專利名稱：燃料電池和裝有這種燃料電池的電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池和裝有這種燃料電池的電子裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種以緊湊形式裝有用于使一個燃料電池或多個電池穩(wěn)定發(fā)電的各種器件的燃料電池和裝有這種燃料電池的電子裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種通過如氫氣之類的燃料和如空氣中含有的氧氣之類的氧化劑之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電設(shè)備。由于用燃料電池發(fā)電的產(chǎn)物是水，近年來，燃料電池作為對環(huán)境沒有污染的發(fā)電設(shè)備而倍受關(guān)注，而且，例如已經(jīng)嘗試利用燃料電池作為驅(qū)動車輛的驅(qū)動電源。
此外，燃料電池的應(yīng)用不只限于上面提到的作為驅(qū)動汽車的驅(qū)動電源，人們還積極地開發(fā)了作為便攜式電子設(shè)備例如筆記本型個人電腦、移動電話和PDAs的驅(qū)動電源的燃料電池。對于這些燃料電池來說，能夠穩(wěn)定地輸出所需電力并具有便于攜帶的尺寸和重量是很重要的，而且人們已經(jīng)積極地進行了各種技術(shù)開發(fā)。
另外，燃料電池輸出的電量可以通過聯(lián)接多個發(fā)電電池(單元電池)而增多。例如，已經(jīng)開發(fā)出這樣一種燃料電池，其中，具有設(shè)置在固體聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)上的電極的連接體被夾緊在隔離件之間，以形成發(fā)電電池，并將這種發(fā)電電池層疊而形成電池堆結(jié)構(gòu)(stack structure)。
同時，利用如上構(gòu)成的燃料電池發(fā)電時，必須引導(dǎo)質(zhì)子穿過固體聚合物電解質(zhì)膜，而且對于固體聚合物電解質(zhì)膜來說適當(dāng)潤濕很重要。
然而，燃料電池中的發(fā)電反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且?guī)准眲“l(fā)生發(fā)電反應(yīng)的部分將導(dǎo)致高溫。所以，存在固體聚合物電解質(zhì)膜中含有的水量隨燃料電池的驅(qū)動而減少的情況，結(jié)果燃料電池很難穩(wěn)定地發(fā)電。
另一方面，在發(fā)電時通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水。在水被積聚于隔離件中形成的用于燃料氣體的流路中的那些部位，流路將被水阻塞，從而妨礙燃料氣體在流路中順暢地流動。流路中燃料氣體不能順暢流動的地方很難向連接體的平面內(nèi)提供充足的燃料氣體，結(jié)果用燃料電池發(fā)電得不到令人滿意的電量。
上面提到的兩個問題表明，很難同時實現(xiàn)既能抑制燃料電池發(fā)電時燃料電池中溫度的上升又能控制燃料電池中含有的水量。所以，需要能同時解決這些問題的技術(shù)。尤其在具有電池堆結(jié)構(gòu)的燃料電池中，需要這樣一種技術(shù)，通過其可使燃料氣體在多個隔離件中形成的流路內(nèi)順暢地流動，并可從燃料電池外部吸入含氧空氣以使構(gòu)成燃料電池的連接體處于適當(dāng)濕潤狀態(tài)，從而可以穩(wěn)定地輸出需要的電力。
此外，在利用燃料電池驅(qū)動便攜式電子裝置時，希望燃料電池同樣便于攜帶，而且要求燃料電池能夠穩(wěn)定地發(fā)電且尺寸減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決所述問題而提出來的。據(jù)此，本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池和裝有這種燃料電池的電子裝置，利用這種燃料電池可以穩(wěn)定地產(chǎn)生電力，而且其中緊湊地裝有用于驅(qū)動燃料電池的各種器件。
根據(jù)本發(fā)明，所提供的燃料電池包括帶有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的發(fā)電單元；與發(fā)電單元相連以便從發(fā)電單元發(fā)散熱量的散熱單元；使氧化劑氣體在流路中流動的氣體流動機構(gòu)；與氣體流動機構(gòu)獨立地驅(qū)動以便冷卻散熱單元的冷卻機構(gòu)。借助于這種燃料電池可以獨立地驅(qū)動氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)，從而可準(zhǔn)確地限制發(fā)電單元的溫升和精確地控制發(fā)電單元中所含的水量，進而使發(fā)電單元穩(wěn)定發(fā)電。
上面所提到的燃料電池的特征在于，發(fā)電單元具有連接體和將連接體夾緊在之間的隔離件，該連接體包括具有離子導(dǎo)電性的導(dǎo)體和彼此相對的電極，所述導(dǎo)體處于這些電極之間。由于導(dǎo)體中吸入了足夠的水分，所以可以形成在發(fā)電時沒有任何困難地進行發(fā)電反應(yīng)而且具有小尺寸和高輸出的燃料電池。
此外，所述燃料電池的特征在于，所述導(dǎo)體是質(zhì)子導(dǎo)體。
再者，所述燃料電池的特征在于，每一隔離件具有從隔離件內(nèi)部延伸到散熱單元的熱傳導(dǎo)部分。采用這種熱傳導(dǎo)部分，進行發(fā)電反應(yīng)時產(chǎn)生的熱量可以迅速地從發(fā)電單元傳遞到散熱單元，而且可以抑制發(fā)電單元中的溫升。
另外，所述燃料電池的特征在于，每一隔離件具有用于吸入和從流路中除去水的吸水機構(gòu)。通過這種吸水機構(gòu)可以吸出積聚在用于氧化劑氣體流動的流路中的水，而且可以使氧化劑氣體在流路中順暢地流動。
此外，所述燃料電池的特征在于，所述發(fā)電單元具有內(nèi)部層疊有連接體和隔離件的電池堆結(jié)構(gòu)。利用如此形成的電池堆結(jié)構(gòu)可以提高發(fā)電單元的輸出功率并能輸出所需的電力。
再者，所述燃料電池的特征在于，每一隔離件具有面內(nèi)流路(in-planeconduit)，用于向隔離件和連接體接觸的平面內(nèi)提供燃料。燃料通過面內(nèi)流路被大致供應(yīng)到連接體的整個表面，而且可以有效地進行發(fā)電。
另外，所述燃料電池的特征在于，每一隔離件帶有用于向面內(nèi)流路中提供燃料的供應(yīng)孔和用于從面內(nèi)流路排出燃料的排出孔。通過這種供應(yīng)孔，可以將燃料供給每一隔離件，和從面內(nèi)流路排出發(fā)電反應(yīng)之后的燃料。
此外，所述燃料電池的特征在于，在相鄰隔離件之間，供應(yīng)孔彼此連接，從而形成用于向隔離件提供燃料的供應(yīng)通道，而且排出孔彼此連接，從而形成用于從隔離件排出燃料的排出通道。在層疊有連接體和隔離件的電池堆結(jié)構(gòu)中，可以通過供應(yīng)通道一次性向發(fā)電單元提供燃料氣體和通過排出通道排出發(fā)電反應(yīng)之后的燃料氣體。
再者，所述燃料電池的特征在于，面內(nèi)流路與供應(yīng)通道連接之處的連接部分的橫截面積小于面內(nèi)流路的橫截面積。利用這種連接部分可以在從面內(nèi)流路排出燃料時排出積聚在面內(nèi)流路中的水。
此外，所述燃料電池的特征在于，面內(nèi)流路與排出通道連接之處的連接部分的橫截面積小于面內(nèi)流路的橫截面積。借助于這種連接部分可以在從面內(nèi)流路排出燃料時排出積聚在面內(nèi)流路中的水。
除此之外，所述燃料電池的特征在于，面內(nèi)流路與供應(yīng)通道連接之處的連接部分的橫截面積小于面內(nèi)流路與排出通道連接之處的連接部分的橫截面積。借助于這種連接部分，可以在從面內(nèi)流路排出燃料時排出積聚在面內(nèi)流路中的水。
此外，所述燃料電池的特征在于，具有排水機構(gòu)，用于在積聚有水的面內(nèi)流路中借助于在供應(yīng)通道側(cè)和排出通道側(cè)之間的水上形成壓差從面內(nèi)流路排出水。利用這種排水機構(gòu)通過壓差從面內(nèi)流路排出積聚在面內(nèi)流路中的水，以使燃料可以在面內(nèi)流路中順暢流動。
所述燃料電池的特征在于，該排水機構(gòu)使一部分排出通道與大氣相通，以便產(chǎn)生壓差，借此從面內(nèi)流路排出水。利用這種排水機構(gòu)，通過排出通道與大氣相通可立即在面內(nèi)流路中形成壓差，借助于壓差可將水從面內(nèi)流路排出。
