專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和燃料電池啟動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，并且涉及燃料電池系統(tǒng)的啟動方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是用于通過諸如氫氣或甲醇之類的燃料氣體與諸如氧氣之類的氧化劑氣體之間的電化學反應(yīng)來產(chǎn)生電力的發(fā)電元件。在發(fā)電時生成的反應(yīng)物是水的燃料電池作為不引起環(huán)境污染的發(fā)電元件一直吸引著廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)嘗試了燃料電池的各種利用，例如將其作為用于驅(qū)動機動車的驅(qū)動電源。
按電解質(zhì)的種類等來將燃料電池分為各種類型，已經(jīng)公知的代表類型是使用固體聚合物(solid polymer)電解質(zhì)作為電解質(zhì)的燃料電池。由于固體聚合物型燃料電池可以降低成本，可以輕易縮小其尺寸、厚度和重量，此外從電池性能方面看來，其具有高輸出密度，因此固體聚合物型燃料電池作為電子設(shè)備的驅(qū)動電源具有很好的前景。固體聚合物型燃料電池通常使用氫氣作為燃料，除此之外，已經(jīng)開發(fā)了通過改為(modifying)甲醇或天然氣來產(chǎn)生將要作為燃料使用的氫氣的各種燃料電池。此外，近些年來，已經(jīng)開發(fā)了直接將甲醇作為燃料提供到燃料電池，由此產(chǎn)生電力的直接甲醇型燃料電池。
在恰當?shù)牟僮鳒囟?，?0到80℃上，運行直接甲醇型燃料電池。因此，需要在從燃料電池的停止狀態(tài)啟動燃料電池期間升高燃料電池的溫度，使得燃料電池不能立即啟動。為了解決這個問題，提供了一種方法，該方法在燃料電池啟動之前通過使用諸如鋰粒子電池之類的輔助電池來進行驅(qū)動。然而，在啟動之前的時間很長的情況下，需要具有適于長時間操作的電量的輔助電池。此外，還有一種方法，該方法通過使用加熱器等來進行加熱，但是該方法也需要輔助電池的電力。
此外，存在這樣一種燃料電池系統(tǒng)，在啟動時，作為燃料的液態(tài)甲醇溶液的濃度升高，并且使?jié)B入電解質(zhì)薄膜的液態(tài)甲醇溶液直接與陰極的氧氣燃燒(例如，參照日本專利公開No.2003-520399)。此外，還有一種方法，其中將甲醇(例如，參照日本專利公開No.Hei-307970)或液態(tài)甲醇溶液(例如，參照日本專利公開No.2002-075414)直接提供到陰極，以直接與氧氣燃燒。
然而，在日本專利公開No.2003-520399中描述的燃料電池系統(tǒng)中，通過使用噴嘴來將從系統(tǒng)中提供的單一甲醇容器中饋送的甲醇噴射在與陽極連接的循環(huán)通道中，并且根據(jù)發(fā)電電池的溫度來控制噴射量。然而，在該系統(tǒng)中，除非在發(fā)電電池中消耗了液態(tài)甲醇溶液中的甲醇，否則不能降低提供到陽極的液態(tài)甲醇溶液的濃度。因此，當發(fā)電電池的溫度升高時，即使停止從噴嘴噴射甲醇，也不能立即實現(xiàn)從高濃度液態(tài)甲醇溶液到低濃度液態(tài)甲醇溶液的轉(zhuǎn)換。此外，該系統(tǒng)具有不能總實現(xiàn)在最佳濃度的操作的問題。在日本專利公開No.Hei-307970中描述的方法中，在直接饋送到陰極的甲醇和氧氣之間的大多數(shù)反應(yīng)集中在甲醇輸入端口附近，并且在該部分局部產(chǎn)生熱，使得發(fā)電電池整體的溫度不均衡。因此，甚至當發(fā)電電池的溫度升高到預(yù)定溫度之上時，由于發(fā)電電池整體的溫度不均衡，所以不能實現(xiàn)有效的反應(yīng)。此外，在日本專利公開No.2002-075414中描述的方法具有饋送到陰極的液態(tài)甲醇溶液中的水將附著于陰極的問題。由于發(fā)電反應(yīng)發(fā)生在電極和電解質(zhì)之間的交界面，因此水附著于陰極將降低氧氣與陰極接觸的量，由此降低發(fā)電反應(yīng)的效率。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的目的在于提供通過使用具有恒定最佳濃度的燃料來操作燃料電池的系統(tǒng)、以及不直接將燃料提供到陰極的系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于縮短啟動燃料電池所需的時間。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有夾在正電極和負電極之間的電解質(zhì)的發(fā)電電池；第一儲存罐，用于儲存具有預(yù)定濃度的低濃度燃料；和第二儲存罐，用于包含濃度高于低濃度燃料的高濃度燃料，根據(jù)發(fā)電電池的溫度來切換地提供濃度不同的、儲存在第一儲存罐和第二儲存罐中的燃料。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，在分離的儲存罐中分別儲存用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)的低濃度燃料和用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)與用于升高發(fā)電電池的溫度的反應(yīng)的高濃度燃料，由此可以根據(jù)發(fā)電電池的溫度來立即切換提供到負電極的燃料。這使得可以以恒定最佳濃度執(zhí)行操作。此外，通過將高濃度燃料通過電解質(zhì)從負電極提供到正電極，可以分散地提供高濃度，由此可以防止局部熱產(chǎn)生。此外，可以防止當直接向正電極提供燃料時可能產(chǎn)生的水附著于正電極的情況。
