CN1315220C - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池装置(100)，具有如下的构造，即，在沿上下方向层叠了多个被近似水平配置的单元电池的电池组的两端，配置端板(140a)及(140b)，利用2条带子(150a)及(150b)来紧固。各个单元电池包括：包括一对电极层、被插设于它们之间的反应层的MEA；被按照夹持MEA的方式设置并刻有用于使气体或液体燃料等流体流过的流路的导电性的隔膜。向负极直接供给未改性的有机液体燃料，向正极供给含有氧的空气。在燃料电池装置(100)的一方的侧面的上部，设有空气入口(120)及燃料出口(126)，在相反一侧的侧面的下部，设有空气出口(122)及燃料入口(124)。本发明的燃料电池装置，小型且轻量。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池装置，特别涉及一种利用了有机液体燃料的燃料电池装置。
背景技术
作为燃料电池的一种形态，近年来，直接型甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell：DMFC)受到关注。DMFC是不对作为燃料的甲醇进行改性而直接向负极供给，利用甲醇和氧的电化学反应获得电能的电池。甲醇与氢相比，由于每单位体积的能量更高，而且适于贮藏，爆炸等的危险性更小，因此被期待用于汽车或携带机器等的电源中(例如参照专利文献1)。
[专利文献1]特开2002-56856号公报
[专利文献2]特开2001-135343号公报
在将燃料电池作为携带机器的电源利用时，需要燃料电池的进一步的小型化及轻量化。本发明人等为了尽可能将燃料电池小型化及轻量化，从各种角度设想了改良燃料电池的技术。具体来说，开发了通过提高每个单元电池(cell)的发电效率来减少电池组(stack)内的单元电池数而将燃料电池小型化及轻量化的技术。另外，开发了通过将用于紧固电池组的构造小型化及轻量化而将燃料电池小型化及轻量化的技术。
发明内容
鉴于此种情况，本发明的目的在于，提供实现燃料电池装置的小型化或轻量化的技术。
本发明的一个方式涉及燃料电池装置。该燃料电池装置的特征是，具有沿上下方向层叠了多个包括一对电极层、插设于所述电极层中的反应层的单元电池的构造，使所述单元电池的上侧的所述电极层作为负极发挥作用，使所述单元电池的下侧的所述电极层作为正极发挥作用。也可以分别向所述负极供给有机液体燃料，向所述正极供给氧。上侧的负极中，由于在流路中，有机液体燃料向下，生成的二氧化碳向上，被气液分离，因此可以有效地使有机液体燃料与电极层接触。另外，下侧的正极中，由于在流路中，氧向上，生成的水向下，被气液分离，因此可以有效地使氧与电极层接触。这样就可以提高发电效率，进而可以有助于燃料电池装置的小型化、轻量化。
本发明的另一个方式也涉及燃料电池装置。该燃料电池装置的特征是，包括：具有层叠了多个包括一对电极层、插设于所述电极层中的反应层的单元电池的构造的电池组；用于向所述多个单元电池供给有机液体燃料的第1岐管(manifold)；用于排出向所述多个单元电池供给的有机液体燃料的第2岐管；设于所述第2岐管的上部的有机液体燃料的排出口。也可以还包括设于所述第1岐管的下部的有机液体燃料的供给口。通过在上部设置有机液体燃料的排出口，就可以有效地将在出口侧的第2岐管中被气液分离的生成气体排出。这样，就可以提高发电效率，进而可以有助于燃料电池装置的小型化、轻量化。
本发明的另一个方式也涉及燃料电池装置。该燃料电池装置的特征是，包括具有层叠了多个包括一对电极层、插设于所述电极层中的反应层的单元电池的构造的电池组；用于向所述多个单元电池供给含有氧的气体的第1岐管；用于排出向所述多个单元电池供给的含有氧的气体的第2岐管；设于所述第2岐管的下部的含有氧的气体的排出口。也可以还包括设于所述第1岐管的上部的含有氧的气体的供给口。通过在下部设置含有氧的气体的排出口，就可以有效地将在出口侧的第2岐管中被气液分离的生成水排出。这样，就可以提高发电效率，进而可以有助于燃料电池装置的小型化、轻量化。
