專利名稱：燃料電池、電子裝置以及燃料供給方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過氫和氧之間的反應(yīng)來進行發(fā)電的燃料電池、一種包括這樣的 燃料電池的電子裝置以及應(yīng)用于該燃料電池的燃料供給方法。
背景技術(shù)：
在燃料電池中，氫和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成水并獲得電流。根據(jù)作為燃料的 氫的供給方法和反應(yīng)機構(gòu)，燃料電池分類為直接氫聚合物電解質(zhì)型、直接甲醇型、燃料重整 型、磷酸型、熔融聚合物電解質(zhì)型、固體氧化物型等。在上述類型中，近年來，甲醇被直接氧化的直接甲醇型燃料電池的研究和開發(fā)已 得到積極的關(guān)注，這是因為燃料處理以及高能量密度兩者均相對容易地得到滿足。圖26示出了傳統(tǒng)直接甲醇型燃料電池的結(jié)構(gòu)實例的截面結(jié)構(gòu)。在燃料電池101 中，甲醇水構(gòu)成的液體燃料121裝在燃料箱120中。在燃料箱120的上部中央部分設(shè)置燃料 泵122，該燃料泵經(jīng)由噴嘴123連接至燃料擴散板103。燃料擴散板103的周圍區(qū)域被密封 部141和分離板142覆蓋。在分離板142上方設(shè)置由多個電池單元(battery cell)105A 105C構(gòu)成的電池本體105以及燃料泄漏防止板143。在燃料電池101中，燃料擴散板103 被燃料泵122和噴嘴123填充以液體燃料121。在燃料擴散板103中，液體燃料121在擴散 的同時被汽化。在分離板142中，僅汽化的燃料供應(yīng)至電池單元105A 105C。因此，在各 個電池單元105A 105C中，進行發(fā)電。而且，例如，專利文件1披露了一種燃料電池，其中，設(shè)置有具有給定形狀的流路， 使得液體燃料能夠順利地擴散。專利文件1 日本未審查專利申請公開號2006-140153專利文件2 日本未審查專利申請公開號2000-10620
發(fā)明內(nèi)容
然而，在圖26所示的燃料電池中，液體燃料在燃料擴散板103中的擴散性很低。因 此，存在這樣的問題，即在從噴嘴123供應(yīng)液體燃料121之后，液體燃料121僅在噴嘴123附 近立即汽化，并且該燃料僅供應(yīng)至噴嘴123附近正上方的電池單元(在這種情況下，是電池 單元105B)。因此，首先，電池本體105的僅部分發(fā)電單元進行發(fā)電，這樣產(chǎn)生了位置變化， 并且發(fā)電效率降低。因此，為了防止這樣的位置變化并且為了均勻地擴散汽化的燃料，需要 在擴散板103上方具有給定的空間區(qū)域140，由此難以減小燃料電池的尺寸。同時，在上述專利文件1中，具有給定形狀的流路有可能使液體燃料能夠有效地 擴散。然而，由于必須設(shè)置具有復(fù)雜形狀的流路，因此制造成本很高。
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如上所述，在傳統(tǒng)的燃料電池中，難以利用簡單結(jié)構(gòu)來減小電池的尺寸。而且，在圖26所示的結(jié)構(gòu)中，存在這樣的問題，即由于燃料電池的姿勢差異 (posture difference)，液體燃料121在燃料擴散板103中的擴散由于重力的影響而變得 不均勻。例如，在燃料電池水平放置的情況下，如圖27所示，液體燃料121在整個燃料擴散 板103中幾乎均勻地擴散。然而，在燃料電池豎直放置的情況下，如圖28所示，液體燃料 121的擴散范圍由于重力的影響主要位于下方，并且燃料僅供應(yīng)至下部的電池單元。因此，例如，可以想到，通過毛細管力將液體燃料填充到諸如無紡布的多孔部件 中，以消除重力的影響(例如，參考專利文件2)。然而，在該方法中，需要大量的填充無紡布 的液體燃料。因此，存在這樣的問題，使得即使在停止燃料供給之后，仍有相當(dāng)量的液體燃 料留在無紡布中，并且無法快速停止燃料的汽化。如上所述，在傳統(tǒng)的燃料電池中，難以通過防止由于姿勢差異造成的重力影響而 均勻地將液體燃料供給各個電池單元。鑒于上述問題，本發(fā)明的第一目的在于提供一種能夠利用簡單結(jié)構(gòu)來減小電池尺 寸的燃料電池、電子裝置以及燃料供給方法。本發(fā)明的第二目的在于提供一種燃料電池以及包括該燃料電池的電子裝置，該燃 料電池能夠通過防止由于姿勢差異造成的重力影響而均勻地將液體燃料供給各個發(fā)電部。本發(fā)明的第一燃料電池包括電池本體，其包括發(fā)電部；燃料擴散部，其表面上具 有多孔氧化膜，通過該多孔氧化膜擴散液體燃料并將燃料供給發(fā)電部；以及燃料箱，其用于 容納液體燃料，并將液體燃料供給多孔氧化膜。