專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及運行該系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)及運行燃料電池系統(tǒng)的方法。
技術(shù)背景燃料電池是一種通過化學反應(yīng)將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能的電能產(chǎn)生 器。燃料電池只要被提供燃料，就能持續(xù)地產(chǎn)生電能。圖l為示出燃料電池 的能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖1，當包含氧氣的空氣被提供到陰極1、包 含氫氣的燃料被提供到陽極3時，通過經(jīng)電解質(zhì)膜(electrolytemembrane)2進 行的水的反向電解產(chǎn)生電能。但是，傳統(tǒng)上講， 一個單位電池(unitcell) 10 不產(chǎn)生可用的高電壓。因此，將一組單位電池10串行連接來產(chǎn)生電能。當單位電池10保持在或高于適當?shù)倪\行溫度時，燃料電池能夠進行正 常操作。因此，當單位電池10開始燃料電池搡作之前沒有被預(yù)熱時，燃料 電池的正常電能輸出通常不能被產(chǎn)生。因此，在操作之初，在不施加負載的 情況下在單位電池10中產(chǎn)生電化學反應(yīng)。當單位電池10的溫度達到適當溫 度時，燃料電池可以帶負載運行。在使用曱醇作為氧氣來源的直接曱醇燃料 電池(DMFC)中，提供到陽極3的燃料與陰極1的催化劑透過電解質(zhì)膜2 發(fā)生反應(yīng)。該交叉反應(yīng)不論是否連接負載都會發(fā)生。由于該交叉反應(yīng)是放熱 反應(yīng)，因此單位電池10的溫度隨著燃料的提供而升高。因而，運行燃料電 池的一個理想(desirable)方法是在起動燃料電池之后，待供電的電氣設(shè) 備在單位電池的溫度達到理想的運行溫度之前不被連接到燃料電池。當溫度 達到理想水平，即，當輸出電流由于溫度的升高而穩(wěn)定到足以被提供給電氣 設(shè)備時，負載被連接。
但是，當燃料電池系統(tǒng)被如上所述配置并運行時，預(yù)熱的時間長。圖2 為示出了在正常操作開始時每個單位電池的溫度相對于(VS.)電壓的測量結(jié)果的曲線圖。正常操作包括在通過提供燃料給單位電池10而開始無源型 DMFC之后，在燃料電池的溫度達到正常運行溫度，例如50。C之后，連接 負載。當燃料被提供到單位電池10時，發(fā)生電化學反應(yīng)，從而產(chǎn)生電壓。 假設(shè)電壓Vth,即能夠使燃料電池運行于正常操作的每一個單位電池10的開 路電壓(OCV)(在下文中稱之為運行電壓)，為大約0.5V，則達到運行電 壓的時間為大約5分鐘。因此，單位電池10達到運行電壓Vth所需的時間對 于運行燃料電池并不是很大的損失。但是，如圖2所示，溫度的升高是非常 緩慢的。達到能夠施加負載的溫度Tth (在下文中稱之為運行溫度)需要差 不多50分鐘。也就是說，在起動燃料電池之后幾乎一個小時，才能夠施加 負載于燃料電池。此外，在非常寒冷的條件下進行操作期間，有可能燃料電池的溫度會被 降低到正常運行溫度之下。在這種情況下，如果溫度沒有迅速升高，那么提 供給電子設(shè)備的電能就可能被間歇地中止。因此，為了解決這些和/或其它問題，需要開發(fā)一種燃料電池系統(tǒng)以及加 熱燃料電池的方法，其能夠在單位電池的溫度低于正常運行溫度時迅速加熱 單位電池。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個方面是提供了能夠在必要時迅速升高單位電池的溫度的 燃料電池系統(tǒng)以及運行燃料電池的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包含多個電池，在其中發(fā)生電能產(chǎn)生反應(yīng)；負載電3各，其通過將電池電連接到負載而形成負載通道以提供電流給負載；短路電路，其將電池連接到電閉合回路而不經(jīng)過 負載；熱傳感器，其測量電池的溫度；以及控制器，其根據(jù)熱傳感器的溫度 測量結(jié)果，控制將由電池產(chǎn)生的電流傳遞到負載電路或短路電路其中之一 。 多個電池可以是串行連接。短路電路可以包含單位電池短路電路，其 以閉合回路連接每一個電池的陽極和陰極；以及電池組短路電路，其連接串 行連接的電池中最上部電池的一端的端子(terminal)與最底部電池一端的 端子。