CN1905261A - 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1905261A
CN1905261A CNA200610108143XA CN200610108143A CN1905261A CN 1905261 A CN1905261 A CN 1905261A CN A200610108143X A CNA200610108143X A CN A200610108143XA CN 200610108143 A CN200610108143 A CN 200610108143A CN 1905261 A CN1905261 A CN 1905261A
Authority
CN
China
Prior art keywords
oxidant
fuel cell
cell system
cathode electrode
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA200610108143XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN100486018C (zh
Inventor
秋田征人
铃木贵博
平山智彦
长崎央雅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of CN1905261A publication Critical patent/CN1905261A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100486018C publication Critical patent/CN100486018C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。所述燃料电池系统包括：要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元；和被配置为控制要被供给到阴极电极的氧化剂的量的控制单元。控制单元控制氧化剂供给单元，以在氧化剂供给单元开始操作时增加要供给到阴极电极的氧化剂的量。

Description

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
(对相关申请的交叉引用)
本申请基于在2005年7月28日提交的在先的日本专利申请No.2005-218441，并要求其作为优先权，在此引用其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其操作方法。本发明特别涉及具有用于加速从燃料电池系统释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分的燃料电池系统，以及其控制方法。
背景技术
近年来，诸如直接甲醇燃料电池的液体燃料电池已成为人们关注的焦点。直接甲醇燃料电池的电动部分单元包含阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的质子导电电解质膜(例如，全氟代磺酸离子交换膜(perfluoro sulfonic acid ion exchange membrane)；使用由DuPont公司制造的NafionTM等)。为了激活燃料电池，将甲醇和水供给阳极，并且将例如氧气或空气的氧化剂供给阴极，由此分别在阳极和阴极上引起化学反应。
作为化学反应的结果，产生电子、质子和二氧化碳，并且，由此产生的二氧化碳被释放到大气中。电子通过外部电路被取走，并被用作电力。质子通过质子导电电解质膜移动，并到达阴极。在阴极催化剂层中，质子与已被用作电力的电子以及氧反应，以由此产生水。因此，获得发电。
在发生在阳极中的甲醇的这种电极反应中，作为不受反应影响的副产品从电极释放被认为是实现完全氧化之前的过程中的活性中间体的甲醛和甲酸等。另外，已被供给到阳极的燃料中的甲醇可通过扩散等穿过质子导电电解质膜和催化剂层移动到阴极，并被已供给到阴极的氧化剂氧化，由此在该过程中也产生诸如甲醛、甲酸等的副产品。
为此，公开了在从燃料电池系统释放二氧化碳、水和副产品的路径上使用用于使副产品无害化的催化剂的燃料电池系统(参见例如JP-A-2005-183014，图19)。
但是，当燃料电池系统停止时，氧化剂向阴极的供给也停止。因此，阴极中的残留副产品中的大部分以未反应的状态保留在阴极的附近，直到燃料电池系统被重新启动。
并且，由于氧化剂向阴极的供给停止，因此，在燃料电池系统的停止状态中，已通过质子导电电解质膜向阴极扩散的甲醇中的大部分以未反应的状态保留在阴极的附近，直到燃料电池系统被重新启动。
