专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将液体燃料向燃料电池单体供给而进行发电的燃料电池系统。
背景技术：
近年来，从环境问题和节省能源的观点出发，利用燃料和氧化剂的电化学反应进行发电的燃料电池的开发正在积极地进行之中。该燃料电池是由燃料及氧化剂产生电能的装置，可以获得高发电效率。另外，作为燃料电池的主要的特征，可以举出如下的特征等，即，由于是不像以往的发电方式那样经过热能或动能的过程的直接发电，因此即使是小规模，也可以期待高发电效率，并且由于氮化合物等的排出少，噪音或振动也少，因此环境性良好。
这样，燃料电池由于具有可以有效地利用燃料所具有的化学能，对环境友好的特性，因此被期待作为担负21世纪供能的能量供给系统，被作为可以用于从宇宙应用到汽车应用、携带机器应用等、从大规模发电到小规模发电的各种用途的将来有希望的新型的发电系统而受到关注，面向实用化的技术开发正在进行之中。
特别是，近年来，作为燃料电池的一个形态，直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel CellDMFC)备受关注。DMFC是不对作为液体燃料的甲醇进行改性，而直接向燃料电池的阳极供给，利用甲醇和氧的电化学反应来获得电能的电池。甲醇与氢相比，由于每单位体积的能量更高，另外，更适于贮藏，爆炸等危险性也更低，因此被期待用于汽车或携带机器等的电源中(参照专利文献1)。
但是，此种DMFC中，当将高浓度的甲醇直接向阳极供给时，由于会发生甲醇穿过高分子电介质的膜而到达阴极侧，降低阴极的电位的问题，因此通常采取以下的方式，即，在使用被称为缓冲罐的稀释机构用水稀释到3％左右后，向阳极供给。此时，缓冲罐被借助燃料供给路径与收容了高浓度的甲醇的燃料容器连通，利用设于燃料电池供给路径上的泵从燃料容器供给高浓度的甲醇。另一方面，在阴极上产生的水被缓冲罐回收，用该水将高浓度的甲醇稀释，而缓冲罐内被稀释生成的甲醇水溶液的浓度由泵的ON-OFF来控制。
特开2002-373684号公报但是，包括缓冲罐内的燃料电池单体侧的路径内由于向阴极供给作为氧化剂的空气而成为高压状态。由此，当泵停止时，在缓冲罐内被稀释了的甲醇水溶液就会向燃料供给路径倒流。像这样，当甲醇水溶液向燃料供给路径倒流时，即使下次泵被运转，也会产生被稀释了的甲醇水溶液回到缓冲罐中的结果，从而产生浓度急剧地降低而使得发电能力降低的问题。
另外，此种问题在气泡混入了燃料供给路径的情况下也同样地会产生。但是，在将燃料容器设为拆装式的料仓而使处理变得容易的情况下，无论怎样做，在燃料容器的更换等时，气泡都会进入燃料供给路径。
发明内容
本发明是为了解决以往的技术课题而完成的，其目的在于，在将液体燃料稀释后向阳极供给的燃料电池供给系统中，实现发电能力的稳定化。
技术方案1的发明的燃料电池系统是利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的系统，其特征是，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、收容了高浓度的液体燃料的燃料容器、用于将该燃料容器内的液体燃料稀释后向燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐，在燃料容器和缓冲罐之间的燃料供给路径上，设置了防止液体燃料从该缓冲罐中向燃料容器倒流的倒流防止机构。
技术方案2的发明的燃料电池系统是在上述发明中具有如下的特征，即，将倒流防止机构设于燃料供给路径中的缓冲罐附近。
技术方案3的发明的燃料电池系统是在所述各发明中具有如下的特征，即，具备用于将燃料容器内的液体燃料向缓冲罐供给的泵，并且将倒流防止机构用与泵的运转—停止同步地进行开—闭的阀装置构成。
技术方案4的发明的燃料电池系统是在技术方案1或技术方案2中具有如下的特征，即，将倒流防止机构用容许液体燃料从燃料容器向缓冲罐的通过，而阻止液体燃料从该缓冲罐向燃料容器的通过的单向阀构成。
技术方案5的发明的燃料电池系统是利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的系统，其特征是，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、用于将高浓度的液体燃料稀释后向燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐、用于向该缓冲罐供给高浓度的液体燃料的燃料供给路径、收容高浓度的液体燃料并被可以拆装地与燃料供给路径连接的燃料容器、回收燃料供给路径中的气泡的气泡回收机构。
技术方案6的发明的燃料电池系统是在上述发明中具有如下的特征，即，气泡回收机构由被设于燃料供给路径上的用于将燃料容器内的液体燃料向缓冲罐供给的泵、子(sub)燃料罐及流路切换机构构成，通过利用该流路切换机构使子燃料罐的入口与燃料供给路径连通，并运转泵，将燃料供给路径中的气泡回收到子燃料罐内，并且通过利用流路切换机构使子燃料罐的出口与燃料供给路径连通，并运转泵，将子燃料罐内的液体燃料向缓冲罐供给。