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種運行燃料電池系統(tǒng)的方法，包含 當電池的測量溫度高于適當溫度時，執(zhí)行正常操作，其中通過將該電池電連 接到負載而將電流提供給負載；以及當電池的測量溫度低于適當溫度時，通 過旁路負載的短路電路迅速加熱該電池。電池的迅速加熱可以通過重復(repeatedly )接通和關(guān)斷短路電路來執(zhí)行。關(guān)于重復接通和關(guān)斷短路電路，每一個電池均可以包含一個獨立的短路 電路，而且重復接通和關(guān)斷短路電路的過程可以通過順序地接通和關(guān)斷每一 個電池的短路電路來順序地執(zhí)行。多個電池可以被串行連接到 一個短路電路，而且重復接通和關(guān)斷短路電 路的過程可以通過接通和關(guān)斷整個短路電路來執(zhí)行。本發(fā)明的其它方面和/或優(yōu)點部分地將通過以下描述給出，并且部分地將 從以下描述變得明顯，或通過對本發(fā)明的實踐習得。


本發(fā)明的這些和/或其它方面及優(yōu)點，將/人以下結(jié)合附圖對實施例的具體 描述中變得清楚和更加易于理解，附圖中圖1為說明燃料電池能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為示出了傳統(tǒng)燃料電池中溫度與電池的變化的測量結(jié)果的曲線圖； 圖3為示出了根據(jù)本發(fā)明的 一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的總體配置的方 框圖；圖4為示出了使用圖3所示的燃料電池系統(tǒng)的操作過程的流程圖； 圖5為示出了圖3所示的燃料電池系統(tǒng)中的短路電路的接通和關(guān)斷方法 的時序圖；以及圖6為示出了圖3所示的燃料電池系統(tǒng)的溫度與電壓的變化與傳統(tǒng)燃料 電池系統(tǒng)的溫度與電壓的變化相對比的曲線圖。
具體實施方式
現(xiàn)在將詳細地參照本發(fā)明的本實施例，在附圖中說明本發(fā)明實施例的例 子，附圖中相似的標記自始至終指代相似的元件。將實施例描述如下以便參 照附圖來解釋本發(fā)明。圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的總體配置方框圖。 燃料電池系統(tǒng)11包含排列在電池組(stack)15中的多個單位電池10; 負載20;控制器30;溫度傳感器40;和DC-DC (直流-直流)轉(zhuǎn)換器50。 電池組15包含電池組陽極和電池組陰極。單位電池10可以彼此串行連接。 每一個單位電池IO都包括電池陽極和電池陰極。負載20可以包含除了開關(guān) 之外的、任何能夠為電流提供阻抗的電氣設(shè)備，例如，除了開關(guān)以外的、提 供阻抗的電動機或任何其它電運行設(shè)備。燃料電池系統(tǒng)11具有基本結(jié)構(gòu)，其中由電池組15產(chǎn)生的電流在控制器 30的控制下，被選擇性地提供給負載20。在圖3中，電池組15包括5個串 行連接的單位電池IO,但電池組15中單位電池10的個數(shù)可以根據(jù)所期望的 電力輸出來增加或減少。燃料電池系統(tǒng)11可以包含短路電路Co-C5和負載電路CL。短路電路 C,-C5可以被稱為單位電池短路電路C,-C5,而短路電路C0可以被稱為電池 組短路電路Co。單位電池短路電路d-Cs中的每一個對應(yīng)包含開關(guān)S,-S5。電 池組短路電路Co包含開關(guān)So。負載電路CL包含開關(guān)SL。單位電池短路電路 C廣C5中的每一個均包含在對應(yīng)單位電池10的陽極和陰極之間的、直接的連 接。電池組短路電路Co包含在電池組15的陽極和陰極之間的、直接的連接。 在這里，直接的連接和/或直接地連接可以指不經(jīng)過負載的電連接。單位電池短路電路d-Q和/或電池組短路電路CQ能夠迅速升高單位電 池10的溫度。單位電池短路電路C!-Cs通過閉合開關(guān)SrSs來完成。電池組 短路電路Co通過閉合開關(guān)So來完成。當開關(guān)So-S5閉合時，在單位電池10 中產(chǎn)生的電流流經(jīng)短路電路Co-C5而不經(jīng)過負載20 (無負載狀態(tài))。當電流 在無負載狀態(tài)下流經(jīng)短路電路Q)-C5時，單位電池10的溫度升高快于當電流 流經(jīng)連接到負載20的負載電路Cl或者當電路為完全開路時的溫度升高。