燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及燃料电池。
背景技术：
便携式电话机、便携式信息终端等电子设备正加快实现小型化。在电子设备小型化的同时，尝试着对电子设备的电源等利用燃料电池。燃料电池可仅通过供给燃料和空气就能发电，若仅更换、补充燃料，就能连续发电。因此，若燃料电池能实现小型化，则作为小型电子设备的电源是很有效的。作为燃料电池，直接甲醇型燃料电池(以下称作DMFC(Direct Methanol Fuel Cell))受到人们关注。根据液体燃料的供给方式，对上述DMFC进行分类，有以下两种DMFC 气体供给型或液体供给型等主动方式的DMFC ；以及使燃料容纳部内的液体燃料在电池内部进行气化来供给到燃料极的内部气化型等被动方式的DMFC。其中，消极方式的DMFC对于 DMFC的小型化较为有利。此处，通常燃料电池在启动、并成为稳定动作状态后，与负载相连接。然而，已得知有时会由于外部环境、特别是由于温度而造成DMFC的启动不稳定。 艮口，在高温环境下，燃料箱的内压易增大，易使从燃料箱对DMFC的燃料供给量增大。另一方面，在低温环境下，燃料箱的内压易减小，易使从燃料箱对DMFC的燃料供给量减少。因此， 在高温环境下，燃料供给会过剩，DMFC的温度急剧上升，有可能会形成过冲。另一方面，在低温环境下，燃料供给会不足，有可能会使DMFC的启动耗时。为了消除受外部温度影响的DMFC的启动的不稳定性，考虑对外部温度进行测定， 并根据外部温度对燃料供给进行控制。然而，设置外部温度测定用传感器会使DMFC设备结构变复杂，并非优选。可通过在DMFC内部设置温度传感器，对DMFC本身的温度进行测定。与此相比，为了对DMFC外部的温度进行测定，则需要在DMFC外部设置温度传感器，DMFC的设备结构变复杂。如上所述，所期望的是对外部温度具有较佳鲁棒性、且不需要对外部温度进行测定的传感器的燃料电池的启动方法。现有技术文献专利文献专利文献1 日本专利特开2004-1:34199公报专利文献2 日本专利特开2009-110806公报

发明内容
发明所要解决的技术问题本发明的目的在于，提供力图提高启动时的动作稳定性的燃料电池。用于解决技术问题的技术方案实施方式的燃料电池具有燃料电池主体、燃料供给部、电压传感器、供给速度确定部、燃料供给控制部、以及连接部。电压传感器对所述燃料电池主体的开路电压进行测定。 当所述电压传感器所测定的电压比规定值要小的情况下，供给速度确定部基于所述电压传感器的测定结果，来确定所述燃料供给部的燃料供给速度。燃料供给控制部基于所述确定的供给速度，对所述燃料供给部所进行的燃料供给进行控制。当所述电压传感器所测定的电压比所述规定值要大的情况下，连接部将所述燃料电池主体与负载相连接。


图1是表示本发明的一实施方式所涉及的燃料电池系统的简要结构的框图。图2是燃料电池主体1的剖视图。图3是燃料分配机构105的立体图。图4是表示燃料电池的启动流程的比较例的流程图。图5是表示燃料电池的启动流程的1个例子的流程图。图6是表示燃料电池的启动流程的其它例子的流程图。图7是表示优选ON (开通)时间、OFF (关闭)时间的1个例子的示意图。图8是表示ON(开通)时间、OFF(关闭)时间随时间变化的1个例子的示意图。图9是表示ON(开通)时间、OFF(关闭)时间随时间变化的1个例子的示意图。图10是表示0N(开通)时间、OFF(关闭)时间随时间变化的1个例子的示意图。
具体实施例方式以下，根据附图对实施方式进行说明。图1所示的燃料电池包括燃料电池主体 (DMFC) 1、泵驱动部2、DC-DC (直流-直流)转换器3、控制部4、温度传感器SS1、电压传感器SS2、以及开关SW。燃料电池主体1具有发电部101、燃料容纳部102、通路103、泵104、温度传感器 SSl0发电部(电池)101通过燃料燃烧来发电，构成燃料电池系统的起电部。燃料容纳部 102容纳有发电部101所使用的液体燃料。通路103将燃料容纳部102和发电部(电池)101 相连接。泵104是从燃料容纳部102将液体燃料输送到发电部(电池)101的燃料供给单兀。如图2所示，发电部101具有阳极(燃料极)13，该阳极13具有阳极催化剂层11 和阳极气体扩散层12 ；阴极(空气极/氧化剂极)16，该阴极16具有阴极催化剂层14和阴极气体扩散层15 ；以及膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly :MEA)，该膜电极接合体由夹在阳极催化剂层11和阴极催化剂层14之间的质子(氢离子)传导性的电解质膜 17构成。