CN101411017A - 紧固器、电池堆、燃料电池装置及电子装置 - Google Patents

紧固器、电池堆、燃料电池装置及电子装置 Download PDF

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Abstract

一种紧固器包括一对紧固构件，用于将发电电池夹在所述一对紧固构件之间。所述一对紧固构件中的至少一个具有导电性并且与发电电池相连。利用所述一对紧固构件中的所述至少一个集电。

Description

紧固器、电池堆、燃料电池装置及电子装置
技术领域
本发明涉及电池堆的紧固器、电池堆、使用该电池堆的燃料电池装置以及使用该燃料电池装置的电子装置。
背景技术
传统燃料电池包括燃料电池单元，该燃料电池单元具有两个分隔件以及夹在分隔件之间的膜电极结合体。膜电极结合体具有电解质膜，在电解质膜的第一表面上设置有氢电极，在电解质膜的第二表面上设置有氧电极。分隔件分别形成有阳极气体流路和阴极气体流路。阳极气体经由阳极气体流动路供给至膜电极结合体的氢电极，阴极气体经由阴极气体流路供给至氧电极。
供给至氢电极的氢气变为氢离子和电子，电子运动至氢电极，氢离子透过电解质膜并移动至氧电极。在氧电极处，已经透过电解质膜的氢离子、已经从氢电极通过外部电路运动至氧电极的电子以及供给至氧电极的氧气相互反应以生产水。电子的运动能可以用作电能。
如特开平9-35737号公报所述，已知这样一种电池堆：在该电池堆中堆叠有多个发电电池(electricity generating cells)，在电池堆的两端设置有集电板，在集电板的外侧设置有增湿器，发电电池、集电板和增湿器夹在一对紧固板之间，利用螺栓将紧固板相互紧固。
发明内容
本发明提供这样一种结构：其中，集电板和紧固板一体地形成。
更具体地说，根据本发明的一方面，一种紧固器包括用于夹住发电电池的一对紧固构件。所述一对紧固构件中的至少一个具有导电性并且与发电电池相连。利用所述一对紧固构件中的所述至少一个集电。
根据本发明的另一方面，提供一种电池堆，所述电池堆包括发电电池和一对紧固构件，所述发电电池夹在所述一对紧固构件之间。所述一对紧固构件中的至少一个具有导电性并且与发电电池相连。利用所述一对紧固构件中的所述至少一个集电。
根据本发明的另一方面，一种燃料电池装置包括：上述电池堆；燃料容器，其中存储有用于发电电池的燃料；以及燃料气体生成装置，其利用燃料生成燃料气体。
根据本发明的另一方面，提供一种电子装置，所述电子装置包括上述燃料电池装置和电子装置主体，所述燃料电池装置安装在所述电子装置主体上。
附图说明
通过下面的详细描述以及附图可以更全面地理解本发明，但是详细描述以及附图仅仅是示例性的，而非限制本发明的范围。
图1是根据本发明第一实施方式的电池堆1的正视图；
图2是电池堆1的分解视图；
图3是发电电池单元100的剖视图；
图4是单位起电部20的顶视图；
图5是沿图4中的线V-V截取的剖视图；
图6是单面分隔件50的底视图；
图7是单面分隔件70的顶视图；
图8A是双面分隔件90的底视图；
图8B是双面分隔件90的顶视图；
图9A是上紧固构件200的盖板210的侧视图；
图9B是盖板210的底视图；
图10A是示出上紧固构件200的容纳体240的顶视图；
图10B是示出上紧固构件200的容纳体240的侧视图；
图10C是示出上紧固构件200的容纳体240的底视图；
图11A和11B是上紧固构件200的中空纤维膜组件280的侧视图、以及下紧固构件300的中空纤维膜组件380的侧视图；
图12A是下紧固构件300的盖板310的顶视图；
图12B是盖板310的侧视图；
图13A是示出下紧固构件300的容纳体340的顶视图；
图13B是示出下紧固构件300的容纳体340的侧视图；
图13C是示出下紧固构件300的容纳体340的底视图；
图14是示出发电电池单元100的温度与出口气体的露点温度之间的关系的曲线图；
图15是根据修改形式的电池堆1B的正视图；
图16是根据另一修改形式的电池堆1C的正视图；
图17是根据另一修改形式的上紧固构件200D的分解视图；
图18A是构成根据另一修改形式的上紧固构件200E的盖板210E的侧视图；
图18B是盖板210E的底视图；
图19A是构成上紧固构件200E的容纳体240E的侧视图；
图19B是容纳体240E的底视图；
图20是电池堆1F的正视图；
图21是示出流路基板500的与下紧固构件300抵靠的抵靠部分的平面图；
图22是燃料电池装置10的框图；以及
图23是使用燃料电池装置10作为电源的电子装置851的透视图。
具体实施方式
[本发明的最佳实施方式]
下面将参照附图描述本发明的实施方式。
[第一实施方式]
图1是根据本发明第一实施方式的电池堆1的正视图，图2是电池堆1的分解视图。电池堆1包括发电电池单元(发电电池)100、分别设置在发电电池单元100上侧和下侧的上紧固构件200和下紧固构件300、以及螺栓404至409，所述螺栓用于紧固上紧固构件200、发电电池单元100和下紧固构件300。
[发电电池单元]
图3是发电电池单元100的剖视图。如图3所示，发电电池单元100包括单位起电部20，每个单位起电部都包括膜电极结合体，并且单位起电部或者夹在单面分隔件50和双面分隔件90之间，或者夹在双面分隔件90之间，或者夹在双面分隔件90和单面分隔件70之间。一个单位起电部20夹在单面分隔件50和双面分隔件90之间的结构、一个单位起电部20夹在双面分隔件90之间的每个结构、以及一个单位起电部20夹在双面分隔件90和单面分隔件70之间的结构都是单位发电电池单元。
