Система топливного элемента и электронное устройство

Система топливного элемента и электронное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента, в которой электроэнергия производится в результате реакции между метанолом или подобным ему и окислительным газом (кислород), и к электронному устройству, включающему такую систему топливного элемента.

Уровень техники

Ранее, поскольку топливные элементы имеют высокую эффективность производства энергии и не выделяют вредных веществ, топливные элементы фактически использовались в качестве промышленного оборудования для производства электроэнергии и бытового оборудования для производства электроэнергии, или в качестве источника энергии для искусственных спутников Земли, космических кораблей и т.п. Затем, в последние годы, топливные элементы все больше развивались как источник энергии для транспортного средства, такого как пассажирский автомобиль, автобус и грузовой автомобиль. Такие топливные элементы подразделяются на топливный элемент с водно-щелочным раствором, фосфорно-кислотный топливный элемент, топливный элемент с расплавленным карбонатом, твердооксидный топливный элемент, прямой метанольный топливный элемент и т.п. В особенности, DMFC (прямой метанольный топливный элемент) с твердым полиэлектролитом способен обеспечить высокую плотность энергии при использовании метанола как источника водородного топлива. Кроме того, DMFC не нуждается в риформере, и поэтому его габаритные размеры могут быть уменьшены. Таким образом, DMFC как малый мобильный топливный элемент исследовался все в большей мере.

В DMFC МЕА (Мембранно-электродная сборка), как единый узел, в котором пленка твердого полиэлектролита вставлена между двумя электродами, используется как продукт объединения и интеграции. Один газодиффузионный электрод используется как топливный электрод (анод), и метанол как топливо доставляется к поверхности такого газодиффузионного электрода. В результате метанол разлагается, образуются ионы водорода (протоны) и электроны, и ионы водорода проходят через пленку твердого полиэлектролита. Кроме того, другой газодиффузионный электрод используется как кислородный электрод (катод), и воздух как окислительный газ доставляется к поверхности другого газодиффузионного электрода. В результате кислород воздуха связывается с вышеупомянутыми ионами водорода и вышеупомянутыми электронами, с образованием воды. Такая электрохимическая реакция приводит к генерации электродвижущей силы в DMFC.

Между тем, в топливном элементе, используемом для мобильных целей, желательно, чтобы топливный элемент устойчиво выполнял операцию по производству электроэнергии в любой окружающей среде, такой как в закрытом помещении, на открытом воздухе в зимний период, в автомобиле при высоких температурах в середине лета и внутри оболочки, где отвод теплоты затруднен. Кроме того, также желательно, чтобы топливный элемент был в состоянии следовать за внезапными изменениями в окружающей среде, такими как внезапное перемещение топливного элемента из теплой комнаты в заморозки на открытом воздухе. Таким образом, поскольку соответствующее количество подаваемого топлива для топливного элемента отличается в зависимости от температуры и влажности внешней среды, желателен тщательный контроль подачи топлива согласно изменениям окружающей среды (контроль подачи топлива, в котором количество подаваемого топлива не является избыточным или недостаточным).

Вот в случае, когда количество подаваемого топлива становится чрезмерным, избыток топлива проникает к кислородному электроду за счет явления, названного кроссовером. Явление кроссовера - это явление, в котором избыток топлива быстро окисляется прямо на кислородном электроде и тем самым не только понижает эффективность использования топлива и является причиной отходов, но также и несет риск получения ожога пользователем в результате повышения температуры. Кроме того, напротив, в случае, когда подача топлива становится недостаточной, нельзя получить достаточной мощности, и имеется возможность прекращения подачи питания к оборудованию, связанному с топливным элементом.

Таким образом, в прошлом предложен способ управления количеством подаваемого топлива с целью подавления избытка и недостатка подаваемого топлива (например, патентный документ 1).

Между тем, в системах топливных элементов, включающих в себя топливный элемент, такой как вышеупомянутый, имеется система топливного элемента, в которой напряжением производимой электроэнергии и током производимой электроэнергии (генерируемая мощность) в топливном элементе заряжают аккумуляторную батарею и питают нагрузку. Таким образом, в такой системе топливного элемента желательно, чтобы генерируемая мощность от топливного элемента заряжала аккумуляторную батарею настолько эффективно, насколько возможно.

Таким образом, например, в патентном документе 2 предлагается система топливного элемента, в которой управление выполняется так, чтобы величина напряжения производимой электроэнергии в топливном элементе поддерживалась постоянной за счет использования преобразователя постоянного тока (DC/DC).

