CN100533827C - 用于控制外设系统的方法和使用该方法的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

用于控制外设系统(或者多个外设装置)的方法以及使用该方法的燃料电池系统。该方法包括：将操作优先级分配给外设装置；存储操作优先级的信息；和通过根据操作优先级使用在小容量电存储装置中所存储的电能来顺序操作外设装置。燃料电池系统包括：多个外设装置；与外设装置电连接的电存储装置；和通过根据操作优先级使用在电存储装置中所存储的电能来顺序操作外设装置的控制器。

Description

用于控制外设系统的方法和使用该方法的燃料电池系统
相关申请的交叉参考
本申请要求于2005年11月10日提交给韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2005-0107748的优先权，在此参考合并其整个内容。
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体地说，本发明涉及用于控制燃料电池的外设系统的方法以及使用该方法的燃料电池系统，其中可以通过顺序启动用于操作燃料电池的外设装置来减少(或者最小化或者防止)不希望的损伤和对电存储装置的寿命与安全的不利影响。
背景技术
燃料电池是通过氢(或者燃料)和氧(或者氧化剂)之间的电化学反应将化学反应能直接转换为电能的发电系统。
根据所使用的电解质类型，可以将燃料电池分类为磷酸燃料电池、熔碳酸盐(molten carbonate)燃料电池、固氧燃料电池、聚合物电解质薄膜燃料电池、碱性燃料电池等。根据相同的基本原理来操作这些燃料电池，但是它们在所使用的燃料类型、操作温度、催化剂、电解质等方面有所不同。
与其他燃料电池相比较，聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)具有相对高的输出特性、较低的操作温度特性以及快速启动和响应特性。因此，可以广泛地将PEMFC用作便携电子设备的移动电源或者汽车的可移动电源，以及诸如用于房屋、公共建筑物之类的固定发电厂之类的分布式电源等。而且，直接甲醇燃料电池(DMFC)与上述PEMFC类似，可以被当作PEMFC类型，但是DMFC可以直接使用液体甲醇燃料。因此，由于DMFC不需要使用转化器(reformer)，所以DMFC在尺寸上可以小于需要转化器的PEMFC。
传统PEMFC(或者DMFC)系统包括用于存储燃料的燃料箱、用于传输燃料的燃料泵、用于压缩和传输空气的空气泵、用于控制系统的控制器以及单元电池堆栈。堆栈(或者燃料电池堆栈或者燃料电池)具有彼此相邻堆栈的几十到几百个单元电池。一个单元电池包括薄膜电极组件(MEA)和堆栈在MEA的任一侧上的分隔器。这里，薄膜电极组件具有彼此附着并且其间带有聚合物电解质薄膜的阴极电极(也称为“空气电极”和“还原(reduction)电极”)以及阳极电极(也称作“燃料电极”或者“氧化电极”)。分隔器包括用于提供燃料(例如，氢)或者氧化剂(例如，氧)的流动通道，并且还作为导体工作以电性串连多个薄膜电极组件(MEA)。在上述结构的系统中，如果将诸如甲醇水溶液之类的液体燃料或者诸如氢气(或者富氢气体)之类的气体燃料提供给堆栈的阳极，并且将诸如大气中的空气或者氧气之类的氧化剂提供给阴极，则堆栈通过将燃料与氧化剂进行电化学反应来产生电力和热。
而且，传统燃料电池系统包括诸如辅助电池、超级电容器之类的具有用于控制其充电/放电的控制器的电存储装置。当燃料电池启动时，电存储装置将电能提供给诸如燃料泵、空气泵、风扇之类的燃料电池外设装置，或者当负载需要过量的电功率时，电存储设备将所充的电能而不是来自燃料电池(或者燃料电池系统的堆栈)的能量提供给负载。因此，包括电存储装置的燃料电池系统能够延长使用时间，并且优化系统响应特性。
但是，在传统燃料电池系统中，选择电存储装置以平滑地将启动电功率提供给为了提高系统的操作效率所安装的燃料电池系统的各种外设装置，并且具有足够的能力以当负载需要过量的电功率时来满足负载的功率需要。在这种情况中，因为电存储装置的重量和体积增加，所以燃料电池系统的重量和体积也增加。
而且，将电存储装置的容量设计得相对较大。也就是说，因为最大瞬间电功率(即，当燃料电池系统启动时在外设装置中消耗的瞬时峰值电功率)可能损坏电存储装置，所以使用相对大的电存储装置来维持(或者负责)外设装置的瞬间峰值电功率。但是，即使这样，瞬时峰值电功率还可能(和/或常常)损坏诸如辅助电池之类的电存储装置。
