專利名稱：廢燃料稀釋機(jī)構(gòu)和具有該廢燃料稀釋機(jī)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廢燃料稀釋機(jī)構(gòu)和具有該廢燃料稀釋機(jī)構(gòu)的燃料 電池系統(tǒng)，具體地涉及一種用于在凈化安裝在小尺寸的電子裝置中的 小尺寸燃料電池時(shí)排出的燃料的稀釋機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
至今，已經(jīng)研究開發(fā)出各種類型的燃料電池。
在這些燃料電池之中，聚合物電解質(zhì)燃料電池已經(jīng)作為車載或家 用發(fā)電設(shè)備而進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)，其原因在于，聚合物電解質(zhì) 燃料電池因?yàn)椴僮鳒囟认鄬^低而易于運(yùn)用，并且電解質(zhì)由聚合物膜 形成。
另一方面，為了使用中的小尺寸電子設(shè)備持續(xù)工作，使用不同的 一次電池和二次電池。但是，隨著近來小尺寸電子設(shè)備的性能的提高， 功率消耗也隨之提高，因此尺寸較小并且重量較輕的一次電池不能供 應(yīng)充足的能量。 而且，二次電池有利之處在于，二次電池能夠在使用中反復(fù)充電， 但是能夠通過一次充電所充入的可用能量仍小于一次電池的可用能 量。
為了對二次電池充電，需要另一個(gè)電源，并且對二次電池進(jìn)行充 電通常需要幾十分鐘至幾個(gè)小時(shí)。因此，難以隨時(shí)隨地的立刻使用二 次電池。
將來，電子設(shè)備的尺寸和重量日益減小，而且布置了無線網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境，所以傾向于增加使用中的設(shè)備的持續(xù)工作能力。但是，傳統(tǒng)的一 次電池和二次電池難于提供驅(qū)動設(shè)備所需的充足能量。
為了解決上述問題，已經(jīng)注意到小尺寸燃料電池。這是因?yàn)樾〕叽缛剂想姵氐膯挝惑w積或者單位重量的可用能量數(shù)量是傳統(tǒng)的燃料電 池的幾倍至十?dāng)?shù)倍，因此小尺寸燃料電池非常適合用作小尺寸電子裝 置的驅(qū)動源。
此外，因?yàn)樾〕叽缛剂想姵啬軌蛲ㄟ^僅更換一次燃料而連續(xù)地使 用，因此不同于二次電池的情況，它不需要充電的時(shí)間。主要使用的 小尺寸燃料電池是聚合物電解質(zhì)類型的或者直接曱醇類型的。
在聚合物電解質(zhì)燃料電池中，聚合物電解質(zhì)膜用作電解質(zhì)，并且 膜電極組件在它的兩側(cè)上均具有催化劑電極層。燃料(氫)供應(yīng)到催 化劑電極層中的一個(gè)(陽極)，氧化劑(空氣)供應(yīng)到另一個(gè)催化劑電 極層(陰極)，以進(jìn)行發(fā)電。
在這種情況下，水作為產(chǎn)物產(chǎn)生。在陽極和陰極處的化學(xué)反應(yīng)式
表示如下
陽極H2—2H++2e-
陰極1/2 02+2H++2e-—H20
一對膜電極組件的理論電壓約為1.23V,但在很多種情況下，該 電壓在正常操作狀態(tài)下約為0.7V。
為此，當(dāng)需要更高的電壓或者需要更大的輸出強(qiáng)度時(shí)，多個(gè)燃料 電池單元層疊，并且在很多種情況下，各個(gè)燃料電池單元相互串連地 電連接。
上述層疊結(jié)構(gòu)稱為"燃料電池堆"，并且通常，陽極流動路徑和陰 極流動路徑通過稱為"隔離件"的構(gòu)件相互隔離。
在本發(fā)明的下面的描述中，燃料流動路徑表示從燃料容器供應(yīng)的 燃料在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的流動路徑。
即，燃料流動路徑表示將燃料從燃料容器引導(dǎo)到燃料電池的流 動路徑；用于將燃料供應(yīng)到燃料電池中的陽極的流動路徑；設(shè)置在陽 極中的流動路徑；以及延伸直到用于將燃料電池內(nèi)的燃料從燃料電池 排出到外部的排出機(jī)構(gòu)的流動路徑。
特別地，陽極內(nèi)的流動路徑稱為"陽極流動路徑"或者僅僅稱為"陽極"。在燃料電池發(fā)電期間，因?yàn)榫酆衔镫娊赓|(zhì)燃料電池中使用的電解 質(zhì)膜滲透少量空氣，因此由于發(fā)電產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體(例如空氣中的氮 氣或者產(chǎn)生的濕蒸汽)逐漸儲存在燃料流動路徑內(nèi)。
特別地，在循環(huán)類型或者死端類型(其燃料利用率較高)的燃料 電池中，儲存的雜質(zhì)氣體使燃料電池的發(fā)電特性惡化。
為此，日本專利申請?zhí)亻_No,2004-171967公開了這樣一種死端類 型的燃料電池，其中凈化閥設(shè)置在燃料流動路徑中，并且凈化操作在 發(fā)電期間進(jìn)行，以防止發(fā)電特性惡化。
該凈化操作是借助于燃料氣體凈化雜質(zhì)氣體的操作。為此，在廢 氣中不但含有雜質(zhì)氣體，而且還含有燃料氣體。
在使用氳作為燃料的情況中，注意到使燃料與空氣的比例不會落 入4至75%內(nèi)。
在這種情形下，在日本專利申請?zhí)亻_No.2003-132915中，提出下 面的建議以將廢燃料稀釋到上述范圍之外的濃度。
在日本專利申請?zhí)亻_No.2003-132915中，提出了這樣的燃料電池 系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中經(jīng)過凈化的燃料氣體在稀釋器中通過從燃料電池排 出的陰極廢氣稀釋。
而且，在日本專利申請?zhí)亻_No.2005-108805中，提出了使燃料氣 體與陰極廢氣混和，并利用催化劑燃燒，從而在稀釋后排出燃料氣體。
在上述類型的催化燃燒系統(tǒng)中，特別地，在燃料氣體通過燃燒稀 釋時(shí)，必須穩(wěn)定地保持火焰。
為了滿足上述要求，在日本專利申請?zhí)亻_No.2006-183977中，提 出了在燃料室的前部設(shè)置用作緩沖裝置的容積室以積累凈化氣體，從 而通過間歇的凈化操作向燃燒室供應(yīng)給定量的燃料。
此外，日本專利申請?zhí)亻_No.2006-183977公開了一種催化劑燃燒 室，在該催化劑燃燒室中將壓力損失提供給混和氣體的氣流板設(shè)置在 燃燒部的上游側(cè)以充分地混和燃料和氧化劑。此外，氣流寺反的流動路 徑直徑等于或者小于燃料的熄滅直徑，從而防止燃燒室內(nèi)的火焰向上 游傳送。通常，在細(xì)空間中，表面面積與體積的比較大，并且熱量易于流 失。因此，存在著這樣的區(qū)域，其中由于燃燒熱易于被外壁接收而不 能在細(xì)空間中維持火焰。這個(gè)現(xiàn)象稱為"熄滅現(xiàn)象"。例如，當(dāng)兩個(gè)平 行壁之間的間隔變?yōu)榈扔诨蛘咝∮诮o定的距離時(shí)，火焰不能蔓延。這 個(gè)限制值稱為"熄滅距離"，在流動路徑為圓管的情況下也稱為"熄滅直 徑"。熄滅距離以及熄滅直徑根據(jù)氣體而不同，例如氫的熄滅距離為
0.51mm。因此，為了穩(wěn)定地保持火焰，需要等于或者大于熄滅距離的 空間。相反地，為了防止回火，使用具有等于或者小于熄滅直徑的過 濾器直徑的過濾器(熄滅過濾器)。
但是，上述用于將廢燃料稀釋為濃度位于上述范圍之外的傳統(tǒng)稀 釋器具有下述問題。
例如，在日本專利申請?zhí)亻_No.2003-132915公開的上述傳統(tǒng)的燃 料電池系統(tǒng)中，因?yàn)橥ㄟ^泵或者吹風(fēng)機(jī)供應(yīng)的陰極廢氣用于稀釋，所 以難于在自然擴(kuò)散中獲得充足的流量。
而且，為了控制燃料氣體流量，因?yàn)樾枰髁靠刂崎y和用于控制 流量控制閥的電路，因此體積變大，并且需要用于控制的電能。
