專利名稱：燃料電池系統和燃料電池系統的控制方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統及其操作方法。本發明特別涉及具有用于加速從燃料電池系統釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分的燃料電池系統，以及其控制方法。
背景技術：
近年來，諸如直接甲醇燃料電池的液體燃料電池已成為人們關注的焦點。直接甲醇燃料電池的電動部分單元包含陽極、陰極和設置在陽極和陰極之間的質子導電電解質膜(例如，全氟代磺酸離子交換膜(perfluoro sulfonic acid ion exchange membrane)；使用由DuPont公司制造的NafionTM等)。為了激活燃料電池，將甲醇和水供給陽極，并且將例如氧氣或空氣的氧化劑供給陰極，由此分別在陽極和陰極上引起化學反應。
作為化學反應的結果，產生電子、質子和二氧化碳，并且，由此產生的二氧化碳被釋放到大氣中。電子通過外部電路被取走，并被用作電力。質子通過質子導電電解質膜移動，并到達陰極。在陰極催化劑層中，質子與已被用作電力的電子以及氧反應，以由此產生水。因此，獲得發電。
在發生在陽極中的甲醇的這種電極反應中，作為不受反應影響的副產品從電極釋放被認為是實現完全氧化之前的過程中的活性中間體的甲醛和甲酸等。另外，已被供給到陽極的燃料中的甲醇可通過擴散等穿過質子導電電解質膜和催化劑層移動到陰極，并被已供給到陰極的氧化劑氧化，由此在該過程中也產生諸如甲醛、甲酸等的副產品。
為此，公開了在從燃料電池系統釋放二氧化碳、水和副產品的路徑上使用用于使副產品無害化的催化劑的燃料電池系統(參見例如JP-A-2005-183014，圖19)。
但是，當燃料電池系統停止時，氧化劑向陰極的供給也停止。因此，陰極中的殘留副產品中的大部分以未反應的狀態保留在陰極的附近，直到燃料電池系統被重新啟動。
并且，由于氧化劑向陰極的供給停止，因此，在燃料電池系統的停止狀態中，已通過質子導電電解質膜向陰極擴散的甲醇中的大部分以未反應的狀態保留在陰極的附近，直到燃料電池系統被重新啟動。
因此，一旦重新啟動燃料電池系統，濃度相當高的副產品和甲醇要被供給催化劑。因此，必須提供與在燃料電池系統的連續發電狀態中需要的催化劑的量相比過量的催化劑，從而使得難以實現燃料電池系統的小型化和低成本。
本發明提供通過減少在燃料電池系統的重啟時所需的催化劑的量可被小型化的燃料電池系統、以及燃料電池系統的控制方法。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種燃料電池系統包括要被供給燃料的陽極電極；要被供給包含空氣或氧氣的氧化劑的陰極電極；設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜；被配置為加速從陰極電極釋放的材料和從陽極電極釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分；被配置為向陰極電極供給氧化劑的氧化劑供給單元；和被配置為控制要被供給到陰極電極的氧化劑的量的控制單元。控制單元控制氧化劑供給單元，以在氧化劑供給單元開始操作時增加要供給到陰極電極的氧化劑的量。