另外，本發(fā)明的燃料電池的特征在于，冷卻機構(gòu)可使停滯在至少散熱單元附近的氣體流動，借此可釋放散熱單元中的熱量。流動的氣體可連續(xù)地從散熱單元釋放熱量，從而可以抑制發(fā)熱單元內(nèi)的溫升。
除此之外，本發(fā)明燃料電池的特征在于，具有用于檢測環(huán)境條件、以控制氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的檢測機構(gòu)。通過根據(jù)環(huán)境條件(一種或多種)來驅(qū)動氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)，可以在穩(wěn)定地進行發(fā)電的條件下驅(qū)動發(fā)電單元。
此外，上面所提到的燃料電池的特征在于，該檢測機構(gòu)至少檢測溫度和/或濕度作為環(huán)境條件(一種或多種)。利用檢測到的溫度和/或濕度，可以計算發(fā)電單元的溫度和保持在發(fā)電單元中的水量，并可在優(yōu)選條件下進行發(fā)電。
另外，所述燃料電池的特征在于，將檢測機構(gòu)設(shè)置在可以檢測供給發(fā)電單元的氧化劑氣體的溫度和濕度、從發(fā)電單元排出的氧化劑氣體的溫度和濕度以及發(fā)電單元的溫度的位置上。通過在燃料電池的這些部位檢測到的溫度和/或濕度，可以精確地計算保持在發(fā)電單元中的水量。
再者，所述燃料電池的特征在于，還具有控制基板，其上支承有控制用于根據(jù)環(huán)境條件(一種或多種)控制至少氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的控制電路。利用這種控制電路可以控制氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動，從而使得發(fā)電單元可以在優(yōu)選條件下產(chǎn)生電力。
另外，所述燃料電池的特征在于，根據(jù)以環(huán)境條件(一種或多種)和發(fā)電單元產(chǎn)生的電量為依據(jù)計算出的發(fā)電單元內(nèi)所含的水量來控制氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動。借助于這種方式控制對氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動，可將發(fā)電單元中的水量保持在優(yōu)選條件范圍內(nèi)，并能穩(wěn)定地發(fā)電。
除此之外，本發(fā)明燃料電池的特征在于，具有燃料供應(yīng)機構(gòu)，在驅(qū)動發(fā)電單元時該燃料供應(yīng)機構(gòu)將來自燃料儲存單元的、用于與氧化劑氣體發(fā)生反應(yīng)的燃料提供給發(fā)電單元。通過這種燃料供應(yīng)機構(gòu)可以從與發(fā)電單元分開設(shè)置的燃料氣體儲存單元向發(fā)電單元提供燃料。
另外，本發(fā)明燃料電池的特征在于，具有用于控制供給發(fā)電單元的燃料氣體的壓力的壓力控制機構(gòu)。通過在提供燃料的同時控制燃料壓力，可使發(fā)電單元穩(wěn)定地發(fā)電。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種燃料電池，包括發(fā)電單元，在其側(cè)表面設(shè)置有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的開口部分；連接到發(fā)電單元以便發(fā)散發(fā)電單元中的熱量的散熱單元。沿發(fā)電單元的一側(cè)面設(shè)有用于使氧化劑氣體在流路內(nèi)流動的氣體流動機構(gòu)，而沿該側(cè)面的鄰近氣體流動機構(gòu)之處設(shè)有用于冷卻散熱單元的冷卻機構(gòu)。利用這種燃料電池，可以緊湊形式在燃料電池內(nèi)安裝所述器件，而使氧化劑氣體高效地流動，且可以在小型燃料電池內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)出所需的電力。
上面所提到的燃料電池的特征在于，該燃料電池具有用于覆蓋至少發(fā)電單元、散熱單元、氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的外殼。利用這種外殼可以從外部保護設(shè)置在燃料電池內(nèi)的各種器件，并能控制燃料電池內(nèi)的空氣流動。
另外，所述燃料電池的特征在于，氣體流動機構(gòu)通過開口部分吸入氧化劑氣體，并通過設(shè)置在外殼上的第一排氣口排出氧化劑氣體，從而使氧化劑氣體在流路內(nèi)流動。通過這種氣體流動機構(gòu)可以使氧化劑氣體在燃料電池內(nèi)高效地流動，而且可以穩(wěn)定地發(fā)電。
此外，所述燃料電池的特征在于，氣體流動機構(gòu)通過設(shè)置在外殼上的第一進氣口將氧化劑氣體吸入燃料電池，借此形成與冷卻機構(gòu)產(chǎn)生的氧化劑氣體的流動無關(guān)的氧化劑氣體流。通過由第一進氣口吸入氧化劑氣體，可以使氧化劑氣體流動與冷卻機構(gòu)形成的氧化劑氣體的流動分開。
再者，所述燃料電池的特征在于，第一進氣口設(shè)置在與第一排氣口相對的位置，而且氣體流動機構(gòu)設(shè)置在第一進氣口和第一排氣口之間。借助于設(shè)置在這種位置的第一進氣口、第一排氣口和氣體流動機構(gòu)，可以使供給發(fā)電單元的氧化劑氣體流和用于冷卻的氧化劑氣體流分開。
另外，本發(fā)明燃料電池的特征在于，冷卻機構(gòu)通過設(shè)置在外殼中的第二排氣口排出氧化劑氣體，從而使氧化劑氣體在散熱單元的附近流動。借助于這種冷卻機構(gòu)，流動的氧化劑氣體可以連續(xù)地釋放散熱單元中的熱量，從而可抑制發(fā)電單元內(nèi)的溫升。
上面所提到的燃料電池的特征在于，冷卻機構(gòu)通過設(shè)置在外殼中的第二進氣口將氧化劑氣體吸入燃料電池內(nèi)。借助于這種冷卻機構(gòu)，可以形成不同于由氣體流動機構(gòu)引起的氧化劑氣體流動的流動。
此外，所述燃料電池的特征在于，第二進氣口被設(shè)置在與第二排氣口相對的位置，而且冷卻機構(gòu)被設(shè)置在第二進氣口和第二排氣口之間。借助于這樣設(shè)置的第二進氣口、第二排氣口和冷卻機構(gòu)，可以使氧化劑氣體平穩(wěn)地流動，以便從散熱單元中釋放熱量。
本發(fā)明燃料電池的特征在于，所述開口部分呈錐形，其沿用于氧化劑氣體的流路的深度方向變窄。利用這種開口部分可以減小氧化劑氣體在用于氧化劑氣體的流路內(nèi)流動時的流路阻力，使得氧化劑氣體可以平穩(wěn)地流動。
上面所提到的燃料電池的特征在于，開口部分的開口寬度大于用于氧化劑氣體的流路的流路寬度。通過這種開口寬度，可以減小氧化劑氣體在流路內(nèi)流動時的流路阻力。
此外，所述燃料電池的特征在于，開口寬度比沿橫向和/或縱向上的流路的寬度寬。采用具有這種開口寬度的開口部分可以進一步減小流路阻力。
另外，本發(fā)明燃料電池的特征在于，具有用于檢測環(huán)境條件以控制氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的檢測機構(gòu)。通過根據(jù)環(huán)境條件(一種或多種)驅(qū)動氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)可以穩(wěn)定地發(fā)電。
再者，上面提到的燃料電池的特征在于，檢測機構(gòu)至少檢測溫度和/或濕度作為環(huán)境條件(一種或多種)。利用檢測到的溫度和/或濕度可以計算發(fā)電單元的溫度和發(fā)電單元中所含的水量，并可在適宜條件下進行發(fā)電。
此外，所述燃料電池的特征在于，檢測機構(gòu)分別被設(shè)置在可以檢測供給發(fā)電單元的氧化劑氣體的溫度和濕度、從發(fā)電單元排出的氧化劑氣體的溫度和濕度以及發(fā)電單元的溫度的那些位置。通過在這些位置檢測到的溫度和/或濕度，可以精確地計算保持在發(fā)電單元中的水量。
另外，所述燃料電池的特征在于，具有控制基板，其上支承有控制用于根據(jù)多種環(huán)境條件控制至少氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的控制電路。通過這種控制基板可以控制氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)。
本發(fā)明燃料電池的特征在于，沿發(fā)電單元的端面設(shè)置有從用于燃料氣體的流路中排出水的排水機構(gòu)，該燃料氣體被提供給發(fā)電單元以便和氧化劑氣體發(fā)生反應(yīng)。通過以這種方式設(shè)置的排水機構(gòu)，可以排出積聚在燃料電池內(nèi)的過量的水，且能有效地使用燃料電池內(nèi)的空間。
