動燃料電池系統(tǒng)的過程中，在控制電路40處，外部負載5 和功率檢測電路42相連。當施加外部負載5時，功率被很快地乂人LIB3 提供給外部負載5。這里，所施加的負載設(shè)置為1W。當功率檢測電 路42 4企測到從LIB3輸出的電量時，且基于由功率檢測電路40檢測 到的信號來判定LIB3向外部負載輸出0.9W*min或更多(Cl)，檢 測部件40使閥21變成開啟狀態(tài)而燃料被提供給燃料電池1。在這種 情況下，控制電^各40在施加負載之后約0.9分鐘開啟閥21。
在向燃料電池1供應(yīng)燃料的狀態(tài)下，當穩(wěn)定狀態(tài)下的外部負載5 的負載等于或小于DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大輸出時，不從LIB3向外部 負載供電。此后，將外部負載5的負載的值設(shè)定為3.05W，該值等于 或大于DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大輸出且被施加2分鐘。在這種情況下， 從DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出最大輸出2.65W，而不足的量0.4W從LIB3來 輸出。從LIB3輸出的電量被功率檢測電路42檢測，且該檢測值由 控制電路進行操作和存儲。
其后，當外部負載的負載降低到1W， 1W的負載等于或小于 DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大輸出2.65W,并且用于充電LIB3的輸出可以從 DC-DC轉(zhuǎn)換器lt出。在這種情況下，通過使用外部負載5為1W時 從DC-DC轉(zhuǎn)換器41的最大輸出減去至外部負載5的輸出量而形成 的電量，控制電路40向ILB3充入當外部負載5是3.05W時ILB3輸 出的電量(圖6的C2)。當控制電路40確定C2的電量被充入LIB3 時，控制電路40停止向LIB3充電以使保證LIB3處的為Cl的充電 量空缺。此后，當外部負載5 #:停止時，而燃料電池系統(tǒng)中沒有負 載時，控制電路40使閱21變成關(guān)閉狀態(tài)并且停止向燃料電池1供 應(yīng)燃料。輸出電量為Cl的數(shù)量的氬殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部。在停 止向燃料電池1供應(yīng)燃料之后，殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫被用 于在燃料電池1中產(chǎn)生功率以產(chǎn)生Cl的電量，并且LIB3經(jīng)由DC-
DC轉(zhuǎn)換器41、控制電路40、功率檢測電路42被充電。當殘留在燃 料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫被用完而功率不能從DC-DC轉(zhuǎn)換器中輸出時， 控制電路40切斷DC-DC轉(zhuǎn)換器41和功率檢測電路42之間的電氣 路徑，以在連接功率檢測電路42和外部負載5的狀態(tài)下停止操作燃 并+電池系統(tǒng)。 (實施例3 )
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施例3將參照圖7進行說明。
功率實際上通過用實施例1中構(gòu)成的燃料電池系統(tǒng)被提供給外部 負載。圖7說明了這種情況下外部負載5的負載曲線和DC-DC轉(zhuǎn)換 器41的輸出曲線。
在啟動燃料電池系統(tǒng)過程中，在控制電路40處，外部負載5和 功率檢測電路42相連接。當施加外部負載5時，功率被很快地從LIB3 供應(yīng)給外部負載5。這里，所施加的負載設(shè)置為1W。當功率4企測電 路42檢測到從LIB3輸出的電量時，基于由功率檢測電路40 4企測到 的信號來判定LIB3向外部負載輸出0.9W-min或更多(Cl)，檢測 部件40使閥21變成開啟狀態(tài)而燃料被供給燃料電池1。這里，控制 電路40在施加負載之后0.9分4f開啟閥21 。
在向燃料電池1供應(yīng)燃料的狀態(tài)下，當穩(wěn)定狀態(tài)下的外部負載5 的負載等于或小于DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大輸出時，不從LIB3向外部 負載供電。此后，將外部負載5的負載的值設(shè)定為3.05W,該值等于 或大于DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大輸出且被施加2分鐘。在這種情況下， 從DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出最大輸出2.65W,而不足量0.4W從LIB3來輸 出。從LIB3輸出的電量被功率檢測電路42檢測，且該檢測值控制 電路40進行操作和存儲。
