氢气产生装置及控制氢气产生量的燃料电池发电系统

摘要

本发明提供了一种能够控制氢气产生的量的氢气产生装置、燃料电池发电系统、以及在氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法。该氢气产生装置具有：电解槽；第一电极；第二电极；开关，该开关位于第一电极和第二电极之间；流量计，该流量计测量第二电极中氢气产生的量；以及开关控制器，该开关控制器接收设定值，将通过流量计测量的氢气产生的量与设定值进行比较，并且控制开关的开/关状态。利用开关的开/关时间和/或开/关频率可以控制氢气产生的量。该燃料电池发电系统包括：氢气产生装置；燃料电池，被供应有由该氢气产生装置产生的氢气并且通过将氢气的化学能转换成电能而产生直流电；以及负载，被提供电能并且执行预定的操作。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年2月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2007-0017343号、以及于2007年8月23日提交的韩国专利申请第2007-0085142号的优先权，将其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种氢气产生装置(制氢装置，hydrogen generatingapparatus)，更具体地说，涉及一种可以控制供应给燃料电池的氢气的产生量的氢气产生装置。

背景技术

燃料电池指的是通过电化学反应将燃料(氢气、LNG、LPG、甲醇等)和空气的化学能直接转换成电和/或热的能量转换装置。与需要燃料燃烧、蒸汽产生、或者涡轮机或发电机(power generator)的常规发电技术不同，燃料电池技术不需要燃烧过程或驱动装置(driving device)，从而增加了能量效率并控制了环境问题。

图1说明了燃料电池的工作结构。

参照图1，燃料电池100由作为燃料极(fuel pole)110的阳极和作为空气极130的阴极构成。燃料极110提供有氢分子(H₂)，并将它们分解成氢离子(H⁺)和电子(e^-)。氢离子(H⁺)穿过为电解质层的膜(隔膜，membrane)120向空气极130移动。电子通过外电路140移动以产生电流。在空气极130中，氢离子和电子与空气中的氧分子结合，产生水分子。下列化学式代表在燃料电池100中发生的上述化学反应。

化学式1

燃料极110：H₂→2H⁺+2e^-

空气极130：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总反应：H₂+1/2O₂→H₂O

简而言之，通过将由于分解的电子的流动产生的电流供应给外电路140，燃料电池100起电池的作用。这样的燃料电池100几乎不会放出大气污染物如SO_x和NO_x并且产生很小的噪音和振动。

同时，为了在燃料极110中产生电子，燃料电池100需要可以将普通燃料转变成氢气的氢气产生装置。

然而，通常被称为氢气产生装置的氢气储存罐(贮氢罐，hydrogen storage tank)，占用很大的空间，并且应该小心保存。

此外，因为便携式电子装置，如移动电话和笔记本式计算机，需要大容量功率，所以燃料电池必须具有大容量并且表现出高性能同时是小型的。

为了满足上述需要，由国际民间航空组织(International CivilAviation Organization，ICAO)允许带入飞机的甲醇或甲酸被用于燃料重整(fuel reforming)，或者直接使用甲醇、乙醇、或甲酸作为用于燃料电池的燃料。

然而，前一种情况需要高的重整温度，具有复杂的系统，消耗驱动功率，并且包含除了纯氢气之外的杂质(例如，CO₂和CO)。后一种情况由于在阳极中化学反应的低速度和碳氢化合物穿过膜的渗透(cross-over)而降低了功率密度。

发明内容

本发明提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该方法可以在室温下通过电化学反应产生纯氢气。

本发明还提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该方法可以在没有单独的BOP(周边设备，Balance of Plant)单元同时保持简单结构的情况下控制氢气产生的量。

本发明还提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该方法是经济的和对生态环境友好的。

本发明还提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该方法可以利用开关的开/关时间和/或开/关频率控制氢气产生的量。

此外，本发明提供了一种氢气产生装置，燃料电池发电系统，控制氢气产生的量的方法，以及记录有执行方法的程序的记录介质，该方法仅通过打开开关就可以防止浪费或过剩的氢气泄漏到空气中的危险，并且通过不使用气泵或液泵而降低噪音和功率消耗。

