專利名稱：直接甲醇燃料電池系統及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種直接甲醇燃料電池系統及其操作方法。更具體地，本發明涉及能夠使得燃料電池主體中剩余的燃料的濃度具有參考濃度或以下的直接甲醇燃料電池系統。
背景技術：
聚合電解質膜燃料電池(PEMFC)包括棧(stack)、轉化器(reformer)、燃料槽(fuel tank)和燃料泵(fuel pump)。在PEMFC中，通過燃料泵的操作，將燃料槽中的燃料提供給轉化器。轉化器將燃料轉化生成氫氣。棧使轉化器提供的氫氣與氧相互進行電化學反應，以生成電能。
直接甲醇燃料電池(DMFC)與PEMFC類似，但DMFC可以向其棧直接提供液體甲醇燃料。由于DMFC不需要使用PEMFC中所使用的轉化器，因此DMFC的尺寸可以較小。
DMFC具有膜電極組件，后者包括聚合電極膜、以及附著到聚合電極膜相對側的陽和陰電極。此外，DMFC可以包括用于形成棧的分離器。在DMFC棧中，堆積了幾十到幾百個其中產生電化學反應的膜電極組件，并且相反端面板被連接栓、氣壓等壓緊，以減少組成部分之間的接觸電阻。
DMFC系統包括用于支持和控制DMFC棧操作的設備。該設備通常包括輔助部件(設備平衡BOP)。設備平衡可以包括用于提供燃料和氧化劑的反應源；用于控制該系統的控制器；功率轉換器；溫度調節器；濕度調節器；傳感器；監視設備等。
此外，DMFC系統包括電力存儲設備，它包括電池、超級電容器等以及用于控制其充電和放電的控制器中的至少一個；和依靠電能工作的各種電設備。電設備包括送風機、泵、壓縮機、調節器、傳感器、動力閥、電子設備、電子電路等。這些電設備在從DMFC系統接收電力之前，通過從商業電源或電力存儲設備接收電力來工作。
然而，DMFC的問題在于，催化劑可能會被當陽極中剩余的未反應的燃料通過電解質膜移動到陰極、并且在陰極催化劑層與氧氣反應時所產生的一氧化碳(CO)中毒(poison)，這是因為當燃料電池系統停止工作時，具有諸如主動型(active type)棧、半被動型電池組之類的結構的燃料電池主體中仍剩余有燃料。此外，陽極中剩余的燃料包括由陽極中的反應所產生的二氧化碳，從而二氧化碳可能對膜電極組件有不利影響。近來廣泛使用的多數聚合電解質膜在甲醇中浸泡時大大膨脹。因此，在DMFC系統停止工作、而作為燃料提供的甲醇殘留在燃料電池主體中的情況下，電解質膜受到損壞。此外，當DMFC系統在這種狀態下重新啟動時，系統的性能大大降低，并且燃料電池的壽命顯著縮短。為了防止膜電極組件被腐蝕和損壞，常規的技術是排出或用盡燃料電池主體中殘留的甲醇燃料。
例如，當DMFC系統停止工作時，它停止向棧供應諸如甲醇之類的液體燃料；向棧供應氧化劑預定時間段；以及在用盡剩余的燃料之后，停止供應氧化劑。然而，常規的驅動方法只能在甲醇的摩爾濃度范圍在1mol到6mol的時候執行。因此，在常規的驅動方法中，膜電極組件仍然容易被棧中剩余的燃料腐蝕或損壞。
因此，在工作和停止工作(“停止”)之間循環的常規的DMFC系統中，隨著DMFC系統停止的頻率增加，棧的性能降低，如圖1所示。
發明內容
一種直接甲醇燃料電池系統，包括燃料電池主體，包括至少一個具有電解質膜的膜電極組件、以及位于電解質膜的相對側上的陽極和陰極；燃料供應單元，用于為混合槽供給高濃度燃料；混合槽，用于混合和/或存儲從燃料供應單元供給的燃料和從燃料電池主體排出的輸出流；燃料進給器，用于將存儲在混合槽中的混合燃料供給到燃料電池主體；和控制器，用于響應于停止請求信號控制燃料供應單元停止工作，并且控制燃料進給器工作來使混合燃料循環流過燃料電池主體的陽極，直到混合燃料的燃料濃度小于或等于參考濃度為止。
混合燃料可以是甲醇溶液，并且參考濃度的范圍可以從0到0.3mol。一個實施例還包括濃度傳感器，用于檢測混合燃料的燃料濃度。還可以包括定時器，設定所述定時器使之工作使混合燃料的燃料濃度降低到小于或等于參考濃度所需的時間，當該定時器停止工作時，該定時器停止燃料進給器。該定時器可以響應于停止請求信號工作。