因此，一旦重新启动燃料电池系统，浓度相当高的副产品和甲醇要被供给催化剂。因此，必须提供与在燃料电池系统的连续发电状态中需要的催化剂的量相比过量的催化剂，从而使得难以实现燃料电池系统的小型化和低成本。
本发明提供通过减少在燃料电池系统的重启时所需的催化剂的量可被小型化的燃料电池系统、以及燃料电池系统的控制方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种燃料电池系统包括：要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元；和被配置为控制要被供给到阴极电极的氧化剂的量的控制单元。控制单元控制氧化剂供给单元，以在氧化剂供给单元开始操作时增加要供给到阴极电极的氧化剂的量。
根据本发明的另一方面，一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括：要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；和被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元，该方法包括以下步骤：开始氧化剂供给单元的操作；和控制氧化剂供给单元以使得Q0小于Qt，其中，Q0是启动氧化剂供给单元时的要供给到阴极电极的氧化剂的量，并且Qt是从启动氧化剂供给单元经过预定时间后的要供给到阴极电极的氧化剂的量。
根据本发明的又一方面，一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括：要被供给燃料的阳极电极；要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；被配置为向阳极电极供给燃料的燃料供给单元；和被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元，该方法包括以下步骤：在启动燃料电池系统时启动氧化剂供给单元的操作；在从启动氧化剂供给单元的操作经过预定时间后增加由氧化剂供给单元向阴极电极供给的氧化剂的量；在增加被供给的氧化剂的量后启动燃料供给单元的操作；和在开始燃料供给单元的操作后，向负载供给由阳极电极、阴极电极和电解质膜产生的电力。
本发明提供减少重启燃料电池系统时需要的催化剂的量由此减少系统的尺寸的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示根据本发明的实施方式的燃料电池系统的示图；
图2是表示根据实施方式的燃料电池系统的电动部分的细节的示图；
图3是表示根据实施方式的燃料电池系统的催化剂部分的细节的示图；
图4是表示根据实施方式的燃料电池系统的控制的示图；
图5是表示根据实施例的甲醇浓度的示图；
图6是表示根据实施例的甲醇浓度的示图；
图7是表示根据实施例的温度的转变的示图；
图8是表示根据实施例的温度的转变的另一示图。
具体实施方式
将参照附图说明本发明的实施方式。
(实施方式)
图1表示根据本发明的实施方式的燃料电池系统。图中的实线的箭头表示将在下面说明的燃料2和释放的材料等的流向；点划线的箭头表示关于诸如输出信号和控制信号的数据的流向。
燃料电池系统包括电动部分1。作为电动部分1，例如，可以使用通过层叠多个图2中所示的电动部分单元电池21形成的构件。
电动部分单元电池21(以下称为“电池”)中的每一个包含阳极22、阴极23和质子导电电解质膜24(电解质膜)。质子导电电解质膜24被设置在阳极22和阴极23之间。作为质子导电电解质膜24，例如，可以使用诸如由DuPont公司制造的NafionTM的全氟代磺酸离子交换膜。
阳极22包含衬底25和层叠在衬底25上的阳极催化剂层26。同时，阴极23包含衬底27和层叠在衬底27上的阴极催化剂层28。阳极催化剂层26和阴极催化剂层28中的每一个包含催化剂和质子导电电解质树脂。催化剂一般为贵金属或其合金，并通过被诸如炭黑的支持物支持或不被支持被使用。阳极22的示例性催化剂包含Pt-Ru合金。阴极23的示例性催化剂包含Pt。
阴极流路板(未示出)在阴极23的表面上被设置在电池21上。同时，阳极流路板(未示出)在阳极22的表面上被设置在电池21上。并且，电动部分1具有用于加热电池21的加热器(未示出)。包含氧气的气体(氧化剂)-例如空气-被供给到阴极流路板；燃料2-例如甲醇水溶液-被供给到阳极流路板，由此电池21产生电力。
混合槽3被设置在燃料电池系统中。要被供给到电动部分1的燃料2被贮存在混合槽3中。混合槽3和电动部分1通过循环流路4连接。设置循环流路4是为了将燃料2供给到电动部分1，并将已在电动部分1中经过发电的燃料2返回给混合槽。燃料2通过燃料循环泵5(燃料供给装置)被供给到电动部分1并返回给混合槽3。
混合槽3包含燃料浓度检测装置6和气体-液体分离装置7。作为燃料浓度检测装置6，可以使用例如通过测量燃料2的介电常数或折射率来测量甲醇浓度的浓度传感器。