此外，本發(fā)明燃料電池的特征在于，沿發(fā)電單元的端面設(shè)置有用于在驅(qū)動發(fā)電單元時從燃料氣體儲存單元向發(fā)電單元提供燃料氣體的燃料氣體供應(yīng)機構(gòu)。借助于這種燃料氣體供應(yīng)機構(gòu)可以從與發(fā)電單元分開設(shè)置的燃料氣體儲存單元向發(fā)電單元提供燃料氣體，并能有效利用燃料電池內(nèi)的空間。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種包括燃料電池的電子裝置。該燃料電池包括具有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的發(fā)電單元；與發(fā)電單元相連以便從發(fā)散發(fā)電單元中的熱量的散熱單元；使氧化劑氣體在流路中流動的氣體流動機構(gòu)；和與氣體流動機構(gòu)獨立地驅(qū)動以便冷卻散熱單元的冷卻機構(gòu)。該電子裝置由燃料電池提供的電力驅(qū)動。在這種電子裝置的情況下，該電子裝置可以穩(wěn)定地被驅(qū)動。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種包括燃料電池的電子裝置。該燃料電池包括發(fā)電單元，在其側(cè)面設(shè)置有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的開口部分；和連接到發(fā)電單元以便發(fā)散發(fā)電單元中的熱量的散熱單元。使氧化劑氣體在流路內(nèi)流動的氣體流動機構(gòu)沿發(fā)電單元的一側(cè)面設(shè)置，冷卻散熱單元的冷卻機構(gòu)沿該側(cè)面的鄰近氣體流動機構(gòu)之處設(shè)置，而且該電子裝置由燃料電池提供的電力驅(qū)動。在這種電子裝置的情況下，該電子裝置可以穩(wěn)定地被驅(qū)動，而且可以提供便攜式電子裝置。


圖1是本發(fā)明燃料電池結(jié)構(gòu)的分解透視圖；圖2A是構(gòu)成本發(fā)明燃料電池外殼結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖2B是構(gòu)成本發(fā)明燃料電池外殼結(jié)構(gòu)另一側(cè)面的側(cè)視圖；圖2C是構(gòu)成本發(fā)明燃料電池外殼結(jié)構(gòu)的端視圖；圖2D是構(gòu)成本發(fā)明燃料電池外殼結(jié)構(gòu)的另一端面的端視圖；圖3是構(gòu)成本發(fā)明燃料電池的發(fā)電單元的一般外形的透視圖；圖4是構(gòu)成本發(fā)明燃料電池的一部分發(fā)電單元的分解透視圖；圖5A是隔離件正面結(jié)構(gòu)的平面圖，它示出了構(gòu)成本發(fā)明燃料電池的隔離件的結(jié)構(gòu)；
圖5B是隔離件背面結(jié)構(gòu)的平面圖，它示出了構(gòu)成本發(fā)明燃料電池的隔離件的結(jié)構(gòu)；圖6A是優(yōu)選用于本發(fā)明燃料電池的隔離件的另一實例的結(jié)構(gòu)的隔離件橫截面圖；圖6B是主要部分的橫截面圖，它示出了優(yōu)選用于本發(fā)明燃料電池的隔離件的又一實例的隔離件端部的橫截面結(jié)構(gòu)；圖7A是優(yōu)選用于本發(fā)明燃料電池的隔離件的再一實例的上側(cè)板狀部分的平面圖；圖7B的平面圖示出了選用于本發(fā)明燃料電池的隔離件的另一實例的熱傳導(dǎo)部分裝進下側(cè)板狀部分的情況；圖7C是從背面看的下側(cè)板狀部分的平面圖，它示出了優(yōu)選用于本發(fā)明燃料電池的隔離件的又一實例；圖8是本發(fā)明燃料電池結(jié)構(gòu)的平面圖；圖9圖解說明了用于控制發(fā)電單元的溫度和本發(fā)明燃料電池內(nèi)的發(fā)電單元中剩余水量的控制方法；圖10圖解說明了本實施方式的隔離件的具體結(jié)構(gòu)，它是從正面看到的該隔離件結(jié)構(gòu)的平面圖；圖11圖解說明了本實施方式的隔離件的具體結(jié)構(gòu)，它是從側(cè)面看到的該隔離件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖12圖解說明了本實施方式的隔離件的具體結(jié)構(gòu)，它是從背面看到的該隔離件結(jié)構(gòu)的平面圖；圖13是本實施方式的燃料電池裝置具體結(jié)構(gòu)的平面圖；圖14是本實施方式的燃料電池裝置具體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參照附圖詳細說明本實施方式的燃料電池和電子裝置。
如圖1所示，燃料電池1包括外殼10、控制基板20、發(fā)電單元30、冷卻風(fēng)扇51、空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53、氫氣放氣閥54、調(diào)節(jié)器55和手動閥56。另外，燃料電池1接收由內(nèi)部吸著有氫氣的氫氣吸著濾芯(hydrogenocclusion cartridge)60提供的氫氣，并進行發(fā)電。
如圖1和圖2A至2D所示，外殼10的外形大致為長方體，其具有中空的內(nèi)部，以便覆蓋安裝在燃料電池上的器件，而且外殼底部敞開。外殼10設(shè)有排氣口11、12和13和進氣口14、15，外殼10的上表面端部是朝設(shè)有排氣口11、12和13的側(cè)面延伸的傾斜面。參考圖2A，排氣口11和排氣口12、13相鄰地形成在外殼10的一側(cè)表面上，而且使空氣在燃料電池1內(nèi)流動以冷卻發(fā)電單元30，發(fā)電單元30進行發(fā)電反應(yīng)之后的空氣分別通過排氣口11和排氣口12、13排出。排氣口11是空氣出口，用于從散熱片33(后面將說明)發(fā)散熱量的空氣通過它們排出。此外，在外殼10的側(cè)面排氣口11大致被開口成矩形，而且沿垂直方向形成有多個。另外，排氣口12、13也是空氣出口，發(fā)電單元30發(fā)電時供給發(fā)電單元30的空氣通過它們被排出，它們在外殼10的側(cè)面也被開口為矩形，而且沿排氣口11的垂直方向上形成有多個。此外，將排氣口11、12、13形成為使得它們的縱向尺寸沿外殼10側(cè)面向上和向下的方向順序縮短。
再者，參考圖2B，進氣口14、15形成在外殼10的與形成排氣口11和排氣口12、13的側(cè)面相對的側(cè)面上，用于冷卻發(fā)電單元30的空氣和含有用于發(fā)電單元30進行發(fā)電反應(yīng)的氧氣的空氣通過進氣口14、15進入燃料電池1。進氣口14是空氣進氣口，用于從散熱片33(后面將說明)發(fā)散熱量的空氣通過它們進入燃料電池1，它們在外殼10的側(cè)面大致開口為矩形形狀，而且沿垂直方向形成有多個。另外，進氣口15是使用于在發(fā)電單元30發(fā)電時供給發(fā)電單元30的空氣進入的空氣進氣口，它們同樣在外殼10的側(cè)面大致開口為矩形形狀，而且沿進氣口14的垂直方向形成有多個。
此外，如圖1、2C和2D所示，外殼10的一個端面可以設(shè)有連接孔16，在燃料電池和外部之間傳輸各種信號的導(dǎo)線穿過這些連接孔。而且，另一端面也可具有所需的連接孔18。
另外，如圖1所示，控制基板20設(shè)有用于控制組成燃料電池1的器件的控制電路，而且控制基板20被設(shè)置在發(fā)電單元30的上側(cè)。圖中沒有示出控制電路的細節(jié)。例如，與控制冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的驅(qū)動有關(guān)的指令、或者開啟和關(guān)閉氫氣放氣閥54的操作的控制電路、用于提高發(fā)電單元30輸出電壓的轉(zhuǎn)換電路例如DC/DC變換器、此外與通過采集各種環(huán)境條件例如通過傳感器(后面將說明)檢測的溫度和濕度來驅(qū)動各種裝置有關(guān)的指令可以通過安裝在控制基板20上的電路來執(zhí)行。除此之外，雖然，在本實施方式中，控制基板20設(shè)置在燃料電池1中，還可將控制基板20設(shè)置在燃料電池1的外部，例如，在由燃料電池1提供用于驅(qū)動的電力的各種電子裝置可以包括控制基板20。