此外，本发明提供了一种氢气产生装置，该氢气产生装置根据来自连接至燃料电池的负载的需要利用反馈控制可以控制产生的量。

本发明的一个方面的特征在于一种能够控制氢气产生的量的氢气产生装置。

根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置包括：电解槽，该电解槽装有含氢离子的含水电解质溶液；第一电极，该第一电极容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并且产生电子；第二电极，该第二电极容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并且接收电子以产生氢气；开关，该开关位于第一电极和第二电极之间；流量计，该流量计测量第二电极中氢气产生的量；以及开关控制器，该开关控制器接收设定值，将通过流量计测量的氢气产生的量与设定值比较，并且控制开关的开/关状态。

开关控制器可以通过输入装置直接从用户输入有设定值。氢气产生装置可以连接至燃料电池并供应氢气，并且开关控制器可以根据燃料电池需要的氢气产生的量输入有设定值。

形成第一电极的金属可以具有比形成第二电极的金属更高的电离倾向。

流量计可以以流量的单位测量氢气产生的量。开关控制器可以产生和输出使开关打开和关闭的开关控制信号，并且开关控制器可以通过改变开关控制信号的占空比(duty ratio)来确定一个周期范围内开关的开/关比。

开关控制器可以通过改变开关控制信号的开/关频率来控制在氢气产生的量上的波动。开关控制器可以将设定值与测量的氢气产生量进行比较，如果氢气产生的量小于设定值则可以增加占空比，如果氢气产生的量大于设定值则降低占空比，并且如果氢气产生的量等于设定值则保持占空比。设定值包括上限和下限，并且开关控制器可以将设定值与测量的氢气产生的量进行比较，如果氢气产生的量小于下限则可以增加占空比，如果氢气产生的量大于上限则降低占空比，并且如果氢气产生的量在下限和上限之间则保持占空比。

本发明的另一个方面的特征在于一种包括能够控制氢气产生的量的氢气产生装置的燃料电池发电系统。

根据本发明一种具体实施方式的燃料电池发电系统具有：氢气产生装置，该氢气产生装置通过控制连接在电极之间的开关的开/关状态来控制氢气产生的量；燃料电池，该燃料电池被供应有由氢气产生装置产生的氢气并且通过将氢气的化学能转换成电能而产生直流电；以及负载，该负载被提供电能并且执行预定的操作。

氢气产生装置可以包括：电解槽，该电解槽装有含氢离子的含水电解质溶液；第一电极，该第一电极容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并且产生电子；第二电极，该第二电极容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并且接收电子以产生氢气；开关，该开关位于第一电极和第二电极之间；开关控制器，该开关控制器从负载接收需要的功率(power)，测量燃料电池的输出，将需要的功率与输出进行比较，并且控制开关的开/关状态。形成第一电极的金属可以具有比形成第二电极的金属更高的电离倾向。

开关控制器可以产生和输出使开关打开和关闭的开关控制信号，并且开关控制器可以通过改变开关控制信号的占空比来确定一个周期范围内开关的开/关比。开关控制器可以通过改变开关控制信号的开/关频率来控制在氢气产生的量上的波动。开关控制器可以将需要的功率与输出进行比较，如果输出大于需要的功率则可以降低占空比，如果输出小于需要的功率则增加占空比，并且如果输出等于需要的功率则保持占空比。

根据本发明一种具体实施方式的燃料电池发电系统进一步包括可充电电池，该可充电电池连接在燃料电池和负载之间，被来自燃料电池的电能充电，并且当负载需要时提供充电的电能。

氢气产生装置可以包括：电解槽，该电解槽装有含氢离子的含水电解质溶液；第一电极，该第一电极容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，并且产生电子；第二电极，该第二电极容纳在电解槽中，浸没在含水电解质溶液中，接收电子以产生氢气；开关，该开关位于第一电极和第二电极之间；开关控制器，该开关控制器测量可充电电池的当前电压，将完全充电电压(fully-chargedvoltage)与当前电压进行比较，并且控制开关的开/关状态。形成第一电极的金属可以具有比形成第二电极的金属更高的电离倾向。

开关控制器产生和输出使开关打开和关闭的开关控制信号，并且开关控制器通过改变开关控制信号的占空比来确定一个周期范围内开关的开/关比。并且开关控制器通过改变开关控制信号的开/关频率来控制在氢气产生的量上的波动。

开关控制器将当前电压与完全充电电压进行比较，如果当前电压小于完全充电电压则增加占空比，并且如果当前电压等于或大于完全充电电压则将占空比减到最小。

本发明的另一个方面的特征在于一种在氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法，该氢气产生装置通过控制位于电极之间的开关的开/关状态而控制氢气产生的量。

