燃料重整装置和燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料重整装置和燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及安全性得到极大改善的燃料重整(reforming)装置，以 及具有该燃料重整装置的燃料电池系统。
背景技术：
近年来，各种电子设备如蜂窝电话、摄像机和个人计算机都随着 半导体技术的发展而减小了尺寸，并且与此相关联地也需要进一步小型化。作为满足这些要求的电源，目前已采用简单和方便的一次或二 次电池。但是， 一次或二次电池功能上涉及运行时间的限制，从而采 用这种电池的电子设备在运行时间方面存在限制。也就是说，相对于一次电池的重量来说实际服务寿命较短，由此 需要频繁更换电池，从而这种一次电池不适用于便携式电子设备。另 一方面，由于在二次电池中需要用于充电的电源，因此可应用空间有 限，而且为了二次电池中的充电需要相当长的时间。具体地说，当事 先已经并入了二次电池的电子设备等等中的电池完全放电之后，很难 更换该电池。在这种情况下，该电子设备的运行时间受到了限制。如 上所述，难以通过扩展传统的一次或二次电池来满足用电池操作各种 小项目达很长的时间的要求，因此需要适用于运行更长时间段的电^>。作为用于解决上述问题的措施，近来燃料电池引起人们的注意。 燃料电池的优点不仅在于通过只提供燃料和氧化剂来实现发电，而且
在于通过只更换燃料来连续地发电。因此，认为如果燃料电池可以减 小尺寸，则它是驱动手持电子设备的极为有利的系统。在一般燃料电池领域，开发了这种通过组合轻碳氢化合物如天然气和石脑油或醇(alcohol)如曱醇的原材料、用于重整这些原材料的具 有催化剂的重整器、和燃料电池而获得的燃料电池系统。如上所述的 燃料电池系统与使用液体燃料如甲醇的直接型甲醇燃料电池等等相比 提供更高的输出电压和更高的效率，从而预计燃料电池系统的尺寸小 而性能高。在具有重整器的燃料电池系统中，采用碳氢化合物、醇和乙醚的 材料作为燃料。将该材料加热到200°C到大约400°C的温度，以使 得可以与重整器中的水蒸汽反应，由此该材料可以转换为氢和二氧化 碳。例如，当采用甲醇作为燃料时，重整器外壳主体内的温度大约是 300。C。由于这种重整器如上所述要加热到高温，因此存在具有隔热容器 的重整器，用于将重整器与环境热隔离开来以防止热量散逸到环境 中。例如，存在容纳在真空隔热容器中的重整器，该容器的内部保持 为真空。在具有重整器的燃料电池系统用作手持电子设备的电源时，期望 能有充分保证安全性的对策。例如，当向真空隔热容器施加任何撞击 从而产生诸如真空隔热结构损坏的任何故障时，担心由于热量从重整 器传递到环境中导致电子设备过热而引发破损，或对用户的燃烧伤 害。为此，要求迅速检测诸如真空隔热容器的损坏的故障并对此采取 足够的措施。在JP - A 2004 - 178910 (KOKAI)(下面称为"参考文件l")中公开了一种用于检测具有重整器的燃料系统的故障(温度上升)的装置。参 考文件1的燃料电池系统具有用作控制部件的CPU(中央处理单元)、 温度传感器和RAM(随机存取存储器)，其中燃料电池系统通过该温 度传感器检测重整器的温度。结果，当所检测的温度低于设定值时， 控制部件判定在真空隔热容器中已经发生诸如真空隔热破损的故障，
然后允许控制部件向通知部件告知真空隔热发生破损的可能性。此 外，在专利参考文件1的说明书中，描述了当检测到发生故障时，控 制部件向泵输出燃料供应控制信号以停止燃料供应，此外还向执行加 热服务的加热器输出温度控制信号以停止用于执行加热服务的加热器 中的加热操作(电流的供能)。在JP-A 2003-221206 (KOKAI)(下面称为"参考文件2")中，描述 了在用于家用的燃料电池的燃料重整装置中，从重整部件燃烧室排出 的废气与水进行热交换以产生水蒸汽，在热交换之后排出废气的蒸发 器的出口附近的温度由设置在该出口附近的温度传感器检测，当所检 测的温度超过设定值时，控制器输出系统停止命令以停止该系统，还 向水泵输出停止信号。在JP-A 11-302001 (KOKAI)(下面称为"参考文件3")中，描述了 一种用于从重整器中产生的含有氢的气体中去除CO的CO去除器。 该CO去除器具有空气馈入端口，该端口与用于调整空气流量的双金 属连接，其中在高温的情况下该双金属使得空气馈入端口变窄，以便 减小馈入CO去除器的空气量，而在低温的情况下该双金属片扩张空 气馈入端口以增大馈入CO去除器的空气量。因此，CO在重整气体 中的选择性氧化燃烧受到控制，以去除CO。然而在参考文件1和2的燃料电池系统中，需要包括CPU和 RAM的微计算机来用于比较由温度传感器检测的温度和设定值以判 断结果，并响应所判断的结果来控制该系统。因此，整个燃料电池系 统的尺寸增大，而且变得很昂贵，从而不适于用作手持电子设备的电 源。此外，在微计算机中可能进行错误的操作，从而无法有效避免由 于该错误操作而导致的异常操作(过热操作)。另一方面，由于在参考 文件3的燃料电池系统中只控制CO在重整气体中的选择性氧化燃烧 反应，因此该系统无法应付在重整器中偶然发生的隔热结构的损坏。发明内容本发明的目的是要提供一种安全而高度可靠的燃料重整装置和燃 料电池系统，其具有小而简单的结构，其可以快速应付诸如隔热容器 的破损的事故或偶然发生的故障。