現(xiàn)在，將在下面參考圖1、3、4、5A和5B詳細說明發(fā)電單元30。如圖1和3所示，發(fā)電單元30大致呈長方體形狀，與面對冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的側(cè)面39相對的一部分側(cè)面沿發(fā)電單元30的垂直方向被切割成矩形形狀，而且發(fā)電單元30位于基板57上。另外，冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53沿發(fā)電單元30的側(cè)面39鄰近地設(shè)置。這樣設(shè)置的冷卻風(fēng)扇51可從散熱片33發(fā)散熱量。除此之外，空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53設(shè)置成面對開口部分34，而且使空氣通過開口部分34流入發(fā)電單元30。
另外，此實施方式中的發(fā)電單元30具有夾在九個隔離件31之間的連接體32，而且用于發(fā)電的八個發(fā)電電池彼此串聯(lián)。每一發(fā)電電池可以輸出大約0.6V的電壓。所以，整個發(fā)電單元30可以輸出4.8V的電壓。另外，發(fā)電單元30可以通過大約2A的電流，輸出功率理論上是9.6W；由于在發(fā)電反應(yīng)期間的發(fā)熱等等因素，實際輸出功率大約為6.7W，是理想輸出功率的大約70％。當(dāng)然，如后面將描述的那樣，通過調(diào)節(jié)連接體32內(nèi)含有的水量或者向發(fā)電單元30平穩(wěn)地供應(yīng)氫氣，可以進一步提高輸出功率。另外，構(gòu)成發(fā)電單元30的發(fā)電電池數(shù)量不局限于本實施方式中的八個，而且發(fā)電單元30可以根據(jù)驅(qū)動各種電子裝置所需的輸出功率由所需數(shù)量的發(fā)電電池組成。如后面所述，在面對發(fā)電單元30側(cè)面39的隔離件31中形成開口部分34，在發(fā)電單元30的側(cè)面39的相對側(cè)的側(cè)面還設(shè)有分別相應(yīng)于開口部分34的開口部分40。通過開口部分34和開口部分40將含氧空氣供給發(fā)電單元30和從發(fā)電單元30排出所述空氣，開口部分40面對開口部分34面對的側(cè)面39的相對側(cè)面上的側(cè)面。
下面將參考圖4、5A和5B更加詳細地說明發(fā)電單元30。如圖4所示，夾在隔離件31之間的連接體32由濕潤時呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性的固體聚合物電解質(zhì)膜36和夾緊在固體聚合物電解質(zhì)膜36之間的電極37組成。此外，形成電池堆結(jié)構(gòu)時密封隔離件31和連接體32之間的密封件35被設(shè)置在連接體32的周邊附近。對于密封件35而言，由可以使隔離件31周邊部分和連接體32周邊部分彼此充分地隔離的材料組成就夠了。作為固體聚合物電解質(zhì)膜36，例如，可以使用以磺酸為基的固體聚合物電解質(zhì)膜。作為電極37，可以使用電極上支撐的催化劑例如鉑來加速發(fā)電反應(yīng)。構(gòu)成發(fā)電單元30的發(fā)電電池由兩個隔離件31和夾在隔離件31之間的連接體32組成，例如，圖4示出彼此串聯(lián)的兩個發(fā)電電池50。
此外，如圖4、5A和5B所示，構(gòu)成發(fā)電單元30的隔離件31包括流路43、形成在帶有隔離件31的流路43的表面的背側(cè)上的流路38、連接到流路43的供應(yīng)孔42和排出孔41、用于連接流路43和供應(yīng)孔42之間的連接部分45、用于連接流路43和排出孔41之間的連接部分46以及散熱片33。
如圖5A所示，流路43是使作為燃料氣體的氫氣在隔離件31的平面內(nèi)流動的面內(nèi)流路。流路43被形成為在隔離件31的表面內(nèi)迂回彎曲，以提高發(fā)電反應(yīng)的效率，而且其被成形為可將氫氣供應(yīng)到電極37的整個部分。供應(yīng)孔42是從氫氣儲存單元、例如設(shè)置在發(fā)電單元30外部的氫氣吸著濾芯60向流路43內(nèi)供應(yīng)氫氣的氫氣流路。連接部分45將流路43和供應(yīng)孔42彼此連接，用于向流路43內(nèi)供應(yīng)氫氣。另一方面，連接部分46使流路43和排出孔41彼此連接，用于從流路43排出發(fā)電反應(yīng)之后的氫氣。在本實施方式的隔離件31內(nèi)，在由隔離件31和連接體32形成電池堆結(jié)構(gòu)時，連接部分45、46的橫截面積小于流路43的橫截面積，例如連接部分45、46的寬度小于流路43的寬度。此外，連接部分45的寬度小于連接部分46的寬度，而且流路43入口側(cè)的寬度小于出口側(cè)的寬度。
另外，供應(yīng)孔42和排出孔41被連接在形成電池堆結(jié)構(gòu)時被層疊的隔離件31之間，以形成將氫氣供應(yīng)到每一隔離件31的供應(yīng)通道和排出發(fā)電后的氫氣的排出通道。當(dāng)水積聚在流路43內(nèi)時，通過后面將說明的氫氣放氣閥54使排氣通道與大氣相通，借此在積聚在供應(yīng)通道側(cè)和排出通道側(cè)之間的流路43內(nèi)的水中產(chǎn)生壓差，借助于此壓差可以排出水。此外，即使在形成電池堆結(jié)構(gòu)時水被積聚在任意隔離件31的流路43內(nèi)，可以即刻僅在已經(jīng)積聚水的流路43內(nèi)產(chǎn)生壓差，這樣可以排出水，并可將氫氣穩(wěn)定地供給發(fā)電單元30。
此外，如圖5B所示，在設(shè)有隔離件31的流路43的表面的背側(cè)上形成流路38，并構(gòu)成使含有氧的空氣流入流路38的通道。流路38被形成為在隔離件31的寬度方向延伸，所述流路在隔離件31的側(cè)邊緣部分開口，而且沿隔離件31的縱向形成有多個。另外，含氧空氣通過開口部分34、40供應(yīng)給流路38和從流路38中排出，通過這些開口部分流路38分別在隔離件31的端部敞開。如本實施方式所示出的那樣，開口部分34、40的寬度被設(shè)定為比流路38的寬度寬。此外，流路38的寬度沿從開口部分34、40到流路38的深度方向以錐形方式變窄，這樣可以減小流路對空氣的阻力，以便空氣吸入流路38或者從流路38排出時空氣可以平穩(wěn)地流動。另外，開口部分34、40在高度方向上的開口寬度同樣被設(shè)定為大于流路38在高度方向上的開口寬度，而且這些開口寬度在開口部分34、40的縱向和橫向上沿流路38的深度方向錐形地變窄，這樣可以進一步減小流路阻力。除此之外，將具有吸水性能的吸水材料設(shè)置在流路38內(nèi)，并將該吸水材料引出到隔離件31的外部，這樣可以將積聚在流路38內(nèi)的水吸出到隔離件31的外部。
此外，在燃料電池1內(nèi)，還可以使用具有如圖6A和6B所示結(jié)構(gòu)的隔離件70。圖6A是隔離件70的結(jié)構(gòu)的截面圖，其中，隔離件70包括上側(cè)板狀部分71、熱傳導(dǎo)部分72和下側(cè)板狀部分73，密封件74被夾緊在上側(cè)板狀部分71和下側(cè)板狀部分73之間，以防止燃料氣體從流路漏出。另外，密封件74可以由導(dǎo)熱系數(shù)比構(gòu)成上側(cè)板狀部分71和下側(cè)板狀部分73的材料的導(dǎo)熱系數(shù)高的材料構(gòu)成，這樣可以提高從隔離件70中發(fā)散熱量的散熱效果。作為密封件74，優(yōu)選使用具有被嵌入樹脂中的高導(dǎo)熱系數(shù)的部件的密封件，例如，可以使用如CHO-THERM(由Taiyo wire cloth co.，Ltd.生產(chǎn)的產(chǎn)品的商品名稱)之類的密封件。
熱傳導(dǎo)部分72形成為延伸到散熱片75，以便在發(fā)電時從隔離件70散熱。此外，熱傳導(dǎo)部分72由導(dǎo)熱系數(shù)比構(gòu)成上側(cè)板狀部分71和下側(cè)板狀部分73的材料的導(dǎo)熱系數(shù)高的材料制成，借此可以提高隔離件70的散熱性能。作為構(gòu)成熱傳導(dǎo)部分72的材料，例如，可以采用如銅之類的具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬。另外，還可以使用提高了耐腐蝕性的無氧銅和表面經(jīng)處理、以提高耐腐蝕性的銅板。下側(cè)板狀部分73具有在垂直于附圖平面的方向上延伸的流路79，作為使含氧空氣在內(nèi)部流動的流路。除此之外，如圖6B所示，在隔離件70端部處的上側(cè)板狀部分71和下側(cè)板狀部分73之間夾有密封件74，借此使熱傳導(dǎo)部分72與外部密封，并可防止發(fā)電反應(yīng)對熱傳導(dǎo)部分72的損害。
