CN1728428A - 燃料电池系统及燃料电池的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供燃料电池系统及燃料电池的控制方法。利用电压计(91～98)，以共用的接地为基准，对构成燃料电池组(20)的电池单体(23)的电压，分别测定串联的电池单体(23)每2个电池单体所增加的电压(V1～Vn)。从所计测的电压(V1～Vn)，算出了每2个电池单体的电池单体电压(Vc1～Vcn)后，由电池单体电压(Vc1～Vcn)算出标准偏差。由于这样算出的标准偏差当燃料的浓度偏离容许范围时就会大幅度增加，因此就可以作为燃料浓度的指标使用。本发明可以对向燃料电池供给的燃料的浓度恰当地评价。

Description

燃料电池系统及燃料电池的控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池。更具体来说，本发明涉及与向燃料电池供给的燃料的状态对应的燃料电池的控制。

背景技术

燃料电池是由燃料和氧化剂产生电能的装置，可以获得高发电效率。作为燃料电池的主要的特征，可以举出不像以往的发电方式那样经过热能或动能的过程的直接发电。由此，燃料电池即使是小规模，也可以期待高发电效率。另外，由于氮化合物等的排出少，噪音或振动也少，因此环境性提高。这样，燃料电池由于可以有效地利用燃料所具有的化学能，在环境方面具有优良的特性，因此被期待作为担负21世纪供能的能量供给系统，被作为可以用于从宇宙应用到汽车应用、携带机器应用、从大规模发电到小规模发电的各种用途的将来有希望的新型的发电系统而受到关注，面向实用化的技术开发正在进行之中。

特别是，近年来，作为燃料电池的一个形态，直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell：DMFC)备受关注。DMFC不对作为燃料的甲醇进行改性，而直接向阳极供给，利用甲醇和氧的电化学反应来获得电能。甲醇与氢相比，由于每单位体积的能量更高，另外，更适于贮藏，爆炸等危险性也更低，因此被期待用于汽车或携带机器等的电源中。

当向DMFC的阳极供给的甲醇水溶液的浓度过高时，就会促进DMFC内部的固体高分子膜的老化，可靠性降低，或发生向阳极供给的甲醇水溶液的一部分不被发电消耗而通过电解质膜向阴极透过的所谓渗透泄漏。另一方面，当甲醇水溶液的浓度过低时，就无法从DMFC中取出足够的输出。由此，向DMFC的阳极供给的甲醇水溶液的浓度最好调整为0.5～4mol/L，更优选调整为0.8～1.5mol/L，发现缩小该浓度区域的宽度会使得DMFC稳定地运转。

但是，对于具有DMFC的系统的情况，为了使DMFC长时间地运转，并且实现系统的小型、轻量化，一般来说，采取具备20mol/L以上的高浓度甲醇罐，并在向DMFC的阳极供给前将浓度调稀而供给的方式。所以，为了将甲醇水溶液的浓度在系统内部调整至0.5～1.5mol/L，使用光学方式、超声波方式或者利用比重的方式等各种的甲醇水溶液浓度传感器，来进行对甲醇水溶液的浓度的测定。

例如，专利文献1公布在甲醇水溶液的循环路径上二氧化碳气体的存在量较少的位置上设置甲醇传感器的技术。

[专利文献1]特开2004-095376号公报

但是，在像以往那样，使用甲醇水溶液浓度传感器检测向阳极供给的甲醇水溶液的浓度的情况下，会产生如下所述的问题。

即，当在燃料电池系统内设置甲醇水溶液浓度传感器时，系统的小型化就会变得困难。另外，由于因甲醇水溶液浓度传感器的工作而消耗电能，因此就需要额外的电能。另外，由于需要增加甲醇水溶液浓度传感器的费用，因此会导致成本增加。

此外，以往的甲醇水溶液浓度传感器由于容易受到甲醇燃料电池动作时的温度变化、载荷变动、副产物的产生等外在因素的影响，因此有时所得的浓度不一定准确。

发明内容

本发明是鉴于此种问题而完成的，其目的在于，提供适当地评价向燃料电池供给的燃料的浓度的技术。另外，本发明的其他的目的在于，提供使用了所述技术的燃料电池系统的控制。

本发明的燃料电池系统是包括由多个电池单体构成的燃料电池的系统，其特征是，具备检测多个电池单体的电压的电池单体电压检测机构、评价所检测的多个电池单体的电压的不均的电池单体电压评价机构。

