氢产生设备,燃料电池系统和分析系统的制作方法

专利名称：氢产生设备,燃料电池系统和分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氢产生设备、 一种燃料电池系统以及一种分析系统。
背景技术：
近年来，考虑到化石燃料例如石油的枯竭以及化石燃料对全球环 境的影响，已经开展新能源的开发。在各种类型的能源中利用氢能的 技术吸引了注意，其中氢在行业领域中用于各种目的。因此，已经开 展使得氢和氧起反应并且提取反应的电能的燃料电池系统的研制。特 别是近年来，对于可以用作便携式电子仪器的小型电源的燃料电池系 统的期望已经增加。
在使用燃料电池系统作为小型电源的情况下，不是使用氢气本身 而是使用具有高能量密度的有机材料例如二甲醚和甲醇作为燃料是期 望的。上面的原因如下。在使用氩气作为可长时间驱动的小型电源的 燃料的情况下，氢气必须压缩到几十至几百个大气压力以便增强能量 密度。因此，燃料容器必须制造得重而大以便保证其强度。因此，满 足便携式电子仪器重量轻、薄、短且小的需求是困难的。
已知一种燃料电池系统，其使用有机物质例如二甲醚和甲醇代替 氢，在安装于系统中的重整装置中产生氢，并且通过使用产生的氢驱 动燃料电池(例如，参考JP-A (公开)2004-319467号)。从燃料电 池中排出的未使用的氢气在催化燃烧器中经历催化燃烧，并且不排出
到系统外部是必要的。
但是，在JP-A (公开)2004-319467的系统中，当催化燃烧器中 的催化剂变质时，在一些情况下未使用的氢气不能充分燃烧并且连续 地排出到设备外部。因此，通常，根据需要另外提供安全设备。
同时，已知一种系统，其通过测量催化燃烧器中的温度来检测催 化燃烧器的异常，例如催化剂的变质(例如，参考JP-A (公开) 2005-158597号)。
但是，JP-A (公开)2005-158597号的系统另外需要测量温度的 测量装置以及基于测量温度确定异常的电子装置。因此，设备变得复 杂且大，并且实现设备或系统整体的小型化变得困难。而且，另外需 要驱动测量装置和电子装置的电源。因此，系统的能量效率降低。

发明内容
本发明的一个方面在于一种氢产生设备，包括包含有机原材料的 容器；配置以从有机原材料中产生含氢气体的氢产生单元；配置以燃 烧含氢气体的一部分的燃烧单元；包括热变形元件的传感器单元，配 置以通过进一步燃烧废气并且传感由废气燃烧引起的温度变化而引起
浓度；以及配置以结合物理形变切断废气的排出的截止阀。
本发明的另一方面在于一种燃料电池系统，包括包含有机原材料 的容器；配置以从有机原材料中产生含氢气体的氢产生单元；配置以 从含氢气体中去除一氧化碳的一氧化碳去除单元；配置以通过使得一 氧化碳从其中去除的含氢气体与氧起反应来产生电功率的发电单元； 配置以燃烧从发电单元中排出的废气的燃烧单元；包括热变形元件的 传感器单元，配置以通过进一步燃烧废气并且传感由废气燃烧引起的 温度变化而引起的热变形元件的物理形变来传感从燃烧单元排出的废 气中可燃气体的浓度；以及配置以结合物理形变切断废气的排出的截 止阀。
本发明的再一方面在于一种包括氢产生设备的分析系统，包括
包含有机原材料的容器；配置以从有机原材料中产生含氩气体的氩产 生单元；配置以从含氢气体中去除一氧化碳的一氧化碳去除单元；配 置以从含氢气体中提纯氢的氢提纯单元；配置以燃烧含氢气体的一部 分的燃烧单元；包括热变形元件的传感器单元，配置以通过进一步燃
理形变来传感:燃烧单k排出的废气中可燃气体的浓i;以及配置以 结合物理形变切断废气的排出的截止阀；以及配置以通过使用在氩提 纯单元中提纯的氢来分析测量目标气体的分析设备。


图l是说明根据第一实施方案的氢产生设备(燃料电池系统)总 体结构的实例的框图2是说明根据第一实施方案的截止单元的第一实例的结构图； 图3是说明根据第一实施方案的截止单元的第二实例的结构图4A、 4B和4C是说明图2和图3中显示的传感燃烧单元的实 例的结构图5是说明根据第一实施方案的截止阀(机械阀)的实例的横截 面视图6是说明根据笫一实施方案的传感器单元的第一实例的透视
图7是说明图6中显示的裂缝连接部分的透视图8是说明根据第一实施方案的传感器单元的第二实例的透视
图9是说明根据第一实施方案的传感器单元的第三实例的透视
图io是说明根据第一实施方案的第一修改的氢产生设备(燃料 电池系统)总体结构的框图11是说明根据第一实施方案的第二修改的氢产生设备(燃料 电池系统)总体结构的框图12是说明图11中显示的进口侧截止阀的详细结构的横截面视
图13是说明根据第一实施方案的第三修改的氢产生设备(燃料
电池系统)总体结构的框图；以及
图14是说明根据第二实施方案的氢产生设备(分析系统)总体 结构的框图。
具体实施例方式
将参考附随附图描述本发明的各种实施方案。应当注意，相同或 相似的参考数字遍及附图应用于相同或相似的部分和元件，并且将省 略或筒化相同或相似部分和元件的描述。在下面的描述中，陈述许多 细节例如具体信号值等，以提供本发明的彻底理解。但是，本发明可 以不使用这种具体细节而实践，这对于本领域技术人员将是显然的。
