燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于通过向燃料电池直接供给液体燃料例如醇而产 生电力的直接燃料电池的燃料电池系统。
背景技术：
在向发电单元直接供给液体燃料例如醇的直接燃料电池中，将供 给到发电单元的燃料的浓度控制在固定范围内，从而使可以增加发电 单元中的燃料利用效率和发电效率。已经知道通过使用燃料浓度传感是，使用、浓度传感器的该方法需要一些器械例如^感器拒和控制板， 因此，根据实现燃料电池系统的小型化和简化不是优选的。此外，当 在某些情况下在发电单元中出现随时间的特性改变时，发电的最佳燃 料浓度值偏离初始浓度值，导致在浓度传感器所初始设置的这种控制 浓度下难以获得足够的性能，作为不使用传感器而测出燃料浓度的方法，已经知道基于发电单 元的温度而测出燃料浓度的方法、基于发电单元的整体的输出电压而 测出燃料浓度的方法、从多个堆叠的发电单元中的上游发电单元和下 游发电单元的输出密度之间的差异中测出燃料浓度的方法(例如，参 考JPA (特开)2004-327354)，等等。但是，在基于发电单元的温度测出燃料浓度的方法中，当发电单 元的体积小时，发电单元的温度易于因外部温度和负栽电流而变化。
因此，难以准确地测出燃料浓度。相反地，当发电单元的体积大时， 发电单元的热容也变大，因此，关于浓度改变的温度改变的延迟时间 变得非常大。在基于发电单元的整体的输出电压测出燃料浓度的方法中，当输 出电压比期望电压低时，难以确定这种低电压状态是由低燃料浓度的 状态引起的还是由高燃料浓度的状态引起的。此外，输出电压有时受 到环境因素、单元的局部水堵塞、流分布的变化等的影响，有时导致 不能获得足够的准确度。在从上游发电单元和下游发电单元的输出密度之间的差中测出燃 料浓度的方法中，必须将供给到上游发电单元的燃料馈送到下游发电 单元中。因此，阳极通路的路线被延长，并且燃料泵需要大的压力以 便循环燃料。此外，即使可以在发电单元的整体中优化燃料浓度，但 不能对于每个发电单元将燃料浓度控制到最佳值。特别地，当使直接 燃料电池的发电单元变薄并扩大时，即使在一个电极表面中在入口侧 和出口侧之间也出现大的浓度梯度，并且电极表面中的输出密度变得 不均匀。发明内容本发明的一个方面涉及一种燃料电池系统，包含电池堆，其包 括彼此堆叠的多个发电单元，每个发电单元包括第一板、在第一板上 面的笫二板，以及插置在第一板和第二板之间的膜电极组件，电池堆 中的最下面的第一板指定为阴极侧第一板，而电池堆中的最上面的第 二板指定为阳极侧第二板；第一集电器，其被配置以从阴极侧笫一板 中的上游区收集电流；第二集电器，其与第一集电器隔开，被配置以 从阴极侧第一板中的下游区收集电流；第三集电器，其通过电池堆与 第一集电器相对，被配置以从阳极侧第二板中的上游区收集电流；第 四集电器，其与第二集电器相对，被配置以从阳极侧第二板中的下游 区收集电流；以及控制器，其被配置以基于第一和笫二集电器的电流 密度之间的差控制到发电单元的醇的供给量。
本发明的另一个方面涉及一种燃料电池系统，包含电池堆，其 包括彼此堆叠的多个发电单元，每个发电单元包括笫一板、在第一板 上面的第二板，以及插置在第一板和第二板之间的膜电极组件，电池 堆中的最下面的第一板指定为阴极侧第一板，而电池堆中的最上面的 第二板指定为阳极侧第二板；第一集电器，其被配置以从阴极侧第一 板中的上游区收集电流；第二集电器，其与第一集电器隔开，被配置 以从阴极侧第一板中的下游区收集电流；第三集电器，其通过电池堆 与第一和第二集电器相对，被配置以从阳极侧第二板收集电流；以及 控制器，其被配置以基于第一和第二集电器的电流密度之间的差控制 到发电单元的醇的供给量。本发明的又一个方面涉及一种燃料电池系统，包含多个发电单 元，每个包括第一上游板、与第一上游板相对的第二上游板、插置在 第一上游板和第二上游板之间的膜电极组件、布置在第一上游板的下 游侧并与第一上游板绝缘的第一下游板，以及布置在第二上游板的下 游侧并与第二上游板绝缘的第二下游板；以及控制器，其被配置以基 于第一和第二下游板的电流密度之间的差控制到发电单元的醇的供给 量。本发明的再一个方面涉及一种燃料电池系统，包含膜电极组 件；与膜电极组件相对并具有流过醇的流通道的板；具有多个孔并通 过膜电极组件与板相对的第一集电器；与第一集电器相对且在与笫一 集电器之间插置板并被配置以从板的上游区收集电流的第二集电器； 与第二集电器隔开并被配置以从板的下游区收集电流的第三集电器； 以及被配置以基于第二和第三集电器的电流密度之间的差控制到板的 醇的供给量的控制器.