根據本發明的另一方面，一種用于燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統包括要被供給燃料的陽極電極；要被供給包含空氣或氧氣的氧化劑的陰極電極；設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜；被配置為加速從陰極電極釋放的材料和從陽極電極釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分；和被配置為向陰極電極供給氧化劑的氧化劑供給單元，該方法包括以下步驟開始氧化劑供給單元的操作；和控制氧化劑供給單元以使得Q0小于Qt，其中，Q0是啟動氧化劑供給單元時的要供給到陰極電極的氧化劑的量，并且Qt是從啟動氧化劑供給單元經過預定時間后的要供給到陰極電極的氧化劑的量。
根據本發明的又一方面，一種用于燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統包括要被供給燃料的陽極電極；要被供給包含空氣或氧氣的氧化劑的陰極電極；設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜；被配置為加速從陰極電極釋放的材料和從陽極電極釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分；被配置為向陽極電極供給燃料的燃料供給單元；和被配置為向陰極電極供給氧化劑的氧化劑供給單元，該方法包括以下步驟在啟動燃料電池系統時啟動氧化劑供給單元的操作；在從啟動氧化劑供給單元的操作經過預定時間后增加由氧化劑供給單元向陰極電極供給的氧化劑的量；在增加被供給的氧化劑的量后啟動燃料供給單元的操作；和在開始燃料供給單元的操作后，向負載供給由陽極電極、陰極電極和電解質膜產生的電力。
本發明提供減少重啟燃料電池系統時需要的催化劑的量由此減少系統的尺寸的燃料電池系統。
圖1是表示根據本發明的實施方式的燃料電池系統的示圖；圖2是表示根據實施方式的燃料電池系統的電動部分的細節的示圖；圖3是表示根據實施方式的燃料電池系統的催化劑部分的細節的示圖；
圖4是表示根據實施方式的燃料電池系統的控制的示圖；圖5是表示根據實施例的甲醇濃度的示圖；圖6是表示根據實施例的甲醇濃度的示圖；圖7是表示根據實施例的溫度的轉變的示圖；圖8是表示根據實施例的溫度的轉變的另一示圖。
具體實施例方式
將參照
本發明的實施方式。
(實施方式)圖1表示根據本發明的實施方式的燃料電池系統。圖中的實線的箭頭表示將在下面說明的燃料2和釋放的材料等的流向；點劃線的箭頭表示關于諸如輸出信號和控制信號的數據的流向。
燃料電池系統包括電動部分1。作為電動部分1，例如，可以使用通過層疊多個圖2中所示的電動部分單元電池21形成的構件。
電動部分單元電池21(以下稱為“電池”)中的每一個包含陽極22、陰極23和質子導電電解質膜24(電解質膜)。質子導電電解質膜24被設置在陽極22和陰極23之間。作為質子導電電解質膜24，例如，可以使用諸如由DuPont公司制造的NafionTM的全氟代磺酸離子交換膜。
陽極22包含襯底25和層疊在襯底25上的陽極催化劑層26。同時，陰極23包含襯底27和層疊在襯底27上的陰極催化劑層28。陽極催化劑層26和陰極催化劑層28中的每一個包含催化劑和質子導電電解質樹脂。催化劑一般為貴金屬或其合金，并通過被諸如炭黑的支持物支持或不被支持被使用。陽極22的示例性催化劑包含Pt-Ru合金。陰極23的示例性催化劑包含Pt。
陰極流路板(未示出)在陰極23的表面上被設置在電池21上。同時，陽極流路板(未示出)在陽極22的表面上被設置在電池21上。并且，電動部分1具有用于加熱電池21的加熱器(未示出)。包含氧氣的氣體(氧化劑)-例如空氣-被供給到陰極流路板；燃料2-例如甲醇水溶液-被供給到陽極流路板，由此電池21產生電力。
