燃料电池装置和用于控制燃料电池的方法
专利名称：燃料电池装置和用于控制燃料电池的方法
技术领域：
本发明涉及具有放在燃料电极和氧电极间的电解质的燃料电池装置，其中燃料诸如氢和空气被输送到燃料电池中以便生成所需的电动势，以及用于控制燃料电池的方法。
背景技术：
燃料电池是发电器通过提供燃料流体诸如氢气或甲醇生成电力的装置，以及固态聚合物类型的燃料电池通常具有质子导体膜被放在氧气端电极和燃料端电极间的结构。空气被输送到氧气端电极，用于向其供氧，以及燃料流体被提供给燃料端电极。当燃料电池生成电时，质子移动离子交换膜的电解质膜，并与氧气端电极上的氧气反应以产生电流和在氧气端电极上生成水。燃料电池的发电器部分被称为电解质膜-电极合成物或膜和电极组件(MEA)，以及通过仅电解质膜-电极合成物或安置在平面中的合成物构成具有平面结构的燃料电池，或通过彼此层叠的合成物构成具有层叠结构的燃料电池。
近年来，在用于运输等等的交通工具的领域中，迫切希望将燃料电池应用到电车或混合型车，以及另外，期望燃料电池实现为家庭供电系统等等。另外，利用质轻和小型燃料电池，正在研究和开发将燃料电池用在便携式装置、小型电源上等等。
作为燃料电池的一种类型，存在不具有用于保持电解质膜等等的湿度的加湿(moistening)设备的燃料电池(在下文中，将这种类型的燃料电池称为“自加湿类型燃料电池”)。将自加湿类型燃料电池构造成在氧气端电极上形成的湿气使得电解质膜潮湿以促进离子交换的结构。在燃料电池中，控制所形成的湿气的蒸发导致控制燃料电池的发电性能，以及输出电压直接影响生热和输出电流直接影响形成水。因此，有必要操作自加湿类型燃料电池以便通过利用直接受输出电流影响的所形成的水使电解质膜适当地潮湿并且使所形成的过多的水不会阻塞氧气的输送通路。
然而，特别是在上述自加湿类型燃料电池中，当在工作期间降低负载电流或增加空气进给率时，降低了电解质膜的温度并使其变干。在变干的燃料电池中，电解质膜的离子交换特性变得很弱，从而大大地降低燃料电池的输出。另外，不仅当在工作期间降低负载电池时，而且例如，当允许燃料电池坚持很长时间后再次启动燃料电池时，电解质膜处于干燥状态，并且在启动后，不容易使电解质膜再次变湿，因此需要花费几天的时间周期来恢复燃料电池的原始性能以便获得所需速率的输出。特别在不实施压缩空气进给的开放(open-air)型燃料电池中，电解质膜变干的问题很明显，以及变干的问题仅出现在允许燃料电池在操作后坚持的情况下，导致在短时间降低输出特性的不利之处。
鉴于上述技术问题，本发明的目的是提供燃料电池装置和用于控制燃料电池的方法，能防止在操作期间或操作开始时低输出的问题。
发明内容
本发明的燃料电池装置具有燃料电池，所述燃料电池具有包括氧电极、燃料电极和位于所述氧电极和所述燃料电极间的电解质的发电器，其特征在于所述燃料电池装置具有旁路电路，用于电连接所述氧电极和所述燃料电极以便如果所述燃料电池的输出电压等于第一预定值或更小，允许电流流过。
在本发明中，提供旁路电路，因此，如果例如由于氧电极变干，导致输出特性降低，操作和控制所述旁路电路以便允许根据输出状态，改变燃料电池上的负载电流，使得有意识地增加所形成的水成为可能，所形成的水能抑制氧电极变干和使氧电极处于适当的潮湿状态。在本发明的一个实施例中，每个发电器的第一预定值在例如从0.01至0.8V的范围内，并设置成例如正常电动势的1至95％。或者，第一预定值可以设置成从正常电动势降低的量的值。
另外，本发明的燃料电池装置的特征在于具有燃料电池，包括位于所述氧电极和所述燃料电极间的电解质，其中，通过将燃料输送到燃料电极以及将空气输送到氧电极，燃料电池生成电动势，以及连接到燃料电池的负载控制部分，用于允许根据燃料电池的输出状态或内电阻改变燃料电池上的负载。
在燃料电池中，空气被输送到氧电极同时将燃料输送到燃料电极以使在电解质中的质子导电。质子导电量根据连接到燃料电池的负载电流变化，以及如果负载电流值越小，输出电压增加以降低产热，以及相反地，如果负载电流越大，质子导电量增加以及所形成的水量增加。其原因在于氧电极上的反应被促进。例如，如果由于氧电极变干降低输出特性，操作和控制负载控制部分以便允许根据输出状态改变燃料电池上的负载电流，使得有意识地增加所形成的水量成为可能。所形成的水能抑制氧电极变干和使氧电极处于适当的潮湿状态。
另外，用于控制本发明的燃料电池的方法的特征在于，包括步骤监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及如果所述燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，将流过所述燃料电池的电流控制到大于正常值。
在用于控制本发明的燃料电池的方法中，首先，监视燃料电池的输出特性或内电阻特性以便判断燃料电池的输出特性或内电阻特性是否改变。如果燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，例如，由于氧电极变干导致输出特性降低，将流过燃料电池的电流控制到大于正常值以便促进氧电极上的反应，从而增加所形成的水量。因此，不仅能抑制氧电极变干，而且氧电极能处于适当的潮湿状态。
本发明的燃料电池装置的特征在于具有燃料电池，包括位于燃料电极和氧电极之间的电解质，其中，通过将燃料输送到燃料电极以及将空气输送到氧电极，燃料电池生成电动势；以及空气进给控制部分，用于允许根据燃料电池的输出状态或内电阻，改变输送到燃料电池的氧电极的空气的进给速率。
在燃料电池中，空气被输送到氧电极同时将燃料输送到燃料电极以使电解质中的质子导电。质子导电量根据连接到燃料电池的电负载流改变，以及如果负载电流变大，质子导电量增加并形成所增加的水量。理想地操作输送到燃料电池的氧电极的空气的进给速率以便例如，在操作期间，根据空气进给速率所形成的水量和蒸发的湿气量稳定地达到平衡，但空气进给速率被空气进给控制部分改变和被控制以便例如，抑制从燃料电池表面蒸发湿气，从而使抑制氧电极变干和使氧电极处于适当的潮湿状态成为可能。
另外，用于控制本发明的燃料电池的方法的特征在于包括步骤监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及如果所述燃料电池的所述输出特性或内电阻特性改变，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值。
如果所述燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，因此，不仅能抑制燃料电池中的氧电极变干，而且氧电极能处于适当的潮湿状态，并且直接从燃料电池的输出特性或内电阻特性监视这的必要性使得即使在发电中出现故障，也能快速处理问题成为可能。在本说明书中，电动势的测量包括测量和计算燃料电池的输出电流和内电阻或类似参数。
图1是表示根据本发明的一个实施例的燃料电池装置的方框图。
图2是表示根据上一个实施例的燃料电池装置的输出电压的时序图。
图3是表示根据本发明的实施例的燃料电池的概略透视图。
图4是表示将根据本发明的实施例的燃料电池卡插入膝上型个人计算机中的透视图。
图5是表示图4的燃料电池卡的外观的透视图。
图6是表示根据本发明的实施例的燃料电池装置的燃料电池主体的基本部分的概图。
图7是表示根据本发明的第二实施例的燃料电池装置的方框图。
图8是用于解释图7的燃料电池装置的操作的时序图。
图9是用于解释图7的燃料电池的操作的流程图。
图10是表示根据本发明的第三实施例的燃料电池装置的方框图。
图11是表示根据本发明的第四实施例的燃料电池装置的方框图。
图12是表示根据第四实施例的燃料电池装置的输出电压的时序图。
图13是表示根据本发明的第五实施例的燃料电池装置的方框图。
图14是用于解释图13的燃料电池装置的操作的时序图。
图15是用于解释图13的燃料电池装置的操作的流程16是表示根据本发明的第六实施例的燃料电池装置的方框图。
图17是表示根据本发明的第七实施例的燃料电池装置的方框图。
图18是表示根据本发明的第八实施例的燃料电池装置的方框图。
具体实施例方式
第一实施例将参考附图来描述本发明的燃料装置的优选实施例。图1是表示根据本实施例的燃料电池装置的方框图。本实施例的燃料电池装置10具有用于生成电动势的燃料电池主体11、用于控制负载的控制单元13、和连接到燃料电池主体11，用于允许燃料电池主体11上的负载值改变的负载控制部分14。通常通过负载控制部分14，将电动势提供给负载设备15，以及将用于输送燃料流体的氢进给设备12连接到燃料电池主体11上。
燃料电池主体11具有以下举例所述的将以基本上平板形状的电解质膜放置在燃料端电极(燃料电极)和氧气端电极(氧电极)之间，以及将燃料流体，诸如氢气或甲醇从具有氢储存功能的氢进给设备12输送到燃料端电极的结构。氧气端电极是用于吸入包含在空气中的氧的电极，并且其通过电解质膜朝向燃料端电极。氧气端电极可以是开放类型，并且可以具有通过压缩器、泵或风扇向其输送空气的结构。燃料电池主体11可以是通过在彼此之上层叠多个结构获得的层叠层状，每个结构包括以放置在燃料端电极和氧气端电极之间的基本上为平板形状的电解质膜，燃料电池主体11也可以是由一个结构或两个层叠结构组成的平板形状。
氢供给设备12是用于将燃料流体，诸如氢气或甲醇输送到燃料电池主体11的设备，例如，可以使用氢高压储气罐或包含具有其中吸收有氢的合金的吸收盒。如下所述，氢进给设备12可以从燃料电池主体11拆卸，或可以是在连合部分处理有关燃料状态的传输和接收信息的结构。
控制单元13是用于控制燃料装置10的控制器，并且其监视燃料电池主体11中燃料电池的输出状态或内电阻，并将用于根据输出状态或内电阻控制的信号输出到负载控制部分14。控制单元13由所需的电子电路、CPU(中央处理单元)等等组成。不必合并控制单元13和燃料电池主体11，而是可以分离地安装，或可以利用具有所安装的燃料电池主体11的电子设备的部分数据处理单元。在本实施例中，控制单元13监视燃料电池的输出电压或内电阻值。然而，监视并不限于此，可以监视输出电流或也可以同时监视包括温度、湿度和大气压的条件。
负载控制部分14是用于允许燃料电池主体11的负载根据燃料电池主体11的输出状态或内电阻改变的旁路电路，以及为使燃料电池主体11处于过电流状态，可以将开关元件放在燃料电池主体11的输出端之间以便导致短路，以致开关元件处于导通状态。或者，为使燃料电池主体11处于过电流状态，可以通过低电阻元件连接燃料电池主体11的输出端。负载控制部分14可以为使DC-DC变换器等等的一次电流处于过电流状态的结构，如下所述。当燃料电池主体11处于过电流状态时，燃料电池主体11的输出电压快速降低。因此，作为用于补偿降低的输出电压的补偿器件，例如可以在随后的负载设备15中提供浮充电池或电容器。
负载设备15是将在燃料电池装置10中生成的电动势提供到其上的设备，以及当将燃料电池装置10安装于其上的装置是例如个人计算机时，燃料电池装置10用作个人计算机的电源，因此，负载设备15对应于内部电路或外围设备。另一方面，当燃料电池装置10安装在运输机器上时，诸如汽车，负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，如果燃料电池装置10用作家庭小型电源，则电灯泡或家用电器对应于负载设备。
接着，将参考图2来描述负载控制部分14的操作的一个例子。在图2中，将燃料电池主体的输出电压Vout作为纵坐标，其中空气进给率和负载电流是恒定的，以及将时间t作为横坐标。在图1的燃料电池装置10中，首先将电压Vout维持在相当大的值，但随着操作继续，由于工作环境，会促使燃料电池主体11的表面上的电极变干。因此，燃料电池主体11的输出电压Vout逐渐降低并在时间为t0的点变得低于阈值电压Vth。阈值电压Vth是表示燃料电池主体11中的燃料电池的输出变低的参考电平。如果在控制单元13端识别出燃料电池主体11的输出电压Vout变得低于阈值电压Vth，那么控制单元13检测出燃料电池主体11中的燃料电池的输出为低，以及执行用于恢复功能的操作。特别地，将信号从控制单元13传送到负载控制部分14以便例如，使负载控制部分14处于低电阻状态。
通过使负载控制部分14处于低电阻状态，过电流流过燃料电池主体，以致燃料电池主体11的变干表面能在短时间内处于潮湿状态。当过电流流过时，从燃料电池端看，输出器件的负载电功率变小，因此，输出电压变小，但反过来大量电流流过，从而启动通过离子交换吸收氧原子以便导致形成大量湿气。为此，燃料电池主体11的表面能在极其短的时间内处于潮湿状态。尽管如上所述，负载控制部分14处于低电阻状态，事实上提供给随后的负载设备15的电力是不足的。然而，在负载控制部分14中提供临时使用的电功率补偿器件诸如浮充电池或电容器能防止负载设备15遭受电力供应中断。
当负载控制部分14处于低电阻状态时，燃料电池主体11的输出电压Vout快速降低，以及在图2中的时间为t1的点，输出电压Vout变得低于电压Vs，以致通过控制单元13端检测到到该点的输出电压Vout的降低。因此，控制单元13将用于终止操作以便恢复燃料电池的功能的信号传送到负载控制部分14。根据这些信号，负载控制部分14将电路状态从低电阻状态改变到一般状态。
作为用于检测燃料电池主体11的干燥状态的参数，代替当空气进给速率和负载电流为恒定时的燃料电池主体的上述输出电压Vout，根据例如电流中断方法，可以使用内电阻值r。在这种情况下，如果内电阻r超出特定值，与上述类似的控制使过电流流过燃料电池主体11，使得燃料电池主体11的变干表面在短时间内处于潮湿状态。在这种情况下，控制单元13对应于输出特性或内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性。
因此，在本实施例的燃料电池装置10中，用如果来自燃料电池主体11的输出电压Vout降低到阈值电压Vth或更低(或内电阻值增加到内电阻值rth或更大)，则燃料电池主体11处于过电流状态的方式执行控制，以及这一控制强制地和暂时地恢复电极的加湿保持状态。为此，即使由于长时间操作期间或开始操作时燃料电池主体11表面不够湿，而不能获得额定输出电压，也能在相对短的时间内恢复燃料电池的输出特性。另外，在本实施例的燃料电池装置10中，当将燃料电池主体11控制到处于过电流状态时，在负载控制部分14中提供的临时使用的电功率补偿器件，诸如浮充电池或电容器能防止负载设备15遭受电源中断。
图3表示其中在一个端壁上形成使用风扇的气流器件的燃料电池装置的例子。提供基本上为矩形的卡状外壳21，以及在外壳21中放置发电器部分23。在这里，用于卡状燃料电池的外壳21的大小可以是标准化为例如PC卡的大小，以及特别地可以应用通过JEIDA/PCMCIA标准化的大小。标准化大小是一端(长端)为85.6±0.2mm以及另一端(短端)为54.0±0.1mm的大小。相对于类型I和类型II单独地规定卡的厚度。特别地，关于类型I，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为3.3±0.2mm。关于类型II，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为5.0mm或更小及标准尺寸的±0.2mm厚度。可以通过将上外壳层叠在下外壳上构造卡状外壳21。
卡状外壳21被连接到储氢吸收盒22上，储氢吸收盒22具有基本与垂直于卡状外壳21的纵向的平面中的外壳相同的尺寸并能连续地连接到外壳上。在储氢吸收盒22中，放置例如储氢部分，诸如具有其中吸收的氢的合金，并且能将其从用于燃料电池的外壳21拆卸。储氢吸收盒22具有在被连接的情况下，用于燃料的出口被连接到连接器部分以使得燃料流体流过，以及在拆卸储氢吸收盒22的情况下，防止燃料流过储氢吸收盒的机构。
卡状外壳21其中具有包括组合的四个发电器的发电部分23、用于将燃料流体从储氢吸收盒22引入卡状外壳21的连接器部分24，用于连接连接器部分24插入其上的发电端连接器部分25、通过管路26连接到发电端连接器部分25的流量控制部分27、用于将流量控制部分27连接到发电部分23上的管路28、包括安装在接线板31上的电子部分30，用于使用电子部分实施输出控制等等的控制电路部分29。另外，在卡状外壳21中，放置作为气流器件的一对风扇32、33以便沿外壳的端壁延伸。分别通过电动机34、35驱动风扇32、33以便旋转。平行放置风扇32和风扇33，特别是在本实施例中，在垂直方向中平行放置风扇32和风扇33，以及它们分别将空气输送到上发电器和下发电器。
风扇32、33单独地具有由在圆柱旋转轴的外围上提供的刀片部分组成的结构，以及形成每个刀片部分以便其在旋转轴的方向中线性延伸和在旋转轴的直径的方向中径向延伸。因此，通过驱动电动机34、35以便将空气输送到沿垂直于旋转轴的方向中的未示出的凹槽的外壳中的空间，风扇32、33绕作为中心的旋转轴旋转。风扇32、33可以用于蒸发在氧气端电极上的水，如下所述，并且可用于通过输送空气来耗散热。分别通过连接器36、37将风扇32、33连接到电动机34、35上，但可以分别将电动机34、35直接连接到风扇32、33上而不提供连接器36、37。
发电部分23是由四个组合的发电器组成的结构，以及每个发电器具有包括电解质膜的结构，例如，位于燃料端电极和和氧气端电极间的质子导体，以及氧气端电极和燃料端电极的每一个由导电材料组成，诸如金属板、多孔金属材料，或碳材料，以及电流连接器被连接到氧气端电极和燃料端电极上。电流连接器是用于获得在电极中生成的电动势的电极材料，以及使用金属材料、碳材料或具有导电性的无纺织物构成它。在四个发电器中，在外壳中排列两组两个层叠的发电器。当两个发电器彼此层叠时，可以层叠它们以便燃料端电极的表面彼此面对，以及在这种情况下，将燃料流体输送到所层叠的燃料端电极间以便使得启动电极，以及需要输送氧的表面是表面的氧气端电极表面以及所层叠的发电器的后表面。
发电端连接器部分25是连接到用于储氢吸收盒22的连接器部分24的机构部分，用于将燃料流体引入燃料电池同时保持储氢吸收盒22的气密性。特别地，发电端连接器部分25具有连接器部分24的尖头插入发电端连接器部分25中并且进一步插入锁定连接器部分以便防止在安装操作期间泄气的机构。在直接甲醇系统以便燃料流体不是氧气而是流体中，可以使用可拆卸燃料流体储存罐代替储氢吸收盒22。
可以在发电端连接器部分25中提供机械流量控制机构，但在本实施例的燃料电池中，流量控制部分27位于发电端连接器部分25和发电部分23之间。流量控制部分27是用于电气或机械地保持燃料流体的流速恒定的设备，并且其可以使用所提供的阀体等等控制压力。
控制电路部分29是用于控制从发电部分23输出的电动势的电路，以及在图3所示的例子中，形成具有如图1所示的结构的控制单元13和负载控制部分14。控制电路部分29进一步可以监视与为燃料输送端的储氢吸收盒22的连接状态，并控制输出同时检测将输出提供到其上的一些部分的负载的状态，例如，根据利用电动势的设施的模式(例如，活动模式、等待模式或睡眠模式)，控制输出电压。
另外，可以在控制电路部分29中提供用于控制驱动风扇32、33的发动机34、35的电路部分。作为用于控制电路部分29的电源，可以使用在发电部分23中生成的部分电功率。一对输出端38、39从控制电路部分29突出以及输出端38、39的尖头从卡状外壳21突出。
在具有上述结构的本实施例的燃料电池装置中，用于向燃料电池输送氧和用于促使在氧气端电极表面上形成的水蒸发的风扇32、33位于卡状外壳21的一个端壁上。通过旋转风扇32、33以便沿未示出的凹槽引导空气，能实现有效地去除在氧气端电极的表面上形成的水，使得防止降低输出电压成为可能。
另外，在本实施例的燃料电池装置中，其中形成具有图1的结构的控制单元13和负载控制部分14的控制电路部分29包含到相同的卡状外壳21中，因此能容易地实现根据条件或环境优化输出电压和控制。另外，本实施例的燃料电池装置不仅仅是发电设备而且是具有数据处理功能的有用电池。另外，燃料电池具有在连接器部分防止发生流体泄漏，诸如泄气的结构，因此设备的安全性是令人满意的。
接着，将参考图4和5描述开放型的燃料电池装置的例子。本实施例的燃料电池装置可以是例如，具有卡状的平板型的燃料电池卡40，以及如图4所示，通过经用于卡的插槽42插入，燃料电池卡40可以连接到为装置主体的膝上型计算机(PC)41上。在这里，插槽42可以是专用于燃料电池卡40并在装置主体的外壳中形成的孔，或具有按JEIDA/PCMCIA标准化的大小的插槽。特别地，按JEIDA/PCMCIA标准化的大小是一端(长端)为85.6±0.2mm以及另一端(短端)为54.0±0.1mm的大小。相对于类型I和类型II单独地规定卡的厚度。特别地，关于类型I，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为3.3±0.2mm。关于类型II，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为5.0mm或更小及标准尺寸的±0.2mm厚度。作为用于输送燃料的具有其中吸收的氢的部分(储氢部分)44可以从燃料电池卡40拆下。
在图4中，在为装置主体的膝上型PC 41的键盘端主体的端壁部分中形成插槽42。或者，其中形成插槽42的部分可以是在图4中用虚线表示的可选择底板43的一部分。可选择底板43由可从膝上型PC 41拆下的多个功能构件组成。当改变个人计算机的外延功能时，交换包含到可选择底板43中的构件。当使用燃料电池卡40时，可以外部地连接专用适配器，或可以将多个燃料电池卡40同时包含到数据处理装置，例如膝上型PC 41中。
图5是所组装的燃料电池卡40的透视图，以及考虑到便携性，形成使拐角部分变圆的燃料电池卡40具有平板形状的上外壳46与下外壳45结合，以及在图5中，上外壳46通过例如未示出的螺丝连接到下外壳45的结构。在上外壳46中，多个矩形开口部分47形成为用于将氧引入外壳中的气体入口。
在这一例子中，每个开口部分47是基本上矩形形状的通孔，以及并排形成由5列×3行组成的两组15个开口部分，以及上外壳46具有总共30个开口部分47。开口部分47使氧气端电极暴露于空气中，如下所述，从而实现有效地吸收氧，而没有任何专用的吸气装置，同时去除过多的湿气。
在本实施例中，开口部分47的形状是与对应于电流收集器的图形的晶格形状相同的晶格形状。或者，它可以是其它形状，以及各个开口部分的形状可以是不同的形状，诸如圆形、椭圆形、带状和多边形。另外，在这一例子中，通过以板状切开上外壳46形成开口部分47，以及为防止杂质或灰尘进入或沉积，以便安全地使氧气端电极暴露于空气中，可以在开口部分47上提供网或无纺织物。在下外壳45中，形成对应于上外壳46的开口部分47的开口部分，以及它们的形状相似，并且类似地提供网或无纺织物。
能提供氢的氢吸收部分44通过将在氢吸收部分44的连接端壁上形成的一对插针48安装到在下外壳45的连接端壁中形成的一对安装孔50，被连接到燃料电池卡40。在这一实例中，将为氢吸收部分44的氢进给入口的突出部分49插入到在下外壳45的连接端壁中形成的矩形安装孔51中，并连接到延伸到外壳中的安装孔51的位置的未示出的燃料管路部分的终端部分。氢吸收部分44能从燃料电池卡40拆下，以及例如，当存储在氢吸收部分44中的氢量少时，氢吸收部分44被从燃料电池卡40拆下并用具有其中存储的足够的氢的氢吸收部分44代替，或通过注入氢，可以重新使用所拆下的氢吸收部分44。在这一例子中，氢吸收部分44的插针48被安装到安装孔51中以便将氢吸收部分44连接到燃料电池卡40上，但可以使用其它连接装置，例如，可以采用使用插入键槽的结构或使用相对于弹簧滑动的滑动构件或使用磁铁的结构。