在第一和第二实施方案中，说明氢产生设备。氢产生设备从有机
材料例如乙醇和二甲醚中产生氢，将产生的氢用于各种目的例如发电 和气体分析，并且此后，抑制包含未使用的氢的气体排出到设备外 部。对于上述功能，例如，如图1中所示的氢产生设备包括包含有机 原材料的容器1，从有机原材料中产生含氢气体的氢产生单元4，部 分地燃烧含氢气体的燃烧单元8，进一步燃烧从燃烧单元8排出的废 气，并且通过因燃烧引起的温度变化而引起的物理形变传感废气中可 燃气体的浓度的传感器单元30，以及结合物理形变切断废气的排出 的截止阀20。
这里，第一实施方案说明将氢产生设备用于燃料电池系统的情 况。第二实施方案说明将氢产生设备用于分析系统的情况。 (笫一实施方案)
-氢产生设备(燃料电池系统)-
如图1中所示，根据第一实施方案的燃料电池系统(氢产生设 备)包括容器1,其包含包括有机原材料的燃料，从有机材料中产生 含氢气体的氢产生单元(重整单元)4，从含氢气体中去除一氧化碳
的一氧化碳去除单元(CO转移单元)5,使得一氧化碳从其中去除 的含氢气体与氧起反应并且产生电功率的发电单元(燃料电池)7， 燃烧从燃料电池7排出的废气的燃烧单元8，进一步燃烧从燃烧单元 8排出的废气，并且通过因燃烧引起的温度变化而引起的物理形变传 感废气中可燃气体的浓度的传感器单元30，以及结合物理形变切断 废气到传感器单元30的供给的截止阀20。注意，"物理形变"指物理 量的变化，例如物质的熔化，体积的变化，形状的变化和长度的变 化。
作为容器1中的有机原材料，酒精例如甲醇和乙醇是可用的。在 使用甲醇作为有机材料的情况下，甲醇与水的摩尔比率为大约1:1至 大约l:2是优选的。
二甲醚等的液化气体也可用作容器1中的有机原材料。室温下二 甲醚的饱和蒸汽压力是大约6个大气压力，这在绝对压力方面高于大 气压力。因此，可以通过使用燃料自身的压力甚至不使用泵将燃料供 给到随后描述的蒸发单元3。 二甲醚和水可以在与蒸发单元3连通的 管道中或者在蒸发单元3中混合而不在容器1中混合，或者作为选 择，可以预先在容器1中混合。
为了更有效地提高二甲醚到氢的重整反应，推荐水量大于其化学 计量。因此，提供到蒸发单元3的二甲醚和水的摩尔比率为大约l:3 至大约1:4是优选的。在大约室温(25°C)下，二甲醚仅以大约1:7 的摩尔比率溶解到水中。但是，甲醇添加到二甲醚和水的混合物中， 从而增强二曱醚与水的相容性，并且当混合溶液存放在容器1中时这 样制备的混合溶液的液相变成均匀相。因此，使用甲醇以大约5%至 大约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，大约3至5个大气压力 的饱和蒸汽压力可以作为室温下混合物自身的压力而获得。作为除上 面之外可供使用的液化气体，论及丙烷、异丁烷、正丁烷等。室温下 这些物质的每个的饱和蒸汽压力高于大气压力。
容器1通过管道等连接到流动速率控制单元2。流动速率控制单
元2控制从容器l供给的燃料的流动速率。例如，在使用甲醇作为有 机材料的情况下，隔膜泵、柱塞泵、齿轮泵、管泵等可以用作流动速 率控制单元2。在使用二甲醚作为有机原材料的情况下，喷嘴、针形 阀、波紋管阀、隔膜阀、蝶形阀等可以用作流动速率控制单元2。作 为除上面之外的流动速率控制单元2，可以使用具有相互不同形状的 多个喷嘴组合的单元，温度可变型的喷嘴，通过调节温度改变流体的 粘度从而调节流动速率的单元等。
已经通过流动速率控制单元2的燃料通过管道等供给到蒸发单元 3。蒸发单元3加热并蒸发从容器1供给到那里的燃料。由蒸发单元 3蒸发的燃料通过管道等供给到重整单元4。在重整单元4的内部， 提供用于使蒸发的燃料通过的流动通道。在流动通道的内壁表面上， 提供用于促进蒸发的燃料到重整气体的重整反应的重整催化剂，其中 供给到重整单元4的燃料重整成含氢气体(重整气体)。
在重整单元4中产生的重整气体供给到CO转移单元5。在CO 转移单元5的内部，提供用于使重整气体通过的流动通道。在流动通 道的内壁表面上，提供用于促进包含在重整气体中的一氧化碳的转移 反应的转移催化剂。供给到CO转移单元5的重整气体包含二氧化 碳、 一氧化碳等以及氢作为副产物。 一氧化碳使燃料电池7的阳极催 化剂变质，并且降低燃料电池7的发电性能。因此，包含在重整气体 中的一氧化碳在CO转移单元5中经历到二氧化碳和氢的转移反应， 从而使得能够减少重整气体中一氧化碳的量，并且增加产生的氢的 量。
一氧化碳在CO转移单元5中减少的重整气体通过管道等供给到 甲烷化单元6。从CO转移单元5供给的重整气体仍然包含大约1% 至2%的一氧化碳。因此，在甲烷化单元6中，进行将保留在重整气 体中的一氧化碳转化成甲烷和水，从而去除一氧化碳的甲烷化反应。 在曱烷化单元6的内部，提供用于使重整气体通过的流动通道。在流 动通道的内壁表面上，提供用于促进包含在重整气体中的一氧化碳的 甲烷化反应的甲烷化催化剂。
甲烷化单元6中的重整气体通过管道等供给到燃料电池7。在燃 料电池7中，重整气体中的氢与大气中的氧彼此反应，从而产生水， 并且产生电功率。