混合槽3被設置在燃料電池系統中。要被供給到電動部分1的燃料2被貯存在混合槽3中。混合槽3和電動部分1通過循環流路4連接。設置循環流路4是為了將燃料2供給到電動部分1，并將已在電動部分1中經過發電的燃料2返回給混合槽。燃料2通過燃料循環泵5(燃料供給裝置)被供給到電動部分1并返回給混合槽3。
混合槽3包含燃料濃度檢測裝置6和氣體-液體分離裝置7。作為燃料濃度檢測裝置6，可以使用例如通過測量燃料2的介電常數或折射率來測量甲醇濃度的濃度傳感器。
作為氣體-液體分離裝置7，可以使用例如甲醇水溶液不能滲透但作為在電動部分1中發電的結果從陽極22排放的材料的氣體成分能夠滲透的氣體-液體分離膜。作為氣體-液體分離膜，可以使用諸如聚四氟乙烯膜的疏水性膜。除了在發電的過程中產生的二氧化碳，在釋放的材料中包含的甲醛、甲酸、一氧化碳和其它反應副產品也可滲透諸如聚四氟乙烯膜的疏水性膜。因此，該膜作為氣體-液體分離裝置是合適的。通過能夠將反應副產品與燃料2分開的膜，可以增加燃料2的折射率的測量精度。
混合槽3和將在下面說明的陰極排放路徑9由導管8連接。設置導管8是為了向陰極排放路徑9排放從陽極22釋放并被氣體-液體分離裝置7分離的材料的氣體成分。
混合槽3與濃縮燃料槽10連接。濃縮燃料槽10貯存高濃度燃料。混合槽3中的燃料2的濃度隨電動部分1產生電力而降低。在甲醇水溶液被用作燃料2的情況下，通過電動部分1進行的發電消耗水和甲醇。濃縮燃料槽10貯存濃度比用于發電的燃料2的濃度高的甲醇，以補充由此消耗的甲醇。
濃縮燃料泵11被設置在混合槽3和濃縮燃料槽10之間。設置濃縮燃料泵11是為了將高濃度燃料供給到混合槽3。濃縮燃料泵11由將在下面說明的控制裝置19控制，使得燃料2的濃度根據由燃料濃度檢測裝置6測量的燃料2的濃度落在預定濃度范圍內。
氧化劑供給裝置12被設置在燃料電池系統中。設置氧化劑供給裝置12是為了將氧化劑供給到電動部分1。作為氧化劑供給裝置12，例如，可以使用用于將燃料電池系統外的空氣供給到電動部分1的氣泵。更具體地，可以使用用于控制要被供給到電動部分1的氧化劑的量的構件，諸如葉片型、鼓風機型或壓縮機型的泵；電扇；用于控制自然對流的流量的狹縫；等等。
供給到電動部分1的氧化劑被用于發電，然后通過陰極排放路徑9從電動部分1被排放到將在下面說明的冷凝器13。如上所述，陰極排放路徑9與導管8連接。因此，除了從陰極23排放的材料，還向冷凝器13排放從陽極22排放的材料的氣體成分，這將在下面進行說明。
冷凝器13被設置在燃料電池系統中。作為冷凝器13，例如可以使用熱交換器。被排放到冷凝器13的材料的一部分被冷凝器13冷凝。這里提到的“要被冷凝的排放材料”是由電動部分1在發電的過程中產生的水蒸汽和透過(穿過)質子導電電解質膜24或從混合槽3蒸發的甲醇蒸汽。由此冷凝的排放材料的一部分穿過導管15通過回收泵14被供給到混合槽3，以在發電中被重新使用。冷凝器13分離被排放到冷凝器13的材料的液體成分。這里提到的液體成分包含被冷凝和液化的排放材料。
燃料電池系統具有催化劑部分16。在被排放到冷凝器13的材料之中，在通過冷凝器13從排放材料分離液體成分后保留的氣體成分通過催化劑部分16被排放到燃料電池系統外面。用于加速從陰極23排放的材料和從陽極22排放的材料的一部分的化學反應的催化劑被設置在催化劑部分16內。例如，設置催化劑是為了加速被排放到冷凝器13的材料的剩余氣體成分的一部分的氧化。這里提到的其氧化要被加速的氣體成分的示例包括一氧化碳、甲醛、甲酸和甲醇。
