CN1604374A - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

在一种燃料电池的外壳内设置有起电单元(52)、燃料箱、燃料经由其在该起电单元与该燃料箱之间流通的阳极通道、把空气供应给该起电单元的空气供应部、以及经由其排出该起电单元的产物的阴极通道。该阴极通道具有：第一通道(72a)，其自起电单元(52)起延伸；支流通道(72b)，其从第一通道中分出；储槽部(72c)，其与第一通道和支流通道的各个底端连通，且储存自该第一通道排出的水和在该支流通道内冷凝的水；以及回收通道(72d)，其把储存在储槽部内的水导入到燃料箱中。散热器部设置在支流通道上。

Description

燃料电池

发明领域

本发明涉及一种可用作电子设备或其类似物的电源的燃料电池。

发明背景

目前，蓄电池例如锂离子电池主要用作电子设备例如便携式笔记本个人计算机(以下称为笔记本PC)、移动装置等的电源。这些现代电子设备具有逐渐增强的功能，且需要更多的能量消耗和更长的操作时间。为满足这些需要，希望不需要充电的小型、高输出燃料电池作为新型电源。存在各种类型的燃料电池。特别的，采用甲醇溶液作为其燃料的直接甲醇燃料电池(以下称为DMFC)优于采用氢作为其燃料的燃料电池之处在于：易于储运燃料且结构简单。因此，DMFC是目前颇受瞩目的电子设备用电源。

通常，DMFC具有一种用于容纳燃料箱、混合箱、液泵、气泵等的容器。燃料箱容纳高浓度甲醇。燃料箱内的甲醇在混合箱内用水稀释。液泵把该在混合箱内稀释的甲醇压力输送给一种起电单元。利用气泵给起电单元供应空气。起电单元具有阳极和阴极。通过分别把经稀释甲醇和空气输送给阳极和阴极侧，基于化学反应产生能量。如此，该起电单元由于化学变化产生的反应热而被加热至高温。通常，燃料电池产生的热量与其产生的电量成正比。

依照例如日本专利申请公开文献特开平No.7-6777中描述的一种燃料电池，由发电产生的热经由起电单元的表面以及阳极和阴极通道排放到容器内。利用安装在该容器内表面上的冷却风扇或鼓风机排出容器内的空气以通风换气。由此，维持燃料电池在预期操作温度，温度不会过度升高。

作为在上述燃料电池中由发电得到的反应产物，分别在阳极和阴极侧生成二氧化碳和水。如前所提到的，发电产生的热经由阳极和阴极通道排出。但是，作为反应产物的一些水也以蒸汽形式排放到燃料电池的容器内。如果利用经由阴极通道排出的蒸汽冷却燃料电池，水将逐渐转化为蒸汽并减少，这样就不能满意地确保用于发电反应的必要水。结果，尽管还存在残余燃料，燃料电池的发电量却不可避免地降低。

发明概述

本发明是考虑到这些情况做出的，其目的是提供一种可以长期、稳定发电的燃料电池。

依照本发明一方面的一种燃料电池包括：外壳；起电单元，其位于该外壳内且基于化学反应产生能量；燃料箱，其位于该外壳内且容纳燃料；阳极通道，燃料经由该阳极通道在起电单元与燃料箱之间流通；空气供应部，其给起电单元供应空气；阴极通道，其与起电单元连接，且该起电单元的产物经由该阴极通道排出；以及散热器部，其位于阴极通道内。

阴极通道具有：第一通道，其自起电单元起延伸；多个支流通道，它们从该第一通道中分出；储槽部，其与该第一通道和支流通道的各个底端连通，且储存自该第一通道排出的水和在该支流通道内冷凝的水；以及回收通道，其把储存在该储槽部内的水导入燃料箱，散热器部对应于支流通道设置。

