CN102017263A

CN102017263A - 燃料盒和燃料电池系统

Info

Publication number: CN102017263A
Application number: CN2009801163925A
Authority: CN
Inventors: 井上芳明; 福岛和明; 佐藤敦; 志村重辅; 高木裕登
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2011-04-13
Also published as: JP2009277560A; WO2009139334A1; RU2010146500A; US20110111316A1; RU2470417C2; BRPI0912329A2

Abstract

燃料盒(10)具有：燃料容器部(11)、用于通过其将贮存在燃料容器部(11)中的液体燃料供应给燃料电池本体(30)的燃料供应口(12)、用于供应使燃料电池本体(30)开始发电的电力的一次电池(13)、将一次电池(13)的电力供应给燃料电池本体(30)的电极构成部(14)。燃料电池本体(30)具有：对应于燃料供应口(12)的燃料接收口(36)、对应于电极构成部(14)的电接触部(37)、发电装置(31)、用于从燃料接收口(36)向发电装置(31)供应液体燃料的燃料供应泵(33)、进行控制以便由一次电池(13)的电力驱动燃料供应泵(33)的控制装置(32)。即使无法从燃料电池本体的辅助电源供应电力，仍能够简单且快速地启动燃料电池系统。

Description

燃料盒和燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料盒和向燃料电池本体供应液体燃料的燃料电池系统。更具体地，本发明涉及如下技术，即，不仅可以从燃料盒供应燃料电池本体发电所用的液体燃料，而且可以供应用于开始发电的电力。

背景技术

近年来，随着诸如便携式电话机、笔记本型个人计算机、数码相机和可携式摄像机的便携式电子设备的高机能化和多功能化，其功率消耗有增加的趋势。因此，燃料电池受到了关注，因为其能量密度和输出功率密度方面的改进，预期其可作为这类便携式电子设备的电源。

在燃料电池中，供应给阳极侧的燃料被氧化，同时将空气或氧气供应给阴极侧从而还原氧气。而且将燃料具有的化学能有效地转化为电信号，并提取和利用电能。因此，如果持续向燃料电池供应燃料，则即使其不充电燃料电池也可持续用作电源。

在上述这类燃料电池中，使用质子导电高分子膜作为电解质的固体高分子型燃料电池(PEFC)最有可能成为便携式电子设备的电源。在这种高分子型燃料电池中，使用未改性甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)向阳极侧供应燃料甲醇作为低浓度或高浓度的甲醇水溶液。而且，通过阳极侧上的催化剂层将供应的甲醇氧化为二氧化碳。此外，所生成的氢离子通过夹在阳极和阴极之间的质子导电高分子膜而移动到阴极侧并与阴极侧上的催化剂层中的氧气反应从而生成水。

然而，在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，将作为液体燃料的甲醇供应给阳极侧从而以这种方式发电，为此，在燃料电池本体中设置诸如燃料泵的辅件。此外，例如，从可拆卸地安装在燃料电池本体上的燃料盒供应甲醇。

这里，由设置在燃料电池本体中的辅助电源来驱动诸如燃料泵的辅件。具体地，多数燃料电池系统包括诸如锂离子电池、电池或电容器的辅助电源的组合，用于驱动诸如燃料泵的辅件、处理连接到燃料电池本体的设备负载变化、高效率地发电等。而且，在燃料电池系统的操作过程中，将一部分产生的电力供应给辅助电源来蓄电。因此，当将要启动燃料电池系统时，在辅助电源中蓄积的电力用于启动燃料供应泵从而将甲醇供应给阳极侧。

然而，在辅助电源中蓄积的电力有时由于连接到燃料电池本体的设备的高负载利用而过度消耗。此外，辅助电源的电压有时在燃料电池系统长时间不工作的情况下由于自放电等而降低。而且，如果无法从辅助电源提取电力，则难以驱动供应料泵，则无法重新启动燃料电池系统。