从燃料电池7排出的废气通过管道供给到燃烧单元8。来自燃料 电池7的废气包含可燃气体例如未反应的氩和甲烷。在燃烧单元8 中，可燃气体通过经由气泵12注入到那里的大气中的氧燃烧。燃烧 时产生的燃烧热量主要用于加热蒸发单元3和重整单元4。为了增加 加热效率，均衡温度，并且保护具有低热阻的部分，例如外围电路， 蒸发单元3、重整单元4、 CO转移单元5、甲烷化单元6以及燃烧单 元8的外围覆盖有隔热部分11。
截止单元10提供在燃烧单元8的出口侧。截止单元10包括传感 器单元30，以及位于传感器单元30的进口侧的截止阀20。传感器单 元30通过催化剂燃烧从燃烧单元8排出的废气，并且通过由燃烧引 起的温度变化而引起的物理形变传感废气中可燃气体的浓度。截止阀 20结合由燃烧引起的温度变化而引起的物理形变切断废气到传感器 单元30的排出。电磁阀或机械阀可用作截止阀20。随后将描述传感 器单元30和截止阀20的细节。
排出到燃烧单元8中的废气通过连接到燃烧单元8出口侧上的管 道等的截止阀20，并且供给到连接到截止阀20出口侧上的管道等的 传感器单元30。在传感器单元30中，包含在废气中的可燃气体经历 催化燃烧，从而去除。可燃气体从其中去除的废气排出到图1的燃料 电池系统的外部。
依照根据第一实施方案的燃料电池系统(氢产生设备)，从燃烧 单元8排出的废气中的可燃气体进一步由位于传感器单元30中的催 化剂燃烧。当废气中可燃气体的浓度低时，传感器单元30的温度升 高小。同时，例如，当燃烧单元8的燃烧催化剂的异常例如变质发 生，从而燃烧单元8中的可燃气体没有充分燃烧时，在传感器单元 30中经历催化反应的废气的量增加，并且传感器单元30的温度逐渐 升高。当传感器单元30的温度升高多于热变形元件的变形温度时，
例如，在热变形通过熔化引起的情况下当传感器单元30的温度升高 多于构造在传感器单元30中的热变形元件的熔点时，传感器单元30 中的热变形元件变形。热变形元件的形变传送到截止阀20，从而燃 烧单元8与传感器单元30之间的流动通道自动切断。注意，虽然考 虑图1中显示的燃料电池系统的内部压力过度升高的情况，调节内部 压力的方法将随后描述。
依照根据第 一实施方案的燃料电池系统，未使用的氢气到设备外 部的排出可以由温度变化引起的物理变化容易地抑制。因此，可以提 供具有高安全性的燃料电池系统，它也能够以简单的构造实现设备整 体的小型化。
-截止单元10的细节(在用电力驱动截止阀20的情况下)-(第一实例)
图2显示电磁阀用作图1的截止阀20，并且截止阀20用电力驱 动的情况的实例。传感器单元30包括位于燃烧单元8出口侧的流动 通道上的传感燃烧单元31，以及位于传感燃烧单元31的外壁表面 上，由温度变化物理地变形，并且用电力控制截止阀20的打开/关闭 状态的自动温度调节和控制设备(恒温器)32a。
在恒温器32a中，构造在其中的双金属(没有显示)用作热变形 元件。通过布置双金属，恒温器32a可以在温度升高时设置在OFF 状态，或者在那种情况下设置在ON状态。例如在使用当温度升高时 转向OFF状态的恒温器32a的情况下，恒温器32a由电路13连接到 常闭型电磁阀(截止阀20)。当恒温器32a转向OFF状态，并且电 磁阀没有通电时，电磁阀转向关闭状态。
在使用当温度升高时转向ON状态的恒温器32a的情况下，恒温 器32a由电路13连接到常开型电磁阀。当恒温器32a转向ON状 态，并且电磁阀(截止阀20)通电时，电磁阀转向关闭状态。考虑 到可燃气体到外部的排出抑制，上述模式的每种的恒温器32a形成为 当温度降低时不允许截止阀20重置到打开状态的结构。
例如，如图4C中所示，铝制微通道反应器39可以用作传感燃
烧单元31。微通道反应器39以下面的方式制造。如图4A和4B中所示，机械加工铝等的金属板以形成并行通道310。然后，燃烧催化剂放置在通道的表面上，如图4C中所示，并行通道310与并行通道311相对。如此制造的单元密封在铝外壳中的单元用作传感燃烧单元31。具有高热导率的铝用作微通道反应器39的材料，从而使得能够将产生的燃烧热量快速且有效地传送到恒温器32a。
根据图2中所示的截止单元10，结合响应传感燃烧单元31的温度升高而变形的恒温器32a的双金属用电力控制截止单元10的打开/关闭状态。因此，与通过电子装置测量和分析燃烧单元8的温度变化从而传感异常的常规系统相比较，未反应的氢气到外部的排出可以使用更筒单的构造有效地抑制，从而使得能够实现设备的小型化。
(第二实例)
图3显示电磁阀用作截止阀20，并且截止阀20用电力驱动的情 况的另一个实例。第二实例的传感器单元30类似于第一实例在于传 感器单元30包括位于燃烧单元8出口侧上的流动通道上的传感燃烧 单元31。但是，代替第一实例的恒温器32a，第二实例的传感器单元 30包括因温度变化而物理地变形，并且用电力控制截止阀20的打开/ 关闭状态的温度熔丝32b。
在温度熔丝32b中，位于其内部的低熔点金属用作热变形元件。 通过选择低熔点金属的类型，可以改变温度熔丝32b的操作温度。关 于低熔点金属，可以使用铅-锡(Pb-Sn)，铅-银(Pg-Ag)，铋 -锡(Bi画Sn )，铟-铋-锡(In-Bi國Sn )，铅-锡-银(Pb-Sn-Ag)，锡-铜(Sn國Cu)等。