根据本发明的一个方面，提供了一种燃料重整装置，包括重整 器，用于重整液体燃料以产生含氢气体；燃烧器，用于利用氧化剂燃 烧氢以获得用于加热重整器的燃烧热；包围重整器和燃烧器的隔热容 器；热敏开关，其在隔热容器的外壁的温度超过设定值时执行开关操 作；燃料供应部件，其具有通过热敏开关从电源接收电流馈送的第一 电驱动部件，并且在所述温度等于或低于所述设定值时向重整器提供 液体燃料；以及氧化剂供应部件，其向燃烧器提供氧化剂。根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料重整装置，包括重 整器，用于重整液体燃料以产生含氢气体；燃烧器，用于利用氧化剂 燃烧氢以获得用于加热重整器的燃烧热；包围重整器和燃烧器的隔热 容器；热敏开关，其在隔热容器的外壁的温度超过设定值时执行开关 操作；电流产生部件，其通过热敏开关的开关操作产生接通/断开的 电流；燃料供应部件，其具有通过从电流产生部件接收电流馈送而操 作的第一电驱动部件，并且在所述温度等于或低于所述设定值时向重 整器提供液体燃料；以及氧化剂供应部件，其向燃烧器提供氧化剂。此外，根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池系统，其 包括根据第一或第二方面的燃料重整装置；以及燃料电池单元，其具 有阴极(cathode)电极、用于接收由重整器产生的含氢气体的阳极 (anode)电极、以及电解液隔膜。


图l是示意性示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的图； 图2是示意性示出隔热容器的透视图；图3是示出具有第一实施例中的热敏开关的驱动电路的示例的图；图4A是示出在接通(ON)状态下热熔丝的内部透视截面图； 图4B是示出在断开(OFF)状态下热熔丝的内部透视截面图5A是示出在接通状态下磁性材料开关装置的内部透视截面图；图5B是示出在断开状态下磁性材料开关装置的内部透视截面图；图6是示出具有第一实施例中的热敏开关的驱动电路的另一个示例的图；图7是示意性示出根据第一实施例的燃料电池系统的变型的图；图8是示出图7的热敏开关的电线连接条件的图；图9是示出具有第二实施例中的热敏开关的驱动电路的示例的图；图10是示出具有第二实施例中的热敏开关的驱动电路的另一个示例的图；图11示出具有第三实施例中的热敏开关的驱动电路的图； 图12示意性示出根据第四实施例的燃料电池系统的图； 图13是示出第四实施例中的驱动电路的示例的图； 图14是示出具有笫四实施例中的热敏开关的驱动电路的另一个 示例的图。
具体实施方式
下面参照附图描述实施本发明的各种方式。 (第一实施例)参照图1至图6描述根据本发明第一实施例的燃料电池系统。 如图1所示，燃料电池系统1具有燃料电池单元2和燃料重整装 置10。燃料电池单元2具有通过层叠燃料电极(阳极(anode)电极)3、 电解液隔膜5和氧化剂电极(阴极(cathode)电极)4而制备出的发电叠 层。燃料电池单元2可以具有单个或多个发电叠层，通常燃料电池单 元2具有多个发电叠层。此外，燃料电池2具有风扇72，用于向阴 极电极4运送氧化剂(空气)。燃料重整装置10用于从液体燃料产生含氢的气体作为重整气
体，并将重整气体提供给燃料电池单元2。燃料重整装置10具有 重整器15，用于重整液体燃料以产生含氢的气体；以及燃烧器18， 用于将氢气与氧化剂一起燃烧以使用所产生的燃烧热来加热重整器 15。燃料重整装置10通常还具有蒸馏器14，用于在将液体燃料传送 给重整器15之前将其蒸发。此外，燃料重整装置10还可以具有 CO转化器16，用于将包含在从重整器15获得的含氢气体中的一氧 化碳(CO)转化为二氧化碳(C02);以及CO去除器17，用于从CO转 化器16中去除包含在含氢气体中的CO。由于重整器15中的重整反应是在300。C到700°C的高温范围中 进行的，因此燃料重整装置10的主要部件即蒸馏器14、重整器15、 CO转化器16、 CO去除器17和燃烧器18都包含在隔热容器13 中。在该隔热容器13之外，设置了用于向重整器15提供液体燃料的 燃料供应部件30、以及用于向燃烧器18提供氧化剂的氧化剂供应部 件20。氧化剂供应部件20具有用作第二电驱动部件的空气泵22。隔热容器13是具有密封双壁结构的真空隔热容器，其中在双壁 结构的外壁13c和内壁13d之间是真空。包围该真空的壁表面被具有 低放射率的金属膜如Ag膜覆盖，或者被具有低放射率的金属箔如铜 箔和铝箔覆盖。如图2所示，隔热容器13例如由薄矩形盒构成，该盒的垂直于 其纵向一侧的方向上的端部表面(具有最小面积的表面)是开放的(开口 13a)。隔热盖子13b可拆卸地附接到隔热容器13以关闭开口 13a。 隔热盖子13b可以由隔热材料如矿物棉、陶瓷纤维、硅酸钙、刚性泡 沫尿烷、瓷砖、合成隔热材料和连通的蜂窝结构材料。合成隔热材料 的例子包括通过在陶瓷纤维层或硅酸钙层的表面上叠加Al层而制备 出的叠层。连通蜂窝结构材料的例子包括陶瓷粉末烧结体，其用无机 纤维加固并具有连通的蜂窝(未闭合的蜂窝)，每个蜂窝的直径为 O.lnm或更小,如"Microtherm"(商标；由Nippon Microtherm有卩艮 公司制造)。相对于其它来说，连通蜂窝结构材料即使在150°C的高 温下也展示出足够的耐热性。尽管在本实施例中隔热容器13具有扁平矩形平行六面体的形状，但也可以采用立方体、圆柱体或椭圆柱体 的形状。蒸馏器14通过线L2与燃料供应部件30连接，同时蒸馏器14通 过线L3与重整器15连接。在图1中，尽管为方l更起见蒸馏器14显 示在远离燃烧器18的位置处，但是实际上蒸馏器14设置得与燃烧器 18紧密相邻，燃烧器18中的燃烧的热能通过热传递板(如铜板)(未示 出)传递给蒸馏器14,由此流经蒸馏器14内部的燃料被加热和蒸发。 