Система энергоснабжения и устройство, приводимое в действие системой энергоснабжения
Изобретение относится к системам энергоснабжения, в частности к портативным системам энергоснабжения. Согласно изобретению система энергоснабжения генерирует электроэнергию питания, используя топливо для производства энергии. Система включает в себя: заправляемый топливом блок, в который заправляется топливо для производства энергии; генератор энергии, который вырабатывает электроэнергию, используя топливо для производства энергии; контроллер управления выходом, который приводит в действие генератор энергии или останавливает его; и контроллер для запуска, который подает в контроллер управления выходом электроэнергию для запуска, используемую для приведения в действие контроллера управления выходом. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и времени эксплуатации системы. 4 н. и 27 з.п. ф-лы, 66 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе энергоснабжения и, в частности, касается системы энергоснабжения, применимой в качестве портативной системы энергоснабжения и имеющей функцию выработки энергии, которая позволяет эффективно использовать энергетический ресурс для выработки энергии, а также электрического устройства, предусмотренного вместе с системой энергоснабжения.
Уровень техники
В различных отраслях промышленности и в быту используются химические элементы питания разного вида. Например, в часах, камерах, игрушках и портативных акустических устройствах часто используется такой первичный элемент питания, как сухой щелочной элемент или сухой марганцевый элемент, причем характерно, что объем их производства с глобальной точки зрения велик, причем эти элементы являются недорогими и легкодоступными.
Вторичный элемент питания, такой как свинцовая аккумуляторная батарея, никель-кадмиевая аккумуляторная батарея, никель-водородная аккумуляторная батарея, литий-ионная батарея, часто используют в мобильных телефонах или персональных цифровых секретарях (PDA), которые нашли широкое распространение в современных портативных устройствах, таких как цифровые видеокамеры или цифровые фотокамеры, причем такой элемент отличается высокой экономической эффективностью, поскольку он предусматривает возможность многократного заряда и разряда. В качестве источника питания для запуска автомобилей или морских судов, либо в качестве аварийного источника питания в промышленности либо медицине и т.п., в числе других вторичных элементов питания используется свинцовая аккумуляторная батарея.
В последние годы с повышением интереса к проблемам окружающей среды и энергетики пристальное внимание уделяется вопросам утилизации отходов, создаваемых после использования вышеописанных химических элементов питания, а также вопросам, касающимся эффективности преобразования энергии.
Первичный элемент питания, как было указано выше, имеет низкую цену и легкодоступен, к тому же имеется много устройств, в которых этот элемент используют в качестве источника питания. Кроме того, когда первичный элемент питания разрядился, емкость батареи не может быть восстановлена, то есть его можно использовать только один раз (так называемая одноразовая батарея). Связанный с этим годовой объем отходов превышает несколько миллионов тонн. Имеется статистическая информация, указывающая на то, что доля химических элементов питания, собираемых для переработки, составляет только порядка 20% от всех химических элементов питания, а остальные примерно 80% выбрасываются в окружающую среду или подвергаются захоронению. Таким образом, имеется опасность разрушения и обезображивания природной среды тяжелыми металлами, такими как ртуть или индий, входящими в состав неутилизированных батарей.
Если оценить вышеописанную химическую батарею с точки зрения эффективности использования энергетического ресурса, то станет ясно, что поскольку на производство первичного элемента питания тратят энергии, примерно в 300 раз больше, чем получают при его разряде, эффективность использования энергии составляет менее 1%. Даже в случае использования вторичного элемента питания, предусматривающего возможность его многократного заряда и разряда и имеющего высокую экономическую эффективность, при зарядке вторичного элемента от домашнего источника питания (обычная электророзетка) или т.п. эффективность использования энергии падает примерно до 12% с учетом кпд производства электроэнергии на электростанции или потерь при ее передаче. Следовательно, и в этом случае нельзя сказать, что энергетический ресурс используется с должной эффективностью.
Поэтому в последние годы значительное внимание уделяется новым системам энергоснабжения или системам производства электроэнергии различных типов (которые далее называют "системы энергоснабжения"), включая топливную батарею, которые оказывают меньшее воздействие (нагрузку) на окружающую среду и способны обеспечить исключительно высокую эффективность использования энергии, например от 30 до 40%. Кроме того, ведутся широкомасштабные исследования и разработки, имеющие целью практическое использование источников питания для приведения в действие автомобилей или систем энергоснабжения для бизнеса, систем совместного производства теплоты и электроэнергии в жилом секторе и др., либо для замены вышеописанных химических элементов питания.
Однако в будущем для уменьшения размера и массы системы энергоснабжения, имеющей высокую эффективность использования энергии, такой как топливный элемент, и использования этой системы в качестве замены (совместимое изделие) транспортабельного или портативного источника питания, например вышеописанного химического элемента питания, потребуется решить следующие проблемы.
В частности, например, существующие химические элементы питания, которые обеспечивают заданное напряжение и электрический ток, а нагрузка может быть приведена в действие только путем подсоединения к ней положительного и отрицательного электродных зажимов, обладают тем преимуществом, что с ними очень легко обращаться.
Наоборот, поскольку большинство систем энергоснабжения, имеющих высокую эффективность использования энергии, в том числе топливный элемент, выполняют главным образом функцию средства производства энергии, используя для производства энергии определенное топливо (например, генератор электроэнергии, который непосредственно или косвенно преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию), они сильно отличаются от вышеописанного химического элемента питания по своей конструкции или электрическим характеристикам.
То есть в системе энергоснабжения аналогично химическому элементу питания общего назначения заданная электрическая энергия не может подаваться или отключаться лишь путем присоединения или отсоединения электродных зажимов (зажимы, соответствующие положительному электродному зажиму и отрицательному электродному зажиму в химическом элементе питания общего назначения), используемых для подачи электроэнергии в нагрузку. Следовательно, для такой системы энергоснабжения потребуется усложненная конструкция или усложненный процесс управления для приведения в действие или отключения нагрузки и системы энергоснабжения, что является недостатком такой системы. Кроме того, в случае использования такой системы энергоснабжения в качестве портативного источника питания, поскольку объем топлива для производства энергии, который можно нести или транспортировать, ограничен, необходимо предусмотреть управление, обеспечивающее эффективное потребление топлива для производства энергии, а также потребуется дополнительно увеличить продолжительность эксплуатации (долговечность) системы энергоснабжения.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается система энергоснабжения, которая производит заданное количество электроэнергии путем использования топлива для производства энергии, с которой можно легко обращаться, соединяя нагрузку непосредственно с электродным зажимом, подобно химическому элементу питания общего назначения. Настоящее изобретение также обладает преимуществами, заключающимися в том, что имеется возможность контроля за потерями топлива для производства энергии, в результате чего повышается эффективность использования энергетического ресурса и увеличивается время эксплуатации.
В системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению для достижения вышеупомянутых преимуществ используется топливо для производства энергии и производится электроэнергия для питания, причем система энергоснабжения по меньшей мере включает в себя: заправляемый топливом блок, который заправляют топливом для выработки энергии; средство выработки энергии для производства электроэнергии для питания путем использования топлива для производства энергии, подаваемого из заправляемого топливом блока и включающее в себя топливный элемент, относящийся, например, к типу топливных элементов с реформингом топлива; средство управления выходом для приведения в действие или остановки средства выработки энергии; средство управления запуском для подачи на средство управления выходом электроэнергии запуска, используемой для приведения в действие средства управления выходом.
Средство управления запуском независимо от работы средства выработки энергии подает на средство управления выходом электроэнергию в качестве электроэнергии запуска в момент запуска средства выработки энергии и обеспечивает подачу электроэнергии на основе электроэнергии, производимой средством выработки энергии, в блок управления выходом в качестве электроэнергии запуска после запуска средства выработки энергии. Средство управления запуском может включать в себя первичный элемент, который “хранит” заранее заданную электрическую энергию независимо от работы средства выработки энергии в качестве электроэнергии для запуска, или блок питания для запуска, который “хранит” электроэнергию, накапливаемую и хранимую посредством электрической энергии, подаваемой извне, и подает эту электроэнергию в средство управления выходом в качестве электроэнергии для запуска в момент запуска средства выработки энергии. Вдобавок, средство управления запуском может включать в себя вспомогательный блок для “хранения” электроэнергии, который накапливает часть электроэнергии, произведенной средством выработки энергии, и подает электроэнергию заряда вспомогательного блока для хранения электроэнергии в средство управления выходом в качестве электроэнергии для запуска после запуска средства выработки энергии.
В результате управление работой системы энергоснабжения, генерирующей электроэнергию питания путем использования топлива для производства энергии, может быть выполнено просто приведением в действие или прекращением работы средства выработки энергии, а стоимость системы энергоснабжения может быть уменьшена. Электроэнергия для запуска подается от блока питания для запуска только на начальной стадии операции запуска в средстве выработки энергии. Затем операция производства энергии поддерживается путем подачи в качестве электроэнергии запуска электроэнергии по обратной связи на основе энергии, производимой в блоке выработки электроэнергии, в результате чего операция запуска прекрасно выполняется в течение весьма длительного периода путем использования первичного элемента с очень маленькой емкостью в качестве компонента блока питания для запуска.
Кроме того, система энергоснабжения, которая генерирует электроэнергию питания путем использования топлива для производства энергии, согласно другому аспекту настоящего изобретения содержит: по меньшей мере в блоке выработки электроэнергии средство для хранения электроэнергии для хранения электрического заряда на основе электроэнергии, производимой средством выработки энергии; средство выработки электроэнергии питания для генерирования электроэнергии питания на основе электроэнергии, хранимой в средстве для хранения электроэнергии; средство управления системой для управления работой или прекращения работы средства выработки энергии и зарядки или остановки блока для хранения электрической энергии в соответствии с изменением хранимой электроэнергии.
В результате, управление работой системы энергоснабжения может быть сведено просто к управлению работой или прекращению работы средства выработки энергии в соответствии с состоянием хранимой электроэнергии, сохраняемой в средстве для хранения электроэнергии, в результате чего упрощается конструкция и управление работой устройства. Также при работе системы энергоснабжения можно обеспечить постоянную подачу электроэнергии питания на основе электроэнергии, хранимой в средстве хранения электроэнергии при сохранении заранее заданного давления, в связи с чем можно избежать ненужной работы средства выработки энергии, и может быть обеспечен контроль за потерями топлива для производства энергии, в результате чего резко повышается эффективность использования энергии. В результате настоящее изобретение обеспечивает систему энергоснабжения, которая может работать длительное время.
Кроме того, настоящее изобретение можно использовать в качестве средства для хранения электроэнергии, структура которого образуется на основе одного или нескольких емкостных элементов, либо имеет структуру, в которой множество емкостных элементов соединены между собой заранее установленным образом, например структура, в которой имеется возможность коммутации, обеспечивающей последовательное или параллельное соединение емкостных элементов.
В результате, по сравнению со случаем использования в качестве средства хранения электроэнергии вторичного элемента питания общего назначения и т.п. масса устройства может быть значительно уменьшена, а нагрузка, подсоединенная к системе энергоснабжения, может быть приведена в действие электроэнергией питания на основе хранимой электроэнергии. В результате даже в том случае, если параметры возбуждения нагрузки быстро изменяются, можно обеспечить соответствующую подачу постоянной электроэнергии. Также даже в том случае, если топливо для производства энергии полностью израсходовано, в связи с чем заправляемый топливом блок снят и заменен на другой, электроэнергия, запасенная в блоке для хранения электроэнергии, может выдаваться непрерывно, поддерживая тем самым выработку электроэнергии питания, а значит возбуждение нагрузки.
Вдобавок в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению вся система энергоснабжения, либо по меньшей мере заправляемый топливом блок, может быть съемной по отношению к электрическому устройству, которое включает в себя нагрузку, работающую благодаря электроэнергии питания, подаваемой от системы энергоснабжения. Заправляемый топливом блок является съемным по отношению к блоку выработки электроэнергии.
Блок выработки электроэнергии может, например, состоять из модулей. Блок электропитания имеет внешний физический профиль, габариты и размеры которого эквивалентны одному из химических элементов питания общего назначения разного вида, и конструкцию с двумя электродными зажимами.
В результате, когда топливо для производства энергии, заполнявшее заправляемый топливом блок, израсходовано полностью либо его объем уменьшился, заправляемый топливом блок может быть удален из блока выработки энергии и заменен новым заправленным топливом блоком. В результате обеспечивается постоянное использование модуля выработки энергии, а вся система энергоснабжения или заправляемый топливом блок используется точно так же, как химический элемент питания общего назначения. Заправляемый топливом блок можно заменить или восстановить, в результате чего можно уменьшить объем отходов в системе энергоснабжения в целом. Также благодаря соответствующему внешнему профилю может быть обеспечена хорошая совместимость с химическим элементом питания общего назначения, в результате чего такая система энергоснабжения, имеющая очень высокую эффективность преобразования энергии, может без труда завоевать популярность на существующем рынке химических элементов питания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1А и 1В - концептуальная схема, демонстрирующая применение системы энергоснабжения согласно одному варианту настоящего изобретения;
фиг. с 2А по 2D - диаграммы, демонстрирующие базовые структуры системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.3 - блок-схема, демонстрирующая первый вариант блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.4 - схематическое представление примера структуры блока выработки энергии, применимого для первого варианта блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.5 - блок-схема, демонстрирующая структуру блока для реформинга топлива, используемого в блоке выработки энергии согласно данному варианту;
фиг.6 - блок-схема, раскрывающая структуру блока для управления выходом, применимого к первому варианту блока выработки энергии, используемого для системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.7А и 7В - блок-схема и электрическая схема с обозначенными элементами соответственно, где показаны примеры структуры блока для управления запуском, применимого к первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.8А и 8В - блок-схема и электрическая схема с обозначенными элементами соответственно, демонстрирующие примеры структуры блока хранения электроэнергии, применимого к первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.9 - электрическая схема, демонстрирующая пример структуры блока преобразования напряжения, применимого к первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.10 - электрическая схема, демонстрирующая пример структуры блока преобразования напряжения, применимого к первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.11 - блок-схема, демонстрирующая последовательность операций процесса функционирования системы энергоснабжения согласно первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.12 - концептуальная схема, демонстрирующая начальную операцию, выполняемую системой энергоснабжения, согласно первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.13 - концептуальная схема, демонстрирующая операцию запуска системы энергоснабжения согласно первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.14 - концептуальная схема, демонстрирующая состояние после операции запуска системы энергоснабжения согласно первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.15 - концептуальная схема, демонстрирующая состояние во время установившегося режима работы системы энергоснабжения согласно первому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.16 - блок-схема, демонстрирующая второй вариант блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.17 - электрическая схема, демонстрирующая пример структуры блока управления запуском, применимого ко второму варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.18 - электрическая схема с обозначением элементов, демонстрирующая пример структуры блока управления запуском, применимого ко второму варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.19 - концептуальная схема, демонстрирующая начальную операцию, выполняемую системой энергоснабжения, согласно второму варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.20 - концептуальная схема, демонстрирующая операцию запуска системы энергоснабжения согласно второму варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.21А и 21В - блок-схема и электрическая схема с обозначением элементов соответственно, демонстрирующие примеры структуры блока управления запуском, применимого к третьему варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.22 - концептуальная схема, демонстрирующая начальную операцию системы энергоснабжения согласно третьему варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.23 - концептуальная схема, демонстрирующая операцию запуска системы энергоснабжения согласно третьему варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.24 - блок-схема, демонстрирующая четвертый вариант осуществления блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.25 - концептуальная схема, демонстрирующая начальную операцию системы энергоснабжения согласно четвертому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.26 - концептуальная схема, демонстрирующая операцию запуска системы энергоснабжения согласно четвертому варианту блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг.27 - электрическая схема с обозначением элементов, демонстрирующая другой пример структуры блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению, причем этот вариант применим к блоку хранения электроэнергии согласно вариантам с первого по четвертый;
фиг. с 28А по 28F - изображения, демонстрирующие примеры внешних форм, применимых для системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению;
фиг. с 29А по 29С - концептуальное схематическое представление соответствия между внешними формами, применимыми для системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению, и внешними формами химического элемента питания общего назначения соответственно;
фиг. с 30А по 30Н - изображения внешних форм топливных узлов и держателей системы энергоснабжения соответственно в соответствии с первым вариантом съемной конструкции согласно настоящему изобретению;
фиг. с 31А по 31С - схематические изображения съемной конструкции модуля выработки энергии и топливного узла системы энергоснабжения в соответствии с первым вариантом съемной конструкции согласно настоящему изобретению;
фиг. с 32А по 32F - схематические изображения внешних форм топливного узла и держателя системы энергоснабжения соответственно в соответствии со вторым вариантом съемной конструкции согласно настоящему изобретению;
фиг. с 33А по 33С - схематические изображения съемной конструкции модуля для производства энергии и топливного узла системы энергоснабжения соответственно в соответствии со вторым вариантом съемной конструкции согласно настоящему изобретению;
фиг.34 - схематическое изображение в разрезе, демонстрирующее пример конструкции системы энергоснабжения в целом согласно настоящему изобретению; и
фиг.35А и 35В - схематические изображения вариантов конструкции блока для реформинга топлива, применимых к приведенному примеру конструкции системы энергоснабжения.
Наилучший способ реализации изобретения
Далее со ссылками на сопроводительные чертежи описываются варианты системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
Сначала со ссылками на чертежи будет объяснена основная идея конструкции, для которой применима система энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
На фиг.1А и 1В концептуально показан пример применения системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
Система энергоснабжения 1 согласно настоящему изобретению выполнена, например, в виде модуля, и ее часть или система в целом может быть произвольным образом прикреплена к и снята с (смотри стрелку Р1) существующего электрического/электронного устройства (на фиг.1А и 1В показан "карманный" компьютер (персональный цифровой секретарь), который далее обычно называется "устройство") DVC, которое работает от первичного элемента питания общего назначения или вторичного элемента питания, а также конкретное электрическое/электронное устройство, как показано на фиг.1А и 1В. Система энергоснабжения 1 выполнена таким образом, что ее часть или всю систему можно переносить независимо. В системе энергоснабжения 1 предусмотрены электроды: положительный электрод и отрицательный электрод для подачи электроэнергии на устройство DVC в заданном положении (например, положение, эквивалентное положению первичного или вторичного элемента питания общего назначения, как описывается ниже).
Далее описывается базовая структура системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
На фиг. с 2А по 2D представлены блок-схемы, раскрывающие основную концепцию базовой структуры системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
Как показано на фиг.2А, система энергоснабжения 1 согласно настоящему изобретению в укрупненном виде включает в себя: топливный узел (заправляемый топливом блок) 20, который заполняется топливом FL для производства энергии, состоящим из жидкого топлива и/или газообразного топлива; блок или модуль 10 выработки энергии для генерирования электроэнергии EG (производство энергии) по меньшей мере на основе топлива FL для производства энергии, подаваемого из топливного узла 20; и блок интерфейса (далее сокращенно "блок I/F") 30, снабженный каналом подачи топлива или т.п. для подачи топлива FL для генерирования энергии, заполняющего топливный узел 20, в блок 10 выработки энергии и физического соединения друг с другом топливного узла 20 и блока 10 выработки энергии. Соответствующие составные части выполнены таким образом, что они могут соединяться друг с другом либо отделяться друг от друга (соединяемые и съемные части) в произвольном сочетании, либо могут составлять объединенную конструкцию. Также, как показано на фиг.2А, блок I/F 30 может быть выполнен независимо от топливного узла 20 и блока 10 выработки энергии, или как единое целое либо с топливным узлом 20, либо с блоком 10 выработки энергии, как показано на фиг.2В и 2С. В альтернативном варианте, как показано на фиг.2D, каждая из двух частей, на которые разбит блок I/F 30, может быть выполнена как внутренняя часть топливного узла 20 и блока 10 выработки энергии соответственно.