如图3中所示，温度熔丝32b由电路13连接到常闭型电磁阀 (舉止阀20)。当温度熔丝3化转向OFF状态，并且电磁阀没有通 电时，电磁阀(截止阀20)转向关闭状态。如图4C中所示的铝制微 通道反应器39可以用作传感燃烧单元31。
根据图3中所示的截止单元10,结合因传感燃烧单元31的温度 升高而切断电路的温度熔丝32b用电力控制截止单元10的打开/关闭
状态。温度熔丝32b不允许截止阀20重置到打开状态，即使当温度 降低时。因此，与通过电子装置测量和分析燃烧单元8的温度变化从 而传感异常的常规系统相比较，未反应的氢气到外部的排出可以使用 更简单的构造抑制，从而也可以实现设备的小型化。
-截止单元10的细节(在用机械驱动截止阀20的情况下)-
(第一实例)
图5至图7显示机械阀用作图1中显示的截止阀20，并且机械 阀用机械控制的情况的实例(第一实例)。作为截止阀20，例如， 如图5的横截面视图中说明的截止阀20是适当的。
在图5中显示的截止阀20中，在提供在其主体21内部的内室 28中，布置将内室28划分成第一室28a和第二室28b的隔膜23。弹 簧22放置在第一室28a中。固定到隔膜23的阀杆24布置在第二室 28b中。阀杆24的尖端与通过其供给废气的流动通道25相对。
连接到截止阀驱动杆(控制杆)27的制动器26固定到隔膜23。 当截止阀驱动杆27由随后描述的热变形元件的形变而引起的机械力 拉向主体21的向外方向时，制动器26从隔膜23脱离，隔膜23因弹 簧22的拉伸而移动至流动通道25，并且流动通道25由阀杆24切 断。
图6显示适用于使用图5中所示截止阀20的情况的传感器单元 30的实例。传感器单元30包括具有由圆柱形内管37和围绕内管37 的圆柱形外管38组成的双管结构的传感器管道41。内管37和外管 38的两个端部都由圆盘状元件(没有显示)气密密封。在内管38的 侧面上，废气进口部分34和废气出口部分35打开。内管37与外管 38之间的缝隙变成使得从图1的燃烧单元8供给的废气流过的废气 通道。传感燃烧单元31布置在废气通道的内部。用于燃烧可燃气体 的固态燃烧催化剂填充到传感燃烧单元31中。
在内管37的内部，排列与传感燃烧单元31相邻的热变形元件 304，连接到热变形元件304的笫一弹簧302，连接到第一弹簧302 的连接元件303，以及一端连接到连接元件303且另一端固定到内管
37的端面的第二弹簧301。第一和第二弹簧302和301各自以拉伸的 状态固定到内管37的端面。
作为热变形元件304，例如，低熔点金属(或合金)例如Pb-Sn, Pg-Ag, Bi-Sn， In-Bi-Sn， Pb-Sn-Ag和Sn-Cu是可用的。通过 选择低熔点金属的类型，可以改变传感器单元30的操作温度。使用 金属制成的线圏弹簧作为第一和第二弹簧302和301是可能的。
在内管37和外管38的侧面上，分别形成内管裂缝371和外管裂 缝381。在内管裂缝371和外管裂缝381之间，连接如图7中所示管 状的裂缝连接部分36。图7中显示的裂缝连接部分36的一端通过焊 接等固定到图6中显示的内管裂缝371。图7的裂缝连接部分36的 另一端通过焊接等连接到图6中显示的外管裂缝381。裂缝连接部分 36的两端都通过焊接固定，由此从废气进口部分34流入传感器单元 30中的废气从废气出口部分35流出而没有通过内管37的内部从内 管裂缝371泄漏或者从外管裂缝381泄漏到外部。
截止阀驱动杆(控制杆)27通过外管裂缝381和内管裂缝371 连接到连接元件303。截止阀驱动杆27由因热变形元件304的形变 而引起的第二弹簧301的拉伸和收缩机械地移动，并且控制图5中显 示的截止阀20的打开/关闭状态。
已经从图6的废气进口部分34流入传感器单元30的废气流过存 在于内管37和外管38之间的缝隙中的废气通道，通过传感燃烧单元 31，并且从废气出口部分35排出。当废气中可燃气体的浓度增加 时，热变形元件304因传感燃烧单元31中产生的燃烧热量而熔化。 结果，第二弹簧301收缩，并且连接元件303和截止阀驱动杆207移 动到废气进口部分34—侧。图6的截止阀驱动杆27移动，由此图5 的制动器26拉到主体21的外部。因此，流动通道25由阀杆24切 断。
根据图5至图7中显示的截止单元10，热变形元件304响应传 感燃烧单元31的温度升高而熔化，由此图6中显示的第二弹簧301 收缩，并且与第二弹簧301互锁的截止阀驱动杆27机械地移动。这
样，图5中显示的截止阀20切断燃烧单元8的出口侧流动通道。这 样，可以提供能够小型化其整体并且能够使用简单的构造抑制未反应 的氢气排出到外部的燃料电池系统。 (第二实例)
图5和图8显示机械地执行图1中所示截止单元10中的流动通 道的切断的情况的另一个实例(第二实例)。作为截止阀20，如图5 的横截面视图中说明的截止阀20是适当的。