作为气体-液体分离装置7，可以使用例如甲醇水溶液不能渗透但作为在电动部分1中发电的结果从阳极22排放的材料的气体成分能够渗透的气体-液体分离膜。作为气体-液体分离膜，可以使用诸如聚四氟乙烯膜的疏水性膜。除了在发电的过程中产生的二氧化碳，在释放的材料中包含的甲醛、甲酸、一氧化碳和其它反应副产品也可渗透诸如聚四氟乙烯膜的疏水性膜。因此，该膜作为气体-液体分离装置是合适的。通过能够将反应副产品与燃料2分开的膜，可以增加燃料2的折射率的测量精度。
混合槽3和将在下面说明的阴极排放路径9由导管8连接。设置导管8是为了向阴极排放路径9排放从阳极22释放并被气体-液体分离装置7分离的材料的气体成分。
混合槽3与浓缩燃料槽10连接。浓缩燃料槽10贮存高浓度燃料。混合槽3中的燃料2的浓度随电动部分1产生电力而降低。在甲醇水溶液被用作燃料2的情况下，通过电动部分1进行的发电消耗水和甲醇。浓缩燃料槽10贮存浓度比用于发电的燃料2的浓度高的甲醇，以补充由此消耗的甲醇。
浓缩燃料泵11被设置在混合槽3和浓缩燃料槽10之间。设置浓缩燃料泵11是为了将高浓度燃料供给到混合槽3。浓缩燃料泵11由将在下面说明的控制装置19控制，使得燃料2的浓度根据由燃料浓度检测装置6测量的燃料2的浓度落在预定浓度范围内。
氧化剂供给装置12被设置在燃料电池系统中。设置氧化剂供给装置12是为了将氧化剂供给到电动部分1。作为氧化剂供给装置12，例如，可以使用用于将燃料电池系统外的空气供给到电动部分1的气泵。更具体地，可以使用用于控制要被供给到电动部分1的氧化剂的量的构件，诸如：叶片型、鼓风机型或压缩机型的泵；电扇；用于控制自然对流的流量的狭缝；等等。
供给到电动部分1的氧化剂被用于发电，然后通过阴极排放路径9从电动部分1被排放到将在下面说明的冷凝器13。如上所述，阴极排放路径9与导管8连接。因此，除了从阴极23排放的材料，还向冷凝器13排放从阳极22排放的材料的气体成分，这将在下面进行说明。
冷凝器13被设置在燃料电池系统中。作为冷凝器13，例如可以使用热交换器。被排放到冷凝器13的材料的一部分被冷凝器13冷凝。这里提到的“要被冷凝的排放材料”是由电动部分1在发电的过程中产生的水蒸汽和透过(穿过)质子导电电解质膜24或从混合槽3蒸发的甲醇蒸汽。由此冷凝的排放材料的一部分穿过导管15通过回收泵14被供给到混合槽3，以在发电中被重新使用。冷凝器13分离被排放到冷凝器13的材料的液体成分。这里提到的液体成分包含被冷凝和液化的排放材料。
燃料电池系统具有催化剂部分16。在被排放到冷凝器13的材料之中，在通过冷凝器13从排放材料分离液体成分后保留的气体成分通过催化剂部分16被排放到燃料电池系统外面。用于加速从阴极23排放的材料和从阳极22排放的材料的一部分的化学反应的催化剂被设置在催化剂部分16内。例如，设置催化剂是为了加速被排放到冷凝器13的材料的剩余气体成分的一部分的氧化。这里提到的其氧化要被加速的气体成分的示例包括一氧化碳、甲醛、甲酸和甲醇。
可以分别在冷凝器13的一侧和接近燃料电池系统的外面的一侧在催化剂部分16上设置温度传感器17和18。可以通过利用由温度传感器17和18测量的温度之间的差测量被催化剂部分16加速的化学反应的程度。例如，可以使用这样一种结构，即，在该结构中，当由温度传感器17和18测量的温差超过预定值时，确定可以干扰由催化剂部分16加速的化学反应的容许限度，并发出用于促使紧急停止燃料电池系统的报警。另外，可以基于由此测量的化学反应的程度估算化学反应要被催化剂部分16加速的气体成分的量。
将参照图3说明催化剂部分16的细节。催化剂部分16具有设置在排气管31内的管状外壳32和在外壳32内填充的催化剂34。可以在外壳32和催化剂34之间设置用于抑制向排气管31传导的由加速的化学反应产生的热的热绝缘构件33。通过设置热绝缘构件33，可以减少向排气管31传导的热对由温度传感器17和18测量的温差施加的影响，由此使得能够更精确地测量要被加速的化学反应的程度。
作为催化剂34，可以使用例如通过在由活性碳或活性氧化铝等制成的支持物上支持诸如Pt或Pt-Rt合金的贵金属形成的催化剂。设置催化剂34是为了加速穿过排气管31的排放材料的一部分的氧化。在最大额定发电量为20W的燃料电池系统的情况下，用于贮存催化剂34的容积为例如约10cc。这里提到的术语“额定”意思是燃料电池系统正在产生可以向外面稳定地供给电力的量的功率的状态；术语“最大额定发电量”意思是燃料电池系统可向外面稳定地供给电力的范围中的发电量的最大值。
脱离防止构件35和36防止催化剂34脱离到外壳32的外面。作为脱离防止构件35和36，例如可以使用金属网。
现在说明控制部分19(控制装置)的细节。设置控制部分19是为了控制燃料电池系统的操作。控制部分19获得有关由电动部分1产生的电力的数据；例如电压值和电流值。控制部分19基于有关由电动部分1产生的电力的数据执行其控制，使得电动部分1可产生燃料电池系统需求的电力。
