專利名稱：液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)及其運行控制方法和運行控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)、其運行控制方法和運行控制裝置，更具體地說，涉及為了在最佳條件下使上述系統(tǒng)運行，控制向燃料電池供給的液體燃料濃度的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)、控制它運行的運行控制方法和運行控制裝置。
背景技術(shù)：
近年來，應(yīng)對環(huán)境問題和資源、能量問題變得很重要，作為其應(yīng)對方法之一，燃料電池的開發(fā)變得非?；钴S。在這樣的燃料電池中，不對以有機(jī)溶劑和水為主要成分的液體燃料進(jìn)行轉(zhuǎn)化和氣化，用于直接發(fā)電的液體燃料直接供給型燃料電池，特別是在液體燃料中使用甲醇的直接甲醇型燃料電池，因構(gòu)造簡單，容易小型化和輕量化，所以作為以便攜用電源和計算機(jī)用電源等小型電源為主的各種可移動型電源和分散型電源，對此寄予期望。
通過把具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜夾在成對設(shè)置的正極和負(fù)極之間作成接合體，并配置在負(fù)極一側(cè)的用于供給作為液體燃料的甲醇水溶液的負(fù)極一側(cè)隔板和配置在正極的用于供給作為氧化劑的空氣的正極一側(cè)隔板把此接合體夾在中間作成電池，進(jìn)而，把多個電池層疊在一起成為發(fā)電部件，由此構(gòu)成上述的直接甲醇型燃料電池。
此外，在上述的由發(fā)電部件構(gòu)成的直接甲醇型燃料電池中，為了使它穩(wěn)定運行，可以是適當(dāng)供給作為液體燃料的甲醇水溶液、可以適當(dāng)供給作為氧化劑的空氣而構(gòu)成的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)。也就是適當(dāng)供給甲醇水溶液和空氣的話，在直接甲醇型燃料電池中，在負(fù)極，甲醇和水反應(yīng)后生成二氧化碳，同時釋放出氫離子和電子，在正極，氧奪取上述氫離子和電子生成水，可以在外部電路中得到電動勢，從負(fù)極一側(cè)排出對反應(yīng)不起作用的甲醇水溶液和作為反應(yīng)生成物的二氧化碳，從正極一側(cè)排出消耗了氧的空氣和作為反應(yīng)生成物的水。
可是，由具有質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜由于具有不僅質(zhì)子容易移動，而且甲醇也容易透過的性質(zhì)，所以向負(fù)極供給的甲醇通過電解質(zhì)膜到達(dá)正極，其結(jié)果成為不僅使正極電位降低，而且使整個電池能量效率降低的原因。也就是，提高甲醇濃度的話，透過甲醇的量增加，正極電位顯著降低，輸出電壓降低，整個電池的能量效率降低。此外，降低甲醇濃度的話，透過的甲醇的量可以減少，但是由于不能向負(fù)極充分供給反應(yīng)所需要的甲醇，不能得到輸出電流，整個電池的能量效率降低。因此，為了使直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)在最佳條件下運行，對甲醇濃度和向負(fù)極供給甲醇的量進(jìn)行適當(dāng)控制是不可缺少的。
在至今為止的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)中，甲醇水溶液中的甲醇濃度是利用電化學(xué)的臨界電流的方法、利用紅外吸收的方法、利用比重變化的方法、利用折射率變化的方法進(jìn)行管理。利用電化學(xué)的臨界電流的方法是通過準(zhǔn)備具有質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜夾在成對設(shè)置負(fù)極和正極的臨界電流測定用電池，把此電池浸漬到被檢測體的甲醇水溶液中，在上述正、負(fù)極之間施加恒定電壓，從流經(jīng)臨界電流測定用電池的電流值檢測濃度的方法。利用紅外吸收的方法是根據(jù)甲醇水溶液中甲醇濃度變高的話，特定頻率的紅外吸收增加來檢測濃度的方法。利用比重的方法是根據(jù)甲醇水溶液中甲醇濃度變高的話，比重降低來檢測濃度的方法。利用折射率的方法是根據(jù)甲醇水溶液中甲醇濃度變高的話，折射率變大來檢測濃度的方法。
專利文獻(xiàn)1(特表2002-520778號公報)公開了在包括直接甲醇型燃料電池的電化學(xué)燃料電池中，設(shè)置用于測定其活度的傳感器電池。

發(fā)明內(nèi)容
上述利用電化學(xué)臨界電流的方法，由于必須一直把恒定電壓施加在臨界電流測定用電池上，不僅存在能量損失大的問題，而且由于要使燃料電池長期運行，臨界電流測定用電池消耗的話，不得不更換它，存在維護(hù)麻煩的問題。此外，利用紅外吸收的方法，由于需要紅外線發(fā)生裝置，不僅存在燃料電池成本提高的問題，而且存在難以適用于被要求小型化的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的問題。此外，利用比重變化的方法，如果處在直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)運行中的話，甲醇水溶液一般是流動的，還混入氣泡，因此，存在難以準(zhǔn)確測定比重的問題。利用折射率變化的方法，由于需要用于檢測折射率的CCD，存在難以適用于有可能運行溫度在80℃以上的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)，再加上與利用比重的方法相同，由于混入氣泡，存在不能正確檢測濃度的問題。因此，對在直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)中的甲醇水溶液中甲醇濃度進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓芾硎抢щy的。
解決課題的手段鑒于上述課題，本發(fā)明提供對應(yīng)于用溫度檢測元件檢測溫度，設(shè)置用于檢測液體燃料濃度的傳感器部件，可以對甲醇水溶液中的甲醇濃度進(jìn)行適當(dāng)管理，同時可以適當(dāng)控制供給的液體燃料供給量的、象直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)這樣的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)、控制其運行的運行控制方法和運行控制裝置。