图6是表示燃料电池主体部分的一个例子的示意图。图6表示两个电解质膜电极合成物，即，MEAs(膜和电极组件)67、68层叠，以及形成燃料端电极63、64和氧气端电极65、66以便为离子交换膜的质子导体膜61、62分别位于各个电极之间。在燃料端电极63、64和氧气端电极65、66中，形成催化剂材料诸如铂，并进一步形成用于获得电荷的未示出的电流收集器。一对燃料端电极63、64彼此面对以便在它们之间具有用于引入氢等等作为燃料的所需空间。
燃料流体，诸如氢气被从外面输送到燃料端电极63、64，以及燃料流体通过电极中的小孔到达反应区，并被吸收在存在于电极中的催化剂上以形成活动氢原子。氢原子变为氢离子并移向为相反电极(counter electrode)的氧气端电极，以及将电离后形成的电子输送到燃料端电极63、64，并且电子作为电动势移过连接到外部的电路，然后到达氧气端电极65、66。
氧气端电极65、66和燃料端电极63、64的每一个包括导电材料，诸如金属板、多孔金属材料或碳材料，以及电流收集器被连接到氧气端电极65、66和燃料端电极63、64。电流收集器是用于获得在电极中生成的电动势的电极材料，以及使用金属材料、碳材料或具有导电性的无纺织物构成它。在本实施例中，层叠两个MEAs 67、68以便燃料端电极63、64位于其中，从而氧气端电极65、66分别位于所层叠的两个MEAs 67、68的表面和后表面上。作为一个例子，当使用卡状外壳时，可以以其纵向对应于长端的方向的基本上矩形板状分别形成MEAs 67、68，但它们可以是其它形状。另外，MEAs 67、68的结构不限于包括两个层叠的两个MEAs的结构，而是可以组合4、6、8或更多MEAs。另外，当各个MEAs具有相同的形状时，可以在制作中安装相同的MEAs，但并不局限于此并可以组合具有不同形状的MEAs。例如，具有较大尺寸的MEA和具有较小尺寸的MEA可以放在相同的表面上，或具有较大厚度的MEA和具有较小厚度的MEA可以放在相同的表面上。或者，为实现良好的性能或效率，可以在外壳中组合安装具有不同性能的不同类型的MEAs。另外，在本实施例中，位于外壳中的MEAs 67、68具有所需刚性，以及每个MEA可以具有挠性，以及在这种情况下，可以用具有挠性的材料构成外壳。另外，结构可以是MEA本身是所需吸收盒类型并且是可替换的那种结构。另外，移动MEA，例如，在外壳中滑动MEA并移动以便改变MEAs间的连接状态。
第二实施例接着，将参考图7至10描述本发明的燃料电池装置的更详细的实施例。首先，如图7所示，根据本实施例的燃料电池装置具有燃料电池主体71，燃料电池主体71具有通过在彼此之上层叠多个发电器，例如MEAs形成的结构，并进一步具有控制单元73，用于控制负载，并作为负载控制部分，连接到燃料电池主体71上，用于允许燃料电池主体71上的负载值改变；电阻降低电路部分，包括开关元件78和电阻元件77；以及电源补偿电路部分，包括二极管79和浮充电池80。通过负载控制部分，将燃料电池主体71连接到负载设备75上，在燃料电池主体71中生成的电动势被输送到负载设备75，以及另外，将用于输送燃料流体的氢进给设备72连接到燃料电池主体71上。另外，将用于输送空气和蒸发过多湿气的空气进给压缩器76连接到燃料电池主体71上。
燃料电池主体71如上所述是通过将MEAs彼此层叠形成的，每个MEAs包括位于燃料端电极和氧气端电极间的电解质膜，以及将氢输送到燃料端电极并将空气输送到氧气端电极以便在一对输出端间生成电动势。燃料流体，诸如氢被从氢进给设备72，经气体进给通路81输送到燃料电池主体71，以及燃料流体被输送到燃料电池主体71的燃料端电极上。
空气进给压缩器76是改变大气压的设备，例如风扇或泵，以及其是用于将包含在空气中的氧输送到燃料电池主体71的氧气端电极的表面上，以及用于输送空气以便蒸发在氧气端电极的表面上生成的湿气的设备。空气进给压缩器76和燃料电池主体71可以合并或可彼此拆卸作为单个构件。空气进给压缩器76通过空气进给管路82被连接到燃料电池主体71上，以及在空气进给管路82的出口附近放置燃料电池主体71的氧气端电极。当氧气端电极上覆盖有水时，电极不能再吸收氧，以致发电特性变得很弱。然而，由于提供空气进给压缩器76，不必要的湿气被蒸发和去除。因此，防止了氧气端电极上的过多湿气降低输出的问题。另外，在燃料电池主体71中，在开始操作时或长时间操作期间，存在不利地使燃料电池主体71变干并降低电解质膜中的离子交换效率的问题。然而，在本实施例的燃料电池装置中，可以暂时允许过电流流过燃料电池主体71，从而能解决燃料电池主体71的干燥状态的问题。经排气管路83，从燃料电池主体71排出输送到燃料电池主体71的空气。
负载设备75是将在燃料电池装置中生成的电动势输入其中的设备，以及如果燃料电池装置安装其上的装置是例如，个人计算机，则将燃料电池装置用作个人计算机的电源，因此，负载设备75对应于内部电路或外围设备。另一方面，如果燃料电池装置安装在运输机器，诸如汽车上，则负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，如果燃料电池装置用作家庭小型电源，电灯泡或家用电器对应于负载设备75。
在图7中，控制单元73是用于控制负载控制部分中的下述电阻降低电路部分和电源补偿电路部分同时监视燃料电池主体71的输出状态或内部电阻的设备。燃料电池主体71的输出状态或内部电阻受作为来自燃料电池，即MEA的输出端的信号的信息的监视。在图7的装置中，采用监视燃料电池主体71的输出状态或内电阻的方法，但监视方法不限于此，以及可以直接监视每个电极或电解质膜的湿度或可以使用温度或大气压传感器或也可以使用输出传感器。
在本实施例中，控制单元73可以监视空气进给压缩器76的工作状态或控制空气进给压缩器76的动作。当控制空气进给压缩器76的动作时，通过停止空气进给压缩器76的动作同时过电流流过燃料电池主体71以形成湿气并恢复发电功能，可以避免蒸发湿气。另外，通过停止空气进给压缩器76的动作，所形成的水可以快速透过电解质膜，从而使得快速恢复发电性能成为可能。另外，控制单元73接收有关电功耗状态或负载设备75中所需的电功率的信息，并且根据信息，其能以高效率实现发电。
本实施例的燃料电池装置具有作为用于允许燃料电池主体71上的负载电流值改变的负载控制部分，包括开关元件78和电阻元件77的电阻降低电路部分，以及包括二极管79和浮充电池80的电源补偿电路部分。构成电阻降低电路部分的开关元件78和电阻元件77是根据来自控制单元73的信号动作的电路，以及例如，作为开关元件78，可以利用本实施例中的半导体设备，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，或继电器等等。电阻元件77与负载设备75相比，具有极其小的电阻值，以及当电流流过时，在元件的端子间生成的电势差具有小值。在燃料电池主体71的输出端的正号端子和负号端子间串连连接开关元件78和电阻元件77，以及当将开关元件78的栅极控制为导通端时，开关元件78处于导电状态，以便使燃料电池主体71的输出端上的负载电流增加。
负载控制部分中的电源补偿电路部分具有二极管79和浮充电池80，以及当降低燃料电池主体71的输出时，二极管79用作整流器。如果根据包括开关元件78和电阻元件77的电阻降低电路部分的动作，使燃料电池主体71的输出端的正号端子和负号端子间的电阻降低，则浮充电池80用作用于负载设备75而不是燃料电池主体71的电源的元件。浮充电池80的正号端子通过二极管79被连接到燃料电池主体71的输出端的正号端子上并被连接到负载设备75的正号端子端，以及浮充电池的负号端子被连接到燃料电池主体71的输出端的负号端子并被连接到负载设备75的负号端子端上。当开关元件78处于导通状态时，浮充电池80通过其自己的电动势驱动负载设备75。代替浮充电池80，可以使用电容器等等。
图8是用于解释图7的燃料电池装置的操作的时序图的一个例子，以及其是将当燃料电池的空气进给率和负载电流恒定时的输出电压检测为干燥状态的参数的例子。将时间t作为横坐标，以及将当负载电流恒定时的电池电流icell或电池电压Vcell作为纵坐标。电池电压Vcell对应于燃料电池主体71的输出电压Vout。在这一燃料电池装置中，当燃料电池主体71的输出电压的降低变得很显著时，控制单元73检测输出电压的降低。如果识别出输出电压不高于特定值(例如图2中的Vth)，根据来自控制单元73的信号，将开关元件78控制到处于导电状态，以便包括开关元件78和电阻元件77的电阻降低电路部分从一般负载状态或非导电状态改变到低电阻状态。然后，燃料电池主体71处于降低输出端间的电阻或在输出端间发生短路的状态，以便大的电池电流icell，即过电流流过燃料电池主体71。流过燃料电池主体71的过电流使氧原子急剧地与氧气端电极上的氢原子结合以暂时地形成大量水，并且如果由于变干降低输出，电解质膜快速地处于潮湿状态，使得可能快速地恢复输出。
当过电流流过燃料电池主体71时，输出端间的电势差，即电池电压Vcell快速变得更小。因此，如图8所示，电压在相对短的时间内变得低于预定电压(例如，在图2中的电压Vs)，以及控制单元73检测输出电压低于预定电压的事实，使开关元件78处于断开状态。然后，负载控制部分的电路状态变为一般状态，以便经开关元件78和电阻元件77挡住电流通路。因此，电池电压Vcell，即输出电压Vout相反地快速增加。燃料电池主体71的输出电压Vout再次变高并超出浮充电池80的电压，以便再次将电功率从燃料电池主体71提供到负载设备75。在这一阶段，当过电流流过燃料电池主体71时，形成大量水，以及电解质膜快速变为潮湿状态，从而使快速恢复输出成为可能。
图8还表示再次启动燃料电池装置的操作的情形，以及当在开始操作时发生类似的输出电压降低时，过电流可以类似地流过燃料电池主体71，用于恢复功能以及可以类似地增加输出电压。另外，当燃料电池主体71上的负载处于能维持自加湿状态的电平时，输出电压保持预定值以及可发电很长时间同时将输出电压维持那个值。
图8的例子表示来自空气进给压缩器76的空气进给恒定的情形。除允许过载电流流过燃料电池主体71，用于恢复输出功能的上述控制外，可以控制来自空气进给压缩器76的空气进给，以及例如，当控制过电流以便流过燃料电池主体71以形成湿气来恢复发电功能外，可以做出临时终止空气进给压缩器76的动作的控制。暂时终止空气进给压缩器76可以防止湿气蒸发并允许所形成的水以便快速透过电解质膜。抑制湿气蒸发和所形成的水渗透电解质膜使得可以快速地恢复发电功能。
接着，将参考图9来描述用于操作如图7所示的根据本实施例的燃料电池装置的步骤的流程的一个例子。如果输出特性或内电阻特性超出可接受范围，本实施例的燃料电池装置操作以便恢复它们。在这一例子中，紧随启动燃料电池装置的操作后，即，在开始操作时可接受范围和在操作燃料装置持续一段时间后，即操作期间的可接受范围是不同的，因此流程图构造成处理经过不同的步骤流程。根据控制单元的判断示出这些步骤，以及例如，由图7中的控制单元73的CPU所做的控制的步骤对应于图9的流程图。
作为用于控制的步骤，首先，步骤S11判断当前阶段是紧接启动燃料电池装置的操作后，即在开始操作时，还是在燃料电池装置操作持续一段时间后，即，操作期间。可以使用控制单元73中的时钟或定时器来监视这一操作，以及可以使用其它数据，例如来自负载设备端的数据。
当步骤S11的判断是“在开始操作时”时，处理进入步骤S12以及控制单元73从燃料电池主体71接收电压、电流和温度数据。然后，检测在接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流特性或内电阻特性或按这些参数计算，以及步骤S13判断电压-电流初始特性或内电阻特性是否落在可接受范围内。当在接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流初始特性或内电阻特性落在可接收范围内时(是)，处理进入步骤S14，以及识别出本操作状态良好，因此继续当前负载控制，以便终止处理。
当判定在接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流初始特性或内电阻特性超出可接受范围时(否)，处理进入步骤S15，以及来自空气进给压缩器76的空气进给维持适合于一般负载的进给率，并且，为允许过载电流流过燃料电池主体71，控制功率元件，诸如开关元件78以便从断开改变到导通以允许电流流过具有低电阻的电阻元件77。因此，在燃料电池主体71的氧气端电极上消耗大量氧以形成湿气，以及所形成的水导致电解质膜处于潮湿状态。因此，如果由于变干降低输出，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这一期间，不能从燃料电池主体71提供电功率，但负载设备75可以暂时使用来自浮充电池80的电功率，从而可以有效地避免由于控制电功率产生瞬时中断的问题。
在将功率元件，诸如开关元件78控制到导通以便允许过载电流流过燃料电池主体71后，处理进入步骤S16以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻值r是否低于rs)。当判定输出电压Vout不低于电压Vs(内电阻值r不低于rs)(NO)时，处理进入步骤S18以及流过燃料电池主体71的过载电流维持原样，以便处理返回到步骤S16以便再次判断状态。
当处理进入步骤S16以及输出电压Vout被判定为低于电压Vs(判定内电阻值低于rs)(是)时，识别出已经通过在燃料电池主体71中形成的水实现恢复功能，以便挡住流过燃料电池主体71的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件78以便从导通状态到处于断开状态。因此，使开关元件78处于断开状态的控制档住流过电阻元件77的电流(步骤S17)和同时流过燃料电池主体71的过载电流。因此，燃料电池主体71上的负载变为一般负载，以及例如图2或图8所示的输出电压Vout变为初始值。
接着，当从开始操作经过预定时间段时，即，该阶段处于操作期间，步骤S11判断“在操作期间”以及处理进入步骤S19，以及控制单元73从燃料电池主体71接收电压、电流和温度数据。然后，检测接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流特性或内电阻特性或按这些参数计算，以及步骤S20判定在操作期间的电压-电流降低特性或内电阻增加特性是否落在可接受范围内。当接收数据时的电压-电流降低特性或内电阻增加特性落在可接受范围内(是)时，处理进入步骤S21，以及识别出当前操作状态良好，从而继续当前负载控制，以便终止处理。
当接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流降低特性或内电阻增加特性超出可接受范围(NO)时，处理进入步骤S15，以及来自空气进给压缩器76的空气进给维持适合于一般的进给率，以及为允许过载电流流过燃料电池主体71，控制功率元件，诸如开关元件78以便从断开改变到导通以允许电流流过具有低电阻的电阻元件77。因此，在燃料电池主体71的氧气端电极上消耗大量氧以便形成湿气，以及所形成的水使得电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干使输出降低时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得可以快速地恢复输出。另外，在这期间，不能从燃料电池主体71提供电功率，但负载设备75可以暂时使用来自浮充电池80的电功率，从而可以有效地避免由于控制电功率导致的瞬时中断问题。
与开始操作时相同，在将功率元件，诸如开关元件78控制到导通以便允许过载电流流过燃料电池主体71时，处理进入步骤S16以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻r是否低于rs)。当判定输出电压不低于电压Vs(判定内电阻r不低于rs)时(否)，处理进入步骤S18以及流过燃料电池主体71的过载电流维持原样，以便处理返回到步骤S16来再次判定状态。
当处理进入步骤S16以及判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)(是)时，识别出已经通过在燃料电池主体71中形成的水实现了恢复功能，以便挡住流过燃料电池主体71的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件78以便从导通状态改变到断开状态。因此，控制开关元件78处于断开状态同时挡住了流过电阻元件77的电流(步骤S17)，和流过燃料电池主体71的过载电流。因此，燃料电池主体71上的负载变为一般负载，以及例如图2或图8所示的输出电压Vout变为初始值。
根据如上所述的步骤流程，本实施例的燃料电池装置判断作为来自燃料电池主体的输出特性的电压-电流特性或内电阻特性是否落在可接受范围内，以及当特性超出可接受范围时，控制开关元件处于导通状态以允许过载电流流过燃料电池主体。在允许过载电流流过后，类似地检查输出电压或内部电阻值，以及当该值低于特定电平时，控制开关元件处于断开状态以防止过载电流进入燃料电池主体。因此，可以在相对短的时间内恢复燃料电池主体的输出特性，以及实施其控制同时监视输出特性或内电阻增加特性，从而不必执行恢复操作。特别地，在操作开始时和操作期间，用不同的方式控制作为来自燃料电池主体的输出特性并且落在可接受范围内或外的电压-电流特性或内电阻增加特性，因此，即使当稍微改变电解质膜的状态时，也可以实施适合于各种情形的控制。
第三实施例接着，将参考图10来描述根据第三实施例的燃料电池装置。图10的装置具有燃料电池主体91，燃料电池主体91具有通过将多个发电器，例如MEAs彼此层叠形成的结构，并进一步具有用于控制负载的控制单元93，控制单元93作为负载控制部分连接到燃料电池主体91上，用于允许燃料电池主体91上的负载值改变；DC-DC换能器97；以及包括二极管99和浮充电池98的电源补偿电路部分。当输出电压不高于阈值电压时，电源补偿电路部分用作电连接电极的旁路电路。将负载设备95通过负载控制部分连接到燃料电池主体91，将在燃料电池主体91中生成的电动势输送到负载设备95，以及氢进给设备92被连接到燃料电池主体91，用于经燃料进给管路101输送燃料液体。另外，空气进给压缩器96被连接到燃料电池主体91，用于输送空气和蒸发过多湿气。经空气进给管路102，来自空气进给压缩器96的空气被输送到燃料电池主体91上，并经排气管路103连同过多湿气等等一起排出。
在图10的装置中，燃料电池主体91、氢进给设备92、控制单元93、负载设备95和空气进给压缩器96分别具有与图7所示的相应设备相同的结构，以及为简化说明，省略重复描述。图10的装置具有基本与图7的装置相同的结构，除提供DC-DC换能器97代替电阻降低电路外，以及DC-DC换能器97可以根据来自控制单元93的控制信号，增加一次输入电流。特别地，DC-DC换能器97具有当作为来自燃料电池主体的输出特性的电压-电流特性或内电阻增加特性超出可接受范围时显著增加一次输入电流的功能，从而使过电流流过燃料电池主体。过电流消耗燃料电池主体91的氧化端电极上的大量氧以便形成湿气，以便形成的水使电解质膜处于潮湿状态，因此，当由于变干而降低输出时，电解质膜快速地处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体91提供电功率，但负载设备95可以暂时使用来自浮充电池98的电功率，从而可以有效地避免由于控制电功率导致的瞬时中断问题。
在上述实施例中，装置具有通过电路使在一对输出端间产生短路或降低输出端间的电阻以便允许过电流流过燃料电池主体的结构，但方法不限于操作输出端间的电阻值的方法，以及可以在MEA本身或电流收集器等等中形成用于导致短路或降低燃料端电极和氧气端电极间的电阻的器件，以及可以形成用于导致短路或降低电阻的单个或多个器件。另外，为实现电解质膜中的统一功能恢复处理，可以提供用于使过电流流过燃料电池主体的导线。
另外，在本实施例中，在其中实施用于输出特性的恢复的预定操作同时监视燃料电池主体的输出电压或内电阻的例子上进行说明，但操作不限于此，以及使用定时器等等可以自动进行用于恢复输出特性的预定操作，特别是在开始操作时，使用定时器可以获得优良结果。当燃料电池主体包括多个发电器时，所有发电器均同时受到过电流处理，但可以接连地处理发电器以便将过电流施加到具有延时的各个发电器上。
另外，控制单元93不仅可以用于控制负载而且可用于空气进给，如下所述。
第四实施例将参考图来描述本发明的燃料电池装置的优选实施例。图11是表示根据本实施例的燃料电池装置的方框图。本实施例的燃料电池装置110具有用于生成电动势的燃料电池主体111、用于控制负载的控制单元113、以及用于将空气输送到燃料电池主体111的空气进给控制部分116，以及通常将电动势从燃料电池主体111的输出端提供到负载设备115，以及用于输送燃料流体的氢进给设备112被连接到燃料电池主体111上。
燃料电池主体111具有如下所述的结构，例如，将基本上为平板形状的电解质膜放在燃料端电极和氧气端电极之间，以及燃料流体，诸如氢气或甲醇被从具有氢存储功能的氢进给设备112输送到燃料端电极上。氧气端电极是用于吸收包含在空气中的氧的电极，并且其通过电解质膜与燃料端电极相对。氧气端电极可以是开放型，以及可以具有通过压缩器、泵或风扇向其输送空气的结构。燃料电池主体111可以是通过在彼此之上层叠多个结构获得的层叠晶格形状，每个结构包括以位于燃料端电极和氧气端电极间的基本上平板形状的电解质膜，或者燃料电池主体111也可以是包括一个结构或两个层叠结构的平板形状。
氢进给设备112是用于将燃料流体，诸如氢气或醇，例如，甲醇输送到燃料电池主体111上的设备，以及例如，可以使用包含具有其中吸收的氢的合金的高压罐或吸收盒。如下所述，氢进给设备112可以从燃料电池主体111拆下，并且可以是在接合部分处理有关燃料状态的信息的传输和接收的结构。
控制单元113是用于控制燃料电池装置110的控制器，以及其监视燃料电池主体111中的燃料电池的输出状态或内电阻，并将用于根据输出状态或内电阻进行控制的信号输出到空气进给控制部分116。控制单元113由所需电子电路、CPU(中央处理单元)等等组成，以及控制单元113和燃料电池主体111不必合并，而是可以单独地安装，或可以利用具有所安装的燃料电池主体111的电子设备的数据处理单元的一部分。在本实施例，控制单元113监视燃料电池的输出电压或内电阻值，但监视不限于此，以及可以监视输出电流或同时监视包括温度、湿度和大气压的状态。
空气进给控制部分116是用于允许输入到燃料电池主体111的空气根据燃料电池主体111的输出状态或内电阻改变的控制部分。其是改变大气压的设备，例如压缩器、风扇或泵，以及是用于将包含在空气中的氧输送到燃料电池主体111的氧气端电极的表面上以及用于输送空气以便蒸发在氧气端电极的表面上产生的湿气的设备。空气进给控制部分116和燃料电池主体111可以合并或可彼此拆卸作为单独的构件。
负载设备115是将在燃料电池装置110中生成的电动势输送到其中的设备，以及当将燃料电池装置110安装在其上的装置是例如个人计算机时，燃料电池装置110用作个人计算机的电源，因此，负载设备115对应于内部电路或外围设备。另一方面，当燃料电池装置110安装在运输机器，诸如汽车上时，负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，当燃料电池装置110用作家用小型电源时，电灯泡或家用电器对应于负载设备。
