CN1551396A - 燃料电池及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的燃料电池的电池堆中，在位于燃料流上游侧的每个上游侧发电部件和位于燃料流下游侧的下游侧发电部件测定输出功率密度。如果上游侧电压高于下游侧电压，则进行提高燃料浓度的控制操作。相反地，如果上游侧电压低于下游侧电压，则进行降低燃料浓度的控制操作。通过反复进行这些控制操作，可以实施针对使发电效率最大化的燃料浓度的控制。无需在每个发电部件中提供浓度传感器。因此，可以实现燃料电池构造的简化和尺寸的缩小。

Description

燃料电池及其操作方法
优先权
本发明请求于2003年4月28日在日本专利局申请的No.2003-123288号优先权文件的优先权，其整体内容在此被引入作为参考。
技术领域
本发明涉及具有其间夹有电解质的燃料电极和空气电极的燃料电池及其燃料电池的操作方法。特别是，本发明涉及使用甲醇作为燃料用于发电的直接甲醇燃料电池及其燃料电池的操作方法。
背景技术
燃料电池是通过使燃料与氧(氧化剂气体)发生电化学反应以产生电力的发电装置。因为其中进行的发电的生成物主要为水，所以燃料电池作为一种不污染环境的发电装置在近年来受到关注。人们尝试将燃料电池作为一种例如用来驱动汽车的动力来源和作为一种家庭废热发电(cogeneration)系统来使用。
除了作为用以驱动汽车的动力来源使用，燃料电池作为驱动电源用于例如笔记本个人电脑、便携式电话和PDA(个人数字助理)等便携式电子设备得到了积极的发展。对于这些燃料电池而言稳定地输出必需的电能和具有适于携带的尺寸和重量是很重要的。为满足这些要求，多种技术都得到了积极的发展。
根据电解质的种类、燃料供应方法等将燃料电池分为若干类型。在不将甲醇重组为氢的情况下使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)已被提出。在DMFC中，在阳极侧，主要发生如下反应：
.
在阴极侧，主要发生如下反应：
阳极侧产生的质子(H+)通过电解质传送至阴极侧。这样，发生如下总反应，在发电的同时生成水和二氧化碳：
DMFC需要向阳极供应由水和甲醇构成的混合物燃料，因为，即使对其仅供应纯甲醇作为燃料，也不能在阳极侧发生发电反应。作为那时进行的一种燃料供应方法，已提出将甲醇和水按合适的构成比例预先混合的方法。进而，另一种方法已被提出，其中，提供一种燃料在其中循环的燃料通道，纯甲醇在该通道内得到补充，以此弥补发电反应中由于消耗而引起的甲醇成分的短缺；而且其中，发电反应生成的水被收集并混合到燃料中。
发明内容
在甲醇和水预先混合作为燃料的情况下，燃料电池系统不需要具有混合甲醇和水的装置。因此可以简化该燃料电池系统的结构。然而，所供应的甲醇预先与水进行混合，使燃料本身的能量密度降低。
如果使用含有高浓度甲醇的燃料以提高其能量密度，则甲醇则穿过传导质子的离子交换膜。这不但降低了燃料电池发电效率，而且使得用作发电元件的MEA(膜电极组件)易于退化，从而降低了燃料电池的寿命。进而，有必要在向燃料电池供应燃料之前在制备燃料的过程中将纯甲醇和水进行混合。当燃料以甲醇和水混合的状态保存的情况下，可能会产生使甲醇浓度长时间稳定的问题。
另一方面，在发电生成的水被收集且再度使用以与燃料混合的情况下，为维持燃料中所含甲醇的浓度，有必要安装传感器来测定甲醇浓度。通常，目前实际使用中的甲醇浓度传感器体积较大。因此，相关技术存在的问题在于，很难将甲醇浓度传感器合并入燃料电池系统，而且燃料电池系统本身也较复杂和庞大。
虽然PCT国际公开No.WO00/02282的出版日文翻译(KOHYO)No.2002-520778已提出通过使用结构与其他电池不同的电池实现与传感器的功能相似的技术，其所提出的技术并不足以解决燃料电池系统复杂和庞大的问题。
相应地，需要提供一种燃料电池，使其通过使用简单构造将燃料浓度调节到最佳值来发电，且需要提供一种燃料电池的操作方法。本发明就是针对以上而实现的。
根据本发明的一个方面，提供一种具有多个发电单元的燃料电池，每个发电单元包括电解质及分别在其两侧放置的燃料电极和空气电极。该燃料电池包括由位于燃料流动方向上游侧的发电单元构成的上游侧发电部件、由位于燃料流动方向下游侧的发电单元构成的下游侧发电部件，以及根据上游侧发电部件的输出功率密度和下游侧发电部件的输出功率密度来调节供应于燃料电极的燃料的浓度的燃料浓度调节部件。
