專利名稱：測量醇濃度的方法、醇濃度測量裝置和包括該裝置的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量醇濃度的方法、醇濃度測量裝置和包括該裝置的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池由燃料電極、氧化劑電極和布置在電極之間的電解質(zhì)構(gòu)成。將燃料提供給燃料電極并將氧化劑提供給氧化劑電極，以進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電能。通常，已經(jīng)使用氫氣作為燃料，但是近年來，已經(jīng)深入研究直接型燃料電池，其直接使用便宜且更容易控制的諸如甲醇的醇作為燃料。
當(dāng)氫氣用作燃料時(shí)，用下述公式(1)表示燃料電極上的反應(yīng)(1)當(dāng)甲醇用作燃料時(shí)，用下述公式(2)表示燃料電極上的反應(yīng)(2)在任何一種情況中，用下述公式(3)表示氧化劑電極上的反應(yīng)(3)特別地，直接型燃料電池，其可以從含水的甲醇溶液產(chǎn)生質(zhì)子，因此不需要變換器等，可以實(shí)現(xiàn)小型化和重量輕。它們的特征還在于當(dāng)它們使用液體的含水甲醇溶液作為燃料時(shí)，其能量密度非常高。
然而，對于直接型燃料電池，燃料中的醇濃度根據(jù)發(fā)電狀態(tài)而變化。為了保持燃料電池的電能穩(wěn)定，需要將燃料中的醇濃度保持在適當(dāng)?shù)姆秶?。因此，燃料電池系統(tǒng)需要用于檢測燃料中的醇濃度的裝置。
例如，專利文獻(xiàn)1公開了測量液體中的醇濃度的傳感器。通過在電極之間設(shè)置涂覆聚噻吩型導(dǎo)電聚合物并使得對應(yīng)于醇濃度的電阻變化來構(gòu)成該傳感器。
另外，專利文獻(xiàn)2和3公開了使用燃料電池狀的電池來測量液體中的甲醇濃度的傳感器，該電池包括夾著電解質(zhì)隔膜的陽極和陰極(參見專利文獻(xiàn)2的圖15和專利文獻(xiàn)3的圖6)。在這些電池中，使用諸如Pt-Ru的催化電極作為陽極并使用Pt作為陰極。通過在如上構(gòu)成的電池的陽極和陰極之間施加恒定電壓，產(chǎn)生了將甲醇轉(zhuǎn)換成陽極上的二氧化碳和質(zhì)子轉(zhuǎn)換成陰極上的氫氣的反應(yīng)，由此電流在陽極和陰極之間流動(dòng)。通過測量該電流值可以測量液體中的甲醇的濃度。
日本特開專利公開No.H6-265503[專利文獻(xiàn)2]美國專利No.6,254,748[專利文獻(xiàn)3]美國專利No.6,306,285發(fā)明內(nèi)容然而，至于具有上述專利文獻(xiàn)1所述的結(jié)構(gòu)的傳感器，根據(jù)傳感器被放置在諸如己烷或者汽油這樣的良好溶劑中的情況中和傳感器被放置在諸如甲醇和水這樣的不良溶劑中的情況之間側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)不同的事實(shí)，來檢測液體中的醇濃度。因此，很難精確地檢測作為不良溶劑的醇水溶液中的醇濃度。
在具有上述專利文獻(xiàn)2和3所述的結(jié)構(gòu)的傳感器的情況中，需要制備燃料電池狀電池用于測量甲醇濃度，而且，還需要使用昂貴的金屬催化劑，諸如Pt作為陽極和陰極。另外，由于在陰極中產(chǎn)生氫氣，所以需要去除氫氣氣體。
考慮到上述的情況，本發(fā)明的目的是提供能夠用簡單的結(jié)構(gòu)來檢測醇濃度的醇濃度測量裝置、包括該裝置的燃料電池系統(tǒng)和測量醇濃度的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種使用含醇的液體燃料的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池主體，其包括固體聚合物電解質(zhì)隔膜以及附著到固體聚合物電解質(zhì)隔膜的燃料電極和氧化劑電極；容納液體燃料的容器；聚合物隔膜，具有質(zhì)子導(dǎo)電性并設(shè)置在容器的內(nèi)部或者容器的壁部；以及濃度檢測單元，當(dāng)用液體燃料浸入或者浸漬聚合物隔膜時(shí)，其根據(jù)聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的改變來檢測容器中液體燃料的醇濃度。
燃料電池主體可以是將液體燃料直接提供給燃料電極的直接型，或者可以是使用通過重整液體燃料而獲得的氫氣作為燃料的類型。容納液體燃料的容器包括設(shè)置在燃料電池主體的燃料電極處的燃料電極槽；存儲(chǔ)提供給燃料電極槽的燃料的緩沖槽；燃料盒；以及連接它們的管道，如果聚合物隔膜可以浸漬在液體燃料中，則管道可以具有任何結(jié)構(gòu)。
聚合物隔膜被構(gòu)造成浸漬在容器中的液體燃料中，并由具有隨液體燃料的醇濃度可改變的質(zhì)子導(dǎo)電性的材料構(gòu)成。含質(zhì)子酸基團(tuán)的材料可以用作聚合物隔膜。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以用簡單的結(jié)構(gòu)檢測液體燃料中的醇濃度。由于本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以根據(jù)聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的改變來檢測液體燃料中的醇濃度，所以甚至在作為不良溶劑的含水的醇溶液中也能以高精度來檢測醇濃度。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，濃度檢測單元可以包括附著到聚合物隔膜的一對電極端子；測量該電極端子之間的電阻值的電阻測量單元；以及根據(jù)由電阻測量單元測量的電阻值來計(jì)算液體燃料的醇濃度的濃度計(jì)算單元。
這里，由于聚合物隔膜由具有隨醇濃度可改變的質(zhì)子導(dǎo)電性的材料構(gòu)成，所以在通過聚合物隔膜將電流施加在電極端子之間的情況中，電極端子之間的電阻值隨液體燃料中的醇濃度改變。濃度檢測單元可以存儲(chǔ)表示電極端子之間的電阻值和醇濃度的相互關(guān)系的參考數(shù)據(jù)，并且濃度計(jì)算單元可以基于該參考數(shù)據(jù)來計(jì)算液體燃料的醇濃度。
濃度檢測單元可以包括三個(gè)或者多個(gè)電極端子，例如，可以包括四個(gè)電極端子。在這種情況中，一對電極端子可以用于電流測量，另一對電極端子可以用于電壓測量。電極端子可以形成在聚合物隔膜的表面上或者聚合物隔膜中。電極端子可以設(shè)置在液體燃料中或者可以放置為不與液體燃料直接接觸。通過保持電極端子不與液體燃料直接接觸，可以阻止電極端子受到液體燃料的腐蝕。因此，可以保持電極端子穩(wěn)定。電極端子可以由具有導(dǎo)電性的任何材料制成。電極端子可以由例如金、銀、鉑、鋁或者不銹鋼制成。
根據(jù)本發(fā)明，與專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3公開的傳感器不同，由于不需要電極催化劑，所以可以通過簡單的工藝來制造濃度檢測單元。此外，由于在濃度檢測單元中不需要金屬催化劑，所以能夠以低成本制造燃料電池系統(tǒng)。另外，在專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3公開的傳感器中，根據(jù)電極反應(yīng)的輸出來檢測液體燃料中的醇濃度，然而在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，只測量流過聚合物隔膜的電流的電阻值，并因此在氧化劑電極中不放出氫氣氣體，因此能夠使結(jié)構(gòu)簡單。另外，在上述的專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3中，由于基于電極反應(yīng)的輸出來檢測液體燃料的醇濃度，所以由于催化劑電極的退化引起的電極反應(yīng)的輸出的波動(dòng)，導(dǎo)致了不能夠精確地測量醇濃度。在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，由于沒有利用催化反應(yīng)，所以不會(huì)發(fā)生由催化劑的退化帶來的問題。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，濃度檢測單元的電極端子可以放置在容器的外部。而且，濃度檢測單元可以包括覆蓋電極端子的憎水隔膜。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，固體聚合物電解質(zhì)隔膜的一部分可以用作聚合物隔膜。在這種情況中，在固體電解質(zhì)隔膜中，電極端子可以形成在沒有形成催化劑層的區(qū)域中。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池系統(tǒng)還可以包括不同濃度燃料存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)與容器中的液體燃料具有不同醇濃度的液體燃料；供給單元，其從不同濃度燃料存儲(chǔ)單元向容器提供液體燃料；以及控制單元，其根據(jù)濃度檢測單元檢測的容器中的液體燃料的醇濃度來調(diào)整由供給單元提供的液體燃料的供給量。包含在不同濃度燃料存儲(chǔ)單元中的液體燃料可以具有比容器中的液體燃料高的或者低的濃度。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以包括多個(gè)不同濃度燃料存儲(chǔ)單元。不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以包含不含醇的水。在這種情況中，在液體燃料提供給燃料電池主體之后，燃料電極中產(chǎn)生的水被可以回收到不同濃度燃料存儲(chǔ)單元中并被循環(huán)。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以檢測容器中液體燃料的濃度改變，并且具有適當(dāng)醇濃度的的液體燃料可以被提供給燃料電池主體。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，容器設(shè)置在與燃料電池主體可分離的燃料盒中。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括燃料電極槽，其具有燃料注入口并且向燃料電極提供液體燃料；以及燃料盒，其具有與燃料電極槽的燃料注入口適配的適配單元，并與燃料電極槽是可以分離的，其中容器可以設(shè)置在燃料盒中。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括具有燃料注入口并且向燃料電池主體提供液體燃料的燃料電極槽，該容器可以具有與燃料電極槽的燃料注入口適配的適配單元和用于連接供給單元的第一連接單元，并可以與燃料電極槽可分離，并不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以具有第二連接單元，該第二連接單元連接到供給單元并與供給單元可分離。容器和不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以設(shè)置在燃料盒中。容器和不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以組合在一個(gè)燃料盒中。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括測量容器中的液體燃料的溫度的溫度傳感器，其中濃度檢測單元可以基于由溫度傳感器測量的溫度來校正液體燃料的醇濃度。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括檢測容器中的液體燃料的pH的pH測量單元，其中濃度檢測單元可以基于由pH測量單元測量的pH來校正容器中液體燃料的醇濃度。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括發(fā)出警報(bào)的報(bào)警單元和控制單元，當(dāng)由濃度檢測單元檢測的容器中的液體燃料的醇濃度不在預(yù)定的范圍內(nèi)時(shí)，控制單元控制報(bào)警單元發(fā)出警報(bào)。當(dāng)容器中的液體燃料的醇濃度到達(dá)預(yù)定的值或者低于預(yù)定值時(shí)，控制單元控制報(bào)警單元發(fā)出警報(bào)。以這種方式，容器中的液體燃料中的燃料的用完可以被通知給正使用安裝了燃料電池系統(tǒng)的電子設(shè)備的用戶。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以包括根據(jù)溫度和pH而具有不同質(zhì)子導(dǎo)電性的多個(gè)聚合物隔膜，并且在考慮容器中的液體燃料的溫度或者pH的情況下，基于多個(gè)聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的各改變，濃度檢測單元可以檢測液體燃料中的醇濃度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種醇濃度測量裝置，包括具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物隔膜，當(dāng)用含醇的液體浸入或者浸漬時(shí)，質(zhì)子導(dǎo)電性根據(jù)液體的醇濃度而改變；以及濃度檢測單元，其基于聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的改變來檢測液體的醇濃度。
