氫產生設備,燃料電池系統和分析系統的製作方法
2023-09-23 22:26:00 1
專利名稱：氫產生設備,燃料電池系統和分析系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氫產生設備、 一種燃料電池系統以及一種分析系統。
背景技術：
近年來，考慮到化石燃料例如石油的枯竭以及化石燃料對全球環 境的影響，已經開展新能源的開發。在各種類型的能源中利用氫能的 技術吸引了注意，其中氫在行業領域中用於各種目的。因此，已經開 展使得氫和氧起反應並且提取反應的電能的燃料電池系統的研製。特 別是近年來，對於可以用作可攜式電子儀器的小型電源的燃料電池系 統的期望已經增加。
在使用燃料電池系統作為小型電源的情況下，不是使用氫氣本身 而是使用具有高能量密度的有機材料例如二甲醚和甲醇作為燃料是期 望的。上面的原因如下。在使用氬氣作為可長時間驅動的小型電源的 燃料的情況下，氫氣必須壓縮到幾十至幾百個大氣壓力以便增強能量 密度。因此，燃料容器必須製造得重而大以便保證其強度。因此，滿 足可攜式電子儀器重量輕、薄、短且小的需求是困難的。
已知一種燃料電池系統，其使用有機物質例如二甲醚和甲醇代替 氫，在安裝於系統中的重整裝置中產生氫，並且通過使用產生的氫驅 動燃料電池(例如，參考JP-A (公開)2004-319467號)。從燃料電 池中排出的未使用的氫氣在催化燃燒器中經歷催化燃燒，並且不排出
到系統外部是必要的。
但是，在JP-A (公開)2004-319467的系統中，當催化燃燒器中 的催化劑變質時，在一些情況下未使用的氫氣不能充分燃燒並且連續 地排出到設備外部。因此，通常，根據需要另外提供安全設備。
同時，已知一種系統，其通過測量催化燃燒器中的溫度來檢測催 化燃燒器的異常，例如催化劑的變質(例如，參考JP-A (公開) 2005-158597號)。
但是，JP-A (公開)2005-158597號的系統另外需要測量溫度的 測量裝置以及基於測量溫度確定異常的電子裝置。因此，設備變得復 雜且大，並且實現設備或系統整體的小型化變得困難。而且，另外需 要驅動測量裝置和電子裝置的電源。因此，系統的能量效率降低。
發明內容
本發明的一個方面在於一種氫產生設備，包括包含有機原材料的 容器；配置以從有機原材料中產生含氫氣體的氫產生單元；配置以燃 燒含氫氣體的一部分的燃燒單元；包括熱變形元件的傳感器單元，配 置以通過進一步燃燒廢氣並且傳感由廢氣燃燒引起的溫度變化而引起
濃度；以及配置以結合物理形變切斷廢氣的排出的截止閥。
本發明的另一方面在於一種燃料電池系統，包括包含有機原材料 的容器；配置以從有機原材料中產生含氫氣體的氫產生單元；配置以 從含氫氣體中去除一氧化碳的一氧化碳去除單元；配置以通過使得一 氧化碳從其中去除的含氫氣體與氧起反應來產生電功率的發電單元； 配置以燃燒從發電單元中排出的廢氣的燃燒單元；包括熱變形元件的 傳感器單元，配置以通過進一步燃燒廢氣並且傳感由廢氣燃燒引起的 溫度變化而引起的熱變形元件的物理形變來傳感從燃燒單元排出的廢 氣中可燃氣體的濃度；以及配置以結合物理形變切斷廢氣的排出的截 止閥。
本發明的再一方面在於一種包括氫產生設備的分析系統，包括
包含有機原材料的容器；配置以從有機原材料中產生含氬氣體的氬產 生單元；配置以從含氫氣體中去除一氧化碳的一氧化碳去除單元；配 置以從含氫氣體中提純氫的氫提純單元；配置以燃燒含氫氣體的一部 分的燃燒單元；包括熱變形元件的傳感器單元，配置以通過進一步燃
理形變來傳感:燃燒單k排出的廢氣中可燃氣體的濃i;以及配置以 結合物理形變切斷廢氣的排出的截止閥；以及配置以通過使用在氬提 純單元中提純的氫來分析測量目標氣體的分析設備。
圖l是說明根據第一實施方案的氫產生設備(燃料電池系統)總 體結構的實例的框圖2是說明根據第一實施方案的截止單元的第一實例的結構圖； 圖3是說明根據第一實施方案的截止單元的第二實例的結構圖4A、 4B和4C是說明圖2和圖3中顯示的傳感燃燒單元的實 例的結構圖5是說明根據第一實施方案的截止閥(機械閥)的實例的橫截 面視圖6是說明根據笫一實施方案的傳感器單元的第一實例的透視
圖7是說明圖6中顯示的裂縫連接部分的透視圖8是說明根據第一實施方案的傳感器單元的第二實例的透視
圖9是說明根據第一實施方案的傳感器單元的第三實例的透視
圖io是說明根據第一實施方案的第一修改的氫產生設備(燃料 電池系統)總體結構的框圖11是說明根據第一實施方案的第二修改的氫產生設備(燃料 電池系統)總體結構的框圖12是說明圖11中顯示的進口側截止閥的詳細結構的橫截面視
圖13是說明根據第一實施方案的第三修改的氫產生設備(燃料
電池系統)總體結構的框圖；以及
圖14是說明根據第二實施方案的氫產生設備(分析系統)總體 結構的框圖。
具體實施例方式
將參考附隨附圖描述本發明的各種實施方案。應當注意，相同或 相似的參考數字遍及附圖應用於相同或相似的部分和元件，並且將省 略或筒化相同或相似部分和元件的描述。在下面的描述中，陳述許多 細節例如具體信號值等，以提供本發明的徹底理解。但是，本發明可 以不使用這種具體細節而實踐，這對於本領域技術人員將是顯然的。