Кроме того, в каждом варианте осуществления, описанном ниже, блок 10 выработки энергии является частью системы энергоснабжения, кроме топливного узла 20 и блока I/F 30. Он описывается как выделенная часть исключительно с целью описания. Например, как описано ниже, блок 10 выработки энергии может быть выполнен в виде модуля, но настоящее изобретение этим не ограничивается, и возможна структура каждого нижеописанного варианта осуществления в виде системы энергоснабжения.
Далее подробно описывается структура каждого блока.
Первый вариант осуществления
(А) Блок выработки электроэнергии
На фиг.3 представлена блок-схема первого варианта блока выработки электроэнергии, который используется в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению. Здесь система энергоснабжения имеет конструкцию с двумя электродными зажимами, где предусмотрены только один положительный электродный зажим и один отрицательный электродный зажим, через которые выдается заранее заданная электроэнергия питания, причем система энергоснабжения подсоединена через эти зажимы к заранее установленному устройству и вырабатывает заранее заданную электроэнергию, используемую для приведения в действие этого устройства (нагрузки).
Блок выработки электроэнергии согласно этому варианту осуществления включает в себя средство хранения электроэнергии, имеющее функцию аккумулирования электроэнергии, произведенной средством выработки энергии, и имеет конструкцию, которая обеспечивает выдачу электроэнергии питания с заданным напряжением на основе электроэнергии, аккумулированной (хранимой) в средстве хранения электроэнергии, и подачу этой электроэнергии в устройство (нагрузку) в качестве электроэнергии, приводящей нагрузку в действие. Далее приводится конкретное описание блока выработки электроэнергии.
Как показано на фиг.3, конфигурация блока 10А выработки электроэнергии согласно данному варианту осуществления в основном включает в себя: блок выработки энергии (средство выработки энергии) 11, который использует топливо FL для выработки энергии, подаваемое из топливного узла 20А через блок I/F 30А, и генерирует заданную электроэнергию; блок хранения электроэнергии (средство хранения электроэнергии) 12, включающий в себя вторичный элемент, конденсатор или т.п., где временно сохраняется электроэнергия (выработанная энергия), выработанная в блоке 11 выработки энергии, а затем непрерывно выдает электроэнергию, имеющую постоянное напряжение; блок 13 преобразования напряжения, который преобразует составляющую напряжения электроэнергии, выдаваемой блоком 12 хранения электроэнергии, в заданное напряжение, пригодное для приведения в действие устройства, к которому подсоединена система энергоснабжения, и выдает его на не показанное устройство в качестве электроэнергии питания; блок 14 контроля/управления напряжением, который контролирует изменение составляющей напряжения электроэнергии (хранимой электроэнергии), хранимой в блоке хранения электроэнергии, и формирует и выдает сигнал управления, используемый для управления рабочим состоянием блока 11 выработки электроэнергии в соответствии с изменением и аккумулированным состоянием (состояние заряда) электроэнергии в блоке 12 хранения электроэнергии; блок 15 управления запуском (средство управления запуском), который подает электроэнергию для запуска, используемую для перевода (запуска) блока 11 выработки энергии в состояние выработки энергии на основе сигнала управления от блока 14 контроля/управления напряжением; и блок 16 управления выходом (средство управления выходом), который оперирует с электроэнергией для запуска от блока 15 управления запуском, управляет подачей (подает или прекращает подачу) топлива FL для выработки энергии в блок 11 выработки энергии и управляет рабочим состоянием (операция выработки энергии и операция остановки) блока 11 выработки энергии.
В этом варианте блок 14 контроля/управления напряжением, блок 15 управления запуском и блок 16 управления выходом образуют средство управления системой согласно настоящему изобретению.
Кроме того, в блоке 10А выработки электроэнергии согласно данному варианту осуществления электроэнергия, произведенная блоком 11 выработки энергии, хранится (аккумулируется) в блоке 12 хранения электроэнергии, а затем обычно подается в контроллер и нагрузку непоказанного прибора через заранее определенные электронные зажимы в качестве электроэнергии питания, имеющей постоянную компоненту напряжения. Также с помощью блока 14 контроля/управления напряжением постоянно либо в произвольный момент времени выполняется контроль компоненты напряжения хранимой электроэнергии, которая может быть электроэнергией питания, в блоке 12 хранения электроэнергии.
Далее подробно описывается каждая структура.
Блок выработки энергии
Как показано на фиг.3, блок 11 выработки энергии, применимый для блока 10А выработки электроэнергии, согласно данному варианту осуществления имеет структуру, в которой топливо FL для производства энергии подается из топливного узла 20А через блок 16 управления выходом на основе операции (операция включения) блока 16 управления выходом посредством подачи электроэнергии для запуска из описываемого ниже блока 15 управления запуском и использования физической или химической энергии, которая заключена в топливе FL для производства энергии, используется для выработки заранее заданной электроэнергии.
На фиг.4 схематически показан пример структуры блока выработки энергии, применимой в блоке выработки энергии, согласно данному варианту. На фиг.5 представлена схема, раскрывающая структуру блока реформинга топлива, применимую в блоке выработки энергии, согласно данному варианту осуществления. Здесь данный пример описывается вместе со структурой вышеописанной системы энергоснабжения (фиг.3).
В данном конкретном примере структуры блок 11 выработки энергии имеет конструкцию топливного элемента с протонно-обменной мембраной, где применяется система реформинга топлива, с помощью которой используется топливо FL для производства энергии, подаваемое через блок 16 управления выходом из топливного узла 20А, и вырабатывается электроэнергия посредством электрохимической реакции.
Хотя блок реформинга топлива, показанный на фиг.5, описывается для простоты вместе со структурой блока 11 выработки энергии, с точки зрения структуры блока выработки электроэнергии согласно настоящему изобретению блок реформинга топлива составляет часть нижеописанного блока управления выходом.
Как показано на фиг.4, конфигурация блока 11А выработки энергии включает в себя основной корпус 110 топливного элемента (топливный элемент), в котором используется конкретная компонента топлива (водород), содержащаяся в топливе FL для производства энергии, причем эта компонента выделяется блоком реформинга топлива (блок реформинга топлива) 16а, при этом блок реформинга 16а выполняет заданную реакцию реформинга в отношении топлива FL для производства электроэнергии, подаваемого из топливного узла 20А, и вырабатывает электроэнергию, используемую для приведения в действие заранее заданной нагрузки (в соответствии с каждым блоком в устройстве DVC или модулем 10А выработки энергии) посредством электрохимической реакции.
Как показано на фиг.5, блок 16а реформинга топлива включает в себя: блок 160Х реакции реформинга в парах (в газообразном состоянии), который из топлива FL для производства энергии, подаваемого из топливного узла 20А и состоящего из спирта и воды, производит водород, углекислый газ в качестве побочного продукта и небольшое количество угарного газа (монооксида углерода) посредством реакции реформинга в парах; блок 160Y для осуществления реакции конверсии водой, который заставляет угарный газ, подаваемый из блока 160 реакции реформинга в парах, вступать в реакцию с водой, содержащейся в топливе для производства энергии, или водой, выпускаемой из основного корпуса 110 топливного элемента в виде побочного продукта, как описано ниже, посредством реакции конверсии водой и вырабатывает углекислый газ и водород; и блок 160А для реакции селективного окисления, который заставляет оставшийся угарный газ, не прореагировавший в блоке 160Y реакции конверсии водой, вступать в реакцию с кислородом и производит углекислый газ посредством реакции селективного окисления. Блок 16а реформинга топлива реализует функцию подачи водорода, полученного путем реформинга топлива FL для производства энергии, находящегося в топливном узле 20А, в основной корпус 110 топливного элемента и выполняет детоксикацию небольшого количества произведенного угарного газа. То есть в основном корпусе 110 топливного элемента вырабатывается заранее заданная электроэнергия, которая может использоваться в качестве электроэнергии питания для устройства DVC и рабочей электроэнергии для каждого блока в модуле 10А выработки энергии из водорода с высокой плотностью, полученного в блоке 160Х реакции реформинга в парах и блоке 160Y реакции конверсии водой.
Функция каждой части, образующей блок 16а реформинга топлива, показана на фиг.5; так, например, в случае получения газообразного водорода с помощью метанола (СН3ОН) и воды (Н2O), используемых в качестве топлива FL для производства энергии, на этапе парообразования в блоке 160Х реакции реформинга в парах сначала испаряется метанол (СН3ОН) и вода (Н2O) путем помещения метанола и воды в качестве жидкого топлива в атмосферу с температурными условиями, примерно соответствующими точке кипения, с помощью нагревателя, регулируемого электроэнергией, которую подают из блока 15 управления запуском.
Затем в ходе реакции реформинга в парах путем создания атмосферы с температурой порядка 300°С для преобразованных в пар метанола (СН3ОН) и воды (Н2O) с помощью нагревателя абсорбируется тепловая энергия 49,4 кДж/моль, и получают водород (H2) и небольшое количество углекислого газа (СО2), как показано в последующем уравнении химической реакции (1). В процессе реформинга в парах кроме водорода (Н2) и углекислого газа (СО 2) возможно получение в качестве побочного продукта небольшого количества угарного газа (СО).
Здесь, как показано на фиг.5, на конечной ступени блока 160Х для реакции реформинга в парах могут быть предусмотрены блок 160Y реакции конверсии водой и блок 160Z реакции селективного окисления для удаления угарного газа (СО), образуемого в качестве побочного продукта реакции реформинга в парах, в связи с чем угарный газ (СО) может быть преобразован в углекислый газ (СО 2) и водород (Н2) посредством соответствующих процессов, состоящих в реакции конверсии водой и реакции селективного окисления, в результате чего предотвращается выброс вредных веществ. В частности, в ходе реакции конверсии водой в блоке 210Y реакции конверсии водой выделяется тепловая энергия 40,2 кДж/моль в результате реакции воды (пар; Н2O) с угарным газом (СО), и образуется углекислый газ (СО2) и водород (Н2), как показано в следующем уравнении химической реакции (2).
Затем в ходе реакции конверсии водой выделяется тепловая энергия 283,5 кДж/моль в результате реакции кислорода (O 2) с угарным газом (СО), который не был преобразован в углекислый газ (СO2) и водород (Н2) в результате реакции селективного окисления в блоке 160Z реакции селективного окисления, и образуется углекислый газ (СО2), как показано в следующем уравнении химической реакции (3).
Здесь, в воздух через эмиссионное отверстие, предусмотренное в нижеописанном модуле 10А выработки энергии, выбрасывается небольшое количество продукта (в основном углекислый газ), отличного от водорода, образующегося в результате вышеупомянутых последовательных реакций реформинга топлива.
Далее на следующем конкретном примере вместе с другими структурами описывается конкретная структура блока 16а реформинга топлива.
Как показано на фиг.4, корпус 110 топливного элемента обычно содержит: топливный электрод (катод) 111, состоящий из угольного электрода, к которому прилеплены мелкие частицы катализатора, например платины, палладия, платины-рутения; воздушный электрод (анод) 112, состоящий из угольного электрода, к которому прилеплены мелкие частицы катализатора, например платины; и пленочная мембрана с ионной проводимостью (обменная мембрана) 113, расположенная между топливным электродом 11 и воздушным электродом 112. Здесь газообразный водород (Н2), выделяемый блоком 16а реформинга топлива, подается на топливный электрод 111, в то время как газообразный кислород (O2) воздуха подается на воздушный электрод 212. В результате осуществляется процесс выработки энергии вследствие следующей электрохимической реакции, и вырабатывается заданная электроэнергия для приведения в действие нагрузки 114. Кроме того, как показано ниже, часть электроэнергии, выработанной в корпусе 110 топливного элемента, подается в блок 16 управления выходом (блок 16b управления топливом, блок 16d управления нагревателем) через блок 15 управления запуском в качестве электроэнергии для запуска в соответствии с необходимостью (смотри фиг.6).
В частности, в качестве примера приведена электрохимическая реакция в блоке 11 выработки энергии (корпус 110 топливного элемента) согласно данному примеру структуры, когда на топливный электрод 111 подается газообразный водород (Н2), на топливном электроде 111 в результате катализа выделяется электрон (е-), и образуется ион водорода (протон; Н+), который проходит в сторону воздушного электрода через мембрану 113, проводящую ионы, а угольный электрод, образующий топливный электрод 111, захватывает электрон (е -), который подается в нагрузку 114, как показано в следующем уравнении химической реакции (4).
Когда на воздушный электрод 212 подается воздух, электрон (е-), который прошел через нагрузку 114 в результате катализа на воздушном электроде 112, ион водорода (Н+ ), который прошел через мембрану 113, проводящую ионы, и газообразный кислород (O2) воздуха реагируют друг с другом, в результате чего получается вода (Н2O), как показано в следующем уравнении химической реакции (5).
Указанная последовательность электрохимических реакций (уравнения химических реакций (4) и (5)) протекает при относительно низких температурах окружающей среды примерно от 60 до 80°С, причем побочным продуктом, отличным от электроэнергии (электроэнергия для приведения в действие нагрузки), является в основном лишь вода (Н2O). Здесь, собирая воду (Н2O) как побочный продукт, образуемый на воздушном электроде 212, и подавая необходимое количество воды в блок 16а реформинга топлива, предусмотренный для блока 16 управления выходом, можно обеспечить многократное использование воды для реакции реформинга топлива или реакции конверсии водой топлива FL с целью производства энергии, причем количество воды (Н2O), запасаемой (загружаемой) в топливный узел 20А заранее для реакции реформинга топлива, может быть значительно уменьшено, а кроме того, может быть значительно снижено количество воды, собираемой в топливном узле 20А или т.п. в качестве побочного продукта. При применении топливного элемента типа элемента с реформингом топлива, имеющего указанную структуру, в блоке выработки энергии управление рабочими состояниями (операция производства энергии, операция остановки) в блоке выработки энергии может быть сведено просто к выполнению подачи или прекращению подачи топлива FL для производства энергии в корпус топливного элемента. Кроме того, при применении конструкции, такой как топливный элемент, учитывая возможность получения электроэнергии непосредственно из топлива FL для производства энергии в результате электрохимической реакции, может быть достигнута очень высокая эффективность производства энергии, обеспечено эффективное использование топлива FL для производства энергии, а размеры модуля 10А выработки энергии, включая блок 11 выработки энергии, могут быть минимизированы в случае, если его выполнить в виде модуля.
В данном примере структуры, хотя описан только случай применения метанола в качестве топлива FL для производства энергии, подаваемого из топливного узла 20А, настоящее изобретение не ограничивается этим примером; с тем же успехом можно применить жидкое или сжиженное топливо, либо газообразное топливо, содержащее по меньшей мере водород. Таким образом, можно с успехом использовать жидкое топливо на основе спирта, конкретно - метанол, этанол или бутанол, сжиженное топливо, содержащее углеводород, который может быть испарен при обычной температуре и обычном давлении, к примеру диметиловый эфир, изобутен или природный газ, газообразное топливо, такое как газообразный водород, или т.п.
Здесь, в случае использования сжиженного водорода или газообразного водорода в качестве топлива FL для производства энергии можно применить конструкцию, которая обеспечивает непосредственную подачу топлива FL для производства энергии в корпус 110 топливного элемента, не требуя наличия блока 16а реформинга топлива, описанного в данном примере.
Кроме того, хотя в качестве конструкции блока 11 выработки энергии описан только топливный элемент с реформингом топлива, настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом. Можно применить топливный элемент, относящийся к хорошо известному типу с непосредственной подачей топлива, причем в качестве топлива для производства электроэнергии можно использовать жидкое топливо, сжиженное топливо, газообразное топливо или т.п. Вдобавок, при использовании для производства энергии любой другой электрохимической реакции или генерирования тепла, разности температур в результате эндотермической реакции, эффекта преобразования энергии давления или тепловой энергии и принципа электромагнитной индукции можно использовать хорошо известные средства выработки энергии, в которых можно применить жидкое топливо, или сжиженное топливо, либо газообразное топливо, непосредственно либо опосредованно подаваемое из топливного узла 20А, и вырабатывать заранее заданную электрическую мощность.
Блок управления выходом
Как показано на фиг.3, блок 16 управления выходом, используемый в блоке 10А выработки электроэнергии согласно этому варианту, выполнен для управления рабочим состоянием (операция выработки энергии и операция остановки) путем подачи или прекращения подачи по меньшей мере топлива FL для производства энергии, заправляемого в топливный узел 20А, в блок 11 выработки энергии на основе сигнала управления операциями от описанного ниже блока 14 контроля/управления напряжением и на основе электроэнергии для запуска, подаваемой из блока 15 управления запуском.
На фиг.6 представлена блок-схема, демонстрирующая структуру блока управления выходом, используемого в блоке выработки электроэнергии согласно этому варианту осуществления. Здесь в качестве структуры блока 11 выработки энергии описывается структура блока управления выходом при применении вышеописанного типа топливного элемента с реформингом топлива (смотри фиг.3).
Как показано на фиг.6, для блока 16А управления выходом согласно этому варианту осуществления можно, в частности, использовать структуру, включающую в себя: блок 16b управления подачей топлива, который подает заданное количество топлива FL для производства энергии (по существу газообразный водород, подаваемый в основной корпус 110 топливного элемента) в блок 11 выработки энергии на основе электроэнергии для запуска, подаваемой из блока 15 управления запуском; блок 16а для реформинга топлива (смотри фиг.4), который вырабатывает специальную топливную компоненту (газообразный водород) из топлива FL для производства энергии, подаваемого через блок 16b управления топливом, в результате ряда реакций по преобразованию топлива, таких как указанные в вышеприведенных уравнениях химических реакций с (1) по (3), и подает полученную топливную компоненту на топливный электрод 111 основного корпуса 110 топливного элемента; блок 16с управления подачей воздуха, который подает фиксированное количество воздуха (газообразный кислород, подаваемый в основной корпус 110 топливного элемента) на воздушный электрод 112 основного корпуса 110 топливного элемента; и блок 16d управления нагревателем, который в основном устанавливает температурные режимы для различного рода химических реакций в блоке 16а реформинга топлива.
Здесь на основе электроэнергии для запуска, подаваемой из блока 15 управления запуском, в основном корпусе 110 топливного элемента блок 16b управления подачей топлива управляет процессом извлечения из топливного узла 20А топлива FL для производства энергии (жидкое топливо, сжиженное топливо или газообразное топливо), воды и т.п., которое может представлять собой газообразный водород (Н 2), в количестве, необходимом для выработки постоянной электрической мощности, преобразует их в газообразный водород (Н2) с помощью блока 16а реформинга топлива и подает фиксированное количество газообразного водорода на топливный электрод 111 основного корпуса 110 топливного элемента. Вдобавок блок 16с управления подачей воздуха управляет извлечением газообразного кислорода (О2) в объеме, необходимом для электрохимической реакции с использованием газообразного водорода (смотри уравнения химических реакций (3) и (5)) из воздуха, и подает его на воздушный электрод 112 основного корпуса 110 топливного элемента. Функционирование указанного блока 16b управления подачей топлива, блока 16с управления подачей воздуха и блока 16d управления нагревателем, заключающееся в регулировке подачи и прекращении подачи газообразного водорода (H2), подаче газообразного кислорода (О2 ) и тепловой энергии в блок 11 выработки энергии, реализует управление этапами электрохимической реакции в блоке 11 выработки энергии (основной корпус 110 топливного элемента), а также обеспечивает возможность управления операциями выработки и остановки выработки заданной электрической мощности.
