CN1996655A - 直接甲醇燃料电池系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种直接甲醇燃料电池系统，包括：燃料电池主体，包括至少一个具有电解质膜的膜电极组件、以及位于电解质膜的相对侧上的阳极和阴极；燃料供应单元，用于为混合槽供给高浓度燃料；混合槽，用于混合和存储从燃料供应单元供给的燃料和从燃料电池主体排出的输出流；燃料进给器，用于将存储在混合槽中的混合燃料供给到燃料电池主体；和控制器，用于响应于停止请求信号控制燃料供应单元停止工作，并且控制燃料进给器工作来使混合燃料循环流过燃料电池主体的阳极，直到混合燃料的燃料浓度小于或等于参考浓度为止。

Description

直接甲醇燃料电池系统及其操作方法
相关申请交叉引用
本申请要求于2006年1月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2006-0001417的优先权，其全部内容通过引用并入这里。
技术领域
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池系统及其操作方法。更具体地，本发明涉及能够使得燃料电池主体中剩余的燃料的浓度具有参考浓度或以下的直接甲醇燃料电池系统。
背景技术
聚合电解质膜燃料电池(PEMFC)包括栈(stack)、转化器(reformer)、燃料槽(fuel tank)和燃料泵(fuel pump)。在PEMFC中，通过燃料泵的操作，将燃料槽中的燃料提供给转化器。转化器将燃料转化生成氢气。栈使转化器提供的氢气与氧相互进行电化学反应，以生成电能。
直接甲醇燃料电池(DMFC)与PEMFC类似，但DMFC可以向其栈直接提供液体甲醇燃料。由于DMFC不需要使用PEMFC中所使用的转化器，因此DMFC的尺寸可以较小。
DMFC具有膜电极组件，后者包括聚合电极膜、以及附着到聚合电极膜相对侧的阳和阴电极。此外，DMFC可以包括用于形成栈的分离器。在DMFC栈中，堆积了几十到几百个其中产生电化学反应的膜电极组件，并且相反端面板被连接栓、气压等压紧，以减少组成部分之间的接触电阻。
DMFC系统包括用于支持和控制DMFC栈操作的设备。该设备通常包括辅助部件(设备平衡：BOP)。设备平衡可以包括：用于提供燃料和氧化剂的反应源；用于控制该系统的控制器；功率转换器；温度调节器；湿度调节器；传感器；监视设备等。
此外，DMFC系统包括：电力存储设备，它包括电池、超级电容器等以及用于控制其充电和放电的控制器中的至少一个；和依靠电能工作的各种电设备。电设备包括送风机、泵、压缩机、调节器、传感器、动力阀、电子设备、电子电路等。这些电设备在从DMFC系统接收电力之前，通过从商业电源或电力存储设备接收电力来工作。
然而，DMFC的问题在于，催化剂可能会被当阳极中剩余的未反应的燃料通过电解质膜移动到阴极、并且在阴极催化剂层与氧气反应时所产生的一氧化碳(CO)中毒(poison)，这是因为当燃料电池系统停止工作时，具有诸如主动型(active type)栈、半被动型电池组之类的结构的燃料电池主体中仍剩余有燃料。此外，阳极中剩余的燃料包括由阳极中的反应所产生的二氧化碳，从而二氧化碳可能对膜电极组件有不利影响。近来广泛使用的多数聚合电解质膜在甲醇中浸泡时大大膨胀。因此，在DMFC系统停止工作、而作为燃料提供的甲醇残留在燃料电池主体中的情况下，电解质膜受到损坏。此外，当DMFC系统在这种状态下重新启动时，系统的性能大大降低，并且燃料电池的寿命显著缩短。为了防止膜电极组件被腐蚀和损坏，常规的技术是排出或用尽燃料电池主体中残留的甲醇燃料。
例如，当DMFC系统停止工作时，它停止向栈供应诸如甲醇之类的液体燃料；向栈供应氧化剂预定时间段；以及在用尽剩余的燃料之后，停止供应氧化剂。然而，常规的驱动方法只能在甲醇的摩尔浓度范围在1mol到6mol的时候执行。因此，在常规的驱动方法中，膜电极组件仍然容易被栈中剩余的燃料腐蚀或损坏。
