CN101375452A - 停止燃料电池系统发电的方法及包括发电停止单元的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于停止燃料电池系统发电的方法，该燃料电池系统包括：燃料电池，具有燃料电极和氧化剂电极；燃料容器；和燃料流路，用于将燃料从燃料容器提供给燃料电池，其能够在燃料电池的操作停止状态期间抑制燃料电极与氧化剂电极之间的压力差，在燃料电池的操作停止状态期间，所述方法包括以下步骤：停止将燃料从燃料容器提供给燃料电池；通过将燃料电极与氧化剂电极之间短路或在燃料电极与氧化剂电极之间连接负载来消耗燃料流路中的残留燃料；以及向大气开放燃料流路。

Description

停止燃料电池系统发电的方法及包括发电停止单元的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于停止燃料电池系统发电的方法以及包括发电停止单元的燃料电池系统。
背景技术
近来，移动电子设备(诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、笔记本个人计算机、数字相机或数字摄像放像机)变得多功能化，它们的信息处理量在增加，这导致较大的功耗。
因此，非常需要所安装的电池具有较大的能量密度。
燃料电池将通过氢与氧的化学反应获得的化学能直接转换为电能。
氢本身的能量密度是高的，而氧从外部空气获得，因此，在阴极侧不必预先提供活性材料。因此，与传统的燃料电池相比，可动态地增加每单位体积/每单位质量的能量容量。
在此之中，高分子燃料电池(polymer electrolyte fuelcell，PEFC)适合安装在便携式电子设备上，这是因为它具有高的处理能力，在低温下被激励，并实现快速的开始/停止等。
高分子燃料电池主要包括：质子导电高分子电解质膜(protonconductive polymer electrolyte membrane)；和一对电极，设置在高分子电解质膜的两侧。
所述电极包括：催化剂层，由铂或铂族金属催化剂制成；以及气体扩散电极，形成在催化剂层的外表面以提供并收集气体。
通过将电极与高分子电解质膜集成而获得的部件称为膜电极组件(MEA)。燃料(氢)被提供到所述电极中的一个，氧化剂(氧)被提供给所述电极中的另一个，由此执行发电。
此时，生成水，作为发电的产物。阳极和阴极中的反应式如下：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O
一个膜电极组件组的逻辑电压大约为1.23V。在正常操作状态下，通常在逻辑电压大约为0.7V时使用所述膜电极组件。因此，当需要较高的电动电压时，将多个电池单元堆叠，以电的方式串联以供使用。
如上所述的堆叠结构被称为燃料电池堆。通常，在燃料电池堆中，通过称为分离件的部件将氧化剂流路与燃料流路彼此分离。
存在各种类型的燃料，作为用于燃料电池的燃料。采用直接提供诸如甲醇的液态燃料的方法、提供纯氢的方法、通过对液态燃料进行改性(reform)来提供氢的方法。
对于便携式电子设备，提供氢的方法是优选的，因为输出高，并且氢提供方法具有缩小尺寸的优点。
在高分子燃料电池中，在用于将燃料电池的输出端子与负载彼此连接的电路处于打开状态的状态下，当燃料和氧化剂有残留时，所述燃料由于燃料流经高分子电解质膜(交叉泄漏)的现象而引起催化燃烧，这导致燃料电池的劣化。
此外，已知的是：当燃料和氧化剂有残留以造成燃料电极与氧化剂电极之间的电势差时，会促使诸如催化剂和电解质的成分的劣化。
为了防止劣化，在停止燃料电池时，需要一种用于快速消除剩余燃料和氧化剂的单元。
在传统技术中，为了防止劣化，第H07-272740号特许公开日本专利申请公开了一种在停止燃料电池时使用惰性气体(氮)来净化(purge)气体流路内部的方法。
然而，在这种方法中，有必要在燃料电池系统中安装容器，用来存储惰性气体。
在这种情况下，作为获得惰性气体的方法，第2002-50372号特许公开日本专利申请公开一种通过使用氢燃烧室将氢与空气反应来获得用于净化的惰性气体的方法。
此外，第H08-255625号特许公开日本专利申请公开了一种通过在净化之后消耗燃料电池发电的残留气体而将燃料电池的端子之间的电压减小到等于或小于预定电压的方法。
此外，第2003-317770号特许公开日本专利申请公开了一种具有如下结构的燃料电池系统，其中，在停止燃料电池之后，通过切断燃料气体的分送并将端子短路，阳极中的燃料被消耗。
此外，在大的燃料电池系统中，在许多情况下，所提供的流通的燃料量等于或大于在发电中消耗的燃料量。另一方面，在用于小型电子设备的燃料电池系统中，在许多情况下，采用这样一种系统，其中，燃料流路是闭塞的(dead ended)，只提供消耗的燃料量。
