CN1476648A

CN1476648A - 流体燃料用联接器

Info

Publication number: CN1476648A
Application number: CNA028031040A
Authority: CN
Inventors: 渡边康博
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-02-18
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: EP1434296A1; WO2003032425A1; EP1434296A4; JP2003187837A; JP4281315B2; KR20040034585A; US7082354B2; KR100962598B1; CN1248348C; US20040067398A1

Abstract

一种具有燃料气体入口和燃料气体出口，并安装在燃料气体供给服务器和发电主体之间的燃料气体联接器，包括存储吸藏燃料气体的吸藏体的燃料气体存储部分和温度控制机构，其中至少可形成保存信息功能、显示信息功能和传输信息功能之一，保存的、显示的或传输的信息是例如关于必需充填量、充填次数、燃料气体流速、燃料气体余量、和吸藏体种类的信息。

Description

流体燃料用联接器

技术领域

本发明涉及用于向所谓的氢输送系统之类的燃料电池组输送燃料气体的系统的燃料气体联接器(mediator)。

背景技术

燃料电池组是通过向发电装置(power generator)供给作为燃料气体(fuelgas)的氢和氧(空气)，从发电装置产生电动势的装置。通常，燃料电池组具有每个燃料电池的电解质膜(质子导电膜)保持在气体电极之间的结构，并且可工作从而获得所需的电动势。这种燃料电池组被极大地期待为适用于电动车和混合型车辆，并且实际上已朝着实用方向发展。除了这些应用之外，燃料电池组适合于用在与上述应用完全不同的新应用中，例如通过有效利用燃料电池组易于减小重量和大小方面的优点，代替现有的干电池和可充电电池作为便携式电子设备的新电源。

顺便说明，在上述各种应用中，要求简便、稳定地把代表燃料气体的氢气输送给燃料电池组，更具体地说，构成所谓的氢输送系统是必需的。

就构成这种氢输送系统来说，重要的是确保燃料气体服务器(server)(氢气服务器)和燃料电池组之间的接口。例如，就构成具有通过配置成燃料筒的燃料存储单元，从氢服务器向燃料电池组的发电装置输送氢的结构的氢输送系统来说，获得关于必需的充填量、燃料气体的最佳流速、用于燃料筒的存储材料的种类等的信息是必不可少的，并且要求根据这些信息恰当地控制氢服务器等。

这种类型的氢输送系统还需要燃料筒等的温度控制。在通过把燃料气体(氢气)存储在存储材料中/从存储材料中释放氢气，输送燃料气体的情况下，由于在存储燃料气体时，存储材料通常会放热，在释放燃料气体时，存储材料通常会吸热，因此希望根据存储材料是处于放热状态还是处于吸热状态，控制燃料筒的温度。

为了满足这些要求，做出了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种新型燃料气体联接器，它具有保存、显示和传送各种信息的功能。本发明的另一目的是提供一种能够实现其温度控制的燃料气体联接器。

发明内容

本发明的燃料气体联接器能够保存、显示和传送各种信息，从而适合于根据这些信息控制燃料气体服务器等。本发明的燃料气体联接器还能够实现其温度控制，更具体地说，当燃料气体存储单元中的存储材料由于放热反应而产生热量时，易于释放存储材料的热量。

附图说明

图1表示了使用应用本发明的燃料气体联接器(氢输送单元)的氢输送系统的一个例子；

图2是表示气体流速调节机构的一个例子的示意局部剖面图；

图3A和3B表示了使用形状记忆合金的温度调节机构的螺旋弹簧，其中图3A表示了螺旋弹簧的收缩状态，图3B表示了螺旋弹簧的伸展状态；

图4表示了使用珀尔帖器件的温度调节机构的另一例子；

图5是表示光学信息传送机构的一个例子的方框图；

图6是表示燃料电池的基本结构例子的分解透视图；

图7是表示燃料电池的电极的结构例子的示意剖面图。

具体实施方式

下面将参考附图，详细说明应用本发明的燃料气体联接器。

图1表示了用于从氢服务器向燃料电池组的发电电池输送代表燃料气体的氢气的氢输送系统的一个例子。氢输送系统适合于通过等同于燃料气体联接器的氢输送单元2，把氢气从氢服务器1输送给燃料电池组的发电电池3。

氢输送单元2包括容纳存储/释放氢气的贮氢材料的氢气筒(cartridge)21。氢输送单元2的耦合部分22与氢服务器1的耦合部分11耦接，以便把氢气从氢服务器1输送给氢输送单元2。类似地，氢输送单元2的耦合部分23与发电电池3的耦合部分31耦接，以便把氢气从氢输送单元2输送给发电电池3。因此，从氢服务器1输送的氢气一度保存在氢输送单元2的氢气筒21中，随后以由氢输送单元2调节的流速被输送给发电电池3。