在蒸馏器14内部，提供蛇形或平行的管道流动路径。当通过线L2 向蒸馏器14提供液体燃料时，该液体燃料被燃烧器18加热，从而在 流经蒸馏器14的内部流动路径的同时蒸发。重整器15重整被蒸馏器14蒸发并通过线L3引入重整器15中的 液体燃料，以产生含氢的气体(重整气体)。在重整器15内部，像在 蒸馏器14中那样形成蛇形或平行的管道流动路径，而且该流动路径 设置为使得蒸发的燃料在其中循环。该流动路径的内壁由阳极化的多 孔体制成，该多孔体中充满重整催化剂。该重整催化剂促进从蒸发后 的燃料到重整气体的重整反应。重整器15与燃烧器18接触，使得来自燃烧器18的燃烧热有效 地传递给重整器15。为了将燃烧器18内产生的燃烧热有效地传递给 重整器15的内部，期望构成重整器15的反应容器的至少一部分由具 有高度热传导性的材料制成。用作反应容器的材料的例子包括铝、 铜、铝合金和铜合金。可以使用具有优秀抗蚀性的不锈钢，尽管不锈 钢具有比铝、铜等低的热传导系数。重整器15的反应容器可以根据通用机械加工方法或模塑方法来 形成。通用机械加工方法的例子包括电火花机械加工、碾磨机械加工 等。另一方面，通用模塑方法的例子包括锻造处理、浇铸处理等。此 外，机械加工方法可以结合模塑方法使用，例如使得通过浇铸处理模 塑出没有入口管道和出口管道的反应容器，然后通过机械加工方法如 钻孔处理钻出通孔，接着对这样处理的反应容器焊接管道材料。作为在重整器15中使用的重整催化剂，在用甲醇作为燃料的情 况下可以使用Cu/ZnO/y-氧化铝，或Pd/ZnO、賴-氧化铝基催化剂 (Pt/Al203)等等。这种重整催化剂促进以下公式(l)的反应，即将甲醇 重整成氢和二氧化碳的蒸汽重整反应。 CH3OH+H20—3H2+C02 (1)在燃料包含二甲基乙醚时，可以使用Pd/ZnO和y-氧化铝的混合 物或铂—氧化铝基催化剂(Pt/Ah03)等等。这种重整催化剂促进以下 公式(2)表示的反应，即二甲基乙醚的蒸汽重整反应。CH;jOCH3+3H20—6H2+2C02 (2)在铂-氧化铝基催化剂中，优选Pt支持量(Pt-s叩porting amount)从质量的0.25%或更多，到质量的1.0%或更少。当流动路径 的内壁充满支持贵金属的重整催化剂时，可以提高重整器15的耐用 性。重整催化剂有效工作的温度范围从200到400。C。优选控制重整 器15的温度，使得重整催化剂的表面温度处于200到400。C的范围 内。作为氢以外的副产品，重整气体包含二氧化碳和一氧化碳。 一氧 化碳(CO)恶化了燃料电极3的阳极催化剂，成为降低燃料电池单元2 的发电性能的原因。因此，优选重整气体从重整器15通过线L4传 送到CO转化器16，将一氧化碳转移反应为二氧化碳和氢，以减小 CO的浓度，并进一步增大氢的产量。CO转化器16的基本结构与重整器15的基本结构相同。在CO 转化器16内部，与重整器15的情况一样设置蛇形流动路径或同向流 动路径。该流动路径的多孔内壁被充满转移反应催化剂。该转移反应 催化剂通过在耐热载体上支持贵金属如Pt、 Pd和Ru来制备。这种 转移反应催化剂加速根据以下公式(3)的转移反应，其中 一氧化碳进 一步转化为二氧化碳以提高氢的产量。CO+H20—H2+C02 (3)用Ce、 Re等等稳定化的氧化铝载体可以用作转移反应催化剂。 此外，除上述之外，公知的Cu/ZnO基催化剂也可以用作转移反应催 化剂。但是，在希望提高CO转化器16的耐用性的情况下，优选使 用用包括Pt在内的贵金属支持的催化剂。CO转移反应催化剂有效 工作的温度范围从200到300。C。因此，优选利用燃烧器18来控制 CO转化器16的温度，使得CO转移反应催化剂的表面温度处于200 到300°C的范围内。在CO转化器16内经过了转移反应的重整气体仍然包含约1% 到2%的一氧化碳。 一氧化碳如上所述恶化燃料电池的阳极催化剂， 从而成为降低发电性能的原因。为此，优选重整气体从CO转化器 16经过线L5传递到CO去除器17，并进一步从重整气体中去除一 氧化碳。CO去除器17的基本结构与重整器15的基本结构相同。即，与 重整器15和CO转化器16 —样，在CO去除器17内部设置了蛇形 流动路径或同向流动路径。该流动路径的内壁由阳极化的多孔体制 成，该多孔体内充满了包括Ru在内的甲烷化反应催化剂。这种甲烷 化反应催化剂促进包含在重整气体内的 一 氧化碳的甲烷化反应。CO去除器17根据以下公式(4)的反应将重整气体中的一氧化碳 甲烷化，以便从该重整气体中去除一氧化碳，直到CO浓度达到 lOOppm或更寸氐为止。CO+3H2—CH4+H20 (4)这种甲烷化反应催化剂的例子包括包含Ru/Al203、 Ru/沸石、 Ru/Al203、或Ru/沸石作为主成分并且受到Mg、 Ca、 K、 La、 Ce和 Re中至少一种元素支持的催化剂。CO去除器17的出口通过线L6与燃料电池单元2的阳极电极3 连接。线L6穿过隔热盖子13b而从隔热容器13中引出，并连接到 燃料电池单元2的阳极电极3。去除了一氧化碳的重整气体从CO去 除器17通过线L6提供给阳极电极3，而且其与空气中的氧反应以发 电。两个供应线L7和L9以及一个排出线L8连接到燃烧器18。供 应线L7设置在燃料电池单元2的阳极电极3和燃烧器18之间。供 应线L9设置在空气泵22和燃烧器18之间。通过线L7，未反应的含