在本發(fā)明的醇濃度測量裝置中，濃度檢測單元可以包括附著到聚合物隔膜的一對電極端子；測量電極端子之間的電阻值的電阻測量單元；以及濃度計(jì)算單元，其將由電阻測量單元測量的電阻值轉(zhuǎn)換成液體的醇濃度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種測量醇濃度的方法，包括用作為要測量的目標(biāo)的含醇的液體浸漬具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物隔膜；檢測聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化；以及基于質(zhì)子導(dǎo)電性的變化來檢測液體中的醇濃度。
在本發(fā)明的測量醇濃度的方法中，質(zhì)子導(dǎo)電性變化的檢測可以包括測量附著到聚合物隔膜的一對電極端子的電阻值，并且其中檢測醇濃度可以包括基于電阻值計(jì)算液體的醇濃度。
本發(fā)明的測量醇濃度的方法還可以包括在檢測聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的改變之前用二氧化碳?xì)怏w使該液體飽和。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種與燃料電池系統(tǒng)可分離并儲(chǔ)備提供給燃料電池主體的液體燃料的燃料存儲(chǔ)容器，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池主體、第一電極端子、第二電極端子以及在第一電極端子和第二電極端子之間施加電壓的電壓施加單元，該燃料存儲(chǔ)容器包括具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物隔膜；以及附著到聚合物隔膜并分別電連接到第一電極端子和第二電極端子的第三電極端子和第四電極端子。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種使用含醇的液體燃料的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池主體，其包括固體聚合物電解質(zhì)隔膜以及附著到固體電解質(zhì)隔膜的燃料電極和氧化劑電極；容納液體燃料的容器；聚合物隔膜，其設(shè)置在容器的內(nèi)部或者容器的壁部，并且當(dāng)浸漬在液體燃料中時(shí)，其尺寸能隨液體燃料的醇濃度的濃度改變；以及濃度檢測單元，其檢測聚合物隔膜的尺寸的變化程度和基于尺寸的變化程度來檢測容器中的液體燃料的醇濃度。
燃料電池主體可以是液體燃料直接提供給燃料電極的直接型，或者可以是使用通過重整液體燃料而獲得的氫氣作為燃料的類型。容納液體燃料的容器包括設(shè)置在燃料電池主體的燃料電極處的燃料電極槽、存儲(chǔ)提供給燃料電極槽的燃料的緩沖槽、燃料盒以及連接它們的管道，并且如果聚合物隔膜可以被液體燃料浸漬，則可以具有任何結(jié)構(gòu)。
聚合物隔膜被構(gòu)造成浸漬在容器中的液體燃料中并由其尺寸隨液體燃料中的醇濃度和水濃度變化的材料構(gòu)成。聚合物隔膜由其尺寸隨液體燃料中的醇濃度和水濃度膨脹或者收縮而變化的材料構(gòu)成。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以用簡單的結(jié)構(gòu)來檢測液體燃料中的醇濃度。由于本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以基于液體燃料中的聚合物隔膜的尺寸變化來檢測液體燃料中的醇濃度，所以即使在作為不良溶劑的含水的醇溶液中，也能夠以高精度來檢測醇濃度。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，濃度檢測單元可以包括附著到聚合物隔膜的應(yīng)變儀；測量應(yīng)變儀的電阻變化的電阻測量單元；以及濃度計(jì)算單元，其將電阻測量單元測量的電阻變化轉(zhuǎn)換成液體燃料的醇濃度。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，聚合物隔膜可以包含質(zhì)子酸基團(tuán)。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，固體聚合物電解質(zhì)膜的一部分可以用作聚合物隔膜。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，濃度檢測單元可以包括夾著聚合物隔膜的電容器；測量電容器的電容的電容測量單元；以及醇濃度計(jì)算單元，其基于電容測量單元測量的電容的變化來檢測聚合物隔膜的尺寸變化，并將尺寸變化程度轉(zhuǎn)換成液體燃料的醇濃度。在這種情況中，絕緣材料可以用作聚合物隔膜。作為這種材料，在聚合物隔膜通過電子束、UV或者x射線的照射或者浸漬在鹽中而展示出絕緣性能之后，可以使用該聚合物隔膜，所述聚合物隔膜具有可用于燃料電池主體的固體電解質(zhì)隔膜的磺酸基。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，濃度檢測單元可以包括附著到聚合物隔膜的石英振蕩器；諧振頻率特性測量單元，其檢測石英振蕩器的諧振頻率的變化；以及濃度計(jì)算單元，其將由諧振頻率特性測量單元測量的諧振頻率特性轉(zhuǎn)換成液體燃料的醇濃度。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，聚合物隔膜可以是交聯(lián)的。因此，即使聚合物隔膜由于液體燃料中的醇濃度的變化而重復(fù)地膨脹和收縮，也可以抑制材料的退化。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括不同濃度燃料存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)具有與容器中的液體燃料的醇濃度不同的醇濃度的液體燃料；供給單元，其從不同濃度燃料存儲(chǔ)單元向容器提供液體燃料；以及控制單元，其根據(jù)由濃度檢測單元檢測的容器中的液體燃料的醇濃度來調(diào)整由供給單元提供的液體燃料的供給量。包含在不同濃度燃料存儲(chǔ)單元中的液體燃料可以具有比容器中的液體燃料高的濃度或者低的濃度。燃料電池系統(tǒng)可以包括多個(gè)不同濃度燃料存儲(chǔ)單元。不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以包括不含醇的水。在這種情況中，當(dāng)液體燃料被提供給燃料電池主體之后，燃料電極中產(chǎn)生的水可以被回收到不同濃度燃料存儲(chǔ)單元中并被循環(huán)。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以檢測容器中的液體燃料的濃度變化，并且具有適當(dāng)醇濃度的的液體燃料可以被提供給燃料電池主體。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，容器可以設(shè)置在與燃料電池主體可分離的燃料盒中。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括燃料電極槽，其具有燃料注入口并向燃料電極提供液體燃料；以及燃料盒，其具有與燃料電極槽的燃料注入口適配的適配單元并且與燃料電極槽可分離，其中容器可以設(shè)置在燃料盒中。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括燃料電極槽，其具有燃料注入口并且向燃料電池主體提供液體燃料，容器可以具有與燃料電極槽的燃料注入口適配的適配單元和連接到供給單元的第一連接單元，該容器與燃料電極槽和供給單元可分離，并且不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以具有第二連接單元，其連接到供給單元并與供給單元可分離。容器和不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以設(shè)置在燃料盒中。容器和不同濃度燃料存儲(chǔ)單元可以結(jié)合在一個(gè)燃料盒中。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括溫度傳感器，其測量容器中的液體燃料中的溫度，其中濃度檢測單元可以基于由溫度傳感器測量的溫度來校正容器中的液體燃料的醇濃度。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括pH測量單元，其測量容器中的液體燃料的pH，其中濃度檢測單元可以基于由pH測量單元測量的pH來校正容器中的液體燃料的醇濃度。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括發(fā)出警報(bào)的報(bào)警單元；以及控制單元，當(dāng)由濃度檢測單元檢測的容器中的液體燃料的醇濃度不在預(yù)定的范圍內(nèi)時(shí)，其通知報(bào)警單元發(fā)出警報(bào)。當(dāng)容器中的液體燃料的醇濃度到達(dá)預(yù)定的值或者低于預(yù)定值時(shí)，控制單元控制可以控制報(bào)警單元發(fā)出警報(bào)。以這種方式，容器中的液體燃料中的燃料的用完可以被通知給正使用安裝了燃料電池系統(tǒng)的電子設(shè)備的用戶。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還可以包括相對于溫度和pH具有不同尺寸改變程度的多個(gè)聚合物隔膜，其中考慮到容器中的液體燃料的溫度或者pH，根據(jù)多個(gè)聚合物隔膜的各尺寸變化程度，濃度檢測單元可以檢測液體燃料中的醇濃度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種醇濃度測量裝置，包括聚合物隔膜，當(dāng)用含醇的液體浸漬時(shí)，其根據(jù)液體中的醇濃度的濃度而表現(xiàn)出尺寸變化；以及濃度檢測單元，其基于尺寸的變化程度，來檢測聚合物隔膜的尺寸的變化程度并檢測液體的醇濃度。
在本發(fā)明的醇濃度測量裝置中，濃度檢測單元可以包括附著到聚合物隔膜的應(yīng)變儀；電阻測量單元，其測量應(yīng)變儀的電阻變化；以及濃度計(jì)算單元，其將由電阻測量單元測量的電阻變化轉(zhuǎn)換成液體燃料的醇濃度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種測量醇濃度的方法，包括用作為要測量的目標(biāo)的含醇的液體浸漬聚合物隔膜，當(dāng)進(jìn)入該液體使，其表現(xiàn)出尺寸變化；檢測聚合物隔膜的尺寸變化；以及基于聚合物隔膜的尺寸變化來檢測液體的醇濃度。
在本發(fā)明的測量醇濃度的方法中，檢測尺寸變化可以包括測量附著到聚合物隔膜的應(yīng)變儀的電阻變化，并且檢測醇濃度可以包括將測量電阻中測量的電阻變化轉(zhuǎn)換成液體的醇濃度。
在本發(fā)明的測量醇濃度的方法中，檢測尺寸變化可以包括測量夾著聚合物隔膜的電容器的電容，并且檢測醇濃度可以包括基于在測量電容中測量的電容的變化來檢測聚合物隔膜的尺寸變化，并將尺寸變化程度轉(zhuǎn)換成液體燃料的醇濃度。