因此，在工作和停止工作(“停止”)之间循环的常规的DMFC系统中，随着DMFC系统停止的频率增加，栈的性能降低，如图1所示。
发明内容
一种直接甲醇燃料电池系统，包括：燃料电池主体，包括至少一个具有电解质膜的膜电极组件、以及位于电解质膜的相对侧上的阳极和阴极；燃料供应单元，用于为混合槽供给高浓度燃料；混合槽，用于混合和/或存储从燃料供应单元供给的燃料和从燃料电池主体排出的输出流；燃料进给器，用于将存储在混合槽中的混合燃料供给到燃料电池主体；和控制器，用于响应于停止请求信号控制燃料供应单元停止工作，并且控制燃料进给器工作来使混合燃料循环流过燃料电池主体的阳极，直到混合燃料的燃料浓度小于或等于参考浓度为止。
混合燃料可以是甲醇溶液，并且参考浓度的范围可以从0到0.3mol。一个实施例还包括浓度传感器，用于检测混合燃料的燃料浓度。还可以包括定时器，设定所述定时器使之工作使混合燃料的燃料浓度降低到小于或等于参考浓度所需的时间，当该定时器停止工作时，该定时器停止燃料进给器。该定时器可以响应于停止请求信号工作。
另一实施例还包括软开关型停止按钮，用于生成停止请求信号，其中，控制器适应于从软开关型停止按钮接收停止请求信号，并且响应于该停止请求信号，控制燃料供应单元停止工作。所述软开关型停止按钮可以连接到外部负载。
所述至少一个膜电极组件可以是多个膜电极组件，并且燃料电池主体可以包括分离器，用于串行电连接所述多个膜电极组件以及限定允许流体流动的沟道。
另一实施例包括氧化剂供应单元，用于向燃料电池主体供给氧化剂。控制器控制氧化剂供应单元在燃料进给器停止工作之时或者之后停止工作。燃料进给器可以采用与阴极接触的空气作为氧化剂。
电力存储设备可以电连接到燃料电池主体、燃料供应单元、燃料进给器和控制器。控制器可以控制电力存储设备来用燃料电池主体中产生的电力对其充电。
开关单元可以将外部负载与燃料电池主体电断开，并且将电力存储设备与燃料电池主体电连接。
一种操作类似于上述的直接甲醇燃料电池系统的方法，包括：接收用于停止该直接甲醇燃料电池系统的停止请求信号；以及响应于停止请求信号，控制燃料供应单元停止工作，并且控制燃料进给器工作来使混合燃料循环流过燃料电池主体的阳极，直到混合燃料的燃料浓度小于或等于参考浓度为止。混合燃料可以是甲醇溶液，并且参考浓度的范围可以从0到0.3mol。该方法还可以包括检测混合燃料的燃料浓度，以及让定时器工作使混合燃料的燃料浓度降低到小于或等于参考浓度所需的时间，并且当该定时器停止工作时，停止燃料进给器。所述让该定时器工作的步骤可以包括：响应于停止请求信号让定时器工作。所述接收停止请求信号的步骤可以包括：接收由软开关型停止按钮产生的信号，该软开关型停止按钮连接到直接甲醇燃料电池系统或外部负载。还可以控制电力存储设备来用燃料电池主体中产生的电力对其充电，并且可以在燃料进给器停止工作之时或者之后停止氧化剂供应单元工作，该氧化剂供应单元用于向燃料电池主体供给氧化剂。
附图说明
附图与说明书一起示出本发明的示例性实施例，并且与描述一起，用来说明本发明的原理。
图1是示出当常规直接甲醇燃料电池系统工作在工作和停止之间的循环中时常规直接甲醇燃料电池系统的性能下降的图。
图2是根据本发明第一实施例的直接甲醇燃料电池系统的框图。
图3是示出根据本发明第一实施例的直接甲醇燃料电池系统的工作的流程图。
图4是示出根据本发明第一实施例的直接甲醇燃料电池系统的性能变化的图。
图5是根据本发明第二实施例的直接甲醇燃料电池系统的框图。
图6是示出根据本发明第二实施例的直接甲醇燃料电池系统的工作的流程图。
图7是根据本发明第一和第二实施例的直接甲醇燃料电池系统中采用的燃料电池主体的一个实施例的示意图。
图8是根据本发明第三实施例的直接甲醇燃料电池系统的框图。
图9是根据本发明第三实施例的直接甲醇燃料电池系统中采用的燃料电池主体的一个实施例的示意图。
图10A是根据本发明实施例的直接甲醇燃料电池系统中采用的浓度传感器的透视图。