Здесь блок 16с управления подачей воздуха может быть выполнен таким образом, чтобы подавать воздух постоянно, без управления подачей и отключением подачи газообразного кислорода на воздушный электрод 112 основного корпуса 110 топливного элемента, пока блок 16с управления подачей воздуха может подавать воздух в соответствии с максимальным потреблением кислорода в единицу времени в блоке 11 выработки энергии. То есть в структуре блока 10А выработки электроэнергии, показанной на фиг.6, блок 16А управления выходом может устанавливать стадии протекания электрохимической реакции, управляя подачей топлива FL для производства энергии с помощью блока 16b управления подачей топлива, и, управляя подачей тепловой энергии с помощью блока 16d управления нагревателем, а вместо блока 16с управления подачей воздуха может быть предусмотрено отверстие для воздуха (смотри фиг.34), которое описывается ниже, с тем, чтобы через это отверстие для воздуха можно было постоянно подавать воздух в количестве, не меньшем необходимого минимального объема воздуха (кислорода), используемого в течение электрохимической реакции в блоке 11 выработки энергии.
Блок управления запуском
Блок 15 управления запуском, применяемый в блоке 10А выработки электроэнергии согласно данному варианту, обеспечивает управление запуском для подачи электроэнергии запуска в вышеописанный блок 16 управления выходом (блок 16b управления подачей топлива и блок 16d управления нагревателем) и перевода блока 11 выработки энергии из режима ожидания в режим производства электроэнергии на основе сигнала управления операциями, выдаваемого в соответствии с изменением удерживаемой электроэнергии в описанном ниже блоке 12 хранения электроэнергии.
На фиг.7А представлена блок-схема с примером структуры блока управления запуском, используемого в блоке выработки электроэнергии согласно этому варианту.
Как показано на фиг 7А, блок 15А управления запуском согласно этому варианту осуществления включает в себя: схему FVH формирования напряжения обратной связи, которая приводится в действие напряжением V1 на основе электроэнергии, подаваемой от блока 11 выработки энергии, в качестве питания на стороне высокого потенциала и потенциала GND земли в качестве питания на стороне низкого потенциала, вырабатывает по меньшей мере электроэнергию, имеющую заданное напряжение (напряжение обратной связи), используемое для поддержания операции производства энергии в блоке 11 выработки энергии на основе напряжения V1, и подает выработанную электроэнергию в блок 16 управления выходом; блок питания PW1 для запуска, который образован на основе первичного элемента питания или т.п. и подает электроэнергию для запуска, имеющую заданное напряжение Vbat, в блок 16 управления выходом во время операции запуска блока 11 выработки энергии; переключатель SW1, который включается/выключается на основе сигнала управления операциями (первый сигнал управления) SC1, выдаваемого описанным ниже блоком 14 контроля/управления напряжением, подключает либо напряжение обратной связи от схемы FVH формирования напряжения обратной связи, либо электроэнергию для запуска (напряжение Vbat) от блока PW1 питания для запуска и подает его в блок 16 управления выходом; и переключатель SW2, который включается/выключается на основе сигнала управления, выдаваемого схемой FVH формирования напряжения обратной связи, в соответствии с электроэнергией, подаваемой из блока 11 выработки энергии, и управляет подачей или прекращением подачи электроэнергии для запуска от блока PW1 питания для запуска в блок 16 управления выходом.
На фиг.7В в качестве примера показана конкретная схемная конфигурация блока 15А управления запуском, которую можно использовать в качестве схемы FVH формирования напряжения обратной связи, где предусмотрены резистор R11, фотодиод D11 и вспомогательный конденсатор (вспомогательный блок хранения электроэнергии) С11, последовательно соединенные между контактной точкой N11 с высоким потенциалом, к которой подводится электроэнергия (напряжение V1), производимая блоком 11 выработки энергии, и контактной точкой N12 с низким потенциалом, к которой подводится потенциал GND; стабилитроны D12 и D13, последовательно соединенные между соединительной контактной точкой N13 между фотодиодом D11 и вспомогательным конденсатором С11 и контактной точкой N12 с низким потенциалом; и диод D14, подсоединенный между соединительной контактной точкой N13 и контактной точкой N14 переключателя SW1 на одном из выводов.
Схемная конфигурация переключателя SW1, как показано в качестве примера на фиг.7В, может включать в себя резистор R12 для ограничения электрического тока и переключающий полевой транзистор (далее называемый переключающий транзистор) Tr11, последовательно подсоединенный между контактной точкой N14 схемы FVH формирования напряжения обратной связи и выходной контактной точкой Fout, к блоку 16 управления выходом; резистор R13 обнаружения напряжения, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Tr11 и контактной точкой N14; полевой транзистор для управления переключением (далее называемый "управляющий транзистор") Tr12, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Tr1 и контактной точкой N12 с низким потенциалом; и резистор R14 для обнаружения напряжения, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Tr11 и затвором управляющего транзистора Tr12.
Вдобавок применительно к конфигурации переключателя SW2, фактически аналогичного переключателю SW1, можно использовать структуру, в которой предусмотрены резистор R15 для ограничения электрического тока и переключающий транзистор Тr13, последовательно подсоединенный между блоком питания PW1 для запуска и контактной точкой N14 переключателя SW1 на одном из выводов; резистор R16 для обнаружения напряжения, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr13 и блоком питания PW1 для запуска; и управляющий транзистор Тr14, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr13 и контактной точкой N12 с низким потенциалом.
Здесь переключающий транзистор Tr11, управляющий транзистор Tr12 и переключающий транзистор Тr13 являются полевыми транзисторами, которые выключаются, когда напряжение на затворе имеет низкий уровень, и включаются, когда напряжение на затворе имеет высокий уровень. Управляющий транзистор Тr12 также находится во включенном состоянии при плавающем уровне напряжения на его затворе. Кроме того, управляющий транзистор Тr14 и фотодиод D11 расположены друг на против друга, образуя оптронную структуру, в результате чего управляющий транзистор Тr14 включается/выключается в зависимости от рабочего состояния фотодиода D11. Когда через фотодиод D11 протекает электрический ток и он переходит в режим излучения света, управляющий транзистор Тr14 включается. Кроме того, на затвор управляющего транзистора Тr12 подается сигнал управления SC1 операциями, выдаваемый не показанным здесь блоком 14 контроля/управления напряжением.
В блоке 15А управления запуском, имеющем указанную схемную конфигурацию, начальное состояние определяется как состояние, при котором на вспомогательном конденсаторе С11 схемы FVH формирования напряжения обратной связи нет электрического заряда, и сигнал управления SC1 операциями, используемый для приведения в действие блока 11 выработки энергии, из блока 14 контроля/управления напряжением не выдается (в частности, когда уровень сигнала, подаваемого в качестве сигнала управления SC1 операциями, является плавающим).
Поскольку в этот момент из блока 15А управления запуском в блок 16 управления выходом электроэнергия для запуска не подается, блок 11 выработки энергии находится в состоянии остановки выработки энергии, и к контактной точке N11 на стороне высокого потенциала электроэнергия не подводится. Следовательно, электрический ток не протекает через резистор R11 и фотодиод D11, подсоединенные между контактной точкой N11 на стороне высокого потенциала и контактной точкой N13, а управляющий транзистор Тr14, входящий с состав оптронной пары, поддерживает выключенное состояние. В результате на затвор переключающего транзистора Тr13, входящего в состав переключателя SW2, подается сигнал затвора с высоким уровнем напряжения, в результате чего поддерживается включенное состояние. Также через переключающий транзистор Тr13 на контактную точку N14 подается напряжение Vbat блока питания PW1 для запуска.
С другой стороны, когда сигнал управления SC1 операциями, имеющий плавающий уровень, подается на затвор управляющего транзистора Тr12, входящего в состав переключателя SW1, управляющий транзистор Тr12 поддерживает включенное состояние. Таким образом, сигнал затвора низкого уровня (потенциал земли GND) подается на затвор переключающего транзистора Tr11, поддерживая выключенное состояние. Следовательно, напряжение контактной точки N14 на контактную точку вывода Fout не выдается.
В указанном начальном состоянии, когда из блока 14 контроля/управления напряжением выдается сигнал управления операциями (в частности, сигнал низкого уровня) SC1, используемый для перевода блока 11 выработки энергии в режим производства энергии, состояние управляющего транзистора Тr12 переключателя SW1 изменяется на выключенное, и на затвор переключающего транзистора Tr11 подается сигнал высокого уровня, что приводит к переводу переключающего транзистора Tr11 во включенное состояние. Вследствие этого напряжение Vbat, которое подавалось на контактную точку N14 из блока питания PW1 для запуска, выдается в качестве электроэнергии для запуска (напряжение V3) в блок 16 управления выходом через переключающий транзистор Tr11 и контактную точку вывода Fout, начинается подача топлива FL для производства энергии в блок 11 выработки энергии, и блок 11 выработки энергии входит в режим производства энергии.
Затем, когда электроэнергия (напряжение V1), генерируемая блоком 11 выработки энергии, подается на контактную точку N11 на стороне высокого потенциала, между контактной точкой N11 и контактной точкой N12 на стороне низкого потенциала создается разность потенциалов, и через резистор R11 для обнаружения напряжения, фотодиод D11 и вспомогательный конденсатор С11 течет электрический ток. В результате часть напряжения (напряжение обратной связи), полученное с помощью резистора R11 для обнаружения напряжения, фотодиода D11 и вспомогательного конденсатора С11 с соединительной контактной точки N13 подается на контактную точку N14 через диод D14, и фотодиод D11 работает в режиме излучения света, включая тем самым управляющий транзистор Тr14. Также на затвор переключающего транзистора Тr13 подается сигнал низкого уровня (потенциал земли GND), переключающий транзистор Тr13 переходит в выключенное состояние, и подача напряжения Vbat на контактную точку N14 прерывается. Б результате напряжение обратной связи из схемы FVH формирования напряжения обратной связи, прикладываемое к контактной точке N14, выдается в блок 16 управления выходом через переключающий транзистор Tr11 и контактную точку вывода Fout, и операция производства энергии в блоке 11 выработки энергии продолжается. Кроме того, одновременно заряжается вспомогательный конденсатор (блок хранения электрической энергии) С11 вследствие разности потенциалов между соединительной контактной точкой N13 и контактной точкой N12 на стороне низкого потенциала.
Кроме того, если блок 11 выработки энергии продолжает работать в режиме генерирования энергии, когда из блока 14 контроля/управления напряжением поступает сигнал SC1 управления операциями (в частности, сигнал высокого уровня), используемый для перевода блока 11 выработки энергии в режим остановки производства энергии (режим ожидания), управляющий транзистор Тr12 переключателя SW1 переходит во включенное состояние, и на затвор переключающего транзистора Tr11 подается сигнал низкого уровня. Вследствие этого, переключающий транзистор Tr11 переходит в выключенное состояние. В результате напряжение обратной связи из схемы FVH формирования напряжения обратной связи, прикладываемое к контактной точке N14, прерывается, подача топлива FL для производства энергии в блок 11 выработки энергии прекращается, и блок 11 выработки энергии переходит в состояние остановки генерирования энергии.
Кстати, как было описано выше, в случаях, когда блок 11 выработки энергии, который находится в режиме генерирования энергии, переводится с помощью сигнала управления SC1 операциями в режим ожидания, а затем блок 11 выработки энергии вновь запускается, в блок 16 управления выходом в качестве электроэнергии для запуска подается либо напряжение Vbat блока питания PW1 для запуска, либо напряжение заряда вспомогательного конденсатора С11 при подаче сигнала управления SC1 операциями, имеющего низкий уровень. То есть поскольку из блока 11 выработки энергии на контактную точку N11 на стороне высокого потенциала электроэнергия не подается, когда блок 11 выработки энергии находится в режиме ожидания, через резистор R11 для обнаружения напряжения и фотодиод D11 электрический ток не протекает, и управляющий транзистор Тr14 выключается, в то время как переключатель SW2 включается, подавая напряжение Vbat из блока питания FW1 для запуска на контактную точку N14. Здесь, когда напряжение заряда вспомогательного конденсатора С11 схемы FVH формирования напряжения обратной связи соответствует или превышает напряжение электроэнергии для запуска, подаваемой в блок 16 управления выходом (то есть напряжение Vbat, подаваемое из блока питания PW1 для запуска), напряжение заряда вспомогательного конденсатора С11 подается в блок 16 управления выходом через диод D14 и переключатель SW1. С другой стороны, когда напряжение заряда вспомогательного конденсатора С11 меньше напряжения электроэнергии для запуска, в качестве напряжения для запуска в блок 16 управления выходом подается напряжение Vbat из блока питания PW1 для запуска.
То есть в схеме FVH формирования напряжения обратной связи согласно данному примеру электроэнергия для запуска подается из блока питания PW1 для запуска фактически только на начальной стадии при первой операции запуска блока 11 выработки энергии, а затем в блок 16 управления выходом в качестве электроэнергии для продолжения процесса генерирования энергии или электроэнергии для повторного запуска подается напряжение обратной связи на основе электроэнергии, производимой блоком 11 выработки энергии, либо напряжение заряда вспомогательного конденсатора. Следовательно, даже в том случае, если в качестве источника питания для запуска применяется первичный элемент питания или т.п., потребление энергии этого источника питания может быть существенно снижено, и успешный запуск может выполняться в течение длительного времени.
Между тем, в вышеописанном структурном примере, хотя в блоке выработки электроэнергии предусмотрен блок питания для запуска, состоящий из первичного элемента питания или т.п., настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом. Например, если электронное устройство, для которого предусмотрена данная система энергоснабжения, имеет небольшой первичный элемент для резервирования питания запоминающего устройства, этот элемент может также использоваться в качестве блока питания для запуска.
Блок хранения электроэнергии
Блок 12 хранения электроэнергии, используемый в блоке 10А выработки электроэнергии согласно этому варианту, сохраняет (аккумулирует, или накапливает) электрический заряд на основе электроэнергии, имеющей напряжение V1, производимое вышеописанным блоком 11 выработки энергии, и выполняет операцию заряда и разряда для выдачи электроэнергии, имеющей заданное напряжение (напряжение заряда) V2 на основе сохраняемого электрического заряда, в описываемый ниже блок 13 преобразования напряжения.
На фиг.8А представлена блок-схема, демонстрирующая пример структуры блока хранения электроэнергии, используемого в блоке выработки электроэнергии согласно данному варианту осуществления.
Как показано на фиг.8А, конфигурация блока 12А для удерживания электроэнергии согласно данному варианту включает в себя: аккумулирующую схему CSC, которая аккумулирует электрический заряд в соответствии с напряжением V1 и разряжается с напряжением V1 на основе электроэнергии, подаваемой из блока 11 выработки энергии, в качестве питания на стороне высокого потенциала, и потенциал земли GND в качестве питания на стороне низкого потенциала; схему обнаружения напряжения VM, которая выявляет аккумулированное состояние (хранимую электроэнергию - в данном примере напряжение заряда) электрического заряда в аккумулирующей схеме CSC; и переключатель SW3, который включается/выключается на основе сигнала управления операциями (второй сигнал управления) SC2, выдаваемого схемой VM обнаружения напряжения, и управляет подачей (заряд) или прекращением подачи (прекращение заряда) электроэнергии в аккумулирующую цепь CSC.
В конкретной схемной конфигурации блока 12А хранения электроэнергии, показанной как пример на фиг.8В, можно использовать в качестве переключателя SW3 структуру, содержащую переключающий транзистор Тr21 и резистор R21 для ограничения электрического тока, соединенные последовательно между входной контактной точкой N21 (которая является той же контактной точкой, что и контактная точка N11, показанная на фиг.7В), к которой подводится электроэнергия (напряжение V1), производимая блоком 11 выработки энергии, и контактной точкой N22; резистор R22 для обнаружения напряжения, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr21 и контактной точкой N22; и управляющий транзистор Тr22, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr21 и контактной точкой N23 (которая является той же контактной точкой, что и контактная точка N12, показанная на фиг.7В) на стороне низкого потенциала.
Далее, в качестве аккумулирующей схемы CSC, как показано в качестве примера на фиг.8В, можно использовать структуру, в которой между контактной точкой N22 и контактной точкой N23 на стороне низкого потенциала включено множество (в данном примере два) конденсаторов С21 и С22. Между тем, структура аккумулирующей схемы CSC не ограничивается данным примером, и возможно использование любой другой структуры, где может храниться (аккумулироваться, или накапливаться) электрический заряд на основе электроэнергии, подаваемой из блока 11 выработки энергии, и напряжения, которое изменяется по существу в фиксированном или произвольном диапазоне. Следовательно, аккумулирующая схема CSC может, к примеру, включать в себя только один конденсатор, либо иметь структуру в виде батареи конденсаторов, соединение между которыми может изменяться с последовательного на параллельное и обратно в заданные моменты времени.
В качестве схемы VM обнаружения напряжения, как показано в качестве примера на фиг.8В, можно использовать структуру, в которой стабилитроны D21 и D22 и резисторы R23 и R24, образующие делитель напряжения, соединены последовательно между контактной точкой ввода N21 на стороне высокого потенциала и контактной точкой N22 на стороне низкого потенциала.
Здесь как переключающий транзистор Тr21, так и управляющий транзистор Тr22, образующие переключатель SW3, являются полевыми транзисторами, которые выключаются, когда напряжение затвора имеет низкий уровень, и включаются, когда напряжение затвора имеет высокий уровень. Часть напряжения с соединительной контактной точки N24 резисторов R23 и R24, образующих делитель напряжения и схему VM обнаружения напряжения, подается в качестве сигнала управления SC2 операциями на затвор управляющего транзистора Тr22.
В блоке 12А хранения электроэнергии, имеющем указанную схемную конфигурацию, когда напряжение заряда (или напряжение разряда; напряжение в контактной точке N22) на основе электрического заряда, аккумулированного в конденсаторах С21 и С22, которые образуют аккумулирующую схему SCS, постоянно выявляется схемой VM обнаружения напряжения, уровень сигнала управления SC2 операциями, выдаваемого на переключатель SW3, регулируется в соответствии с изменением напряжения заряда V2. То есть когда напряжение заряда V2 аккумулирующей схемы CSC ниже напряжения Vz на стабилитронах D21 и D22 схемы VM обнаружения напряжения, напряжение в соединительной контактной точке N24 резисторов R23 и R24, образующих делитель напряжения, падает до низкого уровня. В результате выключения управляющего транзистора Тr22 в переключателе SW3 переключающий транзистор Тr21 выключается путем подведения к его затвору сигнала высокого уровня, и в аккумулирующей схеме CSC накапливается электрический заряд на основе электроэнергии, подаваемой на контактную точку ввода N21 из блока 11 выработки энергии.
С другой стороны, когда напряжение V2 заряда аккумулирующей схемы CSC выше, чем напряжение Vz на диодах стабилитрона D21 и D22 схемы VM обнаружения напряжения, напряжение в соединительной контактной точке N24 поднимается до высокого уровня. В результате переключения управляющего транзистора Тr22 переключателя SW3 во включенное состояние переключающий транзистор Тr21 включается благодаря подаче на его затвор сигнала низкого уровня, и прекращается подача электроэнергии в аккумулирующую цепь CSC, в результате чего прекращается операция заряда аккумулирующей схемы CSC.
В результате постоянно контролируется напряжение заряда в блоке 12А хранения электроэнергии (аккумулирующая схема CSC), и состояние хранения (аккумулирования, или накопления) электроэнергии в аккумулирующей схеме CSC регулируется таким образом, чтобы напряжение заряда никогда не выходило за пределы заданного диапазона.