本发明的另一个方式也涉及燃料电池装置。该燃料电池装置的特征是，包括一对电极层、插设于所述电极层中的反应层、与所述电极层的所述反应层相反一侧相邻设置的一对隔膜，在负极侧的与所述电极层相邻的隔膜中，设有向所述负极供给的有机液体燃料的流路，与和有机液体燃料的供给口接近的上游侧的所述流路的宽度相比，和排出口接近的下游侧的所述流路的宽度更窄。通过使反应活性高的上游侧的流路的面积比反应活性低的下游侧的流路的面积更大，就可以提高作为单元电池整体的发电效率，进而可以有助于燃料电池装置的小型化、轻量化。
本发明的另一个方式也涉及燃料电池装置。该燃料电池装置的特征是，包括：具有层叠了多个包括一对电极层、插设于所述电极层中的反应层的单元电池的构造的电池组；设于所述电池组的两侧的一对端板；用于紧固所述电池组的带子(band)，并且在所述端板上，设有用于紧固所述带子的紧固部。通过在端板的自由空间上设置紧固部，就可以将燃料电池装置小型化、轻量化。
该燃料电池装置也可以包括2条所述带子，并将用于紧固一方的带子的所述紧固部和用于紧固另一方的带子的所述紧固部设于不同的端板上。通过将2条带子交错地紧固，就可以均匀地紧固电池组整体。这样就可以提高发电效率，进而有助于燃料电池装置的小型化、轻量化。另外可以防止，因由不均匀的紧固引起的集中的反应的进行电极层和反应层发生老化。为了使所述带子具有弹性，也可以在所述带子上设置折皱构造或切口构造。这样就可以减轻带子的松弛。
所述紧固部也可以包括用于固定所述带子的两端的一对固定部、用于使所述固定部沿着与所述单元电池的层叠方向近似垂直的方向移动而将所述带子紧固的移动部。这样就可以将紧固部小型化，进而可以有助于燃料电池装置的小型化、轻量化。
本发明的另一个方式也涉及燃料电池装置。该燃料电池装置的特征是，包括：具有层叠了多个包括一对电极层、插设于所述电极层中的反应层的单元电池的构造的电池组；设于所述电池组的两侧的一对端板，并且在所述端板上，设有向所述电极层供给的流体的出入口、将用于向所述单元电池供给所述流体或者从所述单元电池中排出所述流体的岐管与所述出入口连接的流路。通过在端板的自由空间上设置连接岐管和出入口的流路，就可以将燃料电池装置小型化及轻量化。所述出入口的宽度比所述岐管的宽度更窄，所述流路也可以具有从所述出入口向所述岐管平滑地变宽的形状。通过将具有不同宽度的岐管和出入口平滑地连接，就可以使流体顺利地流过。
而且，以上的构成要素的任意的组合、将本发明的表现形式在方法、装置、系统等之间变换的也作为本发明的方式有效。
根据本发明，可以提供将燃料电池装置小型化或轻量化的技术。
附图说明
图1是概略性地表示实施方式的燃料电池装置的外观的图。
图2(a)、(b)、(c)分别是图1所示的燃料电池装置的俯视图、主视图及侧视图。
图3是表示MEA和燃料及空气的流路的关系的图。
图4(a)是表示电池组内的空气的流路的图，图4(b)是表示电池组内的有机液体燃料的流路的图。
图5是表示刻在隔膜中的液体燃料的流路的图。
图6是表示端板的构造的图。
图7是用于说明利用带子紧固电池组的方法的图。
图8是表示将带子的端部固定在紧固块上的状态的图。
图9(a)、(b)是表示带子的其他的例子的图。
其中，100-燃料电池装置，110-电池组，112a、112b、114a、114b-岐管，118-隔膜，120-空气入口，122-空气出口，124-燃料入口，126-燃料出口，130-流路，132-棱，140a、140b-端板，142、144-流路，150a、150b-带子，152a、152b-紧固块，154a、154b-螺栓，156绝缘部
具体实施方式