因此，已知如下技术，即，在启动后，将端子部从燃料电池本体中取出并与外部电池的电极接触，以便用外部电池的电力启动燃料电池系统。具体地，如果辅助电源中蓄积的电力不足，且因此无法用该电力启动燃料电池系统，则连接外部电池，以便可启动燃料电池系统(例如，参考专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开第2004-95189号

发明内容

然而，对于专利文献1中公开的技术，在难以启动燃料电池的突发情况下，必须确保有外部电池。因此，存在如下问题，即，在未准备外部电池的情况下，或者在外部电池的尺寸等与燃料电池本体的端子部不兼容等情况下，燃料电池无法启动。

此外，对于专利文献1中公开的技术，发出燃料电池系统难以启动的提示，促使用户安装外部电池。简而言之，在发出提示后，安装外部电池，然后，启动燃料电池系统。因此，在启动之前需要花费劳力和时间。

因此，本发明要解决的问题是，即使无法从燃料电池本体的辅助电源供应电力，仍可以简单快速地启动燃料电池系统。

本发明通过如下解决方案来解决上述问题。

根据本发明权利要求1的发明是燃料盒，包括：燃料容器部，形成为可拆卸地安装在燃料电池本体上并具有贮存其中的液体燃料，其中将液体燃料供应给燃料电池本体；燃料供应口，用于经由它将贮存在燃料容器部中的液体燃料供应给燃料电池本体；电池，用于供应使燃料电池本体开始发电的电力；以及电极构成部，用于将电池的电力供应给燃料电池本体。

同时，根据本发明权利要求3的发明是燃料电池系统，包括：燃料电池本体，用于利用液体燃料发电；燃料盒，形成为可拆卸地安装在燃料电池本体上以便将液体燃料供应给燃料电池本体；燃料盒包括：燃料容器部，具有贮存其中的液体燃料；燃料供应口，用于经由它将贮存在燃料容器部中的液体燃料供应给燃料电池本体；电池，用于供应使燃料电池本体开始发电的电力；以及电极构成部，用于将电池的电力供应给燃料电池本体；燃料电池本体包括：燃料接收口，与燃料供应口对应；电接触部，对应于电极构成部；发电装置，用于通过向其供应液体燃料而开始发电；燃料供应装置，用于从燃料接收口向发电装置供应液体燃料；以及控制装置，用于进行控制以便由电池的电力驱动燃料供应装置。

(操作)

在上述权利要求1和3中描述的发明中，允许燃料电池本体发电的液体燃料贮存在燃料盒中。且将燃料盒形成为可拆卸地安装在燃料电池本体上。此外，燃料盒具有使所述燃料电池本体开始发电的电池。因此，如果将贮存有液体燃料的燃料盒安装在燃料电池本体上，则从燃料盒供应发电所需的液体燃料和电力。

借助上述发明，不仅从燃料盒供应允许燃料电池本体发电的液体燃料，而且供应开始发电的电力。因此，即使在燃料电池本体无法供应电力的情况下，仅通过在燃料电池体上安装贮存有液体燃料的燃料盒，就可以简单快速地启动燃料电池系统。

附图说明

图1是示出第一实施方式的燃料盒的透视图。

图2是示出本实施方式的燃料电池系统的概念图。

图3是示出通过本实施方式的燃料电池系统开始发电的流程图。

图4是示出第二实施方式的燃料盒的透视图。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的实施方式。

图1是示出第一实施方式的燃料盒10的透视图。

如图1的(a)所示，第一实施方式的燃料盒10具有燃料容器部11、燃料供应口12、一次电池13(对应于本发明中的电池)、电极构成部14、密封部件15(对应于本发明中的防短路部件)。

燃料容器部11是用于贮存液体燃料甲醇的、具有密封性能的空间。而且，以可拆卸地安装在后述的燃料电池本体30(未示出)上的直方体来形成燃料容器部11的外形。此外，检测甲醇剩余量的剩余量传感器附着在燃料容器部11的内部。因此，如果剩余量传感器确定燃料容器部11中的甲醇已用完，则可以将燃料盒10从燃料电池本体30拆下并更换新的燃料电池盒10(其中贮存有甲醇)。

