專(zhuān)利名稱(chēng):物質(zhì)遮斷裝置和燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于遮斷可燃性物質(zhì)或氧化劑的傳輸?shù)奈镔|(zhì)遮斷裝置,并涉及提供有用于遮斷燃料或氧化劑的傳輸?shù)难b置的燃料電池。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)的可燃性氣體泄露檢測(cè)/遮斷設(shè)備由用于檢測(cè)氣體泄露的檢測(cè)機(jī)構(gòu)、基于檢測(cè)信號(hào)給出切斷氣體的命令的控制機(jī)構(gòu)、以及切斷氣體的遮斷裝置構(gòu)成。這些機(jī)構(gòu)和裝置均通過(guò)接收來(lái)自設(shè)備外部所提供的能量例如電力來(lái)驅(qū)動(dòng)。
同時(shí),可燃性氣體檢測(cè)機(jī)構(gòu)的一個(gè)例子是應(yīng)用半導(dǎo)體元件的裝置。其另外一個(gè)例子是在日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.2004-028749中揭示的裝置,其中將由在催化劑部分的可燃性氣體的燃燒而產(chǎn)生的熱通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)而轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并將該信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)。此外,作為氣體遮斷裝置,經(jīng)常采用一種設(shè)置采用電而進(jìn)行開(kāi)/關(guān)的閥例如電磁閥的方法,也采用通過(guò)熱進(jìn)行操作的方法。通過(guò)熱進(jìn)行操作的氣體遮斷方法的例子包括日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.2000-002354中揭示的熔絲機(jī)構(gòu),其中支承體通過(guò)熱失去支承力使得閥體落在閥體基座上;以及日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.H07-071634中揭示的裝置,其中由于熱而軟化變形或變成粘性流體的物質(zhì)填充到耐熱性多孔材料的孔隙中以關(guān)閉氣體流路。日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.2000-046219揭示了一種設(shè)置有熱熔絲的壓力調(diào)節(jié)器。此外,使用催化燃燒熱來(lái)操作遮斷氣體流路裝置的一個(gè)例子,是日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.H06-154022中揭示的催化燃燒熱氣裝置。
同時(shí),如日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)No.H08-315847中所揭示的,燃料電池設(shè)置有燃料檢測(cè)傳感器作為安全對(duì)策以防止燃料泄露。該燃料電池設(shè)置有當(dāng)燃料泄露時(shí)用于切斷燃料供應(yīng)到燃料電池主體的遮斷裝置;或用于將燃料排放到容器外的排放裝置。此外,已經(jīng)嘗試過(guò)的燃料電池的燃料檢測(cè)裝置的例子包括一種通過(guò)燃料電池的發(fā)電特性的劣化涉及燃料檢測(cè)的方法;和一種涉及在氣體燃料中混合有氣味的物質(zhì)或檢測(cè)物質(zhì)例如氦的方法。此外,電磁閥等也用作燃料遮斷裝置。
然而,傳統(tǒng)的可燃性氣體的檢測(cè)裝置為了處理涉及檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并因此需要處理電路和用于驅(qū)動(dòng)處理電路的電源。此外,使用電磁閥等的遮斷裝置需要用于驅(qū)動(dòng)閥的電源。此外,通過(guò)熱操作的遮斷裝置幾乎都用于防止系統(tǒng)加熱,并且沒(méi)有一種遮斷裝置是直接與泄露物質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)相連接的。而且,這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大尺寸的系統(tǒng)都存在問(wèn)題。
到目前為止,沒(méi)有一種燃料電池已利用與催化燃燒相關(guān)而產(chǎn)生的熱來(lái)用于燃料泄露的檢測(cè)。此外,也沒(méi)有一種燃料電池已利用在燃料電池發(fā)電單元中的催化燃燒相關(guān)的發(fā)熱來(lái)用于燃料泄露的檢測(cè)。而且,沒(méi)有一種燃料電池已利用由熱來(lái)驅(qū)動(dòng)的遮斷裝置來(lái)切斷泄露物質(zhì)。