而且，在日本專利申請?zhí)亻_No.2005-108805和2006-183977公開 的上述傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中(在該系統(tǒng)中燃料氣體通過催化劑燃燒 系統(tǒng)稀釋)，所出現(xiàn)的問題是，因?yàn)榛鹧嬖谌紵抑挟a(chǎn)生，因此溫度局 部地升高。
此外，為了在保持穩(wěn)定的火焰的同時(shí)稀釋燃料氣體，如日本專利 申請?zhí)亻_No.2006-183977中所公開的那樣，必要的是在燃燒部的上游 側(cè)上設(shè)置使用另一個(gè)部件的氣流板，以向混合氣體供應(yīng)壓力損失，從 而精確地控制燃料和氧化劑的供應(yīng)量。
特別地，在小尺寸燃燒室的情況下，需要防備熄滅現(xiàn)象的對策。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對一種用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)和使用該稀釋機(jī)構(gòu)的燃料 電池系統(tǒng)，所述稀釋機(jī)構(gòu)能夠在較低的溫度下稀釋廢燃料并在很少的電能下減小尺寸。
本發(fā)明提供一種用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，該稀釋機(jī)構(gòu)如下構(gòu)造。 一種根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，該稀釋機(jī)構(gòu)在稀釋室
中稀釋從使用燃料的裝置排出的廢燃料的濃度，所述稀釋機(jī)構(gòu)包括 燃料入口 ，所述燃料入口用于將從所述使用燃料的裝置排出的廢
燃料供應(yīng)到所述稀釋室；
稀釋劑入口 ，所述稀釋劑入口用于將稀釋劑供應(yīng)到所述稀釋室；
擴(kuò)散流動路徑，所述擴(kuò)散流動路徑設(shè)置在所述稀釋室中，用于將 從所述燃料入口供應(yīng)的廢燃料與從所述稀釋劑入口供應(yīng)的稀釋劑混
和；
燃料排出口 ，所述燃料排出口用于將經(jīng)過稀釋的廢燃料通過所述 擴(kuò)散流動路徑排出到所述稀釋室外部；以及
噴嘴，所述噴嘴使一流動路徑變窄，所述噴嘴設(shè)置在燃料入口處， 其中，所述噴嘴限制供應(yīng)到所述稀釋室的廢燃料的供應(yīng)量。 在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，當(dāng)所述噴嘴的噴嘴直 徑為d并且從所述使用燃料的裝置排出的所述廢燃料的凈化流量為Q 時(shí)，凈化流量Q和噴嘴直徑d之間的關(guān)系設(shè)定為滿足下面的公式
g = (2 /(> + I))1"") x {2 /(/c +1)}1'2 pv / 4
其中，r是排出的燃料的絕熱指數(shù)，p是密度，v是聲速。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，流動路徑寬度和擴(kuò)散 流動路徑的深度中的 一 個(gè)小于所述廢燃料的熄滅距離。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述稀釋劑入口相對 于所述擴(kuò)散流動路徑位于所述燃料入口的相反側(cè)上。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述稀釋劑入口被構(gòu) 造作為供應(yīng)作為稀釋劑的空氣的空氣供應(yīng)口 ，所述空氣供應(yīng)口能利用 自然擴(kuò)散接收空氣。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述稀釋劑入口和廢 燃料出口被制成相互共用。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，還包括設(shè)置在所述擴(kuò)散流動路徑中的燃料催化劑，用于使所述廢燃料與所述稀釋劑反應(yīng)。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述燃料催化劑包括
鉑、鈀和包含4自和4巴之一的化合物中的任何一種。
一種根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括用于檢測所述
燃料催化劑的電阻的檢測器。
根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，除了連接所述使用燃料的 裝置和所述燃料入口的第一燃料流動路徑之外，還包括用于將所述 廢燃料從所述使用燃料的裝置供應(yīng)到所述擴(kuò)散流動路徑的第二燃料流 動路徑；以及
控制閥，所述控制閥設(shè)置在所述第二燃料流動路徑中，用于控制 供應(yīng)到所述稀釋室的所述廢燃料的供應(yīng)量。
一種根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置在所述使 用燃料的裝置和所述燃料入口之間的一控制閥，所述控制閥用于控制 供應(yīng)到所述稀釋室的所述廢燃料的供應(yīng)量。
一種根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置在所述控 制閥和所述燃料入口之間的緩沖區(qū)域，所述緩沖區(qū)域用于將供應(yīng)到所 述稀釋室的所述廢燃料的供應(yīng)量限定為恒定量。
根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置在所述使用燃 料的裝置和所述燃料入口之間的控制閥，所述控制閥代替設(shè)置在所述 燃料入口處的使所述流動路徑變窄的噴嘴，所述控制閥在關(guān)閉狀態(tài)下 不完全阻塞流動。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，當(dāng)下游壓力變得低于 第一設(shè)定壓力時(shí)，所述控制閥打開，該第一設(shè)定壓力等于或者高于外 部大氣壓力并且等于或者低于所述使用燃料的裝置的燃料壓力；當(dāng)所 迷下游壓力超過高于所述第 一設(shè)定壓力的第二設(shè)定壓力時(shí)，所述控制 閥關(guān)閉。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述控制閥被控制為 當(dāng)通過上述檢測器檢測到的電阻變得低于設(shè)定值時(shí)打開，并且當(dāng)所述 電阻超過所述設(shè)定值時(shí)關(guān)閉。在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述使用燃料的裝置 位于一 殼體內(nèi)，并且所述殼體內(nèi)的空氣從所述稀釋劑入口被接收到所 述稀釋室中。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述稀釋機(jī)構(gòu)放置在 所述殼體內(nèi)的高于所述使用燃料的裝置的部分處，所述使用燃料的裝 置設(shè)置在所述殼體中。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述燃料排出口用作 將空氣接收到所述使用燃料的裝置的氣孔。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述使用燃料的裝置
具有燃料箱，并且，從所述燃料箱的卸壓閥發(fā)出的燃料是從所述燃料 入口和所述稀釋劑入口中的一個(gè)接收的。
