DE112012003039T5 - Direktoxidationsbrennstoffzellensystem - Google Patents

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Hiroaki Matsuda
Takashi Akiyama
Isamu Kawata
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Abstract

Es ist ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem offenbart, das folgendes aufweist: eine Direktoxidationsbrennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode hat, eine Luftpumpe zum Liefern von Luft zu der Kathode, eine Flüssigkeitszuführpumpe zum Liefern einer wässrigen Brennstofflösung zu der Anode, und einen Sammeltank zum Sammeln eines von der Anode abgegebenen Anodenfluides. Der Sammeltank hat eine Anodenfluidsammelöffnung, an der das Anodenfluid mit einer Flüssigkeit in dem Sammeltank zusammentrifft. Entweder während des normalen Betriebs oder während eines aufgehobenen Betriebs des Brennstoffzellensystems – oder während beiden Vorgängen – wird das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank so gesteuert, dass es gleich wie oder größer als ein vorbestimmter erster unterer Grenzwert ist. Der erste untere Grenzwert ist derart festgelegt, dass die Anodenfluidsammelöffnung unter dem Pegel der Flüssigkeit in dem Sammeltank positioniert ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Direktoxidationsbrennstoffzellen und insbesondere bezieht sie sich auf den Aufbau einer Brennstoffzelle, die mit einem Sammeltank zum Sammeln eines von der Anode abgegebenen Fluids ausgestattet ist, und auf die Steuerung des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank.
  • Hintergrund des Standes der Technik
  • Da das Leistungsvermögen von mobilen Vorrichtungen, wie beispielsweise Mobiltelefonen, Notebook-Personalcomputern und digitalen Kameras zunimmt, ist erwartet worden, dass Festpolymerbrennstoffzellen, die eine Festpolymerelektrolytmembran nutzen, als Antriebsquellen für derartige Vorrichtungen angewendet werden. Unter den Festpolymerbrennstoffzellen (die nachstehend einfach als „Brennstoffzellen” bezeichnet werden) sind Direktoxidationsbrennstoffzellen, die mit einem flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, das direkt zu der Anode geliefert wird, arbeiten, im Hinblick auf die Größen- und Gewichtsreduktion geeignet und sind als eine Antriebsquelle für mobile Vorrichtungen und einen tragbaren Energieerzeuger entwickelt worden.
  • Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA). Die MEA besteht aus einer Elektrolytmembran, einer Anode (Brennstoffelektrode), die mit einer Oberfläche der Elektrolytmembran verbunden ist, und einer Kathode (Luftelektrode), die mit deren anderer Oberfläche verbunden ist. Die Anode weist eine Anodenkatalysatorlage und eine Anodendiffusionslage auf, und die Kathode weist eine Kathodenkatalysatorlage und eine Kathodendiffusionslage auf. Die MEA ist zwischen einem Paar an Separatoren sandwichartig angeordnet, wobei eine Zelle ausgebildet ist. Der anodenseitige Separator hat einen Brennstoffströmungskanal zum Liefern von Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoffgas oder Methanol zu der Anode. Der kathodenseitige Separator hat einen Oxidationsmittelströmungskanal zum Liefern eines Oxidationsmittels, wie beispielsweise Sauerstoffgas oder Luft zu der Kathode. Zwei oder mehr Zellen sind in Reihe elektrisch gestapelt, womit ein Stapel ausgebildet ist.
  • Von dem Direktoxidationsbrennstoffzellenstapel wird eine Flüssigkeit, die Wasser enthält, während der Energieerzeugung abgegeben. Von der Kathode wird Wasser, das durch die Energieerzeugungsreaktion erzeugt wird, abgegeben, und von der Anode wird überschüssige wässrige Brennstofflösung abgegeben. Der Brennstoff von der Direktoxidationsbrennstoffzelle wird bei der Anode oxidiert, und die Oxidationsreaktion erfordert Wasser. Daher wird der Brennstoff üblicherweise mit Wasser vermischt und zu der Anode als eine wässrige Brennstofflösung geliefert. Deren zu der Anode gelieferte Menge ist üblicherweise größer als die theoretisch erforderliche Menge an Brennstoff, die von dem Erzeugungsstrom berechnet wird, und folglich wird wässrige Brennstofflösung, die nicht reagiert hat, von dem Brennstoffzellenstapel abgegeben.
  • Dass ein derartiges Fluid, so wie es ist, von dem Brennstoffzellensystem abgegeben wird, ist nicht günstig. Im Hinblick darauf ist ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen worden, das mit einem Mechanismus zum Sammeln der Flüssigkeit, die von einem Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, versehen ist. Das System hat einen Wassersammeltank zum Speichern von gesammelter Flüssigkeit, und die Flüssigkeit in dem Wassersammeltank wird behandelt, indem sie beispielsweise verdampft und dissipiert wird, indem sie zu einem Tank für verbrauchten Brennstoff befördert wird, oder indem sie mit Brennstoff vermischt wird und als wässrige Brennstofflösung wiederverwendet wird.
  • In dem Brennstoffzellensystem, in dem die Flüssigkeit in dem Wassersammeltank mit Brennstoff vermischt wird und als eine wässrige Brennstofflösung zu der Anode geliefert wird, wird, da während der Energieerzeugung erzeugtes Wasser rezirkuliert, die Flüssigkeit in dem Wassersammeltank nicht kontinuierlich zunehmen. Außerdem kann, da der Brennstoff mit Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems vermischt wird, die Brennstoffkonzentration in dem Brennstofftank höher festgelegt werden als die Brennstoffkonzentration der zu der Anode gelieferten wässrigen Brennstofflösung. Der Brennstofftank kann in einer kleineren Größe gestaltet sein, und demgemäß können die Größe und das Gewicht des Brennstoffzellensystems verringert werden.
  • Was die Brennstoffzellen anbelangt, so nimmt deren Abgabeleistung allmählich ab, wenn die kumulative Energieerzeugungszeit zunimmt. Es ist erforderlich, dass Brennstoffzellen ihre Abgabeleistung für insgesamt 40000 Stunden oder mehr beibehalten, wenn sie als eine Energiequelle für eine häusliche Anwendung verwendet werden, oder insgesamt 5000 Stunden oder mehr beibehalten, wenn sie als eine Energiequelle für mobile Vorrichtungen oder einen tragbaren Energieerzeuger angewendet werden. Die Verwirklichung von derartigen Lebensdauercharakteristika macht verschiedene Techniken erforderlich.
  • Die Abnahme der Abgabeleistung im Zusammenhang mit der Erhöhung der kumulativen Energieerzeugungszeit wird auf unterschiedliche Ursachen zurückgeführt, wobei eine von ihnen die Verschlechterung der Anodenkatalysatorlage ist. Der Anodenkatalysator ist beispielsweise ein PtRu-Schwarzkatalysator, der Feinpartikel aus einer Legierung aus Platin (Pt) und Ruthenium (Ru) hat, oder ein PtRu/C-Katalysator, der Kohlenstoff(C)-Partikel hat, die PtRu-Legierungsfeinpartikel stützen. Die Anodenkatalysatorlage hat des Weiteren ein Polymerelektrolyt mit einer Ionenleitfähigkeit. Es ist berichtet worden, dass in der Anodenkatalysatorlage nach einer, eine lange Zeitspanne lang erfolgenden, Energieerzeugung das Auftreten eines Herauswaschens von Pt und Ru, Kohlenstoffkorrosion, Zersetzung des Polymerelektrolyts und dergleichen beobachtet worden ist. Eine derartige Erscheinung verschlechtert das Anodenleistungsvermögen und verringert die Abgabeleistung.
  • Es ist außerdem berichtet worden, dass Ru, das aus der Anode heraus gewaschen wird, durch die Elektrodenmembran dringt und sich an der Kathode ablagert. Dies verschlechtert das Kathodenleistungsvermögen, da Ru so agiert, dass die Aktivität des Pt-Katalysators in der Kathode verringert wird.
  • Es ist berichtet worden, dass eine derartige Verschlechterung der Anodenkatalysatorlage durch die Erhöhung des Anodenpotenzials beschleunigt wird. Anders ausgedrückt sollte, um die Lebensdauercharakteristika der Brennstoffzelle zu verbessern, das Anodenpotenzial konstant gering gehalten werden.
  • Darüber hinaus sollten Gegenmaßnahmen gegenüber einer langzeitig erfolgenden Lagerung für solche Systeme ergriffen werden, die eine Direktoxidationsbrennstoffzelle nutzen. Es kann einen Fall geben, bei dem in Abhängigkeit von dem Anwender oder der Anwendung die Direktoxidationsbrennstoffzelle eine lange Zeitspanne lang gelagert gehalten wird, ohne dass sie angewendet wird. Selbst nach einer derartigen langzeitig erfolgenden Lagerung ist es erforderlich, dass die Direktoxidationsbrennstoffzelle ihr Leistungsvermögen als eine Brennstoffzelle beibehält.
  • Mögliche Änderungen, die bei der Direktoxidationsbrennstoffzelle aufgrund des langzeitig erfolgenden Lagerns auftreten, werden dahingehend berücksichtigt, dass sie einigen Faktoren zuzuschreiben sind. Einer von ihnen ist die Dissipation von Wasser aus dem Brennstoffzellensystem. Die Oxidationsreaktion des Brennstoffs an der Anode erfordert Wasser. Jedoch kann es in einem Brennstoffzellensystem, in welchem in dem Wassersammeltank befindliche Flüssigkeit mit Brennstoff zu einer wässrigen Brennstofflösung gemischt wird, geschehen, dass die Flüssigkeit in dem Wassersammeltank während einer langzeitig erfolgenden Lagerung dissipiert, wobei die Lieferung einer wässrigen Brennstofflösung, die eine geeignete Konzentration hat, zu der Anode versagt.
  • Im Allgemeinen verschlechtert ein Liefern von wässriger Brennstofflösung mit einer hohen Konzentration die Energieerzeugungscharakteristika des Brennstoffzellenstapels, und nach einer langzeitig erfolgenden Lagerung kann es sein, dass die Brennstoffzelle keine ausreichende Leistung aufzeigt. Zusätzlich zu der vorübergehenden Verschlechterung der Leistung kann ein Liefern einer wässrigen Brennstofflösung mit einer hohen Konzentration eine große Ausdehnung des in der MEA angewendeten Polymerelektrolyts bewirken, was die Ursache für eine irreversible Verschlechterung, wie beispielsweise eine Verformung oder eine Separation von jeder Lage in der MEA, sein kann. Dies kann die Lebensdauercharakteristika der MEA verschlechtern. Darüber hinaus wird in dem Fall, bei dem lediglich wasserfreier Brennstoff von dem Brennstofftank geliefert wird, das Brennstoffzellensystem einen Mangel an Wasser erleiden, und als ein Ergebnis tritt die Oxidationsreaktion an der Anode nicht auf, was es unmöglich macht, die Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels zu starten.
  • Wie dies vorstehend beschrieben ist, würde, wenn Wasser von dem Brennstoffzellensystem aufgrund einer langzeitig erfolgenden Lagerung dissipiert, das Leistungsvermögen des Brennstoffzellensystems sich signifikant verschlechtern. Daher sollte Wasser stets in dem Brennstoffzellensystem sogar dann gehalten werden, wenn dieses eine lange Zeitspanne lang ungenutzt belassen bleibt.
  • Die Patentdokumente 1 und 2 schlagen ein Brennstoffzellensystem vor, das einen Mechanismus anwendet, bei dem während der Energieerzeugung der Brennstoffzelle die Menge an von dem Brennstoffzellenstapel gesammelter Flüssigkeit derart gesteuert wird, dass die Menge an Flüssigkeit in dem Sammeltank innerhalb eines vorbestimmten Bereiches gehalten wird.
  • Das Patentdokument 3 schlägt ein Brennstoffzellensystem vor, das einen Mechanismus anwendet, bei dem beim Starten der Brennstoffzelle, wenn eine lange Zeitspanne seit der letzten Anwendung verstrichen ist, die Elektrolytmembran befeuchtet wird.
  • Auflistung des Standes der Technik
  • Patentdokumente
    • 1: Patentdokument Offenlegungsschrift des japanischen Patents Nr. JP 2006-086111
    • 2: Patentdokument Offenlegungsschrift des japanischen Patents Nr. JP 2006-107786
    • 3: Patentdokument Offenlegungsschrift des japanischen Patents Nr. JP 2005-243568
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Zum Verbessern der Lebensdauercharakteristika einer Direktoxidationsbrennstoffzelle ist es erforderlich, das Anodenpotenzial konstant gering zu halten; jedoch haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass das Anodenpotenzial durch den folgenden Mechanismus erhöht werden kann, während die Energieerzeugung aufgehoben ist.
  • In dem Augenblick, in dem die Energieerzeugung angehalten ist, ist das Raumvolumen bei der Anode annähernd voll mit derartigen Gasen, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid (CO2), das durch die Energieerzeugungsreaktion erzeugt wird. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle aufgrund des Anhaltens der Energieerzeugung abnimmt, schrumpft das Volumen dieser Gase signifikant. Die in der Anode verbleibende wässrige Brennstofflösung dringt allmählich durch die Elektrolytmembran in die Kathode, an der der Brennstoff mit dem in der Kathode verbleibenden Sauerstoff reagiert und verbraucht wird. Dieses Phänomen wird „Crossover des Brennstoffs” genannt, und, wenn der Brennstoff Methanol ist, wird dies „Methanol-Crossover” (MCO) genannt.
  • Insbesondere nimmt, während die Energieerzeugung aufgehoben ist, das Volumen von in dem Raumvolumen an der Anode eingefüllten Gasen und Flüssigkeiten allmählich ab. Zu diesem Zeitpunkt würde, wenn der anodenseitige Raum in dem Stapel ein umschlossener Raum ist, der nicht mit der Außenluft mit Ausnahme durch einen Fluidauslass der Anode in Kommunikation steht, und lediglich der Fluidauslass der Anode zu der Außenluft offen ist, Sauerstoff in die Anode durch diesen hindurch eintreten. Dies könnte die Ursache für eine Zunahme des Anodenpotenzials während des aufgehobenen Betriebs sein, und eine wiederholte Erhöhung und Verringerung des Anodenpotenzials aufgrund von wiederholter Energieerzeugung und ihrer Beendigung könnte verursachen, dass sich die vorstehend erwähnte Verschlechterung beschleunigt.