此外，根據(jù)本發(fā)明，提供啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其中該系統(tǒng)包括具有夾在正電極和負電極之間的電解質(zhì)的發(fā)電電池；第一儲存罐，用于儲存具有預(yù)定濃度的低濃度燃料；和第二儲存罐，用于包含濃度高于低濃度燃料的高濃度燃料，根據(jù)發(fā)電電池的溫度來切換地提供濃度不同的、儲存在第一儲存罐和第二儲存罐中的燃料，該方法包括步驟將燃料提供到負電極，同時將提供到負電極的高濃度燃料量設(shè)置為小于提供到負電極的低濃度燃料量；和以設(shè)置為比在發(fā)電電池的溫度在預(yù)定溫度或高于預(yù)定溫度的情況下所提供的氧化劑量要小的量將氧化劑提供到正電極。
根據(jù)本發(fā)明的啟動燃料電池的方法，在燃料電池系統(tǒng)中，將高濃度燃料提供到負電極，由此高濃度燃料可以與提供到正電極端的氧化劑反應(yīng)，并且可以借此升高發(fā)電電池的溫度。在這個實例中，可以通過將高濃度燃料量和提供到發(fā)電電池的氧化劑抑制為較低的水平來加速熱產(chǎn)生。這使得可以縮短在啟動燃料電池系統(tǒng)期間升高發(fā)電電池的溫度所需的時間段。此外，由于可以在短時間內(nèi)升高發(fā)電電池的溫度，因此可以降低當發(fā)電電池的溫度低時使用的輔助電池的容量，由此可以縮小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，在分離的儲存罐中分別儲存用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)的低濃度燃料和用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)和用于升高發(fā)電電池的溫度的反應(yīng)的高濃度燃料，由此可以根據(jù)發(fā)電電池的溫度來立即切換提供到負電極的燃料。這使得可以以恒定最佳濃度執(zhí)行操作。此外，通過將高濃度燃料通過電解質(zhì)從負電極提供到正電極，可以分散地提供高濃度，由此可以防止局部熱產(chǎn)生。此外，可以防止當直接向正電極提供燃料時可能產(chǎn)生的水附著于正電極的情況。此外，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，在第一儲存罐中儲存低濃度燃料，該燃料的濃度被控制到能夠進行有效發(fā)電反應(yīng)的濃度，可以在正常操作中通過僅從第一儲存罐向發(fā)電電池提供燃料來提供具有穩(wěn)定濃度的低濃度燃料，由此執(zhí)行穩(wěn)定的發(fā)電。此外，由于不需要在傳送中控制燃料濃度，因此不需要提供噴嘴。另外，通過分別布置第一儲存罐和第二儲存罐，可以根據(jù)使用儲存罐二者的頻率來設(shè)計系統(tǒng)，并且可以不浪費地使用燃料。此外，可以根據(jù)使用環(huán)境來調(diào)節(jié)所儲存的燃料的濃度。此外，第一儲存罐和第二儲存罐是可獨立分離的，并且可以替換它們。
根據(jù)本發(fā)明中啟動燃料電池的方法，在燃料電池系統(tǒng)中，將高濃度燃料提供到負電極，由此高濃度燃料可以與提供到正電極端的氧化劑反應(yīng)，以便升高發(fā)電電池的溫度。在這個實例中，可以通過將高濃度燃料量和提供到發(fā)電電池的氧化劑抑制為較低的水平來加速熱產(chǎn)生。這使得可以縮短在啟動燃料電池系統(tǒng)期間升高發(fā)電電池的溫度所需的時間段。此外，由于可以在短時間內(nèi)升高發(fā)電電池的溫度，因此可以降低當發(fā)電電池的溫度低時使用的輔助電池的容量，由此可以縮小燃料電池系統(tǒng)的尺寸。


圖1是在本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)的配置的實例的方框圖。
圖2顯示在啟動本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)時甲醇和高濃度液態(tài)甲醇溶液的流動。
圖3顯示在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的正常操作時甲醇和低濃度液態(tài)甲醇溶液的流動。
具體實施例方式
現(xiàn)在將在下面參照附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池啟動方法。附帶地，本發(fā)明不限于下面的描述，并且可以在本發(fā)明的要旨范圍內(nèi)做出各種恰當?shù)男薷摹?br> 圖1是顯示本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)的配置的實例。在本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)1包括具有夾在作為負電極的陽極31和作為正電極的陰極32之間的電解質(zhì)薄膜30的燃料電池3；作為用于儲存低濃度液態(tài)甲醇溶液的第一儲存罐的第一容器210，其中該低濃度液態(tài)甲醇溶液作為主要利用來在發(fā)電電池3中進行發(fā)電反應(yīng)的低濃度燃料；和作為用于儲存高濃度液態(tài)甲醇溶液的第二儲存罐的第二容器220，其中該高濃度液態(tài)甲醇溶液作為主要利用來進行升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)的高濃度燃料。