CN100431213C - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，具有用于储存反应溶液的液体储存部分(1)、用于从由液体储存部分(1)所供应的反应溶液中产生反应气体的反应部分(2)、用于储存由反应部分(2)所提供的反应气体的气体储存部分(3)，以及设置成连接在固体高分子电解质膜上的电极。该燃料电池系统还具有燃料电池和反应溶液供应量调节装置。燃料电池采用由气体储存部分(3)所提供的反应气体作为燃料来产生功率。当液体储存部分(1)内的压力高于反应部分(2)内的压力时，反应溶液供应量调节装置将反应溶液从液体储存部分(1)供应至反应部分(2)，当液体储存部分(1)内的压力低于反应部分(2)内的压力时则停止反应溶液的供应。上述结构允许根据燃料电池的驱动状态来控制反应溶液的供应量。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，其用于供应氢和氧以便驱动固体聚合物型燃料电池。

背景技术

近年来，解决能源和环境问题是比较重要的。因此，需要提供一种释放物质比较清洁的高能量密度的电功率源。燃料电池是发电机，其能量密度比传统电池高若干倍。燃料电池的能量效率也比较高。另外，从燃料电池中排出的废气不含氧化氮和氧化硫。或者，从燃料电池中排出的废气几乎不含氧化氮和氧化硫。因此，可以说燃料电池是一种非常有效的装置，它满足了用于下一代电功率源装置的要求。尤其是，固体聚合物型燃料电池具有良好的起动特性，因为它甚至可在不超过100℃的低温下被驱动。因此，已经积极地研制出固体聚合物型燃料电池，使得它可用作静态分散型功率源、汽车功率源以及结合在便携式装置中的功率源。

高分子型燃料电池是一种以下述方式来操作的装置，其中同时以电化学的方式来进行氢在阳极上的氧化以及氧在阴极上的还原，并且可通过电化学反应过程中阳极和阴极之间的电位差所发出的电流来得到电输出。传统的燃料电池包括：用于储存反应剂的燃料储存部分；用于将反应剂转化成燃料气体的反应部分；燃料供应通道；用于通过燃料的电化学反应来产生电力的阳极或阴极；以及用于在阳极和阴极之间传输离子的电解质。

传统上使用的阳极侧燃料的示例是：氢、酒精如甲醇或乙醇；醚；以及化学氢化物如环己醇或硼氢化钠。除了氢之外，所有上述燃料均可以液体的形式来使用，并且可通过转化装置而转化成氢气。就燃料电池而言，研究人员致力于选择可有效地取出氢并且适于运输和储存燃料的化学物质。关注上述燃料的原因是，这类燃料被认为可有效地用于燃料电池。

阴极侧上的反应剂是氧化剂。典型的氧化剂为氧。然而，在一些情况下可使用过氧化物如过氧化氢。

为了通过燃料电池来驱动会消耗电功率的装置如电气设备、便携式装置和汽车，燃料电池必须输出电功率，该电功率的密度对应于该消耗电功率的装置的负载。燃料电池的输出是由待提供给电极的反应气体如氢气或氧气的体积所决定的因子。因此，当在电极周边中存在有很大体积的反应气体时，燃料电池的输出可响应于施加给燃料电池的负载而变化。从此观点来看，当在存在于电极周围的氢和氧耗尽之前将反应气体适当地提供给电极时，燃料电池就可响应于该消耗电功率的装置的负载而操作。

在这种情况下，为了供应所需体积的反应气体，必须从上述燃料和氧化剂中得到所需体积的反应气体。因此，必须将合适体积的燃料从燃料储存部分供应至反应部分。另外，必须将合适体积的氧化剂供应至反应部分。

在供应燃料、氧化剂和反应气体时，传统上采用泵或鼓风机。根据燃料电池的输出和消耗电功率的装置的负载来控制待供应的体积。就此而言，例如可参见非专利文献1。

非专利文献1：Masahiro Ichimura的“便携式燃料电池的技术趋势”，NTT Building Technology Institute 2003中的第2至4页和图3。

然而，在任何阳极和阴极中都很难控制将供应至电极中的燃料和反应气体的体积。为了控制燃料和反应气体的体积，必须将用于控制的能量从外部或燃料电池本身输入到控制系统中。因此，由于消耗了能量以如上所述地进行控制，因此就降低了燃料电池的有效输出。

另外，在其中氢用作阳极侧上的燃料的情况下，当通过转化反应剂而发出氢时，必须根据用于阳极上的氢的体积来控制所产生的氢的体积。为了控制所产生的氢的体积，必须控制反应温度和待供应燃料的体积。因此，必须将温度控制系统如加热器、温度传感器和控制器连接在反应部分和电极上。另外，必须连接有用于控制待供应的燃料体积的阀和控制器。因此，用于控制反应的上述控制机构就进一步消耗了能量。因此就降低了燃料电池的有效输出。

同时，尤其是在燃料电池应用于小型电子装置的情况下，其中将容纳燃料的空间就会被减小了其中设有上述系统的体积。因此，该系统的体积在体积能量密度方面是非常不利的。由于存在该系统的体积，该燃料电池的体积能量密度就比传统电池的体积能量密度更低。

在其中未提供用于控制所产生氢的体积的系统的情况下，燃料电池的内部压力就因所产生的氢超过了对应于待输出电流的氢体积而升高。在这种情况下，所产生的氢穿过固体高分子电解质膜而横向泄漏至阴极侧，并且阴极的输出减少。

当氢如上所述地泄漏时，就不能有效地利用氢。因此，能量密度下降。

上面已经介绍了在阳极上引起的问题，然而，在阴极上也导致了相同的问题。在其中氧由氧化剂生成并且由此产生的氧供应至阴极时，必须根据所使用氧的体积来控制所生成氧的体积。这种控制消耗了能量。另外，为了设置控制机构，体积能量密度降低。

本发明的一项任务是减少用于将合适体积的燃料和氧化剂供应至燃料电池的电极上所必需的能量，以便减小用于控制供应体积的控制机构的体积，并且还减小用于控制反应体积的控制机构的体积。本发明的一个目的是解决上述问题和提供一种用于便携式装置的小型燃料电池系统，其特征在于，能量密度较高，燃料电池的尺寸较小，燃料电池可以安全地操作，并且燃料利用效率较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种燃料电池系统，包括：用于储存反应溶液的液体储存部分；用于从液体储存部分所提供的反应溶液中产生反应气体的反应部分；用于储存由反应部分所提供的反应气体的气体储存部分；燃料电池，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且在气体储存部分所提供的反应气体用作燃料时可产生电；以及反应溶液供应体积调节装置，其用于在其中液体储存部分内的压力高于反应部分内的压力的情形下将反应溶液从液体储存部分供应至反应部分，并且在其中液体储存部分内的压力低于反应部分内的压力的情形下停止反应溶液的供应。

以上结构所进行的操作如下所述。当在反应部分内产生反应气体时，反应部分和气体储存部分的内部压力升高。在这种情况下，反应溶液并未通过反应溶液供应调节装置供应至反应部分。另一方面，当反应气体被燃料电池消耗掉时，反应部分和气体储存部分的内部压力下降。在这种情况下，反应溶液通过反应溶液供应调节装置而供应至反应部分。

燃料电池系统还包括压力调节装置，其用于在其中液体储存部分的内部压力因反应溶液的供应而下降的情形下为液体储存部分提供压力。

由于上文所述的原因，即使在反应溶液从液体储存部分供应至反应部分时，液体储存部分的内部压力也可通过压力调节装置而快速调节至恒定压力。

反应溶液供应体积调节装置包括止回装置，其设在用于将反应气体从液体储存部分供应至反应部分的液体供应通道中，该止回装置可防止反应溶液回流，或者防止反应气体流入。

以上结构所进行的操作如下所述。当在反应部分内产生反应气体时，反应部分和气体储存部分的内部压力升高。然而，由于止回装置阻止反应气体流入液体储存部分，因此液体储存部分的内部压力不会升高。另外，液体储存部分的内部压力可通过压力调节装置而保持恒定。在这种情况下，由于反应部分的内部压力高于液体储存部分的内部压力，因此反应溶液的供应停止。另一方面，当反应气体被燃料电池消耗掉时，反应部分和气体储存部分的内部压力下降。由于止回装置不会阻止反应溶液从液体储存部分流到反应部分，因此当反应部分的内部压力下降至低于液体储存部分的内部压力时，反应溶液就通过差压而供应至反应部分。