Перечень ссылок

Патентные документы:

Патентный документ 1: публикация заявки на патент Японии №2007-227336.

Патентный документ 2: публикация заявки на патент Японии №2006-501798.

Раскрытие изобретения

При управлении подачей топлива в вышеупомянутом патентном документе 1 устанавливаются два пороговых значения (верхнее предельное значение и нижнее предельное значение) для напряжения и тока. Подача топлива прекращается, когда превышается верхнее предельное значение, в то время как подача топлива возобновляется, когда величина падает ниже нижнего предельного значения. Согласно этому способу управления подача топлива может регулироваться путем изменением напряжения во время генерации электроэнергии при токе постоянной величины и путем изменения тока во время генерации электроэнергии при постоянном напряжении.

Однако в способе управления, например, имеется проблема в том, что в случае, когда происходит явление кроссовера, ситуация усугубляется. Особенно, например, во время, когда напряжение уменьшается и падает ниже нижнего предельного значения, когда топлива недостаточно во время управления при постоянном токе, то поскольку напряжение также уменьшается, когда имеет место и явление кроссовера, напряжение падает ниже нижнего предельного значения. Здесь, в первом случае (когда топлива недостаточно), необходимо подать топливо, в то время как в последнем случае (когда происходит явление кроссовера), необходимо остановить подачу топлива. Однако, поскольку внимание обращено только на напряжение при управлении подачей топлива, имеется проблема в том, что разница между первым и последним не может быть дифференцирована.

В таком DMFC в качестве способа подачи метанола к топливному электроду предлагаются жидкостный топливный элемент (жидкое топливо (водный раствор метанола) подается прямо к топливному электроду) и паровой топливный элемент (испаренное жидкое топливо подается к топливному электроду). Из вышеупомянутого, в паровом топливном элементе подачу топлива регулируют согласно концентрации топлива, поскольку в жидкостном топливном элементе такое управление не может быть выполнено, управление подачей топлива выполняется согласно циклу подачи топлива (такому как выбор времени работы насоса подачи топлива или выбор времени открытия/закрытия заслонки). Таким образом, в паровом типе DMFC, в частности, желательно, чтобы стабильная работа по генерации электроэнергии была реализована независимо от внешней среды, запрещая излишек и недостаток при подаче топлива.

Между тем, так как детализированный способ управления за счет использования преобразователя DC/DC не описывается в вышеупомянутом патентном документе 2, желательно чтобы был реализован более эффективный способ управления.

Далее, в вышеупомянутом DMFC в качестве способа подачи метанола к топливному электроду предложены жидкостный топливный элемент (жидкое топливо (водный раствор метанола) прямо подводится к топливному электроду) и паровой топливный элемент (испаренное жидкое топливо подается к топливному электроду). В вышеуказанном паровом топливном элементе подачу топлива регулируют согласно концентрации топлива, поскольку в жидкостном топливном элементе такое управление не может быть выполнено, производится прерывистое управление подачей топлива согласно циклу подачи топлива. В связи с этим в частности, в паровом DMFC трудно управлять напряжением производимой электроэнергии и током производимой электроэнергии из-за прерывистого управления подачи топлива, и желательно, чтобы была реализована стабильная работа по производству электроэнергии.

Данное изобретение сделано в свете вышеупомянутых проблем. Первый объект изобретения относится к системе топливного элемента, которая в состоянии обеспечить производство электроэнергии более устойчиво, чем в прошлом независимо от внешней среды, и к электронному устройству, включающему в себя такую систему топливного элемента.

Второй объект изобретения относится к системе топливного элемента, которая в состоянии обеспечить производство электроэнергии в паровом топливном элементе более устойчиво, чем в прошлом, и к электронному устройству, включающему в себя такую систему топливного элемента.

Первая система топливного элемента по данному изобретению включает в себя: энергогенерирующую секцию для производства электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа; секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, в которой можно регулировать количество подаваемого жидкого топлива; секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива; секцию определения температуры для определения температуры энергогенерирующей секции; секцию управления для осуществления управления таким образом, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной за счет управления количества подаваемого жидкого топлива от секции подачи топлива на основе температуры энергогенерирующей секции, определяемой секцией определения температуры.

Первое электронное устройство по данному изобретению включает в себя вышеупомянутую первую систему топливного элемента.

