CN100423337C

CN100423337C - 燃料电池

Info

Publication number: CN100423337C
Application number: CNB2006100037603A
Authority: CN
Inventors: 田岛伸泰; 富松师浩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2026-02-08
Also published as: CN1819315A; JP2006221868A; US20060177710A1

Abstract

燃料电池包括基于化学反应发电的电动部(52)，容纳燃料的燃料槽，阳极管线，所述燃料在所述电动部和所述燃料槽之间通过该管线循环，连接到所述电动部，来自所述电动部的产物通过该管线排出的阴极管线，连接到所述阴极管线并将所述产物冷却成冷凝水的冷却部(70，75)，将在所述冷却部中冷凝的水引导入所述燃料槽的水回收管线，和限定包括所述阳极管线和所述阴极管线的多个管线的基歧管(90)。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及用作电子装置等的电源的燃料电池。

背景技术

目前，蓄电池，例如锂离子电池被主要用作诸如便携式笔记本个人计算机(笔记本PC)、移动装置等的电源。近年来，基于功能增强的电子装置对增大功耗和延长工作时间的需求，希望将不需要充电的高输出微型燃料电池作为新颖的电源。在各种类型的燃料电池中，使用甲醇溶液作为其燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)可以比用氢气作为其燃料的燃料电池更加容易处理燃料并且具有更简单的系统。因此，DMFC被关注为电子装置的一种有前途的电源。

例如，作为这种类型的燃料电池，在日本专利申请KOKAI公报号2004-95376中提出了使用稀释循环系统的燃料电池。在该系统中循环的是低浓度的甲醇水溶液。高浓度甲醇被再补给以补偿由于发电造成的甲醇消耗，同时化学反应产生的水被回收以补偿水的消耗。为了实现这一过程设置一个混合槽，在该混合槽中通过混合所提供的高浓度甲醇和水产生甲醇水溶液。电动部具有阳极和阴极，因此当稀释的甲醇和空气被分别提供到阳极侧和阴极侧时，通过化学反应实现发电。

这种类型的燃料电池具有多条管线，包括阳极管线和阴极管线等，燃料水溶液通过阳极管线在混合槽和电动部之间回流，在阳极管线和电动部中产生的产物通过阴极管线排出并回流到电动部中。这些管线分别由连接到各个部件的配管形成。

以这种方式构造的燃料电池具有非常多的配管，燃料电池的部件通过这些配管彼此相连。因此，该燃料电池需要使用很多部件，必然造成结构复杂并且装配麻烦，包括配管的连接。从减少制造成本提高制造效率的角度来看这是很不可取的。

发明内容

考虑到这些情况而提出本发明，其目的是提供具有简单的结构和经改进的装配性能的燃料电池。

根据本发明的一个方面提出一种燃料电池，该燃料电池包括：基于化学反应发电的电动部；容纳燃料的燃料槽；阳极管线，燃料通过该管线在所述电动部和所述燃料槽之间循环；连接到所述电动部，来自电动部的产物通过该管线排出的阴极管线；连接到所述阴极管线，将所述产物冷却成冷凝水的冷却部；将在所述冷却部中冷凝的水引导入所述燃料槽的水回收管线；和限定包括所述阳极管线和所述阴极管线的多个管线的基歧管。

本发明的另外的目的和优点将在下文的描述中阐述，某种程度上通过描述将很明显，或者可以通过本发明的实施而理解。利用在下文中具体指出的方法手段和设备系统可以实现和得到本发明的各种目的和优点。

附图说明

结合在本说明书中并组成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并与上文给出的概括描述和下文给出的对实施例的详细描述一起解释本发明的原理。

图1是显示根据本发明的实施例的燃料电池的立体图；

图2是显示连接到个人计算机上的所述燃料电池的立体图；

图3是显示所述燃料电池的发电部的立体图；

图4是显示所述发电部和基歧管的分解立体图；

图5是主要显示所述燃料电池的所述发电部的构造的系统框图；

图6是典型地显示所述燃料电池的电动部的单元电池结构的视图；

图7是显示所述基歧管的分解立体图；

图8是所述基歧管的剖视图；

图9是所述基歧管的剖视图；以及

图10是显示所述基歧管和所安装的电动部的剖视图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述根据本发明的实施例的燃料电池。

如图1和2所示，燃料电池10被构造成使用甲醇作为液体燃料并可以用作诸如个人计算机11的电子装置的电源的DMFC。

燃料电池10配备壳体12。壳体12具有基本为棱柱形状的水平延伸的主体14和从该主体延伸的支承部16，该支承部16是扁矩形的形状，能够承载计算机11的后部。如下文所述，主体14中包括燃料槽、电动部、混合槽等。用于锁住计算机11和类似装置的锁定机构位于支承部16上。