控制部分19根据需要控制要被供给到阳极22的燃料2的流量(flow rate)和要被供给到阴极23的氧化剂的流量，并控制电动部分1的温度等等，由此使得电动部分1能够产生燃料电池系统需求的电力。控制部分19通过控制燃料循环泵5控制燃料2的流量。控制部分19通过控制氧化剂供给装置12控制氧化剂的流量。燃料2的流量被控制为例如1.2mL/分；氧化剂的流量被控制为例如100mL/分；电动部分1的温度被控制为落在例如40～60℃的范围内。
控制部分19获得有关由燃料浓度检测装置6测量的燃料浓度的数据。当甲醇水溶液被用作燃料2时，控制部分19获得燃料浓度检测装置6的输出；例如，根据燃料2的介电常数或折射率变化的输出值，并基于燃料浓度检测装置6的输出值和事先存储在控制部分19中的甲醇浓度之间的关系计算有关甲醇浓度的数据。
基于由此获得的有关燃料浓度的数据，控制部分19控制浓缩燃料泵11和回收泵14，使得贮存在混合槽3内的燃料2的浓度落在预定的浓度范围内。另外，控制部分19可根据需要控制燃料循环泵5和氧化剂供给装置12，使得贮存在混合槽3内的燃料2的浓度落在预定的浓度范围内。
当甲醇水溶液被用作燃料2时，控制部分19控制浓缩燃料泵11，以增加要被供给到混合槽3的高浓度甲醇的量，由此增加燃料2的甲醇浓度。并且，控制部分19控制回收泵14，以增加被冷凝并且将被供给到混合槽3的排放材料的部分的量，由此降低燃料2的甲醇浓度。另外，可以通过例如增加用于冷却冷凝器13的冷却装置(未示出)的冷却能力，增加被冷凝器13冷凝并且主要由水构成的排放材料的回收量。
现在说明启动氧化剂供给装置12时由控制部分19执行的控制的细节。这里提到的“启动氧化剂供给装置12”意思是将氧化剂供给装置12的状态从停止由氧化剂供给装置12向阴极23供给氧化剂的状态改变到实现这种供给的状态。同时，停止氧化剂的供给的状态意思是向阴极23供给的氧化剂的流量为零或与发电过程中的流量相比很小的状态。例如，在氧化剂供给装置12为电泵或电扇的情况下，启动氧化剂供给装置12是发动用于激活的电源；并且，在氧化剂供给装置12是用于控制自然对流的流量的狭缝的情况下，启动氧化剂供给装置12是狭缝开口从基本上关闭的状态到打开状态的变化。这里提到的“基本上关闭的状态”意思是狭缝开口为最小的状态或以在狭缝的开口调整中获得的可重复误差从最小开口状态打开狭缝的状态。
一旦启动氧化剂供给装置12，控制部分19就如下所述控制氧化剂供给装置12。控制部分19控制氧化剂供给装置12，使得供给到阴极23的氧化剂的量逐渐增加。这里提到的“逐渐”意思是紧接着氧化剂供给装置12的启动之后供给的氧化剂的量随时间的推移增加。如从启动氧化剂供给装置12经过预定时间后增加供给量的情况那样，该量逐渐增加的示例性情况包含在两个或更多个阶段中增加供给量的情况，以及供给量随着时间推移连续增加的情况。
被启动的氧化剂供给装置12的示例性情况包括燃料电池系统向负载供给电力的情况，该负载诸如电源的目标-该目标被连接在燃料电池系统外面-或设置在燃料电池系统内的二次电池。另外，示例性情况还包括由于某种原因通过紧急停止而停止燃料电池系统并然后取消紧急停止的情况。
图4表示用于启动氧化剂供给装置12的由控制部分19执行的示例性控制。
首先，控制部分19控制停止状态下的氧化剂供给装置12，使得氧化剂供给装置12满足供给到阴极23的氧化剂的供给量Q变为Q0的条件(S1)。在氧化剂供给装置12是电泵或电扇的情况下，控制部分19执行控制，使得用满足向阴极23的氧化剂供给量变为Q0的激活条件的电力供给氧化剂供给装置12。在氧化剂供给装置12是用于控制自然对流的流量的狭缝的情况下，控制部分19执行控制，以获得使得向阴极23的氧化剂供给量为Q0的狭缝开口。
然后，控制部分19控制氧化剂供给装置12，使得向阴极23的氧化剂供给量Q为Q0的条件保持预定的时间周期T(S2)。在氧化剂供给装置12是电泵或电扇的情况下，控制部分19执行控制，使得在时间周期T内连续供给在S1中供给到氧化剂供给装置12的电力。在氧化剂供给装置12是用于控制自然对流的流量的狭缝的情况下，控制部分19执行控制，以在时间周期T内保持在S1中控制的狭缝的开口。
在时间周期T之后，控制部分19控制氧化剂供给装置12，以满足向阴极23的氧化剂供给量Q变为Qt的条件(S3)。在氧化剂供给装置12是电泵或电扇的情况下，控制部分19执行控制，使得用满足向阴极23的氧化剂供给量为Qt的激活条件的电力供给氧化剂供给装置12。在氧化剂供给装置12是用于控制自然对流的流量的狭缝的情况下，控制部分19执行控制，以获得使得向阴极23的氧化剂供给量为Qt的狭缝开口。