应注意：在这种情况下，出现的问题在于：杂质在燃料流路中积累，所以发电性能随时间流逝而下降。
因此，通常，在流路中设置净化阀，以便周期性地执行净化操作。
具体说来，第6423437号美国专利公开了这样一种技术：在闭塞的小型燃料电池中，不使用主动净化阀，而通过被动的机制来净化燃料流路，从而防止发电性能的下降。
泄放阀也称为安全阀，这种阀在流路中的压力超过预定压力时被打开以向外部泄放压力。
泄放阀的具体结构在第H06-94147号特许公开日本专利申请中示出。
同时，止回阀是一种具有允许流体仅沿着一个方向流动并防止流体沿相反方向流动的功能的阀。
止回阀的具体结构在第H05-126267号特许公开日本专利申请中示出。
然而，在上述的传统技术中，提供一种具有以下结构的燃料电池系统，其中：所提供的气体量等于或大于其在发电中消耗的量，所提供的气体在流路中流通。
这些包括主动控制的排除单元或排出单元，所以存在导致系统尺寸增加的问题。
此外，在电阻被连接到燃料电池的燃料电极和氧化剂电极以消耗剩余气体的情况下，当没有执行净化时，燃料流路或氧化剂流路中的压力变为负压，从而引起燃料电极与氧化剂电极之间的压力差在很大程度上波动。
因此，存在加剧机械劣化或泄漏的问题。
相反，当执行净化时，存在的问题在于：未反应的燃料可能被泄放到系统的外部。
此外，在多个燃料电池单元串联(堆叠)使用的情况下，出现下列问题。
也就是说，在燃料电池处于接近燃料电池的发电性能极限(其中，端子被短路)的状态下的操作中，存在出现极性反转的情况，其中，一个燃料电池单元被强制性地施加有其它燃料电池单元的电压，从而造成燃料电池的劣化。
此外，在用于便携式电子设备的小型燃料电池系统中，作为氧化剂气体，通过自然扩散来提供空气中的氧，将作为燃料气体的氢的压力设置为稍大于大气压力，由此允许氢被引入燃料流路并扩散。
燃料流路具有闭塞机制，其为非流通系统，具有用于氢的入口和出口，出口基本上是关闭的。在许多情况下，使用仅装有所消耗的燃料量的系统。
此外，为了减小尺寸，期望尽可能地省略不必要的配件。
因此，期望通过置换(replace)燃料流路中的空气来代替引入惰性气体，而防止产生燃料电极(作为阳极)与氧化剂电极(作为阴极)之间的电势差。
在这种情况下，需要在不使用用于控制排除和排出的控制器的情况下，执行自动控制，从而实现燃料流路中的快速空气置换并防止未反应的燃料泄放到系统的外部。
此外，需要一种快速消除阳极与阴极之间的压力差的结构。在上述第6423437号美国专利中公开的技术不能完全满足这些要求。
发明内容
本发明涉及一种具有以下结构的燃料电池系统，其中，在不使用惰性气体的情况下，用空气置换燃料流路的内部，从而在操作的停止状态期间抑制阳极与阴极之间的压力差，并能够抑制燃料电池的劣化和实现缩小尺寸。本发明还涉及一种用于停止燃料电池系统发电的方法。
此外，本发明涉及一种燃料电池系统以及用于停止燃料电池系统发电的方法，所述燃料电池系统能够在上述空气置换时，在操作的停止状态期间快速消除阳极与阴极之间的压力差。
根据本发明，提供一种用于停止燃料电池系统发电的方法，该燃料电池系统包括：燃料电池，具有燃料电极和氧化剂电极；燃料容器；和燃料流路，用于将燃料从燃料容器提供给燃料电池，其能够在燃料电池的操作停止状态期间抑制燃料电极与氧化剂电极之间的压力差，在燃料电池的操作停止状态期间，所述方法包括以下步骤：
停止将燃料从燃料容器提供给燃料电池；
通过在燃料电极与氧化剂电极之间短路或在燃料电极与氧化剂电极之间连接负载来消耗燃料流路中的残留燃料；以及
向大气开放燃料流路。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：在停止提供燃料的步骤、消耗残留燃料的步骤以及向大气开放燃料流路的步骤中，首先执行停止提供燃料的步骤。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：在消耗残留燃料的步骤以及向大气开放燃料流路的步骤中，首先执行消耗残留燃料的步骤。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：当由于在消耗残留燃料的步骤中残留燃料的消耗，使得燃料流路中的压力相对于大气压力变为负压时，开始向大气开放燃料流路。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：当燃料电池的电动势变得等于或小于预定值时，开始向大气开放燃料流路。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：当燃料流路中的压力变得等于或小于预定值时，开始向大气开放燃料流路。