图4是单位起电部20的顶视图，图5是沿着图4中的线V-V截取的剖视图。如图4和图5所示，单位起电部20包括膜电极结合体21、气体扩散层22和23、以及垫片26和27。
固态高分子电解质膜形成为矩形或正方形，氢离子(H+)选择性地透过该膜。在固态高分子电解质膜的两个表面的中心部分形成兼作电极(未示出)的矩形或正方形的催化剂。具有透气性和导电性的气体扩散层22和23在催化剂上形成。气体扩散层22与第一表面上的催化剂相连，气体扩散层22与催化剂一起作为阳极(氢电极)。气体扩散层23与第二表面上的催化剂相连，气体扩散层23与催化剂一起作为阴极(氧电极)。
垫片26是矩形或正方形的框状垫片，设置在膜电极结合体21的第一表面的外周从而包围气体扩散层22。垫片27是矩形或正方形的框状垫片，设置在膜电极结合体21的第二表面的外周从而包围气体扩散层23。垫片26和27是绝缘弹性体。垫片26和27作为隔片，用于将气体扩散层22和23以及催化剂置于夹住单位起电部20的分隔件50、90和70之间。垫片26和27还作为气体密封件，用于防止从单面分隔件50和双面分隔件90供给的阳极气体、以及从双面分隔件90和单面分隔件70供给的阴极气体从电池堆1泄露出去。例如，垫片26和27可以由异丁烯橡胶构成。
阳极气体引入孔31、阳极气体排出孔32、阴极气体引入孔33、阴极气体排出孔34、增湿前阴极气体供给孔35、阴极气体增湿流体供给孔36、阴极气体增湿流体排出孔37和螺栓孔(通孔)44至49形成为在气体扩散层22和23的外周外侧贯穿垫片26和27以及膜电极结合体21。阴极气体增湿流体供给孔36和阴极气体增湿流体排出孔37相对于气体扩散层22在单位起电部20横向(短方向)上的相对两侧形成。阴极气体增湿流体供给孔36和阴极气体增湿流体排出孔37可以是任何构造，通过该构造可以使增湿流体平稳地到达凹陷部340a(下面将描述)。相应地，孔36和37不需要在单位起电部20横向上的相对两侧形成，而是可以在单位起电部20横向上的同一侧形成，或者在单位起电部20纵向上的同一侧形成。
阴极气体引入孔33和增湿前阴极气体供给孔35在单位起电部20纵向上的相对两端形成。孔33和35可以为任何构造，通过该构造可以使阴极气体或阳极气体进入多个中空纤维膜281，孔33和35不需要设置在单位起电部20的相对两侧。
图6示出单面分隔件50的下表面(与气体扩散层22抵靠的表面)。阳极气体引入孔51、阳极气体排出孔52、阴极气体引入孔53、阴极气体排出孔54、增湿前阴极气体供给孔55、阴极气体增湿流体供给孔56、阴极气体增湿流体排出孔57和螺栓孔(通孔)64至69在单面分隔件50中形成为，在与单位起电部20中的阳极气体引入孔31、阳极气体排出孔32、阴极气体引入孔33、阴极气体排出孔34、增湿前阴极气体供给孔35、阴极气体增湿流体供给孔36、阴极气体增湿流体排出孔37和螺栓孔44至49分别对应的位置贯穿单面分隔件50。
在单面分隔件50的下表面的中心部分形成有蛇形蜿蜒槽50a。蛇形蜿蜒槽50a的一端被引入阳极气体引入孔51，蛇形蜿蜒槽50a的另一端被引入阳极气体排出孔52。蛇形蜿蜒槽50a被气体扩散层22覆盖，从而形成从阳极气体引入孔51延伸至阳极气体排出孔52的阳极气体流路。
图7示出单面分隔件70的上表面(与气体扩散层23抵靠的表面)。阳极气体引入孔71、阳极气体排出孔72、阴极气体引入孔73、阴极气体排出孔74、增湿前阴极气体供给孔75、阴极气体增湿流体供给孔76、阴极气体增湿流体排出孔77和螺栓孔(通孔)54至89在单面分隔件70中形成为，在与单位起电部20中的阳极气体引入孔31、阳极气体排出孔32、阴极气体引入孔33、阴极气体排出孔34、增湿前阴极气体供给孔35、阴极气体增湿流体供给孔36、阴极气体增湿流体排出孔37和螺栓孔44至49分别对应的位置贯穿单面分隔件70。
在单面分隔件70的上表面的中心部分形成有蛇形蜿蜒槽70b。蛇形蜿蜒槽70b的一端被引入阴极气体引入孔73，蛇形蜿蜒槽70b的另一端被引入阴极气体排出孔74。蛇形蜿蜒槽70b被气体扩散层23覆盖，从而形成从阴极气体引入孔73延伸至阴极气体排出孔74的阴极气体流路。
图8A示出每个双面分隔件90的下表面(与一个单位起电部20的气体扩散层22抵靠的表面)，图8B示出每个双面分隔件90的上表面(与一个单位起电部20的气体扩散层23抵靠的表面)。阳极气体引入孔91、阳极气体排出孔92、阴极气体引入孔93、阴极气体排出孔94、增湿前阴极气体供给孔95、阴极气体增湿流体供给孔96、阴极气体增湿流体排出孔97和螺栓孔(通孔)104至109在每个双面分隔件90中形成为，在与单位起电部20中的阳极气体引入孔31、阳极气体排出孔32、阴极气体引入孔33、阴极气体排出孔34、增湿前阴极气体供给孔35、阴极气体增湿流体供给孔36、阴极气体增湿流体排出孔37和螺栓孔44至49分别对应的位置贯穿双面分隔件90。
在每个双面分隔件90的下表面的中心部分形成有蛇形蜿蜒槽90a。蛇形蜿蜒槽90a的一端被引入阳极气体引入孔91，蛇形蜿蜒槽90a的另一端被引入阳极气体排出孔92。蛇形蜿蜒槽90a被气体扩散层22覆盖，从而形成从阳极气体引入孔91延伸至阳极气体排出孔92的阳极气体流路。
在每个双面分隔件90的上表面的中心部分形成有蛇形蜿蜒槽90b。蛇形蜿蜒槽90b的一端被引入阴极气体引入孔93，蛇形蜿蜒槽90b的另一端被引入阴极气体排出孔94。蛇形蜿蜒槽90b被气体扩散层23覆盖，从而形成从阴极气体引入孔93延伸至阴极气体排出孔94的阴极气体流路。