Qt是大于Q0的量，并且是使得电动部分1可以以燃料电池系统的额定输出产生电力的氧化剂供给量。例如，Qt和Q0之间的关系可被设置如下：Q0≤Qt/10。
然后，控制部分19致使燃料循环泵5开始操作(S4)。这里提到的“燃料循环泵5开始操作”意思是由燃料循环泵5供给到阳极22的燃料2的量增加到使得电动部分1可以以燃料电池系统的额定输出产生电力的氧化剂供给量。
最后，控制部分19连接电动部分1和负载，以使得由电动部分1产生的电力能够供给到负载(S5)。
现在说明在如上所述由控制部分19控制燃料电池系统的情况下在电动部分1和催化剂部分16中出现的现象。
当由氧化剂供给装置12供给到阴极23的氧化剂供给量为Qt时(以下称为“状态A”)，供给到阴极23的氧气的量较大。因此，氧化分别在阴极催化剂层中被加速的反应副产品和由转换(crossover)导致的甲醇的量较大。结果，到达催化剂部分16并且氧化被加速的气体成分的量受到抑制。
同时，在氧化剂供给装置12停止向阴极23供给氧化剂的状态中(以下称为“状态B”)，供给到阴极23的氧气的量与状态A相比非常小。因此，阴极催化剂层28中的反应副产品和由转换导致的甲醇的氧化很难被加速。
另外，由于在状态B中催化剂部分16中的氧化剂的量也较少，因此，阴极23附近的反应副产品和由于转换而保留的甲醇的氧化不被催化剂部分16加速。因此，阴极23附近的反应副产品的浓度和由于转换导致的甲醇的浓度变得非常高。
当控制部分19执行控制以引起从状态B到状态A的转变时，高浓度反应副产品和由转换导致的甲醇被无意、快速地供给到催化剂部分16。另外，然后，保留在阴极23附近的液态的甲醇蒸发。因此，继续向催化剂部分16供给大量的甲醇，直到剩余的液态甲醇的量达到容许的限度。
为此，当如本实施方式的情况那样不进行从状态B直接到状态A的转变、但控制部分19执行控制使得进行从状态B到由氧化剂供给装置12供给到阴极23的氧化剂供给量为Q0的状态(以下称为“状态C”)的转变时，高浓度的副产品和由转换导致的甲醇以较小的流量供给到催化剂部分16。另外，然后，保留在阴极23附近的液态的甲醇蒸发，并且，甲醇以较小的流量供给到催化剂部分16，直到剩余的液态甲醇的量达到容许的限度。因此，加速反应副产品和甲醇的化学反应的催化剂部分16所需的单位时间的容积减小。这种减小导致催化剂34的需求量减小，由此最终有助于燃料电池系统的小型化。
[实施例]
现在说明采用本发明的实施方式进行的实验的结果。
首先，由根据本发明的实施方式的燃料电池系统发电一个小时，然后，停止燃料电池系统的操作。
然后，放置燃料电池系统，直到与电动部分1的表面连接的温度计指示室温。然后，通过控制部分19控制与根据本发明的实施方式的氧化剂供给装置12对应的叶片泵，使得供给到阴极23的氧化剂的量变为使得电动部分1可以以燃料电池系统的额定输出产生电力的氧化剂供给量的10％。
随后，在启动叶片型泵150秒后，通过控制部分19控制叶片型泵，使得供给到阴极23的氧化剂的量变为使得电动部分1可以以燃料电池系统的额定输出产生电力的氧化剂供给量。
图5表示在被供给到催化剂部分16之前和之后的甲醇的浓度。图5中的实线表示经受催化剂部分16之前的气体成分的甲醇浓度。图5中的虚线表示供给到催化剂部分16并然后被排放的气体成分的甲醇浓度。使用红外吸收分光计测量甲醇浓度。
作为催化剂部分16，使用这样一种构件，即，在氧化剂以使得电动部分1能够以燃料电池系统的额定输出产生电力的量供给到阴极23的条件下，当被排放到冷凝器13的材料的剩余气体成分的最大甲醇浓度为2000ppm时，该构件可将氧化加速到约200ppm。
如图5所示，证实氧化被加速，直到从催化剂部分16排放的气体成分的甲醇浓度变为基本上恒定(平均约200ppm)。
(比较例)
首先，如实施例的情况那样，由根据本发明的实施方式的燃料电池系统发电一个小时，然后，停止燃料电池系统的操作。
然后，放置燃料电池系统，直到与电动部分1的表面连接的温度计指示室温。然后，通过控制部分19控制与本发明的实施方式的氧化剂供给装置12对应的叶片型泵，使得供给到阴极23的氧化剂的量变为使得电动部分1可以以燃料电池系统的额定输出产生电力的氧化剂供给量。
图6表示在被供给到催化剂部分16之前和之后的甲醇的浓度。图6中的实线表示经受催化剂部分16之前的气体成分的甲醇浓度。图6中的虚线表示供给到催化剂部分16并然后被排放的气体成分的甲醇浓度。使用红外吸收分光计测量甲醇浓度。
如图6所示，在氧化剂供给装置12开始向阴极23供给氧化剂后一分钟以内，测量的从催化剂部分16排放的气体成分的甲醇浓度较高。这似乎可归因于以超过催化剂部分16可加速氧化的限度的量向催化剂部分16供给甲醇。
如已在实施例中证明的那样，如上所述配置的燃料电池系统可减少催化剂部分16加速反应副产品和甲醇的化学反应需要的单位时间的容积。这种减小导致催化剂34的需求量减小，由此最终有助于燃料电池系统的小型化。