在第一和第二實施方案中，說明氫產生設備。氫產生設備從有機
材料例如乙醇和二甲醚中產生氫，將產生的氫用於各種目的例如發電 和氣體分析，並且此後，抑制包含未使用的氫的氣體排出到設備外 部。對於上述功能，例如，如圖1中所示的氫產生設備包括包含有機 原材料的容器1，從有機原材料中產生含氫氣體的氫產生單元4，部 分地燃燒含氫氣體的燃燒單元8，進一步燃燒從燃燒單元8排出的廢 氣，並且通過因燃燒引起的溫度變化而引起的物理形變傳感廢氣中可 燃氣體的濃度的傳感器單元30，以及結合物理形變切斷廢氣的排出 的截止閥20。
這裡，第一實施方案說明將氫產生設備用於燃料電池系統的情 況。第二實施方案說明將氫產生設備用於分析系統的情況。 (笫一實施方案)
-氫產生設備(燃料電池系統)-
如圖1中所示，根據第一實施方案的燃料電池系統(氫產生設 備)包括容器1,其包含包括有機原材料的燃料，從有機材料中產生 含氫氣體的氫產生單元(重整單元)4，從含氫氣體中去除一氧化碳
的一氧化碳去除單元(CO轉移單元)5,使得一氧化碳從其中去除 的含氫氣體與氧起反應並且產生電功率的發電單元(燃料電池)7， 燃燒從燃料電池7排出的廢氣的燃燒單元8，進一步燃燒從燃燒單元 8排出的廢氣，並且通過因燃燒引起的溫度變化而引起的物理形變傳 感廢氣中可燃氣體的濃度的傳感器單元30，以及結合物理形變切斷 廢氣到傳感器單元30的供給的截止閥20。注意，"物理形變"指物理 量的變化，例如物質的熔化，體積的變化，形狀的變化和長度的變 化。
作為容器1中的有機原材料，酒精例如甲醇和乙醇是可用的。在 使用甲醇作為有機材料的情況下，甲醇與水的摩爾比率為大約1:1至 大約l:2是優選的。
二甲醚等的液化氣體也可用作容器1中的有機原材料。室溫下二 甲醚的飽和蒸汽壓力是大約6個大氣壓力，這在絕對壓力方面高於大 氣壓力。因此，可以通過使用燃料自身的壓力甚至不使用泵將燃料供 給到隨後描述的蒸發單元3。 二甲醚和水可以在與蒸發單元3連通的 管道中或者在蒸發單元3中混合而不在容器1中混合，或者作為選 擇，可以預先在容器1中混合。
為了更有效地提高二甲醚到氫的重整反應，推薦水量大於其化學 計量。因此，提供到蒸發單元3的二甲醚和水的摩爾比率為大約l:3 至大約1:4是優選的。在大約室溫(25°C)下，二甲醚僅以大約1:7 的摩爾比率溶解到水中。但是，甲醇添加到二甲醚和水的混合物中， 從而增強二曱醚與水的相容性，並且當混合溶液存放在容器1中時這 樣製備的混合溶液的液相變成均勻相。因此，使用甲醇以大約5%至 大約10%的重量比添加到二甲醚和水的混合物的溶液是期望的。
即^f吏甲醇添加到二甲醚和水的混合物中，大約3至5個大氣壓力 的飽和蒸汽壓力可以作為室溫下混合物自身的壓力而獲得。作為除上 面之外可供使用的液化氣體，論及丙烷、異丁烷、正丁烷等。室溫下 這些物質的每個的飽和蒸汽壓力高於大氣壓力。
容器1通過管道等連接到流動速率控制單元2。流動速率控制單
元2控制從容器l供給的燃料的流動速率。例如，在使用甲醇作為有 機材料的情況下，隔膜泵、柱塞泵、齒輪泵、管泵等可以用作流動速 率控制單元2。在使用二甲醚作為有機原材料的情況下，噴嘴、針形 閥、波紋管閥、隔膜閥、蝶形閥等可以用作流動速率控制單元2。作 為除上面之外的流動速率控制單元2，可以使用具有相互不同形狀的 多個噴嘴組合的單元，溫度可變型的噴嘴，通過調節溫度改變流體的 粘度從而調節流動速率的單元等。
已經通過流動速率控制單元2的燃料通過管道等供給到蒸發單元 3。蒸發單元3加熱並蒸發從容器1供給到那裡的燃料。由蒸發單元 3蒸發的燃料通過管道等供給到重整單元4。在重整單元4的內部， 提供用於使蒸發的燃料通過的流動通道。在流動通道的內壁表面上， 提供用於促進蒸發的燃料到重整氣體的重整反應的重整催化劑，其中 供給到重整單元4的燃料重整成含氫氣體(重整氣體)。
在重整單元4中產生的重整氣體供給到CO轉移單元5。在CO 轉移單元5的內部，提供用於使重整氣體通過的流動通道。在流動通 道的內壁表面上，提供用於促進包含在重整氣體中的一氧化碳的轉移 反應的轉移催化劑。供給到CO轉移單元5的重整氣體包含二氧化 碳、 一氧化碳等以及氫作為副產物。 一氧化碳使燃料電池7的陽極催 化劑變質，並且降低燃料電池7的發電性能。因此，包含在重整氣體 中的一氧化碳在CO轉移單元5中經歷到二氧化碳和氫的轉移反應， 從而使得能夠減少重整氣體中一氧化碳的量，並且增加產生的氫的 量。
一氧化碳在CO轉移單元5中減少的重整氣體通過管道等供給到 甲烷化單元6。從CO轉移單元5供給的重整氣體仍然包含大約1% 至2%的一氧化碳。因此，在甲烷化單元6中，進行將保留在重整氣 體中的一氧化碳轉化成甲烷和水，從而去除一氧化碳的甲烷化反應。 在曱烷化單元6的內部，提供用於使重整氣體通過的流動通道。在流 動通道的內壁表面上，提供用於促進包含在重整氣體中的一氧化碳的 甲烷化反應的甲烷化催化劑。
甲烷化單元6中的重整氣體通過管道等供給到燃料電池7。在燃 料電池7中，重整氣體中的氫與大氣中的氧彼此反應，從而產生水， 並且產生電功率。