  • Es ist berichtet worden, das bei einer Erhöhung des Anodenpotenzials aufgrund des Eindringens von Sauerstoff das Ru von einem Legierungskatalysator (Pt-Ru) aus Platin (Pt) und Ruthenium (Ru), der üblicherweise als ein Anodenkatalysator verwendet wird, herausgewaschen wird. Das Herauswaschen des Ru reduziert die Aktivität des Anodenkatalysators.
  • Andererseits ist es zum Aufrechterhalten der Energieerzeugungscharakteristika des Brennstoffzellensystems nach einem über eine lange Zeitspanne lang erfolgenden Lagern und auch zum Unterdrücken der Verschlechterung des MEA erforderlich, die Dissipation von Wasser von dem Brennstoffzellensystem während des Speicherns zu unterdrücken.
  • Ein mögliches Verfahren zum Vermeiden des Eindringens von Sauerstoff durch den Fluidauslass der Anode während aufgehobenem Energieerzeugungsbetrieb, und zum Unterdrücken der Dissipation von Wasser während einer über eine lange Zeitspanne lang erfolgenden Lagerung, ist es, ein Ventil an einem Abschnitt vorzusehen, an dem die Brennstoffzellenenergieerzeugungseinheit mit der Außenluft in Kommunikation steht, wobei das Ventil geschlossen ist, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle aufgehoben ist. Jedoch wird in diesem Verfahren die Gesamtheit oder ein Teil der Brennstoffzellenergieerzeugungseinheit zu einem vollständig umschlossenen Raum. Wenn das Volumen der Gase und Flüssigkeiten in der Brennstoffzellenenergieerzeugungseinheit sich mit den Änderungen der Temperatur ändert, wird der umschlossene Raum zu einem unter hohem Druck stehenden Raum oder zu einem unter niedrigem Druck stehenden Raum. Derartige umfangreiche Änderungen des Drucks bringen eine Last auf den MEA, die Rohre, Pumpen und dergleichen auf, was beispielsweise zu einem Brechen der Elektrolytmembran oder der Rohre oder zu einer Fehlfunktion der Pumpen führen kann.
  • In einem Verfahren zum Ausführen eines Prozesses beim Starten der Brennstoffzelle zum Vermeiden einer Dissipation von Wasser dauert es, wenn der Anwender das Brennstoffzellensystem anwenden möchte, eine bestimmte Zeitspanne, bis die normale Energieerzeugung beginnt. Dies macht erforderlich, dass der Anwender auf das Starten wartet, was die Bequemlichkeit beeinträchtigen würde. Außerdem wäre in dem Fall, bei dem das Starten des Brennstoffzellensystems aus Notfallgründen erforderlich ist, das Bedürfnis des Anwenders nicht erfüllt.
  • Ein anderes mögliches Verfahren ist es, den Grad an Dissipation des Wassers auf der Basis der Länge der Lagerdauer zu beurteilen. Jedoch ist die Wechselbeziehung zwischen der Lagerdauer und dem Grad an Dissipation von Wasser in hohem Maße von der Temperatur und der Feuchtigkeit während des Lagerns abhängig. Daher kann der Grad an Dissipation von Wasser fehlerhaft beurteilt werden.
  • Lösung des Problems
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem mit einer Direktoxidationsbrennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, einer Luftpumpe zum Liefern von Luft zu der Kathode, einer Flüssigkeitszuführpumpe zum Liefern einer wässrigen Brennstofflösung zu der Anode, und einem Sammeltank zum Sammeln eines von der Anode abgegebenen Anodenfluides. Der Sammeltank hat eine Anodenfluidsammelöffnung, an der das Anodenfluid mit einer Flüssigkeit in dem Sammeltank zusammentrifft. Entweder während des normalen Betriebs oder während des aufgehobenen Betriebs des Brennstoffzellensystems – oder während beiden Vorgängen – wird das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank so gesteuert, dass es gleich wie oder größer als ein vorbestimmter erster unterer Grenzwert ist. Der erste untere Grenzwert ist derart festgelegt, dass die Anodenfluidsammelöffnung unterhalb eines Pegels der Flüssigkeit in dem Sammeltank positioniert ist.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode aufweist, einer Luftpumpe zum Liefern von Luft zu der Kathode, einer Flüssigkeitszuführpumpe zum Liefern einer wässrigen Brennstofflösung zu der Anode, und einem Sammeltank zum Sammeln eines von der Anode abgegebenen Anodenfluids. Der Sammeltank hat eine Anodenfluidsammelöffnung, an der das Anodenfluid mit einer Flüssigkeit in dem Sammeltank zusammentrifft. Nachdem der normale Betrieb des Brennstoffzellensystems angehalten worden ist, wird die in dem Sammeltank befindliche Flüssigkeit in einen anodenseitigen Raum gesaugt, der sich von der Flüssigkeitszuführpumpe über die Anode zu der Flüssigkeit in dem Sammeltank erstreckt.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung strömt während des Aufhörens des Betriebs des Brennstoffzellensystems, da das Volumen der Gase und Flüssigkeiten, die den anodenseitigen Raum ausgefüllt haben, abnimmt, die in dem Sammeltank befindliche Flüssigkeit in den anodenseitigen Raum durch die Anodenfluidsammelöffnung. Somit ist es unwahrscheinlich, dass der in der Luft befindliche Sauerstoff in die Anode während des Aufhörens der Energieerzeugung eindringt. Da die in dem Sammeltank befindliche Flüssigkeit eine wässrige Brennstofflösung aufweist, ermöglicht die in die Anode erfolgende Strömung dieser Flüssigkeit, dass das Anodenpotenzial niedrig gehalten wird. Als ein Ergebnis kann eine Verschlechterung, wie beispielsweise ein Katalysatorauswaschen vermieden werden, und die Lebensdauercharakteristika der Brennstoffzelle können verbessert werden.
  • Darüber hinaus kann selbst in dem Fall, bei dem das Brennstoffzellensystem eine lange Zeitspanne lang gelagert gehalten wird, ohne dass es Anwendung findet, eine erforderliche Menge an Flüssigkeit zum Starten des Brennstoffzellensystems in dem Sammeltank gehalten werden. Demgemäß kann der Anwender das Brennstoffzellensystem eine lange Zeitspanne lang lagern, ohne sich Sorgen im Hinblick auf die Wartung machen zu müssen. Außerdem muss beim Starten des Brennstoffzellensystems der Anwender nicht auf geeignete Werte des Volumens und der Konzentration der Flüssigkeit in dem Sammelbehälter warten. Darüber hinaus muss während des normalen Betriebs und während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems der Anwender nicht den Sammelbehälter mit Wasser ergänzen. Daher verbessert sich die Bequemlichkeit für den Anwender signifikant.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Zelleneinheit einer Direktoxidationsbrennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Direktoxidationsbrennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Direktoxidationsbrennstoffzellensystems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Direktoxidationsbrennstoffzellensystems gemäß wiederum einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung hat eine Direktoxidationsbrennstoffzelle (beispielsweise eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DPMFC)), die eine Anode und eine Kathode aufweist, eine Luftpumpe zum Liefern von Luft zu der Kathode, eine Flüssigkeitszuführpumpe zum Liefern einer wässrigen Brennstofflösung zu der Anode, und einen Sammeltank (Sammelbehälter) zum Sammeln eines von der Anode abgegebenen Anodenfluids (üblicherweise eine Flüssigkeit, die Wasser, Kohlenstoffdioxid und nicht verwendeten Brennstoff umfasst) durch eine Anodenfluidsammelöffnung. Entweder während eines normalen Betriebs oder während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems – oder während beiden Vorgängen – wird das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank so gesteuert, dass es gleich wie oder größer als ein vorbestimmter erster unterer Grenzwert ist.
  • Der erste untere Grenzwert ist derart festgelegt, dass entweder während des normalen Betriebs oder während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems – oder in beiden Fällen – die Anodenfluidsammelöffnung unterhalb des Flüssigkeitspegels des Sammeltanks in der Richtung der Schwerkraft positioniert ist.
  • Gemäß dem vorstehend erläuterten Aufbau wird normalerweise die Anodenfluidsammelöffnung stets mit Flüssigkeit geschlossen gehalten. Somit wird, nachdem der normale Betrieb des Brennstoffzellensystems angehalten worden ist, wenn der Druck in dem anodenseitigen Raum, der sich von der Flüssigkeitslieferpumpe über die Anode zu der Flüssigkeit in dem Sammeltank erstreckt, gerade in Begriff ist, abzunehmen, die in dem Sammeltank befindliche Flüssigkeit in den anodenseitigen Raum gesaugt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass der Sauerstoff in der Luft in die Anode eindringt, während die Energieerzeugung beendet ist.
  • Die Anodenfluidsammelöffnung kann ein Durchgangsloch sein, das mit der Anode in Kommunikation steht und in der Wand (beispielsweise an der Seite oder an dem Boden) des Sammeltanks vorgesehen ist. Alternativ kann die Anodenfluidsammelöffnung eine Öffnung sein, die in einer Verrohrung in Kommunikation mit der Anode stehend vorgesehen ist, die beispielsweise in die Flüssigkeit in dem Sammeltank eingeführt ist, so dass das Anodenfluid durch dieses hindurch hinausströmt. In dem Fall, bei dem zwei oder mehr Durchgangslöcher oder Öffnungen vorgesehen sind, ist es ausreichend, dass das oberste Durchgangsloch oder die oberste Öffnung in der Richtung der Schwerkraft unterhalb des Flüssigkeitspegels des Sammeltanks positioniert ist.
  • Das Direktoxidationsbrennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass das Anodenfluid in dem Sammeltank gänzlich gesammelt werden kann.
  • Wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank gleich dem ersten unteren Grenzwert ist, ist das Volumen der Flüssigkeit, die oberhalb der Anodenfluidsammelöffnung vorhanden ist, wunschgemäß größer als das Volumen des anodenseitigen Raumes, der sich von der Flüssigkeitslieferpumpe über die Anode zu der Anodenfluidsammelöffnung in der Flüssigkeit in dem Sammeltank erstreckt. Durch eine in solcher Weise erfolgende Steuerung kann, nachdem der normale Betrieb des Brennstoffzellensystems angehalten worden ist, annähernd der gesamte anodenseitige Raum mit Leichtigkeit mit Flüssigkeit gefüllt werden. Das Befüllen von annähernd dem gesamten anodenseitigen Raum mit Flüssigkeit kann verhindern, dass die Anode in einen Unterdruckzustand gelangt. Daher wird keine zusätzliche Last auf die MEA und die Brennstoffpumpe aufgebracht, und eine Fehlfunktion des Systems kann verhindert werden.
  • Das Direktoxidationsbrennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist wunschgemäß derart aufgebaut, dass während des beendeten Betriebs, wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank den ersten unteren Grenzwert erreicht, ein Hilfsbetrieb automatisch eine bestimmte Zeitspanne lang ausgeführt wird. Alternativ kann es derart aufgebaut sein, dass während des beendeten Betriebs, wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank einen zweiten unteren Grenzwert erreicht, der sich von dem ersten unteren Grenzwert unterscheidet, ein Hilfsbetrieb automatisch eine bestimmte Zeitspanne lang ausgeführt wird. Anders ausgedrückt kann der untere Grenzwert in einem Schritt oder in zwei oder mehr Schritten festgelegt werden.
  • In dem Fall, bei dem ein Hilfsbetrieb ausgeführt werden soll, ist der Sammeltank wunschgemäß mit einer Kathodenfluidsammelöffnung versehen zum Sammeln von zumindest einem Teil des von der Kathode abgegebenen Kathodenfluides.
  • Die Reaktionen bei der Anode und der Kathode eines Systems einer Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) sind nachstehend aufgezeigt. In die Kathode eingeleiteter Sauerstoff wird im Allgemeinen aus der Luft abgeleitet. Anode: CH3OH + H2O – CO2 +6H+ + 6e Kathode: (3/2)O2 + 6H+ + 6e → 3H2O
  • An der Anode reagiert Methanol mit Wasser, um Kohlendioxid zu erzeugen. Ein Brennstoffabwasser, das Kohlendioxid und nicht reagierten Brennstoff enthält, wird zu einem Abwassertank befördert. Andererseits wird an der Kathode Wasser in einer Menge erzeugt, die größer als jene ist, die an der Kathode verbraucht wird. Durch das Ausführen eines Hilfsbetriebs, bei dem ermöglicht wird, dass ein Teil des an der Kathode erzeugten Wassers in dem Sammeltank gesammelt wird, kann das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank erhöht werden.
  • Zumindest der zweite untere Grenzwert ist derart festgelegt, dass eine erforderliche minimale Menge an Flüssigkeit in dem Sammeltank gehalten werden kann, wenn der normale Betrieb des Brennstoffzellensystems gestartet wird. Der erste untere Grenzwert ist wunschgemäß derart festgelegt, dass das Volumen des oberhalb der Anodenfluidsammelöffnung vorhandenen Flüssigkeit größer ist als das Volumen des anodenseitigen Raumes, wohingegen der zweite untere Grenzwert geringer als dieser festgelegt werden kann.
  • Selbst während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems wird, da ein Hilfsvorgang automatisch ausgeführt wird, wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank bis unterhalb eines vorbestimmten Wertes abfällt, die in dem Sammeltank befindliche Flüssigkeit selbst in dem Fall nicht vollständig dissipiert, bei dem das Brennstoffzellensystem ohne Anwendung eine lange Zeitspanne lang gelagert wird. Wenn eine bestimmte Menge oder mehr an Flüssigkeit in dem Sammeltank konstant gehalten wird, kann jedes Mal beim Starten eine wässrige Brennstofflösung mit einer geeigneten Konzentration zu der Anode geliefert werden. Anders ausgedrückt wird weder eine Energieerzeugung unter Verwendung einer wässrigen Brennstofflösung mit hoher Konzentration noch eine Energieerzeugung unter Verwendung eines Brennstoffs, der Wasser nicht enthält, auftreten. Daher ist die MEA frei von einem unnötigen Beeinträchtigungsfaktor, und die Lebensdauercharakteristika können verbessert werden.