本發(fā)明的第二燃料電池包括電池本體，其包括發(fā)電部；燃料箱，其用于容納液體 燃料；以及燃料擴散部，其中，在電池本體側(cè)的表面上從供給來自燃料箱的液體燃料的入口 向燃料擴散部的周緣部徑向地設(shè)置有槽部。本發(fā)明的第一電子裝置和第二電子裝置分別包括本發(fā)明的第一燃料電池和第二 燃料電池。本發(fā)明的第一燃料供給方法是一種用于將容納在燃料箱中的液體燃料供給發(fā)電 部的方法，其中，該方法將液體燃料供給多孔氧化膜，通過多孔氧化膜中的毛細管現(xiàn)象擴散 液體燃料，并且使擴散的液體燃料汽化并將燃料供給發(fā)電部。本發(fā)明的第二燃料供給方法是一種用于將容納在燃料箱中的液體燃料供給發(fā)電 部的方法，其中，該方法將液體燃料供給燃料擴散部的入口，在從該入口朝向燃料擴散部分 的周緣部分徑向形成的槽部分中通過毛細管現(xiàn)象而移動液體燃料，并且使移動的液體燃料 汽化并將燃料供給發(fā)電部。在本發(fā)明的第一燃料電池和第一電子裝置中，容納在燃料箱中的液體燃料供應(yīng)至 多孔氧化膜。在多孔氧化膜中，通過由于大量的微小孔產(chǎn)生的毛細管現(xiàn)象，擴散液體燃料。 然后，使擴散的液體燃料汽化，并將其供應(yīng)至發(fā)電部。在本發(fā)明的第二燃料電池和第二電子裝置中，容納在燃料箱中的液體燃料供應(yīng)至 燃料擴散部的入口，借助毛細管現(xiàn)象而移動通過徑向的槽部。在燃料擴散部豎直配置的情 況中，液體燃料在槽部中克服重力而向上移動。因此，防止了由于姿勢差異而造成的重力影 響，并且液體燃料均勻地供應(yīng)至各個發(fā)電部。根據(jù)本發(fā)明的第一燃料電池或第一電子裝置，設(shè)置表面為多孔氧化膜的燃料擴散
4部，并且使從燃料箱供應(yīng)至燃料擴散部的液體燃料在該多孔氧化膜中擴散。因此，可以利用 毛細管現(xiàn)象，使液體燃料均勻擴散至寬范圍，然后汽化，并供應(yīng)至發(fā)電部。因此，能夠利用簡 單結(jié)構(gòu)來減小電池的尺寸。根據(jù)本發(fā)明的第二燃料電池和第二電子裝置，在燃料擴散部的電池本體側(cè)的表面 上，從入口向燃料擴散部的周緣部徑向設(shè)置槽部。因此，通過利用毛細管現(xiàn)象，可以使液體 燃料在槽部中移動，而與重力的方向無關(guān)。因此，防止了由于姿勢差異造成的重力影響，并 且可以均勻地將液體燃料供給各個發(fā)電部。根據(jù)本發(fā)明的第一燃料供給方法，將容納在燃料箱中的液體燃料供應(yīng)至多孔氧化 膜，通過毛細管現(xiàn)象使液體燃料在該多孔氧化膜中擴散，并且使擴散的液體燃料汽化，并將 其供應(yīng)至發(fā)電部。因而，汽化的燃料可以均勻地擴散。因此，可以利用簡單結(jié)構(gòu)來減小電池 的尺寸。根據(jù)本發(fā)明的第二燃料供給方法，將容納在燃料箱中的液體燃料供應(yīng)至燃料擴散 部的入口，在從該入口朝向燃料擴散部的周緣部徑向形成的槽部中通過毛細管現(xiàn)象來移動 液體燃料，并且使移動的液體燃料汽化并將其供應(yīng)至發(fā)電部。因此，即使在豎直布置燃料擴 散部的情況下，也可以克服重力在槽部中向上移動液體燃料。因此，防止了由于姿勢差異造 成的重力影響，并且可以將液體燃料均勻地供應(yīng)至各個發(fā)電部。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖2是示出了圖1所示的燃料擴散層的詳細結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖3是用于說明液體燃料的擴散同時與傳統(tǒng)實施例相比較的剖視圖。圖4是用于說明液體燃料的擴散同時與傳統(tǒng)實施例相比較的平面圖。圖5是用于說明多孔氧化膜的膜厚度調(diào)整的剖視圖。圖6是示出了根據(jù)第一變型例的燃料電池的結(jié)構(gòu)的平面圖和剖視圖。圖7是示出了根據(jù)第二變型例的燃料電池的結(jié)構(gòu)的平面圖和剖視圖。圖8是示出了根據(jù)第三變型例的燃料電池的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖9是示出了根據(jù)第四變型例的燃料電池的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的燃料電池的燃料擴散層的結(jié)構(gòu)的平面 圖，該圖是從形成有槽部的一側(cè)觀看的。圖11是示出了槽部的一個實施例的剖視圖。圖12是示出了槽部的另一實施例的剖視圖。圖13是示出了槽部的又一實施例的剖視圖。圖14是示出了槽部的又一實施例的剖視圖。圖15是示出了槽部的又一實施例的剖視圖。圖16是示出了槽部的又一實施例的剖視圖。圖17是示出了燃料擴散層的另一結(jié)構(gòu)的平面圖和剖視圖。