這 是因為，如上所述，單位電池10中的電化學反應(yīng)是放熱反應(yīng)，并且短路電 路本身是一個極度放熱(extremely exothermic )電路，即，所有或幾乎所有 的在單位電池10中產(chǎn)生的電能都被轉(zhuǎn)化為熱能。單位電池10的溫度利用安 裝在電池組15上的熱傳感器40來測量的。當需要溫度升高時，控制器30 閉合短路電路QrCs的開關(guān)S()-S5，以升高單位電池10的溫度。這樣，可以 執(zhí)行選擇性溫度控制。DC-DC轉(zhuǎn)換器50通過負載電路CL減少施加于負載 20上的電壓的波動。當需要加熱單位電池10時，在初始起動操作中迅速升高單位電池10的
溫度經(jīng)常是有用的。圖4為在初始起動時迅速升高單位電池10的溫度的方 法的流程圖。參考圖4，所述方法包含操作Pl,其中燃料被提供給單位電池10，以 在單位電池10中產(chǎn)生電能產(chǎn)生反應(yīng)，此時開關(guān)So-Ss和SL處于斷開狀態(tài)； 在操作P2中，單位電池10的電壓被檢測；當由單位電池10產(chǎn)生的電壓達 到運行電壓Vth時，操作P3通過閉合開關(guān)So-S5來接通短路電路QrC5從而 開始進行迅速的溫度升高。操作P2可以進一步包含檢測單位電池10的溫度。如果單位電池的溫度 低于運行溫度，則所述方法進行操作P3。如果溫度高于或等于運行溫度， 則所述方法進行到在下面討論的操作P5。操作P3可以包含利用控制器30控制短路電路QrCs的開關(guān)So-Ss的致 動。單位電池10中產(chǎn)生的電流流經(jīng)短路電路QrC5。從而，由于電能向熱能 的轉(zhuǎn)化以及為電能產(chǎn)生而發(fā)生的放熱反應(yīng)，單位電池10的溫度迅速升高。 是否通過短路電路QrC5建立電連接，是通過利用熱傳感器40測量單位電池 IO的溫度來確定的。即，將由熱傳感器40所測量的溫度與一個設(shè)定值比較， 并且當單位電池10的溫度低于該設(shè)定值時，控制器30閉合開關(guān)So-S5以連 接短路電路QrCs。開關(guān)So-Ss可以是周期性地斷開和閉合而非長時間，例如， 1個小時，保持閉合(接通)狀態(tài)。這是因為，如上所述，短路電路QrQ 是極度放熱電路，并且當長時間保持接通狀態(tài)時，單位電池10可能會由于過熱而被損壞。重復閉合和斷開(接通和關(guān)斷)短路電路Q)-C5的方法可以包含可變占空率(variable duty)方法。該可變占空率方法可以包含保持恒定 的接通和關(guān)斷頻率。短路電路Q)-C5的接通時間和關(guān)斷時間可以在單位頻率 之內(nèi)變化或在接通和關(guān)斷頻率可以改變的可變頻率方式之內(nèi)變化。重復接通和關(guān)斷短路電路QrC5,可以通過閉合和斷開(接通和關(guān)斷) 開關(guān)So來利用電池組短路電路Co執(zhí)行。此外，如圖5中所示的，通過順序 地接通和關(guān)斷開關(guān)SrS5,可以獨立地循環(huán)接通和斷開短路電路d-Cs中的每 一個。當短路電路QrC5被重復接通和關(guān)斷時，由于短路電路QrC5中電能向 熱能的轉(zhuǎn)化以及為產(chǎn)生電能而發(fā)生的放熱反應(yīng)，單位電池10的溫度迅速升 高。在操作P4中，隨著短路電路QrC5的循環(huán)接通和關(guān)斷，單位電池10的 溫度被檢測。當單位電池10的溫度達到運行溫度Tth時，控制器30切斷所有短路電路QrC5并閉合負載電路Ct的開關(guān)SL。閉合開關(guān)St就允許將從單 位電池IO產(chǎn)生的電能施加到負載上，從而執(zhí)行操作P5 (正常操作)。圖6示出了在傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)在初始起動時溫度升高、與根據(jù)本發(fā)明 的一個實施例的具有短路電路的燃料電池系統(tǒng)在初始起動時溫度升高相比 較的曲線圖。該曲線圖示出了假定的運行溫度為34°C。在本發(fā)明實施例的情 況中，為了單位電池的溫度的迅速升高，每秒中短路電路的接通狀態(tài)保持為 0. 1秒。傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)需要用大約40分鐘為其單位電池達到運行溫度。 