燃料供应口12是用于经由它来供应贮存在燃料容器部11中的甲醇的出口，并在燃料容器部11的一个侧面上形成。而且，在燃料供应口12的内部设置开关阀，使得甲醇不会意外流出。因此，在燃料盒10运输、保存、销售等时，燃料容器部11中的甲醇不会泄露到外部。

一次电池13供应电力以便开始发电。而且，在本实施方式中，将钮扣型锰电池(电动势＝1.5V)用作一次电池13。此外，如图1(b)所示，在电极构成部14中串联设置两个一次电池13，以便可获得预定电压(约3.0V)。应该注意，作为一次电池13，除了锰电池之外，还可以使用碱性锰电池(电动势＝1.5V)、锌空气电池(电动势＝约1.35V)、氧化银电池(电动势＝约1.55V)、氧化汞电池(电动势＝约1.35V)等等。

电极构成部14用作通过其来供应一次电池13的电力的部分。在本实施方式中，两个一次电池13安装在预定方向上，以便其电极(+和-)在电极构成部14内部串联连接。此外，如果两个一次电池13安装在电极构成部14的预定方向上，则电极(+和-)暴露于外部以用作电极构成部14的端子。

密封部件15防止一次电池13短路。具体地，将密封部件15粘贴到作为未使用物品的燃料盒10的电极构成部14上，以便一次电池13不会在其电极暴露的状态下被运输、存储、销售等。因此，如果燃料盒10是新的，则不仅足够的甲醇贮存在燃料容器部11中，而且一次电池13具有足够的电力。应该注意，当要使用燃料盒10时，用提拉部(knob portion)15a剥离密封部件15。

图2是示出本实施方式的燃料电池系统100的概念图。

本实施方式的燃料电池系统100是使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)。而且，如图2所示，燃料电池系统100包括燃料盒10和燃料电池本体30，以便将甲醇从燃料盒10供应给燃料电池本体30。

此外，燃料电池本体30具有发电装置31、控制装置32、燃料供应泵33(其对应于本发明中的燃料供应装置)、辅助电池34(其对应于本发明中的蓄电装置)、电压检测传感器35(其对应于本发明中的发电检测装置)。此外，燃料电池本体30具有从燃料盒10接收燃料的燃料接收口36、至燃料盒10的电接触部37。此外，将二极管42、开关元件41和导通/关断开关43设置在连接有控制装置32等的控制电路中。

发电装置31基于甲醇具有的化学能发电。具体地，发电装置31具有膜电极结合体(MEA)，其中阳极侧上的燃料电极和阴极侧上的氧电极在质子导电高分子膜的相对面上结合在一起。而且，燃料电极包括在导电多孔支持体的表面上形成的氧化催化剂层，且氧电极包括在导电多孔支持体上形成的还原催化剂层。应该注意，作为导电多孔支持体，例如，可使用碳片(carbon sheet)、碳布等。此外，例如，氧化催化剂层和还原催化剂层由作为催化剂的铂等和质子导体的混合物形成。

将甲醇供应给这类膜电极结合体(MEA)的燃料电极，且将氧气或空气供应给氧电极。而且，供应给阳极侧上的燃料电极的甲醇通过氧化催化剂层氧化为二氧化碳。于是，生成电子(e-)与其分离的氢离子(质子：H+)，且生成的氢离子通过质子导电高分子电解质膜移动到阴极侧，而从燃料电极提取电子(e-)并将其供应给负载。此外，通过负载的电子(e-)和通过质子导电高分子电解质膜的氢离子(质子：H+)在氧电极的还原催化剂层中与氧气反应生成水。

以这种方式，发电装置31通过电化学反应发电，且除了电力之外，基本只生成水作为副产物。而且，供应至负载的电动势依赖于供应给发电装置31的燃料电极的甲醇的量。因此，通过控制装置32调整甲醇供应量，通过控制燃料供应泵33任意地产生电力。

