CN101593839A - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

根据实施例，燃料电池装置包括设置有包括彼此相对的阳极和阴极的电池并被构造为由化学反应生成电的起电部(20)，被构造为贮存燃料的燃料箱(12)，在其中燃料流过阳极的燃料通道(32)，在其中空气流过阴极的空气通道(34)，从燃料通道分支并延伸通过起电部的冷却通道(36)，以及被构造为将燃料通过燃料通道从燃料箱供给至阳极并被构造为使燃料从冷却通道流过起电部以冷却起电部的燃料供给部。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明中的一个实施例涉及一种用作电子设备等的能源的燃料电池装置。
背景技术
目前，诸如锂离子电池的二次电池主要被用作例如笔记本计算机，移动装置等的电子设备的能源。近年来，不需充电的，小的，高输出的燃料电池已经被期望作为新的能源，以满足具有更高级功能的电子设备的增加的能量消耗和对其延长使用的需求。在各种类型的燃料电池当中，具体的说，使用甲醇溶液作为它们的燃料的直接甲醇燃料电池(DMFCs)，与使用氢作为它们的燃料的燃料电池相比，能使燃料的处理更简单以及系统构造更简单。因此，DMFCs显而易见是用于电子设备的能源。
举例来说，如日本专利申请公开公报No.2005-293981中所述，DMFC包括电池组，在电池组中单电池和隔离层彼此交替层叠。每一个单电池被构造为以便诸如固体聚合物电解质膜的电解质层被插入两个电极之间。隔离层被形成为具有用作反应气体通道的凹槽。单电池在每一个聚合物电解质膜的表面上设置有膜电极组合体(MEA)。MEA完整地包括阳极(燃料电极)和阴极(空气电极)。含水甲醇溶液和空气通过电池组中的通道被分别供给至阳极和阴极。
燃料的氧化发生在阳极以使甲醇通过与水反应被氧化，因此产生二氧化碳，质子和电子。质子通过聚合物电解质膜被传输并移动到阴极。在阴极，空气中的气态氧与氢离子和电子结合并被还原为水。在此处理期间，电子通过外部回路流动并引起(draw)电流。
在用这样的方式构建的燃料电池中，电池组易于产生热量，从而在电生成(electricitygeneration)期间使温度不断地增加。为了有效地生成电，电池组本身或者供给至电池组的燃料被冷却以致电池组保持在最佳温度。
因此，作为电池组的冷却方法，建议具有循环液冷却系统的燃料电池配备独立于燃料通道和空气通道的冷却通道以便冷却剂通过冷却通道进入电池组。
利用如上所述的循环液冷却系统能够使电池组保持在恰当的温度。然而，该系统需要辅助组件的使用，诸如独立的冷却通道和用于使冷却剂通过冷却通道的独立的液泵，以致整个燃料电池装置不可避免地变大。
发明内容
本发明已经考虑到这些情况而被作出，并且它的目的是提供一种能够被做得较小并且其中电池能够被有效冷却的燃料电池装置。
根据本发明的一个方面的燃料电池装置，其特征在于，包括起电部，所述起电部设置有电池并被构造为由化学反应生成电，所述电池包括彼此相对的阳极和阴极；燃料箱，所述燃料箱被构造为贮存燃料；燃料通道，在所述燃料通道中所述燃料流过所述阳极；空气通道，在所述空气通道中空气流过所述阴极；冷却通道，所述冷却通道从所述燃料通道分支并且延伸通过所述起电部；以及燃料供给部，所述燃料供给部被构造为通过所述燃料通道将所述燃料从所述燃料箱供给至所述阳极并被构造为使所述燃料的一些从所述冷却通道流过所述起电部并冷却所述起电部。
根据如上所述的安排，提供有一种能被做得较小的燃料电池装置，在其中一些燃料通过从燃料通道分支的冷却通道被供给至电池，以使能够有效地冷却电池。
本发明的其他目的和优点将在下面的说明中阐明，并且部分内容在说明书中是显而易见的，或可通过实施本发明获悉。本发明的目的及优点可通过下文具体指出的手段和组合来实现和获得。
附图说明
结合在说明书中并构成说明书一部分的附图用于说明本发明的具体实施方式，并与上述总体说明和下述实施方式的详细说明一起对本发明的原理进行说明。