技术方案7的发明的燃料电池系统是在上述发明中具有如下的特征，即，通过在利用流路切换机构借助燃料供给路径将燃料容器和缓冲罐连通了的状态下运转泵，从燃料容器向缓冲罐供给液体燃料，并且当停止泵时，利用流路切换机构阻止液体燃料从缓冲罐向燃料供给路径流出。
技术方案8的发明的燃料电池系统是利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的系统，其特征是，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、用于将高浓度的液体燃料稀释后向燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐、用于向该缓冲罐供给高浓度的液体燃料的燃料供给路径、收容高浓度的液体燃料并被可以拆装地与燃料供给路径连接的燃料容器，该燃料容器由外装套盒、收容在该外装套盒内并在内部填充了液体燃料的燃料袋构成，该燃料袋具有被相互连通的多个分区，在外装套盒内以被折叠的状态收纳。
技术方案1的发明中，在利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的系统中，由于具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、收容了高浓度的液体燃料的燃料容器、用于将该燃料容器内的液体燃料稀释后向燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐，在燃料容器和缓冲罐之间的燃料供给路径上，设置了防止液体燃料从该缓冲罐中向燃料容器倒流的倒流防止机构，因此在从燃料容器向缓冲罐供给液体燃料时，就可以预先避免从缓冲罐向燃料供给路径倒流的稀释完的液体燃料回到缓冲罐而使液体燃料的浓度降低的问题。这样，就可以向燃料电池单体稳定地供给合适的浓度的液体燃料，实现发电能力的稳定化。
另外，如果像技术方案2的发明那样，将倒流防止机构设置在燃料供给路径中的缓冲罐附近，则可以将因来自缓冲罐的扩散而向燃料供给路径倒流的稀释完的液体燃料抑制为最小限度，并且还可以在比倒流防止机构靠近燃料容器侧的燃料供给路径上追加各种功能部件。
另外，如果像技术方案3的发明那样，具备用于将燃料容器内的液体燃料向缓冲罐供给的泵，并且将倒流防止机构用与泵的运转—停止同步地进行开—闭的阀装置构成，则可以在从燃料容器向缓冲罐平缓地供给高浓度的液体燃料的同时，还可靠地防止来自缓冲罐的稀释完的液体燃料的倒流。
另外，如果像技术方案4的发明那样，将倒流防止机构用容许液体燃料从燃料容器向缓冲罐的通过而阻止液体燃料从该缓冲罐向燃料容器的通过的单向阀构成，则可以用简单的构成防止来自缓冲罐的稀释完的液体燃料的倒流。
技术方案5的发明中，由于在利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的系统中，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、用于将高浓度的液体燃料稀释后向燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐、用于向该缓冲罐供给高浓度的液体燃料的燃料供给路径、收容高浓度的液体燃料并被可以拆装地与燃料供给路径连接的燃料容器、回收燃料供给路径中的气泡的气泡回收机构，因此就可以将在燃料容器的拆装等时混入燃料供给路径中的气泡平缓地回收。这样，就可以预先避免空气流入燃料电池单体的阳极而导致不能发电的问题，从而可以实现发电能力的稳定化。
另外，如果像技术方案6的发明那样，将气泡回收机构用被设于燃料供给路径上的用于将燃料容器内的液体燃料向缓冲罐供给的泵、子燃料罐及流路切换机构构成，通过利用流路切换机构使子燃料罐的入口与燃料供给路径连通，并运转泵，将燃料供给路径中的气泡回收到子燃料罐内，则可以将混入燃料供给路径中的气泡与液体燃料一起可靠并且迅速地回收到子燃料罐内。
此外，如果通过利用流路切换机构使子燃料罐的出口与燃料供给路径连通，并运转泵，将子燃料罐内的液体燃料向缓冲罐供给，则为了更换而将燃料容器取下的期间，也可以将回收到子燃料罐内的液体燃料向缓冲罐供给而继续发电。
另外，如果像技术方案7的发明那样，通过在利用流路切换机构借助燃料供给路径将燃料容器和缓冲罐连通了的状态下运转泵，从燃料容器向缓冲罐供给液体燃料，并且当停止泵时，利用流路切换机构阻止液体燃料从缓冲罐向燃料供给路径流出，则可以在从燃料容器向缓冲罐平缓地供给高浓度的液体燃料的同时，还防止稀释完的液体燃料从缓冲罐向燃料供给路径的倒流。