依照这种方式设置的燃料电池，可提供一种能够防止用于发电的必要水短缺、从而确保可靠发电的燃料电池。

本发明的其它优点将在以下说明书中详述，部分优点将自该说明书显而易见或者可通过实施本发明认识到。通过以下特别指出的工具和组合可实现并获得本发明优点。

附图的简要说明

包含在本说明书内且构成本说明书一部分的附图表示了本发明的实施例，该附图与以上给出的概述和以下给出的实施例的详细描述一起用于说明本发明的原理。

图1是表示依据本发明一种实施例的一种燃料电池的透视图；

图2是表示与个人计算机连接的该燃料电池的透视图；

图3是表示该燃料电池与个人计算机的剖视图；

图4是表示该燃料电池内部的透视图；

图5是表示局部剖开的该燃料电池的平面图；

图6是示意性表示该燃料电池的发电器部的示图；

图7是代表性表示该燃料电池的一种起电单元的单元结构的示图；

图8是代表性表示该燃料电池的阴极通道和阴极冷却器的示图；

图9A，9B和9C是表示阴极通道内的水位、冷却风扇的驱动电压以及回收泵的驱动电压之间关系的图表；以及

图10是示意性表示依照本发明另一实施例的一种燃料电池的发电器部的示图。

优选实施例的详细描述

现在将参照附图详细描述依照本发明实施例的燃料电池。

如图1-3所示，一种燃料电池10由采用甲醇作为液体燃料的DMFC组成。其可用作电子设备例如个人计算机11的电源。

燃料电池10具有外壳12。该外壳12具有水平延伸的基本棱柱形主体14以及自该主体起延伸的承载部16。该承载部16是一种可承载个人计算机11的后部于其上的平面矩形构件。主体14容纳构成一种发电器部(以下将要提到)的燃料箱、起电单元、混合箱等。控制部29、用于锁定计算机11的锁定机构等设置在承载部16内。

如图1-3所示，主体14具有平面底壁18a、顶壁18b、前壁18c、后壁18d以及一对侧壁18e。底壁18a与承载部16的底壁结合为一整体。顶壁18b基本平行于底壁18a延伸。前壁18c位于壁18a与18b之间。每个侧壁18e都具有向外凸出的曲面。大量孔20形成在前壁18c内。对应于孔20的位置，大量孔21形成在后壁18d内。主体14的一个侧壁18e具有用作排气孔的大量孔22。支脚24设置在底壁18a的外表面上。用于指示燃料电池10的操作状态的指示器23设置在主体14的顶壁18b的前端部上。

承载部16具有一自主体14的前壁18c的下端部起向前延伸的平坦顶壁26。该顶壁26以一定间距地面向底壁18a的前半部，且相对于主体侧略微倾斜地延伸。顶壁26形成了一其上可放置个人计算机11的支承面26a。

如图1-4所示，承载部16容纳用于控制发电器部(以下将要提到)操作的控制部29。该控制部29具有一种位于承载部16内的控制电路板30，且基本平行于顶壁26延伸。包括半导体设备28和连接器32在内的电子部件安装在电路板30上。连接器32位于承载部16中央内的主体14附近，且经由顶壁26从支承面26a中伸出。控制部29具有一用于驱动发电器部的电源(未表示)。

承载部16容纳一构成锁定机构且可沿宽度方向移动的锁定板34。三个例如钩状件38竖立在锁定板34上且经由顶壁25从支承面26a中伸出。一种弹出控制杆36位于承载部16内，该弹出控制杆36朝向一种释放位置移动锁定板34及钩状件38。一种用于控制该弹出控制杆36的弹出按钮40提供在承载部16的一个侧缘上。定位凸起41形成在支承面26a上的钩状件38的附近。

如图3所示，利用竖立在底壁18a上的隔壁42分隔容纳控制电路板30的承载部16的内部与发电器部位于其内的主体14的内部。隔壁42具有槽口(未表示)，用于电连接该发电器部和电路板30的导线穿过该槽口。

如图2和3所示，通过利用定位凸起41进行定位的方式将个人计算机11的后端部放置在承载部16的支承面26a上。计算机11与钩状件38啮合，并锁定在安装位置。计算机11的一种连接器(未表示)与承载部16的连接器32机械连接且电连接。由此，燃料电池10和个人计算机11相互机械地连接且电连接。

如图4-6所示，发电器部包括位于主体14一侧上的燃料箱50、位于该主体中央部的起电单元52、以及位于该主体另一侧上的混合箱54。起电单元52基于化学反应产生电能。燃料箱50容纳作为液体燃料的高浓度甲醇。箱50形成为一种可安装到主体14上且可从该主体14上拆下的盒体。主体14的一个侧部形成为一种盖51，在安装或折下箱50时，可移除该盖51。燃料箱50经由一种燃料供应管路(未表示)与混合箱54连接。在该燃料供应管路中，设置有把燃料从燃料箱输送至混合箱的第一液泵56。