这样配置的氢输送系统具有这一特征，即氢输送单元2具有保存、显示和传输各种信息的功能。具体地说，根据本实施例的氢输送单元2起保存和必需的充填量、充填次数、燃料气体的流速、燃料气体的余量、存储材料的种类有关的信息，显示这些信息，以及向燃料电池组的氢服务器1一方或发电电池一方传送这些信息的作用。

下面将更具体地说明氢输送单元2的功能。氢输送单元2具有均由流量表和流入量存储器(或流出量存储器)构成的流速测量单元24a和24b。流速测量单元24a安装在与氢服务器1耦接的氢气流入一侧，流速测量单元24b安装在与发电电池3耦接的氢气流出一侧。操作上，从氢服务器1输送的氢气的流速由流速测量单元24a的流量表测量，并保存在其流入量存储器中，类似地，要输送给发电电池3的氢气的流速由流速测量单元24b的流量表测量，并保存在其流出量存储器中。根据流入量存储器和流出量存储器中保存的数据，计算氢气筒21中氢气的余量，并在专用于显示余量的显示单元25上显示。

可根据计算的氢气余量，计算要充入氢气筒21中的氢气的需要量。氢输送单元2还具有向氢服务器1传送信息的信息传送单元26a，和向发电电池3传送信息的信息传送单元26b。关于必需充填量的信息通过信息传送单元26a被传送给氢服务器1，根据传送给氢服务器1的关于必需充填量的信息，控制要充入氢气筒21中的氢气的数量。

除了关于必需充填量的信息之外，氢输送单元2还能够传送和显示关于充填次数的信息。可通过根据氢输送单元2与氢服务器1的连接次数，或者上述流量表的工作次数，计数充填次数，获得关于充填次数的信息。例如，每次使氢输送单元2与氢服务器1连接时，以电子或机械方式计数闭合触点的次数，并且随后将其保存在专用于保存充填次数的存储器27中。在从氢服务器1向氢输送单元2输送氢气，并把氢气保存在氢输送单元中时，这样保存的关于充填次数的信息被显示在专用于显示充填次数的显示单元28上，并通过信息传送单元26a被传送给氢服务器1。氢服务器1根据这样传送的关于充填次数的信息，把输送压力等调节到适当的数值。在反复存储和释放氢之后，包含在氢气筒21中的存储材料的贮氢能力一般会发生一定程度的下降。为了克服这种不便性，最好按照存储材料贮氢能力的下降程度，设置最佳的输送压力，这种情况下，根据关于充填次数的信息，调节输送压力是有效的。

在把氢气筒21换成新氢气筒的情况下，把关于旧氢气筒21计数的充填次数置零，并且重新计数新氢气筒21的充填次数。可通过检测旧氢气筒21从氢输送单元2的取出，并把保存在存储器27中的旧氢气筒21的充填次数置零，实现关于充填次数的信息的置零。

除了上述功能之外，氢输送单元2还具有保存并显示和将容纳在氢气筒21中的存储材料的种类相关的信息，并把这样的信息传送给氢服务器1等的功能。容纳在氢气筒21中的贮氢材料的种类通常可改变最佳输送压力、可充填容量等等。因此，最好是根据存储材料的种类，在氢服务器1中恰当地设置输送压力等。将容纳在氢气筒21中的存储材料的种类保存在存储器中，并显示在专用于显示存储材料的种类的显示单元29上。当氢输送单元2与氢服务器1相连时，通过信息传送单元26a把关于存储材料种类的信息传送给氢服务器1一方，根据这样传送的关于存储材料种类的信息，在氢服务器1中调节输送压力、可充填容量等。此时，当存储材料被安放在氢气筒21中时，可将关于存储材料种类的信息输入存储器中。

本发明并不局限于上述主要和氢输送单元2一方信息的保存、显示和传送相关的结构，还可被配置成使得燃料电池组的发电电池3一方的信息被传送给氢输送单元2一方，并根据这样传送的信息控制氢输送单元2。更具体地说，氢输送单元2可根据从发电电池3传来的关于必需的流速的信息，调节将从氢输送单元2传送给发电电池3的氢气的流速。