根据本发明一种具体实施方式的控制氢气产生的量的方法包括以下步骤：输入有设定值；将测量的氢气产生的量与设定值进行比较；以及如果氢气产生的量小于设定值则增加开关控制信号的占空比，如果氢气产生的量大于设定值则降低开关控制信号的占空比，并且如果氢气产生的量等于设定值则保持开关控制信号的占空比，其中开关控制信号根据占空比控制一个周期范围内开关的开/关状态。

根据本发明另一种具体实施方式的控制氢气产生的量的方法包括以下步骤：输入有上限值和下限值；将测量的氢气产生的量与上限值和下限值进行比较；以及如果氢气产生的量小于下限值则增加开关控制信号的占空比，如果氢气产生的量大于上限值则降低开关控制信号的占空比，并且如果氢气产生的量在下限值和上限值之间则保持开关控制信号的占空比，其中开关控制信号根据占空比控制一个周期范围内开关的开/关状态。

根据本发明另一种具体实施方式的控制氢气产生的量的方法，该方法通过控制位于电极之间的开关的开/关状态而控制氢气产生的量，测量燃料电池的输出并从负载接收需要的功率，将输出与需要的功率进行比较，如果输出大于需要的功率则降低开关控制信号的占空比，如果输出小于需要的功率则增加开关控制信号的占空比，并且如果输出等于需要的功率则保持开关控制信号的占空比，其中开关控制信号根据占空比控制一个周期范围内开关的开/关状态。

根据本发明另一种具体实施方式的控制氢气产生的量的方法，该方法通过控制位于电极之间的开关的开/关状态而控制氢气产生的量，测量可充电电池的当前电压，将当前电压与完全充电电压进行比较，如果当前电压小于完全充电电压则增加开关控制信号的占空比，并且如果当前电压等于或大于完全充电电压则将开关控制信号的占空比减到最小，其中开关控制信号根据占空比控制一个周期范围内开关的开/关状态。

附图说明

根据以下描述、所附权利要求以及附图，将使本发明的这些和其它特征、方面和优点变得更好理解，在附图中：

图1说明了燃料电池的工作结构；

图2示出了根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的剖视图；

图3示出了移动电话的功率消耗的曲线图；

图4是在根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置中第一电极和第二电极之间的电流的量与产生的氢气量关系曲线图；

图5示出了根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的控制单元的方框图；

图6示出了根据本发明另一种具体实施方式的燃料电池发电系统的方框图；

图7是根据本发明另一种具体实施方式的燃料电池发电系统的方框图；

图8示出了当开关打开时以流量的单位表示的氢气产生的量的曲线图；

图9示出了根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的开/关频率的第一实施例；

图10示出了根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的开/关频率的第二实施例；

图11示出了当控制开关的开/关频率时氢气产生的量是如何与时间相关的；

图12示出了根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的占空比的第一实施例；

图13示出了根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的占空比的第二实施例；

图14示出了当控制开关的占空比时氢气产生的量与时间关系曲线图；

图15示出了在根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法的流程图；

图16示出了在根据本发明另一种具体实施方式的氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法的流程图；以及

图17示出了在根据本发明另一种具体实施方式的氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法的流程图。

具体实施方式

由于本发明可以存在多种变更和具体实施方式，所以将参照附图图解说明和描述一些具体实施方式。然而，这绝不是将本发明限于某些具体实施方式，并且应当理解为包括由本发明的精神和范围所覆盖的所有变更、等价物和替换。在全部附图中，对类似的元件给出类似的参考标号。在本发明的整个描述中，当描述某一技术被确定为与本发明的要点无关时，将省略有关的详细描述。

术语如“第一”和“第二”可以用于描述各种元件，但上述元件不应当限于上述术语。上述术语仅用于使一个元件区别于另一个元件。例如，在不背离本发明的权利要求范围的情况下，第一元件可以被命名为第二元件，反之亦然。术语“和/或”应当包括多种所列项目的组合或多种所列项目的任何一种。

当一个元件被描述为“连接”或“接触(接近)”至另一元件时，应当被理解为直接连接或接触至另一个元件，但是也可理解为在其间可能具有另外的元件。另一方面，如果一个元件被描述为“直接连接”或“直接接触”至另一元件时，应当被理解为在其间不存在其它元件。