为使燃料电池主体111处于过电流状态，可以将开关元件放在燃料电池主体111的输出端上以便产生短路，从而使开关元件处于导通状态。或者，为使燃料电池主体111处于过电流状态，可以通过低电阻元件连接燃料电池主体111的输出端。
接着，将参考图12描述空气进给控制部分116的操作的一个例子。在图12中，当负载电流恒定时的燃料电池主体的输出电压Vout被作为纵坐标，以及时间t被作为横坐标。在图11的燃料电池装置110中，首先，将电压Vout维持在相对大的值上，但随着操作继续，由于使用环境，会发生燃料电池主体111的表面上的电极变干。因此，燃料电池主体111的输出电压Vout逐渐降低并在时间t0时的点变得低于阈值电压Vth。阈值电压Vth是表示燃料电池主体111中的燃料电池的输出低的参考电平，以及当识别出燃料电池主体111的燃料电池的输出电压Vout低于控制单元113端的阈值电压Vth时，控制单元113检测出燃料电池主体111中的燃料电池的输出为低，执行用于恢复功能的操作。特别地，将信号从控制单元113传送到空气进给控制部分116，以便例如，暂时防止空气进入到空气进给控制部分116。
通过使空气进给控制部分116处于空气进给终止状态，抑制蒸发燃料电池主体111的表面上的湿气，以便燃料电池主体111的干燥表面在短时间内处于潮湿状态。当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态时，负载电流流过燃料电池，以及通过离子交换吸引氧原子导致湿气形成。为此，燃料电池主体111的表面可以在极其短的时间内处于潮湿状态。当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态，如上所述时，实际上提供到随后的负载设备115的电功率是不足的，但暂时使用如下所述的电功率补偿器件，诸如浮充电池或电容器防止负载设备115遭受电源中断。
当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态时，燃料电池主体111的输出电压Vout快速降低，以及输出电压Vout在图12中的时间t1的点变得低于电压Vs，以致由控制单元113端检测到输出电压Vout降低到该点。因此，控制单元113将用于终止恢复燃料电池的功能的操作的信号传送到空气进给控制部分116。根据信号，空气进给控制部分116将该装置的模式从空气进给终止状态改变到一般空气进给操作状态。
作为用于检测燃料电池主体111的干燥状态的参数，代替当负载电流恒定时的上述燃料电池主体的输出电压Vout，根据例如电流中断方法，可以使用内电阻值r。在这种情况下，当内电阻值r超出特定值时，对上述的类似的控制使得燃料电池主体111处于空气进给终止状态，使得燃料电池主体111的干燥表面在短时间内处于潮湿状态。
因此，在本实施例的燃料电池装置10中，做出控制以便空气进给控制部分116变为处于空气进给终止状态以便当来自燃料电池主体111的输出电压Vout降低到阈值Vth或更小(或内电阻值增加到内电阻值rth或更大)时，使许燃料电池主体111处于过电流状态，以及这一控制迫使和暂时恢复电极的潮湿保持状态。为此，即使当在长时间操作期间或开始操作时，由于燃料电池主体的表面的湿度不足，导致不能获得额定输出电压，也可以在相对短的时间内恢复燃料电池的输出特性。另外，在本实施例的燃料电池装置110中，当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态时，降低输出电压，因此，可以暂时使用如下所述的电功率补偿器件，诸如浮充电池或电容器。
第五实施例接着，将参考图13至15描述本发明的燃料电池装置的更详细的实施例。首先，如图13所示，根据本实施例的燃料电池装置具有燃料电池主体171，燃料电池主体171具有通过彼此层叠多个发电器，例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制负载的控制单元173，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体171上，用于允许燃料电池主体171上的负载值改变；包括开关元件178和电阻元件177的电阻降低电路部分；以及包括二极管179和浮充电池180的电源补偿电路部分。通过负载控制部分，将燃料电池主体171连接到将在燃料电池主体171中生成的电动势输送到其中的负载设备175，以及另外，将燃料电池主体171连接到用于输送燃料流体的氢进给设备172。另外，将燃料电池主体171连接到作为用于输送空气和蒸发过多湿气的空气进给控制部分的空气进给压缩器176上。空气进给压缩器176用作图11的空气进给控制部分116。
如上所述，通过彼此层叠MEAs形成燃料电池主体171，每个MEAs包括位于燃料端电极和氧气端电极间的电解质膜，以及将氢输送到燃料端电极，以及空气被输送到氧气端电极以便在一对输出端间生成电动势。燃料流体，诸如氢经气体进给通路181，从氢进给设备172被输送到到燃料电池主体171上，以及燃料流体被输送到燃料电池主体171的燃料端电极上。
空气进给压缩器176是用作空气进给控制部分，并由用于改变大气压的机构，例如风扇或泵组成的设备，以及其是用于将包含在空气中的氧输送到燃料电池主体171的氧气端电极的表面上以及用于输送空气以便蒸发在氧气端电极的表面上生成的湿气的设备。空气进给压缩器176和燃料电池主体171可以合并或彼此分开作为单独的构件。通过空气进给管路182，将空气进给压缩器176连接到燃料电池主体171上，以及将燃料电池主体171的氧气端电极放在空气进给管路182的出口附近。当氧气端电极上覆盖有水时，电极不能再吸收氧，以致发电特性变弱。然而根据所提供的空气进给压缩器176，蒸发和去除不必要的湿气。因此，防止氧气端电极上的过多湿气降低输出的问题。另外，在燃料电池主体171中，在开始操作时或长时间操作期间，存在不利地使燃料电池主体171变干和降低电解质膜中的离子交换的效率的问题，但是，在本实施例的燃料电池装置中，燃料电池主体171可以暂时处于空气进给终止状态，因此，解决了燃料电池主体171的干燥状态的问题。经排气管路183，从燃料电池主体171排出输送到燃料电池主体171的空气。
负载设备175是将在燃料电池装置中生成的电动势输送到其中的设备，以及当在其上安装燃料电池装置的装置是例如个人计算机时，燃料电池装置用作个人计算机的电源，因此，负载设备175对应于内部电路或外围设备，另一方面，当将燃料电池装置安装在运输机器上，诸如汽车上时，负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，当燃料电池装置用作家用小型电源时，电灯泡或家用电器对应于负载设备175。
在图13中，控制单元173是用于控制如下所述的空气进给压缩器176以及负载控制部分中的电阻降低电路部分和电源补偿电路部分，同时监视燃料电池主体171的输出状态和内电阻的设备。通过作为来自燃料电池，即MEA的输出端的信号的信息监视燃料电池主体171的输出状态或内电阻。在图13的装置中，采用监视燃料电池主体171的输出状态或内电阻的方法，但监视方法不限于此，以及可以直接监视每个电极或电解质膜的湿度，或可以使用温度或大气压传感器，或也可以使用输出传感器。控制单元173可以直接监视空气进给压缩器176的操作状态。
当控制空气进给压缩器176的动作以便恢复发电功能时，允许电流流过燃料电池主体171以便形成水。特别地，通过停止空气进给压缩器176的动作，可以防止湿气蒸发并且所形成的水可以快速渗过电解质膜。可以在相对短的时间内停止来自空气进给压缩器176的空气进给以便快速恢复发电性能。另外，控制单元173接收有关电功率消耗状态或负载设备175中所需的电功率的信息，并且其可以根据信息以高效率实现发电。
除控制空气进给压缩器176的空气进给操作外，本实施例的燃料电池装置具有，作为用于允许燃料电池主体171上的负载电流值改变的负载控制部分，包括开关元件178和电阻元件177的电阻降低电路部分，以及包括二极管179和浮充电池180的电源补偿电路部分。构成电阻降低电路部分的开关元件178和电阻元件177是根据来自控制单元173的信号操作的电路，并且例如，作为开关元件178，可以使用本实施例中的半导体设备，诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或继电器等等。与负载设备175相比，电阻元件177具有极其小的电阻值，以及当电流流过时，该元件的端子之间生成的电势差具有小值。开关元件178和电阻元件177串连连接在燃料电池主体171的输出端的正号端子和负号端子之间，以及当将开关元件178的栅电极控制为导通端时，开关元件178处于导电状态，以致使燃料电池主体171的输出端上的负载电流增加。
负载控制部分中的电源补偿电路部分具有二极管179和浮充电池180，以及当燃料电池主体171的输出降低时，二极管179用作整流器。当根据包括开关元件178和电阻元件177的电阻降低电路部分的动作，使燃料电池主体171的输出端的正号端子和负号端子之间的电阻降低时，浮充电池180用作用于负载设备175而不是燃料电池主体171的电源的设备。浮充电池180的正号端子通过二极管179被连接到燃料电池主体171的输出端子的正号端子并连接到负载设备175的正号端子端，以及浮充电池180的负号端子被连接到燃料电池主体171的输出端的负号端子和负载设备175的负号端子端。当开关元件178处于导通状态时，浮充电池180通过其自身的电势驱动负载设备175。代替浮充电池180，可以使用电容器等等。
图14是用于解释图13的燃料电池装置的操作的时序图的一个例子，以及其是将当燃料电池的负载电流恒定时的输出电压检测为干燥状态的参数的一个例子。时间t被用作横坐标，以及当负载电流恒定时的电池电压Vcell被用作纵坐标。电池电压Vcell对应于燃料电池主体171的输出电压Vout。在这一燃料电池装置中，当燃料电池主体171的输出电压下降变得很显著时，控制单元173检测输出电压的下降，以及当识别出输出电压不高于特定电压(例如在图2中为Vth)时，根据来自控制单元173的信号，将空气进给压缩器176控制到处于空气进给终止状态。
为恢复发电性能，首先，控制来自空气进给压缩器176的空气进给。例如，当燃料电池主体171处于降低输出电压的状态时，可以控制空气进给压缩器176的动作以便暂时终止停止空气进给。空气进给压缩器176的暂时终止可以防止蒸发湿气以及允许所形成的水快速渗过电解质膜，从而抑制湿气蒸发和所形成的水渗入电解质膜使快速恢复发生性能成为可能。
另外，当降低电阻降低电路部分的电阻时，燃料电池主体171处于降低输出端间的电阻或在输出端间产生短路的状态，以便大的过电流流过燃料电池主体171。流过燃料电池主体171的过电流使得氧原子急剧地与氧气端电极上的氢原子结合以便暂时地形成大量水，以及当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。
当终止输送到燃料电池主体171的空气时，输出端间的电势差，即电池电压Vcell快速变小。因此，如图14所示，在相对短的时间内电压变得低于预定电压(例如，图12中的电压Vs)，以及控制单元173检测到输出电压低于预定电压的这一事实，将控制改变为一般空气进给控制。然后，空气进给控制部分变为一般状态以便将空气输送到氧气端电极上。因此，电池电压Vcell，即，输出电压Vout相反地快速增加。燃料电池主体171的输出电压Vout再次变高，并超出浮充电池180的电压Vb，以便再次将电功率从燃料电池主体171提供到负载设备175上。在这一阶段，当终止输送到燃料电池主体171的空气时，形成大量水，以及电解质膜快速变为潮湿状态，从而使快速恢复输出成为可能。
图14还表示再次启动燃料电池装置的操作的情形，如果在开始操作时发生类似的输出电压降低，可以类似地停止输送到燃料电池主体171的空气以恢复功能并类似地增加输出电压。另外，当在燃料电池主体111中输送的空气处于可以维持自加湿状态的电平时，输出电压保持预定值以及可以发电很长时间同时将输出电压维持在那个值。
接着，将参考图15描述用于操作根据图13中所示的本实施例的燃料电池装置的步骤的流程的一个例子。当输出特性或内电阻特性超出可接受范围时，本实施例的燃料电池装置操作以便恢复它们。在这一例子中，紧接在开始操作燃料电池装置后，即开始操作时的可接受范围，和在燃料电池装置的操作持续一段时间后，即操作期间的可接受范围是不同的，因此，将流程图构造成处理经过不同的步骤流程。根据控制单元的判断示出这些步骤，以及例如，由图13中控制单元173的CPU所做的控制的步骤对应于图15的流程图。
作为用于控制的步骤，首先，步骤S31判断当前阶段是在紧接着启动燃料电池装置操作后，即开始操作时还是在燃料电池装置操作持续一段时间后，即操作期间。可以使用控制单元173中的时钟或定时器来监视这一操作，以及可以使用其它数据，例如来自负载设备端的数据。
当步骤S31的判断是“在开始操作时”时，处理进入步骤S32以及控制单元173从燃料电池主体171接收电压、电流和温度数据。然后，检测在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流特性或内电阻特性或按这些参数计算，以及步骤S33判断电压-电流初始特性或内电阻特性是否落在可接受范围内。当在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流初始特性或内电阻特性落在可接收范围内时(是)，处理进入步骤S34，以及识别出本操作状态良好，因此继续当前负载控制，以便终止处理。
当判定在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流初始特性或内电阻特性超出可接受范围时(否)，处理进入步骤S35，以及终止来自空气进给压缩器176的空气进给。终止来自空气进给压缩器176的空气进给抑制在燃料装置主体111的氧气端电极上生成的湿气蒸发。然后，处理进入步骤S36以便判断输出电压Vout是否低于电压Vb。在这里，电压Vb是浮充电池180的额定电压Vb，以及考虑到由控制或微调引起的变化，可以将其设置成稍微高些的电压或低些的电压。当输出电压Vout不小于电压Vb时(否)，继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S41)以及处理返回到步骤S36以再次判断输出电压Vout是否低于电压Vb。
步骤S36判断输出电压Vout是否低于电压Vb，以及当输出电压Vout低于电压Vb时(是)，执行将电负载加在负载电阻上的控制(步骤S37)，以及控制功率元件，诸如开关元件178以便从断开改变到导通状态以允许电流流过具有低电阻的电阻元件177。因此，在燃料电池主体171的氧气端电极上消耗大量氧以形成湿气，以及所形成的水使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，电解质膜快速地处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体171提供电功率，以及负载设备175可以暂时使用来自浮充电池180的电功率，从而可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
在将功率元件，诸如开关元件178控制到导通状态以便允许过载电流流过燃料电池主体171后，处理进入步骤S38以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻值r是否低于rs)。当判定输出电压Vout不低于电压Vs(判定内电阻值r不低rs)时(否)，处理进入步骤S41，以及继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给以及流过燃料电池主体171的过载电流保持原样，从而处理返回到步骤S36以便再次判断状态。
当在步骤S38中判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)时(是)，识别出已经通过在燃料电池主体171中形成的水实现恢复功能，从而在步骤S39中挡住流过燃料电池主体171的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件178以便从导通状态改变为断开状态。因此，将开关元件178控制到断开状态同时挡住流过电阻元件177的电流和流过燃料电池主体171的过载电流。因此，燃料电池主体171上的负载变为一般负载。另外，当判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻r低于rs)时(是)，再次启动来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S40)，以便终止处理。图15表示结合使用空气进给控制和负载电流控制的步骤流程的一个例子，但在本实例中包含仅使用空气进给控制的步骤的流程。即，在步骤的流程中可以省略步骤S36、S37、S39和S41。
接着，当从开始操作起经过预定时间段时，即，该阶段为操作期间，步骤S31判定“在操作期间”以及处理进入步骤S42，以及控制单元173从燃料电池主体171接收电压、电流和温度数据。然后，检测在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流特性或内电阻特性或根据这些参数计算，以及步骤S43判定在操作期间电压-电流降低特性或内电阻特性是否落在可接受范围内。当在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流降低特性或内电阻特性落在可接受范围内时(是)，处理进入步骤S44，以及识别出当前操作状态良好，因此继续当前负载控制，以便终止处理。
当判定在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流降低特性或内电阻特性超出可接受范围时(否)，处理进入步骤S35以及终止来自空气进给压缩器176的空气进给。因此，终止来自空气进给压缩器176的空气进给抑制蒸发在燃料电池主体111的氧气端电极上生成的湿气。然后，为允许过载电流流过燃料电池主体171，处理进入步骤S36以判断输出电压Vout是否低于电压Vb。在这里，电压Vb是浮充电池180的额定电压Vb，以及考虑到由控制或微调引起的变化，可以将其设置成稍微高些的电压或低些的电压。当输出电压Vout不低于电压Vb时(否)，继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S41)，以及处理返回到步骤S36以便再次判断输出电压Vout是否低于电压Vb。
步骤S36判断输出电压Vout是否低于电压Vb，以及当输出电压Vout低于电压Vb时(是)，执行将电负载加在负载电阻上的控制(步骤S37)，以及控制功率元件，诸如开关元件178以便从断开改变到导通，从而允许电流流过具有低电阻的电阻元件177。因此，在燃料电池主体171的氧气端电极上消耗大量氧以便形成湿气，以及所形成的水使得电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体171提供电功率，以及负载设备175可以暂时使用来自浮充电池180的电功率，从而可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
在将功率元件，诸如开关元件178控制到导通状态以便允许过载电流流过燃料电池主体171后，处理进入步骤S38以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻值r是否低于rs)。当判定输出电压Vout不低于电压Vs(判定内电阻值不低于rs)时(否)，处理进入步骤S41，以及继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给，并使流过燃料电池主体171的过载电流保持原样，以便处理返回到步骤S36以便再次判断状态。
与开始操作时相同，在操作期间，当在步骤S38判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)时(是)，识别出已经通过在燃料电池主体171中形成的水实现恢复功能，从而在步骤S39中挡住流过燃料电池主体171的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件178以便从导通状态改变到断开状态。因此，将开关元件178控制到断开状态同时挡住流过电阻元件177的电流和流过燃料电池主体171的过载电流。因此，燃料电池主体171上的负载变为一般负载。另外，当判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)时(是)，再次启动来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S40)，以便终止处理。
根据如上所述的步骤流程，本实施例的燃料电池装置判断作为来自燃料电池主体的输出特性的电压-电流特性或内电阻特性是否落在可接受范围内，以及当特性超出可接受范围时，停止来自空气进给压缩器176的空气进给，以及进一步使开关元件控制到处于导通状态以允许过载电流流过燃料电池主体。在允许过载电流流过后，类似地检验输出电压或内电阻值，以及当该值低于特定电平时，控制开关元件以便处于断开状态从而阻止过载电流进入燃料电池主体。
因此。可以在相对短的时间内恢复燃料电池主体的输出特性，以及实施其控制同时监视输出特性，因此不执行用于恢复的不必要操作。特别地，在开始操作时以及操作期间，用不同的方法控制作为来自燃料电池主体的输出特性并且落在可接受范围内或外的电压-电流特性或内电阻特性，因此，即使当稍微改变电解质膜的状态时，也可以实施适合于各种情形的控制。
在本实施例中，在恢复输出期间停止来自空气进给压缩器176的空气进给的情形上说明，但可以进行控制以不停止空气输送但降低用于恢复输出的空气进给率，然后在恢复后将空气进给率增加到原始速率。另外，在图15的步骤流程中，控制来自空气进给压缩器176的空气进给，然后调整流过燃料电池主体的电流量，但也可以调整流过燃料电池主体的电流量，然后控制来自空气进给压缩器176的空气进给，或仅控制来自空气进给压缩器176的空气进给。
第六实施例接着，将参考图16描述根据第四实施例的燃料电池装置。图16的装置具有燃料电池主体211，燃料电池主体211具有通过彼此层叠多个发电器，例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制空气进给和负载的控制单元213，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体211上，用于允许燃料电池主体211上的负载值改变；包括开关元件218和电阻元件217的电阻降低电路部分，以及包括二极管219和浮充电池220的电源补偿电路部分。
通过负载控制部分，将负载设备215连接到燃料电池主体211，在燃料电池主体211中生成的电动势被输送到负载设备215上，以及另外，将氢进给设备212连接到燃料电池主体211，用于经燃料进给管路223输送燃料流体。另外，将空气进给压缩器216连接到燃料电池主体211，用于输送氧并蒸发过多湿气。将来自空气进给压缩器216的空气经空气进给管路224输送到燃料电池主体211，并且经排气管路222，与过多的湿气等等一起排出。