图l是说明根据本发明的实施方案的燃料电池系统的框图； 图2是说明根据实施方案的电力发生器(电池堆)的例子的横截 面视图3是说明根据实施方案的电力发生器的透视图； 图4是说明根据实施方案的驱动燃料电池系统的方法的流程图； 图5是说明根据实施方案的控制电力发生器的燃料浓度的方法的 流程图；图6是说明根据实施方案的电子在电力发生器中移动的状态的示 意图；图7是说明电力发生器中的上游区和下游区的电流密度(11/It， 12/It)与供给到电力发生器的醇浓度之间的关系的曲线；图8是说明电力发生器的发电效率跟流到阴极第一集电器的电流 的密度II与流到阴极第二集电器的电流的密度12之间的差关于平均 电流密度It的比值((11-I2)/It)之间的关系的曲线；图9是说明当供给的醇浓度设置为1.5M时醇(甲醇)利用效率 和醇的平均浓度之间的关系的曲线；图IO是说明根据第一修改的燃料电池系统的透视图； 图ll是说明根据第二修改的燃料电池系统的横截面视图 图12是说明根据第二修改的燃料电池系统的横截面视图 图13是说明根据第三修改的燃料电池系统的横截面视图 图14是说明根据第四修改的燃料电池系统的横截面视图 图15是说明根据第五修改的燃料电池系统的横截面视图；以及 图16是说明根据本发明的其他实施方案的燃料电池系统的横截 面视图。
具体实施方式
将参考附图描述本发明的各种实施方案。应当注意，相同或相似 的参考数字应用于各个附图的相同或相似的部件或元件，并且相同或 相似的部件和元件的描述将省略或简化。在下面的描述中，陈述了许 多细节例如具体信号值等，以提供本发明的完整理解。但是，对于本 领域技术人员显然的，可以不用这种具体细节而实施本发明。如图l中所示的，根据本发明的实施方案的燃料电池系统包括电力发生器(电池堆)7、使电力发生器7发电所需的附属设备100、 控制附属设备100的控制器10，以及连接到控制器10的存储设备 20。附属设备100包括燃料箱2、燃料供给单元3、混合箱4、燃料 馈送单元5、空气馈送单元6、负载9，以及探测器8。在燃料箱2 中，可以储存燃料例如醇或包含醇和少量水的高浓度醇溶液。作为 醇，例如曱醇也是适合的。燃料供给单元3将从燃料箱2馈送的醇或 高浓度醇溶液到混合箱4。混合箱4将醇或高浓度醇溶液与从电力发生器7排出的流体(包 含醇溶液的流体)混合，并储存具有用于发电的最佳浓度的醇溶液。 燃料馈送单元5将从混合箱4馈送来的醇溶液馈送到电力发生器7的 阳极。空气馈送单元6将空气馈送到电力发生器7的阴极。负载9从 电力发生器7取出电能。探测器8探测负栽9所取出的电能。燃料箱2和燃料供给单元3通过线Ll彼此连接。燃料供给单元 3和混合箱4通过线L2彼此连接。混合箱4和燃料馈送单元5通过 线L3彼此连接。燃料馈送单元5和电力发生器7通过线L4彼此连 接。电力发生器7和混合箱4通过线L5彼此连接，并且从电力发生 器7的阳极排出的流体流通到混合箱4。线L5中流过在电力发生器 7中产生的气体例如二氧化碳。因此，在线L5的途中或者为混合箱 4提供用于分离气体和液体的气体-液体分离器41。空气馈送单元6和电力发生器7通过线L6彼此连接。从电力发 生器7排出的流体通过线L7释放到大气中。应当注意，线L7可以 连接到混合箱4，并且在电力发生器7的阴极中产生的流体可以供给 到混合箱4。图2显示电力发生器7的例子。电力发生器7包括每个具有基本 上相同结构的并且彼此串联堆叠的多个发电单元73。第一和第二夹 钳板71a和71b夹住并固定发电单元73。每个发电单元73包括膜电 极组件(MEA) 73c、彼此相对的并且其间插置MEA 73c的阳极流 通道板73a和阴极流通道板73b，以及使阳极流通道板73a和阴极流
通道板73b彼此绝缘的衬垫73d。每个MEA 73c包括由质子导电固态聚合物膜形成的电解质膜、 通过在电解质膜的两个表面上涂敷催化剂而形成的电极(阳极和阴 极)、以及在电极的外侧形成的，用于将燃料和空气供给到MEA 73c，从那里排出燃料和空气的反应产物，并且平滑地收集由于燃料 和空气的反应而获得的电子的气体扩散层。例如，图2中所示的每个 MEA 73c可以使用Nafion膜(注册商标)作为电解质膜，使用铂/钌 作为阳极的催化剂，以及使用铂作为阴极的催化剂。商业上可获得的 碳纸可以用作阳极侧上的气体扩散层，并且商业上可获得的碳布可以 用作阴极侧上的气体扩散层。导电碳可用作阳极流通道板73a和阴极流通道板73b的材料。如 图3中所示的，每个阳极流通道板73a在与MEA 73c的接触面上的 其表面上包括称作"蜿蜒流通道"的蜿蜒通道，它是燃料通过它以蜿蜒 方式从燃料入口流到燃料出口的一个或多个流通道。醇溶液从图1的 燃料馈送单元5并行地馈送到阳极流通道板73a的蜿蜒流通道的各个 燃料入口。