直接甲醇燃料電池系統及其控制方法
2023-12-03 12:21:16
專利名稱：直接甲醇燃料電池系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及直接甲醇燃料電池(DMFC)系統和用於控制該直接甲醇燃料電池系統的方法。該直接甲醇燃料電池系統適合於長時間驅動電子裝置，例如小尺寸的可攜式裝置，電子裝置通常使用一次電池、二次電池或類似裝置作為電源。
背景技術：
近年來，電子裝置的尺寸減小使得使用者可以隨身攜帶大量信息終端。因此，社會正在改變，從而在任何地方都能得到需要的信息。另一方面，這些信息終端帶有各種功能，例如高速計算處理、無線LAN以及多媒體。這往往將增加能耗。需要大容量電池來長時間驅動這種信息終端。但是，由於環境和安全問題，還沒有開發出必要和足夠容量的電池。因此，對燃料電池的期望逐漸增加。使用由甲醇獲得的氫離子(質子)的燃料電池稱為直接甲醇燃料電池。直接甲醇燃料電池日益被期望用於各種領域，作為可攜式裝置的電源，原因如下用作直接甲醇燃料電池的燃料的甲醇具有高能量密度，並且直接甲醇燃料電池不需要重整器，因而可以減小它們本身的尺寸。
當甲醇燃料和空氣被提供給其發電單元時，直接甲醇燃料電池開始發電。直接甲醇燃料電池需要陽極，由於使用特定的聚合物電解質膜以用於發電單元，所以給該燃料電極提供控制為預定濃度的甲醇燃料。因此，已經公開的直接甲醇燃料電池具有容納一定量甲醇燃料的若干個容器。但是，如通常公開的那樣，給直接甲醇燃料電池提供控制為特定濃度的甲醇燃料時，需要長時間來將發電單元的溫度提高到預定值。因此，不利地，建立用於穩定地供應電子裝置所需電能的條件需要相對長的時間。而且，當沒有用最佳的控制方法來調節甲醇燃料的濃度時，會消耗過多或少量的燃料。這不利地妨礙電能的穩定供應，並降低燃料利用率。
為了迅速地提高發電單元的溫度到預定值，日本專利申請公開No.5-307970公開了一種故意提供甲醇給陰極的方法。但是，該方法需要甲醇通過其提供給陰極的管道系統以及控制提供的甲醇量的機構。這會使電池的結構複雜化，並且增加系統的尺寸。而且，如果甲醇提供給陰極，產生大量的熱。因此，不利的是，很難將溫度控制到預定值。
日本專利申請公開No.2004-55474公開了一種在將甲醇燃料提供給陽極之前加熱甲醇燃料的方法。但是，這種方法也要求燃料電池具有加熱燃料的機構。這也會增加系統的尺寸。
而且，日本專利申請公開No.61-269865公開了一種操作燃料電池的方法，其中為了啟動，給燃料電池提供的燃料濃度比穩定操作所需的燃料濃度更高，從而加速啟動。但是，在啟動並達到穩定操作期間，不需要精確地控制燃料濃度。因此，燃料濃度自然隨著發電而降低。因此，產生以下問題(1)僅保持高燃料濃度增加燃料損失；(2)必須根據陽極電解液箱的尺寸等等來調整最初引入燃料濃度，從而妨礙靈活地控制濃度。
此外，直接甲醇燃料電池的輸出電壓是每個膜電極組件(MEA)大約0.5V。為了驅動裝置，例如，堆疊多個電池以實現串聯連接，從而提高電壓。多個堆疊的電池很少具有相同的性能。這些電池中的一些由於燃料或空氣的不均勻分布而表現出略低的性能。當象日本專利申請公開No.61-269865中公開的那樣，用恆定的電流密度來控制輸出時，在發電單元處於低溫時，被迫輸出大量的電流。然後，在低性能的電池中發生電壓反向。導致例如發電單元電壓顯著降低和從電解質層洗提金屬離子的問題。另一方面，當為了防止電壓反向而連續輸出低電流時，導致例如燃料利用率降低和需要長時間來提高溫度的問題。因此，在啟動並達到穩定操作期間，當燃料溫度低時，必須儘量輸出電流，同時防止電壓反向，並減少變到穩定操作所需的時間。