图10B是示出图10A的浓度传感器随着摩尔浓度和温度的膨胀系数的图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例的方式示出和描述本发明的特定示例性实施例。本领域技术人员将认识到，可以以各种方式修改所述的示例性实施例，而不背离本发明的宗旨或范围。因此，附图和描述应当认为本质上是说明性的，而非限制性的。
参照图2，根据本发明第一实施例的DMFC系统100包括：燃料电池主体110、混合槽120、燃料供应单元130、燃料进给器140、氧化剂供应单元150和控制器160。
燃料电池主体110使供给阳极110a的燃料与供给阴极110a的氧化剂进行电化学反应，从而产生电力和热。燃料电池主体110包括离子交换膜(未示出)，用于将阳极110a与阴极110b电隔离，并且有选择地将燃料的质子从阳极110a输送到阴极110b。此外，燃料电池主体110包括：阳极入口，用于将燃料引入阳极110a；阳极出口，用于将反应产物(如未反应的燃料、二氧化碳等)从阳极110a排出；阴极入口，用于将氧化剂引入阴极110b；和阴极出口，用于将反应产物(如未反应的氧化剂、水等)从阴极110b排出。
混合槽120将混合燃料供应到燃料电池主体110的阳极110a。此外，混合槽120存储从燃料供应单元130接收的高浓度燃料，并且存储由通过燃料电池主体110的阳极出口和阴极出口排出的液体恢复的未反应燃料和水。在本实施例中，混合槽120连接到热交换器121，用于截取从燃料电池主体110排出的液体的热能。混合槽120具有排出孔，用于排出该液体的无用气体。混合槽120可以包括具有各种公知形状和结构的再循环单元。
因为燃料电池主体110中使用的离子交换膜将预定量的提供给阳极110a的燃料输送到阴极110b，所以混合燃料具有在考虑由于阴极中的燃料氧化而导致的性能损失的情况下适当地减少通过离子交换膜的燃料量的浓度。典型地，混合燃料(例如，甲醇溶液)的浓度范围从0.5mol到6mol。
燃料供应单元130向混合槽120供应高浓度燃料。燃料供应单元130包括用于存储燃料的装置和用于控制供应到混合槽120的燃料量的装置。用于存储燃料的装置可以用燃料槽来实现，而用于控制燃料量的装置可以用泵、压缩机或动力阀来实现。高浓度燃料包括具有6mol或更高浓度的甲醇溶液或纯甲醇。
燃料进给器140向燃料电池主体110的阳极110a供应存储在混合槽120中的混合燃料。燃料进给器140控制将要供应的混合燃料的量。此外，当系统停止工作时，燃料进给器140使混合燃料循环流过阳极110a。这里，燃料进给器140可以用泵或压缩机实现。
氧化剂供应单元150向燃料电池主体110的阴极110b提供氧化剂。在一个实施例中，氧化剂包括例如包含氧的空气、纯氧等材料，其适当减少阴极110b中的氢，但不产生对人体或环境有害的物质。这里，氧化剂供应单元150可以用空气泵或送风机实现。
当控制器160接收到用于停止该系统的停止请求信号时，控制器160控制燃料供应单元130的工作，来停止向混合槽120供应高浓度燃料，并且控制氧化剂供应单元150的工作，来向燃料电池主体110供应预定量的氧化剂。然后，控制器160控制燃料进给器140的工作，来使混合槽120中存储的混合燃料循环流过燃料电池主体110的阳极110a。在这种情况下，控制器160通过浓度传感器162检测混合燃料的浓度，并且控制燃料进给器140的工作，直到供应到阳极110a的混合燃料具有参考浓度，例如，在甲醇溶液的情况下为0.3mol及以下。这里，控制器160可以用使用触发器的简单逻辑电路、或者用于系统控制的高性能微处理器的部分功能单元来实现。
将混合燃料的浓度限制到参考浓度(在甲醇溶液的情况下为0.3mol)及以下，可以避免不利的影响，例如燃料电池主体中金属催化剂的活性降低、以及对电解质膜的损害等。此外，缩短了停止系统工作所需的时间，并且在剩余燃料具有0.3mol及以下的浓度的情况下，稍微缩短了重新启动系统所需的时间。
