CN1983694A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了：发电单元、燃料罐、管线、混合罐、借助发电单元和管线从混合罐向混合罐循环混合物燃料的燃料循环单元、从燃料罐向混合罐供应燃料的燃料供应单元、向阴极供应空气的空气供应单元、根据发电输出调节施加给负载的电流的功率调节单元、调节发电单元温度的风扇、以及检测混合物燃料的浓度和体积并且基于检测结果操纵燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元的负载、空气供应单元和风扇，从而控制混合物燃料的浓度和体积的控制单元。

Description

燃料电池系统及其控制方法

相关申请交叉引用

本申请基于并要求申请日为2005年12月14日的先前日本专利申请第2005-360700号的优先权利益，该专利全部内容引入本文作参考。

技术领域

本发明涉及用于便携式装置的小尺寸燃料电池系统及其控制方法。

背景技术

因为以下原因已经发展了直接甲醇燃料电池(DMFCs)作为用于便携式装置的小型电源：不需要例如汽化器和增湿器的辅助设备；甲醇比例如氢气的气体燃料更容易处理以及可以在低温下工作。

DMFC包括膜电极组件(MEA)、阳极和阴极，并且对于DMFCs，有使用辅助设备向阳极和阴极供应燃料的主动型和使用自然力的被动型。在前者主动型DMFC中，可以增加电池的输出密度，但是辅助设备是必要的，例如向阳极和阴极供应燃料的泵。

此外，在DMFC中，阳极反应需要与甲醇等摩尔量的水。另外，当直接向MEA供应高浓缩的甲醇时，增加了甲醇渗透(crossover)，因而燃料使用的效率降低。因此，为了高效地收集在阴极反应中产生的水并且使收集的水与高浓缩的甲醇燃料在混合罐中混合，可以在阴极侧提供水收集单元作为辅助设备。应当指出另一种可能是为了防止设备的体积由于在阴极侧上安装水收集单元而增加，仅在阳极侧循环燃料而在阴极侧不收集水的系统。

在这种循环型燃料电池系统中，维持供应给阳极的燃料的适当浓度并且在将燃料送给阳极的混合罐中维持适当的液体体积是重要的。迄今，对于控制燃料浓度和体积的系统已经给出了许多建议。例如，引入本文作参考的JPA 2005-32610(KOKAI)建议了一种操纵来自高浓缩燃料罐和阴极水收集单元的燃料的流动体积来控制混合物浓度的系统。此外，引入本文作参考的JPA 2005-11633(KOKAI)建议了一种操纵从高浓缩燃料罐供应的燃料的量和阴极侧集水量来控制混合物浓度的系统。再此外，引入本文作参考的JPA 5-258760(KOKAI)建议了一种操纵从高浓缩燃料罐供应的燃料的量和从储水罐供应的水的量来控制混合物的体积和浓度的系统。再此外，引入本文作参考的JPA2005-108713(KOKAI)建议了一种将从阴极排放的空气送入冷凝单元中，并且操纵冷凝扇和水收集单元以改变供应给混合罐的水量，从而控制混合物的体积和浓度的系统。

但是，为了控制混合罐中燃料的浓度和体积，这些传统的燃料电池系统每个都包含阴极侧水收集单元、阳极侧燃料供应单元、连接阴极侧和阳极侧的集水/循环通道以及从外部供应水的储水罐。包括水收集单元、集水/循环通道和储水罐的辅助设备占据的体积是大的，这会增加整个设备的尺寸。因此，传统的燃料电池系统太大而不能用作便携式小型装置，例如移动电话、便携式音频终端和笔记本计算机的电源。

另一方面，如果从燃料电池系统中消除了储水罐、集水/循环通道等以降低系统的尺寸，燃料的使用效率降低。

发明内容

根据本发明的一个方面，燃料电池系统包括：包括阳极、阴极和在所述阳极和阴极之间提供的电解质膜的发电单元；储存原始燃料或高浓缩燃料的燃料罐；与阳极流出物互通并收集它们的阳极收集通道；借助阳极收集通道与发电单元互通并且还与燃料罐互通并混合所述流出物与原始燃料或高浓缩燃料，从而产生混合物燃料的混合罐；被提供在混合罐和发电单元之间并且从混合罐中向发电单元的阳极供应混合物燃料，而且通过阳极收集通道使流出物循环到混合罐中的燃料循环单元；从燃料罐向混合罐供应原始燃料或者高浓缩燃料的燃料供应单元；向发电单元的阴极供应空气的空气供应单元；调节供应给负载的电流的功率调节单元；调节发电单元温度的温度调节装置；检测混合物燃料浓度和混合罐中液体体积至少之一的检测装置；以及基于检测装置的检测结果，控制燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元、空气供应单元和温度调节装置中至少之一的控制单元。

根据本发明的另一个方面，燃料电池系统包括：包括阳极、阴极和在所述阳极和阴极之间提供的电解质膜的发电单元；储存原始燃料或高浓缩燃料的燃料罐；使其中的混合物燃料与阳极接触并且与燃料罐互通并混合阳极流出物与原始燃料或高浓缩燃料，从而产生混合物燃料的混合罐；调节供应给负载的电流的功率调节单元；调节发电单元温度的温度调节装置；检测混合物燃料浓度的检测装置；以及基于检测装置的检测结果，控制功率调节单元和温度调节装置的控制单元。

根据本发明的另一个方面，控制配备了发电单元、燃料罐、阳极收集通道、混合罐、燃料循环单元、燃料供应单元、空气供应单元、功率调节单元、温度调节装置、检测装置和控制单元的燃料电池系统的方法，所述方法包括：

(i)在发电期间通过检测装置检测供应给发电单元阳极的混合物燃料的浓度和体积至少之一；及

(ii)基于所述检测结果，通过控制单元控制燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元、空气供应单元和温度调节装置中至少之一，并且控制混合物燃料的浓度和体积至少之一。

根据本发明的另一个方面，控制配备了发电单元、燃料罐、阳极收集通道、混合罐、燃料循环单元、燃料供应单元、空气供应单元、功率调节单元、温度调节装置、检测装置和控制单元的燃料电池系统的方法进一步包括：

(a)在发电期间通过检测装置检测混合物燃料的浓度和发电单元的温度至少之一；及

(b)基于所述检测结果，通过控制单元控制功率调节单元和温度调节装置中至少之一，并且控制混合物燃料的浓度。

附图说明

图1是表示根据本发明实施方案的燃料电池系统的结构框图；

图2是表示混合物燃料的浓度C和参数α、β之间关系的图；

图3是表示空气供应量Qc^空气和参数α、β之间关系的图；

图4是表示燃料供应量Qa^MeOH和参数α、β之间关系的图；

图5是表示负载电流I和参数α、β之间关系的图；

图6是表示发电单元温度T和参数α、β之间关系的图；

图7是表示燃料供应量Qconc^MeOH、浓度变化ΔC和液体体积变化ΔV之间关系的图；

图8是表示空气供应量Qc^空气、浓度变化ΔC和液体体积变化ΔV之间关系的图；

图9是表示燃料供应量Qa^MeOH、浓度变化ΔC和液体体积变化ΔV之间关系的图；

图10是表示负载电流I、浓度变化ΔC和液体体积变化ΔV之间关系的图；

图11是表示发电单元温度T、浓度变化ΔC和液体体积变化ΔV之间关系的图；

图12是当在本发明的实施方案中控制燃料的浓度和体积时的流程图；

图13是图1中所示的燃料电池系统的控制框图；

图14当在另一个实施方案中控制燃料的浓度和体积时的流程图；

图15当在另一个实施方案中控制燃料的浓度和体积时的流程图；

图16是表示根据本发明另一个实施方案的燃料电池系统的结构框图；

图17是图16中所示的燃料电池系统的控制框图。

具体实施方式

下文中将结合附图说明实施本发明的最佳方式。

[第一实施方案]

如图1所示，根据本发明第一实施方案的燃料电池系统1包括发电单元7和该发电单元发电所需的辅助设备。系统1具有作为主要辅助设备的高浓缩燃料罐2、燃料供应单元3、混合罐4、燃料循环单元5、空气供应单元6、功率调节单元8和控制单元10，并且具有作为次要辅助设备的浓度传感器42、液体体积传感器43、风扇71和温度传感器72。

上述辅助设备通过多根管线L1至L7直接或者间接与发电单元7连接，并且使用自然力或者机构力或者它们两者通过管线L1至L7向发电单元7供应流体(液体、气体或者气-液混合物)并且从发电单元7中排出。将主要使用自然力(例如毛细力)来运载流体的方法称为“被动燃料电池系统”，而将主要使用机构力(例如泵动力)运载流体的方法称为“主动燃料电池系统”。

整个燃料电池系统1全部由控制单元10控制。控制单元10通过信号线与发电单元7和辅助设备连接，并且在控制单元10、发电单元7和辅助设备之间发射/接收各种信号S1至S8。例如，浓度传感器42检测混合罐4中混合物燃料(例如甲醇溶液)的浓度，并且向控制单元10发送其检测信号S1。液体体积传感器43检测混合罐4中混合物燃料的体积，并且向控制单元10发送其检测信号S2。另外，温度传感器72检测发电单元7的温度，并且向控制单元10发送其检测信号S3。