發明內容
根據本發明的第一個方面，提供一種直接甲醇燃料電池系統，包括發電單元，包括至少一個膜電極組件；燃料容器，連接到該發電單元並且容納第一燃料，該第一燃料是甲醇水溶液；補充容器，連接到該燃料容器並且容納第二燃料，該第二燃料是甲醇或濃度高於該第一燃料之濃度的甲醇水溶液；和控制單元，被構成為減小該第一燃料的濃度和該發電單元的電壓，直到該發電單元的溫度上升到預設溫度值。
根據本發明的第二個方面，提供一種控制直接甲醇燃料電池系統的方法，該直接甲醇燃料電池系統包括發電單元，該發電單元包含陽極、陰極以及設置在該陽極和該陰極之間的電解質膜，該方法包括減小提供給該陽極的第一燃料的濃度和該發電單元的電壓，直到該發電單元的溫度上升到預設溫度值，該第一燃料是甲醇水溶液。
根據本發明第三個方面，提供一種控制直接甲醇燃料電池系統的方法，該直接甲醇燃料電池系統包括發電單元，包括至少一個膜電極組件；燃料容器，連接到該發電單元並且容納第一燃料，該第一燃料是甲醇水溶液；補充容器，連接到該燃料容器並且容納第二燃料，該第二燃料是甲醇或濃度高於該第一燃料之濃度的甲醇水溶液；和該方法包括減小該第一燃料的濃度和該發電單元的電壓，直到該發電單元的溫度上升到預設溫度值。
圖1是示出根據本發明第一實施例的直接甲醇燃料電池系統的示意圖；圖2是示出在直接甲醇燃料電池系統中以下兩個差值之間關係的特性圖預設溫度值和當前溫度之間的差值以及當前濃度和預設濃度值之間的差值；圖3是說明在圖1的直接甲醇燃料電池系統中校正甲醇補充量的方法的流程圖；圖4是示出圖1中的直接甲醇燃料電池系統的發電單元的例子的示意圖；和圖5是示意性地示出圖4中用於發電單元的隔板的平面圖。
具體實施例方式
本發明的第一實施例提供一種直接甲醇燃料電池系統。本發明的第二實施例提供一種控制直接甲醇燃料電池系統的方法。
根據本發明的第一和第二實施例，提供一種直接甲醇燃料電池系統，使得發電單元的溫度可以在短時間內提高到預設值，它還可以實現在電能可以穩定地提供給電子裝置的時間的增大。
根據本發明的第一和第二實施例，通過最優化地控制燃料濃度和發電單元的電壓，而不需要新安裝複雜的機構，發電單元的溫度就可以快速地提高到預設值。還可以提供一種直接甲醇燃料電池系統，可以實現在電能可以穩定地提供給電子裝置的時間的增大。同時，可以提供適量的燃料以提高燃料的利用率。此外，可以提供一種控制直接甲醇燃料電池系統的方法，更有效地驅動直接甲醇燃料電池系統。
這裡，發電單元的預設溫度值最適合操作燃料電池。該預設溫度值可以根據電池數量以及用於電極和電解質膜的材料類型而改變。當陽極催化劑和陰極催化劑包含鉑，以及基於全氟磺酸的電解質用作陽極、陰極和電解質膜中包含的質子導電材料時，發電單元的預設溫度值優選在50-90℃範圍內。結果是，可以阻止陽極和陰極催化劑的活性降低，以及可以阻止電解質膜的熱退化。更優選的範圍是50-75℃。
下面將參考
第一和第二實施例。說明書所用的附圖是示例性示出，從而使本發明內容容易理解。附圖不限制本發明的範圍。
圖1示出根據本發明第一實施例的直接甲醇燃料電池系統的結構的例子。