排气管路222是通过燃料电池主体211的氧气端电极以蒸发在氧气端电极上生成的过多湿气并排出它的流体通路。排气管路222是，特别在本实施例，具有可以挡住通过排气管路222的气流的截流阀221。截流阀221根据来自控制单元213的信号处于挡住状态还是流过状态，以及例如，当降低燃料电池主体221的输出特性时，截流阀221处于挡住状态，以便挡住气流。通过使截流阀221处于挡住状态，抑制去除燃料电池主体221的氧气端电极上的湿气，以便所形成的水快速地使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，可以快速地恢复输出。在图16的装置中，燃料电池主体211、氢供给设备212、负载设备215和空气进给压缩器216分别具有与图13中所示的相应设备相同的结构，以及为简化描述，将省略重复描述。
在图16的装置中，可以通过控制单元213控制来自空气进给压缩器216的空气进给，以及另外，可以通过在排气管路222中形成的截流阀221控制在氧气端电极表面上的气流，因此，在停止空气进给压缩器216工作不太好的装置中，截流阀221可以稳妥地控制空气进给。
在本实施例的燃料电池装置中，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体211提供电功率，但负载设备215可以暂时使用来自浮充电池220的电功率，因此可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
第七实施例将参考图17来描述根据第七实施例的燃料电池装置。图17的装置具有燃料电池主体231，燃料电池主体231具有通过彼此层叠多个发电器例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制空气进给和负载的控制单元233，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体231上，用于允许燃料电池主体231上的负载值改变；包括开关元件238和电阻元件237的电阻降低电路部分以及包括二极管239和浮充电池240的电源补偿电路部分。
通过负载控制部分，将负载设备235连接到燃料电池主体231，将在燃料电池主体231中生成的电动势输送到负载设备235，以及另外，将氢进给设备232连接到燃料电池主体231，用于经燃料进给管路输送燃料流体。另外，将空气进给压缩器236连接到燃料电池主体231，用于输送氧并蒸发过多湿气。将来自空气进给压缩器236的空气经空气进给管路242输送到燃料电池主体231上，并且经排气管路241，与过多湿气等等一起排出。
空气进给管路242是用于将空气输送到燃料电池主体231的氧气端电极的流体通路。空气进给管路242，特别地本实施例中，具有可以挡住通过排气管路222的气流的截流阀243。截流阀243根据来自控制单元233的信号，处于挡住状态或处于流过状态，以及例如，当降低燃料电池主体231的输出特性时，截流阀243处于挡住状态以便挡住气流。通过使截流阀243处于挡住状态，抑制去除燃料电池主体231的氧气端电极上的湿气，以便所形成的水快速使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，可以快速地恢复输出。在图17的装置中，燃料电池主体231、氢供给设备232、负载设备235和空气进给压缩器236具有与图13中所示的相应设备相同的结构，以及为简化描述，将省略重复描述。
在图17的装置中，可以通过控制单元233控制来自空气进给压缩器236的空气进给，以及另外，可以通过在空气进给管路242中形成的截流阀243控制氧气端电极表面上的气流，以及因此，在停止空气进给压缩器236工作不太好的装置中，截流阀243可以稳妥地控制空气进给。
在本实施例的燃料电池装置中，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体231提供电功率，但负载设备235可以暂时使用来自浮充电池240的电功率，因此可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
第八实施例接着，将参考图18描述根据第八实施例的燃料电池装置。图18的装置具有燃料电池主体251，燃料电池主体251具有通过彼此层叠多个发电器例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制空气进给和负载的控制单元253，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体251上，用于允许燃料电池主体251上的负载值改变；包括开关元件258和电阻元件257的电阻降低电路部分以及包括二极管259和浮充电池260的电源补偿电路部分。
通过负载控制部分，将负载设备255连接到燃料电池主体251，将在燃料电池主体251中生成的电动势输送到负载设备255，以及另外，将氢进给设备252连接到燃料电池主体251，用于经燃料进给管路输送燃料流体。另外，如图3和图5所示，将燃料电池主体251构造成其包含在外壳中，以及通过开口部分262从外壳的外面吸收空气以实现发电。
在本实施例中，在开口部分262的附近提供遮挡板264，以及遮挡板264根据来自控制单元253的信号打开或关闭，并被控制以便输送或不输送空气到燃料电池主体251的氧气端电极。例如，当遮挡板264关闭时，阻止空气流通到与遮挡板264相邻的空气进给管路263，因此抑制去除燃料电池主体251的氧气端电极上的湿气，以便所形成的水快速使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，可以快速地恢复输出。在图18的装置中，燃料电池主体251、氢进给设备252、和负载设备255分别具有与图13中所示的相应设备相同的结构，以及为简化描述，将省略重复描述。
在图18的装置中，可以通过控制单元253控制来自空气进给压缩器236的空气进给，以及另外，可以通过在开口部分262附近提供的遮挡板264控制氧气端电极表面上的气流，以及因此，在停止空气进给压缩器236工作不太好的装置中，遮挡板264可以稳妥地控制空气进给。
在本实施例的燃料电池装置中，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体251提供电功率，但负载设备255可以暂时使用来自浮充电池260的电功率，因此可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
在上述实施例中，装置具有通过电路使在一对输出端间产生短路或降低输出端间的电阻以便允许过电流流过燃料电池主体的结构，但方法不限于操作输出端间的电阻值的方法，以及可以在MEA本身或电流收集器等等中形成用于导致短路或降低燃料端电极和氧气端电极间的电阻的器件，以及可以形成用于导致短路或降低电阻的单个或多个器件。另外，为实现电解质膜中的统一功能恢复处理，可以提供用于使过电流流过燃料电池主体的导线。
另外，在本实施例中，在实施用于恢复输出特性的预定操作同时监视燃料电池主体的输出电压的例子上进行说明，但操作不限于此，以及使用定时器等等可以自动进行用于恢复输出特性的预定操作，特别是在开始操作时，使用定时器可以获得优良结果。当燃料电池主体包括多个发电器时，所有发电器均同时受到过电流处理，但可以接连地处理发电器以便将过电流施加到具有延时的各个发电器上。
在本发明中，在作为安装燃料电池或燃料电池卡的装置的膝上型PC上进行说明，以及作为使用的其它例子，本发明可以用在，诸如打印机和传真机、个人计算机的外围装置、电话、电视机、图象显示装置、通信装置、便携式终端、照相机、视听装置、电扇、收音机、钟表、电冰箱、电吹风、电熨斗、茶壶、清洁器、电饭煲、电磁炉、发光装置、工具，诸如游戏机和无线控制汽车、电子工具、医学装置、测量装置、用于汽车的装置、办公机械、用于健康和美容的装置、电可控机器人、衣服形状(clothes-form)的电子设备、各种电子设施、诸如汽车、轮船和飞机的运输机器，家用或商用发电装置等等的应用中。特别地，本发明具有相对简单的机构，因此，最好用作小型便携装置的燃料电池。小型便携装置的例子包括膝上型计算机；PDA；手持电话；便携音频装置，诸如CD和MD，以及便携式视频装置，诸如便携式DVD、数字照相机和便携式录像机。
在本发明中，在主要使用氢气作为燃料的例子上进行说明，但根据所谓的直接甲醇系统，可以采用使用醇，诸如甲醇(液体)作为燃料的结构。
在本发明的燃料电池装置和用于控制本发明的燃料电池的方法中，当根据燃料电池的输出状态或内电阻改变燃料电池上的负载以便控制降低输出电压时，输出电流增加以促使氧气端电极上的反应，从而形成更多量的水。所形成的水可以抑制氧电极变干以及使氧电解质处于适当的潮湿状态，从而使得快速恢复输出特性变为可能。
另外，在本发明的的燃料电池装置和用于控制本发明的燃料电池的方法中，通过空气进给控制部分，根据燃料电池的输出状态或内电阻，改变空气进给率并且控制空气进给率以便抑制蒸发燃料电池表面上的湿气，因此，不仅抑制氧气端电极变干而且氧气端电极可以处于适当的潮湿状态。因此，通过本发明的燃料电池装置和用于控制本发明的燃料电池的方法，可以在相对短的时间内恢复输出特性。
权利要求
1.一种具有燃料电池的燃料电池装置，所述燃料电池具有包括氧电极、燃料电极和位于所述氧电极和所述燃料电极之间的电解质的发电器，所述燃料电池装置包括旁路电路，用于电连接所述氧电极和所述燃料电极以便如果所述燃料电池的输出电压等于第一预定值或更小，允许电流流过。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中每一个发电器的所述第一预定值在从0.01至0.8V的范围内。
3.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中将所述第一预定值设置成低于正常的电动势。
4.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述将第一预定值设置成正常电动势的1至95％。
5.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中在连接所述旁路电路后，如果所述输出电压变得等于第二预定值或更高，电断开所述旁路电路。
6.如权利要求1所述的燃料电池装置，包括原电池、二次电池、电容器或另一燃料电池，用于在电连接所述旁路电路时将电功率提供到电功率消耗装置。
7.一种具有燃料电池的燃料电池装置，所述燃料电池具有包括氧电极、燃料电极和位于所述氧电极和所述燃料电极之间的电解质的发电器，所述燃料电池装置包括可变电阻，用于电连接所述氧电极和所述燃料电极，以及如果所述燃料电池的输出电压变为等于第一预定值或更小，降低电阻。
8.如权利要求7所述的燃料电池装置，其中如果所述输出电压变为等于第二预定值或更高，使所述可变电阻的电阻增加。
9.如权利要求7所述的燃料电池装置，包括原电池、二次电池、电容器或另一燃料电池，用于在降低所述可变电阻的电阻时将电功率提供到电功率消耗装置。
10.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤测量燃料电池的电动势；以及如果所述电动势变为等于所述第一预定值或更小，增加所述燃料电池上的负载以致大于正常。
11.如权利要求10所述的用于控制燃料电池的方法，进一步包括如果所述电动势变为等于第二预定值或更高，使所述燃料电池上的负载为正常值的步骤。
12.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤测量燃料电池的电动势；以及如果所述电动势变为等于所述第一预定值或更小，降低或挡住输送到所述燃料电池的空气或氧。
13.如权利要求12所述的用于控制燃料电池的方法，进一步包括如果所述电动势变为等于第二预定值或更高，使所述燃料电池上的负载为正常值的步骤。
14.一种燃料电池装置，包括燃料电池，具有位于燃料电极和氧电极之间的电解质，所述燃料电池通过将燃料输送到所述燃料端电极以及将空气或氧输送到所述氧电极来生成电动势；以及负载控制部分，连接到所述燃料电池上，用于根据所述燃料电池的输出状态或内电阻，允许所述燃料电池上的负载改变。
15.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述燃料电池是自加湿类型燃料电池。
16.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述燃料电池是开放型燃料电池。
17.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分连接在所述燃料电极和所述氧电极之间以便改变所述电极间的负载电阻值。
18.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分将过电流施加到所述燃料电池上。
19.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分具有连接在所述燃料电极和所述氧电极之间的开关。
20.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中基于所述燃料电池的输出特性或内电阻特性信息，如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述负载控制部分操作以便改变负载电阻值。
21.如权利要求20所述的燃料电池装置，其中如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述负载控制部分的所述负载电阻值被控制以便降低，以及如果所述输出特性或内电阻特性变为低于所述预定阈值，那么所述负载控制部分的所述负载电阻值被控制以回复正常电阻值。
22.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分的操作增加所述燃料电池的所述电解质的湿度。
23.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分具有电功率替代器件，用于在将过电流施加到所述燃料电池上时将电功率提供到所述电功率消耗装置。
24.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及如果所述燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，根据所述特性中的变化，控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
25.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的输出特性；以及如果所述燃料电池的所述输出特性降低，将流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量控制到大于正常值。
26.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的内电阻特性；以及如果所述燃料电池的内电阻值增加，将流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量控制到大于正常值。
27.如权利要求24所述的用于控制燃料电池的方法，其中在将流过所述燃料电池的电流控制到大于正常值后，所述电流回复到正常值。
28.如权利要求24所述的用于控制燃料电池的方法，其中监视所述燃料电池的所述输出或内电阻特性在开始操作时和操作期间之间，具有不同的监视状态。
29.如权利要求24所述的用于控制燃料电池的方法，其中在将流过所述燃料电池的电流控制到大于正常值期间，使所述燃料电池的所述电解质的湿度增加。
30.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中所述燃料电池电流控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
31.一种燃料电池装置，包括输出特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中如果由所述特性监视器件监视的输出特性变为低于预定值，所述燃料电池电流控制器件增加流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
32.一种燃料电池装置，包括内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的内电阻特性；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中如果由所述内电阻特性监视器件监视的内电阻特性变为高于预定值，所述燃料电池电流控制器件增加流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
33.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中所述燃料电池电流控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
34.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中当由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化超出预定值时，所述燃料电池电流控制器件增加流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
35.一种燃料电池装置，包括燃料电池，包括位于燃料电极和氧电极之间的电解质，所述燃料电池通过将燃料输送到所述燃料电极以及将空气或氧输送到所述氧电极来生成电动势；以及空气进给控制部分，用于根据所述燃料电池的输出状态或内电阻，允许输送到所述燃料电池的所述氧电极的空气的进给速率改变。
36.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述燃料电池是自加湿型燃料电池。
37.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述空气进给控制部分具有强制空气进给机构部分，用于迫使空气输送到所述燃料电池，以及其中操作或停止所述强制空气进给机构部分以便改变输送到所述氧电极的空气的进给速率。
38.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述空气进给控制部分具有开口部分，空气通过所述开口部分，以及其中，改变所述开口部分的面积以改变所述空气进给速率。
39.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中基于所述燃料电池的输出特性或内电阻特性信息，如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述空气进给控制部分操作以便改变所述空气进给速率。
40.如权利要求39所述的燃料电池装置，其中如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述空气进给速率受所述空气进给控制部分控制以便降低，以及如果所述输出特性或内电阻特性变为低于预定阈值，那么所述空气进给速率被控制以回复正常空气进给速率。
41.如权利要求39所述的燃料电池装置，其中当所述空气进给控制部分操作以便改变所述空气进给速率时，所述燃料电池的所述电解质的湿度增加。
42.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述空气进给控制部分具有电功率替代器件，用于当降低所述空气进给速率时将电功率提供到所述电功率消耗装置。
43.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的输出特性；以及如果所述燃料电池的所述输出特性降低，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值。
44.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的内电阻特性；以及如果所述燃料电池的所述内电阻特性增加，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值。
45.如权利要求4 3或44所述的用于控制燃料电池的方法，其中在将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值后，使所述空气进给速率回复到正常值。
46.如权利要求43或44所述的用于控制燃料电池的方法，其中监视所述燃料电池的所述输出特性或内电阻特性在开始操作时和操作期间具有不同的监视状态。
47.如权利要求43或44所述的用于控制燃料电池的方法，其中如果将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，所述燃料电池的所述电解质的湿度增加。
48.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中所述空气进给速率控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，控制输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
49.一种燃料电池装置，包括输出特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中当所述特性监视器件监视到的输出特性变为低于预定值时，所述空气进给速率控制器件降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
50.一种燃料电池装置，包括内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的内电阻特性；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中如果所述内电阻特性监视器件监视到的内电阻特性变为高于预定值，所述空气进给速率控制器件降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
51.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中所述空气进给速率控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
52.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中如果由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化超出预定值，所述空气进给速率控制器件降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
全文摘要