從燃料電池7排出的廢氣通過管道供給到燃燒單元8。來自燃料 電池7的廢氣包含可燃氣體例如未反應的氬和甲烷。在燃燒單元8 中，可燃氣體通過經由氣泵12注入到那裡的大氣中的氧燃燒。燃燒 時產生的燃燒熱量主要用於加熱蒸發單元3和重整單元4。為了增加 加熱效率，均衡溫度，並且保護具有低熱阻的部分，例如外圍電路， 蒸發單元3、重整單元4、 CO轉移單元5、甲烷化單元6以及燃燒單 元8的外圍覆蓋有隔熱部分11。
截止單元10提供在燃燒單元8的出口側。截止單元10包括傳感 器單元30，以及位於傳感器單元30的進口側的截止閥20。傳感器單 元30通過催化劑燃燒從燃燒單元8排出的廢氣，並且通過由燃燒引 起的溫度變化而引起的物理形變傳感廢氣中可燃氣體的濃度。截止閥 20結合由燃燒引起的溫度變化而引起的物理形變切斷廢氣到傳感器 單元30的排出。電磁閥或機械閥可用作截止閥20。隨後將描述傳感 器單元30和截止閥20的細節。
排出到燃燒單元8中的廢氣通過連接到燃燒單元8出口側上的管 道等的截止閥20，並且供給到連接到截止閥20出口側上的管道等的 傳感器單元30。在傳感器單元30中，包含在廢氣中的可燃氣體經歷 催化燃燒，從而去除。可燃氣體從其中去除的廢氣排出到圖1的燃料 電池系統的外部。
依照根據第一實施方案的燃料電池系統(氫產生設備)，從燃燒 單元8排出的廢氣中的可燃氣體進一步由位於傳感器單元30中的催 化劑燃燒。當廢氣中可燃氣體的濃度低時，傳感器單元30的溫度升 高小。同時，例如，當燃燒單元8的燃燒催化劑的異常例如變質發 生，從而燃燒單元8中的可燃氣體沒有充分燃燒時，在傳感器單元 30中經歷催化反應的廢氣的量增加，並且傳感器單元30的溫度逐漸 升高。當傳感器單元30的溫度升高多於熱變形元件的變形溫度時，
例如，在熱變形通過熔化引起的情況下當傳感器單元30的溫度升高 多於構造在傳感器單元30中的熱變形元件的熔點時，傳感器單元30 中的熱變形元件變形。熱變形元件的形變傳送到截止閥20，從而燃 燒單元8與傳感器單元30之間的流動通道自動切斷。注意，雖然考 慮圖1中顯示的燃料電池系統的內部壓力過度升高的情況，調節內部 壓力的方法將隨後描述。
依照根據第 一實施方案的燃料電池系統，未使用的氫氣到設備外 部的排出可以由溫度變化引起的物理變化容易地抑制。因此，可以提 供具有高安全性的燃料電池系統，它也能夠以簡單的構造實現設備整 體的小型化。
-截止單元10的細節(在用電力驅動截止閥20的情況下)-(第一實例)
圖2顯示電磁閥用作圖1的截止閥20，並且截止閥20用電力驅 動的情況的實例。傳感器單元30包括位於燃燒單元8出口側的流動 通道上的傳感燃燒單元31，以及位於傳感燃燒單元31的外壁表面 上，由溫度變化物理地變形，並且用電力控制截止閥20的打開/關閉 狀態的自動溫度調節和控制設備(恆溫器)32a。
在恆溫器32a中，構造在其中的雙金屬(沒有顯示)用作熱變形 元件。通過布置雙金屬，恆溫器32a可以在溫度升高時設置在OFF 狀態，或者在那種情況下設置在ON狀態。例如在使用當溫度升高時 轉向OFF狀態的恆溫器32a的情況下，恆溫器32a由電路13連接到 常閉型電磁閥(截止閥20)。當恆溫器32a轉向OFF狀態，並且電 磁閥沒有通電時，電磁閥轉向關閉狀態。
在使用當溫度升高時轉向ON狀態的恆溫器32a的情況下，恆溫 器32a由電路13連接到常開型電磁閥。當恆溫器32a轉向ON狀 態，並且電磁閥(截止閥20)通電時，電磁閥轉向關閉狀態。考慮 到可燃氣體到外部的排出抑制，上述模式的每種的恆溫器32a形成為 當溫度降低時不允許截止閥20重置到打開狀態的結構。
例如，如圖4C中所示，鋁製微通道反應器39可以用作傳感燃
燒單元31。微通道反應器39以下面的方式製造。如圖4A和4B中所示，機械加工鋁等的金屬板以形成並行通道310。然後，燃燒催化劑放置在通道的表面上，如圖4C中所示，並行通道310與並行通道311相對。如此製造的單元密封在鋁外殼中的單元用作傳感燃燒單元31。具有高熱導率的鋁用作微通道反應器39的材料，從而使得能夠將產生的燃燒熱量快速且有效地傳送到恆溫器32a。
根據圖2中所示的截止單元10，結合響應傳感燃燒單元31的溫度升高而變形的恆溫器32a的雙金屬用電力控制截止單元10的打開/關閉狀態。因此，與通過電子裝置測量和分析燃燒單元8的溫度變化從而傳感異常的常規系統相比較，未反應的氫氣到外部的排出可以使用更筒單的構造有效地抑制，從而使得能夠實現設備的小型化。
(第二實例)
圖3顯示電磁閥用作截止閥20，並且截止閥20用電力驅動的情 況的另一個實例。第二實例的傳感器單元30類似於第一實例在於傳 感器單元30包括位於燃燒單元8出口側上的流動通道上的傳感燃燒 單元31。但是，代替第一實例的恆溫器32a，第二實例的傳感器單元 30包括因溫度變化而物理地變形，並且用電力控制截止閥20的打開/ 關閉狀態的溫度熔絲32b。
在溫度熔絲32b中，位於其內部的低熔點金屬用作熱變形元件。 通過選擇低熔點金屬的類型，可以改變溫度熔絲32b的操作溫度。關 於低熔點金屬，可以使用鉛-錫(Pb-Sn)，鉛-銀(Pg-Ag)，鉍 -錫(Bi畫Sn )，銦-鉍-錫(In-Bi國Sn )，鉛-錫-銀(Pb-Sn-Ag)，錫-銅(Sn國Cu)等。
