CN101449413A - 废燃料稀释机构和具有该废燃料稀释机构的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于废燃料的稀释机构，所述稀释机构包括：燃料入口，所述燃料入口用于将从所述使用燃料的装置排出的废燃料供应到所述稀释室；稀释剂入口，所述稀释剂入口用于将稀释剂供应到所述稀释室；扩散流动路径，所述扩散流动路径设置在所述稀释室中，用于将从所述燃料入口供应的废燃料与从所述稀释剂入口供应的稀释剂混和；燃料排出口，所述燃料排出口用于将经过稀释的废燃料通过所述扩散流动路径排出到所述稀释室外部；以及，喷嘴所述喷嘴使一流动路径变窄，所述喷嘴设置在燃料入口处，其中，所述喷嘴限制供应到所述稀释室的废燃料的供应量。

Description

废燃料稀释机构和具有该废燃料稀释机构的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种废燃料稀释机构和具有该废燃料稀释机构的燃料电池系统，具体地涉及一种用于在净化安装在小尺寸的电子装置中的小尺寸燃料电池时排出的燃料的稀释机构。
背景技术
至今，已经研究开发出各种类型的燃料电池。
在这些燃料电池之中，聚合物电解质燃料电池已经作为车载或家用发电设备而进行了广泛的研究和开发，其原因在于，聚合物电解质燃料电池因为操作温度相对较低而易于运用，并且电解质由聚合物膜形成。
另一方面，为了使用中的小尺寸电子设备持续工作，使用不同的一次电池和二次电池。但是，随着近来小尺寸电子设备的性能的提高，功率消耗也随之提高，因此尺寸较小并且重量较轻的一次电池不能供应充足的能量。
而且，二次电池有利之处在于，二次电池能够在使用中反复充电，但是能够通过一次充电所充入的可用能量仍小于一次电池的可用能量。
为了对二次电池充电，需要另一个电源，并且对二次电池进行充电通常需要几十分钟至几个小时。因此，难以随时随地的立刻使用二次电池。
将来，电子设备的尺寸和重量日益减小，而且布置了无线网络环境，所以倾向于增加使用中的设备的持续工作能力。但是，传统的一次电池和二次电池难于提供驱动设备所需的充足能量。
为了解决上述问题，已经注意到小尺寸燃料电池。这是因为小尺寸燃料电池的单位体积或者单位重量的可用能量数量是传统的燃料电池的几倍至十数倍，因此小尺寸燃料电池非常适合用作小尺寸电子装置的驱动源。
此外，因为小尺寸燃料电池能够通过仅更换一次燃料而连续地使用，因此不同于二次电池的情况，它不需要充电的时间。主要使用的小尺寸燃料电池是聚合物电解质类型的或者直接甲醇类型的。
在聚合物电解质燃料电池中，聚合物电解质膜用作电解质，并且膜电极组件在它的两侧上均具有催化剂电极层。燃料(氢)供应到催化剂电极层中的一个(阳极)，氧化剂(空气)供应到另一个催化剂电极层(阴极)，以进行发电。
在这种情况下，水作为产物产生。在阳极和阴极处的化学反应式表示如下：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O
一对膜电极组件的理论电压约为1.23V，但在很多种情况下，该电压在正常操作状态下约为0.7V。
为此，当需要更高的电压或者需要更大的输出强度时，多个燃料电池单元层叠，并且在很多种情况下，各个燃料电池单元相互串连地电连接。
上述层叠结构称为“燃料电池堆”，并且通常，阳极流动路径和阴极流动路径通过称为“隔离件”的构件相互隔离。
在本发明的下面的描述中，燃料流动路径表示从燃料容器供应的燃料在燃料电池系统内循环的流动路径。
即，燃料流动路径表示：将燃料从燃料容器引导到燃料电池的流动路径；用于将燃料供应到燃料电池中的阳极的流动路径；设置在阳极中的流动路径；以及延伸直到用于将燃料电池内的燃料从燃料电池排出到外部的排出机构的流动路径。
特别地，阳极内的流动路径称为“阳极流动路径”或者仅仅称为“阳极”。
在燃料电池发电期间，因为聚合物电解质燃料电池中使用的电解质膜渗透少量空气，因此由于发电产生的杂质气体(例如空气中的氮气或者产生的湿蒸汽)逐渐储存在燃料流动路径内。
特别地，在循环类型或者死端类型(其燃料利用率较高)的燃料电池中，储存的杂质气体使燃料电池的发电特性恶化。
为此，日本专利申请特开No.2004-171967公开了这样一种死端类型的燃料电池，其中净化阀设置在燃料流动路径中，并且净化操作在发电期间进行，以防止发电特性恶化。
该净化操作是借助于燃料气体净化杂质气体的操作。为此，在废气中不但含有杂质气体，而且还含有燃料气体。
在使用氢作为燃料的情况中，注意到使燃料与空气的比例不会落入4至75％内。
在这种情形下，在日本专利申请特开No.2003-132915中，提出下面的建议以将废燃料稀释到上述范围之外的浓度。
在日本专利申请特开No.2003-132915中，提出了这样的燃料电池系统，在该系统中经过净化的燃料气体在稀释器中通过从燃料电池排出的阴极废气稀释。
而且，在日本专利申请特开No.2005-108805中，提出了使燃料气体与阴极废气混和，并利用催化剂燃烧，从而在稀释后排出燃料气体。
在上述类型的催化燃烧系统中，特别地，在燃料气体通过燃烧稀释时，必须稳定地保持火焰。
为了满足上述要求，在日本专利申请特开No.2006-183977中，提出了在燃料室的前部设置用作缓冲装置的容积室以积累净化气体，从而通过间歇的净化操作向燃烧室供应给定量的燃料。
此外，日本专利申请特开No.2006-183977公开了一种催化剂燃烧室，在该催化剂燃烧室中将压力损失提供给混和气体的气流板设置在燃烧部的上游侧以充分地混和燃料和氧化剂。此外，气流板的流动路径直径等于或者小于燃料的熄灭直径，从而防止燃烧室内的火焰向上游传送。