  • In der vorliegenden Erfindung ist mit „normaler Betrieb” ein anderer Betrieb außer einem Hilfsbetrieb gemeint. Anders als bei dem Hilfsbetrieb, der lediglich zum Zwecke des Erhöhens des Volumens der Flüssigkeit in dem Sammeltank ausgeführt wird, bedeutet der „normale Betrieb” ein Betrieb zum Liefern von Energie zu einer externen Lastvorrichtung. Mit „Betrieb” ist ein laufender Zustand des Brennstoffzellensystems gemeint, der mit einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle begleitet wird. Mit „während des beendeten Betriebs” bedeutet außerdem „während der beendeten Energieerzeugung”.
  • Das Brennstoffzellensystem kann mit einer Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung ausgestattet sein zum Erfassen des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank, und mit einer Betriebssteuereinrichtung ausgestattet sein zum Steuern eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems. In diesem Fall kann die Betriebssteuereinrichtung den normalen Betriebszustand oder den Hilfsbetriebszustand des Brennstoffzellensystems auf der Basis des Flüssigkeitsvolumens steuern, der durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung erfasst wird. Durch ein geeignetes Steuern des normalen Betriebszustandes oder des Hilfsbetriebszustandes kann das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank erhöht oder verringert werden.
  • Das Direktoxidationsbrennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass zumindest ein Teil des Kathodenfluides in dem Sammeltank gesammelt werden kann. Demgemäß ist der Sammeltank vorzugsweise mit einer Kathodenfluidsammelöffnung versehen zum Sammeln von zumindest einem Teil des Kathodenfluides, das von der Kathode abgegeben wird.
  • Die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung ist vorzugsweise ein Wasserpegelsensor, der dazu in der Lage ist, das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank direkt zu erfassen. Dies ermöglicht ein genaues Erfassen des Grades an Dissipation von Wasser und einer beliebigen Temperatur und Feuchtigkeit und vereinfacht es, das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank gleich wie oder höher als ein bestimmtes Niveau konstant zu halten.
  • Für die Betriebssteuereinrichtung kann ein Informationsprozessor, wie beispielsweise ein Mikrocomputer, angewendet werden. Ein Informationsprozessor weist beispielsweise eine arithmetische Einheit, eine Speichereinheit und verschiedene Schnittstellen auf, und die arithmetische Einheit führt einen arithmetischen Vorgang, der für den normalen Betrieb oder den Hilfsbetrieb erforderlich ist, gemäß dem Programm, das in der Speichereinheit gespeichert ist, aus und gibt einen Befehl aus, der zum Steuern der Abgabeleistung von jeder Komponente des Brennstoffzellensystems erforderlich ist. Beispielsweise speichert die Speichereinheit die Beziehung zwischen einem Volumen der in dem Sammeltank gesammelten Flüssigkeit (Variable Y) und Parametern (X1, X2, ... Xn) im Hinblick auf die Abgabeleistung von jeder Komponente des Brennstoffzellensystems. Die arithmetische Einheit kann die Parameter, die zu der Variable Y zugehörig sind, ausgeben.
  • Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren zumindest eine Voraussetzung aufweisen, die aus der Gruppe gewählt wird, die aus folgendem besteht: (i) einer Kombination aus einem Brennstofftank zum Unterbringen von Brennstoff, der mit der Flüssigkeit in dem Sammeltank zu vermischen ist, und einer Brennstoffpumpe zum Liefern des Brennstoffs von dem Brennstofftank zu der Flüssigkeit in dem Sammeltank (oder zu der Flüssigkeit, die von dort zu einem anderen Ort in dem System zu liefern ist); (ii) eine Kombination aus einem anodenseitigen Radiator, durch den das Anodenfluid tritt, und einem anodenseitigen Radiatorkühllüfter zum Kühlen des anodenseitigen Radiators; (iii) ein kathodenseitiger Radiator, durch den das Kathodenfluid tritt, ein Kathodenseitenradiatorkühllüfter zum Kühlen des kathodenseitigen Radiators; und ein Stapelkühllüfter zum Kühlen der Brennstoffzelle.
  • Es ist ausreichend, wenn die Betriebssteuereinrichtung auf der Basis des durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung erfassten Flüssigkeitsvolumens zumindest eines Parameters steuert, der aus der Gruppe gewählt wird, die aus folgendem besteht: elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, Abgabeleistung (Strömungsrate) der Luftpumpe, Abgabeleistung (Strömungsrate) der Flüssigkeitszuführpumpe, Abgabeleistung (Strömungsrate) der Brennstoffpumpe, Abgabeleistung (Strömungsrate) des Anodenseitenradiatorkühllüfters, Abgabeleistung (Strömungsrate) des Kathodenseitenradiatorkühllüfters und Abgabeleistung (Strömungsrate) des Stapelkühllüfters. Wie dies vorstehend beschrieben ist, kann, indem die Betriebssteuereinrichtung und die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung genutzt werden, das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank wunschgemäß gesteuert werden.
  • Wenn in dem Direktoxidationsbrennstoffzellensystem das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank so erfasst wird, dass es während des normalen Betriebs unterhalb des ersten unteren Grenzwertes ist, wird eine Warnung für ein dringendes Ergänzen des Wassers zu dem Sammeltank wunschgemäß ausgegeben. Darüber hinaus wird in dem Brennstoffsystem, wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank so erfasst wird, dass es noch unterhalb des ersten oder zweiten unteren Grenzwertes selbst dann ist, nachdem der Hilfsbetrieb eine bestimmte Zeitspanne lang gelaufen ist, eine Warnung für ein dringendes Ergänzen des Wassers zu dem Sammeltank wunschgemäß ausgegeben.
  • Spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat eine Direktoxidationsbrennstoffzelle (ein Brennstoffzellenstapel) mit einer Anode und einer Kathode, einer Luftpumpe zum Liefern von Luft zu der Kathode, einer Flüssigkeitszuführpumpe zum Liefern einer wässrigen Brennstofflösung zu der Anode, und einem Sammeltank zum Sammeln von zumindest einem Anodenfluid, das von der Anode abgegeben wird. Es ist so eingerichtet, dass das Anodenfluid an einer Position unterhalb des Flüssigkeitspegels des Sammeltanks hineingelangt. Der anodenseitige Raum ist ein Raum, der sich von der Flüssigkeitszuführpumpe zu einem Punkt erstreckt, an dem er mit der Flüssigkeit in dem Sammeltank zusammentrifft, und er ist ein umschlossener Raum. In dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank so gesteuert, dass es gleich wie oder größer als ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist, so dass zumindest ein Teil oder vorzugsweise der gesamte anodenseitige Raum mit der Flüssigkeit gefüllt ist, wenn der anodenseitige Raum in einen Zustand mit verringertem Druck fällt.
  • Eine Zelle 1 aus 1 hat eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) 5 mit einer Anode 2, einer Kathode 3 und einer Elektrolytmembran 4, die zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 angeordnet ist. An einer Seitenfläche der MEA 5 ist eine Dichtung 14 zum Abdichten der Anode 2 angeordnet und an der anderen Seitenfläche ist eine Dichtung 15 zum Abdichten der Kathode 3 angeordnet.
  • Die MEA 5 ist zwischen einem anodenseitigen Separator 10 und einem kathodenseitigen Separator 11 sandwichartig angeordnet. Der anodenseitige Separator 10 steht mit der Anode 2 in Kontakt und der kathodenseitige Separator 11 steht mit der Kathode 3 in Kontakt. Der anodenseitige Separator 10 hat einen Brennstoffströmungskanal 12 zum Liefern von Brennstoff zu der Anode 2. Der Brennstoffströmungskanal 12 hat einen Anodeneinlass, durch den Brennstoff zu der Anode hineingelangt, und einen Anodenfluidauslass, durch den CO2 als ein Reaktionsprodukt und nicht verwendeter Brennstoff abgegeben werden. Der kathodenseitige Separator 11 hat einen Oxidationsmittelströmungskanal 13 zum Liefern von Oxidationsmittel zu der Kathode 3. Der Oxidationsmittelströmungskanal 13 hat einen Kathodeneinlass, durch den das Oxidationsmittel zu der Kathode hineingelangt, und einen Kathodenfluidauslass, durch den Wasser als ein Reaktionsprodukt und nicht verwendetes Oxidationsmittel abgegeben werden.
  • Ein Stapel ist ausgebildet, in dem zwei oder mehr Zelleneinheiten gemäß der Darstellung von 1 vorgesehen sind und diese in Reihe elektrisch gestapelt sind. In diesem Fall sind der anodeseitige Separator 10 und der kathodenseitige Separator 11 üblicherweise als ein Separator einstückig ausgebildet. Genauer gesagt hat eine Fläche (Oberfläche) von einem Separator einen anodenseitigen Separator und die andere Fläche hat einen kathodenseitigen Separator. Die Anodeneinlässe der Zelleneinheiten sind üblicherweise miteinander zu einem Einlass unter Verwendung von beispielsweise einem Sammelrohr verbunden. Die Anodenfluidauslässe, die Kathodeneinlässe und die Kathodenfluidauslässe sind jeweils in ähnlicher Weise verbunden.
  • Die Direktoxidationsbrennstoffzellensysteme der 2 und 3 haben einen Sammeltank 20 zum Sammeln von zumindest einer wässrigen Brennstofflösung, die von der Anode 2 des Brennstoffzellenstapels abgegeben wird. In dem Sammeltank 20 wird eine Flüssigkeit 21, die eine wässrige Brennstofflösung aufweist, die von der Anode 2 abgegeben wird, gespeichert. Das Anodenfluid von dem Anodenfluidauslass des Stapels ist so eingerichtet, dass es in die Flüssigkeit in dem Sammeltank 20 über eine Röhre oder dergleichen strömt. In dem Fall, bei dem eine Röhre in die Flüssigkeit eingeführt ist, dient die Öffnung an dem Ende der Röhre als die Anodenfluidsammelöffnung. Die Anodenfluidsammelöffnung ist an dem Boden oder an der Seite in der Nähe des Bodens des Sammeltanks 20 so vorgesehen, dass das Anodenfluid zuverlässig in die Flüssigkeit strömen kann.
  • Um das Einleiten von Sauerstoff in die Anode 2 während des beendeten Betriebs der Brennstoffzelle zu verhindern, ist der anodenseitige Raum in dem Brennstoffzellensystem, d. h. der Raum, der sich von der Flüssigkeitszuführpumpe 25 über die Anode zu der Flüssigkeit in dem Sammeltank erstreckt, als ein umschlossener Raum gestaltet. Die Anode 2 der MEA 5 ist mit der Dichtung 14 so abgedichtet, dass sie nicht mit der Außenseite mit Ausnahme durch den Anodeneinlass und den Anodenfluidauslass in Kommunikation steht.
  • Vorzugsweise wird während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank so gesteuert, dass es größer ist als das Volumen des anodenseitigen Raums. Da die Anodenfluidsammelöffnung nahe zu dem Boden des Sammeltanks vorgesehen ist, wird die Anodenfluidsammelöffnung stets unterhalb des Flüssigkeitspegels des Sammeltanks während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems positioniert sein. Da darüber hinaus das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank größer ist als das Volumen des anodeseitigen Raumes, kann annähernd der gesamte anodenseitige Raum mit der Flüssigkeit gefüllt werden.
  • Das Volumen des anodenseitigen Raumes umfasst, obwohl dies von dem Aufbau des Brennstoffzellensystems abhängig ist, beispielsweise das Fassungsvermögen des Brennstoffströmungskanals 12, das Fassungsvermögen des Sammelrohrs, das als der Anodeneinlass oder der Anodenfluidauslass dient, das Fassungsvermögen der Verbindungsverrohrung von der Flüssigkeitszuführpumpe 25 zu dem Sammelrohr an der Anodeneinlassseite und von dem Sammelrohr an der Anodenfluidauslassseite zu der Anodenfluidsammelöffnung in der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank, und das Porenfassungsvermögen der Anode 2, die üblicherweise porös ist. Da das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank so gesteuert wird, dass es größer als das Volumen des anodenseitigen Raumes ist, ist es unwahrscheinlich, dass Sauerstoff in die Anode 2 durch den Anodenfluidauslass eindringt, während der Betrieb der Brennstoffzelle beendet ist.
  • Anstatt dass es geringfügig größer als das Volumen des anodenseitigen Raumes festgelegt ist, ist das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank wunschgemäß ausreichend groß so festgelegt, dass ein Mangel an Flüssigkeit 21 nicht auftreten wird. Dies ist so, weil berücksichtigt wird, dass die Flüssigkeit 21, die von dem Sammeltank in die Anode 2 während des beendeten Betriebs geströmt ist, durch die Elektrolytmembran 4 in die Kathode 3 eindringt.
  • In dem Fall, bei dem die Anodenfluidsammelöffnung nicht in der Nähe des Bodens des Sammeltanks vorgesehen ist, kann ein großer Teil der in dem Sammeltank befindlichen Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank 20 verbleiben, wenn der Betrieb angehalten ist, ohne dass diese in den anodenseitigen Raum gesaugt wird. In diesem Fall wird der untere Grenzwert der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank wunschgemäß so festgelegt, dass er ausreichend größer als das Volumen des anodenseitigen Raumes ist. Wenn jedoch die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank in zu großer Menge vorhanden ist, wird der Widerstand, wenn eine Strömung des Anodenfluides in den Sammeltank 20 durch einen hydraulischen Druck ermöglicht wird, hoch. Wenn die Strömung des Anodenfluides verlangsamt ist, kann dies die Energieerzeugungscharakteristika beeinflussen.