在说明书中使用的术语仅用于描述某些具体实施方式，而决不应当限制本发明。除非明确地以其它方式使用，否则单数的表达包括复数的含义。在本发明的描述中，如“包括”或“由...组成”的表达用于指明特征、数量、步骤、操作、元件、部分或其组合，而不应当理解为排除一个或更多其它特征、数量、步骤、操作、元件、部分或其组合的任何存在或可能性。

除非另外限定，本文中使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与如其通常被本发明相关领域的普通技术人员所理解的相同的含义。在通用字典中定义的任何术语应当被理解为在相关领域的情况下具有同样的含义，并且，除非另外明确地限定，不应当被解释为具有理想主义或过分形式主义的含义。

在下文中，将参照附图详细地描述某些具体实施方式。不管附图号如何，相同或相应的元件将给以相同的参考标号，并且将不再重复对相同或相应元件的任何多余的描述。

图2是根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的剖视图。

氢气产生装置200包括电解槽210、第一电极220、第二电极230以及控制单元240。为了便于描述和理解，下面将假定第一电极220由镁(Mg)构成，而第二电极230由不锈钢构成。

电解槽210装有含水电解质溶液215。含水电解质溶液215含有氢离子，氢离子被氢气产生装置200使用以产生氢气。

用于含水电解质溶液215的电解质的实例是LiCl、KCl、NaCl、KNO₃、NaNO₃、CaCl₂、MgCl₂、K₂SO₄、Na₂SO₄、MgSO₄、AgCl等。

电解槽210容纳第一电极220和第二电极230，第一电极220和第二电极230的整体或部分浸没在电解质溶液215中。

第一电极220是有源电极(active electrode)，其中由于镁和水的电离能的不同，镁(Mg)被氧化成镁离子(Mg²⁺)，释放出电子。释放的电子通过第一电线225、控制单元240以及第二电线235移动至第二电极230。

第二电极230是惰性电极(inactive electrode)，其中水分子接收从第一电极220移动来的电子，然后被分解成氢分子。

上述化学反应可以表示为下列化学式2：

化学式2

第一电极220：Mg→Mg²⁺+2e^-

第二电极230：2H₂O+2e^-→H₂+2(OH)^-

总反应：Mg+2H₂O→Mg(OH)₂+H₂

化学反应的反应速率和效率取决于各种因素，包括：第一电极220和/或第二电极230的面积，含水电解质溶液215的浓度，含水电解质溶液215的种类，第一电极220和/或第二电极230的数量，连接第一电极220和第二电极230的方法，第一电极220和第二电极230之间的电阻。

改变上述因素中的任何一种会影响在第一电极220和第二电极230之间流动的电流的量(即，电子的数量)，从而改变化学式2所示的电化学反应的反应速率，这又改变在第二电极230中产生的氢气的量。

因此，通过控制在第一电极220和第二电极230之间流动的电流的量可以控制第二电极230中产生的氢气的量。法拉第定律对此进行了解释，如下面数学公式1所示。

数学公式1

其中，N_氢气是每秒钟产生的氢气的量(mol/s)，V_氢气是每分钟产生的氢气的体积(ml/min)，i是电流(C/s)，n是反应电子的数量，以及E是每摩尔的电子电荷(C/mol)。

在上述化学式2的情况下，由于两个电子在第二电极230处反应，所以n具有2的数值，以及E具有-96，485C/mol的数值。

每分钟产生的氢气的体积可以通过使时间(60秒)和氢气的摩尔体积(22400ml)与每秒钟产生的氢气的量相乘而计算出。

例如，在燃料电池用于2W系统中并且假定燃料电池在室温下正在运行0.6V的电压以及氢气的利用率是60％的情况下，消耗42ml/mol的氢气和6A的电流。在燃料电池用于5W系统中的情况下，消耗105ml/mol的氢气和15A的电流。

通过控制流过连接至第一电极220的第一电线225、以及连接至第二电极230的第二电线235的电流的量，氢气产生装置200可以满足连接其上的燃料电池的不同的氢气需求。

然而，一旦制造了氢气产生装置200，除了第一电极220和第二电极230之间的电阻之外，决定发生在氢气产生装置200的第二电极处的氢气产生反应速率的大多数因素几乎难以改变。

因此，为了调节第一电极220和第二电极230之间的电阻，根据本发明该具体实施方式的氢气产生装置200具有设置在连接第一电极220和第二电极230的第一电线225和第二电线235之间的控制单元240。