通常，在细空间中，表面面积与体积的比较大，并且热量易于流失。因此，存在着这样的区域，其中由于燃烧热易于被外壁接收而不能在细空间中维持火焰。这个现象称为“熄灭现象”。例如，当两个平行壁之间的间隔变为等于或者小于给定的距离时，火焰不能蔓延。这个限制值称为“熄灭距离”，在流动路径为圆管的情况下也称为“熄灭直径”。熄灭距离以及熄灭直径根据气体而不同，例如氢的熄灭距离为0.51mm。因此，为了稳定地保持火焰，需要等于或者大于熄灭距离的空间。相反地，为了防止回火，使用具有等于或者小于熄灭直径的过滤器直径的过滤器(熄灭过滤器)。
但是，上述用于将废燃料稀释为浓度位于上述范围之外的传统稀释器具有下述问题。
例如，在日本专利申请特开No.2003-132915公开的上述传统的燃料电池系统中，因为通过泵或者吹风机供应的阴极废气用于稀释，所以难于在自然扩散中获得充足的流量。
而且，为了控制燃料气体流量，因为需要流量控制阀和用于控制流量控制阀的电路，因此体积变大，并且需要用于控制的电能。
而且，在日本专利申请特开No.2005-108805和2006-183977公开的上述传统的燃料电池系统中(在该系统中燃料气体通过催化剂燃烧系统稀释)，所出现的问题是，因为火焰在燃烧室中产生，因此温度局部地升高。
此外，为了在保持稳定的火焰的同时稀释燃料气体，如日本专利申请特开No.2006-183977中所公开的那样，必要的是在燃烧部的上游侧上设置使用另一个部件的气流板，以向混合气体供应压力损失，从而精确地控制燃料和氧化剂的供应量。
特别地，在小尺寸燃烧室的情况下，需要防备熄灭现象的对策。
发明内容
本发明针对一种用于废燃料的稀释机构和使用该稀释机构的燃料电池系统，所述稀释机构能够在较低的温度下稀释废燃料并在很少的电能下减小尺寸。
本发明提供一种用于废燃料的稀释机构，该稀释机构如下构造。
一种根据本发明的用于废燃料的稀释机构，该稀释机构在稀释室中稀释从使用燃料的装置排出的废燃料的浓度，所述稀释机构包括：
燃料入口，所述燃料入口用于将从所述使用燃料的装置排出的废燃料供应到所述稀释室；
稀释剂入口，所述稀释剂入口用于将稀释剂供应到所述稀释室；
扩散流动路径，所述扩散流动路径设置在所述稀释室中，用于将从所述燃料入口供应的废燃料与从所述稀释剂入口供应的稀释剂混和；
燃料排出口，所述燃料排出口用于将经过稀释的废燃料通过所述扩散流动路径排出到所述稀释室外部；以及
喷嘴，所述喷嘴使一流动路径变窄，所述喷嘴设置在燃料入口处，
其中，所述喷嘴限制供应到所述稀释室的废燃料的供应量。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，当所述喷嘴的喷嘴直径为d并且从所述使用燃料的装置排出的所述废燃料的净化流量为Q时，净化流量Q和喷嘴直径d之间的关系设定为满足下面的公式：
Q＝πd2(2/(κ+1))1/(κ-1)×{2/(κ+1)}1/2ρv/4
其中，κ是排出的燃料的绝热指数，ρ是密度，v是声速。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，流动路径宽度和扩散流动路径的深度中的一个小于所述废燃料的熄灭距离。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述稀释剂入口相对于所述扩散流动路径位于所述燃料入口的相反侧上。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述稀释剂入口被构造作为供应作为稀释剂的空气的空气供应口，所述空气供应口能利用自然扩散接收空气。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述稀释剂入口和废燃料出口被制成相互共用。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，还包括设置在所述扩散流动路径中的燃料催化剂，用于使所述废燃料与所述稀释剂反应。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述燃料催化剂包括铂、钯和包含铂和钯之一的化合物中的任何一种。
一种根据本发明的用于废燃料的稀释机构，还包括用于检测所述燃料催化剂的电阻的检测器。
根据本发明的用于废燃料的稀释机构，除了连接所述使用燃料的装置和所述燃料入口的第一燃料流动路径之外，还包括：用于将所述废燃料从所述使用燃料的装置供应到所述扩散流动路径的第二燃料流动路径；以及
控制阀，所述控制阀设置在所述第二燃料流动路径中，用于控制供应到所述稀释室的所述废燃料的供应量。
一种根据本发明的用于废燃料的稀释机构，还包括设置在所述使用燃料的装置和所述燃料入口之间的一控制阀，所述控制阀用于控制供应到所述稀释室的所述废燃料的供应量。
一种根据本发明的用于废燃料的稀释机构，还包括设置在所述控制阀和所述燃料入口之间的缓冲区域，所述缓冲区域用于将供应到所述稀释室的所述废燃料的供应量限定为恒定量。
根据本发明的用于废燃料的稀释机构，还包括设置在所述使用燃料的装置和所述燃料入口之间的控制阀，所述控制阀代替设置在所述燃料入口处的使所述流动路径变窄的喷嘴，所述控制阀在关闭状态下不完全阻塞流动。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，当下游压力变得低于第一设定压力时，所述控制阀打开，该第一设定压力等于或者高于外部大气压力并且等于或者低于所述使用燃料的装置的燃料压力；当所述下游压力超过高于所述第一设定压力的第二设定压力时，所述控制阀关闭。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述控制阀被控制为当通过上述检测器检测到的电阻变得低于设定值时打开，并且当所述电阻超过所述设定值时关闭。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述使用燃料的装置位于一壳体内，并且所述壳体内的空气从所述稀释剂入口被接收到所述稀释室中。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述稀释机构放置在所述壳体内的高于所述使用燃料的装置的部分处，所述使用燃料的装置设置在所述壳体中。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述燃料排出口用作将空气接收到所述使用燃料的装置的气孔。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述使用燃料的装置具有燃料箱，并且，从所述燃料箱的卸压阀发出的燃料是从所述燃料入口和所述稀释剂入口中的一个接收的。