  • Genauer gesagt ist der erste untere Grenzwert des Volumens der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank vorzugsweise so festgelegt, dass er 1,5 bis 5-Mal so groß wie das Volumen des anodenseitigen Raumes ist, insbesondere ist er vorzugsweise derart festgelegt, dass das Volumen der Flüssigkeit, die oberhalb der Anodenfluidsammelöffnung vorhanden ist, 1,5 bis 5-Mal so groß wie das Volumen des anodenseitigen Raumes ist.
  • Das Fassungsvermögen des Sammeltanks 20 wird bestimmt unter Berücksichtigung des Volumens der Flüssigkeit 21, die für einen glatten und sanften Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist. Der Sammeltank 20 kann ein großes Fassungsvermögen haben; jedoch wird, wenn das Fassungsvermögen zu groß ist, das gesamte Brennstoffzellensystem demgemäß im Hinblick auf das Volumen groß. Im Hinblick auf die Volumeneffizienz wird das Fassungsvermögen des Sammeltanks 20 vorzugsweise auf ungefähr 1,5 bis 5-Mal so groß wie das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank entsprechend dem ersten unteren Grenzwert (das Volumen, das größer als jenes des anodenseitigen Raumes ist) festgelegt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus des Brennstoffzellensystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Zu der Kathode 3 der Brennstoffzelle wird Luft durch eine Luftpumpe 24 geliefert, und zu der Anode 2 der Brennstoffzelle wird Brennstoff durch eine Flüssigkeitszuführpumpe 25 geliefert. Die von der Anodenseite abgegebene Flüssigkeit 21 wird in dem Sammeltank 20 gesammelt. Von der in dem Sammeltank 20 gespeicherten Flüssigkeit 21 wird überschüssige Flüssigkeit durch einen Ablauf 22 abgegeben. In einem derartigen Aufbau wird das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank gemäß der Position des Ablaufs 22 bestimmt. Anders ausgedrückt fungiert der Ablauf 22 als eine Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung zum Steuern des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank. Dieser Aufbau ist auf die Annahme gegründet, dass die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank während der Energieerzeugung nicht abnimmt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen Aufbaus des Brennstoffzellensystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Dieses Brennstoffzellensystem ist derart aufgebaut, dass die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank 20 mit Brennstoff vermischt wird und dann als eine wässrige Brennstofflösung zu der Anode 2 geliefert wird. In dem Brennstoffzellensystem von 3 strömt zumindest ein Teil des von der Kathode 3 abgegebenen Kathodenfluides in den Sammeltank 20. Brennstoff wird von einem Brennstofftank 26 zu dem Sammeltank 20 durch eine Brennstoffpumpe 23 geliefert, um die Brennstoffkonzentration der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank 20 einzustellen. Die wässrige Brennstofflösung, deren Konzentration eingestellt worden ist, wird von dem Sammeltank 20 zu der Anode 2 des Brennstoffzellenstapels durch die Flüssigkeitszuführpumpe 25 geliefert. Separat von dem Sammeltank 20 kann ein Hilfstank zum Mischen der Flüssigkeit 21 mit Brennstoff vorgesehen sein, um eine wässrige Brennstofflösung vorzubereiten. Alternativ kann die Verrohrung von dem Brennstofftank 26 über die Brennstoffpumpe 23 mit der Verrohrung von dem Sammeltank 20 zu der Flüssigkeitszuführpumpe 25 verbunden sein.
  • In dem in 3 gezeigten Brennstoffzellensystem kann, da das während der Energieerzeugung erzeugte Wasser rezirkuliert, das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank mit Leichtigkeit gesteuert werden. Da darüber hinaus die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank nicht aus dem Brennstoffzellensystem durch den Ablauf herausströmt, verbessert sich die Bequemlichkeit für den Anwender. Da darüber hinaus Brennstoff mit der Flüssigkeit in dem Sammeltank innerhalb des Brennstoffzellensystems vermischt wird, kann die Konzentration des Brennstoffs in dem Brennstofftank 26 hoch eingestellt sein. Indem die Brennstoffkonzentration hoch eingestellt wird, kann der Brennstofftank 26 kompakt gestaltet werden. Daher können die Größe und das Gewicht des Brennstoffzellensystems verringert werden.
  • Gase wie beispielsweise CO2, das durch die Energieerzeugungsreaktion an der Anode 2 erzeugt wird, strömen außerdem in den Sammeltank 20. Als solches ist in dem Fall, bei dem das Brennstoffzellensystem nicht mit einem Ablauf versehen ist, der Sammeltank 20 im Allgemeinen derart aufgebaut, dass Gas durch seinen oberen Abschnitt, vorzugsweise seinen Abdeckabschnitt, treten kann. Beispielsweise können, indem eine Öffnung an dem oberen Abschnitt oder dem Abdeckabschnitt des Sammeltanks 20 vorgesehen ist und die Öffnung mit einem porösen dünnen Film einer Gasdurchlässigkeit verschlossen ist, Gase wie beispielsweise CO2 nach außen durch den porösen dünnen Film abgegeben werden.
  • Das Brennstoffzellensystem von 3 ist des Weiteren mit einer Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 zum Erfassen des Volumens der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank und mit einer Betriebssteuereinrichtung 28 zum Steuern des Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems ausgestattet. In dem Aufbau, bei dem die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank 20 zu der Anode 2 geliefert wird, gibt es eine Möglichkeit dahingehend, dass die Flüssigkeit in dem Sammeltank 20 während der Energieerzeugung allmählich abnimmt. Daher ist es, um das Volumen der Flüssigkeit 21 genau zu steuern, erwünscht, die in dem Sammeltank gehaltene Flüssigkeit 21 zu erfassen.
  • Beispiele der Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 umfassen verschiedene Arten an Wasserpegelsensoren, wie beispielsweise der Schwimmerart, optische, Ultraschall- und kapazitive Wasserpegelsensoren. Wenn jedoch berücksichtigt wird, dass die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank 21 in die Anode 2 strömen kann, wird ein Wasserpegelsensor, der ermöglicht, dass keine Metallionen in die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank ausgewaschen werden, bevorzugt, so dass das Leistungsvermögen der MEA 5 nicht beeinträchtigt ist.
  • Die Betriebssteuereinrichtung 28 steuert den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems auf der Basis des Volumens der Flüssigkeit 21, das durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 erfasst wird. Genauer gesagt wird auf der Basis des Ergebnisses, das durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 erfasst wird, der normale Betriebszustand derart steuert, dass die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank größer ist als der erste untere Grenzwert (beispielsweise das Volumen des anodenseitigen Raumes). Anders ausgedrückt fungiert in einem Aspekt die Betriebssteuereinrichtung 28 als ein Teil der Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung zum Steuern des Volumens der Flüssigkeit in dem Sammeltank. Die Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung kann durch ein organisches Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 mit verschiedenen Komponenten, die das Brennstoffzellensystem bilden, verwirklicht werden.
  • Während der Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels wird das durch die Energieerzeugungsreaktion erzeugte Wasser von der Kathode 3 abgegeben, und die nicht verwendete Brennstofflösung wird von der Anode 2 abgegeben. Indem ermöglicht wird, dass die Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung das gesammelte Volumen dieser Flüssigkeiten steuert, kann das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank in geeigneter Weise gesteuert werden. Eine derartige Steuerung kann automatisch in dem Brennstoffzellensystem durch den Befehl der Betriebssteuereinrichtung 28 ausgeführt werden.
  • Durch den Befehl von der Betriebssteuerungseinrichtung 28 wird beispielsweise zumindest ein Parameter gesteuert, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus folgendem besteht: die elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle 1 erzeugt wird, die Strömungsrate der Luftpumpe 24, die Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe 25 und die Strömungsrate der Brennstoffpumpe 23. In diesem Fall fungieren das Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 und der Brennstoffzelle 1, das Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 und der Luftpumpe 24, das Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 und der Flüssigkeitszuführpumpe 28 und das Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 und der Brennstoffpumpe 23 jeweils als ein Teil der Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung (Steuereinrichtung für das gesammelte Volumen). Daher ist die Betriebssteuereinrichtung 28 mit der Flüssigkeitsvolumeneinrichtung 27, der Brennstoffzelle 1, der Luftpumpe 24, der Flüssigkeitszuführpumpe 24 und der Brennstoffpumpe 23 verbunden.
  • Selbst wenn Sauerstoff, der sich in der Luft befindet, in die Kathode 3 während des beendeten Betriebs der Brennstoffzelle 1 eindringt, wird dies nicht signifikant die Lebensdauercharakteristika beeinträchtigen. Daher ist es nicht erforderlich, die in dem Sammeltank 20 befindliche Flüssigkeit 21 in die Kathode 3 während des beendeten Betriebs der Brennstoffzelle einzuleiten. In normalen Direktoxidationsbrennstoffzellen wird Luft als das Oxidationsmittel angewendet, und daher ist der größte Teil des von der Kathode 3 abgegebenen Fluides Stickstoff. Wenn Stickstoff in die Flüssigkeit 21 in den Sammeltank 20 eingeleitet wird, wird die Flüssigkeit mit Blasen versetzt, was ein Geräusch oder dergleichen verursacht. Daher wird bevorzugt, zu ermöglichen, dass das Kathodenfluid in den Sammeltank 20 von seinem oberen Abschnitt strömt, und zu ermöglichen, dass solche Gase wie beispielsweise Stickstoff sofort nach außen abgegeben werden.
  • Eine Verringerung der durch die Brennstoffzelle erzeugten Energie bedeutet eine geringere Menge an erforderlichem Brennstoff, was zu einer erhöhten Menge an von der Anode 2 abgegebenen Fluid führt. Andersherum führt eine Erhöhung der durch die Brennstoffzelle erzeugten Energie zu einer verringerten Menge an Fluid, das von der Anode 2 abgegeben wird. Die Erhöhung der Strömungsrate der Brennstoffpumpe 23 oder die Verringerung der Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe 25 zum Erhöhen der Konzentration der wässrigen Brennstofflösung führt zu einem erhöhten sogenannten Brennstoff-Crossover, und als ein Ergebnis wird die Menge an Wasser, die durch die Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff an der Kathode 3 erzeugt wird, erhöht. Die Erhöhung von sowohl der Strömungsrate der Brennstoffpumpe 23 als auch der Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe 25 zum Erhöhen des überschüssigen Brennstoffs führt immer noch zu einem verstärkten Brennstoff-Crossover.
  • Eine Erhöhung der Strömungsrate der Luftpumpe 24 führt zu einer Erhöhung der Menge an Feuchtigkeit, die von der Brennstoffzelle aufgrund der Luftströmung verlorengeht, und als ein Ergebnis wird die Menge an Feuchtigkeit, die von der Kathode 3 abgegeben wird, erhöht. Da die Temperatur der Brennstoffzelle höher als die Temperatur der Luft ist, kondensiert die in dem Kathodenfluid enthaltene Feuchtigkeit, wenn sie von der Brennstoffzelle abgegeben wird. Indem ermöglicht wird, dass das kondensierte Wasser in den Sammeltank 20 strömt, kann das Wasser von dem Kathodenfluid gesammelt werden.
  • Das Brennstoffzellensystem aus 3 hat einen kathodenseitigen Radiator 29, durch den das Kathodenfluid tritt. Zumindest ein Teil des Kathodenfluides tritt durch den kathodenseitigen Radiator 29 und strömt dann in den Sammeltank 20. Der kathodenseitige Radiator 29 wird durch einen (nicht gezeigten) Kathodenseitenradiatorkühllüfter gekühlt. In diesem Aufbau kann in dem Kathodenfluid enthaltenes Wasser in einer hochgradig effizienten Weise kondensiert werden, und daher kann eine größere Menge an Wasser in dem Sammeltank 20 gesammelt werden. Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren mit einem anodenseitigen Radiator, durch den das Anodenfluid tritt, und einem Anodenseitenradiatorkühllüfter zum Kühlen des anodenseitigen Radiators ausgestattet sein. Es sollte hierbei beachtet werden, dass aufgrund der Erfordernisse, den anodenseitigen Raum zu einem umschlossenen Raum zu gestalten, das Kathodenfluid und das Anodenfluid nicht durch die gleiche Route verteilt werden können. In dem Fall, bei dem ermöglicht wird, dass beide Fluide durch einen Radiator treten, müssen zwei Radiatoren für die Kathode und die Anode vorgesehen sein. Das Brennstoffzellensystem kann lediglich einen anodenseitigen Radiator und einen Kühllüfter für diesen haben, ohne dass es einen kathodenseitigen Radiator und einen Kühllüfter für diesen hat.
  • In dem Fall, bei dem ein Radiator vorgesehen ist, kann die Betriebssteuereinrichtung 28 zumindest einen ausgewählten Parameter aus der Gruppe steuern, die aus folgendem besteht: die Strömungsrate des Anodenseitenradiatorkühllüfters und die Strömungsrate des Kathodenseitenradiatorkühllüfters auf der Basis des Volumens der Flüssigkeit 21, das durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 erfasst wird. In diesem Fall fungiert das Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 und des Anodenseitenradiatorkühllüfters und das Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 und des Kathodenseitenradiatorkühllüfters jeweils als ein Teil der Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung (Steuereinrichtung für das gesammelte Volumen). Daher ist die Betriebssteuereinrichtung 28 mit dem Anodenseitenradiatorkühllüfter und dem Kathodenseitenradiatorkühllüfter verbunden.
  • Die Erhöhung der Strömungsrate des Radiatorkühllüfters verringert die Temperatur des Radiators, und als ein Ergebnis wird die kondensierte Menge an gasartigem Wasser und wässriger Brennstofflösung, die in dem Fluid enthalten ist, erhöht. Daher kann eine größere Menge an Flüssigkeit in dem Sammeltank 20 gesammelt werden.
  • Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren mit einem Stapelkühllüfter zum Kühlen der Brennstoffzelle (des Brennstoffzellenstapels) ausgestattet sein. Zu diesem Zeitpunkt kann die Betriebssteuereinrichtung 28 auch die Strömungsrate des Stapelkühllüfters auf der Basis des Volumens der Flüssigkeit 21, das durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 erfasst wird, steuern. Das Erhöhen der Strömungsrate des Stapelkühllüfters verringert die Temperatur der Brennstoffzelle, und als ein Ergebnis wird die Menge an gasartigem Wasser und an wässriger Brennstofflösung, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird, verringert, während die Menge an Fluid, die als Tropfen abgegeben wird, erhöht wird. In diesem Fall fungiert das Zusammenwirken der Betriebssteuereinrichtung 28 und des Stapelkühllüfters als ein Teil der Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung (Steuereinrichtung für das gesammelte Volumen).
  • Indem der normale Betriebszustand in der vorstehend beschriebenen Weise gesteuert wird, kann das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank effizient gesteuert werden. Die Abgabeleistung von jeder Komponente des Brennstoffzellensystems kann kontinuierlich und schrittweise in Abhängigkeit von dem Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank variiert werden. Beispielsweise kann die Energie, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, in zwei Schritten in Abhängigkeit von dem Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank gesteuert werden. Das Volumen der Flüssigkeit 21 wird nicht unbedingt kontinuierlich gesteuert, und es ist ausreichend, wenn es schrittweise gesteuert wird. Eine schrittweise Steuerung wird bevorzugt, da diese einfacher gestaltet werden kann und die Anzahl an Teilen und die Kosten des Brennstoffzellensystems mit Leichtigkeit verringert werden können.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank so gesteuert, dass es gleich wie oder größer als der erste untere Grenzwert ist; jedoch wird in dem Fall, bei dem eine Betriebssteuerung nicht in geeigneter Weise ausgeführt werden kann, wie beispielsweise in dem Fall einer Anormalität, angenommen, dass das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank bis unterhalb des ersten unteren Grenzwertes abfällt. In einem derartigen Fall wird eine Warnung für ein dringendes Ergänzen von Wasser zu dem Sammeltank 20 vorzugsweise in einer Form, wie sie durch den Anwender erkennbar ist, ausgegeben. Die Warnung kann visuell erkennbar oder hörbar erkennbar, wie beispielsweise eine Stimme, sein.
  • Nachstehend ist jede Komponente des Direktoxidationsbrennstoffzellensystems unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Es sollte hierbei beachtet werden, dass jede Komponente nicht auf jene Komponenten beschränkt ist, die nachstehend beschrieben sind.
  • Die Kathode 3 hat eine Kathodenkatalysatorlage 8 in Kontakt mit der Elektrolytmembran 4 und eine Kathodendiffusionslage 9 in Kontakt mit dem kathodenseitigen Separator 11. Die Kathodendiffusionslage 9 hat beispielsweise eine elektrisch leitfähige wasserabstoßende Lage in Kontakt mit der Kathodenkatalysatorlage und eine Substratlage in Kontakt mit dem kathodenseitigen Separator 11.
  • Die Kathodenkatalysatorlage 8 hat einen Kathodenkatalysator und ein Polymerelektrolyt. Der Kathodenkatalysator ist vorzugsweise ein Edelmetall, wie beispielsweise PT, mit einer hohen katalytischen Aktivität. Der Kathodenkatalysator kann mit oder ohne eine Abstützung angewendet werden. Die Abstützung ist vorzugsweise ein Kohlenstoffmaterial, wie beispielsweise Ruß (Carbon Black) im Hinblick auf seine ausgezeichnete elektronische Leitfähigkeit und Säurewiderstandsfähigkeit. Das Polymerelektrolyt ist vorzugsweise ein protonleitfähiges Material, wie beispielsweise ein Perfluorssulfonsäurepolymermaterial oder ein Kohlenwasserstoffpolymermaterial. Beispiele des Perfluorsulfonsäurepolymermaterials umfassen Nafion (eingetragene Marke).
  • Die Anode 2 hat eine Anodenkatalysatorlage 6 in Kontakt mit der Elektrolytmembran 4 und eine Anodendiffusionslage 7 in Kontakt mit dem anodenseitigen Separator 10. Die Anodendiffusionslage 7 hat beispielsweise eine elektrisch leitfähige wasserabstoßende Lage in Kontakt mit der Anodenkatalysatorlage 6 und eine Substratlage in Kontakt mit dem anodenseitigen Separator 10.
  • Die Anodenkatalysatorlage 6 hat einen Anodenkatalysator und ein Polymerelektrolyt. Der Anodenkatalysator ist vorzugsweise ein PT-RU-Legierungskatalysator im Hinblick auf das Verringern einer Katalysatorvergiftung durch Kohlenmonoxid. Der Anodenkatalysator kann mit oder ohne eine Abstützung verwendet werden. Die Abstützung kann ein Kohlenstoffmaterial wie jenes, das für den Kathodenkatalysator verwendet wird, sein. Das in der Anodenkatalysatorlage 6 enthaltene Polymerelektrolyt kann ein Material wie jenes, das für die Kathodenkatalysatorlage 8 verwendet wird, sein.
  • Die leitfähigen wasserabstoßenden Lagen der Anodendiffusionslage und Kathodendiffusionslage 7 und 9 haben jeweils ein leitfähiges Material und ein wasserabweisendes Material. Das leitfähige Material, das in der leitfähigen wasserabweisenden Lage umfasst ist, kann ein beliebiges leitfähiges Material, wie beispielsweise Ruß (Carbon Black), sein, das gewöhnlich auf dem Gebiet der Brennstoffzellen verwendet wird. Das wasserabweisende Material, das in der leitfähigen wasserabweisenden Lage umfasst ist, kann ein beliebiges wasserabweisendes Material sein, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), das gewöhnlich auf dem Gebiet der Brennstoffzellen verwendet wird.
  • Die Substratlage ist aus einem leitfähigen porösen Material hergestellt. Das leitfähige poröse Material kann ein beliebiges leitfähiges poröses Material, wie beispielsweise Kohlepapier, sein, das üblicher Weise auf dem Gebiet der Brennstoffzellen verwendet wird. Diese porösen Materialien können ein wasserabstoßendes Material enthalten, so dass die Diffusion von Brennstoff und das Entfernen des Produktes Wasser verbessert werden können. Das wasserabweisende Material kann ein Material wie jenes sein, das in der leitfähigen wasserabweisenden Lage umfasst ist.
  • Die Elektrolytmembran 4 kann beispielsweise eine beliebige protonenleitfähige Polymermembran sein, die herkömmlich im Stand der Technik verwendet wird. Bevorzugte Beispiele von dieser umfassen eine Perfluorsulfonsäurepolymermembran und eine Kohlenwasserstoffpolymermembran. Beispiele der Perfluorsulfonsäurepolymermembran umfassen Nafion (eingetragene Marke).
  • Die Direktoxidationsbrennstoffzelle von 1 kann beispielsweise durch das folgende Verfahren hergestellt werden. Die MEA 5 wird hergestellt, indem die Anode 2 an einer Oberfläche der Elektrolytmembran 4 und die Kathode 3 mit der anderen Oberfläche beispielsweise durch Heißpressen verbunden wird. Die MEA 5 wird dann zwischen dem anodenseitigen Separator 10 und dem kathodenseitigen Separator 11 sandwichartig angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Dichtungen 14 und 15 zum Abdichten der Anode 2 und der Kathode 3 der MEA 5 jeweils angeordnet. Danach werden der anodenseitige Separator 10 und der kathodenseitige Separator 11 zwischen den Stromsammelplatten 16 und 17 und zwischen den Endplatten 18 und 19 sandwichartig angeordnet und sie werden geklemmt. Außerdem kann eine Heizeinrichtung für eine Temperatursteuerung an den Außenseiten der Endplatten 18 und 19 laminiert werden.
  • (Ausführungsbeispiel 2)
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat eine Direktoxidationsbrennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel) mit einer Anode und einer Kathode, einer Luftpumpe zum Liefern von Luft zu der Kathode, einer Flüssigkeitszuführpumpe zum Liefern einer wässrigen Brennstofflösung zu der Anode, einem Sammeltank zum Sammeln einer Flüssigkeit inklusive Wasser und unverwendetem Brennstoff von dem Fluid, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, einem Brennstofftank und einer Brennstoffpumpe zum Liefern von Brennstoff zu dem Brennstofftank. Die in dem Sammeltank befindliche Flüssigkeit wird mit dem Brennstoff, der von dem Brennstofftank geliefert wird, vermischt und wird dann als eine wässrige Brennstofflösung zu der Anode geliefert. Der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems wird durch eine Betriebssteuereinrichtung gesteuert. Das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank wird durch eine Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung erfasst.
  • Anders ausgedrückt ist der grundsätzliche Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel ähnlich wie jener des Brennstoffzellensystems gemäß Ausführungsbeispiel 1 (beispielsweise ein Ausführungsbeispiel aus 3). Der Aufbau der Brennstoffzelle ist außerdem ähnlich wie jener in 1. Demgemäß kann das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel exakt die gleichen Funktionen wie das Brennstoffzellensystem gemäß Ausführungsbeispiel 1 haben.
  • Der Unterschied ist, dass das Brennstoffzellensystem von diesem Ausführungsbeispiel mit einer Energieversorgung zum Liefern von elektrischer Energie zu zumindest der Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung, während der Betrieb beendet ist, ausgestattet ist. Während des beendeten Betriebs befiehlt, wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank bis unterhalb eines zweiten unteren Grenzwertes abfällt, die Betriebssteuereinrichtung dem Brennstoffzellensystem ein automatisches Ausführen eines Hilfsvorgangs (Hilfsbetrieb) für eine bestimmte Zeitspanne. Während des Hilfsvorgangs wird Flüssigkeit inklusive Wasser und unverwendetem Brennstoff von dem Fluid, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, gesammelt, wodurch das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank erhöht werden kann.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus des Direktoxidationsbrennstoffzellensystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die gleichen Bauteile sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Während des beendeten Betriebs, wie beispielsweise während einer über eine lange Zeitdauer lang anhaltende Lagerung des Brennstoffzellensystems, tritt eine Dissipation von in dem Sammeltank gehaltenem Wasser auf. Als solches wird sogar dann, wenn das Volumen der in dem Sammeltank bleibenden Flüssigkeit 21 gleich wie oder größer als der erste untere Grenzwert zu dem Zeitpunkt ist, bei dem der normale Betrieb des Brennstoffzellensystems angehalten worden ist, vorhergesagt, dass in dem Brennstoffzellensystem während des beendeten Betriebs die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank allmählich abnehmen wird. Als eine Gegenmaßnahme ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Energieversorgung 30 für ein Liefern von elektrischer Energie zu zumindest der Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems vorgesehen, so dass die Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank sogar während des beendeten Betriebs überwacht werden kann. Die durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 erfasste Information wird periodisch zu der Betriebssteuereinrichtung 28 übertragen. Wenn das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank bis unterhalb eines zweiten unteren Grenzwertes abfällt, aktiviert die Betriebssteuereinrichtung 28 automatisch das Brennstoffzellensystem. Bei der Aktivierung wird ein Hilfsvorgang zum Erhöhen des Volumens der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank eine bestimmte Zeitspanne lang ausgeführt. Der Hilfsvorgang wird automatisch ausgeführt, ohne dass eine Betätigung durch den Anwender erforderlich ist.
  • Beispiele der Energieversorgung 30 zum Liefern von Energie zu zumindest der Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems umfassen verschiedene chemische Batterien, wie beispielsweise Trockenbatterien und Lithiumionensekundärbatterien. Üblicherweise muss beim Aktivieren des Brennstoffzellensystems Energie auch zu den Bauteilen geliefert werden, wie beispielsweise die Luftpumpe 24, die Flüssigkeitszuführpumpe 25 und die Brennstoffpumpe 23. Daher kann die Energieversorgung 30 zum Liefern von Energie zu der Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 die gleiche wie jene für das Liefern von Energie zu diesen Bauteilen sein. Die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 hat vorzugsweise einen geringen Energieverbrauch, so dass die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung 27 fortlaufend mit Energie beliefert wird sogar während eines über eine lange Zeitspanne lang erfolgenden Lagerns des Brennstoffzellensystems.
  • Während des Hilfsbetriebs des Brennstoffzellensystems wird von der Kathode 3 Wasser, das durch die Energieerzeugungsreaktion und durch die Reaktion des Brennstoff-Crossovers, der durch die Elektrolytmembran 4 hindurchgedrungen ist, erzeugt wird, gesammelt. Von der Anode 2 wird nicht verwendete wässrige Brennstofflösung gesammelt. Indem ermöglicht wird, dass die Betriebssteuereinrichtung 28 das gesammelte Volumen der Flüssigkeit in einer Weise steuert, die ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel 1 ist, kann das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank auf einen vorbestimmten Wert erhöht werden, der größer als der zweite untere Grenzwert ist.
  • Der zweite untere Grenzwert der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank kann in geeigneter Weise gemäß dem Aufbau des Brennstoffzellensystems bestimmt werden. Es sollte hierbei beachtet werden, dass jedoch der zweite untere Grenzwert zumindest größer als Null sein soll. Der zweite untere Grenzwert wird außerdem derart festgelegt, dass während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems die Anodenfluidsammelöffnung stets unter dem Flüssigkeitspegel des Sammeltanks in der Richtung der Schwerkraft positioniert ist. Dies kann das Eintreten von Luft in den anodenseitigen Raum sogar dann verhindern, wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank aufgrund des beendeten Betriebs in hohem Maße variiert.
  • Um eine ausreichende Menge an wässriger Brennstofflösung zu der Anode der Brennstoffzelle zum Betätigen des Brennstoffzellensystems zu liefern, wird der zweite untere Grenzwert wie der erste untere Grenzwert in Ausführungsbeispiel 1 vorzugsweise derart festgelegt, dass das Volumen der Flüssigkeit, die oberhalb der Anodenfluidsammelöffnung vorhanden ist, 1,5 bis 5-mal so groß wie das Volumen des anodenseitigen Raumes ist. Anders ausgedrückt kann, wenn die Anodenfluidsammelöffnung an dem Boden oder in der Nähe des Bodens des Sammeltanks vorgesehen ist, ein Volumen von 1,5 bis 5-mal so groß wie das Volumen des anodenseitigen Raums als der zweite untere Grenzwert festgelegt werden.