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：当在消耗残留燃料的步骤和向大气开放燃料流路的步骤中首先执行消耗残留燃料的步骤，并且预定时间段过去时，开始向大气开放燃料流路。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：通过关闭在燃料流路中设置的燃料供给阀或者解除燃料容器与燃料电池之间的连接来执行停止提供燃料。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：通过打开给燃料流路提供的流路开口，解除燃料容器与燃料电池之间的连接，或操作通过大气的媒介作用给燃料流路提供的负压操作阀，来执行向大气开放燃料流路。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：将燃料电极与氧化剂电极之间短路或在燃料电极与氧化剂电极之间连接负载的步骤至少持续直到燃料电池的电动势变得等于或小于预定值。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：将燃料电极与氧化剂电极之间短路或在燃料电极与氧化剂电极之间连接负载的步骤至少持续直到预定时间段过去。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：燃料电池包括燃料电池堆，其具有彼此堆叠的多个燃料电池单元；以及在每个燃料电池单元的燃料电极与氧化剂电极之间或者在燃料电池堆的输出端子之间，执行燃料电极与氧化剂电极之间的短路或者燃料电极与氧化剂电极之间的负载连接。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：氧化剂电极包括向大气开放的流路。
此外，根据本发明，用于停止燃料电池系统发电的方法的特征在于：燃料电池的一端包括燃料入口，用于提供燃料，燃料电池的另一端包括流路开口，用于在向大气开放燃料流路的步骤中向大气开放燃料流路；流路开口至少在正常发电期间关闭。
此外，根据本发明，一种燃料电池系统的特征在于，所述系统包括：
燃料电池，具有燃料电极和氧化剂电极；
燃料容器；
燃料流路，用于将燃料从燃料容器提供给燃料电池；
燃料供给控制单元，其设置在燃料电池与燃料容器之间的燃料流路中，用于控制燃料的提供；
燃料消耗单元，用于提供电阻而将燃料电池的燃料电极和氧化剂电极彼此连接；以及
用于向大气开放燃料流路的单元，其设置在燃料电池系统中。
此外，根据本发明，燃料电池系统的特征在于：用于向大气开放燃料流路的单元包括给燃料流路提供的流路开口。
此外，根据本发明，燃料电池系统的特征在于：用于向大气开放燃料流路的单元包括允许大气由于燃料容器与燃料电池之间的连接断开而流入燃料流路的单元。
此外，根据本发明，燃料电池系统的特征在于：用于向大气开放燃料流路的单元包括负压操作阀，其通过大气的媒介作用而提供给燃料流路，当燃料流路中的压力等于或高于大气压力时，负压操作阀处于关闭状态，当燃料流路中的压力小于大气压力时，负压操作阀处于打开状态。
此外，根据本发明，燃料电池系统的特征在于：负压操作阀被构造成使得流体仅沿着一个方向从空气侧流向燃料流路侧。
此外，根据本发明，燃料电池系统的特征在于：通过低于大气压力的预定压力来打开负压操作阀。
本发明的其他特点将通过以下参照附图对示例性实施例的描述而变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例1的燃料电池系统的示意性结构的示图。
图2是用于解释根据本发明实施例1的用于停止燃料电池系统发电的第一方法的流程图。
图3是用于解释根据本发明实施例1的用于停止燃料电池系统发电的第二方法的流程图。
图4是示出根据本发明实施例2的第一燃料电池系统的示意性结构的示图。
图5是用于解释根据本发明实施例2的用于停止燃料电池系统发电的第一方法的流程图。
图6是示出根据本发明实施例2的第二燃料电池系统的示意图。
图7是用于解释根据本发明实施例2的用于停止燃料电池系统发电的第二方法的流程图。
图8是示出根据本发明实施例3的燃料电池系统的示意性结构的示图。
图9是用于解释根据本发明实施例3的用于停止燃料电池系统发电的方法的流程图。
图10是示出根据本发明实施例4的燃料电池系统的示意性结构的示图。
图11是示出根据本发明实施例5的燃料电池系统的示意性结构的示图。
图12是用于解释根据本发明实施例的第一残留燃料消耗方法的示意图。
图13是用于解释根据本发明实施例的第二残留燃料消耗方法的示意图。
图14是示出本发明的燃料电池安装在数字相机上的结构的示意性透视图。
具体实施方式
将参照附图详细描述本发明的实施例。
