CN101889364A - 燃料元件、燃料电池以及发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料元件，利用该燃料元件能够防止燃料箱经空气导入孔的燃料泄漏并且能够改善安全性。用于打开和关闭空气导入孔(12)的切换驱动通过能够根据控制信号控制切换驱动的阀门(13)来执行。由此，能够控制对容纳燃料的燃料箱(100)的空气导入。因此，例如，在高温或燃料故障时，通过阀门(13)关闭空气导入孔(12)，能够防止燃料箱经现有止回阀的空气导入孔的燃料泄漏，并且能够改善安全性。

Description

燃料元件、燃料电池以及发电方法
技术领域
本发明涉及一种用于储存燃料电池用燃料的燃料元件(燃料盒，fuel cartridge)、包括燃料元件的燃料电池以及适用于这样的燃料电池的发电方法。
背景技术
燃料电池具有这样的结构，其中电解质配置在负极(燃料电极)和正极(氧电极)之间。分别将燃料供应到负极、氧化剂供应到正极。这时，引发燃料被氧化剂氧化的氧化还原反应，并且包含在燃料中的化学能被转化成电能。
通过连续地供应燃料和氧化剂，这样的燃料电池能够连续发电。因此，预期该燃料电池作为一种不同于现有一次电池或现有二次电池的用于移动电子装置的新电源。也就是说，由于燃料电池通过利用燃料和氧化剂之间的化学反应而发电，如果空气中的氧被用作氧化剂且燃料被连续地从外部补给，则该燃料电池能够被连续地用作电源，除非燃料电池发生故障。因此，小尺寸化的燃料电池能够在无需充电的情况下，成为适用于移动电子装置的高能量密度电源。
为了将燃料补给到燃料电池，期望使用具有用于容纳燃料的燃料箱的交换型燃料元件。作为容纳在这样的燃料元件中的燃料，除了甲醇之外，还可以使用含有各种组分的不同类型的燃料。
通常，燃料元件设置有空气导入孔，通过空气导入孔吸入被抽掉的燃料的体积部分的空气(例如，专利文献1)。空气导入孔被设置用于，引入被抽掉的燃料液体的体积部分的气体以及获得恒定的内部压力。如果不存在这样的空气导入孔，则燃料元件的内部压力变成负压，并因此燃料不能够通过泵抽吸，或者燃料回流。因而，燃料不能够被稳定地供应。
专利文献1：日本未审查的专利申请公开第2005-531901号。
发明内容
因此，如果对空气导入孔设置止回阀，则可以防止燃料泄漏，并且空气能够通过在一定负压的条件下打开该阀门而被吸入。
然而，在低压下可打开的止回阀(菌形阀：利用橡胶材料的弹力；球阀：利用弹簧压力等)在高压力时表现出良好的止逆性，并且具有止逆性在压力接近常压的条件下降低的缺点。降低的止逆性引起通过空气导入孔的液体泄漏(从燃料箱的液体泄漏)，导致安全性问题。
鉴于前述问题，本发明的一个目的是提供一种燃料元件，利用该燃料元件能够防止从燃料箱通过空气导入孔的液体泄漏并且能够改善安全性；一种燃料电池；以及一种发电方法。
本发明的一种燃料元件包括具有空气导入孔且容纳用于燃料电池本体的燃料的壳体(package)、以及执行用于打开和关闭空气导入孔的切换驱动的阀门。该阀门能够根据控制信号而控制切换驱动。
本发明的一种燃料电池包括通过供应燃料和作为氧化剂气体的空气而发电的燃料电池本体、以及容纳用于燃料电池本体的燃料的燃料箱。上述燃料箱具有空气导入孔并且设置有执行用于打开和关闭空气导入孔的切换驱动的阀门。该阀门能够根据控制信号而控制切换驱动。
在本发明的一种发电方法中，在通过向燃料电池本体供应容纳在燃料箱中的燃料和作为氧化剂气体的空气而进行发电时，空气通过空气导入孔被导入到燃料箱，并且用于打开和关闭空气导入孔的切换驱动通过能够根据控制信号而控制切换驱动的阀门来执行。
