專利名稱：燃料電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明中的一個實施例涉及一種用作電子設備等的能源的燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
目前，諸如鋰離子電池的二次電池主要被用作例如筆記本計算機，移動裝置等的電 子設備的能源。近年來，不需充電的，小的，高輸出的燃料電池已經(jīng)被期望作為新的能 源，以滿足具有更高級功能的電子設備的增加的能量消耗和對其延長使用的需求。在各 種類型的燃料電池當中，具體的說，使用甲醇溶液作為它們的燃料的直接甲醇燃料電池 (DMFCs)，與使用氫作為它們的燃料的燃料電池相比，能使燃料的處理更簡單以及系 統(tǒng)構(gòu)造更簡單。因此，DMFCs顯而易見是用于電子設備的能源。
舉例來說，如日本專利申請公開公報No. 2005-293981中所述，DMFC包括電池組， 在電池組中單電池和隔離層彼此交替層疊。每一個單電池被構(gòu)造為以便諸如固體聚合物 電解質(zhì)膜的電解質(zhì)層被插入兩個電極之間。隔離層被形成為具有用作反應氣體通道的凹 槽。單電池在每一個聚合物電解質(zhì)膜的表面上設置有膜電極組合體(MEA) 。 MEA完整 地包括陽極(燃料電極)和陰極(空氣電極)。含水甲醇溶液和空氣通過電池組中的通 道被分別供給至陽極和陰極。
燃料的氧化發(fā)生在陽極以使甲醇通過與水反應被氧化，因此產(chǎn)生二氧化碳，質(zhì)子和 電子。質(zhì)子通過聚合物電解質(zhì)膜被傳輸并移動到陰極。在陰極，空氣中的氣態(tài)氧與氫離 子和電子結(jié)合并被還原為水。在此處理期間，電子通過外部回路流動并引起(draw)電 流。
在用這樣的方式構(gòu)建的燃料電池中，電池組易于產(chǎn)生熱量，從而在電生成(electricity generation)期間使溫度不斷地增加。為了有效地生成電，電池組本身或者供給至電池組 的燃料被冷卻以致電池組保持在最佳溫度。
因此，作為電池組的冷卻方法，建議具有循環(huán)液冷卻系統(tǒng)的燃料電池配備獨立于燃 料通道和空氣通道的冷卻通道以便冷卻劑通過冷卻通道進入電池組。
利用如上所述的循環(huán)液冷卻系統(tǒng)能夠使電池組保持在恰當?shù)臏囟取Ｈ欢?，該系統(tǒng)需 要輔助組件的使用，諸如獨立的冷卻通道和用于使冷卻劑通過冷卻通道的獨立的液泵，以致整個燃料電池裝置不可避免地變大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)考慮到這些情況而被作出，并且它的目的是提供一種能夠被做得較小并且 其中電池能夠被有效冷卻的燃料電池裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的燃料電池裝置，其特征在于，包括起電部，所述起電部設置 有電池并被構(gòu)造為由化學反應生成電，所述電池包括彼此相對的陽極和陰極；燃料箱，所 述燃料箱被構(gòu)造為貯存燃料；燃料通道，在所述燃料通道中所述燃料流過所述陽極；空 氣通道，在所述空氣通道中空氣流過所述陰極；冷卻通道，所述冷卻通道從所述燃料通道 分支并且延伸通過所述起電部；以及燃料供給部，所述燃料供給部被構(gòu)造為通過所述^^料 通道將所述燃料從所述燃料箱供給至所述陽極并被構(gòu)造為使所述燃料的一些從所述冷卻 通道流過所述起電部并冷卻所述起電部。
根據(jù)如上所述的安排，提供有一種能被做得較小的燃料電池裝置，在其中一些燃料通 過從燃料通道分支的冷卻通道被供給至電池，以使能夠有效地冷卻電池。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將在下面的說明中闡明，并且部分內(nèi)容在說明書中是顯而易 見的，或可通過實施本發(fā)明獲悉。本發(fā)明的目的及優(yōu)點可通過下文具體指出的手段和組合 來實現(xiàn)和獲得。