此处，作为阳极催化剂层11和阴极催化剂层14所含有的催化剂，可举出例如Pt、 Ru、他、Ir、Os、Pd等钼族元素单质、含有钼族元素的合金等。优选为对阳极催化剂层11使用对甲醇或一氧化碳等具有强耐受性的Pt-Ru等。优选为对阴极催化剂层14使用Pt或 Pt-Co等。然而，催化剂并不限于此，能够使用具有催化剂活性的各种物质。催化剂可以是使用碳材料那样的导电性载体的载体催化剂或无载体催化剂的任一种。作为构成电解质膜17的质子传导性材料，可列举出例如具有磺酸基的全氟磺酸聚合物那样的氟类树脂(Nafion (商品名、杜邦公司制)>Flemion (商品名、旭硝子株式会社制)等)、具有磺酸基的烃类树脂等有机材料、或钨酸或磷钨酸等无机材料。然而，质子传导性的电解质膜17并不限于此。层叠于阳极催化剂层11的阳极气体扩散层12起到向阳极催化剂层11均勻地供给燃料的作用，并还兼用作阳极催化剂层11的集电体。层叠于阴极催化剂层14的阴极气体扩散层15起到向阴极催化剂层14均勻地供给氧化剂的作用，并还兼用作阴极催化剂层 14的集电体。阳极气体扩散层12和阴极气体扩散层15由多孔质基材构成。根据需要，将导电层层叠于阳极气体扩散层12和阴极气体扩散层15。作为这些导电层，可使用例如由Au、Ni那样的导电性金属材料构成的多孔质层(例如网状)、多孔质膜、箔体、或将金或碳等导电性优良的材料包覆于不锈钢(SUQ或Cu等导电性金属材料的复合材料等。橡胶制的0形环19分别介于电解质膜17与下述燃料分配机构105以及电解质膜 17与盖板18之间，利用0形环来防止燃料或氧化剂从发电部101泄漏。盖板18具有用于导入作为氧化剂的空气的未图示的开口。根据需要，在盖板18 与阴极16之间配置保湿层或表面层。保湿层浸渍由阴极催化剂层14所生成的一部分水， 抑制水的蒸发，并且，促进空气均勻地扩散到阴极催化剂层14。表面层用于对空气的导入量进行调整，具有根据空气的导入量而调整个数或大小等的多个空气导入口。在发电部101的阳极(燃料极)13—侧，配置有燃料分配机构105。燃料分配机构 105经由如配管的液体燃料的通路103，与燃料容纳部(燃料箱)102相连接。燃料容纳部102中容纳有与发电部101相对应的液体燃料。作为液体燃料，可举出各种浓度的甲醇水溶液或纯甲醇等甲醇燃料。液体燃料并非一定限于甲醇燃料。液体燃料也可以是例如乙醇水溶液或纯乙醇等乙醇燃料、丙醇水溶液或纯丙醇等丙醇燃料、乙二醇水溶液或纯乙二醇等乙二醇燃料、二甲醚、甲酸、或其他液体燃料。总之，燃料容纳部102 中容纳有与发电部101相对应的液体燃料。从燃料容纳部102经由通路103，将燃料导入到燃料分配机构105中。通路103不限于独立于燃料分配机构105或燃料容纳部102的配管。例如，当将燃料分配机构105和燃料容纳部102层叠而形成一体化的情况下，也可以是将这些连接起来的燃料的通路。燃料分配机构105经由通路103与燃料容纳部102相连接。如图3所示，燃料分配机构105具备燃料分配板23，该燃料分配板23具有使燃料经由通路103而流入的至少一个燃料注入口 21 ；以及排出燃料或其气化成分的多个燃料排出口 22。如图2所示，在燃料分配板23的内部，设有成为从燃料注入口 21导入的燃料的通路的空隙部M。多个燃料排出口 22分别与起到作为燃料通路的作用的空隙部M直接连接。从燃料注入口 21导入到燃料分配机构105的燃料进入空隙部M，经由起到作为该燃料通路的作用的空隙部对分别被引导至多个燃料排出口 22。对多个燃料排出口 22也可配置有例如仅使燃料的气化成分透过、而不使液体成分透过的气液分离体(未图示)。由此，将燃料的气化成分供给到发电部101的阳极(燃料极)13。另外，气液分离体还可作为气液分离膜等设置在燃料分配机构105和阳极13之间。从多个燃料排出口 22朝阳极13 的多个位置，排出燃料的气化成分。可将多个燃料排出口 22设在与燃料分配板23的阳极13相接触的面上，以使燃料
6排出口 22可向整个发电部101供给燃料。燃料排出口 22的个数为2个以上即可，然而，为了使发电部101的面内的燃料供给量均勻，优选形成为存在0. 1 10个/cm2的燃料排出 Π 22。在将燃料分配机构105和燃料容纳部102之间相连接的通路103中，插入作为燃料输送控制单元的泵104。该泵104不是使燃料循环的循环泵，而是将燃料从燃料容纳部 102输送到燃料分配机构105的燃料供给泵。必要时利用这种泵104来输送液体燃料，从而提高燃料供给量的控制性。在该情况下，作为泵104，从控制性好、能输送少量的液体燃料、 而且能实现小型轻量化的观点来看，优选使用旋转叶片泵、电渗泵、隔膜泵、挤压泵等。旋转叶片泵利用电动机使叶片旋转来输送液体。电渗泵使用引起电渗透流现象的二氧化硅等烧结多孔体。隔膜泵利用电磁铁或压电陶瓷等驱动隔膜来输送液体。