虽然如果燃料的浓度为合适的范围，各电池单体的发电效率就基本上一定，但是如果燃料的浓度偏离合适的范围，则会大幅度减少。一般来说，在各电池单体的发电性能中，会因各电池单体的电极的特性而产生个体差。由此，虽然在燃料的浓度处于合适的范围中，各电池单体的电压会呈现一定的不均，但是如果燃料的浓度偏离合适的范围，则不均就会变大。根据所述发明，由于可以检测多个电池单体的电压而评价不均，因此就可以用于可靠地检测燃料的浓度的变化。另外，根据所述发明，由于不需要另外设置燃料传感器，因此就可以实现节省空间、节省电能或低成本化。另外，由于直接评价燃料电池的各电池单体的电压的不均，因此就可以不受温度变化、载荷变动、副产物的增减等外在因素的影响地进行燃料的浓度的评价。

在所述构成中，也可以具备在由电池单体电压评价机构评价的不均超过了基准值的情况下，报知燃料偏离了容许范围的情况的报知机构。这样，用户或系统的管理者就可以准确地掌握向燃料供给的燃料的浓度偏离了容许范围的情况。

在所述构成中，也可以具备贮留向燃料电池供给的燃料的燃料贮留机构、向燃料贮留机构补给燃料的燃料补给机构、从燃料贮留机构向燃料电池的阳极供给燃料的燃料供给机构、向燃料电池的阴极供给氧化剂的氧化剂供给机构、调节利用燃料补给机构进行的燃料的补给的控制部，控制部在由电池单体电压评价机构评价的不均超过了基准值的情况下，可以将燃料向燃料贮留机构补给。这样，在向燃料电池供给的燃料的浓度降低的情况下，通过恰当地补给燃料，就可以恰当地维持燃料电池的发电状态。在所述的燃料电池系统中，燃料也可以是甲醇水溶液。

本发明的燃料电池的控制方法是对由多个电池单体构成的燃料电池进行控制的方法，其特征是，具备检测多个电池单体的电压的步骤、评价所检测的多个电池单体的电压的不均的步骤、在所评价的不均超过了基准值的情况下补给向燃料电池供给的燃料的步骤。这样，就可以基于各电池单体的不均，在燃料浓度降低时恰当地供给燃料。在该燃料电池的控制方法中，燃料也可以是甲醇水溶液。

而且，将所述的各要素适当组合的方案也应当被包含于由本件专利申请要求保护的发明的范围中。

根据本发明，可以恰当地评价向燃料电池供给的燃料的浓度。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的整体构成的图。

图2是表示本实施方式中所使用的燃料电池组的构成的图。

图3是表示本实施方式的燃料电池系统的动作的流程图。

图4是表示载荷一定时的电池单体电压的时间变化的图表。

图5是表示载荷一定时的各时刻下的各电池单体电压与全部电池单体电压的平均值的差相对于全部电池单体电压的平均值的比例(％)随时间变化的图表。

图6是表示从载荷一定时的各电池单体电压求得的标准偏差的时间变化的图表。

图7是表示载荷变动时的电池单体电压的时间变化的图表。

图8是将由图7的椭圆包围的区域放大后的图表。

图9是表示从载荷变动时的各电池单体电压求得的标准偏差的时间变化的图表。

图10是表示从载荷变动时的各电池单体电压求得的标准偏差的时间变化的图表。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示本发明的实施方式的燃料电池系统10的整体构成。燃料电池系统10具备燃料电池组20、罐30、燃料用泵40、氧化剂用泵50、燃料储存部60、高浓度燃料补给泵70及控制部80。

燃料电池组20使用甲醇水溶液及空气，利用电化学反应产生电能。图2表示本实施方式中使用的燃料电池组20的构成。燃料电池组20具备将多个膜电极接合体21和双极平板22层叠而构成的叠层体90、设于该叠层体90的两侧的负极用的集电体23a及正极用的集电体23b、夹隔绝缘体24而被分别安装在集电体23a、集电体23b上的端板25a及端板25b，利用端板25a及端板25b将叠层体90夹紧。