在本发明的燃料元件、燃料电池和发电方法中，用于打开和关闭空气导入孔的切换驱动通过能够根据控制信号而控制该切换驱动的阀门来执行。由此，使得能够控制向所述壳体或容纳燃料的燃料箱的空气导入。
根据本发明的燃料元件、燃料电池或发电方法，用于打开和关闭空气导入孔的切换驱动通过能够根据控制信号而控制该切换驱动的阀门来执行。由此，使得能够控制向所述壳体或容纳燃料的燃料箱的空气导入。因此，能够防止通过现有止回阀的空气导入孔从燃料箱的液体泄漏，并且能够改善安全性。
附图说明
图1是示出了包括根据本发明一个实施方式的燃料元件的燃料电池的要部结构的剖视图。
图2是示出了图1所示的燃料元件和燃料电池本体的要部结构的透视图。
图3是示出了图1所示的阀门的详细结构的一个实例的剖视图。
图4是示出了图1所示的阀门的详细结构的另一实例的剖视图。
图5是示出了在图1所示的燃料电池中的阀门的控制机构的一个实例的电路图。
图6是示出了阀门的切换驱动的控制方法的一个实例的流程图。
图7是用于说明阀门的切换驱动的控制方法的实例的电路图。
图8是示出了温度检测电路的一个实例的电路图。
图9是示出了利用根据第一变形例的燃料元件的阀门的控制机构的一个实例的电路图。
图10是示出了根据第二变形例的燃料元件的要部结构的剖视图。
图11是示出了根据第三变形例的燃料电池的要部结构的剖视图。
图12是示出了根据第四变形例的燃料电池的要部结构的剖视图。
具体实施方式
下文将详细描述本发明的实施方式。
图1示出了一种包括根据本发明的一个实施方式的燃料元件(燃料元件1)的燃料电池的要部的剖面结构。而且，图2是该燃料电池的要部结构的透视图。该燃料电池包括燃料电池本体2和通过被装入燃料电池本体2的凹槽23中而连接的燃料元件1。
燃料元件1是一种交换型燃料元件，用于作为移动电子装置如移动电话和笔记本式PC(个人计算机)的电源而装载的燃料电池。例如，燃料元件1在扁平矩形立体形状的壳体10内部具有燃料箱100，其容纳作为燃料的甲醇等。而且，用于从燃料箱100递送燃料的燃料供应连接器11和用于将空气导入到燃料箱100中的空气导入孔12设置在壳体10的顶面(凹槽23侧上的面)上。而且，用于执行打开和关闭空气导入孔12的切换驱动的阀门13设置在空气导入孔12的外侧上(凹槽23侧的上部)。
燃料供应连接器11是这样的连接器，其被构造成使得内瓣(栓塞阀，inner valve)(未示出)在燃料元件1连接至燃料电池本体2的情况下打开。燃料通过燃料供应连接器11以及后文描述的在燃料电池本体2侧上的燃料供应连接器21而供应到发电部20。
空气导入孔12是用来导入从燃料箱100抽出的燃料的体积部分的空气。空气导入孔12导入被抽出燃料的体积部分的气体并由此获得燃料箱100的恒定内部压力。因此，可以防止燃料箱100的内部压力变成负压，并且避免不能通过泵抽吸燃料或者避免燃料回流。因此，燃料能够稳定地供应。
阀门13是一种能够根据控制信号(未示出)而控制用于打开和关闭空气导入孔12的切换驱动的阀门。例如，如图3(A)和3(B)所示，阀门13由压电装置131和支撑压电装置131的支撑部130构成，控制信号被供应至压电装置131。压电装置131例如由PZL(钛锆酸铅(lead titanate zirconate))构成。由于压电装置131用阻挡膜(未示出)覆盖，所以即使液体进入其中，也不会发生短路。