待供应的反应溶液的体积取决于燃料电池的输出。也就是说，反应气体的消耗速率随燃料电池的输出而变。当反应气体的消耗速率较高时，从产生反应气体至供应反应溶液的时间间隔缩短，可以较短的时间间隔来供应反应溶液。相反，当反应气体的消耗速率较低时，反应溶液的供应频率下降。

如上所述，根据该结构，可根据驱动燃料电池的状态来控制供应反应溶液的体积，而不必直接检测燃料电池所输出的电功率。也就是说，未采用电控制信号来用于反应溶液供应控制。因此，不必进行电处理和提供与电控制相关的电气部件。这样就可降低能量消耗，并且可进一步减少零部件的数量。由于可根据驱动燃料电池的状态来提供反应溶液，因此可提高燃料利用效率，该燃料利用效率为燃料消耗与反应气体供应之比。

在这种情况下，反应气体为用于燃料电池的燃料，例如氢和氧，以及氧化剂。反应溶液与设在反应部分内的物质组合的示例如下所述，但并不限于如下所述。在阳极侧上，这些组合为下述种类中的至少一种：酒精类如甲醇或乙醇，醚类，化学氢化物类，例如由环己烷和硼氢化钠与金属如铝、镁、锌、铁、镍和锡所代表的金属氢化物络合物，以及用于有效地提取氢的至少一种催化剂和加速剂。前者或后者都可用于反应溶液。优选采用能够保持为水溶液或液体的物质用作反应溶液。相对于酒精类、醚类和有机化学氢化物类如环己烷而言，催化剂和加速剂的示例为铂、金、铜、镍和铁中的一种。相对于无机化学氢化物而言，催化剂和加速剂的示例为铂、金、铜、镍、铁、钛和锆中的一种金属和这些金属的盐，以及无机酸如硫酸或柠檬酸。相对于铝和其它金属而言，催化剂和加速剂的示例为无机酸或含有氢氧离子的水溶液。

在阴极侧上，它们为过氧化氢所代表的过氧化物以及用于从上述物质中有效地提取氧的催化剂如二氧化锰中的至少一种。

该燃料电池系统的特征在于，止回装置可打开和关闭液体供应通道。

该结构优选构造成使得当液体储存部分内的压力高于反应部分内的压力时，反应溶液从液体储存部分供应至反应部分，以及当液体储存部分内的压力低于反应部分内的压力时，停止供应反应溶液。

由于上文所述的原因，可以消除与驱动止回装置有关的能量消耗。也就是说，不需要电功率来供应反应溶液。结果，可以提高燃料电池系统的输出密度和能量密度。

该燃料电池系统的特征在于，止回装置为用于阻止物质从反应部分流到液体储存部分的第一止回阀。

由于上文所述的原因，可以较低的制造成本来简便地生产小型止回装置。就止回阀而言，优选采用其中止回阀体可根据物质在阀内的流动方向而运动的那类止回阀，因为这样不会消耗电功率。就用于便携式装置的燃料电池而言，优选在燃料电池内不设置中间腔室，因为这会减小燃料电池的容积。另外，优选不设置通风孔，这是因为反应气体几乎不会从燃料电池中漏出。

就不同于上述内容的止回装置的结构而言，该止回装置为介于液体储存部分和反应部分之间的第一可动壁，当反应部分内的压力因反应气体的产生而升高时，该可动壁被反应部分内的压力所产生的作用力促动，从而关闭液体供应通道，当反应部分内的压力因反应气体的消耗而下降时，该可动壁产生运动，从而开启液体供应通道。

该结构通过反应部分和液体储存部分之间的压力差来操作。反应部分内的压力变化由燃料电池的输出所引起。由于液体储存部分内的压力保持恒定，因此反应部分和液体储存部分之间的压力差就反映了燃料电池的操作状态。由于上文所述的原因，通过燃料电池的操作状态就可自动地控制反应溶液的体积，无需消耗电功率。

该燃料电池系统的特征在于，压力调节装置具有外部物质经由其而被引入的端口，外部物质沿一个方向从该端口供应至液体储存部分中。

上述结构的操作如下所述。当液体储存部分的内部压力对应于反应溶液的供应体积而下降时，在液体储存部分和燃料电池系统的外部之间就产生了压力差。然而，由于外部物质根据压力差的产生而流入液体储存部分中，因此液体储存部分内的压力就调节至与外部压力相同。因此，液体储存部分的内部压力可保持恒定。因此，在消耗反应气体时，反应部分内的压力可下降至低于液体储存部分的内部压力。因此，可以营造出可供应反应溶液的环境。

外部物质并不特定地限于专门的物质。优选的是，外部物质为大气、水或反应溶液。在采用大气的情形下，液体储存部分内的压力可调节至大气压力，外部物质引入端口的结构可构造成管或孔，其具有使得液体储存部分内的物质不会流到燃料电池之外的结构。在采用水或反应溶液的情形下，水或反应溶液设置成与外部物质引入端口相接触。在这种情况下，流入液体储存部分的水或反应溶液可用于反应气体的生成反应。因此就可以提高容量。

由于上文所述的原因，在其中反应溶液从液体储存部分中运动出来的情形下，液体储存部分内的压力可通过引入外部物质而保持恒定，外部物质的体积对应于已移出的反应溶液的体积。结果，可以将反应溶液从液体储存部分重复地供应至反应部分。

另外，该燃料电池系统的特征在于，压力调节装置具有用于阻止物质从液体储存部分流到燃料电池之外的第二止回阀。

由于上文所述的原因，可以提供这样一种结构，其中没有消耗电功率来用于使液体储存部分的内部压力保持恒定的目的。另外，可以防止因液体从液体储存部分中蒸发或流出而导致液体体积的减小。另外，可以较低的制造成本来简便地制造小体积的止回装置。

另外，该燃料电池系统的特征在于，压力调节装置具有泵或风机，以便从燃料电池的外部来供应液体或气体。

由于上文所述的原因，可以调节液体储存部分内的压力。然而，必须消耗电功率以用于驱动泵或风机。然而，用于获得一定反应气体生成体积的反应溶液的运动较小，因此用于使反应溶液的运动停止所需的能量也较少。因此，泵或风机的驱动力也较小。因此，电功率的消耗也较小。

在这一方面，为了控制泵或风机的驱动，提供了一种方法，其中检测液体储存部分内的压力，对这样检测到的压力和初始压力之间的压力差进行检测，并且驱动泵或风机，一直到消除了该压力差时为止。

当泵或风机被控制成使得液体储存部分内的压力高于预定压力时，反应溶液的供应体积可控制成使得反应部分和气体储存部分的内部压力可与液体储存部分的内部压力平衡。结果就增加了反应气体的生成体积。因此，反应部分和气体储存部分内的压力升高。这样便可提高该结构的燃料电池的输出。

该燃料电池系统的特征在于，液体储存部分的一部分具有第二可动壁，其由大气压力所产生的从液体储存部分的外侧施加的作用力、电动机的驱动力、磁力或弹簧产生的作用力来驱动，液体储存部分的容积通过第二可动壁来改变，使得液体储存部分的内部压力可保持恒定。

由于上文所述的原因，当反应溶液从液体储存部分运动至反应部分时，第二可动壁在一定的方向上运动，使得液体储存部分的容积减小。因此，液体储存部分的内部压力可保持恒定，无需与燃料电池的外部进行物质交换。因此就可以抑制液体储存部分内的反应溶液的老化变质。

在驱动第二可动壁的方法中，可以使用电动机、磁体或弹簧。在使用磁力的情况下，磁体设在第二可动壁和可动壁周边中的固定部分上，因此可以通过磁体的斥力来推动第二壁。在使用弹簧的情况下，以与如上所述相同的方式来设置弹簧，同时将第二可动壁与可动壁周边中的固定部分相连，使得可以推动第二可动壁。由于上文所述的原因，可以提高液体储存部分内的压力而无需使用电功率。