发电部件的输出功率密度在特定燃料浓度时具有最大值。相应地，可以根据提供较高燃料浓度的上游侧发电部件与提供较低燃料浓度的下游侧发电部件之间的电压差来决定如何控制燃料浓度以使输出功率密度最大化。相应地，在不向每个发电部件提供浓度传感器的情况下，通过根据置于上游侧的发电部件和置于下游侧的发电部件的输出功率密度调节燃料浓度，可以实现发电的最佳燃料浓度。由于无需浓度传感器，这可以使燃料电池的构造简化、体积缩小。
如果上游侧发电部件的发电单元的输出功率密度高于下游侧发电部件的发电单元的输出功率密度，则燃料浓度调节部件将燃料浓度设置为更高值。进而，如果上游侧发电部件的发电单元的输出功率密度低于下游侧发电部件的发电单元的输出功率密度，则燃料浓度调节部件将燃料浓度设置为更低值。这使以与燃料浓度相联系的输出功率密度的最大值为目标的燃料电池的调节成为可能。
进一步，通过向燃料电池提供用以收集发电单元在发电中生成的水和向燃料浓度调节部件供应水的水收集部件，可以使用发电中生成的水来调节燃料浓度。可选地，可通过返回已通过下游侧发电部件的燃料电极的燃料进行循环式燃料浓度调节，其中由于发电反应而被降低了浓度的燃料与高纯度燃料混合。
可设置上游侧发电部件的发电单元的数目与下游侧发电部件的发电单元的数目相等。可选地，可设置上游侧发电部件的发电单元的数目大于下游侧发电部件的发电单元的数目。在上游侧发电部件的发电单元的数目设置为大于下游侧发电部件的发电单元的数目的情况下，流过下游侧发电部件每一单层的燃料的流速高于流过上游侧发电部件每一单层的燃料的流速。因此，即使由于发电而降低了燃料浓度，通过提高下游侧的燃料流速也可提高发电效率。
可将上游侧发电部件的发电单元排列成与燃料流向平行。进一步，可将下游侧发电部件的发电单元排列成与燃料流向平行。含有醇类例如甲醇的水溶液可用作燃料。
根据本发明的另一个方面，提供一种具有多个发电单元的燃料电池的操作方法，每个发电单元包括电解质及在其两侧分别放置的燃料电极和空气电极。本方法中，供应于燃料电池的燃料的浓度根据置于燃料流向上游侧的上游侧发电单元的输出功率密度和置于燃料流向下游侧的下游侧发电单元的输出功率密度来调节。
在不提供浓度传感器于每个发电部件的情况下，通过根据置于燃料流向上游侧的上游侧发电部件的输出功率密度和置于燃料流向下游侧的下游侧发电部件的输出功率密度来调节燃料浓度，可以实现发电的最佳燃料浓度。由于无需浓度传感器，所以可以使燃料电池的构造简化、体积缩小。
附图说明
结合附图对本发明呈现的具体实施例的下述描述，可使本发明的上述及其他目标、特征和优点更加清楚，其中：
图1为表示根据本发明实施例1的燃料电池结构的框图，其中粗箭头表示燃料流向；
图2为表示根据本发明实施例1的电池堆结构的分解透视图，其中，多个发电装置被堆叠；
图3为表示本发明实施例1中燃料的甲醇浓度与其输出功率密度之间关系的曲线图；
图4为表示根据本发明实施例1调节燃料电池甲醇浓度的过程的流程图；
图5为表示本发明实施例1的燃料电池结构的框图，其中粗箭头表示燃料流向；和
图6表示本发明实施例2中燃料的甲醇浓度与其输出功率密度之间关系的曲线图。
具体实施方式
实施例1
下文参考附图详细描述本发明所提供的燃料电池和燃料电池操作方法。顺便提及，本发明不限于下面的描述。在不离开本发明范围的情况下可以作适当的更改。顺便提及，虽然在该实施例的描述中描述了使用由甲醇和水混合作为燃料的水溶液的例子，但是也可以使用另一种由其他有机溶剂和水混合的水溶液。
本发明的燃料电池具有一种结构，其中，发电装置与燃料流向平行排列以构成上游侧发电部件和下游侧发电部件，而且上游侧发电部件和下游侧发电部件在燃料流向上串联排列。
图1为表示根据本发明的燃料电池的结构的框图，其中显示燃料流和空气流向。如图所示，本燃料电池包括：具有由多个发电装置堆叠而成的堆叠结构的发电部件30；供应甲醇作为燃料的燃料供应部件40；用于燃料循环和调节燃料浓度的燃料浓度调节部件50；空气供应部件60，用于向发电部件30供应含有氧气的空气；和水收集部件70，用于收集发电部件30所生成的水。在该图中，粗箭头表示各部件的燃料流向，细箭头表示空气、水和甲醇的流向。
如下文将要描述的图2所示，发电部件30具有电池堆结构，其中，10层发电部件分别包括MEA 31a～31j的发电装置被堆叠，每个MEA均具有从阳极侧和阴极侧两侧夹在电极14中的电解质13。在该10层发电装置的MEA中，5个MEA 31a～31e与其上游侧的燃料流向平行排列以构成上游侧发电部件32，而其余5个MEA 31f～31j与其下游侧的燃料流平行排列以构成下游侧发电部件33。测量上游侧发电部件32的电压Vu的上游侧伏特计34与上游侧发电部件32相连接。测量下游侧发电部件33的电压Vd的下游侧伏特计35与下游侧发电部件33相连接。