挤压泵对具有柔软性的燃料通路的局部进行压迫，挤压输送燃料。其中，从驱动功率或大小等观点来看，更优选使用电渗泵或具有压电陶瓷的隔膜泵。禾Ij用泵104，在通路103中输送容纳于燃料容纳部102的燃料，并供给到燃料分配机构105。然后，将从燃料分配机构105放出的燃料供给到发电部101的阳极(燃料极)13。另外，也可将燃料容纳部102配置在泵104与燃料分配机构105之间，利用泵104 对燃料容纳部102施加压力，从而输送液体燃料。在该情况下，在燃料容纳室102与燃料分配机构105之间配置有燃料截断阀，通过采用这样的结构，能控制利用通路供给的液体燃料。在发电部101内，燃料经过阳极气体扩散层12进行扩散，从而供给到阳极催化剂层11。在使用甲醇燃料作为燃料的情况下，在阳极催化剂层11中发生下式(1)所示的甲醇的内部重整反应。此外，在使用纯甲醇作为甲醇燃料的情况下，使得利用阴极催化剂层14 生成的水或电解质膜17中的水与甲醇发生反应，从而引起式(1)的内部重整反应。或者， 利用不需要水的其他反应机构来产生内部重整反应。CH30H+H20 — 6H++C02+6e" · · · (1)由该反应所生成的电子(e_)经由集电体被引导出到外部，作为所谓输出而供给到负载侧之后，被引导至阴极(空气极)16。此外，由式⑴的内部重整反应生成的质子(H+) 经由电解质膜17引导至阴极16。将空气供给到阴极16作为氧化剂。到达阴极16的电子 (e_)和质子(H+)在阴极催化剂层14中与空气中的氧气根据下式( 发生反应，伴随着该反应而生成水。6H++ (3/2) 02+6e" — 3Η20 · · · (2)泵驱动部2对泵104的驱动进行控制。泵驱动部2基于控制部4的指示，对泵104 的接通/断开进行控制。DC-DC转换器3具有未图示的开关要素和储能要素，利用这些开关要素和储能要素，将燃料电池主体1所发电的电能进行存储或放出，将来自燃料电池主体1的较低的输出电压升高到足够的电压并进行输出。温度传感器SSl是配置在阴极16的附近、对阴极16的温度Tmp (阴极温度、或DMFC 的温度)进行测定的传感器，例如为热敏电阻、热电偶。来自温度传感器SSl的、表示温度 Tmp的测定结果的信号(温度信号)被送往控制部4，用于对燃料供给进行控制。另外，本实施方式所涉及的燃料电池在控制中不使用外部温度，由于不需要对外部温度进行测定，因此，能力图简化装置结构。例如，不需要将用于测定外部温度的传感器暴露在外部。电压传感器SS2与发电部101的端子相连接，对来自发电部101的输出电压进行测定。此处，若成为将开关SW断开、将负载与发电部101之间断开连接的状态，则电压传感器SS2能对发电部101的开路电压(Open Circuit Voltage :0CV) Voc进行测定。电压传感器SS2起到作为“对燃料电池主体的开路电压进行测定的电压传感器”的作用。另外，电压传感器SS2所测定的可以是发电部101单体的电压、或者可以是将多个 (例如4个)发电部101串联连接时的电压(例如4串联电压)。若为单个发电部101，则由于未必能获得足够的电压，因此，通常在燃料电池中具备多个发电部101。本文中，设电压传感器SS2对4串联电压进行测定(下述的规定值VI、V2也以4串联电压为前提)。开关SW由控制部4来驱动，且开关SW使发电部101与DC-DC转换器3之间的连接(进而使发电部101与负载之间的连接)接通/断开(0N/0FF)。开关SW起到作为“当电压传感器所测定的电压比所述规定值要大的情况下、将所述燃料电池主体与负载相连接的连接部”的作用。控制部4具有供给速度确定部41、燃料供给控制部42、负载连接控制部43、以及供给异常判定部44。供给速度确定部41在启动时和稳定动作时的两种情况下，确定燃料的供给速度 (占空比D)。启动时，供给速度确定部41基于电压传感器SS2所测定的开路电压Voc，来确定燃料的供给速度(占空比D)。另一方面，在稳定动作时，供给速度确定部41确定燃料的供给速度(占空比D)，以使温度Tmp成为目标温度Tt。另外，供给速度确定部41能直接确定燃料的供给速度本身。此外，供给速度确定部41还可分别确定下述的泵104的动作时间和停止时间，从而作为其结果来确定燃料的供给速度。此处，设泵驱动部2对泵104有无将燃料供给到发电部101进行控制。S卩，泵驱动部2并非对燃料供给速度本身进行直接控制。泵驱动部2在时间上对泵104有无供给燃料进行控制，从而作为其结果，能控制某一时间内的燃料的供给量。即，通过对泵104的动作时间(以下称作接通(ON)时间)和停止时间(以下称作断开(OFF)时间)进行控制，能对燃料的供给速度进行调节。此时，如下式(11)那样用占空比D来表示燃料的供给速度V[g/SeC(秒)]。V = Av*DD = ton/(ton+tof)=t。n/tal ···式(11)Av 比例常数t。n 泵104供给燃料的时间(0N时间(动作时间))t。f 泵104不供给燃料的时间(OFF时间(停止时间))tal = t。n+t。f =ON 时间和 OFF 时间之和如以供给速度确定部41所确定的占空比D来供给燃料那样，燃料供给控制部42 经由泵驱动部2对泵104进行控制。具体而言，对泵104进行控制，以便重复进行以下动作 在ON时间t。n内进行燃料供给；以及在OFF时间t。f内停止燃料供给。