可以分別在冷凝器13的一側和接近燃料電池系統的外面的一側在催化劑部分16上設置溫度傳感器17和18。可以通過利用由溫度傳感器17和18測量的溫度之間的差測量被催化劑部分16加速的化學反應的程度。例如，可以使用這樣一種結構，即，在該結構中，當由溫度傳感器17和18測量的溫差超過預定值時，確定可以干擾由催化劑部分16加速的化學反應的容許限度，并發出用于促使緊急停止燃料電池系統的報警。另外，可以基于由此測量的化學反應的程度估算化學反應要被催化劑部分16加速的氣體成分的量。
將參照圖3說明催化劑部分16的細節。催化劑部分16具有設置在排氣管31內的管狀外殼32和在外殼32內填充的催化劑34。可以在外殼32和催化劑34之間設置用于抑制向排氣管31傳導的由加速的化學反應產生的熱的熱絕緣構件33。通過設置熱絕緣構件33，可以減少向排氣管31傳導的熱對由溫度傳感器17和18測量的溫差施加的影響，由此使得能夠更精確地測量要被加速的化學反應的程度。
作為催化劑34，可以使用例如通過在由活性碳或活性氧化鋁等制成的支持物上支持諸如Pt或Pt-Rt合金的貴金屬形成的催化劑。設置催化劑34是為了加速穿過排氣管31的排放材料的一部分的氧化。在最大額定發電量為20W的燃料電池系統的情況下，用于貯存催化劑34的容積為例如約10cc。這里提到的術語“額定”意思是燃料電池系統正在產生可以向外面穩定地供給電力的量的功率的狀態；術語“最大額定發電量”意思是燃料電池系統可向外面穩定地供給電力的范圍中的發電量的最大值。
脫離防止構件35和36防止催化劑34脫離到外殼32的外面。作為脫離防止構件35和36，例如可以使用金屬網。
現在說明控制部分19(控制裝置)的細節。設置控制部分19是為了控制燃料電池系統的操作。控制部分19獲得有關由電動部分1產生的電力的數據；例如電壓值和電流值。控制部分19基于有關由電動部分1產生的電力的數據執行其控制，使得電動部分1可產生燃料電池系統需求的電力。
控制部分19根據需要控制要被供給到陽極22的燃料2的流量(flow rate)和要被供給到陰極23的氧化劑的流量，并控制電動部分1的溫度等等，由此使得電動部分1能夠產生燃料電池系統需求的電力。控制部分19通過控制燃料循環泵5控制燃料2的流量。控制部分19通過控制氧化劑供給裝置12控制氧化劑的流量。燃料2的流量被控制為例如1.2mL/分；氧化劑的流量被控制為例如100mL/分；電動部分1的溫度被控制為落在例如40～60℃的范圍內。
控制部分19獲得有關由燃料濃度檢測裝置6測量的燃料濃度的數據。當甲醇水溶液被用作燃料2時，控制部分19獲得燃料濃度檢測裝置6的輸出；例如，根據燃料2的介電常數或折射率變化的輸出值，并基于燃料濃度檢測裝置6的輸出值和事先存儲在控制部分19中的甲醇濃度之間的關系計算有關甲醇濃度的數據。
基于由此獲得的有關燃料濃度的數據，控制部分19控制濃縮燃料泵11和回收泵14，使得貯存在混合槽3內的燃料2的濃度落在預定的濃度范圍內。另外，控制部分19可根據需要控制燃料循環泵5和氧化劑供給裝置12，使得貯存在混合槽3內的燃料2的濃度落在預定的濃度范圍內。
當甲醇水溶液被用作燃料2時，控制部分19控制濃縮燃料泵11，以增加要被供給到混合槽3的高濃度甲醇的量，由此增加燃料2的甲醇濃度。并且，控制部分19控制回收泵14，以增加被冷凝并且將被供給到混合槽3的排放材料的部分的量，由此降低燃料2的甲醇濃度。另外，可以通過例如增加用于冷卻冷凝器13的冷卻裝置(未示出)的冷卻能力，增加被冷凝器13冷凝并且主要由水構成的排放材料的回收量。