而且，在使用辅助电池的燃料电池系统的情况中，当辅助电池的剩余容量较小或者启动所需要的时间在启动的时候被延长时，导致辅助电池的过放电，这可能损坏或者破坏辅助电池。因此，在传统燃料电池系统中，应该使用具有比用于燃料电池系统的典型操作所需要的功率量大的功率量的辅助电池。
如上所述，在传统的燃料电池系统中，当燃料电池的外设装置启动时，可能损坏诸如辅助电池或者超级电容器之类的电存储装置，从而不利地影响其安全。因此，需要具有对燃料电池系统的电存储装置的寿命和/或安全不具有不利影响的方案的燃料电池系统。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供用于在启动使用电存储装置的燃料电池系统时，能够减少(或者最小化或者防止)对电存储装置的损坏以及对其寿命和安全的不利影响的操作燃料电池的外设装置的方法。
本发明的另一个方面是提供使用上述用于操作燃料电池的外设装置的方法的燃料电池系统。
本发明的第一实施方式提供燃料电池系统。该燃料电池系统包括：多个外设装置，包括用于将氧化剂提供给燃料电池以通过混合的燃料与氧化剂之间的电化学反应来产生电的氧化剂提供器，用于将高浓度燃料提供给用于存储从燃料电池所排放的液体中回收的未反应燃料和水的混合箱的燃料提供器，以及用于将混合箱中存储的混合燃料供给到燃料电池的燃料供给器；与外设装置电连接的电存储装置；以及通过根据(预先设置的)操作优先级使用电存储装置中所存储的电能来顺序操作外设装置的控制器。
本发明的第二实施方式提供燃料电池系统。该燃料电池系统包括：外设装置，包括用于将燃料提供给燃料电池以通过燃料和氧化剂之间的电化学反应来产生电的燃料提供器；电存储装置，用于将电能提供给外设系统，并且具有比能够维持在整个外设系统启动时所产生的瞬间峰值负载的功率量小的功率量；以及控制器，用于根据(预先设置的)操作优先级使用在电存储装置中所存储的电能来顺序启动外设系统。
本发明的第三实施方式提供用于控制多个外设装置以将燃料和氧化剂提供给燃料电池，并且提供适合操作燃料电池的环境。该方法包括：将操作优先级分配给外设装置；存储操作优先级的信息；和根据操作优先级通过使用在小容量电存储装置中所存储的电能来顺序操作外设装置。
在一个实施方式中，电存储装置包括电池或者超级电容器中的至少一个，而小容量电存储装置是具有比能够维持同时启动所有外设装置时瞬时的峰值负载的功率量小的功率量的电存储装置。这里外设系统包括外设装置。
在一个实施方式中，燃料电池包括用于使用包括氢气作为主要成分的气体燃料或者氢气的聚合物电解质薄膜燃料电池。
在一个实施方式中，上述方法包括步骤用于响应于输入的启动请求信号，以一定时间间隔顺序操作用于湿润(hydrate)燃料电池中的电解质薄膜的增湿器，用于将燃料提供给燃料电池的燃料提供器，以及用于将氧化剂提供给燃料电池的氧化剂提供器。
附图说明
附图和说明书一同说明了本发明的示例实施方式，而且和说明书一起用于解释本发明的原理。
图1示出了根据本发明的第一实施方式的燃料电池系统的框图；
图2示出了根据本发明的第一实施方式的燃料电池系统的变型例子的框图；
图3A、3B、3C和3D示出了根据本发明的第一实施方式的用于操作燃料电池的外设装置的方法的流程图；
图4示出了根据本发明的第一实施方式的对于燃料电池系统可用的控制器的框图；
图5示出了根据本发明的第二实施方式的燃料电池系统的示意图；以及
图6示出了根据本发明的第二实施方式的用于操作燃料电池的外设装置的方法的流程图。
具体实施方式
在下面详细描述中，通过说明的方式示出和描述本发明的特定示例实施方式。本领域的普通技术人员应该理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以用各种方式对所描述的示例实施方式进行修改。因此，应该将附图和描述当作说明性的而不是限制性的。
图1示出了根据本发明第一实施方式的燃料电池系统的框图。
参照图1，燃料电池系统100包括燃料电池(或者燃料电池堆栈)110、氧化剂提供器112、与燃料箱113配对的燃料提供器114、燃料供给器115、混合箱120、电池(或者辅助电池)130、开关部分140和控制器150。
更详细地说，燃料电池110具有堆栈结构，其中将几十到几百个薄膜电极组件(MEA)彼此相邻地进行堆栈并且其间(即在两个MEA之间)带有分隔器。在本发明中，燃料电池可以具有其他合适的结构并且不限于上述的堆栈结构。燃料提供器114将例如高浓度甲醇水溶液的高浓度燃料提供给混合箱120；燃料供给器115将混合箱120中所存储的混合燃料提供给燃料电池110的阳极110a；而且氧化剂提供器112将例如空气、氧气之类的氧化剂提供给燃料电池110的阴极110b。如果将混合的燃料和氧化剂提供给燃料电池110，则燃料电池110通过混合燃料与氧化剂的电化学反应来产生电和热。混合箱120恢复并且存储从燃料电池110释放的阴极出口汽和/或阳极出口汽中回收的液体，例如未反应的燃料和水。