В первой системе топливного элемента и первом электронном устройстве данного изобретения жидкое топливо, подаваемое от секции подачи топлива, испаряется в секции испарения топлива, вследствие чего газообразное топливо подается к энергогенерирующей секции. Далее, в энергогенерирующей секции производится электроэнергия путем подачи газообразного топлива и окислительного газа. Кроме того, секцией определения температуры определяется температура энергогенерирующей секции в зависимости от производимой электроэнергии. Кроме того, количество подаваемого жидкого топлива от секции подачи топлива регулируется на основании определяемой температуры энергогенерирующей секции, и поэтому управление выполняется так, чтобы температура энергогенерирующей секции была постоянной. При этом между количеством подаваемого топлива и температурой энергогенерирующей секции имеется монотонно возрастающая зависимость друг от друга. Таким образом, по сравнению с прошлым управлением подачей топлива на основе напряжения производимой электроэнергии, тока производимой электроэнергии или генерируемой мощности, например, облегчается управление подачей топлива, которое предотвращает явление кроссовера и соответствует изменениям во внешней среде. Кроме того, поскольку выполняется управление с обратной связью, в котором температура энергогенерирующей секции является постоянной, по сравнению с простым управлением, путем включения и прекращения подачи топлива, температура энергогенерирующей секции стабилизируется.

Вторая система топливного элемента по данному изобретению включает в себя: энергогенерирующую секцию для производства электроэнергии путем подачи топлива и окислительного газа; секцию подачи топлива для подачи жидкого топлива к энергогенерирующей секции, в которой количество подаваемого жидкого топлива можно регулировать; секцию испарения топлива для подачи газообразного топлива к энергогенерирующей секции путем испарения жидкого топлива, подаваемого из секции подачи топлива; систему повышения напряжения для подъема уровня напряжения энергогенерирующей секции; систему управления для управления напряжением на нагрузке и током нагрузки, подаваемых от системы повышения напряжения к нагрузке путем управления работой системы с помощью заданной контрольной таблицы.

Второе электронное устройство по данному изобретению включает в себя вышеупомянутую вторую систему топливного элемента.

Во второй системе топливного элемента и втором электронном устройстве по данному изобретению жидкое топливо, подаваемое от секции подачи топлива, испаряется в секции испарения топлива, а газообразное топливо подается к энергогенерирующей секции. Затем в энергогенерирующей секции производится электроэнергия за счет подачи газообразного топлива и окислительного газа. Кроме того, уровень напряжения производимой электроэнергии, подаваемого от энергогенерирующей секции, увеличивается системой повышения напряжения и подается к нагрузке как напряжение нагрузки. В то же время напряжение нагрузки и ток нагрузки, подаваемые от системы повышения напряжения к нагрузке, регулируются путем управления работой системы с помощью заданной контрольной таблицы.

Согласно системе топливного элемента или первому электронному устройству по данному изобретению количество подаваемого жидкого топлива от секции подачи топлива регулируется на основе определяемой температуры энергогенерирующей секции, и поэтому обеспечивается управление, в котором температура энергогенерирующей секции становится константой. Таким образом, по сравнению с прошлым, например, управление подачей топлива предотвращает явление кроссовера и облегчает согласование с изменениями во внешней среде, кроме того, температура энергогенерирующей секции стабилизируется. В результате производство электроэнергии является более стабильным, чем в прошлом, независимо от внешней среды.

Согласно второй системе топливного элемента или второму электронному устройству по данному изобретению уровень напряжения электроэнергии, производимой энергогенерирующей секцией, повышается системой повышения напряжения, а работа системы повышения напряжения регулируется, и поэтому управление выполняется на напряжении нагрузки и токе нагрузки, подаваемых от системы повышения напряжения. Таким образом, даже в случае, когда в паровом топливном элементе производится прерывистая подача топлива, реализуется эффективное управление напряжением нагрузки и током нагрузки. В результате производство электроэнергии в паровом топливном элементе может быть более стабильным, чем в прошлом.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой блок-схему, поясняющую структуру системы топливного элемента согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 показывает поперечное сечение, поясняющее структурный пример энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.3 является видом сверху, поясняющим структурный пример энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.4 представляет собой диаграмму для пояснения сущности парового способа подачи топлива.

Фиг.5 представляет собой блок-схему для пояснения подробной структуры секции управления, показанной на фиг.1.