图2表示了设置在氢输送单元2和发电电池3之间的气体流速调节机构。通过使在氢输送单元2上设置的耦合部分23与发电电池3的耦合部分31耦接，实现从氢输送单元2到燃料电池组的发电电池3的氢气输送。通过把氢输送单元2的耦合部分23插入发电电池3的耦合部分31中，使氢输送单元2一方的流道与发电电池3一方的流道连通，其间的耦接边界用O形环32和33密封。在发电电池3的耦合部分31的中心设置气体流速信息探针34，探针34的前端插入氢输送单元2的耦合部分23的开口部分23a中。因此，从氢输送单元2输送的氢气流过氢输送单元2的开口部分23a，并通过开口部分23a和气体流速信息探针34之间的间隙，从设置在发电电池3一方的耦合部分31中的进气口35输送到发电电池3。

气体流速信息探针34的前端成锥形，从而由发电电池3一方的气体流速信息探针34的长度确定氢输送单元2一方的针状物(开口部分23a)的节流量。例如，随着发电电池3一方的气体流速信息探针34的长度变长，气体流速信息探针34和氢输送单元2一侧的开口部分23a之间的间隙变窄，从而流过间隙的氢气的流速变小。另一方面，随着发电电池3一方的气体流速信息探针34的长度变短，气体流速信息探针34和氢输送单元2一侧的开口部分23a之间的间隙变宽，从而流过间隙的氢气的流速变大。从而，通过根据发电电池3所需的最佳流速，事先确定气体流速信息探针34的长度，仅仅通过使氢输送单元2和发电电池3耦合，即可设置最佳流速。

除了上述保存、显示和传送各种信息的功能之外，根据本实施例的氢输送单元2还包括检测和控制内部温度的温度控制机构。

温度控制机构适合于检测氢输送单元2的内部温度，并借助双金属片(bimetal)或形状记忆合金的使用，通过调节散热器(heatsink)的组件的角度和排列间距，控制温度。图3A和3B表示了一种使用由形状记忆合金制成的线圈绕组的温度控制机构的一个例子，其中图3A表示当内部温度升高时，线圈绕组伸展的状态(相邻线圈之间的间距变宽)，图3B表示当线圈绕组被冷却时，线圈绕组收缩的状态(相邻线圈之间的间距变窄)。如图3A和3B中所示，许多冷却肋片(散热器)42安装在由形状记忆合金制成的螺旋弹簧41的各匝线圈上，所述螺旋弹簧41事先已进行形状记忆处理，以便借此实现温度控制。

在低温状态下，如图3A中所示，该温度控制机构的螺旋弹簧41保持在收缩状态下，其中各相冷却肋片42彼此紧密接触，即，处于所谓的闭合状态。在这种状态下，热辐射效率差，从而不能获得足够的热辐射效果。另一方面，当氢输送单元2的温度被升高时，如图3B中所示，由形状记忆合金制成的螺旋弹簧41伸展，使安装在螺旋弹簧41的各个线圈上的相邻两个冷却肋片42间的间距变亮，借此增大实际热辐射面积。从而，提高热辐射效果，起降低氢输送单元2的温度的作用。

但是，在采用具有上述结构的温度控制机构的情况下，如果氢输送单元2的温度过低，则难以控制氢输送单元2的温度。为了克服这种不便性，可通过利用发电电池3的发热实现温度控制。即，通过组合使用螺旋弹簧的热辐射机构和发电电池3的发热，可在较宽的温度范围内控制氢输送单元2的内部温度。

温度控制机构并不局限于上述类型，也可以是通过在珀尔帖(Peltier)器件中施加电流来控制温度的一种温度控制机构。图4表示了利用珀尔帖器件的温度控制机构的一个例子。在该温度控制机构中，包含在珀尔帖器件中的珀尔帖模块43附着在氢输送单元2的表面上，控制流入珀尔帖器件的电流的电流控制单元44与珀尔帖模块43连接。温度传感器45附着在氢输送单元2的表面上。根据从温度传感器45提供的温度信息，对珀尔帖器件施加沿特定方向流动的电流，以便冷却或加热氢输送单元2。可通过改变珀尔帖器件中电流流动的方向，相互转换氢输送器件2的冷却和加热。更具体地说，如果氢输送单元2的温度较高，那么沿特定方向对珀尔帖器件施加电流，以便冷却氢输送单元2，而如果氢输送单元2的温度较低，那么沿相反方向对珀尔帖器件施加电流，以便加热氢输送单元2。

下面说明用氢气充填氢气筒的一系列步骤的例子。本例中，用从燃料容器(fuelvessel)(氢服务器1)输送的氢气充填氢气筒(氢输送单元2)，更具体地说，用从具有高压氢气箱的燃料容器(氢服务器1)输送的氢气充填容纳贮氢材料的便携式氢气筒(氢输送单元2)。