圖18是示出了燃料擴散層的又一結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖19是用于說明用于檢驗槽部中的毛細管力的試驗的透視圖。圖20是示出了在圖19所示的間隙的尺寸改變的情況下有色水上升高度的計算結(jié)果的曲線圖。圖21是用于說明用于檢驗槽部中的毛細管力的另一試驗的透視圖。圖22是示出了圖21所示的槽部中的水面形狀的剖視圖。圖23是示出了槽部的又一實施例的剖視圖。圖24是示出了槽部的又一實施例的剖視圖。圖25是示出了燃料擴散層的又一實施例的剖視圖。圖26是示出了傳統(tǒng)燃料電池的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖27是用于說明由于傳統(tǒng)燃料電池姿勢而造成的燃料擴散的差異的平面圖和剖 視圖。圖28是用于說明由于傳統(tǒng)燃料電池姿勢而造成的燃料擴散的差異的平面圖和剖 視圖。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖詳細地描述本發(fā)明的實施方式。(第一實施方式)圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池(燃料電池1)的截面結(jié)構(gòu)。此 外，通過根據(jù)本實施方式的燃料電池系統(tǒng)來實施本發(fā)明的第一燃料供給方法，因此也將給 出其描述。燃料電池1設(shè)置有容納液體燃料(例如，甲醇水)21的燃料箱20。在燃料箱20上 方，設(shè)置電池本體5。電池本體5包括多個沿水平方向布置的電池單元5A 5C。此外，燃 料箱20包括例如這樣的容器(例如，塑料袋)，即使液體燃料21增加或減少，體積發(fā)生變 化而不會有氣泡進入其中；以及覆蓋該容器的長方體外殼(結(jié)構(gòu))。各個電池單元5A 5C是直接甲醇型的發(fā)電部，其中，通過氫和氧之間的反應(yīng)來進 行發(fā)電。燃料電極(負電極、負極)51和氧電極(正電極、正極)53通過中間的電解質(zhì)膜52 而相對布置。未示出的空氣供給泵連接至氧電極53。燃料電極51形成在電池單元5A 5C的燃料箱20側(cè)上。此外，電解質(zhì)膜52例如由質(zhì)子導(dǎo)體構(gòu)成。在燃料箱20中，用于吸入燃料箱20中的液體燃料并將液體燃料從噴嘴23排出的 燃料供給泵22設(shè)置在燃料箱的中央上部附近。在燃料箱20與電池單元5A 5C之間，具 體地說，在燃料箱20的頂面上，形成燃料擴散層3，用于使從噴嘴23排出的液體燃料21在 該層中擴散。此外，噴嘴23穿透燃料箱20和燃料擴散層3的一部分，因而燃料箱20中的 液體燃料供應(yīng)至燃料擴散層3。圖2詳細示出了燃料擴散層3的截面形狀。燃料擴散層3在金屬層31上(電池 本體5側(cè)的表面)具有多孔氧化膜32(膜厚dl)。金屬層31由鋁(Al)或其合金制成。多孔氧化膜32通過對金屬層31進行給定的 氧化鋁膜處理(alumite treatment)而形成，并且該多孔氧化膜由氧化鋁(Al2O3)或氧化鋁 合金制成。如圖2所示，在多孔氧化膜32中，沿層間方向形成大量的微小孔(例如，直徑為 約IOnm的孔)。后面將描述在形成多孔氧化膜32中的氧化鋁膜處理的詳情。將再次參照圖1進行描述。在燃料箱20上的燃料擴散層3的周圍區(qū)域中，密封部 41沿層間方向延伸。在燃料擴散層3的上方，均勻地形成連接至密封部41的分離板42，其
6中，氣體和液體能夠彼此分離。分離板42例如由聚丙烯基多孔膜等制成。在分離板42的上方，分別布置上述電池單元5A 5C。電池單元5A 5C通過燃 料泄漏防止板43而彼此連接，并且電池單元5A 5C和分離板42通過燃料泄漏防止板43 而彼此連接。從而，可以防止已通過分離板42的液體燃料21的泄漏。例如可以如下制造燃料電池1。首先，例如通過濺射方法，在連接有燃料供給泵22和噴嘴23的燃料箱20上形成 由上述材料制成的金屬層31。接著，對金屬層31進行給定的氧化鋁膜處理以形成多孔氧化膜32。具體地說， 首先，作為用于氧化鋁膜處理的預(yù)處理，對金屬層31進行脫脂處理、邊緣處理(edging treatment)等以去除金屬層31的表面上的油脂和自然氧化膜。接著，對金屬層31進行氧 化鋁膜處理以形成多孔氧化膜32。此時，例如，在硫酸層、鉻酸層、有機酸層、硝酸層、草酸 層、硼酸層等中進行處理，同時例如施加約1 (A/dm2)的直流電。將上述酸層的溫度設(shè)置成 例如約20°C。通過該溫度能夠調(diào)節(jié)多孔氧化膜32的表面狀態(tài)。期望增加溫度，因為這樣能 夠提高液體燃料的擴散效果。對于在氧化鋁膜處理中的染色，可以設(shè)定任意顏色。在通常 的氧化鋁膜處理中，隨后進行密封處理。然而，在本實施方式的氧化鋁膜處理中，省略了全 部或部分的密封處理以保留孔，而不進行完全的密封處理。