因此，氢气产生装置200控制第一电极220和第二电极230之间的电阻，即，控制两者之间流动的电流的量，从而产生如燃料电池需要的那样多的氢气。

第一电极220还可以由具有相对高的电离倾向的金属如铁(Fe)、铝(Al)、锌(Zn)等构成。第二电极230还可以由相比于第一电极220的金属具有相对低的电离倾向的金属如铂(Pt)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铁(Fe)等构成。

控制单元240控制转移速率，即，电流的量，以该转移速率在第一电极220中产生的电子被转移至第二电极230。

控制单元240接收连接至燃料电池的负载所需要的功率信息，并且根据该信息，保持、或增加或降低从第一电极220流动至第二电极230的电子的数量。

例如，将参照如图3所示的移动电话的功率消耗进行描述。图3是示出了移动电话的功率消耗的曲线图。

移动电话的模式取决于当前工作的按键或菜单选择，并且功率消耗也相应地改变。

范围301显示出通过拨号请求通话的情况，范围302显示出随着听回铃音等待接收者的应答的情况，范围303显示出通过移动电话交谈的情况，范围304显示出结束通话的情况，以及范围305显示出发送通话费用信息(call rate message)的情况。由于移动电话在每种情况下运行不同的部件，所以如图3所示功率消耗频繁地变化。

因此，控制器240接收例如如图3所示的移动电话的负载所需要的功率的反馈，并且控制以生成如需要的那样多的氢气来给连接至燃料电池的负载提供足够的功率。

氢气产生装置可以进一步包括输入装置，以便用户手动地输入需要的功率或氢气的量。

本发明的氢气产生装置可以具有多个第一电极220和/或第二电极230。在设置多个第一电极220和/或第二电极230的情况下，由于氢气产生装置200每单位时间可以产生更多的氢气，所以可以在更短的时间产生需要的氢气的量。

图4是示出了在第一电极220和第二电极230之间流动的电流的量与第二电极230上产生的氢气的量关系曲线图。这里，应该注意，氢气的量以每分钟测量的流量来显示，因为对于燃料电池来说重要的不是产生的氢气的总量而是氢气的流量。

在下列条件下实施图3的实验：

第一电极220：镁(Mg)

第二电极230：不锈钢

电极之间的距离：3mm

电解质的成分和浓度：30wt％KCl

电极的数量：每个有3个镁(电极)，每个有3个不锈钢(电极)

电极连接方法：串联

含水电解质溶液的体积：60cc(额外条件(excessive condition))

电极的尺寸：24mm×85mm×1mm

上述条件被用于在描述本发明时所涉及的每个曲线图。

图4示出了比基于数学公式1的理论值更大的氢气的流量，原因在于三对电极的相互作用。

然而，从图4证实，氢气的流量与第一电极220和第二电极230之间的电流量相关联。该曲线图示出了在流量和电流量之间的几乎线性关系，这与数学公式1一致。

图5是根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的控制单元240的方框图。

控制单元240包括流量计510、开关控制器520以及开关530。

流量计510以流量的单位测量从氢气产生装置的第二电极230产生的氢气量。如上所述，为了通过连接至燃料电池而使用根据本发明的氢气产生装置200，应该保持一定量的氢气产生而不是保持氢气产生的总量，因此需要以ml/min的单位测量氢气产生量。当然，可以使用其它测量单位，只要该单位能够测量流量。

开关控制器520被输入与氢气产生量相关的设定值。氢气产生装置200设置有单独的输入装置(未示出)，使用者可以通过该输入装置输入设定值。或者需要的输出的功率可以通过由连接至氢气产生装置200的燃料电池供电的负载输入。在后一种的情况下，负载可以单独地配备有功率需求单元(power requiring unit)，用于输入氢气产生装置200需要的功率。

开关控制器520将输入的设定值与通过流量计510测量的氢气产生的量进行比较。如果产生的氢气的量小于设定值，则控制开关530以增加氢气产生的量，并且如果产生的氢气的量大于设定值，则控制开关530以降低氢气产生的量。假定开关530通过开关控制信号控制使得开关控制器520可以打开或关闭开关530。

开关530设置在第一电极220和第二电极230之间。如果开关530打开，则在第一电极220中产生的电子被转移至第二电极230，并且如果开关530关闭，则在第一电极220中产生的电子不能被转移至第二电极230。