上游侧发电部件32的各层与下游侧发电部件33的各层在燃料流向上串联连接。即，上游侧发电部件32的发电装置在电流方向上与下游侧发电部件33的发电装置串联连接，这样，在各发电装置中分别流动的电流彼此相等。因此，通过使用上游侧伏特计34测量上游侧发电部件32的电池堆结构的电压Vu，然后将测得电压Vu除以包含在上游侧发电部件32中的发电装置的数目，这样可以得到在上游侧提供的每个发电装置的输出功率密度。进而，通过使用下游侧伏特计35测量下游侧发电部件33的电池堆结构的电压Vd，然后将测得电压除以包含在下游侧发电部件33中的发电装置的数目，这样可以得到在下游侧提供的每个发电装置的输出功率密度。
上游侧发电部件32与下游侧发电部件33在燃料流向上相互串联。从燃料浓度调节部件50供应的燃料流过上游侧发电部件32各层的燃料通道，然后在阳极侧被部分消耗。随后，由于在上游侧发电部件32中的发电反应而降低了浓度的燃料流入下游侧发电部件33各层的燃料通道。已流过下游侧发电部件33的燃料再次到达燃料浓度调节部件50。这样，燃料在发电部件30和燃料浓度调节部件50之间循环。在上游侧发电部件32和下游侧发电部件33中用于发电的氧气被供应于各层的空气通道。发电中在阴极侧生成的水与空气一起被排放至水收集部件70。
燃料供应部件40为向燃料浓度调节部件50供应在发电部件30中用作燃料的甲醇的部件。燃料箱41，阀42和泵43通过与燃料浓度调节部件50相连接的管路44被连接于燃料供应部件40。纯甲醇存放于燃料箱41。来自其中的甲醇通过开启和关闭阀42以及驱动泵43被供应于浓度调节部件50。供应于浓度调节部件50的甲醇的量可通过调节阀42和控制泵43而加以调节。
混合器51、过滤器52和阀53通过燃料管路54被连接于浓度调节部件50。混合器51通过根据由上游侧伏特计34测得的电压Vu和由下游侧伏特计35测得的电压Vd混合从燃料供应部件40供应的纯甲醇、从发电部件30收集的燃料和从水集中部件70供应的水，来调节燃料的甲醇浓度，该燃料为含甲醇的水溶液。过滤器52从燃料中过滤出尘土和杂质，以清除这些尘土和杂质。阀53通过控制其开启/关闭来调节向发电部件30供应的燃料的量。通过混合器51调节其甲醇浓度的燃料通过管路54被输送到发电部件30。在该实施例中，控制燃料流速使得如果浓度为3％的燃料在发电部件30中循环一次，则甲醇利用率为20％，这样可使甲醇浓度成为影响发电效率的主导因素。
空气供应部件60有外侧空气进口61、送风器62、过滤器63和阀64。含有氧的空气从外侧空气进口61被吸入，然后通过送风器62向发电部件30供应空气。过滤器63清除从外侧空气进口61吸入的空气中的尘土。然后，调节空气流速，随后输送到发电部件30。
水收集部件70收集在发电部件30各层的阴极侧生成的水。流过发电部件30各层阴极侧的废气包含发电反应中生成的水，并被排放到水收集部件70。在水收集部件70中，废气的流速通过阀71调节。然后，废气通过冷却排水器72冷却，以蒸馏水汽。冷却排水器72清除水后所得到的干燥空气，被排放到大气中。从冷却排水器72抽取的水通过阀74和过滤器75由泵76输送到使用水来调节燃料浓度的燃料浓度调节部件50。此时，供应于燃料浓度调节部件50的水的量通过控制阀74的开启/关闭和通过控制泵76的驱动来调节。过滤器75除去水中含有的污垢和杂质。
这样，在如图1所示的燃料电池中，燃料供应部件40向燃料浓度调节部件50供应纯甲醇。然后，燃料浓度调节部件50通过混合从发电部件30返回的燃料和从燃料供应部件40供应的纯甲醇，来调节燃料浓度。随后，燃料浓度调节部件50将燃料循环到发电部件30。从水收集部件70供应的水也用来调节燃料浓度调节部件50的燃料浓度。在发电部件30中，从燃料浓度调节部件50送出的燃料首先在上游侧发电部件32使用。然后，降低了浓度的该燃料在下游侧发电部件33使用。这样，电流就在其中产生了。
图2为表示根据本发明的燃料电池的电池堆结构的例子的分解透视图。如图2所示，发电装置13包括两个隔板11和夹在这两个隔板11之间的MEA12。顺便提及，该图表示了通过堆叠两个发电装置13而组成的电池堆结构。然而，可以通过堆叠很多的发电装置13来组成电池堆。