在根据本发明的用于废燃料的稀释机构中，所述使用燃料的装置包括燃料电池。
一种根据本发明的燃料电池系统，所述燃料电池系统配备有上述的用于废燃料的稀释机构。
根据本发明，能够实现一种用于废燃料的稀释机构，所述稀释机构能够在较低的温度下稀释废燃料并在很少的电能下减小尺寸。
附图说明
图1是示出了根据本发明的示例的第一构造的示意图；
图2示出了根据本发明的实施方式的第二构造的示意图；
图3A、图3B和图3C是示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第一结构示例的示意图；
图4A和图4B是示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第二结构示例的示意图；
图5A和图5B是示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第三结构示例的示意图；
图6A和图6B是示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第四结构示例的示意图；
图7是示出了根据本发明的实施方式的第三构造的示意图；
图8A、8B、8C、8D、8E和8F是示出了制造根据本发明的示例1的稀释机构的过程的工艺流程图；
图9A、9B、9C、9D、9E、9F和9G是示出了制造根据本发明的示例2的稀释机构的过程的工艺流程图；
图10是示出了燃料电池系统的构造的示意图，该燃料电池系统安装有根据本发明的示例3的作为用于燃料电池的净化气体处理装置的稀释机构；
图11是示出了根据本发明的示例4的第一稀释机构的构造的示意图；
图12是示出了根据本发明的示例4的第二稀释机构的构造的示意图；
图13是示出了用于描述根据本发明的示例4的控制阀的构造的略图的剖视图；
图14是示出了安装有根据本发明的示例5的稀释机构的第一燃料电池系统的构造的示意图；
图15是示出了安装有根据本发明的示例5的稀释机构的第二燃料电池系统的构造的示意图；
图16是示出了安装有根据本发明的示例5的稀释机构的第三燃料电池系统的构造的示意图；
图17A、17B、17C和17D是示出了制造根据本发明的示例6的稀释机构的过程的工艺流程图。
具体实施方式
下面描述根据本发明的实施方式的用于废燃料的稀释机构。
根据这个实施方式的用于废燃料的稀释机构包括：供应燃料以用于稀释来自使用燃料的装置的废气的喷嘴；以及稀释室，该稀释室具有进气部，该进气部的横截面远大于喷嘴的横截面，该稀释室在比燃料的熄灭距离更窄的空间中燃烧催化剂。
利用上述构造，获得了在低温下具有稳定性能的尺寸减小的稀释机构。
图1是示出了根据这个实施方式的用于废燃料的稀释机构的第一构造的示意图。
参考图1，标号101表示燃料入口，标号102表示稀释剂入口，标号103表示稀释室，标号104表示扩散流动路径，标号105表示排出口，标号106表示控制阀(第二阀)。而且，标号107表示喷嘴，标号108表示催化剂，标号109表示燃料传感器，标号110表示控制器，标号111表示接线。在下面的附图中，与图1相同的标号表示相同的结构元件。
在根据这个实施方式的用于废燃料的稀释机构中，废燃料和稀释剂(通常是空气)分别从燃料入口101和稀释剂入口102供应到稀释室103。供应的废燃料和稀释剂(通常是空气)混合到一起，并在稀释腔103中被稀释，之后从排出口105排出。
燃料的供应能够通过设置控制阀106进行控制。特别地，喷嘴107设置在燃料入口101和稀释室103之间。利用这个构造，即使在燃料入口处的压力增大的情况下，燃料流以防止给定流量或者更多的燃料流入稀释室103的方式被阻塞在喷嘴107处。
在设置上述喷嘴的情况下，没有必要通过控制阀106精确地控制流量，仅设置开启/关闭的功能就足够了。
而且，根据下面描述的排出系统，控制阀106也不是必需的。
现在，更详细地描述通过设置喷嘴107防止给定流量或者更多的燃料流入到稀释室103中。
一般，已知这样的现象，喷嘴设置在气体流动的流动路径中，当喷嘴的上游压力和它的下游压力的压力比等于或者低于给定值(临界压力比)时，气体在最窄部的流动速度变为等于声速，并且流动速度不会增加为高于声速(声速喷嘴)。
临界压力比由下面的表达式表示：
γ0＝{2/(κ+1)}κ/κ-1
其中，κ是绝热指数，对于氢气的情况，因为是二原子分子，因此κ是1.4。
因此，氢的临界压力比是0.528。即，在下游压力是100kPa的情况下，当上游压力等于或者高于190kPa，流动路径变为阻塞状态，并且流动速度变为声速。
当假设喷嘴处的流量是Qsccm，当压力比等于或者小于临界压力比时，满足下面的表达式。
Q＝πd2(2/(κ+1))1/(κ-1)×{2/(κ+1)}1/2ρv/4
在上述表达式中，ρ是上游侧的流体的密度，v是声速。对于氢的情况，密度在1个大气压下是0.0899kg/m3，声速在室温下约为1300m/s。
上述原理例如在校正流量计时或者控制处理气体的流量时使用(参见日本专利申请特开No.2004-360061)。
催化剂108设置在稀释室103的壁表面和/或上表面和下表面上，并位于扩散流动路径104中，从而能够借助于催化剂燃烧利用少量的稀释剂(空气)降低废燃料浓度。