每个阴极流通道板73b在与MEA 73c的接触面上的其表 面上包括与每个阳极流通道板73a类似的蜿蜒流通道，或者包括空气 平行流过的没有任何弯曲的多个平行流通道。空气从图l的空气馈送 单元6并行地馈送到阴极流通道板73b的各个通路。可以通过在发电 单元73中提供多歧管或者通过将多歧管连接到其外部，而将燃料和 空气分别馈送到阳极流通道板73a和阴极流通道板73b。如图2中所示的，将阳极第一集电器74a布置在与第一夹钳板 71a相对的最上发电单元73的阳极流通道板73a中的上游区上面。 将阳极第二集电器74b布置在与第一夹钳板71a相对的最上发电单元 73的阳极流通道板73a中的下游区上面。在图2中，"上游区，，指的 是在纸空间左侧的接近于馈送燃料一侧的区域，而"下游区，，指的是在 纸空间右侧的接近于排出燃料一侧的区域。在图3中，"上游区"指的 是在接近于图3的"燃料入口，，一侧的区域，而"下游区，，指的是在接近 于图3的"燃料出口"一侧的区域。此外，在本实施方案中，最上发电单元73的"最上"指的是纸空间的上部。随后描述的"最下"指的是纸 空间的下部。在图2和图3中，将最上发电单元73的阳极流通道板 73a布置在发电单元73的阳极侧的端部。将最下发电单元73的阴极 流通道板73b布置在发电单元73的阴极侧的端部。这些术语"最上，， 和"最下"与燃料电池系统的重力方向没有关系。阳极第一集电器74a从阳极流通道板73a中的上游区中收集电 能。阳极第二集电器74b从阳极流通道板73a中的下游区中收集电 能。应当注意，如图3中所示的，阳极第一集电器74a和阳极第二集 电器74b以上游区和下游区之间的某个固定距离彼此相隔，从而彼此 绝缘。同时，如图2中所示的，将与阳极第一集电器74a相对的阴极第 一集电器75a布置在与第二夹钳板71b相对的最下发电单元73的阴 极流通道板73b中的上游区下面。将与阳极第二集电器74b相对的 阴极第二集电器75b布置在与第二夹钳板71b相对的阴极流通道板 73b中的下游区下面。阴极第一集电器75a从阴极流通道板73b中的上游区中收集电 能。阴极第二集电器75b从阴极流通道板73b中的下游区中收集电 能。阴极第一集电器75a和阴极第二集电器75b以上游区和下游区之 间的某个固定距离彼此相隔，从而彼此绝缘。通过对铜板的表面实施镀金处理以便增加其导电性，而形成阳极 第一集电器74a、阳极第二集电器74b、阴极第一集电器75a，以及 阴极第二集电器75b。将绝缘片72布置在第一夹钳板71a跟一对阳 极第一集电器74a及阳极第二集电器74b之间。将绝缘片72布置在 第二夹钳板71b跟一对阴极第一集电器75a及阴极第二集电器75b 之间。阳极第一集电器74a和阳极笫二集电器74b并行地连接到负栽 9a。阴极第一集电器75a和阴极第二集电器75b并行地连接到负栽 9b.在图2中，阳极第一集电器74a、阳极第二集电器74b、阴极第 一集电器75a以及阴极第二集电器75b的面积是相同的；但是，这些面积可以彼此不同。将用于测量阴极第一集电器75a所收集的电流的值的电流表81 布置在将阴极第一集电器75a和负载9b彼此连接的导线上。将用于 测量阴极第二集电器75b所收集的电流的值的电流表82布置在将阴 极第二集电器75b和负载9b连接的导线上。可以将电流表81和82 的每个直接地插入到两条分开的导线之间，或者可选地，可以使用以 不直接插入其间的非接触状态测量导线的电磁力的测量仪器。此外， 可以将电流表81和82布置在将阳极第一集电器74a和负栽9a彼此 连接以及将阳极第二集电器74b和负栽9a彼此连接的导线上。当负 栽9a的电流值(负载电流值)是已知的，那么仅需要布置电流表81 或电流表82的任一个。图1的控制器10包括确定单元11、计算单元12、比较单元 13，以及调节单元14。确定单元11确定驱动电力发生器7所需的附 属设备100是否正常地工作。计算单元12例如基于图2中的电流表 81和电流表82所测量的电流值计算阴极第一集电器75a和阴极第二 集电器75b的电流密度。例如，比较单元13读出预先存储在存储设备20中的电流密度差 的比值的设置范围，并且将由计算单元12计算的阴极第一集电器 75a和阴极第二集电器75b之间的这种电流密度差与设置范围比较。 基于比较的结果，调节单元14控制燃料供给单元3或燃料馈送单元 5，并且调节供给到电力发生器7的醇的供给量。存储设备20存储用 于将电力发生器7的醇浓度控制在预定范围内的设置范围、控制器 10控制附属设备100所需的各种设置条件等。接下来，将通过使用图4的流程图来描述根据本实施方案的燃料 电池系统的操作流程。