现在将参照图3描述上述DMFC系统的操作方法，其中流程图示出根据本发明第一实施例的直接甲醇燃料电池系统的工作。
参照图3，DMFC系统的控制器接收用于停止该系统的停止请求信号(S10)。然后，控制器停止燃料供应单元(S20)。此外，控制器控制燃料进给器来使混合槽中存储的混合燃料循环流过燃料电池主体的阳极(S14)。
然后，控制器通过浓度传感器检测混合燃料的浓度(S16)。此外，控制器确定所检测的浓度是否为0.3mol或以下(S18)。当所检测的浓度不小于或等于0.3mol时，控制器以预定间隔重复地检测混合燃料的浓度，并且确定所检测的浓度是否小于或等于0.3mol。在处于所检测的浓度不小于或等于0.3mol的状态中经过预定时间的情况下，控制器可以给出系统警告。
另一方面，当所检测的浓度小于或等于0.3mol时，控制器控制燃料进给器停止工作(S20)。此外，控制器控制氧化剂供应单元来停止工作(S22)。
图4是示出根据本发明第一实施例的直接甲醇燃料电池系统的性能变化的图。将工作与停止之间的循环重复大约500次。随着工作与停止之间的循环被重复，根据对比示例的DMFC栈的输出电压相对快速地从大约7.6V降低到4.6V。与对比示例相比，随着工作与停止之间的循环被重复，根据本发明的DMFC栈的输出电压相对平缓地从大约7.6V降低到7.0V。
因此，在根据本发明这个实施例的DMFC系统及其工作方法中，当系统停止工作时阳极中剩余的燃料浓度简单地降低到期望浓度，从而不仅在停止系统的同时防止了电极催化剂的活性降低和对电解质膜的损害，而且当重新启动该系统时不降低系统的性能水平。
图5是根据本发明第二实施例的直接甲醇燃料电池系统的框图。DMFC系统100a包括燃料电池主体110、混合槽120a、燃料供应单元130a、燃料进给器140、氧化剂供应单元150、控制器160、停止按钮164、定时器166、开关单元168和电力存储设备170。
第二实施例的DMFC系统100a基本上与第一实施例相同。根据第二实施例的DMFC系统100a使混合燃料内部循环足够时间，而不必使用单独的浓度传感器来检测混合燃料的浓度，从而将混合燃料的浓度降低到参考浓度或以下。
为了供参考，在下面的详细描述中，第一和第二实施例之间相同的附图标记指代相同的元件，并且将避免重复的描述。
混合槽120a存储从燃料电池主体110排出、并且由热交换器121以及第一和第二截取器(trap)122和124分离/回收的未反应的燃料和水。此外，通过燃料泵134的工作，混合槽120a接收存储在燃料槽132中的高浓度燃料。
热交换器121可以用各种公知的装置实现，只要它可以截取从燃料电池主体110排出的液体的热能。例如，热交换器121可以用风扇或冷却器实现，用来降低诸如水蒸气之类的液体流过的管道的温度，从而将水蒸气转化成水。
第一截取器122从阴极出口排出的阴极排出流中的混合液体燃料或水中，提取诸如空气之类的无用气体成分。第二截取器124从阳极出口排出的阳极排出流中的未反应燃料和水中，提取诸如二氧化碳之类的无用气体成分。
控制器160a接收当按下停止按钮164时所产生的信号，并且识别出接收的信号作为停止请求信号，从而基于预设的停止例程执行一系列处理。控制器160a停止燃料供应单元130a，以阻止高浓度燃料供应到混合槽120a。此外，控制器160a控制定时器166工作。此外，控制器160a控制开关单元168来用燃料单元主体110中产生的电力对电力存储设备170充电。
停止按钮164自动或手动操作，并且产生用于停止DMFC系统的信号。在将要停止的DMFC系统中提供停止按钮164，或者在使用DMFC系统的电力的外部负载或应用中提供停止按钮164。为了执行停止例程，停止按钮164可以作为软开关类型提供，它不完全停止DMFC系统，而是产生预定信号以便由控制器160a识别。