技术方案8的发明中，由于在利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的系统中，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、用于将高浓度的液体燃料稀释后向燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐、用于向该缓冲罐供给高浓度的液体燃料的燃料供给路径、收容高浓度的液体燃料并被可以拆装地与燃料供给路径连接的燃料容器，该燃料容器由外装套盒、收纳在该外装套盒内并在内部填充了液体燃料的燃料袋构成，该燃料袋具有被相互连通的多个分区，在外装套盒内以被折叠的状态收纳，因此无论燃料容器的朝向如何，都可以不倒置地将高浓度的液体燃料从燃料袋中取出，并且可以将在外装套盒内产生的无效空间设为最小限度而提高体积效率。
图1是本发明的实施例的燃料电池系统的前方立体图。
图2是图1的燃料电池系统的后方立体图。
图3是图1的燃料电池系统的构成图(实施例1)。
图4是将图3中的燃料供给配管周边的部件抽出后的构成图(实施例1)。
图5是图1的燃料电池系统的燃料容器的立体图。
图6是图5的燃料容器的燃料袋的立体图。
图7是表示图6的燃料袋的构成的图。
图8是说明将图6的燃料袋折叠后的状态的图。
图9是将本发明的其他的实施例的燃料电池系统的燃料供给配管周边的部件抽出后的构成图(实施例2)。
图10是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图11相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图12相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图13相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图14相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图15相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图16相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图17相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图18相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图19相同，是图9的实施例中的控制台的微型电脑的控制流程图。
图20是说明图9的实施例中的燃料泵及三向阀的动作的图。
图21相同，是说明图9的实施例中的燃料泵及三向阀的动作的图。
图22相同，是说明图9的实施例中的燃料泵及三向阀的动作的图。
图23相同，是说明图9的实施例中的燃料泵及三向阀的动作的图。
图24相同，是说明图9的实施例中的燃料泵及三向阀的动作的图。
其中，1-燃料电池系统，3-燃料电池，3A-燃料电池单体，8、8A、8B-气液分离器，9-燃料容器，11、11A、11B-热交换器，23-缓冲罐，26-燃料供给配管，27-燃料泵，28-电磁阀(倒流防止机构)，31-燃料循环泵，37-控制台，46-外装套盒，47-燃料袋，47A～47E-分区，51、52-三向阀(气泡回收机构、流路切换机构)，53-子燃料罐(气泡回收机构)。
具体实施例方式
下面将根据附图对本发明的实施方式进行详细叙述。
图1表示使用了本发明的实施例的燃料电池系统1的前方立体图，图2表示相同的后方立体图，图3表示燃料电池系统1的构成图。实施例的燃料电池系统1是作为液体燃料使用甲醇，通过使该甲醇和作为氧化剂的空气在燃料电池单体中发生电化学反应而进行发电的所谓直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel CellDMFC)系统，为了例如可以作为能够携带的笔记本型个人电脑等的电源使用，整体尺寸被紧凑地构成。
即，燃料电池系统1在如图1及图2所示的套盒2内的大约中央部搭载有燃料电池(电池组)3，在其长边方向的一侧设有控制组件4，在相反一侧设有辅机组件6。另外，在控制组件4和燃料电池3之间设有辅助动力(二次电池)7，并且在辅机组件6的与燃料电池3相反一侧上搭载有气液分离器8、燃料容器9等。而且，辅助动力7是为了燃料电池3的起动时的电能供给以及吸收载荷变动而设置的。另外，在燃料容器9内收容有作为液体燃料的高浓度的甲醇。另外，在控制组件4和辅机组件6之间，与燃料电池3相邻地设有热交换器11，另外，在套盒2上安装有向该热交换器11及燃料电池3通风的冷却风扇12。13是形成于与该冷却风扇12相反一侧的套盒2壁面上的排气孔。
此外，套盒2的上面被可以开闭的盖14封闭，从套盒2中拉出与控制组件4连接的电源输出用的连接器16。另外，燃料容器9被设为可以拆装地设于凹陷地形成于气液分离器8侧的套盒2上的燃料容器安装部2A上的料仓式。此外，在该燃料容器安装部2A上形成有接头2B，燃料容器9侧的接头9A被可以拆装地与该接头2B连接。