在本發(fā)明的醇濃度的測量方法中，檢測尺寸變化可以包括測量附著到聚合物隔膜的石英振蕩器的諧振頻率的變化，并且檢測醇濃度可以包括基于在測量諧振頻率中測量的諧振頻率的變化來測量聚合物隔膜的尺寸變化，并將尺寸變化程度轉(zhuǎn)換成液體燃料的醇濃度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種燃料存儲(chǔ)容器，其與燃料電池系統(tǒng)可分離并儲(chǔ)備提供給燃料電池主體的液體燃料，其中燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池主體、第一電極端子、第二電極端子以及在第一電極端子和第二電極端子之間施加電壓的電壓施加單元，該燃料存儲(chǔ)容器包括當(dāng)被浸漬在含醇的液體中時(shí)尺寸變化的聚合物隔膜；附著到聚合物隔膜的應(yīng)變儀；以及第三電極端子和第四電極端子，其電連接到第一電極端子和第二電極端子，以分別輸出應(yīng)變儀的電阻變化。
因此，組成元件、構(gòu)成元件的金屬替代物、關(guān)于方法和工藝的表示、以及系統(tǒng)的任何組合，所有這些都有效地作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明，提供了能夠用簡單的結(jié)構(gòu)來檢測醇濃度的醇濃度測量裝置、包括該裝置的燃料電池系統(tǒng)、測量醇濃度的方法。


從下述的優(yōu)選實(shí)施例和附圖，本發(fā)明的上述目的及其它目的、特征的優(yōu)點(diǎn)將更加顯而易見。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)例子的圖。
圖2是詳細(xì)地示出了傳感器的圖。
圖3是示出了另一個(gè)傳感器的圖。
圖4是示出了再一個(gè)傳感器的圖。
圖5是示出了實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖6是詳細(xì)地示出了圖1所示的濃度測量單元的結(jié)構(gòu)的圖。
圖7是示出了還包括pH傳感器和溫度傳感器的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。
圖8是示出了包括相對于溫度和pH具有不同電阻的三個(gè)或者更多個(gè)類型的聚合物隔膜組合的濃度測量單元的圖。
圖9是詳細(xì)地示出了圖1所示的燃料供給處理單元的結(jié)構(gòu)的圖。
圖10是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖11是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖12是示出了傳感器的變形例子的圖。
圖13是示意性地示出了燃料電池主體的單元電池的橫截面圖。
圖14是示出了本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
圖15是圖14所示的燃料盒中的緩沖槽和主體側(cè)中的燃料電極槽的圖。
圖16是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖17是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖18是圖15所示的燃料盒的另一個(gè)例子的圖。
圖19是示出了甲醇濃度和電阻值之間的關(guān)系的曲線。
圖20是本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
圖21是詳細(xì)地示出了傳感器的圖。
圖22是本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖23是詳細(xì)示出了圖20所示的濃度測量單元的結(jié)構(gòu)的圖。
圖24是示出了還包括pH傳感器和溫度傳感器的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。
圖25是示出了包括相對于溫度和pH具有不同電阻的三個(gè)或者更多個(gè)類型的聚合物隔膜組合的濃度測量單元的圖。
圖26是詳細(xì)地示出了圖20所示的燃料供給處理單元的結(jié)構(gòu)的圖。
圖27是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)另一個(gè)例子的圖。
圖28是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖29是示出了傳感器的變形例子的圖。
圖30是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖31是詳細(xì)地示出了傳感器的圖。
圖32是本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
圖33是圖32中所示的燃料盒中的緩沖槽和主體側(cè)中的燃料電極槽的示意圖。
圖34是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖35是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖36是示出圖33所示的燃料盒的另一個(gè)例子的圖。
圖37是示出了燃料供給處理單元的另一個(gè)例子的圖。
圖38是示出了燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子的圖。
圖39是示出了傳感器的另一個(gè)例子的圖。
圖40是示出了傳感器的另一個(gè)例子的圖。
圖41是示出了傳感器的另一個(gè)例子的圖。
圖42是示出了燃料電池系統(tǒng)的另一個(gè)例子的圖。
圖43是示出了燃料電池系統(tǒng)的另一個(gè)例子的圖。
具體實(shí)施例方式
不特別限定下述實(shí)施例中所述的燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用，然而燃料電池系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)赜糜谛⌒偷碾娮釉O(shè)備中，諸如移動(dòng)電話、筆記本型便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)、PDA(個(gè)人數(shù)字助理)、各種照相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、便攜式音樂播放器等。
(第一實(shí)施例)圖1是示出本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。在圖1中，燃料電池系統(tǒng)660包括燃料電池主體100、燃料電極槽662、緩沖槽664、傳感器668、濃度測量單元670、控制單元672、燃料供給處理單元674、燃料存儲(chǔ)單元676和報(bào)警單元680。
在該實(shí)施例中，有機(jī)液體燃料，諸如甲醇、乙醇、二甲醚或者其它醇可以用作燃料124。有機(jī)液體燃料可以是水溶液的形式。
燃料電池主體100包括固體電解質(zhì)隔膜114以及附著到固體電解質(zhì)隔膜114的燃料電極102和氧化劑電極108。作為提供給氧化劑電極108的氧化劑，通常，可以使用空氣，然而，也可以提供氧氣。燃料電池主體100的具體結(jié)構(gòu)將在下面描述。
此外在該實(shí)施例中，燃料存儲(chǔ)單元676包含具有高于提供給燃料電極102的燃料124的醇濃度的燃料124。
將提供給燃料電極662的燃料124引入到緩沖槽664中。使用傳感器668檢測緩沖槽664中的燃料124的醇濃度。傳感器668包括聚合物隔膜665、第一電極端子666和第二電極端子667。聚合物隔膜665是具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物隔膜。構(gòu)成聚合物隔膜665，使其用緩沖槽664中的燃料124浸漬隔膜，并由其質(zhì)子導(dǎo)電性隨燃料124中的醇濃度改變的材料構(gòu)成。該實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)660可以基于聚合物隔膜665的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化來檢測緩沖槽664中的燃料124中的甲醇濃度。
聚合物665可以由任何材料制成，只要其質(zhì)子導(dǎo)電性隨燃料124中的醇濃度是可變的。例如，其可以由與用于燃料電池主體100的固體電解質(zhì)隔膜114相同的材料制成。合適材料的典型例子包括具有極性基的有機(jī)聚合物，極性基是諸如砜基(sulfone group)、磷酸基(phosphorus acid group)、膦酸基(phosphonic group)和膦基(phosphinegroup)這樣的強(qiáng)酸基，或者諸如羧基(carboxyl group)這樣的弱酸基。這樣的有機(jī)聚合物的典型例子包括包含芳族的聚合物，諸如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亞苯基)(sulfonated poly(4-phenoxybenzoyl-1，4-phenylene))和烷基磺化的聚苯并咪唑(alkyl-sulfonated polybenzoimidazole)；共聚物，諸如聚苯乙烯磺酸(polystyrenesulfonic acid)共聚物、聚乙烯基磺酸(polyvinylsulfonic acid)共聚物、交聯(lián)(crosslinked)的烷基磺酸(alkylsulfonic acid)衍生物、以及具有氟塑料(fiuoroplastic)結(jié)構(gòu)和磺酸的含氟聚合物的共聚物；諸如丙烯酰胺(acrylamide)-2-甲基丙烷磺酸(methylpropanesulfoicacid)的丙烯酰胺和諸如n-甲基丙烯酸丁酯(butyl methacrylate)的丙烯酸酯(acrylate)的共聚物；含磺酸基的全氟碳(perfluorocarbon)(Nafion(注冊商標(biāo)；由E.I.duPont de Nemours and Company制造)，Aciplex(由Asahi Kasei公司制造))；含羧基的全氟碳(Flemion(注冊商標(biāo))S膜(由Asahi Glass Co.，LTD.制造))；芳族聚醚(aromatic polyether)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide)、聚酰亞胺、聚膦腈(Polyphosphazene)、三氟苯乙烯(trifiuorostyrene)聚合物(BAM3G，由Ballard Advanced Materials Corporation制造)等。
在熔融狀態(tài)下，用可交聯(lián)的取代基進(jìn)一步取代的上面例舉的聚合物可以按原樣使用或者通過照射射線、紫外線、電子射線等進(jìn)行交聯(lián)之后使用，所述可交聯(lián)的取代基諸如乙烯基、環(huán)氧基、丙烯基、異丁烯基(methacryl group)、肉桂?；?cinnamoyl group)、羥甲基(methylolgroup)、疊氮基(azide group)或者萘醌二疊氮基(naphthoquinonediazidegroup)。
第一電極端子666和第二電極端子667彼此間隔地放置在聚合物隔膜665的表面上或者聚合物隔膜665中。由于聚合物隔膜665由其質(zhì)子導(dǎo)電性隨醇濃度可變的材料構(gòu)成，所以當(dāng)電流通過聚合物隔膜665施加在第一電極端子666和第二電極端子667之間時(shí)，第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值隨緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度變化。濃度測量單元670基于第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值來測量緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度。將在后面描述濃度測量單元670的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖2是詳細(xì)地示出了傳感器668的圖。圖2(a)是示出形成第一電極端子666和第二電極端子667的傳感器668的一個(gè)面的圖。圖2(b)是圖2(a)的側(cè)視圖。第一電極端子666和第二電極端子667由任何材料構(gòu)成，只要該材料可以穩(wěn)定地存在于燃料124中并具有導(dǎo)電性。第一電極端子666和第二電極端子667可以通過導(dǎo)電膠粘接到聚合物隔膜665。作為導(dǎo)電膠，可以使用包含諸如金和銀的材料的聚合物膠。第一電極端子666和第二電極端子667通過導(dǎo)線710a和710b分別電連接到圖1所示的濃度測量單元670。