現在說明啟動氧化劑供給裝置12時由控制部分19執行的控制的細節。這里提到的“啟動氧化劑供給裝置12”意思是將氧化劑供給裝置12的狀態從停止由氧化劑供給裝置12向陰極23供給氧化劑的狀態改變到實現這種供給的狀態。同時，停止氧化劑的供給的狀態意思是向陰極23供給的氧化劑的流量為零或與發電過程中的流量相比很小的狀態。例如，在氧化劑供給裝置12為電泵或電扇的情況下，啟動氧化劑供給裝置12是發動用于激活的電源；并且，在氧化劑供給裝置12是用于控制自然對流的流量的狹縫的情況下，啟動氧化劑供給裝置12是狹縫開口從基本上關閉的狀態到打開狀態的變化。這里提到的“基本上關閉的狀態”意思是狹縫開口為最小的狀態或以在狹縫的開口調整中獲得的可重復誤差從最小開口狀態打開狹縫的狀態。
一旦啟動氧化劑供給裝置12，控制部分19就如下所述控制氧化劑供給裝置12。控制部分19控制氧化劑供給裝置12，使得供給到陰極23的氧化劑的量逐漸增加。這里提到的“逐漸”意思是緊接著氧化劑供給裝置12的啟動之后供給的氧化劑的量隨時間的推移增加。如從啟動氧化劑供給裝置12經過預定時間后增加供給量的情況那樣，該量逐漸增加的示例性情況包含在兩個或更多個階段中增加供給量的情況，以及供給量隨著時間推移連續增加的情況。
被啟動的氧化劑供給裝置12的示例性情況包括燃料電池系統向負載供給電力的情況，該負載諸如電源的目標-該目標被連接在燃料電池系統外面-或設置在燃料電池系統內的二次電池。另外，示例性情況還包括由于某種原因通過緊急停止而停止燃料電池系統并然后取消緊急停止的情況。
圖4表示用于啟動氧化劑供給裝置12的由控制部分19執行的示例性控制。
首先，控制部分19控制停止狀態下的氧化劑供給裝置12，使得氧化劑供給裝置12滿足供給到陰極23的氧化劑的供給量Q變為Q0的條件(S1)。在氧化劑供給裝置12是電泵或電扇的情況下，控制部分19執行控制，使得用滿足向陰極23的氧化劑供給量變為Q0的激活條件的電力供給氧化劑供給裝置12。在氧化劑供給裝置12是用于控制自然對流的流量的狹縫的情況下，控制部分19執行控制，以獲得使得向陰極23的氧化劑供給量為Q0的狹縫開口。
然后，控制部分19控制氧化劑供給裝置12，使得向陰極23的氧化劑供給量Q為Q0的條件保持預定的時間周期T(S2)。在氧化劑供給裝置12是電泵或電扇的情況下，控制部分19執行控制，使得在時間周期T內連續供給在S1中供給到氧化劑供給裝置12的電力。在氧化劑供給裝置12是用于控制自然對流的流量的狹縫的情況下，控制部分19執行控制，以在時間周期T內保持在S1中控制的狹縫的開口。
在時間周期T之后，控制部分19控制氧化劑供給裝置12，以滿足向陰極23的氧化劑供給量Q變為Qt的條件(S3)。在氧化劑供給裝置12是電泵或電扇的情況下，控制部分19執行控制，使得用滿足向陰極23的氧化劑供給量為Qt的激活條件的電力供給氧化劑供給裝置12。在氧化劑供給裝置12是用于控制自然對流的流量的狹縫的情況下，控制部分19執行控制，以獲得使得向陰極23的氧化劑供給量為Qt的狹縫開口。
Qt是大于Q0的量，并且是使得電動部分1可以以燃料電池系統的額定輸出產生電力的氧化劑供給量。例如，Qt和Q0之間的關系可被設置如下Q0≤Qt/10。
然后，控制部分19致使燃料循環泵5開始操作(S4)。這里提到的“燃料循環泵5開始操作”意思是由燃料循環泵5供給到陽極22的燃料2的量增加到使得電動部分1可以以燃料電池系統的額定輸出產生電力的氧化劑供給量。
最后，控制部分19連接電動部分1和負載，以使得由電動部分1產生的電力能夠供給到負載(S5)。
現在說明在如上所述由控制部分19控制燃料電池系統的情況下在電動部分1和催化劑部分16中出現的現象。
當由氧化劑供給裝置12供給到陰極23的氧化劑供給量為Qt時(以下稱為“狀態A”)，供給到陰極23的氧氣的量較大。因此，氧化分別在陰極催化劑層中被加速的反應副產品和由轉換(crossover)導致的甲醇的量較大。結果，到達催化劑部分16并且氧化被加速的氣體成分的量受到抑制。