發電單元1包括多個電池和多個隔板，每個電池由膜電極組件(MEA)組成，在隔板中形成了用於提供燃料或空氣的溝槽，堆疊電池和隔板，以獲得所需的電壓。膜電極組件包括陽極、陰極以及設置在陽極和陰極之間的質子導電聚合物電解質膜。例如，該陽極包括用於通過化學反應從甲醇燃料產生氫離子(質子)的催化劑層。例如，該催化劑包括幾乎無毒的含鉑釕(PtRu)合金，該合金可以單獨使用，或者可以附在碳粉上。例如，用於陰極的催化劑包括可以單獨使用或者可以附在碳粉上的鉑(Pt)顆粒。基於全氟磺酸的聚合物電解質膜(例如Nafion(註冊商標)膜)由於其高質子導電性而可用作該聚合物電解質膜。
圖4和5示出由多個膜電極組件(MEA)形成的發電單元1的例子。如圖4所示，陽極催化劑層21和陽極擴散層22形成在質子導電膜20的一個表面上。陰極催化劑層23和陰極擴散層24形成在質子導電膜20的相對表面上。隔板27設置在每個膜電極組件(MEA)25的陽極擴散層22上；燃料溝槽26形成在隔板27中。如圖5所示，在隔板27中形成的燃料溝槽26是蜿蜒形。燃料溝槽26的一端用作燃料供應口26a，而另一端用作燃料排出口26b。隔板29設置在每個膜電極組件(MEA)25的陰極擴散層24上；空氣溝槽28形成在隔板29中。空氣溝槽28也是蜿蜒形，並且空氣溝槽28的一端用作空氣供應口，而另一端用作空氣排出口。發電單元1通過堆疊多個膜電極組件(MEA)25而形成，每個膜電極組件(MEA)25具有設置在相應側面上的隔板27和29。當通過如圖4和5所示隔板堆疊多個膜電極組件來構成發電單元時，可以使用隔板，每個隔板具有在一個表面上形成的燃料溝槽和在另一個表面上形成的空氣溝槽，而不是每個隔板都具有在一個表面上形成的溝槽。
甲醇水溶液作為第一燃料被容納在燃料容器2中。燃料容器2中的供應口2a通過燃料供應管3連接到發電單元1中的燃料供應口1a。設置燃料泵4用於燃料供應管3。發電單元1中的燃料出口1b通過燃料回收管5連接到燃料容器2中的回收口2b。
作為補充箱的高濃度甲醇箱6通過燃料補充管7連接到燃料容器2的燃料補充口2c。設置燃料補充泵8用於燃料補充管7。高濃度甲醇箱6容納第二燃料，該第二燃料是濃度比燃料容器2中的甲醇水溶液更高的甲醇水溶液，或者是純甲醇。
例如，可以如圖1所示在燃料容器2中安裝濃度傳感器9；該濃度傳感器9檢測提供給陽極的甲醇水溶液中的甲醇的濃度。通過處理來自濃度傳感器9的檢測結果的信號並且以電方式讀出該值，可以控制甲醇的濃度。甲醇濃度傳感器可以使用各種系統，這些系統利用光折射率、靜電量或超聲波，或者這些系統測量密度或以電化學方式檢測甲醇氧化電流。
在圖1中，濃度傳感器9設置在燃料容器中。但是，濃度傳感器9可以安裝在供應口2a或燃料供應管3中，或者安裝在從燃料供應管3分出的支管中。
而且，發電單元1的溫度由溫度傳感器10測量，例如熱敏電阻或熱電偶。對於包括多個MEA的發電單元，溫度傳感器10最好測量位於從高度上(在堆疊MEA的方向上)最接近發電單元的中心附近的隔板的厚度方向的中心部分的溫度。
空氣泵11通過空氣供應管12連接到發電單元1中的空氣入口1c。冷凝器13通過管14連接到發電單元1中的出口1d。出口1d排出的空氣由於發電反應導致的水汽而被汙染。冷凝器13冷卻空氣從而將水汽轉變為液體，將其從氣體中分離。分離的水通過管15被收集在燃料回收管5中。燃料電池系統優選具有水回收機構。由於特定的質子導電材料用於聚合物電解質膜，所以優選供給發電單元濃度為百分之幾到大約10％的甲醇水溶液。燃料電池系統優選具有回收和再利用水的機構。這個機構提高了高濃度甲醇箱6內部的甲醇的濃度。在這種情況下，與在箱中容納低濃度甲醇水溶液時所需的箱尺寸相比(其被驅動相同的時間)，可以減小箱的尺寸。另一方面，剩餘空氣通過排出管16釋放到外部。