另外，如下所述，即使占空比D恒定，燃料的供给速度V也有可能会因温度等而发生波动。即，比例常数Av取决于温度等而发生波动。负载连接控制部43对开关SW进行控制，且使发电部101与DC-DC转换器3之间的连接(进而使发电部101与负载之间的连接)接通/断开(0N/0FF)。具体而言，在开路电压Voc达到规定值Vl之前(Voc < VI)，使开关SW断开，使发电部101不与负载相连接的状态持续。若开路电压Voc达到规定值Vl (Voc彡VI)，则使开关SW接通，使发电部101与负载相连接。在即使对发电部101的燃料供给次数(Cp)超过规定次数(Cth) (Cp ^ Cth)、但开路电压Voc仍未达到规定值Vl时，供给异常判定部44判定为燃料供给发生异常，停止燃料电池的启动。此时，可用任意方法(视频、声音等)，对用户发出警告。供给异常判定部44 起到作为“当供给速度确定部确定所述供给速度的次数超过规定次数的情况下、判断为所述燃料供给部所进行的燃料供给发生异常的判断部”的作用。(燃料电池的动作)以下，对燃料电池的动作进行说明。图4表示比较例所涉及的燃料电池的启动流程。图5和图6分别表示实施方式和变形例所涉及的燃料电池的启动流程。I.比较例所涉及的燃料电池的启动流程首先，对比较例所涉及的燃料电池的启动流程进行说明。在比较例中，将ON时间 t。n、0FF时间、分别设为恒定值(t。n = t。n0、t。f = t。f0，步骤Sll)。然后，在开路电压Voc 达到规定值Vl之前，使泵104以该ON时间t。n0、0FF时间t。f0进行动作(步骤S12 S14)。 若开路电压Voc达到规定值Vl (Voc ^ VI)，则将燃料电池与负载相连接，转移到利用PID控制的稳定动作状态。在即使泵104的动作次数Cp成为规定值Cth以上(Cp ^ Cth)、但开路电压Voc仍未达到规定值Vl时，判定为燃料供给发生异常(步骤S15、S16)。如上所述，在比较例中，根据恒定的ON时间t。n0、OFF时间t。f0，来启动燃料电池。 然而可知，即使ON时间t。n、OFF时间t。f恒定(占空比D恒定)，有时燃料电池的启动也不稳定。即，优选在启动时要适当变更占空比D。以下，进行说明。(1)高温环境下的比较例的动作在高温环境下，即使ON时间恒定，但燃料容纳部(燃料箱)102的内压也会增大， 来自泵104的液体输送量(燃料的供给速度V)会增大。此处，开路电压Voc延迟于燃料输送而上升。阴极16的温度Tmp进一步延迟而上升。在该情况下，若使用常温环境下(外部气温25°C )最适当的ON时间和OFF时间，则在高温环境下的温度Tmp可能发生过冲。这是因为在开路电压Voc超过规定值Vl的时刻，供给了所需燃料以上的燃料。(2)低温环境下的比较例的动作在低温环境下，即使ON时间恒定，但燃料容纳部(燃料箱)102的内压也会减小， 来自泵104的液体输送量(燃料的供给速度V)会减小。其结果为，开路电压Voc的上升速度降低，燃料电池的启动变得耗时。此外，由于液体输送量减少，因此泵104的动作次数Cp必然增多。因而，在开路电压Voc达到规定值Vl之前，动作次数Cp达到设定次数Cth，尽管燃料容纳部102中有燃料， 都有可能判定为燃料的供给发生异常(切断燃料等)。另一方面，若增大设定次数Cth，则对燃料的供给异常进行判定会耗时，用户感到不方便。
(3)应对高温环境、低温环境在图7和表1中，示出高温环境下和低温环境下的优选ON时间、OFF时间的例子。 在图7中，示出分别对应于高温环境、常温环境(25°C)、低温环境的ON时间和OFF时间。在表1中，示出相对于常温环境(25°C )的ON时间和OFF时间的、高温环境、低温环境下的分别的优选ON时间和OFF时间。表 1__ON 时间OFF 时间 t。f
- 高温环境下 j短__长