如图3所示，如果将单位起电部20夹在单面分隔件50和双面分隔件90之间，夹在相邻的双面分隔件90、90、90之间，以及夹在双面分隔件90和单面分隔件70之间，则阳极气体引入孔31、51、71和91形成连续的阳极气体引入流路，阴极气体引入孔33、53、73和93形成连续的阴极气体引入流路。
类似地，尽管未示出，但是阳极气体排出孔32、52、72和92形成连续的阳极气体排出流路，阴极气体排出孔34、54、74和94形成连续的阴极气体排出流路，增湿前阴极气体供给孔35、55、75和95形成连续的增湿前阴极气体供给流路，阴极气体增湿流体供给孔36、56、76和96形成连续的阴极气体增湿流体供给流路，阴极气体增湿流体排出孔37、57、77和97形成连续的阴极气体增湿流体排出流路。
此外，螺栓孔44至49、64至69、74至79以及104至109形成螺栓通孔。
[上紧固构件]
上紧固构件200包括盖板(盖体)210、容纳体240和容纳在容纳体240中的空纤维膜组件280(参见图2)。盖板210和容纳体240形成壳体，用于容纳对阴极气体增湿的增湿器(湿度改变装置)。
用于引出电力的电力引出线(未示出)通过钎焊与上紧固构件200相连。上紧固构件200于是作为输出外部电极，这样，上紧固构件200还兼作集电板。
盖板210和容纳体240由诸如金属等具有高刚度的导电材料构成，并且可以作为用于引出发电电池单元100所产生的电能的集电板。优选的是，盖板210和容纳体240的导热率是高的。
盖板210和容纳体240的表面被涂覆Ni基镀层和Au镀层从而降低电阻，抑制腐蚀并且防止金属离子洗脱。
图9A是上紧固构件200的盖板210的侧视图，图9B是盖板210的底视图。如图9A和9B所示，阴极气体引入孔213、增湿前阴极气体供给孔215、阴极气体增湿流体供给孔216、阴极气体增湿流体排出孔217和螺栓孔(通孔)224至229在与单面分隔件50中的阴极气体引入孔53、增湿前阴极气体供给孔55、阴极气体增湿流体供给孔56、阴极气体增湿流体排出孔57和螺栓孔64至69分别对应的位置在盖板210中形成。
O形圈231、232、233、234、235、236和237在与单面分隔件50中的阳极气体引入孔51、阳极气体排出孔52、阴极气体引入孔53、阴极气体排出孔54、增湿前阴极气体供给孔55、阴极气体增湿流体供给孔56和阴极气体增湿流体排出孔57分别对应的位置设置在盖板210的下表面的外周上。O形圈231至237密封单面分隔件50的上表面与盖板210的下表面之间的间隙。
图10A是示出上紧固构件200的容纳体240的顶视图，图10B是示出上紧固构件200的容纳体240的侧视图，图10C是示出上紧固构件200的容纳体240的底视图。在容纳体240的下表面的中心部分形成有凹陷部240a，中空纤维膜组件280容纳在凹陷部240a中。阴极气体引入槽243、增湿前阴极气体供给槽245、阴极气体增湿流体供给槽246和阴极气体增湿流体排出槽247在容纳体240的下表面中形成。阴极气体引入槽243、增湿前阴极气体供给槽245、阴极气体增湿流体供给槽246和阴极气体增湿流体排出槽247从与阴极气体引入孔213、增湿前阴极气体供给孔215、阴极气体增湿流体供给孔216和阴极气体增湿流体排出孔217分别对应的位置连接至凹陷部240a。螺栓孔(通孔)254至259在容纳体240中形成为在与螺栓孔224至229对应的位置竖直贯穿容纳体240。
如下面更详细地描述，容纳在凹陷部240a中的中空纤维膜组件280作为将阴极气体增湿的增湿器。
中空纤维膜组件280包括多个中空纤维膜281以及设置在中空纤维膜组件280的各端(在中空纤维膜281的各端)的密封/固定部分282和283。每个中空纤维膜281的中心部分设有空腔281a，中空纤维膜281可以被水分子透过。作为中空纤维膜281，可以使用聚酰亚胺或氟基高分子膜，例如聚苯砜和聚醚酰亚胺(由NOK Corporation的微细多孔材料)，或者四氟乙烯+全氟乙烯醚(由Asahi Glass Co.，LTD生产的非多孔性材料)。此外，可以使用由聚乙烯、PVDF(聚偏二氟乙烯)、聚醚砜、聚丙烯腈或纤维素乙酸酯制成的中空纤维膜。
图11A是上紧固构件200的中空纤维膜组件280的侧视图。密封/固定部分282和283通过使热固性树脂、常温自硬化树脂、光固化树脂等硬化而形成，多个中空纤维膜的两端被密封/固定部分282和283固定。如图11A所示，中空纤维膜281贯穿密封/固定部分282和283。
如图10C所示，中空纤维膜组件280容纳在中凹陷部240a中，凹陷部240a中的空间被密封/固定部分282和283划分为三部分。中空纤维膜组件280的左部和右部分别是与阴极气体引入槽243相连的阴极气体引入部分271、以及与增湿前阴极气体供给槽245相连的增湿前阴极气体供给部分272。阴极气体引入部分271和增湿前阴极气体供给部分272通过中空纤维膜281的空腔281a彼此连接。
密封/固定部分282和283之间的空间成为与阴极气体增湿流体供给槽246和阴极气体增湿流体排出槽247相连的阴极气体增湿流体流路273。
如果阴极气体流过中空纤维膜281的空腔281a并且阴极气体增湿流体流过阴极气体增湿流体流路273，阴极气体增湿流体中的水分子透过中空纤维膜281并且运动至空腔281a。水分子在阴极气体中蒸发，从而可以将阴极气体增湿。
[下紧固构件]
下紧固构件300包括盖板310、容纳体340和容纳在容纳体340中的中空纤维膜组件380(参见图2)。盖板310和容纳体340形成壳体，用于容纳将阳极气体增湿的增湿器。
用于引出电力的电力引出线(未示出)通过钎焊与下紧固构件300相连。下紧固构件300于是作为输出外部电极，这样，下紧固构件300还兼作集电板。