如图7所示，起电单元52是通过叠置多个单元形成的。每个单元都由阳极(燃料电极)58a、阴极(空气电极)58b、以及位于该电极之间的电解质膜60组成。大量冷却片61围绕着起电单元52布置。

如图4-6所示，主体14容纳一气泵64，该气泵64经由气阀63给起电单元52的阴极58b供应空气。气泵64构成了一空气供应部。燃料供应管66a和燃料回收管66b连接在起电单元52与混合箱54之间。它们形成了阳极通道，燃料经由该阳极通道在起电单元52的阳极58b与混合箱54之间流通。燃料供应管66a与第二液泵68连接，该第二液泵68把燃料从混合箱54输送至起电单元52。燃料回收管66b具有一气液分离器65，用于分离自起电单元52排出的燃料和经由化学反应产生的二氧化碳。大量垂直延伸的散热片69环绕着燃料供应管66a和燃料回收管66b安装，并构成了一阳极冷却器70。主体14的后壁18d内的孔21与该阳极冷却器70相对。

如图3-8所示，一排出管72与起动单元52连接且限定了一阴极通道，发电器的产物和空气经由该阴极通道排出。阴极通道具有第一通道72a、支流通道72b、储槽部72c、回收通道72d以及第二通道72e。第一通道72a自起电单元52起延伸。支流通道72b从第一通道72a中分出并沿着与水平方向成一定角度的方向延伸。储槽部72c与第一通道72a及支流通道72b的各个底端连通。其储存自第一通道72a排出的水和支流通道72b内冷凝的水。回收通道72d把储存在储槽部72c内的水引入混合箱54。第二通道72e与支流通道72b的各个顶端连通。在本实施例中，支流通道72b沿垂直方向独立地延伸。

回收通道72d具有一把储槽部72c内的水供应给混合箱54的回收泵76。一检测储槽部内的水位的水位检测器77位于该储槽部72c内。

大量水平延伸的散热器片74环绕着形成支流通道72b的排出管72安装，且构成了阴极冷却器75。包括支流通道72b的阴极冷却器75与阳极冷却器70相对且两者之间存在一定间隙。第二通道72e基本水平延伸且具有一排气口78，该排气口78位于主体14的孔22附近且朝向该孔22敞开。在第二通道72e内，一排气阀80位于排气口78附近。此外，第二通道72e具有一排气管81，该排气管81把经由气液分离器65分离的二氧化碳引入第二通道72e。形成在主体14的前壁18c内的孔20与阴极冷却器75相对。

在主体14中，一由离心式风扇形成的冷却风扇82设置在阳极冷却器70与阴极冷却器75之间且与它们相对。这样放置冷却风扇82，使其叶片的转轴基本水平延伸且基本垂直于阳极和阴极冷却器70和75。如自图8显而易见的，冷却风扇82具有罩住叶片的壳体。该壳体具有与阳极和阴极冷却器70和75相对的入口84以及沿着与叶片转动方向相切的方向敞开的两个排气口86a和86b。排气口86a朝向主体14的孔22敞开，另一排气口86b朝向起电单元52敞开。

此外，发电器部具有一浓度传感器88和一浓度检测泵85，传感器88检测混合箱54内的燃料浓度，泵85使混合箱内的燃料通过该传感器循环。

设置在主体14内且构成该发电器部的第一和第二液泵56和68、气泵65、回收泵76、浓度检测泵85、气阀63、排气阀80以及冷却风扇82与控制电路板30电连接且利用该电路板控制它们。水位检测器77和浓度传感器88与控制电路板30连接，且将它们各自的检测信号发送给该电路板。连接这些电子部件、传感器及控制电路板30的导线(未表示)经由弹性部42内的槽口自主体14的内部拉出至承载部16内。

如果将按照这种方式构成的燃料电池10用作个人计算机11的电源，则首先将该计算机的后端部放置到该燃料电池的承载部16上、锁定在适当位置、并经由连接器32与该燃料电池电连接。在这种状态下，启动燃料电池10的发电器。在这种情况下，甲醇经由第一液泵56从燃料箱50供应给混合箱54，并利用从起电单元52流回的作为溶剂的水稀释至一给定浓度。利用第二液泵68把在混合箱54内稀释的甲醇经由阳极通道供应给起电单元52的阳极58a。另一方面，利用气泵64把空气供应给起电单元52的阴极58b。如图7所示，所供给的甲醇和空气在阳极58a和阴极58b之间的电解质膜60中发生化学反应。由此，在阳极58a和阴极58b之间产生电能。所生成的电能经由控制电路板30和连接器32供应给个人计算机11。