最后，在如上所述形成的燃料擴散層3上方設(shè)置密封部41和分離板42，在密封部 41和分離板42上方進一步設(shè)置由上述材料制成的電池本體5以及燃料泄漏防止部43，從 而制造出圖1所示的燃料電池系統(tǒng)1。在燃料電池系統(tǒng)1中，通過燃料供給泵22和噴嘴23將裝在燃料箱20中的液體燃 料21填充到燃料擴散層3中。填充在燃料擴散層3中的液體燃料21在燃料擴散層3的表 面上的多孔氧化膜32中擴散并汽化。汽化的燃料穿過分離板42，到達各個電池單元5A 5C，并分別供應(yīng)至其燃料電極51。同時，空氣(氧氣)通過未示出的空氣供給泵而供應(yīng)至各 個電池單元5A 5C的氧電極53。然后，在各個燃料電極51中，反應(yīng)開始以產(chǎn)生氫離子和 電子。進一步地，氫離子通過電解質(zhì)膜52而移動至氧電極53，與電子和氧發(fā)生反應(yīng)，從而生 成水，并且生成作為副產(chǎn)物的二氧化碳。因此，在燃料電池1中，進行發(fā)電。在這種情況下，在多孔氧化膜32中，通過上述給定的氧化鋁膜處理形成大量的微 小孔。因此，例如，如圖3㈧和圖4㈧中的剖視圖和平面圖分別示出的，通過微小孔產(chǎn)生 的毛細管現(xiàn)象，供應(yīng)至多孔氧化膜32的液體燃料21均勻地擴散至寬范圍。此外，在圖3 (A) 中，液體燃料21均勻向下擴散至孔的底部。然而，在某些情況下，根據(jù)多孔氧化膜32的表 面狀態(tài)等，液體燃料21不能向下擴散至孔的底部。同時，在圖26所示的傳統(tǒng)燃料電池101中，供應(yīng)至燃料擴散板103的液體燃料121 具有液體燃料121在燃料擴散板103上的低潤濕特征。因此，例如，如圖3(B)和圖4(B)的 剖視圖和平面圖中分別示出的，與本實施方式的燃料電池1的情形相比，擴散范圍小。如上所述，在本實施方式的燃料電池1中，供應(yīng)至多孔氧化膜32的液體燃料21均 勻地擴散至寬范圍。結(jié)果，汽化的燃料不會主要位于噴嘴23的上方位置附近，而以均勻狀 態(tài)供應(yīng)至電池本體5。如上所述，在本實施方式中，在電池本體5與燃料箱20之間設(shè)置燃料擴散層3，在 燃料擴散層3中，其在電池本體5側(cè)的表面是多孔氧化膜32，并且從燃料箱20供應(yīng)至燃料擴散層3的液體燃料21在多孔氧化膜32中擴散。因此，可以利用由于微小孔引起的毛細 管現(xiàn)象，使液體燃料21均勻地擴散至寬范圍，然后汽化，并供應(yīng)至電池本體5中的各個電池 單元5A 5C。因此，不需要用于均勻擴散汽化的燃料的空間區(qū)域、用于擴散液體燃料的具 有復(fù)雜形狀的流路等。因此，可以利用簡單結(jié)構(gòu)來減小電池的尺寸。而且，對于由鋁制成的金屬層31僅進行給定的氧化鋁膜處理就足夠了。因此，可 以以便宜的制造成本實現(xiàn)這種電池。并且，在普通的氧化鋁膜處理中，在形成微小孔之后，進行用于密封孔的密封處 理。然而，在本實施方式的多孔氧化膜32中，省略了這樣的密封處理。因此，實現(xiàn)了前述效 果，并且通過省略一個步驟，可以通過比普通氧化鋁膜處理更容易的方法來形成燃料擴散層3。而且，可以在液體燃料21在多孔氧化膜32中擴散之后立即汽化擴散的液體燃料 21。因此，使得能夠以少量液體燃料21在寬范圍中進行燃料供給，同時不會在完成發(fā)電之 后在電池本體5中留下無用的液體燃料21。因此，可以改善液體燃料21的使用效率，并且 可以改善燃料電池1的發(fā)電效率。此外，多孔膜由在鋁化合物中最穩(wěn)定的氧化鋁制成。因此，例如，即使在液體燃料 21是甲醇的情況下，也能夠防止由甲醇引起的膜變化，并能夠避免隨著時間的劣化。因此， 即使在很長時間之后，也能夠穩(wěn)定的發(fā)電。在本實施方式的燃料電池1中，例如，作為如圖5所示的具有多孔氧化膜32A(膜 厚d2)的燃料擴散層3A，可以根據(jù)液體燃料21的擴散速率和燃料保持量來調(diào)節(jié)多孔氧化 膜的膜厚。如果如上所述進行構(gòu)造，則除了本實施方式的效果之外，多孔氧化膜的膜厚調(diào)整 使得能夠?qū)⒁后w燃料21的擴散速率和燃料保持量調(diào)整到最佳值。此外，多孔氧化膜的膜厚 調(diào)整使得能夠?qū)⑷剂瞎┙o泵22的驅(qū)動能力、液體燃料21的水保持條件等調(diào)整到最佳值。在下文中，將給出第一實施方式的變型例(第一至第四)的描述。(第一變型例)例如，如平面6(A)以及沿圖6㈧的線II-II截取的剖視6(B)中分別示 出的燃料擴散層3B，沿給定方向通過物理加工形成的槽部33(這里由多個槽部331 333 構(gòu)成)可以形成在燃料擴散層中的電池本體5側(cè)的表面上。如果如上所述進行構(gòu)造，例如， 如圖6(A)所示，則由Pl指示的部分中的液體燃料能夠沿圖中如箭頭所示的槽部33的延伸 方向選擇性地擴散。因此，除了前述實施方式的效果之外，可以任意地控制液體燃料21的 擴散方向。同時，代替由上述物理加工形成的槽部，可以在多孔氧化膜32上特意地形成所 謂的氧化鋁膜裂紋(alumite crack)，并通過利用氧化鋁膜裂紋來控制液體燃料21的擴散 方向。(第二變型例)而且，例如，如平面7(A)和沿圖7(A)的線III-III截取的剖視7(B)中 分別示出的燃料擴散層3C，可以設(shè)置用于將液體燃料21供應(yīng)至燃料擴散層的多個噴嘴，并 且其數(shù)目可以增加(這里，由5個噴嘴231 235構(gòu)成)。如果如上所述進行構(gòu)造，則可以 進一步提高液體燃料21的擴散性，并且進一步提高液體燃料21的使用效率以及燃料電池 1的發(fā)電效率。(第三變型例)