此外，燃料電池系統(tǒng)1包括空氣泵410，用于將作為氧化劑的空氣提供到發(fā)電電池3；氣-液分離器411，用于將發(fā)電電池3產(chǎn)生的物質(zhì)分離為水和其它物質(zhì)；水回收泵414，用于將所分離的水排放到發(fā)電電池3的外部，并且將其提供到第一容器210或第二容器220；燃料循環(huán)泵412，用于循環(huán)低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液；溫度測量裝置400，用于測量發(fā)電電池3的溫度；濃度測量裝置401，用于測量低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液的濃度；要稀釋燃料容器200，其用作第三儲存罐，用于儲存作為要被稀釋的燃料的甲醇，該燃料用作低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液的原料。要稀釋燃料供應(yīng)泵413，用于將甲醇提供到第一容器210和第二容器220；選擇閥門501、502、503和504，用于選擇(切換)甲醇、低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液的通路；和控制器402，用于讀取溫度測量裝置400和濃度測量裝置401中的測量值，并且將命令發(fā)送到閥門等。在燃料電池系統(tǒng)1中使用的甲醇和空氣不是限制性的，可以根據(jù)安裝在燃料電池系統(tǒng)1中的發(fā)電電池3按需要改變?nèi)剂虾脱趸瘎?。此外，燃料電池系統(tǒng)1可以包括輔助電池(未示出)，用于幫助提高發(fā)電電池3的溫度。
如圖1所示，發(fā)電電池3是直接甲醇型燃料電池，其中將作為燃料的液態(tài)甲醇溶液直接提供到發(fā)電電池3。然而，本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)不限于此，并且可以根據(jù)燃料電池的發(fā)電能力進行改變。
發(fā)電電池3由用于通過其滲透質(zhì)子和甲醇的、薄膜形(film-formed)成的電解質(zhì)薄膜30和具有發(fā)電反應(yīng)中的催化劑的陽極31和陰極32構(gòu)成，并且通過將電解質(zhì)薄膜30夾在在硬件31和陰極32之間并壓合它們來形成。以具有可滲透性、抗氧化和抗熱的材料形成用于通過其滲透質(zhì)子和甲醇的電解質(zhì)薄膜30。通過使用金屬材料、碳材料、導(dǎo)電非紡織物等來配置陽極31和陰極32中的每一個，其中使用碳材料，例如可以在碳材料的滲透表面上支持諸如鉑之類的催化劑?？梢愿鶕?jù)發(fā)電電池3的尺寸和形狀來按需要改變電解質(zhì)薄膜30、陽極31和陰極32的尺寸和形狀。如圖1所示，發(fā)電電池3是將作為燃料的液態(tài)甲醇溶液直接提供到發(fā)電電池3的直接甲醇型燃料電池；然而，本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)不限于此，而可以根據(jù)燃料電池的發(fā)電能力進行修改。在發(fā)電電池3中，可以通過將液態(tài)甲醇溶液(下面描述)提供到陽極31并將空氣提供到陰極32來實現(xiàn)發(fā)電電池3的發(fā)電反應(yīng)和用于升高溫度的反應(yīng)。
此外，發(fā)電電池3具有用于測量發(fā)電電池3的內(nèi)部溫度的溫度測量裝置400。此外，溫度測量裝置400連接到用于讀取發(fā)電電池3內(nèi)部的溫度和向閥門給出命令的控制器402。不特別限制這里使用的溫度測量裝置400，并且可以根據(jù)安裝的發(fā)電電池3來按需要進行修改。例如，在燃料電池系統(tǒng)1中安裝使用聚合體電解質(zhì)薄膜的發(fā)電電池3，發(fā)電電池3中的溫度通常升高到70到100℃，使得甚至當溫度超過該值時，其也滿足所安裝的溫度測量裝置400能夠充分測量溫度。利用由溫度測量裝置400測量的發(fā)電電池3的溫度，可以根據(jù)該溫度來通過控制器402切換提供到陽極31的燃料。
要稀釋燃料容器200是用于儲存作為要被稀釋的燃料的甲醇的儲存罐，其通過要稀釋燃料供應(yīng)泵413連接到在其中儲存低濃度液態(tài)甲醇溶液的第一容器210和儲存高濃度液態(tài)甲醇溶液的第二容器220。此外，由于在分支到第一容器210和第二容器220的分支點上提供選擇閥門501，因此可以將甲醇提供到第一容器210和第二容器220的任意一個上。選擇閥門501連接到下述控制器402，并且可以結(jié)合其它閥門等進行操作。
在要稀釋燃料容器200和第一容器210與第二容器220之間提供要稀釋燃料供應(yīng)泵413，并且可以從要稀釋燃料容器200將預(yù)定量的甲醇饋送到第一容器210和第二容器220。根據(jù)從下述控制器402給出的命令，可以結(jié)合其它閥門來操作要稀釋燃料供應(yīng)泵413。在低濃度液態(tài)甲醇溶液或高濃度液態(tài)甲醇溶液的濃度小于預(yù)定濃度的情況下，稀釋燃料供應(yīng)泵413可以將儲存在稀釋燃料容器200中的甲醇提供到第一容器210或第二容器220。通過向稀釋燃料容器200提供甲醇，而不是分別向第一容器210和第二容器220分別提供在燃料電池系統(tǒng)1的外部分別準備的低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液，這確?？梢栽谌剂想姵叵到y(tǒng)1中自動進行濃度的控制。