一种具有发电器的燃料电池，所述发电器包括氧电极、燃料电极以及由氧电极和燃料电极嵌位的固态聚合物型电解质膜，和用于控制这种燃料电池的方法。由于在操作期间负载电流的降低、空气进给量的增加、或长时间的离开的情况下，电解质膜变干以致离子交换特性降低，所用的燃料电池的问题是燃料电池的输出明显降低。在燃料电池中提供用于根据输出状态改变燃料电池上的负载的负载控制部分或空气进给控制部分。当输出特性降低或内电阻值增加时，控制该燃料电池以增加负载电流或抑制空气进给。
文档编号H01M16/00GK1516906SQ03800420
公开日2004年7月28日 申请日期2003年3月20日 优先权日2002年3月20日
发明者田原雅彦 申请人:索尼公司
技术领域：
本发明涉及具有放在燃料电极和氧电极间的电解质的燃料电池装置，其中燃料诸如氢和空气被输送到燃料电池中以便生成所需的电动势，以及用于控制燃料电池的方法。
背景技术：
燃料电池是发电器通过提供燃料流体诸如氢气或甲醇生成电力的装置，以及固态聚合物类型的燃料电池通常具有质子导体膜被放在氧气端电极和燃料端电极间的结构。空气被输送到氧气端电极，用于向其供氧，以及燃料流体被提供给燃料端电极。当燃料电池生成电时，质子移动离子交换膜的电解质膜，并与氧气端电极上的氧气反应以产生电流和在氧气端电极上生成水。燃料电池的发电器部分被称为电解质膜-电极合成物或膜和电极组件(MEA)，以及通过仅电解质膜-电极合成物或安置在平面中的合成物构成具有平面结构的燃料电池，或通过彼此层叠的合成物构成具有层叠结构的燃料电池。
近年来，在用于运输等等的交通工具的领域中，迫切希望将燃料电池应用到电车或混合型车，以及另外，期望燃料电池实现为家庭供电系统等等。另外，利用质轻和小型燃料电池，正在研究和开发将燃料电池用在便携式装置、小型电源上等等。
作为燃料电池的一种类型，存在不具有用于保持电解质膜等等的湿度的加湿(moistening)设备的燃料电池(在下文中，将这种类型的燃料电池称为“自加湿类型燃料电池”)。将自加湿类型燃料电池构造成在氧气端电极上形成的湿气使得电解质膜潮湿以促进离子交换的结构。在燃料电池中，控制所形成的湿气的蒸发导致控制燃料电池的发电性能，以及输出电压直接影响生热和输出电流直接影响形成水。因此，有必要操作自加湿类型燃料电池以便通过利用直接受输出电流影响的所形成的水使电解质膜适当地潮湿并且使所形成的过多的水不会阻塞氧气的输送通路。
然而，特别是在上述自加湿类型燃料电池中，当在工作期间降低负载电流或增加空气进给率时，降低了电解质膜的温度并使其变干。在变干的燃料电池中，电解质膜的离子交换特性变得很弱，从而大大地降低燃料电池的输出。另外，不仅当在工作期间降低负载电池时，而且例如，当允许燃料电池坚持很长时间后再次启动燃料电池时，电解质膜处于干燥状态，并且在启动后，不容易使电解质膜再次变湿，因此需要花费几天的时间周期来恢复燃料电池的原始性能以便获得所需速率的输出。特别在不实施压缩空气进给的开放(open-air)型燃料电池中，电解质膜变干的问题很明显，以及变干的问题仅出现在允许燃料电池在操作后坚持的情况下，导致在短时间降低输出特性的不利之处。
鉴于上述技术问题，本发明的目的是提供燃料电池装置和用于控制燃料电池的方法，能防止在操作期间或操作开始时低输出的问题。
发明内容
本发明的燃料电池装置具有燃料电池，所述燃料电池具有包括氧电极、燃料电极和位于所述氧电极和所述燃料电极间的电解质的发电器，其特征在于所述燃料电池装置具有旁路电路，用于电连接所述氧电极和所述燃料电极以便如果所述燃料电池的输出电压等于第一预定值或更小，允许电流流过。
在本发明中，提供旁路电路，因此，如果例如由于氧电极变干，导致输出特性降低，操作和控制所述旁路电路以便允许根据输出状态，改变燃料电池上的负载电流，使得有意识地增加所形成的水成为可能，所形成的水能抑制氧电极变干和使氧电极处于适当的潮湿状态。在本发明的一个实施例中，每个发电器的第一预定值在例如从0.01至0.8V的范围内，并设置成例如正常电动势的1至95％。或者，第一预定值可以设置成从正常电动势降低的量的值。
另外，本发明的燃料电池装置的特征在于具有燃料电池，包括位于所述氧电极和所述燃料电极间的电解质，其中，通过将燃料输送到燃料电极以及将空气输送到氧电极，燃料电池生成电动势，以及连接到燃料电池的负载控制部分，用于允许根据燃料电池的输出状态或内电阻改变燃料电池上的负载。
在燃料电池中，空气被输送到氧电极同时将燃料输送到燃料电极以使在电解质中的质子导电。质子导电量根据连接到燃料电池的负载电流变化，以及如果负载电流值越小，输出电压增加以降低产热，以及相反地，如果负载电流越大，质子导电量增加以及所形成的水量增加。其原因在于氧电极上的反应被促进。例如，如果由于氧电极变干降低输出特性，操作和控制负载控制部分以便允许根据输出状态改变燃料电池上的负载电流，使得有意识地增加所形成的水量成为可能。所形成的水能抑制氧电极变干和使氧电极处于适当的潮湿状态。
另外，用于控制本发明的燃料电池的方法的特征在于，包括步骤监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及如果所述燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，将流过所述燃料电池的电流控制到大于正常值。
在用于控制本发明的燃料电池的方法中，首先，监视燃料电池的输出特性或内电阻特性以便判断燃料电池的输出特性或内电阻特性是否改变。如果燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，例如，由于氧电极变干导致输出特性降低，将流过燃料电池的电流控制到大于正常值以便促进氧电极上的反应，从而增加所形成的水量。因此，不仅能抑制氧电极变干，而且氧电极能处于适当的潮湿状态。
本发明的燃料电池装置的特征在于具有燃料电池，包括位于燃料电极和氧电极之间的电解质，其中，通过将燃料输送到燃料电极以及将空气输送到氧电极，燃料电池生成电动势；以及空气进给控制部分，用于允许根据燃料电池的输出状态或内电阻，改变输送到燃料电池的氧电极的空气的进给速率。
在燃料电池中，空气被输送到氧电极同时将燃料输送到燃料电极以使电解质中的质子导电。质子导电量根据连接到燃料电池的电负载流改变，以及如果负载电流变大，质子导电量增加并形成所增加的水量。理想地操作输送到燃料电池的氧电极的空气的进给速率以便例如，在操作期间，根据空气进给速率所形成的水量和蒸发的湿气量稳定地达到平衡，但空气进给速率被空气进给控制部分改变和被控制以便例如，抑制从燃料电池表面蒸发湿气，从而使抑制氧电极变干和使氧电极处于适当的潮湿状态成为可能。
另外，用于控制本发明的燃料电池的方法的特征在于包括步骤监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及如果所述燃料电池的所述输出特性或内电阻特性改变，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值。
如果所述燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，因此，不仅能抑制燃料电池中的氧电极变干，而且氧电极能处于适当的潮湿状态，并且直接从燃料电池的输出特性或内电阻特性监视这的必要性使得即使在发电中出现故障，也能快速处理问题成为可能。在本说明书中，电动势的测量包括测量和计算燃料电池的输出电流和内电阻或类似参数。
图1是表示根据本发明的一个实施例的燃料电池装置的方框图。
图2是表示根据上一个实施例的燃料电池装置的输出电压的时序图。
图3是表示根据本发明的实施例的燃料电池的概略透视图。
图4是表示将根据本发明的实施例的燃料电池卡插入膝上型个人计算机中的透视图。
图5是表示图4的燃料电池卡的外观的透视图。
图6是表示根据本发明的实施例的燃料电池装置的燃料电池主体的基本部分的概图。
图7是表示根据本发明的第二实施例的燃料电池装置的方框图。
图8是用于解释图7的燃料电池装置的操作的时序图。
图9是用于解释图7的燃料电池的操作的流程图。
图10是表示根据本发明的第三实施例的燃料电池装置的方框图。
图11是表示根据本发明的第四实施例的燃料电池装置的方框图。
图12是表示根据第四实施例的燃料电池装置的输出电压的时序图。
图13是表示根据本发明的第五实施例的燃料电池装置的方框图。
图14是用于解释图13的燃料电池装置的操作的时序图。
图15是用于解释图13的燃料电池装置的操作的流程16是表示根据本发明的第六实施例的燃料电池装置的方框图。
图17是表示根据本发明的第七实施例的燃料电池装置的方框图。
图18是表示根据本发明的第八实施例的燃料电池装置的方框图。
具体实施例方式
第一实施例将参考附图来描述本发明的燃料装置的优选实施例。图1是表示根据本实施例的燃料电池装置的方框图。本实施例的燃料电池装置10具有用于生成电动势的燃料电池主体11、用于控制负载的控制单元13、和连接到燃料电池主体11，用于允许燃料电池主体11上的负载值改变的负载控制部分14。通常通过负载控制部分14，将电动势提供给负载设备15，以及将用于输送燃料流体的氢进给设备12连接到燃料电池主体11上。
燃料电池主体11具有以下举例所述的将以基本上平板形状的电解质膜放置在燃料端电极(燃料电极)和氧气端电极(氧电极)之间，以及将燃料流体，诸如氢气或甲醇从具有氢储存功能的氢进给设备12输送到燃料端电极的结构。氧气端电极是用于吸入包含在空气中的氧的电极，并且其通过电解质膜朝向燃料端电极。氧气端电极可以是开放类型，并且可以具有通过压缩器、泵或风扇向其输送空气的结构。燃料电池主体11可以是通过在彼此之上层叠多个结构获得的层叠层状，每个结构包括以放置在燃料端电极和氧气端电极之间的基本上为平板形状的电解质膜，燃料电池主体11也可以是由一个结构或两个层叠结构组成的平板形状。
氢供给设备12是用于将燃料流体，诸如氢气或甲醇输送到燃料电池主体11的设备，例如，可以使用氢高压储气罐或包含具有其中吸收有氢的合金的吸收盒。如下所述，氢进给设备12可以从燃料电池主体11拆卸，或可以是在连合部分处理有关燃料状态的传输和接收信息的结构。
控制单元13是用于控制燃料装置10的控制器，并且其监视燃料电池主体11中燃料电池的输出状态或内电阻，并将用于根据输出状态或内电阻控制的信号输出到负载控制部分14。控制单元13由所需的电子电路、CPU(中央处理单元)等等组成。不必合并控制单元13和燃料电池主体11，而是可以分离地安装，或可以利用具有所安装的燃料电池主体11的电子设备的部分数据处理单元。在本实施例中，控制单元13监视燃料电池的输出电压或内电阻值。然而，监视并不限于此，可以监视输出电流或也可以同时监视包括温度、湿度和大气压的条件。
负载控制部分14是用于允许燃料电池主体11的负载根据燃料电池主体11的输出状态或内电阻改变的旁路电路，以及为使燃料电池主体11处于过电流状态，可以将开关元件放在燃料电池主体11的输出端之间以便导致短路，以致开关元件处于导通状态。或者，为使燃料电池主体11处于过电流状态，可以通过低电阻元件连接燃料电池主体11的输出端。负载控制部分14可以为使DC-DC变换器等等的一次电流处于过电流状态的结构，如下所述。当燃料电池主体11处于过电流状态时，燃料电池主体11的输出电压快速降低。因此，作为用于补偿降低的输出电压的补偿器件，例如可以在随后的负载设备15中提供浮充电池或电容器。
负载设备15是将在燃料电池装置10中生成的电动势提供到其上的设备，以及当将燃料电池装置10安装于其上的装置是例如个人计算机时，燃料电池装置10用作个人计算机的电源，因此，负载设备15对应于内部电路或外围设备。另一方面，当燃料电池装置10安装在运输机器上时，诸如汽车，负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，如果燃料电池装置10用作家庭小型电源，则电灯泡或家用电器对应于负载设备。
接着，将参考图2来描述负载控制部分14的操作的一个例子。在图2中，将燃料电池主体的输出电压Vout作为纵坐标，其中空气进给率和负载电流是恒定的，以及将时间t作为横坐标。在图1的燃料电池装置10中，首先将电压Vout维持在相当大的值，但随着操作继续，由于工作环境，会促使燃料电池主体11的表面上的电极变干。因此，燃料电池主体11的输出电压Vout逐渐降低并在时间为t0的点变得低于阈值电压Vth。阈值电压Vth是表示燃料电池主体11中的燃料电池的输出变低的参考电平。如果在控制单元13端识别出燃料电池主体11的输出电压Vout变得低于阈值电压Vth，那么控制单元13检测出燃料电池主体11中的燃料电池的输出为低，以及执行用于恢复功能的操作。特别地，将信号从控制单元13传送到负载控制部分14以便例如，使负载控制部分14处于低电阻状态。
通过使负载控制部分14处于低电阻状态，过电流流过燃料电池主体，以致燃料电池主体11的变干表面能在短时间内处于潮湿状态。当过电流流过时，从燃料电池端看，输出器件的负载电功率变小，因此，输出电压变小，但反过来大量电流流过，从而启动通过离子交换吸收氧原子以便导致形成大量湿气。为此，燃料电池主体11的表面能在极其短的时间内处于潮湿状态。尽管如上所述，负载控制部分14处于低电阻状态，事实上提供给随后的负载设备15的电力是不足的。然而，在负载控制部分14中提供临时使用的电功率补偿器件诸如浮充电池或电容器能防止负载设备15遭受电力供应中断。
当负载控制部分14处于低电阻状态时，燃料电池主体11的输出电压Vout快速降低，以及在图2中的时间为t1的点，输出电压Vout变得低于电压Vs，以致通过控制单元13端检测到到该点的输出电压Vout的降低。因此，控制单元13将用于终止操作以便恢复燃料电池的功能的信号传送到负载控制部分14。根据这些信号，负载控制部分14将电路状态从低电阻状态改变到一般状态。
作为用于检测燃料电池主体11的干燥状态的参数，代替当空气进给速率和负载电流为恒定时的燃料电池主体的上述输出电压Vout，根据例如电流中断方法，可以使用内电阻值r。在这种情况下，如果内电阻r超出特定值，与上述类似的控制使过电流流过燃料电池主体11，使得燃料电池主体11的变干表面在短时间内处于潮湿状态。在这种情况下，控制单元13对应于输出特性或内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性。
因此，在本实施例的燃料电池装置10中，用如果来自燃料电池主体11的输出电压Vout降低到阈值电压Vth或更低(或内电阻值增加到内电阻值rth或更大)，则燃料电池主体11处于过电流状态的方式执行控制，以及这一控制强制地和暂时地恢复电极的加湿保持状态。为此，即使由于长时间操作期间或开始操作时燃料电池主体11表面不够湿，而不能获得额定输出电压，也能在相对短的时间内恢复燃料电池的输出特性。另外，在本实施例的燃料电池装置10中，当将燃料电池主体11控制到处于过电流状态时，在负载控制部分14中提供的临时使用的电功率补偿器件，诸如浮充电池或电容器能防止负载设备15遭受电源中断。
图3表示其中在一个端壁上形成使用风扇的气流器件的燃料电池装置的例子。提供基本上为矩形的卡状外壳21，以及在外壳21中放置发电器部分23。在这里，用于卡状燃料电池的外壳21的大小可以是标准化为例如PC卡的大小，以及特别地可以应用通过JEIDA/PCMCIA标准化的大小。标准化大小是一端(长端)为85.6±0.2mm以及另一端(短端)为54.0±0.1mm的大小。相对于类型I和类型II单独地规定卡的厚度。特别地，关于类型I，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为3.3±0.2mm。关于类型II，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为5.0mm或更小及标准尺寸的±0.2mm厚度。可以通过将上外壳层叠在下外壳上构造卡状外壳21。
卡状外壳21被连接到储氢吸收盒22上，储氢吸收盒22具有基本与垂直于卡状外壳21的纵向的平面中的外壳相同的尺寸并能连续地连接到外壳上。在储氢吸收盒22中，放置例如储氢部分，诸如具有其中吸收的氢的合金，并且能将其从用于燃料电池的外壳21拆卸。储氢吸收盒22具有在被连接的情况下，用于燃料的出口被连接到连接器部分以使得燃料流体流过，以及在拆卸储氢吸收盒22的情况下，防止燃料流过储氢吸收盒的机构。
卡状外壳21其中具有包括组合的四个发电器的发电部分23、用于将燃料流体从储氢吸收盒22引入卡状外壳21的连接器部分24，用于连接连接器部分24插入其上的发电端连接器部分25、通过管路26连接到发电端连接器部分25的流量控制部分27、用于将流量控制部分27连接到发电部分23上的管路28、包括安装在接线板31上的电子部分30，用于使用电子部分实施输出控制等等的控制电路部分29。另外，在卡状外壳21中，放置作为气流器件的一对风扇32、33以便沿外壳的端壁延伸。分别通过电动机34、35驱动风扇32、33以便旋转。平行放置风扇32和风扇33，特别是在本实施例中，在垂直方向中平行放置风扇32和风扇33，以及它们分别将空气输送到上发电器和下发电器。
风扇32、33单独地具有由在圆柱旋转轴的外围上提供的刀片部分组成的结构，以及形成每个刀片部分以便其在旋转轴的方向中线性延伸和在旋转轴的直径的方向中径向延伸。因此，通过驱动电动机34、35以便将空气输送到沿垂直于旋转轴的方向中的未示出的凹槽的外壳中的空间，风扇32、33绕作为中心的旋转轴旋转。风扇32、33可以用于蒸发在氧气端电极上的水，如下所述，并且可用于通过输送空气来耗散热。分别通过连接器36、37将风扇32、33连接到电动机34、35上，但可以分别将电动机34、35直接连接到风扇32、33上而不提供连接器36、37。
发电部分23是由四个组合的发电器组成的结构，以及每个发电器具有包括电解质膜的结构，例如，位于燃料端电极和和氧气端电极间的质子导体，以及氧气端电极和燃料端电极的每一个由导电材料组成，诸如金属板、多孔金属材料，或碳材料，以及电流连接器被连接到氧气端电极和燃料端电极上。电流连接器是用于获得在电极中生成的电动势的电极材料，以及使用金属材料、碳材料或具有导电性的无纺织物构成它。在四个发电器中，在外壳中排列两组两个层叠的发电器。当两个发电器彼此层叠时，可以层叠它们以便燃料端电极的表面彼此面对，以及在这种情况下，将燃料流体输送到所层叠的燃料端电极间以便使得启动电极，以及需要输送氧的表面是表面的氧气端电极表面以及所层叠的发电器的后表面。
发电端连接器部分25是连接到用于储氢吸收盒22的连接器部分24的机构部分，用于将燃料流体引入燃料电池同时保持储氢吸收盒22的气密性。特别地，发电端连接器部分25具有连接器部分24的尖头插入发电端连接器部分25中并且进一步插入锁定连接器部分以便防止在安装操作期间泄气的机构。在直接甲醇系统以便燃料流体不是氧气而是流体中，可以使用可拆卸燃料流体储存罐代替储氢吸收盒22。
可以在发电端连接器部分25中提供机械流量控制机构，但在本实施例的燃料电池中，流量控制部分27位于发电端连接器部分25和发电部分23之间。流量控制部分27是用于电气或机械地保持燃料流体的流速恒定的设备，并且其可以使用所提供的阀体等等控制压力。
控制电路部分29是用于控制从发电部分23输出的电动势的电路，以及在图3所示的例子中，形成具有如图1所示的结构的控制单元13和负载控制部分14。控制电路部分29进一步可以监视与为燃料输送端的储氢吸收盒22的连接状态，并控制输出同时检测将输出提供到其上的一些部分的负载的状态，例如，根据利用电动势的设施的模式(例如，活动模式、等待模式或睡眠模式)，控制输出电压。
另外，可以在控制电路部分29中提供用于控制驱动风扇32、33的发动机34、35的电路部分。作为用于控制电路部分29的电源，可以使用在发电部分23中生成的部分电功率。一对输出端38、39从控制电路部分29突出以及输出端38、39的尖头从卡状外壳21突出。
在具有上述结构的本实施例的燃料电池装置中，用于向燃料电池输送氧和用于促使在氧气端电极表面上形成的水蒸发的风扇32、33位于卡状外壳21的一个端壁上。通过旋转风扇32、33以便沿未示出的凹槽引导空气，能实现有效地去除在氧气端电极的表面上形成的水，使得防止降低输出电压成为可能。
另外，在本实施例的燃料电池装置中，其中形成具有图1的结构的控制单元13和负载控制部分14的控制电路部分29包含到相同的卡状外壳21中，因此能容易地实现根据条件或环境优化输出电压和控制。另外，本实施例的燃料电池装置不仅仅是发电设备而且是具有数据处理功能的有用电池。另外，燃料电池具有在连接器部分防止发生流体泄漏，诸如泄气的结构，因此设备的安全性是令人满意的。
接着，将参考图4和5描述开放型的燃料电池装置的例子。本实施例的燃料电池装置可以是例如，具有卡状的平板型的燃料电池卡40，以及如图4所示，通过经用于卡的插槽42插入，燃料电池卡40可以连接到为装置主体的膝上型计算机(PC)41上。在这里，插槽42可以是专用于燃料电池卡40并在装置主体的外壳中形成的孔，或具有按JEIDA/PCMCIA标准化的大小的插槽。特别地，按JEIDA/PCMCIA标准化的大小是一端(长端)为85.6±0.2mm以及另一端(短端)为54.0±0.1mm的大小。相对于类型I和类型II单独地规定卡的厚度。特别地，关于类型I，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为3.3±0.2mm。关于类型II，连接器部分的厚度为3.3±0.1mm，以及基板部分的厚度为5.0mm或更小及标准尺寸的±0.2mm厚度。作为用于输送燃料的具有其中吸收的氢的部分(储氢部分)44可以从燃料电池卡40拆下。
在图4中，在为装置主体的膝上型PC 41的键盘端主体的端壁部分中形成插槽42。或者，其中形成插槽42的部分可以是在图4中用虚线表示的可选择底板43的一部分。可选择底板43由可从膝上型PC 41拆下的多个功能构件组成。当改变个人计算机的外延功能时，交换包含到可选择底板43中的构件。当使用燃料电池卡40时，可以外部地连接专用适配器，或可以将多个燃料电池卡40同时包含到数据处理装置，例如膝上型PC 41中。
图5是所组装的燃料电池卡40的透视图，以及考虑到便携性，形成使拐角部分变圆的燃料电池卡40具有平板形状的上外壳46与下外壳45结合，以及在图5中，上外壳46通过例如未示出的螺丝连接到下外壳45的结构。在上外壳46中，多个矩形开口部分47形成为用于将氧引入外壳中的气体入口。
在这一例子中，每个开口部分47是基本上矩形形状的通孔，以及并排形成由5列×3行组成的两组15个开口部分，以及上外壳46具有总共30个开口部分47。开口部分47使氧气端电极暴露于空气中，如下所述，从而实现有效地吸收氧，而没有任何专用的吸气装置，同时去除过多的湿气。
在本实施例中，开口部分47的形状是与对应于电流收集器的图形的晶格形状相同的晶格形状。或者，它可以是其它形状，以及各个开口部分的形状可以是不同的形状，诸如圆形、椭圆形、带状和多边形。另外，在这一例子中，通过以板状切开上外壳46形成开口部分47，以及为防止杂质或灰尘进入或沉积，以便安全地使氧气端电极暴露于空气中，可以在开口部分47上提供网或无纺织物。在下外壳45中，形成对应于上外壳46的开口部分47的开口部分，以及它们的形状相似，并且类似地提供网或无纺织物。
能提供氢的氢吸收部分44通过将在氢吸收部分44的连接端壁上形成的一对插针48安装到在下外壳45的连接端壁中形成的一对安装孔50，被连接到燃料电池卡40。在这一实例中，将为氢吸收部分44的氢进给入口的突出部分49插入到在下外壳45的连接端壁中形成的矩形安装孔51中，并连接到延伸到外壳中的安装孔51的位置的未示出的燃料管路部分的终端部分。氢吸收部分44能从燃料电池卡40拆下，以及例如，当存储在氢吸收部分44中的氢量少时，氢吸收部分44被从燃料电池卡40拆下并用具有其中存储的足够的氢的氢吸收部分44代替，或通过注入氢，可以重新使用所拆下的氢吸收部分44。在这一例子中，氢吸收部分44的插针48被安装到安装孔51中以便将氢吸收部分44连接到燃料电池卡40上，但可以使用其它连接装置，例如，可以采用使用插入键槽的结构或使用相对于弹簧滑动的滑动构件或使用磁铁的结构。