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而且，例如，如圖8所示的具有燃料箱20A的燃料電池1A，可能的是，燃料箱本身由 鋁或其合金制成，并且對頂面，即電池本體5側(cè)的表面，提供氧化鋁膜處理，以在燃料箱的 表面上形成多孔氧化膜。如果如上所述進行構(gòu)造，則無需單獨地形成擴散層。因此，可以利 用簡單結(jié)構(gòu)進一步減小燃料電池的尺寸。(第四變型例)而且，例如，如圖9所示的電池單元1B，可以設(shè)置導(dǎo)熱部6A 6C，通過該導(dǎo)熱部將 各個電池單元5A 5C與燃料擴散層3連接，從而在各個電池單元5A 5C中產(chǎn)生的熱傳 導(dǎo)至燃料擴散層3。如果如上所述進行構(gòu)造，則在各個電池單元5A 5C中產(chǎn)生的熱可用來 增加燃料擴散層3的溫度，這使得能夠進一步提高在多孔氧化膜32中的擴散效率。而且， 由于多孔氧化膜32由具有高導(dǎo)熱性的氧化鋁制成，因此從導(dǎo)熱部6A 6C傳導(dǎo)的熱可快速 地傳導(dǎo)至整個膜，因而其效果很大。而且，在各個電池單元5A 5C中產(chǎn)生的熱可有效地再 利用，電池本體5中的熱釋放可以有效地進行，且能量可有效地再利用。(第二實施方式)圖10示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的燃料電池的燃料擴散層的結(jié)構(gòu)。以與前 述第一變型例和前述第一實施方式中相同的方式構(gòu)造燃料電池，不同之處在于，燃料擴散 層3D的槽部33的形狀是不同的。因此，通過將相同的標號附于相應(yīng)元件而給出描述。本 發(fā)明的第二燃料供給方法通過根據(jù)本實施方式的燃料電池系統(tǒng)來實施，因此也將給出其描 述。以與第一實施方式相同的方式來構(gòu)造燃料箱20、液體燃料21、燃料供給泵22、電 池本體5、密封部41、分離板42、以及燃料泄漏防止部43。燃料擴散層3D的構(gòu)成材料沒有特別限制，但是例如可優(yōu)選鋁(Al)或包含鋁(Al) 的合金。因此，通過利用高導(dǎo)熱性來立刻增加液體燃料21的溫度，并且提高液體燃料21的 汽化效率是可能的。在電池本體5側(cè)的燃料擴散層3D的表面上，從入口 IL徑向地形成大量的槽部33， 通過該槽部液體燃料21從燃料箱20向燃料擴散部3D的周緣部供應(yīng)。從而，在燃料電池中， 可以利用槽部33中的毛細管現(xiàn)象，通過防止由于燃料電池的姿勢不同造成的重力影響，使 得液體燃料21均勻地供應(yīng)至各個電池單元5A 5C。槽部33的截面形狀沒有特別限制。然而，例如，由圖11所示的倒三角(V形)、圖 12所示的矩形、或諸如圓形和圖13所示的橢圓形的曲線(U形)所構(gòu)成的截面形狀是優(yōu)選 的。在具有倒三角截面的槽部33中，尖端上的銳角部34是狹窄部。在銳角部34中，可以 產(chǎn)生強的毛細管現(xiàn)象，并且易于加工銳角部34。具有矩形截面的槽部33具有由底面和側(cè)面 形成的兩個角部35。因此，能夠確保恒定的毛細管力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)有效的燃料輸送。具有 曲線截面的槽部33適合于重視燃料輸送效率的情況，并且易于加工。而且，如圖14和圖15所示，槽部33可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中多個(例如兩級的) 槽部33A和33B沿深度方向結(jié)合。因此，組合前述各個截面形狀并且進一步利用它們的優(yōu) 點是可能的。槽部33A和33B的截面形狀同樣沒有特別限制。而且，槽部33A和33B可以 具有相同的截面形狀，或者可以具有彼此不同的截面形狀。例如，如圖14所示，槽部33A和 33B可以具有彼此寬度不同的各自的倒三角截面。另外，如圖15所示，可以是，槽部33A具 有由諸如圓形和橢圓形的曲線構(gòu)成的截面形狀，而槽部33B具有倒三角截面形狀。