也就是，提供液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，包括把具有質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜夾在成對設(shè)置的負(fù)極和正極間，由設(shè)有向上述負(fù)極供給液體燃料、向上述正極供給氧化劑氣體結(jié)構(gòu)的多個電池串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成發(fā)電部件；儲存向上述負(fù)極供給的液體燃料的燃料罐；儲存用于調(diào)整上述燃料罐內(nèi)液體燃料濃度的高濃度燃料的高濃度燃料罐；儲存因上述發(fā)電部件的電池反應(yīng)生成的生成水的水罐；設(shè)有至少具有溫度檢測元件的、用于檢測液體燃料濃度的傳感器部件，根據(jù)來自上述傳感器部件的輸出信號，進(jìn)行從高濃度燃料罐向燃料罐供給高濃度燃料的供給量的控制、從水罐向燃料罐供給的水供給量的控制、或從燃料罐向發(fā)電部件供給的液體燃料供給量的控制中的一種。
優(yōu)選的是，使傳感器部件與發(fā)電部件設(shè)置成一體。
優(yōu)選的是，傳感器部件由溫度檢測元件、膜體和設(shè)在上述膜體表面上的至少一個電極構(gòu)成。
優(yōu)選的是，把具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)膜作為膜體，把設(shè)在上述膜體兩面的供給液體燃料的第1電極和供給氧化劑氣體的第2電極作為上述電極，把上述第1、第2電極之間的電壓和用溫度檢測元件得到的溫度對應(yīng)值作為從傳感器部件輸出的信號，以上述溫度對應(yīng)值為基礎(chǔ)，把上述電壓變換成液體燃料濃度。
更有選的是，以能透過液體燃料的液體透過性膜為膜體，把具有使透過上述膜體的液體燃料氧化的催化劑的氧化電極作為上述電極，把氧化劑氣體供給到上述氧化電極一側(cè)，透過膜體的液體燃料因上述氧化電極而被氧化，這樣，用溫度檢測元件檢測溫度，把此溫度作為從傳感器部件輸出的信號，把上述溫度變換成液體燃料濃度。
特別優(yōu)選的是，用溫度檢測元件檢測因透過膜體的液體燃料氧化造成的傳感器部件的溫度變化，把此溫度變化變換成液體燃料濃度變化。
為了求出溫度變化，優(yōu)選的是，在發(fā)電部件的液體燃料供給口附近或發(fā)電部件的液體燃料排出口附近中的至少一方設(shè)置檢測此附近溫度的第2溫度檢測元件，求出傳感器部件溫度和第2溫度檢測元件溫度的差。
此外，如上所述，在本發(fā)明的運行控制方法中要進(jìn)行從高濃度燃料罐向燃料罐供給的高濃度燃料的供給量的控制、從水罐向燃料罐供給的水供給量的控制、或從燃料罐向發(fā)電部件供給的液體燃料供給量的控制中的一種控制。
本發(fā)明的運行控制裝置設(shè)有傳感器部件和控制部，如上所述，至少要進(jìn)行從高濃度燃料罐向燃料罐供給的高濃度燃料的供給量的控制、從水罐向燃料罐供給的水供給量的控制、或從燃料罐向發(fā)電部件供給的液體燃料供給量的控制中的一種控制。
在本發(fā)明中，可以用從傳感器部件輸出的信號檢測液體燃料濃度。
把傳感器部件和發(fā)電部件設(shè)置成一體的話，可以得到緊湊的系統(tǒng)。
把傳感器部件作成溫度檢測元件、膜體和設(shè)在上述膜體表面上的至少一個電極的話，可以使傳感器部件簡化。
例如，把具有質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜作為膜體，把設(shè)在上述膜體兩面的供給了液體燃料的第1電極和供給了氧化劑氣體的第2電極作為上述電極，把上述第1、第2電極之間的電壓和用溫度檢測元件得到的溫度對應(yīng)值作為從傳感器部件輸出的信號?；蛘撸杂型高^液體燃料性能的膜為膜體，把具有使透過上述膜體的液體燃料氧化的催化劑的氧化電極作為上述電極，把氧化劑氣體供給到上述氧化電極一側(cè)，透過膜體的液體燃料因上述氧化電極而被氧化，用溫度檢測元件檢測這樣的溫度或溫度變化，把此溫度作為傳感器部件輸出的信號。這樣的話，與電池組同樣地使用簡單結(jié)構(gòu)的傳感器部件，就可以適當(dāng)控制液體燃料濃度。
在發(fā)電部件的液體燃料供給口附近或發(fā)電部件的液體燃料排出口附近中的至少一方設(shè)置檢測此附近溫度的第2溫度檢測元件，用上述溫度檢測元件檢測因透過膜體的液體燃料氧化造成的傳感器部件的溫度，把此溫度作為從傳感器部件輸出的信號，把用第2溫度檢測元件檢測的上述附近的溫度與從上述傳感器部件輸出的信號的差變換成液體燃料濃度的話，液體燃料濃度的控制具有更高的精度。
按照本發(fā)明的運行控制方法，即使不象利用現(xiàn)有的電化學(xué)的臨界電流的方法那樣施加恒定電壓，也能控制運行，不會受到象利用比重變化的方法和利用折射率變化的方法那樣受液體燃料流動和混入氣泡的影響。
在本發(fā)明的運行控制裝置中，可以降低用于檢測的能量損失，同時可以不需要在現(xiàn)有裝置中必須有的施加恒定電壓的裝置、紅外發(fā)生裝置、比重計、折射率計，因而可以使控制裝置變得緊湊。
優(yōu)選的是，傳感器部件具有負(fù)極一側(cè)和正極一側(cè)的一對隔板和設(shè)在此隔板之間的質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)膜、負(fù)極和正極，上述隔板分別具有供給/排出空氣用的貫通孔和供給/排出燃料用的貫通孔。發(fā)電部件的各個電池具有帶供給/排出空氣用的貫通孔和供給/排出燃料用的貫通孔的隔板。把傳感器配置在發(fā)電部件供給燃料一側(cè)，使傳感器部件的供給/排出空氣用的貫通孔和發(fā)電部件的供給/排出空氣用的貫通孔連通，使傳感器部件的供給/排出燃料用的貫通孔和發(fā)電部件的供給/排出燃料用的貫通孔連通。
把傳感器部件配置在負(fù)極一側(cè)的話，不受發(fā)電部件溫升等的影響，可以測定燃料溫度，通過使供給/排出空氣用的貫通孔和供給/排出燃料用的貫通孔在傳感器部件和發(fā)電部件連通，燃料和空氣的供給變得容易。
特別優(yōu)選的是，發(fā)電部件在多個電池的一端具有負(fù)極一側(cè)端板和負(fù)極一側(cè)端子板，在另一端具有正極一側(cè)端板和正極一側(cè)端子板，在負(fù)極一側(cè)端板和端子板之間設(shè)置傳感器部件。這樣，傳感器部件在供給燃料一側(cè)與發(fā)電部件的各電池分離地安裝。
優(yōu)選的是，把溫度檢測元件安裝在傳感器部件負(fù)極一側(cè)隔板的質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜相反的面上。在此位置可以可靠地檢測燃料溫度，而且，由于在隔板的此位置不需要空氣通路等，所以容易設(shè)置溫度檢測元件。此外，在溫度檢測元件中使用的是熱敏電阻、測溫電阻器、與溫度有依賴關(guān)系的半導(dǎo)體等。傳感器部件的MEA(質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜和電極的復(fù)合體)可以與發(fā)電部件的MEA是相同尺寸，但做成更小尺寸的話，可以降低傳感器部件的成本。此外，溫度檢測元件可以為比負(fù)極一側(cè)隔板厚度薄的薄型熱敏電阻，特別優(yōu)選的是，用粘接劑等固定在設(shè)在隔板上的槽中，與燃料割斷，以防止導(dǎo)線腐蝕和熱敏電阻材料變質(zhì)等。