此外，图3中，燃料电池3是将用隔膜夹持了未图示的膜电极接合体(Membrane Electrode AssemblyMEA)的燃料电池单体3A层叠多片(电池组)而构成的。在该燃料电池3的端部，分别设有燃料供给口17、氧化剂供给口18、燃料排出口19及氧化剂排出口21。在燃料电池3内部，沿燃料电池单体3A的层叠方向贯穿地设有未图示的燃料供给歧管、氧化剂供给歧管、燃料排出歧管及氧化剂排出歧管，从燃料供给口17及氧化剂供给口18分别经过燃料供给歧管及氧化剂供给歧管，向各燃料电池单体供给液体燃料、氧化剂，另外，从各燃料电池单体3A中排出的排出燃料、排出氧化剂及生成水等从燃料排出歧管及氧化剂排出歧管中，分别穿过燃料排出口19及氧化剂排出口21而被排出。
实施例的燃料电池3由于使用作为液体燃料使用了甲醇，作为氧化剂使用了空气的直接甲醇燃料电池(DMFC)，因此从燃料排出口19中将排出甲醇(甲醇水溶液)、排出二氧化碳等排出，从氧化剂排出口21中将排出空气、生成水等排出。从燃料排出口19中被排出的排出甲醇、排出二氧化碳等穿过燃料排出配管22而被导入缓冲罐23。另外，从氧化剂排出口21中被排出的排出空气、生成水等穿过氧化剂排出配管24而被导入缓冲罐23。
此时，在燃料排出配管22上，夹设有构成所述热交换器11的一部分的热交换器11A及构成所述气液分离器8的一部分的气液分离器8A，在燃料排出配管22内通过的排出甲醇通过在热交换器11A中被冷却风扇12空冷而液化，通过在气液分离器8A中被气液分离，仅排出二氧化碳被向外部排出，仅排出甲醇被导入缓冲罐23。
另外，在氧化剂排出配管24上，也夹设有构成所述热交换器11的一部分的热交换器11B及构成所述气液分离器8的一部分的气液分离器8B，在氧化剂排出配管24内通过的生成水通过在热交换器11B中被冷却风扇12空冷而液化，通过在气液分离器8B中被气液分离，仅排出空气被向外部排出，仅生成水被导入缓冲罐23。
该缓冲罐23被设于套盒2内的所述气液分离器8的下侧，作为被如后所述地由燃料容器9导入的高浓度的甲醇(液体燃料)的稀释机构发挥作用。即，在该缓冲罐23上连接有构成本发明的燃料供给路径的燃料供给配管26的一端，该燃料供给配管26的另一端被与所述接头2B连接。另外，在燃料供给配管26上如图4中所示，另外夹设有燃料泵27和作为倒流防止机构的电磁阀28，特别是电磁阀28被安装在燃料泵27的喷出侧的缓冲罐23的附近(燃料供给配管26的一端附近)。另外，这些燃料泵27及电磁阀28被配设在接头2B及缓冲罐23附近的套盒2内。
在燃料容器9的接头9A被可以拆装地与套盒2的接头2B连接的状态下，燃料容器9与燃料供给配管26连通。此外，当所述电磁阀28打开时，缓冲罐23和燃料容器9就会借助燃料供给配管26或燃料泵27连通。当在该状态下运转燃料泵27时，燃料容器9内的高浓度的甲醇就会经过燃料供给配管26、电磁阀28而被向缓冲罐23供给。
向缓冲罐23供给的高浓度的甲醇被从氧化剂排出配管24导入的生成水稀释，例如在实施例中被调整为大约3％(或者0.5mol/L～2mol/L)的浓度。在缓冲罐23的出口和燃料电池3的燃料供给口17之间连接有稀释燃料供给配管29，在该稀释燃料配管29上夹设有所述辅机组件6中所含有的另外的燃料循环泵31。
此外，当运转该燃料循环泵31时，缓冲罐23内的被稀释了的甲醇水溶液(液体燃料)就穿过稀释燃料供给配管29而被从燃料供给口17向燃料电池3的各燃料电池单体3A的阳极供给。另一方面，由所述辅机组件6中所含的气泵32送出的空气(氧化剂)穿过氧化剂供给配管33，从氧化剂供给口18向燃料电池3的各燃料电池单体3A的阴极供给。
在各燃料电池单体3A中，被向阳极供给的甲醇水溶液中的甲醇与被向阴极供给的空气中的氧产生电化学反应，进行发电。将此时的阳极侧的反应表示在(1)中，将阴极侧的反应表示在(2)中，将全部反应用(3)式表示。
……(1)……(2)……(3)这样，在燃料电池3中产生的电能被控制组件4中所含的DC/DC转换器36调整为给定电压后，就会借助所述的连接器16而向笔记本个人电脑(或其电池(二次电池))等供给。而且，37为控制组件6中所含的控制台，由通用的微型电脑构成。另外，38～40为分别检测缓冲罐23、燃料电池3、控制台37的温度的温度传感器，41、42为检测燃料电池3的输出电压·电流的电压传感器及电流传感器，43为检测DC/DC转换器36的输出电压的电压传感器。这些传感器的输出被输入控制台37，控制台37基于这些输出，进行所述燃料泵27、燃料循环泵31、电磁阀28、气泵32、冷却风扇12等驱动部件的控制。
此时，控制台37基于电压传感器41及电流传感器42的输出，当燃料电池3的输出低于给定的规定值时，在给定期间打开电磁阀28(ON)，并且使燃料泵27运转(ON)，将燃料容器9内的高浓度的甲醇向缓冲罐23供给。此外，在经过了给定期间后则停止燃料泵27(OFF)，并且使电磁阀28关闭(OFF)，停止高浓度的甲醇向缓冲罐23的供给。这样，就会间歇地将燃料电池泵27及电磁阀28设为ON-OFF，将缓冲罐23内的甲醇水溶液的浓度调整为所述的值而维持燃料电池3的发电。
这里，缓冲罐23内由于借助氧化剂排出配管24等由气泵32等加压，因此当在没有电磁阀28的情况下停止燃料泵27时，在缓冲罐23内被稀释了的甲醇水溶液就会从入口倒流进燃料供给配管26。当被稀释了的甲醇水溶液向燃料供给配管26倒流时，即使为了供给高浓度的甲醇而使燃料泵27运转，结果被稀释了的甲醇水溶液也会回到缓冲罐23中，从而产生缓冲罐23内的甲醇水溶液的浓度急剧地降低而使燃料电池3的发电停止的问题。