圖7A至7C是構(gòu)成隔離件70的上側(cè)板狀部分71、熱傳導(dǎo)部分72和下側(cè)板狀部分73的平面圖。如圖7A所示，上側(cè)板狀部分71具有用于氫氣流動的流路78。流路78形成為在平面內(nèi)蜿蜒，以便使氫氣可以在該平面的全部面積上流動。另外，上側(cè)板狀部分71具有用于向流路78供應(yīng)氫氣的供應(yīng)孔77a和用于排出發(fā)電反應(yīng)后的氫氣的排出孔76a。再者，如圖7B所示，熱傳導(dǎo)部分72大致呈板狀，而且裝在下側(cè)板狀部分73中。熱傳導(dǎo)部分72延伸到散熱片75，以便從隔離件70散熱。此外，在下側(cè)板狀部分73的端部設(shè)有密封件74，以使熱傳導(dǎo)部分72與外部隔離，而且熱傳導(dǎo)部分72被下側(cè)板狀部分73和上側(cè)板狀部分71夾著，從而形成作為一體的隔離件70。在下側(cè)板狀部分73中，密封件74在與供應(yīng)孔77a和排出孔76a相配合的位置處設(shè)有供應(yīng)孔77b和排出孔76b。另外，下側(cè)板狀部分73還帶有與供應(yīng)孔77a、77b和排出孔76a、76b相配的孔部分，這樣在組裝隔離件70時可以形成一體的供應(yīng)孔和排出孔。再者，如圖7C所示，在下側(cè)板狀部分73的背面設(shè)有用于含氧空氣流的流路79。而且，還設(shè)有用于向流路78供應(yīng)氫氣的供應(yīng)孔77c和用于排出氫氣的排出孔76c。
現(xiàn)在，將參考圖8在下面詳細說明通過本實施方式的燃料電池1供給和排出空氣流的情況。如圖8所示，燃料電池1具有沿側(cè)面39鄰近設(shè)置的冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53，如上所述，發(fā)電單元30的開口部分34面向該側(cè)面。此外，燃料電池1具有用于檢測通過冷卻風(fēng)扇51從燃料電池1的外部吸入的空氣的溫度的溫度傳感器64和用于檢測被吸入的空氣的濕度的濕度傳感器65，以及用于檢測通過空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53從發(fā)電單元30排出的空氣的溫度的溫度傳感器61和用于檢測排出空氣的濕度的濕度傳感器62。另外，發(fā)電單元30具有用于檢測發(fā)電單元30的溫度的溫度傳感器63。
如圖中箭頭所示，冷卻風(fēng)扇51使通過進氣口14被吸入的空氣從進氣口14流動到排氣口11，并將所述空氣排到燃料電池1的外部。冷卻風(fēng)扇51被設(shè)置在進氣口14和排氣口11之間，而設(shè)置在冷卻風(fēng)扇51和進氣口14之間的散熱片33借助于由冷卻風(fēng)扇51引起的空氣流的作用發(fā)散熱量。另外，空氣的流動不局限于散熱片33的附近，而可使空氣在燃料電池1內(nèi)部的整個區(qū)域流動，借此冷卻發(fā)電單元30。
空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53使空氣流向進氣口15、發(fā)電單元30和排氣口12、13。空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53使通過進氣口15吸入的空氣流向發(fā)電單元30，而且通過排氣口12、13將在發(fā)電單元30中的發(fā)電反應(yīng)之后排出的空氣排到燃料電池1的外部。發(fā)電單元30具有如上面參考圖3、5A和5B所述的流路38和開口部分34、40，而且如附圖中的箭頭所示，空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53形成的空氣流從進氣口15流到流路38和排氣口12、13。另外，可以使通過冷卻風(fēng)扇51產(chǎn)生的空氣流和通過空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53產(chǎn)生的空氣流為彼此無關(guān)的空氣流。所以，通過獨立地驅(qū)動冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53，可以獨立地對發(fā)電單元30進行冷卻和向發(fā)電單元30供應(yīng)空氣及從發(fā)電單元30中排出空氣。在本實施方式中對冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53在燃料電池1中的布局沒有限制，可將冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53設(shè)置成面對在多個發(fā)電單元的側(cè)面中形成的開口部分，以便供應(yīng)空氣和排出空氣，借此可以共同地對多個發(fā)電單元供給空氣和排出空氣。此外，通過反向旋轉(zhuǎn)冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53可以使空氣反向流動。
設(shè)置有溫度傳感器61、64、濕度傳感器62、65和溫度傳感器63以分別檢測通過進氣口14被吸入的空氣的溫度和濕度、通過排氣口12、13被排出的空氣的溫度和濕度以及發(fā)電單元30的溫度。溫度傳感器63大致設(shè)置在發(fā)電單元30的中央部分附近，并在發(fā)電單元30發(fā)電時檢測發(fā)電單元30的溫度?？蓪囟葌鞲衅?4和濕度傳感器65設(shè)置在進氣口14附近，只要不阻塞通過進氣口14吸入的空氣的流路。另外，可將溫度傳感器61和濕度傳感器62設(shè)置在面對空氣供應(yīng)風(fēng)扇52和53的發(fā)電單元30的空氣出口側(cè)，從而不防礙空氣流動?？筛鶕?jù)與通過溫度傳感器63檢測到的發(fā)電單元30的溫度有關(guān)的數(shù)據(jù)來控制冷卻風(fēng)扇51的驅(qū)動，并在優(yōu)選溫度條件下驅(qū)動發(fā)電單元30。此外，除了溫度和濕度傳感器之外，燃料電池1還可以包括用于檢測供應(yīng)和被排出的空氣的壓力的壓力傳感器。
此外，可根據(jù)溫度傳感器64和濕度傳感器65檢測到的溫度和濕度計算通過進氣口14被吸入的空氣的相對濕度，可根據(jù)溫度傳感器61和濕度傳感器62檢測到的溫度和濕度計算通過排氣口12、13排出的空氣的相對濕度。通過確定在通過進氣口15吸入的空氣的相對濕度和通過排氣口12、13排出的空氣的相對濕度之間的差值，可以計算出從燃料電池1排出的水量。此外，因為將溫度傳感器61、64和濕度傳感器62、65設(shè)置成不防礙空氣的流動，所以發(fā)電單元30可以毫無任何困難地進行發(fā)電。
此外，可以根據(jù)發(fā)電單元30發(fā)出的輸出功率計算通過發(fā)電反應(yīng)產(chǎn)生的水量。所以，通過確定從燃料電池1排出的水量和發(fā)電反應(yīng)產(chǎn)生的水量之間的差值，可以計算發(fā)電單元30中剩余的水量。如上所述，通過將構(gòu)成發(fā)電單元30的連接體32設(shè)置成適當(dāng)濕潤的狀態(tài)，可以進行穩(wěn)定的發(fā)電反應(yīng)，所以，通過根據(jù)與發(fā)電單元30中剩余水量相關(guān)的數(shù)據(jù)驅(qū)動空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53可以實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。例如，若發(fā)電單元30中剩余的水量非常多，可提高空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的轉(zhuǎn)速，借此，可使過剩的水和空氣一道從發(fā)電單元30中排出。另外，不僅可以獨立地驅(qū)動用于控制發(fā)電單元30的溫度的冷卻風(fēng)扇51和用于控制保持在發(fā)電單元30中的水量的空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53，而且可以使冷卻風(fēng)扇51引起的空氣流和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53引起的空氣流彼此無關(guān)聯(lián)，因此可以精確地控制保持在發(fā)電單元30中的水量和準(zhǔn)確抑制發(fā)電單元30中的溫升。
下面將參考圖9詳細說明發(fā)電單元30的溫度控制和發(fā)電單元30中剩余水量的控制。在該圖中，橫坐標(biāo)軸表示發(fā)電單元30的溫度，縱座標(biāo)軸表示發(fā)電單元30中的剩余水量。通過控制冷卻風(fēng)扇51和空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的驅(qū)動，可將隨發(fā)電期間時間變化的發(fā)電單元30的溫度和發(fā)電單元30中的剩余水量控制在位于該附圖中心附近的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。