在用电动机来进行驱动控制的情况下，提供了一种方法，其中检测液体储存部分内的压力，检测液体储存部分内的压力和初始压力之差，并且操作电动机一直到消除了该压力差时为止。在使用磁力的情况下，当采用电磁体时，可以通过调节流入电磁体内的电流来改变磁力。因此，在调节电流的同时，可通过产生磁力来移动第二可动壁，直到消除了该压力差时为止，其方式与上述相同。由于上文所述的原因，可以提高液体储存部分内的压力，并且增强燃料电池的输出。

该燃料电池系统的特征在于，第二可动壁的与液体储存部分的内表面相对的表面与大气相通。

由于上文所述的原因，施加在可动壁面上的驱动力变成了液体储存部分的内部压力和大气压力之间的压力差。因此，即使当反应溶液从液体储存部分流出并且液体储存部分的内部压力下降时，液体储存部分的内部压力也可恢复到预定值，无需使用电功率。

该燃料电池系统的特征在于，第二可动壁由橡胶状弹性体构成。因此，当反应溶液运动时，第二可动壁发生挠曲，因此液体储存部分的内部压力可保持恒定。

由于上文所述的原因，液体储存部分的内部压力可保持恒定，无需使用可动件。因此，可以消除反应溶液从液体储存部分和可动件之间的滑动部分中的泄漏。因此，可以增加反应溶液的使用体积。

该燃料电池系统的特征在于，压力调节装置为反应气体在其中流动的气体通道，其设在液体储存部分和反应部分之间。

由于上文所述的原因，当反应气体流入液体储存部分时，液体储存部分的内部压力可设置成与已流入液体储存部分内的反应气体的压力相同。结果，在其中供应至气体储存部分的反应气体被消耗并且气体储存部分和反应部分的内部压力下降时，就可通过已流入液体储存部分内的反应气体的压力而在液体储存部分和反应部分之间形成压力差，反应溶液可供应至反应部分。

该燃料电池系统的特征在于，气体通道具有减压装置，该减压装置可将从反应部分流入液体储存部分的反应气体的压力降低至预定的压力。

由于上文所述的原因，液体储存部分的内部压力变成减压装置的设定内部压力，反应部分的内部压力可设置成高于该设定压力。当减压装置采用调节器时，液体储存部分的内部压力可设置成为预定的压力，无需消耗电功率。由于没有物质流入燃料电池系统并且没有负载从外部施加在燃料电池系统上，因此就可以紧密地封闭燃料电池系统。这样就可以构建稳定的装置。

该燃料电池系统的特征在于，液体供应通道的管径大于气体通道的管径。

由于上文所述的原因，反应气体通过气体通道时的阻力高于反应溶液通过通道时的阻力。因此，反应溶液就比反应气体的流动容易得多地从液体储存部分流入反应部分。因此，当液体储存部分内的压力高于反应部分内的压力时，反应溶液就可运动。

该燃料电池系统的特征在于，液体供应通道为亲水性的。为了获得亲水性，例如可散布和涂覆上TiO₂。

由于上文所述的原因，通道被反应溶液润湿。因此，可以降低因反应溶液在通道中的流动所造成的摩擦损耗。因此，就反应部分和液体储存部分之间的物质流动而言，反应溶液可以比反应气体更容易流动。因此可以说，当反应部分的内部压力降低时，反应溶液可从液体储存部分容易地流到反应部分。

当通道被反应溶液润湿时，气体很难进入通道中。因此，当反应溶液从液体储存部分运动至反应部分时，没有气体进入通道。因此就不会阻碍反应溶液的运动。

该燃料电池系统的特征在于，气体通道为疏水性的。为了获得疏水性，例如可涂覆上防水剂如PTFE。

由于上文所述的原因，反应溶液很难进入气体通道中。因此，在其中产生了反应气体并且反应部分内的压力高于液体储存部分内的压力的情况下，不会阻碍反应气体流入液体储存部分中。因此可以说，即使在其中反应溶液从液体储存部分运动至反应部分的情况下液体储存部分的内部压力下降时，也可以快速地升高液体储存部分的内部压力。

另外，该燃料电池系统的特征在于，液体供应通道和气体供应通道分别为液体可透过的薄膜或多孔件。

由于上文所述的原因，可以容易地制造通道和气体通道。

本发明提供了一种燃料电池系统，包括：用于储存反应溶液的液体储存部分；用于从液体储存部分所提供的反应溶液中产生反应气体的反应部分；用于储存由反应部分所提供的反应气体的气体储存部分；燃料电池，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且在气体储存部分所供应的反应气体用作燃料时产生电；以及液体进给装置，其用于将反应溶液从液体储存部分供应至反应部分，其中液体进给装置可防止反应溶液从反应部分回流至液体储存部分，并且当气体储存部分的内部压力根据反应气体的消耗而下降时，液体进给装置使反应溶液从液体储存部分运动至反应部分。

由于上文所述的原因，反应溶液被气体储存部分的内部压力驱动。也就是说，与反应部分的内部压力无关，当燃料电池周围内的反应气体的体积减少时，反应溶液被输送至反应部分，从而可产生反应气体。尤其是，在反应部分内产生了副产物的情况下，为了防止副产物运动至气体储存部分，优选在反应部分和气体储存部分之间设置反应气体传送膜。然而在这种情况下，气体储存部分的内部压力无法立即应对反应部分的内部压力。然而在本结构中，即使气体储存部分内的反应气体的体积减小，然而由于可通过将反应溶液从液体储存部分供应至反应部分来产生反应气体，因此反应气体就可快速地供应至气体储存部分。

该燃料电池系统的特征在于，液体进给部分包括：容纳部分，其用于容纳从液体储存部分运动至反应部分的反应溶液；以及用于使容纳部分运动的容纳部分移动机构，容纳部分为具有打开部分和关闭部分的容器，当根据气体储存部分的内部压力下降而使打开部分运动至反应部分且关闭部分运动至液体储存部分时，就切断了容纳部分和液体储存部分之间的连通，但容纳部分和反应部分彼此相通，当根据气体储存部分的内部压力升高而使打开部分运动至液体储存部分且关闭部分运动至反应部分时，容纳部分和液体储存部分彼此相通，但容纳部分和反应部分之间的连通被切断。

由于上文所述的原因，当气体储存部分的内部压力下降至低于液体储存部分的内部压力时，容纳在容纳部分中的反应溶液就从液体储存部分供应至反应部分。此时，容纳在容纳部分中的反应溶液不会回流至液体储存部分。

此时，如下所详述，容纳部分移动机构包括第三可动壁和加压装置，第三可动壁设置成面向气体储存部分，而加压装置设在第三可动壁的与气体储存部分相对的表面上，当气体储存部分的内部压力低于加压装置的压力时，第三可动壁运动至气体储存部分一侧，并且容纳部分在与反应部分形成接触的方向上运动，当气体储存部分的内部压力高于加压装置的压力时，第三可动壁运动至加压装置一侧，并且容纳部分在与液体储存部分形成接触的方向上运动。

本结构的操作如下所述。在其中气体储存部分的内部压力高于加压装置所产生的压力时，第三可动壁运动至加压装置一侧。与第三可动壁的这种运动相关联的是，容纳部分的打开部分运动至液体储存部分，并且容纳部分和液体储存部分彼此相连。因此，反应溶液可容纳在容纳部分中。另一方面，在其中气体储存部分的内部压力低于加压装置所产生的压力时，第三可动壁运动至气体储存部分一侧。与第三可动壁的这种运动相关联的是，容纳部分的打开部分运动至反应部分，并且反应部分和容纳部分彼此相连。因此，反应溶液可运动至反应部分。

在这种情况下，优选在容纳部分和反应部分之间的循环端口处设置毛细管、薄膜、多孔件或织物。由于上文所述的原因，可以通过表面张力来促进反应溶液从容纳部分至反应部分的运动。