设定定时器166工作足够的时间以便当DMFC系统停止工作时将从混合槽120a循环流过燃料电池主体110的阳极110a的混合燃料的浓度降低到参考浓度。此外，当系统停止工作时，使用定时器166来停止燃料进给器140的工作。这里，定时器166可以用响应于来自停止按钮164或控制器160a的停止请求信号而工作的各种公知的定时器实现。此外，定时器166可以用基于来自用作控制器160a的部分功能单元的微处理器芯片的时钟计数延迟时间的定时器实现。
当系统停止工作时，开关单元168响应于来自控制器160a的控制信号，将燃料电池主体110与电力存储设备170电连接，使得用燃料电池主体110所产生的电力对电力存储设备170充电。此外，当电力存储设备170中充电的电量较小时，开关单元168将燃料电池主体110与外部负载电断开，从而燃料电池主体110所产生的全部电力被充入电力存储设备170中。控制器160a防止电力存储设备170过度充电。在蓄电池(secondary battery)的情况下，控制器160a可以控制蓄电池充电到100％充电状态(SOC)。此外，控制器160a控制通过诸如燃料泵之类的辅助部件(设备平衡)来有效地消耗在充电电力存储设备170之后剩余的电力。
电力存储设备170包括可充电电池、可充电的超级电容器等。在系统工作时，电力存储设备170向诸如燃料供应单元130a、燃料进给器140、氧化剂150、控制器160a之类的设备平衡供电。此外，电力存储设备170电连接到燃料电池主体110，并且当系统停止工作时用燃料电池主体110中产生的电能充电。
控制器160a基于定时器166计数的时间，控制燃料供应单元130停止工作，控制燃料进给器140工作预定时间，并且控制氧化剂供应单元150工作预定时间。在这种情况下，定时器166可以具有开关接触点，或者可以连接到与开关单元168分离的另一开关单元，从而当定时器166改变到ON状态时燃料供应单元130停止工作，而当定时器166改变到OFF状态时燃料进给器140和氧化剂供应单元150停止工作。
图6是示出根据本发明第二实施例的直接甲醇燃料电池系统的操作的流程图。DMFC系统的控制器接收用于停止该系统的停止请求信号(S30)。然后，控制器控制定时器开始工作(S32)。此外，控制器停止燃料供应单元(S34)。此外，控制器控制燃料进给器来使混合槽中存储的混合燃料循环流过燃料电池主体的阳极(S36)。
然后，控制器电断开外部负载与燃料电池主体(S38)。然后，控制器将电力存储设备与燃料电池主体电连接，并且当系统停止工作时用燃料电池主体中产生的电能对电力存储设备充电(S40)。
当定时器在经过预设时间之后停止计数时间时，燃料进给器停止工作(S42)。此外，控制器控制氧化剂供应单元停止工作(S44)。
在第二实施例中，当DMFC系统停止工作时，基于定时器让混合燃料循环流过阳极预定时间。因此，不仅防止了在停止DMFC系统时金属催化剂的活性降低以及对电解质膜的损害，而且当系统重新启动时所需的电能被有效地存储在电力存储设备中。
图7是根据本发明第一和第二实施例的直接甲醇燃料电池系统中采用的燃料电池主体的示意图。燃料电池主体110包括：多个膜电极组件(MEA)，每个MEA具有电解质膜111以及位于电解质膜111相对侧的阳极和阴极；和串行连接多个MEA并且分别向阳极和阴极提供燃料和氧化剂的分离器。此外，燃料电池主体110包括：位于电解质膜111与分离器之间的垫片114；向MEA的叠层式结构和分离器施加预定连接压力的一对端面板116；和连接这对端面板116的连接装置117。
MEA引起燃料的氧化反应和氧化剂的还原反应，从而产生电能。阳极包括：催化剂层112a，用于通过氧化反应将燃料转化成电子和氢离子；和扩散层112b，用于顺利地输送燃料、二氧化碳和电子。阴极包括：催化剂层113a，用于促进从阳极输送的氢离子与氧化剂的反应；和扩散层113b，用于顺利地移动空气以及排出产生的水。这里，电解质膜111包括具有50-200μm厚度的固体聚合电解质，并且具有离子交换功能，将阳极的催化剂层112a中产生的氢离子输送到阴极的催化剂层113a。此外，阳极和阴极的扩散层112b和113b可以覆上多微孔层112c和113c，以便将燃料或氧化剂非常顺利地供应到催化剂层112a和113a。