如图13所示，控制单元10基于检测信号S1、S2和S3以及数据库30中的过程数据获得各种控制变量，并且基于所得的控制变量和处理单元20的各个参数值获得各种操纵变量，因而向燃料循环单元5、燃料供应单元3、空气供应单元6、功率调节单元8和发电单元7的风扇71中任何一个或者两个或者多个输出操纵命令信号S4至S8。例如，如果从控制单元10向功率调节单元8输出操纵信号S8，调节施加给负载9的负载电流I至所需的值。应当指出先前已经通过演示实验获得数据库30中的过程数据，并且过程数据例如代表了对参数α、β和各种操纵变量值的关系数据。此外，处理单元20基于从浓度传感器42、液体体积传感器43、温度传感器72等输入的信息并且基于数据库30中的过程数据输出操纵命令信号S4至S8，并且例如，基于诸如浓度控制参数和液体体积控制参数的数据以及基于等式输出操纵命令信号。

发电单元7中具有阳极/催化剂层/电解质膜催化剂层/阴极的叠层(膜电极组件(MEA))、阳极流路板和阴极流路板。发电单元7将燃料的化学能转化成电能，从而发电。MEA的结构如下：按照夹住电解质膜的方式，向由质子传导固体聚合物膜制成的电解质膜的两个表面上施用催化剂颗粒，在其上面向催化剂层供应甲醇和空气，并且同时从催化剂层中排出反应中产生的二氧化碳和水，然后安装气体扩散层以平稳地收集已经反应产生的电子。阳极流路板入口与管线L4连接，并且其出口与管线L5连接。阴极流路板入口与管线L6连接，并且其出口与管线L7连接，将副产物二氧化碳排出系统外。

此外，发电单元7具有风扇71和温度传感器72。风扇71用作向发电单元7吹气冷却发电单元7的温度调节装置。应当指出对于温度调节装置，可以使用珀尔贴(Peltier)元件、水冷夹套等代替风扇71。此外，温度调节装置不仅可以包括冷却发电单元7的装置，而且可以包括加热发电单元7的加热器。温度传感器72检测发电单元7的温度，并且向控制单元10发送温度检测信号S3。对于温度传感器72，例如可以使用在发电单元7的表面上提供的或者在发电单元7内部提供的热电偶。

对于向阳极供应的燃料，使用液体。下文中，假定以甲醇溶液作为燃料的一个实例。高浓缩燃料罐2储存原始燃料(例如纯度为99.9％或以上的甲醇溶液)或者包括少量水的高浓缩燃料(例如浓度为10 M(mol/升)或者更大的甲醇和水的混合溶液)。应当指出可以从未显示的供应口给高浓缩燃料罐2供应原始燃料或者高浓缩燃料。

燃料供应单元3具有内装式泵，由控制单元10控制其操作，并且借助管线L1与高浓缩燃料罐2连接并借助管线L2与混合罐4连接。当控制单元10驱动燃料供应单元3的泵时，从高浓缩燃料罐2向混合罐4中供应原始燃料或者高浓缩燃料。代替使用像燃料循环单元5中一样的小型电磁泵，能够以预定的流体积供应燃料并且不需要驱动电力的方法可以用于燃料供应单元3。例如，可以设想使用高浓缩燃料罐2和混合罐4之间的水位差的方法，或者由多孔材料使用毛细力的方法。

管线L5是从发电单元7向混合罐4提供的返回流路。该管线L5用作阳极收集通道，收集保持不在发电单元7的阳极中消耗的混合溶液(在阳极中未被消耗的未反应燃料和水的混合溶液)，以及二氧化碳，即阳极排出的流出物。

混合罐4借助管线L2与燃料供应单元3互通，并且另一方面借助管线L5与发电单元7的阳极侧互通。在混合罐4中，来自高浓缩燃料罐2的原始燃料或者高浓缩燃料与从发电单元7的阳极收集的混合溶液混合。应当指出混合罐4包含初始浓度例如1.5M-2.5M的稀甲醇溶液(初始混合物燃料)。

与混合罐4和管线L5间的连接部分挂接气-液分离单元41。气-液分离单元41具有气-液分离膜，从混合溶液中分离包括二氧化碳的气体。

混合罐4包括用来获得关于混合物燃料浓度和体积信息的检测装置。可以使用浓度传感器42作为检测混合物燃料浓度的装置。如图1所示，浓度传感器42安装在混合罐4的内部，或者在管线L3、L4的适当位置。但是，浓度传感器42在本发明实施方案中是任选的组件。这是因为混合物燃料的浓度也可以由代替浓度传感器(硬件)的软件来检测。即，控制单元10可以具有从发电单元7的输出和关于温度的信息估计混合物燃料浓度的计算机程序。应当指出举例来说超声波型或者近红外多波长轻型传感器可以用于浓度传感器42。

可以使用液体体积传感器43作为检测混合物燃料体积的装置。如图1所示，液体体积传感器43安装在混合罐4的内部，并且检测罐4中的混合物燃料的液位。也可以使用测量混合罐4的重量的装置(例如为测压元件)代替液体体积传感器(液位计)43。

燃料循环单元5在包括发电单元7和混合罐4的由管线L3、L4和L5组成的环路中循环混合物燃料。燃料循环单元5具有内装式泵，其由控制单元10控制操作，并且借助管线L3与混合罐4连接而且借助管线L4与发电单元7的阳极侧连接。对于燃料循环单元5，优选使用小型电磁泵，因为它是小的、消耗低的功率并允许从外部控制其供应流体积。

空气循环装置6具有内装式空气泵或风扇，其由控制单元10控制操作，并且借助管线L6与发电单元7的阴极侧连接而且向发电单元7的阴极供应空气。对于空气循环装置6，优选使用小型空气泵或风扇，因为它是小的并且允许从外部控制其供应流体积。

在发电单元7和负载9之间提供功率调节单元8，从而从发电单元7中平稳地将输出带给负载9。功率调节单元8中的电路与控制单元10的输出侧连接，从而控制施加给负载9的负载电流I。应当指出发电单元7中产生的电力借助引线81输出到功率调节单元8。

在直接甲醇燃料电池中的发电期间阳极中每单位时间和单位面积的甲醇消耗量由反应中使用的甲醇量和通过电解质膜运动到阳极侧的甲醇渗透量来表达。具体地说，下面的等式(1)提供了阳极中的甲醇消耗量J^CONS _CH3OH。

$J_{C{H}_3\mathrm{OH}}^{\mathrm{cons}}=\frac{I}{6F}(1+\mathrm{\β})---\left(1\right)$

注意“I”表示负载电流(A)，“F”表示法拉弟常数，“β”表示在发电期间以渗透的方式运动的甲醇运动量与反应中使用的甲醇量的比例。

同样，阳极侧上水的消耗量由反应中使用的水量和通过电解质膜运动到阴极侧和阳极侧的水的渗透量表达。具体地说，由下面的等式(2)提供阳极中的水消耗量J^CONS _H2O。

$J_{H_{2}O}^{\mathrm{cons}}=\frac{1}{6F}(1+6\mathrm{\α})---\left(2\right)$

注意“α”是水分子的运动量与反应中产生的一个质子的运动量的比例。因此，阳极中的甲醇消耗量与甲醛渗透量和负载电流I成比例，并且水的消耗量同样与水的渗透量和负载电流I成比例。因此，改变负载电流I、甲酸渗透量和水的渗透量，并且调节甲醇和水的消耗量，从而可以控制通过管线L3、L4和L5循环的混合溶液中的甲醇量和水量。本发明实施方案的特征在于改变甲醇和水的渗透量来控制甲醇和水的量而不会显著改变输出。

[混合物燃料的浓度C和参数α、β之间的关系]

在负载电流I为1.8A且空气供应量Qc^空气是87cc/min的条件下进行实验。结果表示在图2中。图2中的特性曲线A1(白色方块)表示供应到阳极的混合物燃料的浓度C和α之间的关系，并且特性曲线B1(白色圆块)表示混合物燃料的浓度C和β之间的关系。此处，可以由浓度传感器42检测浓度C。对于β，获得随着混合物燃料的浓度C变高其逐渐增加的结果，并且对于α，获得随着混合物燃料的浓度C变高其逐渐降低的结果。另外，可以证实α的变化相对小于β的变化。

[空气供应量Qc^空气和参数α、β之间的关系]

在负载电流I为1.8 A的条件下，使用2 M浓度的混合物燃料进行实验。结果表示在图3中。图3中的特性曲线A2(白色方块)表示空气供应量Qc^空气和α之间的关系，并且特性曲线B2(白色圆块)表示空气供应量Qc^空气和β之间的关系。如果空气供应量Qc^空气增加，气体扩散层的湿度降低，并且α单调增加。原因是空气中可以包含的水量增加，并且在供应的空气中可以含有大量在阴极中产生的水。

另一方面，β趋向于随着空气供应量Qc^空气增加而增加，但是与α的变化相比，增加是小的。按照这种方式，操纵对阴极的空气供应量Qc^空气并且改变气体扩散层的湿度，从而调节参数α、β并且可以改变管线L5中的甲醇消耗量和水消耗量。此处，为了保证发电单元7的输出，设计空气供应量Qc^空气的流体积范围，提供等于或者大于发电所需的空气供应量，并且操纵空气供应单元6，从而所述范围可以满足下面的等式(3)。

注意I表示负载电流(A)并且F表示法拉弟常数。

[燃料供应量Qa^MeOH和参数α、β之间的关系]