氢服务器1一方具有下述控制参数和检查项：

·用于氢输送单元2的各种存储材料的充填压力、可充填容量、充填时的最高许可温度等；

·贮氢单元2的容量和氢输送单元2中氢气的充填量的最大值；和

·实现有效充填的充填量和充填时间之间的关系曲线。

氢输送单元2一方具有关于氢服务器1的下述信息：

·用于氢输送单元2的存储材料的种类；

·氢气筒21的最大容量；

·环境温度；和

·氢气筒21的内部温度。

在使氢输送单元2和氢服务器1相连，以便用氢气充填氢输送单元2的情况下，在使氢输送单元2与氢服务器1相连之后，开始用氢气充填氢输送单元2的操作。此时，氢服务器1首先向氢输送单元2一方传送连接检查信号。要注意的是如果没有从氢输送单元2一方向氢服务器1传送对连接检查信号的任何应答，那么氢服务器1发出警报并中断氢气的输送。在收到连接检查信号之后，氢输送单元2检查氢气筒21的规格，例如存储材料的种类，可充填容量等。氢输送单元2一方把关于所述规格的信息传送给氢服务器1。氢服务器1根据从氢输送单元2一方传送的信息和事先准备的参数，计算充填压力、允许的充填量等，以便确定关于充填的控制。

氢服务器1把开始充填的消息传送给氢输送单元2一方，氢输送单元2把开始充填的确认消息传送给氢服务器1。从而根据先前确定的充填控制方法，开始氢气的充填。在氢气的充填过程中，氢服务器1间隔恰当的时间向氢输送单元2查询氢气筒21内外的温度和压力。如果在充填过程中发生异常的温度升高或压力变化，氢服务器1立即中断充填。

在上述充填程序(sequence)结束时，氢服务器1把充填结束的消息传送给氢输送单元2一方，氢输送单元2把充填结束的确认消息传送给氢服务器1一方。氢服务器1从而关闭包括压力调节阀在内的各个阀门。氢输送单元2一方也关闭各个阀门，并把结果传给氢服务器1一方。在确认用氢气充填氢输送单元2的所有步骤结束之后，氢输送单元2通知系统它处于可取下状态。从而结束用氢气充填氢输送单元2(氢气筒21)的程序。

在上述充填程序中，利用通过使用位于耦接部分的氢气流道实现的光学通信方法，氢服务器1和氢输送单元2可彼此通信。图5表示了氢服务器和氢输送单元的配置示例，其中利用光学通信在氢服务器和氢输送单元之间传送信息。

如图5中所示，氢服务器51包括氢气箱52、调节氢气箱52压力的压力调节机构53和阀门54，其中压力调节机构53和阀门54由输入/输出电路55控制。来自压力传感器56和温度传感器57的信息被输入输入/输出电路55，来自光接收单元58的、用于在光接收单元58和氢输送单元之间传送/接收信息的信号通过放大电路59和解调电路60也被输入输入/输出电路55。相反，来自输入/输出电路55的信号通过调制电路62和放大电路61被输出到光发射单元63。

氢服务器51具有关于氢气箱容量、允许的最大压力、存储材料的种类和先前的操作次数的固定信息，另外还具有诸如判定连接是否存在、从传感器读取信息、处理固定信息、计算余量、计算充填条件和计算充填时间之类的计算处理功能。

另一方面，氢输送单元71包括光接收单元72和用于通信的光发射单元73，并且能够借助作为氢气流道的燃料输送管74实现信息的光学传输。因此，通过氢服务器51中光接收单元58及光发射单元63和氢输送单元71中光接收单元72及光发射单元73之间信号的传输/接收，实现上述充填程序中信息的传输/接收。

最后，说明燃料电池组的各个发电电池3的基本结构和由发电电池3产生电动势的机构。如图6和7中所示，燃料电池组的发电电池被这样配置，即使得与作为燃料气体的氢气接触的燃料电极81通过电解质83和与空气(氧气)接触的空气电极82重叠，这样的子组件被夹在两个集电器84之间。集电器84由具有高的集电性能，并且即使在氧化性蒸汽气氛中也稳定的密致石墨制成。在集电器84的与燃料电极81相对的表面中形成将向其供给氢气的水平凹槽84a，在集电器84的与空气电极82相对的表面中形成将向其供给空气的垂直凹槽84b。