首先，在图4的步骤Sl中，图1的调节单元 14调节燃料馈送单元5，将从图1的混合箱4馈送来的醇溶液并行地 馈送到图2中所示的电力发生器7的各个阳极流通道板73a，以及驱 动电力发生器7。此外，图1的调节单元14调节空气馈送单元6，将 空气并行地馈送到图2中所示的电力发生器7的各个阴极流通道板7。特别地，例如，图1的调节单元14调节燃料馈送单元5,使得 醇利用效率可以是按照到图2的阳极流通道板73a的醇的供给量的大 约25%，并且调节空气馈送单元6，使得氧气利用效率可以是按照到 阴极流通道板73b的空气的供给量的大约30%。"醇利用效率"指的 是用于电力发生器7中的反应的醇的量(mol/s)关于馈送到电力发 生器7的整体的醇的量(mol/s)的比值。醇利用效率用理论空气燃 料比(化学计量值)的反数来表示。通过电力发生器7的驱动，未反应的醇溶液以及在电力发生器7 的阳极流通道板73a中产生的产物例如二氧化碳通过图1中所示的线 L5馈送到混合箱4。然后，在气体-液体分离器41中从馈送的产物 以及未反应的醇溶液中去除气体例如二氧化碳，然后将未反应的醇溶 液留存在混合箱4中。同时，在电力发生器7的阴极流通道板73b中 产生的湿气以及剩余的空气通过线L7排出到外部。在图4的步骤S2中，负载9从电力发生器7中取出电能(电 流)。同时，将从电力发生器7中取出的负栽9的电流值以及由图2 的电流计81和82探测到的阴极第一集电器75a和阴极第二集电器 75b所收集的电流值通过控制器IO记录到存储设备20中。接下来，在步骤S3中，图1的控制器10读出存储在存储设备 20中的电流值，并且控制附属设备100，使得作为馈送到电力发生器 7的燃料的醇溶液的浓度可以是最佳的。将通过使用图5的流程图来 描述控制的方法的细节。在图5的步骤S31中，图1的确定单元11确定电力发生器7是 否处于正常操作模式中。"正常操作模式，，表示系统不处于像启动和结 束那样的瞬态，并且包括燃料供给单元3、燃料馈送单元5以及空气 馈送单元6的附属设备100正常地工作。当确定系统不处于正常操作 模式中时，不能正常地取出负载电流，因此控制终止和结束。其间， 当确定系统处于正常操作模式中时，控制进行到步骤S32,在步骤S32中，图1的计算单元12计算图2的阴极第一集电器75a的电流密度II (A/cm2)和图2的阴极第二集电器75b的电流密 度12 (A/cm2)。可以通过将电流计81所探测的阴极第一集电器75a 的电流值除以阴极第一集电器75a、阳极第一集电器74a以及MEA 73c彼此重叠的那部分的面积来计算电流密度II。可以通过将阴极第 二集电器75b所收集的电流的值除以阴极第二集电器75b、阳极第二 集电器74b以及MEA 73c彼此重叠的那部分的面积来计算电流密度 12。应当注意，当负栽单元9a和9b所取出的负载电流的值是已知 的，那么可以通过将负载电流值减去阴极第一集电器75a的电流值所 获得的值除以阴极第二集电器75b、阳极第二集电器74b以及MEA 73c彼此重叠的面积来计算电流密度12。电流密度II和12的值存储 在图1的存储设备20中，在图5的步骤S33中，图1的比较单元13从存储设备20中读出 电流密度II和12的值，并且将阴极第一电流集电器75a和阴极第二 集电器75b的电流密度之间的差关于MEA 73c的平均电流密度It的 比值((Il-I2)/It)与存储设备20中所存储的差的上限值相比较。在 这里，"平均电流密度It"指的是从图2的MEA 73c的整个表面平均 地取出的电流密度，并且通过将负栽9的负栽电流值除以MEA 73c 的面积来计算。当比值超过上限值时，控制进行到步骤S34，在那里 图1的调节单元14调节燃料供给单元3以增加要供给到电力发生器 7的醇的供给量。当比值没有超过上限值时，控制进行到步骤S35。在步骤S35中，比较单元13从存储设备20中取出电流密度II 和12的值，并且将阴极第一电流集电器75a和阴极第二集电器75b 的电流密度之间的差关于MEA 73c的平均电流密度的比值((Il-I2)/It)与存储设备20中所存储的比值的下限值相比较。当比值落在 下限值以下时，控制进行到步骤S36，在那里图1的调节单元14调 节燃料供给单元3以减小要供给到电力发生器7的醇的供给量。当比 值超过下限值时，控制返回到步驟S31，从那里继续控制。图6示意地显示电子在电力发生器7中移动的状态。当开始发电