Блок преобразования напряжения
Блок 13 преобразования напряжения, используемый в блоке 10А выработки электроэнергии согласно данному варианту осуществления, выполняет операцию преобразования напряжения, в ходе которой преобразуется электрическая энергия с напряжением заряда V2 в вышеописанном блоке 12 хранения электроэнергии в электроэнергию (электроэнергию питания) с постоянным напряжением Vout выхода, пригодное для приведения в действие не показанного устройства (нагрузки).
На фиг.9 представлена блок-схема, демонстрирующая пример структуры блока преобразования напряжения, используемого в блоке выработки электроэнергии согласно этому варианту осуществления, а на фиг.10 показан конкретный пример принципиальной схемы блока преобразования напряжения.
Как показано на фиг.9, конфигурация блока 13А преобразования напряжения согласно данному варианту осуществления включает в себя: схему CDV формирования напряжения возбуждения, которая формирует заданное напряжение Vdd возбуждения на основе вышеописанного напряжения заряда V2 в блоке 12 хранения электроэнергии; и схему DC/DC формирования постоянного напряжения, выполняющую функцию так называемого "конвертора (преобразователя) постоянного напряжения" (DC-DC), который действует на основе напряжения Vdd возбуждения, создаваемого схемой CDV формирования напряжения возбуждения, преобразует напряжение V2 заряда в блоке 12 хранения электроэнергии в постоянное напряжение, которое выше потенциала земли GND, являющегося питанием на стороне низкого потенциала, и выдает полученное напряжение в качестве напряжения Vout выхода.
В конкретной схеме блока 13А преобразования напряжения, как показано в примере на фиг.10, в качестве схемы CDV формирования напряжения возбуждения можно использовать структуру, включающую в себя: резистор R31 и стабилитрон D31, образующие делитель напряжения и соединенные последовательно между контактной точкой N31 на стороне высокого потенциала, к которой подводится напряжение заряда в блоке 12 хранения электроэнергии, и контактной точкой N32 (та же контактная точка, что и контактная точка N12, показанная на фиг.7В) на стороне низкого потенциала, к которой подведен потенциал земли GND; и конденсатор С31, подсоединенный между соединительной контактной точкой N33 между резистором R31 и стабилитроном D31, образующими делитель напряжения, и контактной точкой N32 на стороне низкого потенциала.
В схеме DC/DC формирования постоянного напряжения, как показано в качестве примера на фиг.10, можно использовать структуру, в которой предусмотрены переключающий транзистор Тr31 и индуктивность L31, соединенные последовательно между контактной точкой N31 на стороне высокого потенциала и контактной точкой вывода N34, с которой выводится выходное напряжение Vout; резистор R32 и стабилитрон D32, соединенные последовательно между контактной точкой N31 и контактной точкой N32; конденсатор С32, подсоединенный между соединительной контактной точкой N35 между резистором R32 и стабилитроном D32, и контактной точкой N32; компаратор СОМ, имеющий входной вывод "+", соединенный с соединительной контактной точкой N35, и входной вывод "-", соединенный с контактной точкой вывода N34; логический элемент И (AND) для управления переключением, имеющий один вход, подсоединенный к выходу компаратора СОМ, другой вход, подсоединенный к генератору OSC, и выход, подсоединенный к затвору переключающего транзистора Тr31; диод D33, подсоединенный между соединительной контактной точкой N36 между переключающим транзистором Тr31 и индуктивностью L31 и контактной точкой N32; и конденсатор, подсоединенный между контактной точкой вывода N34 и контактной точкой N32.
В блоке 13А преобразования напряжения, имеющем указанную конфигурацию, когда напряжение заряда V2 в блоке 12 хранения электроэнергии подается в схему CDV формирования напряжения возбуждения, напряжение соединительной контактной точки N33 определяется в соответствии с коэффициентом деления, обеспечиваемого резистором R31 и стабилитроном D31, и состоянием заряда конденсатора С31, и это определенное напряжение подается в схему DC/DC формирования постоянного напряжения в качестве напряжения Vdd возбуждения. Здесь напряжение Vdd возбуждения является фактически постоянным напряжением, которое создается относительно потенциала земли GND, являющегося низким потенциалом, независимо от изменений напряжения V2 заряда в блоке 12 хранения электроэнергии.
С другой стороны, в схеме DC/DC формирования постоянного напряжения компаратор СОМ выполняет операцию сравнения выходного напряжения Vout контактной точки вывода N34 с опорным напряжением Vs, которое получается как результат деления напряжения в соединительной контактной точке N35. Когда выходное напряжение Vout ниже опорного напряжения Vs, на один вход логического элемента AND подается сигнал высокого уровня, а на другой вход от генератора OSC подается импульсный сигнал, имеющий заданный период и форму. В результате на затвор переключающего транзистора Тr31 от логического элемента AND подается сигнал высокого уровня, и переключающий транзистор Тr31 периодически включается. Вслед за этим, когда потенциал (выходное напряжение Vout) контактной точки вывода N34 понижается, напряжение V2 заряда на стороне контактной точки N31 периодически подается через переключающий транзистор Тr31, и формируется выходное напряжение Vout, имеющее фактически постоянное значение. Между тем, поскольку конденсатор С33 подсоединен между контактной точкой вывода N34 и контактной точкой N32, в результате чего аккумулируется электрический заряд, подаваемый через индуктивность L31, выходное напряжение, выдаваемое через контактную точку вывода N34, поддерживается постоянным.
Блок контроля/управления напряжением
Блок 14 контроля/управления напряжением, используемый в блоке выработки электроэнергии, согласно данному варианту осуществления выполняет функцию управления операциями. В соответствии с этой функцией блок 14 контроля/управления напряжением обнаруживает напряжение (напряжение заряда V2), выдаваемое из вышеописанного блока 12 хранения электроэнергии, в блок 13 преобразования напряжения. Когда обнаруженное напряжение не превышает заданное значение напряжения, блок 14 контроля/управления напряжением выдает в каждый заданный момент времени в вышеупомянутый блок 15 управления запуском сигнал управления SC1 операциями для перевода (запуска) блока 11 управления энергии в режим производства энергии. Также он выдает сигнал управления SC2 для хранения (аккумулирования или накопления) электроэнергии, производимой блоком 11 выработки энергии, в вышеописанный блок 12 хранения электроэнергии.
Здесь в качестве конкретной схемы, которая обнаруживает напряжение заряда (компонента напряжения в хранимой электроэнергии) в блоке 12 хранения электроэнергии, можно, например, использовать схему из последовательно соединенных стабилитронов D21 и D22 и сопротивлений R23 и R24, составляющих делитель напряжения, которые были описаны для схемы обнаружения напряжения (смотри фиг.8В), образующих вышеупомянутый блок 12 хранения электроэнергии. Таким образом, в этом варианте схема VM обнаружения напряжения блока 12 хранения электроэнергии может также иметь функциональную часть для обнаружения напряжения блока 14 контроля/управления напряжением. Следует отметить, что блок 14 контроля/управления напряжением выполняет по меньшей мере функцию управления сигналами для распределения выходных сигналов во времени, управления уровнем сигнала или т.п. для сигналов управления SC1 и SC2 операциями, а также вышеупомянутую функцию обнаружения напряжения.
(В) Топливный узел
Топливный узел 20А, используемый в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению, представляет собой, например, контейнер для хранения топлива, имеющий высокую герметичность, который заправляется топливом FL для производства энергии, состоящим из жидкого топлива, сжиженного топлива или газообразного топлива, содержащего водород в его составных компонентах. Как показано на фиг.3, топливный узел 20А имеет конструкцию, сочленяемую с блоком 10А выработки энергии через блок I/F 30А съемным образом, либо конструкцию, сочлененную с блоком 10А так, что они составляют единое целое. Топливо FL для производства энергии, заправляемое в топливный узел 20А, поступает в блок 10А выработки энергии через канал подачи топлива, предусмотренный в описываемом ниже блоке I/F 30А, а топливо FL для производства энергии в количестве, необходимом для производства электроэнергии, имеющей заданное напряжение, подается в блок 11 выработки энергии вышеописанным блоком 16 управления выводом в заданный момент времени.
В частности, в случае использования в качестве системы энергоснабжения 1 конструкции, в которой блок 10А выработки энергии и топливный узел 20А могут соединяться друг с другом и отсоединяться без всяких ограничений, топливо FL для производства энергии подается в блок 10А выработки энергии только тогда, когда топливный узел 20А сочленен с блоком 10А выработки энергии. В этом случае, если топливный узел 20А не сочленен с блоком 10А выработки энергии, то топливный узел 20А обеспечивается, например, средством предотвращения утечки топлива, имеющим контрольный клапан и т.п., который закрывается давлением загруженного топлива внутри топливного узла 20А или механическим давлением пружины и т.п. с целью предотвращения утечки из топливного узла 20А наружу загруженного топлива FL для производства электроэнергии. Когда топливный узел 20А через блок I/F 30А и средство (средство разблокирования предотвращения утечки), которое предусмотрено в блоке I/F 30А и обеспечивает разблокирование функции предотвращения утечки, реализуемой средством для предотвращения утечки топлива, сочленяется с блоком 10А выработки энергии и тем самым входит в контакт, или оказывает давление, на топливный узел 20А, происходит разблокирование закрытого контрольного клапана, и топливо FL для производства энергии, загруженное в топливный узел 20А, подается, например, через блок I/F 30А в блок 10А выработки энергии.
В топливном узле 20А, имеющем указанную конструкцию, когда топливный узел 20А отделен от блока 10А выработки энергии, перед тем как станет вытекать топливо FL для производства энергии, загруженное в топливный узел 20А, утечка топлива FL для производства энергии может быть предотвращена в результате повторной активизации функции предотвращения утечки, реализуемой средством предотвращения утечки топлива (например, путем перевода средства разблокирования предотвращения утечки топлива в состояние отсутствия контакта, чтобы заставить контрольный клапан вновь закрыться), при этом топливный узел 20А можно транспортировать независимо. Средство предотвращения утечки топлива будет подробно описано ниже с частью вышеупомянутого примера конструкции.
Предпочтительно, чтобы топливный узел 20А имел функцию вышеописанного контейнера для хранения топлива и был выполнен из материала, который в основном существует в природе в определенных условиях окружающей среды и может быть переработан в вещества, которые существуют в природе, либо вещества, которые не загрязняют окружающую среду.
То есть топливный узел 20А может быть выполнен из полимерного материала (пластмассы) либо тому подобного материала, характеризующегося присущими таким материалам реакциями разложения различного рода, в результате которых этот материал может быть преобразован в вещества, не наносящие вред природе (вещества, которые в основном существуют в природе и образуют природу, например вода, углекислый газ или т.п.), путем воздействия микробов или ферментов в почве, облучения солнечными лучами, воздействия дождевой воды, атмосферного воздуха или т.п., даже в том случае, если весь топливный узел 20А или его часть выбрасывается в окружающую естественную среду либо подвергается утилизации путем захоронения, например, способность к биологическому разложению, фотолитические свойства, способность к гидролизу, способность к окислительной деградации или т.п.
Топливный узел 20А может быть выполнен из материала, в результате использования которого не образуются вредные вещества, такие как хлорированные органические соединения (диоксиновая группа - полихлорированный дибензо-р-диоксин, полихлорированный дибензофуран), хлороводород или тяжелый металл, либо загрязнители окружающей среды, либо создание указанных веществ подавляется даже в том случае, если выполняется процесс искусственного нагрева/сжигания или обработки реактивами/химической обработки. Очевидно, что материал (например, полимерный материал), из которого выполнен топливный узел 20А, не должен разлагаться по меньшей мере в течение короткого времени при контакте с загруженным топливом FL для производства энергии и не должен ухудшать качество загруженного топлива FL для производства энергии по меньшей мере в течение короткого времени до такой степени, чтобы его нельзя было использовать как топливо. Также очевидно, что топливный узел 20А из полимерного материала должен иметь достаточную прочность, чтобы противостоять внешним физическим нагрузкам.
Как было описано выше, с учетом того, что доля химических элементов питания, собираемых для переработки, составляет примерно 20%, а остальные 80% выбрасываются в окружающую среду или подвергаются захоронению, желательно использовать в качестве материала для топливного узла 20А такой материал, который способен разлагаться, в частности пластмассу, способную к биологическому разложению. В частности, можно с успехом использовать полимерный материал, содержащий органическое соединение, полученное с помощью химического синтеза из нефти или растительного сырья (полимолочная кислота, алифатический полиэфир, сополимер сложных эфиров или т.п.), микробный биополиэфир, натуральный продукт, использующий полимерный материал, включая крахмал, целлюлозу, хитин, хитозан или т.п., выделяемые из растительного сырья, такого как зерно, сахарный тростник или т.п.
Что касается топлива FL для производства энергии, используемого в системе энергоснабжения 1 согласно данному варианту осуществления, то предпочтительно, чтобы оно не загрязняло окружающую среду даже в том случае, когда топливный узел 20А, заполненный топливом FL для производства энергии, выбрасывается в окружающую среду или подвергается захоронению и попадает в воздух, почву или воду; также предпочтительно, чтобы электроэнергия могла производиться в блоке 11 выработки энергии, входящем в блок 10А выработки энергии, с высокой эффективностью преобразования энергии, и чтобы служащее топливом вещество можно было поддерживать в стабильном жидком состоянии или газообразном состоянии при заданных условиях (давление, температура или т.п.) и подавать его в блок 10А выработки энергии. В частности, можно с успехом использовать жидкое топливо на основе спирта, такое как вышеупомянутый этанол или бутанол; сжиженное топливо, состоящее из углеводорода, к примеру, диметиловый эфир, изобутан или природный газ, которые находятся в газообразном состоянии при нормальной температуре и давлении, либо газообразное топливо, такое как газообразный водород. Между тем, как описывается ниже, безопасность системы энергоснабжения может быть повышена, если предусмотреть в конструкции, например, средство стабилизации топлива для стабилизации заправленного в топливный узел топлива для производства энергии.
При использовании описанной конструкции топливного узла 20А даже в том случае, если вся система энергоснабжения 1 согласно этому варианту либо ее часть (топливный узел 20 или топливо FL для производства энергии или т.п.) выбрасывается в окружающую среду или подвергается искусственному захоронению, сжиганию или химической обработке, можно значительно уменьшить загрязнение воздуха, почвы или воды, либо сохранить гармонию окружающей среды, что вносит свой вклад в защиту окружающей среды, препятствует ее обезображиванию и предотвращает вредное воздействие на человека.
В случае выполнения топливного узла 20А в виде съемного блока, который можно присоединять и снимать с блока 10А выработки энергии без каких-либо ограничений, когда объем оставшегося топлива FL для производства энергии уменьшается либо топливо кончилось, его можно долить в топливный узел 20А, либо топливный узел 20А можно снять или использовать повторно (многократное использование). Таким образом, это может способствовать значительному уменьшению количества выбрасываемых топливных узлов 20А или блоков 10А выработки энергии. Кроме того, поскольку новый топливный узел 20А можно снять и смонтировать на едином блоке 10А выработки энергии и такой модуль можно соединить с устройством DVC и его использовать, возможно создание системы энергоснабжения, которую также просто использовать, как химический элемент питания общего назначения.
При выработке электроэнергии в блоке 11 выработки энергии блока 10А выработки энергии даже в том случае, если кроме электроэнергии производится побочный продукт и этот побочный продукт оказывает вредное воздействие на окружающую среду, либо если он может повлиять на функционирование устройства DVC, например вызвать его сбой, можно использовать конструкцию, обеспечивающую сбор побочного продукта и удерживание его в топливном узле 20А.
(С) Блок I/F
Как показано на фиг.2, блок I/F 30А, используемый в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению, предназначен для физического сочленения блока 10А выработки энергии и топливного узла 20А друг с другом и подачи топлива FL для производства энергии, заправленного в топливный узел 20А в заданном состоянии, в блок 10А выработки энергии через канал подачи топлива. Здесь, как описано выше, в случае использования в качестве системы энергоснабжения 1 конструкции, где блок 10А выработки энергии и топливный узел 20А могут соединяться и разъединяться без каких-либо ограничений, как будет показано в описанном ниже примере конструкции (смотри фиг.34), блок I/F 30А включает в себя средство разблокирования предотвращения утечки (трубка 52f для подачи топлива) для разблокирования функции предотвращения утечки средства предотвращения утечки топлива (клапан 24А для подачи топлива), предусмотренного в топливном узле 20А в дополнение к каналу подачи топлива. Кроме того, как описано выше, в случае использования конструкции для сбора побочного продукта, создаваемого в блоке 11 выработки энергии блока 10А выработки энергии, конфигурация блока I/F 30А включает в себя канал 52е для сбора побочного продукта, предназначенный для подачи побочного продукта в топливный узел 20А.
В частности, блок I/F 30А подает в блок 10А выработки энергии (блок 11 выработки энергии) топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 20А при заданных условиях (температура, давление и др.), в виде жидкого топлива, сжиженного топлива или газообразного топлива (топливный газ), полученного путем испарения топлива, через канал подачи топлива. В системе энергоснабжения, где блок 10А выработки энергии и топливный узел 20А объединены посредством блока I/F 30А, топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 20А, может постоянно подаваться в блок 10А выработки энергии через канал подачи топлива. С другой стороны, в системе энергоснабжения, где блок 10А выработки энергии и топливный узел 20А могут соединяться и разъединяться посредством блока I/F 30А без каких-либо ограничений, производится разблокирование функции предотвращения утечки средства предотвращения утечки топлива, предусмотренного в топливном узле 20А, средством разблокирования предотвращения утечки, когда топливный узел 20А сочленен с блоком 10А выработки энергии, и топливо FL для производства энергии может подаваться в блок 10А выработки энергии через канал подачи топлива.
Полное функционирование первого варианта осуществления изобретения
Далее со ссылками на чертежи описывается функционирование системы энергоснабжения, имеющей вышеописанную конструкцию.
На фиг.11 представлена блок-схема последовательности операций, схематически описывающая функционирование системы энергоснабжения согласно данному варианту осуществления. Кроме того, на фиг.12 концептуально представлена начальная операция системы энергоснабжения согласно этому варианту, на фиг.13 концептуально представлена операция запуска системы энергоснабжения согласно варианту осуществления, на фиг.14 концептуально показано состояние после запуска системы энергоснабжения согласно этому варианту, а на фиг.15 концептуально показано состояние во время установившегося режима работы системы энергоснабжения согласно этому варианту. Описание функционирования сопровождается соответствующими ссылками на конструкцию вышеописанного блока выработки электроэнергии (фиг.3-10). Следует отметить, что на чертеже в целях иллюстрации схема формирования напряжения обратной связи, образующая блок управления запуском, называется блоком обратной связи.
Как показано на фиг.11, при управлении системой энергоснабжения 1, имеющей конструкцию согласно этому варианту, выполняются: начальная операция (шаг S101), в результате которой топливный узел 20А сочленяется с блоком 10А выработки электроэнергии через блок I/F 30А, так что топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 20А, может подаваться в модуль 10А выработки энергии; операция запуска (шаги с S102 по S110), в результате которой приводится в действие блок 16 управления выходом путем подачи электроэнергии запуска от блока 15 управления запуском в блок 16 управления выходом, генерируется заданная электроэнергия путем подачи топлива FL для производства энергии, заправленного в топливный узел 20А, в блок 11 выработки энергии, и произведенная электроэнергия подается в блок 12 хранения электроэнергии и блок 15 управления запуском; и установившийся режим работы (шаг S111), когда соответствующее управление блоком 11 выработки энергии обеспечивается переключением с режима генерирования энергии в режим остановки генерирования энергии на основе изменений напряжения хранения блока 12 хранения электроэнергии, находящегося в состоянии, обеспечивающем приведение в действие нагрузки, и выдается выходное напряжение, имеющее фактически постоянное значение.
