CN101904035A - 燃料电池和温度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了能够直接测量发电单元的平均温度并防止温度检测装置脱落的燃料电池和温度测量方法。用于固定发电单元(10)位置的正极板(21)被设置为以热传导的方式与发电单元(10)相接触，并由电导体或半导体构成。当温度随着发电单元(10)的发电操作发生变化时，以传热方式与发电单元(10)相接触的正极板(21)的温度发生变化。根据温度的变化，电阻值发生变化。通过使用具有正极板(21)和电阻(31)和(32)的电阻分压电路(30)来检测电阻值。通过预先获得正极板(21)的温度系数，从正极板(21)的电阻值测量出整个发电单元(10)的平均温度。

Description

燃料电池和温度测量方法
技术领域
本发明涉及通过甲醇等和氧之间的反应生成电力的燃料电池以及应用于该燃料电池的温度测量方法。
背景技术
迄今，由于燃料电池具有高的发电效率，并且不排放有害物质，因此可实际将其用作工业或家用发电装置或者卫星、宇宙飞船等的电源。并且，近年来，作为诸如客车、公共汽车和卡车的车辆的电源的燃料电池的开发正在进展。这种燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池等。在这些类型中，由于直接甲醇燃料电池(DMFC)通过使用甲醇作为燃料氢源实现了高能量密度，以及由于不需要重整器(reformer)而实现小型化，因此正在研究将其作小型便携式燃料电池。
在DMFC中，使用MEA(膜电极组件)作为单位电池，其中通过由两个电极夹住固态高分子电解质膜从而一体地连接来得到单位电池。在将气体扩散电极中的一个设置为燃料电极(负极)并将甲醇作为燃料提供给其表面时，甲醇分解，并生成氢离子(质子)和电子。氢离子穿过固态高分子电解质膜。在将另一气体扩散电极设置为氧电极(正极)并且将空气作为氧化剂提供给其表面时，空气中的氧与氢离子和电子结合，并生成水。通过这样的电化学反应，由DMFC产生电动势。
为了使这种燃料电池安全地执行发电操作，监控由一个或多个单位电池组成的发电单元的温度、调节燃料的供给量、以及在热失控(thermal runaway)时进行紧急停止的控制是必需的。通常，对于温度测量，使用诸如热敏电阻或热电偶的检测温度专用的装置。然而，这些装置仅能测量存在发电单元的那一点的温度。
于是，在过去，作为测量发电单元中多个位置的温度的平均值的方法，报道了将多个热电偶串联地连接到单个温度测量装置的方法(例如，参照专利文献1)。根据该方法，相比于安装与热电偶的数量相同的温度测量装置的情况，能够以低成本的配置得到平均温度。
专利文献1：日本未审查专利申请公开文件：第Hei 09-245824号
发明内容
然而，在专利文献1中所描述的方法具有一个问题，即需要与感测温度的位置的数量相同数量的热电偶，并且还存在热电偶脱落的可能性。在由于连接不牢固等导致热电偶脱落的情况下，会发生失控，因此存在发生非常危险的状态的可能性。
考虑到上述问题，本发明的目的是要提供一种燃料电池，其中测量整个发电单元的平均温度并防止温度检测装置的脱落，并且提供一种温度测量方法。
本发明的燃料电池包括：发电单元，具有正极和负极；固定构件，其以传热方式与发电单元相接触，该固定构件由电导体或半导体构成，并固定发电单元的位置；以及电阻值检测装置，检测固定构件的电阻值。
本发明的温度测量方法是用于在包括具有正极和负极的发电单元的燃料电池中测量发电单元的温度的方法。固定发电单元的位置的固定构件以传热方式与发电单元相连接，其由电导体或半导体构成，并且该方法检测固定构件的电阻值。
在本发明的燃料电池和温度测量方法中，当发电单元的温度发生变化时，以传热方式与发电单元相连接的固定构件的温度相应地发生变化。此时，根据温度变化，固定构件的电阻值发生变化，该电阻值由电阻值检测装置进行检测。