由于上文所述的原因，反应溶液可通过气体储存部分内的压力的降低而运动，无需消耗电功率。

该燃料电池系统的特征在于，加压装置包括电动机、磁体、弹簧或弹性体。

在这种情况下，可以考虑将加压装置形成为圆柱体形状，并且将设在圆柱体中的柱塞设置成为第三可动壁。当第三可动壁的与气体储存部分相对的表面被上述部件推动时，第三可动壁就可运动，以便与气体储存部分的内部压力形成平衡。

该燃料电池系统的特征在于，加压装置的压力为大气压力。

在这种情况下，可以考虑将加压装置形成为圆柱体形状，将设在圆柱体中的柱塞设置成为第三可动壁，并且将圆柱体的一个端部连接在气体储存部分的内侧，而将圆柱体的另一端部连接在液体储存部分的内侧。当第三可动壁的与气体储存部分相对的表面与大气相通时，就可以构建出一种能够将气体储存部分内的压力提高至高于大气压力的加压装置。

该燃料电池系统的特征在于，加压装置的压力为液体储存部分内的压力。

在这种情况下，可以考虑将加压装置形成为圆柱体形状，将设在圆柱体中的柱塞设置成为第三可动壁，并且将圆柱体的一个端部连接在气体储存部分的内侧，而将圆柱体的另一端部连接在液体储存部分的内侧。当施加在第三可动壁的与气体储存部分相对的表面上的压力设置成为液体储存部分的内部压力时，就可以构建出一种能够将气体储存部分的内部压力提高至高于液体储存部分的内部压力的加压装置。

一种燃料电池系统，包括：用于储存反应溶液的液体储存部分；用于从液体储存部分所提供的反应溶液中产生反应气体的反应部分；用于储存由反应部分所提供的反应气体的气体储存部分；燃料电池，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且在气体储存部分所提供的反应气体发生电化学反应且用作燃料时产生电；以及用于将反应部分和反应溶液隔开的隔板，其中隔板和反应部分中的至少一个是可动的，并且能够在一定方向上运动，使得可改变反应部分与反应溶液的接触面积。

由于上文所述的原因，可以进行反应气体的生成和停止。根据燃料电池的输出，气体储存部分的内部压力的下降速率可以变化。根据这种变化，移动装置所进行的运动相应地变化。结果，反应溶液与反应部件的接触面积是可变的。因此，可根据燃料电池的输出来控制所产生的反应气体的体积。也就是说，在其中电极要求有较大体积的反应气体时，反应溶液与反应部分的接触面积增大，使得所产生的反应气体的体积增加。

在这种情况下，在其与反应溶液相接触时能够产生反应气体的物质设置成使得它被用作反应部件。也就是说，当反应溶液为金属氢化物络合物的水溶液时，其催化剂设在反应部分中。相反，当反应部分为金属氢化物络合物或其水溶液时，反应溶液可制成为催化剂的水溶液。在其中通过使用甲醇为代表的酒精、醚或环己烷为代表的有机化学氢化物的反应溶液来产生氢时，必须进行加热。因此，当在反应部件中设置加热器并且提供了催化剂时，就可产生氢。

另外，该燃料电池系统的特征如下所述。隔板设在反应部分的反应溶液一侧上的表面上，隔板移动装置具有加压装置，其用于在一定方向上对隔板加压，使得反应部分和反应溶液可相互接触，通过加压装置和反应气体之间的压力差来使隔板运动，通过反应气体的产生和消耗所导致的压力变化来改变隔板的运动方向。

此外，该燃料电池系统的特征如下所述。隔板设在反应部分的反应溶液一侧上的表面上，反应部分移动装置具有加压装置，其用于在一定方向上对反应部分加压，使得反应部分和反应溶液可相互接触，通过加压装置的压力和反应气体的压力之间的压力差来使反应部分运动，通过反应气体的产生和消耗所导致的压力变化来改变反应部分的运动方向。

通过以上结构，当反应气体的压力升高时，反应部分被隔板隔开。因此，反应部分不与反应溶液接触，气体的产生停止。

加压装置可由橡胶制成的弹性体或弹簧构成。或者，加压装置可由磁体、电动机或其中利用了静电现象或压电现象的装置构成。或者可以采用这样的结构，其中容纳了气体或液体的封闭容器的一部分壁面的设置成可移动，并且该容器连接在隔板或反应部件上。优选采用不消耗电功率的部件。然而，可动部分的操作频率不是很高。因此，即使消耗了电功率，该功率的消耗也比较小。

该燃料电池系统的特征在于，在隔板的一部分中形成了通孔，反应部分通过该通孔而与反应溶液接触。

通过上述结构，反应溶液就可经通孔而供应至反应部分。

一种燃料电池系统，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且在反应气体发生电化学反应时产生电，该系统包括：用于储存反应气体的储罐；气体部分，反应气体可流入其中，并且反应气体可从中流出到电极中；用于将反应气体从储罐供应至气体部分的导气管；以及减压部分，其设在导气管中并用于调节流出到气体部分中的反应气体的压力，其中仅通过在燃料电池内进行的反应才会导致在通过燃料电池产生电时气体部分的内部压力下降。

由于上文所述的原因，反应气体根据气体部分的内部压力和减压装置的输出压力之间的平衡而流入气体部分。因此，在燃料电池中，当反应气体被消耗并且气体部分的内部压力下降时，反应气体可被供应至气体部分。

如上所述，为了解决以上问题，本发明提供了一种燃料电池系统，其包括：用于储存反应溶液的液体储存部分；用于从液体储存部分所提供的反应溶液中产生反应气体的反应部分；用于储存由反应部分所提供的反应气体的气体储存部分；燃料电池，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且在气体储存部分所提供的反应气体用作燃料时产生电；以及反应溶液供应体积调节装置，其用于在液体储存部分内的压力高于反应部分内的压力的情形下将反应溶液从液体储存部分供应至反应部分，并且在液体储存部分内的压力低于反应部分内的压力的情形下停止反应溶液的供应。

如上所述，可根据驱动燃料电池的状态来控制供应反应溶液的体积，不必直接检测燃料电池的输出电功率。也就是说，由于没有使用电控制信号来控制反应溶液的体积，因此就不必进行与控制相关的电处理。因此不必提供电子部件。这样就可以减少能量消耗，并且可减少部件的数量。另外，由于可根据驱动燃料电池的状态来供应反应溶液，因此就可提高燃料利用效率，该燃料利用效率为所供应的反应气体体积与所消耗的气体体积之比。

一种燃料电池系统，包括：用于储存反应溶液的液体储存部分；用于从液体储存部分所提供的反应溶液中产生反应气体的反应部分；用于储存由反应部分所提供的反应气体的气体储存部分；燃料电池，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且当气体储存部分所供应的反应气体用作燃料时可产生电；以及液体进给装置，其用于将反应溶液从液体储存部分进给至反应部分，其中液体进给装置可防止反应溶液从反应部分回流至液体储存部分，以及当气体储存部分的内部压力根据反应气体的消耗而下降时，液体进给装置使反应溶液从液体储存部分运动至反应部分。

由于上文所述的原因，反应溶液通过气体储存部分的内部压力而被移动。也就是说，当燃料电池周围的反应气体的体积减少时，反应溶液可被送至反应部分并可产生反应气体，而与反应部分的内部压力无关。尤其是，在其中于反应部分内产生了副产物的情形下，为了防止副产物运动至气体储存部分中，优选在反应部分和气体储存部分之间设置反应气体传送膜。然而在这种情况下，气体储存部分的内部压力无法立即应对反应部分的内部压力的变化。然而根据该结构，即使当气体储存部分中的反应气体的体积减少时，反应溶液也可从液体储存部分供应至反应部分，并且可产生反应气体。因此，反应气体可快速地供应至气体储存部分。

一种燃料电池系统，包括：用于储存反应溶液的液体储存部分；用于从液体储存部分所提供的反应溶液中产生反应气体的反应部分；用于储存由反应部分所提供的反应气体的气体储存部分；燃料电池，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且当气体储存部分所供应的反应气体发生电化学反应且用作燃料时可产生电；以及用于将反应部分和反应溶液隔开的隔板，其中隔板和反应部分中的至少一个可移动，并且可在一定方向上运动，使得可以改变反应部分与反应溶液的接触面积。