如图8中所示，传感器单元30包括具有内管37和外管38的传 感器管道41，用于使废气流过的废气流动通道提供于其间，布置在 废气流动通道中的传感燃烧单元31，在内管37的内部与传感燃烧单 元31相邻的第一弹簧(第一热变形元件)306，以及与图6的第二弹 簧301类似的第二弹簧305 (第二热变形元件)。连接元件303连接 到第一弹簧306的另一端。第二弹簧305的一端连接到连接元件 303，而其另一端固定到内管37的端面。截止阀驱动杆27连接到连 接元件303，并且通过第一弹簧306的形变机械地控制截止阀20的 打开/关闭状态。
第一和第二弹簧306和305的各个端部以第一和第二弹簧306和 305拉伸的状态固定到内管37的端面。作为第一弹簧306,当温度升 高时收缩的类型的形状记忆合金弹簧是适当的。通过选择形状记忆合 金弹簧的类型，可以改变操作温度。
已经从废气进口部分34流到传感器单元30的废气流过内管37 和外管38之间的缝隙中的废气流动通道，通过传感燃烧单元31，然 后从废气出口部分35排出。当废气中可燃气体的浓度增加时，第一 弹簧306因传感燃烧单元31中产生的燃烧热量而收缩，并且连接元 件303结合这种收缩移动到废气出口部分35 —侧。这样，驱动连接 到连接元件303的截止阀驱动杆27,图5中显示的制动器26从隔膜 23脱离，并且阀杆24切断流动通道，从而自动地停止废气的流动。 作为热变形元件的第一弹簧306变形，由此截止阀20自动地切断流 动通道。因此，与通过电子装置计算燃烧单元8中的温度变化从而传
感异常等的系统相比较，进一步小型化系统整体是可能的，并且未反 应的氢气到外部的排出使用更简单的构造抑制。
注意，对于第一弹簧306和第二弹簧305 二者，可以使用具有相 同拉伸的形状记忆合金弹簧。这样，截止阀驱动杆27可以通过使用 因形状记忆合金弹簧之间的温度差而产生的两个弹簧之间的拉伸差异 激励。因此，与使用图6中显示的传感器单元30，或者仅将形状记 忆合金弹簧用于第一弹簧306的情况相比较，上述构造具有即使当废 气自身的温度从开始就高以及当环境温度升高时仍然可以抑制故障的 优点。注意，在将形状记忆合金弹簧用于第一弹簧306和第二弹簧 305 二者的情况下，连接元件303由具有低热导率的材料形成以便抑 制因从第一弹簧306到第二弹簧305的热传导而引起的弹簧之间的温
度均衡是期望的。 (第三实例)
图5和图9显示机械地执行图1中所示截止单元10中的流动通 道的切断的情况的另一个实例(第三实例)。作为截止阀20，如图5 的横截面视图中说明的截止阀20是适当的。
如图9中所示，在传感器单元30中，排列位于内管37内部与传 感燃烧单元31相邻的第一充气袋308，连接到第一充气袋308的连 接元件303，以及连接到连接元件303的第二充气袋307。第一和第 二充气袋308和307例如通过导线309a和309b连接到连接元件 303。
第一和第二充气袋308和307具有柔韧性，液化气体或压缩气体 填充到其内部。二甲醚、含氯氟烃等适合用作液化气体。二氧化碳、 氮气等适合用作压缩气体。通过选择填充到第一和第二充气袋308和 307中的气体的类型，可以改变传感器单元30的操作温度。
已经从废气进口部分34流入传感器单元30的废气流过内管37 和外管38之间的缝隙中的废气通道，通过传感燃烧单元31，然后从 废气出口部分35排出。当废气中可燃气体的浓度增加时，第一充气 袋308因传感燃烧单元31中产生的燃烧热量而加热，并且第一充气
袋308的内部压力增加，由此第一充气袋308膨胀。结果，连接元件 303和截止阀驱动杆27移动到废气进口部分34 —侧。图9的截止阀 驱动杆27移动，由此图5的制动器26拉到主体21的外部。因此， 阀杆24切断流动通道25，从而停止废气的流动。因此，与通过电子 装置计算燃烧单元8中的温度变化从而传感异常的常规系统相比较， 进一 步小型化系统整体是可能的，并且未反应的氢气到外部的排出可 以使用更简单的构造抑制。
而且，在图9中显示的第三实例中，截止阀驱动杆27通过使用 作为热变形元件的第一和第二充气袋308和307之间的内部压力差激 励。因此，上述构造具有即使当废气自身的温度从开始就高以及当环 境温度升高时仍然可以防止故障的优点。 (第一实施方案的第一修改)
如图10中所示，根据第一修改的燃料电池系统与图1中显示的 燃料电池系统的不同在于燃料电池系统还包括布置在传感器单元30 的进口侧上，从废气提供到的流动通道外部吸入燃烧所必需的氧(空 气)，并且将吸入的氧提供到传感器单元30的氧供给单元40。氧供 给单元40安装在传感器单元30和截止阀20之间，并且通过管道等 连接到二者。例如，喷射器可以用作氧供给单元40。图10中显示的 燃料电池系统的其他与图1中显示的燃料电池系统的那些基本上类 似，因此将省略重复的描述。
根据图10中显示的燃料电池系统，布置氧供给单元40，并且空 气中的氧总是提供到传感器单元30。这样，例如，即使当提供空气 到燃烧单元8的气泵12损坏时，截止阀20仍然适当地操作，并且系 统内部可以气密密封。因此，增强安全性。 (第一实施方案的第二修改)