本实施方式的燃料电池组20中，层叠有m组的膜电极接合体21。在图2中，为了区别各膜电极接合体，按照膜电极接合体21a～21p的方式给符号21添加了字母。各膜电极接合体21包括高分子电解质膜26、与高分子电解质膜26的一方的面接触的阳极27及与高分子电解质膜26的另一方的面接触的阴极28。阳极27及阴极28包括催化剂层，在阳极27中，使用铂催化剂或铂铑合金催化剂，在阴极28中，使用铂催化剂。

各电池单体23a～23p在各自对应的膜电极接合体21a～21p中包括燃料流路及氧化剂流路，作为燃料电池的1个单位发挥作用。

在各双极平板22的阳极27侧，设有燃料所流通的燃料流路，在各双极平板22的阴极28侧，设有氧化剂所流通的氧化剂流路。本实施方式中，作为燃料使用甲醇水溶液，作为氧化剂使用空气。而且，也可以取代双极平板，使用设置了燃料流路的燃料平板、设置了氧化剂流路的氧化剂平板、夹隔在燃料平板和氧化剂平板之间的隔膜。

本实施方式的燃料电池组20还具备电压计91～98。利用电压计91～98，以共用的接地为基准，分别测定电池单体23a及电池单体23b的串联电压V1、从电池单体23a到电池单体23d的串联电压V2、从电池单体23a到电池单体23f的串联电压V3、从电池单体23a到电池单体23h的串联电压V4、从电池单体23a到电池单体23j的串联电压V5、从电池单体23a到电池单体231的串联电压V6、从电池单体23a到电池单体23n的串联电压V7、从电池单体23a到电池单体23p的串联电压Vn。由各电压计91～98测定的电压值被发送给后述的控制部80。这样，通过使各电池单体23的电压计测中所使用的接地共用，就可以减少在控制部80的运算处理中所必需的AD变换器的必需的通道数。

回到图1，罐30贮留向燃料电池组20供给的甲醇水溶液。贮留在罐30中的甲醇水溶液在被稀释至0.5～1.5mol/L后，被燃料用泵40向燃料电池组20的各阳极27供给。燃料电池组20中的反应后残留的未反应的燃料被罐30回收。这样，向燃料电池组20供给的甲醇水溶液就在包括燃料电池组20和罐30的循环系统中流通。另一方面，氧化剂用泵50从外部输入空气，向燃料电池组20的各阴极28供给。因甲醇与空气的反应而生成的水等生成物被罐30回收。

燃料储存部60贮藏比贮留在罐中的甲醇水溶液浓度更高的高浓度的甲醇水溶液。例如，当罐30内的甲醇水溶液的浓度为8mol/L时，可以将燃料储存部60内的高浓度的甲醇水溶液的浓度设为22mol/L。高浓度燃料供给泵70基于后述的控制部80的指示，将给定量的高浓度的甲醇水溶液从燃料储存部60向罐30供给。

控制部80基于由电压计91～98送来的电压值V1～n，算出各电池单体23的电压，评价各电池单体22的电压的不均。利用控制部80得到的各电池单体的电压的不均最好以由各电池单体的电压求得的标准偏差为指标。另外，控制部80基于对各电池单体23的电压的不均的评价结果，控制高浓度燃料补给泵70的动作，调节向罐30供给的高浓度的甲醇水溶液的量。

本实施方式中，各电池单体23的电压依照下述的式子算出。

电池单体23a及电池单体23b的串联电压Vc1：V1

电池单体23c及电池单体23d的串联电压Vc2：V2-V1

电池单体23e及电池单体23f的串联电压Vc3：V3-V2

电池单体23g及电池单体23h的串联电压Vc4：V4-V3

电池单体23i及电池单体23j的串联电压Vc5：V5-V4

电池单体23k及电池单体23l的串联电压Vc6：V6-V5

电池单体23m及电池单体23n的串联电压Vc7：V7-V6

电池单体23o及电池单体23p的串联电压Vcn：Vn-V(n-1)

本实施方式中，对m组的电池单体23，利用n个电压计监视全部的电池单体23的电压。而且，本实施方式中，n为m/2。虽然在各电池单体23上分别设置电压计，也能够检测各电池单体23的电压，可以适用于本发明，但是通过像本实施方式那样，将多个电池单体23的电压用一个电压计集中检测，就可以减少向控制部80的输入/输出端子的数目，从而可以实现由部件数目的减少带来的成本降低。另外，通过减少数据量，可以减轻控制部80中的运算处理的负担。