在根據(jù)本發(fā)明的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，所述使用燃料的裝置 包括燃料電池。
一種根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)配備有上述 的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)一種用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，所述稀釋機(jī) 構(gòu)能夠在較低的溫度下稀釋廢燃料并在很少的電能下減小尺寸。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例的第一構(gòu)造的示意圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第二構(gòu)造的示意圖3A、圖3B和圖3C是示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式
的第二構(gòu)造的第一結(jié)構(gòu)示例的示意圖4A和圖4B是示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第二構(gòu)
造的第二結(jié)構(gòu)示例的示意圖5A和圖5B是示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第二構(gòu)
造的第三結(jié)構(gòu)示例的示意圖6A和圖6B是示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第二構(gòu)
造的第四結(jié)構(gòu)示例的示意圖；圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第三構(gòu)造的示意圖8A、 8B、 8C、 8D、 8E和8F是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的示例 1的稀釋機(jī)構(gòu)的過程的工藝流程圖9A、 9B、 9C、 9D、 9E、 9F和9G是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的 示例2的稀釋機(jī)構(gòu)的過程的工藝流程圖IO是示出了燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖，該燃料電池系統(tǒng)安 裝有根據(jù)本發(fā)明的示例3的作為用于燃料電池的凈化氣體處理裝置的 稀釋機(jī)構(gòu)；
圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例4的第 一 稀釋機(jī)構(gòu)的構(gòu)造的示意
圖12是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例4的第二稀釋機(jī)構(gòu)的構(gòu)造的示意
圖13是示出了用于描述根據(jù)本發(fā)明的示例4的控制閥的構(gòu)造的略 圖的剖視圖14是示出了安裝有根據(jù)本發(fā)明的示例5的稀釋機(jī)構(gòu)的第一燃料 電池系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖15是示出了安裝有根據(jù)本發(fā)明的示例5的稀釋機(jī)構(gòu)的第二燃料 電池系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖16是示出了安裝有根據(jù)本發(fā)明的示例5的稀釋機(jī)構(gòu)的第三燃料 電池系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖17A、 17B、 17C和17D是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的示例6的 稀釋機(jī)構(gòu)的過程的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)包括供應(yīng)燃料以用 于稀釋來自使用燃料的裝置的廢氣的噴嘴；以及稀釋室，該稀釋室具 有進(jìn)氣部，該進(jìn)氣部的橫截面遠(yuǎn)大于噴嘴的橫截面，該稀釋室在比燃 料的熄滅距離更窄的空間中燃燒催化劑。利用上述構(gòu)造，獲得了在低溫下具有穩(wěn)定性能的尺寸減小的稀釋 機(jī)構(gòu)。
圖1是示出了根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)的第一 構(gòu)造的示意圖。
參考圖1，標(biāo)號101表示燃料入口，標(biāo)號102表示稀釋劑入口 ， 標(biāo)號103表示稀釋室，標(biāo)號104表示擴(kuò)散流動路徑，標(biāo)號105表示排 出口，標(biāo)號106表示控制閥(第二閥)。而且，標(biāo)號107表示噴嘴，標(biāo) 號108表示催化劑，標(biāo)號109表示燃料傳感器，標(biāo)號IIO表示控制器， 標(biāo)號lll表示接線。在下面的附圖中，與圖1相同的標(biāo)號表示相同的 結(jié)構(gòu)元件。
在根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)中，廢燃料和稀釋 劑(通常是空氣)分別從燃料入口 IOI和稀釋劑入口 102供應(yīng)到稀釋 室103。供應(yīng)的廢燃料和稀釋劑(通常是空氣)混合到一起，并在稀 釋腔103中被稀釋，之后從排出口105排出。
燃料的供應(yīng)能夠通過設(shè)置控制閥106進(jìn)行控制。特別地，噴嘴107 設(shè)置在燃料入口 101和稀釋室103之間。利用這個(gè)構(gòu)造，即使在燃料 入口處的壓力增大的情況下，燃料流以防止給定流量或者更多的燃料 流入稀釋室103的方式被阻塞在噴嘴107處。
在設(shè)置上述噴嘴的情況下，沒有必要通過控制閥106精確地控制 流量，僅設(shè)置開啟/關(guān)閉的功能就足夠了。
而且，根據(jù)下面描述的排出系統(tǒng)，控制閥106也不是必需的。
現(xiàn)在，更詳細(xì)地描述通過設(shè)置噴嘴107防止給定流量或者更多的 燃料流入到稀釋室103中。
一般，已知這樣的現(xiàn)象，噴嘴設(shè)置在氣體流動的流動路徑中，當(dāng)
壓力比)時(shí)，氣體在最窄部的流動速度變?yōu)榈扔诼曀伲⑶伊鲃铀俣?不會增加為高于聲速(聲速噴嘴)。 臨界壓力比由下面的表達(dá)式表示
<formula>formula see original document page 13</formula>其中，K是絕熱指數(shù)，對于氫氣的情況，因?yàn)槭嵌臃肿?，?br> 此^是1,4。
因此，氫的臨界壓力比是0.528。即，在下游壓力是100kPa的情 況下，當(dāng)上游壓力等于或者高于190kPa,流動路徑變?yōu)樽枞麪顟B(tài)，并 且流動速度變?yōu)槁曀佟?br> 當(dāng)假設(shè)噴嘴處的流量是Qsccm，當(dāng)壓力比等于或者小于臨界壓力 比時(shí)，滿足下面的表達(dá)式。
<formula>formula see original document page 14</formula>
在上述表達(dá)式中，p是上游側(cè)的流體的密度，v是聲速。對于氫的
情況，密度在1個(gè)大氣壓下是0.0899kg/m3，聲速在室溫下約為 1300m/s。
上述原理例如在校正流量計(jì)時(shí)或者控制處理氣體的流量時(shí)使用 (參見日本專利申請?zhí)亻_No.2004-360061 )。