  • Der erste untere Grenzwert und der zweite untere Grenzwert können unterschiedlich sein, jedoch wird bevorzugt, dass sie gleich sind, da die Steuerung des Brennstoffzellensystems dann vereinfacht werden kann. In diesem Fall kann während sowohl des normalen Betriebs als auch während des beendeten Betriebs das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank gleich wie oder größer als ein gemeinsamer unterer Grenzwert gehalten werden.
  • Bei dem Hilfsbetrieb kann die Betriebssteuereinrichtung zumindest einen Parameter steuern, der aus der Gruppe gewählt wird, die aus folgendem besteht: die elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, die Strömungsrate der Luftpumpe, die Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe, die Strömungsrate der Brennstoffpumpe, die Strömungsrate des Anodenseitenradiatorkühllüfters, die Strömungsrate des Kathodenseitenradiatorkühllüfters und die Strömungsrate des Stapelkühllüfters, um eine Abgabeleistung zu erzielen, die sich von derjenigen in dem normalen Betrieb unterscheidet. Insbesondere wird die Abgabeleistung von jeder Komponente des Brennstoffzellensystems so gesteuert, dass das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank in effizienter Weise durch den Hilfsbetrieb innerhalb einer kurzen Zeitspanne erhöht werden kann. Die Bedingungen für den normalen Betrieb sind, zum Steuern der Abgabeleistung von jeder Komponente des Brennstoffzellensystems derart, dass das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank sich nicht signifikant erhöht oder verringert, und daher kann eine lange Zeitspanne erforderlich sein, um das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank zu erhöhen. Selbst wenn die Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle nicht ausgeführt wird, wird, wenn ein derartiger Hilfsvorgang ausgeführt wird, der ein Brennstoff-Crossover bewirkt, Wasser an der Kathode 3 erzeugt, und somit kann das Wasser gesammelt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank so gesteuert, dass es gleich wie oder größer als der erste oder zweite untere Grenzwert ist; jedoch kann beispielsweise in dem Fall einer Anormalität das Volumen der Flüssigkeit 21 in dem Sammeltank noch unterhalb des ersten oder zweiten unteren Grenzwertes sogar dann sein, nachdem der Hilfsbetrieb eine bestimmte Zeitspanne lang ausgeführt wird. In einem derartigen Fall wird eine Warnung zum dringenden Ergänzen von Wasser zu dem Sammeltank 20 vorzugsweise in einer Form ausgegeben, die durch den Anwender erkennbar ist. Die Warnung kann visuell wahrnehmbar oder hörbar wahrnehmbar, wie beispielsweise eine Stimme, sein. Der Warnung kann eine Bewegung zum automatischen Anhalten des Hilfsbetriebs folgen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand von Beispielen spezifisch beschrieben. Die folgenden Beispiele sollen jedoch die vorliegende Erfindung nicht einschränken.
  • Beispiel 1
  • (a) Ausbilden der Kathodenkatalysatorlage
  • Ein gestützter Kathodenkatalysator, der einen Kathodenkatalysator und eine Katalysatorabstützung zum Abstützen des Kathodenkatalysators hat, wurde vorbereitet. Ein PT-Katalysator wurde als der Kathodenkatalysator verwendet. Ruß/Carbon Black (Handelsname: Ketjen Black ECP, erhältlich von der Ketjen Black International Company Ltd.) wurde als die Katalysatorabstützung verwendet. Das Gewichtsverhältnis des PT-Katalysators gegenüber dem Gesamtgewicht an PT-Katalysator und Ruß/Carbon Black betrug 50 Gewichts-%.
  • Eine Dispersion des abgestützten Kathodenkatalysators in einer wässrigen Isopropanollösung wurde mit einer Dispersion aus Nafion (eingetragene Marke) (5 Gewichts-% Nafionlösung, erhältlich von der Sigma-Aldrich Japan KK), das als ein Polymerelektrolyt dient, vermischt, um eine Tinte zum Ausbilden einer Kathodenkatalysatorlage vorzubereiten. Die Tinte zum Ausbilden einer Kathodenkatalysatorlage wurde auf ein Blatt aus Polytetrafluorethylen (PTFE) mittels Rakelklingenauftragung aufgetragen und wurde getrocknet, um eine Kathodenkatalysatorlage auszubilden.
  • (b) Ausbilden der Anodenkatalysatorlage
  • Ein PT-RU-Legierungskatalysator (PT:RU = 1:1 (atomisches Verhältnis)) wurde als ein Anodenkatalysator verwendet. Eine Anodenkatalysatorlage wurde in der gleichen Weise wie die Kathodenkatalysatorlage mit der Ausnahme ausgebildet, dass der Anodenkatalysator anstelle des Kathodenkatalysators angewendet wurde. Das Gewichtsverhältnis des PT-RU-Katalysators gegenüber dem Gesamtgewicht aus PT-RU-Katalysator und Ketjen-Black betrug 50 Gewichts-%.
  • (c) Vorbereitung einer Paste zum Ausbilden der leitfähigen wasserabweisenden Lage
  • Eine Dispersion aus einem wasserabweisenden Material und einem leitfähigen Material wurde dispergiert und in Ionenaustauschwasser, zu dem ein vorbestimmtes Oberflächenmittel hinzugefügt worden ist, vermischt, um eine Paste zum Ausbilden einer leitfähigen wasserabstoßenden Lage vorzubereiten. Eine PTFE-Dispersion (PTFE-Gehalt: 60 Masse-%, erhältlich von der Sigma-Aldrich Japan KK) wurde als die Dispersion des wasserabweisenden Materials verwendet. Acetylenblack (DENKA BLACK, erhältlich von der Denki Kagaku Kogyo KK) wurde als das leitfähige Material verwendet.
  • (d) Ausbilden der Substratlage
  • Ein Kohlenstoffpapier (Kohlepapier) (TGP-H-090, Dicke: 270 μm, erhältlich von der Toray Industries Inc.) wurde als das leitfähige poröse Material verwendet, das die Anodensubstratlage der Anodendiffusionslage bildet. Das Kohlepapier wurde in eine PTFE-Dispersion (erhältlich von der Sigma-Aldrich Japan KK) die PTFE enthält, das als ein wasserabstoßendes Material dient, eingetaucht und getrocknet. In dieser Weise wurde das Kohlepapier wasserabstoßend gestaltet.
  • Ein Kohlenstoffgewebe (AvCarb (eingetragene Marke) 1071HCB, erhältlich von der Ballard Material Products Inc.) wurde als das leitfähige poröse Material verwendet, das die Kathodensubstratlage der Kathodendiffusionslage bildet. Dieses Kohlenstoffgewebe wurde auch in der gleichen Weise, wie dies vorstehend beschrieben ist, wasserabstoßend gestaltet.
  • (e) Ausbilden der Anodendiffusionslage und der Kathodendiffusionslage
  • Die Paste zum Ausbilden einer leitfähigen wasserabstoßenden Lage, die bei (c) vorbereitet wurde, wurde auf eine Seite der in (d) ausgebildeten Anodensubstratlage aufgetragen und dann getrocknet, um eine Anodendiffusionslage auszubilden. In ähnlicher Weise wurde die Paste zum Ausbilden einer leitfähigen wasserabstoßenden Lage, die bei (c) vorbereitet wurde, auf eine Seite der bei (d) ausgebildeten Kathodensubstratlage aufgetragen und dann getrocknet, um eine Kathodendiffusionslage auszubilden.
  • (f) Herstellung der Membranelektrodenbaugruppe (MEA)
  • Die auf dem PTFE-Blatt bei (a) ausgebildete Kathodenkatalysatorlage wurde auf einer Seite einer Elektrolytmembran (Handelsname: Nafion (eingetragene Marke) 112, erhältlich von der E. I. Du Pont de Nemours & Co. Inc.) angeordnet, und die auf dem PTFE-Blatt bei (b) ausgebildete Anodenkatalysatorlage wurde auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Kathodenkatalysatorlage in Kontakt mit der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnet, und die Anodenkatalysatorlage wurde in Kontakt mit deren anderer Seite angeordnet. Danach wurden die Kathodenkatalysatorlage und die Anodenkatalysatorlage mit der Elektrolytmembran durch ein Heißpressen verbunden, und die PTFE-Blätter wurden von der Kathodenkatalysatorlage und der Anodenkatalysatorlage entfernt.
  • Anschließend wurde die Kathodendiffusionslage mit der Kathodenkatalysatorlage verbunden, und die Anodendiffusionslage wurde mit der Anodenkatalysatorlage verbunden, und zwar durch Heißpressen. In dieser Weise wurde eine Membranelektrodenbaugruppe auf MEA hergestellt.
  • (g) Herstellung der Brennstoffzelle
  • Eine Gummidichtung wurde an jede Seite der Elektrolytmembran, die an dem Umfang der MEA freigelegt war, eingesetzt, um den gesamten freigelegten Abschnitt der Elektrolytmembran zu bedecken. Anschließend wurde die MEA zwischen einem anodenseitigen Separator und einem kathodenseitigen Separator sandwichartige angeordnet. Der anodenseitige Separator war mit einem Brennstoffströmungskanal für ein Liefern von Brennstoff an seiner Oberfläche versehen, die mit der Anode in Kontakt zu bringen war. Der kathodenseitige Separator wurde mit einem Oxidationsmittelströmungskanal zum Liefern eines Oxidationsmittels an seiner Oberfläche versehen, die mit der Kathode in Kontakt zu bringen war. Die Strömungskanäle wurden jeweils in einer serpentinartigen Form ausgebildet. In dieser Weise wurde eine Zelleneinheit einer Direktoxidationsbrennstoffzelle erlangt.
  • In einer ähnlichen Weise wurden zehn Zelleneinheiten insgesamt hergestellt und übereinander gestapelt. Anschließend wurden an der Außenseite von jedem der anoden- und kathodenseitigen Separatoren, die an beiden Enden positioniert waren, eine Stromsammlerplatte, eine Isolatorplatte und eine Endplatte in dieser Reihenfolge angeordnet. Der sich ergebende Stapel wurde mit einer vorbestimmten Klemmeinrichtung geklemmt. An der Außenseite jeder Endplatte wurde eine Heizeinrichtung für eine Temperatureinstellung laminiert. Ein Sammelrohr wurde an den Kathodeneinlässen der Zellen angebracht, um diese zu einem Stück zu vereinigen. In ähnlicher Weise wurden Sammelrohre an den Kathodenfluidauslässen, den Anodeneinlässen und den Anodenfluidauslässen der Zellen jeweils angebracht, um diese zu einem Stück zu vereinigen. In dieser Weise wurde ein Direktoxidationsbrennstoffzellenstapel erhalten.
  • (h) Herstellung des Brennstoffzellensystems
  • Eine Massenströmungssteuereinrichtung wurde mit dem Sammelrohr, das die Kathodeneinlässe des bei (g) hergestellte Brennstoffzellenstapel vereinigte, verbunden, und eine Harzröhre wurde mit dem Sammelrohr verbunden, der die Kathodenfluidauslässe vereinigte. Eine Flüssigkeitszuführpumpe wurde mit dem Sammelrohr, das die Anodeneinlässe vereinigte, verbunden, und eine Harzröhre wurde mit dem Sammelrohr verbunden, das die Anodenfluidauslässe vereinigte. Die Harzröhre des Kathodenfluidauslasses wurde in einen Abfallflüssigkeitstank eingeleitet, und die Harzröhre des Anodenfluidauslasses wurde in einen Sammeltank eingeleitet.
  • Der Sammeltank war ein rechteckiger Kunststoffcontainer mit einem Fassungsvermögen von 100 mL. Zunächst wurden 50 mL an Ionenaustauschwasser in den Sammeltank gegossen und dann wurde die Öffnung (Anodenfluidsammelöffnung) der Harzröhre des Anodenfluidauslasses eingeführt, bis sie mit dem Boden des Sammeltanks in Kontakt gelangte, um zu ermöglichen, dass das von der Anode abgegebene Fluid in die Flüssigkeit in dem Sammeltank strömt. Ein Ablauf wurde an der Seitenfläche des Sammeltanks an einer Position vorgesehen, an der das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank 50 mL betrug, und eine Harzröhre wurde damit verbunden und in den Abfallflüssigkeitstank eingeleitet. Die Harzröhre des Kathodenfluidauslasses und die Harzröhre von dem Ablauf wurden in den Abfallflüssigkeitstank von oben eingeführt. In dieser Weise wurde ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem von Beispiel 1 erhalten. In diesem Brennstoffzellensystem bildet der Ablauf, der an der Seitenfläche des Sammeltanks vorgesehen ist, eine Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung.
  • Das Volumen des anodenseitigen Raums in diesem Brennstoffzellensystem – gemessen von der Flüssigkeitszuführpumpe zu der Anodenfluidsammelöffnung in der Flüssigkeit in dem Sammeltank – betrug 15 mL.
  • Beispiel 2
  • Ein Brennstoffzellenstapel wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt. Eine Massenströmungssteuereinrichtung wurde mit dem Sammelrohr, das die Kathodeneinlässe des Brennstoffzellenstapels vereinigte, verbunden, und eine Harzröhre wurde mit dem Sammelrohr verbunden, das die Kathodenfluidauslässe vereinigte. Eine Harzeröhre wurde mit dem Sammelrohr verbunden, das die Anodenfluidauslässe vereinigte. Die Harzröhre des Kathodenfluidauslasses und die Harzröhre des Anodenfluidauslasses wurden beide in einen Sammeltank eingeführt.
  • Der Sammeltank war ein rechteckiger Kunststoffbehälter mit einem Fassungsvermögen von 100 mL. Zunächst wurden 50 mL an Ionenaustauschwasser in den Sammeltank gegossen, dann wurde die Harzröhre des Anodenfluidauslasses eingeführt, bis sie mit dem Boden des Sammeltanks in Kontakt gelangte, um zu ermöglichen, dass das von der Anode abgegebene Fluid in die Flüssigkeit strömte. Die Harzröhre des Kathodenfluidauslasses wurde in den oberen Abschnitt des Sammeltanks eingeführt, und die Abdeckung des Wassersammeltanks wurde mit einem porösen Film bedeckt.