在本发明中，“燃料电池的操作停止”表示停止燃料电池系统发电时的一个步骤，并且包括：停止燃料供给的步骤、消耗残留燃料的步骤和向大气开放的步骤。后面将解释这些步骤的细节。当燃料电池系统的发电停止时，除了“燃料电池的操作停止”步骤之外，还可以有其他步骤，诸如，将发电停止信号从燃料电池系统发送到外部的步骤，以及显示估计的直到发电停止结束的时间的步骤。
(实施例1)
在实施例1中，将描述应用本发明的燃料电池系统以及用于停止燃料电池系统发电的方法。
图1是示出根据所述实施例的燃料电池系统的示意图。
在图1中，设置有燃料电池1、燃料槽2、燃料供给阀3、流路开口4、输出端子5、开关6、驱动状态检测机构8。
在根据该实施例的燃料电池系统中，燃料被存储在燃料槽2中，以便通过燃料流路提供给燃料电池1。
例如，氢可用作燃料。在用贮氢合金等装入燃料槽2的情况下，与其他氢提供方法相比，能够在更低的压力下以更加有效的方式来存储氢。
此外，在燃料流路中，设置有：燃料供给阀3，用于控制将燃料从燃料槽2提供给燃料电池1；和流路开口4，用于向大气开放燃料流路。
另一方面，作为氧化剂，可通过自然扩散经由气孔吸入大气。通过输出端子5将产生的电功率提供给外部设备。
接下来，将描述该实施例的发电停止方法。
图2是用于解释根据该实施例的第一发电停止方法的流程图。
首先，在燃料电池的发电期间，燃料供给阀3处于打开状态，因此，燃料被提供给作为阳极的燃料电极，并且通过面向作为阴极的氧化剂电极的通气孔来提供大气。
当驱动状态检测机构8从安装有燃料电池系统的设备接收到用于燃料电池的发电停止命令时，首先，燃料供给阀被关闭，以停止提供燃料。
接着，流路开口4被打开，以降低燃料流路中燃料的浓度。
此外，如图12所示，开关6被关闭，由此将燃料电池短路，或者通过负载执行发电，并消耗流路中的残留燃料。
残留燃料的消耗持续到至少预定时间过去或者燃料电池的输出端子之间的电压变为等于或小于特定电压(例如，10mV)。然而，短路或负载连接可持续到再次开始发电。
此外，为了减少燃料流路中燃料的浓度而打开流路开口4的时刻可以是当燃料电池的电动势等于或小于预定值时。
此外，为了减少燃料流路中燃料的浓度而打开流路开口4的时刻可以是当燃料流路中的压力等于或小于预定值时。
通过将流路开口4设置为当燃料流路中的压力变为负压时打开，流路中的残留燃料不会排到燃料电池系统的外部。因此，向大气进行泄放而引起的阳极内部的压力改变是小的，从而负载相对于各部件比较小，从而所述设置合乎期望的。此外，通过将流路开口4设置为当燃料流路中的压力变为低于大气压力的预定值时打开，阳极中的残留燃料量变得更小。因此，由于催化燃烧而导致的部件劣化被进一步抑制。因此，所述设置合乎期望的。
此外，为了减少燃料流路中燃料的浓度而打开流路开口4的时刻可以是当燃料电池的电极被短路或被连接到负载之后过去预定时间时。
此外，当根据该实施例的燃料电池通过被安装到诸如图14所示的数字相机的电子设备中而使用时，存在在短时间段内重复发出发电请求和发电停止请求的情况。
因此，当仅在发出发电停止命令之后的预定时间段内没有发电请求的情况下采用根据本发明的发电停止方法时，可防止燃料的浪费，并且可提高负载响应。
此外，为了消耗燃料流路中的残留燃料，燃料电池的短路或连接到负载不仅可以在如图12所示的燃料电池的输出端子之间执行，而且可以在下面的结构中执行。
也就是说，在燃料电池包括具有多个燃料电池单元37的燃料电池堆38的情况下，当堆叠的燃料电池单元37的数量大，燃料流路中燃料的浓度高，或者所施加的负载小时，可能出现一部分燃料电池单元的极性反转。应注意，设置有开关6(36)。
在这种情况下，对于如图13所示的每个单独的燃料电池单元执行通过短路或负载来进行燃料电池的发电是有效的。应注意，与图12相同的标号指示相同的部件。
此外，在该实施例中，可采用与第一发电停止方法的模式不同的发电停止方法。
图3是用于解释根据该实施例的第二发电停止方法的流程图。
根据所述发电停止方法，在执行通过短路或负载进行的燃料电池发电之后，流路开口4被打开，以允许燃料流路暴露于大气，由此消除阳极与阴极之间的压力差。
因此，执行通过短路或负载来进行的燃料电池的发电，从而消耗流路中的残留燃料，然后，流路开口4被打开，由此，防止未反应的燃料泄放到外部。
此外，根据这种方法，可以防止由于由从外部进入的氧以及燃料在阳极催化剂附近引起的催化燃烧而产生的燃料电池的劣化，这更是所期望的。
(实施例2)
在实施例2中，将描述根据不同于实施例1的模式的燃料电池系统以及用于停止燃料电池系统发电的方法。
图4是示出根据该实施例的第一燃料电池系统的示意图。
在图4中，提供燃料电池侧燃料供给端口101(通常打开)和燃料槽侧燃料供给端口102。应注意：相同的标号指示与图1相同的部件，将省略对这些部件的多余描述。
根据该实施例的燃料电池系统具有如实施例1的结构，其中，燃料槽2中存储有将通过燃料流路提供给燃料电池1的燃料。