Далее со ссылками на фиг.12-15 подробно описывается каждая операция.
(А) Начальная операция
Сначала, при выполнении начальной операции, когда топливный узел 20А через блок I/F 30А сочленен с блоком 10А выработки электроэнергии, в котором в аккумулирующей схеме CSC блока 12 хранения электроэнергии и вспомогательном конденсаторе С11 блока 15 управления запуском полностью отсутствует электрический заряд (начальное состояние), производится разблокирование функции предотвращения утечки средства предотвращения утечки топлива, предусмотренного в топливном узле 20А, и топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 20А, переходит в канал подачи топлива благодаря капиллярному эффекту в канале подачи топлива, после чего подается в блок 16 управления выходом. Затем, как показано на фиг.12, топливо FL для производства энергии удерживается таким образом, чтобы его можно было подать в блок 11А выработки энергии (шаг S101). Между тем, поскольку в этом состоянии из блока 15А управления запуском в блок 16 управления выходом электроэнергия запуска не подается, процесс подачи топлива FL для производства энергии в блок 11А выработки энергии прерывается.
(В) Операция запуска
Затем на операции запуска из начального состояния, как показано на фиг.13, из блока 14 контроля/управления напряжением выдаются сигналы SC1 и SC2 управления операциями (шаг S103) путем выполнения заданной операции запуска (шаг S102), и переключатель SW1 блока 15А управления запуском и переключатель SW3 блока 12А хранения электроэнергии переводятся во включенное состояние. В результате в блок 16 управления выходом из блока PW1 питания для запуска, предусмотренного в блоке 15А управления запуском, подается электроэнергия запуска (шаг S104), и приводится в действие блок 16 управления выходом. Также в блок 11А выработки энергии подается топливо FL для производства энергии, и вырабатывается заранее заданная электроэнергия (мощность) (шаг S105).
Здесь, как показано на фиг.14, электроэнергия, произведенная блоком 11А выработки энергии, подается в блок 12А хранения электроэнергии, где она сохраняется (аккумулируется, или накапливается) аккумулирующей схемой CSC (шаг S106), а блок 14 контроля/управления напряжением контролирует напряжение заряда удерживаемой электроэнергии. Также часть электроэнергии, произведенной блоком 11А выработки энергии, подается в схему формирования напряжения обратной связи (описанную на чертеже как блок обратной связи) блока 15А управления запуском, где формируется напряжение обратной связи, после чего выключается переключатель SW2 и заряжается вспомогательный конденсатор С11. В результате, когда напряжение электроэнергии, произведенной в блоке 11А выработки электроэнергии, достигнет заданного значения V1, формируется напряжение обратной связи на основе электроэнергии (напряжение V1), подаваемой блоком 11А выработки энергии, причем эта энергия подается в блок 16 управления выходом в качестве электроэнергии для продолжения операции производства энергии. Кроме того, прекращается подача электроэнергии запуска из блока PW1 питания для запуска в блок 16 управления выходом.
Между тем, в качестве операции запуска для запуска блока 10А выработки электроэнергии из начального состояния может оказаться достаточным выполнить по меньшей мере операцию, реализующую включение переключателя SW1 блока 15 управления запуском и включение переключателя SW3 блока 12А хранения электроэнергии, как было описано выше. Например, управление блоком 14 контроля/управления напряжением может сводиться к принудительной выдаче сигналов управления SC1 и SC2 операциями, имеющих низкий уровень, когда пользователь системой энергоснабжения согласно настоящему изобретению приводит в действие вручную не показанный переключатель запуска или т.п. В альтернативном варианте может быть предусмотрен механизм, который принудительно включает переключатели SW1 и SW2 только в момент соединения топливного узла 20А с блоком 10А выработки электроэнергии.
Затем, когда в аккумулирующей схеме CSC блока 12А хранения электроэнергии накопилась электроэнергия, произведенная блоком 11А выработки энергии, и напряжение заряда достигло заданного значения, соответствующего состоянию полного заряда (шаг S107), блок 14 контроля/управления напряжением выдает сигналы SC1 и SC2 управления операциями, имеющие высокий уровень, в блок 15А управления запуском и блок 12А хранения электроэнергии (шаг S108), а переключатели SW1 и SW3 переводятся в выключенное состояние. В результате прекращается подача электроэнергии для продолжения операции производства энергии в блок 16 управления выходом (шаг S109), и операция генерирования энергии в блоке 11А выработки энергии прекращается (шаг S110). Также прекращается подача электроэнергии в блок 12А хранения электроэнергии, и прекращается операция заряда в аккумулирующей схеме CSC, в результате чего завершается переход (запуск) из начального состояния в установившееся состояние. В этот момент, когда система энергоснабжения присоединена к устройству DVC, электроэнергия, соответствующая напряжению V2 заряда аккумулирующей схемы CSC, преобразуется блоком 13А преобразования напряжения, после чего подается в качестве электроэнергии питания, имеющей постоянное выходное напряжение Vout, в контроллер CNT (или контроллер CNT и нагрузку LD) устройства DVC. Вдобавок, напряжение V2 заряда аккумулирующей схемы CSC постоянно контролируется блоком 14 контроля/управления напряжением (шаг S111).
(С) Установившийся режим
Затем в установившемся режиме, как показано на фиг.15, управление происходит следующим образом. Если, например, напряжение заряда в аккумулирующей схеме CSC блока 12 хранения электроэнергии становится меньше минимального предельного порогового значения в заранее установленном диапазоне напряжения в результате, например, непрерывного питания нагрузки LD в устройстве DVC, блок 14 контроля/управления напряжением обнаружит уменьшение напряжения заряда, и в блок 15А управления запуском с целью выключения переключателя SW1 будет выдан сигнал SC1 управления операциями, имеющий низкий уровень. Кроме того, блок 11А выработки электроэнергии снова перейдет из режима ожидания в режим генерирования энергии (перезапуск), и в блок хранения электроэнергии с целью включения переключателя SW2 будет выдан сигнал SC2 управления операциями, имеющий низкий уровень. В аккумулирующей схеме CSC будет снова сохраняться электроэнергия, производимая и выдаваемая блоком 11А выработки энергии. С другой стороны, когда напряжение заряда аккумулирующей схемы CSC снижается в пределах заданного диапазона напряжения, считается, что в аккумулирующей схеме CSC накоплен электрический заряд, соответствующий заданной электроэнергии питания, и выполняется только операция разряда электрического заряда, накопленного в аккумулирующей схеме CSC, без выполнения операции производства энергии блоком 11А выработки энергии, и в устройство DVC непрерывно подается заданная электроэнергия питания (мощность).
Между тем, в этой операции повторного запуска во вспомогательном конденсаторе С11, входящем в состав схемы FVH формирования напряжения обратной связи блока 15А управления запуском, накапливается заданное напряжение на основе электроэнергии (напряжение V1), произведенной блоком 11А выработки энергии при предыдущей операции запуска. Когда напряжение заряда соответствует или превышает напряжение Vbat блока PW1 питания для запуска, в блок 16 управления выходом подается электроэнергия для запуска на основе напряжения заряда вспомогательного конденсатора С11. С другой стороны, когда напряжение заряда меньше напряжения Vbat блока PW1 питания для осуществления запуска, выполняется переключение переключателя SW2 в блоке 15А управления запуском, так что электроэнергия запуска на основе напряжения Vbat от блока PW1 питания для запуска может быть подана в блок 16 управления выходом. Указанная операция повторного запуска выполняется аналогичным образом даже в том случае, когда топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 20А, израсходовано, и топливный узел заменяется на новый. В соответствии с этим операция запуска с использованием электроэнергии для запуска, подаваемой из блока PW1 питания для запуска, выполняется по существу только при первой операции запуска из начального состояния. При последующей операции повторного запуска, поскольку электроэнергия на основе напряжения, имеющегося на вспомогательном конденсаторе С11, может быть использована в качестве электроэнергии для запуска, а блок PW1 питания для запуска, предусмотренный в блоке 15 управления запуском, может быть выполнен в виде такого средства питания, как первичный элемент, который имеет относительно небольшие габаритные размеры и маленькую емкость.
Как описано выше, в системе энергоснабжения по данному варианту осуществления на устройство может подаваться фактически постоянная электрическая мощность путем соответствующего повторения операций генерирования энергии и прекращения генерирования энергии, выполняемых в блоке выработки энергии, и операций заряда и прекращения заряда в блоке хранения электроэнергии в соответствии с хранимой электроэнергией (состояние заряда) в блоке хранения электроэнергии после операции запуска из начального состояния, когда в топливном узле остается топливо для производства энергии, без поступления топлива или тому подобного извне системы энергоснабжения. Следовательно, может быть реализована система энергоснабжения, имеющая электрические характеристики, фактически эквивалентные характеристикам химического элемента питания общего назначения, и существующая нагрузка (устройство) может с успехом приводиться в действие. Также, по сравнению с системой энергоснабжения, имеющей такую структуру, где блок выработки энергии вынужденно выполняет непрерывную операцию производства энергии, отходы топлива для производства энергии могут быть значительно уменьшены, а источник энергии может использоваться с высокой эффективностью. Таким образом, можно создать систему энергоснабжения, имеющую весьма высокую эффективность использования энергии и обеспечивающую совместимость с химическим элементом питания общего назначения. Кроме того, в этом случае, поскольку операции генерирования энергии и остановки в блоке выработки энергии и операции заряда и прекращения заряда в блоке хранения электроэнергии могут быть реализованы простым способом управления с помощью сигналов, которые лишь включают/выключают переключатель, изменяющий состояние подачи топлива для производства энергии на топливо для производства энергии, либо переключатель, изменяющий состояние подачи электроэнергии в блок хранения электроэнергии, конструкция блока выработки электроэнергии может быть упрощена, а также уменьшены его габаритные размеры и затраты на изготовление.
Кроме того, согласно данному варианту осуществления системы энергоснабжения, поскольку данная система энергоснабжения имеет такую структуру, где электроэнергия, производимая блоком выработки энергии, временно накапливается в блоке хранения электроэнергии, а затем подается в устройство (нагрузку), можно подавать электроэнергию, отличающуюся относительной устойчивостью к внезапным изменениям состояния приводимой в действие нагрузки, подсоединенной к системе энергоснабжения. Вдобавок, даже в том случае, если топливо для производства энергии в топливном узле израсходовано и в блоке выработки энергии не выполняется операция генерирования энергии, электроэнергия, накопленная в блоке хранения электроэнергии, может непрерывно выдаваться некоторое время. Следовательно, питание устройства (нагрузки) может поддерживаться даже во время операции съема и замены топливного узла. Вдобавок, путем использования в качестве аккумулирующей схемы, образующей блок хранения электроэнергии, например, двухслойного конденсатора, вес устройства может быть значительно уменьшен по сравнению с вариантами, где в качестве средства для аккумулирования заряда используется, например, вторичный элемент питания.
Кроме того, в системе энергоснабжения согласно этому варианту, как описано ниже, можно уменьшить размеры и массу системы, используя, например, технологию микрообработки для модуляризации (разбиения на модули) блока выработки электроэнергии и сборки и компоновки этого блока в маленьком объеме. Если создать систему энергоснабжения, форма и размеры которой будут эквивалентны форме и размерам химического элемента питания общего назначения на основе таких стандартов, как промышленные стандарты Японии (JIS), к примеру, как у батареи типа АА, то можно обеспечить высокий уровень совместимости с химическим элементом питания общего назначения как по внешней форме, так и по электрическим характеристикам (характеристика напряжение/электрический ток), и тем самым дополнительно способствовать популяризации этой системы на существующем рынке элементов питания. В результате, поскольку появляется возможность популяризации системы энергоснабжения, использование которой значительно уменьшает выброс вредных веществ, например топливных элементов, и в которой вместо существующего химического элемента, использование которого связано с множеством проблем, например воздействием на окружающую среду или эффективностью использования энергии, применяется средство выработки энергии, способное обеспечить высокую эффективность использования энергии, эффективность использования энергетического ресурса может быть повышена при одновременном уменьшении воздействия на окружающую среду.
Второй вариант осуществления
Ниже со ссылками на чертежи описывается второй вариант осуществления блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
На фиг.16 представлена блок-схема, демонстрирующая второй вариант осуществления блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению. Кроме того, на фиг.17 показана блок-схема с примером структуры блока управления запуском, используемым в блоке выработки электроэнергии согласно этому варианту, а на фиг.18 показан конкретный пример принципиальной схемы блока управления запуском. Здесь одинаковые ссылочные позиции обозначают структуры, эквивалентные тем, что были описаны в связи с первым вариантом, и поэтому их описание опускается.
Выше описан случай, когда в качестве блока PW1 питания для запуска, составляющего блок 15 управления запуском в блоке 10А выработки электроэнергии согласно первому варианту, использовалась структура, включающая в себя средство электропитания, такое как первичный элемент, не требующий подачи электроэнергии извне. Однако в блоке выработки электроэнергии согласно этому варианту, как показано на фиг.16, предусмотрена структура, в которой блок 15 управления запуском включает в себя средство аккумулирования заряда, способное накапливать электрическую энергию (внешняя электроэнергия питания), подаваемую извне блока 10В выработки электроэнергии.
То есть, как показано на фиг.17, структура блока 15b управления запуском, используемого в этом варианте осуществления, в частности, включает в себя: схему FVH формирования напряжения обратной связи, имеющую структуру, эквивалентную структуре блока 15А управления запуском (смотри фиг.7), которая была описана в связи с первым вариантом; блок PW2 питания для запуска, состоящий из конденсатора, а также переключателей SW1 и SW2; и схему РС1 управления зарядом, используемую для заряда блока PW2 питания для запуска с помощью электроэнергии, подаваемой от внешнего источника питания.
В качестве конкретной схемы блока PW2 питания для запуска и схемы РС1 управления запуском, как показано на фиг.18, можно использовать структуру, в которой предусмотрены: резистор R41 ограничения электрического тока, переключающий транзистор Тr41 и пусковые конденсаторы С41 и С42, образующие блок PW2 питания для запуска и соединенные последовательно между контактной точкой ввода N41, к которой подводится электроэнергия (напряжение Vch) от внешнего источника питания, и контактной точкой N42 (та же контактная точка, что и контактная точка N12, показанная на фиг.17), к которой подводится потенциал земли GND; резистор R42 обнаружения напряжения, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr41 и контактной точкой ввода N41; стабилитроны D41 и D42 и резисторы, образующие делитель напряжения, соединенный последовательно между соединительной контактной точкой N43 между переключающим транзистором Тr41 и пусковым конденсатором С41 и контактной точкой N42 на стороне низкого потенциала; и управляющий транзистор Тr42, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr41 и контактной точкой N42 на стороне низкого потенциала.
Здесь часть напряжения с соединительной контактной точки N44 резисторов R43 и R44, образующих делитель напряжения, подается на затвор управляющего транзистора Тr42. Кроме того, к одному выводу переключателя SW2 подключена соединительная контактная точка N43, и в качестве электроэнергии для запуска подается электроэнергия на основе напряжения заряда (соответствующего напряжению Vbat) пусковых конденсаторов С41 и С42.
То есть конфигурация схемы РС1 управления зарядом выполняет функцию переключения, реализуемую резистором R41 для ограничения электрического тока, транзистором Тr41, резистором R42 обнаружения напряжения и управляющим транзистором Тr42, и функцию обнаружения напряжения, реализуемую стабилитронами D41 и D42 и резисторами R43 и R44, образующими делитель напряжения.
Далее со ссылками на чертежи описывается функционирование системы энергоснабжения, имеющей вышеописанную структуру.
На фиг.19 концептуально показана начальная операция в системе энергоснабжения согласно этому варианту, а на фиг.20 концептуально показана операция запуска системы энергоснабжения согласно этому варианту осуществления. Здесь описание операций, эквивалентных операциям в вышеупомянутом первом варианте, выполняется в упрощенном виде либо опускается.
Что касается начальной операции в системе энергоснабжения согласно этому варианту, то, как показано на фиг.19, в блоке управления запуском сначала выполняется операция запуска из начального состояния блока 10В выработки электроэнергии. То есть перед операцией, где пользователем системы энергоснабжения используется переключатель запуска, и перед сочленением топливного узла с блоком 10В выработки электроэнергии или т.п., схема РС1 управления зарядом выполняет операцию заряда пусковых конденсаторов С41 и С42, образующих блок PW2 питания для запуска, посредством электроэнергии, соответствующей электроэнергии запуска, на основе заданной электроэнергии (напряжение Vch), подаваемой от внешнего источника питания, предусмотренного вне системы энергоснабжения, например обычного имеющегося в продаже источника питания или серийно выпускаемого сухого элемента питания. В результате, как показано на фиг.20, когда на переключатель SW1 выводится сигнал SC1 управления операциями низкого уровня с целью запуска блока 11В выработки энергии, в блок 16 управления выходом через переключатели SW2 и SW1 подается электроэнергия для запуска на основе напряжения заряда (напряжение соединительной контактной точки N43) пусковых конденсаторов С41 и С42. Следовательно, в этот момент, поскольку нет необходимости в качестве питания для запуска блока 10В выработки электроэнергии иметь средство питания, например, первичный элемент, блок выработки электроэнергии может использоваться в течение длительного времени без учета расходования ресурса элемента в рассматриваемом блоке питания для запуска.
Между тем, в случае повторного запуска блока 11В выработки энергии по аналогии с вышеупомянутым первым вариантом, если напряжение заряда на вспомогательном конденсаторе С11 схемы FVH формирования напряжения обратной связи соответствует или превышает напряжение (Vbat) электроэнергии для запуска, то в качестве электроэнергии для запуска в блок 16 управления выходом подается электроэнергия на основе напряжения заряда вспомогательного конденсатора С11. Если напряжение заряда меньше напряжения электроэнергии для запуска, то в качестве электроэнергии для запуска в блок 16 управления выходом подается электроэнергия на основе напряжения заряда пусковых конденсаторов С41 и С42 блока PW2 питания для запуска.
Третий вариант
Далее со ссылками на чертежи описывается третий вариант осуществления блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
На фиг.21А представлена блок-схема с примером структуры блока управления запуском, используемого в третьем варианте осуществления блока выработки электроэнергии, который применяется в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению. Здесь одинаковые ссылочные позиции обозначают структуры, эквивалентные элементам в примерах в вышеупомянутых первом и втором вариантах, в связи с чем их описание упрощается или опускается.
Что касается блока 15В управления запуском согласно примеру структуры (смотри фиг.17 и 18) по второму варианту, то его описание дано для случая, когда в качестве блока PW2 питания для запуска используется структура, включающая в себя пусковые конденсаторы С41 и С42, заряжаемые электроэнергией, подаваемой извне. Однако в блоке управления запуском, используемом в блоке выработки электроэнергии согласно этому примеру структуры, предусмотрено средство аккумулирования заряда, которое также выполняет функцию пусковых конденсаторов С41 и С42, а также вспомогательного конденсатора С11 (смотри фиг.7В), предусмотренного в схеме FVH формирования напряжения обратной связи, описанной в вышеупомянутом первом варианте осуществления.