(燃料箱内压高)___‘低温环境下长 尽可能短 (燃料箱内压低)__如图7和表1所示那样，相对于常温环境下的最适当的ON时间和OFF时间，在高温环境下优选使ON时间缩短、OFF时间延长。为了降低占空比D，仅改变ON时间、OFF时间的任一个就足以，然而为了防止过度供给燃料，优选为使ON时间优先缩短。这是因为对发电部101供给了过多燃料的情况下，除了使过多燃料燃烧以外，难以解除燃料过多的状态。 艮P，也可将延长OFF时间作为附带的要素。相对于常温环境下最适当的ON时间，在低温环境下优选使ON时间延长。另一方面，相对于常温环境下最适当OFF时间，在低温环境下优选使OFF时间维持相同水平、或少许缩短OFF时间。OFF时间越短，启动所需时间也越短。然而，若考虑到开路电压Voc的上升和温度Tmp的上升相对于液体输送要延迟，则过度缩短并非优选。在本实施方式中，在启动时，基于电压传感器SS2所测定的开路电压Voc，来确定 ON时间、OFF时间。通过这样，不必对外部温度进行测定，就能如图7和表1所示那样对与高温环境、低温环境相对应的ON时间、OFF时间进行控制。在下面，对其细节进行阐述。如上所述，以燃料电池不具有外部温度测定用传感器、不直接知道外部温度作为前提。温度传感器SSl所测定的是DMFC本身的温度Tmp，不能保证该温度Tmp肯定与外部气温相接近。另外，在过度注入燃料的状态下，认为即使在常温下，燃料容纳部102(燃料箱)的内压也会上升，因此优选不依赖于测定外部气温。即，优选在大范围的环境下稳定地启动。II.实施方式所涉及的燃料电池的启动流程图5是表示燃料电池的启动流程的1个例子的流程图。如上所述，在启动时，供给速度确定部41基于电压传感器SS2所测定的开路电压Voc，来确定燃料的供给速度(占空比D)。此处，在开路电压Voc比规定值V2要大或要小的情况下，对ON时间和OFF时间的设定进行变更。A.初始设定(步骤S21)将ON时间t。n设定为最小值(t。nmin，例如为1秒)(t。n = tonmin)。此外，将泵动作次数计数Cp设定为0 (Cp = 0)。泵动作次数计数Cp表示泵104进行动作的次数。
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B.确定ON时间、OFF时间对开路电压Voc是否在规定值Vl (例如为IV)以上进行判断(步骤S22)。该判断用来对启动是否结束进行判断。在开路电压Voc比规定值Vl要小的情况下，作为启动期间，确定燃料的供给速度(ON时间、OFF时间)。具体而言，将开路电压Voc和规定值V2(V2 < VI，例如为0. 5V)相比较(步骤S23)。基于该比较结果，确定ON时间t。n、0FF时间t。f (步骤 S24, S25)。(1) “开路电压Voc <规定值V2”的情况(步骤S25)在“开路电压Voc <规定值V2”的情况下，ON时间、基于规定的函数(t。n = f(tj)而增加。例如，增加规定倍数11(作为一个例子为2倍)^11 = 11衬。11)。此外，基于规定的函数(t。f = f (t。f))，设定OFF时间t。f。例如，设定为最小值(作为1个例子为30秒) (tof = tofmin)。刚刚启动后，认为“Voc < V2”的状态会持续。这样，若“Voc < V2”的状态持续， 则重复执行步骤S25，ON时间t。n每次增加。例如，启动后，若执行i次步骤S25，则ON时间 t。n如下式(12)那样成为Iii倍。ton = n^t^min · · 式(12)另一方面，在此期间，OFF时间t。f保持最小值(t。fmin)。图8是表示此时的ON时间t。n、OFF时间t。f的变化的发展的1个例子的示意图。 可知ON时间t。n每次以规定的函数(此处为η倍(具体为2倍))增加成为t。nll t。n14。 另夕卜，对于t。fll t。f14的任一个，OFF时间^都保持规定的值(此处为最小值(t。fmin))。如上所述，若“Voc < V2”的状态持续，则由于ON时间t。n增加，占空比随之不断增力口。启动后持续“Voc < V2”的状态则表示启动需要时间，例如表示由于外部温度较低，因此，实质上燃料供给量少。由此，当由于外部温度较低等原因而燃料供给不足、启动耗时的情况下，能增加占空比，缩短启动时间。(2) “开路电压Voc彡规定值V2”的情况(步骤S24)在“开路电压Voc彡规定值V2”的情况下，将ON时间t。n保持为恒定(t。n = tj。 此外，将OFF时间t。f设定为最大值(t。fmaX，例如为120秒(最小值t。fmin (30秒)的4倍)) (tof = tofmax)。启动后，若经过一定程度的时间，则认为从“Voc < V2”的状态转移到“Voc彡V2” 的状态。这样，若成为“Voc >V2”的状态，则认为启动过程进行到一定程度，从而通过增加 OFF时间t。f，来降低占空比D。此处，处于“Voc彡V2”的状态时，也可以考虑将ON时间t。n、OFF时间t。f两者保持为恒定，即将占空比保持为恒定。此处，考虑到“Voc <V2”的状态下的最终占空比D过大的可能性，从而通过增加OFF时间t。f，来确保用于消耗燃料的时间。图9和图10是表示此时的ON时间t。n、OFF时间t。f的变化的发展的1个例子的