即，控制单元240使用开关530以控制电子是否从第一电极220转移至第二电极230，从而控制氢气产生的量。

图6是根据本发明另一种具体实施方式的燃料电池发电系统，该燃料电池发电系统包括氢气产生装置200的控制器240、连接其上的燃料电池、以及负载。

控制单元240包括开关控制器610和开关530。这里，开关530以与先前参照图5描述的相同的方式起作用，因此将省略它们的描述。

开关控制器610连接至由燃料电池100供电的负载620。如上所述，负载620根据当前的工作条件需要不同的功率(参照图3)。因此，开关控制器610接收负载620的当前工作条件需要的功率。

并且，开关控制器610连接至燃料电池100以接收燃料电池100的输出。燃料电池100的输出是例如由燃料电池100提供给负载620的功率，该燃料电池100接收来自氢气产生装置200的氢气。如上所述，为了通过连接至燃料电池而使用根据本发明的氢气产生装置200，应该保持氢气产生的一定量而不是氢气产生的总量，因此以瓦特(W)的单位接收基于氢气产生的量的燃料电池100的电功率。此外，开关控制器610测量燃料电池100的电压并且通过使用电阻转换成电功率。当然，可以使用其它测量单位，只要该单位能够测量电功率。

开关控制器610将燃料电池100的输出与负载620需要的功率进行比较。在燃料电池100的输出小于需要的功率的情况下，开关控制器610改变开关530的开/关时间以增加氢气产生的量，并且在燃料电池100的输出大于需要的功率的情况下，开关控制器610改变开关530的开/关时间以降低氢气产生的量。在与需要的功率相比燃料电池100的输出在一定的误差范围内的情况下，保持当前氢气产生的量。假定该开关操作是通过能够使开关控制器610设定开关530的开/关时间的开关控制信号进行的。

图7是根据本发明又一种具体实施方式的燃料电池发电系统，该燃料电池发电系统包括氢气产生装置200的控制器240、连接其上的燃料电池、以及负载。

控制单元240包括开关控制器710和开关530。这里，开关530以与先前参照图5描述的相同的方式起作用，因此将省略重复的描述。

当与如图6所示的燃料电池发电系统进行比较时，图7中的燃料电池发电系统进一步包括可充电电池700。由于燃料电池100具有慢的响应性，所以不能瞬时响应来自负载620的峰值功率。因此，通过预先为可充电电池700充电可以响应峰值功率。

开关控制器710测量可充电电池700的电压以连续地产生氢气，用于使可充电电池700完全充电以及用于使燃料电池100保持提供电压。

并且根据负载620需要的功率提供可充电电池700的充电电压，在可充电电池700的电压下降的情况下，使氢气产生装置200产生氢气。

即，开关控制器710将可充电电池700的当前电压与完全充电电压进行比较。完全充电电压是指当可充电电池700被完全充电时的电压。如果当前电压小于完全充电电压，那么改变开关530的开/关时间以增加氢气产生的量，并且如果当前电压等于或者大于完全充电电压，那么改变开关530的开/关时间以停止氢气产生。假定该开关操作是通过能够使开关控制器710设定开关530的开/关时间的开关控制信号进行的。

这里，可充电电池700可以是超级电容器(super capacitor)或小型可充电电池。超级电容器具有提高的电容量，并且如果需要的话则可以充入和放出电功率。

图8是当开关打开时以流量的单位表示的氢气产生的量的曲线图。

如果开关530保持打开一段时间，则反应开始时变得很快，升高了温度并且迅速地增加了氢气产生的量达100ml/min。然后，由于含水电解质溶液中的水和构成第一电极220的金属的减少引起氢气产生的量快速下降。

在这样的情况下，控制氢气产生的量很困难，因此通过使开关控制器520、610、710控制开关530的打开/关闭使得开关530具有一定的占空比和/或开/关频率而将氢气产生的量控制至期望的流量。这将被参照图9进一步描述。

图9是根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的开/关频率的第一实施例，而图10是根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的开/关频率的第二实施例。此外，图11示出了当控制开关的开/关频率时氢气产生的量与时间关系曲线图。在下文中将假定当输入的开关控制信号的大小是M(即，高)时开关530打开，而当输入的开关控制信号的大小是0(即，低)时关闭。

参照图9，输入至开关530的开关控制信号具有T的频率和50％的占空比。换句话说，输入至开关530的开关控制信号对于¹/₂T是高的，而对于¹/₂T是低的。

参照图10，另一方面，输入至开关530的开关控制信号具有¹/₄T的频率和50％的占空比。换句话说，输入至开关530的开关控制信号对于¹/₈T是高的，而对于¹/₈T是低的。