發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明的目的是提供一種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的可燃性物質(zhì)的遮斷裝置,其無(wú)需使用驅(qū)動(dòng)能例如電來(lái)驅(qū)動(dòng)以切斷可燃性物質(zhì)或氧化劑的傳輸。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種燃料電池,其能切斷燃料或氧化劑的傳輸而無(wú)需使用驅(qū)動(dòng)能例如電。
即,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,其提供一種物質(zhì)遮斷裝置,用于當(dāng)可燃性物質(zhì)和氧化劑相互接觸時(shí)切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種的傳輸,從而阻止可燃性物質(zhì)和氧化劑的繼續(xù)接觸,該物質(zhì)遮斷裝置包括設(shè)置在可燃性物質(zhì)流路和氧化劑流路的其中一個(gè)流路中的催化劑部分;和遮斷構(gòu)件,該遮斷構(gòu)件通過(guò)在催化劑部分的可燃性物質(zhì)和氧化劑之間的反應(yīng)伴隨的產(chǎn)熱而操作,來(lái)切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種的傳輸。
還有,催化劑部分可以設(shè)置在可燃性物質(zhì)流路或氧化劑流路中,或者可設(shè)置成與可燃性物質(zhì)流路和氧化劑流路中的一個(gè)的墻表面接觸。而且,這里所使用的表述“阻止可燃性物質(zhì)和氧化劑之間的繼續(xù)接觸”指的是不僅包含該接觸立刻被切斷(或斷開(kāi))的情況,也包含該接觸在一定的時(shí)間之后被切斷(或斷開(kāi))的情況。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,提供一種燃料電池包括電池部分,該電池部分包括用于被供應(yīng)燃料的燃料電極;用于被供應(yīng)氧化劑的氧化劑電極;和置于燃料電極和氧化劑電極之間的離子導(dǎo)體;燃料流路;氧化劑流路;檢測(cè)構(gòu)件,該檢測(cè)構(gòu)件通過(guò)氧化劑和燃料之間的接觸來(lái)產(chǎn)生熱;和遮斷構(gòu)件,該遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料流路和氧化劑流路的至少一個(gè)中,并與檢測(cè)構(gòu)件熱耦合,用于基于檢測(cè)構(gòu)件的發(fā)熱來(lái)切斷燃料和氧化劑中的至少一個(gè)的傳輸。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置的一個(gè)例子的示意圖。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置的另一個(gè)例子的示意圖。
圖3仍是表示根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置的另一個(gè)例子的示意圖。
圖4還是表示根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置的另一個(gè)例子的示意圖。
圖5也是表示根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置的另一個(gè)例子的示意圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的一個(gè)例子的示意圖。
圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)例子的示意圖。
圖8是表示燃料電池的擴(kuò)散層的示意圖。
圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)置有遮斷構(gòu)件的燃料電池的擴(kuò)散層的示意圖。
圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的具有擴(kuò)散性的設(shè)置有遮斷構(gòu)件的燃料電池的擴(kuò)散層的示意圖。
圖11是表示燃料電池的催化劑層的示意圖。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的具有電子傳導(dǎo)性的設(shè)置有遮斷構(gòu)件的燃料電池的催化劑層的示意圖。
圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的具有離子傳導(dǎo)性的設(shè)置有遮斷構(gòu)件的燃料電池的催化劑層的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的可燃性物質(zhì)遮斷裝置能檢測(cè)和切斷可燃性物質(zhì)的泄露,并因此能用于例如燃料電池中。