由于上文所述的原因，可以执行反应气体的生成和停止。根据燃料电池的输出来改变气体储存部分的内部压力的下降比率。根据下降比率的这种变化来改变通过移动装置所执行的运动。结果，反应溶液与反应部件的接触面积就可以变化。因此就可控制对应于燃料电池输出的所产生气体的体积。

一种燃料电池系统，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且在反应气体发生电化学反应时可产生电，其包括：用于储存反应气体的储罐；反应气体流入其中并且反应气体从中送至电极上的气体部分；导气管，其用于将反应气体从储罐供应至气体部分；以及减压部分，其设置在导气管中并且用于调节发送至气体部分的反应气体的压力，其中在通过燃料电池产生电时气体部分中的内部压力下降仅由在燃料电池中所进行的反应引起。

由于上文所述的原因，反应气体根据气体部分中的内部压力和减压装置的输出压力之间的平衡而流入气体部分。因此，在燃料电池中，当反应气体被消耗并且气体部分中的内部压力下降时，反应气体可被供应至气体部分。

由于以上结构，就可以减少将适当体积的燃料和氧化剂供应至燃料电池的电极上所必需的能量，并且用于控制供应体积的控制机构以及用于控制反应的控制机构可制作成具有较小的体积。因此，可以提供小型且安全的燃料电池，其燃料利用效率高，这从能量密度的观点来看是有利的。

附图简介

图1是显示了本发明的燃料电池系统的布置图。

图2是流程图，显示了控制待供应的氢体积的本发明控制方法。

图3是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的止回装置中采用可动壁的情况。

图4是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的止回装置中采用可动壁的情况。

图5是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的止回装置中采用可动壁的情况。

图6是布置图，显示了止回阀连接在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力控制装置上的情况。

图7是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置中采用可动壁的情况。

图8是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置中采用可动壁的情况况。

图9是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置中采用磁体的情况。

图10是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置中采用电动机的情况。

图11是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置中采用弹簧的情况。

图12是布置图，显示了其中气体通道用于本发明的燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置中的情况。

图13是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置中采用气体通道的情况。

图14是布置图，显示了通过本发明燃料电池系统的气体储存部分中的压力变化来控制反应溶液的体积的情况。

图15是布置图，显示了通过本发明燃料电池系统的气体储存部分中的压力变化来控制反应溶液的体积的情况。

图16是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的反应部分的面积设置成可变时控制所产生气体的体积的情况。

图17是布置图，显示了在本发明燃料电池系统的反应部分的面积设置成可变时控制所产生气体的体积的情况。

图18是布置图，显示了在本发明燃料电池系统中采用气体储罐的情况。

本发明的最佳实施方式

现在根据实施例来详细阐述本发明。

实施例1

图1是显示了本发明的燃料电池系统的布置图。该燃料电池系统主要包括液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池。液体储存部分1是用于储存可产生氢的反应溶液的部分。反应溶液通过液体供应通道13而供应至反应部分2。反应部分2设有反应剂，其能够在与反应溶液接触时产生氢。当反应溶液供应至反应部分2时，在反应部分2内产生了氢。由此产生的氢供应至气体储存部分3。反应部分2所提供的氢暂时储存在气体储存部分3中。燃料电池包括阳极4a、固体高分子电解质膜4b和阴极4c。气体储存部分3中的氢通过阳极4a而被电化学氧化，从而产生电。

燃料电池为所谓的固体聚合物型燃料电池。更具体地说，该燃料电池包括：用于电化学地氧化氢的阳极4a；用于电化学地还原氧的阴极4c；以及介于阳极4a和阴极4c之间的固体高分子电解质膜4b。在这种情况下，由于气体储存部分3被固体高分子电解质膜4b紧密地封住，因此储存在气体储存部分3内的氢不会泄漏出来，而是被阳极4a消耗掉。

液体储存部分1包括：压力调节装置20；以及用于将反应溶液供应至反应部分2的液体供应通道13。在液体供应通道13中设有第一止回阀11。压力调节装置20是用于保持液体储存部分1内的压力恒定的装置。通过压力调节装置20的作用，即使当液体储存部分1的内部压力暂时下降时，它也可恢复至初始压力。使液体储存部分1的内部压力下降的一项因素是反应溶液经液体供应通道13供应至反应部分2。在这一方面，通过第一止回阀11的作用，在反应部分2内产生的氢不可能流入液体储存部分1。

在图2中的流程图中显示了本发明的用于控制待供应氢的体积的控制方法。

根据图2所示的流程图，首先，当反应溶液供应至反应部分2时，在反应部分2内产生了氢。因此，反应部分内的压力2升高，氢被供应至气体储存部分3。另外，氢从气体储存部分3供应至阳极4a。此时，可通过第一止回阀13的作用来阻止氢流入液体储存部分1。因此，液体储存部分1内的压力通过压力调节装置20而保持恒定。由于上文所述的原因，反应部分2内的压力升高。然而，由于液体储存部分1内的压力未变，因此液体储存部分1内的压力低于反应部分2内的压力，并且反应溶液停止从液体储存部分1供应至反应部分2。

接着，当氢通过产生电而被消耗掉时，气体储存部分3和反应部分2的内部压力下降。当反应部分的内部压力2下降至低于液体储存部分1的内部压力时，为了修正差压，反应溶液从液体储存部分1供应至反应部分2。之后重复进行相同的操作。

在该实施例中使用了燃料电池，其具体结构如下所述。设置了薄膜电极连接体，其中在固体高分子电解质膜4c的两面上都涂覆有由铂承载的碳层所构成的催化剂层。该薄膜电极连接体介于碳织物片之间。具有用于将氢储存于其内的空腔的部件连接于覆盖了阳极4a的某位置处，使得内部的氢不会泄漏出来。这样就形成了气体储存部分3。液体储存部分1和反应部分2可采用丙烯酸类容器。液体储存部分1容纳了25％重量硼氢化钠的4毫升水溶液的反应溶液，而反应部分2容纳了用于从硼氢化钠中产生氢的pH值为3的酸性水溶液。液体供应通道13设在液体储存部分1和反应部分2之间。在液体供应通道13上连接了止回阀。反应部分2和气体储存部分3相互连接，使得气体可在它们之间连通。在以上条件下，所产生的氢的累积体积为2.4升。在上述情况下，理论上可输出5.7安培小时的电功率。

在上述燃料电池系统中，可以在0.5安的恒定电流下连续产生电达10.9小时。电流产生的效率相对于理论值为96％。作为其中电流不同地变化的试验的结果，电流产生效率为96％。这是在本燃料电池系统自动地改变所产生氢的体积而不消耗电功率时所得的结果。因此可以清楚，本发明的燃料电池系统可自动地应对电功率输出的各种情况。

第一对比示例如下所述地进行。混合上述水溶液以便产生氢。当由此而产生的氢被送给燃料电池时，在恒定电流0.5安下可产生电功率达50分钟。然而，与生氢反应的完成基本上同时发生的是，电功率的产生停止。在这种情况下，电流产生效率为7％。电流产生效率较低的原因在于，所产生的氢泄漏到燃料电池之外，用来产生电的氢的体积不足。

第二对比示例如下所述地进行。通过泵将极少体积的硼氢化钠水溶液连续地送至反应部分2。泵的电功率消耗为100毫瓦。通过燃料电池产生电功率可持续9.5小时，电流产生效率为84％。然而，由于泵消耗了电功率，因此实际上仅使用了理论电功率的50％。通过其中电流不同地变化的燃料电池来产生电的试验结果表明，电流产生效率为74％。其中考虑了泵的电功率消耗的净电功率为理论值的40％。电流产生效率下降的原因如下所述。由于所排出的反应溶液的体积极小，因此很难使所排出的反应溶液的体积稳定下来。另外，很难根据燃料电池的输出来操作泵。再次得到证实的是，燃料电池的有效输出因为泵所消耗的电功率而减少。

在这一方面，在该实施例中描述了氢的产生。然而，这种描述也适用于氧的产生。也就是说，当在反应部分2中设有二氧化锰并且反应溶液采用过氧化氢时，可以控制氧的产生。在这种情况下，气体储存部分3成为储存氧的临时储存部分，因此氧可送到功率产生部分4中的阴极4c处。

