ТОПЛИВНЫЙ КАРТРИДЖ И СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2012 года по МПК H01M8/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к топливному картриджу и системе топливного элемента, которые предназначены для подачи жидкого топлива в топливный элемент. В частности, изобретение относится к технологии, позволяющей для начала выработки электроэнергии подавать из топливного картриджа не только жидкое топливо, с помощью которого основной модуль топливного элемента вырабатывает электроэнергию, но также и электрическую энергию.

Уровень техники

В последние годы с расширением функциональности переносных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые камеры и видеокамеры, наблюдается тенденция увеличения потребления ими электроэнергии. В связи с этим обращается внимание на топливные элементы, в которых могут быть улучшены показатели по удельной энергии и удельной вырабатываемой мощности, что нужно для подачи электроэнергии в переносные электронные устройства.

В топливном элементе подаваемое к аноду топливо окисляется, а воздух или кислород подают к катоду с целью восстановления кислорода. При этом химическая энергия топлива эффективно преобразуется в электрическую энергию, которую извлекают и используют. Если топливо продолжают подавать к топливному элементу, то топливный элемент может продолжать работать как источник электроэнергии, даже если он не заряжен.

Среди таких топливных элементов, вероятнее всего, в качестве источников электроэнергии для переносных электронных устройств будут использоваться топливные элементы с твердым полимерным электролитом (ТЭТПЭ), в которых в качестве электролита используются протонопроводящие полимерные мембраны. Среди топливных элементов с полимерным электролитом в топливном элементе с прямым окислением метанола (ТЭПОМ) в качестве топлива используется метанол без модификаций. Метанол подается к аноду в виде водного раствора большей или меньшей концентрации. При этом поданный метанол окисляется на аноде до углекислого газа с помощью слоя катализатора. Далее полученные ионы водорода перемещаются к катоду через протонопроводящую полимерную мембрану, расположенную между анодом и катодом, и в слое катализатора у катода вступают в реакцию с кислородом, образуя воду.

В топливном элементе с прямым окислением метанола (ТЭПОМ) метанол, являющийся жидким топливом, подают к аноду с целью выработки электроэнергии, причем для этого в основном модуле топливного элемента имеются вспомогательные устройства, такие как подающий насос. Далее метанол выходит из топливного картриджа, который установлен, например, с возможностью съема, на основном модуле топливного элемента.

Вспомогательные устройства, такие как топливный насос, приводятся в действие вспомогательным источником электроэнергии, расположенным в основном модуле топливного элемента. В частности большая часть систем топливных элементов включает в себя комбинацию вспомогательных источников электроэнергии, таких как литий-ионный элемент, батарея или конденсатор, при этом указанная комбинация предназначена для приведения в действие вспомогательного устройства, такого как топливный насос, для отработки изменений нагрузки в устройстве, соединенном с основной частью топливного элемента, обеспечивая высокоэффективную выработку электроэнергии. При работе системы топливного элемента часть выработанной электрической энергии подают к вспомогательному источнику энергии для ее накопления. Когда необходимо запустить систему топливного элемента, накопленную во вспомогательном источнике электрическую энергии используют для запуска топливного насоса с целью подачи метанола к аноду.

Тем не менее, иногда, при большой нагрузке со стороны устройства, присоединенного к основному модулю топливного элемента, накопленная во вспомогательном источнике электрическая энергия чрезмерно потребляется. Иногда напряжение вспомогательного источника энергии падает в результате саморазряда или подобных явлений, когда система топливного элемента не работает в течение продолжительного периода времени. Если электрическую энергию невозможно извлечь из вспомогательного источника энергии, и трудно привести в действие топливный насос, то система топливного элемента не может быть запущена.

Известна технология, согласно которой при запуске из основного модуля топливного элемента извлекают контактную площадку и подсоединяют ее к электродам внешнего элемента, так что систему топливного элемента запускают с использованием электрической энергии от внешнего элемента. В частности, если накопленной во вспомогательном источнике электрической энергии недостаточно, и, следовательно, система топливного элемента не может быть запущена с использованием этой электрической энергии, то для запуска системы топливного элемента к нему подсоединяют внешний элемент (см., например, документ JP №2004-95189).