如圖3中所示，溫度熔絲32b由電路13連接到常閉型電磁閥 (舉止閥20)。當溫度熔絲3化轉向OFF狀態，並且電磁閥沒有通 電時，電磁閥(截止閥20)轉向關閉狀態。如圖4C中所示的鋁製微 通道反應器39可以用作傳感燃燒單元31。
根據圖3中所示的截止單元10,結合因傳感燃燒單元31的溫度 升高而切斷電路的溫度熔絲32b用電力控制截止單元10的打開/關閉
狀態。溫度熔絲32b不允許截止閥20重置到打開狀態，即使當溫度 降低時。因此，與通過電子裝置測量和分析燃燒單元8的溫度變化從 而傳感異常的常規系統相比較，未反應的氫氣到外部的排出可以使用 更簡單的構造抑制，從而也可以實現設備的小型化。
-截止單元10的細節(在用機械驅動截止閥20的情況下)-
(第一實例)
圖5至圖7顯示機械閥用作圖1中顯示的截止閥20，並且機械 閥用機械控制的情況的實例(第一實例)。作為截止閥20，例如， 如圖5的橫截面視圖中說明的截止閥20是適當的。
在圖5中顯示的截止閥20中，在提供在其主體21內部的內室 28中，布置將內室28劃分成第一室28a和第二室28b的隔膜23。彈 簧22放置在第一室28a中。固定到隔膜23的閥杆24布置在第二室 28b中。閥杆24的尖端與通過其供給廢氣的流動通道25相對。
連接到截止閥驅動杆(控制杆)27的制動器26固定到隔膜23。 當截止閥驅動杆27由隨後描述的熱變形元件的形變而引起的機械力 拉向主體21的向外方向時，制動器26從隔膜23脫離，隔膜23因彈 簧22的拉伸而移動至流動通道25，並且流動通道25由閥杆24切 斷。
圖6顯示適用於使用圖5中所示截止閥20的情況的傳感器單元 30的實例。傳感器單元30包括具有由圓柱形內管37和圍繞內管37 的圓柱形外管38組成的雙管結構的傳感器管道41。內管37和外管 38的兩個端部都由圓盤狀元件(沒有顯示)氣密密封。在內管38的 側面上，廢氣進口部分34和廢氣出口部分35打開。內管37與外管 38之間的縫隙變成使得從圖1的燃燒單元8供給的廢氣流過的廢氣 通道。傳感燃燒單元31布置在廢氣通道的內部。用於燃燒可燃氣體 的固態燃燒催化劑填充到傳感燃燒單元31中。
在內管37的內部，排列與傳感燃燒單元31相鄰的熱變形元件 304，連接到熱變形元件304的笫一彈簧302，連接到第一彈簧302 的連接元件303，以及一端連接到連接元件303且另一端固定到內管
37的端面的第二彈簧301。第一和第二彈簧302和301各自以拉伸的 狀態固定到內管37的端面。
作為熱變形元件304，例如，低熔點金屬(或合金)例如Pb-Sn, Pg-Ag, Bi-Sn， In-Bi-Sn， Pb-Sn-Ag和Sn-Cu是可用的。通過 選擇低熔點金屬的類型，可以改變傳感器單元30的操作溫度。使用 金屬製成的線圏彈簧作為第一和第二彈簧302和301是可能的。
在內管37和外管38的側面上，分別形成內管裂縫371和外管裂 縫381。在內管裂縫371和外管裂縫381之間，連接如圖7中所示管 狀的裂縫連接部分36。圖7中顯示的裂縫連接部分36的一端通過焊 接等固定到圖6中顯示的內管裂縫371。圖7的裂縫連接部分36的 另一端通過焊接等連接到圖6中顯示的外管裂縫381。裂縫連接部分 36的兩端都通過焊接固定，由此從廢氣進口部分34流入傳感器單元 30中的廢氣從廢氣出口部分35流出而沒有通過內管37的內部從內 管裂縫371洩漏或者從外管裂縫381洩漏到外部。
截止閥驅動杆(控制杆)27通過外管裂縫381和內管裂縫371 連接到連接元件303。截止閥驅動杆27由因熱變形元件304的形變 而引起的第二彈簧301的拉伸和收縮機械地移動，並且控制圖5中顯 示的截止閥20的打開/關閉狀態。
已經從圖6的廢氣進口部分34流入傳感器單元30的廢氣流過存 在於內管37和外管38之間的縫隙中的廢氣通道，通過傳感燃燒單元 31，並且從廢氣出口部分35排出。當廢氣中可燃氣體的濃度增加 時，熱變形元件304因傳感燃燒單元31中產生的燃燒熱量而熔化。 結果，第二彈簧301收縮，並且連接元件303和截止閥驅動杆207移 動到廢氣進口部分34—側。圖6的截止閥驅動杆27移動，由此圖5 的制動器26拉到主體21的外部。因此，流動通道25由閥杆24切 斷。
根據圖5至圖7中顯示的截止單元10，熱變形元件304響應傳 感燃燒單元31的溫度升高而熔化，由此圖6中顯示的第二彈簧301 收縮，並且與第二彈簧301互鎖的截止閥驅動杆27機械地移動。這
樣，圖5中顯示的截止閥20切斷燃燒單元8的出口側流動通道。這 樣，可以提供能夠小型化其整體並且能夠使用簡單的構造抑制未反應 的氫氣排出到外部的燃料電池系統。 (第二實例)
圖5和圖8顯示機械地執行圖1中所示截止單元10中的流動通 道的切斷的情況的另一個實例(第二實例)。作為截止閥20，如圖5 的橫截面視圖中說明的截止閥20是適當的。