另一實施例還包括軟開關型停止按鈕，用于生成停止請求信號，其中，控制器適應于從軟開關型停止按鈕接收停止請求信號，并且響應于該停止請求信號，控制燃料供應單元停止工作。所述軟開關型停止按鈕可以連接到外部負載。
所述至少一個膜電極組件可以是多個膜電極組件，并且燃料電池主體可以包括分離器，用于串行電連接所述多個膜電極組件以及限定允許流體流動的溝道。
另一實施例包括氧化劑供應單元，用于向燃料電池主體供給氧化劑。控制器控制氧化劑供應單元在燃料進給器停止工作之時或者之后停止工作。燃料進給器可以采用與陰極接觸的空氣作為氧化劑。
電力存儲設備可以電連接到燃料電池主體、燃料供應單元、燃料進給器和控制器。控制器可以控制電力存儲設備來用燃料電池主體中產生的電力對其充電。
開關單元可以將外部負載與燃料電池主體電斷開，并且將電力存儲設備與燃料電池主體電連接。
一種操作類似于上述的直接甲醇燃料電池系統的方法，包括接收用于停止該直接甲醇燃料電池系統的停止請求信號；以及響應于停止請求信號，控制燃料供應單元停止工作，并且控制燃料進給器工作來使混合燃料循環流過燃料電池主體的陽極，直到混合燃料的燃料濃度小于或等于參考濃度為止。混合燃料可以是甲醇溶液，并且參考濃度的范圍可以從0到0.3mol。該方法還可以包括檢測混合燃料的燃料濃度，以及讓定時器工作使混合燃料的燃料濃度降低到小于或等于參考濃度所需的時間，并且當該定時器停止工作時，停止燃料進給器。所述讓該定時器工作的步驟可以包括響應于停止請求信號讓定時器工作。所述接收停止請求信號的步驟可以包括接收由軟開關型停止按鈕產生的信號，該軟開關型停止按鈕連接到直接甲醇燃料電池系統或外部負載。還可以控制電力存儲設備來用燃料電池主體中產生的電力對其充電，并且可以在燃料進給器停止工作之時或者之后停止氧化劑供應單元工作，該氧化劑供應單元用于向燃料電池主體供給氧化劑。
附圖與說明書一起示出本發明的示例性實施例，并且與描述一起，用來說明本發明的原理。
圖1是示出當常規直接甲醇燃料電池系統工作在工作和停止之間的循環中時常規直接甲醇燃料電池系統的性能下降的圖。
圖2是根據本發明第一實施例的直接甲醇燃料電池系統的框圖。
圖3是示出根據本發明第一實施例的直接甲醇燃料電池系統的工作的流程圖。
圖4是示出根據本發明第一實施例的直接甲醇燃料電池系統的性能變化的圖。
圖5是根據本發明第二實施例的直接甲醇燃料電池系統的框圖。
圖6是示出根據本發明第二實施例的直接甲醇燃料電池系統的工作的流程圖。
圖7是根據本發明第一和第二實施例的直接甲醇燃料電池系統中采用的燃料電池主體的一個實施例的示意圖。
圖8是根據本發明第三實施例的直接甲醇燃料電池系統的框圖。
圖9是根據本發明第三實施例的直接甲醇燃料電池系統中采用的燃料電池主體的一個實施例的示意圖。
圖10A是根據本發明實施例的直接甲醇燃料電池系統中采用的濃度傳感器的透視圖。
圖10B是示出圖10A的濃度傳感器隨著摩爾濃度和溫度的膨脹系數的圖。
具體實施例方式
在下面的詳細描述中，通過示例的方式示出和描述本發明的特定示例性實施例。本領域技術人員將認識到，可以以各種方式修改所述的示例性實施例，而不背離本發明的宗旨或范圍。因此，附圖和描述應當認為本質上是說明性的，而非限制性的。
參照圖2，根據本發明第一實施例的DMFC系統100包括燃料電池主體110、混合槽120、燃料供應單元130、燃料進給器140、氧化劑供應單元150和控制器160。
燃料電池主體110使供給陽極110a的燃料與供給陰極110a的氧化劑進行電化學反應，從而產生電力和熱。燃料電池主體110包括離子交換膜(未示出)，用于將陽極110a與陰極110b電隔離，并且有選擇地將燃料的質子從陽極110a輸送到陰極110b。此外，燃料電池主體110包括陽極入口，用于將燃料引入陽極110a；陽極出口，用于將反應產物(如未反應的燃料、二氧化碳等)從陽極110a排出；陰極入口，用于將氧化劑引入陰極110b；和陰極出口，用于將反應產物(如未反應的氧化劑、水等)從陰極110b排出。