Раскрытие изобретения

Тем не менее, для технологии, описанной в документе JP №2004-95189, в чрезвычайных обстоятельствах, когда запуск системы топливного элемента затруднен, должно быть обеспечено наличие внешнего элемента. Таким образом, существует проблема, заключающаяся в том, что когда внешний элемент не подготовлен, т.е. когда размер или подобные параметры внешнего элемента несовместимы с контактной площадкой основного модуля топливного элемента или в подобных случаях, топливный элемент не может быть запущен.

Далее, согласно технологии, описанной в документе JP №2004-95189, появляется уведомление о трудностях с запуском системы топливного элемента, и пользователь вынужден устанавливать внешний элемент. Вкратце, после появления уведомления, устанавливают внешний элемент, после чего запускают систему топливного элемента. Таким образом, перед запуском нужно затратить усилия и время.

Задача изобретения заключается в создании решения, обеспечивающего возможность простого и быстрого запуска системы топливного элемента, даже если к основному модулю топливного элемента нет возможности подавать электрическую энергию от вспомогательного источника.

Указанная задача решена в топливном картридже, содержащем топливный контейнер с жидким топливом, которое необходимо подавать в основной модуль топливного элемента, выполненный с возможностью съемной установки на основном модуле топливного элемента и имеющий отверстие для подачи топлива в основной модуль топливного элемента, элемент для подачи электрической энергии с целью запуска выработки электрической энергии в основном модуле топливного элемента, и электродную часть, предназначенную для подачи электрической энергии от указанного элемента в основной модуль топливного элемента.

Кроме того, указанная задача решена в системе топливного элемента, содержащей основной модуль топливного элемента, предназначенный для выработки электрической энергии с использованием жидкого топлива, и топливный картридж, выполненный с возможностью съемной установки на основном модуле топливного элемента с целью подачи в него жидкого топлива, при этом топливный картридж содержит топливный контейнер с жидким топливом, отверстие для подачи этого топлива в основной модуль топливного элемента, элемент для подачи электрической энергии с целью запуска выработки электрической энергии в основном модуле топливного элемента, и электродную часть для подачи электрической энергии от указанного элемента в основной модуль топливного элемента, при этом основной модуль топливного элемента содержит приемное отверстие для топлива, соответствующее указанному отверстию для подачи топлива, участок с электрическими контактами, соответствующий указанной электродной части, устройство выработки электроэнергии, предназначенное для запуска выработки электрической энергии путем подачи в него жидкого топлива, устройство подачи жидкого топлива от приемного отверстия в устройство выработки электроэнергии, и устройство управления, приводящее в действие устройство подачи топлива с помощью электрической энергии элемента.

В описанных выше вариантах осуществления изобретения жидкое топливо, позволяющее основному модулю топливного элемента вырабатывать электрическую энергию, содержится в топливном картридже. При этом топливный картридж выполнен с возможностью съемной установки на основном модуле топливного элемента. Картридж топливного элемента содержит элемент для запуска выработки электрической энергии основным модулем топливного элемента. Таким образом, если картридж с жидким топливом установлен на основном модуле топливного элемента, то из этого картриджа подаются жидкое топливо и электрическая энергия, необходимая для выработки основным модулем электрической энергии.

Согласно описанному выше изобретению из топливного картриджа подают не только жидкое топливо, позволяющее вырабатывать электрическую энергию в основном модуле топливного элемента, но также и электрическую энергию для запуска выработки электрической энергии основным модулем. В результате, когда основной модуль топливного элемента не может вырабатывать электрическую энергию, система топливного элемента может быть легко и быстро запущена путем установки топливного картриджа с жидким топливом на основной модуль топливного элемента.

Варианты осуществления изобретения описаны далее со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан топливный картридж согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг. 2 - блок-схема системы топливного элемента согласно изобретению;

на фиг. 3 - схема последовательности операций, иллюстрирующая начало выработки электрической энергии системой топливного элемента согласно изобретению;

на фиг. 4 - топливный картридж согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в перспективе.