电池130将电能提供给诸如上述的氧化剂提供器112、燃料提供器114和燃料供给器115之类的用于维持燃料电池操作的燃料电池外设装置。这里，电池130的容量小于维持当燃料电池的外设装置启动时所产生的瞬间峰值所需要的容量。将上述电池130描述为由用于控制充电/放电的控制器150所控制的电存储装置的例子，并且在本实施方式中，可以用诸如超级电容器之类的可以被充电电能重复使用的各种电存储装置来代替辅助电池130。
开关部分140通过控制器150的控制电性地并且顺序将辅助电池130连接到燃料电池的外设装置。开关部分140包括用于将辅助电池130顺序连接到燃料电池系统100的各个外设装置的多个开关触点a、b、c。独立装置或者控制器150的一部分的功能部分可以实现开关部分140。
控制器150执行用于响应于输入的启动请求信号顺序地操作燃料电池系统100的外设装置的例程(或者方案)。控制器150包括用于顺序地操作燃料电池的外设装置的机构。用于顺序地操作外设装置的机构包括在存储器或者控制器150中安装的、并且由触发器实现的逻辑电路中预先存储的信息。而且，控制器150使用电平传感器122来检测在混合箱120中所存储的混合燃料的电平，而且还使用从浓度传感器124输入的信息来检测混合燃料的燃料浓度，以便有效地和灵活地考虑(或者处理)燃料电池系统的各种状态。可以使用各种适当的传感器来实现电平传感器122和浓度传感器124。
图2示出了根据本发明第一实施方式的燃料电池系统的变形例子的框图。
参照图2，燃料电池系统100a包括燃料电池110、氧化剂提供器112、与燃料箱113配对的燃料提供器114、燃料供给器115、与水箱116配对的供水器117、混合箱120a、辅助电池130、开关部分140a和控制器150a。
图2的燃料电池系统100a与图1的上述燃料电池系统100基本相同，但是被构造为还包括几个附加外设装置(或者部件)。而且，在下面的描述中，为了避免重复，将不再提供与燃料电池系统100的上述外设装置的描述相同或者类似的部件详细描述。
更具体地描述附加部件，供水器117将水箱116中所存储的水提供给混合箱120a。在一个实施方式中，所述的水是纯水以减小(或者最小化或者防止)水对燃料电池110中的电解薄膜或者电极催化剂等的不利影响。
热交换器118从燃料电池110释放的液体中回收热量并且冷凝未反应的燃料和水。可以由将燃料电池110的阳极110a和/或阴极110b连接到混合箱120a的管道的(可被预定的)位置上安装的风扇来实现热交换器118。在这种情况中，可以将与风扇相邻的一些管道暴露给风扇以增加它们的导热性和/或通风。而且，在一种实施方式中，可以将热交换器118与用于冷凝未反应的燃料和水并且用于释放不需要的气体的收集器(trap)119安装在一起。
由控制器150a来控制燃料电池系统100a的、包括上述供水器117和热交换器118的所有外设装置。特别是，当启动燃料电池系统100a时，控制器150a控制开关部分140a以顺序开通其触点，从而顺序地将在辅助电池130中所存储的电能提供给相应的外设装置。
根据上述结构，燃料电池系统(例如，100或者100a)能够通过减小当燃料电池系统启动时在辅助电池中所需要的瞬间峰值功率来减少(最小化或者防止)对辅助电池的损坏，并且即使当辅助电池的功率量较小时也能够减小辅助电池(例如130)的过放电。
而且，如上所述的燃料提供器、燃料供给器、氧化剂提供器和供水器都包括通过电能进行操作以执行对应功能的装置。例如，装置包括：诸如泵、通风器、吹风机、风扇之类的传输器，用于通过产生(可以被预定的)压力来直接传输液体；或者诸如功率阀之类的控制器，用于通过控制由分离压力所传输的液体的传输路径的开口(或者开口尺寸)来控制液体的供应。
图3A到图3D示出了根据本发明的第一实施方式的用于操作燃料电池的外设装置的方法的流程图。在本发明的一种实施方式中，将用于操作燃料电池的外设装置的方法应用于上述燃料电池系统100或者100a。
参照图3A，用于操作燃料电池的外设装置的方法将操作优先级分配给燃料电池的外设装置，并且存储关于所分配的操作优先级的信息(S10)。之后，当系统启动时控制器响应于启动请求信号顺序地操作燃料电池的外设装置(S20)。根据操作优先级顺序地启动燃料电池的外设装置。