示意图。在图9中，设启动刚刚开始后(紧跟在ON时间t。n21中输送液体之后)的时刻 t2，成为“Voc彡V2”。在该情况下，ON时间t。n保持为启动刚刚开始后的值(t。n21)而成为 t。n22 t。J4。另一方面，OFF时间t。f从启动刚刚开始后(t。f21)的最小值(t。fmin)变成并维持最大值(t。fmaX)而成为t。f22 t。fM。例如，在由于外部温度较高、实质上燃料的供给量较多的情况下，从启动刚刚开始后就能成为“Voc ^ V2”。在图10中，设在从启动开始经过一定程度的时间后的时刻t3，成为“Voc >V2”。 在该情况下，ON时间t。n增加为t。n31 t。n33，在时刻t3之后，保持为恒定值。另一方面， OFF时间t。f直到t。f31 t。f33为止，保持为最小值(tofmin, 30秒)，在时刻t3后的tof34、 t。f35，成为最大值(tofmax, 120 秒)。(3)控制泵 104根据这样确定的ON时间t。n、0FF时间t。f，对泵104进行控制(步骤S26、S27)。泵 104在ON时间t。n期间进行动作，供给燃料，然后，在OFF时间t。f期间则停止，停止供给燃料。其结果为，以占空比D来供给燃料。如上所述，以从启动开始到“Voc<V2”的状态所持续的时间(ON时间t。n、OFF时间t。f的循环)来确定该占空比D。C.启动结束(步骤S22)若开路电压Voc成为规定值Vl以上，则燃料电池的启动结束(转移到稳定动作)。 艮口，发电部101与负载相连接，供给速度确定部41利用PID控制等，来确定燃料的供给速度 (占空比D)，以使温度Tmp成为目标温度Tt。此处，在确定供给速度之前，判断启动是否结束。然而，也可改变进行这一判断的时刻，例如可在泵104的动作期间、停止期间，判断启动是否结束。供给速度确定部41利用下式(13)，来确定占空比D。D = A· (Tmp-Tt) +B · f (Tmp-Tt) dt+C · d (Tmp-Tt)/dt · · 式(13)式(13)表示所谓PID (比例积分微分Proportional Integral Differential) 控制，基于当前的温度Tmp与目标温度Tt的偏差(Tmp-Tt)的比例项(A · (Tmp-Tt))和积分项(B· / (Tmp-Tt) dt)和微分项(C ^d(Tmp-Tt)/dt)，来确定占空比D。另外，还可使用 PI(比例积分Proportional Integral)控制来替代PID控制。通过利用式(1 等来周期性地确定占空比，对泵104所进行的燃料供给速度进行控制，从而能对燃料电池进行控制，以使温度Tmp与目标温度Tt相一致。D.燃料供给异常判定(步骤S28、S29)若泵104的ON和OFF的循环(泵动作次数计数Cp)达到设定次数Cth (例如为5 次)，则停止启动。认为启动过分耗时、燃料供给发生异常等(例如，切断燃料容纳部(燃料箱)102的燃料)。III.变形例所涉及的燃料电池的启动流程图6是表示燃料电池的启动流程的其它例子(变形例)的流程图。由于该变形例中的顺序在本质上与图5的实施方式中的顺序并没有不同，因此，以不同点为中心进行说明。(1)分开确定ON时间t。n、OFF时间t。f在图5中的步骤S23 S25中，一并确定ON时间t。n、OFF时间t。f。与此不同的是，在变形例中，在步骤S33 S36、步骤S45 S48中分别独立地确定ON时间t。n、OFF时
间 t。f。这是因为ON时间t。n、0FF时间t。f的确定条件不同。即，在确定ON时间t。n时，对温度Tmp是否比设定值Tth (例如为40°C )要大进行判断(步骤S34)。在温度Tmp比设定值Tth要小的情况下(步骤S34中的判断为“否”的情况)，即使“Voc彡V2”，0N时间t。n也基于规定的函数(t。n = f(t。n))来增加。例如，增加规定倍数η(作为一个例子为2倍)(步骤S36)。这是因为通过加进判断温度Tmp，能更准确地判断是否需要增加燃料供给。若温度Tmp较低，则即使“Voc ^ V2”，燃料供给也可能不足。(2) 一并进行确定OFF时间t。f和使泵停止动作(OFF)在图5中，将确定OFF时间t。f (步骤S23 S25)和使泵104停止动作(步骤S27) 分开来进行。与此不同的是，在变形例中，一并进行确定OFF时间t。f和使泵104停止动作 (步骤S44 S48)。S卩，在泵104停止之后(步骤S44)，对OFF时间t。f进行确定，对经过的时间进行判断(步骤S46 S48)。这源于分开来确定ON时间t。