其后，當外部負載的負載被降低到1W， 1W的負載等于或小于 DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大輸出2.65W，而用于充電LIB3的輸出可乂人DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出。在這種情況下，通過使用外部負載5為1W時從 DC-DC轉(zhuǎn)換器41的最大輸出減去至外部負載5的輸出量而形成的電
量，控制電路40向ILB3充入當外部負載5是3.05W時ILB3輸出的 電量(圖6的C2)。當外部負載5的1W的負載停止時，當充入LIB3 的電量小于C2時，控制電路40用燃料電池1繼續(xù)產(chǎn)生功率，并繼 續(xù)在不停止向燃料電池1供應(yīng)燃料的條件下對LIB3充電。當控制電 路40確定充入LIB3的電量達到C2時，控制電路40使閥21變成關(guān) 閉狀態(tài)而停止向燃料電池1供應(yīng)燃料。能夠輸出電量Cl的氫殘留在 燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部。在停止向燃料電池1供應(yīng)燃料之后，殘留在燃 料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫被用于在燃料電池1中產(chǎn)生功率以產(chǎn)生Cl的電 量，并且LIB3經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器41、控制電路40、功率檢測電路 42 ^皮充電。當殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫^皮用完而功率不能從 DC-DC轉(zhuǎn)換器中輸出時，控制電路40切斷DC-DC轉(zhuǎn)換器41和功 率檢測電路42之間的電氣路徑，以在連接功率4企測電路42和外部 負載5的狀態(tài)下停止操作燃料電池系統(tǒng)。 (實施例4)
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施例4將說明如下。
通過使用實施例1中所示的燃料電池系統(tǒng)，并類似地通過基于Cl 將殘留在燃料電池內(nèi)部的燃料消耗到0.9W.min來構(gòu)成燃料電池提供 的功率Cl,電氣路徑的通斷和閥21的控制由控制電路40來執(zhí)行。
通過實際連接燃料電池系統(tǒng)的輸出端和外部負載5來操作燃料電 池系統(tǒng)的方法將參照圖8作如下說明。
如圖8的Fl所示，當外部負載5向燃料電池系統(tǒng)請求功率時， 如F2所示，燃料電池系統(tǒng)用控制單元4從構(gòu)成電能存儲部件3的LIB3 對其供電。在這種情況下，功率檢測電路41通過4企測LIB3的電流 來監(jiān)視LIB3的輸出電量(F3 )。
直到輸出由燃料電池通過消耗殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的燃料所 提供的電量C1或更多電量時，在這種情況下，直到LIB3輸出0.9W.min 或更多的功率為止，LIB3才向外部負載5供電(F4)。
當控制電路40基于功率檢測電路41的信號確定LIB3輸出了 Cl
或更多的功率時，向外部負載5的供電由DC-DC轉(zhuǎn)換器41切換到 燃料電池1的輸出(F5)。這里，當外部負載5的電量請求超過燃 料電池1通過DC-DC轉(zhuǎn)換器提供的最大功率時(F6),即，當DC-DC 轉(zhuǎn)換器 41 的輸出等于或大于2.65W時，功率通過由控制電路40 并聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器41的輸出端和LIB3的輸出端來提供給外部負載 (F7)。其后，當外部負載5的負載功率等于或小于DC-DC轉(zhuǎn)換器 41的最大輸出時(F8),操作返回流程圖的處理F5。
控制電路40形成用于在LIB3向外部負載5供電的過程中輸出 等于或大于C1的功率時來對LIB3充電的電氣路徑(F10)。
當外部負載的功率請求超過DC-DC轉(zhuǎn)換器41的最大輸出時， 充電停止(F12)，操作轉(zhuǎn)到流程圖的處理F7。
當外部負載5請求的功率不超過DC-DC轉(zhuǎn)換器41的最大輸出 并且LIB3的充電空缺容量達到CI (F13)時，充電停止(F14)。執(zhí)行 該流程圖的從F6起的處理，直到停止外部負載5為止。
當外部負載停止時(F15) ， LIB3在不停止燃料電池1的發(fā)電的 條件下被充電(F16)。功率檢測電路41監(jiān)視LIB3的充電量(F17)。 在充電LIB3的過程中，LIB3在不停止燃料供給器的條件下被充電， 直到LIB3的充電空缺容量達到Cl。當LIB3的充電空缺容量達到Cl 時(F18),控制電路傳輸信號給燃料供給器2以關(guān)閉燃料供給器2 的閥(F19)，燃料源的供應(yīng)停止。