通过连接件将燃料槽与燃料电池连接，燃料槽侧燃料供给端口102的耦接在连接件连接时处于打开状态，在连接件断开连接时处于关闭状态(通常关闭)。
另一方面，燃料电池侧燃料供给端口101的耦接总是打开(通常打开)。
接着，将描述根据该实施例的发电停止方法。
图5是用于解释根据该实施例的第一发电停止方法的流程图。
在图5中，首先，当燃料槽2被连接到燃料电池1时，燃料槽侧燃料供给端口102的耦接被打开，从而燃料被提供给燃料电池1。
在发电期间，燃料被提供给阳极，大气被从面向阴极的气孔提供给阴极。
当从安装有燃料电池系统的设备接收到用于燃料电池的发电停止命令时，首先，燃料槽2从燃料电池1分离，从而停止燃料的提供。
在燃料流路中，大气从燃料电池侧燃料供给端口101流入。
此外，如图12所示，通过关闭设置在燃料电池的输出端子之间的开关6，执行通过短路或负载来进行的燃料电池的发电，从而消耗在流路中的残留燃料。
残留燃料的消耗至少持续直到预定时间过去或燃料电池的输出端子之间的电压变得等于或小于特定电压(例如，10mV)。然而，短路或负载连接可持续直到下次发电开始。
此外，为了减少燃料流路中燃料的浓度而打开流路开口4的时刻可以是当燃料电池的电动势等于或小于预定值时。
此外，为了减少燃料流路中燃料的浓度而打开流路开口4的时刻可以是当阳极中的压力等于或小于预定值时。
此外，为了减少燃料流路中燃料的浓度而打开流路开口4的时刻可以是当燃料电池的电极被短路或连接到负载之后预定时间过去时。
此外，当根据该实施例的燃料电池通过被安装到诸如图14所示的数字相机的电子设备中而被使用时，存在在短时间段内重复发出发电请求和发电停止请求的情况。
因此，当仅在发出发电停止命令之后的预定时间段内没有发电请求的情况下采用根据本发明的发电停止方法时，可防止燃料的浪费，并且可提高负载响应，这合乎期望的。
此外，为了消耗燃料流路中的残留燃料，燃料电池的短路或连接到负载不仅可以在如图12所示的燃料电池的输出端子之间执行，而且可以通过下面的结构来执行。
也就是说，在燃料电池包括具有多个燃料电池单元37的燃料电池堆38的情况下，当堆叠的燃料电池单元37的数量大，燃料流路中燃料的浓度高，或者所施加的负载小时，可能出现一部分燃料电池单元的极性反转。
因此，在这种情况下，如图13所示，期望对于每个单独的燃料电池单元执行通过短路或负载进行的燃料电池的发电。
在该实施例中，可采用根据与第一燃料电池系统的模式不同的结构。
图6是用于解释根据该实施例的第二燃料电池系统的示意性结构的示图。与图4相同的标号指示与图4相同的部件。
在这种模式下，如图6所示，在燃料电池的燃料电池单元与所述耦接之一之间的燃料流路上设置有燃料供给阀3。
在这种情况下，当接收到发电停止命令时，可执行如图5所示的第一发电停止方法，或者可选择地，可执行与其不同的第二发电停止方法。图7是用于解释根据该实施例的第二发电停止方法的流程图。
在图7中，当从安装有燃料电池系统的设备接收到用于燃料电池的发电停止命令时，首先，燃料供给阀3被关闭以停止提供燃料。
接着，通过关闭开关6，通过燃料电池的短路或负载来执行发电，由此消耗流路中的残留燃料。
残留燃料的消耗至少持续直到预定时间过去或燃料电池的输出端子之间的电压变得等于或小于特定电压(例如，10mV)。然而，短路或负载连接可持续直到下次发电开始。
最后，燃料槽2从燃料电池1分离，燃料供给阀3被打开，以向大气暴露燃料流路的内部。
根据第二发电停止方法，防止燃料被泄放到外部，以及可以防止由于由从外部进入的氧以及燃料在阳极催化剂附近引起的催化燃烧而产生的燃料电池的劣化，这更是所期望的。
根据上述实施例1和2的燃料电池系统和用于停止燃料电池系统发电的燃料电池方法，在不使用惰性气体的情况下，可减少在操作的停止状态期间阳极与阴极之间的压力差，并且可抑制燃料电池的劣化以实现缩小尺寸。
(实施例3)
在实施例3中，将通过能够快速消除在操作的停止状态期间阳极与阴极之间的压力差的结构例子来描述燃料电池系统以及用于停止燃料电池系统发电的方法。
图8示出根据该实施例的燃料电池系统的示意图。
在图8中，设置有燃料电池11、燃料槽12、燃料供给控制单元13、燃料消耗单元14和负压操作阀15。
根据该实施例的燃料电池包括：燃料电池11，具有燃料电极和氧化剂电极；燃料槽12，用于通过燃料流路向燃料电池提供燃料；以及燃料供给控制单元13，其设置在燃料电池与燃料槽之间，用于控制燃料的提供。
此外，设置有燃料消耗单元14，用于提供电阻，通过所述电阻，燃料电极与氧化剂电极彼此连接。
此外，设置有负压操作阀15，其被用于将燃料流路与大气分离。当处于燃料流路中的压力等于或高于大气压力的状态时，负压操作阀15处于关闭状态下，当压力低于大气压力时，负压操作阀15处于打开状态下。