随着发电反应的继续进行，分别在起电单元52的阳极58a和阴极58b侧生成作为反应产物的二氧化碳和水。将形成在阳极侧上的二氧化碳和甲醇送入气液分离器65，并在该气液分离器65内进行气液分离。随后，经由排气管81把二氧化碳输送至阴极通道。甲醇经由阳极通道返回至混合箱54。

如图6和8所示，在阴极58b侧上生成的绝大多数水都转化为蒸汽，该蒸汽与空气一起排入阴极通道。所排出的水和蒸汽经过第一通道72a，水输送至储槽部72c。蒸汽和空气经由支流通道72b向上流至第二通道72e。如此，流过支流通道72b的蒸汽就被阴极冷却器75冷却并冷凝。冷凝生成的水在重力作用下沿着支流通道72b向下流动，并回收到储槽部72c中。回收到储槽部72c中的水经由回收泵76输送至混合箱54、与甲醇混合、然后再次输送给起电单元52。

输送至第二通道72e的一些空气和蒸汽穿过排气阀80，经由排气口78排入主体14中，并进一步经由该主体的孔22排至外部。从起电单元52的阳极侧排出的二氧化碳穿过第二通道72e，经由排气口78排入主体14中，并进一步经由该主体的孔22排至外部。

在燃料电池10工作的同时，启动冷却风扇82，借此经由主体中的孔20和21把外部空气引入该主体14内。如图6和8所示，经由孔20引入主体14内的外部空气以及该主体14内的空气传送过阴极冷却器75并冷却该阴极冷却器75，然后经由用于冷却风扇82的另外的入口84被吸入风扇壳体内。

吸入风扇壳体内的空气经由排气口86a和86b排到主体14内。经由排气口86a排出的空气通过主体14，并经由孔22排到外部。如此，经由排气口86a排出的空气就与经由阴极通道的排气口78排出的空气、蒸汽和二氧化碳混合。所得到的混合物经由孔22排到主体外部。经由排气口86b排出的空气在冷却起电单元52及其周围以后从主体14排出。

利用浓度传感器88检测混合箱54内的甲醇浓度。控制部29依据所检测到的浓度驱动回收泵76，以把储槽部72c内的水送入箱54中，从而维持甲醇浓度恒定。依据回收到储槽部72c中的水位控制阴极冷却器75的冷却能力，由此调整阴极通道内的水回收量或蒸汽冷凝量。在这种情况中，依据水位检测器77检测的水位来控制冷却风扇82的驱动电压，由此调节冷却器75的冷却能力以调整水回收量。

如图9A和9B所示，当回收到储槽部72c内的水位到达一给定下限值时，控制部29由低(例如，2V)至高(例如，5V)切换冷却风扇82的驱动电压，以增大该风扇82和阴极冷却器75的冷却能力。此外，当回收到储槽部72c内的水位到达一给定上限值时，控制部29由高至低切换风扇82的驱动电压，以减小该风扇82和冷却器75的冷却能力。由此，调节阴极通道内的水回收量，从而维持储槽部72c内的水量在给定范围内。

控制部29依据回收到储槽部72c内的水位控制回收泵76的流率，由此维持储槽部72c内的水量在给定范围内。更特别的，如图9A和9C所示，当储槽部72c内的水位到达一给定下限值时，控制部29由高(例如，5V)至低(例如，2V)切换回收泵76的驱动电压，以减慢该泵76的流率。此外，当回收到储槽部72c内的水位到达一给定上限值时，控制部29由低至高切换泵76的驱动电压，以加快该泵76的流率。由此，维持储槽部72c内的水量在给定范围内。选择性的，可依据回收泵76的驱动频率控制该泵76的流率。

依据这种方式构成的燃料电池10，阴极通道被划分为多个支流通道，并利用阴极冷却器冷却该支流通道。通过这样，可有效回收从起电单元排出的水，并再利用于发电反应。相应的，能够解决水短缺问题，并将预期浓度的燃料供应给起电单元52。于是，所得到的燃料电池能够稳定地发电。通过调节阴极冷却器75的冷却能力来控制水回收量，可维持预期的水量以稳定发电。