催化劑108設(shè)置在稀釋室103的壁表面和/或上表面和下表面上， 并位于擴(kuò)散流動路徑104中，從而能夠借助于催化劑燃燒利用少量的 稀釋劑(空氣)降低廢燃料濃度。
催化劑108能夠從鉑、鈀或者這些材料的合金中選擇。
催化劑108能夠通過在溶液中形成薄膜(例如電鍍)或者通過在 氣相中形成薄膜(例如濺射)形成。
特別地，為了增強(qiáng)反應(yīng)率，優(yōu)選的是催化劑層具有更大的表面面積。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)構(gòu)造，錯(cuò)綜地形成流動路徑，并且例如在使用電鍍 的情況下，能夠使用已經(jīng)成型的多孔材料例如氧化鋁。
而且，在、減射的情況下，氧在濺射的室壓下混合，以獲得多孔結(jié) 構(gòu)，或者鉑的細(xì)微顆粒制成漿，然后涂覆。
當(dāng)流動路徑的寬度等于或者短于燃料的熄滅距離時(shí)，不能產(chǎn)生火焰。
在這種情況下，因?yàn)榉磻?yīng)溫和地進(jìn)行，且沒有產(chǎn)生火焰，因此抑 制了局部發(fā)熱，并且能夠使稀釋室內(nèi)的溫度基本均勻。而且，在這個(gè)實(shí)施方式中，能夠測量催化劑的電阻。結(jié)果，能夠 監(jiān)測燃料濃度和稀釋室內(nèi)的溫度。
用作燃料傳感器109的催化劑能夠由稀釋催化劑或者僅用于監(jiān)測
的催化劑制成。
特別地，上述多孔鉑以及線狀鉑能夠用于監(jiān)測。
特別地，在檢測廢氣的濃度的情況下，優(yōu)選的是，燃料傳感器109 能夠位于排出口 105附近。
當(dāng)稀釋室內(nèi)的溫度不正常地升高時(shí)，或者未處理的燃料與作為燃 料傳感器109的催化劑接觸并被燃燒時(shí)，燃料傳感器109的溫度升高， 并且阻抗改變。
在上述方式中，變化的阻抗通過接線111測量，在獲得的值超過 給定值的情況下，能夠通過警告裝置(未示出)向使用者發(fā)出警告， 或者通過控制器110降低控制閥的流量。
優(yōu)選的是，稀釋室內(nèi)的流動路徑變窄，使得燃料和稀釋劑混合到 一起，并且也構(gòu)造成使得流動錯(cuò)綜、重復(fù)地分開和結(jié)合。
而且，為了防止逆流，優(yōu)選的是，排出口處的流動路徑阻力低于 燃料入口和稀釋劑入口處的流動路徑阻力。而且，優(yōu)選的是，流動被
限制到混和和稀釋充分進(jìn)行的程度。
特別地，在像稀釋氣體僅通過自然擴(kuò)散獲取的情況一樣難于相對 于燃料氣體可靠地增加稀釋氣體量的情況中，稀釋劑入口和排出口能 夠制造成相互公用。
圖2示出了這個(gè)實(shí)施方式中的廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)的第二構(gòu)造，其 中稀釋劑入口 101和排出口 105制造成相互公用。
在這種情況下，稀釋劑從燃料的相反側(cè)供應(yīng)到稀釋室103。排出
口 (也用作稀釋劑入口 )遠(yuǎn)大于燃料入口，從而能夠僅通過自然擴(kuò)散
獲取足夠用于稀釋的稀釋劑。
對于排出口的直徑制造成大于燃料入口的構(gòu)造，例如，能夠應(yīng)用
圖3A至3C、 4A、 4B、 5A、 5B、 6A和6B中所示的構(gòu)造。
圖3A、 3B和3C示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第二構(gòu)造的第一結(jié)構(gòu)示例的示意圖。圖3A是示意性透視圖，圖3B是示意 性俯視圖，圖3C是沿圖3B的線3C-3C剖開的示意性剖視圖。
下面將描述結(jié)構(gòu)和制造方法的細(xì)節(jié)。催化劑108設(shè)置在具有多孔 或者格柵構(gòu)造的擴(kuò)散流動路徑104的多孔壁表面上。在這個(gè)示例中，
滅距離。
即在燃料氣體為氫的情況下，開口直徑或者孔直徑設(shè)定為等于或 者短于500nm (氬的熄滅距離)，例如設(shè)定為300pm。此外，為了保 持結(jié)構(gòu)并增大表面面積，能夠制造格柵流動路徑，該格柵流動路徑用 作梁，并且開口部制造成多孔的。
用于供應(yīng)燃料的燃料入口 101設(shè)置在擴(kuò)散流動路徑104的下表面 側(cè)上。
然后，用作稀釋劑入口的排出口 105設(shè)置在擴(kuò)散流動路徑104的 上表面?zhèn)壬稀?br> 在這種情況下，噴嘴是在豎直方向上具有均勻間隙的狹縫構(gòu)造。 噴嘴的尺寸取決于氣體的類型、壓力和流量。例如，在燃料為氬，燃 料入口處的壓力是200kPa的情況下，當(dāng)狹縫的高度是300nm并且寬 度為40nm時(shí)，流量能夠限制為約100cc/min。
噴嘴和擴(kuò)散流動路徑之間的空間的尺寸設(shè)計(jì)成在至少 一 個(gè)方向上 等于或者小于要被稀釋的燃料的熄滅距離。對于圖3C的情況，高度 方向設(shè)定為等于或者小于熄滅距離。
在圖2的描述中使用的部件能夠用作燃料傳感器109。
圖4A和圖4B示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第二構(gòu)造 的笫二結(jié)構(gòu)示例。圖4B是沿圖4A中的線4B-4B剖開的剖視圖。在這 個(gè)示例中，設(shè)置由多孔材料(其表面上形成有催化劑)制成的擴(kuò)散流 動路徑104以覆蓋圓筒部的上表面。也用作稀釋劑入口的排出口 105 設(shè)置在擴(kuò)散流動路徑104的上表面上。
設(shè)置用于從擴(kuò)散流動路徑104的后表面?zhèn)冉邮杖剂系娜剂先肟?101。在噴嘴在流動路徑的橫截面上是圓形的并且燃料入口處的壓力為200kPa的情況下，噴嘴的最細(xì)部的直徑適當(dāng)?shù)丶s為125jim。
而且，圖5A和圖5B示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第 二構(gòu)造的第三結(jié)構(gòu)示例。圖5B是沿圖5A中的線5B-5B剖開的剖視圖。 在這個(gè)示例中，中空圓柱部的圓柱部由擴(kuò)散流動路徑104形成，該擴(kuò) 散流動路徑104由多孔材料制成，在多孔材料上形成有催化劑。也用 作稀釋劑入口的排出口 105形成在擴(kuò)散流動路徑104的外圓柱表面上。
燃料從下側(cè)通過燃料入口 101供應(yīng)到中空圓柱部的中空部。
而且，圖6A和圖6B示出了具體實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的第 二構(gòu)造的第四結(jié)構(gòu)示例。圖6B是沿圖6A中的線6B-6B剖開的剖視圖。 在這個(gè)示例中，中空J(rèn)求部的球部由擴(kuò)散流動路徑104形成，該擴(kuò)散流 動路徑由具有催化劑的多孔材料制成。也用作稀釋劑入口的排出口 105形成在擴(kuò)散流動路徑104的外球表面上。
燃料從下側(cè)通過燃料入口 101供應(yīng)到中空球部的中空部。
在燃料間歇地供應(yīng)到燃料入口的情況下，能夠應(yīng)用圖7中所示的 這個(gè)實(shí)施方式的第三構(gòu)造。
在這個(gè)構(gòu)造中，緩沖區(qū)域112設(shè)置在控制閥(第二閥)106和噴 嘴107之間，從而使恒定量的燃料能夠連續(xù)地流入稀釋室103。注意， 排出口也用作稀釋劑入口 。
當(dāng)間歇供應(yīng)的燃料立刻被稀釋時(shí)，需要較大體積的稀釋室。另一 方面，設(shè)置緩沖區(qū)域112以將供應(yīng)到稀釋室的燃料的供應(yīng)量限制為恒 定量，從而能夠減小稀釋室的體積。