燃料电池11包括质子导电高分子电解质(polymer electrolyte)和两个电极，即，用作阳极的燃料电极和用作阴极的氧化剂电极，它们均包括催化剂层和气体扩散层，质子导电高分子电解质夹在催化剂层与气体扩散层之间。
通过自然扩散，氧被提供给氧化剂电极，以及氢燃料被从燃料槽提供给燃料电极。
任何部件可被用于高分子电解质膜，但是期望使用的是全氟磺酸型质子交换树脂膜(perfluorosulfonic acid proton exchange resinmembrane)。
在每个电极中，通过将携带催化剂的粒子(诸如铂黑或携带铂的碳)与有机溶剂(诸如高分子电解液或异丙醇(isopropyl alcohol))相混合来制备催化剂墨。
通过按照喷涂方法、丝网印刷方法、刮刀方法等，在由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)等制成的高分子膜、传导多孔碳电极基底等之上使用所得到的墨来执行膜形成，以制备每一催化剂层。
在每个催化剂层携带催化剂的一侧向内导向高分子电解质膜的各侧的状态下，通过经由传热等施加压力，将获得的催化剂层分别固定到高分子电解质膜的两侧，从而能够获得用于高分子燃料电池的膜电极组件。
作为燃料槽12，可使用任何部件，只要其能够向燃料电池提供氢燃料。
例如，当贮氢合金被装入燃料槽12时，可在较低的压力下以较高的效率存储氢。
此外，可采用这样一种结构，其中，设置有诸如甲醇或乙醇的液态燃料以及它们的改性物，氢被传送到燃料电池。
燃料流路具有以下结构，其中，部件之间的连接部分经过封闭处理，以便不允许从燃料槽提供的氢燃料泄漏到系统外面，从而保持在密封的封闭状态下。
燃料供给控制单元13在驱动时实现将燃料从燃料槽提供给燃料电池，并在停止时通过从设备的一侧接收停止信号来切断燃料的提供。
此外，通过连接件来连接燃料槽与燃料电池。置于连接端口的联接器在连接件被连接时处于打开状态，在连接件断开时处于关闭状态。可采用一种通过在停止时断开燃料槽的连接来切断燃料供给的方法。
在停止时，燃料消耗单元14允许电阻将燃料电池的燃料电极与氧化剂电极彼此连接，从而消耗在燃料流路中残留的燃料。
电阻的连接至少持续直到预定时间过去或燃料电池的电势差变得等于或小于特定电压(例如，10mV)。然而，所述连接可持续到下次发电开始。此外，在燃料电池堆中，会造成堆叠的电池单元的电压变化，因此，可能出现一部分燃料电池单元的极性反转。因此，期望对于每个燃料电池单元执行输出端子之间的连接。
负压操作阀15是一种根据燃料流路中的压力与大气压力之间的关系来打开/关闭的阀。当燃料流路中的压力等于或高于大气压力时，负压操作阀15处于关闭状态下，从而使燃料流路闭塞。当燃料流路中的压力低于大气压力时，负压操作阀15处于打开状态下，从而向大气开放燃料流路。负压操作阀15的位置并不受具体限制，而是可以在燃料流路中的任何位置。
此外，关于气流，期望燃料不会流出到大气侧，而只有大气流入燃料流路。
用于如上所述控制流体的单向流动方向的阀的示例包括止回阀和泄放阀。然而，这些不是强制性的。
接着，将描述根据该实施例的发电停止方法。
图9示出用于解释根据该实施例的发电停止方法的流程图。
在图9中，当从安装有燃料电池系统的设备接收到用于燃料电池的发电停止命令时，首先，燃料供给控制单元切断燃料槽与燃料电池之间的流路，从而停止燃料的提供。
接着，通过使用燃料消耗单元，设置电阻以将燃料电池的燃料电极与氧化剂电极彼此连接，从而消耗残留在燃料流路中的氢燃料。
封闭流路中的氢被消耗，从而使得燃料流路中的压力减小。当压力变得小于大气压力时，负压操作阀由于压力差而自动打开。
结果，空气流入燃料流路，从而执行空气置换。
相应地，当燃料电池停止时，关于燃料流路中的空气置换，可在省略排除单元和排气单元的情况下执行被动控制，从而可实现缩小尺寸。
此外，设置电阻，以将燃料电池的燃料电极与氧化剂电极彼此连接，从而消耗残留在燃料流路中的氢燃料。此后，执行空气置换，从而可防止未反应的燃料泄放到系统的外部。
此外，在燃料流路中存在负压的状态下，空气流入，从而执行快速空气置换，并且燃料电极与氧化剂电极之间的压力差被快速消除。
结果，残留燃料被消耗，空气被提供给两个电极，燃料电池可停止在基本没有电势差的状态下。
相应地，可抑制在停止时燃料电池的劣化。
(实施例4)
在实施例4中，将描述这样一种结构示例，其中，燃料槽充有贮氢合金，止回阀用作负压操作阀。
图10示出根据该实施例的燃料电池系统的示意图。
设置有燃料电池31、燃料槽32、燃料供给阀33、止回阀34、燃料消耗单元35。
在该实施例中，燃料槽32充有贮氢合金，氢燃料被存储在其中，以通过燃料流路提供给燃料电池31。
此外，在燃料流路中，设置有：燃料供给阀33，用于控制将来自燃料槽的燃料供给燃料电池；止回阀34，设置在燃料流路与大气之间的分隔壁中。