使用上述操作方法的燃料电池系统上所安装的电存储装置具有功率量，将其设置为能够维持(或者满足)瞬时峰值负载、小于传统燃料电池系统上所安装的电存储装置的功率量。因此，根据本发明，可以在尺寸方面使得电存储装置小于传统的电存储装置，从而可以使得燃料电池系统小型化和/或重量轻。
可以构建用于操作燃料电池的外设装置的上述方法，以灵活地处理燃料电池系统的各种状态。也就是说，在一种实施方式中并且参照图3B，用于操作燃料电池系统的外设装置的方法将操作优先级分配给燃料电池的外设装置，并且存储关于所分配的操作优先级的信息(S10)。之后，如果将启动请求信号输入到燃料电池系统的控制器，则控制器响应于启动请求信号感测在混合箱中所存储的混合燃料的电平(S12)。
随后，控制器确定(或者判断)所感测的电平是否在参考电平以下(S14)。参考电平可以参照当由于缺乏在混合箱中存储的混合燃料而(需要)补充燃料和/或水时的电平。因此，控制器可以首先操作供水器以将水提供到混合箱(S16)。然后，控制器可以根据预存的操作优先级顺序地操作燃料电池的其他外设装置(S20)。
而且，用于操作燃料电池的外设装置的方法可以包括用于顺序地操作燃料电池的外设装置的下面过程。参照图3C，控制器首先感测混合燃料的浓度(S21)。随后，控制器确定(或者判断)所感测的浓度是否在参考浓度内(S23)。参考浓度在考虑影响燃料电池系统的能力和/或功能的、诸如燃料的交叉(crossover)之类的燃料(或者堆栈)的特性的情况下，适当地选择混合燃料的浓度。在甲醇水溶液的情况中，根据电解液薄膜的特性而选择具有0.5到6摩尔的范围的甲醇水溶液。
作为上述确定(或者判断)的结果，如果所感测的浓度在参考浓度的范围内，则控制器顺序地以氧化剂提供器、燃料供给器和燃料提供器的顺序来操作每个外设装置(S25)。
在上述步骤(S25)中首先操作氧化剂提供器的原因是，用于操作氧化剂提供器所需要的功率量(或者运行氧化剂提供器所需要的功率)通常大于运行燃料供给器或者燃料提供器所需的功率量。换句话说，如果在操作其他外设装置之前操作氧化剂提供器，则可以减小对诸如辅助电池之类的电存储装置的负担(或者负载)。在氧化剂提供器之后操作燃料供给器的原因是为了快速地操作燃料电池系统。燃料提供器在顺序启动氧化剂提供器和燃料供给器之后启动，以将高浓度的燃料提供到混合箱，从而可以将混合燃料的浓度维持在所期望的浓度。
作为上述确定(或者判断)的结果，如果所感测的浓度不在参考浓度的范围内，则控制器判断所感测的浓度是否在参考浓度之下(S27)。作为该确定(或者判断)的结果，如果所感测的浓度在参考浓度之下，则控制器以燃料供给器、氧化剂提供器和燃料提供器的顺序来顺序地操作燃料电池系统的每个外设装置(S29)。
在步骤(S29)中首先操作燃料供给器的原因是，将混合燃料的浓度上升到所期望的浓度，这是因为提供给燃料电池的混合燃料的浓度较低。以所述顺序来操作氧化剂提供器和燃料供给器的原因是，如上所述操作氧化剂提供器以将空气作为氧化剂提供给燃料电池所需要的功率量，通常大于操作燃料供给器以将混合燃料提供给燃料电池所需要的功率量。
而且，作为上述确定(或者判断)的结果，如果所感测的浓度不低于参考浓度，则该操作过程终止。在使用直接甲醇燃料电池的情况中，混合燃料的浓度上升很少发生，因此设计成不执行用于感测浓度的独立处理。但是，在所感测的浓度高于参考浓度的情况中，将控制器进行设计以产生系统报警和/或首先操作供水器。
上述用于操作燃料电池的外设装置的方法在启动时间被延长而且混合燃料电平被减小的情况下，还包括图3D中所示的过程。
参照图3D，如上所述，控制器根据预设的操作优先级顺序地操作燃料电池的外设装置，之后感测混合燃料的电平以监测混合燃料的电平状态(S30)。控制器确定(或者判断)所感测的电平是否在参考电平之下(S32)。
作为上述确定(或者判断)的结果，如果所感测的混合燃料的电平低于参考电平，则控制器进一步操作热交换器(S34)。热交换器带走高温液体的热能并且将液体中所包括的气态汽和未反应的燃料冷凝为水和液态燃料，以便从燃料电池中释放的未反应的燃料和汽很好地流到混合箱。作为上述确定(或者判断)的结果，如果所感测的混合燃料的电平不低，则设计该操作过程以在热交换的操作停止的状态下终止，假设其在参考电平的范围内。
而且，当系统操作时减小在大多数直接甲醇燃料电池系统中的混合燃料的电平，而且将不描述混合燃料的电平超过参考电平的范围的情况。但是，在混合燃料的电平超过参考电平的范围的情况下，在本实施方式中，例如，可以设计控制器以产生系统警报。
如上所述，用于操作燃料电池系统的外设装置的方法可以根据启动时燃料电池系统的各种状态，来顺序地操作其他外设装置以及热交换器，从而增强电存储装置的安全性并且提高燃料电池系统的可靠性。