时，在MEA 73c的阳极中产生的电子(e-)从负栽9b侧移动到负载 9a侧。为了扩大每个MEA 73c的面积以及最小化电力发生器7的整 体的体积，需要将阳极流通道板73a、阴极流通道板73b以及MEA 73c在图6的水平方向上形成为大的以及在图6的垂直方向上形成为 小的。阳极流通道板73a、阴极流通道板73b以及MEA 73c的每个具 有水平电阻Rh和垂直电阻Rv。同时，MEA 73c以及用作阳极流通 道板73a和阴极流通道板73b的材料的碳具有高达上述集电器的金属 的几倍的电阻。因此，例如，阳极第一集电器74a和阳极第二集电器 74b以固定的距离彼此隔开以彼此绝缘，从而建立了水平电阻Rh大 于垂直电阻Rv的关系。因此，在夹置于阳极第一集电器74a和阴极 第一集电器75a之间的MEA 73c的上游区中产生的电子流向阳极第 一集电器74a。同时，在夹置于阳极第二集电器74b和阴极第二集电 器75b之间的MEA 73c的下游区中产生的电子流向阳极第二集电器 74b。结果，将MEA73c中的上游区的电流密度与其中的下游区的电 流密度相互比较，从而可以将醇溶液的浓度控制到合适浓度，使得 ME A 73c的电极表面中的输出密度可以均匀。应当注意，在图6所示的例子中，阳极第一集电器74a、阳极第 二集电器74b、阴极第一集电器75a以及阴极第二集电器75b都具有 相同的形状，因此，各个集电器的电流值的测量使得可以将电流密度 相互比较，接下来，将描述布置阳极第一集电器74a和阳极第二集电器74b 的间隔，或者布置阴极第一集电器75a和阴极第二集电器75b的间 隔。MEA 73c的气体扩散层(没有显示)的电阻值比普通金属高， 并且气体扩散层在MEA 73c的表面的水平方向上表现出非常低的导 电率。由碳形成的阳极流通道板73a和阴极流通道板73b具有低的导 电率。阳极第一集电器74a、阳极第二集电器74b、阴极第一集电器 75a以及阴极第二集电器75b是高导电性的。因此， 一般地，上述组成的电阻值处于以下的顺序 MEA 73c的气体扩散层> 阳极和阴极流通道板73a和73b>阳极第一和第二集电器74a和74b以及阴极第一和第二集电器 75a和75b 。因此，例如，阳极第一集电器74a和阳极第二集电器74b以足够 的间隔彼此隔开，从而在MEA 73c的上游区中产生的电流选择性地 流过阳极流通道板73a中的上游区，以及流到阳极第一集电器 74a 。但是，当阳极第一集电器74a和阳极第二集电器74b之间的间隔 太大时，电流收集效率(阳极第一和第二集电器74a和74b关于 MEA 73c的面积的覆盖率)降低。相反地，当阳极第一集电器74a 和阳极第二集电器74b之间的间隔非常短时，MEA 73c中的上游区 的电流也流到阳极流通道板73a中的下游区，导致电流也流到阳极第 二集电器74b。因此，电流值的探测准确度降低。在该情况下，探测 准确度涉及在与位于直接下方的MEA 73c接触的阳极笫一集电器 74a和阳极第二集电器74b中准确探测的电流之间的差关于当来自 MEA 73c的电流理想地流到那里时到各个集电器的电流之间的差的 比值。特别地，当每个阳极流通道板73a和每个阴极流通道板73b之 间的间隔设置为参数时，在收集效率和电流探测准确度之间发生折中 关系。因此，在使用时，作为变量，考察作为用于使收集效率和电流 探测准确度这两者达到最大的条件的三个值类别阳极流通道板73a 和阴极流通道板73b的厚度、阳极第一和第二集电器74a和74b之 间的间隔，以及阳极第一集电器74a或阳极第二集电器74b接触 MEA 73c的宽度。结果，发现了当建立以下的表达式时，收集效率 和电流探测准确度两者都可以设置于大约90%或更高8〈Lw/Lg/Lt〈卯其中Lw是阳极第一集电器74a或阳极第二集电器74b接触 MEA 73c的宽度，Lg是阳极第一和第二集电器74a和74b之间的宽 度，以及Lt是阳极流通道板73a和阴极流通道板73b的每个厚度。
当Lw/Lg/Lt为8或更小时，虽然增加了电流探测准确度，但是收集 效率降低。相反地，当Lw/Lg/Lt为90或更大时，虽然增加了收集 效率，但是电流探测准确度降低。接下来，将描述使用根据该实施方案的燃料电池系统的发电控制 的醇浓度的合适范围的例子。图7是显示流到阴极第一集电器75a和阴极第二集电器75b的电 流密度(11/It， 12/It)关于供给到电力发生器7的醇浓度的关系的曲 线。整体负栽电流值在各个条件下是恒定的。当负载9需要预定值的 来自电力发生器7的负载电流时，获得要从一个MEA 73c的电极表 面中平均地取出的电流的平均电流密度It (A/cm2)。当供给到电力发生器7的醇的浓度比最佳浓度范围高时，在阳极 流通道板73a的上游区中，作为燃料的醇(图7中为甲醇)从阳极侧 通过电解质膜移动到阴极侧的跨越的量增加。因此，上游区中的输出 密度降低，并且阴极第一集电器75a的电流密度(Il/It)减小。同 时，在阳极流通道板73a的下游区中，醇浓度因上游区中的醇的跨越 而降低。因此，下游区中的输出密度升高，并且阴极第二集电器75b 的电流密度(12/It)也增加。