CN1848497A - 用于关停燃料电池的方法及使用该方法的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种关停燃料电池系统的方法和使用该方法的燃料电池系统，该系统具有附连到电解质薄膜的相对侧的阳极和阴极，并且通过被分别提供给阳极和阴极的气态含氢燃料和氧化剂之间的电化学反应来产生电能的燃料电池。所述方法包括：响应于燃料电池的关停信号将外部负载从燃料电池电性断开；切断气态燃料和氧化剂；以及将耦合到燃料电池的阳极和阴极的输出端与电池的每个都具有与所耦合的阳极或阴极相同的极性的对应端电连接。

Description

用于关停燃料电池的方法及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4月12日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2005-0030511的优先权和权益，在此参考引用其整个内容。
技术领域
本发明涉及一种用于关停燃料电池的方法及使用该方法的燃料电池系统，其在关停燃料电池的时候可以有效地去除在燃料电池中剩余的未反应的燃料。
背景技术
燃料电池是通过氢和氧之间的反应将化学反应能量直接转变为电能的发电系统，其中在诸如甲醇、乙醇、天然气等的碳氢材料中包含有氢。
根据所使用的电解质的类型将燃料电池分类为各种类型，诸如磷酸盐燃料电池、熔性碳酸盐燃料电池、固态氧燃料电池、聚合物电解质薄膜燃料电池、碱性燃料电池等。以基本上相同的原理来操作这些类型的燃料电池，但是在燃料的种类、驱动温度、催化剂、和电解质等上彼此不同。
在这些燃料电池类型中，与其他燃料电池相比较，聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)具有下面优点：其输出性能非常好；其工作温度低；可以快速地执行其开始和响应；并且其可以被广泛地用作汽车的便携电源、用于房屋和公共场所的分布电源、用于电子设备的微型电源等。
PEMFC包括组套(stack)、变形器(reformer)、燃料箱和燃料泵。燃料泵将燃料从燃料箱提供给变形器，而变形器将燃料进行变形以产生氢气。组套允许氢气与氧进行电化学反应，从而产生电能。
这些燃料电池类型的另一种是直接甲醇燃料电池(DMFC)，除了其将液态甲醇燃料直接提供给组套以外，其与PEMFC类似。与PEMFC相反，DMFC不使用变形器，从而这种类型的燃料电池有利于小型化。
用于燃料电池的组套具有将每个都包括薄膜电极组件(MEA)和分离器的几个到几十个单元电池进行堆叠的结构。这里，MEA具有将阳极(所谓“燃料电极”或者“氧化电极”)和阴极(所谓“空气电极”或者“还原电极”)附连到聚合物电解质薄膜的结构。而且，分离器具有将多个MEA串连并且将燃料和空气提供给MEA的结构。
当用户关停使用燃料电池作为电源的电子设备时，控制器，即燃料电池的微型控制器或微型计算机，控制燃料泵以停止工作，从而关停燃料电池。但是，当将燃料电池关停时，氧还剩余在阴极中而燃料还剩余在阳极中。这里，剩余的氧将催化剂层或催化剂支持材料氧化。而且，剩余的燃料与催化剂等进行化学发应从而产生二氧化碳、一氧化碳等，从而损害了催化剂层。当将燃料电池关停时，反应物在燃料电池的阳极和阴极之间不平衡，从而液体在阳极和阴极之间不期望地流动。因此，传统燃料电池系统具有这样的问题，即当将燃料电池关停时，剩余的氧化剂和燃料把催化剂层和催化剂支持材料氧化和腐蚀。此外，当将燃料电池重新启动时，燃料电池内部剩余的液体使燃料电池的性能降低。
发明内容
因此，本发明的各个实施方式都提供用于关停燃料电池的方法和使用该方法的燃料电池系统，其可以在关停燃料电池的时候去除在该燃料电池中剩余的未反应的燃料和氧化剂，从而不仅在重新启动燃料电池的时候减少负面效应，而且还有效地使用未反应和剩余的燃料。