同时，如上所述配置的燃料电池系统还可减少启动氧化剂供给装置12时施加到催化剂部分16上的热应力。
图7是其中画出实施例中以及比较例中的由温度传感器18测量的温度的转变的示图。虚线表示实施例中的由温度传感器18测量的温度，实线表示比较例中的情况。
如图7所示，与比较例相比，实施例中的由温度传感器18测量的温度在启动氧化剂供给装置12后更迅速地增加。这种现象似乎可归因于在被催化剂部分16加速的氧化中产生并且与从催化剂部分16释放的热相比过量的热。
众所周知，在燃料电池系统中将金属离子混入电动部分1中会对电动部分1造成严重损伤。因此，燃料和氧化剂的供给和排放路径中的每一种尽最大可能用非金属材料制造。树脂材料价格便宜且可成形性极好，因此特别适用于外壳32和排气管31。
但是，当在被催化剂部分16加速的氧化中产生的热过量时，外壳32和排气管31发生畸变，由此增加导致不可逆损伤的可能性。随着启动氧化剂供给装置12时的催化剂部分16的温度上升，这种趋势变得更加明显。在根据实施例的燃料电池系统中，催化剂部分16的温度上升得到缓和。因此，可以减小这种导致催化剂34的不可逆损伤的可能性。
另外，当系统进入系统可重新向负载供给电力的状态时，如上所述配置的燃料电池系统可将在长时间停机后从系统的重启经过的重启时间缩短到某一时间。
图8是其中画出实施例中以及比较例中的由与电动部分1连接的温度计测量的温度的转变的示图。虚线表示实施例中的电动部分1的温度，实线表示比较例中的电动部分1的温度。
如图8所示，与比较例相比，实施例中的电动部分1的温度在更短的时间内上升。这似乎可归因于：由于在实施例中向阴极23流动的氧化剂的流量较小，因此通过氧化剂从电动部分1得到的热量较少。另外，这似乎还可归因于：由于在实施例中向阴极23流动的氧化剂的流量较小，因此被直接排放的甲醇-其氧化未被阴极催化剂层28加速-的量变小；结果，氧化被阴极催化剂层28加速的甲醇的比值变大。
更具体地，电动部分1的温度可在更短的时间周期内增加到电动部分1的产生效率较高时所处的温度。以另一种方式设置在燃料电池系统进入系统可重新向负载供给电力的状态之前经过的重启时间。
本领域技术人员容易想到其它优点和变更方式。因此，本发明在其更宽的方面不限于这里示出和说明的特定细节和代表性的实施方式。因此，不背离由所附的权利要求和它们的等同物限定的一般发明概念的精神或范围的条件下，可以提出各种变更方式。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括：
要被供给燃料的阳极电极；
要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；
设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；
被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；
被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元；和
被配置为控制要被供给到阴极电极的氧化剂的量的控制单元，其中，
控制单元控制氧化剂供给单元，以在氧化剂供给单元开始操作时增加氧化剂的量。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，
催化剂部分包含被配置为加速氧化的催化剂。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，
控制单元控制氧化剂供给单元以逐渐增加。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，
催化剂部分在接近燃料电池系统的外面的一侧包含第一温度传感器。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，
催化剂部分在催化剂部分的另一侧包含第二温度传感器。
6.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，
催化剂部分在接近燃料电池系统的外面的一侧包含第一温度传感器，并在催化剂部分的另一侧包含第二温度传感器。
7.根据权利要求6的燃料电池系统，其中，
控制单元从由第一温度传感器和第二温度传感器测量的温度之间的差测量化学反应的程度。
8.一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括：
要被供给燃料的阳极电极；
要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；
设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；
被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；和