根据本发明的燃料电池或者本发明的温度测量方法，固定发电单元的固定构件以传热方式与发电单元相连接，固定构件由电导体或半导体构成，并且固定构件的电阻值由电阻值检测装置进行检测。因此，能够测量整个发电单元的平均温度，而并非发电单元的一部分的局部温度。此外，专门用于检测温度的装置(诸如热电偶或热敏电阻)就变得没有必要了，并且固定构件能用作温度检测装置。从而，由于温度检测装置的脱落而导致失控的可能性就会极大地减小。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施方式的燃料电池的整体构造的分解透视图。
图2是图1中所示的正极板的构造的透视图。
图3是图1中所示的发电单元的构造的截面图。
图4是图1中所示的发电单元的构造的平面图。
图5是用于说明图1所示的发电单元的制造方法的截面图。
图6是用于说明图1所示的发电单元的制造方法的截面图。
图7是示出了图2的修改例的示图。
图8是示出了实施例的结果的示图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1示出了根据本发明实施方式的燃料电池的整体构造。例如，燃料电池1可用于移动电话或诸如笔记本型PC(个人计算机)的便携式电子装置的电源，并且具有发电单元10和固定发电单元10的位置的正极板21和负极板22。
发电单元10是通过在甲醇和氧之间的反应而发电的直接甲醇型的发电单元，其包括一个或多个(在图1中，例如为6个)单位电池10A～10F，其中每个单位电池具有正极(氧电极)和负极(燃料电极)。
正极板21和负极板22具有作为分别固定发电单元10中的正极和负极的位置的固定构件的功能，并且例如可由各自具有约1mm厚度的铝板制成。正极板21设置有用于使作为氧化剂的空气(氧)通过的通孔23。在负极板22的下面，设置了例如包含甲醇作为燃料F的燃料箱24(在图1中未示出，参见图3)。以脉动的方式(间歇地)从燃料箱提供甲醇。甲醇以气化的状态经由负极板22的通孔25提供给单位电池10A～10F的负极。甲醇也可以液态的方式提供。
在发电单元10具有多个单位电池10A～10F的情况下，正极板21和负极板22与发电单元10电绝缘从而防止短路。具体地，正极板21和负极板22中的每一个在表面的至少一部分(例如，与发电单元10相接触的部分)中，具有由经过氧化铝膜(alumite)处理形成的氧化铝制成的绝缘膜(未示出)。绝缘膜可以是氧化膜或者是高分子膜。
正极板21覆盖了发电单元10中的单位电池10A～10F的所有负极，并且与发电单元10相接触以传递热量。利用这种构造，正极板21的温度变成发电单元中所有单位电池10A～10F的平均温度。此外，正极板21由电导体或半导体构成，并且电阻值随温度变化，也就是说，正极板21具有温度系数。通过正极板21及电阻31和32，可构建电阻分压电路30。电阻31连接在正极板21中的点A和电压源Vcc(例如，3.3V)之间。电阻32连接在正极板21的点B和接地GND(0V)之间。点A和点B的位置没有限制，但是，为了能够在更宽的范围内测量正极板21的温度，点A和点B的位置优选为在正极板21的对角线上的两个点。
作为通过使用这样的电阻分压电路30检测正极板21的电阻值的电阻值检测装置，设置了放大点A和点B之间的电位差的差分放大器41、对来自差分放大器41的输出电压进行A/D转换(模拟至数字的转换)的A/D转换电路42、以及基于从A/D转换电路42的输出电压(数字电压)计算正极板21的电阻值的计算机43。在燃料电池1中利用这种构造，能够测量整个发电单元10的平均温度，并能够防止温度检测元件的脱落。
构成正极板21的优选电导体的实例不仅包括上述的铝，还包括镁、镍、铂、铑和钴，以及包括它们中的任何的化合物。这是因为在常用的金属中，镁具有最高的温度系数、镍具有第二高的温度系数，并且利用这些金属，S/N比(信噪比)能够提高。此外，这是因为铂、铑和钴是用于热电偶的金属，并相似地具有高温度系数。