如图1所示，用于连接个人计算机11的连接器32设置在支承部16的上表面上。用于和燃料电池连接器32连接的连接器(未在图中示出)设置在例如计算机11的底表面的后部并机械连接和电连接到连接器32。组成锁定机构的定位凸起41和钩38设置在支承部16的三个部位上。定位凸起41和钩38接合计算机11的底表面的后部，从而将计算机11定位和支承在支承部16上。此外，该支承部16配备用于解锁锁定机构使计算机11脱离燃料电池10的弹出按钮40。支承部16在其中具有用于控制发电部操作的控制部，后面将会对其进行描述。

如图1所示，主体14的壁部形成包括通气孔20的多个通气孔。如后面所述，组成发电部的燃料槽50被构造成可拆卸的燃料盒。主体14的一个侧部形成为盖51，当拆卸燃料槽50时该盖能够被移除。

现在将详细描述发电部的构造。图3和4是分别显示该发电部的立体图，图5是主要显示该发电部、特别是由DMFC堆和它周围的配件组成的电动部52的细节的系统框图。如图3和4所示，发电部由燃料槽50、电动部52、混合槽54、阳极冷却器70和阴极冷却器75组成。燃料槽50设置在主体14的一个侧部。电动部52位于主体14的中心部，基于化学反应发电。混合槽54设置在电动部和燃料槽之间。冷却器70和75设置在主体的另一个侧部。燃料槽50容纳用作液体燃料的高浓度甲醇。燃料槽50形成为能够附接到主体14和从主体14分离的盒。

如图5所示，燃料槽50通过配备第一液泵56和电磁阀63的燃料提供管线18连接到混合槽54，第一液泵56将燃料从燃料槽馈送到混合槽中。如图6所示，电动部52通过分层堆叠单元电池组成。每个单元电池由阳极(燃料电极)58a、阴极(空气电极)58b和夹在这两个电极之间的电解质膜60组成。如图4所示，很多散热片61排列在电动部52的周围。

如图3到5所示，发电部配备用于将空气通过空气阀62提供到电动部52的阴极58b的空气泵64。空气泵64构成空气提供部。燃料提供管线66a和燃料回收管线66b被连接在电动部52和混合槽54之间并形成阳极管线，通过该阳极管线燃料在电动部的阳极58a和混合槽54之间循环。燃料提供管线66a与过滤器24、第二液泵68、离子过滤器25和止回阀27连接。泵68将燃料从混合槽54传送到电动部52。

阳极冷却器70连接到燃料回收管线66b的中部。冷却器70具有连接到燃料回收管线66b的配管(未在图中示出)和很多个围绕该配管的散热片。此外，该阳极冷却器70具有第一冷却风扇82a。该风扇82a通过主体的通气孔20将空气吸入主体，从而使冷却空气在阳极冷却器70周围循环然后将其排入主体中。

电动部52与阴极管线连接，空气和发电的产物通过该阴极管线从阴极58b排出。用于冷却流过阴极管线的产物和空气的阴极冷却器75连接到该阴极管线的中部。冷却器75具有多个分别与水平方向成角度延伸的配管(未在图中示出)、围绕这些配管的多个散热片和蓄水部(水回收槽)72c。蓄水部72c接收并存储在配管中冷凝的水和从电动部52排出的水。

阴极管线包括第一管线72a、第一回收管线72d和第二管线72e。第一管线72a从电动部52延伸到阴极冷却器75。第一回收管线72d将存储在蓄水部72c中的水引导到混合槽54中。第二管线72e通向阴极冷却器75的上端。第一回收管线72d在阳极冷却器70和混合槽54之间与燃料回收管线66b连通，并通过燃料回收管线连接到混合槽。第二管线72e配备朝主体14的通气孔开口的排气口78。

第一回收管线72d与将蓄水部72c中的水提供到混合槽54的水回收泵76连接。此外，蓄水部72c在其中包括用于检测存储在该蓄水部中的水的水位的水位传感器77。

在第二管线72e中，排气过滤器80和排气阀81位于排气口附近。排气过滤器80由例如金属催化剂或类似物组成，用于去除通过阴极管线排出的空气中的诸如甲醇的有毒物质。水回收部28垂直设置在排气过滤器80下面并与第二管线72e连通。此外，阴极管线具有第二回收管线72f，水回收部28中回收的水通过该第二回收管线72f引导到第一回收管线72d。第二回收管线72f在水回收泵76和混合槽54之间连接到第一回收管线72d。