催化剂108能够从铂、钯或者这些材料的合金中选择。
催化剂108能够通过在溶液中形成薄膜(例如电镀)或者通过在气相中形成薄膜(例如溅射)形成。
特别地，为了增强反应率，优选的是催化剂层具有更大的表面面积。
为了实现这个构造，错综地形成流动路径，并且例如在使用电镀的情况下，能够使用已经成型的多孔材料例如氧化铝。
而且，在溅射的情况下，氧在溅射的室压下混合，以获得多孔结构，或者铂的细微颗粒制成浆，然后涂覆。
当流动路径的宽度等于或者短于燃料的熄灭距离时，不能产生火焰。
在这种情况下，因为反应温和地进行，且没有产生火焰，因此抑制了局部发热，并且能够使稀释室内的温度基本均匀。
而且，在这个实施方式中，能够测量催化剂的电阻。结果，能够监测燃料浓度和稀释室内的温度。
用作燃料传感器109的催化剂能够由稀释催化剂或者仅用于监测的催化剂制成。
特别地，上述多孔铂以及线状铂能够用于监测。
特别地，在检测废气的浓度的情况下，优选的是，燃料传感器109能够位于排出口105附近。
当稀释室内的温度不正常地升高时，或者未处理的燃料与作为燃料传感器109的催化剂接触并被燃烧时，燃料传感器109的温度升高，并且阻抗改变。
在上述方式中，变化的阻抗通过接线111测量，在获得的值超过给定值的情况下，能够通过警告装置(未示出)向使用者发出警告，或者通过控制器110降低控制阀的流量。
优选的是，稀释室内的流动路径变窄，使得燃料和稀释剂混合到一起，并且也构造成使得流动错综、重复地分开和结合。
而且，为了防止逆流，优选的是，排出口处的流动路径阻力低于燃料入口和稀释剂入口处的流动路径阻力。而且，优选的是，流动被限制到混和和稀释充分进行的程度。
特别地，在像稀释气体仅通过自然扩散获取的情况一样难于相对于燃料气体可靠地增加稀释气体量的情况中，稀释剂入口和排出口能够制造成相互公用。
图2示出了这个实施方式中的废燃料的稀释机构的第二构造，其中稀释剂入口101和排出口105制造成相互公用。
在这种情况下，稀释剂从燃料的相反侧供应到稀释室103。排出口(也用作稀释剂入口)远大于燃料入口，从而能够仅通过自然扩散获取足够用于稀释的稀释剂。
对于排出口的直径制造成大于燃料入口的构造，例如，能够应用图3A至3C、4A、4B、5A、5B、6A和6B中所示的构造。
图3A、3B和3C示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第一结构示例的示意图。图3A是示意性透视图，图3B是示意性俯视图，图3C是沿图3B的线3C-3C剖开的示意性剖视图。
下面将描述结构和制造方法的细节。催化剂108设置在具有多孔或者格栅构造的扩散流动路径104的多孔壁表面上。在这个示例中，格栅的开口直径或者多孔部件的孔直径设定为等于或者短于燃料的熄灭距离。
即在燃料气体为氢的情况下，开口直径或者孔直径设定为等于或者短于500μm(氢的熄灭距离)，例如设定为300μm。此外，为了保持结构并增大表面面积，能够制造格栅流动路径，该格栅流动路径用作梁，并且开口部制造成多孔的。
用于供应燃料的燃料入口101设置在扩散流动路径104的下表面侧上。
然后，用作稀释剂入口的排出口105设置在扩散流动路径104的上表面侧上。
在这种情况下，喷嘴是在竖直方向上具有均匀间隙的狭缝构造。喷嘴的尺寸取决于气体的类型、压力和流量。例如，在燃料为氢，燃料入口处的压力是200kPa的情况下，当狭缝的高度是300μm并且宽度为40μm时，流量能够限制为约100cc/min。
喷嘴和扩散流动路径之间的空间的尺寸设计成在至少一个方向上等于或者小于要被稀释的燃料的熄灭距离。对于图3C的情况，高度方向设定为等于或者小于熄灭距离。
在图2的描述中使用的部件能够用作燃料传感器109。
图4A和图4B示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第二结构示例。图4B是沿图4A中的线4B-4B剖开的剖视图。在这个示例中，设置由多孔材料(其表面上形成有催化剂)制成的扩散流动路径104以覆盖圆筒部的上表面。也用作稀释剂入口的排出口105设置在扩散流动路径104的上表面上。
设置用于从扩散流动路径104的后表面侧接收燃料的燃料入口101。在喷嘴在流动路径的横截面上是圆形的并且燃料入口处的压力为200kPa的情况下，喷嘴的最细部的直径适当地约为125μm。
而且，图5A和图5B示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第三结构示例。图5B是沿图5A中的线5B-5B剖开的剖视图。在这个示例中，中空圆柱部的圆柱部由扩散流动路径104形成，该扩散流动路径104由多孔材料制成，在多孔材料上形成有催化剂。也用作稀释剂入口的排出口105形成在扩散流动路径104的外圆柱表面上。
燃料从下侧通过燃料入口101供应到中空圆柱部的中空部。
而且，图6A和图6B示出了具体实施根据本发明的实施方式的第二构造的第四结构示例。图6B是沿图6A中的线6B-6B剖开的剖视图。在这个示例中，中空球部的球部由扩散流动路径104形成，该扩散流动路径由具有催化剂的多孔材料制成。也用作稀释剂入口的排出口105形成在扩散流动路径104的外球表面上。
燃料从下侧通过燃料入口101供应到中空球部的中空部。
在燃料间歇地供应到燃料入口的情况下，能够应用图7中所示的这个实施方式的第三构造。
在这个构造中，缓冲区域112设置在控制阀(第二阀)106和喷嘴107之间，从而使恒定量的燃料能够连续地流入稀释室103。注意，排出口也用作稀释剂入口。
当间歇供应的燃料立刻被稀释时，需要较大体积的稀释室。另一方面，设置缓冲区域112以将供应到稀释室的燃料的供应量限制为恒定量，从而能够减小稀释室的体积。
根据稀释机构的上述构造，能够在低温下减小使用燃料的装置(例如燃料电池或者燃烧装置)的废气的浓度。而且能够使系统的尺寸减小，更具体地，这种稀释机构有助于减小使用聚合物电解质膜的燃料电池的尺寸。