这里，从燃料盒10供应甲醇。具体地，包括燃料容器部11的整个燃料盒10形成为可拆卸地安装在燃料电池本体30上。而且，甲醇贮存在燃料容器部11中，如果将燃料盒10安装在燃料电池本体30上，则燃料供应口12和燃料接收口36彼此对准，且燃料供应口12处的开关阀打开。因此，燃料容器部11中的甲醇经燃料接收口36供应给燃料电池本体30。

此外，如果安装的燃料盒10中的燃料容器部11中的甲醇用完，则应该从燃料电池本体30中拆下燃料盒10，并应该安装新燃料盒10(其中贮存有甲醇)。结果，由于甲醇被供应至燃料电池本体30中，所以此后发电装置31可继续发电。

顺便提及，虽然通过燃料供应泵33将甲醇供应给发电装置31，但是燃料供应泵33由辅助电池34的电力驱动。辅助电池34是二次电池，如锂聚合物电池，且将发电装置31产生的电力的一部分供应给辅助电池34并在其中蓄积。因此，如果发电装置31开始发电，则燃料供应泵33可由辅助电池34的蓄积电力驱动。此外，如果驱动燃料供应泵33，则允许发电装置31发电，且在辅助电池34中蓄电。注意，由电压检测传感器35检测发电装置31是否发电。

然而，如果连接到燃料电池本体30的设备负载高，则可能限制要供应给辅助电池34的电功率或者可能过度消耗蓄积在辅助电池34中的电力。此外，如果发电装置31长时间未进行发电，则辅助电池34的电压可能由于辅助电池的自放电等而降低。因此，当燃料电池系统100要启动时，可能无法从辅助电池34提取驱动燃料供应泵33所需的电力。这使得发电装置31不可能发电。

因此，将本发明的燃料电池系统100配置为，即使辅助电池34的电力耗尽，且燃料供应泵33无法由辅助燃料电池34驱动，仍可以正常地重新启动燃料电池系统100，从而允许发电装置31开始发电。具体地，燃料盒10具有供应用于开始发电的电力的一次电池13。而且，在新的燃料盒10(其中贮存有甲醇)中，燃料电池13也具有足够的电力。因此，如果将燃料盒10安装在燃料电池本体30上，则不仅可以供应贮存在燃料容器部11中的甲醇而且可以供应一次电池13的电力。

将详细说明这一点。在将足够电力蓄积在辅助电池34中，且辅助电池34正常操作的情况下，开关元件41处于导通状态(正常状态)。因此，将辅助电池34的电力经控制电路供应给控制装置32，且控制装置32控制燃料供应泵33以将甲醇供应给发电装置31从而开始发电。然而，如果辅助电池34的电力耗尽，则电力供应可能不足或者可能是不可能的。

在这种情况下，如果将燃料盒10安装在燃料电池本体30上，则不仅燃料供应口12和燃料接收口36彼此对准，而且电极构成部14和电接触部37彼此对准。而且，虽然安装了燃料盒10(存在甲醇)，但是当电压检测传感器35检测不到发电装置31发电时，控制装置32确定辅助电池34的电力耗尽，并进行控制以由一次电池13的电力驱动燃料供应泵33。

因此，在本实施方式的燃料电池系统100中，即使辅助电池34无法驱动燃料供应泵33，也可由燃料盒10的一次电池13驱动燃料供应泵33。换句话说，如果将新的燃料盒10(其中贮存有甲醇)安装在燃料电池本体30上，则不仅可以确保作为液体的甲醇，而且可以同时确保用于供应甲醇的燃料供应泵33的电力。结果，将甲醇供应给发电装置31且发电装置31开始发电。注意，一次电池13的电力足以在驱动时间操作燃料供应泵33，在该驱动时间中，能够满足将甲醇填充燃料供应泵33和直到发电装置31的管道系统所需的泵输出量，且可以满足燃料电池系统100处于稳定工作状态之前所需的甲醇供应量。