n和OFF时间t。f。但是， 即使独立进行确定OFF时间t。f和使泵停止动作也无妨。(3)判定启动结束在图5中，作为判定启动结束，每1个循环仅进行一次。与此不同的是，在变形例中，在确定OFF时间t。f之前(步骤S32)、泵104进行动作期间(步骤S42)、泵104停止期间(步骤S45)，分别对启动是否结束进行判定。为了使启动迅速结束、向负载供电，增加对启动是否结束进行判定的次数。泵104停止期间，重复判定启动是否结束。(4)判定燃料供给异常在图5中，根据泵104的ON和OFF的循环(泵动作次数计数Cp)，对燃料供给异常进行判定。与此不同的是，在变形例中，当ON时间t。n比规定值t。nth(例如为64秒)要小 (t。n < t。nth)、且泵动作次数计数CpO为规定值CthO (例如为5次)以下的情况下，判定为燃料供给没有异常(步骤S37)。即，当泵动作次数计数CpO比规定值CthO要大的情况下， 以及当ON时间t。n为规定值t。nth以上的情况下，判定为燃料供给发生异常。将ON时间t。n 为规定值t。nth以上的情况作为判定对象，从而防止ON时间〖。 增大过多(燃料供给过多)。此处，仅在燃料供给恒定的情况下，以泵动作次数计数CpO进行计数(步骤S35)。 另一方面，如式(12)所示，ON时间t。n取决于执行了步骤S36的次数。最终，在该变形例中， 对燃料供给恒定的情况(步骤S3。和燃料供给增加的情况(步骤S36)独立进行计数，当超过各自的规定值(Cth0、Cthl = L0Gn(tonth/tonmin))的情况下，判定为燃料供给发生异常。 艮口，与在图5中将泵104的动作次数作为整体进行计数不同，在变形例中，对“Voc < V2”、 "Voc ^ V2”的情况分别独立地进行计数。这样，通过对燃料供给增加的情况和未增加的情况独立地进行计数，从而能力图提高异常判定的精度。另外，在启动时，当泵104的ON时间超过规定时间的情况下，也可基于规定的函数，将泵驱动频率降低(具体而言，成为初始频率的1/ 。这是为了通过泵104的接通(ON) 而吸取来自燃料容纳部102的燃料，从而使燃料容纳部102内的压力减小，很好地将液体输送到燃料分配机构。即，由于随着泵驱动频率降低，泵104的燃料排出压增大，因此，即使在燃料容纳室102内的压力减小而变低的情况下，也能很好地进行液体输送。(实施例)对利用以上变形例所涉及的启动流程来启动燃料电池的结果进行说明。(1)确认高温环境下的动作根据高温环境下(外部气温38°C )下的启动试验的结果，温度Tmp的最高小于50°C，温度Tmp未发生过冲。如泵流量增大那样的高温环境下，在ON时间t。n*较短的时刻成为“开路电压 Voc彡规定值V2”，OFF时间t。f成为最大值(t。fmax，120秒)。BP, ON时间t。n、OFF时间t。f 如图9那样发生转变。(2)确认低高温环境下的动作根据低温环境下(外部气温5°C )的启动试验结果，开路电压Voc上升到规定值 Vl为止(启动结束)需要约5分钟 6分钟，因此，与比较例中的启动时间(20分钟)相比
有缩短。如泵流量较小那样的低温环境下，ON时间t。n延长之后成为“开路电压Voc彡规定值V2”，持续该ON时间t。n。即，成为图10那样的泵动作。由于ON时间t。n延长到一定程度，因此，能确保燃料供给量，开路电压Voc上升的时间与比较例的启动方法相比，有缩短。如上所述，即使在高温环境还是在低温环境的任何一种环境下，都能实现与图7 和表1所示那样的、优选的ON时间t。n、0FF时间t。f相对应的泵104的动作。S卩，对于外部气温、燃料箱内压能进行确保了鲁棒性的燃料电池的启动。此外，通过在低温时等增大占空比，从而能促进启动结束。这意味着即使将燃料供给异常判定时的基准值(CtKCthO)减小也无妨。其结果为，将比较例中耗费20分钟左右的异常判定所需的时间缩短到5分钟(1/4)。虽然说明了本发明的多个实施方式，但这些实施方式只是呈现作为示例，而并非要对发明范围进行限定。这些新的实施方式可通过其它各种方式进行实施，在不脱离发明要点的范围内，可进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形均包含在发明的范围和要点中，并且包含在专利权利要求所记载的发明及其等同范围内。标号说明1...燃料电池主体、2...泵驱动部、3...转换器、4...控制部、11...阳极催化剂层、12...阳极气体扩散层、13...阳极、14...阴极催化剂层、15...阴极气体扩散层、 16...阴极、17...电解质膜、18...盖板、19...环、21...燃料注入口、22...燃料排出口、 23...燃料分配板、24...空隙部、41...供给速度确定部、42...燃料供给控制部、43...负载连接控制部、44...供给异常判定部、101...发电部、102...燃料容纳部、103...通路、 104. · ·泵、105. · ·燃料分配机构、SSl. · ·温度传感器、SS2. · ·电压传感器、Sff. · ·开关