優(yōu)選的是，以第1和第2電極之間電動勢增加檢測出燃料濃度的降低，以電動勢減小檢測出燃料濃度增加。發(fā)明人按如下推斷因燃料濃度降低造成電動勢增加的機(jī)理。由于燃料從質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜的負(fù)極一側(cè)向正極一側(cè)交叉時，電動勢降低，所以電動勢受到正極一側(cè)燃料濃度的顯著影響。正極一側(cè)燃料濃度因供給空氣等的氧化劑而降低，因交叉而顯著。其中，由于空氣等供給速度幾乎是固定的，所以正極一側(cè)的燃料濃度由負(fù)極一側(cè)燃料濃度決定。因此，負(fù)極一側(cè)燃料濃度增加的話，電動勢減小。此外，說到負(fù)極一側(cè)燃料濃度的變動，正極一側(cè)燃料濃度依賴于來自負(fù)極的交叉，在正極一側(cè)燃料濃度被放大顯示，可以高靈敏度地檢測燃料濃度的變化。
特別優(yōu)選的是，設(shè)置用于求出運行開始時電動勢變化的斜率的裝置。運行開始后，假設(shè)即使燃料和發(fā)電部件溫度穩(wěn)定，要使傳感器部件的電動勢穩(wěn)定，例如需要5～20分鐘左右的時間。所以求電動勢斜率的話，例如預(yù)測電動勢的穩(wěn)定值，根據(jù)預(yù)測的穩(wěn)定值可以反饋控制燃料濃度。或者從斜率判斷電動勢是否到達(dá)穩(wěn)定值，達(dá)到的話，可以開始反饋控制。在運行開始時一律設(shè)定延遲時間，在此期間可以不進(jìn)行反饋控制，從電動勢的斜率預(yù)測穩(wěn)定值，或判斷是否達(dá)到穩(wěn)定值的話，可以縮短可以進(jìn)行反饋控制前的時間。求出的斜率希望是溫度修正后的電動勢的斜率，這樣可以修正因溫度變化造成的斜率的變化。
優(yōu)選的是，設(shè)有用于求出發(fā)電部件溫度的裝置，在運行開始時在發(fā)電部件達(dá)到規(guī)定溫度前，與電動勢不同，開環(huán)控制燃料濃度。發(fā)電部件溫度可以從燃料溫度推測，或與傳感器不同，另外設(shè)置溫度檢測元件，也可以求出發(fā)電部件溫度。這種情況下，例如長期放置等以后，從低的溫度開始運行的情況下，例如到達(dá)規(guī)定溫度之前向發(fā)電部件供給高濃度燃料，使發(fā)電部件先升溫。另一方面，在短時間停止運行后等的情況下，從最初到達(dá)到規(guī)定溫度等的情況，可以在短時間開始對燃料濃度的反饋控制。
發(fā)明效果本發(fā)明的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)通過檢測傳感器部件的電壓和溫度對應(yīng)值，控制供給的液體燃料為適當(dāng)?shù)臐舛?，或檢測傳感器部件的溫度，控制供給的液體燃料為適當(dāng)?shù)臐舛龋钥梢栽谧罴褩l件下運行。此外，控制本發(fā)明的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)運行的運行控制方法和運行控制裝置可以有利于液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)在最佳條件下運行，所以象直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)那樣，非常有助于液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)的普及。


圖1為把作為本發(fā)明前題的電池組提供給評價試驗1時的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為表示評價試驗1結(jié)果的圖。
圖3為本發(fā)明實施方式1的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖4為實施方式1的系統(tǒng)運行控制方法的規(guī)則系統(tǒng)的一個示例。
圖5為表示實施方式1的系統(tǒng)運行時，甲醇水溶液中甲醇濃度和傳感器部件電壓動態(tài)的圖示(表示評價試驗2結(jié)果的圖示)。
圖6為表示實施方式2的系統(tǒng)中使用的電池組運行時，對應(yīng)于甲醇水溶液中甲醇濃度，溫度如何變化的試驗結(jié)果的圖示(表示評價試驗3結(jié)果的圖示)。
圖7為本發(fā)明實施方式2的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖8為表示實施方式2的系統(tǒng)運行時，甲醇水溶液中的甲醇濃度和傳感器部件電壓的動態(tài)的圖示(表示評價試驗4結(jié)果的圖示)。
圖9為本發(fā)明實施方式3的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖10為用設(shè)在傳感器部件12上的溫度檢測元件檢測的溫度和用第2溫度檢測裝置A檢測的溫度之間的溫度差與甲醇水溶液中的甲醇濃度關(guān)系的測定圖(表示評價試驗5結(jié)果的圖示)。
圖11為實施方式3變化例的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖12為最佳實施例的電池組的側(cè)視圖，表示安裝在燃料入口側(cè)和監(jiān)控電池和其他電池的共用空氣和燃料的供給/排出系統(tǒng)。
圖13為表示最佳實施例中的監(jiān)控電池的燃料極一側(cè)隔板的正反面的圖示，表示熱敏電阻的安裝和小型化的MEA(質(zhì)子導(dǎo)電體膜和電極復(fù)合體)。
圖14為圖13的XIV-XIV方向的斷面圖，表示熱敏電阻向燃料極一側(cè)隔板背面安裝和燃料通路槽。
圖15為在最佳實施例中的監(jiān)控電池的空氣極一側(cè)隔板正反面的圖示。
圖16為表示圖12的電池組的端板和端子板之間的監(jiān)控電池的局部側(cè)視圖。
圖17為表示最佳實施例的動作波形的圖。
圖18為表示燃料電池系統(tǒng)啟動時燃料濃度控制規(guī)則系統(tǒng)的流程圖。
具體實施例方式
下面以實施方式為基礎(chǔ)對本發(fā)明進(jìn)行說明。
為了驗證本發(fā)明實施方式的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)、控制它運行的控制運行方法和控制運行裝置，象下述那樣制作了發(fā)電部件和傳感器部件，使它們成為一體，構(gòu)成電池組。