混合槽120將混合燃料供應到燃料電池主體110的陽極110a。此外，混合槽120存儲從燃料供應單元130接收的高濃度燃料，并且存儲由通過燃料電池主體110的陽極出口和陰極出口排出的液體恢復的未反應燃料和水。在本實施例中，混合槽120連接到熱交換器121，用于截取從燃料電池主體110排出的液體的熱能。混合槽120具有排出孔，用于排出該液體的無用氣體。混合槽120可以包括具有各種公知形狀和結構的再循環單元。
因為燃料電池主體110中使用的離子交換膜將預定量的提供給陽極110a的燃料輸送到陰極110b，所以混合燃料具有在考慮由于陰極中的燃料氧化而導致的性能損失的情況下適當地減少通過離子交換膜的燃料量的濃度。典型地，混合燃料(例如，甲醇溶液)的濃度范圍從0.5mol到6mol。
燃料供應單元130向混合槽120供應高濃度燃料。燃料供應單元130包括用于存儲燃料的裝置和用于控制供應到混合槽120的燃料量的裝置。用于存儲燃料的裝置可以用燃料槽來實現，而用于控制燃料量的裝置可以用泵、壓縮機或動力閥來實現。高濃度燃料包括具有6mol或更高濃度的甲醇溶液或純甲醇。
燃料進給器140向燃料電池主體110的陽極110a供應存儲在混合槽120中的混合燃料。燃料進給器140控制將要供應的混合燃料的量。此外，當系統停止工作時，燃料進給器140使混合燃料循環流過陽極110a。這里，燃料進給器140可以用泵或壓縮機實現。
氧化劑供應單元150向燃料電池主體110的陰極110b提供氧化劑。在一個實施例中，氧化劑包括例如包含氧的空氣、純氧等材料，其適當減少陰極110b中的氫，但不產生對人體或環境有害的物質。這里，氧化劑供應單元150可以用空氣泵或送風機實現。
當控制器160接收到用于停止該系統的停止請求信號時，控制器160控制燃料供應單元130的工作，來停止向混合槽120供應高濃度燃料，并且控制氧化劑供應單元150的工作，來向燃料電池主體110供應預定量的氧化劑。然后，控制器160控制燃料進給器140的工作，來使混合槽120中存儲的混合燃料循環流過燃料電池主體110的陽極110a。在這種情況下，控制器160通過濃度傳感器162檢測混合燃料的濃度，并且控制燃料進給器140的工作，直到供應到陽極110a的混合燃料具有參考濃度，例如，在甲醇溶液的情況下為0.3mol及以下。這里，控制器160可以用使用觸發器的簡單邏輯電路、或者用于系統控制的高性能微處理器的部分功能單元來實現。
將混合燃料的濃度限制到參考濃度(在甲醇溶液的情況下為0.3mol)及以下，可以避免不利的影響，例如燃料電池主體中金屬催化劑的活性降低、以及對電解質膜的損害等。此外，縮短了停止系統工作所需的時間，并且在剩余燃料具有0.3mol及以下的濃度的情況下，稍微縮短了重新啟動系統所需的時間。
現在將參照圖3描述上述DMFC系統的操作方法，其中流程圖示出根據本發明第一實施例的直接甲醇燃料電池系統的工作。
參照圖3，DMFC系統的控制器接收用于停止該系統的停止請求信號(S10)。然后，控制器停止燃料供應單元(S20)。此外，控制器控制燃料進給器來使混合槽中存儲的混合燃料循環流過燃料電池主體的陽極(S14)。
然后，控制器通過濃度傳感器檢測混合燃料的濃度(S16)。此外，控制器確定所檢測的濃度是否為0.3mol或以下(S18)。當所檢測的濃度不小于或等于0.3mol時，控制器以預定間隔重復地檢測混合燃料的濃度，并且確定所檢測的濃度是否小于或等于0.3mol。在處于所檢測的濃度不小于或等于0.3mol的狀態中經過預定時間的情況下，控制器可以給出系統警告。
另一方面，當所檢測的濃度小于或等于0.3mol時，控制器控制燃料進給器停止工作(S20)。此外，控制器控制氧化劑供應單元來停止工作(S22)。