图3是本实施方式的燃料电池系统100开始发电的流程图。

为了使燃料电池系统100开始发电，在图3所示的第一步S1中，将新的燃料盒10安装在燃料电池本体30上(参考图2)。因此，如图2所示，燃料盒10的一次电池13经电极构成部14和电接触部37连接到燃料电池本体30。因此，一次电池13的正极连接到二极管42，且将电力供应给燃料电池本体30。注意，插入二极管42以便防止发电装置31产生的电力或辅助电池34的电力流向一次电池13。

如果在如图3所示的步骤S1中安装燃料盒10，则在下一步骤S2中将开关元件41切断。具体地，开关元件41是由如图2所示的场效应晶体管(FET)形成的，且源极和漏极之间的电流由当将电压施加在栅电极上时由沟道电场选通电子流或空穴流的原理控制。而且，导通/关断开关43常闭并表现出导通状态。因此，当安装燃料盒10时，一次电池13的电压对从二极管42的阳极侧的开关元件41起作用，从而将开关元件41设置为切断状态。

如果开关元件41以这种方式切断，则从控制装置32切断辅助电池34的正极。因此，在图3所示的下一步骤S3中，电力是从一次电池13的正极经图2所示的二极管42供应给控制装置32的。

此外，当开始从一次电池13供应电力时，在图3所示的步骤S4中控制装置32变得可操作。然后，控制装置32进行控制以便在随后的步骤S5中驱动燃料供应泵33。具体地，由一次电池13的电力(串联连接的两个锰电池的电动势＝3.0V)将燃料供应泵33设置为驱动状态。因此，在下一步骤S6中，向发电装置31供应贮存在燃料盒10中的甲醇。结果，在步骤S7中发电装置31开始发电。

在步骤S8中，根据连接到控制装置32的电压检测传感器35是否检测到产生的电压，确定发电装置31是否开始发电。具体地，如果发电装置31开始发电，则将电力供应给控制装置32。然后，因为由电压检测传感器35检测控制装置32的电压，所以如果电压高于预定电压(高于一次电池13的电压3.0V)，则决定开始发电。

因此，如果在步骤S8中未检测到产生的电压(如果电压检测传感器35检测的电压低于预定电压)，则处理返回到步骤S5，因此，继续像原来一样驱动燃料供应泵33。具体地，当电压检测传感器35检测不到发电装置31发电时，控制装置32进行控制以便燃料供应泵33由一次电池13的电力驱动，并向发电装置31供应甲醇从而继续发电。

另一方面，如果在步骤S8中检测到产生的电压(如果电压检测传感器35检测到电压高于预定电压)，则处理前进至下一步骤S9，在这里控制装置32打开导通/关断开关43以进入切断状态。因此，在下一步骤S10中，由场效应晶体管(FET)形成的开关元件41返回到导通状态。因此，发电装置31产生的一部分电力蓄积在辅助电池34中(参考图2)。然后，控制装置32进行控制以便燃料供应泵33由辅助电池34的电力驱动，且在步骤S11中完成重新启动。

图4是示出第二实施方式的燃料盒20的透视图。

如图4的(a)所示，类似于图1的(a)中所示的第一实施方式的燃料盒10，第二实施方式的燃料盒20具有燃料容器部11和燃料供应口12。具体地，以可拆卸地安装在燃料电池本体30(参考图2)上的直方体来形成燃料容器部11的外形。此外，作为液体燃料的甲醇贮存在燃料容器部11的内部。而且，在燃料容器部11的一个侧面上形成燃料供应口12。注意，将防止甲醇漏出的开关阀门设置在燃料供应口12的内部。

同时，为开始发电供应电力的一次电池23是板状的二氧化锰锂电池。而且，该一次电池23设置在燃料容器部11的顶面上。应该注意，因为二氧化锰锂电池具有高电动势(电动势＝约3.0V)，所以与纽扣型锰电池(图1所示一次电池)不同，无需串联连接两个电池。因此，如图4的(b)所示，因为仅由单个一次电池23就可开始发电，所以无需添加像电压提升电路这样的元件，电极构成部24具有简化的电路配置并可抑制成本。