控制單元具有根據溫度傳感器10測量的發電單元1的溫度和發電單元1的預設溫度值之間的差值的減小、降低燃料容器2中甲醇水溶液的濃度和發電單元1的預設電壓值的功能。控制單元1包括監測和控制電路17、控制軟體18以及電路單元19。
濃度傳感器9和溫度傳感器10連接到監測和控制電路17。來自傳感器9和10的測量的信號由該監測和控制電路17處理。控制軟體18處理由監測電路17得到的信息，並且向控制電路17提供所需的控制信號。控制軟體18將溫度傳感器10測量的溫度和在系統已改變為穩定操作之後使用的發電單元的操作溫度(預設溫度值)進行比較。然後，控制軟體18根據溫度差計算甲醇水溶液的目標濃度和目標電壓。計算結果送給監測和控制電路17。由於在發電時消耗甲醇，燃料容器2中的甲醇水溶液的濃度逐漸降低。當濃度傳感器9檢測到濃度降低時，監測和控制電路17傳送信號，以使燃料補充泵8從高濃度甲醇箱給燃料容器2補充第二燃料。
電路單元19監測通過發電單元1的電壓和電流。監測結果的信號被送給控制電路17，然後控制電路17處理該信號。監測和控制電路17將當前電壓值與控制軟體18計算的目標電壓值進行比較。如果這些值不同，監測和控制電路17給電路單元19傳送信號，然後電路單元19使當前電壓變為等於目標電壓值。
下面將說明該燃料電池系統的操作。
驅動燃料泵4，以將燃料容器2中的甲醇水溶液通過燃料供應管3提供給發電單元1中的燃料供應口1a。而且，驅動空氣泵11，以通過空氣供應管12將空氣供應給發電單元1中的空氣入口1c。這樣引起發電反應。
未用於發電的含甲醇液體成分從發電單元1中的燃料出口1b排出。甲醇通過燃料回收管5、然後通過燃料容器2中的回收口2b被收集在燃料容器2中。另一方面，沒有用於發電的含空氣氣體成分從出口1d通過管14提供給冷凝器13。然後，冷凝器13冷卻氣體成分。這使氣體成分中混合的水又轉變成液體，以將其與氣體分開。分開的水被從管15送給燃料回收管5，然後被收集在燃料容器2中。氣體通過排出管16釋放到外部。
在測量發電單元1的溫度的同時，根據發電單元1的溫度控制燃料容器2中的甲醇的濃度。圖2示意性地示出控制方法。如果甲醇操作濃度(預設濃度值)要控制到C值，而且發電單元1的操作溫度(預設溫度值)要控制到T值，由於操作前的溫度Ts通常低於操作溫度T，所以發電單元1的溫度必須通過啟動而從溫度值Ts提高到T。如果溫度存在大的差值(T-Ts)，甲醇濃度被有意識地控制到濃度Cs，Cs高於C，以促進發熱。也就是說，ΔC(Cs-C)與ΔT(T-Ts)一致地提高。ΔC可以被控制，從而根據ΔT改變，如圖2所示。除了(1)所示的正比關係之外，還可以使用適當的方法，例如(2)逐步變化或者(3)根據特定的函數變化。
而且，可以將對應於發電單元1的溫度的甲醇濃度Cs保持在固定值，或在一定的窄濃度範圍內變化該值。控制單元優選構成為通過交替地進行第一操作和第二操作來減小第一燃料的濃度到預設濃度值C，直到發電單元1的溫度提高到預設溫度值T。第一操作是將第一燃料的濃度減小到大於預設濃度值C的值Cs。另一方面，第二操作是通過給燃料容器2補充第二燃料，使第一燃料的濃度保持在值Cs。具體而言，溫度傳感器10測量發電單元1的溫度。然後，根據測量的溫度和預設溫度值之間的差值，控制軟體18計算控制目標甲醇濃度Cs。然後控制軟體18將電信號傳送給監測和控制電路17。在濃度傳感器9檢測到燃料容器2中甲醇水溶液的濃度降低時，監測和控制電路17傳送信號。結果，燃料補充泵8向燃料容器2中的燃料補充口2c補充所需量的第二燃料，該第二燃料通過燃料補充管7從高濃度甲醇箱6供應。然後控制濃度被提高到Cs。