如上所述地构造，在阀门13中，当通过控制信号使电压提供给压电装置131时，例如，如图3(A)所示，空气导入孔12被覆盖和关闭，并且由于高压力使空气和作为燃料的甲醇的通过停止。同时，当由于控制信号而没有电压提供给压电装置131时，例如，如图3(B)所示，空气导入孔12打开，并且空气被导入到燃料箱100中。
另外，相反，可以在通过控制信号使电压提供给压电装置131时空气导入孔12打开并且空气被导入到燃料箱100中；而在由于控制信号而没有电压提供给压电装置131时空气导入孔12被覆盖和关闭，并且由于高压力使空气和作为燃料的甲醇的通过停止。然而，更优选的是，当通过控制信号使电压提供给压电装置131时空气导入孔12被覆盖和关闭，因为由此降低电能消耗，并且恒定地关闭装置获得安全性。
而且，压电装置(阀门)的布置不限于图3中所示的布置，例如还可以采用图4中所示的布置。然而，就安全性而言，图3中所示的布置比图4中所示的布置是更优选的。如果燃料元件1的内部压力在温度升高时增大，在图4所示的结构的情况下如果压电装置的接合面分开，则甲醇泄漏。同时，在图3所示的结构的情况下，除非压电装置破裂，否则随着内部压力增大，密封性进一步增加。
燃料电池本体2例如包括发电部20、设置在用于加载燃料元件1的凹槽23上的燃料供应连接器21、以及狭缝22。
发电部20是一种通过甲醇与氧反应而发电的直接甲醇燃料电池。发电部20具有这样的结构，其中一个或多个(例如6个)具有正极(氧电极)和相对的负极(燃料电极)(两者之间具有电解质膜)的单位电池(未示出)夹在正极板(未示出)和负极板(未示出)之间。
正极板和负极板具有作为分别固定发电部20的正极和负极的位置的固定件的功能。正极板设置有用于通过作为氧化剂的空气(氧)的通孔(未示出)。用于扩散和蒸发燃料的燃料扩散板(未示出)设置在负极板下方。供应的甲醇在燃料扩散板中扩散和蒸发，以汽化状态穿过负极板的通孔，并供应给单位电池的负极。甲醇可以以液体状态供应。
正极和负极具有这样的结构，例如，含有催化剂如铂(Pt)、铂(Pt)-铷(Ru)合金的催化剂的催化剂层形成在由碳纸等制成的集电体上。催化剂层例如由这样的物质制成，其中承载催化剂的承载体如炭黑分散在聚全氟烷基磺酸体系质子导电材料等中。此外，空气供应泵(未示出)可以连接至正极。另外，可以通过在连接件中设置的孔(未示出)而形成与外部的联通，并且空气(即氧)通过自然通风供应。
电解质膜例如由具有磺酸基(-SO3H)的质子导电材料制成。质子导电材料的实例包括聚全氟烷基磺酸体系质子导电材料(例如由杜邦生产的“Nafion(注册商标)”)、烃体系质子导电材料如聚亚酰胺磺酸、以及富勒烯体系导电材料。
燃料供应连接器21构造成使得内瓣(未示出)在燃料元件1连接至燃料电池本体2时被打开。燃料供应连接器21与燃料元件1侧上的燃料供应连接器11一起动作，使得燃料从燃料箱100供应到发电部20。另外，可以在燃料供应连接器21中不提供阀门功能，而仅提供打开在燃料元件1上的燃料供应连接器11的功能。
通过在燃料电池本体2和燃料元件1之间产生缝隙，狭缝22用来在燃料元件1连接至燃料电池本体2时通过空气导入孔12将空气导入到燃料箱100中。另外，可以代替狭缝22，使用通过在各个连接器之间的连接形成的缝隙、通过燃料元件1的形状形成的缝隙等。
接下来，将参照图5描述在此实施方式的燃料电池中的阀门13的控制机构。图5利用电路图示出了阀门13的控制机构的一个实例。
除了前述燃料箱100和前述阀门13之外，燃料供应元件1具有热敏电阻14和多个连接端子15。