氢气体(在发电反应之前的重整气体)从阳极电极3提供给燃烧器18， 并且在通过线L9提供从空气泵22排出的空气时，通过氧化燃烧反 应产生燃烧热。所产生的燃烧热用于加热蒸镛器14、重整器15、 CO 转化器16和CO去除器17。线L8连接到燃烧器18，以将燃烧气体 排出到隔热容器13的外部。排出线L8穿过隔热盖子13b而从隔热 容器13引出，并且其与燃料电池系统的外部连通。燃烧器18的基本结构与重整器15的相同。即，在燃烧器18内 部设置蛇形或平行的管道流动路径。该流动路径的内壁由阳极化的多 孔体制成，该多孔体内充满燃烧催化剂如从由诸如Pt、 Pd或其混合 物的贵金属支持的多孔体获得的氧化铝。用贵金属作为燃烧催化剂的 原因是在燃料电池系统停止时，这些贵金属几乎不被侵入系统的空气 氧化和降级。当在燃烧器18中使用由除贵金属之外的金属支持的催 化剂时，需要提供补充设施来防止该催化剂的氧化。加热器(未示出) 可以与燃烧器18连接，由此燃烧热可以与加热器产生的热量一起被 使用。作为加热器，可以使用例如通过在铝板上施加陶瓷加热器来制 备的加热器、通过在铝板中嵌入加热棒制备的加热器等等。燃料供应部件30具有燃料容器31、用作电驱动部件的燃料泵31 和燃料停止阀33。在燃料容器31中，存放包括含有碳和氢的有机化 合物的液体燃料，如甲醇；甲醇和水的混合物；二甲基乙醚和水的混 合物；或二甲基乙醚、水和醇的混合物。作为醇，甲醇、乙醇等等都 是优选的。其中甲醇是特别优选的，因为二甲基乙醚和水的互溶性由 此得到了提高。燃料容器31、燃料泵32和燃料停止阀33通过燃料 供应线Ll按照该顺序串联连接。在驱动泵32时，燃料容器30中的 燃料从泵32中排出，而且通过燃料供应线Ll提供给重整器15。下面描述燃料电池单元2的细节。阳极电极3和阴极电极4分别 是由通过用防水树脂结合材料如聚四氟乙烯(PTFE)保持由例如Pt支 持的碳黑粉末而制备的多孔片材制成。电解液隔膜5例如是具有阳离 子交换基团如磺酸基团或羧酸基团的碳氟化合物聚合物；基本高分子 化合物如掺杂了磷酸的聚苯并咪唑(PBI)，如"Nafion"(Du Pont公司 的商标)；等等。阳极电极3和阴极电极4可以含有磺酸类型的全氟碳化合物(perfluorocarbon)聚合物，或涂敷有该全氟碳化合物聚合物 的精细颗津立。提供给阳极电极3的重整气体中的氢在阳极电极3中进行以下公 式(5)所表示的反应。H2—2H++2e- (5)另一方面，提供给阴极电极4的氧气在阴极电极4中进行以下公 式(6)所表示的反应。l/202+2H++2e —H20 (6)热敏开关19与隔热容器13的外壁13c连接，优选热敏开关在重 整器15的附近与外壁13c接触。只要外壁13c的温度在设定值内， 热敏开关19就保持接通状态，而例如当隔热容器13被损坏时，外壁 13c的温度上升，其温度超过设定值，从而热敏开关19变成断开状 态。如图3所示，燃料泵32的电枢线團32a通过热敏开关19与电源 9连接。换句话说，热敏开关19与电枢线圏32a相对于电源9串联 连接。燃料泵32由包括电枢线圏32a的DC电机和由该DC电机驱 动的叶轮构成。当隔热容器13的外壁的温度超过设定值而使得热敏开关19变成 断开状态时，停止从电源9向燃料泵32的电枢线圏32a传送能量。 结果燃料泵32停止，燃料不再从燃料供应部件30提供给重整器 15。根据如上所述的配置，防止燃料重整装置10中发生异常温度上 升，由此提高燃料电池系统l的安全性。尽管用本发明系统中的燃料电池单元2作为电源9，但是还可以 使用外部电源如二次电池或其它燃料电池单元。在使用这种外部电源 时，燃料泵32可以快速启动。此外，可以这样设置，用外部电源作 为启动器电源，而在启动燃料电池系统1之后用燃料电池单元2作为 电源9。燃料停止阀33是通过线L2与蒸馏器14的入口连接的电磁阀。
停止阀33可以设置为手动关闭，或者通过下面描述的热敏开关19(如 双金属开关装置)自动关闭。在停止阀33关闭时，从燃料供应部件30 到蒸馏器14的燃料供应遭到停止，然后在重整器15中的重整反应 (上述反应(1)和(2))停止。热敏开关19是一种具有温度检测功能的开关。当检测的温度超 过如上所述的设定值(操作温度)时，该开关执行开关操作(接通/断开 操作)。就热敏开关19而言，可以使用非返回型或返回型开关。"非 返回型热敏开关"的意思是一旦变成断开状态就不能返回到最初的接 通状态的开关；其例子包括热熔丝和磁性材料开关装置。因此，这种 非返回型热敏开关在其变成断开状态之后进一步使用之前不可避免地 要被备用开关所取代。"返回型热敏开关"的意思是在变成断开状态之 后可以返回最初的接通状态的开关。因此，这种开关即使在变成断开 状态之后也不需要被备用开关所取代。返回型热敏开关的例子包括正 温度系数(PTC)热敏电阻器、负温度系数(NTC)热敏电阻器和双金属 开关。当考虑到燃料电池的安全性很重要时，优选使用非返回型热熔 丝或磁性材料开关。"双金属开关"的意思是通过双金属的热移位来实 现接通/断开操作的开关。"磁性材料开关"的意思是利用磁性材料的 铁磁性在超过居里点(居里温度)的温度范围内消失这样的特性来实现 接通/断开操作的开关。图4A和4B示出可用于热敏开关19的^^知热熔丝。热熔丝例如 是可熔合金类型的热熔丝。在这种类型的热熔丝中， 一对引线40和 41通过在它们之间设置可熔材料39来彼此电连接，如图4A所示。 该可熔材料39通过用主要包含松香(松焦油)的树脂39a覆盖低熔点 合金(可熔合金)39b来制成。树脂39a展现出这样的特性，即其在超 过合金39b的熔点的温度范围内液化，而在低于合金39b的熔点的温 度范围内迅速凝固。