Фиг.6 показывает поперечное сечение, поясняющее способ производства энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.7 является видом сверху, поясняющим способ производства энергогенерирующей секции, представленной на фиг.1.

Фиг.8 показывает графики, поясняющие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 1.

Фиг.9 показывает график, поясняющий характеристики производства электроэнергии путем управления подачи топлива согласно сравнительному примеру 2.

Фиг.10 показывает график, поясняющий сводку характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.11 показывает график, поясняющий характеристики производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 3.

Фиг.12 показывает график, поясняющий подробности характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.13 показывает график, иллюстрирующий пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.14 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.15 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.16 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.17 представляет собой блок-схему, поясняющую подробную структуру секции управления согласно второму варианту осуществления.

Фиг.18 показывает графики, поясняющие генерацию высокой температуры, которая может произойти при управлении подачей топлива согласно первому варианту осуществления.

Фиг.19 представляет собой блок-схему для пояснения подробной структуры системы управления согласно сравнительному примеру 4.

Фиг.20 показывает графики, иллюстрирующие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно сравнительному примеру 4.

Фиг.21 показывает графики, иллюстрирующие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно второму варианту осуществления.

Фиг.22 показывает графики, иллюстрирующие другой пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно второму варианту осуществления.

Фиг.23 показывает графики, иллюстрирующие пример характеристик производства электроэнергии при управлении подачей топлива согласно второму варианту осуществления.

Фиг.24 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую всю структуру системы топливного элемента согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.25 является принципиальной схемой, поясняющей систему добавочного напряжения, показанную на фиг.24.

Фиг.26 представляет собой временную диаграмму для упрощенного пояснения способа подачи парового топлива.

Фиг.27 является принципиальной схемой, поясняющей структуру системы добавочного напряжения и схемы распределения напряжения, показанной на фиг.24.

Фиг.28 представляет собой временную диаграмму, поясняющую операцию генерации сигнала с PWM.

Фиг.29 является принципиальной схемой, поясняющей работу системы добавочного напряжения, показанной на фиг.27.

Фиг.30 представляет собой временную диаграмму, поясняющую функционирование при постоянном напряжении согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.31 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример функционирования при постоянном напряжении согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.32 представляет собой временную диаграмму, поясняющую функционирование при постоянном токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.33 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример функционирования при постоянном токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.34 показывает диаграмму, поясняющую пример использования таблицы управления при функционировании при постоянных напряжении или токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.35 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример соотношения между генерируемой мощностью и функционированием при постоянных напряжении или токе согласно третьему варианту осуществления.

Фиг.36 показывает диаграмму характеристик, поясняющую пример соотношения между эффективностью конверсии топлива и функционированием при постоянных напряжении или токе согласно третьему варианту осуществления.

Описание вариантов осуществления

Варианты осуществления данного изобретения будут в дальнейшем описаны подробно со ссылками на чертежи.

Первый вариант осуществления

Фиг.1 поясняет структуру системы топливного элемента (система 5 топливного элемента) согласно первому варианту осуществления данного изобретения. Система 5 топливного элемента снабжает электроэнергий нагрузку 6 через выходные терминалы Т2 и Т3. Система 5 топливного элемента состоит из топливного элемента 1, секции 30 определения температуры, секции 31 определения тока, секции 32 определения напряжения, секции 33 повышения напряжения, аккумуляторной батареи 34 и секции 35 управления.

Топливный элемент 1 включает в себя энергогенерирующую секцию 10, топливный резервуар 40 и топливный насос 42. Подробная структура и описание топливного элемента 1 будут даны ниже.

Энергогенерирующая секция 10 является секцией прямого производства электроэнергии из метанола за счет реакции между метанолом и окислительным газом (например, кислородом). Энергогенерирующая секция 10 включает в себя множество единичных элементов, включающих катод (кислородный электрод), и анод (топливный электрод). Подробная структура энергогенерирующей секции и ее описание будут даны ниже.

Топливный резервуар 40 хранит жидкое топливо, необходимое для производства электроэнергии (например, метанол или водный раствор метанола). Подробная структура и описание топливного резервуара 40 будут даны ниже.

Топливный насос 42 является насосом для перекачивания жидкого топлива, содержавшегося в топливном резервуаре 40, и подачи (транспортировки) жидкого топлива к энергогенерирующей секции 10. Топливный насос 42 способен регулировать количество подаваемого топлива. Указанная операция (операция по подаче жидкого топлива) подачи топлива насосом 42 управляется упомянутой секцией 35 управления. Подробная структура и описание топливного насоса 42 будут даны ниже.