热敏电阻14布置在连接点P12和连接端子15之间。热敏电阻14是通过构建后述的温度检测电路而用于检测壳体10或燃料箱100的温度的装置。而且，在热敏电阻14中，基于所检测到的壳体10或燃料箱100的温度，产生作为用于产生前述阀门13的控制信号的基础的温度检测信号，并将其提供至连接端子15。连接点P12与连接点P11短路，并且连接点P11连接至阀门13。
各个连接端子15连接至燃料电池本体2的连接端子25，由此电连接燃料元件1和燃料电池本体2。
除了前述发电部20等(在图5中未示出)之外，燃料电池本体2还具有用于控制阀门13的切换驱动的控制部24。而且，控制部24具有由微型计算机等构成的控制器241、由NPN晶体管构成的晶体管242、两个电阻器R1和R2、以及连接端子25。
控制器241具有三个端子T1～T3。控制器241基于通过至少温度检测电路(其包括热敏电阻14，下文描述)所检测到的壳体10或燃料箱100的温度，而产生用于控制阀门13的切换驱动的控制信号。具体地，在此实施方式中，尽管将在下文给出详细描述，但是这样的控制信号基于检测到的壳体10或燃料箱100的温度以及燃料元件1是否正常地连接至燃料电池本体2产生。
在晶体管242中，基极连接至控制器241的端子T1，发射极连接至电源Vcc，而集电极通过连接线L0连接至连接端子25。利用这样的构造，晶体管242根据从控制器241的端子T1输出的信号而变为接通状态或断开状态。由此，在燃料元件1连接至燃料电池本体2的情况下，电源Vcc的电压通过连接线L0以及连接端子15和25而提供给阀门13。
在电阻器R1中，一端连接至电源Vcc，而另一端连接至在连接线L2(在连接端子25和控制器241的端子T2之间连接)上连接点P22。而且，在电阻器R2中，一端连接至电源Vcc，而另一端连接至在连接线L3(在连接端子25和控制器241的端子T3之间连接)上的连接点P23。另外，连接线L1在连接端子25和接地之间连接。
接下来，将描述此实施方式的燃料电池的操作和效果。
在此燃料电池中，在燃料元件1连接于燃料电池本体2的状态下，当燃料通过燃料供应连接器11和21从燃料箱100供应到发电部20时，燃料被供应给发电部20中的各个单位电池的负极，并引发反应而产生质子和电子。质子通过电解质膜而移动到正极，并与电子和氧反应而产生水。由此，燃料(即甲醇)的部分化学能转化成电能，其通过连接件收集，并作为来自发电部20的输出电流提取。通过输出电流和发电部20的电动势提供给外部负载(未示出)，并且该负载被驱动。
这时，由于燃料元件1设置有通过其吸入被抽出的燃料的体积部分的空气的空气导入孔12，所以导入了抽出了燃料的体积部分的气体，并保持燃料箱100的恒定内部压力。由此，可以防止燃料箱100的内部压力变成负压，以及避免不能通过泵抽出燃料或者避免燃料回流。因此，燃料能够被稳定地供应。
将详细描述是本发明特征之一的阀门13的切换驱动的控制方法。图6利用流程图示出了阀门13的切换驱动的控制方法的一个实例。
首先，例如，如图7所示，当燃料元件1插入到燃料电池本体2中，并且连接端子15和25彼此连接时(步骤S11)，燃料元件1和燃料电池本体2彼此电连接。
接着，控制器241确定燃料元件1和燃料电池本体2彼此是否正常连接(步骤S12)。具体地，在燃料元件1和燃料电池本体2彼此正常连接的情况下，连接线L2经由连接端子15和25、连接点P12和P11、以及连接线L1而接地。由此通过利用端子T2确定连接线L2是否处于“L(低)”电平状态。由此，确定燃料元件1和燃料电池本体2是否彼此正常连接。在在步骤S12中确定燃料元件1和燃料电池本体2彼此没有正常连接的情况下(步骤S12：N)，输出控制信号以使空气导入孔12通过阀门13关闭(步骤S13)，并由此避免燃料泄漏。同时，在在步骤S12中确定燃料元件1和燃料电池本体2彼此正常连接的情况下(步骤S12：Y)，程序前进至步骤S14。在步骤S13之后，程序返回到步骤S12。