Осуществление изобретения

Как показано в части (а) на фиг.1, топливный картридж 10 согласно первому варианту осуществления изобретения содержит топливный контейнер 11, отверстие 12 для подачи топлива, гальванический элемент 13 (соответствующий элементу для подачи электрической энергии согласно изобретению), электродную часть 14 и уплотнительный элемент 15, являющийся элементом предотвращения короткого замыкания.

Топливный контейнер 11 представляет собой хорошо уплотненное пространство для вмещения метанола, являющегося жидким топливом. Топливный контейнер 11 представляет собой параллелепипед, который с возможностью съема может быть установлен на основном модуле 30 топливного элемента (на фиг. 1 не показан), который описан ниже. Внутри топливного контейнера 11 установлен датчик оставшегося количества метанола, предназначенный для определения этого количества. Таким образом, если с помощью датчика оставшегося количества будет определено, что метанол в топливном контейнере 11 закончился, то топливный картридж 10 можно извлечь из основного модуля 30 топливного элемента и заменить его новым (в котором есть запас метанола).

Отверстие 12 для подачи топлива представляет собой выход для подачи метанола, расположенного в топливном контейнере 11, и образовано на одной из боковых сторон топливного контейнера 11. В подающем отверстии 12 расположен запорный клапан, предотвращающий самопроизвольное вытекание метанола. Таким образом, при транспортировке, хранении, продаже и подобных действиях с топливным картриджем 10 метанол не вытекает из него наружу.

Гальванический элемент 13 подает электрическую энергию для запуска выработки электроэнергии основным модулем. В данном варианте осуществления изобретения в качестве гальванического элемента 13 используется марганцевый элемент пуговичного типа (ЭДС=1,5 В). Кроме того, как показано в части (b) на фиг. 1, в электродной части 14 последовательно расположены два гальванических элемента 13, так что может быть получено заранее заданное напряжение (примерно 3,0 В). Следует отметить, что помимо марганцевого элемента в качестве гальванического элемента 13 можно использовать щелочно-марганцевый элемент (ЭДС=1,5 В), цинково-воздушный элемент (ЭДС=1,35 В), серебряно-оксидный элемент (ЭДС=1,55 В), ртутно-оксидный элемент (ЭДС=1,35 В) и так далее.

Электродная часть 14 выполняет функцию вывода для подачи электрической энергии от гальванического элемента 13. В данном варианте осуществления изобретения два гальванических элемента 13 установлены в заранее заданном направлении так, что их электроды («+» и «-») соединены последовательно внутри электродной части 14. Кроме того, если два гальванических элемента 13 установлены в заранее заданном направлении в электродной части 14, то их открытые наружу электроды («+» и «-») выполняют функцию выводов электродной части 14.

Уплотнительный элемент 15 предотвращает короткое замыкание гальванических элементов 13. В частности уплотнительный элемент 15 приклеивают к электродной части 14 неиспользуемого топливного картриджа 10, так что при транспортировке, хранении, продаже или совершении подобных действий гальванические элементы 13 не могут в находиться состоянии, когда их электроды открыты. Таким образом, в новом топливном картридже 10 не только содержится достаточное количество метанола в топливном контейнере 11, но и гальванические элементы 13 имеют достаточное количество электрической энергии. Когда необходимо использовать топливный картридж 10, уплотнительный элемент 15 снимают с помощью выступающей части 15а.

На фиг.2 показана система 100 топливного элемента согласно изобретению.

Система 100 топливного элемента представляет собой топливный элемент с прямым окислением метанола (ТЭПОМ), в котором в качестве топлива используется метанол. Как показано на фиг.2, система 100 топливного элемента содержит топливный картридж 10 и основной модуль 30 топливного элемента, так что метанол подается из топливного картриджа 10 в основной модуль 30 топливного элемента.