图1是示范性地显示根据本发明的第一实施例的燃料电池装置的构造的示范性框图；
图2是显示燃料电池装置的电池组的示范性剖面图；
图3是示范性地显示电池组的单电池的示范性图；
图4是示范性地显示根据本发明的第二实施例的燃料电池装置的构造的示范性框图；
图5是示范性地显示根据变型例的热交换器的示范性图；以及
图6是示范性地显示根据本发明的第三实施例的燃料电池装置的构造的示范性框图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述根据本发明的第一实施例的燃料电池装置。
图1示范性地显示燃料电池装置的构造。如图1所示，燃料电池装置10被构建为使用甲醇作为它的液体燃料的DMFC。装置10设置有电池组20，燃料箱12，循环系统24，和电池控制部50。电池组20构成起电部。循环系统24将燃料和空气提供至电池组。电池控制部50控制整个燃料电池装置的操作。
燃料箱12具有密封的结构并被形成作为可移动地附接于燃料电池装置10的燃料盒。箱12含有用作液体燃料的高浓度甲醇。当燃料被用尽时燃料箱12能够被轻易地替换掉。
循环系统24包括阳极通道(燃料通道)32，阴极通道(空气通道)34，冷却通道36和多个辅助组件。从燃料箱12供给的燃料经由电池组20通过阳极通道32循环。含有空气的气体经由电池组20通过阴极通道34循环。冷却通道36从阳极通道分支，以及一些燃料经由电池组20通过冷却通道循环。辅助组件被结合到燃料通道和空气通道中。阳极通道32，冷却通道36和阴极通道34每一个都是由管道等形成。
图2显示电池组20的叠层结构，图3代表性地显示每一个单电池的电生成反应。如图2和图3所示，电池组20包括叠层，以及支撑叠层的框架147，该叠层由多个，例如四个单电池140和五个矩形隔离层142交替层叠形成。每一个单电池140设置有膜电极组合体(MEA)，其完整地包括阴极(空气电极)52，阳极(燃料电极)47和大致呈矩形的聚合物电解质膜144。每一个阴极52和阳极47都是由催化剂层和碳纸形成的大致呈矩形的薄片。聚合物电解质膜144夹在阴极和阳极之间。阳极47形成有燃料扩散层47a，以及阴极52设置有多孔的气体扩散层52a。聚合物电解质膜144的面积大于阳极47和阴极52的面积。
三个隔离层142的每一个被夹在每两个相邻的单电池140之间，另外两个隔离层被层叠在层叠方向上的相对端。隔离层142和框架147形成有凹槽状的燃料通道145和凹槽状的空气通道146。从阳极通道32释放的燃料通过燃料通道145被供给至单电池140各个阳极47。空气通过空气通道146被提供至单电池的各个阴极52。进一步，每一个隔离层142被形成有多个循环通道148，通过其使得从冷却通道36释放出的冷却燃料循环。
如图3所示，所供给的燃料(含水甲醇溶液)和空气在阳极47和阴极52之间的聚合物电解质膜144中互相进行化学反应。于是，在阳极和阴极之间生成电。当该电化学反应进行时，二氧化碳和水分别在阳极47和阴极52侧被产生作为反应副产物。电池组20中生成的电通过电池控制部50被供给至诸如电子设备53的外部装置。
如图1所示，阴极通道34的上游端34a和下游端34b个别地与大气相通。被结合到阴极通道34中的辅助组件包括连接到电池组20上游侧的阴极通道34的空气泵38。空气泵38构成将空气供给至阴极52的供气部。
结合到阳极通道32中的辅助组件包括通过管道连接到燃料箱12的燃料进口的燃料泵14，通过管道连接到燃料泵14的输出部分的混合箱16，以及连接到混合箱16的输出部分的液泵17。这些辅助组件进一步包括结合到液泵和电池组之间的阳极通道32中的热交换器18以及连接到电池组20的输出侧和混合箱16之间的阳极通道32的气-液分离器22。混合箱16与燃料箱12一起构成根据本发明的燃料箱的一部分。
液泵17的输出部分通过阳极通道32连接到电池组20的阳极47。燃料泵14和液泵17构成将燃料供给至电池组20的燃料供给部。