可熔金属39包含在绝缘盒43中，而且在该盒子43的两端由环 氧树脂44密封以保证气密性的条件下引线40和41分别从盒43中引 出。由于隔热容器的外壁的温度上升，当该温度超过合金39b的熔点 时，合金39b融化而断裂，从而引线40和41的分离的每一端都被覆 盖上树脂39a,如图4B所示，从而该电路断开。要注意尽管在此描 述可熔合金类型的热熔丝的例子作为热敏开关，还可以使用对温度敏 感的球型热熔丝。下面，参照图5A和5B描述用磁性材料开关装置作为热敏开关 19的例子。在磁性材料开关装置中，当对温度敏感的磁性材料55与 永久磁铁56接触时，磁性材料开关装置处于接通状态，如图5A所 示。另一方面，当对温度敏感的磁性材料与永久磁铁56分离时，磁 性材料开关装置处于断开状态，如图5B所示。磁性材料开关装置中的一对引线45和46与驱动电路(未示出)的 接地侧连接。引线45和46分别通过可移动端子47和48以及固定端 子49和50而彼此连接。可移动端子47和48分别由弹簧51和52供 能，这些可移动端子在分别与固定端子49和50接触的状态下是导电 的，如图5A所示。引线45、可移动端子47和48以及弹簧51和52 附接到一个绝缘盒53。引线46、固定端子49和50附接到另一个绝 缘盒54。对温度敏感的磁性材料55附接到前一个绝缘盒53，而永久磁铁 56附接到另一个绝缘盒54。对温度敏感的磁性材料55设置为与永久 磁铁56相对。对温度敏感的磁性材料55具有预定的居里点。对温度敏感的磁 性材料55在低于居里点的温度下展现出铁磁性。结果，在对温度敏 感的磁性材料55和永久磁铁56之间出现显著的吸引力。由于由此出 现的吸引力超过弹簧51和52的激励力，保持开关的接通状态，如图 5A所示。但是，当隔热容器13的外壁13c温度上升而且对温度敏感 的磁性材料55的温度超过居里点时，对温度敏感的磁性材料55失去 铁磁性，从而在对温度敏感的磁性材料55和永久磁铁56之间出现的 吸引力消失。结果，在绝缘盒53和绝缘盒54之间由于弹簧51和52 的激励力出现排斥力，由此可移动端子47和48分别与固定，子49 和50脱离，从而导致开关的断开状态。
可以用公知的PTC热敏电阻器作为热敏开关19。对于PCT热敏 电阻器，例如可以使用通过向作为绝缘材料的聚合物加入导电的碳填 料而制成的聚合物PTC、含有钛酸钡(BaTi03)作为主要成分的陶乾 PTC等作为热敏开关19。此外，可以用公知的NTC热敏电阻器作为 热敏开关19。对于NTC热敏电阻器，例如可以4吏用Mn、 Co、 Ni、 Fe等等的氧化物烧结体。下面参照图6描述第一实施例的变型。根据图6，热敏开关19 的两端分别与驱动电路(电流产生部件)60的控制端子61和接地端子 62连接。接地端子62连接到地GND。用作电流产生部件的驱动电 路60包括上拉电阻器63、反相器64和晶体管65，如N沟道型 MOS场效应晶体管(MOSFET)。控制端子61通过电阻器63与电源 VCC连接，同时通过反相器64与晶体管65的栅极端子连接。晶体 管65的漏极端子与燃料泵32的电枢线團32a的一端连接。晶体管 65的源极端子连接到地GND。电枢线圏32a的另一端与电源VCC 连接。对于电源VCC,与图3所示的电源9的情况一样，可以使用 燃料电池单元2，或者可以使用外部电源如二次电池或其它燃料电池 单元。对于热敏开关19，例如使用热熔丝。当热敏开关19处于接通 状态时，控制端子61的电位是地电位，即为处于低电平(低)。因 此，反相器64的输出，即晶体管65的栅极端子上的电位是高电平 (高)，从而晶体管65变成接通状态。由此，电流经过晶体管65流过 电枢线圏32a，由此燃料泵32释放出燃料使得该燃料从燃料供应部 件30提供给重整器18。另一方面，当外壁13c的温度例如由于隔热容器13的破损而超 过设定值，而且热敏开关19变成断开状态时，控制端子61变成H 电平(高电平)，而反相器64的输出变成L电平(低电平)。结果，晶体 管65变成断开状态，由此提供给电枢线圏32a的电流被切断，从而 燃料泵32停止，导致停止从燃料供应部件30向重整器15供应燃 料。根据本实施例，即使隔热容器13破损，热敏开关19仍然由于外 壁13c的异常温度升高而变成断开状态。由此燃料泵32停止，向重 整器15的燃料供应也停止。结果重整器15中的重整反应停止，由此 防止隔热容器13的外壁13c或其周围部件被过分加热。因此，尤其 是改善了装置相对于在其掉落时受到的外部沖击的安全性。因此，根 据本实施例的燃料电池系统可以安全地用作在手持或小型电子设备如 笔记本大小的个人计算机中使用的电源以及便携式电源；由此本实施 例的燃料电池系统展现出很高的可靠性。如图7所示，多个热敏开关19a至19e可以设置在隔热容器13 的外壁13c上的多个位置处。在热敏开关19a至19e中，例如热敏开 关19a和19c分别设置在隔热容器13的主表面上以彼此相对；热敏 开关19b和19d分别设置在隔热容器13的侧表面上以彼此相对；热 敏开关19e设置在隔热容器13的端部表面上。没有热敏开关附接到 用于关闭开口 13d的隔热盖子13b。这是因为线L2、 L6、 L7、 L8、 L9穿过隔热盖子13b而导致没有空间来附接这样的热敏开关。热敏开关19a至19e如图8所示相互串联连接。即，如图3或图 6所示的热敏开关19被多个彼此串联连接的热敏开关19a至19e所 取代。在这种情况下，当至少一个热敏开关19a至19e变成断开条件 时，燃料泵32就停止以中断对重整器15的燃料供应。可以针对热敏开关19a、 19b、 19c、 19d、 19e组合分别具有互不 相同的设定值(操作温度)的热敏开关。例如，返回型热敏开关可以与 非返回型热敏开关组合。例如，操作温度为70。C的返回型热敏开关 (例如PTC热敏电阻器)可以与操作温度为130°C的非返回型热敏开 关(例如热熔丝)组合。根据如上所述的布置，当在隔热容器13受到 轻度破损的情况下返回型热敏开关返回时，可以再次启动燃料重整装 置10的操作。在隔热容器13受到严重损坏的情况下，包括热敏开关 在内的整个损坏的燃料电池3，可以换成全新的。(第二实施例)下面参照图9和图10描述根据第二实施例的燃料电池系统。将 省略对本实施例的与第一实施例重复的部分的描述。