一种实施方式涉及关停燃料电池系统的方法，该系统具有附连到电解质薄膜的相对侧的阳极和阴极、并且通过被分别提供给阳极和阴极的气态含氢燃料和氧化剂之间的电化学反应来产生电能的燃料电池。所述方法包括：响应于燃料电池的关停信号将外部负载从燃料电池电切断；切断气态燃料和氧化剂；以及将耦合到燃料电池的阳极和阴极的输出端与电池的每个都具有与所耦合的阳极或阴极相同的极性的对应端电连接。
所述方法还包括测量燃料电池的输出电压。另一个实施方式包括当燃料电池的输出电压等于或大于参考电压时将电池电连接到燃料电池。一个实施方式包括当燃料电池的输出电压低于参考电压时将燃料电池与电阻器电连接。可以通过将燃料电池系统中的燃料电池数量乘以0.2V来得出所述参考电压。所述方法还包括控制开关部件以允许控制器选择性地将燃料电池与电池或者电阻器电连接。
可以测量电池的温度，并且当所测量的温度等于或者大于参考温度时将电池从燃料电池电性断开。
本发明的一个实施方式还包括响应于关停信号将在燃料电池中剩余的气态含氢燃料和氧化剂耗尽，并且在耗尽燃料电池中剩余的气态含氢燃料和氧化剂的同时对电池进行充电。
根据本发明的燃料电池系统的另一个实施方式包括：燃料电池，其具有附连到电解质薄膜的相对侧的阳极和阴极，该燃料电池用于通过被分别提供给阳极和阴极的气态含氢燃料和氧化剂之间的电化学反应来产生电能；至少一个反应物供给器将气态燃料和氧化剂提供给燃料电池；第一开关部件，用于响应于第一控制信号将外部负载从燃料电池电性断开；第二开关部件，用于响应于第二控制信号将耦合到燃料电池的阳极和阴极的输出端与电池的对应端子电连接，其中每个电池端子具有与所耦合的阳极或阴极相同的极性；以及控制器，其耦合到第一开关部件和第二开关部件以根据关停信号来产生第一控制信号和第二控制信号。可以由应用设备来提供外部负载。
在另一个实施方式中，将控制器进行适应以响应于关停信号来控制至少一个反应物供给器以切断含氢燃料和氧化剂，将控制器进行适应以响应于关停信号将第三控制信号发送到至少一个反应物供给器。
燃料电池系统还可以包括电压测量器，其用于测量燃料电池的输出电压并且将关于所测量的电压的信息传送到控制器。在一个实施方式中，仅仅当测量燃料电池的输出电压时才将电压测量器电连接到输出端。在另一个实施方式中，控制器用于当所测量的电压等于或小于参考电压时来控制第二开关部件以将内部电阻器与燃料电池连接。可以通过将燃料电池系统中的燃料电池的数量乘以0.2V来获得参考电压。
燃料电池系统还可以包括与电池的一个端子接触的温度传感器，其用于测量电池的温度并且将关于所测量的温度的信息发送到控制器。可以提供包括第一开关部件和第二开关部件的转换器。还可以将二极管耦合到燃料电池的输出端，从而可以基本上防止电流从电池或者外部负载流向燃料电池。
附图说明
结合附图，通过下面对示例实施方式的描述，本发明的这些和/或其他特点和方面将变得显而易见并且更加容易被理解，其中：
图1示出了根据本发明的第一实施方式的燃料电池关停方法的流程图；
图2示出了根据本发明的第二实施方式的燃料电池关停方法的流程图；
图3示出了使用根据本发明的实施方式的燃料电池关停方法的燃料电池系统的框图；和
图4示意示出了可以在图3的燃料电池系统中使用的PEMFC的操作。
具体实施方式
以下，将参照可以被本领域的普通技术人员容易地理解的附图来描述本发明的实施方式的例子。
图1示出了根据本发明第一实施方式的燃料电池关停方法的流程图。
参照图1，根据本发明第一实施方式的燃料电池关停方法如下。在操作S10处，由关停信号将外部负载从燃料电池电性断开，从而当将燃料电池关停时，耗尽在燃料电池的内部导管中剩余的反应物液体。这里，外部负载包括使用燃料电池作为电源的诸如便携终端、笔记本计算机等的应用设备。而且，关停信号表示当用户按下燃料电池的关停按钮时或者当将应用设备关机时所产生的、并且被传送到燃料电池的控制器的预定信号。
在操作S12，防止例如含氢燃料和氧化剂的反应物液体被提供到燃料电池。在一个实施方式中，含氢燃料包括甲醇，而氧化剂包括空气或氧气。
在操作S14，将耦合到燃料电池的阳极和阴极的两个输出端电连接到电池的相同极性端子。换句话说，将耦合到燃料电池的阳极的一个输出端子连接到电池的阳极端，而将耦合到燃料电池的阴极的另一个输出端子连接到电池的阴极端。