同時，在氧化劑供給裝置12停止向陰極23供給氧化劑的狀態中(以下稱為“狀態B”)，供給到陰極23的氧氣的量與狀態A相比非常小。因此，陰極催化劑層28中的反應副產品和由轉換導致的甲醇的氧化很難被加速。
另外，由于在狀態B中催化劑部分16中的氧化劑的量也較少，因此，陰極23附近的反應副產品和由于轉換而保留的甲醇的氧化不被催化劑部分16加速。因此，陰極23附近的反應副產品的濃度和由于轉換導致的甲醇的濃度變得非常高。
當控制部分19執行控制以引起從狀態B到狀態A的轉變時，高濃度反應副產品和由轉換導致的甲醇被無意、快速地供給到催化劑部分16。另外，然后，保留在陰極23附近的液態的甲醇蒸發。因此，繼續向催化劑部分16供給大量的甲醇，直到剩余的液態甲醇的量達到容許的限度。
為此，當如本實施方式的情況那樣不進行從狀態B直接到狀態A的轉變、但控制部分19執行控制使得進行從狀態B到由氧化劑供給裝置12供給到陰極23的氧化劑供給量為Q0的狀態(以下稱為“狀態C”)的轉變時，高濃度的副產品和由轉換導致的甲醇以較小的流量供給到催化劑部分16。另外，然后，保留在陰極23附近的液態的甲醇蒸發，并且，甲醇以較小的流量供給到催化劑部分16，直到剩余的液態甲醇的量達到容許的限度。因此，加速反應副產品和甲醇的化學反應的催化劑部分16所需的單位時間的容積減小。這種減小導致催化劑34的需求量減小，由此最終有助于燃料電池系統的小型化。
現在說明采用本發明的實施方式進行的實驗的結果。
首先，由根據本發明的實施方式的燃料電池系統發電一個小時，然后，停止燃料電池系統的操作。
然后，放置燃料電池系統，直到與電動部分1的表面連接的溫度計指示室溫。然后，通過控制部分19控制與根據本發明的實施方式的氧化劑供給裝置12對應的葉片泵，使得供給到陰極23的氧化劑的量變為使得電動部分1可以以燃料電池系統的額定輸出產生電力的氧化劑供給量的10％。
隨后，在啟動葉片型泵150秒后，通過控制部分19控制葉片型泵，使得供給到陰極23的氧化劑的量變為使得電動部分1可以以燃料電池系統的額定輸出產生電力的氧化劑供給量。
圖5表示在被供給到催化劑部分16之前和之后的甲醇的濃度。圖5中的實線表示經受催化劑部分16之前的氣體成分的甲醇濃度。圖5中的虛線表示供給到催化劑部分16并然后被排放的氣體成分的甲醇濃度。使用紅外吸收分光計測量甲醇濃度。
作為催化劑部分16，使用這樣一種構件，即，在氧化劑以使得電動部分1能夠以燃料電池系統的額定輸出產生電力的量供給到陰極23的條件下，當被排放到冷凝器13的材料的剩余氣體成分的最大甲醇濃度為2000ppm時，該構件可將氧化加速到約200ppm。
如圖5所示，證實氧化被加速，直到從催化劑部分16排放的氣體成分的甲醇濃度變為基本上恒定(平均約200ppm)。
(比較例)首先，如實施例的情況那樣，由根據本發明的實施方式的燃料電池系統發電一個小時，然后，停止燃料電池系統的操作。
然后，放置燃料電池系統，直到與電動部分1的表面連接的溫度計指示室溫。然后，通過控制部分19控制與本發明的實施方式的氧化劑供給裝置12對應的葉片型泵，使得供給到陰極23的氧化劑的量變為使得電動部分1可以以燃料電池系統的額定輸出產生電力的氧化劑供給量。
圖6表示在被供給到催化劑部分16之前和之后的甲醇的濃度。圖6中的實線表示經受催化劑部分16之前的氣體成分的甲醇濃度。圖6中的虛線表示供給到催化劑部分16并然后被排放的氣體成分的甲醇濃度。使用紅外吸收分光計測量甲醇濃度。
如圖6所示，在氧化劑供給裝置12開始向陰極23供給氧化劑后一分鐘以內，測量的從催化劑部分16排放的氣體成分的甲醇濃度較高。這似乎可歸因于以超過催化劑部分16可加速氧化的限度的量向催化劑部分16供給甲醇。