构成正极板21的优选半导体的实例包括四氧化三铁、铬酸锰、铝酸镁、氧化镍(II)、三氧化二锰、氧化铬(III)，以及包括它们中的任何的化合物。这是因为它们是构成热敏电阻的半导体，并具有高温度系数。
图2示出了正极板21的详细构造。在正极板21中，与发电单元10中的单位电池10A～10F相接触的热敏部21A比其他的非热敏部21B薄。也就是说，在正极板21的截面形状中，热敏部21A的截面面积要小于非热敏部21B的截面面积。因此，非热敏部21B具有大的截面面积、低电阻和小的电阻温度变化。相反，热敏部21A具有小的截面面积、高电阻、大的电阻温度变化和改善的温度响应性。在这种方式下，在正极板21中，具有高感温能力的部分和具有低感温能力的部分自由地形成为热敏部21A和非热敏部21B的结构。
图3和图4示出了发电单元10中单位电池10A～10F的构造实例。图3对应于沿着图4的III-III线截取的截面图。各个单位电池10A～10F具有位于正极(氧电极)51和负极(燃料电极)52之间的电解质膜53。单位电池10A～10F具有在面内方向上例如以3行×2列的方式配置的平面堆叠结构，并通过多个连接构件54串联电连接。作为连接构件54的延伸部分的端子55附接至单位电池10A和10F。
正极51和负极52各自具有这样的构造，例如，包含催化剂(诸如铂(Pt)和钌(Ru))的催化剂层形成在由碳纸等制成的集电体上。例如，催化剂层可通过将诸如支持催化剂的碳黑的支持体分散在聚全氟烷基磺酸类的质子传导材料等中来构造。此外，未示出的空气供给泵可与正极51连接。正极51可经由形成在连接构件54中的开口(未示出)与外界连通，从而可通过自然通风来提供空气中的氧。
电解质膜53例如可由具有磺酸基(-SO3H)的质子传导材料制成。质子传导材料的实例包括聚全氟烷基磺酸类的质子传导材料(例如，由Dupont制造的“Nafion”(注册商标))、诸如聚酰亚胺磺酸的烃类质子传导材料、以及富勒烯类质子传导材料。
连接构件54具有位于两个平坦部54A和54B之间的弯曲部54C，其在平坦部54A与一个单位电池(例如，10A)的负极52相接触，并且在另一平坦部54B与相邻的单位电池(例如，10B)的正极51相接触。连接构件54电连接相邻的两个单位电池(例如，10A和10B)，并具有聚集在各个单位电池10A～10F中所产生的电力的集电体的功能。例如，这种连接构件54的厚度为150μm，并由铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)或者不锈钢(SUS)制成，或者可以镀有金(Au)、铂(Pt)等。并且，连接构件54具有给正极51和负极52提供空气和燃料F的开口(未示出)，并且由诸如延展金属、冲压金属等的网状物构成。弯曲部54可根据单位电池10A～10F的厚度预先进行弯曲。在连接构件54由厚度为200μm以下的网状物构成并具有柔性的情况下，弯曲部54C可在制造过程中通过弯曲而形成。这样的连接构件54例如可通过将设置在电解质膜53的外围的诸如PPS(聚亚苯基硫化物)、硅胶等的密封构件(未示出)螺纹连接至连接构件54，而接合至单位电池10A～10F。
例如，可按照下列方法制造燃料电池1。
首先，将由上述材料制成的电解质膜53夹在由上述材料制成的正极51和负极52之间并通过热压结合进行接合，从而形成单位电池10A～10F。
随后，制备由上述材料制造的连接构件54。如图5和图6所示，6个单位电池以3行×2列的方式进行配置，并通过连接构件54串联电连接。将由上述材料制成的密封材料(未示出)设置在电解质膜53的外围，并通过螺纹连接固定至连接构件54的弯曲部54C。
随后，制备由上述材料制成的正极板21和负极板22。通过氧化膜处理(例如，氧化铝膜处理)、高分子膜处理等，在其表面的至少一部分中形成绝缘膜。例如，通过使用锉刀，除去正极板21表面上点A和点B处的绝缘膜。电阻31和32分别与点A和点B相连接，从而构成了电阻分压电路30。