输入至开关530的开关控制信号具有一定的占空比(例如，在图9和图10的情况下为50％)，因此在一个周期范围内使开关530打开和关闭相同的持续时间。

参照图11，当控制开关530的占空比使得产生42ml/min的氢气用于需要2W电功率的燃料电池时，根据开/关频率在氢气产生的量上存在波动。氢气产生装置200的温度1110稳定地升高但保持在80℃以下。

氢气产生的量1120接近42ml/min。当如图9中的开/关频率相对很小(即，大的周期)时，波动很强烈，如由1140表示的框(box)中所示。当如图10中的开/关频率相对很大(即，小的周期)时，波动很微弱，如由1150表示的框中所示。

因此，对于相同的占空比，开关控制信号的开/关频率相对越大引起波动越小，并且更容易保持期望的氢气产生的量。

图12是根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的占空比的第一实施例，而图13是根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关的占空比的第二实施例。图14示出了当控制开关的占空比时氢气产生的量与时间关系曲线图。

参照图12，开关控制信号具有T的周期和75％的占空比，即，开关控制信号对于³/₄T是高的，而对于¹/₄T是低的。

参照图13，开关控制信号具有与图12相同的T周期以及25％的占空比，即，开关控制信号对于¹/₄T是高的，而对于³/₄T是低的。

通过控制输入至开关530的开关控制信号的占空比，可以控制每段时间(per time)在氢气产生装置200中产生的氢气产生量。

参照图14，氢气产生的量在开始时自然保持增加(参照由1420表示的曲线图的部分)，然后开关控制器520控制开关530打开和关闭以产生42ml/min(1421)、10ml/min(1422)、42ml/min(1423)、20ml/min(1424)以及30ml/min(1425)的氢气。

当氢气产生的量从42ml/min(1421)调整至10ml/min(1422)时，开关控制信号在一个周期范围内关闭时间的比率增加，即，占空比逐渐减小。然后，当流量计510读取10ml/min的氢气产生时，通过稳定地保持占空比，氢气产生的量被保持在10ml/min。

当氢气产生的量从10ml/min(1422)调整至42ml/min(1423)时，开关控制信号在一个周期范围内打开时间的比率增加，即，占空比逐渐增加。然后，当流量计510读取42ml/min的氢气产生时，通过稳定地保持占空比，氢气产生的量被保持在42ml/min。

通过反复实施占空比的上述调整，开关控制器520可以根据改变设定值而调整氢气产生的量。

如参照图9至图11所描述的，在保持一定的氢气产生的量的情况下，通过改变开关530的开/关频率可以控制氢气产生的量上的波动。

而且，在图8、图11和图14中以流量的单位测量的氢气产生的量可以是从图6或图7所示的氢气产生装置200中的燃料电池100输出的电功率。例如，取决于燃料电池100的工作条件，图8、图11和图14所示的42ml/min可以对应于2W。

换句话说，先前测量的氢气产生的量对应于通过如图6或图7所示的开关控制器610、710测量的燃料电池的输出(即，电功率或电压)。通过开关的开/关控制而控制的氢气产生的量对应于燃料电池的输出，即电功率或电压。

根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关可以由MOS(金属氧化物半导体)晶体管制成。

根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置的开关控制器可以使用燃料电池的电源电路并且被包括在燃料电池发电系统的控制单元中。换句话说，通过将开关控制器包括在燃料电池发电系统的控制单元中，可以将开关控制器和燃料电池发电系统的控制单元制成一个芯片(单片，one chip)。

此外，本发明的氢气产生装置可以构成连接至燃料电池的燃料电池发电系统。燃料电池发电系统包括可以控制氢气产生的量的氢气产生装置以及通过供应有来自氢气产生装置的氢气而产生电的燃料电池。

图15是示出了在根据本发明一种具体实施方式的氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法的流程图。图15的氢气产生装置被图解说明在图5中。

在由S1500表示的步骤中，氢气产生装置200的开关控制器520打开开关530，并且产生超过一定阈值流量的氢气。

在步骤S1510中，流量计510测量氢气产生的量，而在步骤S1520中，开关控制器520将由流量计510测量的氢气产生的量与输入的设定值进行比较。这里，输入的设定值可以是一个数值，如步骤S1520a所示，或可以具有以一个范围的上限和下限，如步骤S1520b所示。