如已在實施例中證明的那樣，如上所述配置的燃料電池系統可減少催化劑部分16加速反應副產品和甲醇的化學反應需要的單位時間的容積。這種減小導致催化劑34的需求量減小，由此最終有助于燃料電池系統的小型化。
同時，如上所述配置的燃料電池系統還可減少啟動氧化劑供給裝置12時施加到催化劑部分16上的熱應力。
圖7是其中畫出實施例中以及比較例中的由溫度傳感器18測量的溫度的轉變的示圖。虛線表示實施例中的由溫度傳感器18測量的溫度，實線表示比較例中的情況。
如圖7所示，與比較例相比，實施例中的由溫度傳感器18測量的溫度在啟動氧化劑供給裝置12后更迅速地增加。這種現象似乎可歸因于在被催化劑部分16加速的氧化中產生并且與從催化劑部分16釋放的熱相比過量的熱。
眾所周知，在燃料電池系統中將金屬離子混入電動部分1中會對電動部分1造成嚴重損傷。因此，燃料和氧化劑的供給和排放路徑中的每一種盡最大可能用非金屬材料制造。樹脂材料價格便宜且可成形性極好，因此特別適用于外殼32和排氣管31。
但是，當在被催化劑部分16加速的氧化中產生的熱過量時，外殼32和排氣管31發生畸變，由此增加導致不可逆損傷的可能性。隨著啟動氧化劑供給裝置12時的催化劑部分16的溫度上升，這種趨勢變得更加明顯。在根據實施例的燃料電池系統中，催化劑部分16的溫度上升得到緩和。因此，可以減小這種導致催化劑34的不可逆損傷的可能性。
另外，當系統進入系統可重新向負載供給電力的狀態時，如上所述配置的燃料電池系統可將在長時間停機后從系統的重啟經過的重啟時間縮短到某一時間。
圖8是其中畫出實施例中以及比較例中的由與電動部分1連接的溫度計測量的溫度的轉變的示圖。虛線表示實施例中的電動部分1的溫度，實線表示比較例中的電動部分1的溫度。
如圖8所示，與比較例相比，實施例中的電動部分1的溫度在更短的時間內上升。這似乎可歸因于由于在實施例中向陰極23流動的氧化劑的流量較小，因此通過氧化劑從電動部分1得到的熱量較少。另外，這似乎還可歸因于由于在實施例中向陰極23流動的氧化劑的流量較小，因此被直接排放的甲醇-其氧化未被陰極催化劑層28加速-的量變小；結果，氧化被陰極催化劑層28加速的甲醇的比值變大。
更具體地，電動部分1的溫度可在更短的時間周期內增加到電動部分1的產生效率較高時所處的溫度。以另一種方式設置在燃料電池系統進入系統可重新向負載供給電力的狀態之前經過的重啟時間。
本領域技術人員容易想到其它優點和變更方式。因此，本發明在其更寬的方面不限于這里示出和說明的特定細節和代表性的實施方式。因此，不背離由所附的權利要求和它們的等同物限定的一般發明概念的精神或范圍的條件下，可以提出各種變更方式。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括要被供給燃料的陽極電極；要被供給包含空氣或氧氣的氧化劑的陰極電極；設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜；被配置為加速從陰極電極釋放的材料和從陽極電極釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分；被配置為向陰極電極供給氧化劑的氧化劑供給單元；和被配置為控制要被供給到陰極電極的氧化劑的量的控制單元，其中，控制單元控制氧化劑供給單元，以在氧化劑供給單元開始操作時增加氧化劑的量。
2.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，催化劑部分包含被配置為加速氧化的催化劑。
