专利名称：发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电系统。
技术背景在发电系统中，燃料电池具有这样的潜力，即每个单元所能提供 的能量大约为现有电池的几倍到十倍。人们期望可以通过向燃料电池提供燃料而对燃料电池持续充电， 使诸如手机、个人电脑等小型电子设备可以长时间连续使用。燃料电池具有将含有催化剂的燃料电极、与含有催化剂的氧化剂 电极分别设置在电介质膜的相对的表面上的结构。当将诸如存储在氢存储合金箱等中的氢气等的燃料施加到燃料 电极一侧，而将诸如氧气等氧化剂施加到氧化剂电极一侧时，通过电 解质膜使这些反应物发生电化学反应，来产生电力。通常，为了稳定地驱动燃料电池，开发了各种系统结构。在这些系统结构中，作为利用燃料电池的部分电力的系统，为了 根据装置负载特性而稳定地驱动装置，在日本专利申请公开No.2001-229950中，7>开了 一种防止用于驱动启动燃料电池堆所需的 辅助装置等的二次电池过放电的系统。在该系统中，为了获得将燃料电池堆分为2个部分、而且可以选 择性地只启动一个燃料电池的结构，将电力从燃料电池传送给二次电 池，据此防止在启动燃料电池时的二次电池过放电。另外，(PCT申请的翻译版本的)日本国家申请公开 No.2002-520778号中提出了具有这样一种结构的传感单元，在这种结 构中，根据使用环境、诸如电响应或温度相应，多个燃料电池中的一 部分的输出特性改变，因此传感单元可以作为传感器，并被稳定地驱动。但是，根据日本专利申请公开No.2001-229950号的燃料电池系 统，采用了为了驱动在燃料电池堆启动时所需要的辅助装置等而使用 与燃料电池分离的二次电池的结构，因此、该结构不利小型化。即，必须与燃料电池分离地设置二次电池，因此、需要用于控制 提供给燃料电池的燃料的支路、流路切换装置、切换装置的控制装置 等，因此，该结构不适于小型电子设备的发电系统。另外，在(PCT申请的翻译版本的)日本国家申请公开 No.2002-520778中，燃料电池的一部分被配置为作为传感器单体工 作。但是，需要通过测量以获得电压值、电流值等的测量单元，和用 于将所获得的值与阈值进行比较的判定单元。因此，该结构需要空间以用于安装测量单元和判定单元，所以， 该结构不适于小型电子设备的发电系统。发明内容本发明涉及一种能够进行稳定发电并获得小型化的发电系统。 本发明提供一种如下所述的发电系统。本发明的发电系统的特征在于，包括燃料供应装置；用于利用 由燃料供应装置所提供的燃料进行发电的第一发电装置；用于利用由 燃料供应装置所提供的燃料进行发电的第二发电装置；将燃料供应装 置连接到第 一发电装置和第二发电装置以用于提供燃料的燃料通路； 以及燃料控制装置，其包括设置在燃料通路上、利用第一发电装置的 输出而导通的常闭阀；其中，燃料可以通过利用第一发电装置的输出 而导通的常闭阀、由燃料供应装置提供给第二发电装置。本发明的发电系统的特征在于，第一发电装置和第二发电装置通 过燃料通路相互串联连接.本发明的发电系统的特征在于，第一发电装置和第二发电装置通 过燃料通路相互并联连接。本发明的发电系统的特征在于，在燃料控制装置中，常闭阀在笫