如图11中所示，根据第二修改的燃料电池系统还包括位于蒸发 单元3的进口侧上的进口侧截止阀50。进口侧截止阀50通过管道等 连接到流动速率控制单元2和蒸发单元3。如果当截止阀20因燃烧 单元8的燃烧催化剂的变质而操作时氧继续通过使用气泵12供给并
且气泵12损坏，那么存在系统的内部压力增加到喷射的极限压力的 可能性。而且，如果液化气体用作燃料，并且通过^^用流动速率控制 单元2例如喷嘴供给，那么存在系统的内部压力可能增加到燃料固有 的饱和蒸汽压力的可能性。如上所述，系统的内部压力可能增加多于 正常操作时。因此，安装进口侧截止阀50，并且当截止阀20操作 时，进口侧截止阀50也操作以停止到重整单元4的燃料供给，从而 使得能够抑制系统的内部压力增加。
这里，当热变形元件中的形变产生由图11中显示的传感器单元 30的传送是如图2和图3中所示的电气传送时，与截止阀20具有类 似构造的电磁阀可以用作进口侧截止阀50。在该情况下，如果气泵 12的损坏不是截止阀20操作的原因，那么存在系统的内部压力可能 增加到气泵12的极限的可能性。因此，电磁阀进一步布置在气泵12 的进口侧或出口侧，并且结合截止阀20和进口侧截止阀50的操作而 操作是期望的。作为选择，关于气泵12的结构，电功率到气泵12的 供给可以在作为截止阀20和进口侧截止阀50的电磁阀开始操作时同 时停止。
而且，当热变形元件中的形变产生由传感器单元30的传送是如 图5至图9中所示的机械传送时，例如，如图12的横截面视图中显 示的进口侧截止阀50是适当的。在图12中显示的进口侧截止阀50 中，在提供于其主体51内部的内室59中，布置用于将内室59划分 成第一室59a和第二室59b的隔膜53。弹簧52放置在第二室5外 中。固定到隔膜53的阀杆54布置在第二室59b中。阀杆54的尖端 与使燃料58通过其供给的流动通道55相对。弹簧52的弹簧常数设 置在当燃料的压力增加多于正常操作时阀杆54切断流动通道55的范围。
流动通道55的进口侧通过管道等连接到流动速率控制单元2和 容器1。在流动通道55的进口侧上，布置连接到第一室59a的分支 通道56。从图11中显示的容器1供给的燃料通过流动速率控制单元 2，并且通过图12的流动通道55。此时，燃料的一部分作为阀驱动
燃料通过分支通道56供给到第一室59a。
当燃料的压力增加多于正常操作时，从笫一室59a —侧施加到隔 膜53的燃料的力增加多于正常操作时。该力进一步压缩存在于第二 室59b—侧上的弹簧52，并且向下移动连接到隔膜53的阀杆54，从 而切断燃料的流动通道。通过改变弹簧52的弹簧常数和阀杆54的长 度，可以设置切断流动通道的情况下系统的内部压力。作为弹簧52 的类型，可以使用线團弹簧、板簧、气垫等。
注意，如果气泵12的损坏不是截止阀20操作的原因，那么存在 系统的内部压力可能增加到气泵12的极限的可能性。因此，如图12 中所示的进口侧截止阀50也布置在气泵12的出口侧是期望的。同 时，如果气泵12的损坏是截止阀20操作的原因，那么取决于气泵 12的结构，存在含氢气体可能从燃烧单元8回流到气泵12 —侧的可 能性。为了防止这种回流，进一步在气泵12的出口侧安装止回阀等 是期望的。
如果气泵12的结构是除非出口侧的压力增加到某个值否则回流 不会发生的结构，那么在气泵12的出口侧安装如图12中所示的进口 侧截止阀50也是可能的。如果使用的气泵12具有容易回流气体的结 构，那么安装如图12中所示的进口侧截止阀50和止回阀是期望的。 如果气泵12具有当压力没有增加到某个值则不会回流气体的结构， 那么仅如图12中所示的进口侧截止阀50需要安装。图11中显示的 燃料电池系统的其他与图10中显示的燃料电池系统的那些基本上类 似，因此，将省略重复的描述。
根据图11和图12中显示的燃料电池系统，布置进口侧截止阀 50，从而使得能够抑制重整单元4等的内部压力的增加。因此，增强 安全性。
(第一实施方案的第三修改)
如图13中所示，根据第三修改实例的燃料电池系统还包括布置 在燃烧单元8的出口侧，并且使废气的热能与供给到蒸发单元3的有 机材料的热能交换的热交换单元60。
热交换单元60位于蒸发器3的进口侧的管道与燃烧单元8的出 口侧的管道之间。作为热交换单元60的材料，使用具有高热导率的 材料例如铝是期望的。热交换单元60将由来自燃烧单元8的废气拥 有的热量通过热交换单元60自身提供到已经通过蒸发单元3的进口 侧的管道的燃料，从而冷却流过燃烧单元8的出口侧的废气。图13 中显示的燃料电池系统的其他与图12中显示的燃料电池系统的那些 基本上类似，因此，将省略重复的描述。
根据图13中显示的燃料电池系统，可以降低供给到截止单元10 的废气的温度，因此，可以防止可能因燃烧单元8中废气的过度温度 升高而引起的截止单元10的故障。 (第二实施方案)
如图14中所示，根据第二实施方案的分析系统包括具有从重整 单元4中产生的含氢气体中提纯氢的氢提纯单元9的氢产生设备 100;以及通过使用在氢提纯单元9中提纯的氢来分析测量目标气体 的分析设备200。
氢提纯单元9通过管道连接到甲烷化单元6的出口侧。氢提纯单