第一容器210是用于儲存低濃度液態(tài)甲醇溶液的儲存罐。類似地，第二容器220是用于儲存高濃度液態(tài)甲醇溶液的儲存罐。第一容器210和第二容器220是可分離的，并且當需要時可以替換這些容器。第一容器210和第二容器220通過下述選擇閥門504、濃度測量裝置401和燃料循環(huán)泵412連接到發(fā)電電池。此外，為了循環(huán)液態(tài)甲醇溶液，陽極31通過選擇閥門503連接到第一容器210和第二容器220。選擇閥門503和504連接到下述的控制器402，并且可以結(jié)合其它閥門操作。由于燃料電池系統(tǒng)1具有安裝在其中的第一容器210和第二容器220，因此可以根據(jù)發(fā)電電池3的溫度來立即切換要使用的液態(tài)甲醇溶液。當需要時，可以根據(jù)容器的使用頻率來修改第一容器210和第二容器220的形狀和尺寸。
在第一容器210和第二容器220之間提供濃度測量裝置401，并且其可以測量從第一容器210提供到發(fā)電電池3的陽極31的低濃度液態(tài)甲醇溶液以及從第二容器220提供到發(fā)電電池3的陽極31的高濃度液態(tài)甲醇溶液。與上述溫度測量裝置400類似，濃度測量裝置401連接到控制器402，并且可以結(jié)合閥門等進行操作。如上所述，濃度測量裝置401測量低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液，由此可以根據(jù)該濃度通過控制器402將甲醇或水提供到第一容器210和第二容器220來控制液態(tài)甲醇溶液的濃度。
在第一容器210和第二容器220和發(fā)電電池3之間提供燃料循環(huán)泵412。燃料循環(huán)泵412能夠從第一容器210獲取低濃度液態(tài)甲醇溶液，并且將溶液提供到陽極31。此外，燃料循環(huán)泵412能夠?qū)⑻峁┑疥枠O31的低濃度液態(tài)甲醇溶液返回到第一容器210。另外，燃料循環(huán)泵412能夠從第二容器220獲取高濃度液態(tài)甲醇溶液，并且將溶液提供到陽極31。此外，燃料循環(huán)泵412能夠?qū)⑻峁┑疥枠O31的高濃度液態(tài)甲醇溶液返回到第二容器220。燃料循環(huán)泵412連接到控制器402，并且可以結(jié)合閥門等進行操作。此外，還可以通過控制器402控制循環(huán)的液態(tài)甲醇溶液量。這確保液態(tài)甲醇溶液的溫度可以達到與燃料電池系統(tǒng)1的溫度相近，并且確保可以提高用于升高發(fā)電電池的溫度的反應(yīng)的加熱(heating)效率和發(fā)電反應(yīng)的發(fā)電效率。此外，還可以升高甲醇的使用效率。
空氣泵410連接到陰極32，并且能夠?qū)⒖諝馓峁┑疥帢O32。例如，在該實施例中，空氣泵410被用作空氣提供裝置，但是空氣提供裝置可以是能夠向陰極32提供空氣的任何裝置。例如，可以將風扇等用作空氣提供裝置。此外，空氣泵410連接到控制器402，并且可以結(jié)合循環(huán)泵412等操作。此外，可以通過控制器412控制提供到陰極32的空氣量。這使得可以降低熱輻射量，并且提高用于升高發(fā)電電池3的反應(yīng)的加熱效率和發(fā)電反應(yīng)的發(fā)電效率。此外，可以減少功率消耗。
氣-液分離器411與水回收泵414合作操作，并且提供在發(fā)電電池3和水回收泵414之間?？梢詫⒃诎l(fā)電電池3中產(chǎn)生的水提供到氣-液分離器411，同時由空氣泵410排出。由此所提供的水可以由氣-液分離器411分離為水和其它物質(zhì)。例如，氣-液分離器411能夠從發(fā)電電池3中存在的水、空氣(氧氣和氮氣)、二氧化碳中分離水和其它物質(zhì)。
在氣-液分離器411和第一容器210與第二容器220之間提供水回收泵414，并且能夠?qū)?液分離器411分離的水提供到第一和第二容器210、220。水回收泵414能夠根據(jù)來自控制器402的命令通過選擇閥門502來將水提供到第一容器210和第二容器220。
將作為要被稀釋的燃料的甲醇儲存在要稀釋燃料容器200中，并且通過要稀釋燃料供應(yīng)泵413將其提供到第一容器210或第二容器220。在這個實例中，不特定將濃度限制在高于低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液的濃度的范圍。
將作為低濃度燃料的低濃度液態(tài)甲醇溶液儲存在第一容器210中。在第一容器210中，通過將從要稀釋燃料容器200提供的甲醇和從水回收泵414提供的水混合來形成低濃度液態(tài)甲醇溶液。通過燃料循環(huán)泵412將低濃度液態(tài)甲醇溶液提供到發(fā)電電池3，并且其能夠主要地執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)。低濃度液態(tài)甲醇溶液在大約1.5到6.5％重量的范圍內(nèi)。然而，不特定限制濃度，而是恰當?shù)馗淖兊娇梢栽诎l(fā)電電池3中進行有效的發(fā)電反應(yīng)的濃度。