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另外，如圖16所示，可以是，兩個突起36設(shè)置在電池本體5側(cè)的燃料擴散層3D的 表面上，并且突起36之間的間隙構(gòu)造成槽部33。在這種情況下，使得突起36外部的邊角部 37能夠具有類似于槽部33的燃料輸送功能。此外，如圖17所示，燃料擴散層3D可以具有設(shè)置有槽部33的燃料輸送層3D1和 覆蓋設(shè)置有槽部33的燃料輸送層3D1表面的覆蓋層3D2。槽部33的側(cè)面是傾斜面38。在 夾在傾斜面38與覆蓋層3D2之間的兩個銳角部34中，有效地產(chǎn)生毛細管現(xiàn)象。在這種情 況下，槽部33的截面形狀可以具有雙曲線形狀或具有兩個銳角部34的倒三角，如圖17(B) 所示，或者可以具有這樣的形狀，該形狀僅具有兩個銳角部34中的一個。而且，雖然在圖 17(A)中僅示出了設(shè)置在左上槽部33上的覆蓋層3D2，但覆蓋層3D2需要設(shè)置成覆蓋所有 的槽部33。然而，覆蓋層3D2覆蓋至少槽部33就足夠了，并不需覆蓋燃料輸送層3D1的整 個表面。優(yōu)選地，覆蓋層3D2暴露槽部33的至少端部，或者至少在槽部33的端部具有孔61 作為液體燃料21的出口。在燃料輸送層3D1的入口 IL的周圍區(qū)域中，可以設(shè)置用于臨時 匯集供應(yīng)的液體燃料21的燃料池62。圖10和圖17所示的槽部33的數(shù)目、在其延伸方向上的長度、和槽部33的面內(nèi)分 布，作為一個例子示出，并且優(yōu)選設(shè)置成使得液體燃料21根據(jù)燃料擴散層3D的形狀和尺寸 而分散到整個燃料擴散層3D中。如圖18所示，通過與第一實施方式的燃料擴散層3相同的方式，燃料擴散層3D優(yōu) 選在金屬層31 (電池本體5側(cè)的表面)上具有多孔氧化膜32。因此，通過槽部33輸送的 液體燃料21能夠在多孔氧化膜32中擴散和汽化，并且由于其協(xié)同效果而可以獲得更好的 效果。槽部33可以比多孔氧化膜32的膜厚dl更深，并且可以到達金屬層31。另外，槽部 33可以比多孔氧化膜32的膜厚dl更淺。在圖18中，示出了槽部33的截面形狀是倒三角 的情況。然而，在形成多孔氧化膜32的情況下，槽部33的截面形狀同樣沒有特別限制。例如，可以如下制造燃料電池。首先，以與第一實施方式相同的方式，由前述材料制成的金屬層31形成在裝有燃 料供給泵22和噴嘴23的燃料箱20上。接著，以與第一實施方式相同的方式，對金屬層31 進行給定的氧化鋁膜處理，以形成多孔氧化膜32。隨后，在多孔氧化膜32的表面上，例如，通過例如沖切、蝕刻、或利用刀具等的物 理加工，從入口 IL朝向周緣部徑向地形成大量的槽部33，以形成燃料擴散層3D。最后，以與第一實施方式相同的方式，在如上所述形成的燃料擴散層3D上方，設(shè) 置密封部41和分離板42。而且，由前述材料制成的電池本體5和燃料泄漏防止部43設(shè)置 在密封部41和分離板42上。因此，制造出本實施方式的燃料電池系統(tǒng)。在該燃料電池系統(tǒng)中，裝在燃料箱20中的液體燃料21供應(yīng)至燃料擴散層3D。在 燃料擴散層3D中擴散和汽化的燃料穿過分離板42，到達各個電池單元5A 5C，并供應(yīng)至 其燃料電極51。同時，空氣(氧氣)通過未示出的空氣供給泵而供應(yīng)至各個電池單元5A 5C的氧氣電極53。然后，在各個燃料電極51中，開始反應(yīng)以生成氫離子和電子。而且，氫 離子通過電解質(zhì)膜52而移動至氧電極53，并且與電子和氧氣進行反應(yīng)，從而生成水并生成 二氧化碳作為副產(chǎn)物。因此，在燃料電池中，進行發(fā)電。此時，由于在電池本體5側(cè)的燃料擴散層3D的表面上，從入口 IL向周緣部徑向地 設(shè)置大量的槽部33，因此供應(yīng)至入口 IL的液體燃料21通過毛細管現(xiàn)象而移動通過徑向槽部33，并且在供應(yīng)之后，液體燃料21瞬時在燃料擴散層3D上擴展，而無需任何專用泵等。 因此，無需像專利文獻2中那樣為了均勻擴散而將大量液體燃料填充到諸如無紡布的多孔 部件中。而且，在停止發(fā)電的情況下，通過停止供應(yīng)燃料而快速停止汽化。因此，防止了無 用的燃料供應(yīng)，并且少量的液體燃料得以有效利用。而且，在豎直放置燃料擴散層3D的情況下，液體燃料21在槽部33中克服重力而 向上移動。因此，防止了由于姿勢差異造成的重力影響，并且液體燃料21均勻地供應(yīng)至各 個電池單元5A 5C。另一方面，在圖28所示的傳統(tǒng)燃料電池中，在豎直放置燃料電池的情 況下，供應(yīng)至燃料擴散板103的液體燃料121的擴散范圍由于其自身重力而主要位于下方。此外，多孔氧化膜32設(shè)置在燃料擴散層3D的表面上。因此，移動通過槽部33的 液體燃料21從槽部33的側(cè)面供應(yīng)至多孔氧化膜32，并且由于多孔氧化膜32的大量的微 小孔，液體燃料21通過毛細管現(xiàn)象而均勻地擴散至寬范圍。