一发电装置的输出变得高于预定阈值时导通，而该常闭阀在第一发电 装置的输出变得低于预定阈值时关闭。本发明的发电系统的特征在于，该常闭阀在第一发电装置的输出 根据环境条件而变得低于预定阈值时关闭。本发明的发电系统的特征在于，第一发电装置的输出低于预定阈 值的环境条件是异常高温度条件或异常低湿度条件中的一个。本发明的发电系统的特征在于，第一发电装置与第二发电装置中 的一个包含燃料电池。本发明的发电系统的特征在于，燃料电池包括含有至少一个燃料 电池单元的燃料电池堆。本发明的发电系统能够进行稳定发电，并能够实现小型化。另外，以下参照附图的具体实施方式
的描述，本发明的特征将更 加明了。
图1是说明本发明的第1实施方式的燃料电池装置的结构的框囝。图2是本发明的第1实施方式的燃料电池装置对电子设备的外壳 的安装状态图。图3是本发明的第1实施方式的燃料电池装置的燃料电池单元的 结构图。图4是安装了本发明的第1实施方式的燃料电池的电子设备的框图。图5是本发明的第1实施方式的燃料电池单元的操作状态框图。 图6是本发明的第1实施方式的第二燃料电池结构的剖面图. 图7是本发明的第1实施方式的第二燃料电压的结构透视图. 图8是本发明的第1实施方式的燃料电池的起动操作的流程图。 图9是本发明的第1实施方式的燃料电池的停止搮作的流程图。 图10是燃料电池的I-V特性曲线，用于i兌明根据本发明的第2
实施方式将第一燃料电池用作环境传感器的结构例。图11是燃料电池的电压特性曲线，用于说明根据本发明的第2 实施方式将第一燃料电池用作环境传感器的结构例。图12是本发明的第3实施方式的燃料电池装置的结构框图。
具体实施方式
下面将对#^据本发明的发电系统进行说明。根据本实施方式，所提供的发电系统包括利用燃料供应装置和 燃料来发电的第 一发电装置和第二发电装置；将燃料供应装置连接到第一发电装置和第二发电装置、以提供燃料的燃料路径；包含设置在第二发电装置与燃料供应装置之间的燃料路径,中的常闭(normally closed)阀的燃料控制装置，其中，位于燃料供应装置与常闭阀之间 的燃料路径与第一发电装置相连接，而常闭阀被设置为利用第一发电 装置的输出而打开的阀。根据如上所述的本实施方式，为了控制对第二发电装置的燃料供 应，如上构造的常闭阀利用第一发电装置的输出而打开，据此，无须 在向电子设备等供电的情况下^脊用亇超动的新的电源笨置。另外，当第一发电装置的输出极端地减小到非正常状态时，常闭 阀自动关闭，据此，可以停止对第二发电装置的燃料供应。结果，可以得到使用少量的元件而获得具有高稳定性的发电系 统。另外，可以实现与小型电子设备兼容的、能够稳定发电的发电装 置。注意，根据本实施方式的发电系统并不仅限于上述结构。也可以 实现另一种实施方式，其中，发电系统的部分或整个结构以其可替换 结构所替换。例如，燃料电池装置被配置为发电系统，燃料电池堆和 燃料箱一体地连接在一起的整个燃料电池装置可以做成与电子设备的外壳可拆装的.替代地，燃料电池堆可以与电子设备的外壳侧相结合，而只有燃 料箱是与电子设备的外壳可拆装的.