盖板310和容纳体340由诸如金属等具有高刚度的导电材料构成，并且可以作为用于引出发电电池单元100所产生的电能的集电板。优选的是，盖板310和容纳体340的导热率是高的。
盖板310和容纳体340的表面被涂覆Ni基镀层和Au镀层从而降低电阻，抑制腐蚀并且防止金属离子洗脱。
图12A是下紧固构件300的盖板310的平面图，图12B是盖板310的侧视图。如图12A和12B所示，阳极气体引入孔311、阳极气体排出孔312、阴极气体排出孔314、增湿前阴极气体供给孔315、阴极气体增湿流体供给孔316、阴极气体增湿流体排出孔317和螺栓孔(螺纹孔)324至329在与单面分隔件70中的阳极气体引入孔71、阳极气体排出孔72、阴极气体排出孔74、增湿前阴极气体供给孔75、阴极气体增湿流体供给孔76、阴极气体增湿流体排出孔77和螺栓孔54至89分别对应的位置在盖板310形成。
O形圈331、332、333、334、335、336和337在与单面分隔件70中的阳极气体引入孔71、阳极气体排出孔72、阴极气体引入孔73、阴极气体排出孔74、增湿前阴极气体供给孔75、阴极气体增湿流体供给孔76和阴极气体增湿流体排出孔77分别对应的位置设置在盖板310的上表面的外周上。O形圈331至337密封单面分隔件70的下表面和盖板310的上表面之间的间隙。
图13A是示出下紧固构件300的容纳体340的顶视图，图13B是示出下紧固构件300的容纳体340的侧视图，图13C是示出下紧固构件300的容纳体340的底视图。阳极气体排出孔342、阴极气体排出孔344、增湿前阴极气体供给孔345、阴极气体增湿流体供给孔346和阴极气体增湿流体排出孔347在与盖板310中的阳极气体排出孔312、阴极气体排出孔314、增湿前阴极气体供给孔315、阴极气体增湿流体供给孔316和阴极气体增湿流体排出孔317分别对应的位置在容纳体340中形成，从而沿竖直方向贯穿容纳体340。螺栓孔(螺纹孔)354至359在与盖板310中的螺栓孔324至329分别对应的位置形成。螺栓孔324至329形成有可以与螺栓404至409螺纹啮合的内螺纹。
在容纳体340的上表面的中心部分形成有容纳中空纤维膜组件380的凹陷部340a。如下面更详细地描述，容纳在凹陷部340a中的中空纤维膜组件380作为将阴极气体增湿的增湿器。
在容纳体340的上表面中设置有阳极气体引入槽361，该阳极气体引入槽从与阳极气体引入孔311相应的位置连接至凹陷部340a。增湿前阳极气体供给孔348在容纳体340纵向上与阳极气体引入槽361相对的一端竖直贯穿容纳体340。增湿前阳极气体供给孔348和阳极气体引入槽361可以在容纳体340纵向上中空纤维膜组件280的两端设置在密封/固定部分282和283外侧。通过该构造，增湿前阳极气体供给槽368(下面将描述)可以形成为较短。增湿前阳极气体供给槽368设置在容纳体340的上表面中。增湿前阳极气体供给槽368将增湿前阳极气体供给孔348和凹陷部340a连接起来。
阳极气体增湿流体供给孔349和阳极气体增湿流体排出孔350相对于凹陷部340a在容纳体340横向(短方向)上的相对两侧形成。阳极气体增湿流体供给孔349和阳极气体增湿流体排出孔350比阳极气体引入槽361和增湿前阳极气体供给孔348更靠近容纳体340的纵向中心部分。阳极气体增湿流体供给槽369和阳极气体增湿流体排出槽370在容纳体340的上表面中形成。阳极气体增湿流体供给槽369将阳极气体增湿流体供给孔349和凹陷部340a连接起来，阳极气体增湿流体排出槽370将阳极气体增湿流体排出孔350和凹陷部340a连接起来。
在容纳体340的下表面上，阳极气体排出管、阴极气体排出管、增湿前阴极气体供给管、阴极气体增湿流体供给管、阴极气体增湿流体排出管、增湿前阳极气体供给管、阳极气体增湿流体供给管和阳极气体增湿流体排出管(未示出)分别与阳极气体排出孔342、阴极气体排出孔344、增湿前阴极气体供给孔345、阴极气体增湿流体供给孔346、阴极气体增湿流体排出孔347、增湿前阳极气体供给孔348、阳极气体增湿流体供给孔349和阳极气体增湿流体排出孔350相连。
中空纤维膜组件380包括多个中空纤维膜381以及设置在中空纤维膜组件380各端的密封/固定部分382和383，每个中空纤维膜381的中心部分设有空腔381a。中空纤维膜组件380具有与中空纤维膜组件280相同的结构；因此，省略其说明。
如图13A、13B和13C所示，中空纤维膜组件380容纳在凹陷部340a中，从而使中空纤维膜381沿横向设置，中空纤维膜组件380的密封/固定部分382和383将凹陷部340a中的空间划分为三部分。中空纤维膜组件380的右部和左部(图13A中)分别是与阳极气体引入槽361相连的阳极气体引入部分371、以及与增湿前阳极气体供给槽368相连的增湿前阳极气体供给部分372。阳极气体引入部分371和增湿前阳极气体供给部分372通过中空纤维膜381中的空腔381a彼此连接。
密封/固定部分382和383之间的空间成为与阳极气体增湿流体供给槽369和阳极气体增湿流体排出槽370相连的阳极气体增湿流体流路373。
当阳极气体流过中空纤维膜381的空腔381a并且阳极气体增湿流体流过阳极气体增湿流体流路373时，阳极气体增湿流体中的水分子透过中空纤维膜381并运动至空腔381a。水分子在阳极气体中蒸发，从而可以将阳极气体增湿。
[螺栓]
螺栓404至409的顶端形成有外螺纹，所述顶端分别与螺栓孔354至359接合。通过树脂涂覆对螺栓404至409的除形成有外螺纹的表面之外的表面实施了绝缘处理。另外，在上紧固构件200和螺栓头之间设置有由绝缘树脂制成的垫圈，该垫圈设置在螺栓的与顶端相对的端部处。采用该结构，可以使螺栓404至409和上紧固构件200之间可靠地电绝缘。