在操作S16，用耗尽剩余在燃料电池中的燃料和空气时所产生的电能对电池进行充电。此时，可以当开始驱动燃料电池的时候，将电池用于提供电源给燃料电池的控制器、泵等。在本实施方式中，电池包括至少可以被重新充电两次的辅助电池。
图2示出了根据本发明第二实施方式的燃料电池关停方法的流程图。
参照图2，根据本发明第二实施方式的燃料电池关停方法如下。在操作S20，通过关停信号将外部负载从燃料电池电性断开，从而当关停燃料电池的时候，耗尽在燃料电池的内部导管中剩余的反应物液体。
在操作S22，防止例如含氢燃料和氧化剂的反应物液体被提供给燃料电池。
在操作S24，测量燃料电池的输出电压。在操作S26，确定所测量的输出电压是否高于预定的参考电压。在本实施方式中，将参考电压设置为用于电池的可充电电压。例如，将0.2V的电压设置为每个单元燃料电池的参考电压。当输出电压等于或高于参考电压时，在操作S28，将燃料电池的输出端电连接到电池的相同极性端子。然后，在操作S30，耗尽在燃料电池中剩余的燃料和空气并且产生电能，从而用该电能对电池充电。
在操作S32，当输出电压低于参考电压时，将燃料电池的输出端与内部电阻器连接。可以使用具有预定电阻值的任何电阻器作为内部电阻器，只要将其连接到燃料电池的阳极和阴极并且其允许电子从阳极向阴极移动即可。而且，适当地设置内部电阻器的电阻值以在关停燃料电池的时候快速耗尽在燃料电池中剩余的燃料和空气。
在操作S34处，检测电池的温度。然后，在操作S38处，确定所检测的温度是否等于或高于参考温度。执行这种操作以防止因为过充电等原因而损坏电池。换句话说，根据燃料电池的输出、或者电池的容量或状态，在关停燃料电池前可以对电池完全充电。在这种情况中，极可能因为过充电而损坏电池。因此，根据本发明的实施方式，使用例如与电池接触的温度传感器的温度检测装置来防止电池因为过充电等原因而被损坏。
图3示出了使用根据本发明实施方式的燃料电池关停方法的燃料电池系统的框图。
参照图3，使用该燃料电池关停方法的燃料电池系统防止催化剂层或者催化剂层支持材料被燃料电池100的内部导管中剩余的燃料和空气氧化或者腐蚀，从而当将燃料电池重新启动时维持燃料电池的性能。燃料电池系统的这种实施方式包括燃料电池100、控制器110、反应物供给器120、第一开关部件130、第二开关部件140、电池外壳150、电池160、温度传感器170、电阻器180、电压测量器190、和二极管192。
更具体地说，燃料电池100接收例如液态甲醇燃料和空气的反应物，并且因为反应物和空气之间的电化学反应而产生电能。燃料电池100可以是具有用于对含氢燃料进行变形的变形器的PEMFC，或者能够直接将液态甲醇燃料提供给组套的DMFC。
而且，燃料电池100可以是由泵或鼓风机将燃料和空气提供给MEA的有源燃料电池，或者不用泵或鼓风机来供给燃料和空气的无源燃料电池。在无源燃料电池的情况中，可以提供例如阀等的燃料切断装置以切断要被提供给燃料电池100的燃料和空气。
控制器110响应于关停信号来产生第一控制信号和第二控制信号。将第一控制信号发送到第一开关部件130，而将第二控制信号发送到第二开关部件140。而且，控制器110响应于关停信号而产生第三控制信号，并且将第三控制信号发送到反应物供给器120。
控制器110还从温度传感器170接收预定的电信号。温度传感器170与电池外壳150的一个端子接触并且被插入到电池外壳150中，以检测电池160的温度，从而产生具有与所检测的温度对应的电平的电信号。而且，该电信号可以包括电压和/或电流。将控制器110连接到燃料电池100的输出端，并且接收具有与电压测量器190所测量的电压对应的电平的另一个电信号。
控制器110包括振荡器以响应于所接收的电信号来产生预定的控制信号，以及包括用于将所测量的温度和所测量的电压与参考温度和参考电压分别比较的比较器。
反应物供给器120包括泵或者鼓风机以提供燃料和空气。而且，反应物供给器120可以包括阀和操作器以根据燃料电池的结构对阀进行操作。而且，反应物供给器120响应于来自控制器110的第三控制信号切断被提供给燃料电池100的燃料和空气。