結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書一部分的附圖用于說明本發(fā)明的具體實施方式
，并與 上述總體說明和下述實施方式的詳細說明一起對本發(fā)明的原理進行說明。
圖l是示范性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池裝置的構(gòu)造的示范性框圖;
圖2是顯示燃料電池裝置的電池組的示范性剖面圖3是示范性地顯示電池組的單電池的示范性圖4是示范性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的燃料電池裝置的構(gòu)造的示范性框圖； 圖5是示范性地顯示根據(jù)變型例的熱交換器的示范性圖；以及
圖6是示范性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的燃料電池裝置的構(gòu)造的示范性框圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的燃料電池 置。圖1示范性地顯示燃料電池裝置的構(gòu)造。如圖1所示，燃料電池裝置IO被構(gòu)建為使 用甲醇作為它的液體燃料的DMFC。裝置10設置有電池組20，燃料箱12，循環(huán)系統(tǒng)24， 和電池控制部50。電池組20構(gòu)成起電部。循環(huán)系統(tǒng)24將燃料和空氣提供至電池組。電 池控制部50控制整個燃料電池裝置的操作。
燃料箱12具有密封的結(jié)構(gòu)并被形成作為可移動地附接于燃料電池裝置10的燃料盒。 箱12含有用作液體燃料的高濃度甲醇。當燃料被用盡時燃料箱12能夠被輕易地替換掉。
循環(huán)系統(tǒng)24包括陽極通道(燃料通道)32，陰極通道(空氣通道)34，冷卻通道36 和多個輔助組件。從燃料箱12供給的燃料經(jīng)由電池組20通過陽極通道32循環(huán)。含有'空 氣的氣體經(jīng)由電池組20通過陰極通道34循環(huán)。冷卻通道36從陽極通道分支，以及一些 燃料經(jīng)由電池組20通過冷卻通道循環(huán)。輔助組件被結(jié)合到燃料通道和空氣通道中。陽極 通道32，冷卻通道36和陰極通道34每一個都是由管道等形成。
圖2顯示電池組20的疊層結(jié)構(gòu)，圖3代表性地顯示每一個單電池的電生成反應。如 圖2和圖3所示，電池組20包括疊層，以及支撐疊層的框架147，該疊層由多個，例如四 個單電池140和五個矩形隔離層142交替層疊形成。每一個單電池140設置有膜電極組合 體(MEA)，其完整地包括陰極(空氣電極)52，陽極(燃料電極)47和大致呈矩形的聚 合物電解質(zhì)膜144。每一個陰極52和陽極47都是由催化劑層和碳紙形成的大致呈矩形的 薄片。聚合物電解質(zhì)膜144夾在陰極和陽極之間。陽極47形成有燃料擴散層47a，以及陰 極52設置有多孔的氣體擴散層52a。聚合物電解質(zhì)膜144的面積大于陽極47和陰極52 .的 面積。
三個隔離層142的每一個被夾在每兩個相鄰的單電池140之間，另外兩個隔離層被層 疊在層疊方向上的相對端。隔離層142和框架147形成有凹槽狀的燃料通道145和凹槽狀 的空氣通道146。從陽極通道32釋放的燃料通過燃料通道145被供給至單電池140各個 陽極47?？諝馔ㄟ^空氣通道146被提供至單電池的各個陰極52。進一步，每一個隔離層 142被形成有多個循環(huán)通道148，通過其使得從冷卻通道36釋放出的冷卻燃料循環(huán)。