在空气供应量Qc^空气是87cc/min并且负载电流I为1.8A的条件下，使用2M浓度的混合物燃料进行实验。结果表示在图4中。图4中的特性曲线A3(白色方块)表示α相对于燃料供应量Qa^MeOH的变化，并且特性曲线B3(白色圆块)表示β相对于燃料供应量Qa^MeOH的变化。发现如果供应的混合物燃料相对发电所需的燃料供应量Qa^MeOH增加，β增加并且α降低。

通过燃料循环单元5将混合罐4中的混合物燃料送入发电单元7中，并且通过阳极流路板送到阳极。因此，如果操纵燃料循环单元5并且改变送到阳极的燃料流体积，因为通过发电反应消耗燃料和水，可能在阳极流路板的入口侧和出口侧之间产生浓度差的变化。此处，为了在流路板的入口和出口之间产生大的浓度差，优选阳极流路板的流路具有蛇形形状而不是平行的形状。这是因为蛇形形状的流路使穿过MEA的燃料浓度分布更大。

在这种流路中，如果操纵燃料循环单元5并且降低送到阳极的混合物燃料的流体积，发电单元7出口处的燃料浓度降低，β降低并且α增加。相反，如果增加送到阳极的混合物燃料的流体积，发电单元7出口处的燃料浓度增加，β增加并且α降低。

如此，操纵燃料循环单元5，改变燃料供应量Qa^MeOH，并且在流路中提供浓度梯度以调节β和α，从而可以控制管线L5中的甲醇和水的消耗量。由于燃料循环单元5，由控制单元10将燃料供应量Qa^MeOH控制在满足下面的等式(4)的关系的范围内。

$\frac{I}{6F}\frac{1000}{C}<Q_a^{\mathrm{MeOH}}<\frac{I}{6F}\frac{6000}{C}(\mathrm{cc}/s)---\left(4\right)$

注意I表示负载电流(A)、F表示法拉弟常数并且C是混合罐中混合物燃料的浓度(M)。应当指出燃料供应量Qa^MeOH等于或者大于发电反应所需的燃料量。另外，随着渗透增加，优选将燃料供应量Qa^MeOH的可变范围设置成相对于燃料供应量Qa^MeOH的变化允许更大的α、β变化梯度的区域。在这些情况下，考虑使用α、β的变化梯度相对于燃料供应量Qa^MeOH的改变大的区域，将燃料供应量Qa^MeOH设置成等于或者小于发电消耗所需的燃料供应量Qa^MeOH的六倍。原因是即使以发电消耗所需的燃料供应量Qa^MeOH的六倍以上的燃料供应量供应燃料，对于燃料供应量Qa^MeOH的增加，α、β的变化也是小的，并且所述作用饱和。另外，燃料循环单元5的燃料供应量Qa^MeOH也有限制。

[负载电流I和参数α、β之间的关系]

在混合物燃料的浓度为2M并且空气供应量Qc^空气是87cc/min的条件下进行实验。结果表示在图5中。图5中的特性曲线A4(白色方块)表示α相对于负载电流I的变化，并且特性曲线B4(白色圆块)表示β相对于负载电流I的变化。发现如果增加负载电流I，α和β都降低，并且如果降低负载电流I，α和β都增加。

[发电单元的温度T和参数α、β之间的关系]

在混合物燃料的浓度为2M并且空气供应量Qc^空气是87cc/min的条件下进行实验。结果表示在图6中。图6中的特性曲线A5(白色方块)表示α相对于发电单元的温度T(℃)的变化，并且特性曲线B5(白色圆块)表示β相对于温度T的变化。发现如果升高温度T，α和β都增加，并且如果降低温度T，α和β都降低。

接下来，将说明本发明实施方案中的燃料电池系统操作的概要。

从燃料循环单元5向发电单元7的阳极供应混合物燃料，并且从空气供应单元6向阴极供应空气。如果系统1借助功率调节单元8与负载9连接，开始发电，并且甲醇和水在阳极引起氧化反应，另外渗透运动消耗甲醇和水。

通过管线L5将发电单元7中还没有消耗的混合溶液和二氧化碳(反应产物)送入混合罐4中。此时，需要将二氧化碳排出系统外，使得二氧化碳不会在管线L5中再次循环。因此，与混合罐4挂接气-液分离单元41，并且通过气-液分离单元41从流出物中分离/除去二氧化碳。可商购的通常气-液分离膜可以用于气-液分离单元41。此外，当气-液分离管用于气-液分离单元41时，它不是必须放置混合罐4的内部，而是也可以放在混合罐4的外面。例如，气-液分离单元41可以安装在收集管线L5中(参见图16)。应当指出以预定的流体积从高浓缩燃料罐2向混合罐4中供应等于在发电单元7中消耗的甲醇和水的通量的原始燃料或者高浓缩燃料。

分别由传感器42和43测量混合罐4中的混合物燃料的浓度和体积，并且将测量数据送到控制单元10。控制单元10基于测量数据和预定的过程数据操纵燃料循环单元5和空气供应单元6，从而在混合罐4中具有适当的混合物燃料浓度和体积。

接下来，将参考图7-11，说明浓度变化dC/dt和每单位时间混合罐4中混合物燃料的液体体积变化dV/dt以及各个参数之间的关系。

在混合罐4中混合物燃料的初始浓度为2.0M并且液体体积为3.0cc的条件下进行实验。获得下述各种关系数据。

[燃料供应量Qconc^MeOH和dC/dt、dV/dt之间的关系]

图7中的特性曲线C1表示燃料供应量Qconc^MeOH(cc/hr)和每单位时间的浓度变化dC/dt(M/min)之间的关系。此外，特性曲线V1表示燃料供应量Qconc^MeOH和每单位时间的液体体积变化dV/dt(cc/min)之间的关系。Qconc^MeOH是从燃料供应单元3向混合罐4中供应的原始燃料或高浓缩燃料的流体积。在此，在燃料循环单元5、空气供应单元6、功率调节单元8和发电单元7处于恒温下的条件下进行操作。

当操纵燃料供应单元3改变燃料供应量Qconc^MeOH时，如果燃料供应量Qconc^MeOH增加，如图7所示，每单位时间的浓度变化dC/dt和每单位时间的液体体积变化dV/dt(cc/min)增加(特性曲线C1、V1)。因此，如果作为由浓度传感器42和液体体积传感器43检测混合物燃料浓度和体积的结果，混合物燃料的浓度和体积都已经降低，燃料供应量Qconc^MeOH增加。相反，如果混合物燃料的浓度和体积都已经增加，燃料供应量Qconc^MeOH降低。如果如此操纵燃料供应单元3，可以将混合罐4中的混合物燃料的浓度和体积控制在适当的范围内。

[空气供应量Qc^空气和dC/dt、dV/dt之间的关系]

图8中的特性曲线C2表示空气供应量Qc^空气(cc/min)和每单位时间的浓度变化dC/dt之间的关系。此外，特性曲线V2表示空气供应量Qc^空气和每单位时间的液体体积变化dV/dt之间的关系。Qc^空气是从空气供应单元6向发电单元7的阴极供应的空气量。在此，在燃料供应单元3、燃料循环单元5、功率调节单元8和发电单元7处于恒温下的条件下进行操作。

当操纵空气供应单元6改变供应给发电单元7的空气的量Qc^空气时，如图8所示，每单位时间的浓度变化dC/dt变化很小(特性曲线C2)，但是每单位时间的液体体积变化dV/dt变化很大(特性曲线V2)。因此，当液体体积传感器43已经检测到混合罐4中混合物燃料的体积在操作期间已经降低时，控制单元10操纵空气供应单元6降低空气供应量Qc^空气。相反，当液体体积传感器43已经检测到混合罐4中混合物燃料的体积增加时，空气供应量Qc^空气增加。当液体体积传感器43已经检测到混合罐4中混合物燃料的体积变得正常时，空气供应量Qc空气返回至稳定操作的流体积。如果如此操纵空气供应单元6，可以将混合罐4中的混合物燃料的体积控制在适当的范围内。

此外，当空气供应量Qc^空气改变时，与液体体积的变化相反，浓度几乎不变，从而可以构建检测混合物燃料的体积，从而控制液体体积而不控制混合物燃料浓度的系统。

[燃料供应量Qa^MeOH和dC/dt、dV/dt之间的关系]

图9中的特性曲线C3表示燃料供应量Qa^MeOH(cc/min)和每单位时间的浓度变化dC/dt之间的关系。此外，特性曲线V3表示燃料供应量Qa^MeOH和每单位时间的液体体积变化dV/dt之间的关系。Qa^MeOH是从燃料循环单元5向发电单元7的阳极中供应的混合物燃料的量。

在此，在燃料供应单元3、空气供应单元6、功率调节单元8和发电单元7处于恒温下的条件下进行操作。

当操纵燃料循环单元5改变燃料供应量Qa^MeOH时，如果燃料供应量Qa^MeOH增加，如图9所示，每单位时间的浓度变化dC/dt和每单位时间的液体体积变化dV/dt都降低(特性曲线C3、V3)。因此，如果作为由浓度传感器42和液体体积传感器43检测混合物燃料浓度和体积的结果，混合物燃料的浓度和体积都已经降低，燃料供应量Qa^MeOH降低。相反，如果混合物燃料的浓度和体积都已经增加，燃料供应量Qa^MeOH增加。如果如此操纵燃料循环单元5，可以将混合罐4中的混合物燃料的浓度和体积控制在适当的范围内。

[负载电流I和dC/dt、dV/dt之间的关系]