例如，在該圖中用A表示的環(huán)境條件是與在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境條件相比發(fā)電單元30的溫度較高和發(fā)電單元30內(nèi)的剩余水量較多的環(huán)境條件，在環(huán)境條件A下必須冷卻發(fā)電單元30和減少在那里的剩余水量。在這種情況下，通過提高空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的轉(zhuǎn)速減少發(fā)電單元30中的剩余水量，并通過提高冷卻風(fēng)扇51的轉(zhuǎn)速進一步冷卻發(fā)電單元30，這樣可將溫度和水量從環(huán)境條件A控制到可實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電的穩(wěn)定區(qū)域。
該圖中B表示的環(huán)境條件是與穩(wěn)定條件相比發(fā)電單元30的溫度較低、發(fā)電單元30中的剩余水量較多的環(huán)境條件。在這種情況下，通過提高空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的轉(zhuǎn)速減少發(fā)電單元30中的剩余水量，并通過降低冷卻風(fēng)扇51的轉(zhuǎn)速限制對發(fā)電單元30的冷卻，借此，可將發(fā)電單元30的溫度和其中的水量從環(huán)境條件B控制到可實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電的穩(wěn)定區(qū)域。
該圖中C表示的環(huán)境條件是與穩(wěn)定條件相比發(fā)電單元30的溫度較低且發(fā)電單元30中的剩余水量較少的環(huán)境條件。在這種情況下，通過降低空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的轉(zhuǎn)速減少發(fā)電單元30中產(chǎn)生的水的排出，并通過降低冷卻風(fēng)扇51的轉(zhuǎn)速限制發(fā)電單元30的冷卻。通過這樣控制空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53和冷卻風(fēng)扇51的驅(qū)動，可將發(fā)電單元30的溫度和其中的水量從環(huán)境條件C控制到可實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電的穩(wěn)定區(qū)域。
該圖中D表示的環(huán)境條件是與穩(wěn)定條件相比發(fā)電單元30的溫度較高而發(fā)電單元30中的剩余水量較少的環(huán)境條件。在這種情況下，通過降低空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53的轉(zhuǎn)速減少發(fā)電單元30中形成的水的排出，并通過提高冷卻風(fēng)扇51的轉(zhuǎn)速進一步冷卻發(fā)電單元30。通過這樣控制空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53和冷卻風(fēng)扇51的驅(qū)動，可將發(fā)電單元30的溫度和其中的水量從環(huán)境條件D控制到可實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電的穩(wěn)定區(qū)域。
以這種方式根據(jù)發(fā)電單元30的溫度和發(fā)電單元30中的剩余水量來驅(qū)動空氣供應(yīng)風(fēng)扇52、53和冷卻風(fēng)扇51，可以進行穩(wěn)定發(fā)電，不至于引起如變干之類的發(fā)電中的麻煩。
現(xiàn)在，將參考圖1、4、5A和5B說明氫氣放氣閥54、調(diào)節(jié)器55和手動閥56。如圖1所示，氫氣放氣閥54、調(diào)節(jié)器55和手動閥56沿發(fā)電單元30的端面相鄰地排開。在本實施方式的燃料電池1中，用于設(shè)置各種器件的區(qū)域可以固定在發(fā)電單元30的端面?zhèn)?，并可以緊湊的形式安裝用于燃料電池1穩(wěn)定驅(qū)動的器件。
作為用于排出積聚在流路43內(nèi)的水的排水機構(gòu)的氫氣放氣閥54通過開啟通向大氣的與流路43相連的排出通道可從流路43排出水。當(dāng)流路43與大氣相通時，由供應(yīng)通道側(cè)的氫氣施加在積聚于流路43內(nèi)的水上的壓力和排出通道側(cè)的大氣施加的壓力之間產(chǎn)生壓差。由于該壓差，積聚在流路43內(nèi)的水從流路43排出。利用這樣通過氫氣放氣閥54在供應(yīng)氫氣的供應(yīng)通道側(cè)和通向大氣的排出通道側(cè)之間產(chǎn)生的壓差，即使在發(fā)電單元30具有電池堆結(jié)構(gòu)的情況下，也可從已積有水而使氫氣很難流過的任何流路43中排出水，所以，可以使氫氣在所有隔離件31的流路43中平穩(wěn)地流動。另外，氫氣放氣閥54例如可以通過利用電磁力的驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動，或者可以從發(fā)電單元30提供用于驅(qū)動氫氣放氣閥54的電力。
此外，作為用于控制氫氣壓力的壓力控制機構(gòu)的調(diào)節(jié)器55將氫氣吸著濾芯60提供的氫氣壓力調(diào)節(jié)到所需壓力，由此將所述氫氣輸送給發(fā)電單元30。例如，在從氫氣吸著濾芯60供應(yīng)的氫氣壓力大約為0.8至1.0MPa，調(diào)節(jié)器55可以在將氫氣壓力降低到大約為0.05至0.10MPa的同時將所述氫氣供給發(fā)電單元30。
此外，作為用于將氫氣供給發(fā)電單元30的氣體供應(yīng)機構(gòu)的手動閥56在發(fā)電單元30進行發(fā)電時可開啟從氫氣吸著濾芯60向發(fā)電單元30供應(yīng)氫氣的流路。氫氣放氣閥54、調(diào)節(jié)器55和手動閥56對于使燃料電池1穩(wěn)定發(fā)電來說很重要，而且這些器件被緊湊地安裝在燃料電池1內(nèi)，這樣可以減小燃料電池1的總體尺寸。
下面將參考圖10至14說明本實施方式的燃料電池裝置的具體結(jié)構(gòu)。首先，圖10至12分別是本實施方式中隔離件部分的后視圖、側(cè)視圖和正視圖。
如圖10至12所示，隔離件81的背面設(shè)置有用于構(gòu)成氧氣流路的凹槽83，在其正面設(shè)置了用于構(gòu)成氫氣流路的凹槽86。順便說一下，當(dāng)隔離件81與夾在其間的發(fā)電體(未示出)層疊時，可以將背面?zhèn)仍O(shè)置在正面?zhèn)壬稀?br> 如圖10所示，隔離件81在其氧氣供應(yīng)側(cè)表面內(nèi)設(shè)置有多條沿隔離件81的寬度方向直線延伸的凹槽83和彼此平行延伸的凹槽83，因此，凹槽83和肋部82沿隔離件81的縱向交替地設(shè)置。形成為大致呈平板狀的隔離件81的縱向長度L6是79.5mm，與其垂直的寬度L8是41mm。凹槽83在隔離件81的兩個端部處開口增寬。至于具體尺寸，在圖10中，平行于凹槽83延伸的中央部分的寬度L1是2mm，鄰近于凹槽83的肋部82的寬度L2也是2mm。凹槽83在增寬的兩個端部處呈錐形地敞開，形成的錐形部分的開始位置L0同樣在隔離件81的厚度方向上離端部8mm，該錐形從開始位置L0開始以2.15°的角度傾斜。在凹槽83增寬的兩端部，開口寬度在面內(nèi)(in-plane)方向上擴大約1mm，凹槽83在端部的寬度L3是3mm，同時與其相鄰的肋部82的寬度L4漸減到1mm。肋部82的錐形開始位置L9離端部5.5mm。順便說一下，由于螺紋孔的影響，中心附近的開口寬度L5是2.5mm，與散熱部分84相連的發(fā)電體保持區(qū)域的縱向?qū)挾萀10是56.5mm(參見圖11)，螺紋孔之間的間隔L7是54.5mm。
然后，如圖11所示，至于隔離件81在厚度方向上的尺寸，散熱部分84的厚度T1是1.3mm，其中形成凹槽83、86的發(fā)電保持區(qū)域內(nèi)的厚度T2是2.3mm。