上紧固构件200、发电电池单元100和下紧固构件300以该顺序层叠。在该状态下，螺栓404至409插入穿过螺栓孔44至49、64至69、54至89、104至109、224至229、254至259和324至329，并且与螺栓孔354至359螺纹啮合，电池堆1组装成图1所示的状态。被螺栓404至409固定的下紧固构件300具有沿着螺栓404至409的纵向的厚度，从而使得在不将螺栓404至409与相应螺母螺纹啮合的情况下可以将发电电池单元100紧固于密封状态。于是，在该实施方式中不需要螺母。
根据以上述方式组装的电池堆1，由于上紧固构件200和下紧固构件300都兼作集电板和紧固板，可以减少部件数量。
[电池堆的操作]
接下来描述电池堆1的操作。首先，将阳极气体增湿流体、阴极气体增湿流体、阳极气体和阴极气体供给至已经处于预定工作温度的电池堆1。
1.阳极气体增湿流体的供给
从阳极气体增湿流体供给孔349供给阳极气体增湿流体，从而使得阳极气体增湿流体流过阳极气体增湿流体供给槽369、阳极气体增湿流体流路373和阳极气体增湿流体排出槽370，并且从阳极气体增湿流体排出孔350排出。
2.阴极气体增湿流体的供给
从阴极气体增湿流体供给孔346和316供给阴极气体增湿流体，从而使得阴极气体增湿流体流过阴极气体增湿流体供给流路、阴极气体增湿流体供给孔216、阴极气体增湿流体供给槽246、阴极气体增湿流体流路273、阴极气体增湿流体排出槽247、阴极气体增湿流体排出孔217、阴极气体增湿流体排出流路和阴极气体增湿流体排出孔317，并且从阴极气体增湿流体排出孔347排出。
包含水并且湿度高于阳极气体和阴极气体的湿度的流体(气体和液体中之一)可以用作阳极气体增湿流体和阴极气体增湿流体。例如，水可以用作所述流体。在阳极气体增湿流体和阴极气体增湿流体中可能混有气泡。然而，如果在阳极气体增湿流体和阴极气体增湿流体中混有非常多的气泡，则可以在阳极气体增湿流体流路373或阴极气体增湿流体流路273的出口处设置阳极气体增湿流体和阴极气体增湿流体几乎不能透过的气液分离膜。于是，可以通过提高每个流路中的流体压力来提高增湿性能。
3.阳极气体的供给
阳极气体从增湿前阳极气体供给孔348流入，从而流过增湿前阳极气体供给槽368、增湿前阳极气体供给部分372、中空纤维膜381的空腔381a、阳极气体引入部分371、阳极气体引入槽361、阳极气体引入孔311、阳极气体引入流路、蛇形蜿蜒槽90a和50a、阳极气体排出流路以及阳极气体排出孔312，并且从阳极气体排出孔342排出。
4.阴极气体的供给
阴极气体从增湿前阴极气体供给孔345流入，从而流过增湿前阴极气体供给孔315、增湿前阴极气体供给流路、增湿前阴极气体供给孔215、增湿前阴极气体供给槽245、增湿前阴极气体供给部分272、中空纤维膜281的空腔281a、阴极气体引入部分271、阴极气体引入槽243、阴极气体引入孔213、阴极气体引入流路、蛇形蜿蜒槽90b和70b、阴极气体排出流路以及阴极气体排出孔314，并且从阴极气体排出孔344排出。
如果阳极气体增湿流体、阴极气体增湿流体、阳极气体和阴极气体被供给至电池堆1，由于阳极气体增湿流体流路373中的水分子透过中空纤维膜381并且在空腔381a中蒸发，因此可以将通过空腔381a的阳极气体增湿。类似地，由于阴极气体增湿流体流路273中的水分子透过中空纤维膜281并且在中空腔281a蒸发，因此可以将通过空腔281a的阴极气体增湿。
上紧固构件200和下紧固构件300与发电电池单元100相邻，并且由具有高导热率的材料制成。
因此，在设置于上紧固构件200中的中空纤维膜组件280中，可以利用发电电池单元100所产生的热量使从阴极气体增湿流体透过中空纤维膜281移动至空腔281a内的阴极气体中的水分子蒸发。这样，可以在上紧固构件200和发电电池单元100之间有效地进行热交换。出于相同的原因，可以在下紧固构件300和发电电池单元100之间有效地进行热交换。
此外，发电电池单元100的热量传递至上紧固构件200和下紧固构件300，并且上紧固构件200和下紧固构件300的温度随着发电电池单元100的温度而变化。因此，由于阳极气体增湿流体流路373中的水和阴极气体增湿流体流路273中的水的温度随着发电电池单元100的温度而变化，因此已增湿的阳极气体和阴极气体在发电电池单元100中不会冷却，并且更不容易发生冷凝。
图14是示出发电电池单元100的温度与已经通过上紧固构件200或下紧固构件300的阳极气体或阴极气体(出口气体)的露点温度之间的关系的示意图。如图14所示，出口气体的露点温度比电池堆的温度低几摄氏度。
因为上紧固构件200和下紧固构件300的温度随着发电电池单元100的温度而变化，已经通过上紧固构件200和下紧固构件300的阳极气体或阴极气体的露点温度保持比发电电池单元100的温度低。这样，可以适当地将阳极气体和阴极气体增湿，而不需要特别地控制上紧固构件200和下紧固构件300。
此外，从阴极气体增湿流体透过中空纤维膜281和381运动至空腔281a和381a内的阴极气体中的水分子的蒸发热量、以及循环流动的阳极气体增湿流体和阴极气体增湿流体使上紧固构件200和下紧固构件300冷却。这样，发电电池单元100可以被冷却。
已增湿的阳极气体从蛇形蜿蜒槽50a和90a被供给至气体扩散层22。通过如电化学反应式(1)所示的催化作用(未示出)，将阳极气体中的氢气(燃料气体)分离成氢离子和电子。氢离子透过膜电极结合体21的固态高分子电解质膜并到达气体扩散层23。