圖4是示出根據本發明第一實施例的直接甲醇燃料電池系統的性能變化的圖。將工作與停止之間的循環重復大約500次。隨著工作與停止之間的循環被重復，根據對比示例的DMFC棧的輸出電壓相對快速地從大約7.6V降低到4.6V。與對比示例相比，隨著工作與停止之間的循環被重復，根據本發明的DMFC棧的輸出電壓相對平緩地從大約7.6V降低到7.0V。
因此，在根據本發明這個實施例的DMFC系統及其工作方法中，當系統停止工作時陽極中剩余的燃料濃度簡單地降低到期望濃度，從而不僅在停止系統的同時防止了電極催化劑的活性降低和對電解質膜的損害，而且當重新啟動該系統時不降低系統的性能水平。
圖5是根據本發明第二實施例的直接甲醇燃料電池系統的框圖。DMFC系統100a包括燃料電池主體110、混合槽120a、燃料供應單元130a、燃料進給器140、氧化劑供應單元150、控制器160、停止按鈕164、定時器166、開關單元168和電力存儲設備170。
第二實施例的DMFC系統100a基本上與第一實施例相同。根據第二實施例的DMFC系統100a使混合燃料內部循環足夠時間，而不必使用單獨的濃度傳感器來檢測混合燃料的濃度，從而將混合燃料的濃度降低到參考濃度或以下。
為了供參考，在下面的詳細描述中，第一和第二實施例之間相同的附圖標記指代相同的元件，并且將避免重復的描述。
混合槽120a存儲從燃料電池主體110排出、并且由熱交換器121以及第一和第二截取器(trap)122和124分離/回收的未反應的燃料和水。此外，通過燃料泵134的工作，混合槽120a接收存儲在燃料槽132中的高濃度燃料。
熱交換器121可以用各種公知的裝置實現，只要它可以截取從燃料電池主體110排出的液體的熱能。例如，熱交換器121可以用風扇或冷卻器實現，用來降低諸如水蒸氣之類的液體流過的管道的溫度，從而將水蒸氣轉化成水。
第一截取器122從陰極出口排出的陰極排出流中的混合液體燃料或水中，提取諸如空氣之類的無用氣體成分。第二截取器124從陽極出口排出的陽極排出流中的未反應燃料和水中，提取諸如二氧化碳之類的無用氣體成分。
控制器160a接收當按下停止按鈕164時所產生的信號，并且識別出接收的信號作為停止請求信號，從而基于預設的停止例程執行一系列處理。控制器160a停止燃料供應單元130a，以阻止高濃度燃料供應到混合槽120a。此外，控制器160a控制定時器166工作。此外，控制器160a控制開關單元168來用燃料單元主體110中產生的電力對電力存儲設備170充電。
停止按鈕164自動或手動操作，并且產生用于停止DMFC系統的信號。在將要停止的DMFC系統中提供停止按鈕164，或者在使用DMFC系統的電力的外部負載或應用中提供停止按鈕164。為了執行停止例程，停止按鈕164可以作為軟開關類型提供，它不完全停止DMFC系統，而是產生預定信號以便由控制器160a識別。
設定定時器166工作足夠的時間以便當DMFC系統停止工作時將從混合槽120a循環流過燃料電池主體110的陽極110a的混合燃料的濃度降低到參考濃度。此外，當系統停止工作時，使用定時器166來停止燃料進給器140的工作。這里，定時器166可以用響應于來自停止按鈕164或控制器160a的停止請求信號而工作的各種公知的定時器實現。此外，定時器166可以用基于來自用作控制器160a的部分功能單元的微處理器芯片的時鐘計數延遲時間的定時器實現。
當系統停止工作時，開關單元168響應于來自控制器160a的控制信號，將燃料電池主體110與電力存儲設備170電連接，使得用燃料電池主體110所產生的電力對電力存儲設備170充電。此外，當電力存儲設備170中充電的電量較小時，開關單元168將燃料電池主體110與外部負載電斷開，從而燃料電池主體110所產生的全部電力被充入電力存儲設備170中。控制器160a防止電力存儲設備170過度充電。在蓄電池(secondary battery)的情況下，控制器160a可以控制蓄電池充電到100％充電狀態(SOC)。此外，控制器160a控制通過諸如燃料泵之類的輔助部件(設備平衡)來有效地消耗在充電電力存儲設備170之后剩余的電力。