3.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，控制單元控制氧化劑供給單元以逐漸增加。
4.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，催化劑部分在接近燃料電池系統的外面的一側包含第一溫度傳感器。
5.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，催化劑部分在催化劑部分的另一側包含第二溫度傳感器。
6.根據權利要求1的燃料電池系統，其中，催化劑部分在接近燃料電池系統的外面的一側包含第一溫度傳感器，并在催化劑部分的另一側包含第二溫度傳感器。
7.根據權利要求6的燃料電池系統，其中，控制單元從由第一溫度傳感器和第二溫度傳感器測量的溫度之間的差測量化學反應的程度。
8.一種用于燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統包括要被供給燃料的陽極電極；要被供給包含空氣或氧氣的氧化劑的陰極電極；設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜；被配置為加速從陰極電極釋放的材料和從陽極電極釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分；和被配置為向陰極電極供給氧化劑的氧化劑供給單元，該方法包括以下步驟開始氧化劑供給單元的操作；和控制氧化劑供給單元以使得Q0小于Qt，其中，Q0是啟動氧化劑供給單元時的氧化劑的量，并且Qt是從啟動氧化劑供給單元經過預定時間后的氧化劑的量。
9.根據權利要求8的用于燃料電池系統的控制方法，還包括以下步驟逐漸增加氧化劑的量。
10.一種用于燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統包括要被供給燃料的陽極電極；要被供給包含空氣或氧氣的氧化劑的陰極電極；設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜；被配置為加速從陰極電極釋放的材料和從陽極電極釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分；被配置為向陽極電極供給燃料的燃料供給單元；和被配置為向陰極電極供給氧化劑的氧化劑供給單元，該方法包括以下步驟在啟動燃料電池系統時啟動氧化劑供給單元的操作；在從啟動氧化劑供給單元的操作經過預定時間后增加由氧化劑供給單元向陰極電極供給的氧化劑的量；在增加要供給的氧化劑的量后啟動燃料供給單元的操作；和在開始燃料供給單元的操作后，向負載供給由陽極電極、陰極電極和電解質膜產生的電力。
全文摘要
本發明涉及燃料電池系統和燃料電池系統的控制方法。所述燃料電池系統包括要被供給燃料的陽極電極；要被供給包含空氣或氧氣的氧化劑的陰極電極；設置在陽極電極和陰極電極之間的電解質膜；被配置為加速從陰極電極釋放的材料和從陽極電極釋放的材料中的至少一部分的化學反應的催化劑部分；被配置為向陰極電極供給氧化劑的氧化劑供給單元；和被配置為控制要被供給到陰極電極的氧化劑的量的控制單元。控制單元控制氧化劑供給單元，以在氧化劑供給單元開始操作時增加要供給到陰極電極的氧化劑的量。
文檔編號H01M8/00GK1905261SQ20061010814
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月28日 優先權日2005年7月28日
發明者秋田征人, 鈴木貴博, 平山智彥, 長崎央雅 申請人:株式會社東芝