图3是表示燃料电池系统10的甲醇水溶液的管理动作的流程图。首先，利用电压计91～98，分别计测电压V1～Vn(S10)。将所计测的电压V1～Vn向控制部80分别发送(S20)。控制部80从电压V1～Vn中算出电池单体电压Vc1～Vcn(S30)。另外，控制部80算出所算出的电池单体电压Vc1～Vcn的标准偏差(S40)。控制部80判定所算出的标准偏差是否超过了给定的基准值(S50)。如果所算出的标准偏差未超过给定的基准值，则结束这里的处理。另一方面，在所算出的标准偏差超过给定的基准值的情况下，控制部80使用高浓度燃料补给泵70，向罐30补给高浓度的甲醇水溶液(S60)。像这样，通过检测多个电池单体电压的不均，根据多个电池单体电压的不均进行燃料的补给，就可以恰当地维持燃料电池的发电状态。

(电池单体电压的变动例)

图4是表示载荷一定时的电池单体电压的时间变化的图表。从图4可以看到，各电池单体电压在从时间t2到时刻t3之间，以基本上一定的值推移后，伴随着甲醇水溶液的浓度降低而开始缓慢地降低。在时间t3之后不久，虽然各电池单体电压同样地减少，但是从某个时刻开始，各电池单体电压的不均开始变大。

图5是表示载荷一定时的各时刻下的各电池单体电压与全部电池单体电压的平均值的差相对于全部电池单体电压的平均值的比例(％)随时间变化的图表。从图5中可以看到，各电池单体的电压的不均随着时间的经过，即随着甲醇水溶液的浓度降低而增大的情况。

图6是表示从载荷一定时的各电池单体电压求得的标准偏差的时间变化的图表。在标准偏差的值变得大于基准值的时刻t1、t4追加燃料。虽然直至燃料追加的效果显现为止，标准偏差增加，但是随着因燃料追加而使燃料电池组20内的甲醇水溶液的浓度上升，标准偏差减少。

图7是表示载荷变动时的电池单体电压的时间变化的图表。为了产生载荷变动，在燃料电池组20的集电体23a和集电体23b之间，连接了笔记本电脑的状态下，使该笔记本电脑动作。当比较图7和图4时，可以发现，在载荷变动时，电池单体电压的振幅变得激烈。图8是表示为了容易理解载荷变动时的各电池单体电压的不均，而将由图7的椭圆包围的区域放大后的图表。在产生载荷变动的情况下，也如从时间0到时间t5所示，发现各电池单体的电压一致地变动，在时间t5以后，产生由甲醇水溶液的浓度降低造成的电压的不均。图9是表示由载荷变动时的各电池单体电压求得的标准偏差的时间变化的图表。另外，图10是表示由载荷变动时的各电池单体电压求得的标准偏差的时间变化的图表。从图9及图10中可以发现，载荷变动时的各电池单体电压的不均及由各电池单体电压求得的标准偏差显示与载荷一定时相同的状态，在载荷变动时，也可以利用由各电池单体电压求得的标准偏差恰当地进行甲醇水溶液的浓度的评价。

(基准值的设定)

成为燃料追加的基准的基准值既可以用预先设定的值设为固定值，也可以是随时间经过而变化的可变值。

在将基准值设为固定值的情况下，例如在燃料电池系统售出前的检查工序中，基准值被作为固定值设定于控制部80中。基准值在燃料电池系统售出前，可以采用在甲醇水溶液的浓度适度的状态下由各电池单体电压求得的标准偏差σ0的a倍(a为大于1的数，最好a为1.5～3)。这样，就可以设定与各燃料电池系统的固体差对应的合适的基准值，从而可以在合适的时刻进行燃料追加。

另外，在将基准值设为可变值的情况下，例如在燃料电池系统售出前的检查工序中，所述的参数a被作为固定值设定于控制部80中。该情况下，控制部80在从图4的t2到t3的稳定状态下，由电压值V1～Vn求得各电池单体电压，进而由各电池单体电压算出标准偏差σ1。控制部80将a×σ1作为后面进行燃料追加时的基准值设定。像这样，由于通过将基准值设为可变，基于稳定状态下的电池单体电压的标准偏差来改变基准值，基准值就会与电池单体特性的随时间的变化对应地被再设定，因此就可以与电池单体特性的变化对应地恰当地追加燃料。