热交换器18被结合到液泵17的输出部分和电池组20的进气侧之间的阳极通道32中。举例来说，热交换器18包括多个围绕形成阳极通道32的部分的管道排列的散热片18a，和用于将冷却空气送至散热片的冷却风扇18b。热交换器18从流过阳极通道32的燃料除去热量，借此冷却燃料。
电池组20的阳极47的输出部分通过阳极通道32和气-液分离器22连接到混合箱16的输入部分。从电池组20的阳极47排出的排出副产物，即，二氧化碳和未反应的含水甲醇溶液被馈送至气-液分离器22，在其中将液体从气体中分离。分离出的含水甲醇溶液通过阳极通道32回到混合箱16，而二氧化碳被排出至外部。
冷却通道36在热交换器18和电池组20之间的某点处从阳极通道32分支。在穿过电池组20的循环通道148之后，冷却通道36在电池组和混合箱16之间与阳极通道32汇合，例如，在气-液分离器22和混合箱之间。
电池控制部50将电池组20中生成的电供给至电子设备53，测量电池组20的每一个单电池140的电压，并执行电流控制以从电池组引出电流。
如果用这样的方式构建的燃料电池装置10被用作电子设备53的能源，含有甲醇的燃料箱12首先被安装并连接到燃料电池装置的循环系统24。在这种状态下，通过燃料电池装置10开始电的生成。在这种情况下，燃料泵14，液泵17和空气泵38在电池控制部50的控制下被驱动。燃料泵14将高浓度甲醇通过阳极通道32从燃料箱12供给至混合箱16。甲醇在混合箱中与水混合并被稀释至预定浓度。液泵17将在混合箱16中被稀释的含水甲醇溶液通过阳极通道32和燃料通道145供给至电池组20的阳极47。
空气泵38将大气或者空气通过阴极通道34的上游端34a引进空气通道中。在穿过进口过滤器(未显示)之后，空气通过阴极通道34被供给至电池组20然后通过电池组的空气通道146被供给至电池组的阴极52。
被供给至电池组20的含水甲醇溶液和空气在阳极47和阴极52之间的聚合物电解质膜144中互相发生电化学反应，借此在阳极和阴极之间生成电。电池组20中生成的电允许电池控制部50从电池组引出电流并供给至电子设备53。
当该电化学反应进行时，在电池组20中，二氧化碳和水分别在阳极47和阴极52侧被产生作为反应副产物。在阳极47侧产生的二氧化碳和未反应的含水甲醇溶液通过阳极通道32被馈送至气-液分离器22，在其中它们被彼此分离。从气-液分离器22通过阳极通道32释放至混合箱16的含水甲醇溶液被再次用作电的生成。分离的二氧化碳从气-液分离器22被排出至外部。
在电池组20的阴极52侧产生的蒸汽通过阴极通道34的下游端被排出至外部。
另一方面，在燃料电池装置10的电生成期间，电池组易于产生热量，从而在电力生产期间使温度不断地增加。根据如上所述的燃料电池装置，热交换器18使被液泵17供给至电池组20的燃料失去热量并使其冷却。此后，一些燃料通过冷却通道36被馈送至电池组20的循环通道148。当燃料流过循环通道148时，它冷却电池组20。此后，燃料通过冷却通道36流进阳极通道32中并回到混合箱16。因此，通过将作为冷却剂的一些燃料供给至电池组20并使其冷却，电池组20能够保持在适合于电生成的温度。
根据用这样的方式构建的燃料电池装置，如果电生成使电池组发热的话，通过利用一些燃料能够有效地冷却电池组20。进一步，电池组20被构造为通过从阳极通道分支的冷却通道并利用也用作燃料供给的泵被供给冷却剂。因此，不必提供独立的循环通道或者辅助组件，诸如独立的用于让冷却剂通过循环通道的液泵，以致能够使燃料电池装置保持得较小。因此，获取了一种能够被做得较小并且其中电池能够被有效地冷却的燃料电池装置。
下面是根据本发明的第二实施例的燃料电池装置的说明。
图4示范性地显示第二实施例的燃料电池装置10。根据第二实施例，热交换器18被结合到液泵17的输出侧和电池组20的进气侧之间的冷却通道36中。举例来说，热交换器18包括多个围绕形成冷却通道36的管道排列的散热片18a，和用于将冷却空气传递至散热片的冷却风扇18b。热交换器18从流过冷却通道36的燃料除去热量，借此冷却燃料。