图4示出了根据本发明第一实施方式的可以由燃料电池系统使用的(或者适应于燃料电池系统的)控制器的框图。
参考图4，控制器150b控制燃料电池系统的整个操作。为此，控制器150b包括用于存储用于控制燃料电池系统的几个部件的程序的存储器系统157，以及与存储器系统157配对的用于运行(或者操作)程序的处理器151。
更具体地说，处理器151包括用于执行计算的算术逻辑单元(ALU)152、用于临时存储数据或者命令的寄存器153和用于控制系统的操作的控制单元154。处理器151包括具有诸如Digital公司的Alpha；MIPS Technology、NEC、IDT、西门子之类的MIPS；英特尔、Cyrix、AMD和Nexgen的x86；以及摩托罗拉的PowerPC之类的各种架构的一个或多个处理器。
而且，处理器151包括输入级155和输出级156。可以用带有多个比特(或者预定数量比特)的模拟到数字转换器来实现输入级155。可以用数字到模拟转换器和/或输出缓冲器来实现输出级156，用于以适合控制燃料电池系统中的每个部件的信号的形式来输出控制信号、接收从控制单元154输出的信号、以及将所接收的信号发送到对应装置。
具有上述结构的控制器150b从燃料电池系统或者独立的电源160接收功率，经由电压和电流测量装置161来感测燃料电池系统的输出电压和电流，通过电平传感器162感测要存储在混合箱中的混合燃料的电平等，而且通过放大器164感测用于浓度传感器163中所检测到的混合燃料的浓度的电信号。
而且，控制器150b控制，例如，在氧化剂提供器中所包括的第一泵165、在燃料提供器中包括的第二泵166、和在燃料供给器中所包括的第三泵167和诸如热交换器之类的其他外设装置168(设备平衡，(Balance-of-Plant)BOP)等，而且特别是，控制器150b在系统启动时根据存储器系统157中所存储的操作优先级来顺序操作每个外设装置。在这种情况中，处理器151可以控制每个外设装置控制器(未示出)来控制每个外设装置165、166、167、168，或者使用频率直接控制诸如泵之类的外设装置。
存储器系统157包括诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)之类的存储介质形式的高速存储器；诸如软盘、硬盘、磁带、CD-ROM、闪存之类的长期存储介质形式的副存储器；和/或用于通过使用电、磁、光来存储数据的装置，和/或其他存储介质。
而且，存储系统157存储用于系统启动时有效地顺序操作燃料电池系统的外设装置的信息。在一种实施方式中并且如上面参照图3A到3B所述，将这些信息分级分割并且进行存储，以根据燃料电池系统的状态灵活地响应。存储器系统157还存储关于混合燃料的参考浓度和混合燃料的参考电平的信息。
而且，将根据本发明的用于操作燃料电池的外设装置的方法进行设计，以适合于直接甲醇燃料电池系统。但是，还可以将本发明应用于诸如聚合物电解质薄膜燃料电池系统之类的其他类型的燃料电池。
图5示出了根据本发明第二实施方式的燃料电池系统的示意图。
参照图5，聚合物电解质薄膜燃料电池系统200包括用于通过燃料与氧化剂的电化学反应来产生电的燃料电池(或者堆栈)210、用于将燃料提供给燃料电池的阳极的燃料提供器220、用于将氧化剂提供给燃料电池210的阴极的氧化剂提供器230、用于湿润燃料电池210中的电解质薄膜211的增湿器240、以及用于控制燃料提供器220、氧化剂提供器230和增湿器240的操作的控制器(未示出)。
以这样的方式来设计图5的聚合物电解质薄膜燃料电池系统：燃料电池210不使用由独立的转化器提供的转化的气体，而是直接使用包括氢的气态燃料。因此，燃料提供器220变成能够提供氢气(或者富氢气体)的装置，而且燃料是氢气。控制器在这里以与第一实施方式中所描述的方式基本上相同的方式来操作燃料电池系统200。也就是说，控制器在系统启动时根据操作优先级顺序地操作诸如燃料提供器、氧化剂提供器和增湿器之类的每个外设装置。
更加详细地描述上述聚合物电解质薄膜燃料电池系统，燃料电池210包括：薄膜电极组件(MEA)，其包括聚合物电解质薄膜211和分别放置在电解质薄膜211的相对侧上的阳极电极212a、212b和阴极电极213a、213b；和分隔器215、215a、215b，其串联多个薄膜电极组件，并且将燃料和氧化剂分别提供给阳极电极212a、212b、212c和阴极电极213a、213b、213c。而且，燃料电池210包括放置在电解质薄膜211和分隔器215、215a、215b之间的密封圈(gasket)214；一对端板216，用于提供(可以是预定的)啮合(engaging)压力给薄膜电极组件的堆栈结构和分隔器215、215a、215b；以及啮合机构217，用于啮合(和/或结合)所述一对端板216。