發(fā)電部件的制作在把鉑和釕載在活性炭上制成的燃料極催化劑中混合特氟隆(Teflon，注冊商標(biāo))分散液和那菲阿(Nafion，注冊商標(biāo))溶液而制得的燃料極膏涂敷到碳紙上，得到負(fù)極，在活性炭上載有鉑的空氣極催化劑中混合PTFE(注冊商標(biāo)“特氟隆(Teflon)”)分散液和全氟磺酸(注冊商標(biāo)“那氟阿”)溶液而制得的空氣極膏涂敷到碳紙上，得到正極。然后用熱壓的方法把它們接合在由那菲阿(Nafion，注冊商標(biāo))117構(gòu)成的電解質(zhì)膜(膜體)兩面，用正極一側(cè)的隔板和負(fù)極一側(cè)的隔板把得到的接合體夾在中間，制得電池，再把此電池用層疊34個電池的方法串聯(lián)連接，做成發(fā)電部件。
傳感器部件的制作采用與上述電池同樣的結(jié)構(gòu)，在上述電解質(zhì)膜兩面上設(shè)置與上述負(fù)極一樣制作的第1電極和與上述正極一樣制作的第2電極，把熱敏電阻(溫度檢測元件)設(shè)在負(fù)極一側(cè)隔板上。在第1電極和第2電極之間在控制裝置一側(cè)，配置例如MΩ級、至少300Ω以上、希望在1KΩ以上的負(fù)荷電阻，測定第1電極和第2電極間的電動勢。
電池組的制作把用于電絕緣的硅橡膠夾在傳感器部件和發(fā)電部件之間層疊在一起，使傳感器部件和發(fā)電部件一體化，做成電池組。這樣做成一體化的目的是，由于作為液體燃料的甲醇水溶液從發(fā)電部件負(fù)極一側(cè)隔板的集管向傳感器部件的第1電極流動，作為氧化劑的空氣從發(fā)電部件正極一側(cè)隔板的集管向傳感器部件的第2電極流動，在上述第1、第2電極之間產(chǎn)生電位差(電壓)，同時上述熱敏電阻產(chǎn)生溫度對應(yīng)值(與傳感器部件溫度對應(yīng)的值)，所以檢測上述電壓，把此電壓變換成與上述溫度對應(yīng)值相對應(yīng)的甲醇水溶液中的甲醇濃度，以對此濃度進(jìn)行管理。
評價試驗1在上述電池組中，通過把第1、第2電極之間的電壓和來自溫度檢測元件的溫度對應(yīng)值作為從傳感器部件輸出的信號，為了確認(rèn)甲醇水溶液中甲醇濃度進(jìn)行溫度修正后是否可以進(jìn)行檢測，進(jìn)行了以下的評價試驗1。也就是如圖1所示，把電池組1(是把傳感器部件12和發(fā)電部件11一體化后的)裝在恒溫槽10內(nèi)，從燃料罐2通過液體輸送泵21向負(fù)極一側(cè)供給作為液體燃料的甲醇水溶液，從鼓風(fēng)機(jī)3向正極一側(cè)供給作為氧化劑的空氣，作為反應(yīng)生成物的二氧化碳和對反應(yīng)不起作用的甲醇水溶液從負(fù)極一側(cè)回收到液體燃料排出容器4，作為反應(yīng)生成物的水和對反應(yīng)不起作用的空氣從正極一側(cè)排出，檢測上述的電壓和溫度對應(yīng)值。然后使燃料罐2內(nèi)的甲醇水溶液中甲醇濃度為0.5M、1M、1.5M、2M，使恒溫槽10內(nèi)的溫度為30℃、50℃、70℃，使甲醇水溶液流速為500毫升/分，使空氣流速為40升/分，運行電池組1，對于甲醇水溶液中的甲醇濃度，測定上述電壓和溫度的關(guān)系，結(jié)果示于圖2。
結(jié)果由圖2的結(jié)果可以看出，溫度相同的話，甲醇水溶液中的甲醇濃度降低的話，電壓升高，溫度越高它的變化幅度越大。由此可以看出，作為從傳感器部件輸出的信號，測定電壓和溫度對應(yīng)值的話，可以檢測甲醇水溶液中的甲醇濃度。
(實施方式1)直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)把上述電池組1從恒溫槽10中取出，成為圖3所示的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)，把它作為實施方式1。也就是如圖3所示，設(shè)有電池組1、儲存作為液體燃料的甲醇水溶液的燃料罐2、儲存用于調(diào)整上述甲醇水溶液中甲醇濃度的高濃度燃料(50％體積的甲醇水溶液)的高濃度燃料罐5，為了根據(jù)圖2所示關(guān)系控制由燃料罐2向電池組1供給的甲醇水溶液的濃度，在燃料罐2和高濃度燃料罐5之間設(shè)有電磁閥6，把作為傳感器部件12輸出信號的電壓和溫度對應(yīng)值輸入到控制裝置7中，例如用以后面敘述的規(guī)則系統(tǒng)為基礎(chǔ)得到的控制信號控制電磁閥6，可以控制從高濃度燃料罐5向燃料罐2供給的50％體積的甲醇水溶液的供給量。不用說，用控制裝置7進(jìn)行的控制、例如對于電磁閥6的開關(guān)時間的控制等，可以根據(jù)從燃料罐2向電池組1供給的甲醇水溶液中甲醇的濃度和儲存在高濃度燃料罐5中的50％體積的甲醇水溶液中甲醇濃度不同而改變。
直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的運行控制控制上述直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)運行的方法是用圖4所示的規(guī)則系統(tǒng)，控制此運行的裝置是實現(xiàn)上述規(guī)則系統(tǒng)的裝置。也就是，為了以圖2所示的關(guān)系為基礎(chǔ)進(jìn)行控制，例如為了把甲醇水溶液中甲醇濃度控制在1M，用傳感器部件12測出的電壓(單位為mV)大于用傳感器部件的溫度檢測元件得到的溫度對應(yīng)值(溫度單位為℃)乘上系數(shù)0.53，再加上603的值的話，打開電磁閥6，在一定時間內(nèi)從高濃度燃料罐5向燃料罐2供給50％體積的甲醇水溶液，上述電壓比上述值小的話，關(guān)閉電磁閥6，不從高濃度燃料罐5向燃料罐2供給50％體積的甲醇水溶液。此外，上述系數(shù)等的值和電磁閥6的開關(guān)時間可以根據(jù)從燃料罐2向電池組1供給的甲醇水溶液中甲醇濃度和儲存在高濃度燃料罐5中的高濃度燃料(50％體積的甲醇水溶液)的濃度的不同而改變。
評價試驗2以使甲醇水溶液流速為500毫升/分、空氣流速為40升/分，從電池組1得到一定的輸出(100W)的方式連續(xù)運行上述的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)，用氣相色譜分析方法適當(dāng)測定燃料罐2中甲醇水溶液濃度隨時間的變化，同時測定傳感器部件12的電壓動態(tài)，結(jié)果示于圖5。
結(jié)果從圖5可以看出，甲醇水溶液中甲醇濃度相對于管理目標(biāo)1M被控制在從0.9M到1.1M之間。也就是，確認(rèn)了在甲醇水溶液中的甲醇濃度降到1M以下時，打開電磁閥6，50％體積的甲醇水溶液滴下來，這樣甲醇水溶液中甲醇濃度升高到1.1M左右，這樣進(jìn)行保持在管理目標(biāo)的控制。可以看出，為了檢測甲醇水溶液中的甲醇濃度，設(shè)有傳感器部件12，根據(jù)對此電壓進(jìn)行溫度修正后的關(guān)系控制甲醇水溶液中甲醇濃度的方法是有效的。