止回阀切断从燃料流路侧到大气侧的流体流，并仅允许从大气侧到燃料流路侧的流体流。
另一方面，作为氧化剂，空气可通过自然扩散经由气孔被吸入。通过输出端子将产生的电能提供给外部设备。
在燃料电池的发电期间，燃料供给阀被打开，燃料被提供给燃料电极，空气被从面向氧化剂电极的气孔提供给氧化剂电极。当从安装有燃料电池系统的设备接收到用于燃料电池的发电停止命令时，首先，燃料供给阀被关闭以停止燃料的提供，并且燃料流路的内部被密封地封闭。
接着，如图12所示，作为燃料消耗单元35的部件的开关36被关闭，以将燃料电池短路或通过负载执行发电，从而允许流路中的残留燃料被消耗。
当燃料被消耗时，燃料流路中的压力减少。结果，压力相对于大气压力变为负压。
然后，由于燃料流路与大气之间的压力差，空气通过止回阀而流入，从而允许空气流入燃料流路，并且燃料流路的内部被空气置换。结果，燃料电极与氧化剂电极之间的压力差被保持为接近零。
残留燃料的消耗至少持续直到预定时间过去或燃料电池的输出端子之间的电压变得等于或低于特定电压(例如，10mV)。然而，短路或负载连接可持续直到下次发电开始。
此外，当根据该实施例的燃料电池通过被安装到诸如图14所示的数字相机的电子设备中而被使用时，存在在短时间段内重复发出发电请求和发电停止请求的情况。因此，当仅在发出发电停止命令之后的预定时间段内没有发电请求的情况下采用根据本发明的发电停止方法时，可防止燃料的浪费，并且可提高负载响应。
此外，在燃料电池包括具有多个燃料电池单元37的燃料电池堆38的情况下，当在燃料电池堆的输出端子之间执行短路或通过负载发电时，会造成电池单元之间的电压分布变化，因此，可能出现一部分燃料电池单元的极性反转。因此，在这种情况下，如图13所示，期望对于每个燃料电池单元执行短路或通过燃料电池的负载来发电。
(实施例5)
在实施例5中，将描述这样的结构示例，其中，使用充有使用的贮氢合金的燃料槽，且泄放阀用作负压操作阀。
图11示出根据该实施例的结构。
应注意，除了泄放阀之外，该实施例基本上与图10所示的上述实施例4相同。相同的标号表示相同的部件。
如图10的实施例4所示，燃料槽32充有贮氢合金，氢燃料存储在其中。通过燃料供给阀33的控制，经由燃料流路将燃料供给给燃料电池31。
泄放阀40设置在燃料流路与大气之间的分隔壁中，以代替止回阀。泄放阀根据燃料流路中的压力与大气压力之间的关系来打开/关闭。当燃料流路中的压力等于或高于大气压力时，泄放阀处于关闭状态下，当燃料流路中的压力低于大气压力时，泄放阀处于打开状态下。
此外，泄放阀切断从燃料流路侧到大气侧的流体流，并仅允许从大气侧到燃料流路侧的流体流。另一方面，作为氧化剂，空气可通过自然扩散经由气孔被吸入。通过输出端子将产生的电能提供给外部设备。
在发电期间，燃料供给阀处于打开状态下，所以，燃料被提供给燃料电极，空气被从面向阴极的气孔提供给阴极。
当从安装有燃料电池系统的设备接收到用于燃料电池的发电停止命令时，首先，燃料供给阀被关闭，燃料的提供被停止，并且燃料流路的内部被密封地封闭。
接着，如图12或图13所示，作为燃料消耗单元35的部件的开关36被关闭，以将燃料电池短路或通过负载执行发电，从而允许流路中的残留燃料被消耗。
当燃料被消耗时，燃料流路中的压力减少。结果，压力相对于大气压力变为负压。
然后，由于燃料流路与大气之间的压力差，泄放阀打开。空气通过所产生的开口部分流入燃料流路。结果，燃料流路的内部被空气置换。
因此，燃料电极和氧化剂电极之间的压力差被保持为接近零。
此外，通过将用于打开泄放阀的设置操作压力设置为低于大气压力的预定值，可以可靠地在消耗燃料流路中的燃料之后打开所述阀。
此外，用于泄放阀的打开操作的设置压力并非必须低于大气压力。在泄放阀的打开操作中引起时滞的情况下，考虑到在时滞期间由于燃料消耗而引起的偏移到过度负压的可能性，设置压力可被设置为略高于大气压力。
残留燃料的消耗持续直到至少预定时间过去或燃料电池的输出端子之间的电压变得等于或低于特定电压(例如，10mV)。然而，短路或负载连接可持续直到下次发电开始。
此外，当根据该实施例的燃料电池通过被安装到诸如图14所示的数字相机的电子设备中而被使用时，存在在短时间段内重复发出发电请求和发电停止请求的情况。
因此，当仅在发出发电停止命令之后的预定时间段内没有发电请求的情况下采用根据本发明的发电停止方法时，可防止燃料的浪费，并且可提高负载响应。
尽管参照示例性实施例描述了本发明，但是应理解：本发明并不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围被给予最宽泛的解释，从而包括所有这样的改进以及等同的结构和功能。
该申请要求于2006年8月29日提交的第2006-232719号日本专利申请的优先权，所述申请在此全部引入作为参考。