更详细地说，薄膜电极组件通过导致燃料和氧化剂的氧化与还原反应来产生电能。阳极电极包括用于将燃料转换为电子和氢离子的催化剂层212a，和用于平滑地移动燃料和二氧化碳并且用于移动电子的扩散层212b。阴极电极包括：催化剂层213a，用于通过还原反应将诸如大气中的氧气之类的氧化剂转换为电子和氧离子；以及扩散层213b，用于平滑地移动空气并且用于平滑地释放所产生的水。电解质薄膜211是带有范围从50到200μm的厚度的固态聚合物电解质，并且具有用于将阳极电极的催化剂层212a中所产生的氢离子移动到阴极电极的催化剂层213a的离子交换功能。在一种实施方式中，阳极电极或者阴极电极的扩散层212b或者213b包括用于将燃料或者氧化剂向催化剂层212a或者213a进行分布或者提供的多微孔层212c或者213c，并且多微孔层212c或者213c覆盖在扩散层212b或者213b的表面上。
更加详细地描述每种成分，根据一种实施方式的电解质薄膜211包括从包括下面物质的组中挑选的至少一种氢离子导体聚合物：基于全氟代(perfluoro-based)的聚合物、基于苯并咪唑(benzimidazole-based)的聚合物、基于聚酰亚胺(polyimide-based)的聚合物、基于聚醚酰亚胺(polyetherimide-based)聚合物、基于聚苯硫醚(polyephenylensulfide)的聚合物、基于聚砜(polysulfone)的聚合物、基于聚醚砜(polyethersulfone)的聚合物、基于聚醚酮(polyetherketon)的聚合物、基于聚醚-醚酮(polyether-etherketon)的聚合物、基于聚苯喹喔啉(polyphenylquinoxaline)的聚合物以及其组合。所选择的氢离子导电性聚合物应该具有较高的氢离子导电性。在一种实施方式中，电解质薄膜211包括从包括下面物质的组中选择的至少一种氢离子导体聚合物：四氯乙烯(tetrafluoroethylne)和氟代烯基醚(fluorovinylether)的共聚物，包括聚(全氟代磺酸(perfluorosulfonic acid))、聚(perfluorosulfonic acid)和磺酸基(sulfonic group)、脱氟聚醚酮硫化物(defluorinated polyetherketon sulfide)、芳酮(aryl keton)、聚(2，2′-(间-亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑)(聚(2，2′-(间-亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑))和聚(2，5′-苯并咪唑)及其组合。
在一种实施方式中，催化剂层212a、213a包括从包括下面物质的组中选择的至少一种金属催化剂：铂、钌、锇、铂钌合金、铂锇合金、铂钯合金、铂M合金(M是从包括下面物质的组中选择的至少一种过渡(transition)金属：Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及其组合)以及其组合。而且，催化剂层212a、213a可以包括从包括下面物质的组中选择的至少一种过渡金属：铂、钌、锇、铂钌合金、铂锇合金、铂钯合金、以及铂M合金(M是从包括下面物质的组中选择的至少一种过渡金属：Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)，其在载体(carrier)中被支持。作为载体，可以使用带有适当导电率的任何物质；但是，在一种实施方式中，使用碳载体。
提供扩散层212b、213b来均匀地扩散燃料、水、空气等；收集所产生的电；和/或防止催化剂层212a、213a通过液体而损失。可以用诸如碳步、碳纸之类的碳基底来实现扩散层212b、213b。
在一种实施方式中，多微孔层212c、213c包括从包括下面物质的组中选择的至少一种碳物质：石墨、碳纳米管(carbon nano tube，CNT)、富勒烯(C60)、活性炭、火成炭(vulcan)、Ketjenblack、碳黑和碳纳米角(carbon nano horn)，并且还可以包括从包括下面物质的组中选择的至少一种粘合剂(binder)：聚(全氟磺酸(perfluorosulfone acid))、聚(四氯乙烯)、氟化乙烯-丙烯及其组合。