图10中的特性曲线C4表示负载电流I和每单位时间的浓度变化dC/dt之间的关系。此外，特性曲线V4表示负载电流I和每单位时间的液体体积变化dV/dt之间的关系。负载电流I是通过操纵功率调节单元8从发电单元7流出到负载9的电流值。在此，在燃料供应单元3、燃料循环单元5、空气供应单元6和发电单元7处于恒温下的条件下进行操作。

如果通过操纵功率调节单元8从发电单元7取出的负载电流I从恒定的值(1.8A)增加，如图10所示，dC/dt和dV/dt都降低(特性曲线C4、V4)。因此，如果作为由浓度传感器42和液体体积传感器43检测混合物燃料浓度和体积的结果，混合物燃料的浓度和体积都已经降低，负载电流I降低。相反，如果混合物燃料的浓度和体积都已经增加，负载电流I增加。如果如此操纵功率调节单元8，可以将混合罐4中的混合物燃料的浓度和体积控制在适当的范围内。

比较改变负载电流I时dC/dt和dV/dt的变化率与改变燃料供应量Qconc^MeOH、空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I时dC/dt和dV/dt的变化率。结果，dC/dt的变化率高于dV/dt。因此，功率调节单元8的操纵使得可以构建检测混合物燃料的浓度以控制该浓度而不控制混合物燃料体积的系统。

[发电单元的温度T和dC/dt、dV/dt之间的关系]

图11中的特性曲线C5表示发电单元温度T(℃)和每单位时间的浓度变化dC/dt之间的关系。此外，特性曲线V5表示温度T和每单位时间的液体体积变化dV/dt之间的关系。温度T是当由风扇71空气冷却发电单元7时由温度传感器72测量的发电单元7的温度。在此，在风扇之外的操作单元(燃料供应单元3、燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8)处于恒定值的条件下进行操作。

当操纵风扇71改变温度T时，如果温度T上升，如图11所示，dC/dt和dV/dt都降低(特性曲线C5、V5)。因此，如果作为由浓度传感器42和液体体积传感器43检测混合物燃料浓度和体积的结果，混合物燃料的浓度和体积都已经降低，温度T下降。相反，如果混合物燃料的浓度和体积都已经增加，温度T上升。如果如此操纵风扇71，可以将混合罐4中的混合物燃料的浓度和体积控制在适当的范围内。

在上面的实施方案中，已经描述了操纵燃料供应单元3、空气供应单元6、燃料循环单元5、功率调节单元8和风扇71之一来控制混合物燃料浓度和体积的方法。相反，也可以使用操纵燃料供应单元3、燃料循环单元5、功率调节单元8和风扇71的组合的可选方法。在这种可选方法中，举例来说当以相反方式增加/降低所述浓度和液体体积时，结合这些操作单元以允许更宽的控制域。

[由空气供应单元和燃料循环单元控制混合物燃料的浓度和体积]

接下来，将参考图12的流程图说明在上述燃料电池系统1中操纵空气供应单元6和燃料循环单元5来控制混合罐4中的混合物燃料的浓度和体积的方法。

在本发明系统1中，在发电单元7的操作期间，包括检测混合罐4中的混合物燃料浓度的步骤以及检测混合物燃料的体积的步骤。按照下面的方式在控制单元10中处理所检测的信息。

图13中表示了控制单元10的示意性结构。控制单元10包括具有各种过程数据的控制数据库30以及从各种检测信号S1、S2和S3及过程数据判定操作条件并且向各个操作单元(燃料循环单元5、空气供应单元6等)提供操纵命令信号的处理单元20。

如图13所示，控制数据库30存储包括燃料供应量Qa^MeOH和空气供应量Qc^空气与α，β相关的关系数据的表格作为过程数据。此外，因为α也随着发电单元温度T和/或负载电流I变化，所以控制数据库30也存储参数T、I值与α的补充值相关的关系数据。另外，除了上述关系数据外，控制数据库30还存储关于从操纵燃料循环单元5和空气供应单元6来改变α，β的时间响应的数据。

控制单元10使用控制数据库30中的过程数据来计算要送到燃料循环单元5和空气供应单元6的输出信号，并且基于该计算值向燃料循环单元5和空气供应单元6输出操纵命令信号。

将混合物燃料的浓度检测信号S1和液体体积(液位)检测信号S2送到处理单元20。处理单元20从信号S1和S2判断混合物燃料浓度和体积的状态。判断混合物燃料浓度和体积的状态的方法包括使用对于各个参数的阈值判断可接受性的方法，或者以固定的时间间隔进行取样以测量混合罐4中的混合物燃料浓度和体积，并且从浓度和体积的变化进行判断的方法。

下面的示意图用于控制单元10从控制数据库30中读取数据并且通过处理单元20向燃料循环单元5和空气供应单元6发送操纵命令信号的过程。

开始，获得在混合物燃料的浓度和体积的适当范围内的区域中的上限值或下限值与检测信号S1和S2之间的差值，另外，获得ΔC(M)和ΔV(cc)。然后，基于下面的等式(5)和(6)改变发电单元中甲醇和水的消耗。

$C=\frac{(1+\mathrm{\&beta;})}{(1+\mathrm{\&beta;})*\frac{32}{0.79}+(1+6\mathrm{\&alpha;})*18}---\left(5\right)$

$V=\frac{(1+\mathrm{\&beta;})}{6F}I*\frac{32}{0.79}+\frac{(1+6\mathrm{\&alpha;})}{6F}*18I---\left(6\right)$

为了控制混合物燃料的浓度和体积，如下面的等式(7)中所需添加加权因子a₁、b₁，从而同时考虑浓度和体积进行控制。

f＝a₁(D₁-D₀)+b₁(L₁-L₀)    (7)

注意D₀：额定操作期间发电单元中消耗的混合物燃料的浓度(M)

D₁：控制操作期间发电单元中消耗的混合物燃料的浓度(M)

L₀：额定操作期间发电单元中混合物燃料的消耗速度(cc/s)

L₁：控制操作期间发电单元中混合物燃料的消耗速度(cc/s)

a₁：浓度的加权因子

b₁：消耗速度的加权因子

混合物燃料的浓度D₀和消耗速度L₀是在额定操作期间主要从α，β判定的值，并且事先提供给本发明控制系统1的控制单元10。

举例来说，当混合罐4中的燃料浓度变化ΔC是正值时，控制单元10基于上面的等式(5)和(7)从控制数据库30中的关系数据选择参数α，β。所得的α，β将发电单元7中消耗的混合物燃料的浓度从浓度D₀改变成浓度D₁(D₀＜D₁)。当选择参数α，β时，主要从关系数据判定空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH的值。处理单元20基于Qc^空气和Qa^MeOH的值进行操作，并且分别向空气供应单元6和燃料循环单元5输出操纵命令信号S4和S5。这样，本发明系统1在控制下操作，并且发电单元7中消耗的混合物燃料的浓度从浓度D₀改变成浓度D₁。

此外，举例来说当液体体积变化ΔV是正值时，控制单元10基于上面的等式(6)和(7)从控制数据库30中的关系数据选择参数α，β。所选择的α，β将发电单元中混合物燃料的消耗速度从消耗速度L₀改变成消耗速度L₁(L₀＜L₁)。当选择参数α，β时，主要从关系数据判定空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH的值。处理单元20基于Qc^空气和Qa^MeOH的值进行操作，并且分别向空气供应单元6和燃料循环单元5输出信号S4和S5。这样，本发明系统1在控制下操作，并且发电单元7中混合物燃料的消耗速度从额定操作期间的消耗速度L₀改变成控制操作期间的消耗速度L₁。

控制燃料循环单元5的方法包括改变送液泵的频率和转数的方法，以及例如在燃料循环单元5中提供节流阀(孔板)，并且在孔板前和后提供压降以控制流体积的方法。当在空气供应单元6中提供空气泵时，改变泵的频率和转数。当在空气供应单元6中提供风扇时，改变风扇的转数。当在空气供应单元6中提供节流阀(孔板)时，可以在空气供应单元6的入口和出口处提供节流阀以改变压降。

如图12所示，首先由浓度传感器42检测混合物燃料的浓度，并且处理单元20判断混合物燃料的浓度是否在预定的范围内。在本实施方案中，预定的范围是1.5M-2.5M，该范围是发电单元7的输出可以保持一定水平或者更大的区域。液体体积传感器43检测混合物燃料的体积V，并且处理单元20基于所检测的液体体积V判断混合物燃料的体积是否在预定的范围内。当混合物燃料的体积在预定的范围内时，混合物燃料的浓度和体积都在预定的范围内，因而维持当前的空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH(K1→K2→K3→K4→K5→K6)。

接下来，当混合物燃料的浓度在预定的范围内时，由液体体积传感器43检测混合物燃料的体积。当已经判断该检测的液体体积不在预定的范围内时，判断混合物燃料的体积是否可控(K1→K2→K3→K4→K5→K7)。此处，至于混合物燃料的体积是否可控，预设预定的上限值和下限值，并且当它位于从上限值至下限值的范围内时判断检测的液体体积是可控的，而当它位于该范围外时判断检测的液体体积是不可控的。当已经判断检测的液体体积是不可控的时，终止处理(K7→K15)。

当已经判断检测的液体体积是可控的时，控制单元10选择参数α，β并且决定将作为所选参数α，β的空气供应量Qc^空气的值和燃料供应量Qa^MeOH的值，然后基于这些值，分别向空气供应单元6和燃料循环单元5输出信号S4和S5。这就抑制了混合物燃料从浓度D₀(额定操作期间)到浓度D₁(控制操作期间)的变化(绝对值|D₁-D₀|降低)，并且增加了混合物燃料从消耗速度L₀(额定操作期间)到消耗速度L₁(控制操作期间)的变化(绝对值|L₁-L₀|增加)。