Claims (20)

1.一种用于停止燃料电池系统发电的方法，所述燃料电池系统包括:燃料电池，其包含燃料电极和氧化剂电极；燃料容器；和燃料流路，用于将燃料从燃料容器提供给燃料电池，其能够在燃料电池的操作停止状态期间抑制燃料电极与氧化剂电极之间的压力差，在燃料电池的操作停止状态期间，所述方法包括以下步骤:
停止将燃料从燃料容器提供给燃料电池；
通过在燃料电极与氧化剂电极之间短路或在燃料电极与氧化剂电极之间连接负载来消耗燃料流路中的残留燃料；以及
向大气开放燃料流路。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在停止提供燃料的步骤、消耗残留燃料的步骤以及向大气开放燃料流路的步骤中，首先执行停止提供燃料的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在消耗残留燃料的步骤以及向大气开放燃料流路的步骤中，首先执行消耗残留燃料的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中，当由于在消耗残留燃料的步骤中残留燃料的消耗使得燃料流路中的压力相对于大气压力变为负的时，开始向大气开放燃料流路。
5.如权利要求3所述的方法，其中，当燃料电池的电动势变得等于或小于预定值时，开始向大气开放燃料流路。
6.如权利要求3所述的方法，其中，当燃料流路中的压力变得等于或小于预定值时，开始向大气开放燃料流路。
7.如权利要求3所述的方法，其中，当在消耗残留燃料的步骤和向大气开放燃料流路的步骤中首先执行消耗残留燃料的步骤，并且预定时间段过去时，开始向大气开放燃料流路。
8.如权利要求1所述的方法，其中，通过关闭在燃料流路中设置的燃料供给阀或者解除燃料容器与燃料电池之间的连接来执行停止提供燃料。
9.如权利要求1所述的方法，其中，通过打开给燃料流路提供的流路开口，解除燃料容器与燃料电池之间的连接，或操作通过大气的媒介作用给燃料流路提供的负压操作阀，来执行向大气开放燃料流路。
10.如权利要求1所述的方法，其中，将燃料电极与氧化剂电极之间短路或在燃料电极与氧化剂电极之间连接负载的步骤至少持续直到燃料电池的电动势变得等于或小于预定值。
11.如权利要求1所述的方法，其中，将燃料电极与氧化剂电极之间短路或在燃料电极与氧化剂电极之间连接负载的步骤至少持续直到预定时间段过去。
12.如权利要求1所述的方法，其中:
燃料电池包括燃料电池堆，所述燃料电池堆具有彼此堆叠的多个燃料电池单元；以及
在每个燃料电池单元的燃料电极与氧化剂电极之间或者在燃料电池堆的输出端子之间，执行燃料电极与氧化剂电极之间的短路或者燃料电极与氧化剂电极之间的负载连接。
13.如权利要求1所述的方法，其中，氧化剂电极包括向大气开放的流路。
14.如权利要求1所述的方法，其中:
燃料电池的一端包括用于提供燃料的燃料入口，燃料电池的另一端包括用于在向大气开放燃料流路的步骤中向大气开放燃料流路的流路开口；
流路开口至少在正常发电期间关闭。
15.一种燃料电池系统，包括:
燃料电池，包含燃料电极和氧化剂电极；
燃料容器；
燃料流路，用于将燃料从燃料容器提供给燃料电池；
燃料供给控制单元，其设置在燃料电池与燃料容器之间的燃料流路中，用于控制燃料的提供；
燃料消耗单元，用于提供电阻以将燃料电池的燃料电极和氧化剂电极彼此连接；以及
用于向大气开放燃料流路的单元，其设置在燃料电池系统中。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中，用于向大气开放燃料流路的单元包括给燃料流路提供的流路开口。
17.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中，用于向大气开放燃料流路的单元包括允许大气由于燃料容器与燃料电池之间的连接断开而流入燃料流路的单元。
18.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中，用于向大气开放燃料流路的单元包括负压操作阀，其通过大气的媒介作用而提供给燃料流路，当燃料流路中的压力等于或高于大气压力时，负压操作阀处于关闭状态，当燃料流路中的压力小于大气压力时，负压操作阀处于打开状态。
19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，负压操作阀被构造成使得流体仅沿着一个方向从大气侧流向燃料流路侧。
20.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，通过低于大气压力的预定压力来打开负压操作阀。
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