Основной модуль 30 топливного элемента содержит устройство 31 выработки электроэнергии, устройство 32 управления, насос 33 подачи топлива (соответствующий устройству подачи топлива согласно изобретению), вспомогательный элемент 34, являющийся устройством накопления электроэнергии, и датчик 35 определения напряжения, являющийся устройством обнаружения выработки электроэнергии. Также основной модуль 30 топливного элемента имеет отверстие 36 для приема топлива из топливного картриджа 10 и участок 37 с электрическими контактами для взаимодействия с топливным картриджем 10. Кроме того, в цепи управления, в которую входят устройство 32 управления и подобные устройства, расположены диод 42, переключающий элемент 41 и выключатель 43.

Устройство 31 вырабатывает электрическую энергию на основе химической энергии, содержащейся в метаноле. В частности устройство 31 выработки электроэнергии содержит объединенный элемент мембрана-электрод (ОЭМЭ), в котором топливный электрод анода и кислородный электрод катода находятся на противоположных поверхностях протонопроводящей полимерной мембраны. Топливный электрод содержит слой окислительного катализатора, сформированный на поверхности проводящей пористой подложки, а кислородный электрод содержит слой восстановительного катализатора, сформированный на поверхности проводящей пористой подложки. В качестве проводящих пористых подложек используют, например, углеродную бумагу, углеродную ткань и т.п. Слой окислительного катализатора и слой восстановительного катализатора могут быть образованы, например, из смеси платины или подобного материала, который является катализатором и проводником протонов.

К топливному электроду объединенного элемента мембрана-электрод (ОЭМЭ) подают метанол, а к кислородному электроду подают кислород или воздух. Подаваемый к топливному электроду анода метанол окисляется до углекислого газа с помощью слоя окислительного катализатора. В результате образуются ионы водорода (протоны: Н+), от которых были отделены электроны (е-), при этом полученные ионы водорода перемещаются к катоду через протонопроводящую полимерную мембрану, являющуюся электролитом, а электроны (е-) извлекаются из топливного электрода и перемещаются к нагрузке. Кроме того, электроны (е-), проходящие через нагрузку, и ионы водорода (протоны - Н+), проходящие через протонопроводящую полимерную мембрану, являющуюся электролитом, вступают в реакцию с кислородом в слое восстановительного катализатора кислородного электрода, в результате чего образуется вода.

Таким образом, устройство 31 выработки электроэнергии вырабатывает электрическую энергию с помощью электрохимической реакции и в качестве побочного продукта, отличного от электрической энергии, по существу вырабатывается только вода. Электродвижущая сила, которую нужно подавать на нагрузку, зависит от количества метанола, подаваемого к топливному электроду устройства 31 выработки электроэнергии, следовательно, может быть выработано достаточное количество электрической энергии путем управления насосом 33 подачи топлива с помощью устройства 32 управления, которое регулирует подаваемое количество метанола.

Метанол подается из топливного картриджа 10. В частности весь топливный картридж 10, включающий в себя топливный контейнер 11, выполнен так, чтобы устанавливаться на основном модуле 30 топливного элемента с возможностью съема. Метанол хранится в топливном контейнере 11, при этом, если топливный картридж 10 установлен на основном модуле 30 топливного элемента, отверстие 12 для подачи топлива и отверстие 36 для приема топлива совмещены друг с другом, а запорный клапан, расположенный в отверстии 12, открыт. В результате метанол из топливного контейнера 11 подается в основной модуль 30 топливного элемента через отверстие 36 для приема топлива.

Если в топливном контейнере 11 топливного картриджа 10 закончился метанол, то необходимо отсоединить топливный картридж 10 от основного модуля 30 топливного элемента и установить новый топливный картридж 10 (в котором содержится метанол). Поскольку метанол подается в основной модуль 30 топливного элемента, то после вышеуказанных действий может быть продолжена выработка электроэнергии устройством 31.