MEA 12由传导离子的电解质14和夹在其两侧的电极15形成。例如，全氟-磺酸固体聚合物电解质膜可用作电解质14。电极15的例子为载有作为促进发电反应的催化剂铂的电极。
隔板11为板状构件，具有在其中形成用作如图所示的迂回曲折的槽的燃料通道16的正面，还具有其中形成用作如图所示的多个槽的空气通道17的背面。空气通过空气供应扇等从外侧供应于空气通道17，这样可实现燃料电池堆叠结构中的空气流动。
用作燃料的进口的燃料供应口18和用作燃料的出口的燃料排出口19以在其厚度方向穿过的方式形成于每个隔板11中。燃料通道16的一端连接于燃料供应口18，同时另一端连接于燃料排出口19。如果多个隔板11被叠加，则燃料供应口18和燃料排出口19彼此相通，分别构成燃料供应通道和燃料排出通道。
在通过堆叠发电装置13实现的电池堆结构形成时使隔板11与MEA 12之间密封的密封件22，被放置于MEA 12周边的附近。该密封件22由可使隔板11周边部分和MEA 12周边部分充分绝缘的物质构成。优选地，具有高导热性的材料被用作密封件22的材料，以提高电池堆的散热。
如果作为燃料的甲醇和水的混合物被供应于如图2所示的燃料电池堆结构的燃料供应口18，燃料流入形成于多个发电装置13中、与燃料供应口18相通的燃料通道16。此后，流过燃料通道16的燃料从燃料排出口19被排放到电池堆外侧。在燃料流过燃料通道16的过程中，在MEA 12的阳极侧发生如下反应：
.
如果含有氧的空气从MEA 12外侧被供应于MEA 12的空气通道17，在MEA 12的阴极侧发生如下反应：
阳极侧产生的质子(H+)通过电解质传送至阴极侧。这样，发生如下总反应，在发电的同时生成水和二氧化碳：
发电装置13与燃料流向平行放置的意味着，供应于燃料供应口18的燃料流分流到电池堆的各层发电装置13，其中各燃料供应口18彼此相通。这样，在发电装置13与燃料流向平行放置的情况下，由于供应于燃料供应口18的燃料流分流到各层发电装置13，则分别流入各层燃料通道16的各燃料流的甲醇浓度彼此相等。
多个发电装置13在其上游侧与燃料流平行放置，所具有的电池堆结构构成上游侧发电部件32。此外，其他多个发电装置13在其下游侧与燃料流平行放置，所具有的另一电池堆结构构成下游侧发电部件33。将上游侧发电部件32和下游侧发电部件33在燃料流向上串联放置意味着，上游侧发电部件32的燃料排出口19被连接于下游侧发电部件33的燃料供应口18，燃料在流过上游侧发电部件32之后流过下游侧发电部件33。即，流过上游侧发电部件32各层的互相平行的燃料通道16的燃料再流过下游侧发电部件33各层的互相平行的燃料通道16。
接着，参考图3描述燃料浓度调节部件50对于燃料浓度的调节。图3为表示燃料中的甲醇浓度与发电产生的输出功率密度之间的关系的曲线图。如果供应于发电装置的燃料的甲醇浓度低，则用于发电的甲醇供应不足，这样就降低了输出功率密度。相反地，如果供应于发电装置的燃料的甲醇浓度高，则用于发电的甲醇从阳极通过交换(crossover)渗入并直接发生氧化反应，这样就引起发电装置性能的退化，从而降低输出功率密度。
因此，存在甲醇浓度Dp1(mole/l)，使输出功率密度在此浓度时有最大值。因而，通过调节燃料电池甲醇浓度使燃料浓度值恒为Dp1，可使燃料电池的发电效率最大化。
如上所述，在根据本发明的燃料电池中，上游侧发电部件32在燃料流向上被置于上游侧，同时下游侧发电部件33在燃料流向上被置于下游侧。在发电部件30和燃料浓度调节部件50之间循环的燃料在上游侧发电部件32的发电反应中被利用后，再被用于下游侧发电部件33的发电反应。因此，位于上游侧发电部件32的甲醇浓度总是高于位于下游侧发电部件33的甲醇浓度。相反地，位于下游侧发电部件33的甲醇浓度总是低于位于上游侧发电部件32的甲醇浓度。
在供应于上游侧发电部件32的甲醇的浓度低于输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp1的情况下，使Du1和Dd1分别表示位于上游侧发电部件32的甲醇浓度和位于下游侧发电部件33的甲醇浓度。如图所示，在甲醇浓度等于或低于Dp1的情况下，甲醇浓度越高，输出功率密度越大。这样，甲醇浓度为Du1时的输出功率密度高于甲醇浓度为Dd1时的输出功率密度。因此，在上游发电部件32的输出功率密度高于下游发电部件33的输出功率密度的情况下，通过增加燃料浓度可使甲醇浓度接近输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp1。