权利要求
1.一种燃料电池，其特征在于，包括燃料电池主体，该燃料电池主体利用液体燃料发电； 燃料供给部，该燃料供给部将燃料供给到所述燃料电池主体； 电压传感器，该电压传感器对所述燃料电池主体的开路电压进行测定； 供给速度确定部，当所述电压传感器所测定的电压比规定值要小的情况下，该供给速度确定部基于所述电压传感器的测定结果，来确定所述燃料供给部的燃料供给速度；燃料供给控制部，该燃料供给控制部基于所述确定的供给速度，对所述燃料供给部所进行的燃料供给进行控制；以及连接部，当所述电压传感器所测定的电压比所述规定值要大的情况下，该连接部将所述燃料电池主体与负载相连接。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，基于所述电压传感器的测定结果，所述供给速度确定部确定将燃料从所述燃料供给部供给到所述燃料电池主体的动作时间、和不将燃料从所述燃料供给部供给到所述燃料电池主体的停止时间的组合作为所述供给速度，基于所述确定的动作时间和停止时间，所述燃料供给控制部对所述燃料供给部所进行的燃料供给进行控制。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，当所述电压传感器所测定的电压比所述规定值要小、且比小于所述规定值的第二规定值要大的情况下，所述供给速度确定部将所述动作时间保持为恒定，当所述电压传感器所测定的电压比所述第二规定值要小的情况下，所述供给速度确定部增加所述动作时间。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，当所述燃料电池主体的温度比规定的温度要小的情况下，所述供给速度确定部增加所述动作时间。
5.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于， 所述供给速度确定部重复确定所述供给速度，当所述电压传感器所测定的电压比所述第二规定值要小的情况下，所述供给速度确定部使所述动作时间增加前一次动作时间的规定倍数。
6.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，当所述电压传感器所测定的电压比所述规定值要小、且比小于所述规定值的第二规定值要大的情况下，所述供给速度确定部将所述停止时间确定为第一值，当所述电压传感器所测定的电压比所述第二规定值要小的情况下，所述供给速度确定部将所述停止时间确定为比所述第一值要小的第二值。
7.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，当所述电压传感器所测定的电压比所述规定值要小、且比小于所述规定值的第二规定值要大的情况下，所述供给速度确定部将所述动作时间和所述停止时间保持为恒定。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于， 所述供给速度确定部重复确定所述供给速度，所述燃料电池进一步包括判断部，当所述供给速度确定部确定所述供给速度的次数为规定数以上的情况下，该判断部判断为所述燃料供给部所进行的燃料供给发生异常。
9.如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于， 所述供给速度确定部重复确定所述动作时间，当所述动作时间为规定值以上的情况下，所述判断部判断为所述燃料供给部所进行的燃料供给发生异常。
全文摘要
实施方式的燃料电池具有燃料电池主体、燃料供给部、电压传感器、供给速度确定部、燃料供给控制部、以及连接部。电压传感器对所述燃料电池主体的开路电压进行测定。当所述电压传感器所测定的电压比规定值要小的情况下，供给速度确定部基于所述电压传感器的测定结果，来确定所述燃料供给部的燃料供给速度。燃料供给控制部基于所述确定的供给速度，对所述燃料供给部所进行的燃料供给进行控制。当所述电压传感器所测定的电压比所述规定值要大的情况下，连接部将所述燃料电池主体与负载相连接。
文档编号H01M8/04GK102511102SQ20108004154
公开日2012年6月20日 申请日期2010年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者岩村直树, 木村俊介, 渡边大介, 菅博史, 铃木英德 申请人:株式会社东芝