图6是表示燃料电池主体部分的一个例子的示意图。图6表示两个电解质膜电极合成物，即，MEAs(膜和电极组件)67、68层叠，以及形成燃料端电极63、64和氧气端电极65、66以便为离子交换膜的质子导体膜61、62分别位于各个电极之间。在燃料端电极63、64和氧气端电极65、66中，形成催化剂材料诸如铂，并进一步形成用于获得电荷的未示出的电流收集器。一对燃料端电极63、64彼此面对以便在它们之间具有用于引入氢等等作为燃料的所需空间。
燃料流体，诸如氢气被从外面输送到燃料端电极63、64，以及燃料流体通过电极中的小孔到达反应区，并被吸收在存在于电极中的催化剂上以形成活动氢原子。氢原子变为氢离子并移向为相反电极(counter electrode)的氧气端电极，以及将电离后形成的电子输送到燃料端电极63、64，并且电子作为电动势移过连接到外部的电路，然后到达氧气端电极65、66。
氧气端电极65、66和燃料端电极63、64的每一个包括导电材料，诸如金属板、多孔金属材料或碳材料，以及电流收集器被连接到氧气端电极65、66和燃料端电极63、64。电流收集器是用于获得在电极中生成的电动势的电极材料，以及使用金属材料、碳材料或具有导电性的无纺织物构成它。在本实施例中，层叠两个MEAs 67、68以便燃料端电极63、64位于其中，从而氧气端电极65、66分别位于所层叠的两个MEAs 67、68的表面和后表面上。作为一个例子，当使用卡状外壳时，可以以其纵向对应于长端的方向的基本上矩形板状分别形成MEAs 67、68，但它们可以是其它形状。另外，MEAs 67、68的结构不限于包括两个层叠的两个MEAs的结构，而是可以组合4、6、8或更多MEAs。另外，当各个MEAs具有相同的形状时，可以在制作中安装相同的MEAs，但并不局限于此并可以组合具有不同形状的MEAs。例如，具有较大尺寸的MEA和具有较小尺寸的MEA可以放在相同的表面上，或具有较大厚度的MEA和具有较小厚度的MEA可以放在相同的表面上。或者，为实现良好的性能或效率，可以在外壳中组合安装具有不同性能的不同类型的MEAs。另外，在本实施例中，位于外壳中的MEAs 67、68具有所需刚性，以及每个MEA可以具有挠性，以及在这种情况下，可以用具有挠性的材料构成外壳。另外，结构可以是MEA本身是所需吸收盒类型并且是可替换的那种结构。另外，移动MEA，例如，在外壳中滑动MEA并移动以便改变MEAs间的连接状态。
第二实施例接着，将参考图7至10描述本发明的燃料电池装置的更详细的实施例。首先，如图7所示，根据本实施例的燃料电池装置具有燃料电池主体71，燃料电池主体71具有通过在彼此之上层叠多个发电器，例如MEAs形成的结构，并进一步具有控制单元73，用于控制负载，并作为负载控制部分，连接到燃料电池主体71上，用于允许燃料电池主体71上的负载值改变；电阻降低电路部分，包括开关元件78和电阻元件77；以及电源补偿电路部分，包括二极管79和浮充电池80。通过负载控制部分，将燃料电池主体71连接到负载设备75上，在燃料电池主体71中生成的电动势被输送到负载设备75，以及另外，将用于输送燃料流体的氢进给设备72连接到燃料电池主体71上。另外，将用于输送空气和蒸发过多湿气的空气进给压缩器76连接到燃料电池主体71上。
燃料电池主体71如上所述是通过将MEAs彼此层叠形成的，每个MEAs包括位于燃料端电极和氧气端电极间的电解质膜，以及将氢输送到燃料端电极并将空气输送到氧气端电极以便在一对输出端间生成电动势。燃料流体，诸如氢被从氢进给设备72，经气体进给通路81输送到燃料电池主体71，以及燃料流体被输送到燃料电池主体71的燃料端电极上。
空气进给压缩器76是改变大气压的设备，例如风扇或泵，以及其是用于将包含在空气中的氧输送到燃料电池主体71的氧气端电极的表面上，以及用于输送空气以便蒸发在氧气端电极的表面上生成的湿气的设备。空气进给压缩器76和燃料电池主体71可以合并或可彼此拆卸作为单个构件。空气进给压缩器76通过空气进给管路82被连接到燃料电池主体71上，以及在空气进给管路82的出口附近放置燃料电池主体71的氧气端电极。当氧气端电极上覆盖有水时，电极不能再吸收氧，以致发电特性变得很弱。然而，由于提供空气进给压缩器76，不必要的湿气被蒸发和去除。因此，防止了氧气端电极上的过多湿气降低输出的问题。另外，在燃料电池主体71中，在开始操作时或长时间操作期间，存在不利地使燃料电池主体71变干并降低电解质膜中的离子交换效率的问题。然而，在本实施例的燃料电池装置中，可以暂时允许过电流流过燃料电池主体71，从而能解决燃料电池主体71的干燥状态的问题。经排气管路83，从燃料电池主体71排出输送到燃料电池主体71的空气。
负载设备75是将在燃料电池装置中生成的电动势输入其中的设备，以及如果燃料电池装置安装其上的装置是例如，个人计算机，则将燃料电池装置用作个人计算机的电源，因此，负载设备75对应于内部电路或外围设备。另一方面，如果燃料电池装置安装在运输机器，诸如汽车上，则负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，如果燃料电池装置用作家庭小型电源，电灯泡或家用电器对应于负载设备75。
在图7中，控制单元73是用于控制负载控制部分中的下述电阻降低电路部分和电源补偿电路部分同时监视燃料电池主体71的输出状态或内部电阻的设备。燃料电池主体71的输出状态或内部电阻受作为来自燃料电池，即MEA的输出端的信号的信息的监视。在图7的装置中，采用监视燃料电池主体71的输出状态或内电阻的方法，但监视方法不限于此，以及可以直接监视每个电极或电解质膜的湿度或可以使用温度或大气压传感器或也可以使用输出传感器。
在本实施例中，控制单元73可以监视空气进给压缩器76的工作状态或控制空气进给压缩器76的动作。当控制空气进给压缩器76的动作时，通过停止空气进给压缩器76的动作同时过电流流过燃料电池主体71以形成湿气并恢复发电功能，可以避免蒸发湿气。另外，通过停止空气进给压缩器76的动作，所形成的水可以快速透过电解质膜，从而使得快速恢复发电性能成为可能。另外，控制单元73接收有关电功耗状态或负载设备75中所需的电功率的信息，并且根据信息，其能以高效率实现发电。
本实施例的燃料电池装置具有作为用于允许燃料电池主体71上的负载电流值改变的负载控制部分，包括开关元件78和电阻元件77的电阻降低电路部分，以及包括二极管79和浮充电池80的电源补偿电路部分。构成电阻降低电路部分的开关元件78和电阻元件77是根据来自控制单元73的信号动作的电路，以及例如，作为开关元件78，可以利用本实施例中的半导体设备，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，或继电器等等。电阻元件77与负载设备75相比，具有极其小的电阻值，以及当电流流过时，在元件的端子间生成的电势差具有小值。在燃料电池主体71的输出端的正号端子和负号端子间串连连接开关元件78和电阻元件77，以及当将开关元件78的栅极控制为导通端时，开关元件78处于导电状态，以便使燃料电池主体71的输出端上的负载电流增加。
负载控制部分中的电源补偿电路部分具有二极管79和浮充电池80，以及当降低燃料电池主体71的输出时，二极管79用作整流器。如果根据包括开关元件78和电阻元件77的电阻降低电路部分的动作，使燃料电池主体71的输出端的正号端子和负号端子间的电阻降低，则浮充电池80用作用于负载设备75而不是燃料电池主体71的电源的元件。浮充电池80的正号端子通过二极管79被连接到燃料电池主体71的输出端的正号端子上并被连接到负载设备75的正号端子端，以及浮充电池的负号端子被连接到燃料电池主体71的输出端的负号端子并被连接到负载设备75的负号端子端上。当开关元件78处于导通状态时，浮充电池80通过其自己的电动势驱动负载设备75。代替浮充电池80，可以使用电容器等等。
图8是用于解释图7的燃料电池装置的操作的时序图的一个例子，以及其是将当燃料电池的空气进给率和负载电流恒定时的输出电压检测为干燥状态的参数的例子。将时间t作为横坐标，以及将当负载电流恒定时的电池电流icell或电池电压Vcell作为纵坐标。电池电压Vcell对应于燃料电池主体71的输出电压Vout。在这一燃料电池装置中，当燃料电池主体71的输出电压的降低变得很显著时，控制单元73检测输出电压的降低。如果识别出输出电压不高于特定值(例如图2中的Vth)，根据来自控制单元73的信号，将开关元件78控制到处于导电状态，以便包括开关元件78和电阻元件77的电阻降低电路部分从一般负载状态或非导电状态改变到低电阻状态。然后，燃料电池主体71处于降低输出端间的电阻或在输出端间发生短路的状态，以便大的电池电流icell，即过电流流过燃料电池主体71。流过燃料电池主体71的过电流使氧原子急剧地与氧气端电极上的氢原子结合以暂时地形成大量水，并且如果由于变干降低输出，电解质膜快速地处于潮湿状态，使得可能快速地恢复输出。
当过电流流过燃料电池主体71时，输出端间的电势差，即电池电压Vcell快速变得更小。因此，如图8所示，电压在相对短的时间内变得低于预定电压(例如，在图2中的电压Vs)，以及控制单元73检测输出电压低于预定电压的事实，使开关元件78处于断开状态。然后，负载控制部分的电路状态变为一般状态，以便经开关元件78和电阻元件77挡住电流通路。因此，电池电压Vcell，即输出电压Vout相反地快速增加。燃料电池主体71的输出电压Vout再次变高并超出浮充电池80的电压，以便再次将电功率从燃料电池主体71提供到负载设备75。在这一阶段，当过电流流过燃料电池主体71时，形成大量水，以及电解质膜快速变为潮湿状态，从而使快速恢复输出成为可能。
图8还表示再次启动燃料电池装置的操作的情形，以及当在开始操作时发生类似的输出电压降低时，过电流可以类似地流过燃料电池主体71，用于恢复功能以及可以类似地增加输出电压。另外，当燃料电池主体71上的负载处于能维持自加湿状态的电平时，输出电压保持预定值以及可发电很长时间同时将输出电压维持那个值。
图8的例子表示来自空气进给压缩器76的空气进给恒定的情形。除允许过载电流流过燃料电池主体71，用于恢复输出功能的上述控制外，可以控制来自空气进给压缩器76的空气进给，以及例如，当控制过电流以便流过燃料电池主体71以形成湿气来恢复发电功能外，可以做出临时终止空气进给压缩器76的动作的控制。暂时终止空气进给压缩器76可以防止湿气蒸发并允许所形成的水以便快速透过电解质膜。抑制湿气蒸发和所形成的水渗透电解质膜使得可以快速地恢复发电功能。
接着，将参考图9来描述用于操作如图7所示的根据本实施例的燃料电池装置的步骤的流程的一个例子。如果输出特性或内电阻特性超出可接受范围，本实施例的燃料电池装置操作以便恢复它们。在这一例子中，紧随启动燃料电池装置的操作后，即，在开始操作时可接受范围和在操作燃料装置持续一段时间后，即操作期间的可接受范围是不同的，因此流程图构造成处理经过不同的步骤流程。根据控制单元的判断示出这些步骤，以及例如，由图7中的控制单元73的CPU所做的控制的步骤对应于图9的流程图。
作为用于控制的步骤，首先，步骤S11判断当前阶段是紧接启动燃料电池装置的操作后，即在开始操作时，还是在燃料电池装置操作持续一段时间后，即，操作期间。可以使用控制单元73中的时钟或定时器来监视这一操作，以及可以使用其它数据，例如来自负载设备端的数据。
当步骤S11的判断是“在开始操作时”时，处理进入步骤S12以及控制单元73从燃料电池主体71接收电压、电流和温度数据。然后，检测在接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流特性或内电阻特性或按这些参数计算，以及步骤S13判断电压-电流初始特性或内电阻特性是否落在可接受范围内。当在接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流初始特性或内电阻特性落在可接收范围内时(是)，处理进入步骤S14，以及识别出本操作状态良好，因此继续当前负载控制，以便终止处理。
当判定在接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流初始特性或内电阻特性超出可接受范围时(否)，处理进入步骤S15，以及来自空气进给压缩器76的空气进给维持适合于一般负载的进给率，并且，为允许过载电流流过燃料电池主体71，控制功率元件，诸如开关元件78以便从断开改变到导通以允许电流流过具有低电阻的电阻元件77。因此，在燃料电池主体71的氧气端电极上消耗大量氧以形成湿气，以及所形成的水导致电解质膜处于潮湿状态。因此，如果由于变干降低输出，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这一期间，不能从燃料电池主体71提供电功率，但负载设备75可以暂时使用来自浮充电池80的电功率，从而可以有效地避免由于控制电功率产生瞬时中断的问题。
在将功率元件，诸如开关元件78控制到导通以便允许过载电流流过燃料电池主体71后，处理进入步骤S16以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻值r是否低于rs)。当判定输出电压Vout不低于电压Vs(内电阻值r不低于rs)(NO)时，处理进入步骤S18以及流过燃料电池主体71的过载电流维持原样，以便处理返回到步骤S16以便再次判断状态。
当处理进入步骤S16以及输出电压Vout被判定为低于电压Vs(判定内电阻值低于rs)(是)时，识别出已经通过在燃料电池主体71中形成的水实现恢复功能，以便挡住流过燃料电池主体71的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件78以便从导通状态到处于断开状态。因此，使开关元件78处于断开状态的控制档住流过电阻元件77的电流(步骤S17)和同时流过燃料电池主体71的过载电流。因此，燃料电池主体71上的负载变为一般负载，以及例如图2或图8所示的输出电压Vout变为初始值。
接着，当从开始操作经过预定时间段时，即，该阶段处于操作期间，步骤S11判断“在操作期间”以及处理进入步骤S19，以及控制单元73从燃料电池主体71接收电压、电流和温度数据。然后，检测接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流特性或内电阻特性或按这些参数计算，以及步骤S20判定在操作期间的电压-电流降低特性或内电阻增加特性是否落在可接受范围内。当接收数据时的电压-电流降低特性或内电阻增加特性落在可接受范围内(是)时，处理进入步骤S21，以及识别出当前操作状态良好，从而继续当前负载控制，以便终止处理。
当接收数据时的燃料电池主体71的电压-电流降低特性或内电阻增加特性超出可接受范围(NO)时，处理进入步骤S15，以及来自空气进给压缩器76的空气进给维持适合于一般的进给率，以及为允许过载电流流过燃料电池主体71，控制功率元件，诸如开关元件78以便从断开改变到导通以允许电流流过具有低电阻的电阻元件77。因此，在燃料电池主体71的氧气端电极上消耗大量氧以便形成湿气，以及所形成的水使得电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干使输出降低时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得可以快速地恢复输出。另外，在这期间，不能从燃料电池主体71提供电功率，但负载设备75可以暂时使用来自浮充电池80的电功率，从而可以有效地避免由于控制电功率导致的瞬时中断问题。
与开始操作时相同，在将功率元件，诸如开关元件78控制到导通以便允许过载电流流过燃料电池主体71时，处理进入步骤S16以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻r是否低于rs)。当判定输出电压不低于电压Vs(判定内电阻r不低于rs)时(否)，处理进入步骤S18以及流过燃料电池主体71的过载电流维持原样，以便处理返回到步骤S16来再次判定状态。
当处理进入步骤S16以及判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)(是)时，识别出已经通过在燃料电池主体71中形成的水实现了恢复功能，以便挡住流过燃料电池主体71的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件78以便从导通状态改变到断开状态。因此，控制开关元件78处于断开状态同时挡住了流过电阻元件77的电流(步骤S17)，和流过燃料电池主体71的过载电流。因此，燃料电池主体71上的负载变为一般负载，以及例如图2或图8所示的输出电压Vout变为初始值。
根据如上所述的步骤流程，本实施例的燃料电池装置判断作为来自燃料电池主体的输出特性的电压-电流特性或内电阻特性是否落在可接受范围内，以及当特性超出可接受范围时，控制开关元件处于导通状态以允许过载电流流过燃料电池主体。在允许过载电流流过后，类似地检查输出电压或内部电阻值，以及当该值低于特定电平时，控制开关元件处于断开状态以防止过载电流进入燃料电池主体。因此，可以在相对短的时间内恢复燃料电池主体的输出特性，以及实施其控制同时监视输出特性或内电阻增加特性，从而不必执行恢复操作。特别地，在操作开始时和操作期间，用不同的方式控制作为来自燃料电池主体的输出特性并且落在可接受范围内或外的电压-电流特性或内电阻增加特性，因此，即使当稍微改变电解质膜的状态时，也可以实施适合于各种情形的控制。
第三实施例接着，将参考图10来描述根据第三实施例的燃料电池装置。图10的装置具有燃料电池主体91，燃料电池主体91具有通过将多个发电器，例如MEAs彼此层叠形成的结构，并进一步具有用于控制负载的控制单元93，控制单元93作为负载控制部分连接到燃料电池主体91上，用于允许燃料电池主体91上的负载值改变；DC-DC换能器97；以及包括二极管99和浮充电池98的电源补偿电路部分。当输出电压不高于阈值电压时，电源补偿电路部分用作电连接电极的旁路电路。将负载设备95通过负载控制部分连接到燃料电池主体91，将在燃料电池主体91中生成的电动势输送到负载设备95，以及氢进给设备92被连接到燃料电池主体91，用于经燃料进给管路101输送燃料液体。另外，空气进给压缩器96被连接到燃料电池主体91，用于输送空气和蒸发过多湿气。经空气进给管路102，来自空气进给压缩器96的空气被输送到燃料电池主体91上，并经排气管路103连同过多湿气等等一起排出。
在图10的装置中，燃料电池主体91、氢进给设备92、控制单元93、负载设备95和空气进给压缩器96分别具有与图7所示的相应设备相同的结构，以及为简化说明，省略重复描述。图10的装置具有基本与图7的装置相同的结构，除提供DC-DC换能器97代替电阻降低电路外，以及DC-DC换能器97可以根据来自控制单元93的控制信号，增加一次输入电流。特别地，DC-DC换能器97具有当作为来自燃料电池主体的输出特性的电压-电流特性或内电阻增加特性超出可接受范围时显著增加一次输入电流的功能，从而使过电流流过燃料电池主体。过电流消耗燃料电池主体91的氧化端电极上的大量氧以便形成湿气，以便形成的水使电解质膜处于潮湿状态，因此，当由于变干而降低输出时，电解质膜快速地处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体91提供电功率，但负载设备95可以暂时使用来自浮充电池98的电功率，从而可以有效地避免由于控制电功率导致的瞬时中断问题。
在上述实施例中，装置具有通过电路使在一对输出端间产生短路或降低输出端间的电阻以便允许过电流流过燃料电池主体的结构，但方法不限于操作输出端间的电阻值的方法，以及可以在MEA本身或电流收集器等等中形成用于导致短路或降低燃料端电极和氧气端电极间的电阻的器件，以及可以形成用于导致短路或降低电阻的单个或多个器件。另外，为实现电解质膜中的统一功能恢复处理，可以提供用于使过电流流过燃料电池主体的导线。
另外，在本实施例中，在其中实施用于输出特性的恢复的预定操作同时监视燃料电池主体的输出电压或内电阻的例子上进行说明，但操作不限于此，以及使用定时器等等可以自动进行用于恢复输出特性的预定操作，特别是在开始操作时，使用定时器可以获得优良结果。当燃料电池主体包括多个发电器时，所有发电器均同时受到过电流处理，但可以接连地处理发电器以便将过电流施加到具有延时的各个发电器上。
另外，控制单元93不仅可以用于控制负载而且可用于空气进给，如下所述。
第四实施例将参考图来描述本发明的燃料电池装置的优选实施例。图11是表示根据本实施例的燃料电池装置的方框图。本实施例的燃料电池装置110具有用于生成电动势的燃料电池主体111、用于控制负载的控制单元113、以及用于将空气输送到燃料电池主体111的空气进给控制部分116，以及通常将电动势从燃料电池主体111的输出端提供到负载设备115，以及用于输送燃料流体的氢进给设备112被连接到燃料电池主体111上。
燃料电池主体111具有如下所述的结构，例如，将基本上为平板形状的电解质膜放在燃料端电极和氧气端电极之间，以及燃料流体，诸如氢气或甲醇被从具有氢存储功能的氢进给设备112输送到燃料端电极上。氧气端电极是用于吸收包含在空气中的氧的电极，并且其通过电解质膜与燃料端电极相对。氧气端电极可以是开放型，以及可以具有通过压缩器、泵或风扇向其输送空气的结构。燃料电池主体111可以是通过在彼此之上层叠多个结构获得的层叠晶格形状，每个结构包括以位于燃料端电极和氧气端电极间的基本上平板形状的电解质膜，或者燃料电池主体111也可以是包括一个结构或两个层叠结构的平板形状。
氢进给设备112是用于将燃料流体，诸如氢气或醇，例如，甲醇输送到燃料电池主体111上的设备，以及例如，可以使用包含具有其中吸收的氢的合金的高压罐或吸收盒。如下所述，氢进给设备112可以从燃料电池主体111拆下，并且可以是在接合部分处理有关燃料状态的信息的传输和接收的结构。
控制单元113是用于控制燃料电池装置110的控制器，以及其监视燃料电池主体111中的燃料电池的输出状态或内电阻，并将用于根据输出状态或内电阻进行控制的信号输出到空气进给控制部分116。控制单元113由所需电子电路、CPU(中央处理单元)等等组成，以及控制单元113和燃料电池主体111不必合并，而是可以单独地安装，或可以利用具有所安装的燃料电池主体111的电子设备的数据处理单元的一部分。在本实施例，控制单元113监视燃料电池的输出电压或内电阻值，但监视不限于此，以及可以监视输出电流或同时监视包括温度、湿度和大气压的状态。
空气进给控制部分116是用于允许输入到燃料电池主体111的空气根据燃料电池主体111的输出状态或内电阻改变的控制部分。其是改变大气压的设备，例如压缩器、风扇或泵，以及是用于将包含在空气中的氧输送到燃料电池主体111的氧气端电极的表面上以及用于输送空气以便蒸发在氧气端电极的表面上产生的湿气的设备。空气进给控制部分116和燃料电池主体111可以合并或可彼此拆卸作为单独的构件。