在水回收泵76和混合槽54之间第一回收管线72d配备阻止水从混合槽54回流到水泵76的止回阀42。在止回阀42和水回收部28之间第二回收管线72f配备阻止水从水泵76回流到水回收部28的止回阀44。

如图3和4所示，阴极冷却器75与阳极冷却器70相对，二者之间具有一个间隔。作为一种离心式风扇的第二冷却风扇82b位于阳极冷却器70与阴极冷却器75之间面对阴极冷却器。风扇82b通过通气孔将冷却空气吸入主体中，从而使冷却空气在阴极冷却器75周围循环，然后再将其排入主体中。

如图3至5所述，发电部配备用于检测存储在混合槽54中的燃料的浓度的浓度传感器88，和用于冷却传送到该浓度传感器的燃料的燃料冷却部87。在混合槽54和电动部52之间，从燃料提供管线66a分出一个分支，该分支配备分支管线66c，甲醇的水溶液通过该分支管线66c回流到混合槽54中。分支管线66c是用于检测甲醇溶液的甲醇浓度的专用管线。该分支管线66c配备用于检测甲醇溶液的燃料浓度的浓度传感器88。例如，声音传感器被用作该浓度传感器88。

在燃料提供管线66a的分支与浓度传感器88之间分支管线66c与用于冷却传送到传感器的甲醇水溶液的燃料冷却部87连接。该冷却部87与阳极冷却器70整体形成。该冷却部87通过弯折类似波纹管的配管形成并与冷却器70邻近相对。冷却部87位于由阳极冷却器70形成的用于冷却空气流的管线中，从而位于冷却器70相对于冷却空气流的上游侧。以这种方式燃料冷却部87被结合在冷却空气流管线中使其可利用冷却器70的冷却能力得到冷却。通过该冷却部87，流过分支管线66c的甲醇溶液能够被冷却到例如40℃或更低并被传送到浓度传感器88。因此，防止浓度传感器88的分辨率由于热量而下降。

如图5所示，组成发电部的第一和第二液泵56和68、空气泵64、水回收泵76、空气阀62、排气阀81和冷却风扇82被电连接到控制部30并分别将检测信号输出到控制部。此外，液泵56和68、空气泵64、水回收泵76、空气阀62和排气阀81构成使包括甲醇水溶液、水、空气等的流体流入各个管线并分别调节流体流速的附件。

在燃料电池10中，由基歧管90限定流体流过的管线。如图4、7、8和9所示，基歧管90具有基本矩形的基底板91a和基本相同尺寸的板形的盖构件91b。在基底板91a的下表面(第一表面)形成多个延长的凹槽92。盖构件91b层叠在基底板91a的下表面上并覆盖凹槽92。这些凹槽92形成包括阴极管线和阳极管线的多条管线。

基底板91a和盖构件91b由例如合成树脂形成并通过诸如激光焊接、热焊接或超声波焊接结合在一起。在焊接过程中，位于每个凹槽92的相对两侧的盖构件91b和基底板91a的这些区域贯穿凹槽的长度焊接在一起。此外，盖构件91b和基底板91a的外周边缘在多个部位焊接到一起。如果利用粘合剂将基底板91a和盖构件91b结合在一起，从粘合剂中逸出的杂质有时候可能会融合到流过管线的燃料中，可能导致燃料性能下降。根据本实施例，通过用焊接将盖构件91b和基底板91a结合在一起能够防止杂质的洗脱。

多个定位凸起89a从基底板91a的下表面突出。盖构件91b被形成为具有凸起89a在其中配合的定位孔89b。盖构件91b通过定位凸起89a分别与定位孔89b的接合相对于基底板91a被定位在适当位置。

在形成跨越位于基底板91a的下侧上的凹槽的管线的过程中，如图4和9所示，凹槽92b在基底板91a的上表面(第二表面)上形成，板形的部分盖91c层叠在该基底板的上表面上从而覆盖凹槽92b。凹槽92b形成管线。通过焊接将部分盖91c连接到基底板91a上。

如图4和10所示，多个连通孔96在基底板91a中形成。每个连通孔96在预定位置与其对应的凹槽92连通并在基底板91a的上表面上开口。多个装配支座94从基底板91a的上表面突出，分别位于孔96的周围。用于支撑诸如泵的附件的突缘95在基底板91a的上表面上形成。

以这种方式构造的基歧管90位于电源部的底侧。该电源部的部件，例如混合槽54、电动部52、阳极冷却器70、阴极冷却器75、第一和第二冷却风扇82a和82b以及泵被装配在基歧管90的基底板91a上并被基歧管90整体支撑。