此外，依据本实施例，来自冷却风扇82的排出空气与来自阴极通道的排出空气混合，并排至主体14的外部。由于来自阴极通道的排出空气包含某些湿气，因此可能围绕主体14的孔22形成水滴。但是，通过使来自阴极通道的空气与来自风扇82的排出空气混合，可以减少该湿气以阻止形成水滴。由此，可防止归因于水滴的故障，以确保高可靠性的燃料电池。

本发明并不完全限于上述实施例，在实施本发明时，可改变及具体化其部件，而不脱离本发明的范围或实质。此外，通过适当组合与上述实施例相关的多个部件，可作出各种发明。例如，可省略依据上述实施例的某些部件。此外，可按照需要组合不同实施例的部件。

依照上述实施例，发电器部包括按所述顺序设置的燃料箱50、起电单元52、阳极和阴极冷却器70和75及混合箱54。但是，可按照需要以不同方式改变此排列顺序。例如，起电单元52、阳极和阴极冷却器70和75、混合箱54和燃料箱50可按照所述顺序排列在主体14内，如图10所示。在这种情况中，混合箱54和燃料箱50相互连接，从而提高燃料供应的效率。图10所示燃料电池10的其它构造与依据前述实施例的构造相同。因此，采用相同参照数字指示两种燃料电池的相同部分，并省略对这些部分的重复描述。

在前述实施例中，发电器部具有燃料箱和混合箱。但选择性的，可省略混合箱，而燃料箱同时用作混合箱。在本发明中，燃料箱是一种容纳并供应燃料的容器，包含燃料箱和/或混合箱。

依照本发明的燃料电池并不限于用在上述个人计算机中，还可用作任何其它电子设备例如移动设备、便携式终端等的电源。该燃料电池并不限于DMFC，可以是任何其它类型，例如PEFC(聚合物电解质燃料电池)。冷却风扇并不限于离心式风扇，选择性地其可为轴流式风扇。

Claims (9)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括：

外壳；

起电单元，其位于所述外壳内且基于化学反应产生能量；

燃料箱，其位于所述外壳内且容纳燃料；

阳极通道，所述燃料经由所述阳极通道在所述起电单元与所述燃料箱之间流通；

空气供应部，其给所述起电单元供应空气；

阴极通道，其与所述起电单元连接，所述起电单元的产物经由所述阴极通道排出；以及

散热器部，其位于所述阴极通道内；

所述阴极通道具有：第一通道，该第一通道自所述起电单元延伸；多个支流通道，该支流通道从所述第一通道中分出；储槽部，其与所述第一通道和所述支流通道的各个底端连通，且储存自所述第一通道排出的水和在所述支流通道内冷凝的水；以及回收通道，其把储存在所述储槽部内的所述水导入所述燃料箱中，

所述散热器部对应于所述支流通道设置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，还包括使冷却空气通过所述散热器部流通的冷却风扇。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述支流通道沿着与水平方向成一定角度的方向延伸。

4.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述外壳具有排气孔，所述阴极通道具有在所述排气孔附近通向所述外壳的排气口，以及这样设置所述冷却风扇，从而使来自所述冷却风扇的排出空气与来自所述阴极通道的所述排气口的排出空气混合并经由所述排气孔排至所述外壳的外部。

5.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，还包括一水位检测器，其位于所述储槽部内且检测所述储槽部内的水位，以及一依据由所述水位检测器检测的水位来控制所述冷却风扇的驱动的控制部。

6.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，还包括一位于所述储槽部内且检测所述储槽部内的水位的水位检测器，以及一依据由所述水位检测器检测的水位来控制所述冷却风扇的驱动、从而维持所述储槽部内的水位处于给定范围内的控制部。

7.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，还包括一位于所述阴极通道的所述回收通道内且把储存在所述储槽部内的水输送给所述燃料箱的回收泵。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，还包括一位于所述储槽部内且检测所述储槽部内的水位的水位检测器，以及一依据由所述水位检测器检测的水位来控制所述冷却风扇的驱动的控制部。

9.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料箱包括一混合箱，燃料在所述混合箱内与水混合，所述混合箱与一限定所述阴极通道的排出管连接。

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