但是，本发明中，由于在燃料供给配管26上设有电磁阀28，控制台37如前所述，将该电磁阀28与燃料泵27的运转(ON)-停止(OFF)同步地设为开(ON)-闭(OFF)，因此在燃料泵27的停止中就可以将燃料供给配管26的流路先关闭。这样，在燃料泵27的停止中，由于可以防止甲醇水溶液从缓冲罐23向燃料供给配管23倒流的问题，因此就可以将合适的浓度的甲醇水溶液稳定地向燃料电池单体3A的阳极供给，从而可以实现燃料电池3的发电能力的稳定化。
特别是，由于将电磁阀28设于燃料供给配管26的缓冲罐23附近，因此就可以将因来自缓冲罐23的扩散而向燃料供给配管26倒流的甲醇水溶液抑制为最小限度。另外，也可以在比电磁阀28更靠近燃料容器9侧的燃料供给配管26上追加后述的子罐等部件。
特别是，如果如实施例所示，设置与燃料泵27的运转(ON)-停止(OFF)同步地进行开(ON)-闭(OFF)的电磁阀28，则可以在从燃料容器9向缓冲罐23平缓地供给高浓度的甲醇的同时，还可靠地防止来自缓冲罐23的甲醇水溶液的倒流。
而且，所述实施例中虽然通过设置电磁阀28来防止倒流，但是并不限定于此，也可以在燃料供给配管26的缓冲罐23附近设置单向阀。此时，单向阀以容许甲醇从燃料容器9向缓冲罐23通过，而阻止甲醇水溶液从该缓冲罐23向燃料容器9的通过的方向安装。这样，就可以用比设置所述的电磁阀28的情况更为简单的构成来防止来自缓冲罐23的甲醇水溶液的倒流。
这里，图5表示所述燃料容器9的透视立体图。由近似矩形的外装套盒46、被收纳在该外装套盒46内的燃料袋47(图6)构成，在外装套盒46的下端部形成有所述接头9A。所述燃料袋47例如通过将两片耐甲醇性的具有柔性的薄片重合，并将周围焊接而构成，在内部填充高浓度的甲醇。另外，燃料袋47如图7所示，由4个位置的焊接部48A～48D分隔为5个分区47A～47E，各分区47A～47E被连通部49、49将内部相互连通。另外，实施例中，在分区48中设有出口47F。
此外，此种燃料袋47被各焊接部48A～48D如图8所示地折叠为螺旋状，在该状态下被收纳在外装套盒46内。此外，出口47F被与所述接头9A连接。这样，由于将燃料袋47内分隔为多个分区47A～47E，将其折叠而收纳在外装套盒46内，因此无论燃料容器9的朝向(燃料电池系统1自身的朝向)如何，都可以不倒置地利用所述燃料泵27从燃料袋47中取出高浓度的甲醇。另外，燃料袋47由于被近似没有间隙地收纳在外装套盒46内，因此在外装套盒46内产生的无效空间也被设为最小限度而可以提高体积效率。
下面，图9表示本发明的其他的实施例的燃料电池系统1的燃料供给配管26周边的构成图。而且，图9将此时的燃料电池系统1的从燃料容器9到缓冲罐23之间的构成抽出表示，其他的部分与图3相同。此时，在燃料供给配管26上，取代图3、图4情况下的电磁阀28，在燃料泵27的喷出侧及吸入侧连接有作为流路切换机构的三向阀51(电磁阀1)及三向阀52(电磁阀2)。在该三向阀51上还连接有气泡回收配管54的一端，该气泡回收配管54的一端与燃料供给配管26的上部连通，气泡回收配管54的另一端与形成于大气开放型的子燃料罐53的上部的入口连接。该子燃料罐53将上端部的适当位置向大气开放。另外，形成于子燃料罐53的下端的出口借助燃料流出配管56与三向阀52连接。利用这些子燃料罐53或三向阀51、52、燃料泵27构成此时的本发明的气泡回收机构。
所述三向阀51被设于燃料供给配管26的缓冲罐23附近，被通电(ON)而将燃料泵27和缓冲罐23间的燃料供给配管26的流路打开，将气泡回收配管54与燃料供给配管26断开。即，使燃料罐53的入口不与燃料供给配管26连通。另外，当变为非通电(OFF)时，使燃料供给配管26的燃料泵27喷出侧与气泡回收配管54连通，将缓冲罐23侧与燃料泵27及气泡回收配管54断开。即，将缓冲罐23的入口和燃料供给配管26的燃料泵27侧设为非连通状态。
三向阀52在非通电(OFF)的状态下将燃料容器9和燃料泵27间的燃料供给配管26的流路打开，将燃料流出配管56与燃料供给配管26断开。即，使子燃料罐53的出口不与燃料供给配管26连通。另外，当被设为通电(ON)时，使燃料供给配管26的燃料泵27吸入侧与燃料流出配管56连通，将燃料容器9侧与燃料泵27侧断开。即，将燃料容器9和燃料供给配管26的燃料泵27侧设为非连通状态。
此外，这些三向阀51、52也被所述的控制台37控制。此时，在子燃料罐53中设有检测内部的甲醇的量的水位传感器57，同时在接头2B附近的燃料供给配管26(由透明管道构成)上也设有利用光检测燃料的耗尽的水位传感器58。另外，在套盒2的燃料容器安装部2A上设有用于检测燃料容器9的拆装的燃料容器开关(或传感器)59，它们的输出都被输入控制台37。