本發(fā)明能提供一種可燃性物質(zhì)遮斷裝置,其能減少驅(qū)動(dòng)源例如電的使用,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能切斷可燃性物質(zhì)或氧化劑的泄露。
此外,本發(fā)明能提供一種小型且高度安全的燃料電池,其設(shè)置有用于切斷燃料或氧化劑的泄露的裝置。
本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置是用于當(dāng)可燃性物質(zhì)和氧化劑相互接觸時(shí)切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種的傳輸,從而阻止可燃性物質(zhì)和氧化劑的繼續(xù)接觸,其特征在于具有設(shè)置在可燃性物質(zhì)流路和氧化劑流路的其中之一中的催化劑部分;和遮斷構(gòu)件,其通過(guò)在催化劑部分的可燃性物質(zhì)和氧化劑之間的反應(yīng)伴隨的產(chǎn)熱而操作,以切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一個(gè)的傳輸。換言之,本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置能描述成一種物質(zhì)遮斷裝置,其用于當(dāng)可燃性物質(zhì)和氧化劑相互接觸時(shí)切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種,從而阻止(或切斷)其接觸,其包括設(shè)置有催化劑部分用于與可燃性物質(zhì)和氧化劑中的一種接觸;和遮斷構(gòu)件,該遮斷構(gòu)件通過(guò)在催化劑部分的可燃性物質(zhì)和氧化劑之間的反應(yīng)的熱而操作,以切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一個(gè)的傳輸。
此外,根據(jù)本發(fā)明的燃料電池,其特征在于具有電池部分,該電池部分包括用于被供應(yīng)燃料的燃料電極;用于被供應(yīng)氧化劑的氧化劑電極;和置于燃料電極和氧化劑電極之間的離子導(dǎo)體;燃料流路;氧化劑流路;檢測(cè)構(gòu)件,該檢測(cè)構(gòu)件通過(guò)氧化劑和燃料之間的接觸來(lái)產(chǎn)生熱;和遮斷構(gòu)件,該遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料流路和氧化劑流路的至少一個(gè)中,并與檢測(cè)構(gòu)件熱耦合,用于基于檢測(cè)構(gòu)件的發(fā)熱來(lái)切斷燃料和氧化劑中的至少一個(gè)的傳輸。
還有,這里使用的術(shù)語(yǔ)“傳輸”指的是包括可燃性物質(zhì)(或燃料)和氧化劑中的一種與另一種相互接觸的任何行為,包括流動(dòng)或移動(dòng)。
此外,這里使用的術(shù)語(yǔ)“氧化劑流路”指的是不僅包括由墻例如矩形平行六面體形狀封閉的空間,也包括例如存在于物質(zhì)遮斷裝置外部或燃料電池外部的大氣(環(huán)境空氣)的開(kāi)放空間。
此外,本發(fā)明的遮斷裝置無(wú)須使用電信號(hào)來(lái)操作。
假設(shè)使用在設(shè)置有可燃性物質(zhì)流路或燃料流路(可選擇地,可燃性物質(zhì)流路或燃料流路,和氧化劑流路)使得可燃性物質(zhì)或燃料和氧化劑在正常狀態(tài)下不相互接觸的系統(tǒng)中已實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
在本發(fā)明中,優(yōu)選燃料電池的所述遮斷裝置切斷可燃性物質(zhì)的傳輸。
此外,在本發(fā)明中,優(yōu)選燃料電池的所述遮斷裝置切斷燃料的傳輸。
以下,將例舉本發(fā)明的所述遮斷裝置和所述燃料電池的優(yōu)選實(shí)施方式。
優(yōu)選所述可燃性物質(zhì)包括氫氣。
優(yōu)選所述氧化劑包括氧氣。
優(yōu)選所述催化劑部分包括鉑。
優(yōu)選所述傳熱裝置設(shè)置在催化劑部分和遮斷構(gòu)件之間。
優(yōu)選所述遮斷構(gòu)件包括由于熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的材料。
優(yōu)選由于所述遮斷構(gòu)件的熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的材料為多孔質(zhì)。
優(yōu)選所述遮斷構(gòu)件包括一元件,該元件包括由于熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的第一材料,該元件的表面由具有不同于第一材料組分的第二材料覆蓋。
優(yōu)選所述遮斷裝置包括雙金屬或形狀記憶合金。這里使用的術(shù)語(yǔ)“雙金屬”指的是由具有不同的熱膨脹系數(shù)的兩種薄金屬片結(jié)合制成的材料。
優(yōu)選所述遮斷裝置包括閥體,該閥體由于熱而喪失支承力而落在閥基座上。
優(yōu)選所述遮斷裝置包括多孔質(zhì)件。