接着，在步骤S14中，例如，如图8所示，通过利用由热敏电阻14和电阻器R2构成的温度检测电路检测壳体10或燃料箱100的温度。具体地，在热敏电阻14中，电阻值(热敏电阻电阻值Rth)根据环境温度改变(包括温度系数)。相应地，例如在以下数学公式1中所示的输出电压V0的值改变。由此，间接地检测壳体10或燃料箱100的温度。
[数学公式1]
Vo＝(Rth/(Rth+Tc))*Vi…1
Vo：输出电压
Vi：供电电压
Rth：热敏电阻电阻值
Rc：补偿电阻值
接着，基于通过端子T3从热敏电阻14输入的温度检测信号，控制器241确定所检测到的壳体10或燃料箱100的温度T是否为给定阈值温度Tth或更小(步骤S15)。在步骤S15中确定温度T不是给定阈值温度Tth或更小(T＞Tth)的情况下(步骤S15：N)，输出控制信号以使空气导入孔12通过阀门13关闭(步骤S16)，并由此避免燃料泄漏。同时，当在步骤S15中确定温度T为给定阈值温度Tth或更小(T≤Tth)的情况下(步骤S15：Y)，程序前进到步骤S17。在步骤S16之后，程序返回到步骤S12。
接着，在步骤S17中，通过控制器241输出控制信号以使空气导入孔12通过阀门13打开。由此，通过空气导入孔12将空气导入到燃料箱100中，并完成图6所示的阀门13的切换驱动的控制过程。
如上所述，在此实施方式中，用于打开和关闭空气导入孔12的切换驱动的控制通过能够根据控制信号控制切换驱动的阀门13完成。因此，能够控制向燃料箱100中导入空气。因此，例如，在高温或燃料故障时，通过阀门13关闭空气导入孔12，能够防止通过现有止回阀的空气导入孔从燃料箱的燃料泄漏，并且能够改善安全性。而且，在发电时，通过阀门13打开空气导入孔12，必要的空气能够被吸入到燃料箱100中，并且燃料能够被稳定地供应。
而且，不同于现有止回阀，包括了通过电信号(控制信号)来打开和关闭空气导入孔12的功能。因此，通过在空气导入孔12之前布置过滤器，外来颗粒如空气中的尘土的影响能够被降低，并且作为阀门的功能能够被改善。
而且，由于使用图7所示的控制电路，所以能够实现其中器件的数量少的简单电路结构。因此，燃料元件1能够通过廉价的电路构造进行认证。
而且，控制器241基于两个参数产生控制信号，即基于壳体10或燃料箱100的温度，以及燃料元件1是否正常地连接至燃料电池本体2。因此，与控制器241仅基于一个参数产生控制信号的情况相比，能够更可靠地判断。
本发明已经参考实施方式进行了描述。然而，本发明不局限于前述实施方式，并且可以形成各种变形。例如，在前述实施方式中，具体地描述了燃料元件1和燃料电池本体2的结构。然而，燃料元件1和燃料电池本体2可以具有其它结构，或可以由其它材料制成。
具体地，例如，作为根据图9所示的第一变形例的燃料元件1A，用于调节控制信号中打开和关闭空气导入孔12的切换阈值的电阻器R0可以进一步设置在连接点P11和P12之间。在这样的结构的情况下，用于打开和关闭空气导入孔12的切换阈值能够根据电阻器R0的电阻值自由地调节。
而且，例如，作为根据图10所示的第二变形例的燃料元件1B，能够被同时或依次连接至燃料供应连接器11和21的空气导入连接器16可以设置在壳体10中的阀门13的外部(凹槽部23侧)(密封水平：燃料元件1侧上的连接器＞阀门13)。如上所描述的，通过采用其中在插入燃料元件1时，燃料供应连接器11和燃料供应连接器21同时或依次打开的结构，在储存时的密封水平能够增大，安全性能够得到改善，并且能够减少在使用之前的轻微燃料泄漏。