因此，液體燃料21更均勻地擴 散，并且擴散范圍由于槽部33和多孔氧化膜32的協(xié)同效果而得以擴展。另外，毛細管現(xiàn)象是這樣一種現(xiàn)象，S卩，在插入液體的小管、固體壁之間的窄間隙 等中，液面相對于外部自由面向上(向下)移動的現(xiàn)象。通過數(shù)學(xué)公式1來獲得管中液面 的上升高度h。例如，在利用數(shù)學(xué)公式1計算直徑為0. Imm的玻璃管中的液面基于海水面高 度的上升高度h的情況下，其結(jié)果是約28cm。然而，本實施方式的槽部33并不是管。因此， 實際計算出的槽部33中的液面的上升高度h如圖19所示。兩個玻璃板403A和403B的一 側(cè)彼此接觸，并且厚度為1. 2mm的間隔件403C夾在與前述一側(cè)相對的各側(cè)之間，以形成對 應(yīng)于槽部33的具有倒三角截面的間隙433。玻璃板403A和403B設(shè)置在水槽420中，該水 槽包含對應(yīng)于液體燃料21的有色水421。接著，有色水421在間隙433中向上移動。水槽 420中有色水421的液面到間隙433中最高位置的上升高度h為約6cm。[數(shù)學(xué)公式1]h = 2TCOS θ / (p gr)在該公式中，h表示液面的上升高度(m)，T表示表面張力(N/m)，θ表示接觸角， P表示液體的密度(kg/m3)，g表示重力加速度(m/s2)，以及r表示管的內(nèi)徑(半徑)(m)。 在水的情況下，表面張力T為0. 0728N/m(20°C )，接觸角θ是20度，密度P是1000kg/m3， 以及重力加速度g是9. 80665m/s2。圖20示出了在間隙433的尺寸改變的情況下基于數(shù)學(xué)公式1計算的有色水421 的上升高度h的結(jié)果。圖20的計算結(jié)果很好地對應(yīng)于圖21所示的間隙433中的水面的實 際形狀。從中可以發(fā)現(xiàn)，與槽部33對應(yīng)的間隙433中的水面的上升是基于毛細管現(xiàn)象。因 此，即使在如圖21所示代替玻璃板403A和403B，槽部533形成在玻璃板503中，并且玻璃 板503設(shè)置在包含有色水421的水槽420中使得槽部533的延伸方向?qū)?yīng)于重力g的方向 (如圖22所示)的情況下，也可想象到，槽部533中的水面形狀具有以與圖19和圖20所示 的間隙433中的水面形狀相同的方式的毛細管現(xiàn)象。如上所述，在該實施方式中，在電池本體5側(cè)的燃料擴散層3D的表面上，從入口 IL 向周緣部徑向地設(shè)置大量的槽部33。因此，即使在豎直放置燃料擴散層3D的情況下，液體 燃料21也能夠在槽部33中克服重力而向上移動。因此，防止了由于姿勢差異造成的重力 影響，并且液體燃料21能夠均勻地供應(yīng)至各個電池單元5A 5C。而且，供應(yīng)至入口 IL的液體燃料21通過毛細管現(xiàn)象而移動通過徑向槽部33，并且
11在供應(yīng)之后，液體燃料21能夠瞬時在燃料擴散層3D上擴展，而無需任何專用泵等。因此， 無需像專利文獻2中那樣為了均勻擴散而利用大量液體燃料填充諸如無紡布的多孔部件。 而且，在停止發(fā)電時，通過停止供應(yīng)燃料能夠快速停止汽化。因此，防止了無用的燃料供給， 并且使得能夠通過有效利用少量液體燃料而進行發(fā)電。特別地，由于在電池本體5側(cè)的燃料擴散層3D的表面上形成多孔氧化膜32，所以 可能的是，通過槽33傳輸?shù)囊后w燃料21在多孔氧化膜32中更均勻地、大范圍地擴散，進而 汽化，并供應(yīng)至電池本體5中的各個電池單元5A 5C。在前述第二實施方式中，已經(jīng)給出了對于槽部33的寬度和截面形狀在整個延伸 方向上是相同的情況的描述。然而，可以根據(jù)自入口 IL的距離而調(diào)整槽部33的寬度和截面 形狀中的至少一個，以提高毛細管力。在調(diào)整寬度的情況下，必須是隨著自入口 IL的距離 變大，寬度變小。這是因為如果隨著自入口 IL的距離變大，寬度變大，則不能夠傳輸液體燃 料21。例如，如圖23所示，槽部633可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，其中多個段(例如三個段) 中的寬度彼此不同的槽部633A、633B、633C按照從入口 IL側(cè)開始的次序而聯(lián)接，并且隨著 自入口 IL的距離變大，槽部633A、633B、633C的寬度變小。圖23僅示出了從入口 IL延伸 的大量槽部633中的一個。而且，在前述第二實施方式中，已經(jīng)給出了對于槽部33沒有分支的情況的描述。 然而，如圖24所示，槽部633可以具有從入口 IL延伸的主槽部6331 (槽部633A)以及從主 槽部6331分支的分支槽部6332 (槽部633B1和633B2,以及槽部633C1和633C2)。