以下,將例舉本發(fā)明的所述燃料電池的優(yōu)選實(shí)施方式。
優(yōu)選所述物質(zhì)遮斷裝置設(shè)置在燃料電池的催化劑層,所述遮斷裝置的所述遮斷構(gòu)件包括由于熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的材料。
優(yōu)選所述遮斷構(gòu)件包括具有電子傳導(dǎo)性的材料。
優(yōu)選所述遮斷構(gòu)件在其表面具有燃料電池催化劑。
優(yōu)選所述遮斷構(gòu)件包括具有離子傳導(dǎo)性的材料。
實(shí)施例實(shí)施例1下面將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置。
下述物質(zhì)遮斷裝置能切斷可燃性物質(zhì)或氧化劑的傳輸。
圖1是表示物質(zhì)遮斷裝置的示意圖,其中使用由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料作為遮斷構(gòu)件。
圖2是表示物質(zhì)遮斷裝置的示意圖,其中使用由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料作為遮斷構(gòu)件,并且在其附近設(shè)置有耐熱多孔質(zhì)材料。
圖3是表示物質(zhì)遮斷裝置的示意圖,其中使用由形狀記憶合金或雙金屬制成的元件作為遮斷構(gòu)件。
圖4是表示物質(zhì)遮斷裝置的示意圖,其中使用由于熱而落在閥基座上的閥體作為遮斷構(gòu)件。
圖5是表示物質(zhì)遮斷裝置的示意圖,其中物質(zhì)檢測(cè)部分和遮斷構(gòu)件設(shè)置成相互遠(yuǎn)離。
這里所使用的術(shù)語(yǔ)“可燃性物質(zhì)”指的是可燃性氣體例如氫氣或烴;和可燃性液體例如甲醇或乙醚。
此外,氧化劑的例子包括含氧的物質(zhì)例如空氣和氧氣。
在本實(shí)施例中,是在以可燃性氣體(氫氣)用作可燃性物質(zhì)和空氣用作氧化劑的情況下進(jìn)行描述的。然而,本發(fā)明不限于使用氫氣和空氣。
在用于泄露檢測(cè)的催化劑部分設(shè)置于本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置的可燃性物質(zhì)流路中的情況下,通過(guò)可燃性氣體的泄露部分?jǐn)U散并進(jìn)入的空氣與可燃性氣體混合,從而在催化劑部分引發(fā)催化燃燒反應(yīng)。
另一方面,在用于泄露檢測(cè)的催化劑部分設(shè)置于本發(fā)明的物質(zhì)遮斷裝置的可燃性物質(zhì)流路之外的情況下,泄露的可燃性氣體與空氣混合,從而在催化劑部分引發(fā)催化燃燒反應(yīng)。
鉑可用作催化劑。在使用的氣體其中包含毒害鉑的物質(zhì)例如一氧化碳的情況下,使用包含釕的催化劑更有效。當(dāng)發(fā)生催化燃燒反應(yīng)時(shí),催化劑部分產(chǎn)生熱。產(chǎn)生的熱引發(fā)遮斷構(gòu)件(在該實(shí)施例中用于切斷氣體的傳輸?shù)难b置,以下稱(chēng)為“氣體遮斷構(gòu)件”)操作。
氣體遮斷構(gòu)件的例子包括以下幾種。
首先,如圖1所示,在確保可燃性物質(zhì)或氧化劑的氣體流路103在流路102中的狀態(tài)下,由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料111設(shè)置在流路102中的催化劑101的后側(cè)并與其接觸。由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料的例子包括低熔點(diǎn)金屬和熱塑性樹(shù)脂。低熔點(diǎn)金屬的例子包括單質(zhì)金屬例如錫、銦、硒、鉛和鉍以及包含它們的合金。熱塑性樹(shù)脂的例子包括聚乙烯、聚丙烯和聚辛烯的化合物。此外,由于熱而形成泡沫的元件也可使用例如硅酸鈉和環(huán)氧樹(shù)脂的混合物。在使用低熔點(diǎn)金屬的情況下,可在該低熔點(diǎn)金屬表面進(jìn)行涂覆以防止腐蝕??墒褂玫耐扛膊牧系睦影ㄌ?;貴金屬例如金、銀和鉑;陶瓷;和有機(jī)材料。特別是在使用鉑作涂覆材料的情況下,其產(chǎn)物也可用作泄露檢測(cè)的催化劑。
作為確保氣體流路的方法,可包括將由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料加工成多孔質(zhì)件并將該多孔質(zhì)件設(shè)置在流路中的方法,或者在流路中部分設(shè)置由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料的方法,如圖1所示。同樣應(yīng)用于催化劑101。由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料通過(guò)催化劑燃燒反應(yīng)伴隨著產(chǎn)生的反應(yīng)熱而熔化以關(guān)閉流路,從而切斷氣體。