在从操纵命令信号S4和S5的输出已经过去了预定的时间ΔT后，如果混合物燃料的体积在预定的目标范围内，使空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH为额定操作期间的值，并且基于这些值，分别向燃料循环单元5和空气供应单元6输出信号S4和S5(K7→K12→K13→K14→K2→K3→K4→K5→K6)。此外，当甚至在已经过去预定的时间ΔT后混合物燃料的体积也不在预定的范围内时，重复控制回路直至该体积落在预定的范围内。但是，即使重复控制回路N次，混合物燃料的体积也不落在预定的范围内，终止控制回路的处理(K7→K12→K13→K14→K2→K3→K4→K5→K7→K12→K15)。

当混合物燃料的浓度不在预定的范围内时，然后检测混合物燃料的体积，并且处理单元20判断混合物燃料的体积是否在预定的范围内。然后，当混合物燃料的体积在预定的范围内时，混合物燃料的浓度异常，从而判断混合物燃料的浓度是否是可控的(K1→K2→K3→K8→K9→K10)。此处，当混合物燃料的浓度在可控的范围内时，混合物燃料的浓度在发电单元7可以发电的混合物燃料浓度的区域(预定上限值和下限值之间的区域)中。在本实施方案中，判断从下限值1.0M至上限值3.0M的范围是可控的。另一方面，当混合物燃料的浓度位于该范围外时，判断是不可控的。当已经判断它是不可控的时，终止操作(K10-K15)。

当已经判断所述浓度是不可控的时，控制单元10选择增加混合物燃料从浓度D₀到浓度D₁的变化并且抑制混合物燃料从消耗速度L₀到消耗速度L₁的变化的参数α，β，并且判定将是所选参数α，β的空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH的值，然后基于这些值，分别向空气供应单元6和燃料循环单元5输出操纵命令信号S4和S5。此外，当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后混合物燃料的浓度在预定的范围内时，使空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH为额定操作期间的值，并且基于这些值，向燃料循环单元5和空气供应单元6输出操纵信号(K10→K12→K13→K14→K2→K3→K4→K5→K6)。此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后混合物燃料的浓度也不落在预定的范围内时，重复控制回路。但是，即使重复控制回路N次，混合物燃料的浓度也不落在预定的范围内，终止控制回路的处理(K10→K12→K13→K14→K2→K3→K8→K9→K10→K12→K15)。

当处理单元20已经判断混合物燃料的浓度不在预定的范围内，并且其体积也不在预定的范围内时，它移动到控制混合物燃料浓度和体积的程序。此外，判断混合物燃料的浓度和体积是否是可控的(K1→K2→K3→K8→K9→K11)。此处，当混合物燃料的浓度在可控的范围内时，混合物燃料的浓度在发电单元7可以发电的混合物燃料浓度的区域(预定上限值和下限值之间的区域)中。在本实施方案中，判断从下限值1.0M至上限值3.0M的范围是可控的。另一方面，当混合物燃料的浓度位于该范围外时，判断是不可控的。当已经判断它是不可控的时，终止操作(K11-K15)。

当已经判断浓度是可控的时，控制单元10添加从浓度D₀到浓度D₁变化的加权因子a₁以判定混合物燃料的浓度D₁，并且添加从消耗速度L₀到消耗速度L₁变化的加权因子b₁以判定混合物燃料的消耗速度L₁。然后，控制单元10选择与上面相应的参数α，β，并且判定将是所选α，β的空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH的值，然后基于这些值，向空气供应单元6和燃料循环单元5输出操纵命令信号。此外，当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的体积和浓度在预定的范围内时，使空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH为额定操作期间的值，并且基于这些值，向燃料循环单元5和空气供应单元6输出操纵信号(K11→K12→K13→K14→K2→K3→K4→K5→K6)。此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的浓度和体积也不落在预定的范围内时，重复控制回路。但是，即使重复控制回路N次，混合物燃料的浓度和体积也不落在预定的范围内时，终止控制回路的处理(K11→K12→K13→K14→K2→K3→K8→K9→K11→K12→K15)。

与已经以上面的方法实现了的根据本发明的燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法相关，如果单独看控制单元10的控制内容，控制燃料循环单元5改变燃料供应量Qa^MeOH，从而改变甲醇和水的渗透量(图4)，因而可以控制发电单元7中消耗的混合物燃料的浓度和体积(图9)。

此外，控制空气供应单元6改变空气供应量Qc^空气，从而改变甲醇和水的渗透量(图3)，因而可以控制发电单元7中消耗的混合物燃料的体积(图8)。

[第二实施方案]

接下来，将说明本发明的第二实施方案。

在第二实施方案中，控制燃料循环单元5或空气供应单元6以调节混合物燃料的浓度和体积，并且控制功率调节单元8以改变负载电流I。

当控制功率调节单元8时，如图10所示，每单位时间的浓度变化dC/dt可能远大于每单位时间的液体体积变化dV/dt。另一方面，当控制空气供应单元6时，如图8所示，与每单位时间的液体体积变化dV/dt相比，每单位时间的浓度变化dC/dt是非常小的。因此，当控制燃料循环单元5和空气供应单元6时，在功率调节单元8中控制负载电流I。

应当指出用于控制负载电流I的功率调节单元8的条件是下面的(1)和(2)。

(1)已经判断不考虑负载电流I，通过控制燃料供应量Qa^MeOH和空气供应量Qc^空气不能将混合物燃料的浓度C和液体体积V控制在预定范围内的情况。

(2)在上面的条件(1)下ΔC和ΔV已经降低或增加的情况。

在图1所示的燃料电池系统1中，功率调节单元8与控制单元10连接来控制从发电单元7流出并供给负载9的负载电流I。即，控制单元10通过向功率调节单元8输出操纵信号S8可以控制负载电流I。关于负载电流I的控制范围，为了防止阳极侧短缺燃料并且防止电极的极性反转，将在有发电所需的燃料供应量Qa^MeOH的区域中的电流设置为最大负载电流值I^max(A)，从而在负载电流I以下的区域中得出满足下面的等式(8)的变化。

$I^{\max }\left(A\right)<Q_a^{\mathrm{MeOH}}\frac{6\mathrm{FC}}{1000}---\left(8\right)$

注意燃料供应量Qa^MeOH是供应到阳极的混合物燃料的燃料供应量(cc/min)，F是法拉弟常数，并且C是混合物燃料的浓度(M)。从高浓缩燃料罐2向混合罐4供应的燃料量在与第一实施方案中的条件下相同的流体积中是不变的。

图14中显示了本实施方案的控制流程图。开始，使用浓度传感器42检测混合物燃料的浓度并且处理单元20判断混合物燃料的浓度是否在预定的范围内。在本实施方案中，预定的范围是1.5M-2.5M，该范围是发电单元7的输出可以保持一定水平或者更大的区域。此处，当混合物燃料的浓度在预定的范围内时，使用液体体积传感器43检测混合物燃料的体积，因而判断是否可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积(K202→K204→K205)。此时，至于混合物燃料的体积是否是可控的，预设预定的上限值和下限值，并且当其低于上限值或者高于下限值时可以判断所述体积是可控的，而当其高于上限值或者低于下限值时可以判断所述体积是不可控的。

当已经判断用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH可以控制混合物燃料的体积时，可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积，因而移动到由空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制，例如图12中所示的控制(K205→K203)。另一方面，当已经判断混合物燃料的体积是不可控的时，然后判断是否可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制体积。此处，至于混合物燃料的体积是否是可控的，预设预定的上限值和下限值，并且当其在从上限值至下限值的范围内时判断检测的液体体积是可控的，而当其在该范围外时判断检测的液体体积是不可控的。当已经判断检测的液体体积是不可控的时，终止处理(K205→K206→K217)。

当已经判断检测的液体体积是可控的时，当前的判断包括如下情况：混合物燃料的浓度是正常的并且用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH不能控制混合物燃料的体积，但是可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制混合物燃料的体积，从而移向控制空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I的步骤K215(K206→K214→K215)。控制燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8的操纵变量以调节Qc^空气、Qa^MeOH和负载电流I，并且实施步骤K215→K216→K202→K204→K205→K206→K214的控制回路操作。然后，当即使实施操纵燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8的控制回路操作一定次数或者更多次，混合物燃料的体积也不会变得正常时，脱离控制回路，终止处理(K214→K217；时间限制)。

具体地说，当已经判断混合物燃料的浓度C是合适的，并且不能用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH的操纵控制混合物燃料的体积V，但是可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I的操纵控制混合物燃料的体积时，控制单元10从控制数据库30中的关系数据选择参数α，β。至于所选的α，β，浓度D₁(控制操作期间)和浓度D₀(额定操作期间)之间的差变窄(绝对值|D₁-D₀|降低)，并且消耗速度L₁(控制操作期间)和消耗速度L₀(额定操作期间)之间的差加宽(绝对值|L₁-L₀|增加)，从而发电单元7中消耗的混合物燃料的浓度落在从1.5 M-2.5M的范围内。