而本實施例僅需要用大約20分鐘，約為傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)預(yù)熱時間的一半。 此時間差異歸因于短路電路的額外熱能，以及放熱的電能產(chǎn)生反應(yīng)。由此， 燃料電池系統(tǒng)在初始起動時的預(yù)熱時間能夠被大大減少。在本文教導中，描述了為燃料電池系統(tǒng)在初始起動時的預(yù)熱而使用的短 路電路。但是，在正常操作中也可以通過連接單位電池短路電路C,-C5執(zhí)行 迅速的溫度升高過程。例如，如果燃料電池運行于寒冷條件下，燃料電池的 溫度可能降低到運行溫度以下。單位電池10的溫度可以通過連接單位電池 短路電路C,-Cs被迅速升高。如果電池組短^各電^各Q)被接通和關(guān)斷，那么從 電池組15產(chǎn)生的電壓可能大幅度波動。但是，當單位電池10的單位電池短 路電路CrC5被交替地和/或順序地接通和關(guān)斷時，電壓的波動由于能夠被 DC-DC轉(zhuǎn)換器50充分補償而不會對負載產(chǎn)生影響。例如，轉(zhuǎn)換器50能夠 減輕負載電路CL的瞬時電壓波動。因此，能夠在必要時迅速升高單位電池溫度的燃料電池系統(tǒng)以及運行該 燃料電池系統(tǒng)的方法能夠被實現(xiàn)。如上所述，根據(jù)本發(fā)明 一些方面的燃料電池系統(tǒng)及運行該燃料電池系統(tǒng) 的方法具有以下優(yōu)點。第一，由于使用短路電路能夠迅速加熱單位電池，使 得燃料電池系統(tǒng)在初始起動時的預(yù)熱時間可以被大大減少。第二，如果由于 寒冷的天氣而使燃料電池在正常操作期間的溫度降低，那么由于燃料電池的 溫度能夠被迅速升高，因而所述燃料電池在寒冷天氣下很有用。雖然已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的幾個實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 了解，在不背離本發(fā)明的原理和精神的條件下，可以對本實施例進行修改， 本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求和其等效物來限定。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包含多個單位電池，其產(chǎn)生電流；負載電路，其連接所述單位電池到負載；至少一個短路電路，其連接所述單位電池到電閉合回路而不經(jīng)過所述負載；熱傳感器，其測量所述單位電池的溫度；以及控制器，其根據(jù)由所述熱傳感器測量的溫度，選擇性地控制將電流從所述單位電池傳遞到所述負載電路和所述至少一個短路電路。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述多個單位電池串行連接，其中所述至少一個短路電路包含多個單位電池短路電路，用以連接每一個所述單位電池的陽極和陰極；電池組短路電路，用以連接所述串行連接的單位電池中第一個單位 電池一端的端子和最后 一個單位電池一端的端子。
3. —種運行燃料電池系統(tǒng)的方法，包含當單位電池的測量溫度高于適當溫度時，執(zhí)行正常操作，其中通過將所 述單位電池電連接到負載而將電流提供給該負載；以及當所述單位電池的測量溫度低于所述適當溫度時，利用旁路所述負載的 短路電路加熱所述單位電池。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的加熱所述單位電池是通過重復 接通和關(guān)斷所述短路電路來執(zhí)行的。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中每一個所述單位電池都包含一個獨立 的短路電路，并且所述的重復接通和關(guān)斷所述短路電路的過程是通過順序地 接通和關(guān)斷每一個單位電池的短路電路來執(zhí)行的。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述多個單位電池被串行連接到一個 短路電路，并且所述的重復接通和關(guān)斷所述短路電路的過程是通過接通和關(guān) 斷這一個短路電路來執(zhí)行的。
7. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個短路電路包含 多個單位電池短路電路，用以直接連接每一個所述單位電池單位電池的陽極 和陰極。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中每一個單位電池短路電路還 包含開關(guān)。
9. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述多個單位電池串行連接，其中所述至少 一個短路電路包含電池組短路電路，用以連接所述串行連 接的單位電池中第一個單位電池一端的端子與最后一個單位電池一端的端子。
10. 如權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述電池組短路電路包含 開關(guān)。
11. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包含DC-DC轉(zhuǎn)換器，用以 補償所述負載電路中的電壓波動。
12. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述負載電路還包含開關(guān)。
13. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述單位電池短路電路和 所述電池組短路電路被電連接。
14. 一種運行燃料電池系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包含單位電池組、至少一個 短路電路、以及負載電^各，所述方法包含向所述單位電池組提供燃料；;險測由所述單位電池組產(chǎn)生的電流的電壓；響應(yīng)于所檢測的電壓，利用所述至少 一個短路電路來加熱所述單位電 池；以及施加電流到所述負載電^各。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，單位電池僅當所檢測的電壓高于 或等于運行電壓時，才發(fā)生所述的加熱所述單位電池。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包含在所述的加熱所述單位電池的 期間，檢測所述單位電池的溫度。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中僅當所述單位電池的檢測溫度高于 或等于運行溫度時，才發(fā)生所述的施加電流到所述負載電路。
18. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包含在加熱所述單位電池之前檢測 所述單位電池的溫度。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，如果檢測溫度高于或等于運行溫度，則不發(fā)生所述的加熱所述單位電池，并且所述方法接著進行到所述的施 加電流的操作。
20. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包含在所述的施加電流的操作之后 才企測所述單位電池的溫度。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包含如果所述單位電池的4企測溫度 低于運行溫度時，則重復所述的加熱所述單位電池的操作。
22. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述至少一個短3各電路對于每一個單位電池包含一個短路電路；以及 所述的加熱所述單位電池包含順序地斷開和閉合所述短路電^各。
23. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述的加熱所述單位電池包含順序 地斷開和閉合所述至少 一個短路電路。
全文摘要
一種迅速升高單位電池溫度的燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括多個產(chǎn)生電流的單位電池；負載電路，其將電流提供給負載；短路電路，其將單位電池連接到電閉合回路而不經(jīng)過負載；熱傳感器，其測量單位電池的溫度；以及控制器，其根據(jù)熱傳感器所測量的溫度，控制將電流傳遞到負載電路和短路電路。該燃料電池系統(tǒng)能夠在單位電池的溫度低于運行溫度時，迅速升高單位電池的溫度，從而減少燃料電池產(chǎn)生穩(wěn)定輸出電壓所需要的時間。
文檔編號H01M8/24GK101165958SQ20071014269
公開日2008年4月23日 申請日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者李在鏞, 磊 胡, 趙慧貞, 鄭鏞洙, 金詠裁, 金珍虎 申請人:三星Sdi株式會社