燃料電池1通過消耗殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的燃料氫來產(chǎn)生功 率以對LIB3充電。當燃料電池1通過消耗殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部 的燃料氫而產(chǎn)生的輸出未被提供時(F21)，燃料電池1停止對LIB3 充電(F22)。在完成對LIB3充電之后，控制電路40在切斷DC-DC 轉(zhuǎn)換器41和功率檢測電路42之間的電氣路徑并經(jīng)由功率檢測電路42 連接電能存儲部件3和外部負載5的狀態(tài)下，完成對LIB3充電(F23 )。 所以，殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的燃料氫可被可靠地消耗。 (實施例5 )
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施例5將參照圖9說明如下。在 實施例1所示的結(jié)構(gòu)中，發(fā)電通過使用20wty。曱醇水溶液并用直接 曱醇型燃料電池(DMFC)構(gòu)成燃料電池來實現(xiàn)。作為燃料電池1, 燃料電池的6個單個電池準備凈皮串聯(lián)。在構(gòu)成燃料供給器2的過程 中，如圖3所示，燃料電池供給器2由燃料容器20和泵23構(gòu)成， 而燃料電池的全部構(gòu)成如圖9所示。
燃料電池1借助DC-DC轉(zhuǎn)換器而提供的(通過停止操作泵23和 消耗將燃料提供給燃料電池1的狀態(tài)后殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的燃 料)功率容量C1已為約0.3W'min。
類似實施例1,控制電路40由以下各部分構(gòu)成用于加上或減 去輸入到信號輸入端子401的功率檢測電路42的放大器的輸出的操 作電路(盡管未示出)，用于比l^操作電路的操作結(jié)果與先前設(shè)置的 閾值、連通和切斷DC-DC轉(zhuǎn)換器41和功率檢測電路42以及外部負 載5的電氣路徑、生成用于控制以打開和關(guān)閉閥23的比較操作電路， 且先前設(shè)置的閾值才艮據(jù)構(gòu)成電量Cl的0.3W'min進行設(shè)置。形成包 含操作燃料電池系統(tǒng)的步驟的、待售的使用PC的程序，其被下載到 微機并被配置到控制電路40中。 (實施例6 )
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施例6將參照圖IO說明如下。
基于實施例l說明的結(jié)構(gòu)，除了電能存儲部件3之外，將第二電 能存儲部件30加到燃料電池系統(tǒng)中。
第二電能存^f諸部件30充入電量Cl(該電量通過由燃料電池1在 切斷從燃料供給器2向燃料電池1的燃料供應(yīng)后，用殘留在燃料電 池系統(tǒng)內(nèi)部的氫產(chǎn)生功率來由DC-DC轉(zhuǎn)換器41提供)，并在隨后啟 動燃料電池系統(tǒng)的過程中放電。
在第二電能存儲部件30處，需要準備能夠保證等于或大于至少 Cl (0.9W.min)的充電容量的充電電池。在具有4.2V充電電壓的鋰 離子二次電池(LIB)的情況下，需要具有等于或大于214mAh容量
的LIB,在這種情況下，準備了 300mAh的LIB。作為電能存儲部件 3,類似于實施例l,使用了具有4.2V充電電壓和700mAh額定容量 的LIB3。
功率檢測電路401檢測第二電能存儲部件30的電壓值并將其檢 測的值輸出到控制電路410?？刂齐娐?10根據(jù)從功率4企測電路401 輸入的信號進行控制，以連通和切斷上述電氣路徑，并開啟和關(guān)閉 閥21。
在啟動燃料電池系統(tǒng)的過程中，外部負載5和第二電能存儲部件 30經(jīng)由功率檢測電路401通過控制電路410進行連接。當外部負載 5請求功率時，功率被迅速地從電能存儲部件30供應(yīng)到外部負載5。 當從功率檢測電路401到控制電路410的輸入信號等于或小于電能 存儲部件30的下限放電電壓值時，控制電路410釋放外部負載5和 功率4全測電路410之間的連接并通過閥21開始向燃料電池1供應(yīng)燃 料。與此同時，控制電路410將DC-DC轉(zhuǎn)換器41和電能存儲部件3 并聯(lián)到外部負載5。
在開啟閥21的狀態(tài)下以及在向燃料電池1供應(yīng)燃料的狀態(tài)下， 在等于或小于DC-DC轉(zhuǎn)換器41的最大輸出的范圍內(nèi)，電能存儲部 件3被充電到滿充電狀態(tài)。
當電能存儲部件3在停止外部負載5后沒有被滿充電時，燃料繼 續(xù)供應(yīng)給燃料電池l,直到電能存儲部件3被滿充電。