通過這樣在低溫下向發電單元提供高濃度甲醇燃料，可以有助於甲醇交換到陰極，該陰極然後會燃燒甲醇。這有助於提高發電單元的溫度。因此，發電單元的溫度更快地上升，從而可以減少獲得所需量電能所需的時間。而且，如果溫度上升而且在濃度保持較高時，溫度可能上升過快，從而損壞發電單元的材料。這可能會縮短發電單元的壽命。
因此，在補充不希望的大量第二燃料從而提高濃度到高於所需值Cs來升高發電單元1的溫度時，可以在指定時間內停止補充高濃度甲醇燃料，等待與發電相關聯的自然降低。可選擇地，例如，增加吹向冷凝器的空氣量，從而臨時提高冷凝器13的回收容量來增加回收水的量，因此衝淡第一燃料。這減小由於交換而對陰極的損害。
此外，為了幫助啟動，同時防止在堆疊多個電池(MEA)的發電單元(堆疊體)中的電池(MEA)中發生電壓反向，在啟動以達到穩定操作期間，根據發電單元的溫度上升而逐漸降低輸出電壓。發電單元的溫度上升，以提高每個電池中包含的催化劑的活性。因此即使採用相同的電壓，也可以輸出比低溫時更大量的電流。因此，通過用恆定電壓控制發電單元的操作和隨著溫度上升而逐漸降低該恆定電壓值，按照發電單元的電流-電壓特性，可以增加發電單元輸出的電流量。輸出電流量的增加提高產生的熱量。這使發電單元的溫度提高，因此避免由於第一燃料的濃度降低引起的發電單元溫度的下降。
此外，通過控制電壓實現的電流量增加，有望產生熱。因此，儘管啟動期間第一燃料濃度和穩定操作期間第一燃料濃度之間有小的差別，但是溫度也可以提高到預設的值。燃料的利用率可以提高。
而且，在調整第一燃料的濃度並且如果補充第二燃料的時間間隔增大時，通過補充等於當前測量的濃度與目標濃度之間差值的量的第二燃料，不能精確控制濃度。為了精確控制濃度，最好按照調整單元調整的量給燃料容器2補充第二燃料。具體而言，最好採用如下面圖3所示控制甲醇濃度Cs的方法。
如前面所述的圖2所示，給發電單元供應與發電單元溫度相應的甲醇濃度的第一燃料。但是，實際上在預設濃度值和當前濃度之間會發生大的偏差。如果當前濃度低，大的偏差可能會妨礙保持發電狀態從而關閉系統。利用高當前濃度，額外的甲醇可能會交換到陰極，從而提高發電單元的溫度。這可能會損壞發電單元的材料，從而阻止系統運行。在這種情況下，通常提供等於和預設濃度值的差值的量的第二燃料。該燃料電池系統優選包括調整單元，該調整單元通過用發電單元產生的發電量計算在過去的預定時間內消耗的甲醇量，校正要補充的第二燃料的量。也就是說，首先，傳感器測量發電單元的溫度(步驟S1)。然後，例如，控制軟體計算與測量溫度相應的設置甲醇濃度(步驟S2)。當前甲醇濃度可以由燃料容器中或者到陽極的管或其支管中安裝的濃度傳感器來測量(步驟S3)。如果濃度傳感器測量的燃料甲醇濃度高於預設濃度值，在指定時間內停止供應第二燃料(步驟S4)。如果濃度傳感器測量的當前濃度低於預設濃度值，進行控制從而從高濃度甲醇箱補充第二燃料。
首先，例如，可以用以下的等式計算當前的甲醇缺乏量M1(步驟S5)M1(g)＝{(Ma(g/L)-Mb(g/L))×V(mL)}/1000(mL/L)其中Ma表示預設濃度值(g/L)，Mb表示測量的濃度(g/L)，V表示燃料容器的體積(mL)。