如圖8中所示，傳感器單元30包括具有內管37和外管38的傳 感器管道41，用於使廢氣流過的廢氣流動通道提供於其間，布置在 廢氣流動通道中的傳感燃燒單元31，在內管37的內部與傳感燃燒單 元31相鄰的第一彈簧(第一熱變形元件)306，以及與圖6的第二彈 簧301類似的第二彈簧305 (第二熱變形元件)。連接元件303連接 到第一彈簧306的另一端。第二彈簧305的一端連接到連接元件 303，而其另一端固定到內管37的端面。截止閥驅動杆27連接到連 接元件303，並且通過第一彈簧306的形變機械地控制截止閥20的 打開/關閉狀態。
第一和第二彈簧306和305的各個端部以第一和第二彈簧306和 305拉伸的狀態固定到內管37的端面。作為第一彈簧306,當溫度升 高時收縮的類型的形狀記憶合金彈簧是適當的。通過選擇形狀記憶合 金彈簧的類型，可以改變操作溫度。
已經從廢氣進口部分34流到傳感器單元30的廢氣流過內管37 和外管38之間的縫隙中的廢氣流動通道，通過傳感燃燒單元31，然 後從廢氣出口部分35排出。當廢氣中可燃氣體的濃度增加時，第一 彈簧306因傳感燃燒單元31中產生的燃燒熱量而收縮，並且連接元 件303結合這種收縮移動到廢氣出口部分35 —側。這樣，驅動連接 到連接元件303的截止閥驅動杆27,圖5中顯示的制動器26從隔膜 23脫離，並且閥杆24切斷流動通道，從而自動地停止廢氣的流動。 作為熱變形元件的第一彈簧306變形，由此截止閥20自動地切斷流 動通道。因此，與通過電子裝置計算燃燒單元8中的溫度變化從而傳
感異常等的系統相比較，進一步小型化系統整體是可能的，並且未反 應的氫氣到外部的排出使用更簡單的構造抑制。
注意，對於第一彈簧306和第二彈簧305 二者，可以使用具有相 同拉伸的形狀記憶合金彈簧。這樣，截止閥驅動杆27可以通過使用 因形狀記憶合金彈簧之間的溫度差而產生的兩個彈簧之間的拉伸差異 激勵。因此，與使用圖6中顯示的傳感器單元30，或者僅將形狀記 憶合金彈簧用於第一彈簧306的情況相比較，上述構造具有即使當廢 氣自身的溫度從開始就高以及當環境溫度升高時仍然可以抑制故障的 優點。注意，在將形狀記憶合金彈簧用於第一彈簧306和第二彈簧 305 二者的情況下，連接元件303由具有低熱導率的材料形成以便抑 制因從第一彈簧306到第二彈簧305的熱傳導而引起的彈簧之間的溫
度均衡是期望的。 (第三實例)
圖5和圖9顯示機械地執行圖1中所示截止單元10中的流動通 道的切斷的情況的另一個實例(第三實例)。作為截止閥20，如圖5 的橫截面視圖中說明的截止閥20是適當的。
如圖9中所示，在傳感器單元30中，排列位於內管37內部與傳 感燃燒單元31相鄰的第一充氣袋308，連接到第一充氣袋308的連 接元件303，以及連接到連接元件303的第二充氣袋307。第一和第 二充氣袋308和307例如通過導線309a和309b連接到連接元件 303。
第一和第二充氣袋308和307具有柔韌性，液化氣體或壓縮氣體 填充到其內部。二甲醚、含氯氟烴等適合用作液化氣體。二氧化碳、 氮氣等適合用作壓縮氣體。通過選擇填充到第一和第二充氣袋308和 307中的氣體的類型，可以改變傳感器單元30的操作溫度。
已經從廢氣進口部分34流入傳感器單元30的廢氣流過內管37 和外管38之間的縫隙中的廢氣通道，通過傳感燃燒單元31，然後從 廢氣出口部分35排出。當廢氣中可燃氣體的濃度增加時，第一充氣 袋308因傳感燃燒單元31中產生的燃燒熱量而加熱，並且第一充氣
袋308的內部壓力增加，由此第一充氣袋308膨脹。結果，連接元件 303和截止閥驅動杆27移動到廢氣進口部分34 —側。圖9的截止閥 驅動杆27移動，由此圖5的制動器26拉到主體21的外部。因此， 閥杆24切斷流動通道25，從而停止廢氣的流動。因此，與通過電子 裝置計算燃燒單元8中的溫度變化從而傳感異常的常規系統相比較， 進一 步小型化系統整體是可能的，並且未反應的氫氣到外部的排出可 以使用更簡單的構造抑制。
而且，在圖9中顯示的第三實例中，截止閥驅動杆27通過使用 作為熱變形元件的第一和第二充氣袋308和307之間的內部壓力差激 勵。因此，上述構造具有即使當廢氣自身的溫度從開始就高以及當環 境溫度升高時仍然可以防止故障的優點。 (第一實施方案的第一修改)
如圖10中所示，根據第一修改的燃料電池系統與圖1中顯示的 燃料電池系統的不同在於燃料電池系統還包括布置在傳感器單元30 的進口側上，從廢氣提供到的流動通道外部吸入燃燒所必需的氧(空 氣)，並且將吸入的氧提供到傳感器單元30的氧供給單元40。氧供 給單元40安裝在傳感器單元30和截止閥20之間，並且通過管道等 連接到二者。例如，噴射器可以用作氧供給單元40。圖10中顯示的 燃料電池系統的其他與圖1中顯示的燃料電池系統的那些基本上類 似，因此將省略重複的描述。
根據圖10中顯示的燃料電池系統，布置氧供給單元40，並且空 氣中的氧總是提供到傳感器單元30。這樣，例如，即使當提供空氣 到燃燒單元8的氣泵12損壞時，截止閥20仍然適當地操作，並且系 統內部可以氣密密封。因此，增強安全性。 (第一實施方案的第二修改)