電力存儲設備170包括可充電電池、可充電的超級電容器等。在系統工作時，電力存儲設備170向諸如燃料供應單元130a、燃料進給器140、氧化劑150、控制器160a之類的設備平衡供電。此外，電力存儲設備170電連接到燃料電池主體110，并且當系統停止工作時用燃料電池主體110中產生的電能充電。
控制器160a基于定時器166計數的時間，控制燃料供應單元130停止工作，控制燃料進給器140工作預定時間，并且控制氧化劑供應單元150工作預定時間。在這種情況下，定時器166可以具有開關接觸點，或者可以連接到與開關單元168分離的另一開關單元，從而當定時器166改變到ON狀態時燃料供應單元130停止工作，而當定時器166改變到OFF狀態時燃料進給器140和氧化劑供應單元150停止工作。
圖6是示出根據本發明第二實施例的直接甲醇燃料電池系統的操作的流程圖。DMFC系統的控制器接收用于停止該系統的停止請求信號(S30)。然后，控制器控制定時器開始工作(S32)。此外，控制器停止燃料供應單元(S34)。此外，控制器控制燃料進給器來使混合槽中存儲的混合燃料循環流過燃料電池主體的陽極(S36)。
然后，控制器電斷開外部負載與燃料電池主體(S38)。然后，控制器將電力存儲設備與燃料電池主體電連接，并且當系統停止工作時用燃料電池主體中產生的電能對電力存儲設備充電(S40)。
當定時器在經過預設時間之后停止計數時間時，燃料進給器停止工作(S42)。此外，控制器控制氧化劑供應單元停止工作(S44)。
在第二實施例中，當DMFC系統停止工作時，基于定時器讓混合燃料循環流過陽極預定時間。因此，不僅防止了在停止DMFC系統時金屬催化劑的活性降低以及對電解質膜的損害，而且當系統重新啟動時所需的電能被有效地存儲在電力存儲設備中。
圖7是根據本發明第一和第二實施例的直接甲醇燃料電池系統中采用的燃料電池主體的示意圖。燃料電池主體110包括多個膜電極組件(MEA)，每個MEA具有電解質膜111以及位于電解質膜111相對側的陽極和陰極；和串行連接多個MEA并且分別向陽極和陰極提供燃料和氧化劑的分離器。此外，燃料電池主體110包括位于電解質膜111與分離器之間的墊片114；向MEA的疊層式結構和分離器施加預定連接壓力的一對端面板116；和連接這對端面板116的連接裝置117。
MEA引起燃料的氧化反應和氧化劑的還原反應，從而產生電能。陽極包括催化劑層112a，用于通過氧化反應將燃料轉化成電子和氫離子；和擴散層112b，用于順利地輸送燃料、二氧化碳和電子。陰極包括催化劑層113a，用于促進從陽極輸送的氫離子與氧化劑的反應；和擴散層113b，用于順利地移動空氣以及排出產生的水。這里，電解質膜111包括具有50-200μm厚度的固體聚合電解質，并且具有離子交換功能，將陽極的催化劑層112a中產生的氫離子輸送到陰極的催化劑層113a。此外，陽極和陰極的擴散層112b和113b可以覆上多微孔層112c和113c，以便將燃料或氧化劑非常順利地供應到催化劑層112a和113a。
電解質膜111最好包括從包含下列聚合物的組中選擇的一種或多種氫離子導電聚合物全氟化鹽聚合物、苯并咪唑聚合物、聚酰亞胺聚合物、聚醚酰亞胺聚合物、聚苯硫醚聚合物、聚砜聚合物、聚醚砜聚合物、聚醚酮聚合物、聚醚-酮醚聚合物和聚苯喹惡啉聚合物。最好，電解質膜111包括從包含下列聚合物的組中選擇的一種或多種氫離子導電聚合物聚(全氟酸)、聚(全氟羧基酸)、氟乙烯醚與四氟乙烯的共聚物，包括砜酸、脫氟化鹽硫化聚酮醚、芳基酮、聚(2，2’-(m-亞苯基)-5，5’-二苯并咪唑)和聚(2，5-苯并咪唑)。