如图7中所示，燃料电极81和空气电极82彼此重叠，同时电解质83保持在它们之间。燃料电极81由气体扩散电极81a和催化剂层81b构成，类似地，空气电极82由气体扩散电极82a和催化剂层82b构成。气体扩散电极81a和82a均由多孔材料制成，催化剂层81b和82b均由其上支承诸如铂之类电极催化剂的电解质和碳颗粒的混合物形成。

通过相互层叠多个上述发电电池，获得燃料电池组，所述发电电池被用作基本单元(燃料电池)。这样的燃料电池组能够通过使串联连接的多个燃料电池工作，输出特定的电压。

在具有上述结构的燃料电池中，当在形成于集电器24中的水平凹槽84a中供给氢气，以便与燃料电极21接触，并在凹槽84b中供给空气(氧气)，以便与空气电极82接触时，发生下述方程式表示的反应：

(燃料电极81一方)

(空气电极82一方)

(整体)

更具体地说，通过在燃料电极81一方释放电子，氢被转换成质子。质子通过电解质83迁移到空气电极82一方，并与空气电极82一方的电子和氧反应。基于这样的电化学反应，产生电动势。

工业应用性

本发明的燃料气体联接器能够保存、显示和传输和必需充填量、充填次数、燃料气体的流速、燃料气体的余量和存储材料的种类有关的各种信息，从而能够根据这些信息，恰当地控制燃料气体服务器等。燃料气体联接器还具有温度控制机构，于是，燃料气体联接器能够实现温度控制，更具体地说，当燃料气体存储单元中的存储材料发热时，易于释放存储材料的热量。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1、一种可与流体燃料服务器和/或发电装置相连的流体燃料联接器，包括：

流体燃料入口和/或流体燃料出口；

存储容器；和

保存信息的装置、显示信息的装置和传送信息的装置中的至少一个装置。

2、按照权利要求1所述的流体燃料联接器，其中将被所述保存信息的装置、所述显示信息的装置和/或所述传送信息的装置保存、显示和/或传送的信息至少包括必需充填量信息、充填次数信息、流体燃料的流速信息、流体燃料的余量信息、以及存储材料的种类信息中的一个或多个。

3、按照权利要求1所述的流体燃料联接器，还包括：

位于流体燃料流入一侧的流量表和位于流体燃料流出一侧的流量表。

4、按照权利要求3所述的流体燃料联接器，其中所述保存信息的装置包括保存由位于流体燃料流入一侧的所述流量表测量的流入量的流入量存储器，和由位于流体燃料流出一侧的所述流量表测量的流出量的流出量存储器；和

所述显示信息的装置包括根据来自所述流入量存储器和所述流出量存储器的信息，计算余量并显示计算的余量的显示器。

5、按照权利要求1所述的流体燃料联接器，其中根据来自所述发电装置的信息，调节必需的流速。

6、按照权利要求5所述的流体燃料联接器，还包括：

在所述发电装置上设置的气体流速信息探针；

其中由所述气体流速信息探针调节必需的流速。

7、按照权利要求6所述的流体燃料联接器，其中利用所述气体流速信息探针的长度，调节流入端口的节流量。

8、按照权利要求2所述的流体燃料联接器，其中所述保存信息的装置包括保存连接次数的存储器；并且

所述显示信息的装置包括显示流体燃料的充填次数的显示器。

9、按照权利要求8所述的流体燃料联接器，其中依据所述存储容器的装上或取下，保存在用于保存连接次数的所述存储器中的连接次数被置零。

10、按照权利要求8所述的流体燃料联接器，其中所述传送信息的装置包括把连接次数信息传送给所述流体燃料服务器的信息传送器，所述连接次数信息被用于调节流体燃料服务器一方的输送压力。

11、按照权利要求1所述的流体燃料联接器，还包括：

温度控制机构。

12、按照权利要求11所述的流体燃料联接器，其中所述温度控制机构具有通过调节散热器的相邻两个组件之间的间距，或者调节所述散热器的各个组件的倾斜角实现温度控制的结构。

13、按照权利要求12所述的流体燃料联接器，其中通过使用双金属片或形状记忆合金，调节所述散热器的组件的间距和倾斜角。

14、按照权利要求13所述的流体燃料联接器，其中所述温度控制机构具有使所述散热器安装在由形状记忆合金制成的螺旋弹簧上的结构。

15、按照权利要求11所述的流体燃料联接器，其中所述温度控制机构由温度传感器和珀尔帖器件组成。

16、按照权利要求1所述的流体燃料联接器，其中所述存储容器具有存储流体燃料的存储材料。

Claims