如圖11中所示，根據第二修改的燃料電池系統還包括位於蒸發 單元3的進口側上的進口側截止閥50。進口側截止閥50通過管道等 連接到流動速率控制單元2和蒸發單元3。如果當截止閥20因燃燒 單元8的燃燒催化劑的變質而操作時氧繼續通過使用氣泵12供給並
且氣泵12損壞，那麼存在系統的內部壓力增加到噴射的極限壓力的 可能性。而且，如果液化氣體用作燃料，並且通過^^用流動速率控制 單元2例如噴嘴供給，那麼存在系統的內部壓力可能增加到燃料固有 的飽和蒸汽壓力的可能性。如上所述，系統的內部壓力可能增加多於 正常操作時。因此，安裝進口側截止閥50，並且當截止閥20操作 時，進口側截止閥50也操作以停止到重整單元4的燃料供給，從而 使得能夠抑制系統的內部壓力增加。
這裡，當熱變形元件中的形變產生由圖11中顯示的傳感器單元 30的傳送是如圖2和圖3中所示的電氣傳送時，與截止閥20具有類 似構造的電磁閥可以用作進口側截止閥50。在該情況下，如果氣泵 12的損壞不是截止閥20操作的原因，那麼存在系統的內部壓力可能 增加到氣泵12的極限的可能性。因此，電磁閥進一步布置在氣泵12 的進口側或出口側，並且結合截止閥20和進口側截止閥50的操作而 操作是期望的。作為選擇，關於氣泵12的結構，電功率到氣泵12的 供給可以在作為截止閥20和進口側截止閥50的電磁閥開始操作時同 時停止。
而且，當熱變形元件中的形變產生由傳感器單元30的傳送是如 圖5至圖9中所示的機械傳送時，例如，如圖12的橫截面視圖中顯 示的進口側截止閥50是適當的。在圖12中顯示的進口側截止閥50 中，在提供於其主體51內部的內室59中，布置用於將內室59劃分 成第一室59a和第二室59b的隔膜53。彈簧52放置在第二室5外 中。固定到隔膜53的閥杆54布置在第二室59b中。閥杆54的尖端 與使燃料58通過其供給的流動通道55相對。彈簧52的彈簧常數設 置在當燃料的壓力增加多於正常操作時閥杆54切斷流動通道55的範圍。
流動通道55的進口側通過管道等連接到流動速率控制單元2和 容器1。在流動通道55的進口側上，布置連接到第一室59a的分支 通道56。從圖11中顯示的容器1供給的燃料通過流動速率控制單元 2，並且通過圖12的流動通道55。此時，燃料的一部分作為閥驅動
燃料通過分支通道56供給到第一室59a。
當燃料的壓力增加多於正常操作時，從笫一室59a —側施加到隔 膜53的燃料的力增加多於正常操作時。該力進一步壓縮存在於第二 室59b—側上的彈簧52，並且向下移動連接到隔膜53的閥杆54，從 而切斷燃料的流動通道。通過改變彈簧52的彈簧常數和閥杆54的長 度，可以設置切斷流動通道的情況下系統的內部壓力。作為彈簧52 的類型，可以使用線團彈簧、板簧、氣墊等。
注意，如果氣泵12的損壞不是截止閥20操作的原因，那麼存在 系統的內部壓力可能增加到氣泵12的極限的可能性。因此，如圖12 中所示的進口側截止閥50也布置在氣泵12的出口側是期望的。同 時，如果氣泵12的損壞是截止閥20操作的原因，那麼取決於氣泵 12的結構，存在含氫氣體可能從燃燒單元8回流到氣泵12 —側的可 能性。為了防止這種回流，進一步在氣泵12的出口側安裝止回閥等 是期望的。
如果氣泵12的結構是除非出口側的壓力增加到某個值否則回流 不會發生的結構，那麼在氣泵12的出口側安裝如圖12中所示的進口 側截止閥50也是可能的。如果使用的氣泵12具有容易回流氣體的結 構，那麼安裝如圖12中所示的進口側截止閥50和止回閥是期望的。 如果氣泵12具有當壓力沒有增加到某個值則不會回流氣體的結構， 那麼僅如圖12中所示的進口側截止閥50需要安裝。圖11中顯示的 燃料電池系統的其他與圖10中顯示的燃料電池系統的那些基本上類 似，因此，將省略重複的描述。
根據圖11和圖12中顯示的燃料電池系統，布置進口側截止閥 50，從而使得能夠抑制重整單元4等的內部壓力的增加。因此，增強 安全性。
(第一實施方案的第三修改)
如圖13中所示，根據第三修改實例的燃料電池系統還包括布置 在燃燒單元8的出口側，並且使廢氣的熱能與供給到蒸發單元3的有 機材料的熱能交換的熱交換單元60。
熱交換單元60位於蒸發器3的進口側的管道與燃燒單元8的出 口側的管道之間。作為熱交換單元60的材料，使用具有高熱導率的 材料例如鋁是期望的。熱交換單元60將由來自燃燒單元8的廢氣擁 有的熱量通過熱交換單元60自身提供到已經通過蒸發單元3的進口 側的管道的燃料，從而冷卻流過燃燒單元8的出口側的廢氣。圖13 中顯示的燃料電池系統的其他與圖12中顯示的燃料電池系統的那些 基本上類似，因此，將省略重複的描述。
根據圖13中顯示的燃料電池系統，可以降低供給到截止單元10 的廢氣的溫度，因此，可以防止可能因燃燒單元8中廢氣的過度溫度 升高而引起的截止單元10的故障。 (第二實施方案)
如圖14中所示，根據第二實施方案的分析系統包括具有從重整 單元4中產生的含氫氣體中提純氫的氫提純單元9的氫產生設備 100;以及通過使用在氫提純單元9中提純的氫來分析測量目標氣體 的分析設備200。
氫提純單元9通過管道連接到甲烷化單元6的出口側。氫提純單