電池組的制作把上述電池用層疊34個電池的方法串聯(lián)得到的發(fā)電部件和傳感器部件通過把與上述發(fā)電部絕緣的硅橡膠夾在它們中間形成一體，成為電池組。上述傳感器部件是這樣得到的通過把作為液體(甲醇)透過性膜的那菲阿(Nafion，注冊商標(biāo))112夾在上述負(fù)極(第1電極)和正極(氧化電極)間并使相同的電極相對，并在此液體透過性膜(膜體)附近(例如負(fù)極一側(cè)隔板)設(shè)溫度檢測元件(熱敏電阻)而得到。這樣做成一體化的目的是，甲醇水溶液從發(fā)電部件負(fù)極一側(cè)隔板的集管經(jīng)過傳感器部件的第1電極(負(fù)極一側(cè))，透過膜體流向氧化電極一側(cè)，空氣從發(fā)電部件正極一側(cè)隔板的集管供給到傳感器部件的氧化電極一側(cè)，這樣利用傳感器部件氧化電極的催化劑，甲醇水溶液被氧化，使它的溫度升高，透過膜體的甲醇水溶液的量與甲醇水溶液中甲醇濃度有關(guān)，由于因甲醇水溶液的氧化造成的溫度升高與透過膜體的甲醇水溶液中甲醇濃度有關(guān)，所以得到把此溫度作為傳感器部件的輸出信號，把它變換成甲醇水溶液中的甲醇濃度，以對此濃度進(jìn)行管理。
評價試驗3以向上述電池組中以流速500毫升/分供給甲醇濃度為0.5M、1.0M、1.5M和2.0M的甲醇水溶液，同時供給流速為40升/分的空氣，從電池組得到一定輸出(100W)的方式運行，用溫度檢測元件檢測的傳感器部件溫度的測定結(jié)果示于圖6。測定從供給甲醇濃度為0.5M的甲醇水溶液、傳感器部件溫度為50℃的時刻開始。
結(jié)果從圖6可以看出，甲醇水溶液中甲醇濃度升高的話，用溫度檢測元件檢測的傳感器部件的溫度也升高。由此可以看出，測出傳感器部件溫度的話，可以測出甲醇水溶液中的甲醇濃度。
(實施方式2)直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)把上述電池組作為圖7所示的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)，作為實施方式2。也就是如圖7所示，設(shè)有電池組1、儲存作為液體燃料的甲醇水溶液的燃料罐2、儲存用于調(diào)整上述甲醇水溶液濃度的高濃度燃料(50％體積的甲醇水溶液)的高濃度燃料罐5、儲存應(yīng)上述發(fā)電部件11的電池反應(yīng)生成的生成水的水罐9，從燃料罐2通過液體輸送泵21向電池組1的負(fù)極一側(cè)供給作為液體燃料的甲醇水溶液，從鼓風(fēng)機(jī)3向正極供給作為氧化劑的空氣，從負(fù)極一側(cè)把作為反應(yīng)生成物的二氧化碳和對反應(yīng)不起作用的甲醇水溶液排出，返回到燃料罐2，從正極側(cè)把作為反應(yīng)生成物的水和對反應(yīng)不起作用的空氣排出，經(jīng)過氣液分離器8把生成水回收到水罐9，通過把用溫度檢測元件檢測的傳感器部件溫度輸入控制裝置7，對從上述水罐9通過液體輸送泵91返回到上述燃料罐2的生成水的量、從高濃度燃料罐5通過液體輸送泵51供給到上述燃料罐2中的50％體積的甲醇水溶液的量、從燃料罐2通過液體輸送泵21供給到電池組1的甲醇水溶液的量中的至少一個進(jìn)行控制。
直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的運行控制以圖6的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，把傳感器部件的溫度換算成甲醇濃度，用其他與實施方式1同樣的規(guī)則系統(tǒng)對直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行運行控制。
評價試驗4以使液體輸送泵51動作，從高濃度燃料罐5通過液體輸送泵51向燃料罐2供給50％體積的甲醇水溶液，使甲醇水溶液的流速為500毫升/分，使空氣流速為40升/分，得到一定輸出(100W)的方式連續(xù)使電池組1運行，用氣相色譜分析方法適當(dāng)測定燃料罐2中甲醇水溶液中的甲醇濃度隨時間的變化，同時測定發(fā)電部件11的電壓動態(tài)，測定的結(jié)果示于圖8。
結(jié)果從圖8可以看出，甲醇水溶液中的甲醇濃度相對于作為管理目標(biāo)的1M而言，被控制在從0.5M到1.5M之間。也就是，確認(rèn)了在甲醇水溶液中的甲醇濃度降到1M以下時，使液體輸送泵51動作，流入50％體積的甲醇水溶液，這樣，甲醇水溶液中甲醇濃度升高到1.5M，進(jìn)行保持在管理目標(biāo)的控制?？梢钥闯?，檢測傳感器部件溫度，從此檢測值和對應(yīng)于此溫度的甲醇水溶液中甲醇濃度的關(guān)系控制此濃度的方法是有效的。
在上述系統(tǒng)中是使用液體輸送泵51代替圖3的電磁閥6的，也可以使用電磁閥6代替液體輸送泵51，用這樣的控制裝置7進(jìn)行的控制可以根據(jù)燃料罐2供給到電池組1的甲醇水溶液中甲醇的濃度和供給量、儲存在高濃度燃料罐5中的高濃度燃料的濃度、甲醇水溶液中甲醇濃度的管理目標(biāo)的不同而適當(dāng)改變。
除了液體輸送泵51以外，用控制裝置7對用于從水罐9向燃料罐2返回生成水的液體輸送泵91也進(jìn)行控制的話，可以以更高的精度對濃度進(jìn)行控制。
此外，用控制裝置7對用于把甲醇水溶液由燃料罐2向電池組1供給甲醇水溶液的液體輸送泵21也進(jìn)行控制的話，可以控制上述系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
(實施方式3)直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)除了傳感器部件12的溫度檢測元件外，再加上在從液體輸送泵21到電池組1的通路上設(shè)置第2溫度檢測裝置A，把用傳感器部件12的溫度檢測元件檢測的溫度和用第2溫度檢測裝置A檢測的溫度(向電池組1供給的甲醇水溶液的溫度)輸入到控制裝置7，構(gòu)成控制裝置7可以用溫度差進(jìn)行控制的圖9的系統(tǒng)。第2溫度檢測裝置A可以設(shè)在靠近傳感器部件12上游不遠(yuǎn)處等部位。
直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的運行控制以圖10的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，把上述溫度差變換成甲醇濃度，用其他與實施方式1同樣的規(guī)則系統(tǒng)對直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行運行控制。
評價試驗5使溫度在40℃、50℃、60℃、70℃，與評價試驗3相同把上述各濃度的甲醇水溶液供給到直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)，測定用傳感器部件12的溫度檢測元件得到的溫度和第2溫度檢測裝置A得到的溫度之間的溫度差與甲醇水溶液中甲醇濃度的關(guān)系，結(jié)果示于圖10。