在燃料电池100和应用设备200之间提供第一开关部件130，其控制将燃料电池100连接到应用设备200或者从应用设备200断开。替代地，可以在例如被放置在燃料电池100和应用设备200之间的DC/DC转换器的转换器中集成地提供第一开关部件130。
当操作燃料电池100时，第一开关部件130将燃料电池100和应用设备200进行电连接，从而将从燃料电池100输出的电能提供给应用设备200。第一开关部件130响应于第一控制信号将燃料电池从应用设备200电性断开。
在燃料电池100和电池160之间提供第二开关部件140，其控制燃料电池100连接到电池160或从电池160断开。替代地，可以将第二开关部件140集成地提供在例如被放置于燃料电池100和电池160之间的DC/DC转换器的转换器中。可以提供DC/DC转换器作为包括第一和第二开关部件130和140的单个单元。而且，可以作为两个单元来提供DC/DC转换器，每个单元包括第一或第二开关部件130和140。
当操作燃料电池100时，第二开关部件140将燃料电池100和电池200的相同极性端电连接。用这种结构，耗尽在燃料电池100的内部导管中剩余的燃料和空气。而且，将同时所产生的电能充电在电池160中。
将电池160插入在电池外壳150中并且通过第二开关部件140电连接到燃料电池100的输出端。电池外壳150的一个端子与温度传感器170接触以测量电池160的温度。温度传感器170包括铂阻温度计。
提供电阻器180以在燃料电池100的输出电压低于参考电压时平滑地关停燃料电池100。电阻器180包括连接燃料电池100的阳极和阴极并且形成电子通路的电线。而且，电阻器180具有适合于快速地耗尽在燃料电池100的内部导管中剩余的燃料和空气的电阻。
电压测量器190测量燃料电池100的输出电压。电压测量器190可以充当电阻器180之外的另一个内部电阻器，从而仅当测量输出电压时可以将电压测量器190连接到燃料电池100的输出端。
在燃料电池100的输出端附近提供二极管192。该二极管192防止电流以从电池160或应用设备200到燃料电池100的方向流动。
图4示出了可以在图3的燃料电池系统中使用的PEMFC的操作。
参照图4，燃料电池100的MEA 10包括聚合物电解质薄膜12、阳极14、和阴极16。当将氢气或者含氢燃料提供给燃料电池100的阳极14时，在阳极14中发生电化学氧化，从而将氢电离为氢离子H+和电子e-。氢离子通过薄膜12从阳极14向阴极16移动，并且电子通过外部电线18从阳极14向阴极16移动。在阴极16中，氢离子与氧进行电化学反应(还原反应)，从而产生反应热和水。此时，随着电子移动而产生电能。
上述燃料电池可以是PEMFC或者DMFC燃料电池。在PEMFC和DMFC燃料电池中的电化学反应分别如下所示。
[反应1]
在阳极中：
在阴极中：
[反应2]
在阳极中：
在阴极中：
用这种结构，当关停燃料电池的时候，可以有效地去除在燃料电池的内部导管中剩余的未反应的燃料和空气。因此，防止燃料电池的催化剂层、催化剂层支持材料等被剩余燃料氧化或者腐蚀，从而保持当重新启动燃料电池时燃料电池的性能。而且将由剩余反应物产生的电能用于对电池充电，从而可以更加有效地使用燃料电池。
虽然已经示出和描述了本发明的几个实施方式，但是本领域的普通技术人员应该理解在不偏离本发明的原理和精神的情况下可以在实施方式中进行改动，在权利要求书及其等效物中定义了本发明的范围。

Claims (20)

1.一种关停燃料电池系统的方法，该系统包括具有附连到电解质薄膜的相对侧的阳极和阴极、并且通过被分别提供给阳极和阴极的气态含氢燃料和氧化剂之间的电化学反应来产生电能的燃料电池，所述方法包括：
响应于燃料电池的关停信号将外部负载从燃料电池电性断开；
切断气态燃料和氧化剂；以及