元9將一氧化碳從其中去除的重整氣體分離成甲烷、二氧化碳、水蒸 汽等從其中去除的高濃度氫氣，以及包含甲烷、二氧化碳、水蒸汽等 的低濃度氫氣。作為氫提純單元9，例如，可以使用由鈀、釩、鉭等 的金屬薄膜製成的氫滲入薄膜，以及石英氫滲入半滲透薄膜。在氫提 純單元9中產生的低濃度氫氣通過管道等供給到燃燒單元8。高濃度 氬氣通過管道等供給到分析設備200。
分析設備200包括栽氣存放單元201,通過管道等連接到載氣存 放單元201的柱狀物203，通過管道等連接到柱狀物203的火焰離子 化檢測器(FID) 205,以及通過管道等連接到FID 205的截止單元 210。
在載氣存放單元201中，存放惰性氣體例如氦和氮。在載氣存放 單元201的出口側的管道上，布置測量目標氣體供給口 202。測量目 標氣體從測量目標氣體供給口 202提供，並且與從栽氣存放單元201供給的惰性氣體流一起供給到柱狀物203。
柱狀物203將通過管道等供給到那裡的氣體分離成每種氣體組 分。柱狀物203由布置在柱狀物203自身的圓周上的電加熱器204加 熱到預先確定的溫度。作為加熱柱狀物203的設備，不一定總是使用 電加熱器204。例如，在氫產生設備100中產生的熱量的一部分可以 通過使用熱管提供到柱狀物203。毛細管柱、填充柱等可以用作柱狀 物203。
在柱狀物203中經歷組分分離的氣體通過管道等供給到FID 205。 FID 205將從柱狀物203供給到那裡的氣體連同從氫提純單元9 提供的高濃度氫氣一起燃燒，並且離子化測量目標氣體。FID 205由 分析控制單元206控制。
從二次電池等提供驅動FID 205、分析控制單元206、電加熱器 204等必要的電功率是可能的。但是，可以釆用下面的構造，其中如 圖1中所示的燃料電池7安裝在氫提純單元9的出口側，燃料電池7 由低濃度氫氣從氫提純單元9的供給而驅動，並且通過驅動燃料電池 7提取的電能用作電功率。
作為FID 205中的分解結果已經轉化成二氧化碳和水蒸汽的測量 目標氣體和包含由高濃度氫氣的燃燒產生的水蒸汽的廢氣通過管道等 供給到連接到FID 205的截止單元210。截止單元210包括截止閥 220和傳感器單元230。截止單元210的構造與第一實施方案中描述 的截止單元10基本上類似，因此，將省略其描述。
依照根據第二實施方案的分析系統，當流入傳感器單元230中的 廢氣中氫的濃度因FID 205中燃燒的失敗而增加多於正常操作時，熱 變形元件因位於傳感器單元230中的傳感燃燒單元中產生的燃燒熱量 而變形，並且這種形變傳送到傳感器單元230,由此截止閥220操作 以切斷流動通道。這樣，可以提供能夠抑制氫氣排出到外部的具有高 安全性的分析系統。 (其他實施方案)
在接受本公開內容的講授之後，各種修改將變得對於本領域技術
人員可能，而不背離其範圍。
圖10至圖13中顯示的第一實施方案的修改實例顯示將氧供給單 元40、進口側截止閥50和熱交換單元60順序地添加到圖1中顯示 的燃料電池系統的實例。但是，單獨添加氧供給單元40、進口側截 止閥50和熱交換單元60的每個當然是可能的。而且，使用氧供給單 元40、進口側截止閥50和熱交換單元60任意組合的燃料電池系統 也是可能的。當然，將圖10至圖13中顯示的氧供給單元40、進口 側截止閥50和熱交換單元60併入第二實施方案中顯示的氫產生設備 100 ，並且使用這樣製造的系統作為可攜式分析儀器也是可能的。
權利要求
1.一種氫產生設備，包括包含有機原材料的容器；被配置為從有機原材料中產生含氫氣體的氫產生單元；被配置為燃燒含氫氣體的一部分的燃燒單元；包括熱變形元件的傳感器單元，被配置為通過進一步燃燒廢氣並且傳感由廢氣燃燒引起的溫度變化而引起的熱變形元件的物理形變來傳感從燃燒單元排出的廢氣中可燃氣體的濃度；以及被配置為結合物理形變切斷廢氣的排出的截止閥。
2. 根據權利要求l的設備，其中傳感器單元還包括 傳感燃燒單元，提供有燃燒單元的流動通道的出口側， 其中布置在傳感燃燒單元的外壁表面上、用作熱變形元件的恆溫器或溫度熔絲用電力控制截止閥的打開和關閉狀態。
3. 根據權利要求l的設備，其中傳感器單元還包括 傳感器管道，包括內管，圍繞內管的外管以便在內管和外管之間提供廢氣通道，便於從燃燒單元排出的廢氣的流動； 布置在廢氣通道中的傳感燃燒單元； 連接到熱變形元件的第一彈簧； 連接到第一彈簧的連接元件；一端連接到連接元件且另一端固定到內管的端面的第二彈簧；以及控制杆，連接到連接元件，因由熱變形元件的形變引起的第二彈 簧的拉伸和收縮而機械地移動，並且控制截止閥的打開和關閉狀態， 其中熱變形元件與內管的內側上的傳感燃燒單元相鄰布置，
4. 根據權利要求1的設備，其中熱變形元件分成沿著一個方向 對準的第一和第二熱變形元件，傳感器單元還包括傳感器管道，包括內管，圍繞內管的外管以便在內管和外管之間 提供廢氣通道，便於廢氣的流動，第一熱變形元件的一端固定到內管 的一個端面，第二熱變形元件的一端固定到內管的另一個端面； 與廢氣通道中的第一變形元件相鄰布置的傳感燃燒單元； 連接在第一和第二熱變形元件的另一端之間的連接元件；以及 控制杆，連接到連接元件，通過第一和第二熱變形元件的形變機 械地控制截止閥的打開和關閉狀態。