相反地，当供给到电力发生器7的醇的浓度比最佳浓度范围低 时，在阳极流通道板73a的下游区中发生燃料的短缺，并且输出密度 降低。因此，阴极第二集电器75b的电流密度(12/It)降低，并且阴 极第一集电器75a的电流密度(Il/It)相对地升高。基于上述关系，当从阴极第一集电器75a取出的电流的密度II 比从阴极第二集电器75b取出的电流的密度I2小(11<12)时，这意 味着供给到电力发生器7的醇的浓度是高的。因此，图1的控制器 10就需要做出控制，以便减小供给到电力发生器7的醇的浓度。相 反地，当从阴极第一集电器75a取出的电流的密度II比从阴极第二 集电器75b取出的电流的密度I2大(11>12)时，这表示供给到电力 发生器7的醇的浓度是低的。因此，控制器10就需要做出控制，以 便增加供给到电力发生器7的醇的浓度。
图8显示电力发生器7的发电效率跟流到阴极第一集电器75a的 电流的密度Il (A/cm2)与流到阴极第二集电器75b的电流的密度I2 (A/cm2)之间的差关于平均电流密度It的比值((Il-I2)/It)之间的 关系的例子。"发电效率"是指可转换成电的能量(W)关于醇所拥有 的能量(W)的比值。图8的发电效率是按比例的，其中取其值变成 最大值的情况作为"l"。在各个条件下，平均电流密度It=(Il+I2)/2 保持恒定。从图8中，应当明白，当电流密度Il和电流密度I2之间 的差处于大约±10%的范围内时，电力发生器7中的效率是最高的。 特别地，图8显示电流密度II和电流密度12之间的差处于大约 土10。/o的范围内时的状态是可以在MEA 73c的表面中均匀地获得输出 的浓度状态。如上所述，可以从流到阴极第一集电器75a和阴极第二集电器 75b的电流的密度II和12中假定醇浓度，并且总是可以建立在 MEA 73c的表面中的醇浓度变得更均勻的这种条件。在这种情况 下，即使从MEA 73c中获得高输出的最佳醇浓度随时间而改变，也 能够获得对应于电力发生器7的特性的高输出，同时，可以在表面中 均匀地进行反应而没有任何偏差。因此，抑制MEA 73c的局部退化 也变得可能。应当注意流到阴极第一集电器75a和阴极笫二集电器75b的电流 的密度之间的差关于供给到电力发生器7的醇的浓度的比值((Il-12)/It)也因供给到电力发生器7的醇的流速而改变，图9显示当所 供给的醇的浓度设置于1.5M时，醇(曱醇)利用效率、与阴极第一 集电器75a相对的上游区中的醇的平均浓度，以及与阴极第二集电器 75b相对的下游区中的醇的平均浓度之间的关系。图9显示了可以获得良好输出的浓度范围(大约 1.1M 1.40M)。如图9中所示，当电力发生器7的醇利用效率为大约10%或更 小时，醇溶液的供给流速增加。因此，上游侧和下游侧之间的平均浓 度的差异通常消失。因此，变得难以测出流到阴极第一集电器75a和
阴极第二集电器75b的电流之间的差。此外，因为所供给的醇的流速 增加了，所以到燃料馈送单元5的负担增加。同时，当醇利用效率为 大约40%或更高时，上游侧和下游侧之间的平均浓度的差异变大， 并且到阴极第 一集电器75a和阴极第二集电器75b的电流之间的差变 得容易显著出现。虽然可以获得良好输出的浓度范围为大约 1.1M 1.4M，但是当上游侧和下游侧之间的平均浓度的差变成0.3M 或更大时，可以获得良好输出的浓度范围变小。所以，图l的控制器 10控制醇的供给量使得电力发生器7中的醇利用效率可以为大约 10%或更大且大约40%或更小是优选的。(第一修改)如图10中所示，在根据实施方案的第一修改的燃料电池系统 中，在最上的发电单元73的阳极流通道板73a上，与阳极第一集电 器74a和阳极第二集电器74b相隔的阳极第三集电器74c布置在阳极 第一集电器74a和阳极第二集电器74b之间。在最下的发电单元73 的阴极流通道板73b下面，与阴极第一集电器75a和阴极第二集电器 75b隔开并且与阳极第三集电器74c相对的阴极第三集电器75c布置 在阴极第一集电器75a和阴极第二集电器75b之间。此外，第一修改 的配置不同于图3中所示的构造在于将阳极/阴极流通道板73e用作 其中夹置MEA 73c的元件。以这样的方式提供阳极/阴极流通道板 73e的每个，使得用于从中流过醇溶液的阳极流通道以及用于从中流 过空气的阴极流通道提供在一个板上。其他基本上与图3中所示的燃 料电池系统中的那些类似，因此将省略其描述。根据图10中所示的燃料电池系统，可以更连续地探测MEA的 表面中的电流密度。因此，可以防止测量中的误差，并且可以更准确 地控制要供给到电力发生器7的醇的浓度。(第二修改)如图11中所示，根据实施方案的第二修改的燃料电池系统在以