以上的构成中，下面在参照图10～图19的流程图及图20～图24的动作说明图的同时，对此时的燃料电池系统1的动作进行说明。图10～图19是所述控制台37的利用所述的微型电脑进行的控制流程图，图10表示其中的主流程图。控制台37的微型电脑从开始运转起，首先在图10的步骤S1中进行系统起动处理。图11是该系统起动处理的流程图。微型电脑在图11的步骤S4中进行初期设定，将三向阀51及52设为OFF状态，将料仓准备待机标志设为OFF，将起动时标志设为ON。然后，在步骤S5中执行高浓度燃料供给准备处理。
图12是该高浓度燃料供给准备处理的流程图。微型电脑在图12的步骤S10中执行燃料供给源的判定处理。图13表示该燃料供给源的判定处理的流程图。微型电脑在图13的步骤S15中首先基于燃料容器开关59，判断燃料容器9(料仓)的接头9A是否与套盒2的接头2B连接。此外，在未被连接的情况下，在步骤S21中利用未图示的警告标志等发出无料仓(无燃料容器)警告(图24的状态)。然后，在步骤S23中判断子燃料罐53内的甲醇的量是否在下限水位(L)以下，在比下限水位(L)靠上的情况下，在步骤S24中作为燃料的供给源选择子燃料罐53，将三向阀52设为ON。另外，当在下限水位(L)以下时，在步骤S25中停止系统。
另一方面，当在套盒2的燃料容器安装部2A上固定燃料容器9，在接头2B上连接了接头9A时，微型电脑从步骤S15前进到步骤S16，判断是否是系统起动时。现在由于起动时标志被设为ON，因此微型电脑从步骤S16前进到步骤S19，利用水位传感器57判断子燃料罐53内的甲醇的量是否在上限水位(H)以上。
现在，当子燃料罐53内的甲醇的量设为低于上限水位(H)的量时，微型电脑从步骤S19前进到步骤S20，作为燃料供给源选择燃料容器(料仓)，并且将三向阀52设为OFF状态。然后，在图12的步骤S11中运转燃料泵27(ON)，反复进行步骤S10～步骤S12，直至在步骤S12中微型电脑作为其功能而具有的计时器计数结束为止。
此时，由于三向阀51及52变为OFF，因此当燃料泵27运转时，就会从燃料容器9内(所述燃料袋57内)抽出高浓度的甲醇，经过燃料供给配管26吸入燃料泵27。此后，从燃料泵27中被喷出，经过气泡回收配管54而流入子燃料罐53。此时，混入了燃料供给配管26内的气泡也同时被回收到子燃料罐53内(图20的状态)。
此种向子燃料罐53的气泡回收运转被执行给定时间(该时间为数秒。即，为子燃料罐53从上限水位(H)上升而不溢出的时间，是可以可靠地将燃料供给配管26内的气泡回收的时间)，当所述计时器的计数结束时，微型电脑从步骤S12前进到步骤S13，停止燃料泵27而结束向子燃料罐53的气泡回收运转。此后，在步骤S14中将起动时标志设为OFF。
然后，在步骤S6中将三向阀51设为ON，运转燃料泵27而从燃料容器9向缓冲罐23供给高浓度的甲醇，在缓冲罐23内稀释后作为稀释燃料(甲醇水溶液)准备，然后，在步骤S7中运转燃料循环泵31(ON)，在步骤S8中运转气泵32(ON)。这样，甲醇水溶液就被向燃料电池单体3A的阳极供给，另外，作为氧化剂的空气就被向阴极供给，开始所述的电化学反应。此外，因该电化学反应的影响，燃料电池3的温度上升。微型电脑其后在步骤S9中执行电池组(燃料电池3)的升温待机运转。
图14表示该电池组的升温待机运转的流程图。微型电脑在步骤S26中进行了初期设定后，在步骤S27中执行燃料浓度控制处理。该燃料浓度控制处理是与主流程并行地逐次执行的处理。图15表示其流程图。微型电脑首先在步骤S29中执行所述的图13的燃料供给源的判定处理。此时由于系统起动标志被设为OFF，因此从步骤S16前进到步骤S17，判断料仓准备是否结束。此时，料仓准备待机标志由于设为OFF，因此前进到步骤S18，判断水位传感器58是否检测到了燃料耗尽。
在接头2B附近的燃料供给配管26中没有甲醇时，在步骤S22中利用未图示的灯发出了燃料耗尽警告后，前进到步骤S23。在接头2B附近的燃料供给配管26中有甲醇，而并非燃料耗尽的情况下，前进到步骤S19，判断子燃料罐53的甲醇的量是否在上限水位(H)以上，在处于以上的情况下，前进到步骤S24，作为燃料的供给源选择子燃料罐53，将三向阀52设为ON。即，通过在子燃料罐53内的甲醇的量处于上限水位(H)以上的情况下，将三向阀52设为ON，用以后的燃料泵27的运转从子燃料罐53中抽出甲醇，如果子燃料罐53的甲醇比上限水位(H)更少，则从步骤S 19前进到步骤S20，将三向阀52设为OFF，就总是将子燃料罐53内的甲醇的量设为上限水位(H)以下。
然后，微型电脑在图15的步骤S30中基于燃料电池3的输出判定缓冲罐23内的浓度，在输出较低，而判定为浓度较低的情况下，在步骤S33中执行燃料追加处理。将该追加处理表示在图16中。微型电脑将三向阀51设为ON，在步骤S39中运转燃料泵27(ON)(图21的状态)。此后，在步骤S40中对微型电脑作为其功能而具有的计时器计数，维持该状态(三向阀51为ON，燃料泵27为ON)，直至该计数结束为止。此后，当经过给定期间而计时器结束计数后，在步骤S41中停止燃料泵41(OFF)，在步骤S42中将三向阀51设为OFF。
像这样将燃料泵27及三向阀51间歇地设为ON-OFF而将子罐23内的甲醇水溶液的稀释浓度维持为与所述的实施例相同的浓度。另外，利用该三向阀51的OFF，就可以与所述的实施例相同地防止甲醇水溶液从缓冲罐23向燃料供给配管26的倒流。另外，三向阀51由于位于缓冲罐23附近，因此扩散也变为最小限度。