如圖39所示，傳感器668具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中第一電極端子666和第二電極端子667的表面被憎水隔膜720覆蓋，諸如Teflon(注冊商標(biāo))。具有這種結(jié)構(gòu)，即使傳感器668插入到緩沖槽664中，也能阻止第一電極端子666和第二電極端子667與緩沖槽664中的燃料直接接觸。因此，避免了第一電極端子666和第二電極端子667受到燃料的腐蝕。因此，可以保持第一電極端子666和第二電極端子667穩(wěn)定。
圖3是示出傳感器668的另一個(gè)例子的圖。如圖3(a)所示，通過圍繞聚合物隔膜665形成的導(dǎo)線710a和導(dǎo)線710b可以構(gòu)成第一電極端子666和第二電極端子667。而且，如圖3(b)所示，通過使導(dǎo)線710a和導(dǎo)線710b在聚合物隔膜665的厚度方向上穿透聚合物隔膜665和使通過導(dǎo)線710a和導(dǎo)線710b的穿透部分形成錨定件(anchor)，可以形成第一電極端子666和第二電極端子667。
圖4是表示傳感器668的另一個(gè)例子的圖。如圖4(a)所示，通過用導(dǎo)電膠711將導(dǎo)線710a和導(dǎo)線710b固定在聚合物隔膜665上可以構(gòu)成第一電極端子666和第二電極端子667。作為導(dǎo)電膠，和上述的一樣，可以使用包含諸如金和銀的金屬的聚合物膠。圖4(b)是圖4(a)所示的傳感器668的側(cè)視圖。對于前面所述的圖3(a)和3(b)所示的第一電極端子666和第二電極端子667，通過類似的導(dǎo)電膠也可以將導(dǎo)線710a和導(dǎo)線710b牢固地固定到聚合物隔膜665。
此外，如圖4(c)和4(d)所示，傳感器668可以形成為包括電極端子666a、電極端子666b、電極端子667a和電極端子667b的四個(gè)電極。各個(gè)電極端子666a、666b、667a和667b通過導(dǎo)線710a、導(dǎo)線710b、導(dǎo)線710c和導(dǎo)線710d分別電連接到濃度測量單元670(參見圖1)。例如，濃度測量單元670可以用于測量在電極端子666a和電極端子667a之間流動(dòng)的電流和用于測量在電極端子666b和電極端子667b之間的電壓。
回過來參考圖1，由濃度測量單元670測量的緩沖槽664中的燃料124的醇濃度被傳輸?shù)娇刂茊卧?72。燃料供給處理單元674進(jìn)行用于從燃料存儲(chǔ)單元676向緩沖槽664提供燃料124的處理?？刂茊卧?72確定濃度測量單元670測量的醇濃度是否在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，并控制燃料供給處理單元674以便使緩沖槽664中的燃料124的醇濃度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。根據(jù)控制單元672的控制，燃料供給處理單元674控制從燃料存儲(chǔ)單元676提供給緩沖槽664的燃料124的供給量。在后面還將描述燃料供給處理單元674的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
當(dāng)甚至在重復(fù)燃料供給處理單元674的控制之后緩沖槽664中的燃料124的醇濃度也沒有校正為在適當(dāng)范圍內(nèi)時(shí)，控制單元672使報(bào)警單元680產(chǎn)生警報(bào)。
如圖5所示，燃料電池系統(tǒng)660可以不包括燃料存儲(chǔ)單元676和燃料供給處理單元674。在這種情況中，當(dāng)由濃度測量單元670測量的醇濃度不在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)時(shí)，控制單元672使得報(bào)警單元680發(fā)出警報(bào)。由于燃料124中的醇的含量(摩爾比)通常低于水的含量(摩爾比)，所以當(dāng)通過使緩沖槽664中的燃料124循環(huán)到燃料電極662來在燃料電池主體100中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，燃料124中的醇被消耗，從而緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度逐漸降低。具有圖5所示的結(jié)構(gòu)，當(dāng)緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度降低到預(yù)定的濃度或者更低時(shí)，報(bào)警單元680工作以發(fā)出警報(bào)，從而可以檢測緩沖槽664中的燃料124的使用極限。
圖6是詳細(xì)地示出濃度測量單元670的結(jié)構(gòu)的圖。
濃度測量單元670包括電阻測量單元(R/O)682，用于測量第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值；濃度計(jì)算單元(S/O)684，用于基于由電阻測量單元682測量的電阻值來計(jì)算緩沖槽664中的醇濃度；以及參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685，用于存儲(chǔ)表示第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值與甲醇濃度之間的關(guān)系的參考數(shù)據(jù)。對于電阻測量單元682，可以采用具有電橋的交流阻抗計(jì)。通過使用具有20mV或者更低的低振幅的交流可以測量第一電極端子666和第二電極端子667的電阻值。濃度計(jì)算單元684訪問參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685并基于參考數(shù)據(jù)從由濃度計(jì)算單元684測量的電阻值來計(jì)算甲醇濃度。
而且，如圖7所示，燃料電池系統(tǒng)660還可以包括pH傳感器686和溫度傳感器688。如上述公式(2)所示，在燃料電極102上產(chǎn)生二氧化碳。因此，當(dāng)通過燃料電極槽662時(shí)，二氧化碳溶解在燃料124中，燃料124的pH值可能改變。由于聚合物隔膜665的質(zhì)子導(dǎo)電性可以依賴于溫度或者pH值，所以濃度測量單元670優(yōu)選在考慮燃料124的溫度和pH值的情況下來測量燃料124中的甲醇濃度。pH傳感器686和溫度傳感器688分別測量緩沖槽664中的燃料124的pH值和溫度。參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685(圖6)可以存儲(chǔ)第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值與各溫度值和pH值的甲醇濃度之間的關(guān)系。此外，參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685可以存儲(chǔ)用于第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值與各溫度值和pH值的甲醇濃度之間的關(guān)系的校正公式。以這種方式，濃度測量單元670可以在考慮緩沖槽664中的燃料124的溫度和pH值的情況下來測量燃料124中的甲醇濃度，因而精確地測量甲醇濃度。
在當(dāng)pH傳感器686不包括在燃料電池系統(tǒng)660中的情況中，參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685(圖6)可以存儲(chǔ)第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值與燃料124被二氧化碳?xì)怏w飽和的狀態(tài)中的甲醇濃度之間的關(guān)系。在這種情況中，在緩沖槽664中的燃料124被二氧化碳?xì)怏w飽和之后可以啟動(dòng)由濃度測量單元670對醇濃度的測量。以這種方式，在不考慮由于燃料電池主體100的電極反應(yīng)中產(chǎn)生的二氧化碳導(dǎo)致的燃料124中的pH值變化時(shí)，可以測量燃料124中的醇濃度。
可以采用熱電偶、金屬溫度測量電阻、熱敏電阻、IC溫度傳感器、磁溫度傳感器、熱電堆或者熱電型溫度傳感器作為溫度傳感器688。而且，可以采用市場上可得到的pH計(jì)作為pH傳感器686。當(dāng)使用具有溫度測量功能的pH計(jì)時(shí)，可以將pH傳感器686和溫度傳感器688結(jié)合為一體。
圖40示出了溫度傳感器688(或者PH傳感器686)和傳感器668結(jié)合為一體的結(jié)構(gòu)。如圖40(a)所示，可以通過將溫度傳感器688(或者pH傳感器686)堆疊到聚合物隔膜665的表面來構(gòu)成傳感器668，并還如圖40(b)所示，可以通過將溫度傳感器688嵌入聚合物隔膜665中來構(gòu)成傳感器668。另外，如圖40(c)所示，通過將薄膜狀濃度測量單元670粘接到聚合物隔膜665來構(gòu)成傳感器668。
另外，如圖8所示，可以通過采用多個(gè)傳感器668a、668b和668c測量緩沖槽664中的燃料124的醇濃度、溫度和pH值，根據(jù)混合物中的溫度和PH值，每個(gè)傳感器包括具有不同質(zhì)子導(dǎo)電性的三種或者多種聚合物隔膜。至于聚合物隔膜的組合，可以采用例如(1)含磺酸基的聚全氟碳，諸如Nafion，(2)含磺酸基的聚醚酮(polyetherketones)，諸如聚醚酮(PEEK)，和(3)含磺酸基的聚苯乙烯共聚物。在這種情況中，濃度測量單元670可以包括分別用于測量傳感器668a、668b和668c中的電阻值的多個(gè)電阻測量單元682a、682b和682c?？紤]到溫度和pH值，根據(jù)由多個(gè)電阻測量單元682a、682b和682c測量的電阻值，濃度計(jì)算單元684可以檢測燃料124中的醇濃度。
另外，如圖7所示，可以通過使用溫度傳感器688以及根據(jù)pH值而具有不同質(zhì)子導(dǎo)電性的兩種或者多種聚合物隔膜來測量緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度和pH值。
圖9是詳細(xì)示出燃料供給處理單元674的結(jié)構(gòu)的圖。
燃料供給處理單元674包括逆變器461和燃料供給單元465。燃料供給單元465改變從燃料存儲(chǔ)單元676提供給緩沖槽664的燃料124的量。作為燃料供給單元465，可以使用壓電泵。當(dāng)壓電泵用作燃料供給單元465時(shí)，控制單元672通過改變逆變器461的頻率或者電壓來控制來自燃料存儲(chǔ)單元676的燃料124的供給量。
與使用常規(guī)電磁泵的情況相比，使用壓電泵作為燃料供給單元465使得能夠小型化泵和使得泵的重量變輕。而且，改善了耐用性。也可以降低用于運(yùn)行泵所需的電功率。另外，通過改變逆變器461中的頻率或者電壓還可以控制來自泵的燃料124的供給量。當(dāng)改變逆變器461的頻率時(shí)，可以改變單位時(shí)間泵的釋放頻率。另外，當(dāng)改變電壓時(shí)，通過改變壓電元件的位移量可以改變每一次釋放操作的釋放量。因此，在改變?nèi)魏我豁?xiàng)的任何情況中，可以調(diào)節(jié)燃料124的供給量。
作為壓電泵，例如優(yōu)選采用雙壓電晶體型壓電泵。作為雙壓電晶體型壓電泵，可以采用Bimorph Pump(注冊商標(biāo)；由Kyokko公司制造)和由FDK公司制造的雙壓電晶體型壓電設(shè)備。盡管沒有在圖中示出，但是通過來自燃料電池主體100的輸出的ac/dc轉(zhuǎn)換，逆變器461可以獲得用于雙壓電晶體型壓電泵的工作電源。作為逆變器461，可以使用Matsushita Electric Industrial有限公司制造的EXCF系列。
盡管圖中未示出，但是可以以如下結(jié)構(gòu)構(gòu)成緩沖槽664和燃料電極槽662，其中通過具有和燃料供給單元465類似結(jié)構(gòu)的壓電泵可以循環(huán)燃料124。以這種方式，當(dāng)液體燃料用作燃料124時(shí)，可以從燃料電極102有效地去除燃料電池102中產(chǎn)生的諸如二氧化碳的氣體。因此，可以改善燃料電極102中的催化劑的利用率并且可以改善燃料電池主體100的輸出。