而且，計算在過去的一分鐘內發電單元的平均輸出(W)(步驟S6)。例如，可以用以下等式計算在補充之前指定時間內預期將消耗用於發電的甲醇量M2(步驟S7)M2(g)＝(X(g/Wh)/60(min/h))×Y(W)其中X表示燃料消耗係數(g/Wh)，Y表示在過去一分鐘內發電單元的輸出(W)。
使用泵或類似裝置從甲醇容器補充相應於計算總量(M1+M2)的第二燃料的量(步驟S8)。這使得可以在燃料濃度保持在預定值的情況下連續發電。通常通過僅計算M1來實現補充。發電單元的高輸出提高指定時間內消耗的甲醇量。因此可以預期，當發電單元以高輸出來操作時，通過補充M1，不能將燃料濃度保持在預定值。通過在供應之前基於發電單元的輸出校正補充量，可以更穩定地驅動直接甲醇燃料電池系統。
例如，甲醇補充量調整機構可以是計量泵，可以在一次操作中分配精確量的液體。計量泵操作的次數可以用控制軟體18和控制電路17來改變。
下面將通過例子詳細地說明本發明，從而使它更容易理解。
(例子1)全氟磺酸溶液和離子交換水添加到其上承載鉑釕(Pt∶Ru＝1∶1)合金顆粒作為陽極催化劑的碳黑。承載有催化劑的碳黑被粉碎以製成糊。製備經過防水處理的碳紙作為陽極擴散層。該糊塗敷在碳紙上，然後乾燥，形成催化劑層。這樣獲得陽極電極。
全氟磺酸溶液和離子交換水添加到其上承載有鉑顆粒作為陰極催化劑的碳黑。承載有催化劑的碳黑被粉碎以製成糊。製備經過防水處理的碳紙作為陰極擴散層。該糊塗敷在碳紙上，然後乾燥，形成催化劑層。這樣獲得陰極。
全氟磺酸膜設置在陽極催化劑層和陰極催化劑層之間作為電解質膜。然後這些電極和膜受到熱壓，因而被組裝獲得膜電極組件。該膜電極組件夾在一個表面上形成有燃料溝槽而另一個表面形成有空氣溝槽的碳隔板之間。堆疊十五個這種夾層結構以形成發電單元。
構成類似於圖1所示燃料電池系統的燃料電池系統。第一燃料濃度由濃度傳感器測量。在測量之前，用泵從燃料容器給濃度傳感器供應少量第一燃料。通過將發電單元的目標操作溫度設置為60℃和將操作濃度設置在1.0mol/L、並且使用電氣負荷來設置恆定電壓模式，進行發電測試。為室溫(25℃)到60℃的溫度設置的濃度和電壓如表1所示。在每個溫度範圍內，用圖3所示控制方法來控制濃度。發電單元的溫度在大約20分鐘內上升到需要的60℃的穩定操作溫度；在短時間內達到穩定狀態。第一燃料濃度可以控制在離控制值±0.2mol/L的範圍內。由於可以在短時間內達到穩定狀態並且可以使燃料濃度的變化最小，所以可以在溫度和輸出穩定的情況下發電。
表1
(例子2)預設溫度值和電壓與例子1使用的相同。對於濃度控制，不使用圖3所示的方法，而是補充等於燃料容器中濃度和預設濃度值之間的差值的第二燃料的所需量。
濃度瞬間偏離控制值至少0.4mol/L；第一燃料濃度稍微不穩定地變化。啟動需要大約30分鐘，略長於例子1中的時間。
(例子3)製備具有發電單元的直接甲醇燃料電池，其中堆疊20個膜電極組件(MEA)。通過將發電單元的目標操作溫度設置為55℃和將操作濃度設置在0.9mol/L、並且使用電氣負荷來設置恆定電壓模式，進行發電測試。為室溫(25℃)到55℃的溫度設置的濃度和電壓如表2所示。在每個溫度範圍內，用圖3所示控制方法來控制濃度。發電單元的溫度在大約18分鐘內上升到55℃。第一燃料濃度可以控制在離控制值±0.2mol/L的範圍內。由於可以在短時間內達到穩定狀態並且可以使第一燃料濃度的變化最小，所以可以在溫度和輸出穩定的情況下發電。
表2