然后，微型电脑在图15的步骤S34中判断燃料容器(料仓)9的准备是否完成。此时，由于料仓准备待机标志也设为OFF，因此前进到步骤S31，判断是否利用燃料容器开关59检测到了燃料容器9的拆装，如果未检测到，则在步骤S32中进行运转·停止判定，只要未进行系统停止的操作，微型电脑就逐次反复执行该燃料浓度控制处理。然后，微型电脑在图14的步骤S28中基于温度传感器39的输出，判断燃料电池3的温度是否升温至其动作所必需的温度，如果未升至该温度，则反复进行步骤S27，如果已经升温至该温度，则转移至步骤S2的稳定运转。
图18表示该稳定运转的流程图。该稳定运转中，微型电脑在步骤S49中进行了初期设定后，在步骤S50中执行图15的燃料浓度控制处理。此后，在步骤S51中进行运转·停止判定，如果未进行系统停止的操作，则回到步骤S50反复进行。
这里，当燃料容器9内的高浓度的甲醇变空，在图13的步骤S18中检测到燃料耗尽时，则在步骤S22中利用灯发出了燃料耗尽警告后，前进到步骤S23。此时，如果在子燃料罐53内有其下限水位(L)以上的甲醇，则在步骤S24中，微型电脑作为燃料供给源选择子燃料罐53，将三向阀52设为ON(图22的状态)。
另外，当在步骤S22中接收到警告燃料耗尽的信号，使用者为了更换燃料容器9而从套盒2的燃料容器安装部2A上取下时，由于微型电脑用燃料容器开关59检测到该情况，因此从图15的步骤S31前进到步骤S37，将料仓准备待机标志设为ON。另外，在图13中，由于从步骤S15经过步骤S21而前进到步骤S23，因此此时如果在子燃料罐53内有其下限水位(L)以上的甲醇，则在步骤S24中，微型电脑作为燃料供给源选择子燃料罐53，将三向阀52设为ON(图23的状态)。
这样，只要在子燃料罐53内回收有下限水位(L)以上的甲醇，即使燃料容器9内的燃料耗尽，另外，即使燃料容器9被取下，由于也可以在以后的燃料追加处理中从子燃料罐53向缓冲罐23供给高浓度的甲醇，因此在此种燃料耗尽时也能够继续进行燃料电池系统1的运转。而且，如果子燃料罐53内的甲醇减少至下限水位(L)以下，则微型电脑就会从步骤S23前进到步骤S25而停止系统。
此外，即使使用者将新的燃料容器9安装在燃料容器安装部2A上，在接头2B上连接接头9A，由于料仓准备待机标志依然为ON，因此就会从图13的步骤S17前进到步骤S23。另一方面，微型电脑从图15的步骤S34前进到步骤S35，判断子燃料罐53内的甲醇的量是否在上限水位(H)以上，如果少于该水位，则前进到步骤S36，执行料仓配管脱泡处理。
图17表示该料仓配管脱泡处理的流程图。微型电脑在步骤S34中将三向阀52设为OFF，在步骤S44中运转燃料泵27(ON)，继续三向阀52的OFF和燃料泵27的运转(ON)，直至在步骤S45中微型电脑作为其功能而具有的计时器(与图12相同的计时器)计数结束为止。
该时刻下，由于结束步骤S33的处理而三向阀51变为OFF，因此当运转燃料泵27时，就会从燃料容器9内(所述燃料袋57内)抽出高浓度的甲醇，经过燃料供给配管26而被吸入燃料泵27。此后，从燃料泵27中喷出，经过气泡回收配管54而流入子燃料罐53。这样，因燃料容器9的拆卸而混入了燃料供给配管26的气泡也被同时回收到子燃料罐53内(图20的状态)。
以与所述相同的给定时间执行此种向子燃料罐53的气泡回收运转，当所述计时器的计数结束时，微型电脑即从步骤S45前进到步骤S46，停止燃料泵27而结束向子燃料泵53的气泡回收运转。此后，在步骤S47中将料仓准备待机标志设为OFF。由于通过将该料仓准备待机标志设为OFF，以后就会从步骤S17前进到步骤S18，因此以后就会恢复到所述的运转。
此外，当由使用者完成系统停止的操作时，微型电脑即从步骤S51前进到步骤S3而执行系统停止处理。图19表示该系统停止处理的流程图。微型电脑在步骤S52进行初期设定，在步骤S53中执行图15的燃料浓度控制处理。此后，在步骤S54中进行运转、停止判定，进行系统停止的操作，因此在步骤S55中就会执行停止处理。
如上所述，根据此时的构成，就可以将燃料供给配管26中的气泡回收到子燃料罐53中。这样，就可以将在燃料容器9的拆装等时混入了燃料供给配管26中的气泡平缓地回收，预先避免空气流入燃料电池单体3A的阳极而导致无法发电的问题，从而可以实现发电能力的稳定化。
特别是，由于通过像实施例那样向燃料供给配管26中使用燃料泵27、子燃料罐53或三向阀51、52，将三向阀51、52设为OFF而使子燃料罐53的入口与燃料供给配管26连通，运转燃料泵27，就会将燃料供给配管26中的气泡回收到子燃料罐53内，因此就可以将混入到燃料供给配管26中的气泡与高浓度的甲醇一起确实并且迅速地回收到子燃料罐53内。
此外，由于通过将三向阀51、52设为ON，使子燃料罐53的出口与燃料供给配管26连通，运转燃料泵27，就会将子燃料罐53内的高浓度的甲醇向缓冲罐23供给，因此在为了进行更换而将燃料容器9取下的期间，也能够将回收到子燃料罐53内的高浓度的甲醇向缓冲罐23供给而燃料电池3继续发电。