結(jié)果從圖10可以看出，甲醇水溶液中甲醇濃度升高的話，上述溫度差也變大。這樣可以看出，通過檢測上述溫度差可以適當(dāng)控制甲醇水溶液中的甲醇濃度。
(實施方式3的變化例)對于上述實施方式3，可以考慮象圖11所示的那樣，構(gòu)成如下系統(tǒng)在從電池組1到氣液分離器8的通路上設(shè)第3溫度檢測裝置B的系統(tǒng)，把用傳感器部件12的溫度檢測元件檢測的溫度和用第2檢測裝置A檢測的溫度、用傳感器部件12的溫度檢測元件檢測的溫度和用第3溫度檢測裝置B檢測的溫度輸入到控制裝置7中，控制裝置7用前者各溫度間的溫度差a和后者各溫度間的溫度差b進(jìn)行控制，這同樣也可以控制甲醇水溶液中的甲醇濃度。
作為在上述實施方式2中使用的具有液體燃料透過性質(zhì)的膜體，在全氟磺酸基的膜中，可以使用交叉量大的甲醇水溶液，至少作為具有氧化電極的、使液體燃料氧化的催化劑可以使用一般空氣電極用鉑催化劑。這樣，由于交叉后的液體燃料因鉑被氧化發(fā)熱，從此發(fā)熱量計算出因交叉造成的發(fā)熱量，從此發(fā)熱量計算出甲醇水溶液中的甲醇濃度。此外，在實際系統(tǒng)中，在從發(fā)熱量計算甲醇水溶液中甲醇濃度時，也必須考慮由于發(fā)電產(chǎn)生的焦耳熱。還有，在上述實施方式2、3中，負(fù)極(第1電極)不是必需的。此外，膜體也可以是沒有質(zhì)子導(dǎo)電性的PTFE等的膜。
上述各實施方式是分別利用電壓檢測、溫度檢測和溫度差檢測來檢測出甲醇水溶液中甲醇濃度的，不用說也可以同時使用它們。例如，在圖11所示的系統(tǒng)中，用電池組的傳感器部件12檢測電壓，也可以用從液體輸送泵21到電池組1的通路上設(shè)置的第2溫度檢測裝置A和從電池組1到氣液分離器8的通路上設(shè)置的第3溫度檢測裝置B檢測溫度差。
此外，關(guān)于實施方式2以后的直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)的運行控制裝置和運行控制方法與實施方式1一樣實現(xiàn)，也可以同時使用電壓檢測、溫度檢測和溫度差檢測來實現(xiàn)。
此外，在上述實施方式中，都是以穩(wěn)定輸出的運行為基礎(chǔ)，實際運行要考慮負(fù)荷變動、氧化劑氣體和液體燃料的流速、是啟動時還是穩(wěn)定時等情況檢測的溫度受到的影響，把這樣的條件作為參數(shù)預(yù)先輸入到控制裝置中，以這些參數(shù)為基礎(chǔ)對用溫度檢測元件檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的話，可以實現(xiàn)更高精度的運行控制。
此外，在上述實施方式中，對直接甲醇型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了說明，顯然，也適用于甲醇以外的液體燃料例如使用乙醇、二甲醚、異丙醇等的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)。
最佳實施例圖12～圖18表示了最佳實施例。在這些圖中，與圖1～圖11的實施例和變化例類似的部件表示為類似的形式，沒有預(yù)先特別說明的話，在此前的實施例和變化例的內(nèi)容也適用最佳實施例。
圖12表示電池組100的側(cè)面，101為負(fù)極(燃料極)一側(cè)的端板，102為正極(空氣極)一側(cè)的端板，103為負(fù)極一側(cè)的端子板，104為正極一側(cè)的端子板。多個電池106被配置在端子板103、104之間，它們是在碳的隔板一面刻有燃料用的通路槽，另一面設(shè)有空氣用通路槽，把MEA夾在一對隔板之間的電池。在隔板的4個角上有燃料供給孔和燃料排出孔以及空氣供給孔和空氣排出孔，燃料供給孔相互連通，成為燃料供給通路107，空氣供給孔也相互連通，成為空氣供給通路108。同樣，燃料排出孔也相互連通，成為燃料排出通路，空氣排出孔也相互連通，成為空氣排出通路。此外，下面把連通的供給孔和排出孔稱為集管。供給燃料用集管107和燃料排出用集管處于隔板的對角位置，空氣供給用集管108和空氣排出用集管也處于對角位置。
例如使供給燃料和空氣的方向相反，空氣從電池組100的一方上側(cè)、燃料從電池組100的另一方下側(cè)供給。這樣做的話，由于發(fā)電在負(fù)極生成的二氧化碳與廢燃料一起可以從設(shè)在上側(cè)的排出用集管排出，此外，可以防止在空氣排出用集管內(nèi)積水。
作為傳感器部件的監(jiān)控電池110處于負(fù)極一側(cè)的端板101和端子板103之間，它具有碳的燃料極一側(cè)隔板112和同樣是碳的空氣極一側(cè)隔板114。隔板112、114的厚度和尺寸希望與電池106一側(cè)的隔板一樣。使燃料供給孔116和電池106一側(cè)燃料供給集管連通，同樣使燃料排出孔117與電池106一側(cè)的燃料排出集管連通。此外，使空氣供給孔118和電池106一側(cè)空氣供給集管連通，使空氣排出孔119與電池106一側(cè)的空氣排出集管連通。這樣，多個電池106和監(jiān)控電池110相對，可以在相同的系統(tǒng)中進(jìn)行供給/排出燃料和供給/排出空氣。此外，把監(jiān)控電池110裝入到電池組100內(nèi)，可以分離端子板103、104和監(jiān)控電池110。
120為設(shè)在監(jiān)控電池110上的MEA，眾所周知，在質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜的正反面是設(shè)有負(fù)極和正極的，根據(jù)需要在負(fù)極和正極的外側(cè)設(shè)置多孔的碳片等。MEA120的尺寸可以與在電池106上的MEA的尺寸相同，希望如圖13、圖15所示，作成相對于隔板112、114小的MEA，燃料供給槽121和空氣供給槽123的配置配合MEA120，由電池106的隔板改變而來。此外，圖13的MEA120表面上顯示為正極，圖15的MEA120的表面上顯示為負(fù)極。
122為熱敏電阻安裝部分，124為熱敏電阻。其中作為熱敏電阻例如使用厚度0.5mm以下的薄型熱敏電阻，用粘接劑126安裝在設(shè)在與隔板112的燃料極相反一面的槽(例如深度為1mm)中。此外，隔板112例如與電池106的隔板一樣為2mm厚。
燃料中的甲醇和部分甲醇氧化生成的甲酸具有使熱敏電阻材料的金屬氧化物半導(dǎo)體變質(zhì)、使導(dǎo)線125腐蝕的作用。此外，隔板112是導(dǎo)電的。因此，粘接劑126使熱敏電阻124和它的導(dǎo)線125與燃料隔開，同時例如與隔板112絕緣。
隔板112、114的四周部分(孔116～119等的四周部分)用圖16所示的襯墊130液封。由于在襯墊130外側(cè)實際上不存在燃料，在襯墊130外側(cè)可以不保護(hù)導(dǎo)線125。此外，監(jiān)控電池110用上述襯墊130與端子板103、端板101實現(xiàn)電絕緣。128、129為用于取出監(jiān)控電池110的MEA120電動勢的輸出端子，例如用導(dǎo)電性粘接劑等安裝在隔板112、114上。