元9将一氧化碳从其中去除的重整气体分离成甲烷、二氧化碳、水蒸 汽等从其中去除的高浓度氢气，以及包含甲烷、二氧化碳、水蒸汽等 的低浓度氢气。作为氢提纯单元9，例如，可以使用由钯、钒、钽等 的金属薄膜制成的氢渗入薄膜，以及石英氢渗入半渗透薄膜。在氢提 纯单元9中产生的低浓度氢气通过管道等供给到燃烧单元8。高浓度 氩气通过管道等供给到分析设备200。
分析设备200包括栽气存放单元201,通过管道等连接到载气存 放单元201的柱状物203，通过管道等连接到柱状物203的火焰离子 化检测器(FID) 205,以及通过管道等连接到FID 205的截止单元 210。
在载气存放单元201中，存放惰性气体例如氦和氮。在载气存放 单元201的出口侧的管道上，布置测量目标气体供给口 202。测量目 标气体从测量目标气体供给口 202提供，并且与从栽气存放单元201供给的惰性气体流一起供给到柱状物203。
柱状物203将通过管道等供给到那里的气体分离成每种气体组 分。柱状物203由布置在柱状物203自身的圆周上的电加热器204加 热到预先确定的温度。作为加热柱状物203的设备，不一定总是使用 电加热器204。例如，在氢产生设备100中产生的热量的一部分可以 通过使用热管提供到柱状物203。毛细管柱、填充柱等可以用作柱状 物203。
在柱状物203中经历组分分离的气体通过管道等供给到FID 205。 FID 205将从柱状物203供给到那里的气体连同从氢提纯单元9 提供的高浓度氢气一起燃烧，并且离子化测量目标气体。FID 205由 分析控制单元206控制。
从二次电池等提供驱动FID 205、分析控制单元206、电加热器 204等必要的电功率是可能的。但是，可以釆用下面的构造，其中如 图1中所示的燃料电池7安装在氢提纯单元9的出口侧，燃料电池7 由低浓度氢气从氢提纯单元9的供给而驱动，并且通过驱动燃料电池 7提取的电能用作电功率。
作为FID 205中的分解结果已经转化成二氧化碳和水蒸汽的测量 目标气体和包含由高浓度氢气的燃烧产生的水蒸汽的废气通过管道等 供给到连接到FID 205的截止单元210。截止单元210包括截止阀 220和传感器单元230。截止单元210的构造与第一实施方案中描述 的截止单元10基本上类似，因此，将省略其描述。
依照根据第二实施方案的分析系统，当流入传感器单元230中的 废气中氢的浓度因FID 205中燃烧的失败而增加多于正常操作时，热 变形元件因位于传感器单元230中的传感燃烧单元中产生的燃烧热量 而变形，并且这种形变传送到传感器单元230,由此截止阀220操作 以切断流动通道。这样，可以提供能够抑制氢气排出到外部的具有高 安全性的分析系统。 (其他实施方案)
在接受本公开内容的讲授之后，各种修改将变得对于本领域技术
人员可能，而不背离其范围。
图10至图13中显示的第一实施方案的修改实例显示将氧供给单 元40、进口侧截止阀50和热交换单元60顺序地添加到图1中显示 的燃料电池系统的实例。但是，单独添加氧供给单元40、进口侧截 止阀50和热交换单元60的每个当然是可能的。而且，使用氧供给单 元40、进口侧截止阀50和热交换单元60任意组合的燃料电池系统 也是可能的。当然，将图10至图13中显示的氧供给单元40、进口 侧截止阀50和热交换单元60并入第二实施方案中显示的氢产生设备 100 ，并且使用这样制造的系统作为便携式分析仪器也是可能的。
权利要求
1.一种氢产生设备，包括包含有机原材料的容器；被配置为从有机原材料中产生含氢气体的氢产生单元；被配置为燃烧含氢气体的一部分的燃烧单元；包括热变形元件的传感器单元，被配置为通过进一步燃烧废气并且传感由废气燃烧引起的温度变化而引起的热变形元件的物理形变来传感从燃烧单元排出的废气中可燃气体的浓度；以及被配置为结合物理形变切断废气的排出的截止阀。
2. 根据权利要求l的设备，其中传感器单元还包括 传感燃烧单元，提供有燃烧单元的流动通道的出口侧， 其中布置在传感燃烧单元的外壁表面上、用作热变形元件的恒温器或温度熔丝用电力控制截止阀的打开和关闭状态。
3. 根据权利要求l的设备，其中传感器单元还包括 传感器管道，包括内管，围绕内管的外管以便在内管和外管之间提供废气通道，便于从燃烧单元排出的废气的流动； 布置在废气通道中的传感燃烧单元； 连接到热变形元件的第一弹簧； 连接到第一弹簧的连接元件；一端连接到连接元件且另一端固定到内管的端面的第二弹簧；以及控制杆，连接到连接元件，因由热变形元件的形变引起的第二弹 簧的拉伸和收缩而机械地移动，并且控制截止阀的打开和关闭状态， 其中热变形元件与内管的内侧上的传感燃烧单元相邻布置，
4. 根据权利要求1的设备，其中热变形元件分成沿着一个方向 对准的第一和第二热变形元件，传感器单元还包括传感器管道，包括内管，围绕内管的外管以便在内管和外管之间 提供废气通道，便于废气的流动，第一热变形元件的一端固定到内管 的一个端面，第二热变形元件的一端固定到内管的另一个端面； 与废气通道中的第一变形元件相邻布置的传感燃烧单元； 连接在第一和第二热变形元件的另一端之间的连接元件；以及 控制杆，连接到连接元件，通过第一和第二热变形元件的形变机 械地控制截止阀的打开和关闭状态。