下几点上不同于图2中所示的燃料电池系统。特别地，根据第二修改 的燃料电池系统包括从最下发电单元73的阴极流通道板73b的上游 流通道中收集出电流的阴极第一集电器75a 阴极第二集电器75b与 阴极第一集电器75a隔开，并且从最下发电单元73的阴极流通道板 73b的下游通路中收集出电流。阳极集电器74与阴极第一集电器75a 和阴极第二集电器75b相对，同时它们之间插置多个发电单元73. 阳极集电器74从最上发电单元73的阳极流通道板73a中收集出电 流。阴极第一集电器75a和阴极第二集电器75b并联到负载9b。阳 极集电器74串联到负栽9a。根据图11中所示的燃料电池系统，集电器的数量减少了，从而 使可以实现系统的简化和小型化。应当注意，为了探测发电单元中的 上游区和下游区的电流密度之间的差，仅需要将其间夹置发电单元 73的两个集电器的任一个分成一片上游区和一片下游区。因此，理 所当然的，如图12中所示，与第二夹钳板71b相对的最下发电单元 73的阴极流通道板73b侧的集电器(阴极集电器75)形成为一个板 片是可以的。(第三修改)如图13中所示，根据实施方案的第三修改的燃料电池系统包括 与MEA 77c相对的阳极上游流通道板77a、与阳极上游流通道板77a 相对的同时在与77a之间插置MEA 77c的阴极上游流通道板77b。 阳极下游流通道板77e与阳极上游流通道板77a绝缘并且与MEA 77c相对。阴极下游流通道板77f与阳极下游流通道板77e相对同时 在与77e之间夹置MEA 77c，并且与阴极上游流通道板77b绝缘。 最上发电单元73的阳极上游流通道板77a和阳极下游流通道板77e 并联到负栽9a。最下发电单元73的阴极上游流通道板77b和阳极下 游流通道板77f并联到负栽9b。陶瓷制造的流通道板可以用作阳极 上游流通道板77a、阴极上游流通道板77b、阳极下辟流通道板 77e，以及阴极下游流通道板77f。
根据图13中所示的燃料电池系统，使流通道板也用作集电器， 因此使可以获得燃料电池系统的简化和小型化。此外，使阳极上游流 通道板77a与阳极下游流通道板77e彼此完全绝缘也变成可能。因 此，防止MEA 73c中与阳极流通道板77a相对的区域中所产生的电 流不合需要地流到与阳极下游流通道板77e相对的区域的这种问题是 可能的，并且增加收集效率成为可能。(第四修改)如图14中所示，根据实施方案的第四修改的燃料电池系统包括 MEA 78c、与MEA 78c相对的阳极流通道板78a、与阳极流通道板 78a相对的同时在与78a之间插置MEA 78c的阴极集电器75、与阴 极集电器75相对的同时在与75之间插置阳极流通道板78a的并且从 阳极流通道板78a的上游流通道中取出电流的阳极第一集电器74a, 以及与阳极第一集电器74a隔开的并从阳极流通道板78a的下游流通 道中取出电流的阳极第二集电器74b。在阴极集电器75中，提供了 用于将空气带进燃料电池系统的多个孔79。阴极集电器75串联到负 载9b。阳极第一集电器74a和阳极第二集电器74b并联到负载9a。 根据图14中所示的燃料电池系统，使流通道板也用作集电极，从而 使可以实现燃料电池系统的简化和小型化。(第五修改)如图15中所示，平行地布置三个发电单元78，从而使可以获得 比图14的燃料电池系统更大的输出。在这种情况下，各个发电单元 78的阳极第一集电器78a通过阳极第一电力汇集线Lx并联到负载 9a。各个发电单元78的阳极第二集电器78b通过阳极第二电力汇集 线Ly并联到负栽9a。各个发电单元78的阳极第一集电器78a通过 阳极第一电力汇集线Lx并联到负载9a.各个发电单元78的阴极汇 集线Ly并联到负栽9b。关于电流密度的测量，通过安培兮等测出流 过各个汇集线的电流，使可以掌握发电单元78中的浓度的状态。应当注意，当在汇集线及其各个接触点中出现大的电阻时，流过那里的 电流有时会改变。因此，对于汇集线，选择尽可能降低其电阻的材料 是优选的。(其他实施方案) 在接受本公开内容的讲授之后，许多修改对于本领域技术人员将 变得可能，而不背离其范围。在图2，图3，图6以及图10~13中所示的燃料电池系统中，发 电单元73的数目是不受限制的。例如，如图16中所示，仅一个发电 单元73可能用于电力发生器，从而使可以实现燃料电池系统的小型 化。本实施方案说明最下流通道板指定为阴极侧，而最上通道板指定 为阳极侧。当然地，最下流通道板可以指定为阳极侧，而最上通道板 可以指定为阴极侧。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括电池堆，其包括彼此堆叠的多个发电单元，每个发电单元包括第一流通道板、第二流通道板，以及插置在第一和第二流通道板之间的膜电极组件，最阴极侧的第一流通道板指定为阴极侧第一板，而最阳极侧的第二流通道板指定为阳极侧第二板；第一集电器，其被配置以从阴极侧第一板或阳极侧第二板之一中的上游区收集电流；第二集电器，其与第一集电器隔开，被配置以从阴极侧第一板或阳极侧第二板之一中的下游区收集电流；以及控制器，其被配置以基于第一和第二集电器的电流密度之间的差控制到发电单元的醇的供给量。