被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元，该方法包括以下步骤：
开始氧化剂供给单元的操作；和
控制氧化剂供给单元以使得Q0小于Qt，其中，
Q0是启动氧化剂供给单元时的氧化剂的量，并且
Qt是从启动氧化剂供给单元经过预定时间后的氧化剂的量。
9.根据权利要求8的用于燃料电池系统的控制方法，还包括以下步骤：
逐渐增加氧化剂的量。
10.一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统包括：
要被供给燃料的阳极电极；
要被供给包含空气或氧气的氧化剂的阴极电极；
设置在阳极电极和阴极电极之间的电解质膜；
被配置为加速从阴极电极释放的材料和从阳极电极释放的材料中的至少一部分的化学反应的催化剂部分；
被配置为向阳极电极供给燃料的燃料供给单元；和
被配置为向阴极电极供给氧化剂的氧化剂供给单元，该方法包括以下步骤：
在启动燃料电池系统时启动氧化剂供给单元的操作；
在从启动氧化剂供给单元的操作经过预定时间后增加由氧化剂供给单元向阴极电极供给的氧化剂的量；
在增加要供给的氧化剂的量后启动燃料供给单元的操作；和
在开始燃料供给单元的操作后，向负载供给由阳极电极、阴极电极和电解质膜产生的电力。
CNB200610108143XA 2005-07-28 2006-07-28 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 Expired - Fee Related CN100486018C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005218441A JP2007035489A (ja) 2005-07-28 2005-07-28 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP2005218441 2005-07-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1905261A true CN1905261A (zh) 2007-01-31
CN100486018C CN100486018C (zh) 2009-05-06

Family

ID=37674445

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB200610108143XA Expired - Fee Related CN100486018C (zh) 2005-07-28 2006-07-28 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20070026274A1 (zh)
JP (1) JP2007035489A (zh)
CN (1) CN100486018C (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009125685A (ja) 2007-11-26 2009-06-11 Toshiba Corp 固体触媒およびこの固体触媒を用いた燃料電池
US7709413B2 (en) 2007-11-26 2010-05-04 Kabuhsiki Kaisha Toshiba Solid catalysts and fuel cell employing the solid catalysts
JP2009151973A (ja) * 2007-12-19 2009-07-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5476690B2 (ja) * 2008-08-25 2014-04-23 株式会社Ｇｓユアサ 直接型燃料電池システムとその制御方法
JP5297183B2 (ja) * 2008-12-26 2013-09-25 ヤマハ発動機株式会社 燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器
JP2014238914A (ja) * 2011-09-30 2014-12-18 パナソニック株式会社 直接酸化型燃料電池システム
CN104508888B (zh) * 2012-08-07 2017-07-14 京瓷株式会社 混合系统