在本实施例的燃料电池系统中，例如燃料泵32的电枢线團32a 和空气泵32的电枢线團22a通过热敏开关19与电源9连接，如图9 所示。换句话说，热敏开关19与电枢线圏32a和22a相对于电源9 串联连接。当隔热容器13的外壁13c的温度超过设定值从而热敏开关19变 成断开条件时，从电源9到燃料泵32的电枢线團32a和空气泵22的 电枢线團22a的电力馈送停止。结果，与在第一实施例中一样，燃料 泵32停止，由此从燃料供应部件30到重整器15的燃料供应也停 止。此外，空气泵22停止，从氧化剂供应部件20到燃烧器18的氧 化剂供应也停止。下面参照图IO描述第二实施例的变型。如图IO所示的驱动电路 60A是向图6所示的驱动电路60再加入一个晶体管66如N沟道型 MOSFET形成的。与晶体管65 —样，晶体管66的栅极端子通过反 相器64与控制端子61连接。晶体管66的漏极端子与空气泵22的电 枢线圏22a的一端连接。晶体管66的源极端子连接到地GND。电枢 线圏22a的另一端与电源VCC连接。在隔热容器13的外壁13c的温度等于或低于设定值而且热敏开 关19(例如使用热熔丝)处于接通状态的情况下，控制端子61的电位 如上所述处于L电平。因此，反相器64的输出，即晶体管65和66 的栅极端子变成H电平，从而晶体管66与晶体管65 —起变成接通 状态。在这种情况下，由于电流经过晶体管66流过电枢线團22a， 因此空气泵22释放出空气，从而该空气即氧化剂从氧化剂供应部件 20提供给燃烧器18。另一方面，当外壁13c的温度由于例如隔热容器13的破损而超 过设定值从而使热敏开关19变成断开状态时，控制端子61的电位变 成H电平，而反相器64的输出变成L电平。由此，晶体管66与晶 体管65 —起变成断开状态，由此向电枢线圏22a的电力馈送被切 断，从而空气泵22停止，导致向燃烧器18的氧化剂供应停止。根据第二实施例，当隔热容器13的外壁13c的温度超过设定值
时，空气泵22停止，此外还加上上述燃料泵32的停止，由此更为积 极地防止燃料重整装置10的异常温度升高，从而进一步提高燃料电 池系统1的安全性。即，可以防止隔热容器13的外壁13c的温度继 续上升，这种温度上升即使在液体燃料停止供应之后仍可能继续.这 种温度继续上升是由于留在线L2至L7、重整器15的流动路径或燃 料电池单元2中的燃烧气体继续在燃烧器18中燃烧。如上所述，当 隔热容器13的外壁13c的温度超过设定值时，重整器15中的重整反 应和燃烧器18中的燃烧反应都停止，由此更为积极地防止隔热容器 13的外壁13c及其周围部件过热。因此，进一步改善了该装置相对 于尤其在其掉落时受到的外部冲击的安全性。在停止空气泵22的情况下，为了进一步防止流入燃烧器18的未 反应可燃气体在还没有燃烧的情况下泄漏到外部，可以在排出线L8 的下游中在隔热容器13的外部设置催化燃烧器。(第三实施例)下面参照图11描述第三实施例的燃料电池系统。将省略对本实 施例的与第二实施例重复的部分的描述。根据本实施例的燃料电池系统，如图11所示的驱动电路60B是 向图10所示的驱动电路60A再加入一个晶体管67如N沟道型 MOSFET和一个定时器电路68形成的。与晶体管65和66的情况一 样，晶体管67的栅极端子通过反相器64与控制端子61连接。晶体 管67的漏极端子与风扇72的电机的电枢线围72a的一端连接。晶体 管67的源极端子连接到地GND。电枢线團72a的另一端与电源vcc连接。定时器电路68是时间常数电路，包括彼此串联连接的电阻器R 和和电容器C。电阻器R的一端通过反相器64与控制端子61连 接，电阻器R的另一端和电容器C的一端的接触点连接到晶体管67 的栅极端子。电容器C的另一端连接到地GND。根据本实施例，当如图10所述隔热容器13的温度超过设定值 时，燃料泵32和空气泵22停止，此外风扇72也停止。在这种情况
下，当燃料泵32、空气泵22和风扇72都同时停止时，含有大量未 反应氢气的废气从燃料电池单元2流入燃烧器18，因此这是不期望 的。因此，在本实施例中，在燃料泵32和空气泵22停止的预定延迟 之后，风扇72停止。下面描述具体的操作。在隔热容器13的外壁温度等于或低于设定值并且热敏开关19处 于接通状态的稳定状态下，控制端子61的电位是L电平，而晶体管 65和66的栅极端子的电位如上所述是H电平，从而晶体管65和66 分别为接通状态。在这种情况下，由于电流通过晶体管65和66分别 流进电枢线團32a和22a，因此燃料泵32排出液体燃料，同时空气 泵22排出空气。由此，该液体燃料从燃料供应部件30提供给重整器 15，同时氧化剂从氧化剂供应部件20提供给燃烧器18。另一方面，当外壁13c的温度由于例如隔热容器13破损等而超 过设定值使得热敏开关19变成断开状态时，控制端子61的电位变成 H电平，而晶体管65和66的栅极端子的电位变成L电平，从而晶 体管65和66都变成断开状态。