在下文中，描述本发明的示例。
(示例1)
在示例1中，描述利用半导体加工技术制造图2所示的稀释机构(除了控制阀106之外)的方法。
图8A至图8F是示出了根据这个示例的制造稀释机构的过程的工艺流程图。
参考图8A至图8F，标号101表示燃料入口，标号104表示扩散流动路径，标号105表示排出口(稀释剂入口)，标号107表示喷嘴，标号108表示催化剂，标号109表示燃料传感器，标号111表示接线，标号201表示基板1，标号202表示基板2，标号203表示掩模。
在图8A所示的步骤中，制备在这个制造过程中使用的由硅晶片制成的基板1(201)。
晶片例如厚度为525μm。
在ICP-RIE用在下述的蚀刻步骤中的情况下，虽然不特别地限制基板的平面取向，但优选的是，在使用各向异性湿式蚀刻的情况下，(100)平面向上朝向。
在图8B所示的步骤中，形成稀释室、燃料入口、稀释剂入口(排出口)和扩散流动路径。
通过光刻法形成流动路径图案，并蚀刻晶片。在蚀刻中能够使用利用ICP-RIE或者KOH的各向异性湿式蚀刻。蚀刻深度约为300μm。
而且，在燃料气体为氢的情况下，扩散流动路径104的间隔等于或者小于500μm，即等于或者小于氢的熄灭距离，例如设定为300μm。
在这个示例中，喷嘴具有在竖直方向上具有均匀间隙的狭缝构造。在这个示例中，因为燃料是氢，燃料入口处的压力为200kPa，狭缝的高度为300μm，并且狭缝的宽度为40μm，因此，流量能够控制为100cc/min。
厚膜的光刻胶能够用于蚀刻，或者氧化铝或二氧化硅能够用作蚀刻的掩模。在蚀刻后，去除掩模和光刻胶。
在图8C所示的步骤中，在扩散流动路径中形成催化剂层。
Pt能够用作催化剂。
催化剂能够通过溅射或者电镀以及涂覆由微粒制成的浆形成。溅射能够在例如常态氩气或者氮气之类的惰性气体的条件下进行。可选地，能够在溅射期间混和氧气，从而能够形成表面面积较大的催化剂层。
在图8D所示的步骤中，制备基板2(202)，该基板2(202)是用作上板的晶片。晶片能够由硅或者Pyrex(注册商标)玻璃制成。晶片的厚度例如为525μm。
图8E是形成接线111以及燃料传感器109的步骤。
电极和接线111能够由Au制成，并且它通过溅射或者EB气相沉积法形成在薄的Cr层上，以获得高质量的薄膜。
此外，通过溅射形成由Pt或者Pd制成的薄膜，从而形成燃料传感器109。
优选的是，接线111和燃料传感器109通过利用光刻胶的剥离或者阴影掩模形成图案。
而且，电极和接线111能够由Pt制成，在这种情况下，接线层和传感器层能够制成相互共用。
在图8F所示的步骤中，两个基板相互粘接到一起。
粘合剂能够用于粘结。在基板2(202)由硅晶片制成的情况下，能够使用扩散粘结。在基板2(202)由Pyrex(注册商标)玻璃制成的情况下，能够使用阳极氧化接合。
图2中所示的稀释机构通过上述各个步骤制造。
(示例2)
在示例2中，将描述利用半导体加工技术制造图3所示的稀释机构(除了控制阀106之外)的方法。
图9A至图9G示出了根据这个示例的制造稀释机构的过程的工艺流程图。
参考图9A至图9G，标号101表示燃料入口，标号104表示扩散流动路径，标号105表示排出口(稀释剂入口)，标号107表示喷嘴，标号108表示催化剂，标号109表示燃料传感器，标号111表示接线，标号201表示基板1，标号202表示基板2。
在图9A所示的步骤中，首先制备在这个制造过程中使用的由硅晶片制成的基板1(201)。
在这种情况下，使用厚度为525μm的晶片。晶片能够由硅晶片制成，并且在下述的蚀刻步骤中使用ICP-RIE的情况下，不特别地限定基板的平面取向。
但是，在使用各向异性湿式蚀刻的情况下，基板的平面取向选择为与喷嘴107的构造一致。而且，晶片能够由玻璃晶片制成。
在图9B所示的步骤中，形成燃料入口101和喷嘴107。
在这个步骤中，通过光刻法形成流动路径图案，并蚀刻晶片。
在蚀刻中能够使用利用ICP-RIE或者KOH的各向异性湿式蚀刻。
蚀刻深度约为300μm。而且，在燃料气体为氢的情况下，蚀刻深度等于或者小于500μm，即等于或者小于氢的熄灭距离，例如设定为300μm。
在这种情况下，喷嘴具有在竖直方向上具有均匀间隙的狭缝构造。在这个示例中，因为燃料是氢，燃料入口处的压力为200kPa，狭缝的高度为300μm，并且狭缝的宽度为40μm，因此，流量能够控制为100cc/min。
厚膜的光刻胶能够用于蚀刻，或者氧化铝或二氧化硅能够用作蚀刻的掩模。
在蚀刻后，去除掩模和光刻胶。在使用玻璃晶片的情况下，流动路径能够通过使用喷砂或者利用浓缩氢氟酸的蚀刻处理。
在图9C所示的步骤中，制备基板2(202)，该基板2(202)是在这个加工过程中使用的晶片。硅晶片用作晶片。
在图9D所示的步骤中，形成扩散流动路径104和排出口105(稀释剂入口)。
扩散流动路径104通过多孔部件或者格栅流动路径形成。多孔流动路径能够通过在浓缩氢氟酸中阳极氧化p掺杂的硅晶片制造。
而且，格栅流动路径能够通过利用ICP-RIE或者KOH的各向异性蚀刻制造。
在这种情况下，格栅的开口直径或者多孔部件的孔直径设定为等于或者小于燃料的熄灭直径。
即，在燃料气体为氢气的情况下，开口直径或者孔直径设定为等于或者小于作为氢气的熄灭距离的500μm，例如，设定为300μm。此外，为了保持结构并增大表面面积，能够制造格栅流动路径并将格栅流动路径用作梁，并且开口部分制成多孔的。
在图9E所示的步骤中，在扩散流动路径中形成催化剂层。
Pt能够用作催化剂。催化剂能够通过溅射或者电镀以及涂覆由微粒制成的浆形成。
溅射能够在诸如常态氩气或者氮气之类的惰性气体的条件下进行。可选地，能够在溅射期间混和氧气，从而能够形成表面面积较大的催化剂层。优选的是从靠近燃料流动路径的一侧(图的下表面)形成薄膜。
在图9F中所示的步骤中，形成接线111和燃料传感器109。