控制单元10从所选择的α，β判定空气供应量Qc^空气的值、燃料供应量Qa^MeOH的值和负载电流I的值，并且基于这些值，向空气供应单元6、燃料循环单元5和功率调节单元8输出操纵命令信号S5、S4和S8。当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的体积V在预定的范围内时，向空气供应单元6、燃料循环单元5和功率调节单元8输出操纵信号S5、S4和S8，将空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I的值返回至额定操作期间的值(K203→K1→K2→K3→K4→K5→K6)。此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的体积也不落在预定的范围内时，重复回路，直至该体积落在预定的范围内。但是，即使重复回路N次，混合物燃料的体积也不落在预定的范围内时，终止控制回路的处理(K206→K214→K217)。

另外，当已经判断混合物燃料的浓度是正常的，并且可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积时，控制单元10操纵燃料循环单元5和空气供应单元6，因此实施如图12所示的控制回路操作，控制浓度C和体积V(K203)。当已经判断混合物燃料的浓度是正常的，并且不能用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制，但是可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制混合物燃料的体积时，控制单元10再次操纵燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8，控制所述体积V同时保持浓度C在适当的范围内。

此外，当混合物燃料的浓度不在预定的范围内时，然后检测混合物燃料的体积，并且处理单元20判断混合物燃料的体积是否在预定的范围内。当混合物燃料的体积在预定的范围内时，判断所述体积是否可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制(K202→K208→K209→K210)。

在本实施方案中，当混合物燃料的浓度在下限值1.0M以上且上限值3.0M以下的范围内时，可以判断其是可控的，而当其在该范围外时，可以判断浓度是不可控的。当可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积时，它可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制，从而移向由空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制，例如图12所示的控制(K203)。

另一方面，当已经判断混合物燃料的体积是不可控的时，然后判断该体积是否可用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制(K210→K211)。此处，至于混合物燃料的体积是否是可控的，预设预定的上限值和下限值，并且当其在低于上限值且高于下限值的范围内时可以判断该体积是可控的，而当其在该范围外时可以判断体积是不可控的。当已经判断体积是不可控的时，终止处理(K211→K217)。

当已经判断体积是可控的时，当前的判断包括如下情况：混合物燃料的浓度不在预定的范围内，并且不能用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积V，但是可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制混合物燃料的所述体积V，从而移向控制空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I的步骤K215(K211→K214→K215)。控制燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8的操纵变量以调节Qc^空气、Qa^MeOH和负载电流I，并且实施步骤K215→K216→K202→K208→K209→K210→K211→K214的控制回路操作。然后，当即使实施操纵燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8的控制回路操作一定次数或者更多次，混合物燃料的体积也不会变得正常时，脱离控制回路，终止处理(K214→K217；时间限制)。

具体地说，当已经判断混合物燃料的浓度C不在预定的范围内，并且不能用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积V，但是可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制混合物燃料的体积V时，控制单元10像第一实施方案中一样选择α，β。通过使用所选的α、β，控制单元10增加发电单元7中消耗的混合物燃料从浓度D₀到浓度D₁变化，从而使混合物燃料的浓度C落在从1.5M-2.5M的预定范围内，并且抑制混合物燃料从消耗速度L₀到消耗速度L₁的变化。即，判定将是所选的α，β的空气供应量Qc^空气的值、燃料供应量Qa^MeOH的值和负载电流I的值，并且基于这些值，向空气供应单元6、燃料循环单元5和功率调节单元8输出操纵命令信号S5、S4和S8。

当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的浓度C在预定的范围内时，控制单元10向空气供应单元6、燃料循环单元5和功率调节单元8输出操纵信号S5、S4和S8，将空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I返回至额定操作期间的值(K203→K1→K2→K3→K4→K5→K6)。此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的浓度C也不落在预定的范围内时，重复回路，直至该浓度C落在预定的范围内。但是，即使重复回路N次，混合物燃料的浓度C也不落在预定的范围内，终止回路(K211→K214→K217)。

另外，当已经判断混合物燃料的浓度是正常的，并且可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积时，控制单元10操纵燃料循环单元5和空气供应单元6，因此实施如图12所示的控制回路操作，控制浓度C和体积V(K203)。当已经判断混合物燃料的浓度是正常的，并且不能用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积，但是可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制混合物燃料的体积时，控制单元10再次操纵燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8，控制浓度C同时保持体积V在适当的范围内。

当处理单元20已经判断混合物燃料的浓度不在预定的范围内，并且其体积也不在预定的范围内时，判断它们是否可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制(K204→K208→K209→K212)。

在本实施方案中，当混合物燃料的浓度在下限值1.0M以上且上限值3.0M以下的范围内时，可以判断其是可控的，而当其在该范围外时，可以判断浓度是不可控的。当判断为可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积时，它可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制，从而移向由空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制，例如图12所示的控制(K212→K203)。

另一方面，当已经判断混合物燃料的体积是不可控的时，然后判断该体积是否可用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I的操纵控制(K212→K213)。此处，至于混合物燃料的体积是否是可控的，预设预定的上限值和下限值，并且当该体积在从上限值至下限值的范围内时可以判断其是可控的，而当其在该范围外时可以判断体积是不可控的。当已经判断体积是不可控的时，终止处理(K213K217)。

当已经判断体积是可控的时，进行向控制空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I的步骤K215的转变(K213→K214→K215)。控制燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8的操纵变量以调节Qc^空气、Qa^MeOH和负载电流I，并且实施步骤K214→K215→K216→K202→K208→K209→K212→K213→K214的控制回路操作。然后，当即使实施操纵燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8的控制回路操作一定次数或者更多次，混合物燃料的体积也不会变得正常时，脱离控制回路，终止处理(K214→K217；时间限制)。

具体地说，当已经判断混合物燃料的浓度和体积都不在预定的范围内，并且不能用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^meOH控制混合物燃料的体积，但是它可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制时，向发电单元7中消耗的混合物燃料从浓度D₀到浓度D₁的变化以及发电单元7中混合物燃料从消耗速度L₀到消耗速度L₁的变化添加加权因子a₁、b₁，从而判定混合物燃料的浓度D₁和混合物燃料的消耗速度L₁。

控制单元10选择与D₁和L₁相应的α，β，并且判定将是所选参数α，β的空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I的值，然后基于这些值，向空气供应单元6、燃料循环单元5和功率调节单元8输出操纵命令信号S5、S4和S8。当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的体积V和浓度C都在预定的目标范围内时，控制单元10向空气供应单元6、燃料循环单元5和功率调节单元8输出操纵信号S5、S4和S8，使空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH的值返回至额定操作期间的值(K214→K215→K2 16→K202→K204→K205→K203)。

此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的浓度C和体积V也不落在预定的范围内时，重复控制回路，直至它们都落在预定的范围内。但是，当即使重复回路N次，混合物燃料的浓度C和体积V也都不落在预定的范围内时，终止回路(K212→K213→K214→K215→K216→K202→K208→K209→K212→K213→K214→K217)。

另外，当已经判断混合物燃料的浓度是正常的，并且可以用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积时，控制单元10操纵燃料循环单元5和空气供应单元6，因此实施如图12所示的控制回路操作，控制浓度C和体积V(K203)。当已经判断混合物燃料的浓度是正常的，并且不能用空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH控制混合物燃料的体积，但是可以用空气供应量Qc^空气、燃料供应量Qa^MeOH和负载电流I控制混合物燃料的体积时，控制单元10再次操纵燃料循环单元5、空气供应单元6和功率调节单元8，控制体积V和浓度C。

根据本实施方案，不仅将Qc^空气和Qa^MeOH而且将负载电流I添加为控制目标，进一步扩大了浓度和体积的控制域。

[第三实施方案]

接下来，将说明本发明的第三实施方案。

在第三实施方案中，控制燃料循环单元5或空气供应单元6以调节混合物燃料的浓度C和体积V，并且控制高浓缩燃料供应单元3以改变燃料供应量Qconc^MeOH。

在调节混合物燃料的浓度过程中，当混合物燃料的浓度低于预定浓度(例如1.5M)时，控制燃料循环单元5以调节燃料供应量Qa^MeOH，并且不向发电单元7阳极侧上的催化剂层供应足以发电的甲醇，从而发电单元7的发电电压趋向于降低。另一方面，当混合物燃料的浓度高于预定浓度(例如2.5M)时，向发电单元7阳极侧上的催化剂层供应了对于发电过量的甲醇，从而β增加并且发电单元7的发电电压趋向于降低。另外，如果混合物燃料的浓度变得再更高，可能显著缩短发电单元7的寿命。浓度值根据发电单元7中使用的催化剂的种类和电极的结构改变。因此，当控制燃料循环单元5和空气供应单元6时，由燃料供应单元3控制燃料供应量Qconc^MeOH。

应当指出用于控制燃料供应量Qconc^MeOH的条件是下面的(a)和(b)。

(a)混合物燃料的浓度低于预定浓度，并且混合罐中的混合物燃料的体积处于可以增加原始燃料或高浓缩燃料供应量的程度的情况。

(b)混合物燃料的浓度高于预定浓度，并且混合罐中的混合物燃料的体积处于可以停止供应或者降低原始燃料或高浓缩燃料供应量的程度的情况。

图15中显示了本实施方案的控制流程图。开始，使用浓度传感器42检测混合物燃料的浓度，并且处理单元20判断混合物燃料的浓度是否在预定的范围内。在本实施方案中，预定的范围是1.5M-2.5M，该范围是发电单元7的输出可以保持一定水平或者更大的区域。此处，当混合物燃料的浓度在预定的范围内时，使用液体体积传感器43检测混合物燃料的体积，并且处理单元20因此判断是否混合物燃料的体积V是否在预定的范围内。当体积V在预定的范围内时，像第一实施方案一样混合物燃料的浓度和体积都在预定的范围内，从而维持当前的空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH(K301→K302→K303→K304→K305→K306)。