电解质膜111最好包括从包含下列聚合物的组中选择的一种或多种氢离子导电聚合物：全氟化盐聚合物、苯并咪唑聚合物、聚酰亚胺聚合物、聚醚酰亚胺聚合物、聚苯硫醚聚合物、聚砜聚合物、聚醚砜聚合物、聚醚酮聚合物、聚醚-酮醚聚合物和聚苯喹恶啉聚合物。最好，电解质膜111包括从包含下列聚合物的组中选择的一种或多种氢离子导电聚合物：聚(全氟酸)、聚(全氟羧基酸)、氟乙烯醚与四氟乙烯的共聚物，包括砜酸、脱氟化盐硫化聚酮醚、芳基酮、聚(2，2’-(m-亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑)和聚(2，5-苯并咪唑)。
催化剂层112a、113a的一个实施例包括从诸如下列过渡金属的组中选择的一种或多种金属催化剂，如铂、钌、锇、铂钌合金、铂锇合金、铂钯合金和铂-M合金(其中，M包括Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)或者其化合物。此外，催化剂层112a、113a可以包括从包含下列金属催化剂的组选择的一种或多种金属催化剂：载体(support)上沉积的铂、钌、锇、铂钌合金、铂锇合金、铂钯合金和铂-M合金(其中，M包括从包含Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn的组中选择的一种或多种过渡金属)。这里，载体可以包括任何材料，只要它是导电的。在一个实施例中，载体包括碳。
扩散层112b、113b用于均匀地扩散燃料、水和空气；收集产生的电力；以及保护催化剂层112a、113a不被液体损耗。扩散层112a、113b可以用碳材料实现，如碳布、碳纸等。
多微孔层112c、113c的一些实施例包括从包含下列材料的组中选择的一种或多种碳材料：石墨、碳纳米管(CNT)、球壳状碳分子(C60)、活性碳、弗尔肯(Vulcan)、ketjen black、碳黑和碳纳米角(nano-horn)。此外，多微孔层112c、113c可以包括从包含聚(全氟酸)、聚(四氟乙烯)、氟化乙烯丙烯的组选择的一个或多个粘合剂。
分离器不仅用作电串联相邻膜电极组件的导电体，还用作膜电极组件的氧化和还原反应所需的燃料和氧化剂分别供应到阳极和阴极的通道。此外，分离器包括：阳极单板115a、阴极单板115b、和至少一个双极板115，在该双极板中阳极单板115a和阴极单板115b相连。
垫片114、端面板116和连接装置117用于密封地连接膜电极组件的叠层式结构和分离器，并且它们可以具有各种公知材料、形状和结构。
图8是根据本发明第三实施例的直接甲醇燃料电池系统的框图。DMFC系统200包括：燃料电池主体210、混合槽220、燃料供应单元230、燃料进给器240和控制器250。
与根据第一和第二实施例的DMFC系统相反，根据本发明第三实施例的DMFC系统向燃料电池主体210的阴极210b供应空气或氧化剂，而不使用诸如泵、风扇之类的氧化剂供应单元。
根据本发明第三实施例的燃料电池主体210的阳极210a通过燃料进给器240，从混合槽220接收混合燃料，并且向混合槽220排出稀释的燃料溶液(未反应的燃料和水)。为此，阳极210a的入口和出口连接到混合槽220，并且被配置成当系统停止工作时使来自混合槽220的混合燃料循环流过阳极210a。此外，阴极210b具有便于阴极210b的空气接触、并且顺利地排出阴极210b中产生的水的结构。使用该配置，供应到阳极210a的燃料与引入燃料电池主体210的阴极210b中的氧化剂电化学反应，从而产生电力和热。
燃料供应单元230、燃料进给器240和控制器250基本上与根据第一或第二实施例的相同。