根據(jù)稀釋機(jī)構(gòu)的上迷構(gòu)造，能夠在低溫下減小使用燃料的裝置(例 如燃料電池或者燃燒裝置)的廢氣的濃度。而且能夠使系統(tǒng)的尺寸減 小，更具體地，這種稀釋機(jī)構(gòu)有助于減小使用聚合物電解質(zhì)膜的燃料 電池的尺寸。
在下文中，描述本發(fā)明的示例。
(示例1)
在示例1中，描述利用半導(dǎo)體加工技術(shù)制造圖2所示的稀釋機(jī)構(gòu) (除了控制閥106之外)的方法。圖8A至圖8F是示出了根據(jù)這個(gè)示例的制造稀釋機(jī)構(gòu)的過程的工 藝流程圖。
參考圖8A至圖8F，標(biāo)號101表示燃料入口，標(biāo)號104表示擴(kuò)散 流動路徑，標(biāo)號105表示排出口 (稀釋劑入口)，標(biāo)號107表示噴嘴， 標(biāo)號108表示催化劑，標(biāo)號109表示燃料傳感器，標(biāo)號lll表示接線， 標(biāo)號201表示基板1，標(biāo)號202表示基板2，標(biāo)號203表示掩才莫。
在圖8A所示的步驟中，制備在這個(gè)制造過程中使用的由硅晶片 制成的基板1 (201 )。
晶片例如厚度為525jim。
在ICP-RIE用在下述的蝕刻步驟中的情況下，雖然不特別地限制 基板的平面取向，但優(yōu)選的是，在使用各向異性濕式蝕刻的情況下， (100)平面向上朝向。
在圖8B所示的步驟中，形成稀釋室、燃料入口、稀釋劑入口 (排 出口 )和擴(kuò)散流動路徑。
通過光刻法形成流動路徑圖案，并蝕刻晶片。在蝕刻中能夠使用 利用ICP-RIE或者KOH的各向異性濕式蝕刻。蝕刻深度約為300nm。
而且，在燃料氣體為氫的情況下，擴(kuò)散流動路徑104的間隔等于 或者小于500nm,即等于或者小于氫的熄滅距離，例如設(shè)定為300nm。
在這個(gè)示例中，噴嘴具有在豎直方向上具有均勻間隙的狹縫構(gòu)造。 在這個(gè)示例中，因?yàn)槿剂鲜菤?，燃料入口處的壓力?00kPa,狹縫的 高度為300nm，并且狹縫的寬度為40nm，因此，流量能夠控制為 100cc/min。
厚膜的光刻膠能夠用于蝕刻，或者氧化鋁或二氧化硅能夠用作蝕 刻的掩模。在蝕刻后，去除掩模和光刻膠。
在圖8C所示的步驟中，在擴(kuò)散流動路徑中形成催化劑層。 Pt能夠用作催化劑。
催化劑能夠通過濺射或者電鍍以及涂覆由微粒制成的漿形成。濺 射能夠在例如常態(tài)氬氣或者氮?dú)庵惖亩栊詺怏w的條件下進(jìn)行?？蛇x 地，能夠在賊射期間混和氧氣，從而能夠形成表面面積較大的催化劑層。
在圖8D所示的步驟中，制備基板2 ( 202)，該基板2 ( 202)是 用作上板的晶片。晶片能夠由硅或者Pyrex (注冊商標(biāo))玻璃制成。 晶片的厚度例如為525nm。
圖8E是形成接線111以及燃料傳感器109的步驟。
電極和接線111能夠由Au制成，并且它通過濺射或者EB氣相沉 積法形成在薄的Cr層上，以獲得高質(zhì)量的薄膜。
此外，通過'減射形成由Pt或者Pd制成的薄膜，從而形成燃料傳 感器109。
優(yōu)選的是，接線111和燃料傳感器109通過利用光刻膠的剝離或 者陰影掩模形成圖案。
而且，電極和接線111能夠由Pt制成，在這種情況下，接線層和 傳感器層能夠制成相互共用。
在圖8F所示的步驟中，兩個(gè)基板相互粘接到一起。
粘合劑能夠用于粘結(jié)。在基板2 ( 202 )由硅晶片制成的情況下， 能夠使用擴(kuò)散粘結(jié)。在基板2 ( 202 )由Pyrex (注冊商標(biāo))玻璃制成 的情況下，能夠使用陽極氧化接合。
圖2中所示的稀釋機(jī)構(gòu)通過上述各個(gè)步驟制造。
(示例2 )
在示例2中，將描述利用半導(dǎo)體加工技術(shù)制造圖3所示的稀釋機(jī) 構(gòu)(除了控制閥106之外)的方法。
圖9A至圖9G示出了根據(jù)這個(gè)示例的制造稀釋機(jī)構(gòu)的過程的工藝 流程圖。
參考圖9A至圖9G，標(biāo)號101表示燃料入口 ，標(biāo)號104表示擴(kuò)散 流動路徑，標(biāo)號105表示排出口 (稀釋劑入口)，標(biāo)號107表示噴嘴， 標(biāo)號108表示催化劑，標(biāo)號109表示燃料傳感器，標(biāo)號lll表示接線， 標(biāo)號201表示基板1，標(biāo)號202表示基板2。
在圖9A所示的步驟中，首先制備在這個(gè)制造過程中使用的由硅 晶片制成的基板1 (201 )。在這種情況下，使用厚度為525nm的晶片。晶片能夠由硅晶片制 成，并且在下述的蝕刻步驟中使用ICP-RIE的情況下，不特別地限定 基板的平面取向。
但是，在使用各向異性濕式蝕刻的情況下，基板的平面取向選擇 為與噴嘴107的構(gòu)造一致。而且，晶片能夠由玻璃晶片制成。 在圖9B所示的步驟中，形成燃料入口 101和噴嘴107。 在這個(gè)步驟中，通過光刻法形成流動路徑圖案，并蝕刻晶片。 在蝕刻中能夠使用利用ICP-RIE或者KOH的各向異性濕式蝕刻。
蝕刻深度約為300nm。而且，在燃料氣體為氫的情況下，蝕刻深 度等于或者小于500pm，即等于或者小于氫的熄滅距離，例如設(shè)定為 300拜。
在這種情況下，噴嘴具有在豎直方向上具有均勻間隙的狹縫構(gòu)造。 在這個(gè)示例中，因?yàn)槿剂鲜菤?，燃料入口處的壓力?00kPa,狹縫的 高度為300nm，并且狹縫的寬度為40fim，因此，流量能夠控制為 100cc/min。
厚膜的光刻膠能夠用于蝕刻，或者氧化鋁或二氧化硅能夠用作蝕 刻的掩模。
在蝕刻后，去除掩模和光刻膠。在使用玻璃晶片的情況下，流動 路徑能夠通過使用噴砂或者利用濃縮氬氟酸的蝕刻處理。
在圖9C所示的步驟中，制備基板2 (202)，該基板2 ( 202)是 在這個(gè)加工過程中使用的晶片。硅晶片用作晶片。
在圖9D所示的步驟中，形成擴(kuò)散流動路徑104和排出口 105 (稀 釋劑入口 )。
擴(kuò)散流動路徑104通過多孔部件或者格柵流動路徑形成。多孔流 動路徑能夠通過在濃縮氫氟酸中陽極氧化p摻雜的硅晶片制造。
而且，格柵流動路徑能夠通過利用ICP-RIE或者KOH的各向異 性蝕刻制造。
在這種情況下，格柵的開口直徑或者多孔部件的孔直徑設(shè)定為等于或者小于燃料的熄滅直徑。
即，在燃料氣體為氫氣的情況下，開口直徑或者孔直徑設(shè)定為等
于或者小于作為氫氣的熄滅距離的500 nm，例如，設(shè)定為300|iim。此
外，為了保持結(jié)構(gòu)并增大表面面積，能夠制造格柵流動路徑并將格柵
流動路徑用作梁，并且開口部分制成多孔的。
在圖9E所示的步驟中，在擴(kuò)散流動路徑中形成催化劑層。 Pt能夠用作催化劑。催化劑能夠通過濺射或者電鍍以及涂覆由微
粒制成的漿形成。
濺射能夠在諸如常態(tài)氬氣或者氮?dú)庵惖亩栊詺怏w的條件下進(jìn)
行?？蛇x地，能夠在'減射期間混和氧氣，從而能夠形成表面面積較大
的催化劑層。優(yōu)選的是從靠近燃料流動路徑的一側(cè)(圖的下表面)形
成薄膜。
在圖9F中所示的步驟中，形成接線111和燃料傳感器109。 電極和接線111能夠由Au制成，并通過濺射或者EB氣相沉積法
形成在薄Cr層上，以獲得高質(zhì)量的薄膜。
此外，通過賊射形成由Pt或者Pd制成的薄膜，從而形成燃料傳
感器109。
優(yōu)選的是，接線111和燃料傳感器109通過利用光刻膠的剝離或 者陰影掩模形成圖案。而且，電極和接線111能夠由Pt制成，在這種 情況下，接線層和傳感器層能夠制成相互共用。
在圖9G所示的步驟中，兩個(gè)基板相互粘接到一起。
粘合劑能夠用于粘結(jié)。在基板l (201)由硅晶片制成的情況下， 能夠使用擴(kuò)散粘結(jié)。在基板l (201)由Pyrex (注冊商標(biāo))玻璃制成 的情況下，能夠使用陽極氧化接合。
圖3中所示的稀釋機(jī)構(gòu)通過上述各個(gè)步驟制造。