JP6599093B2 (ja) * 2014-11-11 2019-10-30 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システムおよび燃料電池発電部の温度制御方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5518705A (en) * 1994-08-22 1996-05-21 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for the two-stage selective oxidation of carbon monoxide in a hydrogen-containing gas mixture
US6329089B1 (en) * 1997-12-23 2001-12-11 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for increasing the temperature of a fuel cell
DE19916386C2 (de) * 1999-03-31 2001-10-31 Mannesmann Ag Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem
US6777115B2 (en) * 2002-05-01 2004-08-17 Utc Fuel Cells, Llc Battery-boosted, rapid startup of frozen fuel cell
JP4473526B2 (ja) * 2003-06-30 2010-06-02 パナソニック株式会社 燃料電池の運転方法とそのシステム
US7491455B2 (en) * 2004-01-20 2009-02-17 General Motors Corporation Method to startup a fuel cell stack without battery derived compressor power

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007035489A (ja) 2007-02-08
US20070026274A1 (en) 2007-02-01
CN100486018C (zh) 2009-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1905261A (zh) 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
CN1841825A (zh) 直接甲醇燃料电池系统及其控制方法
KR102218816B1 (ko) 연료 전지 가습 관리 방법 및 시스템
JP2007265930A (ja) 燃料電池システム
CN1351769A (zh) 用于高分子膜燃料电池的湿润装置
CN1577929A (zh) 燃料电池系统
CN1906792A (zh) 燃料电池系统
CN1311582C (zh) 燃料电池、电器、便携式计算机及燃料电池的驱动方法
US20120264029A1 (en) Fuel cell system
JP2009512135A (ja) 燃料電池スタックおよび気液分離器の温度が調節された直接酸化型燃料電池システム
CN1533360A (zh) 燃料电池转化装置用水蒸汽传递装置
EP2306571B1 (en) Fuel cell system and control method therefor
KR20100125468A (ko) 연료 전지 시스템 및 전자 기기
CN1691390A (zh) 燃料电池系统
JP2005216849A (ja) 燃料電池システム
JP2011198653A (ja) 燃料電池システム
CN1679196A (zh) 燃料电池及搭载了它的携带机器以及燃料电池的运转方法
JP5185123B2 (ja) 高電気性能直接酸化型燃料電池およびシステム
WO2010013709A1 (ja) 燃料電池システム及び電子機器
JP2009527092A (ja) 燃料濃度および酸化剤流量が調節された直接酸化型燃料電池
JP2006066318A (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2005190967A (ja) 燃料電池システムの起動方法および燃料電池システム
JP5023568B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
KR100550954B1 (ko) 연료전지시스템
JP2009038014A (ja) 燃料電池および燃料電池の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090506

Termination date: 20130728