其次,當(dāng)耐熱多孔質(zhì)材料112設(shè)置成鄰近由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料111時(shí),如圖2所示,材料111由于熱而軟化變形或變成粘性流體填充到多孔質(zhì)材料112的孔隙中,從而切斷氣體。在這種情況下,上述描述的確保氣體流路的方法也能應(yīng)用于圖1所示的結(jié)構(gòu)中。此外,由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料也可以進(jìn)行表面涂覆,從而賦予其表面導(dǎo)電性或電絕緣性能,或控制表面的濕潤(rùn)性。
此外,如圖3所示,可使用另一種氣體遮斷構(gòu)件,其中使用形狀記憶合金或雙金屬的停止閥121設(shè)置成與催化劑101相接觸。該停止閥121具有一個(gè)構(gòu)件,該構(gòu)件可以使得其通常開(kāi)啟但由于與催化燃燒反應(yīng)相關(guān)的產(chǎn)熱而關(guān)閉來(lái)關(guān)閉流路,從而切斷氣體。
此外,如圖4所示,可使用另一種切斷氣體傳輸?shù)姆椒?,其中設(shè)置閥體131,并進(jìn)一步設(shè)置支承閥體131的支承部分132與催化劑101接觸,并且該支承部分132由于在催化劑101上的催化燃燒反應(yīng)所伴隨而產(chǎn)生的熱而變形。因此,閥體131進(jìn)入流路102,并由氣體流路推進(jìn)靠著閥基座并落在閥基座上,該閥基座設(shè)置在流路102中并在其中心部分具有孔。對(duì)于所述支承部分,可使用雙金屬、形狀記憶合金、因熱軟化而變形或變成粘性流體的材料等。
此外,如圖5所示,在氣體泄露檢測(cè)部分(其設(shè)置催化劑101)和氣體遮斷部分15設(shè)置成相互遠(yuǎn)離的情況下,催化劑101和氣體遮斷部分15通過(guò)具有高導(dǎo)熱性的材料141連接。因此,在催化劑101上的催化劑反應(yīng)熱可以有效地傳送到氣體遮斷部分15。具有高導(dǎo)熱性的材料優(yōu)選具有高熔點(diǎn),其例子包括金屬例如金、銀、銅、不銹鋼和鋁;氧化鋁;硅;和導(dǎo)熱性聚合物。
通過(guò)采用上述結(jié)構(gòu),當(dāng)可燃性氣體泄露時(shí),氣體遮斷構(gòu)件能通過(guò)利用催化反應(yīng)熱來(lái)操作以切斷氣體泄露。
實(shí)施例2在本發(fā)明的遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料電池的燃料流路或氧化劑流路中的情況下進(jìn)行描述。
首先,以聚合物電解質(zhì)燃料電池為例子來(lái)描述燃料電池的結(jié)構(gòu)。圖6是燃料電池的示意圖,圖7是燃料電池系統(tǒng)的示意圖。接著,描述燃料電池的發(fā)電過(guò)程。將儲(chǔ)存在燃料箱23中的燃料通過(guò)燃料流路24供應(yīng)到燃料電極(陽(yáng)極)213。作為燃料,通常使用可燃性氣體例如氫氣或烴、或可燃性液體例如甲醇或乙醚。同時(shí),將氧化劑供應(yīng)到氧化電極(陰極)211。氧化劑通常是空氣、氧氣等。特別是當(dāng)環(huán)境空氣用作氧化劑時(shí),可通過(guò)空氣孔22供應(yīng)。氧化劑可通過(guò)容納有氧化劑的箱來(lái)代替從環(huán)境空氣來(lái)供應(yīng)。
以下,以氫氣用作燃料、空氣用作氧化劑的情況下進(jìn)行描述。然而,本發(fā)明不限于使用氫氣和空氣。
燃料和氧化劑分別通過(guò)擴(kuò)散層271和272,燃料在燃料電極213上供有的催化劑上反應(yīng)而氧化劑在氧化電極211上供有的催化劑上反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中,離子穿過(guò)(聚合物)電解質(zhì)膜212,而電子被導(dǎo)向電極25并導(dǎo)出作為電能。在這些反應(yīng)中,燃料和氧化劑通常不混合,并在各自電極上發(fā)生反應(yīng)。然而,若電解質(zhì)膜破裂引起燃料泄露,燃料和氧化劑會(huì)在催化劑上引發(fā)催化燃燒反應(yīng)。此外,其他部件破裂會(huì)引起燃料泄露到外部。燃料電池在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生熱,在室溫環(huán)境下通常達(dá)到約40~80℃的溫度。同時(shí),由于燃料和氧化劑混合引起的催化燃燒導(dǎo)致的產(chǎn)熱可將燃料電池的溫度上升到高于100℃,盡管會(huì)根據(jù)燃料和氧化劑的混合比例而有不同。