另外，根据以下的实施方式，对将大气中的氧作为氧化剂而使用 的结构例子进行说明。但是、作为氧化剂，也可以使用相当于氧的具 有氧化作用的其他气态或液态物质。另外，当将氧用作氧化剂时，除了从空气中引入之外，还可以通 过将氧气瓶或氧气发生装置连接到燃料电池堆，而从氧气瓶或氧气发 生装置提供。另夕卜，本发明说明了使用利用氢气的固体聚合物电解液型的燃料 电池的例子。但是，使用其他燃料(例如甲醇)的燃料电池或其他类 型的燃料电池(例如、固体氧化物类型或磷酸类型)，也可以获得相 同的效果。另夕卜，作为发电系统，只要是通过接收燃料的供应而进行发电的 系统即可，而并不仅限于燃料电池。例如，发电系统可以是利用使用下面，将参照附图，对本发明的实施方式进行更详细的说明。第1实施方式杜夺及明的弟1头^万式T，將玎便用了冬及明的发电糸统的燃 料电池装置进行说明。图l表示根据本发明的燃料电池装置的结构方框图。图2是将燃料电池装置安装到电子设备外壳上的图。图3是说明 燃料电池装置的燃料电池结构的图。图4是说明安装了燃料电池装置的电子设备的结构的方框图。图5是说明燃料电池单元的操作状态的图。图6是第二燃料电池 的剖面固。图7是第二燃料电池的透视图.图8是说明燃料电池的起动操作的流程图。图9是燃料电池的停 止操作的流程图。在图1、 2和3中，设置了燃料电池装置l、笫一燃料电池2a、 第二燃料电池2b、燃料电池单元3、和燃料箱6。设置了接头7、插销7a、插座7b、常闭阀(NC阀)8、电子设 备ll、和气孔13。注意，在图4 12中，相同的元件也使用相同的 附图标记。本实施方式的燃料电池装置1具有如图1所示的结构，其中，第 一燃料电池2a利用由插销7a和插座7b构成的接头7可拆装地与燃 料箱6相连接。在第一燃料电池2a的下游，燃料路径29通过常闭阀 (以后记为NC阀)将第一燃料电池2a与第二燃料电池2b串联连接。通过这样的串联连接，单个燃料路径29可以用于第一燃料电池 2b和第二燃料电池2b两者。因此，可以使整体燃料电池装置小型化。另夕卜，如图2所示，本实施方式的燃料电池装置l从电子设备(数 码相机)ll的外壳的下部插入，以可拆装地安装到外壳上。电子设备ll的外壳具有用于将氧化剂(在大气中的氧)提供给 燃料电池装置l的气孔13。另外，第一燃料电池2a和第二燃料电池2b分别包含燃料电池单 元3，用于为了通过4吏氢气和氧相互电化学反应而产生电流。如图3所示，燃料电池单元3包含用于提供氧化剂和排出水蒸 汽的扩散层28;用于提供作为燃料的氢气的扩散层27;和由扩散层 28和扩散层27夹着的MEA (膜电极组件)24。用于向燃料电池单元3提供氢气的扩散层27与燃料路径29相连。燃料路径29与燃料箱6相连通。扩散层27由具有空气渗透性的多孔导电材料构成，允许氢气分 子扩散并渗透入MEA 24的燃料电极22的整个表面，并作为允许燃 料电极22的电子从电极25逸出以取出电子的电流通路。扩散层28同样由具有空气渗透性的多孔导电材料构成，允许氧 气分子扩散并渗入到MEA 24的氧化剂电极23的整个表面，并作为 从外部向氧化剂电极23提供电子的电流通路.MEA 24具有将聚合物电解质膜21夹在燃料电极22与氧化剂电 极23之间的结构。燃料电极22是空气渗透薄膜层，其中，扩散有铂催化剂，通过 将氢气分解为氢原子而将氢气离子化，并将氢离子提供给聚合物电解