分隔器215、215a、215b作为导体工作以电性串连相邻的薄膜电极组件，并且作为路径工作以将薄膜电极组件的氧化反应和还原反应所需要的燃料和氧化剂提供给阳极和阴极。分隔器215、215a、215b包括在阳极215a的侧面上的单板、在阴极215b的侧面上的单极板、以及在阳极215a的侧面上的单板和在阴极215b的侧面上的单板之间的至少一个双极板。用双极板215将阳极215a的侧面上的单板和阴极215b的侧面上的单板进行结合。
密封圈214、端板216和啮合机构217用于气密地将一个或多个薄膜电极组件与分隔器的堆栈结构耦合，并且可以使用各种适当的材料，具有各种适当的形状和结构。
图6示出了根据本发明的第二实施方式的用于操作燃料电池的外设装置的方法的流程图。
参照图6，用于操作燃料电池系统的外设装置的方法分配操作优先级，并且存储关于所分配的操作优先级的信息(S40)。
之后，控制器响应于对燃料电池系统的启动请求，根据操作优先级来顺序操作燃料电池系统的外设装置。然后首先操作增湿器以湿润电解质薄膜(S42)。随后，操作氧化剂提供器(S44)。然后，操作燃料提供器(S46)。
在燃料提供器之前操作氧化剂提供器的原因是，在大多数燃料电池系统中，将用于提供空气给燃料电池的例如空气泵之类的氧化剂提供器进行设计，以需要比用于提供燃料的燃料提供器所需要的功率量更大的功率量(或者消耗更多的电功率)。因此，在湿润电解质薄膜之后并且在燃料提供器之前启动氧化剂提供器，从而可以减小对电存储装置的起始负担。
因此，在根据本发明的实施方式耦合有电存储装置的燃料电池系统中，通过减少(或者最小化或者防止)当系统启动时在电存储装置中所产生的不期望的损坏和不利影响，来提高电存储装置的寿命和安全。
而且，在上述实施方式中，已经解释了电存储装置的功率量小于当启动燃料电池的所有外设装置时能够维持(或者满足)瞬时峰值负载的功率量。但是，在一种实施方式中，可以将本发明的电存储装置的容量实现为小于当同时启动至少两个或更多个外设装置时维持(或者满足)瞬时峰值负载所需要的容量。
如上所述，根据本发明，燃料电池系统减小(最小化或者防止)当燃料电池系统启动时为了提供启动电功率给燃料电池的外设装置而在电存储装置中可能产生的不期望的损坏和不利影响，从而可以扩展电存储装置的寿命和安全。此外，可以提高使用电存储装置的燃料电池系统的可靠性。
虽然已经结合特定示例实施方式描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，本发明并不限于所公开的实施方式，相反地，本发明试图覆盖在所附权利要求及其等效物的精神和范围内所包括的各种变形。

Claims (24)

1.一种燃料电池系统，包括：
多个外设装置，包括：
氧化剂提供器，用于将氧化剂提供给燃料电池以通过混合燃料与氧化剂之间的电化学反应来产生电，
燃料提供器，用于将高浓度燃料提供给用于存储从燃料电池所排放的液体中回收的未反应燃料和水的混合箱，以及
燃料供给器，用于将存储在混合箱中的混合燃料供给到燃料电池；
电存储装置，与外设装置电连接；以及
控制器，通过根据操作优先级使用电存储装置中所存储的电能来顺序操作外设装置，
其中，电存储装置具有比能够维持在外设装置同时启动时所产生的瞬时峰值负载的功率量小的功率量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中控制器响应于输入的启动请求信号来感测混合燃料的浓度，而且当浓度在参考浓度范围内时在操作燃料供给器之前操作氧化剂提供器。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中控制器响应于输入的启动请求信号来感测混合燃料的浓度，而且当浓度在参考浓度之下时操作燃料供给器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中外设装置还包括用于将水提供给混合箱的供水器，而控制器响应于输入的启动请求信号通过耦合到混合箱的电平传感器来感测混合燃料的电平，并且当所感测的混合燃料的电平在参考电平之下时首先操作供水器。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中外设装置还包括用于从燃料电池中释放的液体中回收热并且用于冷凝未反应的燃料和水的热交换器，其中控制器感测混合燃料的电平并且当所感测的混合燃料的电平在参考电平之下时首先操作热交换器。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括开关部分，用于将电存储装置与外设装置电连接，其中控制器对开关部分进行控制。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中控制器包括在存储器中存储的程序和用于运行程序并且耦合到存储器的处理器，其中还将操作优先级存储在存储器中，而且处理器响应于输入的启动请求信号根据在存储器中所存储的操作优先级来控制开关部分。