(比較例1)以和例子1使用的相同的方式操作燃料電池，除了在整個溫度範圍內將控制濃度固定在1.0mol/L。比例子1和2花費更長的時間達到60℃的目標溫度；達到目標溫度需要大約40分鐘。第一燃料濃度控制在離控制值±0.2mol/L的範圍內。
(比較例2)以和例子1使用的相同的方式操作燃料電池，除了在整個溫度範圍內將控制電壓固定在6.5V。比例子1和2花費更長的時間達到60℃的目標溫度；達到目標溫度需要大約45分鐘。第一燃料濃度控制在離控制值±0.2mol/L的範圍內。
對於本領域技術人員來說，可以得到附加的優點和變型。因此，從其更廣泛的方面來說，本發明不局限於這裡所示和所述的特定細節和示意性實施例。因此，在不脫離由附加的權利要求及其等效物限定的總的發明原理的精神和範圍的情況下，可以進行各種修改。
權利要求
1.一種直接甲醇燃料電池系統，包括發電單元，包括至少一個膜電極組件；燃料容器，連接到該發電單元並且容納第一燃料，該第一燃料是甲醇水溶液；補充容器，連接到該燃料容器並且容納第二燃料，該第二燃料是甲醇或濃度高於該第一燃料之濃度的甲醇水溶液；和控制單元，被構成為減小該第一燃料的濃度和該發電單元的電壓，直到該發電單元的溫度上升到預設溫度值。
2.根據權利要求1的直接甲醇燃料電池系統，還包括調整單元，該調整單元構成為調整從該補充容器補充在該燃料容器中的第二燃料的量。
3.根據權利要求2的直接甲醇燃料電池系統，其中該控制單元構成為通過交替地進行第一操作和第二操作，將該第一燃料的濃度減小到預設濃度值，直到該發電單元的溫度上升到該預設溫度值；該第一操作是將該第一燃料的濃度減小到大於該預設濃度值的值，而該第二操作是通過按該調整單元調整的量給該燃料容器補充該第二燃料，使該第一燃料的濃度保持在該值。
4.根據權利要求3的直接甲醇燃料電池系統，其中該調整單元構成為計算直到在該第二操作中從該補充容器向該燃料容器補充該第二燃料為止、在發電中將消耗的甲醇量，並且構成為利用該將消耗的甲醇量來校正在該第二操作中將補充的該第二燃料的量。
5.根據權利要求1的直接甲醇燃料電池系統，其中該預設溫度值在50到90℃的範圍內。
6.根據權利要求1的直接甲醇燃料電池系統，其中該預設溫度值在50到75℃的範圍內。
7.根據權利要求1的直接甲醇燃料電池系統，其中所述至少一個膜電極組件包括陽極、陰極以及設置在該陽極和該陰極之間的電解質膜。
8.根據權利要求7的直接甲醇燃料電池系統，其中該陽極和該陰極包括含鉑催化劑，並且該電解質膜是基於全氟磺酸的聚合物電解質膜。
9.一種控制直接甲醇燃料電池系統的方法，該直接甲醇燃料電池系統包括發電單元，該發電單元包含陽極、陰極以及設置在該陽極和該陰極之間的電解質膜，該方法包括減小提供給該陽極的第一燃料的濃度和該發電單元的電壓，直到該發電單元的溫度上升到預設溫度值，該第一燃料是甲醇水溶液。
10.根據權利要求9的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中通過交替地進行第一操作和第二操作，將該第一燃料的濃度減小到預設濃度值，直到該發電單元的溫度上升到該預設溫度值；該第一操作是將該第一燃料的濃度減小到大於該預設濃度值的值，而第二操作是通過用第二燃料補充該第一燃料，從而使該第一燃料的濃度保持在該值，該第二燃料是甲醇或濃度高於該第一燃料之濃度的甲醇水溶液。