В данном случае, хотя метанол подают в устройство 31 выработки электроэнергии с помощью насоса 33 подачи топлива, этот насос приводится в действие электрической энергией вспомогательного элемента 34. Вспомогательный элемент 34 представляет собой аккумуляторную батарею, например, литий-полимерную, и часть электрической энергии, вырабатываемой устройством 31, подается на вспомогательный элемент 34 и накапливается в нем. Таким образом, если устройство 31 начинает вырабатывать электроэнергию, то насос 33 подачи топлива может быть приведен в действие электрической энергией, накопленной вспомогательным элементом 34. Если насос 33 подачи топлива приведен в действие, то обеспечивается выработка электроэнергии устройством 31 выработки электроэнергии, и электрическую энергию накапливают во вспомогательном элементе 34. Наличие или отсутствие выработки электроэнергии устройством 31 определяется с помощью датчика 35 напряжения.

Тем не менее, если нагрузка устройства, присоединенного к основному модулю 30 топливного элемента достаточно высока, то электрическая энергия, подаваемая на вспомогательный элемент 34, может быть ограничена, или электрическая энергия, накопленная во вспомогательном элементе 34, может потребляться чрезмерно. Если электроэнергия в течение длительного периода времени не вырабатывается устройством 31, то напряжение вспомогательного элемента 34 может упасть из-за его саморазряда и подобных причин. В результате, когда необходимо запустить систему 100 топливного элемента, от вспомогательного элемента 34 нельзя получить электрическую энергию, необходимую для приведения в действие насоса 33 подачи топлива. Это делает невозможным выработку электроэнергии устройством 31.

Система 100 топливного элемента согласно изобретению выполнена так, что даже в случае, когда электрическая энергия вспомогательного элемента 34 исчерпана, и насос 33 подачи топлива не может быть приведен им в действие, можно нормально повторно запустить систему 100 топливного элемента, чтобы устройство 31 начало вырабатывать электроэнергию. В частности топливный картридж 10 содержит гальванический элемент 13, предназначенный для подачи электрической энергии с целью запуска выработки электроэнергии. В таком топливном картридже 10 (в котором содержится метанол) гальванический элемент 13 содержит достаточное количество электрической энергии, следовательно, топливный картридж 10, установленный на основном модуле 30 топливного элемента, может подавать не только хранящийся в топливном контейнере 11 метанол, но и электрическую энергию от гальванического элемента 13.

Далее этот момент описан более подробно. Когда во вспомогательном элементе 34 накоплено достаточное количество электрической энергии, и он работает нормально, переключающий элемент 41 находится в состояние проводимости (нормальное состояние). При этом электрическая энергия вспомогательного элемента 34 подается по цепи управления в устройство 32 управления, которое управляет насосом 33 подачи топлива так, чтобы он подавал метанол в устройство 31 для выработки электроэнергии. Если электрическая энергия вспомогательного элемента 34 исчерпана, то подаваемой электрической энергии может быть недостаточно, или подача ее может быть невозможна.

В таком случае, если на основном модуле 30 топливного элемента установлен топливный картридж 10, то совмещены как отверстие 12 для подачи топлива с отверстием 36 для приема топлива, так и электродная часть 14 с участком 37 для электрического контакта. Хотя топливный картридж 10 установлен (метанол есть), когда датчик 35 определения напряжения не определяет выработку электроэнергии устройством 31 выработки электроэнергии, устройство 32 управления решает, что электрическая энергия вспомогательного элемента 34 исчерпана, и управляет насосом 33 подачи топлива так, чтобы он был приведен в действие электрической энергией гальванического элемента 13.

В системе 100 топливного элемента согласно изобретению, даже если вспомогательный элемент 34 не может привести в действие насос 33 подачи топлива, этот насос приводится в действие гальваническим элементом 13 в топливном картридже 10. Другими словами, когда новый топливный картридж 10 (в котором содержится метанол) установлен на основной части 30 топливного элемента, то может быть обеспечена подача не только метанола, который является жидким топливом, но также и электрической энергии для насоса 33 подачи этого жидкого топлива. В результате метанол подается в устройство 31, которое начинает выработку электроэнергии. Электрической энергии гальванического элемента 13 достаточно для обеспечения работы насоса 33 подачи топлива в течение периода времени, необходимого для приведения в действие системы, т.е. периода, во время которого до начала устойчивой работы системы 100 топливного элемента может быть обеспечено подаваемое насосом количество топлива, необходимое для заполнения метанолом насоса 33 подачи топлива и системы трубопроводов, ведущих к устройству 31 выработки электроэнергии, а также необходимое количество метанола.