將作為高濃度燃料的高濃度液態(tài)甲醇溶液儲存在第二容器220中。在第二容器220中，通過將從要稀釋燃料容器200提供的甲醇和從水回收泵414提供的水混合來形成高濃度液態(tài)甲醇溶液。該高濃度液態(tài)甲醇溶液通過燃料循環(huán)泵412提供到發(fā)電電池3，并且其能夠主要地升高發(fā)電電池3的溫度。高濃度液態(tài)甲醇溶液在大約20到30％重量的范圍內(nèi)。然而，不特定限制濃度，而是可以恰當?shù)馗淖兊礁哂诘蜐舛纫簯B(tài)甲醇溶液的濃度，在該濃度上，可以根據(jù)使用環(huán)境來有效地實現(xiàn)用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)。利用通過使用發(fā)電電池3中產(chǎn)生的水來稀釋甲醇來形成低濃度液態(tài)甲醇溶液和高濃度液態(tài)甲醇溶液，消除對準備用于儲存稀釋水的容器的需要，使得可以縮小燃料電池系統(tǒng)1的尺寸。此外，利用通過電解質(zhì)薄膜30從陽極31提供的高濃度液態(tài)甲醇溶液，可以以分散的狀態(tài)向陰極32提供高濃度液態(tài)甲醇溶液，這在陰極32中實現(xiàn)用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)。
在要稀釋燃料容器200和第一容器210與第二容器220之間提供選擇閥門501，由此可以將稀釋燃料容器200中的甲醇提供到第一容器210或第二容器220。在水回收泵414和第一與第二容器210、220之間提供選擇閥門502，由此可以由水回收泵414將水提供到第一容器210或第二容器220。在發(fā)電電池3和第一容器210與第二容器220之間提供選擇閥門503。通過選擇閥門503的作用，可以將低濃度液態(tài)甲醇溶液提供到第一容器210，而將高濃度液態(tài)甲醇溶液提供到第二容器220。在第一和第二容器210、220與放電單元3之間提供選擇閥門504，由此可以將低濃度液態(tài)甲醇溶液或高濃度液態(tài)甲醇溶液提供到發(fā)電電池3。不特定限制選擇閥門501、502。503和504，可以根據(jù)安裝在燃料電池系統(tǒng)1中的裝置等來按需要改變它們的數(shù)量、形狀、尺寸等。
控制器402能夠讀取溫度測量裝置400和濃度測量裝置401中的數(shù)字值，并且控制空氣泵410、水回收泵414、燃料循環(huán)泵412、要稀釋燃料供應(yīng)泵413以及選擇閥門501、502。503和504。例如，控制器402能夠控制燃料循環(huán)泵412以及選擇閥門502、503和504，以便將高濃度液態(tài)甲醇溶液從第二容器220提供到陽極31。此外，控制器402還能夠控制要稀釋燃料供應(yīng)泵413、水回收泵414和選擇閥門501，以便將甲醇和水提供到第二容器220。
在本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)1中，將用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)的低濃度液態(tài)甲醇溶液和用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)和用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)的高濃度液態(tài)甲醇溶液分別儲存在分離的容器中，由此當發(fā)電電池3的溫度不高于預(yù)定溫度時，將高濃度液態(tài)甲醇溶液提供到陽極31，而當發(fā)電電池3已經(jīng)超過預(yù)定溫度時，可以立即切換將要提供到陽極31的液態(tài)甲醇溶液。這使得可以在恒定最佳濃度上執(zhí)行操作。此外，利用提供到陽極31的高濃度液態(tài)甲醇溶液，可以通過電解質(zhì)薄膜30分散地將高濃度液態(tài)甲醇溶液提供到陰極32，并且可以防止局部熱產(chǎn)生。此外，可以防止當直接向陰極32提供液態(tài)甲醇溶液時可能產(chǎn)生的水附著于陰極32的情況。此外，在本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)1，在第一容器210中儲存這樣的低濃度液態(tài)甲醇溶液，其制備成具有有助于有效的發(fā)電反應(yīng)的濃度。因此，在正常操作中，通過僅從第一容器210向發(fā)電電池3提供燃料，可以提供具有穩(wěn)定的濃度的低濃度液態(tài)甲醇溶液，并且可以執(zhí)行穩(wěn)定的發(fā)電。此外，由于不需要控制在通路中的燃料濃度，因此不需要燃料噴嘴。此外，通過提供作為分離的個體的第一容器210和第二容器220，可以根據(jù)它們的使用頻率來設(shè)置它們，并且可以不浪費地使用燃料。此外，可以根據(jù)使用環(huán)境調(diào)節(jié)所儲存的燃料的濃度。此外，第一容器210和第二容器220是可拆卸的，并且可以替換儲存罐。