而且，如圖10所示，傳感器668可以具有如下結(jié)構(gòu)，其中它附著在緩沖槽664的壁部。另外，如圖11所示，傳感器668可以放置在燃料電極槽662中。在這種情況中，燃料電池主體100的固體電解質(zhì)隔膜114的一部分可以用作如圖1所示的聚合物隔膜665。
而且，如圖42所示，傳感器668可以附著在燃料電極槽662的壁部。另外，盡管在圖中沒有示出，傳感器668可以放置在燃料電極槽662中。
圖12示出了具有圖10和11所示的結(jié)構(gòu)的傳感器的668的例子。圖12(a)示出了圖10所示的傳感器668的變形例子。對于傳感器668，第一電極端子666和第二電極端子667可以附著在緩沖槽664的外面，以便于使它們不和緩沖槽664中的燃料直接接觸。如果聚合物隔膜665被緩沖槽664中的燃料浸漬，那么即使第一電極端子666和第二電極端子667沒有放置在緩沖槽664中，也能檢測第一電極端子666和第二電極端子667之間的電阻值。具有這種結(jié)構(gòu)，由于第一電極端子666和第二電極端子667沒有恒定地放置在燃料中，所以避免了第一電極端子666和第二電極端子667受到燃料的腐蝕。因此，可以穩(wěn)定地保持第一電極端子666和第二電極端子667。
圖12(b)示出了圖11所示的傳感器668的變形例子。這里，對于傳感器668，第一電極端子666和第二電極端子667可以附著在固體電解質(zhì)隔膜114的氧化劑電極108側(cè)，以便不和燃料電極槽662中的燃料直接接觸。因此，可以穩(wěn)定地保持第一電極端子666和第二電極端子667。
接下來，參考圖13，將描述圖1所示的燃料電池主體100的結(jié)構(gòu)。燃料電池主體100具有單個(gè)或者多個(gè)單元電池101。圖13是示意性地示出單元電池101的橫截面圖。每個(gè)單元電池101包括燃料電極102、氧化劑電極108和固體電解質(zhì)隔膜114。在燃料電池主體100中，通過燃料電極側(cè)隔板120向燃料電極102提供燃料124。而且，通過氧化電極側(cè)隔板122向每個(gè)單元電池101的氧化劑電極108提供氧化劑126。
除了分隔燃料電極102和氧化劑電極108之外，固體電解質(zhì)隔膜114還具有在它們之間傳輸氫離子(質(zhì)子)的功能。因此，固體電解質(zhì)隔膜114可以優(yōu)選是具有高質(zhì)子導(dǎo)電性的隔膜。另外，該隔膜可以優(yōu)選是化學(xué)穩(wěn)定的并可以具有高的機(jī)械強(qiáng)度。
燃料電極102和氧化劑電極108可以分別具有如下結(jié)構(gòu)，其中每一個(gè)都包括催化劑支撐碳顆粒和固體電解質(zhì)精細(xì)顆粒的燃料電極側(cè)催化劑層106和氧化劑電極側(cè)催化劑層112分別形成在基底部件104和基底部件110上。作為催化劑，可以例舉鉑以及鉑和釕的合金。用于燃料電極102和氧化劑電極108的催化劑可以相同或者不同。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)660具有圖11所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，沒有形成燃料電極側(cè)催化劑層106和氧化劑側(cè)催化劑層112的固體電解質(zhì)隔膜114中的區(qū)域用作聚合物隔膜665。
基底部件104和基底部件110的表面可以經(jīng)受防處理。如上所述，當(dāng)甲醇用作燃料124時(shí)，在燃料電極102處產(chǎn)生二氧化碳。如果在燃料電極102處產(chǎn)生的二氧化碳的氣泡停滯在燃料電極102的附近，那么抑制了向燃料124提供燃料124并導(dǎo)致發(fā)電效率的較低。因此，優(yōu)選對具有親水涂覆材料或憎水涂覆材料的基底部件104的表面進(jìn)行表面處理。通過對具有親水涂覆材料的表面處理可以增加基底部件104的表面處的燃料的流動(dòng)性。因此，二氧化碳的氣泡很容易和燃料124一起移動(dòng)。而且，通過處理憎水涂覆材料可以減少附著到基底部件104的表面的水，這種水附著是氣泡形成的原因。因此，可以減少基底部件104的表面上的氣泡形成。另外，由于通過上述表面處理方式的表面處理和對燃料電池主體100的振動(dòng)處理的共同作用，還可以從燃料電極102有效地去除二氧化碳，從而可以獲得高的發(fā)電效率。氧化鈦、氧化硅等可以例舉為親水涂覆材料。另一方面，聚四氟乙烯、硅烷等可以例舉為憎水涂覆材料。
堆疊具有上述結(jié)構(gòu)的單元電池101，以便獲得包括燃料電池堆(fuelcell stack)的燃料電池主體100，其中多個(gè)單元電池101串聯(lián)連接。
根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)660，對于將第一電極端子666和第二電極端子667附著于聚合物隔膜665構(gòu)成的簡單結(jié)構(gòu)，可以檢測液體燃料的醇濃度。
(第二實(shí)施例)圖14是示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。在本實(shí)施例中，燃料盒(cartridge)678附著到燃料電池系統(tǒng)660。
燃料盒678包括緩沖槽664和燃料存儲(chǔ)單元676。燃料電池系統(tǒng)660的主體側(cè)679包括燃料電池主體100、燃料電極槽662、燃料供給處理單元674、濃度測量單元670和控制單元672。相同的標(biāo)記指定給和圖1的第一實(shí)施例中解釋的元件組件相同的元件組件，并且將適當(dāng)?shù)厥÷詫λ鼈兊慕忉尅?br> 這里，構(gòu)成燃料供給處理單元674，使得當(dāng)燃料盒678附著時(shí)，向緩沖槽664提供包含在燃料盒678的燃料存儲(chǔ)單元676中的燃料124。在燃料盒678中，緩沖槽664包含傳感器668。主體側(cè)679包括當(dāng)燃料盒附著到濃度測量單元670時(shí)與傳感器668的第一電極端子666和第二電極端子667電連接的端子(圖中未示出)。構(gòu)成燃料電極槽662，使得從緩沖槽664引入燃料124。
圖15是示出燃料盒678中的緩沖槽664和主體側(cè)679中的燃料電極槽662的示意圖。燃料供給端口643設(shè)置在燃料電極槽662中，并且緩沖槽664具有和燃料電極槽662的燃料供給端口643適配的適配單元647。分別和傳感器668的第一電極端子666和第二電極端子667電連接的電極端子666a和電極端子667a位于燃料盒主體645的側(cè)壁。這里，除了圖14所示的結(jié)構(gòu)之外，燃料電池主體100還包括絕緣板130、燃料電極側(cè)集電器(collector)132和氧化劑電極側(cè)集電器134。
如圖16所示，傳感器668可以設(shè)置在主體側(cè)679的燃料電極槽662中。另外，如圖17所示，可以構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)660，使得只包含燃料存儲(chǔ)單元676的燃料盒678與它是可分離的。而且，盡管圖中未示出，但燃料盒678可以包括閥。傳感器668可以附著到燃料盒678的壁部。在這種情況中，使燃料盒678具有如下結(jié)構(gòu)，即用密封物覆蓋暴露在外部的傳感器668的露出部分，并在將它附著到主體側(cè)679之前去除密封物。因此，可以阻止在將燃料盒678附著到主體側(cè)679之前從燃料盒678的液體燃料的泄漏。
圖18是示出了圖15所示的燃料盒678的另一個(gè)例子的圖。這里，燃料盒678的緩沖槽664包括燃料供給部件637。在這個(gè)例子中，燃料電池主體100不包括燃料電極槽662，并將包含在緩沖槽664中的燃料通過燃料供給部件637提供給燃料電池主體100的燃料電極102。燃料供給部件637由能夠吸收燃料124并將吸收的燃料提供給燃料電池主體100的材料構(gòu)成。例如，燃料供給部件637可以由尿烷(urethane)構(gòu)成。另外，燃料供給部件637可以由陶瓷的多孔體構(gòu)成，例如硅石多孔體(silica porous body)和氧化鋁多孔體(aluminaporous body)和氟樹脂(fluoro resin)、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚砜、聚硫化物(polysulide)和聚苯并咪唑的多孔膜。
當(dāng)燃料盒678具有這樣的結(jié)構(gòu)時(shí)，如果由濃度測量單元670測量的緩沖槽664中的醇濃度不再適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，那么控制單元672可以使報(bào)警單元680產(chǎn)生警報(bào)。
根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)660，可以用簡單的結(jié)構(gòu)檢測液體燃料的醇濃度。
(例1)Nafion N112隔膜(E.I.du Pont de Nemours and Co.制造，厚度大約是50μm，寬度大約是5mm，長度大約是60mm)用作聚合物隔膜665，以及金端子(其寬度大約是6mm2)附著到聚合物隔膜665的縱向方向的兩端以提供給傳感器668。將具有已知濃度的甲醇水溶液引入到容器中，通過改變具有10mV或者更低幅值的電流、通過采用具有電橋的交流阻抗計(jì)來測量電極之間的電阻值。圖19示出了甲醇濃度和電阻值之間的關(guān)系。如所述的，通過利用聚合物隔膜665的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化可以精確地檢測醇濃度。
(第三實(shí)施例)
圖20是示出了本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。圖20所示的燃料電池系統(tǒng)692包括燃料電池主體100、燃料電極槽662、緩沖槽664、傳感器698、濃度測量單元670、控制單元672、燃料供給處理單元674、燃料存儲(chǔ)單元676和報(bào)警單元680。
在本實(shí)施例中，作為燃料124，可以使用有機(jī)液體燃料，例如甲醇、乙醇、二甲醚或者其它醇。有機(jī)液體燃料可以是水溶液的形式。
燃料電池主體100包括固體電解質(zhì)隔膜114、和附著到固體電解質(zhì)隔膜114上的燃料電極102和氧化劑電極108。作為提供給氧化劑電極108的氧化劑，通常使用空氣或者可以提供氧氣。燃料電池主體100具有和在第一實(shí)施例中參考圖13所述的相同結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施例中，燃料存儲(chǔ)單元676包括具有比提供給燃料電極102的燃料124的醇濃度高的燃料124。
提供給燃料電極槽662的燃料124被引入到緩沖槽664中。傳感器698用于檢測緩沖槽664中的燃料124的醇濃度。傳感器698包括聚合物隔膜694、應(yīng)變儀695、第一端子696和第二端子697。聚合物隔膜694構(gòu)造成浸漬在醇中并由如下材料構(gòu)成，即其尺寸隨燃料124的醇濃度可以變化。本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)692可以基于聚合物隔膜694的尺寸變化來檢測緩沖槽664中的燃料124中的甲醇濃度。
聚合物隔膜694由任何材料構(gòu)成，只要該材料的尺寸隨燃料124的醇濃度是可以變化的。例如，它可以由和固體電解質(zhì)隔膜114的材料相同的材料構(gòu)成。合適材料的典型例子包括具有極性基的有機(jī)聚合物，諸如砜基、磷酸基、膦酸基和膦基這樣的強(qiáng)酸基，或者諸如羧基這樣的弱酸基。這樣的有機(jī)聚合物的典型例子包括包含芳族的聚合物，諸如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亞苯基)和烷基磺化的聚苯并咪唑；
共聚物，諸如聚苯乙烯磺酸共聚物、聚乙烯基磺酸共聚物、交聯(lián)的烷基磺酸衍生物、以及具有氟塑料結(jié)構(gòu)和磺酸的含氟聚合物的共聚物；諸如丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸的丙烯酰胺和諸如n-甲基丙烯酸丁酯的丙烯酸酯的共聚物；含磺酸基的全氟碳(Nafion(注冊商標(biāo)；由E.I.du Pont de Nemoursand Company制造)，Aciplex(由Asahi Kasei公司制造))；含羧基的全氟碳(Flemion(注冊商標(biāo))S膜(由Asahi Glass Co.，LTD.制造))；芳族聚醚、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚膦腈、三氟苯乙烯聚合物(BAM3G，由Ballard Advanced Materials Corporation制造)等。