(示例3)
在示例3中，將描述一種燃料電池系統(tǒng)，本發(fā)明的稀釋機(jī)構(gòu)作為 燃料電池的凈化氣體處理裝置安裝在該燃料電池系統(tǒng)中。
圖IO是示出了根據(jù)這個(gè)示例的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖。參考圖10，標(biāo)號101表示燃料入口，標(biāo)號102表示稀釋劑入口，標(biāo)號105 表示排出口，標(biāo)號301表示稀釋機(jī)構(gòu)，標(biāo)號302表示燃料電池，標(biāo)號 303表示燃料箱，標(biāo)號304表示陽極，標(biāo)號305表示陰極，標(biāo)號306 表示電解質(zhì)膜，標(biāo)號307表示氣孔。
在這個(gè)示例中，燃料存儲在燃料箱303中，并通過燃料流動路徑 供應(yīng)到燃料電池302的陽極304。
當(dāng)燃料由例如氫制成并且燃料箱303由儲氫合金填充時(shí)，能夠以 較低的壓力高效地存儲氬。
而且，第一閥308和控制閥(第二閥)106設(shè)置在燃料流動路徑 內(nèi)。第一閥308控制燃料從燃料箱303到燃料電池302的供應(yīng)，并且 控制閥106將燃料排出到燃料流動路徑之外。
第二閥的燃料流動路徑連接到稀釋機(jī)構(gòu)301。
已經(jīng)供應(yīng)到稀釋機(jī)構(gòu)的廢燃料在廢燃料已經(jīng)被空氣稀釋后從排出 口 105排出。
另一方面，由于自然擴(kuò)散，空氣能夠從氣孔進(jìn)入作為氧化劑。所 產(chǎn)生的電能通過輸出端子供應(yīng)到外部裝置。
現(xiàn)在，描述有助于燃料電池的凈化操作的稀釋機(jī)構(gòu)的操作。
少量空氣通過電解質(zhì)膜或者其它部件進(jìn)入到燃料電池的陽極室。
空氣中的氧氣通過催化劑與燃料反應(yīng)產(chǎn)生水。而且，已經(jīng)在陰極 處由于發(fā)電產(chǎn)生的水也在電解質(zhì)膜中擴(kuò)散，并到達(dá)陽極。
即，除了燃料之外，諸如氮?dú)饣蛘咚?濕氣)之類的雜質(zhì)在陽極 中累積。因此，為了防止發(fā)電性能惡化(其歸因于陽極內(nèi)燃料濃度的 降4氐)，需要在陽極內(nèi)進(jìn)行排出雜質(zhì)的凈化操作。
當(dāng)發(fā)電經(jīng)過給定時(shí)間時(shí)，或者在監(jiān)測燃料電池的電壓后當(dāng)電壓變 為低于給定值時(shí)，能夠向燃料電池發(fā)出凈化指令。
而且，當(dāng)雜質(zhì)濃度超過給定值時(shí)，或者測量燃料流動路徑內(nèi)的氣 體濃度后當(dāng)燃料濃度變得低于給定值時(shí)，能夠發(fā)出凈化指令。
在這種情況下，作為一個(gè)示例，通過在示例1中描述的制造方法 制造的稀釋機(jī)構(gòu)用作稀釋機(jī)構(gòu)。在根據(jù)凈化指令進(jìn)行凈化的情況下，根據(jù)陽極容積、陽極的壓力
損失或者流動路徑圖案，在陽極容積約為ke的小尺寸燃料電池中，
凈化以約100sccm的流量進(jìn)行幾秒鐘。
在這種情況下，稀釋機(jī)構(gòu)的噴嘴107的直徑設(shè)定為125pm，并且
氺,出流量為100sccm。
已經(jīng)供應(yīng)到稀釋機(jī)構(gòu)的燃料在稀釋流動路徑內(nèi)被稀釋，然后排出。 在凈化流量過高并且燃料不能被充分地稀釋的情況下，燃料傳感
器109的檢測值增大以關(guān)閉第二閥106。
凈化操作。
而且，能夠在燃料傳感器109的值超過給定值時(shí)中止凈化操作。
可選地，能夠如圖7所示的那樣，設(shè)置緩沖區(qū)域。
例如，假設(shè)一次凈化操作以100sccm進(jìn)行兩秒并且凈化操作每隔 30分鐘進(jìn)行一次。當(dāng)假設(shè)緩沖區(qū)域設(shè)定為3cc并且噴嘴107的直徑設(shè) 定為3jim時(shí)，廢燃料的流量約為O.lsccm。
因此，經(jīng)過凈化的氣體最初累積在緩沖區(qū)域中，然后緩慢地經(jīng)過 30分鐘供應(yīng)到稀釋機(jī)構(gòu)。
利用上述操作，能夠減小稀釋機(jī)構(gòu)的體積，并且每次處理的廢燃 料的量較小。結(jié)果，能夠防止發(fā)熱或者廢氣體量瞬間增加。
控制閥106能夠由通過電磁力控制的主動閥形成?？蛇x地，如日 本專利申請?zhí)亻_No.2004-031199所公開的那樣，控制閥106能夠由小 尺寸的減壓閥形成，該減壓閥具有這樣的遲滯性，即閥打開的壓力和 閥關(guān)閉的壓力彼此不同。
而且，小尺寸的減壓閥不需要電能就能夠?qū)⑾掠螇毫Ρ３譃榻o定 值，并且它的設(shè)定壓力能夠設(shè)計(jì)為不同的值。
因此，使用上述閥，并且該閥設(shè)定為當(dāng)減壓閥的下游壓力不超過 第一給定值時(shí)打開，并且當(dāng)下游壓力超過第二給定值時(shí)該閥關(guān)閉。第 一給定值等于或者高于外部大氣壓力，并且等于或者低于燃料電池的 陽極流動路徑的燃料壓力。第二給定值高于第一給定值。利用上述結(jié)構(gòu)，廢氣能夠保持為等于或者低于適當(dāng)?shù)臐舛?，同時(shí) 不允許恒定量或者更多的燃料一次流入稀釋機(jī)構(gòu)。
此外，根據(jù)上述減壓閥，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單并且不需要用于驅(qū)動的電 源，因此該減壓閥有利于減小系統(tǒng)的尺寸并降低功耗。
(示例4)
在示例4中，描述一種不同于示例3的燃料電池系統(tǒng)，本發(fā)明的 稀釋機(jī)構(gòu)作為燃料電池的凈化氣體處理裝置安裝在該系統(tǒng)中。
所示的示例3。但是，根據(jù)這個(gè)示例的凈化操作不是間歇地進(jìn)行，而 是構(gòu)造成連續(xù)地排出恒定量的氣體，該恒定量的氣體大于雜質(zhì)的進(jìn)入 速度。
圖11是示出了根據(jù)這個(gè)示例的第一稀釋機(jī)構(gòu)的構(gòu)造的示意圖。如 圖11所示，根據(jù)這個(gè)示例的稀釋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一直通過稀釋室103的入 口處的噴嘴107排出限制流量的氣體而不使用第二閥106。注意標(biāo)號 105表示排出口 (稀釋劑入口)。
在燃料由氫制成，噴嘴的直徑為3pm，燃料電池陽極內(nèi)的壓力為 200kPa的情況下，氣體流量約為O，lsccm。
另一方面，在燃料電池陽極的內(nèi)部被空氣取代的情況下，因?yàn)橐?防止燃料電池在燃料電池停止時(shí)或者燃料電池長期沒有使用時(shí)惡化， 所以需要陽極內(nèi)的空氣在啟動時(shí)被燃料替換。
在這種情況下，因?yàn)榱髁吭谏鲜鱿♂寵C(jī)構(gòu)中較低，因此啟動燃料 電池需要一些時(shí)間。
在上述狀況下，能夠應(yīng)用下面的第二稀釋機(jī)構(gòu)。圖12是示出了第 二稀釋機(jī)構(gòu)的構(gòu)造示例的示意圖。
如圖12所示，作為不同于具有噴嘴107的流動路徑的另一流動路 徑的第二流動路徑被設(shè)置作為從燃料電池302延伸到稀釋機(jī)構(gòu)的流動 路徑。在啟動時(shí)，能夠通過打開流動路徑內(nèi)的控制閥(第二閥)106 快速地將空氣替換為燃料。
如果第二閥構(gòu)造成當(dāng)燃料傳感器109檢測到的燃料濃度超過給定值時(shí)關(guān)閉，則當(dāng)雜質(zhì)氣體在啟動的時(shí)候被凈化時(shí)，能夠關(guān)閉第二閥。