此外，电极构成部24(+和-)和一次电池23的电极一起设置在燃料容器部11的顶面上。而其，以覆盖电极构成部24(+和-)的方式粘贴防止一次电池23短路的密封部件25。因此，如果燃料盒20是新的，则不仅有足够的甲醇贮存在燃料容器部11中，而且一次电池23具有使燃料电池本体30开始发电的足够的电力(参考图2)。注意，当要使用燃料盒20时，用提拉部25a剥离密封部件25。

以这种方式，借助本实施方式的燃料电池系统100(参考图2)，即使辅助电池34(参考图2)耗尽，且燃料电池系统100无法自己启动，通过安装第一实施方式的燃料盒10(参考图1)或第二实施方式的燃料盒20(参考图4)，燃料电池系统100仍可正常重新启动。具体地，断开燃料电池系统100的辅助电池34，且燃料供应泵33(参考图2)可由燃料盒10的一次电池13(参考图1)或燃料盒20的一次电池23(参考图4)驱动，从而开始发电。

此外，一次电池13的电极构成部14(参考图1)或一次电池23的电极构成部24(参考图4)由密封部件15(参考图1)或密封部件25(参考图4)保护。因此，不仅防止了一次电池13(一次电池23)的短路，且保持了足够的电力，而且改善了当燃料盒10(燃料盒20)工作时或类似情况下的安全性。

虽然上面说明了本发明的实施方式，但本发明不限于上述实施方式，而是允许以下各种改进等。具体地：

(1)虽然在上述实施方式中，甲醇用作燃料电池系统100中用于发电的燃料，但燃料不限于甲醇，而是可以使用任何在其成分中包含氢的液体燃料。具体地，还可以使用醇型液体燃料，如乙醇和丁醇，以及液化碳氢化合物燃料，例如常温常压条件下为气态的二甲醚、异丁烯和天然气。

(2)在上述实施方式中，燃料盒10(燃料盒20)具有一次电池13(一次电池23)。然而，不仅可以使用一次电池，而且可以使用二次电池。而且，在使用二次电池的情况下，如果将发电装置31产生的力蓄积在二次电池中，则可从燃料电池本体30中去掉辅助电池34。

Claims

1.一种燃料盒，包括：

燃料容器部，形成为可拆卸地安装在燃料电池本体上并具有贮存在其中的液体燃料，所述液体燃料要供应给所述燃料电池本体；

燃料供应口，用于经由它将贮存在所述燃料容器部中的所述液体燃料供应给所述燃料电池本体；

电池，用于供应使所述燃料电池本体开始发电的电力；以及

电极构成部，用于将所述电池的电力供应给所述燃料电池本体。

2.根据权利要求1所述的燃料盒，还包括：

防短路部件，用于防止所述电池短路。

3.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池本体，用于利用液体燃料发电；以及

燃料盒，形成为可拆卸地安装在所述燃料电池本体上以便向所述燃料电池本体供应液体燃料；

所述燃料盒包括：

燃料容器部，具有贮存其中的液体燃料，

燃料供应口，用于经由它将贮存在所述燃料容器部中的所述液体燃料供应给所述燃料电池本体，

电池，用于供应使所述燃料电池本体开始发电的电力，以及

电极构成部，用于将所述电池的电力供应给所述燃料电池本体，

所述燃料电池本体包括：

燃料接收口，对应于所述燃料供应口，

电接触部，对应于所述电极构成部，

发电装置，用于通过向其供应液体燃料而开始发电，

燃料供应装置，用于从所述燃料接收口向所述发电装置供应液体燃料，以及

控制装置，用于进行控制，使得由所述电池的电力驱动所述燃料供应装置。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，

所述燃料电池本体还包括：

发电检测装置，用于检测所述发电装置发电的开始；以及

蓄电装置，能够蓄积所述发电装置产生的电力；以及

所述控制装置，

当所述发电检测装置没有检测到所述发电装置发电时，进行控制，使得由所述电池的电力驱动所述燃料供应装置，

而当所述发电检测装置检测到所述发电装置发电时，进行控制，使得由所述蓄电装置的电力驱动所述燃料供应装置。