11.根據權利要求10的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，還包括獲得直到在該第二操作中以該第二燃料補充該第一燃料為止、在發電中將消耗的甲醇量；和利用該將消耗的甲醇量來校正在該第二操作中將補充的該第二燃料的量。
12.根據權利要求9的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中該預設溫度值在50到90℃的範圍內。
13.一種控制直接甲醇燃料電池系統的方法，該直接甲醇燃料電池系統包括發電單元，包括至少一個膜電極組件；燃料容器，連接到該發電單元並且容納第一燃料，該第一燃料是甲醇水溶液；補充容器，連接到該燃料容器並且容納第二燃料，該第二燃料是甲醇或濃度高於該第一燃料之濃度的甲醇水溶液；和該方法包括減小該第一燃料的濃度和該發電單元的電壓，直到該發電單元的溫度上升到預設溫度值。
14.根據權利要求13的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，該直接甲醇燃料電池系統還包括調整單元，該調整單元構成為調整從該補充容器補充在該燃料容器中的該第二燃料的量。
15.根據權利要求14的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中通過交替地進行第一操作和第二操作，將該第一燃料的濃度減小到預設濃度值，直到該發電單元的溫度上升到該預設溫度值。該第一操作是將該第一燃料的濃度減小到大於該預設濃度值的值，而第二操作是通過按該調整單元調整的量給該燃料容器補充該第二燃料，使該第一燃料的濃度保持在該值。
16.根據權利要求15的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中該調整單元構成為計算直到在該第二操作中從該補充容器向該燃料容器補充該第二燃料為止、在發電中將消耗的甲醇量，並且構成為利用該將消耗的甲醇量來校正在該第二操作中將補充的該第二燃料的量。
17.根據權利要求13的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中該預設溫度值在50到90℃的範圍內。
18.根據權利要求13的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中該預設溫度值在50到75℃的範圍內。
19.根據權利要求13的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中所述至少一個膜電極組件包括陽極、陰極以及設置在該陽極和該陰極之間的電解質膜。
20.根據權利要求19的控制直接甲醇燃料電池系統的方法，其中該陽極和該陰極包括含鉑催化劑，並且該電解質膜是基於全氟磺酸的聚合物電解質膜。
全文摘要
一種直接甲醇燃料電池系統，包括發電單元；燃料容器，連接到該發電單元並且容納第一燃料，該第一燃料是甲醇水溶液；補充容器，連接到該燃料容器並且容納第二燃料，該第二燃料是甲醇或濃度高於該第一燃料之濃度的甲醇水溶液；和控制單元，被構成為減小該第一燃料的濃度和該發電單元的電壓，直到該發電單元的溫度上升到預設溫度值。
文檔編號H01M8/00GK1841825SQ20061007107
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月31日 優先權日2005年3月31日
發明者角野裕康, 原田康宏, 宮本浩久, 涉谷信男 申請人:株式會社東芝