在供应于上游侧发电部件32的甲醇的浓度高于输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp1的情况下，使Du2和Dd2分别表示位于上游侧发电部件32的甲醇浓度和位于下游侧发电部件33的甲醇浓度。如图所示，在甲醇浓度等于或高于Dp1的情况下，甲醇浓度越高，输出功率密度越低。这样，甲醇浓度为Du2时的输出功率密度低于甲醇浓度为Dd2时的输出功率密度。因此，在上游发电部件32的输出功率密度低于下游发电部件33的输出功率密度的情况下，通过减少甲醇燃料浓度可使甲醇浓度接近输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp1。
即使在上游侧发电部件32的甲醇浓度高于甲醇浓度Dp1且下游侧发电部件33的甲醇浓度低于甲醇浓度Dp1的情况下，如果上游侧输出功率密度高于下游侧输出功率密度，如上所述，则以提高甲醇浓度的方式控制甲醇浓度。如果上游侧输出功率密度低于下游侧输出功率密度，则以降低甲醇浓度的方式控制甲醇浓度。在上游侧发电部件32的输出功率密度等于下游侧发电部件33的输出功率密度的情况下，甲醇浓度不变。
图4为显示根据本发明调节燃料电池甲醇浓度的过程的流程图。虽然图4表示的燃料浓度控制流程被周期性地调用和运行，但是在满足某些条件的情况下该流程可被非周期性地运行。
步骤1中，上游侧伏特计34测量上游侧发电部件32的发电反应所产生的输出电流的电压Vu，同时下游侧伏特计35测量下游侧发电部件33的发电反应所产生的输出电流的电压Vd。在测量电压Vu和Vd之后，流程进入步骤2。
步骤2中，混合器51比较电压Vu和Vd。如果电压Vu高于电压Vd，则上游侧发电部件32的燃料甲醇浓度和下游侧发电部件33的燃料甲醇浓度之间的关系与图3所示甲醇浓度Du1和Dd1之间的关系相似。因此，流程进入步骤3以使甲醇浓度接近Dp1。在其他情况下，流程进入步骤4。
步骤3中，为使甲醇浓度接近Dp1，混合器51以提高甲醇浓度的方式控制甲醇浓度。其后，流程进入“结束”步骤。这样，燃料浓度控制流程结束。为提高燃料浓度，燃料浓度调节部件50以提高纯甲醇流速的方式控制从燃料供应部件40供应的纯甲醇的流速，而且以降低水的流速的方式控制从水收集部件70供应的水的流速。因此，加入从发电部件30返回的燃料的甲醇的量增加，这样可使供应于发电部件30的燃料的甲醇浓度提高。
步骤4中，混合器51比较电压Vu和Vd。如果电压Vu低于电压Vd，则上游侧发电部件32的燃料甲醇浓度和下游侧发电部件33的燃料甲醇浓度之间的关系与图3所示甲醇浓度Du2和Dd2之间的关系相似。这样，流程进行至第5步以使甲醇浓度接近Dp1。在其他情况下，流程进入”结束”步骤。这样，燃料浓度控制流程结束。
步骤5中，为使甲醇浓度接近Dp1，混合器51以降低甲醇浓度的方式控制甲醇浓度。其后，流程进入”结束”步骤。这样，燃料浓度控制流程结束。为降低燃料浓度，燃料浓度调节部件50以降低纯甲醇流速的方式控制从燃料供应部件40供应的纯甲醇的流速，而且以提高水的流速的方式控制从水收集部件70供应的水的流速。因此，加入从发电部件30返回的燃料的甲醇的量减少，这样可使供应于发电部件30的燃料的甲醇浓度降低。
在该实施例中，上游侧发电部件32的发电装置的数目与下游侧发电部件33的发电装置的数目相等。因此，电压Vu和电压Vd之间的比较等价于发电部件32每层的输出功率密度和发电部件33每层的输出功率密度之间的比较。在上游侧发电部件32的发电装置的数目与下游侧发电部件33的发电装置的数目不同的情况下，可计算出发电部件32每层的输出功率密度和发电部件33每层的输出功率密度。然后，通过比较计算所得的各输出密度进行控制操作。
如上所述，测定上游侧发电部件32和下游侧发电部件33的各输出功率密度。如果上游侧发电部件32的输出功率密度高于下游侧发电部件33的输出功率密度，燃料浓度调节部件50进行增加燃料的甲醇浓度的控制操作。相反地，如果上游侧发电部件32的输出功率密度低于下游侧发电部件33的输出功率密度，燃料浓度调节部件50进行降低燃料的甲醇浓度的控制操作。该控制过程反复进行，这样燃料浓度调节部件50可使供应于发电部件30的燃料的甲醇浓度达到Dp1。因此可以实施针对使发电效率最大化的燃料浓度的控制。
根据本发明实施例1所示的燃料电池和本发明该实施例所示的燃料电池操作方法，在不提供浓度传感器于各发电部件的情况下，仅通过测量上游侧发电部件和下游侧发电部件的输出功率密度即可实现发电的最佳燃料浓度。由于无需浓度传感器，这样可以实现燃料电池构造的简化和尺寸的缩小。