此外，包括混合槽54、电动部52、阳极冷却器70和阴极冷却器75的各个部件被连接到基歧管90的各个管线。下文将描述作为典型部件的电动部52。如图10所示，电动部52具有从其底部朝基歧管90突出的多个连接配管55a。电动部52被置于装配支座94上，连接配管55a被插入与之对应的基歧管90的连通孔96中。每个连接配管55a延伸到其对应的凹槽92中并与每个对应的管线连通。用作密封构件的O型圈97位于每个连接配管55a的周围并被夹在每个装配支座94和电动部52的底部之间。通过例如螺栓将电动部52固定到基歧管90上。因此，电动部52被装配在基歧管90上并与基歧管的管线连接。

使用与装配电动部52相似的结构将混合槽54、阳极冷却器70和阴极冷却器75装配在基歧管90上并连接到由该基歧管限定的预定管线。在装配电源部的过程中，电源部的部件事先被形成为多个单元。例如，制备包括阳极冷却器70、阴极冷却器75以及第一和第二冷却风扇82a和82b的单元，包括电动部52和它的外围附件的单元，以及包括混合槽54和它的外围附件的单元。这些单元通过相继固定地安装在基歧管90上而彼此连接在一起。或者，可以先将这些单元互相连接成一个单个的单元然后再装配在基歧管90上。

如果将以这种方式构造的燃料电池10用作个人计算机11的电源，计算机的后端部被首先置于该燃料电池的支承部16上，锁定在预定位置并与该燃料电池电连接。在这个状态打开开关(未在图中示出)以开始在燃料电池10中发电。

在这种情况中，通过第一液泵56将高浓度甲醇从燃料槽50提供到混合槽54，与从电动部52回流的作为溶剂的水混合，以此被稀释到预定浓度。通过第二液泵68将在混合槽54中稀释的甲醇水溶液通过阳极管线提供到电动部52的阳极58a。另一方面，通过空气泵64将空气提供到电动部52的阴极58b。如图6所示，被提供的甲醇和水在阳极58a和阴极58b之间的电解质膜60中彼此发生化学反应，于是在阳极和阴极之间发电。在电动部52中产生的电能通过控制部30和连接器32提供到个人计算机11。

随着发电反应的进行，二氧化碳和水作为反应产物分别在电动部52中的阳极58a侧和阴极58b侧上产生。在阳极侧产生的二氧化碳与甲醇的没有反应的部分被传送到阳极管线，通过阳极冷却器70冷却，然后回流到混合槽54中。二氧化碳在混合槽54中气化并通过阴极冷却器75、排气阀81、最后通过排气口78排到外面。

在阴极58b侧产生的大部分水被变为蒸汽，与空气一起排到阴极管线中。被排出的水和蒸汽经过第一管线72a，水被馈送到蓄水部72c中。更进一步，蒸汽和水被传送到阴极冷却器75，蒸汽在该阴极冷却器75中冷却并冷凝。冷凝产生的水被回收到蓄水部72c中。通过水回收泵76将回收到蓄水部72c中的水传送到混合槽54中与甲醇混合，然后再次提供到电动部52。

传送到第二管线72e的一些水和蒸汽被馈送到水回收部28中。当进行这一操作时，在第二管线72e中蒸汽被冷凝成水，产生的水被回收到水回收部28中。空气和空气中喷溅的甲醇被传送到排气过滤器80中，于是甲醇被该过滤器去除。空气经过排气阀81，然后通过排气口78排入主体14中而且通过主体的通气孔20排到外面。从电动部52的阳极侧排出的二氧化碳经过第二管线72e，然后通过排气口78排入主体14中，而且通过主体的通气孔20排到外面。

在燃料电池10的操作过程中，驱动第一和第二冷却风扇82a和82b使外面的空气通过主体14的通气孔20引入主体14中。通过通气孔20引入主体14的外面的空气和主体14中的空气通过燃料冷却部87和阳极冷却部70周围从而使其冷却，然后再被第一冷却风扇82a吸入。被第二冷却风扇82b引入主体14的外面的空气和该主体14中的空气通过阴极冷却部75周围从而使其冷却，然后再被第二冷却风扇82b吸入。更进一步，从第一和第二冷却风扇82a和82b排出的空气将电动部52和它的周围冷却，然后被排到主体14的外面。