之后，将正极板21设置在连接的单位电池10A～10F的正极51侧，并且将负极板22和燃料箱24设置在负极52侧。此外，将差分放大器41、A/D转换电路42和计算机43连接到正极板21上的点A和点B，。从而完成了图1～图4所示的燃料电池1。
在燃料电池1中，将燃料F提供给各个单位电池10A～10F中的负极52，通过反应生成质子和电子。质子经由电解质膜53移动到正极51，并与电子和氧反应以生成水。通过反应，燃料F(即甲醇)的部分化学能转化为电能。电能被连接构件54聚集并从发电单元10作为输出电流被提取出。将发电单元10所生成的输出电流和电动势提供给外部的负载(未示出)，从而驱动负载。
当发电单元10的温度随着发电操作发生变化时，以热传导的方式与发电单元10相接触的正极板21的温度发生变化。根据温度变化，电阻值发生变化并通过使用电阻分压电路30进行检测。因此，当预先获得正极板21的温度系数时，从正极板21的电阻值可测量整个发电单元10的平均温度。基于上述测量的发电单元10的温度，调节燃料F的供给，并控制发电单元10的温度，以使其不会没有必要地升高。
此外，在测量发电单元10的平均温度时，不同于现有技术，不需要使用诸如热电偶或热敏电阻的温度检测专用的装置，而可以使用正极板21作为温度检测装置。因此，不会发生由于温度检测装置脱落而导致失控的可能性。
在上述描述的实施方式中，固定发电单元10的位置的正极板21与发电单元10以传热方式连接，并且由电导体或者半导体构成，并通过使用电阻分压电路30来检测正极板21的电阻值。因此，能够测量整个发电单元10的平均温度，而不是发电单元10的一部分的局部温度。此外，检测温度专用的装置(诸如热电偶或热敏电阻)就变得没有必要，并且通过使用正极板21作为温度检测装置来测量发电单元10的温度。从而，因温度检测装置脱落而导致发生失控的概率被极大地降低了，组装容易，成本也降低了。
此外，如图7所示，可设置具有正极板21和电阻61、62和63的电阻电桥电路60，以替代电阻分压电路30。具体地，正极板21上的点A与电阻63的一端和电压源Vcc相连接，正极板21中的点B与电阻61的一端相连接，电阻63的另一端和电阻62的一端共同与点C相连接，并且电阻61和62的另一端共同与接地GND相连接。此外，作为通过使用这样的电阻电桥电路60检测正极板21的电阻值的电阻值检测装置，设置了用于放大点B和点C之间的电位差的差分放大器41a、用于对差分放大器41a的输出电压(模拟电压)进行A/D转换的A/D转换电路42、以及用于基于A/D转换电路42的输出电压(数字电压)计算正极板21的电阻值的计算机43。在具有这样的构造燃料电池1中，当发电单元10的温度变化时，以传热方式与发电单元10相接触的正极板21的温度也发生变化，并且，根据温度的变化，电阻值也发生变化。由电阻电桥电路60来检测电阻值。因此，通过与该实施方式相同的操作，得到了同样的效果。
实施例
然后，将描述本发明的具体实施例。
制造如图1所示的正极板21。首先，锉平由经过氧化铝膜处理的铝制成的正极板21(外部尺寸：35mm×50mm×1mm)对角上的点A和点B以除去表面上的氧化铝膜。随后，准备180Ω的电阻31和32，并按顺序串联连接电阻31、正极板21和电阻32，从而构成电阻分压电路30。电阻31连接电压源Vcc(3.3V)和点A，而电阻32连接点B和接地GND(0V)。
所获得的正极板21的温度从0℃到60℃以5℃进行变化，并测量A和B之间的电阻值和电压。结果如图8和表1所示。当通过使用最小二乘法计算线性回归直线的公式时，对于电阻值和电压分别获得了53.2μΩ/℃和487μΩV/℃的温度系数。
表1
  温度(℃)   A-B电阻(mΩ)   A-B电压(mV)
  5   46.8   429
  10   47.0   430
  15   47.3   434
  20   47.6   436
  25   47.8   438
  30   48.4   444
  35   48.7   446