实施例2
参考附图详细描述本发明所提供的燃料电池和燃料电池操作方法的另一实施例。顺便提及，该实施例仅在发电部件的结构上与实施例1不同。每个其他部件都与图1所示的相应部件相似。
图5为表示根据本发明的燃料电池的结构并显示燃料和空气流向的框图。如本图所示，燃料电池包括：具有由多个发电装置堆叠而成的电池堆结构的发电部件80，供应甲醇作为燃料的燃料供应部件40，使燃料得到循环并调节燃料浓度的燃料浓度调节部件50，向发电部件80供应含有氧的空气的空气供应部件60，和收集发电部件80所生成的水的水收集部件70。在该图中，粗箭头表示各部件的燃料流向，细箭头表示空气、水和甲醇的流向。
如下文将描述的图2所示，发电部件80有电池堆结构，其中，10层分别包括MEA 81a～81j的发电装置被堆叠，每个MEA均具有从阳极侧和阴极侧两侧夹在电极14中的电解质13。在该10层发电装置MEA中，7个MEA81a～81g与其上游侧的燃料流平行放置以构成上游侧发电部件82，而剩余3个MEA 81h～81j与其下游侧的燃料流平行放置以构成下游侧发电部件83。测量上游侧发电部件82的电压Vu的上游侧伏特计84与上游侧发电部件82相连接。测量下游侧发电部件83的电压Vd的下游侧伏特计85与下游侧发电部件83相连接。
上游侧发电部件82的各层与下游侧发电部件83的各层在燃料流向上串联连接。即，上游侧发电部件82的发电装置按电流流向与下游侧发电部件83的发电装置串联连接，这样，在各发电装置中分别流动的电流彼此相等。因此，通过使用上游侧伏特计84测量上游侧发电部件82的电池堆结构的电压Vu，然后将测得电压Vu除以含于上游侧发电部件82的发电装置的数目，就可以得到在上游侧提供的每个发电装置的输出功率密度。进而，通过使用下游侧伏特计85测量下游侧发电部件83的电池堆结构的电压Vd，然后将测得电压Vd除以含于下游侧发电部件83的发电装置的数目，就可以得到在下游侧提供的每个发电装置的输出功率密度。
上游侧发电部件82与下游侧发电部件83在燃料流向上相互串联。从燃料浓度调节部件50供应的燃料流过上游侧发电部件82各层的燃料通道，然后在阳极侧被部分消耗。随后，由于在上游侧发电部件82中的发电反应而降低了其浓度的燃料流入下游侧发电部件83各层的燃料通道。已流过下游侧发电部件83的燃料再次到达燃料浓度调节部件50。这样，燃料在发电部件30和燃料浓度调节部件50之间循环。在上游侧发电部件82和下游侧发电部件83中发电所用的氧被供应于各层的空气通道。发电中在阴极侧生成的水与空气一起被排放至水收集部件70。
燃料供应部件40为向燃料浓度调节部件50供应在发电部件80中用作燃料的甲醇的部件。燃料箱41，阀42和泵43通过与燃料浓度调节部件50相连接的管路44被连接于燃料供应部件40。纯甲醇存放于燃料箱41。来自其中的甲醇通过开启和关闭阀42以及驱动泵43被供应于浓度调节部件50。供应于燃料浓度调节部件50的甲醇的量可通过调节阀42和控制泵43而加以调节。
混合器51、过滤器52和阀53通过燃料管路54被连接于浓度调节部件50。混合器51通过根据由上游侧伏特计84测得的电压Vu和由下游侧伏特计85测得的电压Vd来混合从燃料供应部件40供应的纯甲醇、从发电部件80收集的燃料和从水集中部件70供应的水，来调节作为含甲醇水溶液的燃料的甲醇浓度。过滤器52从燃料中过滤出尘土和杂质，以清除这些尘土和杂质。阀53通过控制其开启/关闭来调节向发电部件80供应的燃料的量。通过混合器51调节其甲醇浓度的燃料通过燃料管路54被输送到发电部件80。在该实施例中，控制燃料流速使得如果浓度为3％的燃料在发电部件80中循环一次，则甲醇利用率为40％，这样可使甲醇浓度成为影响发电效率的主导因素。
空气供应部件60有外侧空气进口61、送风器62、过滤器63和阀64。含有氧的空气从外侧空气进口61被吸入，然后通过送风器62向发电部件80供应所述空气。过滤器63除去从外侧进口61吸入的空气中的尘土。然后，调节空气流速，随后输送到发电部件80。
水收集部件70收集在发电部件80各层的阴极侧生成的水。通过发电部件80各层阴极侧的废气包含发电反应中生成的水，并被排放到水收集部件70。在水收集部件70中，废气的流速通过阀71调节。然后，废气通过冷却排水器72冷却，以蒸馏水汽。冷却排水器72清除水后所得到的干燥空气，被排放到大气中。从冷却排水器72抽取的水通过阀74和过滤器75由泵76输送到使用水来调节燃料浓度的燃料浓度调节部件50。此时，供应于燃料浓度调节部件50的水的量通过控制阀74的开启/关闭和控制泵76的驱动来调节。过滤器75除去水中含有的污垢和杂质。