此外，利用上述構(gòu)造，第二閥106也能夠在中止發(fā)電并且第一閥308 關(guān)閉時(shí)打開。結(jié)果，陽極內(nèi)部能夠容易地利用空氣替換，從而防止燃 料電池惡化。注意標(biāo)號113表示第二燃料入口。
此外，當(dāng)燃料電池302的燃料流動路徑的一部分的壓力損失較大 時(shí)，下述的構(gòu)造是有效的。流動路徑在第一閥308的下游處以及高壓 力損失部分的上游處分支。 一個(gè)分支連接到燃料電池302，另一個(gè)連 接到第二燃料入口 113。此外，來自燃料電池302的排出流動路徑連 接到燃料入口 101。在這個(gè)構(gòu)造中，在啟動時(shí)，來自分支點(diǎn)上游處的 雜質(zhì)氣體立刻從第二流動路徑入口 113排出到稀釋機(jī)構(gòu)310。另一方 面，來自高壓力損失部分下游處的雜質(zhì)氣體從燃料入口 IOI緩慢地排 出。這樣的啟動方法提供了啟動時(shí)的快速凈化操作，即使當(dāng)存在高壓 力損失部分時(shí)。
而且，即使當(dāng)不設(shè)置第二流動路徑而布置不完全關(guān)閉的控制閥(即 使當(dāng)關(guān)閉時(shí)也具有較低的流量的閥)代替圖2中的噴嘴107作為第二 閥106時(shí)，也能夠改進(jìn)啟動特性。
圖13示出了代替噴嘴107的不完全關(guān)閉的控制閥的結(jié)構(gòu)示例。
參考圖13,標(biāo)號401表示閥盤，標(biāo)號402表示閥座，標(biāo)號403表 示隔膜，標(biāo)號404表示致動器，標(biāo)號405表示間隙。
如圖13所示，控制閥構(gòu)造成即使在關(guān)閉狀態(tài)下也允許少量的流動 從間隙405發(fā)生。
(示例5)
在示例5中，描述一種燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例，其中，根據(jù)本 發(fā)明的稀釋機(jī)構(gòu)設(shè)置在燃料電池的殼體內(nèi)。
圖14是示出了根據(jù)這個(gè)示例的裝配有稀釋機(jī)構(gòu)的第一燃料電池 系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖。
參考圖14，標(biāo)號101表示燃料入口，標(biāo)號102表示稀釋劑入口 ， 標(biāo)號105表示排出口 ，標(biāo)號108表示催化劑，標(biāo)號301表示稀釋機(jī)構(gòu)， 標(biāo)號302表示燃料電池，標(biāo)號303表示燃料箱，標(biāo)號307表示氣孔，
25標(biāo)號309表示燃料電池的殼體。
在這個(gè)示例中，稀釋劑入口 102設(shè)置在燃料電池的殼體309的內(nèi) 部。利用這個(gè)結(jié)構(gòu)，即使當(dāng)由于破損的燃料電池而在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生泄漏 并且燃料泄漏到殼體中時(shí)，泄漏的燃料從稀釋劑入口 102被接收到稀 釋機(jī)構(gòu)301中，以被稀釋并排出。
特別地，在燃料比空氣更輕的(如同氫一樣)情況下，泄漏的燃 料向上擴(kuò)散。因此，優(yōu)選的是在燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)部的上部上設(shè)置稀 釋機(jī)構(gòu)301。
而且，排出口 105能夠被制成為面積較大，并且也用作燃料電池 氣孔307，象圖15所示的第二燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例那樣。而且， 在象圖16所示的第三燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例中一樣卸壓閥310 (該 卸壓閥310在箱壓力超過給定值時(shí)打開)設(shè)置在燃料箱303的情況下， 通過卸壓閥310釋放的燃料能夠被引導(dǎo)到稀釋機(jī)構(gòu)301。在圖15和圖 16中，與圖14中的標(biāo)號相同的標(biāo)號表示與圖14中的構(gòu)造相同的構(gòu)造。
(示例6)
在示例6中，描述利用半導(dǎo)體加工技術(shù)制造圖4中所示的稀釋機(jī) 構(gòu)(除了控制閥106之外)的方法。
圖17A至圖17D是示出了根據(jù)這個(gè)示例的制造稀釋機(jī)構(gòu)的過程的 工藝流程圖。
參考圖17A至圖17D,標(biāo)號104表示擴(kuò)散流動路徑，標(biāo)號107表 示噴嘴，標(biāo)號108表示催化劑，標(biāo)號lll表示接線，標(biāo)號2(B表示基板。
在圖17A所示的步驟中，制備這個(gè)工藝過程中使用的基板203， 該基板203為石圭晶片。
作為晶片，優(yōu)選的是絕緣體上的硅晶片(SOI)，該晶片的兩個(gè)表 面均凈皮拋光，以蝕刻兩個(gè)表面，在該兩個(gè)表面之間插入能夠用作蝕刻 的停止層的氧化物薄膜層。各層的厚度為在處理層為300fim，在BOX 層為ljim，在器件層為lnm。在后續(xù)使用的蝕刻工藝中使用ICP-RIE 的情況下，不特別限定基板的平面取向。但是，在使用各向異性濕式蝕刻的情況下，優(yōu)選的是(100)平面向上朝向。
隨后，在圖17B所示的步驟中，在流動路徑中形成燃料入口和噴嘴。
通過光刻法形成流動路徑圖案，并蝕刻晶片。
作為蝕刻，能夠使用利用ICP-RIE或者KOH的各向異性濕式蝕 刻。蝕刻深度約為300pm，并且蝕刻停止在氧化物層。在使用ICP-RIE 的情況下噴嘴的構(gòu)造通常為圓形孔構(gòu)造(非漸縮)，在使用各向異性濕 式蝕刻的情況下噴嘴的構(gòu)造通常為矩形孔漸縮的構(gòu)造。調(diào)整ICP-RIE 中的配方，以使噴嘴輕微地漸縮或者校正濕式蝕刻中使用的掩模圖案， 同時(shí)考慮晶體表面，由此能夠制造類似于圓形孔漸縮噴嘴的噴嘴。而 且，使用在噴嘴部的打開面積不同的兩個(gè)掩模，并且蝕刻以兩個(gè)階段 進(jìn)行，從而能夠在噴嘴部形成窄的部分。
在這個(gè)示例中，因?yàn)槿剂鲜菤?，燃料入口處的壓力?00kPa，噴 嘴的直徑為125fim，所以流量能夠控制為100cc/min。
厚膜的光刻膠能夠用作蝕刻的掩模，或者能夠使用氧化鋁或者二 氧化硅。在使用多個(gè)掩模的情況下，能夠使用不同類型的掩模，或者 使用類型相同但是厚度不同的掩模。在蝕刻后，去除掩模和光刻膠。
在圖17C所示的步驟中，形成擴(kuò)散流動路徑。進(jìn)行掩模處理，并 在氟化氫溶液中進(jìn)行陽極氧化處理，從而能夠形成多孔的擴(kuò)散流動路 徑。
在圖17D所示的步驟中，形成催化劑層和接線。催化劑能夠由 Pt構(gòu)成。催化劑能夠通過濺射或者電鍍以及涂覆由微粒制成的漿形 成。濺射能夠在諸如常態(tài)氬氣或者氮?dú)庵惖亩栊詺怏w條件下進(jìn)行。 可選地，能夠在濺射期間混和氧氣，從而能夠形成表面面積較大的催 化劑層。而且，接線能夠由Au制成，并且它利用濺射或者EB氣相 沉積法形成在薄Cr層上，以獲得高質(zhì)量的薄膜。優(yōu)選的是，該薄膜 通過利用光刻膠的剝離或者陰影掩模形成圖案。
最后，蝕刻掩模的氧化物層和噴嘴部，以完成稀釋器。
接線111和燃料傳感器109通過利用光刻膠的剝離或者陰影掩模形成圖案。
圖4中所示的稀釋機(jī)構(gòu)通過上述各個(gè)工藝制造。
雖然已經(jīng)參考示例性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解 本發(fā)明并不局限于所公開的示例性實(shí)施方式。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng) 當(dāng)給予最寬泛的解釋，以包括所有這些修改、等同結(jié)構(gòu)和功能。