Как показано на фиг.3, для запуска выработки электрической энергии системой 100 топливного элемента на первом этапе S1 на основной модуль 30 топливного элемента устанавливают новый топливный картридж 10 (фиг.2). При этом гальванический элемент 13 топливного картриджа 10 соединяется с основным модулем 30 топливного элемента через электродную часть 14 и участок 37 с электрическими контактами, как показано на фиг. 2. Положительный электрод гальванического элемента 13 соединяется с диодом 42, и электрическая энергия подается к основному модулю 30 топливного элемента. Следует отметить, что диод 42 установлен для предотвращения поступления в гальванический элемент 13 электрической энергии, выработанной устройством 31, или от вспомогательного элемента 34.

Как показано на фиг.3, если топливный картридж 10 на этапе S1 установлен, то на следующем этапе S2 выключают переключающий элемент 41. В частности переключающий элемент 41 образован полевым транзистором (ПТ), как показано на фиг.2, а электрическим током между истоком и стоком управляют по принципу пропускания потока электронов или дырок под действием электрического поля в канале, когда напряжение прикладывают к электроду затвора. Выключатель 43 нормально замкнут и находится в проводящем состоянии. Таким образом, когда топливный картридж 10 установлен, напряжение гальванического элемента 13 поступает от анода диода 42 на переключающий элемент 41 для перевода его в выключенное состояние.

Если переключающий элемент 41 выключен таким образом, то положительный электрод вспомогательного элемента 34 отключен от устройства 32 управления, и на следующем этапе S3, показанном на фиг.3, электрическая энергия подается от положительного электрода гальванического элемента 13 в устройство 32 управления через диод 42, как показано на фиг.2.

Когда начинается подача электрической энергии от гальванического элемента 13, устройство 32 управления переводится в рабочее состояние на этапе S4, как показано на фиг.3. Далее устройство 32 управления работает так, что на последующем этапе S5 приводится в действие насос 33 подачи топлива. В частности, когда насос 33 подачи топлива переводится в рабочее состояние с помощью электроэнергии гальванического элемента 13 (ЭДС двух соединенных последовательно марганцевых элементов составляет 3,0 В). На следующем этапе S6 метанол, содержащийся в топливном картридже 10, подается по направлению к устройству 31 выработки электроэнергии. В результате на этапе S7 устройство 31 выработки электроэнергии начинает выработку электрической энергии.

На этапе S8 датчиком 35 напряжения, соединенным с устройством 32 управления, определяется, начата или нет выработка электрической энергии устройством 31. В частности, если устройство 31 начинает вырабатывать электроэнергию, то электрическая энергия подается на устройство 32 управления. Так как напряжение на устройстве 32 управления определяется датчиком 35 напряжения, то если напряжение превысит заранее заданное значение (больше напряжения гальванического элемента 13, равного 3,0 В), то начинается выработка электроэнергии.

Если на этапе S8 не определяется выработка электроэнергии (если определенное датчиком 35 напряжение меньше заранее заданного), то происходит возврат на этап S5, так что насос 33 подачи топлива продолжает работать без изменения. В частности, когда датчик 35 напряжения не определяет выработку электроэнергии устройством 31, устройство 32 управления работает так, что насос 33 подачи топлива приводится в действие электрической энергией гальванического элемента 13 и подает метанол в устройство 31 для продолжения выработки электроэнергии.