图5显示根据变型例的热交换器。在该热交换器18中，燃料通道32的部分分支为多个，例如三个，支流通道，其又再次汇合在一起。多个散热片18a被安装为横跨各个限定三个支流通道的三个管道。热交换器18包括用于将冷却空气传递至散热片18a的冷却风扇18b。
通过使用如此方式构建的热交换器18，燃料能够被更有效地冷却，并且一些燃料能够被利用来冷却电池组。
图6示范性地显示根据第三实施例的燃料电池装置10。在第三实施例中，热交换器18被设置在液泵17的输出侧和电池组20的进气侧之间阳极通道32和冷却通道36的接合处。热交换器18包括多个横跨形成阳极通道32和冷却通道36的管道排列的散热片18a，和用于将冷却空气传递至散热片的冷却风扇18b。热交换器18从流经阳极通道32和冷却通道36的燃料除去热量，借此冷却燃料。
第二和第三实施例的燃料电池装置10的另外的构造与上述第一实施例的相同。因此，同样的标号被用于指定这些实施例的同样的部分，以及其具体实施方式被省略。进一步，用第二和第三实施例能够获得与第一实施例同样的功能和效果。根据第三实施例，流过冷却通道和阳极通道两者的燃料被冷却，以致能够更有效地冷却电池组。
已经描述了本发明的某个的实施例，这些实施方式仅仅是作为示例被呈现，并非为了限定本发明的保护范围。实际上，在这里描述的新颖的方法以及系统可以用各种其他形式概括。此外，以这里描述的发明以及系统的形式的各种省略，替换以及改变可以在不离开本发明的精神而被做出。后附的权利要求以及它们的等效物是打算用来覆盖这样的将属于本发明的范围以及精神的形式或改进。
举例来说，燃料电池装置可以被构造为以使通过扩散和对流而不使用空气泵将空气供给至电池组。电池组中单电池的数目不限于上述实施例中有关描述的那些并可以根据需要变化。根据本发明的燃料电池装置还可应用于诸如个人计算机，移动装置，便携式终端等及其他设备的各种的电子设备的能源。

Claims (6)

1.一种燃料电池装置，其特征在于，包括：
起电部，所述起电部设置有电池并被构造为由化学反应生成电，所述电池包括彼此相对的阳极和阴极；
燃料箱，所述燃料箱被构造为贮存燃料；
燃料通道，在所述燃料通道中所述燃料流过所述阳极；
空气通道，在所述空气通道中空气流过所述阴极；
冷却通道，所述冷却通道从所述燃料通道分支出并且延伸通过所述起电部；以及
燃料供给部，所述燃料供给部被构造为通过所述燃料通道将所述燃料从所述燃料箱供给至所述阳极，并被构造为使所述燃料的一些从所述冷却通道流过所述起电部并冷却所述起电部。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述冷却通道在所述燃料箱和所述起电部之间从所述燃料通道分支出并在穿过所述起电部之后在所述起电部和所述燃料箱之间与所述燃料通道汇合。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于，进一步包括热交换器，所述热交换器被结合到所述燃料通道中并被构造为使流过所述燃料通道的所述燃料冷却。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于，进一步包括热交换器，所述热交换器被结合到所述冷却通道中并被构造为使流过所述冷却通道的所述燃料冷却。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于，进一步包括热交换器，所述热交换器被设置在所述燃料通道和所述冷却通道的结合点并被构造为使流过所述冷却通道的所述燃料和所述冷却通道冷却。
6.如权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于，所述起电部设置有由多个单电池交替层叠形成的电池组，所述单电池的每一个包括彼此相对的阳极和阴极并且阳极和阴极之间具有聚合物膜，以及形成有至彼此的通道的隔离层，并且所述冷却通道延伸通过所述隔离层。
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