图1概略性地表示实施方式的燃料电池装置100的外观。燃料电池装置100具有如下的构造，即，在沿上下方向层叠了多个被近似水平配置的单元电池的电池组的两端，配置端板140a及140b，利用2条带子150a及150b来紧固。各个单元电池包括膜电极接合体(Membrane ElectrodeAssembly：以下表述为「MEA」)和导电性隔膜，所述膜电极接合体包括一对正极层和负极层和作为被插设于它们之间的反应层的一个例子的Nafion(注册商标)等具有氢离子传导性的固体高分子电解质膜，所述导电性隔膜被按照夹持MEA的方式设置并刻有用于使气体或液体燃料等流体流过的流路。在MEA和隔膜之间，也可以设置用于使气体或液体燃料在膜上均匀地扩散的扩散层。在本实施方式的燃料电池装置100中，向负极直接供给甲醇、乙醇等醇类或醚类等未改性的有机液体燃料，向正极供给含有氧的空气。在燃料电池装置100的一方的侧面的上部，设有空气入口120及燃料出口126，在相反一侧的侧面的下部，设有空气出口122及燃料入口124。
图2(a)、(b)、(c)分别是图1所示的燃料电池装置100的俯视图、主视图及侧视图。带子150a两端分别被固定在设于燃料电池装置100的上表面的紧固块152a及152a’上，并用螺栓154a紧固。带子150b两端分别被固定在设于燃料电池装置100的下表面的紧固块152b及152b’上，并用螺栓154b紧固。通过像这样将2条带子150a及150b上下交错地紧固，则如后述所示，可以均匀地紧固电池组。如图1所示那样配置了燃料电池装置100时，朝向上侧的端板140a的侧面，在右侧设有空气入口120，在左侧设有燃料出口126。另外，如图1所示那样配置了燃料电池装置100时，朝向下侧的端板140b的侧面，在右侧设有空气出口122，在左侧设有燃料入口124。
图3表示MEA和燃料及空气的流路的关系。本实施方式的燃料电池装置100的电池组具有将水平配置的MEA116沿上下方向平堆的构造，向MEA116的上侧供给液体燃料，向下侧供给空气。即，MEA116的上侧成为负极，下侧成为正极。在负极侧，由于甲醇等有机液体燃料和水反应生成二氧化碳和氢离子，因此在有机液体燃料的流路中，越向下游侧行进，就会含有越多的二氧化碳，从而产生有机液体燃料和MEA116的接触效率降低的可能。但是，通过像本实施方式那样，将MEA116的上侧设为负极，由于在流路及扩散层中，生成的二氧化碳向上方，有机液体燃料向下方，被气液分离，因此，即使在流路的下游侧，也可以使有机液体燃料有效地与MEA116接触。这样就可以提高发电效率。另外，在正极侧，虽然空气中的氧气和氢离子反应生成水，但是通过将MEA116的下侧设为正极，由于在流路及扩散层中，生成的水向下方，空气向上方，被气液分离，因此，即使在下游侧的流路中，也可以有效地使空气与MEA116接触。这样就可以提高发电效率。
图4(a)表示电池组内的空气的流路，图4(b)表示电池组内的有机液体燃料的流路。图4(a)与图2(a)的AA’剖面对应，图4(b)与图2(b)的BB’剖面对应。如图4(a)所示，空气入口120被设于燃料电池装置100的侧面上部，空气出口122被设于相反一侧的侧面下部。空气102从空气入口120经过入口侧岐管112a向电池组110的各个单元电池供给。在各个单元电池中产生的水104和未反应的空气102在出口侧岐管112b中被气液分离，从空气出口122被排出。通过像这样将出口侧岐管112b还作为气液分离槽使用，就可以简化构成，有助于装置的小型化及轻量化。另外，通过将空气出口122配置在下方，可以促进生成的水的排出，从而可以有助于发电效率的提高。
另外，如图4(b)所示，燃料入口124被设于燃料电池装置100的侧面下部，燃料出口126被设于相反一侧的侧面上部。有机液体燃料106从燃料入口124经过入口侧岐管114a，向电池组110的各个单元电池供给。在各个单元电池中产生的二氧化碳108和未反应的有机液体燃料106在出口侧岐管114b中被气液分离，从燃料出口126被排出。通过像这样将出口侧岐管114b还作为气液分离槽使用，就可以简化构成，有助于装置的小型化及轻量化。另外，通过将燃料出口126配置在上方，可以促进生成的二氧化碳的排出，从而可以有助于发电效率的提高。