实施例2

图3是显示了其中本发明燃料电池系统的止回装置采用可动壁的结构的视图。图3(A)显示了其中反应溶液的运动停止的状态，图3(B)显示了其中反应溶液运动的状态。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和电功率产生部分的构造和功能与实施例1中的相同。

本实施例的结构与上述实施例的结构的不同之处如下所述。设在液体供应通道13中的止回结构采用了第一可动壁12。第一可动壁12设在与液体供应通道13相连的空间内，第一可动壁12的横截面大于液体供应通道13的横截面。当第一可动壁12运动至液体储存部分1一侧时，液体供应通道13关闭。当第一可动壁12运动至反应部分2一侧时，液体供应通道13打开。根据液体储存部分1和反应部分2内的压力变化，该结构如下所述地操作。

首先，在其中反应溶液的运动停止的图3(A)所示的情形下，反应部分2内的压力高于液体储存部分1内的压力。因此，第一可动壁12运动至液体储存部分1一侧，并且液体供应通道13关闭，反应溶液的运动停止。

接着，在其中反应溶液运动的图3(B)所示的情形下，液体储存部分1内的压力高于反应部分2内的压力。因此，第一可动壁12运动至反应部分2一侧，并且液体供应通道13打开。同时，由于液体储存部分1内的压力高于反应部分2内的压力，因此反应溶液就被供应至反应部分2。

另外，当从反应部分2内的反应溶液中产生氢时，以上现象会重复出现。

在该实施例中，反应溶液采用氯化钴水溶液，当通过将硼氢化钠放入反应部分2中来产生氢时，燃料电池就进行操作。已经证实，氯化钴水溶液根据燃料电池的操作而运动至反应部分2，并且燃料电池连续地操作。

实施例3

图4是显示了其中本发明燃料电池系统的止回装置采用可动壁的结构的视图。图4(A)显示了其中反应溶液的运动停止的状态，图4(B)显示了其中反应溶液运动的状态。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

本实施例的结构与上述实施例的结构的不同之处如下所述。设在液体供应通道13中的止回结构采用了止回阀11和第一可动壁12。止回阀11在从液体储存部分1至反应部分2的方向上打开，而在相反方向上关闭。该结构如下所述地操作。

首先，在其中反应溶液的运动停止的图4(A)所示的情形下，反应部分2内的压力高于液体储存部分1内的压力。因此，止回阀11和第一可动壁12被施加了作用力，然而，由于液体储存部分1充满了液体，因此可动壁12不会移动。

接着，在其中反应溶液运动的图4(B)所示的情形下，由于反应部分2内的压力低于液体储存部分1内的压力，因此就施加了作用力，使得第一可动壁12和液体供应通道13中的反应溶液可运动至反应部分2的一侧。然而，由于反应溶液因其低摩擦性而比第一可动壁12更容易运动，因此反应溶液就从液体储存部分1供应至反应部分2。因此，第一可动壁12就在使得液体储存部分1的容积对应于从液体储存部分1供应至反应部分2的反应溶液的体积而减少的方向上运动。

已经证实，通过与实施例2相同的方式，氯化钴水溶液运动至反应部分2，并且燃料电池连续地操作。

实施例4

图5是显示了其中本发明燃料电池系统的止回装置采用可动壁的结构的视图。图5(A)显示了其中反应溶液的运动停止的状态，图5(B)显示了其中反应溶液运动的状态。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

本实施例的结构与上述实施例的结构的不同之处如下所述。当第一可动壁12在垂直于液体供应通道13的方向上滑动时，液体供应通道13就可打开和关闭。为了使第一可动壁12运动，该结构如下所述地构成。设有柱塞14，当柱塞被施加了液体储存部分1和反应部分2的内部压力时，柱塞14在液体储存部分1和反应部分2之间运动。柱塞14与滑块16a相连，第一可动壁12与滑块16b相连。设置了齿轮15，使得滑块16a和16b可彼此相关地运动。当柱塞14运动时，滑块16a根据柱塞14的运动而使齿轮15旋转。因此，滑块16b产生滑动。结果，第一可动壁12就可运动。

当反应部分2内的压力高于液体储存部分1内的压力时，柱塞14运动至液体储存部分1一侧，并且第一可动壁12关闭了液体供应通道13，如图5(A)所示。因此，反应溶液不会运动。

当反应部分2内的压力低于液体储存部分1内的压力时，柱塞14运动至反应部分2一侧，第一可动壁12打开液体供应通道13，如图5(B)所示。因此，反应溶液经过液体供应通道13，并且通过液体储存部分1和反应部分2之间的差压而供应至反应部分2。

因此就可以构建出一种不会消耗电功率并且可自动地调节反应溶液的体积的燃料电池系统。

实施例5

图6是显示了在本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置上连接了止回阀的情况的布置图。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能均与实施例1中的相同。

在该实施例中，压力调节装置由外部物质引入端口21和设在外部物质引入端口21处的第二止回阀27构成。当气体和液体从燃料电池系统之外经由外部物质引入端口21而引入到液体储存部分1中时，在反应溶液从液体储存部分1供应至反应部分2时所引起的液体储存部分1内的压力下降就受到抑制。因此，液体储存部分1的内部压力可保持恒定。

具体而言，在液体储存部分1中容纳了1摩尔/升的氢氧化钠的50毫升水溶液，在反应部分2中容纳了5克铝片。在这一方面，当以上述量来提供物质时，铝就有剩余，因为并非所有的铝都发生了反应。因此，尽管在图中未示出，然而在外部物质引入端口21上连接了装有1摩尔/升的氢氧化钠的容器，当液体储存部分1内的压力下降时，氢氧化钠水溶液运动至液体储存部分1。由于上文所述的原因，由于氢氧化钠水溶液可连续地补充到液体储存部分1中，因此所有铝片都可用于产生氢，燃料电池继续产生电，直到生氢反应终止。如上所述，根据该结构，可以自动地调节液体储存部分1内的压力，无需使用会消耗电功率的装置。结果就可以连续地驱动燃料电池。另外已经证实，可通过使用用于外部物质的反应溶液来延长电功率的产生时间。

实施例6

图7是布置图，显示了本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置采用可动壁的情况。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

在该实施例中，压力调节装置为连接在液体储存部分1上的第二可动壁22。所进行的操作如下所述。当反应溶液从液体储存部分1运动至反应部分2时，液体储存部分1的内部压力下降。因此就在大气压力和液体储存部分1的内部压力之间产生了差压。因此，第二可动壁22通过差压而运动至使液体储存部分1的容积减小的一侧。由于上文所述的原因，液体储存部分1的内部压力可保持在大气压力下。

在实践中，在液体储存部分1中容纳了4毫升酸性溶液，在反应部分2中容纳了1克硼氢化钠，燃料电池被驱动。这样，到达反应部分2中的酸性溶液的供应体积被自动地调节，电功率持续地产生，直到液体储存部分1中的所有酸性溶液运动至反应部分2中为止。在这种情况下，在0.5安的恒定电流下，电功率产生的持续时间为10.6小时，电流产生效率相对于理论值为94％。由于上文所述的原因，就可以清楚下文所述。通过这种结构，可根据燃料电池的输出来自动地控制反应溶液的供应体积，并且反应溶液可高效地用于产生电功率。

实施例7

图8是布置图，显示了本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置采用可动壁的情况。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

在该实施例中，压力调节装置为由弹性体构成并且连接在液体储存部分1上的第二可动壁22。当反应溶液从液体储存部分1运动至反应部分2时，液体储存部分1的内部压力下降。因此就在大气压力和液体储存部分1的内部压力之间产生了差压。因此，第二可动壁22通过该差压而朝向使液体储存部分1的容积减小的一侧发生挠曲。由于上文所述的原因，液体储存部分1的内部压力可保持在大气压力下。

实施例8

图9是布置图，显示了本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置采用磁体的情况。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