在熔融狀態(tài)下，用可交聯(lián)的取代基進(jìn)一步取代的上面例舉的聚合物可以按原樣使用或者通過照射射線、紫外線、電子射線等進(jìn)行交聯(lián)之后使用，所述可交聯(lián)的取代基諸如乙烯基、環(huán)氧基、丙烯基、異丁烯基、肉桂?；⒘u甲基、疊氮基或者萘醌二疊氮基。
而且，隔膜可以由任何聚合物構(gòu)成，甚至是不包括極性基的材料，只要其尺寸隨燃料124的醇濃度是可以變化的。
應(yīng)變儀695粘接到聚合物隔膜694的表面或者嵌入其內(nèi)部。應(yīng)變儀695可以和聚合物隔膜694整體構(gòu)成。應(yīng)變儀695可以具有任何結(jié)構(gòu)，以及例如可以由四個(gè)應(yīng)變儀構(gòu)成惠斯登電橋電路，由應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變儀的電阻變化可以從第一端子696和第二端子697作為電信號(hào)輸出。濃度測量單元670基于第一端子696和第二端子697之間的電阻值來測量緩沖槽664中的燃料124的醇濃度。將在后面描述濃度測量單元670的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖21是詳細(xì)地示出了傳感器698的圖。傳感器698包括聚合物隔膜694和附著到聚合物隔膜694的應(yīng)變儀695，并且應(yīng)變儀695的表面可以被防水膜712覆蓋。來自應(yīng)變儀695的電信號(hào)通過導(dǎo)線713a和導(dǎo)線713b傳輸。
回過來參考圖20，由濃度測量單元670測量的緩沖槽664中的燃料124的醇濃度被傳輸?shù)娇刂茊卧?72。燃料供給處理單元674進(jìn)行處理，用于從燃料存儲(chǔ)單元676向緩沖槽664提供燃料124。控制單元672確定由濃度測量單元670測量的醇濃度是否在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，并控制燃料供給處理單元674，從而使緩沖槽664中的燃料124的醇濃度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。基于控制單元672的控制，燃料供給處理單元674控制從燃料存儲(chǔ)單元676提供給緩沖槽664的燃料124的供給量。將在下面描述燃料供給處理單元674的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
甚至在重復(fù)控制燃料供給處理單元674之后，在緩沖槽664中的燃料124的醇濃度也不在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)的情況中，控制單元672使報(bào)警單元680發(fā)出警報(bào)。
如圖22所示，燃料電池系統(tǒng)692可以不包括燃料存儲(chǔ)單元676和燃料供給處理單元674。在這種情況中，在發(fā)現(xiàn)由濃度測量單元670測量的醇濃度不在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)的情況中，控制單元672使報(bào)警單元680發(fā)出警報(bào)。當(dāng)通過使緩沖槽664的燃料124循環(huán)到燃料電極662來在燃料電池主體100中引起電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，燃料124中的醇被消耗，從而緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度逐漸降低。如果采用圖22中所示的結(jié)構(gòu)，當(dāng)緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度降低到預(yù)定的濃度或者更低時(shí)，操作報(bào)警單元680產(chǎn)生警報(bào)，從而可以檢測緩沖槽664中的燃料124的使用極限。
圖23是詳細(xì)地示出了濃度測量單元670的結(jié)構(gòu)的圖。
濃度測量單元670包括電阻測量單元(R/O)682，用于測量第一端子696和第二端子697之間的電阻值；濃度計(jì)算單元(S/O)684，用于基于電阻測量單元682測量的電阻值來計(jì)算緩沖槽664中的醇濃度；以及參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685，用于存儲(chǔ)表示第一電極端子669和第二電極端子697之間的電阻值與甲醇濃度之間的關(guān)系的參考數(shù)據(jù)。對于電阻測量單元682，可以采用具有電橋的直流電源表。濃度計(jì)算單元684訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685，并基于參考數(shù)據(jù)根據(jù)濃度計(jì)算單元684測量的電阻值來計(jì)算甲醇濃度。
如圖24所示，燃料電池系統(tǒng)692還可以包括pH傳感器686和溫度傳感器688。pH傳感器686和溫度傳感器688分別測量緩沖槽664中的燃料124的pH值和溫度。參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685可以存儲(chǔ)第一端子696和第二端子697之間的電阻值與對于各溫度值和pH值的甲醇濃度之間的關(guān)系。另外，參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685可以存儲(chǔ)用于第一電極端子696和第二電極端子697之間的電阻值與對于各溫度值和pH值的甲醇濃度之間的關(guān)系的校正公式。這以這種方式，考慮緩沖槽664中的燃料124的溫度和pH，濃度測量單元670可以測量燃料124中的甲醇濃度，并由此精確地測量甲醇濃度。
可以使用熱電偶、金屬溫度測量電阻、熱敏電阻、IC溫度傳感器、磁溫度傳感器、熱電堆或者熱電型溫度傳感器作為溫度傳感器688。而且，可以使用市場上可得到的pH計(jì)作為pH傳感器686。當(dāng)使用具有溫度測量功能的pH計(jì)時(shí)，可以將pH傳感器686和溫度傳感器688結(jié)合為一體。
另外，如圖25所示，通過采用多個(gè)傳感器698a、698b和698c組合可以測量緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度、溫度和pH，其中每個(gè)傳感器包括具有根據(jù)溫度和pH值而不同的質(zhì)子導(dǎo)電性的三種或者多種聚合物隔膜。作為聚合物隔膜的這些組合，可以使用例如(1)含有磺酸基的聚全氟碳，諸如Nafion，(2)含有磺酸基的聚醚酮，諸如PEEK，和(3)含磺酸基的聚苯乙烯共聚物。在這種情況中，濃度測量單元670可以包括分別用于測量聚合物隔膜698a、698b和698c的電阻值的多個(gè)電阻測量單元682a、682b和682c?？紤]到溫度和pH，根據(jù)由多個(gè)電阻測量單元682a、682b和682c測量的電阻值，濃度計(jì)算單元684可以檢測燃料124中的醇濃度。
另外，如圖25所示，可以使用具有導(dǎo)電性隨pH值而不同的兩個(gè)或者多個(gè)聚合物隔膜的溫度傳感器688，從而測量緩沖槽664中的燃料124中的醇濃度和pH。
如26是詳細(xì)地示出了燃料供給處理單元674的結(jié)構(gòu)的圖。
燃料供給處理單元674包括逆變器461和燃料供給單元465。燃料供給單元465改變從燃料存儲(chǔ)單元676到緩沖槽664的燃料124的供給量。作為燃料供給單元465，可以使用壓電泵。當(dāng)壓電泵用作燃料供給單元465時(shí)，控制單元672通過改變逆變器461的頻率或者電壓來控制來自燃料存儲(chǔ)單元676的燃料124的供給量。
而且，盡管圖中未示出，緩沖槽664和燃料電極槽662可以構(gòu)成這樣的結(jié)構(gòu)，通過具有類似于燃料供給單元465的結(jié)構(gòu)的壓電泵能夠循環(huán)燃料124。以這種方式，當(dāng)液體燃料用作燃料124時(shí)，可以從燃料電極102有效地去除在燃料電極102中產(chǎn)生的諸如二氧化碳的氣體。因此，可以改善燃料電極102中的催化劑的利用率并可以改善燃料電池主體100的輸出。
而且，如圖27所示，傳感器698可以附著到緩沖槽664的壁部。另外，如圖28所示，傳感器698可以設(shè)置在燃料電極槽662中。在這種情況中，燃料電池主體100的固體電解質(zhì)隔膜114的一部分可以用作圖20所示的聚合物隔膜。
而且，如圖43所示，傳感器698可以附著到燃料電極槽662的壁部，另外，盡管圖中未示出，傳感器698可以設(shè)置在燃料電極槽662中。
圖29示出圖27和圖28所示的傳感器698的變形例子。圖29(a)示出圖27所示的傳感器698的變形例子。對于傳感器698，應(yīng)變儀695、第一端子696和第二端子697可以附著到緩沖槽664的外部，從而不直接和緩沖槽664中的燃料接觸。如果聚合物隔膜694浸漬在緩沖槽664中的燃料中，即使應(yīng)變儀695、第一端子696和第二端子697沒有設(shè)置在緩沖槽664中，也可以檢測第一端子696和第二電極端子697之間的電阻值。具有這種結(jié)構(gòu)，可以不用圖21所示的防水膜712構(gòu)成應(yīng)變儀695。而且，歸因于這種結(jié)構(gòu)，由于第一端子696和第二端子697沒有恒定地位于燃料中，所以阻止了第一端子696和第二端子697受到燃料的腐蝕。因此，可以穩(wěn)定地保持第一端子696和第二端子697。
圖29(b)示出圖28所示的傳感器698的變形例子。這里，應(yīng)變儀695、第一端子696和第二端子697可以附著到固體電解質(zhì)114的氧化劑電極108側(cè)，從而不直接和燃料電極槽662中的燃料接觸。因此，由于應(yīng)變儀695、第一端子696和第二端子697沒有恒定地位于燃料中，所以可以穩(wěn)定地保持應(yīng)變儀695、第一端子696和第二端子697。
根據(jù)本實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng)692，可以用簡單的結(jié)構(gòu)來檢測液體燃料的醇濃度。
另外，如圖41所示，傳感器698可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中第一端子696和第二端子697附著在石英722上，石英722的表面粘接有聚合物隔膜694。在這種情況中，通過改變來自傳感器698的第一端子696的振蕩頻率，濃度測量單元670傳輸微波并接收來自第二端子697的反射波，并由此根據(jù)諧振頻率特性來檢測聚合物隔膜的尺寸變化。
(第四實(shí)施例)如圖30所示，燃料電池系統(tǒng)692可以包括代替?zhèn)鞲衅?98的傳感器704。傳感器704是包括第一電極701和第二電極702的電容器。在傳感器704中，第一電極701和第二電極702夾著聚合物隔膜700。在這種情況中，聚合物隔膜700由絕緣材料構(gòu)成。聚合物隔膜700可以由任何材料構(gòu)成，只要它是絕緣體，并且其尺寸隨燃料124的醇濃度是可以變化的。作為聚合物隔膜700，例如，可以例舉芳族聚醚、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚膦腈、以及三氟苯乙烯聚合物(BAM3G，由Ballard Corporation制造)。另外，用作燃料電池主體100的固體電解質(zhì)隔膜114的包括磺酸的那些聚合物隔膜在通過照射電子束、UV、x射線或者被浸漬在鹽中使之成為絕緣體之后，可以被使用。
在這種情況中，濃度測量單元670可以包括電容測量單元，其代替圖23所示的電阻測量單元來測量傳感器704的第一電極701和第二電極702之間的電容。濃度計(jì)算單元684根據(jù)由電容測量單元測量的電容變化來計(jì)算緩沖槽664中的醇濃度。另外，參考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元685存儲(chǔ)表示第一電極701和第二電極702之間的電容與醇濃度之間的關(guān)系的參考數(shù)據(jù)。在這樣情況中，其尺寸隨燃料124的醇濃度可以變化的材料用于聚合物隔膜700，當(dāng)傳感器704浸漬在燃料124中時(shí)，聚合物隔膜700的厚度對應(yīng)于燃料124的醇濃度變化，以及之后，第一電極701和第二電極702之間的距離變化。由于電容器的電容與第一電極701和第二電極702之間的距離成反比變化，所以通過測量第一電極701和第二電極702之間的電容可以檢測聚合物隔膜700的厚度變化。基于聚合物隔膜700的厚度變化的改變可以計(jì)算緩沖槽664中的醇濃度。