在本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)1的發(fā)電電池3中，當發(fā)電電池3的溫度不高于預(yù)定溫度時，將高濃度液態(tài)甲醇溶液提供到發(fā)電電池3，由此可以實現(xiàn)用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)。可以通過向陽極31提供來自第二容器220的高濃度液態(tài)甲醇溶液并向陰極32提供來自空氣泵410的空氣來進行用于升高發(fā)電電池3內(nèi)部的溫度的反應(yīng)。在高濃度液態(tài)甲醇溶液中包含的甲醇滲透電解質(zhì)薄膜30，并且在陰極32發(fā)生甲醇的氧化反應(yīng)。該氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，使得在發(fā)電電池3內(nèi)部放熱。因此，可以通過因此釋放的熱來升高發(fā)電電池3的溫度。此外，通過將提供到發(fā)電電池3的高濃度液態(tài)甲醇溶液量和提供到發(fā)電電池3的空氣量降低到在發(fā)電反應(yīng)期間所需要量之下，可以使用高濃度液態(tài)甲醇溶液，以有效地發(fā)生用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)，并且有效地升高發(fā)電電池3的溫度。由于通過電解質(zhì)薄膜將高濃度液態(tài)甲醇溶液從陽極31提供到陰極32，因此與直接向陰極32提供高濃度燃料的情況相比，可以以分散的方式提供高濃度燃料，并且可以防止局部熱產(chǎn)生反應(yīng)的發(fā)生。
此外，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)1的發(fā)電電池3中，當發(fā)電電池3的溫度高于預(yù)定溫度時，通過向發(fā)電電池3提供低濃度液態(tài)甲醇溶液來實現(xiàn)發(fā)電反應(yīng)。通過向陽極31提供來自第一容器210的低濃度液態(tài)甲醇溶液并向陰極32提供來自空氣泵410的空氣來進行發(fā)電反應(yīng)。提供到陽極31的低濃度液態(tài)甲醇溶液經(jīng)歷低濃度液態(tài)甲醇溶液中的水和甲醇之間的反應(yīng)，該反應(yīng)由下面的反應(yīng)式表示CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-。在該反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)通過滲透電解質(zhì)薄膜30而移向陰極。另一方面，在反應(yīng)中產(chǎn)生的電子(e-)通過外部電路從陽極31移向陰極32。因此移向陰極32的質(zhì)子和電子在那里與所提供的空氣中的氧氣反應(yīng)，其反應(yīng)由下面的反應(yīng)式表示3/2O2+6H++6e-→3H2O。因此，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)1的發(fā)電電池3中，可以通過提供低濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣來實現(xiàn)發(fā)電反應(yīng)。
圖2顯示在啟動本發(fā)明中的燃料電池系統(tǒng)期間甲醇和高濃度液態(tài)甲醇溶液的流動，其中箭頭90指示甲醇和高濃度液態(tài)甲醇溶液的流動。如圖2所示，在啟動燃料電池系統(tǒng)1時，通過燃料循環(huán)泵412將高濃度液態(tài)甲醇溶液從第二容器220提供到發(fā)電電池3的陽極31。同時通過空氣泵410將空氣提供到發(fā)電電池3的陰極32。這使用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)發(fā)生，由此可以升高發(fā)電電池3的溫度。此外，將提供到陽極31的高濃度液態(tài)甲醇溶液返回到第二容器220。此外，由氣一液分離器411分離在該反應(yīng)時產(chǎn)生的水，并且將其通過水回收泵414，以用作稀釋甲醇的稀釋水。在這個實例中，控制器402運行來使得選擇閥門503關(guān)閉到第一容器210的通路，并且選擇閥門504關(guān)閉自第一容器210的通路。因此，低濃度液態(tài)甲醇溶液保留在第一容器210中。此外，控制器402執(zhí)行控制來使得所提供的高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣量對于用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)來說是最佳的。溫度測量裝置400測量發(fā)電電池3的溫度，并且由控制器402讀取測量值。當溫度測量裝置400測量的溫度已經(jīng)超過預(yù)定溫度時，控制器能夠從實現(xiàn)用于升高發(fā)電電池的溫度的反應(yīng)的操作立即切換到實現(xiàn)發(fā)電反應(yīng)的操作。預(yù)定溫度指的是在該溫度上可以在發(fā)電電池3中的發(fā)電反應(yīng)中相對有效地產(chǎn)生電力的溫度，并且該溫度根據(jù)安裝在系統(tǒng)中的發(fā)電電池3而改變。
可以在第二容器220中通過混合在要稀釋燃料容器200中儲存的甲醇和從發(fā)電電池3回收的水來制備在用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)中使用的高濃度液態(tài)甲醇溶液。在這種情況下，控制器402控制要稀釋燃料供應(yīng)泵413來進行操作。此外，控制器402控制選擇閥門501和選擇閥門502來關(guān)閉導(dǎo)向第一容器210的通路。由濃度測量裝置401持續(xù)測量高濃度液態(tài)甲醇溶液的濃度，并且將所測量的值持續(xù)傳輸?shù)娇刂破?02。當由濃度測量裝置401測量的值不顯示預(yù)定的濃度值時，控制器402控制要稀釋燃料供應(yīng)泵413和水回收泵414，由此可以實現(xiàn)操作，以便高濃度液態(tài)甲醇溶液將具有預(yù)定的濃度。