在本實(shí)施例中,如實(shí)施例1中所述的物質(zhì)遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料流路和氧化劑流路的至少一個(gè)中。此外,物質(zhì)遮斷構(gòu)件可置于設(shè)置在流路中的閥等上,從而使閥關(guān)閉來(lái)切斷氣體。作為檢測(cè)燃料泄露的檢測(cè)構(gòu)件,可使用通過(guò)氧化劑和燃料之間的接觸產(chǎn)生熱的元件。例如,可使用根據(jù)氧化劑和燃料之間的反應(yīng)而產(chǎn)生熱的催化劑部分。在催化劑部分用作檢測(cè)構(gòu)件的情況下,燃料電池的催化劑層可用作催化劑部分,或者也可設(shè)置與燃料電池的催化劑層分離的另一催化劑部分。通過(guò)將檢測(cè)構(gòu)件和遮斷構(gòu)件相互接觸或者使用熱傳輸構(gòu)件連接檢測(cè)構(gòu)件和遮斷構(gòu)件將檢測(cè)構(gòu)件和遮斷構(gòu)件熱結(jié)合。在用于泄露檢測(cè)的催化劑部分和作為遮斷構(gòu)件的氣體遮斷部分設(shè)置成相互遠(yuǎn)離的情況下,優(yōu)選催化劑部分和氣體遮斷部分通過(guò)具有高導(dǎo)熱性的元件連接。當(dāng)燃料泄露時(shí),燃料和氧化劑的混合物開(kāi)始與用于泄露檢測(cè)的催化劑部分相接觸并因此引發(fā)催化燃燒反應(yīng)。氣體遮斷構(gòu)件通過(guò)催化燃燒反應(yīng)伴隨的產(chǎn)熱而操作,由此切斷燃料。
在遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料流路之中的情況下,若催化劑部分設(shè)置在燃料流路之外,氣體遮斷構(gòu)件基于泄露到燃料流路之外的燃料和氧化劑之間的反應(yīng)引起的催化劑部分的產(chǎn)熱來(lái)操作,由此切斷燃料的傳輸。另一方面,若催化劑部分設(shè)置在燃料流路之中,氣體遮斷構(gòu)件基于燃料和進(jìn)入到燃料流路中的氧化劑之間的反應(yīng)引起的催化劑部分的產(chǎn)熱來(lái)操作,由此切斷燃料的傳輸。這樣,能阻止燃料向燃料流路之外的繼續(xù)泄露。同時(shí),在遮斷構(gòu)件設(shè)置在氧化劑流路之中的情況下,當(dāng)燃料從燃料流路泄露并進(jìn)入氧化劑流路時(shí),氣體遮斷構(gòu)件基于泄露的燃料和氧化劑之間的反應(yīng)引起的催化劑部分的產(chǎn)熱來(lái)操作,由此切斷氧化劑的傳輸。這樣,切斷氧化劑流路,從而阻止燃料向氧化劑流路的繼續(xù)流入。
此外,在一些情況下為改善燃料電池的發(fā)電特性,將氧化劑氣體部分地混合到燃料氣體中來(lái)操作燃料電池。然而,由于燃料泄露而產(chǎn)生的催化燃燒的熱引起比在常規(guī)操作下更高的溫度操作,因此涉及燃料泄露的操作和常規(guī)操作能顯著檢測(cè)出來(lái),因此本發(fā)明在這種情況下同樣有效。
實(shí)施例3在本發(fā)明的可燃性物質(zhì)遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料電池的擴(kuò)散層中的情況下進(jìn)行描述。
如圖8所示,燃料電池通常在催化劑層28的外側(cè)具有擴(kuò)散層27。首先,擴(kuò)散電極層與催化劑接觸存在。作為擴(kuò)散電極層,優(yōu)選使用碳多孔質(zhì)件。此外,具有擴(kuò)散性的集流層或具有擴(kuò)散性的用于實(shí)施電絕緣的電絕緣層可額外地設(shè)置在擴(kuò)散電極層的外部。作為擴(kuò)散集流層,可使用金屬泡沫、加工過(guò)的金屬或加工過(guò)的碳,而對(duì)于擴(kuò)散電絕緣層,可使用塑料材料。
在本實(shí)施例中,如圖9所示,將因熱而軟化變形或變成粘性流體的物質(zhì)制成的元件31進(jìn)一步設(shè)置在擴(kuò)散層的外側(cè)。另一方面,如圖10所示,因熱而軟化變形或變成粘性流體的多孔物質(zhì)制成的擴(kuò)散層32可用作具有擴(kuò)散性的導(dǎo)電或電絕緣的元件。具有導(dǎo)電性的材料的例子包括單質(zhì)金屬例如錫、銦、硒、鉛和鉍;以及包含它們的合金。也可以使用通過(guò)將導(dǎo)電性物質(zhì)混合到熱塑性樹(shù)脂中而制備的材料。這些低熔點(diǎn)金屬可以進(jìn)行表面涂覆以防止金屬腐蝕。同時(shí),具有電絕緣性能的材料的例子包括化合物例如聚乙烯、聚丙烯和聚辛烯。也可使用由于熱而形成泡沫的元件例如硅酸鈉和環(huán)氧樹(shù)脂的混合物。
由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料也可以進(jìn)行表面涂覆,從而賦予其表面導(dǎo)電性或電絕緣性能。此外,表面涂覆可控制濕潤(rùn)性。作為檢測(cè)氣體泄露的催化劑,可使用燃料電池的催化劑層,或可設(shè)置與燃料電池的催化劑層分離的另一催化劑層。若由于電解質(zhì)膜等破裂引起燃料泄露,空氣和燃料會(huì)在用于檢測(cè)燃料泄露的催化劑部分反應(yīng),由此引發(fā)催化燃燒。由于催化燃燒而伴隨的產(chǎn)熱引起由低熔點(diǎn)材料制成的擴(kuò)散元件熔化以阻塞擴(kuò)散層。這至少實(shí)現(xiàn)了燃料泄露的切斷和阻止泄露的燃料和環(huán)境空氣的混合氣體與燃料電池催化劑的接觸中的一個(gè)。
實(shí)施例4對(duì)本發(fā)明的可燃性物質(zhì)遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料電池的催化劑層中的情況下進(jìn)行描述。