  40   48.8   447
  45   49.2   451
  50   49.3   452
  55   49.4   452
  60   49.5   454
温度系数的值是由便宜的A/D转换电路充分测量的值，从而可以确定正极板21完全可起到温度检测装置的作用。也就是说，发现通过使正极板21固定铝的发电单元10的位置，并通过电阻分压电路30检测正极板21的电阻值，能够测量整个发电单元10的平均温度。
尽管通过上述实施方式和实施例描述了本发明，但是本发明不局限于这些实施方式和实施例，还可以有各种修改。例如，在前面的实施方式和实施例中描述了测量正极板21的电阻值的情况，但是也可测量负极板22的电阻值。然而，在气化DMFC中的燃料F并提供气化的燃料F的情况下，在气化燃料F时会损失热量。因此，存在发电单元10的温度测量结果变得低于实际的温度的可能。此外，在间歇地(以脉动的方式)提供燃料F的情况下，存在温度测量结果由此而发生波动的可能。因此，通过测量正极板21的电阻值，可测量不受气化热量影响的温度。
此外，在前述实施方式和实施例中，描述了通过使用电阻分压电路30或电阻电桥电路60测量正极板21的电阻值的情况。然而，测量正极板21的电阻值的电路不局限于这些电路。
此外，尽管在前述实施方式中具体描述了发电单元10的构造，但是发电单元10可以由其他结构或其他材料构成。
此外，例如，在前述实施方式和实施例中描述的组件的材料和厚度、发电单元10的发电条件等没有限制。可以使用其他材料和厚度以及其他发电条件。
此外，例如，液态燃料不局限于甲醇，而还可使用诸如乙醇或二甲醚的其他燃料。
此外，尽管在前述实施方式和实施例中通过自然通风向正极51提供空气，但还可利用泵等强制提供空气。在这种情况下，可提供氧或者包含氧的气体来代替空气。

Claims (9)

1.一种燃料电池，包括：
发电单元，具有正极和负极；
固定构件，以传热方式与所述发电单元相接触，所述固定构件由电导体或半导体构成，并固定所述发电单元的位置；以及
电阻值检测装置，检测所述固定构件的电阻值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述固定构件具有与所述发电单元相接触的热敏部和除所述热敏部之外的非热敏部，以及
在所述固定构件的截面形状中，所述热敏部的截面面积小于所述非热敏部的截面面积。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电阻值检测装置通过使用包括所述固定构件的电阻分压电路来检测所述固定构件的电阻值。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电阻值检测装置通过使用包括所述固定构件的电阻电桥电路来检测所述固定构件的电阻值。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述固定构件固定所述发电单元的所述正极的位置。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述固定构件固定所述发电单元的所述负极的位置。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述发电单元具有多个单位电池，和
所述固定构件与所述发电单元电绝缘。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中，所述固定构件由铝制成，并在其表面的至少一部分中具有由氧化铝制成的膜。
9.一种温度测量方法，其在包括发电单元的燃料电池中测量具有正极和负极的所述发电单元的温度，
其中，固定所述发电单元的位置的固定构件以传热方式与所述发电单元相连接并且由电导体或半导体构成，并且检测所述固定构件的电阻值。
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