而且，在前述实施方式中，描述了阀门(阀门13)设置在燃料元件1侧上的情形。然而，例如，如同根据图11所示的第三变形例的包括燃料电池本体2C和燃料元件1C的燃料电池，阀门(阀门27)可以设置在燃料电池本体2侧上。
而且，在前述实施方式和前述变形例1～3中，描述了燃料箱(燃料箱100)设置在燃料元件中的情形。然而，例如，如同根据图12所示的第四变形例的包括燃料电池本体2D的燃料电池，可以将燃料箱(燃料箱28)内置于燃料电池本体2D中，并且阀门(阀门27)设置在燃料电池本体2D中。在图12中，标号291表示空气导入孔，而标号292表示浸液连接器292。
而且，在前述实施方式中，描述了燃料元件1的壳体10或燃料箱100的温度通过利用内置在燃料元件1中的热敏电阻14进行检测。然而，例如，壳体10或燃料箱100的温度可以通过利用设置在燃料电池本体2侧上的温度传感器等进行检测。
此外，例如，液体燃料可以是不同于甲醇的其它液体燃料，如乙醇和二甲醚。

Claims (12)

1.一种燃料元件，包括：
壳体，具有空气导入孔并且容纳用于燃料电池本体的燃料；和
阀门，执行用于打开和关闭所述空气导入孔的切换驱动，
其中，所述阀门能够根据控制信号控制所述切换驱动。
2.根据权利要求1所述的燃料元件，包括：
温度检测部，检测所述壳体的温度，
其中，所述温度检测部基于所检测到的所述壳体的温度产生作为用于产生所述控制信号的基础的温度检测信号。
3.根据权利要求2所述的燃料元件，其中，所述温度检测部包括热敏电阻。
4.根据权利要求2或3所述的燃料元件，包括：
电阻器，用于调节所述控制信号中用于打开和关闭所述空气导入孔的切换阈值。
5.根据权利要求1所述的燃料元件，其中，所述壳体在所述阀门外侧上具有空气导入连接部。
6.一种燃料电池，包括：
燃料电池本体，通过供应的燃料和作为氧化剂气体的空气而发电；和
燃料箱，容纳用于所述燃料电池本体的燃料，
其中，所述燃料箱具有空气导入孔并且设置有用于执行打开和关闭所述空气导入孔的切换驱动的阀门，并且
所述阀门能够根据控制信号控制所述切换驱动。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，包括：
温度检测部，检测所述燃料箱的温度；和
控制部，基于至少所检测到的所述燃料箱的温度产生所述控制信号。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，包括：
燃料元件，具有所述燃料箱，
其中，基于所述燃料箱的温度和所述燃料元件是否正常地连接至所述燃料电池本体，所述控制部产生所述控制信号。
9.根据权利要求6所述的燃料电池，包括：
燃料元件，具有所述燃料箱，
其中，所述阀门设置在所述燃料元件侧上。
10.根据权利要求6所述的燃料电池，包括：
燃料元件，具有所述燃料箱，
其中，所述阀门设置在所述燃料电池本体侧上。
11.根据权利要求6所述的燃料电池，其中，所述燃料箱内置于所述燃料电池本体中，并且
所述阀门设置在所述燃料电池本体中。
12.一种发电方法，其中，在通过将容纳在燃料箱中的燃料和作为氧化剂气体的空气供应到燃料电池本体而进行发电时，通过空气导入孔将空气导入到所述燃料箱，并且用于打开和关闭所述空气导入孔的切换驱动通过能够根据控制信号控制所述切换驱动的阀门来执行。
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