将耦合到燃料电池的阳极和阴极的输出端与电池的每个都具有与所耦合的阳极或阴极相同的极性的对应端进行电连接。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括测量燃料电池的输出电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述将输出端与电池连接包括当燃料电池的输出电压等于或大于参考电压时，将电池电连接到燃料电池。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括当燃料电池的输出电压低于参考电压时将燃料电池与电阻器电连接。
5.根据权利要求4所述的方法，其中通过将燃料电池系统中的燃料电池数量乘以0.2V来得出所述参考电压。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述将电池与燃料电池连接和将电阻器与燃料电池连接包括控制开关部件，以允许控制器选择性地将燃料电池与电池或者电阻器电连接。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括测量电池的温度，并且当所测量的温度等于或者高于参考温度时将电池从燃料电池电性断开。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括响应于关停信号将在燃料电池中剩余的气态含氢燃料和氧化剂耗尽。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在耗尽剩余在燃料电池中的气态含氢燃料和氧化剂的同时对电池进行充电。
10.一种燃料电池系统包括：
燃料电池，其具有附连到电解质薄膜的相对侧的阳极和阴极，该燃料电池用于通过被分别提供给阳极和阴极的气态含氢燃料和氧化剂之间的电化学反应来产生电能；
至少一个反应物供给器，用于将气态燃料和氧化剂提供给燃料电池；
第一开关部件，用于响应于第一控制信号将外部负载从燃料电池电性断开；
第二开关部件，用于响应于第二控制信号将耦合到燃料电池的阳极和阴极的输出端与电池的对应端子电连接，其中每个电池端子具有与所耦合的阳极或阴极相同的极性；以及
控制器，其耦合到第一开关部件和第二开关部件以根据关停信号来产生第一控制信号和第二控制信号。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中由应用设备来提供外部负载。
12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中将所述控制器进行适应以响应于关停信号来控制至少一个反应物供给器以切断含氢燃料和氧化剂。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中将所述控制器进行适应以响应于关停信号将第三控制信号发送到至少一个反应物供给器。
14.根据权利要求10所述的燃料电池系统，还包括电压测量器，其用于测量燃料电池的输出电压并且将关于所测量的电压的信息传送到控制器。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中仅仅当测量燃料电池的输出电压时才将所述电压测量器电连接到输出端。
16.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中将所述控制器进行适应，从而当所测量的电压等于或小于参考电压时来控制第二开关部件以将内部电阻器与燃料电池连接。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其中通过将燃料电池系统中的燃料电池的数量乘以0.2V来获得参考电压。
18.根据权利要求10所述的燃料电池系统还包括与电池的一个端子接触的温度传感器，其用于测量电池的温度并且将关于所测量的温度的信息发送到控制器。
19.根据权利要求10所述的燃料电池系统，还包括具有第一开关部件和第二开关部件的转换器。
20.根据权利要求10所述的燃料电池系统，还包括耦合到燃料电池的输出端的二极管，从而可以基本上防止电流从电池或者外部负载流向燃料电池。
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