结果，向电枢线圏32a和22a的电流 馈送被切断，由此燃料泵32和空气泵22都停止，从而向重整器15 的液体燃料供应以及向燃烧器18的氧化剂供应也停止。在这种情况 下，即使晶体管65和66的栅极端子变成L电平，仍然保留了电容 器C的充电电压，从而晶体管67的栅极端子仍为H电平。因此，即 使燃料泵32和空气泵22停止，风扇72继续操作。然后，当隔热容器13的外壁温度超过设定值而且从热敏开关19 变成断开状态的时刻到CR的时间常数确定的时刻为止经过一定的时 间段，定时器电路68的输出，即晶体管67的栅极端子变成低(L)， 由此晶体管67变成断开状态。由此，馈送到电枢线團72a的电流被 切断，从而风扇72停止。如上所述，风扇72在从燃料泵32和空气 泵22停止时起经过一定时间段的延迟的定时停止。如上所述，根据本实施例，由于在向重整器15的燃料供应和向 燃烧器18的氧化剂供应都停止之后经过一定时间段的延迟之后才停 止向燃料电池单元的阴极电极4供应空气，因此可以防止燃烧器18
过热。这是因为，当与燃料供应的停止和氧化剂供应的停止同时地停止向阴极电极4供应空气时，保留在流动路径L3至L7中的额外的 重整气体(未反应气体)会进入燃烧器18并在其中燃烧。具体地说， 在燃料重整装置10中蒸馏器14、重整器15、 CO转化器16和CO 去除器17分别具有很长的流动路径，因此在通过定时器电路68设定 足够的延迟时间时，这些流动路径中的剩余的重整气体(未反应可燃 气体)的量减少，从而防止燃烧器18过热。 (第四实施例)下面，参照图12描述根据第四实施例的燃料电池系统1C。本实 施例中与第一至第三实施例重复的部分的描述被省略。在本实施例的燃料电池系统1C中，通过热敏开关19的开关操 作对燃料供应部件30中的第一停止阀33和氧化剂供应部件20的第 二停止阀23打开(open)和关闭(close)操作进行接通/断开控制，由此 控制液体燃料和氧化剂的供应。即，如图12所示，燃料供应部件30具有燃料停止阀33，而氧 化剂供应部件20具有氧化剂停止阀23。停止阀33和23分别都是电 磁阀。停止阀33和23都在燃料电池系统1C的稳定操作的情况下打 开，但是当电流流过电枢线圏33a和23a时，这些停止阀关闭，即它 们是所谓常开类型的自锁阀。如图13所示，燃料停止阀33的电枢线圏33a和氧化剂停止阀 23的电枢线圏23a通过热敏开关19与电源9连接。换句话说，热敏 开关19相对于电源9与电枢线圏33a和23a串联连接。在此，用诸 如双金属开关的常断型开关作为热敏开关19。该双金属开关是利用 双金属的热变形执行接通/断开操作的开关，而且通常由双金属制成 的可移动端子和固定触点构成。在用这种双金属开关作为热敏开关19的情况下，当隔热容器13 的外壁13c的温度超过设定值时，热敏开关19变成接通状态。当热 敏开关19处于接通状态时，从电源9向电枢线圏33a和,23a馈送电 流。结果燃料停止阀33关闭，由此停止从燃料供应部件30向重整器15供应燃料。此外，当氧化剂停止阀23停止时，也停止从氧化剂供 应部件20向燃烧器18供应氧化剂。因此，重整器15中的重整反应 和燃烧器18中的氧化燃烧反应不会继续，由此可以防止隔热容器13 的外壁13c的异常温度上升(过热)。图14示出本实施例的变型，并且使用与图10所示的驱动电路 60A相同的驱动电路60C。但是，常通型的热敏开关19如热熔丝被 常关型开关如双金属开关所取代。晶体管65和66的漏极端子与电枢 线圏33a和23a的各一端连接。晶体管65的源极端子连接到地 GND。电枢线圏33a和23a的另一端与电源VCC连接。与图3所示 的电源9的情况相同，可以用燃料电池单元2作为电源VCC，或者 可以用外部电源如二次电池或其它燃料电池单元作为电源VCC。由于热敏开关19在稳定状态时处于断开状态，因此控制端子61 是H电平，而反相器64的输出变成L电平，晶体管65和66是断开 状态。因此，向电枢线圏33a和23a的电流馈送被切断，从而停止阀 33和23 —起打开。另一方面，当外壁的温度例如由于隔热容器13的破损而超过设 定值从而使热敏开关19变成接通状态时，控制端子61的电位是L 电平，而晶体管65和66的栅极端子的电位是H电平，由此晶体管 65和66都变成接通状态。由此，电流被馈入电枢线圏33a和23a， 从而停止阀33和23都闭合。因此，停止向重整器15的液体燃料供 应和向燃烧器18的氧化剂(空气)供应。根据本发明，可以提供一种安全和高度可靠的燃料重整装置和燃 料电池系统，其具有紧凑和简单的结构，可以应付诸如隔热容器破损 等等的事故或偶然出现的异常条件。其它优点和变型对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此， 本发明在其宽泛方面不限于在此示出和描述的具体细节和代表性实施 例。在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的总的发明构思的精神 或范围的情况下，可以进行各种修改。
权利要求
1.一种燃料重整装置，包括重整器，用于重整液体燃料以产生含氢气体；燃烧器，用于利用氧化剂燃烧氢以获得用于加热重整器的燃烧热；包围重整器和燃烧器的隔热容器；热敏开关，其在隔热容器的外壁的温度超过设定值时执行开关操作；燃料供应部件，其具有通过热敏开关从电源接收电流馈送的第一电驱动部件，并且在所述温度等于或低于所述设定值时向重整器提供液体燃料；以及氧化剂供应部件，其向燃烧器提供氧化剂。
2，根据权利要求l的燃料重整装置，其中所述热敏开关配置为 当所述温度超过所述设定值时从接通状态转换到断开状态；并且所述 第一电驱动部件包括第一泵，所述第一泵在从电源经热敏开关而馈入 电流时操作以排出液体燃料。