开关控制器520产生用于根据设定值控制开关的开/关的开关控制信号，并将该开关控制信号施加至开关530。

如果如步骤S1520a所示输入一个设定值，则在步骤S1530a中将氢气产生的量(A)与设定值(B)进行比较。在氢气产生的量小于设定值(A＜B)的情况下，在步骤S1532a中增加开关控制信号的占空比，并且如果氢气产生的量大于设定值(A＞B)，则在步骤S1534a中降低开关控制信号的占空比。如果氢气产生的量等于设定值(A＝B)，则在步骤S1536a中保持开关控制信号的当前占空比。

在步骤S1520b中输入上限和下限的情况下，在步骤S1530b中比较氢气产生的量(A)、上限(B1)和下限(B2)。如果氢气产生的量小于下限(A＜B2)，则在步骤S1532b中增加开关控制信号的占空比，并且如果氢气产生的量大于上限(A＞B1)，则在步骤S1534b中降低开关控制信号的占空比。如果氢气产生的量在上限和下限之间(B2≤A≤B1)，则在步骤S1536b中保持开关控制信号的当前占空比。

通过重复步骤S1520至S1536a或S1536b，氢气产生装置200可以根据输入的设定值产生氢气的量。

图16是示出了在根据本发明另一种具体实施方式的氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法的流程图。图16的氢气产生装置被图解说明在图6中。

在由S1600表示的步骤中，氢气产生装置200的开关控制器610打开开关530，并且产生超过一定阈值流量的氢气。

在由S1610表示的步骤中，开关控制器610测量连接至氢气产生装置200的燃料电池的输出，并且接收连接至燃料电池100的负载620需要的功率。这里，燃料电池100的输出可以是电功率或电压中的一种，并且在电压的情况下，可以通过电阻来计算电功率。

并且，在步骤S1620中，开关控制器610将燃料电池100的电功率C与负载620需要的功率D进行比较。

根据比较，在燃料电池100的电功率大于需要的功率(C＞D)的情况下，在步骤S1630中降低开关控制信号的占空比，在燃料电池100的电功率小于需要的功率(C＜D)的情况下，在步骤S 1632中增加开关控制信号的占空比，以及在燃料电池100的电功率等于需要的功率(C＝D)的情况下，在步骤S1634中保持开关控制信号的占空比。这里，“等于”是指燃料电池100的电功率基于需要的功率落在预定的误差范围内。

然后，通过重复步骤S1610至S1630、S1632或S1634，氢气产生装置200可以控制用于燃料电池的氢气产生的量以提供与负载需要的功率对应的输出。

图17是在根据本发明另一种具体实施方式的氢气产生装置中控制氢气产生的量的方法的流程图。图17的氢气产生装置被图解说明在图7中。

在由S1700表示的步骤中，通过打开开关530以产生超过一定阈值流量的氢气，氢气产生装置200的开关控制器710操作燃料电池100并且对连接在燃料电池100和负载620之间的可充电电池700充电。

在步骤S1710中，开关控制器710测量可充电电池700的电压，而在步骤S1720中将可充电电池700的完全充电电压F与当前电压E进行比较。

根据比较，在当前电压等于或大于完全充电电压(E≥F)的情况下，在步骤S1730中开关控制器710将开关控制信号的占空比减到最小(包括0％)以防止可充电电池700被充电，而在当前电压小于完全充电电压(E＜F)的情况下，在步骤S1732中开关控制器710增加开关控制信号的占空比。这里“等于”是指当前电压基于完全充电电压落在预定的误差范围内。

然后，通过重复步骤S1710至S1730、或S1732，氢气产生装置200可以控制可充电电池700被完全充电用于准备负载620所需要的峰值功率。

在上述控制氢气产生的量的方法中，步骤S1520至S1536a或S1536b、或者步骤S1620至S1630、S1632或S1634、或者步骤S1720至S1730或S1732可以写入到计算机程序中。本领域普通计算机程序员可以很容易实现构成程序的代码和代码段。而且，程序被存储在计算机可读介质中，并且通过由计算机读取和运行来实现控制氢气产生的量的方法。上述计算机可读介质包括磁记录介质、光记录介质和载波介质。

附图和详细说明仅仅是本发明的实施例，该实施例仅用于描述本发明，而决不是限制或限定本发明的精神和范围。因此，任何本领域普通技术人员应当理解许多变更和其它等价的具体实施方式也是可能的。本发明的保护范围必须仅由所附权利要求的思想所限定。