Секция 30 определения температуры определяет температуру (особенно окружающую температуру или вблизи энергогенерирующей секции 10) Т1 энергогенерирующей секции и является, например, термистором.

Секция 31 определения тока размещается между катодом энергогенерирующей секции 10 и точкой Р1 контакта на соединительной линии L1H и предназначена для определения тока I1, генерируемого энергогенерирующей секцией 10. Секция 31 определения тока включает в себя, например, резистор. Секция 31 определения тока может быть размещена на соединительной линии L1L (между анодом энергогенерирующей секции 10 и точкой контакта Р2).

Секция 32 определения напряжения размещается между точкой Р1 контакта на соединительной линии L1H и точкой Р2 контакта на соединительной линии L1L. Секция 32 определения напряжения предназначена для определения напряжения V1, генерируемого энергогенерирующей секцией 10. Секция 32 определения напряжения включает в себя, например, резистор.

Секция 33 повышения напряжения размещается между точкой Р1 контакта на соединительной линии L1H и точкой Р3 контакта на линии LO выхода. Секция 33 повышения напряжения является преобразователем напряжения, который повышает уровень напряжения V1 (напряжение постоянного тока), генерируемого энергогенерирующей секцией 10, и генерирует постоянное напряжение V2. Секция 33 повышения напряжения представляет собой, например, преобразователь DC/DC.

Аккумуляторная батарея 34 размещается между точкой Р3 контакта на линии LO выхода и точкой Р4 контакта на линии LG заземления. Аккумуляторная батарея 34 предназначена для хранения постоянного напряжения V2, генерируемого секцией 33 повышения напряжения. Аккумуляторная батарея 34 является литий-ионной аккумуляторной батареей и т.п.

Секция 35 управления предназначена для согласования количества подаваемого жидкого топлива от топливного насоса 42 на основе температуры (определяемая температура) Т1 энергогенерирующей секции, определяемой секцией 30 определения температуры, генерируемого тока (определяемый ток) I1, определяемого секцией 31 определения тока, и напряжения производимой электроэнергии (определяемое напряжение) V1, определяемого секцией 32 определения напряжения. Конкретно, в этом варианте осуществления секция 35 управления предназначена для управления температурой энергогенерирующей секции 10 таким образом, чтобы ее температура была постоянной (почти постоянной в пределах данного диапазона), путем подачи от топливного насоса 42 количества жидкого топлива, регулируемого на основе определяемой температуры Т1, определенной секцией 30 определения температуры. Секция 35 управления представляет собой, например, микрокомпьютер. Более подробное описание структуры и функционирования секции 35 управления будет дано ниже.

Далее в описании будет дана подробная структура топливного элемента 1 в соответствии с фиг.2 - фиг.4. Фиг.2 и фиг.3 поясняют пример структуры единичных элементов 10А-10F энергогенерирующей секции 10 топливного элемента 1. Фиг.2 соответствует поперечному сечению по линии II-II фиг.3. Единичные элементы 10А-10F размещаются, например, в матрице три по два в направлении в плоскости и имеют планарную слоистую структуру, в которой каждый из них электрически соединен друг с другом последовательно посредством множества соединительных элементов 20. Вывод 20А как расширенная часть соединительных элементов 20 присоединен к единичным элементам 10С и 10F. Ниже описываются единичные элементы 10А-10F, топливный резервуар 40, топливный насос 42, сопло 43 и испаритель 44 топлива.

Каждый из единичных элементов 10А-10F имеет топливный электрод (анод, анодный электрод) 12 и кислородный электрод 13 (катод, катодный электрод), которые расположены друг против друга через пленку 11 электролита.

Пленка 11 электролита выполнена, например, из протон-проводящего материала, имеющего сульфонатную группу (-SO₃Н). Примеры протон-проводящих материалов включают в себя: протон-проводящий материал полиперфторалкил сульфоновой кислоты (например, «Nafion» (зарегистрированный товарный знак), производимый фирмой Дю Пон), углеводородный протон-проводящий материал, такой как полиамид сульфоновой кислоты, и протон-проводящие фуллерены.