當外部負載被停止并且電能存儲部件3達到滿充電狀態(tài)時，控制 電路410釋放電能存儲部件3的連接，關(guān)閉閥21，停止向燃料電池 1供應(yīng)燃料并連接DC-DC轉(zhuǎn)換器41和功率檢測電路401。第二電能 存儲部件30經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器41、控制電路410和功率檢測電鴻* 401，通過用殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫在燃料電池1中產(chǎn)生電量 Cl來充電。當殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫已用完，而功率不能/人 DC-DC轉(zhuǎn)換器41輸出時，控制電路410切斷DC-DC轉(zhuǎn)換器41和 功率檢測電路401之間的電氣^4圣，并在連接功率^r測電路42和外
部負載5的狀態(tài)下停止操作燃料電池系統(tǒng)。 (實施例7 )
該實施例專用于防止極性逆轉(zhuǎn)等情況，這通過在停止向燃料電池 供應(yīng)燃料之后，并且只有作為燃料電池的單個電池被使用的條件下，
即，根據(jù)第七個實施例，僅燃料電池1的結(jié)構(gòu)不同于第一個實施例 的結(jié)構(gòu)，而其他結(jié)構(gòu)由類似結(jié)構(gòu)組成。因此，將省略附圖和重復的 說明。
燃料電池1的最大輸出是1.62W,而DC-DC轉(zhuǎn)換器41的最大 輸出是1.16W。另外，在停止從燃料供給器2向燃料電池1供應(yīng)燃料 之后，通過用殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的氫在燃料電池1中產(chǎn)生功 率，DC-DC轉(zhuǎn)換器提供的電量Cl是0.45W.min?？刂齐娐繁话惭b了 存有基于圖8所示的流程圖的程序的微機。
外部負載5的負載被設(shè)為1.5W并且從燃料電池系統(tǒng)輸出功率。 在從燃料電池系統(tǒng)輸出功率后約0.3秒，燃料從燃料供給器2供應(yīng)給 燃料電池1。當外部負載在開始從燃料電池系統(tǒng)輸出功率之后2分鐘 被停止時，燃料被繼續(xù)提供給燃料電池1，當大約0.68W.min的電量 充入LIB3時，控制電路關(guān)閉閥21。燃料電池1在其后繼續(xù)發(fā)電，通 過向ILB3充入大約0.45W的電量來完成對燃料電池系統(tǒng)的操作。在 該時間段中，未在燃料電池1中觀察到缺乏燃料造成的極性逆轉(zhuǎn)等 情況，并且劣化燃料電池1的模式可被避免。
另外，當燃料電池由多個電池構(gòu)成時，為防止停止向燃料電池供
成的極性逆轉(zhuǎn)等情況，可以構(gòu)建一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過輸出來自由 多個電池構(gòu)成的燃料電池中的一個電池的輸出、同時切斷向燃料電 池的燃料供應(yīng)，來將功率提供給電能存儲部件。
另外，對于作為電能存儲部件的電能存儲部件或第二電能存儲部 件，它們不限于二次電池、電容器、蓄電器，而可被制成能夠存儲
電能，電能可被轉(zhuǎn)化成機械能以將能量存儲在主彈簧等裝置中。
另外，本發(fā)明不限于這些實施例，而可在不背離主旨的前提下 在實施階段進行改變。此外，這些實施例包括處于各階段的本發(fā)明。 由所公開的多個要素的有關(guān)組合形成的構(gòu)造可得出本發(fā)明。
工業(yè)實用性
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可用作電子裝置的電源，因為其安全性 高，燃料利用率高，所以，其能量密度高并且可提供穩(wěn)定的功率。
權(quán)利要求
1.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其是操作包括連接到燃料供給器的燃料電池、電能存儲部件和連接到所述燃料電池和所述電能存儲部件的控制單元的燃料電池系統(tǒng)的方法，該方法包括在啟動所述燃料電池系統(tǒng)的過程中，開始從所述電能存儲部件向所述控制單元和與所述控制單元連接的外部負載供電的步驟；檢測所述電能存儲部件的放電量的步驟；當所述電能存儲部件的所述放電量達到預定放電量時，開始從所述燃料供給器向所述燃料電池提供燃料的步驟；以及開始從所述燃料電池向所述控制單元供電并中斷從所述電能存儲部件向所述控制單元供電的步驟。
2. 如權(quán)利要求1所述的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，還包括在開 始向所述燃料電池供應(yīng)燃料的步驟之后從所述燃料電池經(jīng)由所述控制單元向所述外部負載供電的步驟；當所述負載請求的功率等于或大于所述燃料電池的最大輸出 時，通過重新開始從所述電能存儲部件經(jīng)由所述控制單元向所述外 部負載供電來檢測所述電能存儲部件的放電量的步驟；以及當所述負載請求的功率少于所述燃料電池的最大功率并且所述 電能存儲部件的放電量等于或大于所述預定值時，從所述燃料電池 經(jīng)由所述控制單元向所述外部負載供電并對所述電能存儲部件充入 所述預定值和所述放電量之間的差額電量的步驟。