如圖12所示，隔離件81的氫氣供應(yīng)側(cè)表面87具有在氫氣供應(yīng)孔89和氫氣排出孔88之間以往返五次的蜿蜒圖案延伸的凹槽86，蜿蜒的凹槽86具有0.6mm的深度和1.0mm的寬度L12，回轉(zhuǎn)部分的曲率半徑是0.9mm(內(nèi)側(cè)半徑)、1.9mm(外側(cè)半徑)。凹槽86在與氫氣供應(yīng)孔89和氫氣排出孔88連接的連接部分變細，氫氣供應(yīng)孔89和氫氣排出孔88的尺寸為具有1.5mm的寬度，以隔離件81縱向離端部2.25mm的位置為中心，變細的凹槽的開始位置L17離隔離件81的縱向端部為6mm，所以該長度約為3mm。凹槽在連接部分90處的寬度L11是0.5mm，在氫氣排出孔88側(cè)上連接部分90的位置L15就中心位置而言離隔離件81寬度方向的端部是7.9mm，在氫氣供應(yīng)孔89側(cè)上的連接部分90的位置L16就中間位置而言是33.1mm。對于以往返五次的蜿蜒圖案延伸的凹槽86，回轉(zhuǎn)位置L13離更接近于氫氣供應(yīng)孔89和氫氣排出孔88側(cè)的隔離件81的縱向端部為7mm。此外，凹槽86的回轉(zhuǎn)部分之間的長度L14是42mm。
現(xiàn)在，將在下面參考圖13和14更加詳細地說明本實施方式中燃料電池裝置的結(jié)構(gòu)。圖13是本實施方式中燃料電池裝置100的平面圖。燃料電池裝置100具有內(nèi)部堆疊有隔離件81和發(fā)電體的電池堆結(jié)構(gòu)。在圖13中，清晰可見設(shè)置在構(gòu)成電池堆結(jié)構(gòu)的最上面部分的板狀部分，在該圖中，虛線表示在設(shè)置發(fā)電單元99的區(qū)域中形成于隔離件表面中的凹槽86。通過加和用于形成發(fā)電單元99的隔離件的縱向尺寸和在縱向上延伸形成隔離件的散熱部分的縱向尺寸獲得的長度L18是78mm，隔離件的寬度L8是41mm。散熱部分84的端部在該圖中是直線的，但可以設(shè)有用于使導(dǎo)線通過的凹口或者切口。用于構(gòu)成燃料電池裝置100和用于容納包括發(fā)電單元99在內(nèi)的那些單元的外殼91在縱向上的長度L21是95.5mm，寬度L20是57mm。因為外殼91在縱向的長度L21和寬度L20就是燃料電池裝置100在縱向上的長度和寬度，所以在本實施方式中，燃料電池裝置100在平面上的縱向長度是95.5mm，寬度是57mm。
此外，將參考圖14具體說明本實施方式中的燃料電池裝置100的結(jié)構(gòu)。順便說一下，圖14是在除去外殼91的情況下從側(cè)面看燃料電池裝置100的側(cè)視圖。發(fā)電單元99具有堆疊了九個隔離件81、發(fā)電體96被夾在其間的電池堆結(jié)構(gòu)，而且具有其中彼此串聯(lián)八個發(fā)電電池的結(jié)構(gòu)。發(fā)電單元99被設(shè)置在構(gòu)成燃料電池裝置100底部的基底98上。從基底98的下表面到設(shè)置在發(fā)電單元99最上面部分處的板狀部分的表面的高度T4是34.62mm。另外，從基底98的下表面到位于發(fā)電單元99中央部分的隔離件81的厚度方向的中心的高度T5是17.78mm，這近似等于從基底98下表面到設(shè)置在發(fā)電單元99側(cè)面?zhèn)鹊睦鋮s風(fēng)扇92和空氣供應(yīng)風(fēng)扇93、94的中心的高度。通過加和基底95、板狀部分97以及堆疊的隔離件81和發(fā)電體96的厚度獲得發(fā)電單元99的高度T6是29.62mm。冷卻風(fēng)扇92的高度近似等于設(shè)置在發(fā)電單元99最上面部分的散熱部分84和設(shè)置在最下面部分的散熱部分84之間的高度，所以可將用于冷卻的空氣供給散熱部分84的整個部分?？諝夤?yīng)風(fēng)扇93、94的高度近似等于發(fā)電單元99最上面部分的凹槽82和最下面部分的凹槽82之間的高度，所以可將含氧空氣充分地供給凹槽82的整個部分。
如上所述，本發(fā)明的燃料電池可以緊湊形式安裝用于驅(qū)動燃料電池的各種器件，其優(yōu)選用作可用于提供驅(qū)動便攜式電子裝置例如筆記本型個人電腦、移動電話和PDA的電力的電源。另外，本發(fā)明的燃料電池1的應(yīng)用不限于這些便攜式電子裝置，這種燃料電池1也可以用作驅(qū)動各種電子裝置的電源。
工業(yè)實用性本發(fā)明的燃料電池通過抑制發(fā)電單元中的溫升和控制發(fā)電單元中的剩余水量，可以實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電，而不至于在發(fā)電時出現(xiàn)如變干之類的任何麻煩。此外，可以獨立而精確地進行發(fā)電單元溫度的控制和發(fā)電單元中剩余水量的控制，所以可以提供可靠性高的燃料電池。另外，對于這種燃料電池而言，用于進行發(fā)電的各種器件可以緊湊形式安裝在燃料電池中，所以這種燃料電池的尺寸可以減小。
此外，根據(jù)本發(fā)明的電子裝置，即使是便攜式電子裝置，借助于在該裝置上安裝尺寸為便攜式使用的燃料電池也可以用燃料電池來驅(qū)動，而且該燃料電池可以安裝在所需電子裝置上。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括帶有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的發(fā)電單元；連接到所述發(fā)電單元、以便發(fā)散所述發(fā)電單元的熱量的散熱單元；使所述氧化劑氣體在所述流路中流動的氣體流動機構(gòu)；及與所述氣體流動機構(gòu)獨立地驅(qū)動、以便冷卻所述散熱單元的冷卻機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述發(fā)電單元包括連接體，該連接體包括具有離子導(dǎo)電性的導(dǎo)體和彼此相對的電極，所述導(dǎo)體夾在所述電極之間；及用于將所述連接體夾緊在之間的隔離件。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，所述導(dǎo)體是質(zhì)子導(dǎo)體。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，每一所述隔離件具有從所述隔離件內(nèi)部延伸到所述散熱單元的熱傳導(dǎo)部分。
5.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，每一所述隔離件具有用于吸入和從所述流路除去水的吸水機構(gòu)。
6.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，所述發(fā)電單元具有內(nèi)部層疊有所述連接體和所述隔離件的電池堆結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其中，每一所述隔離件具有向所述隔離件和所述連接體彼此接觸的平面供應(yīng)燃料的面內(nèi)流路。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中，每一所述隔離件具有向所述面內(nèi)流路供應(yīng)所述燃料的供應(yīng)孔和從所述面內(nèi)流路排出所述燃料的排出孔。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中，在相鄰隔離件之間所述供應(yīng)孔彼此連接，從而形成向所述隔離件供應(yīng)所述燃料的供應(yīng)通道，而且所述排出孔彼此連接，從而形成從所述隔離件排出所述燃料的排出通道。
10.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中，所述面內(nèi)流路與所述供應(yīng)通道連接之處的連接部分的橫截面積小于所述面內(nèi)流路的橫截面積。
11.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中，所述面內(nèi)流路與所述排出通道連接之處的連接部分的橫截面積小于所述面內(nèi)流路的橫截面積。
12.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中，所述面內(nèi)流路與所述供應(yīng)通道連接之處的連接部分的橫截面積小于所述面內(nèi)流路與所述排出通道連接之處的連接部分的橫截面積。
13.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中，還包括排水機構(gòu)，其用于在內(nèi)部積聚有水的所述面內(nèi)流路中、通過在供應(yīng)通道側(cè)和排出通道側(cè)之間的那部分水上形成壓差，從所述面內(nèi)流路排出水。
14.如權(quán)利要求11所述的燃料電池，其中，所述排水機構(gòu)使一部分所述排出通道與大氣相通，致使形成所述壓差，從而從所述面內(nèi)流路排出水。
15.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述冷卻機構(gòu)使停滯在至少所述散熱單元附近的氣體流動，以從所述散熱單元發(fā)散熱量。