燃料電池系統(tǒng)1的上述操作不限于的啟動時間。例如，當在執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)的正常操作期間發(fā)電電池3的溫度降低到預(yù)定溫度之下時，諸如當外部空氣溫度低時，可以設(shè)置來執(zhí)行與在啟動時的操作相同的操作。在這一實例中，可以通過控制器402將提供到陽極31的液態(tài)甲醇溶液從低濃度液態(tài)甲醇溶液切換為高濃度液態(tài)甲醇溶液，以便實現(xiàn)用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)。
圖3顯示在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)1的正常操作期間甲醇和低濃度液態(tài)甲醇溶液的流動，其中箭頭91指示甲醇和低濃度液態(tài)甲醇溶液的流動。如圖3所示，在燃料電池系統(tǒng)11的正常操作期間，即當發(fā)電電池3的溫度高于預(yù)定溫度時，通過燃料循環(huán)泵412將低濃度液態(tài)甲醇溶液從第一容器210提供到發(fā)電電池3。同時，通過空氣泵410將空氣提供到發(fā)電電池3的陰極32。這使得發(fā)生發(fā)電反應(yīng)。將提供到陽極31的低濃度液態(tài)甲醇溶液返回到第一容器210。此外，由氣-液分離器411分離根據(jù)該反應(yīng)產(chǎn)生的水，并將其通過水回收泵414，以作為稀釋甲醇的稀釋水。在這一實例中，控制器402運行來使得選擇閥門503關(guān)閉導(dǎo)向第一容器220的通路，并且選擇閥門504關(guān)閉自第二容器220的通路。因此，將高濃度液態(tài)甲醇溶液保留在第二容器220中。此外，控制器402執(zhí)行控制來使得低濃度液態(tài)甲醇溶液和至氣量對于發(fā)電反應(yīng)來說是最佳的。
可以在第一容器210中通過混合在要稀釋燃料容器200中儲存的甲醇和從發(fā)電電池3回收的水來補充在發(fā)電反應(yīng)中使用的低濃度液態(tài)甲醇溶液。在在這一實例中，控制器402控制要稀釋燃料供應(yīng)泵413來進行操作。此外，控制器402控制選擇閥門501和選擇閥門502來關(guān)閉導(dǎo)向第二容器220的通路。實際上與高濃度液態(tài)甲醇溶液的情況方式相同，在這種情況下，由濃度測量裝置401監(jiān)測低濃度液態(tài)甲醇溶液的濃度，并且由控制器402進行控制，以便該濃度為預(yù)定的濃度值。
如上所述，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)1中，在分離的儲存罐中分別儲存用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)的低濃度液態(tài)甲醇溶液和用于主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)和用于提高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)的高濃度液態(tài)甲醇溶液，由此可以根據(jù)發(fā)電電池3的溫度來立即切換提供到陽極31的液態(tài)甲醇溶液。這使得可以以恒定最佳濃度執(zhí)行操作。此外，通過將高濃度燃料通過電解質(zhì)薄膜30從陽極31提供到陰極32，可以以分散的方式提供高濃度液態(tài)甲醇溶液，并且可以防止局部熱產(chǎn)生。此外，可以防止當直接向陰極32提供燃料時可能產(chǎn)生的水附著于陰極32的情況。此外，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，在第一儲存罐中儲存低濃度燃料，該將燃料制備為具有允許進行有效發(fā)電反應(yīng)的濃度。因此在正常操作中通過僅從第一儲存罐向發(fā)電電池提供燃料，可以提供具有穩(wěn)定濃度的低濃度燃料，并且執(zhí)行穩(wěn)定的發(fā)電。此外，由于不需要在控制通路中的燃料濃度，因此不需要提供噴嘴。另外，通過分別提供作為分離的個體的第一儲存罐和第二儲存罐，可以根據(jù)使用儲存罐二者的頻率來設(shè)計它們，并且可以不浪費地使用燃料。此外，可以根據(jù)使用環(huán)境來調(diào)節(jié)所儲存的燃料的濃度。此外，第一儲存罐和第二儲存罐是可獨立拆卸的，并且可以替換儲存罐。