圖31是詳細(xì)地示出了傳感器704的圖。圖31(a)是聚合物隔膜700的側(cè)視圖，第一電極701和第二電極702夾著聚合物隔膜700，圖31(b)是從第一電極701側(cè)觀察傳感器704的頂視圖。第一電極701和第二電極702通過導(dǎo)線714a和導(dǎo)線714b分別電連接到圖30所示的濃度測量單元670。
而且，盡管圖中未示出，通過對聚合物隔膜700輻射微波、改變振蕩頻率、接收反射波并根據(jù)諧振頻率特性來檢測聚合物隔膜700的尺寸(厚度)變化的方法，可以測量聚合物隔膜700的尺寸變化。
根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)692，可以用簡單的結(jié)構(gòu)來檢測液體燃料的醇濃度。
(第五實(shí)施例)圖32是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一個(gè)例子的圖。在本實(shí)施例中，燃料盒678附著到燃料電池系統(tǒng)692上。
燃料盒678包括緩沖槽664和燃料存儲(chǔ)單元676。燃料電池系統(tǒng)692的主體側(cè)679包括燃料電池主體100、燃料電極槽662、燃料供給處理單元674、濃度測量單元670和控制單元672。相同的標(biāo)記被指定給和圖20的第三實(shí)施例中解釋的元件部件相同的元件部件，并將適當(dāng)?shù)厥÷詫λ鼈兊慕忉尅?br> 這里，構(gòu)成燃料供給處理單元674，使得當(dāng)燃料盒678附著時(shí)將包含在燃料盒678的燃料存儲(chǔ)單元676中的燃料124提供給緩沖槽664。在燃料盒678中，緩沖槽664包含傳感器698。在主體側(cè)679中，當(dāng)燃料盒678附著時(shí)與傳感器698的第一端子696和第二端子697電連接的端子(圖中未示出)形成在濃度測量單元670中。構(gòu)成燃料電極槽662，使得從緩沖槽664引入燃料124。
圖33是示出了燃料盒678中的緩沖槽664和主體側(cè)679中的燃料電極槽662的示意圖。燃料供給端口643形成在燃料電極槽662中，以及緩沖槽664具有和燃料電極槽662的燃料供給端口643適配的適配單元647。分別和傳感器698的第一端子696和第二電極端子697連接的端子696a和端子697a形成在燃料盒主體645的側(cè)壁。
如圖34所示，傳感器698可以設(shè)置在主體側(cè)679的燃料電極槽662中。另外，如圖35所示，可以構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)692，從而使只包含燃料存儲(chǔ)單元676的燃料盒678與它是可分離的。而且，盡管在圖中沒有示出，但是燃料盒678可以構(gòu)成為包含閥。
圖36是示出了圖33所示的燃料盒678的另一個(gè)例子的圖。這里，燃料盒678的緩沖槽664包含燃料供給部件637。在這個(gè)例子中，在燃料電池主體100中，沒有設(shè)置燃料電極槽662，并且通過燃料供給部件637將包含在緩沖槽664中的燃料提供給燃料電池主體100的燃料電極102。燃料供給部件637由能夠吸收燃料124并將吸收的燃料提供給燃料電池主體100的材料構(gòu)成。例如，燃料供給部件637由尿烷構(gòu)成。另外，燃料供給部件637可以由陶瓷的多孔體構(gòu)成，諸如硅石多孔體和氧化鋁多孔體；和氟樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚砜、聚硫化物和聚苯并咪唑的多孔膜。
第四實(shí)施例中所述的包括傳感器704的燃料電池系統(tǒng)692也可以包括本實(shí)施例中描述的燃料盒。
(例2)Nafion N117隔膜(由E.I.du Pont de Nemours and Co.制造，厚度大約是50μm，寬度大約是5mm，長度大約是60mm)用作聚合物隔膜694，并且應(yīng)變儀附著到聚合物隔膜694的表面并提供傳感器698。將已知濃度(甲醇濃度0％、20％、40％和60％)的甲醇水溶液引入到容器中，并且通過具有電橋的直流源計(jì)測量應(yīng)變儀的電極之間的電阻值。表1示出了甲醇水溶液中的甲醇濃度和電阻值的變化量之間的關(guān)系。以這種方式，通過檢測聚合物隔膜694的應(yīng)力可以精確地檢測醇濃度。
表1

盡管已經(jīng)參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是該描述是對本發(fā)明的解釋并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過在構(gòu)成元件或者工藝之間進(jìn)行組合來得到各種改變。
如圖37所示，燃料電池系統(tǒng)660可以分別包括兩個(gè)燃料存儲(chǔ)單元和兩個(gè)燃料供給單元。在這種情況中，如圖37(a)所示，燃料電池系統(tǒng)660包括第一燃料存儲(chǔ)單元407和第二燃料存儲(chǔ)單元409，來代替燃料存儲(chǔ)單元676。燃料供給處理單元674包括第一燃料供給單元465a、第二燃料供給單元465b、逆變器461和混合單元485。第一燃料供給單元465a從第一燃料存儲(chǔ)單元407向混合單元485提供第一燃料成分481。第二燃料供給單元465b從第二燃料存儲(chǔ)單元409向混合單元485提供第二燃料成分483。從第一燃料存儲(chǔ)單元407和第二燃料存儲(chǔ)單元409提供的第一燃料成分481和第二燃料成分483在混合單元485中混合，并作為燃料124提供給燃料電池主體100。第一燃料供給單元465a和第二燃料供給單元465b都連接到逆變器461，并通過控制單元672分別控制來自二者的供應(yīng)量。第一燃料成分481和第二燃料成分483可以是，例如水和甲醇?；旌蠁卧?85可以是節(jié)流閥或者壓電閥。
如圖37(b)所示，燃料電極系統(tǒng)660還可以包括濃度調(diào)節(jié)單元592。濃度調(diào)節(jié)單元592調(diào)節(jié)混合單元485，并由此控制分別從第一燃料存儲(chǔ)單元407和第二燃料存儲(chǔ)單元409提供的第一燃料成分481和第二燃料成分483的混合比。濃度調(diào)節(jié)單元592和逆變器461連接并通過控制單元672控制。
以這種方式，在具有圖37所示的結(jié)構(gòu)的燃料供給處理單元674中，由于單獨(dú)控制兩個(gè)燃料成分的供給量，所以可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)燃料124的濃度。另外，在通過混合單元485混合之后，將兩種燃料成分提供給燃料電池主體100，兩種燃料成分最終被混合并提供給燃料電池主體100。
類似地，在第三到第五實(shí)施例中所述的燃料電池系統(tǒng)692可以包括兩個(gè)燃料存儲(chǔ)單元和兩個(gè)燃料供給單元。
燃料供給處理單元674可以包括三個(gè)或者更多個(gè)燃料供給單元。在這種情況中，燃料電池系統(tǒng)660可以包括三個(gè)或者更多個(gè)燃料存儲(chǔ)單元。
可以構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)660，使其具有如圖38所示的結(jié)構(gòu)。如圖38所示，燃料盒678包括第一燃料存儲(chǔ)單元676a和第二燃料存儲(chǔ)單元676b，其中第二燃料存儲(chǔ)單元676b包含具有與第一燃料存儲(chǔ)單元676a中的醇濃度不同的醇濃度的燃料。第一燃料存儲(chǔ)單元676a和第二燃料存儲(chǔ)單元676b中的任一個(gè)可以存儲(chǔ)不含醇的水。盡管在圖中沒有示出，但是燃料提供給燃料電池主體100之后排出的水可以返回并循環(huán)到第一燃料存儲(chǔ)單元676a或者第二燃料存儲(chǔ)單元676b中的任一個(gè)。
圖38(a)是示出了第一泵707a和第二泵707b設(shè)置在主體側(cè)679中的圖。注射器709設(shè)置在主體側(cè)679中的第一泵707a和第二泵707b的端部。例如，硅橡膠等制成的帽708設(shè)置在燃料盒678的第一燃料存儲(chǔ)單元676a和第二燃料存儲(chǔ)單元676b。通過用主體側(cè)679的注射器709穿透燃料盒678的帽708，第一泵707a和第二泵707b工作，以從第一燃料存儲(chǔ)單元676a和第二燃料存儲(chǔ)單元676b向主體側(cè)679提供燃料。盡管圖中未示出，但是可以通過控制單元672(例如參見圖14)并根據(jù)由傳感器668測量的緩沖槽664中的燃料的濃度來控制第一泵707a和第二泵707b，可以控制從第一燃料存儲(chǔ)單元676a和者第二燃料存儲(chǔ)單元676b的燃料的供給量。這里，示出了傳感器668設(shè)置在緩沖槽664中的例子。傳感器668可以設(shè)置在燃料電極槽662中，并還可以設(shè)置在連接緩沖槽664和燃料電極槽662的管705中，并還可以設(shè)置在連接緩沖槽664和第一泵707a及第二泵707b的管706中。
如圖38(b)所示，第一泵707a和第二泵707b可以設(shè)置在燃料盒678中。而且，在這種情況中，當(dāng)燃料盒678附著到主體側(cè)679時(shí)，在與控制單元672(例如參見圖14)電連接時(shí)，能夠通過控制單元672來控制第一泵707a和第二泵707b。
盡管在圖38中示出了緩沖槽664設(shè)置在主體側(cè)679中的例子，但是燃料電池系統(tǒng)660可以不包括緩沖槽664，并可以這樣構(gòu)成，即通過管706或者管705直接將從燃料盒678提供的燃料引入到燃料電極槽662中。
傳感器668、傳感器698和傳感器704可以用于測量在燃料電池系統(tǒng)中重整(reforming)之前的醇濃度，其中，在該燃料電池系統(tǒng)中重整甲醇以產(chǎn)生氫氣氣體并使用氫氣作為燃料。
傳感器668、傳感器698和傳感器704不僅可以用于燃料電池系統(tǒng)660或者燃料電池系統(tǒng)692中的醇濃度測量，而且可以用于各種溶液中的醇濃度測量。例如，它們可以用于測量醇飲料中的醇濃度。
權(quán)利要求
1.一種使用含醇的液體燃料的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池主體，其包括固體聚合物電解質(zhì)隔膜以及附著到所述固體聚合物電解質(zhì)隔膜的燃料電極和氧化劑電極；容納所述液體燃料的容器；聚合物隔膜，其具有質(zhì)子導(dǎo)電性并設(shè)置在所述容器的內(nèi)部或者所述容器的壁部；以及濃度檢測單元，當(dāng)用所述液體燃料浸漬所述聚合物隔膜時(shí)，其根據(jù)所述聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化來檢測所述容器中的所述液體燃料的醇濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述濃度檢測單元包括附著到所述聚合物隔膜的一對電極端子；電阻測量單元，其測量所述電極端子之間的電阻值；以及濃度計(jì)算單元，其根據(jù)由所述電阻測量單元測量的電阻值來計(jì)算所述液體燃料的醇濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中所述濃度檢測單元的所述電極端子放置在所述容器的外部。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或者3的燃料電池系統(tǒng)，其中所述濃度測量單元包括覆蓋所述電極端子的憎水隔膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，其中使用所述固體聚合物電解質(zhì)隔膜的一部分作為所述聚合物隔膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括相對于溫度或者pH具有不同質(zhì)子導(dǎo)電性的多個(gè)聚合物隔膜，其中考慮到所述容器中的所述液體燃料的溫度或者pH，所述濃度檢測單元基于所述多個(gè)聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的各變化來檢測所述液體燃料中的醇濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，其中所述聚合物隔膜包括質(zhì)子酸基團(tuán)。