如圖11所示,燃料電池的催化劑層通常具有催化劑41置于電解質(zhì)膜212上的結(jié)構(gòu)。催化劑層由多孔質(zhì)件或微粒形成以確保燃料或氧化劑的擴(kuò)散性,并與氣體擴(kuò)散電極電連接。此外,催化劑層可與電解質(zhì)42混合以有效形成離子通道,或催化劑層可由負(fù)載在載體顆粒43例如碳上的催化劑微粒41形成,以改進(jìn)催化劑的利用效率。
在本實(shí)施例中,催化劑微粒與由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料制成的元件混合,從而形成催化劑層。若電解質(zhì)膜破裂引起燃料泄露,催化燃燒反應(yīng)將在燃料電池催化劑處發(fā)生。這會(huì)升高催化劑層的溫度,使得上述元件軟化或變成粘性流體覆蓋在催化劑層上。因此,催化燃燒將會(huì)停止。
由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料至少具有電子傳導(dǎo)性和離子傳導(dǎo)性中的一種,從而進(jìn)一步改善催化性能。在由于熱而軟化變形或變成粘性流體的材料具有電子傳導(dǎo)性的情況下,可使用材料單質(zhì)金屬例如錫、銦、硒、鉛和鉍以及包含它們的合金。此外也可以使用通過(guò)將導(dǎo)電性物質(zhì)混合到熱塑性樹(shù)脂中而制備的材料或者通過(guò)在熱塑性樹(shù)脂表面涂覆導(dǎo)電層而制備的材料。這些材料也可以用防腐材料涂覆以防止腐蝕。防腐材料的例子包括碳;貴金屬例如金、銀和鉑;陶瓷;和有機(jī)材料。特別是在使用鉑作涂覆材料的情況下,其產(chǎn)物也可用作泄露檢測(cè)的催化劑。
在因熱而軟化或變成粘性流體的材料如上所述在其表面具有電子傳導(dǎo)性的情況下,該材料可用作如圖12所示的催化劑載體51,從而改善催化劑的利用效率。同時(shí),在因熱而軟化或變成粘性流體的材料具有離子傳導(dǎo)性的情況下,該材料可用作如圖13所示的電解質(zhì)52,以在催化劑41和電解質(zhì)膜212之間形成離子通道。具有離子傳導(dǎo)性的材料的例子包括具有其中引入磺酸基團(tuán)或磷酸基團(tuán)的熱塑性樹(shù)脂。因熱而軟化變形或變成粘性流體的材料也可以進(jìn)行表面處理,從而控制濕潤(rùn)性。
本申請(qǐng)請(qǐng)求2004年6月30日申請(qǐng)的日本專(zhuān)利申請(qǐng)No.2004-194790的優(yōu)先權(quán),該文獻(xiàn)在此引入作為參考。
權(quán)利要求
1.物質(zhì)遮斷裝置,用于當(dāng)可燃性物質(zhì)和氧化劑相互接觸時(shí)切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種的傳輸,從而阻止可燃性物質(zhì)和氧化劑的繼續(xù)接觸,該物質(zhì)遮斷裝置包括設(shè)置在可燃性物質(zhì)流路和氧化劑流路的其中一個(gè)流路中的催化劑部分;和遮斷構(gòu)件,該遮斷構(gòu)件通過(guò)在催化劑部分的可燃性物質(zhì)和氧化劑之間的反應(yīng)伴隨的產(chǎn)熱而操作,來(lái)切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種的傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)遮斷裝置,其中可燃性物質(zhì)包括氫氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)遮斷裝置,其中氧化劑包括氧氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)遮斷裝置,其中催化劑部分包括鉑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)遮斷裝置,還進(jìn)一步包括催化劑部分和遮斷構(gòu)件之間的熱傳輸構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)遮斷裝置,其中遮斷構(gòu)件包括因熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的物質(zhì)遮斷裝置,其中因遮斷構(gòu)件的熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的材料為多孔質(zhì)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的物質(zhì)遮斷裝置,其中所述遮斷構(gòu)件包括一元件,該元件包括因熱而軟化、變成粘性流體、或形成泡沫的第一材料,該元件的表面由具有不同于第一材料組分的第二材料覆蓋。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)遮斷裝置,其中所述遮斷構(gòu)件包括雙金屬或形狀記憶合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)遮斷裝置,其中所述遮斷構(gòu)件包括由于熱而喪失支承力而落在閥基座上的閥體。