此外，在有必要防止熱敏電阻124的異常的情況下，例如在燃料極一側(cè)隔板112背面配置多個熱敏電阻，一個用于檢測，另一個用于備用乃至檢查檢測用熱敏電阻用。此外，發(fā)生MEA120的變質(zhì)等問題的情況下，也可以設(shè)置多個監(jiān)控電池110，與其分別對應(yīng)設(shè)置熱敏電阻124等。
這樣可以把監(jiān)控電池110簡單組裝到電池組100上，燃料和空氣的供給/排出容易，可以把從監(jiān)控電池110和端子板103、104的輸出分離。此外，由于監(jiān)控電池110處于燃料入口一側(cè)，不會受到電池組100溫升的影響，可以測定燃料溫度。使MEA120小型化后，可以便宜地構(gòu)成監(jiān)控電池110，把熱敏電阻124做成薄型后，可以使隔板112、114厚度變薄。而用粘接劑126保護(hù)熱敏電阻124和它的導(dǎo)線125后，可以防止因燃料造成的熱敏電阻變質(zhì)和導(dǎo)線腐蝕。
也可以用測溫電阻和溫感半導(dǎo)體等代替熱敏電阻124。也可以在設(shè)在隔板112背面(負(fù)極相反一側(cè)的面)的槽中粘貼兩面涂敷粘接劑和粘合劑的絕緣片來替代粘接劑126，在它上面安裝熱敏電阻124，在熱敏電阻124露出表面用其他涂敷粘接劑的片等保護(hù)。
如圖5所示，燃料濃度降低的話，監(jiān)控電池的電動勢增加，燃料濃度升高的話，電動勢降低。把正極一側(cè)燃料濃度看成實際為0的話，由于不能說明這樣的現(xiàn)象，可以認(rèn)為這與甲醇相對于質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜的交叉有關(guān)。作為與電動勢有關(guān)的因素，有負(fù)極和正極一側(cè)的各燃料濃度和溫度、負(fù)極和正極各自的氧濃度。其中氧濃度可以看成幾乎不隨時間而變，可以利用熱敏電阻等修正溫度。而負(fù)極一側(cè)燃料濃度增加的話，交叉顯著增加，隨之在正極一側(cè)以比例大于在負(fù)極一側(cè)燃料增加的比例增加。因此，燃料濃度增加的話，負(fù)極一側(cè)和正極一側(cè)之間的燃料濃度比變小，電動勢減小。發(fā)明人按以上的看法推測因燃料濃度增加造成電動勢減小。
如圖5所示，隨著傳感器部件的電動勢超過規(guī)定值，打開電磁閥向燃料罐中追加高濃度燃料后，到電動勢降低前例如有20秒左右的延遲時間。因此，希望在向燃料罐追加高濃度燃料時，溫度修正后的電動勢上升到規(guī)定值后，在規(guī)定時間內(nèi)添加高濃度燃料，然后在規(guī)定時間內(nèi)不管電動勢如何不添加高濃度燃料。
圖17表示一旦停止電池組100運行后再啟動時的監(jiān)控電池的輸出。此輸出是溫度修正后的輸出，在運行停止的期間，燃料的循環(huán)和空氣的供給都停止。
短時間停止運行后再啟動的話，電動勢在幾分鐘左右顯示異常值后，恢復(fù)到穩(wěn)定值。所以，在此期間希望停止因電動勢造成的燃料濃度控制，但存在想迅速開始燃料濃度控制的情況。在圖17中沒有表示，在長時間停止電池組100運行后再開始運行的話，燃料溫度低，電池組溫度也低，為了使它們的溫度升高、輸出穩(wěn)定，希望以比平常高的燃料濃度運行。
圖18表示對于從低溫啟動的處理和對于重新運行時電動勢顯示異常值情況的處理編入的控制規(guī)則系統(tǒng)。開始電池組運行后，判斷電池溫度是否在規(guī)定溫度以上，到達(dá)規(guī)定溫度之前用不使用電動勢的開環(huán)控制，向電池組100供給濃度比平常高的燃料。到達(dá)規(guī)定溫度后，啟動例如對于5分鐘～20分鐘等的延遲時間的計時器，監(jiān)視溫度修正后的電動勢斜率(電動勢梯度)。
從斜率預(yù)測溫度修正后的電動勢的穩(wěn)定值，然后辨別動作模式是預(yù)測動作模式計時器模式還是穩(wěn)定值模式。在預(yù)測模式的情況下，把根據(jù)斜率求出的溫度修正后的電動勢穩(wěn)定值與規(guī)定值進(jìn)行比較，控制燃料濃度。在計時器模式的情況下，計時器動作完成后到經(jīng)過延遲時間前，繼續(xù)進(jìn)行開環(huán)控制。在穩(wěn)定值模式的情況下，辨別根據(jù)斜率的梯度是否在規(guī)定值以下，溫度修正后的電動勢是否達(dá)到穩(wěn)定值，達(dá)到穩(wěn)定值的話，開始反饋控制。
權(quán)利要求
1.一種液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，包括發(fā)電部件，該發(fā)電部件通過把具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜夾在成對設(shè)置的負(fù)極和正極間、且設(shè)置向上述負(fù)極供給液體燃料、向上述正極供給氧化劑氣體的裝置而構(gòu)成的多個電池串聯(lián)或并聯(lián)而得到；儲存向上述負(fù)極供給的液體燃料的燃料罐；儲存用于調(diào)整上述燃料罐內(nèi)液體燃料濃度的高濃度燃料的高濃度燃料罐；和儲存因上述發(fā)電部件的電池反應(yīng)生成的生成水的水罐，其特征在于，還設(shè)有至少具有溫度檢測元件的、以得到用于檢測液體燃料濃度的輸出信號的傳感器部件；以及根據(jù)來自上述傳感器部件的輸出信號進(jìn)行從高濃度燃料罐向燃料罐供給的高濃度燃料的供給量的控制、從水罐向燃料罐供給的水供給量的控制、或從燃料罐向發(fā)電部件供給的液體燃料供給量的控制中的至少一種控制的控制部。
2.如權(quán)利要求1所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，傳感器部件與發(fā)電部件設(shè)置成一體。
3.如權(quán)利要求2所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，傳感器部件由溫度檢測元件、膜體和設(shè)在上述膜體表面上的至少一個電極構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，把具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)膜作為膜體，把設(shè)在上述膜體兩面的供給液體燃料的第1電極和供給氧化劑氣體的第2電極作為上述電極，把上述第1、第2電極之間的電壓和用溫度檢測元件得到的溫度對應(yīng)值作為傳感器部件的輸出信號，且在上述控制部把此輸出信號變換成液體燃料的濃度。