当DMFC系统接收到停止请求信号时，控制器250通过浓度传感器252检测混合燃料的浓度。基于检测的混合燃料的浓度，控制器250控制燃料供应单元230停止工作，以及控制燃料进给器240工作，使得混合燃料循环流过阳极210a预定时间，从而最终使阳极210a中剩余的混合燃料浓度具有参考浓度或以下(例如，在甲醇溶液的情况下为0到0.3mol)。浓度传感器252可以被插入阳极出口附近的歧管(manifold)中。
图9是根据本发明第三实施例的直接甲醇燃料电池系统中采用的燃料电池主体的示意图。燃料电池主体210包括：电解质膜211、具有催化剂层212a和扩散层212b的阳极、具有催化剂层213a和扩散层213b的阴极、阳极收集器(collector)214、阴极收集器215、中间板216、垫片217、端面板218和导线219。此外，燃料电池主体210包括与导线219串联的四个膜电极组件。
中间板216具有：入口和出口，通过它们引入和排出燃料；歧管，用于允许燃料的流动；和用于供应燃料的多个孔。中间板216的相对侧与膜电极组件相邻。每个膜电极组件包括电解质膜211以及位于电解质膜211相对侧上的阳极和阴极。
阳极收集器214位于中间板216与膜电极组件之间，并且由沟道形成，用于导引通过中间板216的孔供应的燃料流体。阴极收集器215位于面对阳极收集器的膜电极组件上，该膜电极组件位于其间。此外，阴极收集器215包括开口215a，阴极213a和213b通过该开口215a暴露。
这对端面板218位于阴极收集器215上，彼此相对，中间是中间板216和膜电极组件。这对端面板218通过提供预定连接压力的连接装置相连。导线219电连接燃料电池主体210外的每个膜电极组件的阳极收集器214和阴极收集器215。
图10A是根据本发明的直接甲醇燃料电池系统中采用的浓度传感器的透视图，而图10B是示出浓度传感器随着摩尔浓度和温度的膨胀系数的图。
参照图10A，根据本发明实施例的浓度传感器252包括衬底252b和附在衬底252b一面上的压力膜252a。压力膜252a的体积随着浓度传感器252所在位置的燃料的摩尔浓度而变化。
浓度传感器252可以包括离子导电聚合树脂或混合树脂，其体积随着燃料(例如甲醇)的浓度而变化。例如，在一个实施例中，用于DMFC系统的浓度传感器252a的压力膜252a包括全氟化离子交换树脂，例如，DuPont的Nafion。
在该实施例中，浓度传感器252的压力膜252a用Nafion-115制造，并且在26℃和46℃的温度下根据甲醇溶液的摩尔浓度，测量其膨胀系数。如图10B所示，制造的浓度传感器252的膨胀系数在相同温度条件下，与摩尔浓度成正比增加。此外，在1mol和3mol的摩尔浓度之间，浓度传感器252的膨胀系数在46℃的情况下比26℃的情况下稍高。
如上所述，根据本发明的上述实施例，当系统停止工作时，燃料电池主体的阳极中剩余的混合燃料的浓度降低到期望浓度或以下，从而防止金属催化剂的活性降低和对电解质膜的损害。此外，当它重新开始工作时，系统的性能不降低，并且系统的可靠性增强，从而增加了燃料电池主体和系统的寿命。
尽管示出和描述了本发明的各种实施例，但本领域技术人员应当理解，在不背离本发明原理和宗旨的前提下，可以对这些实施例进行各种改变，其范围在权利要求书及其等效物中限定。

Claims (22)

1.一种直接甲醇燃料电池系统，包括：
燃料电池主体，包括至少一个具有电解质膜的膜电极组件、以及位于电解质膜的相对侧上的阳极和阴极；
燃料供应单元，用于为混合槽供给高浓度燃料；
混合槽，用于混合和/或存储从燃料供应单元供给的燃料和从燃料电池主体排出的输出流；
燃料进给器，用于将存储在混合槽中的混合燃料供给到燃料电池主体；和
控制器，用于响应于停止请求信号控制燃料供应单元停止工作，并且控制燃料进给器工作来使混合燃料循环流过燃料电池主体的阳极，直到混合燃料的燃料浓度小于或等于参考浓度为止。
2.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，其中，混合燃料是甲醇溶液，并且参考浓度的范围从0到0.3mol。