质膜21。氧化剂电极23为空气渗透薄膜层，其中扩散有铂催化剂，并通 过将氧气和从聚合物电解质膜21接收的氢离子反应来产生水分子。聚合物电解质膜21允许从燃料电极22所接收的氢离子穿过以将 氢离子传送到氧化剂电极23，而防止电子在燃料电极22与氧化剂电 极23间直接移动。因此，氢气、即、存储在燃料箱6中的燃料(图1)，如箭头所 示，通过燃料通路29传送并提供给燃料电极22。另一方面，通过气孔13(图2)引入的大气中的氧被提供给氧化 剂电极23。如图5所示，氢气穿过扩散层27渗入燃料电极22，并与包含在 燃料电极22中的催化剂相接触，以引起氢离子化反应。氢离子通过聚合物电解质膜21。另一方面，从大气中引入的氧 穿过扩散层28渗入氧化剂电极23。在存在包含于氧化剂电极23中的 催化剂原子的情况下，氧与穿过聚合物电解质膜21的氢离子相结合， 因而产生水分子。如图4所示，通过如上所述的电化学反应，从电极25中取出氢 分子的电子，并利用外部电路引入到电极26中，据此产生水分子。结果、在外部电路中，取出了与氢气和水间的电化学能量差相对 应的电流》接下来，将对本实施方式的第一燃料电池进行说明。第一燃料电池2a包含如上所述的燃料电池单元3。当燃料箱6利用接头7与燃料电池装置相连接时，燃料箱6中的氢气在通过扩散层27之后、通过接头7提供给燃料电极22 (图3 )。 另一方面，通过空气孔13，将作为氧化剂的空气提供给每个燃料电池单元3的扩散层28 (图3)。然后发生如上所述的氢离子与氧之间的成欲良应，利用第一燃料电池2a进行发电，并向NC阀8提供电力。此时，第一燃料电池2a优选地设置在与设置笫二燃料电池2b 的环境相同的环境下。接下来，将对本实施方式的NC阀的结构进行说明。 在第一燃料电池2a与第二燃料电池2b之间，燃料通路29为通 过NC阀8连接的状态。NC阀8在未供电的情况下通常为关闭状态。 在NC阀8关闭的状态下，氢气向第二燃料电池2b的流动路径被关 闭。第一燃料电池2a进行发电并为NC阀8提供预定的电力，据此 使NC阀8导通以允许将氢气施加到第二燃料电池2b上。此时，为 了获得将第一燃料电池2a直接连接到NC阀8而不用借助特殊控制 装置的结构，将用于使NC阀8导通的、第一燃料电池2a的电力的 值设置为等于或大于第一燃料电池2a的预定阈值。在阈值的设置中，将由第二燃料电池2b所提供的、可以稳定驱 动电子设备11的电力的下限值设置为等于或大于换算为第一燃料电 池2a的值。具体地，在本实施方式中，第一燃料电池2a和第二燃料电池2b 分别包括相同结构的燃料电池单元3。第一燃料电池2a使用了一个燃 料电池单元3，而第二燃料电池2b使用四个燃料电池单元3，上迷四 个燃料电池单元3相互堆叠。因此，燃料电池2a的电压值为燃料电 池2b的1/4。将能够稳定驱动电子设备11的电力的下限值的1/4值设 置为NC阀8的阈值。另外，对于NC岡8，可以使用螺线管型或双压电晶片元件型的 压电元件阀等。接下来，将对本实施方式的第二燃料电池进行说明。如图6和图7所示，第二燃料电池2b是通过根据电子设备11 的负载而串联地将多个燃料电池单元3相互电连接而构成的。燃料电 池单元3的每个具有如图3所示的结构.图6表示将四个燃料电池单元3相互电连接的例子。四个燃料电 池单元3的燃料电极22 (图3 )通过各自的扩散层27与燃料通路29 相连通。当氢被第二燃料电池2b消耗时，燃料箱6中的氢气通过笫一燃
料电池2a和NC阀8并经过每个燃料电池单元3的扩散层27而被提 供给燃料电极22 (图3)。作为氧化剂的空气通过空气孔13被提供给每个燃料电池单元3 的扩散层28。在氢离子与氧之间发生成键反应，电力被提供给与燃料 电池3电连接的电子设备ll。接下来，将对本实施方式的燃料电池装置的起动操作进行说明。图8表示该起动操作的流程图。在燃料气体未被提供给燃料电池装置1的第一燃料电池2a的状 态下，NC阀8处于关闭状态(步骤F101)。接下来，当从燃料箱6的燃料气体的供应开始时(步骤F102)， 燃料气体被提供给第一燃料电池2a以开始发电(步骤F103)。