С другой стороны, если на этапе S8 определяется выработка электроэнергии (если определенное датчиком 35 напряжение превышает заранее заданное), то происходит переход на следующий этап S9, на котором устройство управления 32 переводит выключатель 43 в выключенное состояние. На следующем этапе S10 переключающий элемент 41, образованный полевым транзистором (ПТ), возвращается в проводящее состояние. Таким образом, часть выработанной устройством 31 электрической энергии накапливается во вспомогательном элементе 34 (фиг.2). В дальнейшем устройство 32 управления обеспечивает работу насоса 33 подачи топлива от электрической энергии вспомогательного элемента 34. На этапе S11 процесс повторного запуска завершается.

На фиг.4 показан топливный картридж 20 согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в перспективе.

Как показано в части (а) на фиг. 4, топливный картридж 20 согласно второму варианту осуществления изобретения содержит топливный контейнер 11 и отверстие 12 для подачи топлива, которые аналогичны соответствующим элементам топливного картриджа 10 согласно первому варианту осуществления изобретения, показанному в части (а) на фиг.1. В частности топливный контейнер 11 представляет собой параллелепипед и установлен на основном модуле 30 топливного элемента с возможностью съема (фиг.2). В топливном контейнере 11 содержится метанол в качестве жидкого топлива. На одной из боковых сторон топливного контейнера 11 образовано отверстие 12 для подачи топлива. В отверстии 12 расположен запорный клапан для предотвращения вытекания метанола.

Гальванический элемент 23, предназначенный для подачи электрической энергии с целью запуска выработки электроэнергии, является элементом литий-диоксид марганца, имеющим форму пластины. Этот гальванический элемент 23 расположен на верхней поверхности топливного контейнера 11. Поскольку ЭДС элемента литий-диоксид марганца достаточно велика (около 3,0 В), то в отличие от марганцевых элементов пуговичного типа (гальванический элемент 13, показанный на фиг.1) нет необходимости в последовательном соединении двух элементов. Так как выработка электроэнергии может быть начата с использованием только одного гальванического элемента 23 без добавления такого элемента, как цепь повышения напряжения, то схема электродной части 24, показанная в части (b) на фиг.4, упрощается, и электродная часть 24 может быть удешевлена.

Электродная часть 24 («+» и «-») расположена на верхней поверхности топливного контейнера 11 вместе с электродами гальванического элемента 23. Для предотвращения короткого замыкания гальванического элемента 23 имеется уплотнительный элемент 25, приклеенный так, чтобы закрывать электродную часть 24 («+» и «-»). Таким образом, в новом топливном картридже 20 не только содержится достаточное количество метанола в топливном контейнере 11, но и гальванический элемент 23 имеет достаточное количество электрической энергии для запуска выработки электроэнергии основным модулем 30 топливного элемента (фиг.2). Когда необходимо использовать топливный картридж 20, уплотнительный элемент 25 снимают с помощью выступающей части 25а.

Таким образом, при использовании системы 100 топливного элемента (фиг.2) согласно изобретению, даже если энергия вспомогательного элемента 34 (фиг.2) исчерпана, и система 100 топливного элемента не может быть запущена сама, она может быть повторно запущена путем установки топливного картриджа 10 (фиг.1) согласно первому варианту осуществления изобретения или топливного картриджа 20 (фиг.4) согласно второму варианту осуществления изобретения. В частности при этом отсоединяют вспомогательный элемент 34 системы 100 топливного элемента, и для запуска выработки электрической энергии насос 33 подачи топлива (смотри фиг.2) может быть приведен в действие гальваническим элементом 13 (фиг.1) топливного картриджа 10 или гальваническим элементом 23 (фиг.4) топливного картриджа 20.

Электродная часть 14 (фиг.1) гальванического элемента 13 или электродная часть 24 (фиг.4) гальванического элемента 23 защищена уплотнительным элементом 15 (фиг.1) или уплотнительным элементом 25 (фиг.4), соответственно. В результате не только предотвращается короткое замыкание гальванического элемента 13 (гальванического элемента 23) и поддерживается достаточное количество электрической энергии, но и улучшается безопасность в случаях, когда работает топливный картридж 10 (топливный картридж 20).

Хотя выше описаны различные варианты осуществления изобретения, оно не ограничивается этими вариантами, но подразумевает различные модификации.