  • Ein Flüssigkeitszuführloch wurde an der Seitenfläche des Sammeltanks an einem am weitesten unten befindlichen Abschnitt des Tanks vorgesehen und mit einer Flüssigkeitszuführpumpe verbunden, und die Flüssigkeitszuführpumpe wurde dann mit dem Sammelrohr verbunden, das die Anodeneinlässe vereinigte. Zu dem Sammeltank wurde 10 mol/L Methanol über eine Brennstoffpumpe von einem Brennstofftank geliefert, um die Flüssigkeit in dem Sammeltank so einzustellen, dass sie eine wässrige 1 mol/L Methanollösung wurde. Ein kapazitiver Wasserpegelsensor wurde so angebracht, dass zwei gegenüberstehende Seitenflächen des Sammeltanks sandwichartig angeordnet sind.
  • Der Wasserpegelsensor, die Brennstoffpumpe und die Flüssigkeitszuführpumpe wurden mit einem Informationsprozessor verbunden, der als eine Betriebssteuereinrichtung diente, um zu ermöglichen, dass der Informationsprozessor ein Steuerprogramm, wie dies nachstehend beschrieben ist, ausführt.
  • Wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank, das durch den Wasserpegelsensor erfasst wurde, weniger als 30 mL betrug, wurde die Strömungsrate der Brennstoffpumpe erhöht, und die Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe wurde verringert, um vorübergehend eine wässrige Brennstofflösung mit einer hohen Konzentration zu der Anode zu liefern. Wenn das Flüssigkeitsvolumen über 60 mL lag, wurde die Strömungsrate der Brennstoffpumpe verringert und wurde die Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe erhöht, um vorübergehend eine wässrige Brennstofflösung mit einer geringen Konzentration zu der Anode zu liefern.
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem von Beispiel 2 wurde somit erhalten. In diesem Brennstoffzellensystem fungierten ein Zusammenwirken des Informationsprozessors und der Brennstoffpumpe und ein Zusammenwirken des Informationsprozessors und der Flüssigkeitszuführpumpe als eine Volumensteuereinrichtung für das gesammelte Fluid, und sie wirkten zusammen als eine Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung zum Steuern des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank. Der Informationsprozessor agierte als ein Teil der Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung.
  • Das Volumen des anodenseitigen Raums in diesem Brennstoffzellensystem – gemessen von der Flüssigkeitszuführpumpe zu der Flüssigkeit in dem Sammeltank – betrug 15 mL.
  • Beispiel 3
  • Ein Brennstoffzellenstapel wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt. Außerdem wurden ein kathodenseitiger Radiator und ein Kathodenseitenradiatorkühllüfter angewendet. Genauer gesagt wurde das Sammelrohr, das die Kathodenfluidauslässe der Zelleneinheiten vereinigte, mit einem Radiator unter Verwendung einer Harzröhre verbunden. Dem von der Kathode abgegebenen Kathodenfluid wurde ermöglicht, dass es durch den Radiator trat und dann in den Sammeltank strömte.
  • Der Wasserpegelsensor und der Radiatorkühllüfter wurden mit einem Informationsprozessor, der als eine Betriebssteuereinrichtung diente, verbunden, um zu ermöglichen, dass der Informationsprozessor ein Steuerprogramm ausführte, bei dem: wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank unter 30 mL war, die Strömungsrate des Radiatorkühllüfters erhöht wurde; und wenn es über 60 mL war, die Strömungsrate des Radiatorkühllüfters verringert wurde.
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem von Beispiel 3 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 2 mit Ausnahme der vorstehend aufgeführten Darlegungen erhalten. In diesem Brennstoffzellensystem bildete das Zusammenwirken des Informationsprozessors und des Radiatorkühllüfters eine Flüssigkeitsvolumensteuereinrichtung.
  • Das Volumen des anodenseitigen Raums in diesem Brennstoffzellensystem – gemessen von der Flüssigkeitszuführpumpe zu der Flüssigkeit in dem Sammeltank – betrug 15 mL.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Ein Brennstoffzellenstapel wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt. Der Sammeltank wurde nicht vorgesehen und eine wässrige Brennstofflösung, die zuvor vorbereitet worden ist, wurde zu der Anode geliefert. Die Harzröhre, die mit dem die Anodenfluidauslässe vereinigenden Sammelrohr verbunden war, wurde in den Abfallflüssigkeitstank von oben eingeführt, wodurch das Ende der Harzröhre zu der Luft hin offen war. Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem des Vergleichsbeispiels 1 wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit Ausnahme der vorstehend erläuterten Darlegung erhalten.
  • Beispiel 4
  • Ein Brennstoffzellenstapel wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt. Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem des Vergleichsbeispiels 2 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 3 erhalten, mit der Ausnahme, dass ermöglicht wurde, dass der Informationsprozessor ein Steuerprogramm ausführt, bei dem: wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank unterhalb 5 mL war, die Strömungsrate des Radiatorkühllüfters erhöht wurde; und wenn es oberhalb 15 mL war, die Strömungsrate des Radiatorkühllüfters verringert wurde.
  • Das Volumen des anodenseitigen Raumes in diesem Brennstoffzellensystem – gemessen von der Flüssigkeitslieferpumpe zu der Flüssigkeit in dem Sammeltank – betrug 15 mL.
  • Auswertung der Lebensdauercharakteristika
  • Die erhaltenen Brennstoffzellensysteme der Beispiele 1 bis 4 und des Vergleichsbeispiels 1 wurden dem folgenden Normalbetrieb ausgesetzt, um deren Lebensdauercharakteristika auszuwerten.
  • Luft wurde zu der Kathode von jeder Zelleneinheit geliefert und eine wässrige 1 mol/L Methanollösung wurde zu der Anode geliefert. Der Erzeugungsstrom wurde konstant bei 150 mA/cm2 unter Verwendung einer elektronischen Lastvorrichtung eingestellt. Die Temperatur der Brennstoffzelle wurde bei 60°C gehalten, die Luftnutzrate wurde auf 50% eingestellt, und die Brennstoffnutzrate wurde auf 70% eingestellt. Die Energieerzeugungszeit wurde auf 60 Minuten lang festgelegt, woraufhin eine Ruhezeit für eine Länge von 60 Minuten folgte. Der vorstehend erläuterte Betrieb wurde als ein Zyklus erachtet, und 500 Zyklen wurden insgesamt wiederholt. Das Verhältnis aus einer durchschnittlichen Abgabeleistung bei dem fünfhundertsten Zyklus zu einer durchschnittlichen Abgabeleistung bei dem ersten Zyklus wurde berechnet. Die somit berechnete Abgabeleistungsretentionsrate wurde als die Lebensdauercharakteristik ausgewertet. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
    Gesteuerte Komponente Bereich an Flüssigkeitsvolumen im Sammeltank Retentionsrate der Abgabeleistung
    Beispiel 1 Ablauf bis zu 50 mL 95
    Beispiel 2 Brennstoffpumpe/Flüssigkeitszuführpumpe 30 bis 60 mL 92
    Beispiel 3 Radiatorkühllüfter 30 bis 60 mL 95
    Vergleichsbeispiel 1 keine 0 mL 53
    Beispiel 4 Radiatorkühllüfter 5 bis 15 mL 58
  • Die Brennstoffzellen der Beispiele 1 bis 3, bei denen ermöglicht wurde, dass das Anodenfluid in die Flüssigkeit in den Sammeltank strömt, um dadurch das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank so zu steuern, dass es größer als das Volumen des anodenseitigen Raumes wurde, zeigte eine verbesserte Lebensdauercharakteristik im Vergleich zu der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 1, bei dem das Anodenfluid zu der Luft offen war. In den Beispielen 1 bis 3 wurde während des beendeten Betriebs der Brennstoffzelle, da die Flüssigkeit in dem Sammeltank, die eine wässrige Brennstofflösung umfasste, in die Anode strömte, das Einleiten von Sauerstoff in die Anode vermieden, und das Anodenpotential wurde konstant niedrig gehalten. Es wurde als ein Ergebnis angenommen, dass die Verschlechterung der Anode vermieden wurde.
  • Die Lebensdauercharakteristik von Beispiel 2, bei dem die Strömungsraten der Brennstoffpumpe und der Flüssigkeitslieferpumpe gesteuert wurden, um das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank zu steuern, war etwas niedrig. Dies ist vermutlich so, weil die vorstehend erläuterte Steuerung bewirkt, dass die Brennstoffkonzentration vorübergehend ansteigt, was das MCO erhöht und die Verschlechterung der Kathode begünstigt.
  • Die Lebensdauercharakteristika der Beispiele 1 und 3 waren ungefähr auf gleichem Niveau. Es sollte hierbei beachtet werden, dass das Beispiel 1 so gestaltet wurde, dass überschüssige Flüssigkeit in dem Sammeltank durch den Ablauf abgegeben wurde, während Beispiel 3 so aufgebaut war, dass Tropfen von dem Brennstoffzellensystem nicht abgegeben wurden. Daher ist Beispiel 3 im Hinblick auf die Bequemlichkeit für den Anwender eher zu bevorzugen.
  • Die Lebensdauercharakteristik der Brennstoffzelle des Vergleichsbeispiels 2, bei dem das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank so gesteuert wurde, dass es geringer als das Volumen des anodenseitigen Raumes war, war im Vergleich zu derjenigen des Vergleichsbeispiels 1 verbessert, aber es handelte sich um eine geringfügige Verbesserung. Dies ist vermutlich so, weil das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank, das dazu in der Lage ist, in die Anode während des beendeten Betriebs zu strömen, unzureichend war, und in der Luft befindlicher Sauerstoff gelangte zu der Anode.
  • Die vorstehend aufgezeigten Ergebnisse zeigen, dass die vorliegende Erfindung ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem verbessern kann, so dass es eine verbesserte Lebensdauercharakteristik hat.
  • Beispiel 5
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 2 hergestellt. In diesem Beispiel wurde jedoch eine Lithiumionensekundärbatterie mit dem Wasserpegelsensor, der Brennstoffpumpe, der Flüssigkeitszuführpumpe und dem Informationsprozessor verbunden, so dass diese Komponenten konstant mit Energie beliefert wurden.
  • Wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank, das durch den Wasserpegelsensor während des beendeten Betriebs des Brennstoffzellensystems erfasst wurde, unter 20 mL war, wurde der Hilfsbetrieb des Brennstoffzellensystems automatisch ausgeführt, bis das Flüssigkeitsvolumen 50 mL überschritten hatte. In dem Hilfsbetrieb wurden die Strömungsraten der Brennstoffpumpe und der Flüssigkeitszuführpumpe höher als jene festgelegt, die während des normalen Betriebs empfohlen wurden, so dass die überschüssige Menge an wässriger Brennstofflösung, die zu dem Brennstoffzellenstapel zu liefern war, erhöht wurde.
  • Die Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe bei dem Hilfsbetrieb wurde auf 3,0 mL/Minute im Hinblick auf die Strömungsrate festgelegt, die bei dem normalen Betrieb bei 1,5 mL/Minute empfohlen wurde. Die Strömungsrate der Brennstoffpumpe bei dem Hilfsbetrieb wurde auf 0,6 mL/Minute festgelegt im Hinblick auf die in dem normalen Betrieb empfohlene Strömungsrate von 0,3 mL/Minute. Die durch den Brennstoffzellenstapel während des Hilfsbetriebs erzeugte Energie wurde zu der Lithiumionensekundärbatterie geladen. Die vorstehend erläuterte Steuerung wurde durch den Informationsprozessor ausgeführt. In dieser Weise wurde ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem von Beispiel 5 erhalten.
  • Beispiel 6
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 5 hergestellt. In diesem Beispiel wurden jedoch ein kathodenseitiger Radiator und ein Kathodenseitenradiatorkühllüfter angewendet. Insbesondere wurde wie in Beispiel 3 das Sammelrohr, das die Kathodenfluidauslässe der Zelleneinheiten vereinigte, mit dem Radiator unter Verwendung einer Harzröhre verbunden. Es wurde ermöglicht, dass das von der Kathode abgegebene Kathodenfluid durch den Radiator trat und dann in den Sammeltank strömte.
  • Der Wasserpegelsensor und der Radialkühlerlüfter wurden mit dem Informationsprozessor, der als eine Betriebssteuereinrichtung diente, verbunden, um zu ermöglichen, dass der Informationsprozessor ein nachstehend erläutertes Steuerprogramm ausführt.
  • Wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank unter 20 mL war, wurde der Hilfsbetrieb des Brennstoffzellensystems automatisch ausgeführt, bis das Flüssigkeitsvolumen 50 mL überschritten hatte. In dem Hilfsbetrieb wurde anstelle der Strömungsraten der Brennstoffpumpe und der Flüssigkeitslieferpumpe die Strömungsrate des Radiatorkühlerlüfters höher festgelegt als jene, die in dem normalen Betrieb empfohlen worden ist.
  • Beispiel 7
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 5 hergestellt. In diesem Beispiel wurde jedoch ein Stapelkühlerlüfter zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels vorgesehen, und der Wasserpegelsensor und der Stapelkühlerlüfter wurden mit dem Informationsprozessor verbunden, um eine derartige Steuerung auszuführen, dass dann, wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank unter 20 mL war, der Hilfsbetrieb des Brennstoffzellensystems automatisch ausgeführt wurde, bis das Flüssigkeitsvolumen 50 mL überschritten hatte. In dem Hilfsbetrieb wurde anstelle der Strömungsraten der Brennstoffpumpe und der Flüssigkeitslieferpumpe die Strömungsrate des Stapelkühlerlüfters höher eingestellt als jene, die in dem normalen Betrieb empfohlen worden ist.