电极和接线111能够由Au制成，并通过溅射或者EB气相沉积法形成在薄Cr层上，以获得高质量的薄膜。
此外，通过溅射形成由Pt或者Pd制成的薄膜，从而形成燃料传感器109。
优选的是，接线111和燃料传感器109通过利用光刻胶的剥离或者阴影掩模形成图案。而且，电极和接线111能够由Pt制成，在这种情况下，接线层和传感器层能够制成相互共用。
在图9G所示的步骤中，两个基板相互粘接到一起。
粘合剂能够用于粘结。在基板1(201)由硅晶片制成的情况下，能够使用扩散粘结。在基板1(201)由Pyrex(注册商标)玻璃制成的情况下，能够使用阳极氧化接合。
图3中所示的稀释机构通过上述各个步骤制造。
(示例3)
在示例3中，将描述一种燃料电池系统，本发明的稀释机构作为燃料电池的净化气体处理装置安装在该燃料电池系统中。
图10是示出了根据这个示例的燃料电池系统的构造的示意图。参考图10，标号101表示燃料入口，标号102表示稀释剂入口，标号105表示排出口，标号301表示稀释机构，标号302表示燃料电池，标号303表示燃料箱，标号304表示阳极，标号305表示阴极，标号306表示电解质膜，标号307表示气孔。
在这个示例中，燃料存储在燃料箱303中，并通过燃料流动路径供应到燃料电池302的阳极304。
当燃料由例如氢制成并且燃料箱303由储氢合金填充时，能够以较低的压力高效地存储氢。
而且，第一阀308和控制阀(第二阀)106设置在燃料流动路径内。第一阀308控制燃料从燃料箱303到燃料电池302的供应，并且控制阀106将燃料排出到燃料流动路径之外。
第二阀的燃料流动路径连接到稀释机构301。
已经供应到稀释机构的废燃料在废燃料已经被空气稀释后从排出口105排出。
另一方面，由于自然扩散，空气能够从气孔进入作为氧化剂。所产生的电能通过输出端子供应到外部装置。
现在，描述有助于燃料电池的净化操作的稀释机构的操作。
少量空气通过电解质膜或者其它部件进入到燃料电池的阳极室。
空气中的氧气通过催化剂与燃料反应产生水。而且，已经在阴极处由于发电产生的水也在电解质膜中扩散，并到达阳极。
即，除了燃料之外，诸如氮气或者水(湿气)之类的杂质在阳极中累积。因此，为了防止发电性能恶化(其归因于阳极内燃料浓度的降低)，需要在阳极内进行排出杂质的净化操作。
当发电经过给定时间时，或者在监测燃料电池的电压后当电压变为低于给定值时，能够向燃料电池发出净化指令。
而且，当杂质浓度超过给定值时，或者测量燃料流动路径内的气体浓度后当燃料浓度变得低于给定值时，能够发出净化指令。
在这种情况下，作为一个示例，通过在示例1中描述的制造方法制造的稀释机构用作稀释机构。
在根据净化指令进行净化的情况下，根据阳极容积、阳极的压力损失或者流动路径图案，在阳极容积约为1cc的小尺寸燃料电池中，净化以约100sccm的流量进行几秒钟。
在这种情况下，稀释机构的喷嘴107的直径设定为125μm，并且排出流量为100sccm。
已经供应到稀释机构的燃料在稀释流动路径内被稀释，然后排出。
在净化流量过高并且燃料不能被充分地稀释的情况下，燃料传感器109的检测值增大以关闭第二阀106。
在经过给定时间后或者当燃料电池的电压超过给定值时能够终止净化操作。
而且，能够在燃料传感器109的值超过给定值时中止净化操作。
可选地，能够如图7所示的那样，设置缓冲区域。
例如，假设一次净化操作以100sccm进行两秒并且净化操作每隔30分钟进行一次。当假设缓冲区域设定为3cc并且喷嘴107的直径设定为3μm时，废燃料的流量约为0.1sccm。
因此，经过净化的气体最初累积在缓冲区域中，然后缓慢地经过30分钟供应到稀释机构。
利用上述操作，能够减小稀释机构的体积，并且每次处理的废燃料的量较小。结果，能够防止发热或者废气体量瞬间增加。
控制阀106能够由通过电磁力控制的主动阀形成。可选地，如日本专利申请特开No.2004-031199所公开的那样，控制阀106能够由小尺寸的减压阀形成，该减压阀具有这样的迟滞性，即阀打开的压力和阀关闭的压力彼此不同。
而且，小尺寸的减压阀不需要电能就能够将下游压力保持为给定值，并且它的设定压力能够设计为不同的值。
因此，使用上述阀，并且该阀设定为当减压阀的下游压力不超过第一给定值时打开，并且当下游压力超过第二给定值时该阀关闭。第一给定值等于或者高于外部大气压力，并且等于或者低于燃料电池的阳极流动路径的燃料压力。第二给定值高于第一给定值。
利用上述结构，废气能够保持为等于或者低于适当的浓度，同时不允许恒定量或者更多的燃料一次流入稀释机构。
此外，根据上述减压阀，因为结构简单并且不需要用于驱动的电源，因此该减压阀有利于减小系统的尺寸并降低功耗。
(示例4)
在示例4中，描述一种不同于示例3的燃料电池系统，本发明的稀释机构作为燃料电池的净化气体处理装置安装在该系统中。
燃料电池和稀释机构之间的关系并没有在基本上不同于图10中所示的示例3。但是，根据这个示例的净化操作不是间歇地进行，而是构造成连续地排出恒定量的气体，该恒定量的气体大于杂质的进入速度。
图11是示出了根据这个示例的第一稀释机构的构造的示意图。如图11所示，根据这个示例的稀释机构设计成一直通过稀释室103的入口处的喷嘴107排出限制流量的气体而不使用第二阀106。注意标号105表示排出口(稀释剂入口)。
在燃料由氢制成，喷嘴的直径为3μm，燃料电池阳极内的压力为200kPa的情况下，气体流量约为0.1sccm。
另一方面，在燃料电池阳极的内部被空气取代的情况下，因为要防止燃料电池在燃料电池停止时或者燃料电池长期没有使用时恶化，所以需要阳极内的空气在启动时被燃料替换。
在这种情况下，因为流量在上述稀释机构中较低，因此启动燃料电池需要一些时间。
在上述状况下，能够应用下面的第二稀释机构。图12是示出了第二稀释机构的构造示例的示意图。