接下来，在步骤F104中，当第一燃料电池2a的输出等于或大 于预定的阈值时，NC阀8导通，燃料气体被提供给第二燃料电池2b (步骤F105)以允许第二燃料电池2b开始发电(步骤F106)。燃料电池装置1于是被起动(步骤F107)，电力被提供给电子 设备ll。另一方面，当燃料电池装置1处于非正常条件下，例如处于非正 常环境下等，而且第一燃料电池2a的输出低于步骤F104中的预定阈 值时，则NC阀8保持关闭状态(步骤F108)。结果、燃料气体未被提供给第二燃料电池2b，因此、电力不会 被提供给电子设备ll。此时，发出异常报警以提醒用户(步骤F109)，燃料电池装置 1的起动停止(步骤F110 )。接下来，将对在本实施方式的燃料电池装置中产生异常时的停止 操作进行说明。图9示出燃料电池的停止操作的流程图。在图9中，在起动之后继续对电池装置l提供燃料(步骤GIOI), 第一燃料电池2a继续发电(步骤G102).当在步骤G103中，输出被保持得等于或大于预定阈值时，NC阀8持续导通状态(步骤G104)。燃料气体被继续提供给第二燃料电池2b，而第二燃料电池2b持 续发电以为电子设备ll提供电力(步骤G105)。在用户操作转移到电子设备11的关闭操作或待命模式时(步骤 G106)的情况下，终止信号被输入到燃料电池装置1中，操作随后转 移到终止模式。在终止模式中，由燃料箱6的燃料供应停止(步骤G107),燃 料电池装置1停止(步骤G108 )。另一方面，当燃料电池装置1处于非正常条件下，例如处于非正 常环境下等，而且第一燃料电池2a的输出低于步骤G103中的预定阈 值时，则即使在没有燃料电池终止命令的情况下，NC阀8关闭(步 骤G109)。对第二燃料电池2b的燃料供应随之停止。结果，第二燃料电池2b的发电停止(步骤GllO)，发出异常报 警以提醒用户(步骤Glll)，燃料电池装置l停止(步骤G112)。如上所述，由于利用第一燃料电池2a的发电提供电力，结果， 用于为第二燃料电池2b提供燃料以驱动电子设备的阀的导通与关闭 被执行而不需使用如二次电池组等特定的电力供应单元。因此，本发明能够提供具有简单系统结构的、能够小型化并嵌入 到小型电子设备中的燃料电池装置。另外，在燃料电池装置1处于异常条件下、且第一燃料电池2a 的输出异常地减小的情况下，NC阀8自动关闭，从而停止对第二燃 料电池2b的燃料供应。因此、可以实现被动型失效安全机构，因而能够提供具有更高可 靠性的燃料电池装置。已经对第一燃料电池2a包括燃料电池的燃料电池单无3进行了 说明.但是，笫一燃料电池2a可以包括相互堆叠以构成堆叠结构的 多个燃料电池单元3。另外，只要发电是利用燃料进行的，就可以使用任意装置，而且
可以采用使用催化剂的催化剂燃烧器。在结构例子中，设置了一个第一燃料电池2a和一个第二燃料电 池2b。但是，只要可以获得期望的性能和输出，每个第一燃料电池 2a和第二燃料电池2b可以通过电连接多个堆叠而获得。第2实施方式在本发明的第2实施方式中，将对第一燃料电池作为环境传感器 使用的结构例子作说明。在本实施方式中，通过利用燃料电池的环境特性的改变，将第一 燃料电池2a用作环境传感器。结果，可以改善抗环境变化的稳定性。作为燃料电池的特性，会发生干涸现象，即在高温时燃料电池单 元中水分不足的现象。另外，作为潮湿特性，当湿度低时，聚合物电解质膜21的膜阻 抗增加，因而使其性能恶化。在异常环境中，如图10的I-V特性曲线所示，与正常环境的曲 线相比(实线)，对应于异常环境的曲线(虛线)在性能上明显降低。在上述低湿度或高温状态下，如图11所示，相对于正常环境的 曲线(实线)，电压特性由对应于异常环境的曲线(虚线)表示。利用上述特性，将用于使NC阀8导通的电压的预定阈值设置在 与正常环境相对应的曲线(实线)和与异常环境对应的曲线(虚线) 之间。结果、本发明能够获得这样一种结构在异常高温度条件或异常 低湿度条件下，NC阀8关闭，而且对第二燃料电池2b的燃料供应终 止。因此，能够提高燃料电池装置l抗异常环境的稳定性。第3实施方式在本发明的第3实施方式中，将对第一燃料电池和第二燃料电池 相互并联地连接到燃料通路上的例子进行说明，