负载设备115是将在燃料电池装置110中生成的电动势输送到其中的设备，以及当将燃料电池装置110安装在其上的装置是例如个人计算机时，燃料电池装置110用作个人计算机的电源，因此，负载设备115对应于内部电路或外围设备。另一方面，当燃料电池装置110安装在运输机器，诸如汽车上时，负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，当燃料电池装置110用作家用小型电源时，电灯泡或家用电器对应于负载设备。
为使燃料电池主体111处于过电流状态，可以将开关元件放在燃料电池主体111的输出端上以便产生短路，从而使开关元件处于导通状态。或者，为使燃料电池主体111处于过电流状态，可以通过低电阻元件连接燃料电池主体111的输出端。
接着，将参考图12描述空气进给控制部分116的操作的一个例子。在图12中，当负载电流恒定时的燃料电池主体的输出电压Vout被作为纵坐标，以及时间t被作为横坐标。在图11的燃料电池装置110中，首先，将电压Vout维持在相对大的值上，但随着操作继续，由于使用环境，会发生燃料电池主体111的表面上的电极变干。因此，燃料电池主体111的输出电压Vout逐渐降低并在时间t0时的点变得低于阈值电压Vth。阈值电压Vth是表示燃料电池主体111中的燃料电池的输出低的参考电平，以及当识别出燃料电池主体111的燃料电池的输出电压Vout低于控制单元113端的阈值电压Vth时，控制单元113检测出燃料电池主体111中的燃料电池的输出为低，执行用于恢复功能的操作。特别地，将信号从控制单元113传送到空气进给控制部分116，以便例如，暂时防止空气进入到空气进给控制部分116。
通过使空气进给控制部分116处于空气进给终止状态，抑制蒸发燃料电池主体111的表面上的湿气，以便燃料电池主体111的干燥表面在短时间内处于潮湿状态。当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态时，负载电流流过燃料电池，以及通过离子交换吸引氧原子导致湿气形成。为此，燃料电池主体111的表面可以在极其短的时间内处于潮湿状态。当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态，如上所述时，实际上提供到随后的负载设备115的电功率是不足的，但暂时使用如下所述的电功率补偿器件，诸如浮充电池或电容器防止负载设备115遭受电源中断。
当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态时，燃料电池主体111的输出电压Vout快速降低，以及输出电压Vout在图12中的时间t1的点变得低于电压Vs，以致由控制单元113端检测到输出电压Vout降低到该点。因此，控制单元113将用于终止恢复燃料电池的功能的操作的信号传送到空气进给控制部分116。根据信号，空气进给控制部分116将该装置的模式从空气进给终止状态改变到一般空气进给操作状态。
作为用于检测燃料电池主体111的干燥状态的参数，代替当负载电流恒定时的上述燃料电池主体的输出电压Vout，根据例如电流中断方法，可以使用内电阻值r。在这种情况下，当内电阻值r超出特定值时，对上述的类似的控制使得燃料电池主体111处于空气进给终止状态，使得燃料电池主体111的干燥表面在短时间内处于潮湿状态。
因此，在本实施例的燃料电池装置10中，做出控制以便空气进给控制部分116变为处于空气进给终止状态以便当来自燃料电池主体111的输出电压Vout降低到阈值Vth或更小(或内电阻值增加到内电阻值rth或更大)时，使许燃料电池主体111处于过电流状态，以及这一控制迫使和暂时恢复电极的潮湿保持状态。为此，即使当在长时间操作期间或开始操作时，由于燃料电池主体的表面的湿度不足，导致不能获得额定输出电压，也可以在相对短的时间内恢复燃料电池的输出特性。另外，在本实施例的燃料电池装置110中，当空气进给控制部分116处于空气进给终止状态时，降低输出电压，因此，可以暂时使用如下所述的电功率补偿器件，诸如浮充电池或电容器。
第五实施例接着，将参考图13至15描述本发明的燃料电池装置的更详细的实施例。首先，如图13所示，根据本实施例的燃料电池装置具有燃料电池主体171，燃料电池主体171具有通过彼此层叠多个发电器，例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制负载的控制单元173，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体171上，用于允许燃料电池主体171上的负载值改变；包括开关元件178和电阻元件177的电阻降低电路部分；以及包括二极管179和浮充电池180的电源补偿电路部分。通过负载控制部分，将燃料电池主体171连接到将在燃料电池主体171中生成的电动势输送到其中的负载设备175，以及另外，将燃料电池主体171连接到用于输送燃料流体的氢进给设备172。另外，将燃料电池主体171连接到作为用于输送空气和蒸发过多湿气的空气进给控制部分的空气进给压缩器176上。空气进给压缩器176用作图11的空气进给控制部分116。
如上所述，通过彼此层叠MEAs形成燃料电池主体171，每个MEAs包括位于燃料端电极和氧气端电极间的电解质膜，以及将氢输送到燃料端电极，以及空气被输送到氧气端电极以便在一对输出端间生成电动势。燃料流体，诸如氢经气体进给通路181，从氢进给设备172被输送到到燃料电池主体171上，以及燃料流体被输送到燃料电池主体171的燃料端电极上。
空气进给压缩器176是用作空气进给控制部分，并由用于改变大气压的机构，例如风扇或泵组成的设备，以及其是用于将包含在空气中的氧输送到燃料电池主体171的氧气端电极的表面上以及用于输送空气以便蒸发在氧气端电极的表面上生成的湿气的设备。空气进给压缩器176和燃料电池主体171可以合并或彼此分开作为单独的构件。通过空气进给管路182，将空气进给压缩器176连接到燃料电池主体171上，以及将燃料电池主体171的氧气端电极放在空气进给管路182的出口附近。当氧气端电极上覆盖有水时，电极不能再吸收氧，以致发电特性变弱。然而根据所提供的空气进给压缩器176，蒸发和去除不必要的湿气。因此，防止氧气端电极上的过多湿气降低输出的问题。另外，在燃料电池主体171中，在开始操作时或长时间操作期间，存在不利地使燃料电池主体171变干和降低电解质膜中的离子交换的效率的问题，但是，在本实施例的燃料电池装置中，燃料电池主体171可以暂时处于空气进给终止状态，因此，解决了燃料电池主体171的干燥状态的问题。经排气管路183，从燃料电池主体171排出输送到燃料电池主体171的空气。
负载设备175是将在燃料电池装置中生成的电动势输送到其中的设备，以及当在其上安装燃料电池装置的装置是例如个人计算机时，燃料电池装置用作个人计算机的电源，因此，负载设备175对应于内部电路或外围设备，另一方面，当将燃料电池装置安装在运输机器上，诸如汽车上时，负载设备对应于用于产生推力的设备，诸如电动机。另外，当燃料电池装置用作家用小型电源时，电灯泡或家用电器对应于负载设备175。
在图13中，控制单元173是用于控制如下所述的空气进给压缩器176以及负载控制部分中的电阻降低电路部分和电源补偿电路部分，同时监视燃料电池主体171的输出状态和内电阻的设备。通过作为来自燃料电池，即MEA的输出端的信号的信息监视燃料电池主体171的输出状态或内电阻。在图13的装置中，采用监视燃料电池主体171的输出状态或内电阻的方法，但监视方法不限于此，以及可以直接监视每个电极或电解质膜的湿度，或可以使用温度或大气压传感器，或也可以使用输出传感器。控制单元173可以直接监视空气进给压缩器176的操作状态。
当控制空气进给压缩器176的动作以便恢复发电功能时，允许电流流过燃料电池主体171以便形成水。特别地，通过停止空气进给压缩器176的动作，可以防止湿气蒸发并且所形成的水可以快速渗过电解质膜。可以在相对短的时间内停止来自空气进给压缩器176的空气进给以便快速恢复发电性能。另外，控制单元173接收有关电功率消耗状态或负载设备175中所需的电功率的信息，并且其可以根据信息以高效率实现发电。
除控制空气进给压缩器176的空气进给操作外，本实施例的燃料电池装置具有，作为用于允许燃料电池主体171上的负载电流值改变的负载控制部分，包括开关元件178和电阻元件177的电阻降低电路部分，以及包括二极管179和浮充电池180的电源补偿电路部分。构成电阻降低电路部分的开关元件178和电阻元件177是根据来自控制单元173的信号操作的电路，并且例如，作为开关元件178，可以使用本实施例中的半导体设备，诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或继电器等等。与负载设备175相比，电阻元件177具有极其小的电阻值，以及当电流流过时，该元件的端子之间生成的电势差具有小值。开关元件178和电阻元件177串连连接在燃料电池主体171的输出端的正号端子和负号端子之间，以及当将开关元件178的栅电极控制为导通端时，开关元件178处于导电状态，以致使燃料电池主体171的输出端上的负载电流增加。
负载控制部分中的电源补偿电路部分具有二极管179和浮充电池180，以及当燃料电池主体171的输出降低时，二极管179用作整流器。当根据包括开关元件178和电阻元件177的电阻降低电路部分的动作，使燃料电池主体171的输出端的正号端子和负号端子之间的电阻降低时，浮充电池180用作用于负载设备175而不是燃料电池主体171的电源的设备。浮充电池180的正号端子通过二极管179被连接到燃料电池主体171的输出端子的正号端子并连接到负载设备175的正号端子端，以及浮充电池180的负号端子被连接到燃料电池主体171的输出端的负号端子和负载设备175的负号端子端。当开关元件178处于导通状态时，浮充电池180通过其自身的电势驱动负载设备175。代替浮充电池180，可以使用电容器等等。
图14是用于解释图13的燃料电池装置的操作的时序图的一个例子，以及其是将当燃料电池的负载电流恒定时的输出电压检测为干燥状态的参数的一个例子。时间t被用作横坐标，以及当负载电流恒定时的电池电压Vcell被用作纵坐标。电池电压Vcell对应于燃料电池主体171的输出电压Vout。在这一燃料电池装置中，当燃料电池主体171的输出电压下降变得很显著时，控制单元173检测输出电压的下降，以及当识别出输出电压不高于特定电压(例如在图2中为Vth)时，根据来自控制单元173的信号，将空气进给压缩器176控制到处于空气进给终止状态。
为恢复发电性能，首先，控制来自空气进给压缩器176的空气进给。例如，当燃料电池主体171处于降低输出电压的状态时，可以控制空气进给压缩器176的动作以便暂时终止停止空气进给。空气进给压缩器176的暂时终止可以防止蒸发湿气以及允许所形成的水快速渗过电解质膜，从而抑制湿气蒸发和所形成的水渗入电解质膜使快速恢复发生性能成为可能。
另外，当降低电阻降低电路部分的电阻时，燃料电池主体171处于降低输出端间的电阻或在输出端间产生短路的状态，以便大的过电流流过燃料电池主体171。流过燃料电池主体171的过电流使得氧原子急剧地与氧气端电极上的氢原子结合以便暂时地形成大量水，以及当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。
当终止输送到燃料电池主体171的空气时，输出端间的电势差，即电池电压Vcell快速变小。因此，如图14所示，在相对短的时间内电压变得低于预定电压(例如，图12中的电压Vs)，以及控制单元173检测到输出电压低于预定电压的这一事实，将控制改变为一般空气进给控制。然后，空气进给控制部分变为一般状态以便将空气输送到氧气端电极上。因此，电池电压Vcell，即，输出电压Vout相反地快速增加。燃料电池主体171的输出电压Vout再次变高，并超出浮充电池180的电压Vb，以便再次将电功率从燃料电池主体171提供到负载设备175上。在这一阶段，当终止输送到燃料电池主体171的空气时，形成大量水，以及电解质膜快速变为潮湿状态，从而使快速恢复输出成为可能。
图14还表示再次启动燃料电池装置的操作的情形，如果在开始操作时发生类似的输出电压降低，可以类似地停止输送到燃料电池主体171的空气以恢复功能并类似地增加输出电压。另外，当在燃料电池主体111中输送的空气处于可以维持自加湿状态的电平时，输出电压保持预定值以及可以发电很长时间同时将输出电压维持在那个值。
接着，将参考图15描述用于操作根据图13中所示的本实施例的燃料电池装置的步骤的流程的一个例子。当输出特性或内电阻特性超出可接受范围时，本实施例的燃料电池装置操作以便恢复它们。在这一例子中，紧接在开始操作燃料电池装置后，即开始操作时的可接受范围，和在燃料电池装置的操作持续一段时间后，即操作期间的可接受范围是不同的，因此，将流程图构造成处理经过不同的步骤流程。根据控制单元的判断示出这些步骤，以及例如，由图13中控制单元173的CPU所做的控制的步骤对应于图15的流程图。
作为用于控制的步骤，首先，步骤S31判断当前阶段是在紧接着启动燃料电池装置操作后，即开始操作时还是在燃料电池装置操作持续一段时间后，即操作期间。可以使用控制单元173中的时钟或定时器来监视这一操作，以及可以使用其它数据，例如来自负载设备端的数据。
当步骤S31的判断是“在开始操作时”时，处理进入步骤S32以及控制单元173从燃料电池主体171接收电压、电流和温度数据。然后，检测在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流特性或内电阻特性或按这些参数计算，以及步骤S33判断电压-电流初始特性或内电阻特性是否落在可接受范围内。当在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流初始特性或内电阻特性落在可接收范围内时(是)，处理进入步骤S34，以及识别出本操作状态良好，因此继续当前负载控制，以便终止处理。
当判定在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流初始特性或内电阻特性超出可接受范围时(否)，处理进入步骤S35，以及终止来自空气进给压缩器176的空气进给。终止来自空气进给压缩器176的空气进给抑制在燃料装置主体111的氧气端电极上生成的湿气蒸发。然后，处理进入步骤S36以便判断输出电压Vout是否低于电压Vb。在这里，电压Vb是浮充电池180的额定电压Vb，以及考虑到由控制或微调引起的变化，可以将其设置成稍微高些的电压或低些的电压。当输出电压Vout不小于电压Vb时(否)，继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S41)以及处理返回到步骤S36以再次判断输出电压Vout是否低于电压Vb。
步骤S36判断输出电压Vout是否低于电压Vb，以及当输出电压Vout低于电压Vb时(是)，执行将电负载加在负载电阻上的控制(步骤S37)，以及控制功率元件，诸如开关元件178以便从断开改变到导通状态以允许电流流过具有低电阻的电阻元件177。因此，在燃料电池主体171的氧气端电极上消耗大量氧以形成湿气，以及所形成的水使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，电解质膜快速地处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体171提供电功率，以及负载设备175可以暂时使用来自浮充电池180的电功率，从而可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
在将功率元件，诸如开关元件178控制到导通状态以便允许过载电流流过燃料电池主体171后，处理进入步骤S38以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻值r是否低于rs)。当判定输出电压Vout不低于电压Vs(判定内电阻值r不低rs)时(否)，处理进入步骤S41，以及继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给以及流过燃料电池主体171的过载电流保持原样，从而处理返回到步骤S36以便再次判断状态。
当在步骤S38中判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)时(是)，识别出已经通过在燃料电池主体171中形成的水实现恢复功能，从而在步骤S39中挡住流过燃料电池主体171的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件178以便从导通状态改变为断开状态。因此，将开关元件178控制到断开状态同时挡住流过电阻元件177的电流和流过燃料电池主体171的过载电流。因此，燃料电池主体171上的负载变为一般负载。另外，当判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻r低于rs)时(是)，再次启动来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S40)，以便终止处理。图15表示结合使用空气进给控制和负载电流控制的步骤流程的一个例子，但在本实例中包含仅使用空气进给控制的步骤的流程。即，在步骤的流程中可以省略步骤S36、S37、S39和S41。
接着，当从开始操作起经过预定时间段时，即，该阶段为操作期间，步骤S31判定“在操作期间”以及处理进入步骤S42，以及控制单元173从燃料电池主体171接收电压、电流和温度数据。然后，检测在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流特性或内电阻特性或根据这些参数计算，以及步骤S43判定在操作期间电压-电流降低特性或内电阻特性是否落在可接受范围内。当在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流降低特性或内电阻特性落在可接受范围内时(是)，处理进入步骤S44，以及识别出当前操作状态良好，因此继续当前负载控制，以便终止处理。
当判定在接收数据时的燃料电池主体171的电压-电流降低特性或内电阻特性超出可接受范围时(否)，处理进入步骤S35以及终止来自空气进给压缩器176的空气进给。因此，终止来自空气进给压缩器176的空气进给抑制蒸发在燃料电池主体111的氧气端电极上生成的湿气。然后，为允许过载电流流过燃料电池主体171，处理进入步骤S36以判断输出电压Vout是否低于电压Vb。在这里，电压Vb是浮充电池180的额定电压Vb，以及考虑到由控制或微调引起的变化，可以将其设置成稍微高些的电压或低些的电压。当输出电压Vout不低于电压Vb时(否)，继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S41)，以及处理返回到步骤S36以便再次判断输出电压Vout是否低于电压Vb。
步骤S36判断输出电压Vout是否低于电压Vb，以及当输出电压Vout低于电压Vb时(是)，执行将电负载加在负载电阻上的控制(步骤S37)，以及控制功率元件，诸如开关元件178以便从断开改变到导通，从而允许电流流过具有低电阻的电阻元件177。因此，在燃料电池主体171的氧气端电极上消耗大量氧以便形成湿气，以及所形成的水使得电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体171提供电功率，以及负载设备175可以暂时使用来自浮充电池180的电功率，从而可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
在将功率元件，诸如开关元件178控制到导通状态以便允许过载电流流过燃料电池主体171后，处理进入步骤S38以便判断输出电压Vout是否低于电压Vs(内电阻值r是否低于rs)。当判定输出电压Vout不低于电压Vs(判定内电阻值不低于rs)时(否)，处理进入步骤S41，以及继续终止来自空气进给压缩器176的空气进给，并使流过燃料电池主体171的过载电流保持原样，以便处理返回到步骤S36以便再次判断状态。
与开始操作时相同，在操作期间，当在步骤S38判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)时(是)，识别出已经通过在燃料电池主体171中形成的水实现恢复功能，从而在步骤S39中挡住流过燃料电池主体171的过载电流。因此，控制功率元件，诸如开关元件178以便从导通状态改变到断开状态。因此，将开关元件178控制到断开状态同时挡住流过电阻元件177的电流和流过燃料电池主体171的过载电流。因此，燃料电池主体171上的负载变为一般负载。另外，当判定输出电压Vout低于电压Vs(判定内电阻值r低于rs)时(是)，再次启动来自空气进给压缩器176的空气进给(步骤S40)，以便终止处理。
根据如上所述的步骤流程，本实施例的燃料电池装置判断作为来自燃料电池主体的输出特性的电压-电流特性或内电阻特性是否落在可接受范围内，以及当特性超出可接受范围时，停止来自空气进给压缩器176的空气进给，以及进一步使开关元件控制到处于导通状态以允许过载电流流过燃料电池主体。在允许过载电流流过后，类似地检验输出电压或内电阻值，以及当该值低于特定电平时，控制开关元件以便处于断开状态从而阻止过载电流进入燃料电池主体。
因此。可以在相对短的时间内恢复燃料电池主体的输出特性，以及实施其控制同时监视输出特性，因此不执行用于恢复的不必要操作。特别地，在开始操作时以及操作期间，用不同的方法控制作为来自燃料电池主体的输出特性并且落在可接受范围内或外的电压-电流特性或内电阻特性，因此，即使当稍微改变电解质膜的状态时，也可以实施适合于各种情形的控制。
在本实施例中，在恢复输出期间停止来自空气进给压缩器176的空气进给的情形上说明，但可以进行控制以不停止空气输送但降低用于恢复输出的空气进给率，然后在恢复后将空气进给率增加到原始速率。另外，在图15的步骤流程中，控制来自空气进给压缩器176的空气进给，然后调整流过燃料电池主体的电流量，但也可以调整流过燃料电池主体的电流量，然后控制来自空气进给压缩器176的空气进给，或仅控制来自空气进给压缩器176的空气进给。
第六实施例接着，将参考图16描述根据第四实施例的燃料电池装置。图16的装置具有燃料电池主体211，燃料电池主体211具有通过彼此层叠多个发电器，例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制空气进给和负载的控制单元213，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体211上，用于允许燃料电池主体211上的负载值改变；包括开关元件218和电阻元件217的电阻降低电路部分，以及包括二极管219和浮充电池220的电源补偿电路部分。
通过负载控制部分，将负载设备215连接到燃料电池主体211，在燃料电池主体211中生成的电动势被输送到负载设备215上，以及另外，将氢进给设备212连接到燃料电池主体211，用于经燃料进给管路223输送燃料流体。另外，将空气进给压缩器216连接到燃料电池主体211，用于输送氧并蒸发过多湿气。将来自空气进给压缩器216的空气经空气进给管路224输送到燃料电池主体211，并且经排气管路222，与过多的湿气等等一起排出。