H2→2H++2e-        …(1)
另一方面，已增湿的阴极气体从蛇形蜿蜒槽70b和90b被供给至气体扩散层23。通过如电化学反应式(2)所示的催化作用(未示出)，阴极气体中的氧气(氧化气体)与已经透过膜电极结合体21的固态高分子电解质膜的氢离子和电子一起生成水。
2H++1/2O2+2e-→H2O    …(2)
气体扩散层23消耗电子，气体扩散层22生成电子。因此，在膜电极结合体21的固态高分子电解质膜的两个表面上产生电位差，这样，可以引出电力。
在上述实施方式中，通过上紧固构件200将阴极气体增湿，通过下紧固构件300将阳极气体增湿。作为选择，可以采用如下流路结构：即，通过上述两个紧固构件仅仅将阳极气体或仅仅将阴极气体增湿。当通过上述两个紧固构件仅仅将阳极气体和阴极气体中的一种增湿时，相对于上述实施方式，最大可以采用两倍的流量，或者可以将每个紧固构件的容积减少一半。
另外，在上述实施方式中，湿度高于阳极气体和阴极气体的湿度的阳极气体增湿流体和阴极气体增湿流体流过阳极气体增湿流体流路373和阴极气体增湿流体流路273。作为选择，如果供给诸如干燥气体等湿度低于阳极气体和阴极气体的湿度的流体，则上紧固构件200和下紧固构件300都可以用作阳极气体或阴极气体的干燥器(湿度改变装置)。例如，在某些情况下，例如在比上述实施方式中的输出更低的输出下驱动燃料电池装置的情况下，决定于燃料电池装置的驱动条件，发电电池单元100的工作温度可能变得相对较低。在该情况下，在发电电池单元100中的阳极气体流路或阴极气体流路出现气体冷凝的可能性较高。因此，为了避免气体冷凝，优选的是，该实施方式中的上紧固构件200和下紧固构件300中的至少一个用作干燥器。
此外，在上述实施方式中，螺栓404至409插入穿过上紧固构件200，并且螺栓404至409与下紧固构件300螺纹啮合，从将发电电池单元100夹在上紧固构件200和下紧固构件300之间。代替螺栓404至409的使用，可以通过带状件或绳索件(未示出)将上紧固构件200和下紧固构件300连接，从而将发电电池单元100夹在上紧固构件200和下紧固构件300之间。此外，代替螺栓404至409的使用，可以将电池堆1容纳在箱体中(未示出)，并且通过诸如与箱体壁面螺纹啮合的螺钉(或多个螺钉)等紧固构件将电池堆1紧固。
<修改形式1>
图15是根据第一实施方式的第一修改形式的电池堆1B的正视图。当仅仅将阳极气体增湿而不将阴极气体增湿时，如图15所示，使用紧固板200B代替上紧固构件200，可以通过螺栓404至409将紧固板200B、发电电池单元100和下紧固构件300紧固在一起。当仅仅将阴极气体增湿而不将阳极气体增湿时，同样可以采用该构造。如果紧固板200B由诸如金属等具有高刚度的导电材料构成，则紧固板200B可以兼作将发电电池单元100产生的电能引出的集电板。优选的是，出于与第一实施方式相同的原因，上紧固构件的导热率是高的。
<修改形式2>
图16是根据第一实施方式的第二修改形式的电池堆1C的正视图。如图16所示，可以使用紧固板200C代替上紧固构件200，在紧固板200C的上部设置有空气冷却翅片290，可以通过螺栓404至409将紧固板200C、发电电池单元100和下紧固构件300紧固在一起。如果对紧固板200C使用诸如金属等具有高刚度的导电材料，则紧固板200C可以兼作将发电电池单元100产生的电能引出的的集电板。优选的是，出于与第一实施方式相同的原因，上紧固构件的导热率是高的。通过空气冷却翅片290将发电电池单元100所产生的热量消散到外部。中空纤维膜组件280可以设置在紧固板200C中。
<修改形式3>
图17是根据第一实施方式的第三修改形式的上紧固构件200D的分解视图。上紧固构件200D包括下容纳体210D、上容纳体240D和中空纤维膜组件280D。
在下容纳体210D的上表面的中心部分形成有凹陷部210d。在上容纳体240D的下表面的中心部分形成有凹陷部240d。当下容纳体210D和上容纳体240D上下重叠时，中空纤维膜组件280D容纳在凹陷部es210d和240d中。中空纤维膜组件280D与中空纤维膜组件280相同，因此省略其说明。
上紧固构件200D的其它结构与上紧固构件200的结构相同，因此省略其说明。
根据第一实施方式的该修改形式，使用比盖板210厚的下容纳体210D代替盖板210。相应地，即使上紧固构件200D的整个厚度比上紧固构件200小，也可以保持上紧固构件的强度，并且可以确保安装O形圈所需的足够的厚度。
<修改形式4>
图18A是构成根据第一实施方式的第四修改形式的上紧固构件200E的盖板210E的侧视图，图18B是盖板210E的底视图。图19A是构成上紧固构件200E的容纳体240E的侧视图，图19B是容纳体240E的底视图。
盖板210E与盖板210的不同之处在于：没有设置增湿前阴极气体供给孔215、阴极气体增湿流体供给孔216和阴极气体增湿流体排出孔217。
容纳体240E与容纳体240的不同之处在于：设置增湿前阴极气体供给接头245E、阴极气体增湿流体供给接头246E和阴极气体增湿流体排出接头247E来代替增湿前阴极气体供给槽245、阴极气体增湿流体供给槽246和阴极气体增湿流体排出槽247。增湿前阴极气体供给接头245E、阴极气体增湿流体供给接头246E和阴极气体增湿流体排出接头247E与增湿前阴极气体供给管、阴极气体增湿流体供给管和阴极气体增湿流体排出管(未示出)相连。
采用该结构，可以从电池堆省略增湿前阴极气体的供给流路、阴极气体增湿流体的供给流路和阴极气体增湿流体的排出流路。