То есть, как показано на фиг.21А, блок 15С управления запуском, используемый в этом примере структуры, включает в себя переключатель SW1 и схему РС1 управления зарядом, структура которой эквивалентна схеме блока управления запуском (смотри фиг.7А и 17), описанного в примере структуры вышеупомянутых первого и второго вариантов, а также схему FVH формирования напряжения обратной связи, включающую в себя общее (единое) средство аккумулирования заряда для подачи электроэнергии для запуска и электроэнергии, используемой для продолжения операции производства энергии.
В качестве конкретной схемы FVH формирования напряжения обратной связи согласно этому примеру структуры, как показано на фиг.21В, можно, например, использовать схему, в которой предусмотрены: резистор R51 и общие конденсаторы С51 и С52, соединенные последовательно между контактной точкой N11 на стороне высокого потенциала, на которую подается электроэнергия (напряжение V1), вырабатываемая блоком 11 выработки энергии, и контактной точкой N12 на стороне низкого потенциала, на которую подается потенциал земли GND; стабилитроны D51 и D52, соединенные последовательно между соединительной контактной точкой N51 между сопротивлением R51 и общим конденсатором (вспомогательный блок хранения электроэнергии) С51 и контактной точкой N12 на стороне низкого потенциала; и диод D53, подсоединенный между соединительной контактной точкой N51 и контактной точкой N14 на одном из выводов переключателя SW1.
Кроме того, в качестве схемы РС1 управления зарядом, как показано в качестве примера на фиг.21В, по существу аналогичной примеру принципиальной схемы для второго варианта, можно использовать структуру, в которой предусмотрены: резистор R41 ограничения электрического тока, переключающий транзистор Тr41, стабилитрон D43 и резисторы R43 и R44 для деления напряжения, соединенные последовательно между контактной точкой ввода N41, на которую подается электроэнергия (напряжение Vch) от внешнего источника питания, и контактной точкой N42 на стороне низкого потенциала; резистор R42 обнаружения напряжения, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr41 и контактной точкой ввода N41; и управляющий транзистор Тr42, подсоединенный между затвором переключающего транзистора Тr41 и контактной точкой N12 на стороне низкого потенциала.
Здесь часть напряжения с соединительной контактной точки N44 резисторов R43 и R44 для деления напряжения подается на затвор управляющего транзистора Тr42. Вдобавок соединительная контактная точка N43 между переключающим транзистором Тr41 и стабилитроном D43 подсоединена к соединительной контактной точке N51 схемы FVH формирования напряжения обратной связи, и на общие конденсаторы С51 и С52 подается либо напряжение (напряжение обратной связи) с соединительной контактной точки N51, создаваемое схемой FVH формирования напряжения обратной связи на основе электроэнергии (напряжение V1), подаваемой из блока 11 выработки энергии, либо напряжение с соединительной контактной точки N43 на основе электроэнергии (напряжение Vch), подаваемой от внешнего источника питания, в результате чего осуществляется заряд конденсаторов.
Далее со ссылками на чертежи описывается в основных чертах функционирование системы энергоснабжения, имеющей вышеописанную структуру.
На фиг.22 концептуально представлена начальная операция в системе энергоснабжения согласно этому варианту осуществления, а на фиг.23 концептуально представлена операция запуска системы энергоснабжения согласно этому варианту. Здесь описание операций, эквивалентных операциям в вышеупомянутых первом или втором вариантах, дается в упрощенном виде или опускается.
Что касается начальной операции в системе энергоснабжения согласно этому варианту, то, как показано на фиг.22, в блоке управления запуском перед операцией запуска из начального состояния блока 10С выработки электроэнергии, схема РС1 управления зарядом выполняет операцию заряда общих конденсаторов С51 и С52, предусмотренных в схеме FVH формирования напряжения обратной связи, электроэнергией, соответствующей электроэнергии для запуска, на основе заданной электроэнергии (напряжение Vch), подаваемой от внешнего источника питания, предусмотренного вне системы энергоснабжения. В результате, как показано на фиг.23, когда на переключатель SW1 выводится сигнал SC1 управления операциями, имеющий низкий уровень, для запуска блока 11 выработки энергии, в блок 16 управления выходом через переключатель SW1 подается электроэнергия для запуска на основе напряжения заряда (напряжение на соединительной контактной точке N51) общих конденсаторов С51 и С52. Таким образом, в этом варианте осуществления, поскольку нет необходимости иметь в качестве источника питания для запуска блока для производства электроэнергии средство питания, например первичный элемент питания, блок выработки электроэнергии может быть использован в течение длительного времени без учета расходования ресурса элемента питания в рассматриваемом источнике питания для запуска. Также, опуская структуру, к примеру, переключателя SW2, можно упростить схемную конфигурацию блока выработки электроэнергии и уменьшить размеры устройства.
Между тем, в этом варианте в случае повторного запуска блока выработки энергии электроэнергия для запуска на основе напряжения заряда общих конденсаторов С51 и С52 схемы FVH формирования напряжения обратной связи однозначно подается в блок 16 управления выходом. Здесь, если напряжение заряда меньше напряжения Vbat, соответствующего электроэнергии для запуска, операция запуска блока управления выходом и блока выработки энергии не выполняется. Однако в указанном случае пользователь системы энергоснабжения может обычным образом привести в действие блок выработки электроэнергии путем подачи электроэнергии (напряжение Vch) от внешнего источника питания через контактную точку ввода N41 и заряжая общий конденсатор С52.
Четвертый вариант
Далее со ссылками на чертежи описывается четвертый вариант осуществления блока выработки электроэнергии, используемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
На фиг.24 представлена блок-схема четвертого варианта блока выработки электроэнергии, используемого в систем энергоснабжения согласно настоящему изобретению. Здесь одинаковые ссылочные позиции обозначают структуры, эквивалентные структурам в вышеупомянутых первом и втором вариантах, в связи с чем их описание упрощается или опускается.
В вышеупомянутых втором и третьем вариантах (смотри фиг.17 и 21А) описан случай использования структуры, включающей в себя средство аккумулирования заряда (конденсаторы С41 и С42 или С51 и С52), способное заряжаться электроэнергией (электроэнергия от внешнего источника питания), подаваемой извне блока выработки электроэнергии в качестве блока питания для запуска, образующего блок управления запуском. Однако, как показано на фиг.24, конфигурация блока 10D выработки электроэнергии согласно этому варианту осуществления обеспечивает подачу в блок 16 управления выходом через блок 15 управления запуском в качестве электроэнергии для запуска части электроэнергии, хранимой в блоке 12 хранения электроэнергии.
В частности, как показано на фиг.25, схема блока 12D хранения электроэнергии, используемого в этом варианте (переключатель SW3, аккумулирующая схема CSC, схема VM для обнаружения напряжения, причем необходимо отметить, что на фиг.25 схема VM для обнаружения напряжения опущена), эквивалентна схеме блока 12А хранения электроэнергии, показанного на фиг.8, а также схеме, в которой для аккумулирующей схемы CSC дополнительно предусмотрен блок РС2 управления зарядом, имеющий ту же схемную конфигурацию, что и схема РС1 управления зарядом, показанная на фиг.18. Конфигурация блока 12D хранения электроэнергии обеспечивает подачу в блок 15D управления запуском в качестве электроэнергии для запуска электроэнергии, поступающей извне блока 10D выработки электроэнергии.
Далее со ссылками на чертежи описывается в основных чертах функционирование системы энергоснабжения с вышеописанной структурой.
На фиг.25 концептуально представлена начальная операция в системе энергоснабжения согласно этому варианту, а на фиг.26 концептуально представлена операция запуска системы энергоснабжения согласно этому варианту осуществления. Здесь описание операций, эквивалентных операциям в вышеупомянутых первом или втором вариантах, дается в упрощенном виде или опускается.
Что касается начальной операции в системе энергоснабжения согласно этому варианту, то, как показано на фиг.25, в блоке управления запуском перед операцией запуска из начального состояния блока 10D выработки электроэнергии блок РС2 управления зарядом выполняет операцию заряда аккумулирующей схемы CSC (в частности, конденсаторов С21 и С22, показанных на фиг.8В), образующей блок 12D хранения электроэнергии, электроэнергией, по меньшей мере соответствующей электроэнергии для запуска, на основе заданной электроэнергии, подаваемой от внешнего источника питания, который предусмотрен вне системы энергоснабжения. Далее, как показано на фиг.26, когда на переключатель SW1 выдается сигнал SC1 управления операциями, имеющий низкий уровень, для запуска блока 11D выработки энергии, в блок 16 управления выходом через переключатели SW2 и SW1 подается электроэнергия для запуска на основе напряжения заряда аккумулирующей схемы CSC блока 12D хранения электроэнергии. Таким образом, в этом варианте, по аналогии с предшествующими вариантами, поскольку нет необходимости иметь в качестве источника питания для запуска блока выработки электроэнергии средство питания, например первичный элемент питания, блок выработки электроэнергии может быть использован в течение длительного времени без учета расходования ресурса элемента питания в рассматриваемом источнике питания для запуска, причем, упростив схему блока выработки электроэнергии, можно уменьшить размеры устройства.
В случае повторного запуска блока выработки энергии, по аналогии с вышеупомянутым первым вариантом, если напряжение заряда на вспомогательном конденсаторе С11 (смотри фиг.7В) схемы FVH формирования напряжения обратной связи соответствует или превышает напряжение Vbat электроэнергии для запуска, в блок 16 управления выходом подается электроэнергия для запуска на основе напряжения заряда вспомогательного конденсатора С11. Если напряжение заряда меньше напряжения Vbat, соответствующего электроэнергии для запуска, то в блок 16 управления выходом подается электроэнергия для запуска на основе напряжения заряда конденсаторов С21 и С22 (смотри фиг.8В) блока 12D хранения электроэнергии. Здесь, если напряжение заряда конденсаторов С21 и С22 блока 12D хранения электроэнергии меньше напряжения Vbat, соответствующего электроэнергии для запуска, операции запуска блока 16 управления выходом и блока 11 выработки энергии не выполняются. Однако в указанном случае пользователь системы энергоснабжения может обычно привести в действие блок выработки электроэнергии путем подачи заданной электроэнергии от внешнего источника питания и заряжая конденсаторы С21 и С22.
Между тем, в вышеупомянутых вариантах с первого по третий была описана структура, в которой множество средств аккумулирования заряда, таких как двухслойный конденсатор, фиксировано соединены последовательно в качестве аккумулирующей схемы CSC, используемой в блоках с 12А по 12D хранения электроэнергии. Однако настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами и может включать в себя средство аккумулирования заряда, имеющее любую другую структуру.
На фиг.27 показан конкретный пример схемы структуры, которую можно использовать в блоках хранения электроэнергии в вариантах с первого по четвертый блока выработки электроэнергии, применяемого в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
Как показано на фиг.27, в конкретной схеме блока 12Е хранения электроэнергии согласно этому примеру структуры в качестве аккумулирующей схемы CSC можно, например, использовать схемную конфигурацию (так называемую конденсаторную батарею), включающую в себя: конденсатор С101, переключатель SW101 на два направления, конденсатор С102, переключатель SW102 на два направления, конденсатор С103, переключатель SW103 на два направления и конденсатор С104, соединенные последовательно между контактной точкой N61 с высоким потенциалом и контактной точкой N62 с низким потенциалом через контактные точки с N63 по N68; переключатели с SW104 по SW106 на два направления, подсоединенные соответственно между контактной точкой N61 и контактной точкой N64, между контактной точкой N61 и контактной точкой N66, и между контактной точкой N61 и контактной точкой N68; и переключатели с SW107 по SW109 на два направления, подсоединенные соответственно между контактной точкой N62 и контактной точкой N63, между контактной точкой N62 и контактной точкой N65, и между контактной точкой N62 и контактной точкой N67.
Здесь управление переключением переключателей с SW101 по SW103 и с SW104 по SW109 на два направления выполняется таким образом, что они синхронно устанавливаются в состояние ВКЛ/ВЫКЛ в “противоположные” моменты времени на основе неинвертированного сигнала SC2A и инверсного сигнала SC2R сигнала SC2 управления операциями, выдаваемого схемой VM обнаружения напряжения (или не показанным блоком 14 контроля/управления напряжением), схема которой (смотри фиг.8) эквивалентна схеме в вышеупомянутом первом варианте.
В блоке 12Е хранения электроэнергии, имеющем указанную схему, переключение переключателей с SW101 по SW103 на два направления в состояние ВКЛ и переключение переключателей с SW104 по SW109 на два направления в состояние ВЫКЛ выполняется на основе неинвертированного сигнала SC2A и инвертированного сигнала SC2R сигнала SC2 управления операциями, выдаваемого схемой VM обнаружения напряжения. Также обеспечивается последовательное соединение конденсаторов с С101 по С104 между контактными точками N61 и N62, а переключатель SW3 устанавливается в состояние ВКЛ. В результате выполняется операция заряда последовательно соединенных конденсаторов с С101 по С104 электрическим зарядом на основе электроэнергии (напряжение V1), производимой блоком выработки энергии.
С другой стороны, переключатели с SW101 по SW103 на два направления переключаются в состояние ВЫКЛ, а переключатели с SW104 по SW109 на два направления переключаются в состояние ВКЛ. Также конденсаторы с С101 по С104 соединяются параллельно между контактной точкой ввода N21 и контактной точкой N22, а переключатель SW3 устанавливается в состояние ВЫКЛ. Вслед за этим выполняется операция разряда для выдачи (разряда) электроэнергии, соответствующей электрическому заряду, накопленному в конденсаторах с С101 по С104.
Как было описано выше, значение емкости каждого конденсатора, образующего аккумулирующую схему CSC, может быть уменьшено в m2 раз (в 16 раз в данном примере) путем выполнения операции заряда посредством переключения m (m=4 в этом примере) конденсаторов в состояние последовательного соединения по сравнению со случаем, когда аккумулирующая схема CSC образована одним конденсатором. Следовательно, когда токовая компонента (электрический ток заряда) электроэнергии, выдаваемой блоком 11 выработки энергии, уменьшается в m раз (в 4 раза) в соответствии с количеством подсоединенных конденсаторов либо электрический ток заряда поддерживается постоянным, время заряда может быть уменьшено в m раз (в 4 раза). С другой стороны, при выполнении операции разряда путем переключения конденсаторов с С101 по С104 в состояние параллельного соединения и выдачи электроэнергии в качестве электроэнергии питания на устройство через вышеописанный блок преобразования напряжения значения емкости конденсаторов, образующих аккумулирующую схему CSC, может быть увеличено до значения, равного общей сумме значений емкости соответствующим образом соединенных конденсаторов с С101 по С104, в результате чего повышается нагрузочная способность системы.
Внешняя форма
Далее со ссылками на чертежи описываются внешние формы (формы внешней оболочки), применимые для системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению.
На фиг.28А-28F показаны конкретные примеры внешней формы, применимые к системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению, а на фиг.29А-29С показаны внешние формы, применимые к системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению, и соответствие между указанными формами и внешними формами химических элементов питания общего назначения.
В системе энергоснабжения, имеющей вышеописанную конструкцию, как показано в качестве примеров на фиг.28А-28F, внешняя форма системы с блоком 10 выработки энергии, формируемым в виде модуля (который далее называется "модуль выработки энергии"), и топливным узлом 20, сочлененным с модулем 10 выработки энергии через блок I/F 30, либо в виде объединения этих элементов, выполнена таким образом, что внешняя форма и размеры эквивалентны одному из круглых элементов 41, 42 или 43 питания, которые широко используются в качестве химических элементов питания общего назначения, удовлетворяющих стандарту JIS или международным стандартам, либо эквивалентны элементам, имеющим специальную форму (не круглые элементы) 44, 45 и 46, удовлетворяющую стандартам на эти элементы. Также внешняя форма выбрана таким образом, что электроэнергия, генерируемая модулем 100 выработки электроэнергии, может выводиться через положительный (+) и отрицательный (-) электродные зажимы для каждого варианта формы, показанного на фиг.28А-28F.
Между тем, каждая конструкция модуля 10 выработки энергии, смонтированного в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению, может быть реализована в виде микросхемы с размерами порядка миллиметра или микрона либо выполнена в виде "микроэнергоблока" путем использования существующей технологии микрообработки. Кроме того, применение в качестве блока 11 выработки энергии в модуле 10 выработки энергии топливного элемента или т.п., способного обеспечить высокую эффективность использования энергии, может уменьшить количество топлива для производства энергии, необходимое для обеспечения емкости батареи, эквивалентной (или превышающей) емкость существующего химического элемента питания, до относительно малого значения. Также можно с успехом реализовать систему энергоснабжения, совместимую с существующей сухой батареей по внешней форме, размерам и электрическим свойствам.
В частности, например, в состоянии, когда положительный электродный зажим расположен на верхней части модуля 10 выработки энергии, а отрицательный электродный зажим расположен на стороне топливного узла 20 и топливный узел 20 сочленен с модулем 10 выработки энергии, используется конструкция, в которой топливный электрод 111 основного корпуса 110 топливного элемента (смотри фиг.4) электрически соединен с отрицательным электродным зажимом, а воздушный электрод 112 электрически соединен с положительным электродным зажимом соответственно посредством, например, проводных соединений или т.п. Между тем, в блоке выработки энергии, в котором применяется средство выработки энергии, отличное от вышеописанного топливного элемента, используется конструкция, в которой выходные зажимы соответствующих генераторов энергии электрически соединены с положительным электродным зажимом и отрицательным электродным зажимом.
В частности, круглые формы 41, 42 и 43 обычно широко применяются для марганцевых сухих батарей, щелочных батарей, никель-кадмиевых батарей, литиевых батарей и т.п., которые имеются в широкой продаже и имеют внешнюю форму, например, цилиндрического типа, поддерживаемому многими устройствами (цилиндрического типа - фиг.28А), в виде пуговицы, используемой в ручных часах и других подобных устройствах (фиг.28В), и в форме монеты, используемой в камерах, электронных записных книжках и т.п. (фиг.28С).
С другой стороны, некруглые элементы 44, 45 и 46 имеют внешнюю форму специального типа, которая разрабатывается индивидуально (на заказ) в соответствии с формой или т.п. устройства, в котором они должны использоваться, например компактная камера, цифровая фотокамера или т.п. (фиг.28D); в частности, вариант углового типа, который позволяет уменьшить размеры и массу портативного акустического устройства или т.п. (фиг.28Е); плоского типа, где конструкция электродов позволяет уменьшить толщину, увеличить емкость или обеспечить функцию управления зарядом для персонального компьютера типа ноутбук, мобильного телефона или т.п. (фиг.28F) и других подобных устройств.
В системе энергоснабжения согласно этому варианту осуществления может быть с успехом реализована форма существующих элементов, показанная на фиг.28А-28F. Например, как показано на фиг.29А и 29В, можно создать конструкцию, внешние размеры которой (например, длина La и диаметр Da), при сочленении топливного узла 20 с модулем 10 выработки энергии или при их исполнении в виде единого модуля фактически эквивалентны внешним размерам (например, длина Lp и диаметр Dp) и форме указанного химического элемента питания 47 общего назначения, показанного на фиг.29С.
Между тем, на фиг.29А-29С показана лишь концептуальная взаимосвязь между съемной конструкцией системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению (сочленение) и внешней формы, причем здесь не учитывается конкретная конструкция электродов и другие особенности. Связь между съемной конструкцией модуля 10 выработки энергии и топливного узла 20 и конструкцией электродов при использовании в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению различных форм элементов питания будет подробно описано ниже в связи с просмотренным ниже вариантом.