这样，在如图5所示的燃料电池中，燃料供应部件40向燃料浓度调节部件50供应纯甲醇。然后，燃料浓度调节部件50通过混合从发电部件80返回的燃料和从燃料供应部件40供应的纯甲醇来调节燃料浓度。随后，燃料浓度调节部件50将燃料循环到发电部件80。从水收集部件70供应的水也用来调节燃料浓度调节部件50的燃料浓度。在发电部件80中，从燃料浓度调节部件50送出的燃料首先在上游侧发电部件82使用。然后，降低了其浓度的该燃料在下游侧发电部件33使用。这样，电流就在其中产生了。
在如图5所示的燃料电池中，上游侧发电部件82的发电装置层的数目大于下游侧发电部件83的发电装置层的数目。这样，下游侧发电部件83的一层中的燃料的流速高于上游侧发电部件82的一层的燃料的流速。因此，即使在上游侧发电部件82的发电反应中燃料的甲醇被部分消耗，而且在下游侧发电部件83所利用的燃料的甲醇浓度降低，供应于下游侧发电部件83的每一层的甲醇量也会增加。
即，虽然在下游侧发电部件83的用于发电的燃料浓度低于流过上游侧发电部件82的用于发电的燃料浓度，由于流过下游侧发电部件83的燃料的流速大而可以增加单位时间供应的甲醇量。这提高了下游侧发电部件83的发电效率，从而增加了将在燃料浓度调节部件50和发电部件80之间的一次循环中消耗的甲醇成分。这样，改变了图3所示的甲醇浓度和输出功率密度的关系。可以认为，燃料电池输出功率密度达到最大化时的甲醇浓度高于图3所示甲醇浓度。
图6为表示图5所示燃料电池的燃料的甲醇浓度与其输出功率密度之间的关系的曲线图。如图3所示相似，图6表示如果供应于发电装置的燃料的甲醇浓度低，则用于发电的甲醇供应不足，这样就降低了输出功率密度。相反地，如果供应于发电装置的燃料的甲醇浓度高，则发电反应时在电解质中传导质子所需的水不足，这样发电反应进行地较弱，而且输出功率密度降低。
虽然输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp2(mole/l)移至比图3所示的Dp1浓度高的一侧，但在本实施例中，通过调节燃料电池甲醇浓度使燃料浓度值恒为Dp2，可使燃料电池的发电效率最大化。
在供应于上游侧发电部件82的甲醇的浓度低于输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp2的情况下，使Du3和Dd3分别表示位于上游侧发电部件82的甲醇浓度和位于下游侧发电部件83的甲醇浓度。如图所示，在甲醇浓度等于或低于Dp2的情况下，甲醇浓度越高，输出功率密度越高。这样，甲醇浓度为Du3时的输出功率密度高于甲醇浓度为Dd3时的输出功率密度。因此，在上游发电部件82每层的输出功率密度高于下游发电部件83每层的输出功率密度的情况下，通过增加燃料的甲醇浓度可使甲醇浓度接近输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp2。
在供应于上游侧发电部件82的甲醇的浓度高于输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp2的情况下，使Du4和Dd4分别表示位于上游侧发电部件82的甲醇浓度和位于下游侧发电部件83的甲醇浓度。如图所示，在甲醇浓度等于或高于Dp2的情况下，甲醇浓度越高，输出功率密度越低。这样，甲醇浓度为Du4时的输出功率密度低于甲醇浓度为Dd4时的输出功率密度。因此，在上游发电部件82每层的输出功率密度低于下游发电部件83每层的输出功率密度的情况下，通过降低燃料浓度可使甲醇浓度接近输出功率密度达到最大值时的甲醇浓度Dp2。
如上所述，即使在上游侧发电部件82的甲醇浓度高于甲醇浓度Dp2且下游侧发电部件83的甲醇浓度低于甲醇浓度Dp2的情况下，如果上游侧输出功率密度高于下游侧输出功率密度，则以提高甲醇浓度的方式控制甲醇浓度。如果上游侧输出功率密度低于下游侧输出功率密度，则以降低甲醇浓度的方式控制甲醇浓度。在上游侧发电部件82的甲醇浓度等于下游侧发电部件83的甲醇浓度的情况下，甲醇浓度不变。
以使燃料的甲醇浓度变为Dp2的方式对燃料的甲醇浓度进行控制的方法，与实施例1描述中所描述的方法相似，通过使燃料浓度调节部件50调节从燃料供应部件40供应的纯甲醇的流速和调节从水收集部件70供应的水的流速来实施。在实施例2中，上游侧发电部件82的发电装置的数目与下游侧发电部件83的发电装置数目不同。这样，通过比较上游侧发电部件82各层的输出功率密度和下游侧发电部件83各层的输出功率密度，可决定是否提高燃料浓度。