3. 如權(quán)利要求2所述的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，還包括 當所述外部負載被停止時，停止對所述燃料電池供應(yīng)燃料的步驟；用殘留在所述燃料電池內(nèi)部的燃料繼續(xù)產(chǎn)生電能的步驟；以及 將由殘留的燃料產(chǎn)生的電能經(jīng)由所述控制單元提供給所述電能 存儲部件的步驟。
4. 如權(quán)利要求2所述的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，還包括，當所述外部負載被停止并且所述電能存儲部件的放電量等于或大于所述預定值時由所述燃料電池產(chǎn)生所述預定值和所述放電量之間的差額電量 并將該電能經(jīng)由所述控制單元提供給所述電能存儲部件的步驟； 停止向所述燃料電池供應(yīng)燃料的步驟；用殘留在所述燃料電池內(nèi)部的燃料繼續(xù)產(chǎn)生電能的步驟；以及 將由殘留的燃料產(chǎn)生的電能經(jīng)由所述控制單元提供給所電能存 儲部件的步驟。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中 在所述用殘留在所述燃料電池內(nèi)部的燃料繼續(xù)產(chǎn)生電能的步驟中， 為繼續(xù)產(chǎn)生電能，電能只由構(gòu)成燃料電池的單個電池產(chǎn)生。
6. —種燃料電池系統(tǒng)，包^^舌 燃料電池；燃料供給器，包括用于盛裝燃料或輔助進行反應(yīng)的催化劑的燃 料容器和連接到所述燃料容器以向所述燃料電池供應(yīng)燃料的閥；電能存儲部件，用于存儲電能和釋放電能；以及 控制單元，包括連接到所述燃料電池以控制所述燃料電池的輸 出的DC-DC轉(zhuǎn)換器，連接到所述電能存儲部件以檢測所述電能存儲 部件的充電和放電量的功率檢測電路，以及連接到所述DC-DC轉(zhuǎn)換 器和所述功率檢測電路以形成所述DC-DC轉(zhuǎn)換器、所述功率檢測電 路和所述外部負載的電氣路徑并開啟或關(guān)閉所述閥的控制電路。
7. 如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制電路是 用于基于所述功率檢測電路檢測到的所述電能存儲部件的充電和放 電量來進行切換以開啟和關(guān)閉所述閥的控制電路。
8. 如權(quán)利要求6或7所迷的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制電 路是用于當燃料從所述燃料供給器提供給所述燃料電池時，通過保 證所述電能存儲部件處的空缺容量等于或大于預定值來為所述電能 存儲部件充電的控制電路。
9. 如權(quán)利要求6至8中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所 述燃料供給器是包含用于盛裝燃料或輔助進行反應(yīng)的催化劑的燃料 容器以及連接到所述燃料容器以提供和切斷對所述燃料電池的燃料 供應(yīng)的泵的燃料供給器。
10. 如權(quán)利要求6至8中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中燃料容器、連接到所述燃料電池以從所述燃料源形成所述燃料電池 的燃料的重整裝置和連接到所述燃料容器和所述重整裝置以提供和 切斷從所述燃料容器到所述重整裝置的所述燃料源的閥的燃料供給 器。
11. 如權(quán)利要求6至8中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述燃料供給器是包含用于盛裝燃料源的燃料容器、連接到所述燃 料電池以基于所述燃料源來形成所述燃料電池的燃料的重整裝置以 及連接到所述燃料容器和所述重整裝置以提供和切斷從所述燃料容 器到所述重整裝置的所述燃料源的泵的燃料供給器。
全文摘要
一種燃料電池電源系統(tǒng)包括燃料電池；燃料供給器，用于向燃料電池供應(yīng)燃料；電能存儲部件，能夠充入和釋放能量；以及控制電路，用于控制為外部負載供電的燃料電池和電能存儲部件及燃料供給器的輸出。本發(fā)明提供了操作該燃料電池電源系統(tǒng)的方法和提高該燃料電池系統(tǒng)安全性的、并通過在停止燃料供給器后去除殘留在燃料電池內(nèi)部的燃料以減少燃料電池中的劣化的燃料電池系統(tǒng)。在為外部負載供電的初始階段并在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部，通過電能存儲部件來供電，且通過使用由燃料電池用停止外部負載之后殘留在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的燃料產(chǎn)生的電能而從燃料電池中輸出的輸出，對電能存儲部件進行充電。
文檔編號H01M8/00GK101103483SQ20068000238
公開日2008年1月9日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者尾崎徹, 巖崎文晴, 柳瀨考應(yīng), 玉地恒昭, 皿田孝史, 讓原一貴 申請人:精工電子有限公司