11.燃料電池,包括電池部分,該電池部分包括用于被供應(yīng)燃料的燃料電極;用于被供應(yīng)氧化劑的氧化劑電極;和置于燃料電極和氧化劑電極之間的離子導(dǎo)體;燃料流路;氧化劑流路;檢測(cè)構(gòu)件,該檢測(cè)構(gòu)件通過(guò)氧化劑和燃料之間的接觸來(lái)產(chǎn)生熱;和遮斷構(gòu)件,該遮斷構(gòu)件設(shè)置在燃料流路和氧化劑流路的至少一個(gè)中,并與檢測(cè)構(gòu)件熱耦合,用于基于檢測(cè)構(gòu)件的產(chǎn)熱來(lái)切斷燃料和氧化劑中的至少一個(gè)的傳輸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池,其中檢測(cè)構(gòu)件設(shè)置在燃料流路之中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池,其中檢測(cè)構(gòu)件設(shè)置在燃料流路之外。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池,其中當(dāng)燃料電池的操作溫度超過(guò)常規(guī)操作溫度時(shí),遮斷構(gòu)件操作。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池,其中檢測(cè)構(gòu)件包括其中氧化劑和燃料相互反應(yīng)產(chǎn)生熱的催化劑部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池,其中燃料電極和氧化電極中的至少一個(gè)包括催化劑層,以及催化劑部分包括該催化劑層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池,其中燃料電極和氧化電極中的至少一個(gè)具有催化劑層,以及催化劑部分設(shè)置成與該催化劑層分離。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池,其中燃料電極和氧化電極中的一個(gè)具有擴(kuò)散層,并且其中所述遮斷構(gòu)件包括因熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的材料并設(shè)置在該擴(kuò)散層中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池,其中所述遮斷構(gòu)件包括多孔質(zhì)件。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池,其中燃料電極和氧化電極中的一個(gè)具有催化劑層,并且其中所述遮斷構(gòu)件包括因熱而軟化、變成粘性流體或形成泡沫的材料并設(shè)置在該催化劑層中。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池,其中所述遮斷構(gòu)件包括具有電子傳導(dǎo)性的材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的燃料電池,其中所述遮斷構(gòu)件具有設(shè)置在其表面的燃料電池催化劑。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的燃料電池,其中所述遮斷構(gòu)件包括具有離子傳導(dǎo)性的材料。
全文摘要
本發(fā)明提供物質(zhì)遮斷裝置,用于當(dāng)可燃性物質(zhì)和氧化劑相互接觸時(shí)切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種的傳輸,從而阻止可燃性物質(zhì)和氧化劑的繼續(xù)接觸,所述物質(zhì)遮斷裝置包括設(shè)置成與可燃性物質(zhì)流路和氧化劑流路中的之一接觸的催化劑部分(101);以及遮斷構(gòu)件(111),該遮斷構(gòu)件通過(guò)在催化劑部分的可燃性物質(zhì)和氧化劑之間的反應(yīng)產(chǎn)生的熱來(lái)操作,以切斷可燃性物質(zhì)和氧化劑中的至少一種的傳輸。本發(fā)明也提供使用所述可燃性物質(zhì)遮斷裝置的燃料電池。因此,可用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)和切斷可燃性物質(zhì)的泄露,而無(wú)需驅(qū)動(dòng)源例如電。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1926367SQ200580006349
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者中窪亨 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社