催化劑層112a、113a的一個實施例包括從諸如下列過渡金屬的組中選擇的一種或多種金屬催化劑，如鉑、釕、鋨、鉑釕合金、鉑鋨合金、鉑鈀合金和鉑-M合金(其中，M包括Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)或者其化合物。此外，催化劑層112a、113a可以包括從包含下列金屬催化劑的組選擇的一種或多種金屬催化劑載體(support)上沉積的鉑、釕、鋨、鉑釕合金、鉑鋨合金、鉑鈀合金和鉑-M合金(其中，M包括從包含Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn的組中選擇的一種或多種過渡金屬)。這里，載體可以包括任何材料，只要它是導電的。在一個實施例中，載體包括碳。
擴散層112b、113b用于均勻地擴散燃料、水和空氣；收集產生的電力；以及保護催化劑層112a、113a不被液體損耗。擴散層112a、113b可以用碳材料實現，如碳布、碳紙等。
多微孔層112c、113c的一些實施例包括從包含下列材料的組中選擇的一種或多種碳材料石墨、碳納米管(CNT)、球殼狀碳分子(C60)、活性碳、弗爾肯(Vulcan)、ketjen black、碳黑和碳納米角(nano-horn)。此外，多微孔層112c、113c可以包括從包含聚(全氟酸)、聚(四氟乙烯)、氟化乙烯丙烯的組選擇的一個或多個粘合劑。
分離器不僅用作電串聯相鄰膜電極組件的導電體，還用作膜電極組件的氧化和還原反應所需的燃料和氧化劑分別供應到陽極和陰極的通道。此外，分離器包括陽極單板115a、陰極單板115b、和至少一個雙極板115，在該雙極板中陽極單板115a和陰極單板115b相連。
墊片114、端面板116和連接裝置117用于密封地連接膜電極組件的疊層式結構和分離器，并且它們可以具有各種公知材料、形狀和結構。
圖8是根據本發明第三實施例的直接甲醇燃料電池系統的框圖。DMFC系統200包括燃料電池主體210、混合槽220、燃料供應單元230、燃料進給器240和控制器250。
與根據第一和第二實施例的DMFC系統相反，根據本發明第三實施例的DMFC系統向燃料電池主體210的陰極210b供應空氣或氧化劑，而不使用諸如泵、風扇之類的氧化劑供應單元。
根據本發明第三實施例的燃料電池主體210的陽極210a通過燃料進給器240，從混合槽220接收混合燃料，并且向混合槽220排出稀釋的燃料溶液(未反應的燃料和水)。為此，陽極210a的入口和出口連接到混合槽220，并且被配置成當系統停止工作時使來自混合槽220的混合燃料循環流過陽極210a。此外，陰極210b具有便于陰極210b的空氣接觸、并且順利地排出陰極210b中產生的水的結構。使用該配置，供應到陽極210a的燃料與引入燃料電池主體210的陰極210b中的氧化劑電化學反應，從而產生電力和熱。
燃料供應單元230、燃料進給器240和控制器250基本上與根據第一或第二實施例的相同。
當DMFC系統接收到停止請求信號時，控制器250通過濃度傳感器252檢測混合燃料的濃度。基于檢測的混合燃料的濃度，控制器250控制燃料供應單元230停止工作，以及控制燃料進給器240工作，使得混合燃料循環流過陽極210a預定時間，從而最終使陽極210a中剩余的混合燃料濃度具有參考濃度或以下(例如，在甲醇溶液的情況下為0到0.3mol)。濃度傳感器252可以被插入陽極出口附近的歧管(manifold)中。
圖9是根據本發明第三實施例的直接甲醇燃料電池系統中采用的燃料電池主體的示意圖。燃料電池主體210包括電解質膜211、具有催化劑層212a和擴散層212b的陽極、具有催化劑層213a和擴散層213b的陰極、陽極收集器(collector)214、陰極收集器215、中間板216、墊片217、端面板218和導線219。此外，燃料電池主體210包括與導線219串聯的四個膜電極組件。