3.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，还包括浓度传感器，用于检测混合燃料的燃料浓度。
4.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，还包括定时器，它被设为工作使混合燃料的燃料浓度降低到小于或等于参考浓度所需的时间，当该定时器停止工作时，该定时器停止所述燃料进给器。
5.如权利要求4所述的直接甲醇燃料电池系统，其中，该定时器响应于停止请求信号工作。
6.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，还包括软开关型停止按钮，用于生成停止请求信号，其中，控制器适应于从软开关型停止按钮接收停止请求信号，并且响应于该停止请求信号，控制燃料供应单元停止工作。
7.如权利要求6所述的直接甲醇燃料电池系统，其中，所述软开关型停止按钮连接到外部负载。
8.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，其中，所述至少一个膜电极组件是多个膜电极组件，并且其中，燃料电池主体包括分离器，用于串行电连接所述多个膜电极组件以及限定允许流体流动的沟道。
9.如权利要求8所述的直接甲醇燃料电池系统，还包括氧化剂供应单元，用于向燃料电池主体供给氧化剂，
其中，控制器控制所述氧化剂供应单元在燃料进给器停止工作之时或者之后停止工作。
10.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，其中，燃料电池主体采用与阴极接触的空气作为氧化剂。
11.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，还包括电连接到燃料电池主体、燃料供应单元、燃料进给器和控制器的电力存储设备。
12.如权利要求11所述的直接甲醇燃料电池系统，其中，控制器控制电力存储设备来用燃料电池主体中产生的电力对其充电。
13.如权利要求12所述的直接甲醇燃料电池系统，还包括开关单元，它将外部负载与燃料电池主体电断开，并且将电力存储设备与燃料电池主体电连接。
14.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池系统，所述输出流包括未反应的燃料和/或水。
15.一种操作直接甲醇燃料电池系统的方法，该直接甲醇燃料电池系统具有：混合槽，用于存储从燃料供应单元供给的燃料和从燃料电池主体排出的未反应的燃料和水；和燃料进给器，用于将存储在混合槽中的混合燃料供给到燃料电池主体，该方法包括：
接收用于停止该直接甲醇燃料电池系统的停止请求信号；以及
响应于停止请求信号，控制燃料供应单元停止工作，并且控制所述燃料进给器工作来使混合燃料循环流过燃料电池主体的阳极，直到混合燃料的燃料浓度小于或等于参考浓度为止。
16.如权利要求15所述的方法，其中，混合燃料是甲醇溶液，并且参考浓度的范围从0到0.3mol。
17.如权利要求15所述的方法，还包括：检测混合燃料的燃料浓度。
18.如权利要求15所述的方法，还包括：让定时器工作使混合燃料的燃料浓度降低到小于或等于参考浓度所需的时间，并且当该定时器停止工作时，停止燃料进给器。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述让该定时器工作的步骤包括：响应于停止请求信号让定时器工作。
20.如权利要求15所述的方法，其中，所述接收停止请求信号的步骤包括：接收由软开关型停止按钮产生的信号，该软开关型停止按钮连接到直接甲醇燃料电池系统或外部负载。
21.如权利要求15所述的方法，还包括：控制电力存储设备来用燃料电池主体中产生的电力对其充电。
22.如权利要求15所述的方法，还包括：在燃料进给器停止工作之时或者之后停止用于向燃料电池主体供给氧化剂的氧化剂供应单元。
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