排气管路222是通过燃料电池主体211的氧气端电极以蒸发在氧气端电极上生成的过多湿气并排出它的流体通路。排气管路222是，特别在本实施例，具有可以挡住通过排气管路222的气流的截流阀221。截流阀221根据来自控制单元213的信号处于挡住状态还是流过状态，以及例如，当降低燃料电池主体221的输出特性时，截流阀221处于挡住状态，以便挡住气流。通过使截流阀221处于挡住状态，抑制去除燃料电池主体221的氧气端电极上的湿气，以便所形成的水快速地使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，可以快速地恢复输出。在图16的装置中，燃料电池主体211、氢供给设备212、负载设备215和空气进给压缩器216分别具有与图13中所示的相应设备相同的结构，以及为简化描述，将省略重复描述。
在图16的装置中，可以通过控制单元213控制来自空气进给压缩器216的空气进给，以及另外，可以通过在排气管路222中形成的截流阀221控制在氧气端电极表面上的气流，因此，在停止空气进给压缩器216工作不太好的装置中，截流阀221可以稳妥地控制空气进给。
在本实施例的燃料电池装置中，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体211提供电功率，但负载设备215可以暂时使用来自浮充电池220的电功率，因此可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
第七实施例将参考图17来描述根据第七实施例的燃料电池装置。图17的装置具有燃料电池主体231，燃料电池主体231具有通过彼此层叠多个发电器例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制空气进给和负载的控制单元233，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体231上，用于允许燃料电池主体231上的负载值改变；包括开关元件238和电阻元件237的电阻降低电路部分以及包括二极管239和浮充电池240的电源补偿电路部分。
通过负载控制部分，将负载设备235连接到燃料电池主体231，将在燃料电池主体231中生成的电动势输送到负载设备235，以及另外，将氢进给设备232连接到燃料电池主体231，用于经燃料进给管路输送燃料流体。另外，将空气进给压缩器236连接到燃料电池主体231，用于输送氧并蒸发过多湿气。将来自空气进给压缩器236的空气经空气进给管路242输送到燃料电池主体231上，并且经排气管路241，与过多湿气等等一起排出。
空气进给管路242是用于将空气输送到燃料电池主体231的氧气端电极的流体通路。空气进给管路242，特别地本实施例中，具有可以挡住通过排气管路222的气流的截流阀243。截流阀243根据来自控制单元233的信号，处于挡住状态或处于流过状态，以及例如，当降低燃料电池主体231的输出特性时，截流阀243处于挡住状态以便挡住气流。通过使截流阀243处于挡住状态，抑制去除燃料电池主体231的氧气端电极上的湿气，以便所形成的水快速使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，可以快速地恢复输出。在图17的装置中，燃料电池主体231、氢供给设备232、负载设备235和空气进给压缩器236具有与图13中所示的相应设备相同的结构，以及为简化描述，将省略重复描述。
在图17的装置中，可以通过控制单元233控制来自空气进给压缩器236的空气进给，以及另外，可以通过在空气进给管路242中形成的截流阀243控制氧气端电极表面上的气流，以及因此，在停止空气进给压缩器236工作不太好的装置中，截流阀243可以稳妥地控制空气进给。
在本实施例的燃料电池装置中，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体231提供电功率，但负载设备235可以暂时使用来自浮充电池240的电功率，因此可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
第八实施例接着，将参考图18描述根据第八实施例的燃料电池装置。图18的装置具有燃料电池主体251，燃料电池主体251具有通过彼此层叠多个发电器例如MEAs形成的结构，并进一步具有用于控制空气进给和负载的控制单元253，以及作为负载控制部分，被连接到燃料电池主体251上，用于允许燃料电池主体251上的负载值改变；包括开关元件258和电阻元件257的电阻降低电路部分以及包括二极管259和浮充电池260的电源补偿电路部分。
通过负载控制部分，将负载设备255连接到燃料电池主体251，将在燃料电池主体251中生成的电动势输送到负载设备255，以及另外，将氢进给设备252连接到燃料电池主体251，用于经燃料进给管路输送燃料流体。另外，如图3和图5所示，将燃料电池主体251构造成其包含在外壳中，以及通过开口部分262从外壳的外面吸收空气以实现发电。
在本实施例中，在开口部分262的附近提供遮挡板264，以及遮挡板264根据来自控制单元253的信号打开或关闭，并被控制以便输送或不输送空气到燃料电池主体251的氧气端电极。例如，当遮挡板264关闭时，阻止空气流通到与遮挡板264相邻的空气进给管路263，因此抑制去除燃料电池主体251的氧气端电极上的湿气，以便所形成的水快速使电解质膜处于潮湿状态。因此，当由于变干降低输出时，可以快速地恢复输出。在图18的装置中，燃料电池主体251、氢进给设备252、和负载设备255分别具有与图13中所示的相应设备相同的结构，以及为简化描述，将省略重复描述。
在图18的装置中，可以通过控制单元253控制来自空气进给压缩器236的空气进给，以及另外，可以通过在开口部分262附近提供的遮挡板264控制氧气端电极表面上的气流，以及因此，在停止空气进给压缩器236工作不太好的装置中，遮挡板264可以稳妥地控制空气进给。
在本实施例的燃料电池装置中，当由于变干降低输出时，电解质膜快速处于潮湿状态，使得快速恢复输出成为可能。另外，在这期间，不能从燃料电池主体251提供电功率，但负载设备255可以暂时使用来自浮充电池260的电功率，因此可以有效地避免由控制电功率引起的瞬时中断的问题。
在上述实施例中，装置具有通过电路使在一对输出端间产生短路或降低输出端间的电阻以便允许过电流流过燃料电池主体的结构，但方法不限于操作输出端间的电阻值的方法，以及可以在MEA本身或电流收集器等等中形成用于导致短路或降低燃料端电极和氧气端电极间的电阻的器件，以及可以形成用于导致短路或降低电阻的单个或多个器件。另外，为实现电解质膜中的统一功能恢复处理，可以提供用于使过电流流过燃料电池主体的导线。
另外，在本实施例中，在实施用于恢复输出特性的预定操作同时监视燃料电池主体的输出电压的例子上进行说明，但操作不限于此，以及使用定时器等等可以自动进行用于恢复输出特性的预定操作，特别是在开始操作时，使用定时器可以获得优良结果。当燃料电池主体包括多个发电器时，所有发电器均同时受到过电流处理，但可以接连地处理发电器以便将过电流施加到具有延时的各个发电器上。
在本发明中，在作为安装燃料电池或燃料电池卡的装置的膝上型PC上进行说明，以及作为使用的其它例子，本发明可以用在，诸如打印机和传真机、个人计算机的外围装置、电话、电视机、图象显示装置、通信装置、便携式终端、照相机、视听装置、电扇、收音机、钟表、电冰箱、电吹风、电熨斗、茶壶、清洁器、电饭煲、电磁炉、发光装置、工具，诸如游戏机和无线控制汽车、电子工具、医学装置、测量装置、用于汽车的装置、办公机械、用于健康和美容的装置、电可控机器人、衣服形状(clothes-form)的电子设备、各种电子设施、诸如汽车、轮船和飞机的运输机器，家用或商用发电装置等等的应用中。特别地，本发明具有相对简单的机构，因此，最好用作小型便携装置的燃料电池。小型便携装置的例子包括膝上型计算机；PDA；手持电话；便携音频装置，诸如CD和MD，以及便携式视频装置，诸如便携式DVD、数字照相机和便携式录像机。
在本发明中，在主要使用氢气作为燃料的例子上进行说明，但根据所谓的直接甲醇系统，可以采用使用醇，诸如甲醇(液体)作为燃料的结构。
在本发明的燃料电池装置和用于控制本发明的燃料电池的方法中，当根据燃料电池的输出状态或内电阻改变燃料电池上的负载以便控制降低输出电压时，输出电流增加以促使氧气端电极上的反应，从而形成更多量的水。所形成的水可以抑制氧电极变干以及使氧电解质处于适当的潮湿状态，从而使得快速恢复输出特性变为可能。
另外，在本发明的的燃料电池装置和用于控制本发明的燃料电池的方法中，通过空气进给控制部分，根据燃料电池的输出状态或内电阻，改变空气进给率并且控制空气进给率以便抑制蒸发燃料电池表面上的湿气，因此，不仅抑制氧气端电极变干而且氧气端电极可以处于适当的潮湿状态。因此，通过本发明的燃料电池装置和用于控制本发明的燃料电池的方法，可以在相对短的时间内恢复输出特性。
权利要求
1.一种具有燃料电池的燃料电池装置，所述燃料电池具有包括氧电极、燃料电极和位于所述氧电极和所述燃料电极之间的电解质的发电器，所述燃料电池装置包括旁路电路，用于电连接所述氧电极和所述燃料电极以便如果所述燃料电池的输出电压等于第一预定值或更小，允许电流流过。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中每一个发电器的所述第一预定值在从0.01至0.8V的范围内。
3.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中将所述第一预定值设置成低于正常的电动势。
4.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述将第一预定值设置成正常电动势的1至95％。
5.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中在连接所述旁路电路后，如果所述输出电压变得等于第二预定值或更高，电断开所述旁路电路。
6.如权利要求1所述的燃料电池装置，包括原电池、二次电池、电容器或另一燃料电池，用于在电连接所述旁路电路时将电功率提供到电功率消耗装置。
7.一种具有燃料电池的燃料电池装置，所述燃料电池具有包括氧电极、燃料电极和位于所述氧电极和所述燃料电极之间的电解质的发电器，所述燃料电池装置包括可变电阻，用于电连接所述氧电极和所述燃料电极，以及如果所述燃料电池的输出电压变为等于第一预定值或更小，降低电阻。
8.如权利要求7所述的燃料电池装置，其中如果所述输出电压变为等于第二预定值或更高，使所述可变电阻的电阻增加。
9.如权利要求7所述的燃料电池装置，包括原电池、二次电池、电容器或另一燃料电池，用于在降低所述可变电阻的电阻时将电功率提供到电功率消耗装置。
10.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤测量燃料电池的电动势；以及如果所述电动势变为等于所述第一预定值或更小，增加所述燃料电池上的负载以致大于正常。
11.如权利要求10所述的用于控制燃料电池的方法，进一步包括如果所述电动势变为等于第二预定值或更高，使所述燃料电池上的负载为正常值的步骤。
12.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤测量燃料电池的电动势；以及如果所述电动势变为等于所述第一预定值或更小，降低或挡住输送到所述燃料电池的空气或氧。
13.如权利要求12所述的用于控制燃料电池的方法，进一步包括如果所述电动势变为等于第二预定值或更高，使所述燃料电池上的负载为正常值的步骤。
14.一种燃料电池装置，包括燃料电池，具有位于燃料电极和氧电极之间的电解质，所述燃料电池通过将燃料输送到所述燃料端电极以及将空气或氧输送到所述氧电极来生成电动势；以及负载控制部分，连接到所述燃料电池上，用于根据所述燃料电池的输出状态或内电阻，允许所述燃料电池上的负载改变。
15.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述燃料电池是自加湿类型燃料电池。
16.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述燃料电池是开放型燃料电池。
17.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分连接在所述燃料电极和所述氧电极之间以便改变所述电极间的负载电阻值。
18.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分将过电流施加到所述燃料电池上。
19.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分具有连接在所述燃料电极和所述氧电极之间的开关。
20.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中基于所述燃料电池的输出特性或内电阻特性信息，如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述负载控制部分操作以便改变负载电阻值。
21.如权利要求20所述的燃料电池装置，其中如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述负载控制部分的所述负载电阻值被控制以便降低，以及如果所述输出特性或内电阻特性变为低于所述预定阈值，那么所述负载控制部分的所述负载电阻值被控制以回复正常电阻值。
22.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分的操作增加所述燃料电池的所述电解质的湿度。
23.如权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述负载控制部分具有电功率替代器件，用于在将过电流施加到所述燃料电池上时将电功率提供到所述电功率消耗装置。
24.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及如果所述燃料电池的输出特性或内电阻特性改变，根据所述特性中的变化，控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
25.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的输出特性；以及如果所述燃料电池的所述输出特性降低，将流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量控制到大于正常值。
26.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的内电阻特性；以及如果所述燃料电池的内电阻值增加，将流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量控制到大于正常值。
27.如权利要求24所述的用于控制燃料电池的方法，其中在将流过所述燃料电池的电流控制到大于正常值后，所述电流回复到正常值。
28.如权利要求24所述的用于控制燃料电池的方法，其中监视所述燃料电池的所述输出或内电阻特性在开始操作时和操作期间之间，具有不同的监视状态。
29.如权利要求24所述的用于控制燃料电池的方法，其中在将流过所述燃料电池的电流控制到大于正常值期间，使所述燃料电池的所述电解质的湿度增加。
30.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中所述燃料电池电流控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
31.一种燃料电池装置，包括输出特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中如果由所述特性监视器件监视的输出特性变为低于预定值，所述燃料电池电流控制器件增加流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
32.一种燃料电池装置，包括内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的内电阻特性；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中如果由所述内电阻特性监视器件监视的内电阻特性变为高于预定值，所述燃料电池电流控制器件增加流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
33.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中所述燃料电池电流控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
34.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及燃料电池电流控制器件，用于控制流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量，其中当由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化超出预定值时，所述燃料电池电流控制器件增加流过所述燃料电池的电流量或移过所述燃料电池的离子量。
35.一种燃料电池装置，包括燃料电池，包括位于燃料电极和氧电极之间的电解质，所述燃料电池通过将燃料输送到所述燃料电极以及将空气或氧输送到所述氧电极来生成电动势；以及空气进给控制部分，用于根据所述燃料电池的输出状态或内电阻，允许输送到所述燃料电池的所述氧电极的空气的进给速率改变。
36.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述燃料电池是自加湿型燃料电池。
37.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述空气进给控制部分具有强制空气进给机构部分，用于迫使空气输送到所述燃料电池，以及其中操作或停止所述强制空气进给机构部分以便改变输送到所述氧电极的空气的进给速率。
38.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述空气进给控制部分具有开口部分，空气通过所述开口部分，以及其中，改变所述开口部分的面积以改变所述空气进给速率。
39.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中基于所述燃料电池的输出特性或内电阻特性信息，如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述空气进给控制部分操作以便改变所述空气进给速率。
40.如权利要求39所述的燃料电池装置，其中如果所述输出特性或内电阻特性超出预定范围，所述空气进给速率受所述空气进给控制部分控制以便降低，以及如果所述输出特性或内电阻特性变为低于预定阈值，那么所述空气进给速率被控制以回复正常空气进给速率。
41.如权利要求39所述的燃料电池装置，其中当所述空气进给控制部分操作以便改变所述空气进给速率时，所述燃料电池的所述电解质的湿度增加。
42.如权利要求35所述的燃料电池装置，其中所述空气进给控制部分具有电功率替代器件，用于当降低所述空气进给速率时将电功率提供到所述电功率消耗装置。
43.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的输出特性；以及如果所述燃料电池的所述输出特性降低，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值。
44.一种用于控制燃料电池的方法，包括步骤监视燃料电池的内电阻特性；以及如果所述燃料电池的所述内电阻特性增加，将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值。
45.如权利要求4 3或44所述的用于控制燃料电池的方法，其中在将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值后，使所述空气进给速率回复到正常值。
46.如权利要求43或44所述的用于控制燃料电池的方法，其中监视所述燃料电池的所述输出特性或内电阻特性在开始操作时和操作期间具有不同的监视状态。
47.如权利要求43或44所述的用于控制燃料电池的方法，其中如果将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，所述燃料电池的所述电解质的湿度增加。
48.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中所述空气进给速率控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，控制输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
49.一种燃料电池装置，包括输出特性监视器件，用于监视燃料电池的输出特性；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中当所述特性监视器件监视到的输出特性变为低于预定值时，所述空气进给速率控制器件降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
50.一种燃料电池装置，包括内电阻特性监视器件，用于监视燃料电池的内电阻特性；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中如果所述内电阻特性监视器件监视到的内电阻特性变为高于预定值，所述空气进给速率控制器件降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
51.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中所述空气进给速率控制器件根据由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化，降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
52.一种燃料电池装置，包括输出特性或内电阻特性变化监视器件，用于监视燃料电池的输出特性或内电阻特性中的变化；以及空气进给速率控制器件，用于将输送到所述燃料电池的空气的进给速率控制到小于正常值，其中如果由所述输出特性或内电阻特性变化监视器件监视到的输出特性或内电阻特性中的变化超出预定值，所述空气进给速率控制器件降低输送到所述燃料电池的空气的进给速率。
全文摘要
一种具有发电器的燃料电池，所述发电器包括氧电极、燃料电极以及由氧电极和燃料电极嵌位的固态聚合物型电解质膜，和用于控制这种燃料电池的方法。由于在操作期间负载电流的降低、空气进给量的增加、或长时间的离开的情况下，电解质膜变干以致离子交换特性降低，所用的燃料电池的问题是燃料电池的输出明显降低。在燃料电池中提供用于根据输出状态改变燃料电池上的负载的负载控制部分或空气进给控制部分。当输出特性降低或内电阻值增加时，控制该燃料电池以增加负载电流或抑制空气进给。
文档编号H01M16/00GK1516906SQ03800420
公开日2004年7月28日 申请日期2003年3月20日 优先权日2002年3月20日
发明者田原雅彦 申请人:索尼公司
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