本申請要求2006年10月17日提交的日本專利申請 No.2006-282183的優(yōu)先權(quán)，這里通過參考引入該申請的全部內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，該稀釋機(jī)構(gòu)在稀釋室中稀釋從使用燃料的裝置排出的廢燃料的濃度，所述稀釋機(jī)構(gòu)包括燃料入口，所述燃料入口用于將從所述使用燃料的裝置排出的廢燃料供應(yīng)到所述稀釋室；稀釋劑入口，所述稀釋劑入口用于將稀釋劑供應(yīng)到所述稀釋室；擴(kuò)散流動路徑，所述擴(kuò)散流動路徑設(shè)置在所述稀釋室中，用于將從所述燃料入口供應(yīng)的廢燃料與從所述稀釋劑入口供應(yīng)的稀釋劑混和；燃料排出口，所述燃料排出口用于將經(jīng)過稀釋的廢燃料通過所述擴(kuò)散流動路徑排出到所述稀釋室外部；以及噴嘴，所述噴嘴使一流動路徑變窄，所述噴嘴設(shè)置在燃料入口處，其中，所述噴嘴限制供應(yīng)到所述稀釋室的廢燃料的供應(yīng)量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，當(dāng)所述 噴嘴的噴嘴直徑為d并且從所述使用燃料的裝置排出的所述廢燃料的 凈化流量為Q時(shí)，凈化流量Q和噴嘴直徑d之間的關(guān)系設(shè)定為滿足 下面的公式g = W2 (2/(/c +1))'/(") x {2/(/c +1)}''2 pv / 4其中，^是排出的燃料的絕熱指數(shù)，p是密度，v是聲速。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，流動路 徑寬度和擴(kuò)散流動路徑的深度中的 一個(gè)小于所述廢燃料的熄滅距離。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述稀 釋劑入口相對于所述擴(kuò)散流動路徑位于所述燃料入口的相反側(cè)上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述稀 釋劑入口被構(gòu)造作為供應(yīng)作為稀釋劑的空氣的空氣供應(yīng)口 ，所述空氣 供應(yīng)口能利用自然擴(kuò)散接收空氣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所迷稀 釋劑入口和廢燃料出口被制成相互共用。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置在 所述擴(kuò)散流動路徑中的燃料催化劑，用于使所述廢燃料與所述稀釋劑 反應(yīng)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述燃 料催化劑包括鉑、鈀和包含鉑和鈀之一的化合物中的任何一種。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括用于檢 測所述燃料催化劑的電阻的檢測器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，除了連接所 述使用燃料的裝置和所述燃料入口的第一燃料流動路徑之外，還包括 用于將所述廢燃料從所述使用燃料的裝置供應(yīng)到所述擴(kuò)散流動路徑的 第二燃料流動路徑；以及控制閥，所述控制閥設(shè)置在所述第二燃料流動路徑中，用于控制 供應(yīng)到所述稀釋室的所述廢燃料的供應(yīng)量。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置 在所述使用燃料的裝置和所述燃料入口之間的一控制閥，所述控制閥 用于控制供應(yīng)到所述稀釋室的所述廢燃料的供應(yīng)量。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置 在所述控制閥和所述燃料入口之間的緩沖區(qū)域，所述緩沖區(qū)域用于將 供應(yīng)到所述稀釋室的所述廢燃料的供應(yīng)量限定為恒定量。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置 在所述使用燃料的裝置和所述燃料入口之間的控制閥，所述控制閥代 替設(shè)置在所述燃料入口處的使流動路徑變窄的噴嘴，所述控制閥在關(guān) 閉狀態(tài)下不完全阻塞流動。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，當(dāng)下 游壓力變得低于第一設(shè)定壓力時(shí)，所述控制閥打開，所述第一設(shè)定壓 力等于或者高于外部大氣壓力并且等于或者低于所述使用燃料的裝置 的燃料壓力；當(dāng)所述下游壓力超過高于所述第 一設(shè)定壓力的第二設(shè)定 壓力時(shí)，所述控制閥關(guān)閉。
15、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述控制閥被控制為當(dāng)通過權(quán)利要求9中限定的檢測器檢測到的電阻變得 低于設(shè)定值時(shí)打開，并且當(dāng)所述電阻超過所述設(shè)定值時(shí)關(guān)閉。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述 使用燃料的裝置位于一殼體內(nèi)，并且所述殼體內(nèi)的空氣從所述稀釋劑 入口被接收到所述稀釋室中。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述 稀釋機(jī)構(gòu)放置在所述殼體內(nèi)的高于所述使用燃料的裝置的部分處，所 述使用燃料的裝置設(shè)置在所述殼體中。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述 燃料排出口用作將空氣接收到所述使用燃料的裝置的氣孔。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，其中，所述 使用燃料的裝置具有燃料箱，并且，從所述燃料箱的卸壓閥發(fā)出的燃 料是從所述燃料入口和所述稀釋劑入口中的一個(gè)接收的。
20、 一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)配備有根據(jù)權(quán)利要求 1所述的用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，所述稀釋機(jī)構(gòu)作為燃料電池的凈化 氣體處理裝置。
全文摘要
提供一種用于廢燃料的稀釋機(jī)構(gòu)，所述稀釋機(jī)構(gòu)包括燃料入口，所述燃料入口用于將從所述使用燃料的裝置排出的廢燃料供應(yīng)到所述稀釋室；稀釋劑入口，所述稀釋劑入口用于將稀釋劑供應(yīng)到所述稀釋室；擴(kuò)散流動路徑，所述擴(kuò)散流動路徑設(shè)置在所述稀釋室中，用于將從所述燃料入口供應(yīng)的廢燃料與從所述稀釋劑入口供應(yīng)的稀釋劑混和；燃料排出口，所述燃料排出口用于將經(jīng)過稀釋的廢燃料通過所述擴(kuò)散流動路徑排出到所述稀釋室外部；以及，噴嘴所述噴嘴使一流動路徑變窄，所述噴嘴設(shè)置在燃料入口處，其中，所述噴嘴限制供應(yīng)到所述稀釋室的廢燃料的供應(yīng)量。
文檔編號H01M8/04GK101449413SQ20078001848
公開日2009年6月3日 申請日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者中窪亨 申請人:佳能株式會社