而且，作为收容于燃料容器9中的液体燃料，虽然在实施例中预想为大约100％的纯甲醇而进行了说明，但是并不限定于此，在考虑安全性而将20mol/L左右的高浓度的甲醇水溶液收容在燃料容器9内的情况下，本发明也有效。另外，虽然在所述各实施例中，将本发明应用于由作为液体燃料使用甲醇的DMFC构成的燃料电池系统中，但是并不限定于此，对于将液体燃料稀释使用而进行发电的全部燃料电池系统，本发明都有效。
权利要求
1.一种燃料电池系统，是利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的系统，其特征是，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、收容了高浓度的液体燃料的燃料容器、用于将该燃料容器内的液体燃料稀释后向所述燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐，在所述燃料容器和所述缓冲罐之间的燃料供给路径上，设置了防止液体燃料从该缓冲罐向所述燃料容器倒流的倒流防止机构。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，将所述倒流防止机构设于所述燃料供给路径中的所述缓冲罐附近。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征是，具备用于将所述燃料容器内的液体燃料向所述缓冲罐供给的泵，并且将所述倒流防止机构用与所述泵的运转—停止同步地进行开—闭的阀装置构成。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征是，将所述倒流防止机构用容许液体燃料从所述燃料容器向所述缓冲罐的通过，而阻止液体燃料从该缓冲罐向所述燃料容器的通过的单向阀构成。
5.一种燃料电池系统，是利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统，其特征是，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、用于将高浓度的液体燃料稀释后向所述燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐、用于向该缓冲罐供给高浓度的液体燃料的燃料供给路径、收容高浓度的液体燃料并被可以拆装地与所述燃料供给路径连接的燃料容器、回收所述燃料供给路径中的气泡的气泡回收机构。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征是，所述气泡回收机构由被设于所述燃料供给路径上的用于将所述燃料容器内的液体燃料向所述缓冲罐供给的泵、子燃料罐及流路切换机构构成，通过利用该流路切换机构使所述子燃料罐的入口与所述燃料供给路径连通，并运转所述泵，将所述燃料供给路径中的气泡回收到所述子燃料罐内，并且通过利用所述流路切换机构使所述子燃料罐的出口与所述燃料供给路径连通，并运转所述泵，将所述子燃料罐内的液体燃料向所述缓冲罐供给。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征是，通过在利用所述流路切换机构借助所述燃料供给路径将所述燃料容器和所述缓冲罐连通了的状态下运转所述泵，从所述燃料容器向所述缓冲罐供给液体燃料，并且当停止所述泵时，利用所述流路切换机构阻止液体燃料从所述缓冲罐向所述燃料供给路径流出。
8.一种燃料电池系统，是利用液体燃料和氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统，其特征是，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体、用于将高浓度的液体燃料稀释后向所述燃料电池单体的阳极供给的缓冲罐、用于向该缓冲罐供给高浓度的液体燃料的燃料供给路径、收容高浓度的液体燃料并被可以拆装地与所述燃料供给路径连接的燃料容器，该燃料容器由外装套盒、收容在该外装套盒内并在内部填充了液体燃料的燃料袋构成，该燃料袋具有相互连通的多个分区，在所述外装套盒内以被折叠的状态收纳。
全文摘要
本发明提供一种将液体燃料稀释而向阳极供给的燃料电池系统。燃料电池系统(1)是利用液体燃料和氧化剂的电化学反应来进行发电的系统，具备利用电化学反应进行发电的燃料电池单体(3A)、收容了高浓度的液体燃料的燃料容器(9)、用于将该燃料容器(9)内的液体燃料稀释后向燃料电池单体(3A)的阳极供给的缓冲罐(23)，在燃料容器(9)和缓冲罐(23)之间的燃料供给配管(26)上，设置了防止液体燃料从该缓冲罐(23)向燃料容器(9)的倒流的电磁阀(28)。利用该燃料电池系统，可以实现发电能力的稳定化。
文档编号H01M8/00GK1728429SQ20051008605
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月19日 优先权日2004年7月29日
发明者藤田悟朗, 株本浩挥, 南浦武史 申请人:三洋电机株式会社