如上所述，测定上游侧发电部件82和下游侧发电部件83的各输出功率密度。如果上游侧发电部件82各层的输出功率密度高于下游侧发电部件83各层的输出功率密度，则燃料浓度调节部件50进行增加燃料的甲醇浓度的控制操作。相反地，如果上游侧发电部件82各层的输出功率密度低于下游侧发电部件83各层的输出功率密度，则燃料浓度调节部件50进行降低燃料的甲醇浓度的控制操作。该控制过程反复进行，这样燃料浓度调节部件50可使供应于发电部件80的燃料的甲醇浓度达到Dp2。因此可以实施针对使发电效率最大化的燃料浓度的控制。
此外，通过使上游侧发电部件82的发电装置的数目大于下游侧发电部件83的发电装置的数目，可使供应于下游侧发电部件83的燃料的流速高于供应于上游侧发电部件82的燃料的流速。因此，下游侧发电部件83的发电效率会提高。
根据本发明实施例2所示的燃料电池和本发明该实施例所示的燃料电池操作方法，在不向各发电部件提供浓度传感器的情况下，仅通过测量上游侧发电部件和下游侧发电部件的输出功率密度即可实现发电的最佳燃料浓度。由于无需浓度传感器，这样可以实现燃料电池构造的简化和尺寸的缩小。

Claims (17)

1.一种包括多个发电单元的燃料电池，每个发电单元具有电解质并在其两侧分别放置燃料电极和空气电极，该燃料电池包括：
由位于燃料流向上游侧的发电单元构成的上游侧发电部件，
由位于燃料流向下游侧的发电单元构成的下游侧发电部件，和
根据上游侧发电部件的输出功率密度和下游侧发电部件的输出功率密度来调节供应于燃料电极的燃料浓度的燃料浓度调节部件。
2.根据权利要求1的燃料电池，
其中，如果上游侧发电部件的发电单元的输出功率密度高于下游侧发电部件的发电单元的输出功率密度，则燃料浓度调节部件将燃料浓度设置为更高值。
3.根据权利要求1的燃料电池，
其中，如果上游侧发电部件的发电单元的输出功率密度低于下游侧发电部件的发电单元的输出功率密度，则燃料浓度调节部件将燃料浓度设置为更低值。
4.根据权利要求1的燃料电池，进一步包括：
用来收集在发电单元发电中生成的水和将水供应于燃料浓度调节部件的水收集部件。
5.根据权利要求1的燃料电池，
其中，已通过下游侧发电部件的燃料电极的燃料返回到燃料浓度调节部件。
6.根据权利要求1的燃料电池，
其中，上游侧发电部件的发电单元的数目等于下游侧发电部件的发电单元的数目。
7.根据权利要求1的燃料电池，
其中，上游侧发电部件的发电单元的数目大于下游侧发电部件的发电单元的数目。
8.根据权利要求1的燃料电池，
其中，上游侧发电部件的发电单元与燃料流向平行放置，以及
下游侧发电部件的发电单元与燃料流向平行放置。
9.根据权利要求1的燃料电池，
其中，燃料为含有醇类的水溶液。
10.根据权利要求1的燃料电池，
其中，燃料为甲醇。
11.一种包括多个发电单元的燃料电池的操作方法，每个发电单元具有电解质并在其两侧分别放置燃料电极和空气电极，该方法包括以下步骤：
根据上游侧发电单元的输出功率密度和下游侧发电单元的输出功率密度来调节供应于燃料电池的燃料的浓度，上游侧发电单元被置于燃料流向上游侧，下游侧发电单元被置于燃料流向下游侧。
12.根据权利要求11的燃料电池操作方法，进一步包括如下步骤：
收集在发电单元发电中生成的水，和
利用水来调节燃料浓度。
13.根据权利要求11的燃料电池操作方法，进一步包括如下步骤：
将通过下游侧发电单元燃料电极的燃料与浓度更高的燃料混合，并
返回该混合燃料。
14.根据权利要求11的燃料电池操作方法，
其中，流过上游侧发电部件的燃料的体积等于流过下游侧发电部件的燃料的体积。
15.根据权利要求11的燃料电池操作方法，
其中，流过上游侧发电部件的燃料的体积小于流过下游侧发电部件的燃料的体积。
16.根据权利要求11的燃料电池操作方法，进一步包括如下步骤：
如果在上游侧发电部件的发电单元的输出功率密度高于在下游侧发电部件的发电单元的输出功率密度，则将燃料浓度设置为更高值。
17.根据权利要求11的燃料电池操作方法，进一步包括如下步骤：
如果在上游侧发电部件的发电单元的输出功率密度低于在下游侧发电部件的发电单元的输出功率密度，则将燃料浓度设置为更低值。
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