(电池单体电压的不均评价)

所述的实施方式中，虽然基于标准偏差对电池单体电压的不均进行评价，但是其他的评价方法也可以适用于本发明。

例如，也可以使用图5的图表，将电池单体电压的不均(％)超过了给定的值，例如5％的电池单体超过了给定的电池单体数，例如全部电池单体数目的一半的阶段作为燃料追加的基准。

(电池单体电压的测定方法)

电池单体电压的测定方法并不像所述的实施方式那样，限定于检测每2个电池单体的电压的方式。例如，可以通过设置与各电池单体对应的电压计，更为正确地掌握各电池单体的电压。

另外，在对2个以上的电池单体检测电压的情况下，在电池单体中产生余项时，例如，在全部电池单体为奇数的情况下，对每2个电池单体测定电压时，则会在电池单体中产生1个余项，在此种情况下，最好如下所述地进行处理。

[当对全部电池单体数为奇数的燃料电池组的每2个电池单体计测电压时]

由每2个电池单体的各电压值Vi(i＝1～j)分别算出Vi/2，求得每1个电池单体的电压Vi(i＝1～j)。使用电压Vi(i＝1～j)和余项的电池单体的电压Vh，评价电压的不均。这样，就可以在实现与全部电池单体的电压的状态对应的燃料状态的评价的同时，通过减少检测点数来减少控制部80的运算处理中所必需的输入通道数，从而可以实现系统构造的简便化和成本降低。

(燃料降低时的报知)

控制部80除了如上所述，在电池单体电压的不均超过了基准值的情况下进行燃料追加以外，或者也可以取代燃料追加，通过发出声音，在显示装置上显示文字或图像，来报知产生燃料降低的情况。这样，燃料电池系统的用户或管理者就可以容易地掌握产生燃料降低的情况。

本发明并不受所述的各实施方式限定，也可以基于本领域技术人员的知识添加各种设计变更等变形，添加了此种变形的实施方式也应当是包含于本发明的范围中的方式。

例如，高浓度燃料补给泵70也可以将一定量的高浓度的甲醇水溶液从燃料储存部60向罐30断续地供给，控制部80监视电池单体电压的不均，在向燃料电池组20供给的甲醇水溶液的浓度因任何的理由而突发性地降低时追加燃料。

另外，在所述的实施方式中，虽然作为燃料使用甲醇水溶液，但是在所述的燃料电池系统的概念中，燃料并不限于甲醇水溶液，也可以是氢。

另外，在所述的实施方式中，虽然以共用的接地为基准，在计测了V1～Vn后，利用运算算出电池单体电压Vc1～Vcn，但是也可以分别设置可以直接计测电池单体电压Vc1～Vcn的电压计。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，是包括由多个电池单体构成的燃料电池的系统，其特征是，具备检测所述多个电池单体的电压的电池单体电压检测机构、评价所检测的多个电池单体的电压的不均的电池单体电压评价机构。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，具备在由所述电池单体电压评价机构评价的不均超过了基准值的情况下，报知燃料偏离了容许范围的情况的报知机构。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征是，具备：贮留向所述燃料电池供给的燃料的燃料贮留机构、向所述燃料贮留机构补给燃料的燃料补给机构、从所述燃料贮留机构向所述燃料电池的阳极供给所述燃料的燃料供给机构、向所述燃料电池的阴极供给氧化剂的氧化剂供给机构、调节利用所述燃料补给机构进行的燃料的补给的控制部，所述控制部在由所述电池单体电压评价机构评价的不均超过了基准值的情况下，将所述燃料向所述燃料贮留机构补给。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的燃料电池系统，其特征是，所述燃料是甲醇水溶液。

5.一种燃料电池的控制方法，是对由多个电池单体构成的燃料电池进行控制的方法，其特征是，具备检测所述多个电池单体的电压的步骤、评价所检测的多个电池单体的电压的不均的步骤、在所评价的不均超过了基准值的情况下补给向所述燃料电池供给的燃料的步骤。

6.根据权利要求5所述的燃料电池的控制方法，其特征是，所述燃料是甲醇水溶液。

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