2. 根据权利要求1的燃料电池系统，还包括第三集电器，其通过电池堆与第一集电器相对，被配置以从阴极 侧第一板或阳极侧第二板的另一个中的上游区收集电流；以及第四集电器，其与第二集电器相对，被配置以从阴极侧第一板或 阳极侧第二板的另一个中的下游区收集电流。
3. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中当第一集电器的电流 密度比第二集电器的电流密度低时，控制器减小醇的供给量或者停止 醇的供给。
4. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中当第一集电器的电流 密度比第二集电器的电流密度高时，控制器增加醇的供给量。
5. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中当电流密度之间的差 相对于膜电极组件的平均电流密度的比值为大约10%或更大时，控 制器控制醇的供给量。
6. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中控制器控制醇的供给 量，使得发电单元中的醇利用效率保持在大约10°/。~大约40%。
7. 根据权利要求l的燃料电池系统，还包括 探测第一和第二集电器的至少一个的电流值的探测器， 其中控制器还包括计算单元，其被配置以基于电流值以及第一集电器、第二集电器和膜电极组件彼此重叠的一部分的面积来计算第一和第二集 电器的电流密度；比较单元，其被配置以比较第一和第二集电器的电流密度之 间的差相对于膜电极组件的平均电流密度的比值是否处于预定的 范围内；以及调节单元，其被配置以基于比较的结果来调节醇的供给量。
8. 根据权利要求7的燃料电池系统，其中控制器还包括被配置 以确定发电单元是否处于正常工作模式的确定单元，并且计算单元基 于确定的结果来计算电流密度。
9. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中第一和第二集电器以 一间隔彼此隔开，使得可以建立以下表达式8<Lw/Lg/Lt<90其中Lw是笫一和第二集电器与膜电极组件重叠的长度，Lg是第一 和第二集电器之间的间隔，以及Lt是第一和第二流通道板的每一厚 度。
10. 根据权利要求l的燃料电池系统，还包括 通过电池堆与第一和第二集电器相对的第三集电器，其被配置以 从阴极侧第 一板或阳极侧第二板的另一个中收集电流。
11. 根据权利要求10的燃料电池系统，还包括布置在第一和第二集电器之间的第四集电器，其具有在第一和第二集电器之间的空 间，并且与第三集电器相对。
12. —种燃料电池系统，包括 多个发电单元，每个包括第一上游流通道板；与第一上游流通道板相对的第二上游流通道板；布置在第一上游流通道板的下游侧的并且与第一上游流通道 板绝缘的第一下游流通道板；布置在第二上游流通道板的下游侧的并且与第二上游流通道 板绝缘的第二下游流通道板；以及插置在第一上游和下游流通道板与第二上游和下游流通道板 之间的膜电极组件；以及控制器，其被配置以基于第一和第二下游板的电流密度之间的差 控制到发电单元的醇的供给量。
13. —种燃料电池系统，包括 膜电极组件；与膜电极组件相对的，具有流过醇的流通道的板； 具有多个孔的，通过膜电极组件与所述板相对的第一集电器； 与第一集电器相对的，在其与第一集电器之间插置所述板的，并且被配置以从所述板的上游区中收集电流的第二集电器；与第二集电器隔开的，并且被配置以从所述板的下游区中收集电流的第三集电器；以及控制器，其被配置以基于第二和第三集电器的电流密度之间的差控制到所述板的醇的供给量。
全文摘要
一种燃料电池系统，包含电池堆，其包括多个发电单元，每个包括第一板、第二板，以及膜电极组件；第一集电器，其被配置以从第一板中的上游区收集电流；第二集电器，其被配置以从第一板中的下游区收集电流；第三集电器，其被配置以从第二板中的上游区收集电流；第四集电器，其被配置以从第二板中的下游区收集电流；以及控制器。
文档编号H01M8/24GK101150201SQ200710142428
公开日2008年3月26日 申请日期2007年8月22日 优先权日2006年9月20日
发明者佐藤裕辅, 八木亮介, 富松师浩, 贞本敦史 申请人:株式会社东芝