Кроме того, следует иметь в виду, что любая из внешних форм, показанных на фиг.28А-28F и фиг.29А-29С, является просто примером химического элемента питания, который имеется в продаже и удовлетворяет стандартам Японии, либо расположено в устройстве и распространяется или продается вместе с ним. Здесь показана лишь часть примеров, с которыми можно использовать настоящее изобретение, то есть можно применить и другие внешние формы для системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению, отличные от вышеописанных конкретных примеров. Например, указанные внешние формы совпадают с формами химических элементов питания, которые распространяются или продаются по всему миру, либо химических элементов, которые найдут практическое использование в будущем, при этом очевидно, что эти внешние формы могут быть разработаны таким образом, чтобы они соответствовали электрическим характеристикам.
Далее со ссылками на чертежи подробно описывается взаимосвязь между съемной конструкцией модуля 10 выработки энергии и топливного узла 20 и конструкцией электродов при использовании в системе энергоснабжения согласно настоящему изобретению каждой из вышеописанных форм элементов питания.
Первый вариант съемной конструкции
На фиг.30А-30D схематически показаны внешние формы топливного узла системы энергоснабжения согласно первому варианту съемной конструкции настоящего изобретения при видах сверху, спереди, сбоку и сзади. На фиг.31А-31С показана съемная конструкция модуля выработки энергии и топливного узла в системе энергоснабжения согласно варианту осуществления. Как показано на фиг.30А-30D и фиг.30Е-30Н, структура системы энергоснабжения согласно этому варианту включает в себя: топливный узел 51 (соответствующий топливному узлу 20), который заправляется топливом для производства энергии при заданных условиях; и держатель 52, выполняющий функцию модуля 10 выработки энергии и блока I/F 30, в котором размещается съемный топливный узел. Если топливный узел 51 представляет собой прозрачную оболочку из разлагающегося полимера, которая заправляется топливом FL и не используется, внешняя поверхность оболочки покрыта кожухом 53 для защиты от таких разлагающих факторов, как бактерии. Кроме того, при монтаже топливного узла 51, как описывается ниже, достаточно будет снять кожух 53 с топливного узла 51. Вдобавок, поскольку топливный узел 51 представляет собой прозрачную оболочку, на которую нанесена указательная шкала 51с, можно узнать, сколько прозрачного топлива осталось.
Конфигурация держателя 52 в общем случае включает в себя: блок 52а выработки энергии, в котором размещены модуль 10Х выработки энергии, и блок I/F 30, имеющие конструкцию, эквивалентную конструкции каждого из вышеописанных вариантов, и где предусмотрен положительный электродный зажим EL(+); противоположный блок 52b, в котором предусмотрен отрицательный электрод EL(-); соединительный блок 52с, который электрически соединяет блок 52а выработки энергии с противоположным блоком 52b и электрически соединяет блок 52а выработки энергии с отрицательным электронным зажимом EL(-). Пространство SP1, ограниченное блоком 52а выработки энергии, противоположным блоком 52b и соединительным блоком 52с, образует место для размещения топливного узла 51 при его сочленении с системой. Держатель 52 включает в себя: выпуклую часть 52d, обладающую упругостью пружины или подобное свойство вокруг контактной части противоположного блока 52b, и имеет отверстие по центру (смотри фиг.66А); и канал 52е для сбора побочных продуктов, соединяющий отверстие в выпуклой части 52d с каналом 17а подачи побочных продуктов модуля 10 выработки энергии. Благодаря тому что на держателе 52 вместо указательной шкалы 51с топливного узла 51 нанесена указательная шкала 52h, можно определить количество оставшегося прозрачного топлива. Когда соединительный блок 52с непрозрачен, визуальный контроль можно без труда обеспечить, используя указательную шкалу 52h.
В системе энергоснабжения, имеющей конструкцию, показанную на фиг.31А, порт 51а подачи топлива (с одной стороны), в котором предусмотрен клапан 24А подачи топлива (смотри фиг.34, описанную ниже) топливного узла 51, входит в контакт с держателем 52, и эта контактная точка образует опорную точку, а за другую сторону 51b топливный узел 51 вставляют вращательным движением, в результате чего топливный узел 51, с которого снят кожух 53, проникает (стрелка Р2 на чертеже) в пространство SP1, ограниченное блоком 52а выработки энергии, противоположным блоком 52b и соединительным блоком 52с. В результате, как показано на фиг.31В, нижняя часть (другая сторона) 51b топливного узла 51 входит в контакт с противоположным блоком 52b, и топливный узел располагается в пространстве SP1. В этот момент трубка 52f подачи топлива (смотри фиг.34, описанную ниже), которая может являться каналом подачи топлива, нажимает на клапан 24А подачи топлива, состояние которого фиксируется пружиной, в результате чего обеспечивается предотвращение утечки топлива из топливного узла 51. Также топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 51, автоматически подается в модуль 10Х выработки энергии благодаря поверхностному натяжению в капиллярной трубке 52g и трубке 52f для подачи топлива.
Между тем, как показано на фиг 31С, вся периферийная часть оболочки может быть покрыта и герметизирована кожухом 54, который защищает периферийную часть неиспользуемой системы энергоснабжения, имеющей топливный узел 51, сочлененный с блоком-держателем 52, от разлагающих факторов, таких как бактерии, и система энергоснабжения в таком виде может продаваться. В указанном случае при использовании в качестве источника питания для какого-либо устройства или т.п. кожух 54 снимается, а затем монтируется источник питания. Кроме того, при использовании этой конструкции в качестве блока выработки энергии для модуля выработки энергии, средство производства энергии для выработки энергии путем реакции топлива для производства энергии из топливного узла 51 с компонентой (кислород или т.п.), входящей в состав атмосферного воздуха, как это происходит в топливном элементе или т.п., потери топлива для производства энергии, получающиеся в результате выработки ненужной энергии, когда система энергоснабжения либо не используется, либо неправильно функционирует, могут быть предотвращены путем перекрытия отверстия для воздуха 110а (смотри фиг.34, которая будет описана ниже), используемое для всасывания кислорода кожухом. Также можно управлять рабочим состоянием модуля выработки энергии, переводя его в состояние, в котором выполняется операция генерирования энергии, только после снятия кожуха 54 при сочленении системы энергоснабжения с устройством.
Здесь, когда топливный узел 51 размещен в пространстве SP1 и сочленен с держателем 52, система энергоснабжения выполнена таким образом, что ее внешняя форма и размеры оказываются по существу эквивалентными форме и размерам вышеописанного цилиндрического химического элемента питания общего назначения (см. фиг.28А-29С). Вдобавок, в этот момент, когда топливный узел 51 нормально размещен в пространстве SP1, предпочтительно, чтобы на другую сторону 51b топливного узла 51 оказывалось давление с соответствующим усилием, с тем чтобы обеспечить надежный в контакт и соединение порта 51а для подачи топлива топливного узла 51 с каналом подачи топлива на стороне блока 52а выработки энергии, и чтобы другая сторона 51b топливного узла 51 была соединена с контактной частью противоположного блока 52b путем приложения соответствующего нажимного усилия для предотвращения случайного отделения топливного узла 51 от держателя 52.
В частности, как показано на фиг.31А и 31В, между вогнутой частью, на которой расположен контакт 24В для отвода побочных продуктов, сформированной на другой стороне 51b топливного узла 51, для сбора воды или т.п. в виде побочного продукта, и выпуклой частью 52d, обладающей упругостью или подобным свойством вокруг контактной части противоположного блока 52b, может быть применен механизм сцепления. Тогда под воздействием выпуклой части 52d происходит переход клапана 24В для отвода побочных продуктов из закрытого состояния в открытое состояние и соединение с каналом 52Е для сбора побочных продуктов. Таким образом, побочный продукт может собираться и удерживаться в пространстве для побочных продуктов, заранее предусмотренном в топливном узле 51, через канал 52Е для сбора побочных продуктов.
В результате в блок 11 выработки энергии модуля 10 выработки энергии может быть подано топливо для производства энергии, заправленное в топливный узел, а в блок 16 управления выходом из блока 15 управления запуском в соответствии с изменением напряжения заряда блока 12 хранения электроэнергии, как это было описано для процесса функционирования системы (смотри фиг.11), будет подаваться электроэнергия для запуска. Затем в блоке 11 выработки энергии генерируется заданная электроэнергия, которая накапливается в блоке 12 хранения электроэнергии и подается в блок 15 управления запуском в качестве электроэнергии, используемой для создания напряжения обратной связи.
Вдобавок, когда система энергоснабжения согласно этому варианту осуществления вставляется в заданное устройство DVC, электроэнергия, производимая блоком 11 выработки энергии и хранимая в блоке 12 хранения электроэнергии, выдается в качестве электроэнергии (электроэнергии питания) для приведения в действие контроллера CNT, входящего состав устройства DVC, через положительный электродный зажим EL(+), предусмотренный в основном блоке-держателе 52а, и отрицательный электродный зажим EL(-), предусмотренный в противоположном блоке 52b (начальная операция).
Таким образом, система энергоснабжения согласно настоящему изобретению может обеспечить полностью совместимую систему энергоснабжения, с которой легко обращаться, так же как с известным химическим элементом питания общего назначения, причем эта система имеет внешнюю форму и размеры (в данном примере - цилиндрическая форма), совпадающие или аналогичные форме и размерам химического элемента питания общего назначения, и может вырабатывать электроэнергию, имеющую одинаковые или подобные электрические характеристики. Соответственно, электроэнергия может подаваться на устройства, такие как существующие портативные устройства, в качестве рабочей электроэнергии подобно тому, как это происходит при использовании химического элемента питания общего назначения.
В частности, в системе энергоснабжения согласно этому варианту, когда в качестве модуля выработки энергии используется конструкция с топливным элементом, а в качестве топливного узла, конфигурация которого предусматривает присоединение или отсоединение к/от блока 52а выработки энергии (модуль 10Х выработки энергии) без каких-либо ограничений, используется вышеописанная разлагающаяся пластмасса, может быть достигнута высокая эффективность использования энергии при уменьшении воздействия (нагрузки) на окружающую среду. Таким образом, можно с успехом решить проблемы, касающиеся окружающей среды и связанные с выбрасыванием существующих химических элементов питания или их захоронением, либо проблемы эффективности использования энергии.
Вдобавок, в системе энергоснабжения согласно этому варианту, поскольку пространство SP1 на стороне блока-держателя 52, в котором размещается топливный узел 51, имеет открытый доступ, топливный узел 51 можно легко присоединять к блоку-держателю 52 при зажиме противоположных боковых частей топливного узла 51, при этом топливный узел 51 вынимается через одну из двух открытых сторон путем выталкивания топливного узла 51 через другую открытую сторону, в результате чего обеспечивается легкое и надежное удаление топливного узла 51.
Второй вариант съемной конструкции
На фиг.32А-32С схематически показана внешняя форма топливного узла системы энергоснабжения согласно второму варианту съемной конструкции настоящего изобретения при видах спереди, сбоку и сзади.
На фиг.32D-32F схематически показана внешняя форма держателя системы энергоснабжения согласно второму варианту съемной конструкции настоящего изобретения при видах спереди, сверху, сзади и сбоку, а на фиг.33А-33С показана съемная конструкция модуля выработки энергии и топливного узла в системе энергоснабжения согласно этому варианту.
Как показано фиг.32А-32F, структура системы энергоснабжения согласно этому варианту включает в себя: прозрачный топливный узел 71, который заправляется топливом при заданных условиях; и держатель 62, выполненный таким образом, что в нем может размещаться несколько топливных узлов 71. Здесь, поскольку топливный узел 71 имеет конструкцию и функции, эквивалентные первому варианту, его описание опускается.
Конфигурация держателя 72, выполняющего функцию модуля 10 выработки энергии и блока I/F 30, в общем случае включает в себя: блок 72а выработки энергии, в котором размещается модуль 10Х выработки энергии и в котором предусмотрены положительный электродный зажим EL(+) и отрицательный электродный зажим EL(-) на одной и той же стороне; верхняя крышка 72b, выполненная таким образом, что между ней и блоком 72а выработки энергии имеется пространство SP2; и открывающаяся/закрывающаяся крышка 72с, которая позволяет помещать топливный узел 71 в пространство SP2 и вынимать его оттуда, а также оказывает давление на топливный узел 71, размещенный в пространстве SP2, и фиксирует его.
В систему энергоснабжения, имеющую указанную конструкцию, как показано на фиг.33А, при открытом состоянии открывающейся/закрывающейся крышки 72с держателя 72 и открытом с одной стороны пространстве SP2 вставляют множество (в этом примере - 2) топливных узлов 71, после чего открывающуюся/закрывающуюся крышку 72с закрывают, как показано на фиг.33В и 33С. В результате топливные узлы 71 размещаются в пространстве SP2, а открывающаяся/закрывающаяся крышка 72с давит на другой конец 71b топливных узлов 71, вследствие чего порт 71а подачи топлива топливного узла 71 входит в контакт с каналом подачи топлива (не показан) на стороне блока 72а для производства энергии. Вслед за этим происходит разблокирование функции предотвращения утечки топлива из топливного узла 71, и топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 71, подается в модуль 10Х выработки энергии, входящий в блок 72а выработки энергии, через канал подачи топлива.
Здесь система энергоснабжения выполнена таким образом, что ее внешняя форма и размеры фактически эквивалентны форме и размерам, например, вышеописанного химического элемента питания, имеющего специальную форму (см. фиг.28D-28G), когда топливные узлы 71 размещены в пространстве SP2 и сочленены с держателем 72. В результате, по аналогии с данным вариантом можно реализовать полностью совместимую портативную систему энергоснабжения, которая имеет внешнюю форму и электрические характеристики, одинаковые или эквивалентные существующим химическим элементам питания. Также путем соответствующего выбора конструкции устройства для генерирования энергии, используемого в модуле выработки энергии, или материала, из которого выполнен съемный топливный узел, можно значительно уменьшить воздействие на окружающую среду и с успехом решить проблемы, связанные с воздействием на окружающую среду при выбрасывании или захоронении существующих химических элементов питания, либо проблемы, связанные с эффективностью использования энергии.
Конкретный пример конструкции
Далее со ссылками на чертежи описывается конкретный пример конструкции всей системы энергоснабжения, для которой применим любой из предшествующих вариантов (включая каждый из примеров конструкции).
На фиг.34 показан конкретный пример конструкции системы энергоснабжения в целом согласно настоящему изобретению. Кроме того, на фиг.35А и 35В показан пример конструкции блока для реформинга топлива, используемого в этом конкретном примере конструкции. Здесь определено, что в качестве блока 11 выработки энергии, предусмотренного в модуле выработки энергии, используется тип топливного элемента с реформингом топлива. Кроме того, делаются соответствующие ссылки на каждый из предшествующих вариантов и каждый из примеров конструкции, при этом одинаковые ссылочные позиции обозначают эквивалентные конструкции, что упрощает их объяснение.
Как показано на фиг.34, в системе энергоснабжения 1А согласно данному конкретному примеру конструкции имеется модуль 10 выработки энергии и топливный узел 20, конструкция которого позволяет закреплять и снимать его посредством блока I/F 30, как показано на фиг.2, причем система энергоснабжения 1А в целом имеет цилиндрическую внешнюю форму, как показано на фиг.28А или фиг.29С.
Кроме того, эти конструкции (в частности, модуль 10 выработки энергии) занимают небольшой объем благодаря использованию технологии микрообработки или т.п., а конфигурация системы энергоснабжения такова, что ее внешние размеры эквивалентны аналогичным размерам химического элемента питания общего назначения. Конструкция модуля 10 выработки энергии в общем случае включает в себя: основной корпус (блок топливного элемента) 110 топливного элемента, который располагается вдоль боковой поверхности цилиндрической формы; блок 160Х для реакции реформинга в парах, который снабжен нагревателем для установки заданной температуры в топливном канале с полостью, имеющем глубину и ширину не более 500 мкм соответственно; блок 160Y осуществления реакции конверсии водой, снабженный нагревателем для установки заданной температуры в топливном канале с полостью, имеющем глубину и ширину не более 500 мкм соответственно; блок 160Z реакции селективного окисления, снабженный нагревателем для установки заданной температуры в топливном канале с полостью, имеющем глубину и ширину не более 500 мкм соответственно; интегральная схема управления 90, которая реализована в виде микросхемы, расположенной в модуле 10 выработки энергии, и в которой смонтированы блок 12 хранения электроэнергии, блок 13 преобразования напряжения, блок 14 контроля/управления напряжением, блок 15 управления запуском и т.п.; множество отверстий (щелей) для воздуха 110а, которые прорезаны в боковой цилиндрической поверхности модуля 10 выработки энергии в направлении воздушных электродов 112 основного корпуса 110 топливного элемента и через которые осуществляется забор внешнего воздуха; блок 17 сбора-сепарации, который превращает в жидкость (конденсирует) побочный продукт (вода или т.п.), создаваемый на воздушном электроде 112, выделяет и собирает его; канал 17а подачи побочного продукта, по которому подают часть собранного побочного продукта в блок 160Х реакции реформинга в парах и блок 160Y осуществления реакции конверсии водой; и выпускное отверстие 110b, которое прорезано в верхнем торце цилиндра к воздушному электроду 112 основного корпуса 110 топливного элемента и через которое осуществляется вывод побочного продукта (углекислый газ или т.п.) в качестве несобранного вещества, которое создается по меньшей мере на стороне топливного электрода 111 основного корпуса 110 топливного элемента или в блоке 160Х реакции реформинга в парах и блоке 160Z реакции селективного окисления, вне модуля выработки энергии. Внутри колоннобразного модуля 10 выработки энергии предусмотрены компоненты, не относящиеся к основному корпусу 110 топливного элемента.
Подобно конструкции, показанной на фиг.48, конфигурация топливного узла 20 (51, 71) в общем случае включает в себя по меньшей мере: полость, которая заправляется топливом FL для производства энергии, подаваемым в блок 11 выработки энергии; полость для фиксированного удерживания побочного продукта (воды); клапан 24А подачи топлива (средство предотвращения утечки топлива), который соединен с модулем 10 выработки энергии и предотвращает утечку топлива FL для производства энергии. Здесь, как упоминалось выше, топливный узел 20 выполнен из разлагающейся пластмассы.
Когда топливный узел 20, имеющий указанную конструкцию, сочленен с модулем 10 выработки энергии через блок I/F 30, трубка 52f для подачи топлива, предусмотренная со стороны модуля 10 выработки энергии, оказывает давление на клапан 24А подачи топлива, чье состояние зафиксировано пружиной, в результате чего реализуется функция предотвращения утечки топлива из топливного узла 51. Также топливо FL для производства энергии, заправленное в топливный узел 51, автоматически подается в модуль 10 выработки энергии (блок 16b управления топливом) благодаря поверхностному натяжению через трубку 52f подачи питания или капиллярную трубку 52g. Вдобавок, когда топливный узел 20 отделяется от модуля 10 выработки энергии и блока I/F 30, клапан 24А подачи топлива вновь закрывается под воздействием упругой пружины, в результате чего может быть предотвращена утечка топлива FL для производства энергии.
Конфигурация блока I/F 30 включает в себя: канал подачи топлива (трубка 52f подачи топлива) для подачи топлива FL для производства энергии, заправленного в топливный узел 20, в блок 11 выработки энергии; и канал 52Е для сбора побочного продукта для подачи в топливный узел 20 всего или части побочного продукта (вода), который образуется и собирается в блоке 11 выработки энергии.
Между тем, хотя это не показано, возможна конструкция топливного узла 20 или блока I/F 30, в которой предусмотрено средство выявления остаточного количества (топлива) для определения остаточного количества топлива FL для производства энергии, заправленного в топливный узел 20, или средство стабилизации топлива для стабилизации состояния заправленного топлива для производства энергии, как показано на фиг.49 и 60.