8.一種使用含醇的液體燃料的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池主體，其包括固體聚合物電解質(zhì)隔膜以及附著到所述固體聚合物電解質(zhì)隔膜的燃料電極和氧化劑電極；容納所述液體燃料的容器；聚合物隔膜，其設(shè)置在所述容器的內(nèi)部或者所述容器的壁部，并且當(dāng)用所述液體燃料浸漬時(shí)，其尺寸根據(jù)所述液體燃料的醇濃度的濃度是可以變化的；以及濃度檢測單元，其檢測所述聚合物隔膜的尺寸的變化程度，并且根據(jù)尺寸的變化程度來檢測所述容器中的所述液體燃料的醇濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中所述濃度檢測單元包括附著到所述聚合物隔膜的應(yīng)變儀；電阻測量單元，其測量所述應(yīng)變儀的電阻變化；以及濃度計(jì)算單元，其將由所述電阻測量單元測量的電阻變化轉(zhuǎn)換成所述液體燃料的醇濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或者9的燃料電池系統(tǒng)，其中使用所述固體聚合物電解質(zhì)隔膜的一部分作為所述聚合物隔膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中所述濃度檢測單元包括電容器，其夾著所述所述聚合物隔膜；電容測量單元，其測量所述電容器的電容；以及濃度計(jì)算單元，其基于由所述電容測量單元測量的電容的變化來檢測所述聚合物隔膜的尺寸變化，并將該尺寸變化程度轉(zhuǎn)換成所述液體燃料的醇濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中所述濃度檢測單元包括附著到所述聚合物隔膜的石英振蕩器；諧振頻率特性測量單元，其檢測所述石英振蕩器的諧振頻率的變化；以及濃度計(jì)算單元，其將由所述諧振頻率特性測量單元測量的諧振頻率特性轉(zhuǎn)換成所述液體燃料的醇濃度。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，其中所述聚合物隔膜包括質(zhì)子酸基團(tuán)。
14.根據(jù)權(quán)利要求6至13的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括相對于溫度和pH具有不同尺寸變化程度的多個(gè)聚合物隔膜，其中考慮到所述容器中的所述液體燃料的溫度或者pH，所述濃度檢測單元基于所述多個(gè)聚合物隔膜的各尺寸變化程度來檢測所述液體燃料中的醇濃度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，其中所述聚合物隔膜是交聯(lián)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括與燃料電池主體可分離的燃料盒，其中所述容器設(shè)置在所述燃料盒中。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括燃料電極槽，其具有燃料注入口并且向所述燃料電極提供所述液體燃料；以及燃料盒，其具有和所述燃料電極槽的所述燃料注入口適配的適配單元，并與所述燃料電極槽可分離，其中所述容器設(shè)置在所述燃料盒中。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括不同濃度燃料存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)具有與所述容器中的所述液體燃料的醇濃度不同的醇濃度的液體燃料；供給單元，其從所述不同濃度燃料存儲(chǔ)單元向所述容器提供所述液體燃料；以及控制單元，其根據(jù)由所述濃度檢測單元檢測的所述容器中的醇濃度，調(diào)節(jié)要由所述供給單元提供的所述液體燃料的供給量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，還包括燃料電極槽，其具有燃料注入口并且向所述燃料電池主體提供所述液體燃料；其中所述容器包括與所述燃料電極槽的所述燃料注入口適配的適配單元和用于連接到所述供給單元的第一連接單元，所述容器與所述燃料電極槽和所述供給單元可分離，并且所述不同濃度燃料存儲(chǔ)單元包括用于連接到所述供給單元的第二連接單元，所述不同濃度燃料存儲(chǔ)單元與所述供給單元可分離。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的燃料電池系統(tǒng)，其中所述容器和所述不同濃度燃料存儲(chǔ)單元是整體形成的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括溫度傳感器，其測量所述容器中的所述液體燃料的溫度，其中所述濃度檢測單元基于由所述溫度傳感器測量的溫度，來校正所述容器中的所述液體燃料的醇濃度。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括pH測量單元，其測量所述容器中的所述液體燃料的pH，其中所述濃度檢測單元基于由所述pH測量單元測量的pH，來校正所述容器中的所述液體燃料的醇濃度。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22的任何一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，還包括報(bào)警單元，其發(fā)出警報(bào)；以及控制單元，當(dāng)由所述濃度檢測單元檢測的所述容器中的所述液體燃料的醇濃度不在預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，其通知所述報(bào)警單元發(fā)出警報(bào)。
24.一種醇濃度測量裝置，包括具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物隔膜，當(dāng)用含醇的液體浸漬時(shí)，所述質(zhì)子導(dǎo)電性隨所述液體的醇濃度是可以變化的；以及濃度檢測單元，其基于所述聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化來檢測所述液體的醇濃度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的醇濃度測量裝置，其中所述濃度檢測單元包括附著到所述聚合物隔膜的一對電極端子；電阻測量單元，其測量電極端子之間的電阻值；以及濃度計(jì)算單元，其將由所述電阻測量單元測量的電阻值轉(zhuǎn)換成所述液體中的醇濃度。
26.一種醇測量裝置，包括聚合物隔膜，當(dāng)用含醇的溶液浸漬之后，其根據(jù)所述液體中的醇濃度的濃度顯示出尺寸變化；以及濃度檢測單元，其檢測所述聚合物隔膜的尺寸的變化程度，并基于尺寸的變化程度來檢測所述液體的醇濃度。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的醇濃度測量裝置，其中所述濃度檢測單元包括附著到所述聚合物隔膜的應(yīng)變儀；電阻測量單元，其測量所述應(yīng)變儀的電阻變化；以及濃度計(jì)算單元，其將由所述電阻測量單元測量的電阻變化轉(zhuǎn)換成所述液體燃料的醇濃度。
28.一種測量醇濃度的方法，包括用作為要測量的目標(biāo)的含醇的液體來浸漬具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物隔膜；檢測所述聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化；以及基于質(zhì)子導(dǎo)電性的變化來檢測所述液體中的醇濃度。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的測量醇濃度的方法，其中所述檢測質(zhì)子導(dǎo)電性的變化包括測量附著到所述聚合物隔膜的一對電極端子的電阻值，并且其中所述檢測醇濃度包括基于該電阻值來計(jì)算所述液體的醇濃度。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或者29的測量醇濃度的方法，還包括在所述檢測所述聚合物隔膜的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化之前用二氧化碳?xì)怏w使所述液體飽和。
31.一種測量醇濃度的方法，包括用作為要測量的目標(biāo)的含醇的液體浸漬聚合物隔膜，其中當(dāng)用所述液體浸漬該聚合物隔膜時(shí)，其顯示出尺寸變化；檢測所述聚合物隔膜的尺寸變化；以及基于聚合物隔膜的尺寸變化來檢測所述液體的醇濃度。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的測量醇濃度的方法，其中所述檢測尺寸變化包括測量附著到所述聚合物隔膜的應(yīng)變儀的電阻變化，并且所述檢測醇濃度包括將在所述測量電阻中測量的電阻變化轉(zhuǎn)換成所述液體的醇濃度。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的測量醇濃度的方法，其中所述檢測尺寸變化包括測量構(gòu)成為夾著所述聚合物隔膜的電容器的電容，并且所述檢測醇濃度包括基于在所述測量電容中測量的電容的變化來檢測所述聚合物隔膜的尺寸變化，并將該尺寸變化程度轉(zhuǎn)換成所述液體燃料的醇濃度。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的測量醇濃度的方法，其中所述檢測尺寸變化包括測量附著到所述聚合物隔膜的石英振蕩器的諧振頻率的變化，并且所述檢測醇濃度包括基于在所述測量諧振頻率中測量的諧振頻率的變化來檢測所述聚合物隔膜的尺寸變化，并將該尺寸變化程度轉(zhuǎn)換成所述液體燃料的醇濃度。
35.一種燃料存儲(chǔ)容器，其與燃料電池系統(tǒng)是可分離的并儲(chǔ)備提供到燃料電池主體的液體燃料，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括所述燃料電池主體、第一電極端子、第二電極端子和向所述第一電極端子和所述第二電極端子之間施加電壓的電壓施加單元，該燃料存儲(chǔ)容器包括具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物隔膜；以及第三電極端子和第四電極端子，其附著到所述聚合物隔膜并分別電連接到所述第一電極端子和所述第二電極端子。
36.一種燃料存儲(chǔ)容器，其與燃料電池系統(tǒng)是可分離的并儲(chǔ)備提供到燃料電池主體的液體燃料，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括所述燃料電池主體、第一電極端子、第二電極端子和向所述第一電極端子和所述第二電極端子之間施加電壓的電壓施加單元，該燃料存儲(chǔ)容器包括聚合物隔膜，當(dāng)用含醇的液體浸漬時(shí)，其尺寸是可變化的；應(yīng)變儀，其附著到所述聚合物隔膜；以及第三電極端子和第四電極端子，其電連接到所述第一電極端子和第二電極端子，以分別輸出所述應(yīng)變儀的電阻變化。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)(660)包括燃料電池主體(100)，其具有固體聚合物電解質(zhì)隔膜(114)、附著到固體電解質(zhì)隔膜(114)的燃料電極(102)和氧化劑電極(108)；燃料存儲(chǔ)單元(664)，其存儲(chǔ)液體燃料(124)；聚合物隔膜(665)，其具有質(zhì)子導(dǎo)電性并設(shè)置在燃料存儲(chǔ)單元(664)中；包括第一電極端子(666)和第二電極端子(667)的濃度檢測單元，其根據(jù)所述聚合物隔膜(665)的質(zhì)子導(dǎo)電性的變化來檢測燃料存儲(chǔ)單元(664)中的液體燃料(124)的醇濃度；以及濃度測量單元(670)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1830112SQ20048002199
公開日2006年9月6日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者小畑毅, 真子隆志, 長尾諭, 中村新, 吉武務(wù), 久保佳實(shí) 申請人:日本電氣株式會(huì)社