在本发明的第1实施方式中，第一燃料电池2a和第二燃料电池 2b通过燃料通路29相互串联连接，燃料通路29利用NC岡8成为连 接状态。如图12所示，本实施方式采用以下结构第一燃料电池2a和第 二燃料电池2b通过燃料通路29并联连接到燃料箱6上。NC阀8连 接到燃料通路29上，并设置在第二燃料电池2b和燃料箱6之间。即使利用这种结构，也可以得到与本发明笫1实施方式相同的效果。此时，通过将燃料通路29分支，第二燃料电池2b可以与所提供 的气体分离。因此，可以对第一燃料电池2a调整燃料气体的压力或 流量。用于允许第一燃料电池2a进行发电的燃料的量比第二燃料电池 2b的少就够了。因此，与串联连接相比较，第一燃料电池2a和其周 围的流路无需应对高电压和高流量，因此、第一燃料电池2a可以简 化，从而可以小型化。另外，对第一燃料电池2a的燃料通路的配置的自由度高，因此、 燃料电池设计布局的自由度提高。虽然本发明已经结合典型的实施方式进行了说明，但是，应理解 的是本发明并不仅限于所公开的典型实施方式。所附的权利要求的范 围与最广泛的解释相一致，从而包含所有的变更和等价结构以及功 能。
权利要求
1.一种发电系统，包括燃料供应装置；用于利用由燃料供应装置所提供的燃料进行发电的第一发电装置；用于利用由燃料供应装置所提供的燃料进行发电的第二发电装置；将燃料供应装置连接到第一发电装置和第二发电装置以用于提供燃料的燃料通路；以及燃料控制装置，其包括设置在燃料通路上、利用第一发电装置的输出而导通的常闭阀；其中，燃料可以通过利用第一发电装置的输出而导通的常闭阀、由燃料供应装置提供给第二发电装置。
2. 根据权利要求1所述的发电系统，其中，第一发电装置和第 二发电装置通过燃料通路相互串联连接。
3. 根据权利要求1所述的发电系统，其中，笫一发电装置和第 二发电装置通过燃料通路相互并联连接。
4. 根据权利要求l所述的发电系统，其中，在燃料控制装置中， 常闭阀在第一发电装置的输出变得高于预定阈值时导通，而该常闭阀 在第一发电装置的输出变得低于预定阈值时关闭。
5. 根据权利要求4所述的发电系统，其中，该常闭阀在第一发 电装置的输出根据环境条件而变得低于预定阈值时关闭。
6. 根据权利要求5所述的发电系统，其中，第一发电装置的输 出低于预定阈值的环境条件是异常高温度条件或异常低湿度条件中 的一个。
7. 根据权利要求1~6中任何一项所述的发电系统，其中，第一 发电装置与第二发电装置中的一个包含燃料电池。
8. 根据权利要求7所述的发电系统，其中，燃料电池包括含有 至少一个燃料电池单元的燃料电池堆。
全文摘要
本发明提供一种发电系统，包含燃料供应装置；用于利用由燃料供应装置所提供的燃料而进行发电的第一发电装置和第二发电装置；将燃料供应装置连接到第一发电装置和第二发电装置用于提供燃料的燃料通路；包含设置在燃料通路上的、利用第一发电装置的输出而导通的常闭阀的燃料控制装置，其中，燃料可以通过由利用第一发电装置的输出而导通的常闭阀而从燃料供应装置提供给第二发电装置。根据该系统，能够进行稳定的发电，并能够实现小型化。
文档编号H01M8/04GK101159335SQ20071016202
公开日2008年4月9日 申请日期2007年9月29日 优先权日2006年10月3日
发明者横井昭佳 申请人:佳能株式会社