Топливный электрод 12 и кислородный электрод 13 имеют, например, в структуре слой катализатора, содержащий катализатор, такой как платина (Pt) и рутений (Ru), нанесенный на токосниматель, сделанный из, например, углеродной бумаги. Слой катализатора представляет собой, например, слой, в котором подложка, такая как сажа, несущая катализатор, диспергирована в протон-проводящем материале полиперфторалкиле сульфоновой кислоты или ему подобном. Насос подачи воздуха (не показан) может быть связан с кислородным электродом 13. Иначе, кислородный электрод 13 может быть связан с внешней стороной через апертуру (не показано) в соединительном элементе 20, и воздух, то есть кислород, может подаваться посредством естественной вентиляции.

Соединительный элемент 20 имеет изгиб 23 между двумя плоскими сечениями 21 и 22. Плоское сечение 21 контактирует с топливным электродом 12 единичного элемента (например, 10А), а плоское сечение 22 контактирует с кислородным электродом 13 смежного единичного элемента (например, 10В), и, таким образом, два единичных элемента (например, 10А и 10В) электрически соединены последовательно. Далее, соединительный элемент 20 выполняет функцию токового коллектора, чтобы собрать электричество, генерируемое в соответствующих единичных элементах 10А-10F. Такой соединительный элемент 20 имеет, например, толщину 150 мкм, выполнен из меди (Сu), никеля (Ni), титана (Ti) или нержавеющей стали (SUS) и может быть покрыт золотом (Аu), платиной (Pt) и т.п. Кроме того, соединительный элемент 20 имеет отверстие (не показано) для того, чтобы обеспечить подачу топлива и воздуха к топливному электроду 12 и кислородному электроду 13 соответственно. Соединительный элемент 20 сделан из сетки, такой как просечно-вытяжной металл, перфорированный металл и т.п. Сечение изгиба 23 может быть ранее согнуто по толщине единичных элементов 10А-10F. Иначе, в случае, когда соединительный элемент 20 делается из материала, имеющего гибкость, такого как сетка толщиной 200 мкм или меньше, сечение изгиба 23 может быть сформировано на этапе изготовления. Такой соединительный элемент 20 соединяют с единичными элементами 10А-10F, например, путем оборачивания изолирующего материала (не показано), такого как PPS (полифенил сульфид) и силиконовый каучук, вокруг пленки 11 электролита в соединительном элементе 20.

Топливный резервуар 40 содержит, например, контейнер с кубическим объемом, изменяемым без появления воздушных пузырей или т.п., даже если объем жидкого топлива 41 увеличивается или уменьшается (например, полиэтиленовый пакет), а прямоугольный твердый корпус (структура) покрывает контейнер. Топливный резервуар 40 снабжается топливным насосом 42 для всасывания жидкого топлива 41 в топливный резервуар 40 и извлечения жидкого топлива 41 из сопла 43 приблизительно выше центра топливного резервуара 40.

Топливный насос 42 включает в себя, например, пьезоэлектрический корпус (не показан), пластмассовую секцию пьезоэлектрического корпуса (не показано) для того, чтобы поддерживать пьезоэлектрический корпус, и канал (не показано) в виде трубы для соединения топливного резервуара 40 с соплом 43. Например, как показано на фиг.4, топливный насос 42 способен регулировать количество топлива согласно изменению в количестве подачи топлива за одну операцию или изменению в цикле Δt подачи топлива. Топливный насос 42 соответствует конкретному примеру «секция подачи топлива» данного изобретения.

Секция испарения топлива предназначена для испарения жидкого топлива, подаваемого от топливного насоса 42, и подачи испаренного топлива к энергогенерирующей секции 10 (соответствующим единичным элементам 10А-10F), Секция 44 испарения топлива содержит диффузионную секцию (не показано) для содействия диффузии топлива на пластине (не показано), сделанной, например, из металла или сплава, содержащего нержавеющую сталь, алюминий и т.п., или пластмассы с высокой жесткостью, такой как сополимер циклоолефин (СОС). Диффузионная секция использует неорганический пористый материал, такой как глинозем, кремнезем и оксид титана или пористый материал из смолы.

Сопло 43 является эжекционным отверстием для транспорта топлива через канал (не показано) топливного насоса 42, и эжектирует топливо по направлению к диффузионной секции, предусмотренной на поверхности секции 44 испарения топлива. Тем самым, топливо, перенесенное к секции 44 испарения топлива, диффундирует, испаряется и подается к энергогенерирующей секции 10 (соответствующим единичным элемента 10А-10F). У сопла 43 есть канал диаметром, например, от 0,1 мм до 0,5 мм.