5.如權(quán)利要求3所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，以能透過液體燃料的液體透過性膜為膜體，把具有使透過上述膜體的液體燃料氧化的催化劑的氧化電極作為上述電極，把氧化劑氣體供給到上述氧化電極一側(cè)，透過膜體的液體燃料因上述氧化電極而被氧化，把用上述溫度檢測元件得到的溫度對應(yīng)值作為傳感器部件的輸出信號，在上述控制部把上述溫度對應(yīng)值變換成液體燃料的濃度。
6.如權(quán)利要求5所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，把上述溫度對應(yīng)值變換成因透過膜體的液體燃料氧化造成的溫度變化，進(jìn)而變換成液體燃料的濃度。
7.如權(quán)利要求6所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在發(fā)電部件的液體燃料供給口附近或發(fā)電部件的液體燃料排出口附近的至少一方設(shè)置檢測此附近溫度的第2溫度檢測元件，利用傳感器部件的溫度檢測信號和第2溫度檢測元件的信號之間的差求出上述溫度變化。
8.如權(quán)利要求1所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述傳感器部件具有隔板，該隔板設(shè)有供給和/排出空氣的貫通孔及供給/排出燃料的貫通孔，在此隔板之間設(shè)有質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜、負(fù)極和正極，上述發(fā)電部件的各個電池具有隔板，此隔板設(shè)有供給/排出空氣用的貫通孔和供給/排出燃料用的貫通孔，把上述傳感器部件配置在向上述發(fā)電部件供給燃料那一側(cè)，使傳感器部件的供給/排出空氣用的貫通孔和發(fā)電部件的供給/排出空氣用的貫通孔連通，使傳感器部件的供給/排出燃料用的貫通孔和發(fā)電部件的供給/排出燃料用的貫通孔連通。
9.如權(quán)利要求8所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，上述發(fā)電部件在上述多個電池的一端具有負(fù)極一側(cè)端板和負(fù)極一側(cè)端子板，在另一端具有正極一側(cè)端板和正極一側(cè)端子板，在負(fù)極一側(cè)端板和端子板之間設(shè)置上述傳感器部件。
10.如權(quán)利要求8所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，把上述溫度檢測元件裝在與傳感器部件負(fù)極一側(cè)隔板的質(zhì)子導(dǎo)電性高分子電解質(zhì)膜相反的面上。
11.如權(quán)利要求4所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)上述第1和第2電極之間的電動勢增加檢測出燃料濃度的降低，根據(jù)電動勢減小檢測出燃料濃度的增加。
12.如權(quán)利要求11所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)有用于求出運行開始時上述電動勢變化斜率的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)有用于求出上述發(fā)電部件溫度的裝置，在運行開始到發(fā)電部件達(dá)到規(guī)定溫度前，與上述電動勢不同，開環(huán)控制燃料溫度。
14.一種運行控制方法，是對液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行運行控制的方法，該燃料電池系統(tǒng)具有發(fā)電部件，該發(fā)電部件通過把具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜夾在成對設(shè)置的負(fù)極和正極間、并設(shè)有向上述負(fù)極供給液體燃料、向上述正極供給氧化劑氣體的裝置構(gòu)成的多個電池串聯(lián)或并聯(lián)而構(gòu)成；儲存向上述負(fù)極供給的液體燃料的燃料罐；儲存用于調(diào)整上述燃料罐內(nèi)液體燃料濃度的高濃度燃料的高濃度燃料罐；以及儲存因上述發(fā)電部件的電池反應(yīng)生成的生成水的水罐，上述運行控制方法包括設(shè)置至少有溫度檢測元件的、用于檢測液體燃料濃度的傳感器部件和控制部，以及以來自上述傳感器部件的輸出信號為基礎(chǔ)，用上述控制部進(jìn)行從高濃度燃料罐向燃料罐供給的高濃度燃料的供給量的控制、從水罐向燃料罐供給的水供給量的控制、或從燃料罐向發(fā)電部件供給的液體燃料供給量的控制中的至少一種控制。
15.一種運行控制裝置，是對液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行運行控制的裝置，該液體燃料直接供給型燃料電池系統(tǒng)具有發(fā)電部件，該發(fā)電部件通過把具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)構(gòu)成的電解質(zhì)膜夾在成對設(shè)置的負(fù)極和正極間、并設(shè)有向上述負(fù)極供給液體燃料、向上述正極供給氧化劑氣體的裝置構(gòu)成的多個電池串聯(lián)或并聯(lián)而構(gòu)成；儲存向上述負(fù)極供給的液體燃料的燃料罐；儲存用于調(diào)整上述燃料罐內(nèi)液體燃料濃度的高濃度燃料的高濃度燃料罐；以及儲存因上述發(fā)電部件的電池反應(yīng)生成的生成水的水罐，上述運行控制裝置設(shè)有至少有溫度檢測元件的、用于檢測液體燃料濃度的傳感器部件和控制部，且以來自上述傳感器部件的輸出信號為基礎(chǔ)，用上述控制部進(jìn)行從高濃度燃料罐向燃料罐供給的高濃度燃料的供給量的控制、從水罐向燃料罐供給的水供給量的控制、或從燃料罐向發(fā)電部件供給的液體燃料供給量的控制中的至少一種控制。
全文摘要
本發(fā)明可以使液體燃料直接供給型燃料電池在最佳條件下運行。通過把電解質(zhì)膜夾在成對設(shè)置的負(fù)極和正極間、并設(shè)置向上述負(fù)極供給液體燃料、向上述正極供給氧化劑氣體的裝置而構(gòu)成的多個電池串聯(lián)或并聯(lián)得到發(fā)電部件(11)，在它上面設(shè)置對應(yīng)于用溫度檢測元件檢測的溫度來檢測液體燃料濃度的傳感器部件(12)，由此構(gòu)成電池組(1)，且設(shè)置控制裝置(7)，它以來自上述傳感器部件(12)的輸出信號為基礎(chǔ)控制從高濃度燃料罐(5)向燃料罐(2)供給的高濃度燃料的供給量等。
文檔編號H01M8/04GK1685550SQ0382303
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者奧山良一, 石丸文也, 野村榮一, 武光孝智 申請人:株式會社杰士湯淺