現(xiàn)在將在下面描述啟動上述燃料電池系統(tǒng)1的燃料電池的方法。如上所述，按這樣的方式配置燃料電池系統(tǒng)1當發(fā)電電池3的溫度不高于預(yù)定溫度時，諸如在啟動燃料電池系統(tǒng)1時，將高濃度液態(tài)甲醇溶液提供到陽極31并將空氣提供到陰極32，由此可以在發(fā)電電池3的陰極32上進行用于升高發(fā)電電池3的溫度的反應(yīng)。在這一實例中，提供到發(fā)電電池3的高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣的溫度低于在該溫度上執(zhí)行切換到發(fā)電反應(yīng)的預(yù)定溫度。因此，利用提供有高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣的發(fā)電電池3，發(fā)電電池3放熱，這阻止了發(fā)電電池3的溫度的升高。由此釋放的熱量依賴于高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣量，使得可以通過降低提供到發(fā)電電池3的高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣量來將釋放的熱量抑制在低水平。具體地說，通過一點一點地提供高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣，可以在使它們的溫度接近發(fā)電電池3的溫度的同時提供它們。因此，通過降低提供到發(fā)電電池3的高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣量，可以有助于發(fā)電電池3的溫度的升高。此外，通過將提供到發(fā)電電池3的高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣量抑制在當執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)時提供到發(fā)電電池3的低濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣量之下，可以縮短在啟動燃料電池系統(tǒng)1時升高發(fā)電電池3的溫度所需的時間段。在這種情況下，不特定限制所提供的高濃度液態(tài)甲醇溶液和空氣量，而是根據(jù)燃料電池系統(tǒng)1的外部溫度、發(fā)電電池3的尺寸等而改變。此外，通過本發(fā)明的燃料電池啟動方法，可以在短時間內(nèi)升高發(fā)電電池3的溫度，并且可以降低在發(fā)電電池3的溫度低時使用的輔助電池的容量，并且縮小燃料電池系統(tǒng)1的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有夾在正電極和負電極之間的電解質(zhì)的發(fā)電電池；第一儲存罐，用于儲存具有預(yù)定濃度的低濃度燃料；和第二儲存罐，用于包含濃度高于所述低濃度燃料的高濃度燃料，其中根據(jù)所述發(fā)電電池的溫度來切換地提供濃度不同的、儲存在所述第一儲存罐和所述第二儲存罐中的所述燃料。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述第一儲存罐和所述發(fā)電電池之間循環(huán)所述低濃度燃料。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述第二儲存罐和所述發(fā)電電池之間循環(huán)所述高濃度燃料。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中通過使用在所述發(fā)電電池中產(chǎn)生的水稀釋要被稀釋的燃料來形成低濃度燃料和高濃度燃料中的每一種。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中將所述要被稀釋的燃料儲存在第三儲存罐中，并且從所述第三儲存罐將所述要被稀釋的燃料提供到所述第一儲存罐和所述第二儲存罐。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述要被稀釋的燃料是甲醇。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在啟動時將所述高濃度燃料提供到所述負電極，而在正常操作時將提供到所述負電極的燃料切換為所述低濃度燃料。
8.一種啟動燃料電池系統(tǒng)的方法，其中該系統(tǒng)包括具有夾在正電極和負電極之間的電解質(zhì)的發(fā)電電池；第一儲存罐，用于儲存具有預(yù)定濃度的低濃度燃料；和第二儲存罐，用于包含濃度高于所述低濃度燃料的高濃度燃料，其中根據(jù)所述發(fā)電電池的溫度來切換地提供濃度不同的、儲存在所述第一儲存罐和所述第二儲存罐中的所述燃料，所述方法包括步驟將所述燃料提供到所述負電極，同時將提供到所述負電極的所述高濃度燃料量設(shè)置為小于提供到所述負電極的所述低濃度燃料量；和以設(shè)置為比在所述發(fā)電電池的溫度在預(yù)定溫度或高于預(yù)定溫度的情況下所提供的氧化劑量要小的量，將氧化劑提供到所述正電極。
全文摘要
提供使用總是具有最佳濃度的燃料來操作燃料電池并降低啟動燃料電池所需的時間段的系統(tǒng)。在分離的儲存罐中獨立地儲存主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)的低濃度燃料和主要執(zhí)行發(fā)電反應(yīng)與升高發(fā)電電池的溫度的反應(yīng)的高濃度燃料。這使得根據(jù)發(fā)電電池的溫度來立即切換要提供到負電極的燃料。結(jié)果，可以使用總是具有最佳濃度的燃料來操作燃料電池。此外，由于可以在短時間內(nèi)升高發(fā)電電池的溫度，因此可以降低在發(fā)電電池的溫度低時使用的輔助電池的容量，這使得燃料電池系統(tǒng)的尺寸縮小。
文檔編號H01M8/10GK1973393SQ200580020469
公開日2007年5月30日 申請日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
發(fā)明者金井剛, 須藤業(yè) 申請人:索尼株式會社