如圖3所示，所供給的燃料(含水甲醇溶液)和空氣在陽極47和陰極52之間的聚合 物電解質(zhì)膜144中互相進行化學反應。于是，在陽極和陰極之間生成電。當該電化學反應 進行時，二氧化碳和水分別在陽極47和陰極52側(cè)被產(chǎn)生作為反應副產(chǎn)物。電池組20中 生成的電通過電池控制部50被供給至諸如電子設備53的外部裝置。
如圖1所示，陰極通道34的上游端34a和下游端34b個別地與大氣相通。被結(jié)合到陰 極通道34中的輔助組件包括連接到電池組20上游側(cè)的陰極通道34的空氣泵38?？諝獗?br> 538構(gòu)成將空氣供給至陰極52的供氣部。
結(jié)合到陽極通道32中的輔助組件包括通過管道連接到燃料箱12的燃料進口的燃料泵 14，通過管道連接到燃料泵14的輸出部分的混合箱16，以及連接到混合箱16的輸出部分 的液泵17。這些輔助組件進一步包括結(jié)合到液泵和電池組之間的陽極通道32中的熱交換 器18以及連接到電池組20的輸出側(cè)和混合箱16之間的陽極通道32的氣-液分離器22。 混合箱16與燃料箱12 —起構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的燃料箱的一部分。
液泵17的輸出部分通過陽極通道32連接到電池組20的陽極47。燃料泵14和液泵 17構(gòu)成將燃料供給至龜池組20的燃料供給部。
熱交換器18被結(jié)合到液泵17的輸出部分和電池組20的進氣側(cè)之間的陽極通道32中。 舉例來說，熱交換器18包括多個圍繞形成陽極通道32的部分的管道排列的散熱片18a， 和用于將冷卻空氣送至散熱片的冷卻風扇18b。熱交換器18從流過陽極通道32的燃料除 去熱量，借此冷卻燃料。
電池組20的陽極47的輸出部分通過陽極通道32和氣-液分離器22連接到混合箱16 的輸入部分。從電池組20的陽極47排出的排出副產(chǎn)物，即，二氧化碳和未反應的含水甲 醇溶液被饋送至氣-液分離器22，在其中將液體從氣體中分離。分離出的含水甲醇溶液通 過陽極通道32回到混合箱16，而二氧化碳被排出至外部。
冷卻通道36在熱交換器18和電池組20之間的某點處從陽極通道32分支。在穿過電 池組20的循環(huán)通道148之后，冷卻通道36在電池組和混合箱16之間與陽極通道32匯合， 例如，在氣-液分離器22和混合箱之間。
電池控制部50將電池組20中生成的電供給至電子設備53，測量電池組20的每一個 單電池140的電壓，并執(zhí)行電流控制以從電池組引出電流。
如果用這樣的方式構(gòu)建的燃料電池裝置10被用作電子設備53的能源，含有甲醇的燃 料箱12首先被安裝并連接到燃料電池裝置的循環(huán)系統(tǒng)24。在這種狀態(tài)下，通過燃料電池 裝置10開始電的生成。在這種情況下，燃料泵14，液泵17和空氣泵38在電池控制部50 的控制下被驅(qū)動。燃料泵14將高濃度甲醇通過陽極通道32從燃料箱12供給至混合箱16。 甲醇在混合箱中與水混合并被稀釋至預定濃度。液泵17將在混合箱16中被稀釋的含水甲 醇溶液通過陽極通道32和燃料通道145供給至電池組20的陽極47。
空氣泵38將大氣或者空氣通過陰極通道34的上游端34a引進空氣通道中。在穿過進 口過濾器(未顯示)之后，空氣通過陰極通道34被供給至電池組20然后通過電池組的空 氣通道146被供給至電池組的陰極52。醇溶液和空氣在陽極47和陰極52之間的聚合物電解質(zhì) 膜144中互相發(fā)生電化學反應，借此在陽極和陰極之間生成電。電池組20中生成的電允 許電池控制部50從電池組弓I出電流并供給至電子設備53。