8.一种燃料电池系统，包括：
外设系统，包括用于将燃料提供给燃料电池以通过燃料和氧化剂之间的电化学反应来产生电的燃料供给器；
电存储装置，用于将电能提供给外设系统，并且具有比能够维持在整个外设系统启动时所产生的瞬间峰值负载的功率量小的功率量；以及
控制器，用于通过根据操作优先级使用在电存储装置中所存储的电能来顺序启动外设系统。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中外设系统还包括用于将氧化剂提供给燃料电池的氧化剂提供器、用于冷却燃料电池的冷却器、和用于湿润燃料电池中的电解质薄膜的增湿器。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中控制器响应于输入的启动请求信号以一定时间间隔顺序地操作增湿器、燃料供给器和氧化剂提供器。
11.根据权利要求8所述的燃料电池系统，还包括用于连接电存储装置和外设系统的开关部分，其中开关部分具有多个开关触点并且由控制器进行控制以被顺序地接通和断开。
12.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中燃料包括氢气或者包含氢气作为主要成分的气体燃料。
13.一种用于控制多个外设装置以将燃料和氧化剂提供给燃料电池并且提供适合操作燃料电池的环境的方法，该方法包括：
将操作优先级分配给外设装置；
存储操作优先级的信息；和
通过根据操作优先级使用在小容量电存储装置中所存储的电能来顺序操作外设装置，其中该小容量电存储装置是具有比能够维持在外设装置同时启动时的瞬时峰值负载的功率量小的功率量的电存储装置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该电存储装置包括电池和超级电容器中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的方法，其中外设装置包括：用于将氧化剂提供给燃料电池的氧化剂提供器、用于将燃料和水的混合燃料供给到燃料电池的燃料供给器、和用于将高浓度燃料提供给存储该混合燃料的混合箱的燃料提供器。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于输入的启动请求信号来感测混合燃料的电平。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括当混合燃料的电平在参考电平之下时，操作供水器以首先将水提供给混合箱。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于输入的启动请求信号来感测混合燃料的浓度。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括当所感测的混合燃料的浓度在参考浓度之下时，以一定的时间间隔顺序操作燃料提供器、氧化剂提供器和燃料供给器。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括当所感测的混合燃料的浓度在参考浓度范围内时，以一定时间间隔顺序操作氧化剂提供器、燃料供给器和燃料提供器。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括当混合燃料的电平在参考电平之下时，操作热交换器以回收从燃料电池中释放的液体的热能。
22.根据权利要求13所述的方法，其中燃料电池包括用于直接使用包括氢的液体燃料的直接甲醇燃料电池。
23.根据权利要求13所述的方法，其中燃料电池包括使用氢气或者包含氢气作为主要成分的气体燃料的聚合物电解质薄膜燃料电池。
24.根据权利要求23所述的方法，其中顺序操作外设装置包括响应于输入的启动请求信号，以一定的时间间隔顺序操作用于湿润燃料电池中的电解质薄膜的增湿器、用于将燃料提供给混合箱的燃料提供器、用于将燃料供给到燃料电池的燃料供给器、和用于将氧化剂提供给燃料电池的氧化剂提供器。
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