16.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，還包括用于檢測環(huán)境條件以控制所述氣體流動機構(gòu)和所述冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的檢測機構(gòu)。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池，其中，所述檢測機構(gòu)檢測溫度和/或濕度作為所述環(huán)境條件。
18.如權(quán)利要求16所述的燃料電池，其中，所述檢測機構(gòu)分別被設(shè)置在可以檢測供給所述發(fā)電單元的所述氧化劑氣體的溫度和濕度、從所述發(fā)電單元排出的所述氧化劑氣體的溫度和濕度、及所述發(fā)電單元的溫度的位置上。
19.如權(quán)利要求16所述的燃料電池，其中，還包括控制基板，其上支承有根據(jù)所述環(huán)境條件控制至少所述氣體流動機構(gòu)和所述冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的控制電路。
20.如權(quán)利要求16所述的燃料電池，其中，根據(jù)以所述環(huán)境條件和所述發(fā)電單元發(fā)出的電量為依據(jù)計算出的所述發(fā)電單元中的剩余水量控制所述氣體流動機構(gòu)和所述冷卻機構(gòu)的驅(qū)動。
21.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，還包括在驅(qū)動發(fā)電單元時將來自燃料儲存單元的、用于與氧化劑氣體發(fā)生反應(yīng)的所述燃料提供給發(fā)電單元的燃料供應(yīng)機構(gòu)。
22.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，還包括控制供給所述發(fā)電單元的所述燃料的壓力的壓力控制機構(gòu)。
23.一種燃料電池，包括發(fā)電單元，在其側(cè)表面設(shè)置有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的開口部分；連接到所述發(fā)電單元以便發(fā)散發(fā)電單元中的熱量的散熱單元；其中，沿所述發(fā)電單元的一側(cè)面設(shè)有用于使所述氧化劑氣體在所述流路內(nèi)流動的氣體流動機構(gòu)；及沿所述側(cè)面的鄰近所述氣體流動機構(gòu)之處設(shè)有用于冷卻所述散熱單元的冷卻機構(gòu)。
24.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中，所述燃料電池具有用于覆蓋至少所述發(fā)電單元、所述散熱單元、所述氣體流動機構(gòu)和所述冷卻機構(gòu)的外殼。
25.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中，所述氣體流動機構(gòu)通過所述開口部分吸入所述氧化劑氣體，并通過設(shè)置在所述外殼上的第一排氣口排出所述氧化劑氣體，從而使所述氧化劑氣體在所述流路內(nèi)流動。
26.如權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述氣體流動機構(gòu)通過設(shè)置在所述外殼上的第一進氣口將所述氧化劑氣體吸入所述燃料電池內(nèi)，以形成與所述冷卻機構(gòu)產(chǎn)生的所述氧化劑氣體流無關(guān)的氧化劑氣體流。
27.如權(quán)利要求26所述的燃料電池，其中，所述第一進氣口被設(shè)置在與所述第一排氣口相對的位置，所述氣體流動機構(gòu)被設(shè)置在所述第一進氣口和第一排氣口之間。
28.如權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述冷卻機構(gòu)通過設(shè)置在所述外殼中的第二排氣口排出所述氧化劑氣體，從而使所述氧化劑氣體在所述散熱單元附近流動。
29.如權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述冷卻機構(gòu)通過設(shè)置在所述外殼中的第二進氣口將所述氧化劑氣體吸入所述燃料電池內(nèi)。
30.如權(quán)利要求29所述的燃料電池，其中，所述第二進氣口被設(shè)置在與所述第二排氣口相對的位置，所述冷卻機構(gòu)被設(shè)置在所述第二進氣口和第二排氣口之間。
31.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中，所述開口部分呈錐形，致使其沿所述用于氧化劑氣體的流路的深度方向變窄。
32.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中，所述開口部分的開口寬度大于所述用于氧化劑氣體的流路的流路寬度。
33.如權(quán)利要求32所述的燃料電池，其中，所述開口寬度比沿橫向和/或縱向的所述流路的寬度寬。
34.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中，還包括檢測環(huán)境條件以控制所述氣體流動機構(gòu)和所述冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的檢測機構(gòu)。
35.如權(quán)利要求34所述的燃料電池，其中，所述檢測機構(gòu)至少檢測溫度和/或濕度作為所述環(huán)境條件。
36.如權(quán)利要求34所述的燃料電池，其中，所述檢測機構(gòu)分別被設(shè)置在可以檢測供給所述發(fā)電單元的所述氧化劑氣體的溫度和濕度、從所述發(fā)電單元排出的所述氧化劑氣體的溫度和濕度、及所述發(fā)電單元的溫度的位置上。
37.如權(quán)利要求34所述的燃料電池，其中，還包括控制基板，其上支承有根據(jù)所述環(huán)境條件控制至少所述氣體流動機構(gòu)和所述冷卻機構(gòu)的驅(qū)動的控制電路。
38.如權(quán)利要求23所述的燃料電池，其中，沿所述發(fā)電單元的端面設(shè)置有從用于供給所述發(fā)電單元以與所述氧化劑氣體發(fā)生反應(yīng)的燃料的所述流路中排出水的排水機構(gòu)。
39.如權(quán)利要求38所述的燃料電池，其中，沿所述發(fā)電單元的端面設(shè)置有在驅(qū)動所述發(fā)電單元時從燃料儲存單元向所述發(fā)電單元供應(yīng)所述燃料的燃料供應(yīng)機構(gòu)。
40.一種包括燃料電池的電子裝置，所述燃料電池包括帶有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的發(fā)電單元；連接到所述發(fā)電單元以便發(fā)散所述發(fā)電單元的熱量的散熱單元；使所述氧化劑氣體在所述流路中流動的氣體流動機構(gòu)；與所述氣體流動機構(gòu)獨立地驅(qū)動以便冷卻所述散熱單元的冷卻機構(gòu)；其中，所述電子裝置由所述燃料電池提供的電力驅(qū)動。
41.一種包括燃料電池的電子裝置，所述燃料電池包括發(fā)電單元，在其側(cè)面設(shè)置有用于至少含有氧氣的氧化劑氣體的流路的開口部分；連接到所述發(fā)電單元以便發(fā)散所述發(fā)電單元中的熱量的散熱單元；其中，沿所述發(fā)電單元的一側(cè)面設(shè)置有使所述氧化劑氣體在所述流路內(nèi)流動的氣體流動機構(gòu)；沿所述側(cè)面的鄰近所述氣體流動機構(gòu)之處設(shè)置有冷卻所述散熱單元的冷卻機構(gòu)；及所述電子裝置由所述燃料電池提供的電力驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池，包括帶有用于至少含氧氣的氧化劑氣體的流路的發(fā)電單元；連接到發(fā)電單元以便發(fā)散發(fā)電單元的熱量的散熱單元；用于使氧化劑氣體在流路中流動的氣體流動機構(gòu)和與氣體流動機構(gòu)獨立地驅(qū)動以便冷卻散熱單元的冷卻機構(gòu)。通過獨立地控制氣體流動機構(gòu)和冷卻機構(gòu)的驅(qū)動可以驅(qū)動燃料電池，致使在適當(dāng)?shù)臈l件下保持散熱單元的溫度和散熱單元中的剩余水量。此外，這種燃料電池可穩(wěn)定地進行發(fā)電，且在其內(nèi)部以緊湊形式安裝有各種器件。本發(fā)明還公開了安裝有這種燃料電池的電子裝置。
文檔編號H01M8/10GK1745493SQ20038010956
公開日2006年3月8日 申請日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月12日
發(fā)明者渡辺康博, 大塚和彥, 田原雅彥, 野本和利 申請人:索尼株式會社