中間板216具有入口和出口，通過它們引入和排出燃料；歧管，用于允許燃料的流動；和用于供應燃料的多個孔。中間板216的相對側與膜電極組件相鄰。每個膜電極組件包括電解質膜211以及位于電解質膜211相對側上的陽極和陰極。
陽極收集器214位于中間板216與膜電極組件之間，并且由溝道形成，用于導引通過中間板216的孔供應的燃料流體。陰極收集器215位于面對陽極收集器的膜電極組件上，該膜電極組件位于其間。此外，陰極收集器215包括開口215a，陰極213a和213b通過該開口215a暴露。
這對端面板218位于陰極收集器215上，彼此相對，中間是中間板216和膜電極組件。這對端面板218通過提供預定連接壓力的連接裝置相連。導線219電連接燃料電池主體210外的每個膜電極組件的陽極收集器214和陰極收集器215。
圖10A是根據本發明的直接甲醇燃料電池系統中采用的濃度傳感器的透視圖，而圖10B是示出濃度傳感器隨著摩爾濃度和溫度的膨脹系數的圖。
參照圖10A，根據本發明實施例的濃度傳感器252包括襯底252b和附在襯底252b一面上的壓力膜252a。壓力膜252a的體積隨著濃度傳感器252所在位置的燃料的摩爾濃度而變化。
濃度傳感器252可以包括離子導電聚合樹脂或混合樹脂，其體積隨著燃料(例如甲醇)的濃度而變化。例如，在一個實施例中，用于DMFC系統的濃度傳感器252a的壓力膜252a包括全氟化離子交換樹脂，例如，DuPont的Nafion。
在該實施例中，濃度傳感器252的壓力膜252a用Nafion-115制造，并且在26℃和46℃的溫度下根據甲醇溶液的摩爾濃度，測量其膨脹系數。如圖10B所示，制造的濃度傳感器252的膨脹系數在相同溫度條件下，與摩爾濃度成正比增加。此外，在1mol和3mol的摩爾濃度之間，濃度傳感器252的膨脹系數在46℃的情況下比26℃的情況下稍高。
如上所述，根據本發明的上述實施例，當系統停止工作時，燃料電池主體的陽極中剩余的混合燃料的濃度降低到期望濃度或以下，從而防止金屬催化劑的活性降低和對電解質膜的損害。此外，當它重新開始工作時，系統的性能不降低，并且系統的可靠性增強，從而增加了燃料電池主體和系統的壽命。
盡管示出和描述了本發明的各種實施例，但本領域技術人員應當理解，在不背離本發明原理和宗旨的前提下，可以對這些實施例進行各種改變，其范圍在權利要求書及其等效物中限定。
權利要求
1.一種直接甲醇燃料電池系統，包括燃料電池主體，包括至少一個具有電解質膜的膜電極組件、以及位于電解質膜的相對側上的陽極和陰極；燃料供應單元，用于為混合槽供給高濃度燃料；混合槽，用于混合和/或存儲從燃料供應單元供給的燃料和從燃料電池主體排出的輸出流；燃料進給器，用于將存儲在混合槽中的混合燃料供給到燃料電池主體；和控制器，用于響應于停止請求信號控制燃料供應單元停止工作，并且控制燃料進給器工作來使混合燃料循環流過燃料電池主體的陽極，直到混合燃料的燃料濃度小于或等于參考濃度為止。
2.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，其中，混合燃料是甲醇溶液，并且參考濃度的范圍從0到0.3mol。
3.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，還包括濃度傳感器，用于檢測混合燃料的燃料濃度。
4.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，還包括定時器，它被設為工作使混合燃料的燃料濃度降低到小于或等于參考濃度所需的時間，當該定時器停止工作時，該定時器停止所述燃料進給器。
5.如權利要求4所述的直接甲醇燃料電池系統，其中，該定時器響應于停止請求信號工作。
6.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，還包括軟開關型停止按鈕，用于生成停止請求信號，其中，控制器適應于從軟開關型停止按鈕接收停止請求信號，并且響應于該停止請求信號，控制燃料供應單元停止工作。