浓度传感器88检测混合槽54中的甲醇的浓度。基于检测到的浓度，控制部30启动水回收泵76将蓄水部72c中的水提供到混合槽54，以此保持甲醇浓度恒定。此外，取决于回收到蓄水部72c中的水的水位，通过控制阴极冷却器75的冷却能力来调节阴极管线中回收的水的水量即冷凝的蒸汽量。在这种情况中，通过根据由水位传感器77检测到的水位控制第二冷却风扇82b的驱动电压来调节阴极冷却器75的冷却能力。通过这样的操作可以控制回收水的水量。

当水被回收时，由控制部30驱动水回收泵76向前旋转。随后，止回阀42打开，止回阀44关闭。蓄水部72c中的水通过第一回收管线72d和止回阀42传送到混合槽54中。

在每个给定的操作周期中控制部30驱动水回收泵76倒转给定的时间，随后水回收部28中收集的水被回收到蓄水部72c中。因此，当水回收泵76倒转时，止回阀44打开，止回阀42关闭。在水回收部28中收集的水和在第二管线72e中由于冷凝产生的水通过第二回收管线72f、止回阀44和第一回收管线72d回收到蓄水部72c中。随后，回收的水被提供到混合槽54用来稀释甲醇。

根据以这种方式构造的燃料电池10，由板形的基歧管90限定多个管线并使其成为一体，以此能够减少用于形成管线的独立配管的数量。因此，能够减少部件的数量从而降低制造成本提高制造效率。基歧管90是通过将两个带有凹槽的板贴合在一起形成的简单结构，能够以较低成本制造。

更进一步，基歧管90兼用作在上面装配和支撑电源部的支撑基板。在这种情况中，可以仅通过将连接配管分别插入基歧管的连通孔中的简单操作就能够将各个部件与基歧管90的管线连接起来。因此，诸如管线连接的电源部的装配能够很容易完成，从而能够减少制造成本，提高制造效率。因此，能够得到具有简单的结构和经改进的装配性能的燃料电池。

本发明并不直接限于上述实施例，其部件可以以各种经修改的形式体现而不背离本发明的范围和精神。更进一步，通过适当组合结合前述实施例描述的多个部件可以实现各种创造。例如，可以省略根据前述实施例的一些部件。而且，可以根据需要结合根据不同实施例的部件。

在本实施例中，发电部包括燃料槽和混合槽。然而，可以作为选择的是，可以将燃料槽兼作混合槽，从而将混合槽省略。在本发明中，燃料槽被显示为容纳和提供燃料的容器并包括燃料槽和/或混合槽。

在基歧管中形成的管线并不限于阴极和阳极管线，也可以根据需要进行各种变化。虽然发电部包括按指定顺序排列的燃料槽50、混合槽54、电动部52、阳极冷却器70和阴极冷却器75，但是也可以根据需要对这些部件的排列进行各种变化。在上述实施例中，混合槽54、电动部52、阳极冷却器70和阴极冷却器75装配在基歧管上。然而，可以作为选择的是，它们中的至少一个可以被构造成装配在基歧管上。

根据本发明的燃料电池也可以被用作个人计算机之外的诸如移动装置、便携式终端等任何其它电子装置的电源。燃料电池的类型并不限于DMFC，也可以是诸如PEFC(聚合体电解质燃料电池)的任何其它类型。

Claims

1. 一种燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括：

基于化学反应发电的电动部；

容纳燃料的燃料槽；

阳极管线，所述燃料在所述电动部和所述燃料槽之间通过该管线循环；

阴极管线，所述阴极管线连接到所述电动部，来自电动部的产物通过该管线排出；

连接到所述阴极管线并将所述产物冷却成冷凝水的冷却部；

将在所述冷却部中冷凝的水引导入所述燃料槽的水回收管线；和

限定所述阳极管线和所述阴极管线的基歧管，所述基歧管形成为板形，所述电动部、燃料槽和/或冷却部被装配在所述基歧管上。

2. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述基歧管包括具有第一表面和第二表面的基底板，形成在该基底板的第一表面上并分别限定各个管线的多个凹槽，和重叠在所述基底板的第一表面上覆盖所述凹槽的板形盖构件。

3. 如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述基底板具有在该基底板的第二表面上形成并限定管线的凹槽和被重叠在第二表面上并覆盖所述凹槽的部分盖。

4. 如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，通过焊接将所述基底板和所述盖构件在凹槽周围互相结合。

5. 如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述基底板具有在第二表面上形成的多个装配支座和分别与所述管线连通并在第二表面上对应于装配支座的位置上开口的多个连通孔，电动部、燃料槽和/或冷却部被置于所述装配支座上并通过所述连通孔连接到所述各个管线。

6. 如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述电动部、燃料槽和/或冷却部具有朝基歧管延伸的连接配管，所述连接配管被插入所述基歧管的连通孔中并连接到所述管线。