在這種 情況下，分支槽部6332的寬度可以小于主槽部6331的寬度。而且，可能的是，在分支槽部 6332中，隨著自入口 IL的距離變大，寬度變小。圖24僅示出了從入口 IL延伸的大量槽部 633中的一個。而且，如圖25所示，分支槽部6332可以分支成很多段。在這種情況下，分支槽部 6332的寬度可以小于主槽部6331的寬度。而且，可以在分支槽部6332中，隨著自入口 IL 的距離變大，寬度變小。已經(jīng)參照實施方式描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明并不限于前述實施方式，并且可以 進行各種更改。例如，在前述實施方式中，已經(jīng)專門給出了燃料電池的結(jié)構(gòu)的描述。然而， 燃料電池可以具有其他結(jié)構(gòu)或可以由其他材料制成。例如，在前述第二實施方式中，已經(jīng)給 出了對于使多孔氧化膜32與槽部33 —起形成在電池本體5側(cè)的燃料擴散層3D的表面上 的情況的描述。然而，用于擴散液體燃料并將燃料供給至發(fā)電部的燃料擴散部在金屬層31 的表面上可以具有槽部33，并且可以省略多孔氧化膜32。而且，例如，每個元件的材料和厚 度，或者燃料電池的發(fā)電條件等并不限于前述實施方式中描述的那些?？梢圆捎闷渌牧?、 其他厚度、或其他發(fā)電條件。而且，例如，液體燃料21可以是除了甲醇之外的其他液體燃 料，如乙醇和二甲醚。此外，本發(fā)明不僅適用于使用液體燃料的燃料電池，而且還適用于使用除了諸如 氫的液體燃料之外的物質(zhì)作為燃料的燃料電池。而且，在前述實施方式中，已經(jīng)給出了電連接多個電池單元5A 5C的燃料電池的 描述。然而，本發(fā)明也適用于單個單元型燃料電池。此外，在前述實施方式中，已經(jīng)給出了關(guān)于本發(fā)明適用于燃料電池以及包括燃料 電池的電子裝置的情況的描述。然而，除了燃料電池之外，本發(fā)明還適用于其他電化學(xué)裝置，諸如電容器、燃料傳感器以及顯示器。 本發(fā)明的燃料電池可以適當(dāng)?shù)赜糜谝苿与娮友b置，諸如移動電話、電子照相機、電 子數(shù)據(jù)書、筆記本尺寸的個人計算機、攝像機、便攜式視頻游戲播放器、便攜式視頻播放器、 耳機式立體聲系統(tǒng)、和PDA (個人數(shù)字助理)。在這樣的電子裝置中，能夠容易地實現(xiàn)燃料電 池的小型化。因此，同樣能夠容易地減小整個電子裝置的尺寸，因此使得同樣能夠?qū)崿F(xiàn)制造 成本的降低。
權(quán)利要求
一種燃料電池，其特征在于，包括電池本體，包括發(fā)電部；燃料箱，用于容納液體燃料；以及燃料擴散部，在所述燃料擴散部中，在所述電池本體側(cè)的表面上從供給來自所述燃料箱的所述液體燃料的入口向所述燃料擴散部的周緣部徑向地形成槽部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，根據(jù)自所述入口的距離來調(diào)整所述 槽部的寬度和截面形狀中的至少一個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述槽部具有從所述入口延伸的主 槽部以及從所述主槽部分支的分支槽部。
4.一種包括燃料電池的電子裝置，其特征在于，所述燃料電池包括 電池本體，包括發(fā)電部；燃料箱，用于容納液體燃料；以及燃料擴散部，在所述燃料擴散部中，在所述電池本體側(cè)的表面上從供給來自所述燃料 箱的所述液體燃料的入口向所述燃料擴散部的周緣部徑向地形成槽部。
5.一種燃料供給方法，用于將容納在燃料箱中的液體燃料供給發(fā)電部，其特征在于， 將所述液體燃料供給燃料擴散部的入口，在從所述入口向所述燃料擴散部的周緣部徑向地形成的槽部中，通過毛細管現(xiàn)象移動 所述液體燃料，以及將所述移動的液體燃料汽化并供給所述發(fā)電部。
全文摘要
本發(fā)明提供了燃料電池、電子裝置以及燃料供給方法，在該燃料電池中，在電池本體(5)與燃料箱(20)之間，設(shè)置燃料擴散層(3)，其中，電池本體(5)側(cè)上的表面是多孔氧化膜(32)。而且，從燃料箱(20)供應(yīng)至燃料擴散層(3)的液體燃料(21)在多孔氧化膜(32)中擴散。通過由于微小孔引起的毛細管現(xiàn)象，液體燃料(21)均勻地擴散至寬范圍，然后汽化，并且汽化的燃料供應(yīng)至電池本體(5)中的各個電池單元(5A～5C)。在燃料擴散層的位于電池本體(5)側(cè)的表面上，從燃料供給位置朝向燃料擴散部的周緣部徑向地設(shè)置槽部。
文檔編號H01M8/24GK101980397SQ20101051634
公開日2011年2月23日 申請日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者沢上圣一 申請人:索尼株式會社