5. 根據權利要求4的設備，其中第一和第二熱變形元件包括形 狀記憶合金彈簧和具有柔韌性的充氣袋。
6. 根據權利要求1的設備，還包括提供有傳感器單元的進口側 的氧供給單元，從廢氣提供到傳感器單元的流動通道的外部提供廢氣 燃燒所必需的氧。
7. 根據權利要求1的設備，還包括提供有蒸發單元的進口側的 進口側截止閥，結合溫度變化切斷有機原材料到氫產生單元的供給。
8. 根據權利要求1的設備，還包括布置在燃燒單元的出口側的 熱交換單元，使從燃燒單元排出的廢氣的熱能與通過氫產生單元的進 口側的有機原材料的熱能交換。
9. 根據權利要求1的設備，還包括提供有蒸發單元的進口側的 進口側截止閥，結合氫產生單元的進口側的壓力切斷有機原材料到氫 產生單元的供給。
10. —種燃料電池系統，包括 包含有機原材料的容器；被配置為從有機原材料中產生含氫氣體的氬產生單元； 被配置為從含氫氣體中去除一氧化碳的一氧化碳去除單元； 被配置為通過使得一氧化碳從其中去除的含氫氣體與氧起反應來 產生電功率的發電單元；被配置為燃燒從發電單元中排出的廢氣的燃燒單元； 包括熱變形元件的傳感器單元，被配置為通過進一步燃燒廢氣並 且傳感由廢氣燃燒引起的溫度變化而引起的熱變形元件的物理形變來 傳感從燃燒單元排出的廢氣中可燃氣體的濃度；以及 被配置為結合物理形變切斷廢氣的排出的截止閥。
11.根據權利要求10的系統，其中傳感器單元還包括 傳感燃燒單元，提供有燃燒單元的流動通道的出口側； 其中布置在傳感燃燒單元的外壁表面上、用作熱變形元件的恆溫 器或溫度熔絲用電力控制截止閥的打開和關閉狀態。
12，根據權利要求10的系統，其中傳感器單元還包括 傳感器管道，包括內管，圍繞內管的外管以便在內管和外管之間 提供廢氣通道，便於從燃燒單元排出的廢氣的流動； 布置在廢氣通道中的傳感燃燒單元； 連接到熱變形元件的第一彈簧； 連接到第一彈簧的連接元件；一端連接到連接元件且另 一端固定到內管的端面的第二彈簧；以及控制杆，連接到連接元件，因由熱變形元件的形變引起的第二彈 簧的拉伸和收縮而機械地移動，並且控制截止閥的打開和關閉狀態， 其中熱變形元件與內管的內側的傳感燃燒單元相鄰布置。
13.根據權利要求10的系統，其中熱變形元件分成沿著一個方 向對準的第一和第二熱變形元件，傳感器單元還包括傳感器管道，包括內管，圍繞內管的外管以便在內管和外管之間 提供廢氣通道，便於廢氣的流動，第一熱變形元件的一端固定到內管 的一個端面，第二熱變形元件的一端固定到內管的另一個端面； 與廢氣通道中的第一熱變形元件相鄰布置的傳感燃燒單元； 連接在第一和第二熱變形元件的另一端之間的連接元件；以及 控制杆，連接到連接元件，通過第一和第二熱變形元件的形變機 械地控制截止閥的打開和關閉狀態。
14. 根據權利要求13的系統，其中第一和第二熱變形元件包括 形狀記憶合金彈簧和具有柔韌性的充氣袋。
15. 根據權利要求10的系統，還包括提供有傳感器單元的進口 側的氧供給單元，從廢氣提供到傳感器單元的流動通道的外部提供廢 氣燃燒所必需的氧。
16. 根據權利要求10的系統，還包括提供有蒸發單元的進口側 的進口側截止閥，結合溫度變化切斷有機原材料到氫產生單元的供 給。
17. 根據權利要求10的系統，還包括布置在燃燒單元的出口側 的熱交換單元，使從燃燒單元排出的廢氣的熱能與通過氫產生單元的 進口側的有機原材料的熱能交換。
18. 根據權利要求10的系統，還包括提供有蒸發單元的進口側 的進口側截止閥，結合氫產生單元的進口側的壓力切斷有機原材料到 氬產生單元的供給。
19. 一種分析系統，包括 氫產生設備，其包括包含有機原材料的容器；被配置為從有機原材料中產生含氫氣體的氫產生單元； 被配置為從含氫氣體中去除一氧化碳的 一氧化碳去除單元；被配置為從含氫氣體中提純氫的氫提純單元； 被配置為燃燒含氫氣體的一部分的燃燒單元； 傳感器單元，包括熱變形元件，被配置為通過進一步燃 燒廢氣並且傳感由廢氣燃燒引起的溫度變化而引起的熱變形 元件的物理形變來傳感從燃燒單元排出的廢氣中可燃氣體的 濃度；以及被配置為結合物理形變切斷廢氣的排出的截止閥；以及 被配置為通過使用在氫提純單元中提純的氫來分析測量目標氣體 的分析設備。
20. 根據權利要求19的系統，其中分析設備包括 載氣存放單元；連接到栽氣存放單元的柱狀物； 連接到柱狀物的檢測器；以及截止單元，連接到檢測器，結合物理形變切斷廢氣的排出。
全文摘要
氫產生設備，燃料電池系統和分析系統。氫產生設備包括容器；被配置為產生含氫氣體的氫產生單元；被配置為燃燒含氫氣體的一部分的燃燒單元；包括熱變形元件的傳感器單元，被配置為通過進一步燃燒廢氣並且傳感由廢氣燃燒引起的溫度變化而引起的熱變形元件的物理形變來傳感廢氣中可燃氣體的濃度；以及被配置為結合物理形變切斷廢氣的排出的截止閥。
文檔編號H01M8/06GK101106200SQ20071012905
公開日2008年1月16日 申請日期2007年7月11日 優先權日2006年7月11日
發明者五十崎義之, 北村英夫 申請人:株式會社東芝