Здесь блок 160Х для реакции реформинга в парах и блок 160Y осуществления реакции конверсии водой в качестве воды, необходимой для реакции, используют либо воду, которая создается в основном корпусе 110 топливного элемента и подается через канал 17а подачи побочного продукта, либо воду, заправленную в топливный узел 51 вместе с топливом FL для производства энергии. Также из модуля 10 выработки энергии через выпускное отверстие 110b выпускается небольшое количество углекислого газа, создаваемого в каждой реакции в блоке 160Х для реакции реформинга в парах, блоке 160Y осуществления реакции конверсии водой и блоке 160Z реакции селективного окисления.
Блок 160Х реакции реформинга в парах, используемый в системе энергоснабжения согласно данному примеру, показан на фиг.35А, причем его конструкция включает в себя: часть 162а для слива топлива; часть 162b для слива воды; часть 163с для смешивания; канал 164 для реакции реформинга; часть 165 для выпуска водорода; причем каждый из этих элементов выполнен таким образом, что имеет: заданную форму канавки и заданную конфигурацию плоской поверхности на одной стороне небольшой подложки 161, например, из кремния путем использования технологии микрообработки, такой как технология производства полупроводников. Блок 160Х реакции реформинга в парах включает также тонкопленочный нагреватель 166, имеющий площадь, которая соответствует площади канала 164 реакции реформинга, причем нагреватель предусмотрен, например, на другой стороне небольшой подложки 161.
Часть 162а для слива топлива и часть 162b для слива воды имеют механизм слива жидкости для слива топлива для производства энергии, которое может являться исходным материалом для реакции реформинга в парах, и воды в канале в виде капель жидкости в соответствии, например, с заданным единичным объемом. Следовательно, поскольку управление стадиями протекания реакции реформинга в парах, определенной, например, уравнением химической реакции (3), осуществляется на основе количества расходуемого топлива для производства энергии или воды в части 162а для слива топлива и части 162b для слива воды (в частности, к этому непосредственное отношение имеет количество теплоты, поступающей от описываемого ниже тонкопленочного нагревателя 206), часть 162а для слива топлива и часть 162b для слива воды имеют конструкцию, обеспечивающую частичное выполнение функции регулировки количества подаваемого топлива в вышеописанном блоке 16 управления выходом (блок 16b управления подачей топлива).
Часть 163а для испарения топлива и часть 163b для испарения воды представляют собой нагреватели, которые нагреваются, создавая условия испарения, то есть до точки кипения соответственно топлива для производства энергии и воды, при этом эти элементы обеспечивают процесс испарения и испаряют топливо для производства энергии или воду, поступающие из части 162а для слива топлива и части 162b для слива воды, в виде капель жидкости либо путем нагревания топлива для производства энергии или воды, либо путем уменьшения давления, в результате чего в части 163 для смешивания создается газовая смесь из газообразного топлива и пара.
Тонкопленочный нагреватель 166 подает газообразную смесь, создаваемую в части 163с для смешивания, в канал 164 для реакции реформинга топлива и вызывает реакцию реформинга в парах, описываемую уравнением химической реакции (3), на основе основного катализатора медь-цинк (Cu-Zn) (не показан), который прилеплен к внутренней стенке канала 164 для реакции реформинга, и заданного количества тепловой энергии, подаваемой в канал 164 для реакции реформинга от тонкопленочного нагревателя 166, предусмотренного в соответствии с площадью, на которой сформирован канал 164 для реакции реформинга, в результате чего создается газообразный водород (H2O) (процесс реформинга в парах).
Часть 165 для выпуска газообразного водорода выпускает газообразный водород, который создается в канале 164 для реакции реформинга и содержит угарный газ и тому подобное, выделяет угарный газ посредством реакции селективного окисления в блоке 160Z реакции селективного окисления и блоке 160Y реакции конверсии водой, а затем подает полученный газ на топливный электрод 111 корпуса 110 топливного элемента, образующего блок 11 выработки энергии. В результате в блоке 11 выработки энергии происходит ряд электрохимических реакций на основе химических уравнений (6) и (7), сопровождающихся выработкой заданной электроэнергии.
В системе энергоснабжения, имеющей указанную конструкцию, когда, например, топливный узел 20 сочленен через блок I/F 30 с модулем 10 выработки энергии в соответствии с вышеописанным общим процессом функционирования (начальная операция, операция запуска, установившийся режим и операция остановки) происходит разблокирование функции предотвращения утечки топлива с помощью клапана 24А подачи топлива (средство предотвращения утечки топлива), и топливо FL для производства энергии (метанол), заправленное в топливный узел 20, через трубку 52f подачи топлива подается в блок 16b управления топливом, входящий в состав блока 16 управления выходом, в результате чего осуществляется переход в начальное состояние, позволяющее осуществлять подачу топлива в блок 11 выработки энергии.
Кроме того, когда пользователь системы энергоснабжения предпринимает, например, запуск блока 14 контроля/управления напряжением, в блок 15 управления запуском и блок 12 хранения электроэнергии выдаются сигналы SC1 и SC2 управления операциями, и из блока 15 управления запуском в блок 16 управления выходом подается электроэнергия для запуска. Эта электроэнергия для запуска используется для управления подачей топлива FL для производства энергии в блоке 16b управления топливом, образующем блок 16 управления выходом, и нагревания тонкопленочного нагревателя 166, предусмотренного в блоке 16а реформинга топлива (в частности, блок 160Х реакции реформинга в парах), чтобы выпустить заданное количество топлива FL для производства энергии и заданное количество воды в канал 164 реакции реформинга блока 160Х реакции реформинга в парах.
Благодаря реакции реформинга в парах, реакции конверсии водой и реакции селективного окисления, определенных вышеописанными химическими уравнениями с (1) по (3), создается газообразный водород (Н2) и углекислый газ (СО2). Газообразный водород (H2) подается на топливный электрод 111 основного корпуса 110 топливного элемента, образующего блок 11 выработки энергии, в результате чего генерируется заданная электроэнергия. Эта электроэнергия подается в качестве электроэнергии заряда в блок 12 хранения электроэнергии и используется в качестве электроэнергии для создания напряжения обратной связи в блоке 15 управления запуском. В этот момент углекислый газ (СО2), создаваемый в ходе реакции реформинга в парах, реакции конверсии водой и реакции селективного окисления в блоке 16 управления выходом (блок 16а реформинга топлива), выводится из модуля 10 выработки энергии (система энергоснабжения) наружу через выпускное отверстие 110, предусмотренное, например, на верхнем торце модуля 10 выработки энергии.
Побочный продукт (газ, к примеру пар), создаваемый в процессе генерирования энергии в блоке 11 выработки энергии, охлаждается и превращается в жидкость в блоке 17 сбора-сепарации. Вслед за этим побочный продукт разделяется на воду и другие газовые компоненты, причем собирается только вода, которая частично подается в блок 16а реформинга топлива (главным образом в блок 160Х для реакции реформинга в парах и блок 160Y реакции конверсии водой) через канал 17а подачи побочного продукта. Кроме того, остальная вода надежно аккумулируется в полости для сбора в топливном узле 20 через канал 52е для сбора побочного продукта.
Таким образом, в системе энергоснабжения, относящейся к этому конкретному примеру, независимо от состояния приводимой в действие нагрузки (устройство DVC) может автономно и непрерывно выдаваться определенная электроэнергия без повторной подачи топлива извне системы энергоснабжения, причем операция генерации энергии может выполняться с высокой эффективностью преобразования энергии при обеспечении электрических характеристик, эквивалентных аналогичным характеристикам химического элемента питания общего назначения и легком обращении. Кроме того, можно реализовать систему энергоснабжения портативного типа, которая оказывает небольшое воздействие на окружающую среду по меньшей мере в случае выбрасывания топливного узла 20 во внешнюю среду или при его захоронении.
В этом конкретном примере конструкции описан случай, когда часть побочного продукта (вода), создаваемого или собираемого в блоке 11 выработки энергии, подается в блок 16а реформинга топлива и повторно используется; с другой стороны, в системе энергоснабжения, имеющей конструкцию, в которой побочный продукт не собирается и повторно не используется, используется вода, попавшая в топливный узел 20 вместе с топливом для производства энергии (метанол или т.п.), а в блоке 16а реформинга в парах происходит реакция реформинга в парах.
Таким образом, в случае выполнения операции генерации энергии путем использования заправленного топлива для производства энергии, в которое заранее добавлена вода, как показано на фиг.35В, в качестве конструкции блока 160Х реакции реформинга в парах, образующего блок 16а реформинга топлива, можно применить конструкцию, в которой предусмотрен единый канал, состоящий из части 162 для слива топлива, части 163 для испарения топлива, канала 164 для реакции реформинга и части 165 для выпуска газообразного водорода на одной стороне небольшой подложки 161.
Как было описано выше, систему энергоснабжения согласно настоящему изобретению получают путем произвольного комбинирования элементов в каждом из вышеупомянутых примеров, модуля выработки энергии в каждом варианте и съемной конструкции в каждом варианте. В некоторых случаях можно использовать конструкцию, в которой множество средств выработки энергии, таких как топливные элементы, образующие блок выработки энергии, действуют параллельно, либо конструкцию, в которой действуют параллельно средства выработки энергии множества типов. Поскольку управление рабочим состоянием блока выработки энергии и состоянием заряда блока хранения электроэнергии обеспечивается таким образом, чтобы постоянно обеспечивалась фиксированная электроэнергия, с помощью простых управляющих сигналов независимо от состояния возбуждения устройства (нагрузки), затраты топлива для производства энергии могут быть уменьшены, и повышена эффективность использования энергетического ресурса. Также эта система энергоснабжения может широко использоваться в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны или электронные секретари (ПДА), в которых в качестве источника питания применяют съемный элемент питания общего назначения, в персональных компьютерах типа ноутбук, цифровых видеокамерах, цифровых фотокамерах и др.
Кроме того, хотя в каждом из вышеуказанных конкретных примеров описан случай, когда совместимость реализуется путем выбора внешней формы или размеров всей системы энергоснабжения, в которой топливный узел сочленен с модулем выработки энергии, совпадающих с формой и размерами химического элемента питания обшего назначения, настоящее изобретение этим не ограничивается. Достаточно иметь конструкцию, в которой по меньшей мере топливный узел системы энергоснабжения согласно настоящему изобретению можно отсоединять от модуля выработки энергии или присоединять к нему. Например, возможна конструкция настоящего изобретения, в которой модуль выработки энергии неразрывно соединен с питаемым устройством, либо входит в его состав. В случае если устройство включает в себя модуль выработки энергии, можно предусмотреть возможность удаления и замены топливного узла, заправляемого топливом для производства энергии, каждый раз, когда топливо для производства энергии кончается, как это делается в известных устройствах, в которые вставляют или удаляют существующий химический элемент питания, обеспечивая рабочий источник питания. Вдобавок в этом случае, поскольку обычное устройство снабжено предварительно установленным источником питания, состоящим, например, из первичного элемента, обеспечивающего в большинстве случаев функцию тактового генератора или резервного питания запоминающего устройства, можно создать систему энергоснабжения, с тем чтобы получать необходимую электроэнергию от предварительно установленного источника питания даже в том случае, если конденсатор, предусмотренный в модуле выработки энергии, как было описано в связи с вышеупомянутыми вторым или третьим вариантом, должен заряжаться путем использования, например, внешнего источника питания.
Формула изобретения
1. Система энергоснабжения, которая генерирует электроэнергию питания для подачи в нагрузку, используя топливо для производства энергии, содержащая заправляемый топливом блок, в который заправляется топливо для производства электроэнергии; средство выработки энергии для выработки электроэнергии путем использования топлива для производства электроэнергии; средство управления выходом для приведения в действие или остановки средства выработки энергии в соответствии с потребляемой мощностью в нагрузке и средство управления запуском для подачи в средство управления выходом электроэнергии для запуска, используемой для приведения в действие средства управления выходом.
2. Система энергоснабжения по п.1, в которой средство управления запуском подает электроэнергию независимо от работы средства выработки энергии в средство управления выходом в качестве электроэнергии для запуска во время запуска средства выработки энергии и подает электроэнергию на основе электроэнергии, вырабатываемой средством выработки энергии, в блок управления выходом в виде электроэнергии для запуска после запуска средства выработки энергии.
3. Система энергоснабжения по п.1, в которой средство управления запуском включает в себя средство переключения для переключения каналов подачи электроэнергии для запуска в средство управления выходом в момент запуска средства выработки энергии и после запуска средства выработки энергии.
4. Система энергоснабжения по п.1, в которой средство управления запуском включает в себя блок питания для запуска, который сохраняет заранее заданную электроэнергию независимо от работы средства выработки энергии, и подает электроэнергию из блока питания для запуска в средство управления выходом в качестве электроэнергии для запуска в момент запуска средства выработки энергии.
5. Система энергоснабжения по п.4, в которой блок питания для запуска включает в себя первичный элемент питания.
6. Система энергоснабжения по п.4, в которой блок питания для запуска включает в себя электроэнергию, накопленную и сохраняемую с помощью электроэнергии, подаваемой извне системы энергоснабжения, перед операцией запуска средства выработки энергии.
7. Система энергоснабжения по п.1, в которой средство управления запуском включает в себя вспомогательный блок хранения электроэнергии, который накапливает часть электроэнергии, производимой средством выработки энергии, и подает электроэнергию заряда вспомогательного блока хранения электроэнергии в средство управления выходом в качестве электроэнергии для запуска после запуска средства выработки энергии.
8. Система энергоснабжения по п.1, в которой средство выработки энергии включает в себя топливный элемент, который генерирует электроэнергию посредством электрохимической реакции, в которой используется топливо для производства энергии, подаваемое из заправляемого топливом блока.
9. Система энергоснабжения по п.8, в которой топливный элемент относится к типу топливных элементов с риформингом топлива, включающему в себя устройство риформинга топлива, которое осуществляет риформинг топлива для производства энергии и выделяет определенную компоненту, топливный электрод, на который подается эта определенная компонента, и воздушный электрод, на который подается кислород, содержащийся в воздухе.
10. Система энергоснабжения по п.1, в которой заправляемый топливом блок выполнен в виде съемного блока.
11. Система энергоснабжения по п.1, в которой система энергоснабжения разбита на модули и ее конструкция такова, что внешняя физическая форма системы энергоснабжения имеет форму и размеры, эквивалентные форме и размерам одного из разного рода химических элементов питания общего назначения.
12. Система энергоснабжения по п.11, в которой система энергоснабжения имеет конструкцию с двумя электродными выводами.
13. Электронное устройство, подсоединяемое к системе энергоснабжения по п.1 и содержащее нагрузку, которая приводится в действие электроэнергией питания, подаваемой от системы энергоснабжения.
14. Электронное устройство по п.13, в котором все части, за исключением заправляемого топливом блока, в системе энергоснабжения объединены с электронным устройством.
15. Электронное устройство по п.13, в котором система энергоснабжения разбита на модули и по меньшей мере заправляемый топливом блок выполнен съемным по отношению к электронному устройству.
16. Система энергоснабжения, которая генерирует электроэнергию питания, используя топливо для производства энергии, содержащая по меньшей мере заправляемый топливом блок, в который заправляется топливо для производства энергии; средство выработки энергии для генерирования электроэнергии путем использования топлива для производства энергии; средство хранения электроэнергии для хранения электрического заряда на основе электроэнергии, производимой средством выработки энергии; и средство управления системой для управления операциями приведения в действие или остановки средства выработки энергии и операциями заряда или прекращением заряда упомянутого средства хранения электроэнергии в соответствии с изменением электрического заряда, хранимого средством хранения электроэнергии.
17. Система энергоснабжения по п.16, в которой средство выработки энергии включает в себя топливный элемент, который производит электроэнергию с помощью электрохимической реакции, используя топливо для производства энергии, подаваемое из заправляемого топливом блока.
18. Система энергоснабжения по п.17, в которой топливный элемент относится к типу топливных элементов с риформингом топлива, включающему в себя устройство риформинга топлива, которое осуществляет риформинг топлива для производства энергии и выделяет определенную компоненту, топливный электрод, на который подается эта определенная компонента, и воздушный электрод, на который подается кислород, содержащийся в воздухе.
19. Система энергоснабжения по п.16, в которой средство хранения электроэнергии образовано одним или несколькими емкостными элементами.
20. Система энергоснабжения по п.16, в которой средство хранения электроэнергии имеет структуру, в которой множество емкостных элементов соединены между собой заранее заданным образом.
21. Система энергоснабжения по п.16, дополнительно включающая в себя средство выработки электроэнергии питания для генерирования электроэнергии питания на основе электроэнергии, хранимой в средстве хранения электроэнергии.
22. Система энергоснабжения по п.21, в которой средство выработки электроэнергии питания включает в себя средство преобразования напряжения для генерирования электроэнергии питания, имеющей заранее заданное напряжение, из электроэнергии, хранимой в средстве хранения.
23. Система энергоснабжения по п.16, в которой заправляемый топливом блок выполнен в виде съемного блока.
24. Система энергоснабжения по п.16, в которой средство управления системой включает в себя по меньшей мере средство управления выходом для управления приведением в действие или остановки средства выработки энергии путем управления подачей или прекращением подачи топлива для производства энергии в средство выработки энергии; блок контроля/управления напряжением, который выдает первый сигнал управления, который контролирует компоненту напряжения хранимой электроэнергии в средстве хранения электроэнергии и управляет запуском и остановкой средства выработки энергии в соответствии с изменением компоненты напряжения, и второй сигнал управления, который управляет зарядом или остановкой средства хранения электроэнергии; и средство управления запуском для управления подачей электроэнергии для запуска, используемой для приведения в действие средства управления выходом и управления рабочим состоянием средства выработки энергии на основе по меньшей мере первого сигнала управления из блока контроля/управления напряжением.
25. Система энергоснабжения по п.24, в которой блок контроля/управления напряжением по меньшей мере выдает первый сигнал управления с первым уровнем, используемый для управления средством выработки энергии для остановки, когда напряжение хранимой электроэнергии в средстве хранения электроэнергии достигло заранее заданного верхнего предельного значения, и первый сигнал управления со вторым уровнем, используемый для управления средством выработки энергии для запуска, когда напряжение хранимой электроэнергии в средстве хранения электроэнергии достигло или стало ниже заранее заданного нижнего предельного значения.
26. Система энергоснабжения по п.24, в которой средство управления запуском подает часть хранимой электроэнергии в средстве хранения электроэнергии в средство управления выходом в качестве электроэнергии для запуска при запуске средства выработки энергии.
27. Система энергоснабжения по п.16, в которой система энергоснабжения разбита на модули и внешняя физическая форма системы энергоснабжения имеет форму и размеры, эквивалентные форме и размерам одного из разного рода химических элементов питания общего назначения.
28. Система энергоснабжения по п.27, в которой система энергоснабжения имеет конструкцию с двумя электродными выводами.
29. Электронное устройство, подсоединенное к системе энергоснабжения по п.16 и содержащее нагрузку, которая приводится в действие электроэнергией питания.
30. Электронное устройство по п.29, в котором все части, за исключением заправляемого топливом блока, в системе энергоснабжения, объединены с электронным устройством.
31. Электронное устройство по п.29, в котором система энергоснабжения разбита на модули и по меньшей мере заправляемый топливом блок выполнен съемным по отношению к электронному устройству.
Приоритет по пунктам:
15.01.2001 по пп.1-6;
05.10.2001 по пп.9-15, 23, 27-31;
28.11.2001 по пп.2-5, 7-8, 16-22, 24-26.
РИСУНКИ