當該電化學反應進行時，在電池組20中，二氧化碳和水分別在陽極47和陰極52側(cè) 被產(chǎn)生作為反應副產(chǎn)物。在陽極47側(cè)產(chǎn)生的二氧化碳和未反應的含水甲醇溶液通過陽極 通道32被饋送至氣-液分離器22，在其中它們被彼此分離。從氣-液分離器22通過陽極通 道32釋放至混合箱16的含水甲醇溶液被再次用作電的生成。分離的二氧化碳從氣-液分離 器22被排出至外部。
在電池組20的陰極52側(cè)產(chǎn)生的蒸汽通過陰極通道34的下游端被排出至外部。
另一方面，在燃料電池裝置10的電生成期間，電池組易于產(chǎn)生熱量，從而在電力生 產(chǎn)期間使溫度不斷地增加。根據(jù)如上所述的燃料電池裝置，熱交換器18使被液泵17供給 至電池組20的燃料失去熱量并使其冷卻。此后， 一些燃料通過冷卻通道36被饋送至電池 組20的循環(huán)通道148。當燃料流過循環(huán)通道148時，它冷卻電池組20。此后，燃料通過 冷卻通道36流進陽極通道32中并回到混合箱16。因此，通過將作為冷卻劑的一些燃料供 給至電池組20并使其冷卻，電池組20能夠保持在適合于電生成的溫度。
根據(jù)用這樣的方式構(gòu)建的燃料電池裝置，如果電生成使電池組發(fā)熱的話，通過利用一 些燃料能夠有效地冷卻電池組20。進一步，電池組20被構(gòu)造為通過從陽極通道分支的冷 卻通道并利用也用作燃料供給的泵被供給冷卻劑。因此，不必提供獨立的循環(huán)通道或者輔 助組件，諸如獨立的用于讓冷卻劑通過循環(huán)通道的液泵，以致能夠使燃料電池裝置保持得 較小。因此，獲取了一種能夠被做得較小并且其中電池能夠被有效地冷卻的燃料電池裝置。
下面是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的燃料電池裝置的說明。
圖4示范性地顯示第二實施例的燃料電池裝置10。根據(jù)第二實施例，熱交換器18被 結(jié)合到液泵17的輸出側(cè)和電池組20的進氣側(cè)之間的冷卻通道36中。舉例來說，熱交換 器18包括多個圍繞形成冷卻通道36的管道排列的散熱片18a，和用于將冷卻空氣傳遞至 散熱片的冷卻風扇18b。熱交換器18從流過冷卻通道36的燃料除去熱量，借此冷卻燃料。
圖5顯示根據(jù)變型例的熱交換器。在該熱交換器18中，燃料通道32的部分分支為多 個，例如三個，支流通道，其又再次匯合在一起。多個散熱片18a被安裝為橫跨各個限定 三個支流通道的三個管道。熱交換器18包括用于將冷卻空氣傳遞至散熱片18a的冷卻風扇 18b。
通過使用如此方式構(gòu)建的熱交換器18，燃料能夠被更有效地冷卻，并且一些燃料能夠被利用來冷卻電池組。
圖6示范性地顯示根據(jù)第三實施例的燃料電池裝置10。在第三實施例中，熱交換器 18被設置在液泵17的輸出側(cè)和電池組20的進氣側(cè)之間陽極通道32和冷卻通道36的接合 處。熱交換器18包括多個橫跨形成陽極通道32和冷卻通道36的管道排列的散熱片18a， 和用于將冷卻空氣傳遞至散熱片的冷卻風扇18b。熱交換器18從流經(jīng)陽極通道32和冷卻 通道36的燃料除去熱量，借此冷卻燃料。
第二和第三實施例的燃料電池裝置IO的另外的構(gòu)造與上述第一實施例的相同。因此， 同樣的標號被用于指定這些實施例的同樣的部分，以及其具體實施方式
被省略。進一步， 用第二和第三實施例能夠獲得與第一實施例同樣的功能和效果。根據(jù)第三實施例，流過冷 卻通道和陽極通道兩者的燃料被冷卻，以致能夠更有效地冷卻電池組。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的某個的實施例，這些實施方式僅僅是作為示例被呈現(xiàn)，并非為了 限定本發(fā)明的保護范圍。實際上，在這里描述的新穎的方法以及系統(tǒng)可以用各種其他形式 概括。此外，以這里描述的發(fā)明以及系統(tǒng)的形式的各種省略，替換以及改變可以在不離開 本發(fā)明的精神而被做出。后附的權(quán)利要求以及它們的等效物是打算用來覆蓋這樣的將屬于 本發(fā)明的范圍以及精神的形式或改進。