3. 根据权利要求l的燃料重整装置，其中所述热敏开关配置为 当所述温度超过所述设定值时从断开状态转换到接通状态；所述第一 电驱动部件包括第一停止阀，所述第一停止阀在稳定状态下打开以向 重整器提供液体燃料，而在从电源经热敏开关馈入电流时关闭。
4. 根据权利要求i的燃料重整装置，其中所述氧化剂供应部件 具有通过从电源经热敏开关接收电流馈送来操作的第二电驱动部件， 并在所述温度等于或低于所述设定值时向燃烧器提供氧化剂。
5. 根据权利要求4的燃料重整装置，其中所述热敏开关配置为 当所述温度超过所述设定值时从接通状态转换到断开状态；并且所述 第二电驱动部件包括第二泵，所述第二泵在从电源经热敏开关馈入电 流时排出氧化剂。
6. 根据权利要求4的燃料重整装置，其中所述第二电驱动部件 包括第二停止阀，所述第二停止阀在稳定状态下打开以向燃烧器提供 氧化剂，而在从电源经热敏开关馈入电流时关闭。
7. 根据权利要求1的燃料重整装置，其中所述热敏开关是从 PTC热敏电阻器、NTC热敏电阻器、热熔丝、双金属开关装置和磁 性材料开关装置中选择的任何一种元件。
8. 根据权利要求1的燃料重整装置，还包括CO转化器，用 于根据转移反应将所述含氢气体中的一氧化碳转化和改变成二氧化 碳；以及CO去除器，用于根据甲烷化反应从所述含氢气体中去除一 氧化碳。
9. 一种燃料重整装置，包括重整器，用于重整液体燃料以产生含氢气体；燃烧器，用于利用氧化剂燃烧氢以获得用于加热重整器的燃烧热；包围重整器和燃烧器的隔热容器；热敏开关，其在隔热容器的外壁的温度超过设定值时执行开关操作；电流产生部件，其通过热敏开关的开关操作产生接通/断开的电流；燃料供应部件，其具有通过从电流产生部件接收电流馈送而操作 的第一电驱动部件，并且在所述温度等于或低于所述设定值时向重整 器提供液体燃料；以及氧化剂供应部件，其向燃烧器提供氧化剂。
10. 根据权利要求9的燃料重整装置，其中所述热敏开关的一端 与第一电位点连接；电流产生部件包括与该热敏开关的另一端连接的 控制端、以及一端与该控制端连接而另一端与第二电位点连接的上拉 电阻器；所述电流是根据控制端的电位变化来产生的。
11. 根据权利要求9的燃料重整装置，其中电流产生部件配置为 在所述温度等于或低于所述设定值时产生所述电流；并且第一电驱动 部件包括第一泵，所述第一泵通过接收所述电流的馈送来操作以排出 液体燃料。
12. 根据权利要求9的燃料重整装置，其中电流产生部件配置为 在所述温度超过所述设定值时产生所述电流；并且第一电驱动部件包 括第一停止阀，所述第一停止阀在稳定状态下打开以向重整器提供液 体燃料，并且在馈入电流时闭合。
13. 根据权利要求9的燃料重整装置，其中所述氧化剂供应部件 具有通过接收所述电流的馈送来操作的笫二电驱动部件，并且在所述 温度等于或低于所述设定值时向燃烧器提供氧化剂。
14. 根据权利要求13的燃料重整装置，其中电流产生部件配置 为在所述温度等于或低于所述设定值时产生所述电流；并且第二电驱 动部件包括第二泵，所述第二泵通过接收所述电流的馈送来操作以排 出氧化剂。
15. 根据权利要求9的燃料重整装置，其中所述热敏开关是从 PTC热敏电阻器、NTC热敏电阻器、热熔丝、双金属开关装置和磁 性材料开关装置中选择的任何一种元件。
16. 根据权利要求9的燃料重整装置，还包括CO转化器，用 于根据转移反应将所述含氢气体中的一氧化碳转化和改变成二氧化 碳；以及CO去除器，用于根据甲烷化反应从所述含氢气体中去除一 氧化碳。
17. —种燃料电池系统，包括重整器，用于重整液体燃料以产生含氢气体；燃烧器，用于利用氧化剂燃烧氢以获得用于加热重整器的燃烧热；包围重整器和燃烧器的隔热容器；热敏开关，其在隔热容器的外壁的温度超过设定值时执行开关操作；电流产生部件，其通过热敏开关的开关操作产生接通/断开的电流；燃料供应部件，其具有通过从电流产生部件接收电流馈送而操作 的第一电驱动部件，并且在所述温度等于或低于所述设定值时向重整 器提供液体燃料；氧化剂供应部件，其向燃烧器提供氧化剂；以及 燃料电池单元，其具有用于接收由重整器产生的含氢气体的阳极 电极、阴极电极、以及电解液隔膜。
18. 根据权利要求17的燃料电池系统，其中所述燃料重整装置 的燃烧器利用所述氧化剂燃烧来自阳极电极的废气中含有的氢气。
19. 根据权利要求17的燃料电池系统，还包括空气供应部件， 用于向阴极电极提供空气。
20. 根据权利要求19的燃料电池系统，其中所述空气供应部件 具有通过接收在电流产生部件中产生的电流的馈送而操作的第三电驱 动部件，并且电流产生部件还包括定时电路，其在所述温度等于或低于所述设 定值时产生所述电流，并且在从前面的开关操作起经过预定时间段之 后停止产生馈入第三电驱动部件的电流。
全文摘要
一种燃料重整装置，其具有重整器，用于加热和重整液体燃料以产生含氢气体；燃烧器，用于利用氧化剂燃烧氢以获得用于加热重整器的燃烧热；包围重整器和燃烧器的隔热容器；热敏开关，用于在隔热容器的外壁的温度超过设定值时执行开关操作；燃料供应部件，其具有通过热敏开关从电源接收电流馈送的第一电驱动部件，并且在该温度等于或低于该设定值时向重整器提供液体燃料；和氧化剂供应部件，用于向燃烧器提供氧化剂。
文档编号H01M8/04GK101154738SQ200710142430
公开日2008年4月2日 申请日期2007年8月22日 优先权日2006年9月27日
发明者五十崎义之, 北村英夫, 涉谷信男 申请人:株式会社东芝