图5表示刻在隔膜中的液体燃料的流路。有机液体燃料从入口侧岐管114a向各单元电池供给，穿过刻在隔膜118中的流路130，经过出口侧岐管114b被排出。在流路130的下游侧，有机液体燃料被电池反应消耗，与上游侧相比，浓度变得更稀，同时由于生成气体的比例增加，因此反应活性变差，发电效率差。所以，在反应活性高的上游侧，通过增宽流路的宽度，增大流路的面积，使发电效率提高，另一方面，在反应活性低的下游侧，通过减小流路的宽度，缩小流路的面积，提高流速，促进生成的二氧化碳的排出。这样就可以提高作为单元电池整体的发电效率。担负集电功能的棱132的宽度既可以如图5所示为一定值，也可以朝向下游缓慢变窄。有机液体燃料的流路及棱的宽度最好考虑单元电池整体的发电效率和集电性来设置。
图6表示端板的构造。图6中，表示将图1及图2所示的燃料电池装置100的构成中的带子150b取下而使上侧的端板140a的右侧半面露出的状态。在上侧的端板140a的图6的左侧半面中，设有用于紧固带子150a的紧固部，具体来说，设有作为固定部的一个例子的紧固块152a及152a’、作为移动部的一个例子的螺栓154a。另外，在右侧半面上，设有连接空气入口120和空气的入口侧岐管112a的流路142、连接燃料的出口侧岐管114b和燃料出口126的流路144。流路142具有从空气入口120的宽度向空气的入口侧岐管112a的宽度平滑地变宽的形状。不是从空气入口120向空气的入口侧岐管112a直接导入空气，而可以通过借助流路142，跨越岐管112a的全宽均匀地供给空气。同样，流路144具有从燃料的出口侧岐管114b的宽度向燃料出口126的宽度平滑地变窄的形状。不是从燃料的出口侧岐管114b向燃料出口126直接排出燃料，而可以通过借助流路144，将流体顺利地排出。
虽然未图示，但是同样地，在下侧的端板140b上，在图6的右侧半面，设有用于紧固带子150b的紧固块152b及152b’及螺栓154b，在左侧半面，设有连接空气的出口侧岐管112b和空气出口122的流路、连接燃料入口124和燃料的入口侧岐管114a的流路。这些流路分别具有与流路142及144相同的形状，发挥使流体顺利地流过的作用。
本实施方式中，将用于紧固带子150的构成、液体燃料及空气的出入口及连接它们和岐管的流路设于为了向电池组施加面压力而配置的端板140a及140b上。这样就可以将燃料电池装置100小型化及轻量化。为了实现图4及图5所示的流路，燃料及空气的出入口被设于上侧的端板140a的右侧半面及下侧的端板140b的左侧半面上。所以，通过将2条带子150a及150b的紧固块152设于上侧的端板140a的左侧半面及下侧的端板140b的右侧半面上，就可以有效地利用自由空间，将燃料电池装置100小型化及轻量化。通过像这样将带子150的紧固块152上下交错地设置，还可以如后述所示，获得可以将电池组均匀地紧固的另外的效果。端板140a的与带子150a的接触的角形成带有圆角的形状。这样，在将带子150牢固地紧固时，就可以减少带子150破损的可能性。
图7是用于说明利用带子紧固电池组的方法的图。本实施方式中，通过利用端板140及带子150紧固层叠了单元电池的电池组，可以向各单元电池的电极和高分子膜之间施加特定的面压力。这样，就可以确保燃料和空气的密封，同时，还可以使电极和隔膜密接而降低阻抗。但是，当施加在单元电池上的面压力不均匀时，在面压力较强的部分会产生隔膜的破损，在面压力较弱的部分会产生阻抗的增加、燃料或空气的泄漏。所以，向各单元电池施加均匀的面压力十分重要。本实施方式中，通过利用2条带子150a及150b将被2片端板140a及140b夹持的电池组上下交错地紧固，向各单元电池施加均匀的面压力。