[第二实施方式]
接下来描述本发明的第二实施方式。图20是第二实施方式的电池堆1F的正视图。电池堆1F包括与第一实施方式的发电电池单元100、上紧固构件200和下紧固构件300相同的发电电池单元100F、上紧固构件200F和下紧固构件300F，并且还包括比第一实施方式的螺栓404至409长的螺栓404F至409F、以及螺母414F至419F。电池堆1F安装在流路基板(流路基板)500上。
如图20所示，在电池堆1F中，下紧固构件300F、发电电池单元100F和上紧固构件200F按该顺序堆叠在流路基板500上。螺栓404F至409F插入穿过上紧固构件200和发电电池单元100，并且与下紧固构件300螺纹啮合，顶端插入穿过在流路基板500中形成的通孔(第二通孔)504至509(参见图21)。螺母414F至419F与螺栓404F至409F的顶端螺纹啮合，从而将流路基板500紧固在下紧固构件300的下表面上。
流路基板500被螺栓404F至409F固定。流路基板500的沿着螺栓404F至409F的纵向的厚度，不能使得在不将螺母414F至419F与相应螺栓404F至409F螺纹啮合的情况下将发电电池单元100紧固于密封状态。这样，在该实施方式中，使用螺母414F至419F将发电电池单元100F紧固于密封状态。
[流路基板]
图21是示出流路基板500的与下紧固构件300F抵靠的抵靠部分的平面图。双点划线所包围的部分与下紧固构件300F对应。如图21所示，在与下紧固构件300F的螺钉孔354至359对应的位置在流路基板500中形成有螺钉孔504至509。
阳极气体排出孔512、阴极气体排出孔514、增湿前阴极气体供给孔515、阴极气体增湿流体供给孔516、阴极气体增湿流体排出孔517、增湿前阳极气体供给孔518、阳极气体增湿流体供给孔519和阳极气体增湿流体排出孔520在与下紧固构件300F中的阳极气体排出孔342、阴极气体排出孔344、增湿前阴极气体供给孔345、阴极气体增湿流体供给孔346、阴极气体增湿流体排出孔347、增湿前阳极气体供给孔348、阳极气体增湿流体供给孔349和阳极气体增湿流体排出孔350分别对应的位置形成。
阳极气体排出孔512、阴极气体排出孔514、增湿前阴极气体供给孔515、阴极气体增湿流体供给孔516、阴极气体增湿流体排出孔517、增湿前阳极气体供给孔518、阳极气体增湿流体供给孔519和阳极气体增湿流体排出孔520分别与设置在流路基板500中的阳极气体排出流路522、阴极气体排出流路524、增湿前阴极气体供给流路525、阴极气体增湿流体供给流路526、阴极气体增湿流体排出流路527、增湿前阳极气体供给流路528、阳极气体增湿流体供给流路529和阳极气体增湿流体排出流路530相连通。上述流路与设置在流路基板500中的反应装置6(后面将描述)和空气泵(未示出)相连。
O形圈532、534、535、536、537、538、539和540分别设置在阳极气体排出孔512、阴极气体排出孔514、增湿前阴极气体供给孔515、阴极气体增湿流体供给孔516、阴极气体增湿流体排出孔517、增湿前阳极气体供给孔518、阳极气体增湿流体供给孔519和阳极气体增湿流体排出孔520的外周上。O形圈532、534、535、536、537、538、539和540密封下紧固构件300F与流路基板500之间的间隙。
[燃料电池装置]
图22是燃料电池装置10的框图，第二实施方式的电池堆1F优选应用于该燃料电池装置。例如，燃料电池装置10可以设置在笔记本计算机、蜂窝电话、PDA(个人数字助理)、电子笔记本、手表、数字照相机、数字摄像机、游戏装置、游戏机、电子计算器以及其它电子装置中。燃料电池装置10用作电子装置主体的工作电源。
燃料电池装置10包括电池堆1F、燃料容器2和反应装置(燃料气体生成装置)6。尽管未示出，但是反应装置6设置在流路基板500上，燃料容器2可拆卸地安装在流路基板500上。
燃料和水存储在燃料容器2中，燃料容器2借助于微型泵(未示出)将燃料和水的液体混合物供给至反应装置6。碳氢液体燃料可以作为燃料存储在燃料容器2中。燃料的具体实例包括诸如甲醇、乙醇等醇，诸如二甲醚等醚以及汽油。燃料和水可以分离地存储在燃料容器2中，但是也可以存储燃料和水的混合物。
在下面描述中使用甲醇作为燃料，但是也可以使用其它化合物。
反应装置6包括蒸发器3、重整器(改质器)4、一氧化碳去除器5、催化剂燃烧器80和加热器(未示出)。蒸发器3使从燃料容器2供给的燃料和水蒸发。重整器4利用催化剂通过重整反应重整从蒸发器3供给的燃料和水蒸汽，并且生成包含氢气的气体混合物。当使用甲醇作为燃料时，通过下面化学反应式(3)和(4)所示的重整反应生成作为主产品的氢气和二氧化碳气体以及作为副产品的微量一氧化碳。
如化学反应式(5)所示，一氧化碳去除器5使一氧化碳氧化，从而从气体混合物中去除一氧化碳。更具体地说，除了从重整器4供给的气体混合物之外，还将空气供给至一氧化碳去除器5。一氧化碳去除器5利用催化剂通过如化学反应式(5)所示的一氧化碳去除反应选择性地将气体混合物中的一氧化碳氧化和去除。已经去除了一氧化碳的气体混合物用作阳极气体，并且被供给至增湿前阳极气体供给流路528。
CH3OH+H2O→3H2+CO2                …(3)
2CH3OH+H2O→5H2+CO+CO2            …(4)
2CO+O2→2CO2                      …(5)
催化剂燃烧器80和加热器(未示出)使得从燃料容器2供给的燃料和水或者从阳极气体排出流路522排出的混有废气的氧气燃烧，并将重整器4加热至250℃或更高温度，例如大约250℃至400℃，并且将蒸发器3和一氧化碳去除器5加热至大约110℃至190℃。