如图12所示，作为不同于具有喷嘴107的流动路径的另一流动路径的第二流动路径被设置作为从燃料电池302延伸到稀释机构的流动路径。在启动时，能够通过打开流动路径内的控制阀(第二阀)106快速地将空气替换为燃料。
如果第二阀构造成当燃料传感器109检测到的燃料浓度超过给定值时关闭，则当杂质气体在启动的时候被净化时，能够关闭第二阀。此外，利用上述构造，第二阀106也能够在中止发电并且第一阀308关闭时打开。结果，阳极内部能够容易地利用空气替换，从而防止燃料电池恶化。注意标号113表示第二燃料入口。
此外，当燃料电池302的燃料流动路径的一部分的压力损失较大时，下述的构造是有效的。流动路径在第一阀308的下游处以及高压力损失部分的上游处分支。一个分支连接到燃料电池302，另一个连接到第二燃料入口113。此外，来自燃料电池302的排出流动路径连接到燃料入口101。在这个构造中，在启动时，来自分支点上游处的杂质气体立刻从第二流动路径入口113排出到稀释机构310。另一方面，来自高压力损失部分下游处的杂质气体从燃料入口101缓慢地排出。这样的启动方法提供了启动时的快速净化操作，即使当存在高压力损失部分时。
而且，即使当不设置第二流动路径而布置不完全关闭的控制阀(即使当关闭时也具有较低的流量的阀)代替图2中的喷嘴107作为第二阀106时，也能够改进启动特性。
图13示出了代替喷嘴107的不完全关闭的控制阀的结构示例。
参考图13，标号401表示阀盘，标号402表示阀座，标号403表示隔膜，标号404表示致动器，标号405表示间隙。
如图13所示，控制阀构造成即使在关闭状态下也允许少量的流动从间隙405发生。
(示例5)
在示例5中，描述一种燃料电池系统的结构示例，其中，根据本发明的稀释机构设置在燃料电池的壳体内。
图14是示出了根据这个示例的装配有稀释机构的第一燃料电池系统的构造的示意图。
参考图14，标号101表示燃料入口，标号102表示稀释剂入口，标号105表示排出口，标号108表示催化剂，标号301表示稀释机构，标号302表示燃料电池，标号303表示燃料箱，标号307表示气孔，标号309表示燃料电池的壳体。
在这个示例中，稀释剂入口102设置在燃料电池的壳体309的内部。利用这个结构，即使当由于破损的燃料电池而在系统内发生泄漏并且燃料泄漏到壳体中时，泄漏的燃料从稀释剂入口102被接收到稀释机构301中，以被稀释并排出。
特别地，在燃料比空气更轻的(如同氢一样)情况下，泄漏的燃料向上扩散。因此，优选的是在燃料电池系统的内部的上部上设置稀释机构301。
而且，排出口105能够被制成为面积较大，并且也用作燃料电池气孔307，象图15所示的第二燃料电池系统的结构示例那样。而且，在象图16所示的第三燃料电池系统的结构示例中一样卸压阀310(该卸压阀310在箱压力超过给定值时打开)设置在燃料箱303的情况下，通过卸压阀310释放的燃料能够被引导到稀释机构301。在图15和图16中，与图14中的标号相同的标号表示与图14中的构造相同的构造。
(示例6)
在示例6中，描述利用半导体加工技术制造图4中所示的稀释机构(除了控制阀106之外)的方法。
图17A至图17D是示出了根据这个示例的制造稀释机构的过程的工艺流程图。
参考图17A至图17D，标号104表示扩散流动路径，标号107表示喷嘴，标号108表示催化剂，标号111表示接线，标号203表示基板。
在图17A所示的步骤中，制备这个工艺过程中使用的基板203，该基板203为硅晶片。
作为晶片，优选的是绝缘体上的硅晶片(SOI)，该晶片的两个表面均被抛光，以蚀刻两个表面，在该两个表面之间插入能够用作蚀刻的停止层的氧化物薄膜层。各层的厚度为在处理层为300μm，在BOX层为1μm，在器件层为1μm。在后续使用的蚀刻工艺中使用ICP-RIE的情况下，不特别限定基板的平面取向。但是，在使用各向异性湿式蚀刻的情况下，优选的是(100)平面向上朝向。
随后，在图17B所示的步骤中，在流动路径中形成燃料入口和喷嘴。
通过光刻法形成流动路径图案，并蚀刻晶片。
作为蚀刻，能够使用利用ICP-RIE或者KOH的各向异性湿式蚀刻。蚀刻深度约为300μm，并且蚀刻停止在氧化物层。在使用ICP-RIE的情况下喷嘴的构造通常为圆形孔构造(非渐缩)，在使用各向异性湿式蚀刻的情况下喷嘴的构造通常为矩形孔渐缩的构造。调整ICP-RIE中的配方，以使喷嘴轻微地渐缩或者校正湿式蚀刻中使用的掩模图案，同时考虑晶体表面，由此能够制造类似于圆形孔渐缩喷嘴的喷嘴。而且，使用在喷嘴部的打开面积不同的两个掩模，并且蚀刻以两个阶段进行，从而能够在喷嘴部形成窄的部分。
在这个示例中，因为燃料是氢，燃料入口处的压力为200kPa，喷嘴的直径为125μm，所以流量能够控制为100cc/min。
厚膜的光刻胶能够用作蚀刻的掩模，或者能够使用氧化铝或者二氧化硅。在使用多个掩模的情况下，能够使用不同类型的掩模，或者使用类型相同但是厚度不同的掩模。在蚀刻后，去除掩模和光刻胶。
在图17C所示的步骤中，形成扩散流动路径。进行掩模处理，并在氟化氢溶液中进行阳极氧化处理，从而能够形成多孔的扩散流动路径。
在图17D所示的步骤中，形成催化剂层和接线。催化剂能够由Pt构成。催化剂能够通过溅射或者电镀以及涂覆由微粒制成的浆形成。溅射能够在诸如常态氩气或者氮气之类的惰性气体条件下进行。可选地，能够在溅射期间混和氧气，从而能够形成表面面积较大的催化剂层。而且，接线能够由Au制成，并且它利用溅射或者EB气相沉积法形成在薄Cr层上，以获得高质量的薄膜。优选的是，该薄膜通过利用光刻胶的剥离或者阴影掩模形成图案。
最后，蚀刻掩模的氧化物层和喷嘴部，以完成稀释器。
接线111和燃料传感器109通过利用光刻胶的剥离或者阴影掩模形成图案。
图4中所示的稀释机构通过上述各个工艺制造。
虽然已经参考示例性实施方式对本发明进行了说明，但应当理解本发明并不局限于所公开的示例性实施方式。所附权利要求的范围应当给予最宽泛的解释，以包括所有这些修改、等同结构和功能。