首先，将带子150a的两端分别如图8所示卷绕在紧固块152a及152a’上而固定。此后，转动螺栓154a，使紧固块152a及152a’向相互接近的方向(图7中箭头的方向)移动，将带子150a紧固至达到特定的压力。当紧固至达到20kgf/cm2左右的面压力时即可。同样，将带子150b的两端卷绕在紧固块152b及152b’上而固定，转动螺栓154紧固。通过将带子150a的紧固块152a及152a’交错地设于上侧的端板140a上，将带子150b的紧固块152b及152b’交错地设于下侧的端板140b上，就可以将整体均匀地紧固。
根据本实施方式的紧固方法，与专利文献2中公布的紧固方法不同，紧固块152的紧固方向(图7中的箭头X的方向)与电池组的层叠方向(图7中的箭头Y的方向)近似垂直。这样，就可以将用于紧固电池组的构成置于端板140的面内，从而可以有助于燃料电池装置100整体的小型化及轻量化。
本实施方式中，虽然由于利用不锈钢构成带子150，因此设有由特氟龙(注册商标)薄片或绝缘橡胶等构成的绝缘部156，但是在其他的例子中，也可以利用特氟龙薄片或绝缘橡胶等构成带子150，此时，不用设置绝缘部156。
图9(a)、(b)表示带子150的其他的例子。图9(a)表示为了使带子150具有弹性而设置了折皱的例子。图9(b)表示为了使带子150具有弹性而设置了切口的例子。通过像这样使带子150具有弹性，就可以保持带子150的紧固的张力，减轻松弛。作为其他的例子，也可以将带子150自身用橡胶等弹性体来构成。
以上以实施方式为基础对本发明进行了说明。该实施方式为示例，在这些各构成要素和各处理工序的组合中可以有各种变形例，另外，这样的变形例也属于本发明的范围中，这对本领域的技术人员来说是可以理解的。

Claims (8)

1.一种燃料电池装置，其特征是，包括沿着上下方向层叠多个单元电池而形成的电池组，所述单元电池包括一对电极层、插设于所述电极层中的反应层，
使所述单元电池的上侧的所述电极层作为负极，使所述单元电池的下侧的所述电极层作为正极。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征是，分别向所述负极供给有机液体燃料，向所述正极供给氧。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征是，还包括：
用于向所述多个单元电池供给有机液体燃料的第1岐管；
用于排出向所述多个单元电池供给的有机液体燃料的第2岐管；
设于所述第2岐管的上部的有机液体燃料的排出口。
4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征是，还包括设于所述第1岐管的下部的有机液体燃料的供给口。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池装置，其特征是，所述第2岐管作为气液分离槽发挥作用。
6.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征是，所述单元电池还包括与所述电极层的所述反应层相反一侧相邻设置的一对隔膜，
在负极侧的与所述电极层相邻的隔膜中，设有向所述负极供给的有机液体燃料的流路，
与和有机液体燃料的供给口接近的上游侧的所述流路的宽度相比，和排出口接近的下游侧的所述流路的宽度更窄。
7.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征是，还包括：
设于所述电池组的两侧的一对端板，
在所述端板上，设有向所述电极层供给的流体的出入口、将用于向所述单元电池供给所述流体或者从所述单元电池中排出所述流体的岐管与所述出入口连接的流路。
8.根据权利要求7所述的燃料电池装置，其特征是，所述出入口的宽度比所述岐管的宽度更窄，所述流路具有从所述出入口向所述岐管平滑地变宽的形状。
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