在混合物燃料的浓度在预定的范围内的情况中，如果作为检测混合物燃料的体积的结果已经判断混合物燃料的体积不在预定的范围内，像第一实施方案一样判断混合物燃料的体积是否是可控的(K301→K302→K303→K304→K305→K307)。当判断体积是不可控的时，终止处理(K307→K316)。

当判断体积是可控的时，像上述第一实施方案一样，控制单元10选择α，β，并且从所选的α，β判定空气供应量Qc^空气的值和燃料供应量Qa^MeOH的值，然后基于这些值，分别向空气供应单元6和燃料循环单元5输出操纵命令信号S5和S4。

当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的体积在预定的范围内时，控制单元10分别向燃料循环单元5和空气供应单元6输出操纵信号S5和S4，将空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH返回至额定操作期间的值(K307→K312→K313→K314→K302→K303→K304→K305→K306)。

此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的体积V也不落在预定的范围内时，重复控制回路，直至体积V落在预定的范围内。当即使重复回路N次，混合物燃料的体积也不落在预定的范围内时，终止回路(K307→K312→K313→K314→K302→K303→K304→K305→K307→K312→K316)。

当混合物燃料的浓度不在预定的范围内时，控制单元10检测混合物燃料的体积，并且判断混合物燃料的体积是否在预定的范围内。当混合物燃料的体积在预定的范围内时，控制单元10判断混合物燃料的浓度是否可控(K301→K302→K303→K308→K309→K310)。

当判断浓度是可控的时，像上述第一实施方案一样，控制单元10选择α，β，并且从所选的α，β判定空气供应量Qc^空气的值和燃料供应量Qa^MeOH的值，然后分别向空气供应单元6和燃料循环单元5输出操纵命令信号S5和S4。然后，当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的浓度在预定的范围内时，控制单元10分别向燃料循环单元5和空气供应单元6输出操纵信号S4和S5，将空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH返回至额定操作期间的值(K310→K312→K313→K314→K302→K303→K304→K305→K306)。

此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的浓度C也不落在预定的范围内时，重复控制回路，直至浓度C落在预定的范围内。当即使重复回路N次混合物燃料的浓度C也不落在预定的范围内时，终止回路(K310→K312→K313→K314→K302→K303→K308→K309→K310→K312→K316)。

另外，当已经判断浓度是不可控的时，向燃料供应单元3输出操纵命令信号(K315)。具体地说，当步骤K302中检测的混合物燃料的浓度C低于预定的范围，例如低于下限值1.0M时，向燃料供应单元3输出增加燃料供应量Qconc^MeOH的操纵命令信号。此外，当步骤K302中检测的浓度C高于预定的范围，例如高于上限值3.0M时，向燃料供应单元3输出降低燃料供应量Qconc^MeOH的操纵命令信号。在向燃料供应单元3输出了操纵命令信号后，再次判断混合物燃料的浓度C(K315→K302→K303)。

当处理单元20已经判断混合物燃料的浓度C不在预定的范围内并且体积V也不在预定的范围内时，判断混合物燃料的浓度C和体积V是否是可控的(K301→K302→K303→K308→K309→K311)。

当已经判断它们是可控的时，控制单元10添加对发电单元7中消耗的混合物燃料从浓度D₀到浓度D₁的变化以及发电单元7中混合物燃料从消耗速度L₀到消耗速度L₁的变化添加加权因子a₁、b₁，从而判定混合物燃料的浓度D₁和混合物燃料的消耗速度L₁。此外，控制单元10选择与D₁和L₁相应的参数α，β，并且判定将是所选参数α，β的空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH的值，然后向燃料循环单元5和空气供应单元6输出操纵信号S5和S4。当从操纵命令信号的输出已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的体积和浓度都在预定的范围内时，控制单元分别向燃料循环单元5和空气供应单元6输出操纵信号S5和S4，使空气供应量Qc^空气和燃料供应量Qa^MeOH返回至额定操作期间的值(K311→K312→K313→K314→K302→K303→K304→K305→K306)。

此外，当甚至在已经过去了预定的时间ΔT后，混合物燃料的浓度和体积也不落在预定的范围内时，重复控制回路，直至它们都落在预定的范围内。当即使重复回路N次，混合物燃料的浓度C和体积V也不落在预定的范围内时，终止回路(K311→K312→K313→K314→K302→K303→K308→K309→K311→K312→K316)。

另外，当已经判断它们是不可控的时，处理单元20控制燃料供应量Qconc^MeOH，从而判断混合物燃料的体积V是否是可控的(K311→K317)。此处，至于混合物燃料的体积是否是可控的，预设预定的上限值和下限值，并且当该体积在低于上限值且高于下限值的范围内时可以判断其是可控的，而当其在该范围外时可以判断体积是不可控的。所述预定的上限值和下限值是与步骤K307和步骤K311中可控性的判断标准不同的值，但是是判断燃料供应量Qconc^MeOH的控制是否允许控制体积的预定范围。

当已经判断通过控制燃料供应量Qconc^MeOH可以控制混合物燃料的体积时，向燃料供应单元3输出操纵命令信号(K315)。具体地说，当步骤K302中检测的混合物燃料的浓度低于预定的范围，例如低于下限值1.0 M时，向燃料供应单元3输出增加燃料供应量Qconc^MeOH的操纵命令信号。此外，当步骤K302中检测的混合物燃料浓度高于预定的范围，例如高于上限值3.0M时，向燃料供应单元3输出降低燃料供应量Qconc^MeOH的操纵命令信号。在向燃料供应单元输出了操纵命令信号后，再次判断混合物燃料的浓度(K315→K302→K303)。

当已经判断通过控制燃料供应量Qconc^MeOH不能控制混合物燃料的浓度时，终止处理(K317→K316)。

根据本实施方案，不仅将Qc^空气和Qa^MeOH而且将Qconc^MeOH添加为控制目标，进一步扩大了浓度和体积的控制域。

[第四实施方案]

在本实施方案中，将说明主要使用自然力(例如毛细力)来运载流体的被动燃料电池系统1A。本实施方案的被动燃料电池系统1A与第一至第三实施方案中所示的燃料电池系统1不同，因为它不一定需要操纵变量是可控的燃料供应单元3和空气供应单元6。

如图16所示，燃料电池系统1A包括发电单元7、高浓缩燃料罐2、混合罐4、功率调节单元8、气-液分离单元41、空气冷却扇71和加热器73至少之一、温度传感器72和控制单元10A。

整个燃料电池系统1A全部由控制单元10A控制。控制单元10A通过信号线与发电单元7和辅助设备连接，并且在控制单元10A、发电单元7和辅助设备之间发射/接收各种信号。例如，浓度传感器42检测混合罐4中混合物燃料(例如甲醇溶液)的浓度，并且向控制单元10A发送浓度检测信号S1。温度传感器72检测发电单元7的温度，并且向控制单元10A发送温度检测信号S3。

如图17所示，控制单元10A基于检测信号S1和S3以及控制数据库30A中的过程数据获得各种控制变量，并且基于所得的控制变量和处理单元20的各个参数值获得各个操纵变量，因而向风扇71、功率调节单元8和加热器73中任何一个或者两个或者多个输出操纵命令信号S7、S8和S9。例如，如果从控制单元10A向功率调节单元8输出操纵信号S8，调节施加给负载9的负载电流I至所需的值。应当指出控制数据库30A作为过程数据存储了使电池温度T和负载电流I与α、β相关的表格，如图17所示。

与混合罐4相邻地提供发电单元7，并且将其MEA的阳极布置成使得混合罐4中的混合物燃料可以与阳极接触。另外，将其阴极布置在允许向其供应燃料电池系统1A外面的空气并且允许副产物水排出系统外的位置上。

此外，发电单元7具有风扇71和加热器73至少之一、以及温度传感器72。风扇71和加热器73用作发电单元7的温度调节装置。风扇71向发电单元7吹冷空气，并且冷却发电单元7。加热器73通过未显示的电源供电抵抗并且产生热量，并且加热发电单元7。温度传感器72检测发电单元7的温度，并且向控制单元10A发送温度检测信号S3。另外，风扇71向MEA的阴极供应空气，并且用作排出副产物的装置。

对于向阳极供应的混合物燃料，使用液体。下文中，假定以甲醇溶液作为混合物燃料的一个实例。高浓缩燃料罐2储存原始燃料(例如纯度为99.9％或以上的甲醇溶液)或者包括少量水的高浓缩燃料(例如浓度为10M或者更大的甲醇和水的混合溶液)。可以从未显示的供应口给高浓缩燃料罐2供应燃料。

混合罐4借助管线L1与高浓缩燃料罐2互通。在混合罐4中，来自高浓缩燃料罐2的原始燃料或者高浓缩燃料与从发电单元7的阳极返回的混合溶液混合。混合罐4具有用混合物燃料填料混合罐4内部的机构。因此，如果将高浓缩燃料罐2安装在混合罐4的顶部，提供了如下结构：当混合罐4中的液体体积已经降低时，通过重力从高浓缩燃料罐2供应原始燃料或高浓缩燃料。应当指出混合罐4包含初始浓度从1.5M-2.5M(摩尔/升)的稀甲醇溶液，并且通过来自高浓缩燃料罐2的水位差或者气压从混合罐4向发电单元7供应混合物燃料。