[电子装置]
图23是使用燃料电池装置10作为电源的电子装置851的透视图。如图23所示，电子装置851是便携式电子装置，例如为笔记本计算机。电子装置851是包括下壳854和上壳858的电子装置主体。下壳854在内部设有由CPU、RAM、ROM和其它电子部件构成的计算电路，另外还设有键盘852。上壳858包括液晶显示器856。下壳854和上壳858通过铰链相互连接，上壳858可以重叠在下壳854上，从而折叠成键盘852和液晶显示器856彼此面对的状态。将要安装燃料电池装置10的安装部分860从电子装置主体的下壳854的右侧面到底面形成。如果将燃料电池装置10安装到安装部分860上，通过燃料电池装置10产生的电力操作电子装置851的电子装置主体。
尽管已经示出并描述了各种示例性实施方式，但是本发明不限于上述实施方式。因此，本发明的范围仅仅由后附权利要求书的范围限定。

Claims (21)

1、一种紧固器，包括：
一对紧固构件，用于将发电电池夹在所述一对紧固构件之间，其中，所述一对紧固构件中的至少一个具有导电性并且与发电电池相连，并且利用所述一对紧固构件中的所述至少一个集电。
2、根据权利要求1所述的紧固器，其特征在于，所述一对紧固构件中的所述至少一个设置有湿度改变装置，所述湿度改变装置用于改变将要供给至发电电池的气体的湿度。
3、根据权利要求2所述的紧固器，其特征在于，所述湿度改变装置包括：
中空纤维膜，将要供给至发电电池的第一流体流过中空纤维膜的内侧，中空纤维膜允许水分子在中空纤维膜的内侧和外侧之间移动；以及
壳体，其具有流路，第二流体在中空纤维膜的外侧流过所述流路，第二流体是湿度与第一流体的湿度不同的气体和含水液体中的一种。
4、根据权利要求3所述的紧固器，其特征在于，壳体包括：形成有凹陷部的容纳体，中空纤维膜容纳在凹陷部中；以及盖体，其遮盖凹陷部的开口。
5、根据权利要求3所述的紧固器，其特征在于，壳体包括两个容纳体，每个容纳体都形成有凹陷部，两个容纳体彼此紧密接触，从而使得各凹陷部彼此相对以形成容纳中空纤维膜的空间。
6、根据权利要求1所述的紧固器，其特征在于，所述一对紧固构件中的第一紧固构件形成有多个通孔，所述一对紧固构件中的第二紧固构件形成有与所述多个通孔对应的多个螺纹孔。
7、根据权利要求1所述的紧固器，其特征在于，还包括空气冷却翅片。
8、一种电池堆，包括：
发电电池；以及
一对紧固构件，用于将所述发电电池夹在所述一对紧固构件之间，其中，所述一对紧固构件中的至少一个具有导电性并且与发电电池相连，并且利用所述一对紧固构件中的所述至少一个集电。
9、根据权利要求8所述的电池堆，其特征在于，所述一对紧固构件中的所述至少一个设置有湿度改变装置，所述湿度改变装置用于改变将要供给至发电电池的气体的湿度。
10、根据权利要求9所述的电池堆，其特征在于，湿度改变装置包括：
中空纤维膜，将要供给至发电电池的第一流体流过中空纤维膜的内侧，中空纤维膜允许水分子在中空纤维膜的内侧和外侧之间移动；以及
壳体，其具有流路，第二流体在中空纤维膜的外侧流过所述流路，第二流体是湿度与第一流体的湿度不同的气体和含水液体中的一种。
11、根据权利要求10所述的电池堆，其特征在于，壳体包括：形成有凹陷部的容纳体，中空纤维膜容纳在凹陷部中；以及盖体，其遮盖凹陷部的开口。
12、根据权利要求10所述的电池堆，其特征在于，壳体包括两个容纳体，每个容纳体都形成有凹陷部，两个容纳体彼此紧密接触，从而使得各凹陷部彼此相对以形成容纳中空纤维膜的空间。
13、根据权利要求9所述的电池堆，其特征在于，所述将要供给至发电电池的气体是将要供给至发电电池的阳极的燃料气体。
14、根据权利要求9所述的电池堆，其特征在于，所述将要供给至发电电池的气体是将要供给至发电电池的阴极的氧化气体。
15、根据权利要求8所述的电池堆，其特征在于，所述一对紧固构件中的第一紧固构件形成有多个通孔，所述一对紧固构件中的第二紧固构件形成有与所述多个通孔对应并形成有内螺纹的多个螺纹孔。
16、根据权利要求15所述的电池堆，其特征在于，发电电池形成有多个通孔，所述多个通孔与第一紧固构件的所述多个通孔和第二紧固构件的所述多个螺纹孔分别对应。
17、根据权利要求16所述的电池堆，其特征在于，还包括多个螺栓，每个螺栓的第一端形成有外螺纹，所述外螺纹将要与所述内螺纹螺纹啮合；
其中，所述多个螺栓分别穿过第一紧固构件的所述多个通孔和发电电池的所述多个通孔，所述内螺纹和所述外螺纹在所述多个螺纹孔中螺纹啮合，从而将发电电池夹在所述一对紧固构件之间。
18、根据权利要求15所述的电池堆，其特征在于，还包括基板，所述基板形成有与所述多个通孔和所述多个螺纹孔分别对应的多个第二通孔；
其中，所述多个螺栓穿过所述多个第二通孔；并且
在基板的与设置有发电电池的一侧相对的一侧，与所述多个螺栓分别对应的多个螺母与所述多个螺栓螺纹啮合，从而将发电电池夹在所述一对紧固构件之间。
19、根据权利要求8所述的电池堆，其特征在于，所述紧固构件中的至少一个包括翅片，所述翅片用于将发电电池所产生的热量散发出去。
20、一种燃料电池装置，包括：
根据权利要求8所述的电池堆；
燃料容器，其中存储有用于发电电池的燃料；以及
燃料气体生成装置，其由燃料生成燃料气体。
21、一种电子装置，包括：
根据权利要求20所述的燃料电池装置；以及
电子装置主体，所述燃料电池装置安装在所述电子装置主体上。
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