在该实施例中，该压力调节装置构造成使得连接在液体储存部分1上的第二可动壁22被磁体驱动。详细情况如下所述。首先，磁体23a设置在第二可动壁22的与液体储存部分1相对的表面上。磁体23b设置在与磁体23a相对的固定部分中。因此，磁体23a和23b相互排斥。结果，尽管在反应溶液从液体储存部分1运动至反应部分2时液体储存部分1的内部压力下降，然而第二可动壁22受到磁体23a，23b所产生的斥力。因此，第二可动壁22可运动至使液体储存部分1的容积变小的一侧。由于上文所述的原因，液体储存部分1的内部压力可保持为与磁斥力相同。

根据该结构，当磁推斥条件设置成与实施例1的条件相同时，燃料电池便产生了电功率。该实施例的结果与实施例1的结果相同。因此已经证实，磁体可有效地用于压力调节装置。

实施例9

图10是布置图，显示了本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置采用电动机的情况。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

在该实施例中，压力调节装置为连接在液体储存部分1上并由电动机来驱动的第二可动壁22。更具体地说，首先，电动机24设置在第二可动壁22周边的固定部分中。在第二可动壁22上连接了滑块26。电动机24的旋转运动通过滑块26转化成线性运动，因此第二可动壁22可被推动，液体储存部分1的内部压力增大。

实施例10

图11是布置图，显示了本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置采用弹簧的情况。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

在该实施例中，该压力调节装置为连接在液体储存部分1上并由弹簧推动的第二可动壁22。更具体地说，首先，弹簧25的一个端部设在第二可动壁22的与液体储存部分1相对的表面上。弹簧25的另一端部设在固定部分中的与其相对的位置处。通过这种结构，第二可动壁22就可被弹簧25驱动。结果，尽管在反应溶液从液体储存部分1运动至反应部分2时液体储存部分1的内部压力下降，但第二可动壁22受到弹簧25的作用力，并且运动至使液体储存部分1的容积减小的一侧。由于上文所述的原因，液体储存部分1的内部压力可保持在与弹簧载荷相同的压力下。

在其中使用了弹簧25的这种情况下，根据虎克定律，挠曲和推力相互关联。因此就很难得到恒定的推力。然而，只要第二可动壁22的全部运动都属于虎克定律的适用范围内，弹簧25就可充分地展示其功能。在该实施例中，在与实施例1相同的反应条件下，可通过燃料电池来产生电功率。该实施例的结果与实施例1的结果相同。因此已经证实，弹簧可有效地用作压力调节装置。

实施例11

图12是布置图，显示了本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置采用气体通道的情况。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

在该实施例中提供了气体通道30，使得氢可从反应部分2运动至液体储存部分1。在气体通道30中设有减压装置31，使得运动至液体储存部分1的氢的压力可调节为0.1MPa。该装置的操作如下所述。在这种情况下，采用30％重量的甲醇水溶液用作反应溶液。尽管在图中未示出，然而在反应部分2中，铜催化剂和用于使甲醇水溶液蒸发的加热器连接在甲醇水溶液在其中流动的通道中。

首先，甲醇水溶液供应至反应部分2，并且产生氢。此时，反应部分2内的压力升高。相反，液体储存部分1的内部压力因甲醇水溶液的运动而下降。因此，氢从反应部分2通过气体通道30而供应至液体储存部分1。然而，由于在气体通道30中设有减压装置31，因此当液体储存部分1的内部压力达到0.1MPa时，氢就无法被供应至液体储存部分1。

接着，当氢被燃料电池消耗并且反应部分的内部压力2下降至低于0.1MPa时，甲醇水溶液就通过液体供应通道13而供应至反应部分2。之后重复进行以上操作。已经证实，在该结构中可以自动地地控制反应溶液的供应体积，并且燃料电池如上所述地连续操作。

实施例12

图13是布置图，显示了本发明燃料电池系统的液体储存部分的压力调节装置采用气体通道的情况。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和燃料电池的构造和功能与实施例1中的相同。

在该实施例中，液体储存部分1和反应部分2之间的液体通道由液体传送薄膜32a构成，气体通道30由气体传送薄膜32b构成。由于因气体传送薄膜32b所导致的压力损失较大，因此气体传送薄膜32b以与实施例11中的减压装置31相同的方式而起作用。因此已经证实，该结构可提供与实施例11中相同的效果。

实施例13

图14(A)和14(B)是布置图，显示了通过本发明燃料电池系统的气体储存部分内的压力变化来控制反应溶液的体积的情况。图14(A)是显示了其中反应溶液的运动停止的状态的视图，图14(B)是显示了其中反应溶液运动至反应部分的状态的视图。液体储存部分1是用于储存用来产生氢的反应溶液的部分。在反应溶液暂时容纳在容纳部分33中之后，它就可供应至反应部分2中。反应部分2设有反应剂，其能够在与反应溶液接触时产生氢。因此，当反应溶液供应至反应部分2时，就在反应部分2中产生了氢。由此而产生的氢供应至气体储存部分3。气体储存部分3是反应部分2所提供的氢暂时储存于其中的部分。燃料电池包括阳极4a、固体高分子电解质膜4b和阴极4c。气体储存部分3内的氢通过阳极4a发生电化学氧化，并产生电。

该实施例包括用于使容纳部分33运动的容纳部分移动机构。容纳部分移动机构由第三可动壁34构成。第三可动壁34的一个表面由气体储存部分3的压力来推动，第三可动壁34的另一表面由加压装置35来推动。在该实施例中，加压装置35由弹簧构成。为了使第三可动壁34与容纳部分33相连，将连接部分36连接在第三可动壁34和容纳部分33这两者上。另外，在这种情况下，当第三可动壁34在圆柱形容器中运动时，就防止了氢从气体储存部分3中向外泄漏。

为了促进反应溶液运动到反应部分2中，在反应部分2内的容纳部分33的打开部分38所通往的部分中设有多孔件37。多孔件37可通过毛细现象而从容纳部分33中吸取反应溶液。

下面将介绍使反应溶液运动的机构的动作。首先，在气体储存部分3中存在有足够大体积的氢并且内部压力较高的情况下，第三可动壁34被推到加压装置35的一侧，通过对应于第三壁34位置的连接部分36的动作，容纳部分33的打开部分38的位置与液体储存部分1重合。关闭部分39a切断了容纳部分33与反应部分2的连通。因此，反应溶液进入容纳部分33并容纳于其中。

接着，当氢被燃料电池的阳极4a消耗并且气体储存部分3的内部压力下降至低于加压装置35所施加的压力的值时，第三可动壁34被推至气体储存部分3的一侧。因此，容纳部分33通过连接部分36的动作而产生运动，并且打开部分38的位置与反应部分2相符。关闭部分39b切断容纳部分33与液体储存部分1的连通。由于上文所述的原因，容纳部分33中的反应溶液首先渗入到反应部分2内的多孔件37中。因此，反应溶液可从容纳部分33运动至反应部分2中。

在该实施例中，采用氢化钠的水溶液作为反应溶液，并且在反应部分中设有锌颗粒。尽管在图中未示出，然而由于这两者相互之间会产生强烈反应，因此在反应部分2和气体储存部分3之间设置了氢传送薄膜，使得反应产物无法运动至气体储存部分3。由于氢传送薄膜设置在反应部分2和气体储存部分3之间，因此反应部分2和气体储存部分3的内部压力响应性能并不太好。然而，在气体储存部分2内的氢被消耗且内部压力下降的情况下，容纳部分33运动至与第三隔板34相连，并且氢氧化钠水溶液供应至反应部分2。结果就在反应部分2中产生了氢，已经证实，气体储存部分3内的氢压力升高，并且燃料电池连续操作。

实施例14

图15(A)和15(B)是布置图，显示了通过本发明燃料电池系统的气体储存部分内的压力变化来控制反应溶液体积的情况。图15(A)是显示了其中反应溶液的运动停止的状态的视图，图15(B)是显示了其中反应溶液运动至反应部分的状态的视图。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和电功率产生部分的构造和功能与实施例13中的相同。在这一方面，在该实施例中，第三可动壁34在圆柱体中运动，该圆柱体形成为将液体储存部分1与气体储存部分3相连。第三可动壁34和容纳部分33相互间形成为一体。