В частности, хотя в описанных выше вариантах осуществления изобретения в системе 100 топливного элемента для выработки электроэнергии в качестве топлива используется метанол, топливо необязательно должно представлять собой метанол, а может быть использовано любое жидкое топливо, содержащее водород. В частности также можно использовать спиртовое жидкое топливо, такое как этанол и бутанол, и топливо из сжиженных углеводородов, такое как диметил эфир, изобутен и природный газ, который в условиях комнатной температуры и нормального давления является газом.

В описанных выше вариантах осуществления изобретения топливный картридж 10 (топливный картридж 20) содержит гальванический элемент 13 (гальванический элемент 23). Тем не менее, может быть использован не только гальванический элемент, но и аккумуляторная батарея. При использовании аккумуляторной батареи, если часть электрической энергии, вырабатываемой устройством 31, накапливается в аккумуляторной батарее, то в основном модуле 30 топливного элемента может отсутствовать вспомогательный элемент 34.

Изобретение относится к топливному картриджу и системе топливного элемента, которые предназначены для подачи жидкого топлива в топливный элемент. Топливный картридж содержит топливный контейнер с жидким топливом, в котором имеется отверстие для подачи топлива в основной модуль топливного элемента, элемент для подачи электрической энергии с целью запуска выработки электрической энергии в основном модуле топливного элемента и электродную часть, предназначенную для подачи электрической энергии от элемента в основной модуль топливного элемента. Топливный контейнер выполнен с возможностью съемной установки на основном модуле топливного элемента. Изобретение позволяет запустить систему топливного элемента просто и быстро. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Топливный картридж, содержащий топливный контейнер с жидким топливом, которое необходимо подавать в основной модуль топливного элемента, отверстие для подачи топлива в основной модуль топливного элемента, элемент для подачи электрической энергии с целью запуска выработки электрической энергии в основном модуле топливного элемента, и электродную часть, предназначенную для подачи электрической энергии от указанного элемента в основной модуль топливного элемента, отличающийся тем, что топливный контейнер выполнен с возможностью съемной установки на основном модуле топливного элемента.

2. Топливный картридж по п.1, дополнительно содержащий элемент предотвращения короткого замыкания указанного элемента для подачи электрической энергии.

3. Система топливного элемента, содержащая основной модуль топливного элемента, предназначенный для выработки электрической энергии с использованием жидкого топлива, и топливный картридж, при этом топливный картридж содержит топливный контейнер с подаваемым в основной модуль топливного элемента жидким топливом, выполненный с возможностью съемной установки на основном модуле топливного элемента, отверстие для подачи топлива в основной модуль топливного элемента, элемент для подачи электрической энергии с целью запуска выработки электрической энергии в основном модуле топливного элемента, и электродную часть для подачи электрической энергии от указанного элемента в основной модуль топливного элемента, при этом основной модуль топливного элемента содержит приемное отверстие для топлива, соответствующее указанному отверстию для подачи топлива, участок с электрическими контактами, соответствующий указанной электродной части, устройство выработки электроэнергии, предназначенное для запуска выработки электрической энергии путем подачи в него жидкого топлива, устройство подачи жидкого топлива от приемного отверстия в устройство выработки электроэнергии, и устройство управления, приводящее в действие устройство подачи топлива с помощью указанного элемента для подачи электрической энергии.

4. Система по п.3, в которой основной модуль топливного элемента содержит устройство обнаружения выработки электроэнергии, предназначенное для определения начала выработки электроэнергии устройством выработки электроэнергии, устройство накопления электроэнергии, выполненное с возможностью накопления электрической энергии, выработанной устройством выработки электроэнергии, и устройство управления, выполненное так, что когда устройство обнаружения выработки электроэнергии не обнаруживает выработку электроэнергии устройством выработки электроэнергии, оно приводит в действие устройство подачи топлива с помощью элемента для подачи электрической энергии, а когда устройство обнаружения выработки электроэнергии определяет выработку электроэнергии устройством выработки электроэнергии, оно приводит в действие устройство подачи топлива с помощью устройства накопления электроэнергии.