7.如權利要求6所述的直接甲醇燃料電池系統，其中，所述軟開關型停止按鈕連接到外部負載。
8.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，其中，所述至少一個膜電極組件是多個膜電極組件，并且其中，燃料電池主體包括分離器，用于串行電連接所述多個膜電極組件以及限定允許流體流動的溝道。
9.如權利要求8所述的直接甲醇燃料電池系統，還包括氧化劑供應單元，用于向燃料電池主體供給氧化劑，其中，控制器控制所述氧化劑供應單元在燃料進給器停止工作之時或者之后停止工作。
10.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，其中，燃料電池主體采用與陰極接觸的空氣作為氧化劑。
11.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，還包括電連接到燃料電池主體、燃料供應單元、燃料進給器和控制器的電力存儲設備。
12.如權利要求11所述的直接甲醇燃料電池系統，其中，控制器控制電力存儲設備來用燃料電池主體中產生的電力對其充電。
13.如權利要求12所述的直接甲醇燃料電池系統，還包括開關單元，它將外部負載與燃料電池主體電斷開，并且將電力存儲設備與燃料電池主體電連接。
14.如權利要求1所述的直接甲醇燃料電池系統，所述輸出流包括未反應的燃料和/或水。
15.一種操作直接甲醇燃料電池系統的方法，該直接甲醇燃料電池系統具有混合槽，用于存儲從燃料供應單元供給的燃料和從燃料電池主體排出的未反應的燃料和水；和燃料進給器，用于將存儲在混合槽中的混合燃料供給到燃料電池主體，該方法包括接收用于停止該直接甲醇燃料電池系統的停止請求信號；以及響應于停止請求信號，控制燃料供應單元停止工作，并且控制所述燃料進給器工作來使混合燃料循環流過燃料電池主體的陽極，直到混合燃料的燃料濃度小于或等于參考濃度為止。
16.如權利要求15所述的方法，其中，混合燃料是甲醇溶液，并且參考濃度的范圍從0到0.3mol。
17.如權利要求15所述的方法，還包括檢測混合燃料的燃料濃度。
18.如權利要求15所述的方法，還包括讓定時器工作使混合燃料的燃料濃度降低到小于或等于參考濃度所需的時間，并且當該定時器停止工作時，停止燃料進給器。
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述讓該定時器工作的步驟包括響應于停止請求信號讓定時器工作。
20.如權利要求15所述的方法，其中，所述接收停止請求信號的步驟包括接收由軟開關型停止按鈕產生的信號，該軟開關型停止按鈕連接到直接甲醇燃料電池系統或外部負載。
21.如權利要求15所述的方法，還包括控制電力存儲設備來用燃料電池主體中產生的電力對其充電。
22.如權利要求15所述的方法，還包括在燃料進給器停止工作之時或者之后停止用于向燃料電池主體供給氧化劑的氧化劑供應單元。
全文摘要
一種直接甲醇燃料電池系統，包括燃料電池主體，包括至少一個具有電解質膜的膜電極組件、以及位于電解質膜的相對側上的陽極和陰極；燃料供應單元，用于為混合槽供給高濃度燃料；混合槽，用于混合和存儲從燃料供應單元供給的燃料和從燃料電池主體排出的輸出流；燃料進給器，用于將存儲在混合槽中的混合燃料供給到燃料電池主體；和控制器，用于響應于停止請求信號控制燃料供應單元停止工作，并且控制燃料進給器工作來使混合燃料循環流過燃料電池主體的陽極，直到混合燃料的燃料濃度小于或等于參考濃度為止。
文檔編號H01M8/22GK1996655SQ20071000182
公開日2007年7月11日 申請日期2007年1月5日 優先權日2006年1月5日
發明者安鎮弘, 朱利亞, 金賢, 金東珞, 李種基 申請人:三星Sdi株式會社