  • Beispiel 8
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 5 hergestellt. In dem Hilfsbetrieb von diesem Beispiel wurde jedoch die Strömungsrate der Flüssigkeitszuführpumpe auf 1,2 mL/Minute festgelegt, und die Strömungsrate der Kraftstoffpumpe wurde auf 0,8 mL/Minute festgelegt.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 5 hergestellt. In diesem Beispiel wurde jedoch der Wasserpegelsensor nicht vorgesehen, und die Steuerung zum automatischen Ausführen eines Hilfsbetriebs auf der Basis des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank wurde nicht ausgeführt.
  • Vergleichsbeispiel 3
  • Ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 5 hergestellt. In diesem Beispiel wurde jedoch der Wasserpegelsensor nicht vorgesehen, und die Steuerung zum automatischen Ausführen eines Hilfsbetriebs auf der Basis des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank wurde nicht ausgeführt. Zusätzlich wurde ein elektronisches Ventil an dem Abdeckabschnitt des Sammeltanks und an dem Kathodenfluidauslass angeordnet, und die Ventile wurden mit dem Informationsprozessor verbunden, um jedes Ventil so zu steuern, dass es schließt, wenn der Betrieb angehalten wurde. In diesem Mechanismus wurden der Brennstoffzellenstapel und der Sammeltank abgedichtet, nachdem der Betrieb angehalten wurde. Jedoch waren, um zu verhindern, dass diese vollständig abgedichtet sind, die Ventile mit einer sehr kleinen Öffnung versehen.
  • Auswertung der Lebensdauercharakteristika
  • Die erhaltenen Brennstoffzellensysteme der Beispiele 5 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 2 und 3 wurden der folgenden Auswertung unterzogen.
    • (i) Zunächst wurde der normale Betrieb des jeweiligen Brennstoffzellensystems ausgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurde Luft zu der Kathode jeder Zelleneinheit geliefert, und eine wässrige 1 mol/L Methanollösung wurde zu der Anode geliefert. Der Erzeugungsstrom wurde konstant bei 150 mA/cm2 eingestellt. Die Temperatur der Brennstoffzelle wurde bei 60°C gehalten, die Luftnutzungsrate wurde auf 50% festgelegt und die Brennstoffnutzungsrate wurde auf 70% festgelegt.
  • Die Energieerzeugungszeit wurde auf eine Länge von 60 Minuten festgelegt.
    • (ii) Danach wurde das Brennstoffzellensystem in einem gut belüfteten Raum angeordnet, bei dem die Temperatur auf 45°C gehalten wurde, und es wurde einen Monat lang stehengelassen, während die Energieerzeugung der Brennstoffzelle nicht erfolgte, ohne dass es beispielsweise mit einem Außenkasten oder einer Abdeckung abgeschirmt wurde. Das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank, nachdem dieser stehengelassen wurde, wurde gemessen.
    • (iii) Danach wurde das Brennstoffzellensystem, nachdem es stehengelassen wurde, unter den gleichen Betriebsbedingungen wie jene für das anfängliche Brennstoffzellensystem betrieben. Das Verhältnis der erzeugten Spannung zu dem Zeitpunkt, nachdem es stehengelassen wurde, zu dem Zeitpunkt der anfänglich erzeugten Spannung wurde berechnet, um die Änderungen der Energieerzeugungscharakteristika zu erkennen.
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgezeigt.
    Verhinderungseinrichtung für die Flüssigkeitsdissipation gesteuerte Komponente Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank nach Stehenlassen (mL) Erzeugte Spannungsrate
    Beispiel 5 Hilfsbetrieb Brennstoffpumpe Flüssigkeitszuführpumpe 38 95
    Beispiel 6 Hilfsbetrieb Radiatorkühllüfter 42 99
    Beispiel 7 Hilfsbetrieb Stapelkühllüfter 34 97
    Beispiel 8 Hilfsbetrieb Brennstoffpumpe Flüssigkeitszuführpumpe 36 94
    Vergleichsbeispiel 2 keine keine 0 Energieerzeugung unmöglich
    Vergleichsbeispiel 3 Ventil keine 4 72
  • In den Brennstoffzellensystemen der Beispiele 5 bis 8, die derart gesteuert wurden, dass dann, wenn das Flüssigkeitsvolumen in dem Sammeltank unter einem vorbestimmten Wert (zweiter unterer Grenzwert) war, der Hilfsbetrieb des Brennstoffzellensystems automatisch eine bestimmte Zeitspanne lang ausgeführt wurde, wodurch das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank erhöht wurde, verblieb eine ausreichende Menge an Flüssigkeit in dem Sammeltank sogar in dem Fall, bei dem es einen Monat lang stehengelassen wurde. Dadurch wurde ermöglicht, dass das Brennstoffzellensystem ohne ein Problem sogar dann aktiviert wurde, nachdem es einen Monat lang stehengelassen wurde, und dass ein ähnliches Niveau an günstiger Energieerzeugungscharakteristik wie zu dem Zeitpunkt, bevor es stehengelassen wurde, beibehalten wurde.
  • Andererseits verblieb in dem Brennstoffzellensystem des Vergleichsbeispiels 1, das nicht mit einer Einrichtung zum Verhindern einer Dissipation der in dem Sammeltank gehaltenen Flüssigkeit versehen war, keine Flüssigkeit in dem Sammeltank, nachdem es einen Monat lang stehengelassen wurde. Als ein Ergebnis wurde, wenn das Brennstoffzellensystem aktiviert wurde, nachdem es stehengelassen wurde, eine wässrige Brennstofflösung mit einer hohen Konzentration zu der Anode geliefert, und die erzeugte elektrische Spannung war beträchtlich verringert. Daher wurde, um den Brennstoffzellenstapel zu schützen, die Aktivierung eingehalten.
  • In dem Brennstoffzellensystem des Vergleichsbeispiels 2, bei dem der Sammeltank und der Brennstoffzellenstapel mit einem Ventil abgedichtet wurden, um eine Dissipation der in dem Sammeltank gehaltenen Flüssigkeit zu vermeiden, verblieb lediglich eine geringe Menge an Flüssigkeit in dem Sammeltank, nachdem es einen Monat lang stehengelassen wurde. Als solches wurde, wenn das Brennstoffzellensystem aktiviert wurde, nachdem es stehengelassen wurde, eine wässrige Brennstofflösung, deren Konzentration höher als gewöhnlich war, geliefert, und die erzeugte elektrische Spannung war verringert.
  • In den Beispielen 5 bis 8 wurde, obwohl die Komponenten, die durch die Betriebssteuereinrichtung gesteuert wurden, um das gesammelte Volumen der Flüssigkeit zu erhöhen, unterschiedlich waren, die Dissipation der in dem Sammeltank gehaltenen Flüssigkeit vermieden. Die vorstehend erläuterten Ergebnisse zeigen, dass die vorliegende Erfindung ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem schaffen kann, das dazu in der Lage ist, eine Dissipation von Wasser aus dem Brennstoffzellensystem sogar dann zu vermeiden, wenn dieses einen lange Zeitspanne lang gelagert wird, wobei es ohne Problem nach dem Lagern aktiviert wird und es ein ähnliches Niveau an guter Energieerzeugungscharakteristik wie vor dem Lagern aufzeigt.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Lebensdauercharakteristika und die Zuverlässigkeit für eine lange Zeit lang erfolgende Lagerung von Direktoxidationsbrennstoffzellensystemen verbessert werden. Daher kann die vorliegende Erfindung ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem schaffen, das dazu in der Lage ist, eine ausgezeichnete Energieerzeugungscharakteristik über eine lange Zeitspanne lang aufrechtzuerhalten und ein stabiles Leistungsvermögen aufzuzeigen, sogar nach einer kontinuierlichen Anwendung, die eine über eine lange Zeitspanne lang erfolgende Lagerung umfasst. Das Direktoxidationsbrennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist als eine Antriebsquelle für eine in kleiner Größe gebaute Anlage, wie beispielsweise ein Notebook-PC und ein tragbarer Energiegenerator, sehr nützlich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zelleneinheit
    2
    Anode
    3
    Kathode
    4
    Elektrodenmembran
    5
    Membranelektrodenbaugruppe (MEA)
    6
    Anodenkatalysatorlage
    7
    Anodendiffusionslage
    8
    Kathodenkatalysatorlage
    9
    Kathodendiffusionslage
    10
    anodenseitiger Separator
    11
    kathodenseitiger Separator
    12
    Brennstoffströmungskanal
    13
    Oxidationsströmungskanal
    14, 15
    Dichtung
    16, 17
    Stromsammelplatten
    18, 19
    Endplatten
    20
    Sammeltank
    21
    Flüssigkeit
    22
    Ablauf
    23
    Brennstoffpumpe
    24
    Luftpumpe
    25
    Flüssigkeitszuführpumpe
    26
    Brennstofftank
    27
    Flüssigkeitsvolumen einer Fassungseinrichtung
    28
    Betriebssteuereinrichtung (Informationsprozessor)
    29
    Radiator

Claims (10)

  1. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem mit: einer Direktoxidationsbrennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, einer Luftpumpe zum Liefern von Luft zu der Kathode, einer Flüssigkeitszuführpumpe zum Liefern einer wässrigen Brennstofflösung zu der Anode, und einem Sammeltank zum Sammeln eines von der Anode abgegebenen Anodenfluides wobei: der Sammeltank eine Anodenfluidsammelöffnung hat, an der das Anodenfluid mit einer Flüssigkeit in dem Sammeltank zusammentrifft; und entweder während des normalen Betriebs oder während des aufgehobenen Betriebs des Brennstoffzellensystems – oder während beiden Vorgängen – ein Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank so gesteuert wird, dass es gleich wie oder größer als ein vorbestimmter erster unterer Grenzwert ist, wobei der erste untere Grenzwert derart festgelegt ist, dass die Anodenfluidsammelöffnung unterhalb eines Pegels der Flüssigkeit in dem Sammeltank positioniert ist.
  2. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank gleich wie der erste untere Grenzwert ist, ein Volumen der Flüssigkeit, die oberhalb der Anodenfluidsammelöffnung vorhanden ist, größer als ein Volumen eines anodenseitigen Raumes ist, der sich von der Flüssigkeitszuführpumpe über die Anode zu der Anodenfluidsammelöffnung in der Flüssigkeit in dem Sammeltank erstreckt.
  3. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei während des aufgehobenen Betriebs des Brennstoffzellensystems, wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank den ersten unteren Grenzwert erreicht, ein Hilfsbetrieb eine bestimmte Zeitspanne lang automatisch ausgeführt wird.
  4. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei während des aufgehobenen Betriebs des Brennstoffzellensystems, wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank einen zweiten unteren Grenzwert erreicht, der sich von dem ersten unteren Grenzwert unterscheidet, ein Hilfsbetrieb eine bestimmte Zeitspanne lang automatisch ausgeführt wird.
  5. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das des Weiteren folgendes aufweist: eine Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung zum Erfassen des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank, und eine Betriebssteuereinrichtung zum Steuern eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems, wobei die Betriebssteuereinrichtung einen normalen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems auf der Basis des durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung erfassten Flüssigkeitsvolumens steuert, wodurch das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank gesteuert wird.
  6. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, das des Weiteren folgendes aufweist: eine Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung zum Erfassen des Flüssigkeitsvolumens in dem Sammeltank, und eine Betriebsteuereinrichtung zum Steuern eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems, wobei die Betriebssteuereinrichtung einen Hilfsbetriebszustand des Brennstoffzellensystems auf der Basis durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung erfassten Flüssigkeitsvolumens steuert, wodurch das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank gesteuert wird.
  7. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5 oder 6, das des Weiteren zumindest eines aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus folgendem besteht: (i) eine Kombination aus einem Brennstofftank für ein Unterbringen von Brennstoff, der mit der Flüssigkeit in dem Sammeltank vermischt wird, und einer Brennstoffpumpe zum Liefern des Brennstoffs von dem Brennstofftank zu der Flüssigkeit; (ii) eine Kombination aus einem anodenseitigen Radiator, durch den das Anodenfluid tritt, und einem Anodenseitenradiatorkühllüfter zum Kühlen des anodenseitigen Radiators; (iii) eine Kombination aus einer Kathodenfluidsammelöffnung, die so aufgebaut ist, dass sie zumindest einen Teil eines von der Kathode abgegebenen Kathodenfluides sammelt, und die in dem Sammeltank vorgesehen ist, einem kathodenseitigen Radiator, durch den das Kathodenfluid tritt, und einem Kathodenseitenradiatorkühllüfter zum Kühlen des kathodenseitigen Radiators; und einem Stapelkühlerlüfter zum Kühlen der Brennstoffzelle, wobei die Betriebssteuereinrichtung auf der Basis des durch die Flüssigkeitsvolumenerfassungseinrichtung erfassten Flüssigkeitsvolumens zumindest einen Parameter steuert, der aus der Gruppe gewählt wird, die aus folgendem besteht: elektrische Energie, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, Abgabeleistung der Luftpumpe, Abgabeleistung der Flüssigkeitszuführpumpe, Abgabeleistung der Brennstoffpumpe, Abgabeleistung des Anodenseitenradiatorkühllüfters, Abgabeleistung des Kathodenseitenradiatorkühllüfters und Abgabeleistung des Stapelkühlerlüfters.
  8. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank unter den ersten unteren Grenzwert während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems abfällt, eine Warnung ausgegeben wird für ein dringendes Ergänzen des Wassers zu dem Sammeltank.
  9. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank unter dem ersten unteren Grenzwert ist, nachdem der Hilfsbetrieb eine bestimmte Zeitspanne lang bei dem Brennstoffzellensystem ausgeführt worden ist, eine Warnung ausgegeben wird für ein dringendes Ergänzen des Wassers zu dem Sammeltank.
  10. Direktoxidationsbrennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei wenn das Volumen der Flüssigkeit in dem Sammeltank unter dem zweiten unteren Grenzwert ist, nachdem der Hilfsbetrieb eine bestimmte Zeitspanne lang bei dem Brennstoffzellensystem ausgeführt worden ist, eine Warnung ausgegeben wird für ein dringendes Ergänzen des Wassers zu dem Sammeltank.
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