容纳部分33具有打开部分38。打开部分38的位置与液体储存部分1或反应部分2相重合，反应溶液通过打开部分38而送至这两部分中，或者从这两部分中接收反应溶液。更具体地说，当气体储存部分3的内部压力高于液体储存部分1的内部压力时，第三可动壁34和容纳部分33被推至液体储存部分1一侧，打开部分38的位置与液体储存部分1相重合。关闭部分39a切断了容纳部分33与反应部分2的连通。因此，反应溶液便容纳在容纳部分33中。另一方面，当氢被消耗并且气体储存部分3的内部压力下降至低于液体储存部分1的内部压力的值时，第三可动壁34便运动至气体储存部分3一侧。因此，容纳部分33就通过关闭部分39b被切断了与液体储存部分1的连通，并且反应部分2和打开部分38彼此面对。在反应部分2中设置了用于促进反应溶液的运动的多孔件37。因此，可以使反应溶液从容纳部分33运动至反应部分2。

在该实施例中，以与实施例13相同的方式，通过使用氢氧化钠水溶液和锌来评价反应溶液是否可连续地运动以及燃料电池是否可连续操作。结果已经证实，反应溶液可自动地运动，并且燃料电池可连续地操作。

实施例15

图16是布置图，显示了在燃料电池系统的反应部分的面积设置成可变时控制反应气体的生成体积的情况。图16(A)是显示了其中生氢反应停止的状态的视图，图16(B)是显示了其中产生氢的状态的视图。燃料电池包括阳极4a、固体高分子电解质膜4b和阴极4c。容纳在气体储存部分3中的氢通过阳极4a而被电化学地氧化，从而产生电功率。液体储存部分1是用于储存用来产生氢的反应溶液的部分。气体储存部分3是用来暂时储存氢的部分，因此所储存的氢可送给至阳极4a。在液体储存部分1的底面上设有反应部件40。当反应部件40与反应溶液接触时就产生了氢。为了使反应溶液与反应部件40的接触面积可变，在反应部件40的上部设有可动隔板41。隔板41设有通孔43，使得反应部件40和反应溶液可相互接触以便产生氢。另外，设置了用于将在液体储存部分1中产生的氢供应至气体储存部分3的连接管42。

隔板41通过气体储存部分3内的压力和加压装置44内的压力之间的差压而滑动。也就是说，当在气体储存部分3内存在有足够大体积的氢并且内部压力较高时，隔板41的通孔43就处于它不会与反应部件40相接触的位置。然而，当气体储存部分3内的氢被消耗并且气体储存部分3的内部压力下降至低于加压装置44的压力的值时，隔板41就产生运动，并且通孔43的位置与反应部件40重叠，反应溶液通过通孔43而供应至反应部件40，并且产生了氢。

在该实施例中，反应部件40可采用镁，反应溶液可采用硫酸水溶液。已经证实，反应部件40的位置根据燃料电池和生氢反应的输出而变化，并且生氢反应的进行和停止可自动地重复进行。

实施例16

图17是布置图，显示了在燃料电池系统的反应部分的面积设置成可变时来控制反应气体的生成体积的情况。图17(A)是显示了其中生氢反应停止的状态的视图，图17(B)是显示了其中产生氢的状态的视图。液体储存部分1、反应部分2、气体储存部分3和电功率产生部分的构造和功能与实施例15中的相同。在这一方面，在该实施例中，隔板41为固定件，而反应部件40为可动件。在反应部件40的与加压部件44和气体储存部分3相接触的部分中，设置了不会引发反应的非反应部件45。以与实施例15中相同的方式，在反应部件40运动且反应部件40的位置与通孔43的位置相重合的情况下就会产生氢。反应部件40通过气体储存部分3内的氢的压力而运动。因此，反应部件40的这种运动对应于燃料电池的操作状态。

在该实施例中，反应溶液采用硼氢化钠的水溶液，反应部件40采用带有钌催化剂的镍网。已经证实，反应部件40的位置根据燃料电池的输出和氢的产生而变化，并且生氢反应的进行和停止可自动地重复进行。

实施例17

图18是布置图，显示了其中使用了本发明燃料电池系统的气体储罐的情况。氢从储罐50送至气体储存部分3，此时氢经过连接在储罐50上的气体管道52，并且氢还经过减压装置51。之后，氢一次性地储存在气体储存部分3中，然后送至燃料电池的阳极4a并用于产生电功率。此时，氢仅用于燃料电池反应，并且氢不会泄漏到燃料电池系统之外。因此，气体储存部分3的内部压力是由燃料电池所消耗的氢以及从减压装置51供应的氢所确定的一项要素。

具体而言，减压装置51采用了调节器，待输出的氢压力调节至0.1MPa。当气体储存部分3的内部压力通过燃料电池的操作而下降至低于0.1MPa的值时，就通过调节器的操作来供应氢，压力被调节为0.1MPa。由于上文所述的原因，可以清楚，可通过自动地调节氢压力且无需消耗电功率来形成稳定地操作燃料电池的条件。

工业实用性

如上所述，根据本发明的燃料电池，可根据驱动燃料电池的状态来控制反应溶液的供应体积，无需直接检测燃料电池的电功率输出。因此，不必提供电子部件和进行与控制有关的电处理。因此就可减少能量消耗。当零部件数量减少时，燃料电池的重量也减轻。同时可以降低制造成本。

Claims (17)

1.一种燃料电池系统，包括：

用于储存反应溶液的液体储存部分；

用于从所述液体储存部分所提供的反应溶液中产生反应气体的反应部分；

用于储存由所述反应部分所提供的反应气体的气体储存部分；

燃料电池，其具有设置成与固体高分子电解质膜相连的电极，并且在由所述气体储存部分所提供的反应气体用作燃料时可产生电；

反应溶液供应体积调节装置，其用于在其中所述液体储存部分内的压力高于所述反应部分内的压力的情形下将反应溶液从所述液体储存部分供应至所述反应部分，而在其中所述液体储存部分内的压力低于所述反应部分内的压力的情形下停止反应溶液的供应；和

压力调节装置，其用于在其中所述液体储存部分的内部压力因反应溶液的供应而下降的情形下为所述液体储存部分提供恒定压力。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述反应溶液供应体积调节装置包括止回装置，其设在用于将反应液体从所述液体储存部分供应至所述反应部分的液体供应通道中，所述止回装置可防止反应溶液回流，或者防止反应气体流入。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述止回装置可打开和关闭所述液体供应通道。

4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述止回装置为用于阻止物质从所述反应部分流到所述液体储存部分的止回阀。

5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述止回装置为介于所述液体储存部分和所述反应部分之间的第一可动壁，当所述反应部分内的压力因反应气体的产生而升高时，所述可动壁通过所述反应部分内的压力所产生的作用力而在使所述液体供应通道关闭的方向上运动，从而关闭所述液体供应通道，当所述反应部分内的压力因反应气体的消耗而下降时，所述可动壁在使所述液体供应通道打开的方向上运动，从而打开所述液体供应通道。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压力调节装置具有外部物质经由其而引入的端口，所述外部物质可沿一个方向从所述端口供应至所述液体储存部分中。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压力调节装置具有用于阻止所述物质从所述液体储存部分流到所述燃料电池系统之外的止回阀。

8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压力调节装置具有泵或风机，以便从所述燃料电池的外部来供应液体或气体。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述液体储存部分具有第二可动壁，其由大气压力所产生的从所述液体储存部分之外来施加的作用力、电动机的驱动力或磁力来驱动，所述液体储存部分的内部压力保持恒定。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，与所述液体储存部分内表面相对的所述第二可动壁的表面与大气相连通。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二可动壁由弹性体构成。

12.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压力调节装置为反应气体在其中流动的气体通道，其设在所述液体储存部分和所述反应部分之间。

13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体通道具有减压装置，所述减压装置可将从所述反应部分流到所述液体储存部分的反应气体的压力降低至预定压力。

14.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述液体供应通道的管径大于所述气体通道的管径。

15.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述液体供应通道是亲水性的。

16.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述气体通道是疏水性的。

17.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，所述液体供应通道和气体通道分别为液体或气体可透过的薄膜或多孔件。

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