5. 根据权利要求4的设备，其中第一和第二热变形元件包括形 状记忆合金弹簧和具有柔韧性的充气袋。
6. 根据权利要求1的设备，还包括提供有传感器单元的进口侧 的氧供给单元，从废气提供到传感器单元的流动通道的外部提供废气 燃烧所必需的氧。
7. 根据权利要求1的设备，还包括提供有蒸发单元的进口侧的 进口侧截止阀，结合温度变化切断有机原材料到氢产生单元的供给。
8. 根据权利要求1的设备，还包括布置在燃烧单元的出口侧的 热交换单元，使从燃烧单元排出的废气的热能与通过氢产生单元的进 口侧的有机原材料的热能交换。
9. 根据权利要求1的设备，还包括提供有蒸发单元的进口侧的 进口侧截止阀，结合氢产生单元的进口侧的压力切断有机原材料到氢 产生单元的供给。
10. —种燃料电池系统，包括 包含有机原材料的容器；被配置为从有机原材料中产生含氢气体的氩产生单元； 被配置为从含氢气体中去除一氧化碳的一氧化碳去除单元； 被配置为通过使得一氧化碳从其中去除的含氢气体与氧起反应来 产生电功率的发电单元；被配置为燃烧从发电单元中排出的废气的燃烧单元； 包括热变形元件的传感器单元，被配置为通过进一步燃烧废气并 且传感由废气燃烧引起的温度变化而引起的热变形元件的物理形变来 传感从燃烧单元排出的废气中可燃气体的浓度；以及 被配置为结合物理形变切断废气的排出的截止阀。
11.根据权利要求10的系统，其中传感器单元还包括 传感燃烧单元，提供有燃烧单元的流动通道的出口侧； 其中布置在传感燃烧单元的外壁表面上、用作热变形元件的恒温 器或温度熔丝用电力控制截止阀的打开和关闭状态。
12，根据权利要求10的系统，其中传感器单元还包括 传感器管道，包括内管，围绕内管的外管以便在内管和外管之间 提供废气通道，便于从燃烧单元排出的废气的流动； 布置在废气通道中的传感燃烧单元； 连接到热变形元件的第一弹簧； 连接到第一弹簧的连接元件；一端连接到连接元件且另 一端固定到内管的端面的第二弹簧；以及控制杆，连接到连接元件，因由热变形元件的形变引起的第二弹 簧的拉伸和收缩而机械地移动，并且控制截止阀的打开和关闭状态， 其中热变形元件与内管的内侧的传感燃烧单元相邻布置。
13.根据权利要求10的系统，其中热变形元件分成沿着一个方 向对准的第一和第二热变形元件，传感器单元还包括传感器管道，包括内管，围绕内管的外管以便在内管和外管之间 提供废气通道，便于废气的流动，第一热变形元件的一端固定到内管 的一个端面，第二热变形元件的一端固定到内管的另一个端面； 与废气通道中的第一热变形元件相邻布置的传感燃烧单元； 连接在第一和第二热变形元件的另一端之间的连接元件；以及 控制杆，连接到连接元件，通过第一和第二热变形元件的形变机 械地控制截止阀的打开和关闭状态。
14. 根据权利要求13的系统，其中第一和第二热变形元件包括 形状记忆合金弹簧和具有柔韧性的充气袋。
15. 根据权利要求10的系统，还包括提供有传感器单元的进口 侧的氧供给单元，从废气提供到传感器单元的流动通道的外部提供废 气燃烧所必需的氧。
16. 根据权利要求10的系统，还包括提供有蒸发单元的进口侧 的进口侧截止阀，结合温度变化切断有机原材料到氢产生单元的供 给。
17. 根据权利要求10的系统，还包括布置在燃烧单元的出口侧 的热交换单元，使从燃烧单元排出的废气的热能与通过氢产生单元的 进口侧的有机原材料的热能交换。
18. 根据权利要求10的系统，还包括提供有蒸发单元的进口侧 的进口侧截止阀，结合氢产生单元的进口侧的压力切断有机原材料到 氩产生单元的供给。
19. 一种分析系统，包括 氢产生设备，其包括包含有机原材料的容器；被配置为从有机原材料中产生含氢气体的氢产生单元； 被配置为从含氢气体中去除一氧化碳的 一氧化碳去除单元；被配置为从含氢气体中提纯氢的氢提纯单元； 被配置为燃烧含氢气体的一部分的燃烧单元； 传感器单元，包括热变形元件，被配置为通过进一步燃 烧废气并且传感由废气燃烧引起的温度变化而引起的热变形 元件的物理形变来传感从燃烧单元排出的废气中可燃气体的 浓度；以及被配置为结合物理形变切断废气的排出的截止阀；以及 被配置为通过使用在氢提纯单元中提纯的氢来分析测量目标气体 的分析设备。
20. 根据权利要求19的系统，其中分析设备包括 载气存放单元；连接到栽气存放单元的柱状物； 连接到柱状物的检测器；以及截止单元，连接到检测器，结合物理形变切断废气的排出。
全文摘要
氢产生设备，燃料电池系统和分析系统。氢产生设备包括容器；被配置为产生含氢气体的氢产生单元；被配置为燃烧含氢气体的一部分的燃烧单元；包括热变形元件的传感器单元，被配置为通过进一步燃烧废气并且传感由废气燃烧引起的温度变化而引起的热变形元件的物理形变来传感废气中可燃气体的浓度；以及被配置为结合物理形变切断废气的排出的截止阀。
文档编号H01M8/06GK101106200SQ20071012905
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者五十崎义之, 北村英夫 申请人:株式会社东芝