本申请要求2006年10月17日提交的日本专利申请No.2006-282183的优先权，这里通过参考引入该申请的全部内容。

Claims (20)

1、一种用于废燃料的稀释机构，该稀释机构在稀释室中稀释从使用燃料的装置排出的废燃料的浓度，所述稀释机构包括：
燃料入口，所述燃料入口用于将从所述使用燃料的装置排出的废燃料供应到所述稀释室；
稀释剂入口，所述稀释剂入口用于将稀释剂供应到所述稀释室；
扩散流动路径，所述扩散流动路径设置在所述稀释室中，用于将从所述燃料入口供应的废燃料与从所述稀释剂入口供应的稀释剂混和；
燃料排出口，所述燃料排出口用于将经过稀释的废燃料通过所述扩散流动路径排出到所述稀释室外部；以及
喷嘴，所述喷嘴使一流动路径变窄，所述喷嘴设置在燃料入口处，
其中，所述喷嘴限制供应到所述稀释室的废燃料的供应量。
2、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，其中，当所述喷嘴的喷嘴直径为d并且从所述使用燃料的装置排出的所述废燃料的净化流量为Q时，净化流量Q和喷嘴直径d之间的关系设定为满足下面的公式：
Q＝πd2(2/(κ+1))1/(κ-1)×{2/(κ+1)}1/2ρv/4
其中，κ是排出的燃料的绝热指数，ρ是密度，v是声速。
3、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，其中，流动路径宽度和扩散流动路径的深度中的一个小于所述废燃料的熄灭距离。
4、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述稀释剂入口相对于所述扩散流动路径位于所述燃料入口的相反侧上。
5、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述稀释剂入口被构造作为供应作为稀释剂的空气的空气供应口，所述空气供应口能利用自然扩散接收空气。
6、根据权利要求5所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述稀释剂入口和废燃料出口被制成相互共用。
7、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，还包括设置在所述扩散流动路径中的燃料催化剂，用于使所述废燃料与所述稀释剂反应。
8、根据权利要求7所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述燃料催化剂包括铂、钯和包含铂和钯之一的化合物中的任何一种。
9、根据权利要求7所述的用于废燃料的稀释机构，还包括用于检测所述燃料催化剂的电阻的检测器。
10、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，除了连接所述使用燃料的装置和所述燃料入口的第一燃料流动路径之外，还包括：用于将所述废燃料从所述使用燃料的装置供应到所述扩散流动路径的第二燃料流动路径；以及
控制阀，所述控制阀设置在所述第二燃料流动路径中，用于控制供应到所述稀释室的所述废燃料的供应量。
11、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，还包括设置在所述使用燃料的装置和所述燃料入口之间的一控制阀，所述控制阀用于控制供应到所述稀释室的所述废燃料的供应量。
12、根据权利要求11所述的用于废燃料的稀释机构，还包括设置在所述控制阀和所述燃料入口之间的缓冲区域，所述缓冲区域用于将供应到所述稀释室的所述废燃料的供应量限定为恒定量。
13、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，还包括设置在所述使用燃料的装置和所述燃料入口之间的控制阀，所述控制阀代替设置在所述燃料入口处的使流动路径变窄的喷嘴，所述控制阀在关闭状态下不完全阻塞流动。
14、根据权利要求11所述的用于废燃料的稀释机构，其中，当下游压力变得低于第一设定压力时，所述控制阀打开，所述第一设定压力等于或者高于外部大气压力并且等于或者低于所述使用燃料的装置的燃料压力；当所述下游压力超过高于所述第一设定压力的第二设定压力时，所述控制阀关闭。
15、根据权利要求10所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述控制阀被控制为当通过权利要求9中限定的检测器检测到的电阻变得低于设定值时打开，并且当所述电阻超过所述设定值时关闭。
16、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述使用燃料的装置位于一壳体内，并且所述壳体内的空气从所述稀释剂入口被接收到所述稀释室中。
17、根据权利要求16所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述稀释机构放置在所述壳体内的高于所述使用燃料的装置的部分处，所述使用燃料的装置设置在所述壳体中。
18、根据权利要求16所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述燃料排出口用作将空气接收到所述使用燃料的装置的气孔。
19、根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，其中，所述使用燃料的装置具有燃料箱，并且，从所述燃料箱的卸压阀发出的燃料是从所述燃料入口和所述稀释剂入口中的一个接收的。
20、一种燃料电池系统，所述燃料电池系统配备有根据权利要求1所述的用于废燃料的稀释机构，所述稀释机构作为燃料电池的净化气体处理装置。
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