Подробная структура секции 35 управления будет описана со ссылкой на фиг.5. Фиг.5 поясняет подробную блок-схему структуры секции 35 управления.

Секция 35 управления состоит из секции 350 вычитания (секция вычисления разности), секции 351 PID (пропорционально-интегрально-дифференциального) управления и секции 352 корректировки генерации тепла.

Секция 350 вычитания предназначена для определения разности (=Tsv(s)-Tpv(s)) между заданной температурой (регулируемая температура) Tsv(s), предварительно установленной в системе управления, и температурой (определяемая температура) Т1 (Tpv (s)) энергогенерирующей секции 10, определяемой секцией 30 определения температуры, и величину разности выводят к секции 351 PID управления.

Секция 351 PID управления предназначена для вычисления количества подаваемого жидкого топлива (требуемое количество H(s) генерируемого тепла) пропорционально временному интегралу и временной производной разности величин между заданной температурой Tsv (s) и определяемой температурой Tpv (s), определяемой в секции 350 вычитания, и выдает заданное количество H(s) генерируемого тепла в секцию 352 корректировки генерации тепла.

Секция 351 PID управления вычисляет требуемое количество H(s) генерируемого тепла с помощью следующих уравнений (1) и (2).

В уравнениях H(s) обозначает требуемое количество генерируемого тепла; K_P, T_I и Т_D обозначают константы PID; Tsv(s) обозначает заданную температуру; ΔT(s) обозначает разность температур; и s обозначает время.

Секция 352 корректировки генерации тепла предназначена для вычисления эффективности преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 на основе напряжения, производимой электроэнергии (определяемое напряжение) V1, определяемое секцией 32 определения напряжения, и тока производимой электроэнергии (определяемый ток) I1, определяемого секцией 31 определения тока, и вычисления количества P(s) подаваемого топлива (корректирует количество подаваемого жидкого топлива, вычисленного в секции 351 PID управления), используя вычисленную эффективность преобразования энергии. Информация о количестве P(s) подаваемого топлива выдается в топливный насос 42 в топливном элементе 1. В результате, хотя детали будут описаны ниже, температура энергогенерирующей секции 10 становится постоянной.

Конкретно, секция 352 корректировки генерации тепла вычисляет количество подаваемого топлива P(s), используя уравнение (3) и уравнение (4). В этом варианте осуществления эффективность η преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 вычисляется также с учетом тока I1 производимой электроэнергии в энергогенерирующей секции 10 в дополнение к напряжению V1 производимой электроэнергии в энергогенерирующей секции 10. Тем не менее, эффективность η преобразования энергии в энергогенерирующей секции 10 может быть вычислена приблизительно (η≈V_O/V_T), полагая, что коэффициент Е использования топлива равен фактически 1. Это происходит потому, что при фактическом управлении операция по управлению влияет лишь чуть-чуть, даже если выполняется такое приблизительное вычисление.

I_T соответствует теоретической величине тока, рассчитанной из количества подаваемого топлива.

Система 5 топливного элемента этого варианта осуществления может быть изготовлена, например, следующим образом.

Во-первых, пленка 11 электролита, сделанная из вышеупомянутого материала, размещается между топливным электродом 12 и кислородным электродом 13, сделанными из вышеуказанного материала. Указанные составляющие соединяют термической компрессией. Таким образом, топливный электрод 12 и кислородный электрод 13 соединяют с пленкой 11 электролита, чтобы образовать единичные элементы 10А-10F.

Затем изготавливается соединительный элемент 20, выполненный из вышеуказанного материала. Как показано на фиг.6 и фиг.7, шесть единичных элементов 10А-10F размещаются в матрице три по два, и электрически последовательно соединяются друг с другом соединительным элементом 20. Уплотняющий материал (не показан), сделанный из вышеупомянутого материала размещается вокруг пленки 11 электролита, и этот уплотняющий материал привинчивается и закрепляется на изгибе сечении 23 соединительного элемента 20.

После этого топливный резервуар 40, который содержит жидкое топливо 41 и снабжен топливным насосом 42, соплом 43 и т.п., размещается на стороне топливного электрода 12, сопряженного с единичными элементами 10А-10F, и в результате формируется топливный элемент 1. Вышеупомянутая секция 30 определения температуры, секция 31 определения тока, секция 32 определения напряжения, секция 33 повышения напряжения, аккумуляторная батарея 34 и секция 35 управления электрически соединены в паралл