与发电单元7挂接气-液分离单元41。气-液分离单元41具有气-液分离膜，从混合溶液中分离二氧化碳气体。气-液分离单元41提供在发电单元7的顶部，并且使用重力通过气-液分离单元41排出二氧化碳。

混合罐4包括浓度传感器42作为用来检测混合物燃料浓度的装置。浓度传感器42安装在混合罐4内部的适当位置上。但是，浓度传感器42在本发明系统中是任选的组件。这是因为燃料的浓度也可以由代替浓度传感器(硬件)的软件来检测。即，控制单元10A可以具有从发电单元7的输出和关于温度的信息估计燃料浓度的计算机程序。应当指出举例来说超声波型或者近红外多波长轻型浓度传感器可以用于浓度传感器42。

在发电单元7和负载9之间提供功率调节单元8，从而从发电单元7中平稳地将输出带给负载9。功率调节单元8中的电路与控制单元10的输出侧连接，从而控制施加给负载9的负载电流I。应当指出发电单元7中产生的电力借助引线81输出到功率调节单元8。

因为本实施方案的燃料电池系统1A具有不一定需要燃料循环单元5和空气供应单元6的结构，所以可以简化燃料电池系统1A，但是不一定能够操纵燃料循环单元5和空气供应单元6改变α，β并且控制混合物燃料的浓度，这在第一实施方案中所示的燃料电池系统1中是可以的。另外，因为该结构也不一定需要燃料供应单元3，所以它也不一定能够操纵燃料供应单元3控制混合物燃料的浓度。

在这种情况下，使用发电单元7和功率调节单元8的温度T作为操纵变量来控制供应给阳极的混合物燃料的浓度。为了操纵发电单元7的温度T，调节风扇71的转数来控制冷却发电单元7的程度，或者调节供应给加热器73的能量来控制加热发电单元7的程度，同时由温度传感器72(例如热电偶)监控发电单元7的温度。

浓度传感器42从图10和11中的结果检测混合物燃料的浓度，并且当控制单元10A已经判断出混合物燃料的检测浓度是高的时，操纵功率调节单元8，增加从发电单元7中取出的负载电流I。此时，实施增加风扇71的转数的操作或者降低供应给加热器73的能量的操作。就此而言，优选降低发电单元7的温度T以抑制混合罐4中混合物燃料量的降低。如果增加负载电流I以降低混合罐4中混合物燃料的体积，与该降低相应的原始燃料或者高浓缩燃料从高浓缩燃料罐2流向混合罐4，从而通过降低温度T可以抑制原始燃料或者高浓缩燃料的消耗量。

相反，当控制单元10A已经判断出混合物燃料的检测浓度是低的时，操纵功率调节单元8，降低从发电单元7中取出的负载电流I。此时，实施降低风扇71的转数的操作或者增加供应给加热器73的能量的操作。就此而言，优选升高发电单元7的温度T以抑制混合罐4中混合物燃料量的增加。如果降低负载电流I以增加混合罐4中混合物燃料的浓度，响应上述增加，降低原始燃料或者高浓缩燃料从高浓缩燃料罐2向混合罐4的流入，那么通过升高温度T可以抑制混合罐4中混合物燃料浓度的降低。

因此，当控制单元已经根据其状态判断出混合物燃料的浓度和体积之一或者两者是异常的时，基于发电单元温度T、负载电流I和α，β的相关性，操纵发电单元温度T或负载电流I或者两者，从而允许控制混合物燃料的浓度。

除了上述实施方案外，燃料循环单元、燃料供应单元、空气供应单元、功率调节单元(负载电流)和温度调节装置(发电单元温度)的五个操纵变量可以进行各种组合，从而控制混合物燃料的浓度和体积。

根据本发明的实施方案，不需要单独提供储水罐和集水通道来调节混合物燃料的浓度和体积，得到降低了设备尺寸的更简单的结构。

其它优点和修改对于本领域技术人员将是容易发生的。因此，本发明在其广义方面不局限于在本文中显示并说明的具体细节和代表性的实施方案。因此，可以做出各种修改而不会背离如附加权利要求及其等价物所定义的本发明一般性概念的精神和范围。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，包括：

发电单元，包括阳极、阴极和在所述阳极和阴极之间提供的电解质膜；

燃料罐，储存原始燃料或高浓缩燃料；

阳极收集通道，与阳极互通并收集阳极流出物；

混合罐，借助阳极收集通道与发电单元互通并还与燃料罐互通，并且混合所述流出物与原始燃料或高浓缩燃料，从而产生混合物燃料；

燃料循环单元，被提供在混合罐和发电单元之间并且从混合罐中向发电单元的阳极供应混合物燃料，而且通过阳极收集通道使流出物循环到混合罐中；

燃料供应单元，从燃料罐向混合罐供应原始燃料或者高浓缩燃料；

空气供应单元，向发电单元的阴极供应空气；

功率调节单元，调节供应给负载的电流；

温度调节装置，调节发电单元温度；

检测装置，用于检测混合物燃料浓度和混合罐中液体体积至少之一；以及

控制单元，基于检测装置的检测结果，控制燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元、空气供应单元和温度调节装置中至少之一。

2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中

所述控制单元具有：控制数据库，其存储表示关于燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元、空气供应单元和温度调节装置中至少之一的操纵参数与混合物燃料浓度和混合罐中液体体积至少之一之间关系的关系数据；以及数据处理单元，其基于检测结果和关系数据获得操纵变量并且将与该操纵变量相应的信号发送给燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元、空气供应单元和温度调节装置中至少之一。

3.一种燃料电池系统，包括：

发电单元，包括阳极、阴极和在所述阳极和阴极之间提供的电解质膜；

燃料罐，储存原始燃料或高浓缩燃料；

混合罐，使其中的混合物燃料与阳极接触并且与燃料罐互通并混合阳极流出物与原始燃料或高浓缩燃料，从而产生混合物燃料；

功率调节单元，调节供应给负载的电流；

温度调节装置，调节发电单元温度；

检测装置，检测混合物燃料浓度；以及

控制单元，基于检测装置的检测结果，控制功率调节单元和温度调节装置。

4.根据权利要求3的燃料电池系统，其中

所述控制单元具有：控制数据库，其存储表示关于功率调节单元和温度调节装置的操纵参数之间关系的关系数据；以及数据处理单元，其基于检测结果和关系数据获得操纵变量并且将与该操纵变量相应的信号发送给功率调节单元和温度调节装置。

5.一种控制配备了发电单元、燃料罐、阳极收集通道、混合罐、燃料循环单元、燃料供应单元、空气供应单元、功率调节单元、温度调节装置、检测装置和控制单元的燃料电池系统的方法，所述方法包括：

在发电期间通过检测装置检测供应给发电单元阳极的混合物燃料的浓度和体积至少之一；及

基于所述检测结果，通过控制单元控制燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元、空气供应单元和温度调节装置中至少之一，并且控制混合物燃料的浓度和体积至少之一。

6.根据权利要求5的方法，其中当控制单元已经判断出使用空气供应单元和燃料循环单元可以控制混合物燃料的浓度和体积至少之一时，控制单元操纵空气供应单元和燃料循环单元。

7.根据权利要求5的方法，其中当控制单元已经判断出使用空气供应单元和燃料循环单元不能控制混合物燃料的浓度和体积至少之一时，除了空气供应单元和燃料循环单元外，控制单元还操纵功率调节单元。

8.根据权利要求5的方法，其中当控制单元已经判断出使用空气供应单元和燃料循环单元不能控制混合物燃料的浓度和体积至少之一时，除了空气供应单元和燃料循环单元外，控制单元还操纵燃料供应单元。

9.根据权利要求5的方法，其中控制单元操纵燃料循环单元，从而使供应给阳极的混合物燃料的体积满足下面的表达式：

$\frac{I}{6F}\frac{1000}{C}<Q_a^{\mathrm{MeOH}}<\frac{I}{6F}\frac{6000}{C}$

或者控制单元操纵空气供应单元，从而使供应给阴极的空气的流体积满足下面的表达式：

或者控制单元操纵燃料循环单元和空气供应单元两者，满足所述两个关系表达式。

10.根据权利要求7的方法，其中控制单元操纵功率调节单元，满足下面的表达式：

$I^{\max }\left(A\right)<Q_a^{\mathrm{MeOH}}\frac{6\mathrm{FC}}{1000}$

其中Qa^MeOH是供应到阳极的混合物燃料的燃料供应量(cc/s)，F是法拉弟常数，C是混合物燃料的浓度(M)，并且I^max(A)是从发电单元中取出的最大负载电流之值。

11.根据权利要求5的方法，其中所述燃料电池系统还包括提供来检测发电单元温度的温度检测装置，

其中

控制单元基于温度检测装置的温度检测结果操纵燃料循环单元、燃料供应单元、功率调节单元和温度调节装置至少之一，以控制供应给阳极的混合物燃料的浓度和体积至少之一。

12.一种控制配备了发电单元、燃料罐、阳极收集通道、混合罐、燃料循环单元、燃料供应单元、空气供应单元、功率调节单元、温度调节装置、检测装置和控制单元的燃料电池系统的方法，所述方法包括：

在发电期间通过检测装置检测混合物燃料的浓度和发电单元的温度至少之一；及

基于所述检测结果，通过控制单元控制功率调节单元和温度调节装置中至少之一，并且控制混合物燃料的浓度。

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