舉例來說，燃料電池裝置可以被構(gòu)造為以使通過擴散和對流而不使用空氣泵將空氣供 給至電池組。電池組中單電池的數(shù)目不限于上述實施例中有關(guān)描述的那些并可以根據(jù)需要 變化。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池裝置還可應用于諸如個人計算機，移動裝置，便攜式終端等 及其他設備的各種的電子設備的能源。
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權(quán)利要求
1.一種燃料電池裝置，其特征在于，包括起電部，所述起電部設置有電池并被構(gòu)造為由化學反應生成電，所述電池包括彼此相對的陽極和陰極；燃料箱，所述燃料箱被構(gòu)造為貯存燃料；燃料通道，在所述燃料通道中所述燃料流過所述陽極；空氣通道，在所述空氣通道中空氣流過所述陰極；冷卻通道，所述冷卻通道從所述燃料通道分支出并且延伸通過所述起電部；以及燃料供給部，所述燃料供給部被構(gòu)造為通過所述燃料通道將所述燃料從所述燃料箱供給至所述陽極，并被構(gòu)造為使所述燃料的一些從所述冷卻通道流過所述起電部并冷卻所述起電部。
2. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述冷卻通道在所述燃料箱和所述 起電部之間從所述燃料通道分支出并在穿過所述起電部之后在所述起電部和所述燃料箱 之間與所述燃料通道匯合。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池裝置，其特征在于，進一步包括熱交換器，所述熱 交換器被結(jié)合到所述燃料通道中并被構(gòu)造為使流過所述燃料通道的所述燃料冷卻。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池裝置，其特征在于，進一步包括熱交換器，所述熱 交換器被結(jié)合到所述冷卻通道中并被構(gòu)造為使流過所述冷卻通道的所述燃料冷卻。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池裝置，其特征在于，進一步包括熱交換器，所述熱 交換器被設置在所述燃料通道和所述冷卻通道的結(jié)合點并被構(gòu)造為使流過所述冷卻通道 的所述燃料和所述冷卻通道冷卻。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池裝置，其特征在于，所述起電部設置有由多個單 電池交替層疊形成的電池組，所述單電池的每一個包括彼此相對的陽極和陰極并且陽極 和陰極之間具有聚合物膜，以及形成有至彼此的通道的隔離層，并且所述冷卻通道延伸 通過所述隔離層。
全文摘要
根據(jù)實施例，燃料電池裝置包括設置有包括彼此相對的陽極和陰極的電池并被構(gòu)造為由化學反應生成電的起電部(20)，被構(gòu)造為貯存燃料的燃料箱(12)，在其中燃料流過陽極的燃料通道(32)，在其中空氣流過陰極的空氣通道(34)，從燃料通道分支并延伸通過起電部的冷卻通道(36)，以及被構(gòu)造為將燃料通過燃料通道從燃料箱供給至陽極并被構(gòu)造為使燃料從冷卻通道流過起電部以冷卻起電部的燃料供給部。
文檔編號H01M8/02GK101593839SQ20091000147
公開日2009年12月2日 申請日期2009年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者平山智彥, 田島伸泰, 鈴木貴博, 長崎央雅 申請人:株式會社東芝