燃料电池、电子装置、燃料供应板以及燃料供应方法 【技术领域】
本发明涉及一种通过甲醇和氧之间的反应来进行发电的燃料电池、包括这样的燃料电池的电子装置、用于这样的燃料电池的燃料供应板以及燃料供应方法。
背景技术
在使用电池作为电源的情况下，经常的情况是，为了获得负载所需要的电压，使必要数目的单位电池串联连接以获得高电压。特别地，在燃料电池中，每单位电池的发电电压低，因此通常，将多个单位电池(发电部)串联连接以构成电池系统。
在这样的电池系统中，通常，多个单位电池通过它们之间的集电板竖直层叠。此外，在集电板的两个面或单个面上，设置将燃料或空气供应至电池单元(battery cell)的流路(例如，参见专利文献1)。
专利文献1：日本未审查专利申请公开第2004-140153号
【发明内容】
然而，在多个单元电池沿平面内方向布置的情况下，燃料供应泵的出口与各单元电池之间的距离彼此不同，因此产生了供应至各单元电池的燃料量变化。因此，各单元电池的电动势发生变化，并且整个电池系统的输出很大程度上被降低。此外，根据电池系统的结构，常见的情况是，燃料供应泵的出口的位置不能自由变化，因此很难将等量的燃料供应至各单位电池。
考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种能够将燃料均匀地供应至多个发电部的燃料电池、电子装置、燃料供应板以及燃料供应方法。
本发明的燃料电池包括燃料电池本体，其包括多个发电部；容纳液体燃料的燃料箱；以及燃料供应板，在被供给来自燃料箱的液体燃料的入口和与多个发电部中的每一个相对应的多个出口之间具有多个流路，其中多个流路中的至少一个包括曲线，并且多个流路的各距离均彼此相等。在本文中“多个流路的各距离均彼此相等”是指入口与多个流路的出口之间的各距离均彼此相等。
本发明的电子装置包括本发明的燃料电池。
本发明的燃料供应板用于将容纳在燃料箱中的液体燃料供应至多个发电部。燃料供应板包括被供给来自燃料箱的液体燃料的入口，与多个发电部中的每一个相对应的多个出口，以及在入口与多个出口之间形成的多个流路，其中多个流路中的至少一个包括曲线，并且多个流路的各距离均彼此相等。
本发明的燃料供应方法是一种用于将容纳在燃料箱中的液体燃料供应至多个发电部的方法。在该燃料供应方法中，液体燃料被供应至燃料供应板的入口，液体燃料通过多个流路移动至多个出口，其中多个流路中的至少一个包括曲线并且多个流路的各距离均彼此相等，并且液体燃料被供应至与多个出口中的每一个相对应的发电部。
在本发明的燃料电池、电子装置以及燃料供应板中，容纳在燃料箱中的液体燃料被供应至燃料供应板的入口，液体燃料从该入口通过多个流路而移动至多个出口，并且液体燃料被供应至与各出口相对应的各发电部。多个流路中的至少一个包括曲线。通过调整曲线的形状和弯曲程度(曲率半径)，使多个流路的各距离均彼此相等。因此，不管入口与多个出口之间的直线距离长还是短，几乎相等量地液体燃料几乎同时到达多个出口，并且被供应至各发电部。
根据本发明的燃料电池、电子装置或燃料供应板，被供给来自燃料箱的液体燃料的入口通过多个流路连接至分别与多个发电部对应的多个出口，多个流路中的至少一个包括曲线，并且多个流路的各距离均彼此相等。因此，液体燃料可以被均匀地供应至多个发电部。因此，由于燃料供应量的变化引起的多个发电部的电动势的变化被降低，并且可以改善整个燃料电池的输出。
根据本发明的燃料供应方法，容纳在燃料箱中的液体燃料被供应至燃料供应板的入口，液体燃料从该入口通过多个流路而移动至多个出口，其中多个流路中的至少一个包括曲线并且多个流路的各距离均彼此相等，并且液体燃料被供应至各相对应的发电部。因此，液体燃料可以被均匀地供应至多个发电部。因此，由于燃料供应量的变化引起的多个发电部的电动势的变化被降低，并且可以改善整个燃料电池的输出。
【附图说明】
图1是示出了根据本发明实施方式的燃料电池的结构的剖视图。
图2是示出了从图1所示的燃料电池的燃料电池本体侧观看的结构的平面图。
图3是示出了从图1所示的燃料供应板的燃料电池本体侧观看的结构的平面图。
图4是示出了图3所示的燃料供应板的另一结构的平面图。
图5是示出了图3所示的燃料供应板的结构的分解透视图。
图6是示出了具有图3所示的流路结构的燃料供应板中的流体模拟结果的视图。
图7是示出了另一流路结构实例中的流体模拟结果的视图。
【具体实施方式】
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方式。
图1示出了根据本发明实施方式的燃料电池(燃料电池1)的截面结构。图2示出了从图1所示的燃料电池1的燃料电池本体侧观看的结构。此外，通过根据本实施方式的燃料电池来实施本发明的燃料供应方法，因此在下文中同样将给出其描述。
燃料电池1设置有容纳液体燃料(例如，甲醇水)21的燃料箱20。在燃料箱20上方，设置燃料电池本体5。燃料电池本体5包括多个(例如，6个)沿水平方向布置的电池单元5A～5F。燃料箱20由例如即使液体燃料21增加或减少，体积发生变化而不会有气泡等进入其中的容器(例如，塑料袋)；以及覆盖该容器的长方体固体壳(实心壳，solid case)(结构体)构成。
各个电池单元5A～5F是直接甲醇型的发电部，其中，通过甲醇和氧之间的反应来进行发电。燃料电极(阳极电极、负极)51和氧电极(阴极电极、正极)53通过中间的电解质膜52而相对布置。空气供应泵(未示出)连接至氧电极53。燃料电极51形成在电池单元5A～5F的燃料箱20侧上。电解质膜52例如由质子导体构成。
在燃料箱20中，设置用于吸入燃料箱20中的液体燃料并将液体燃料从喷嘴23排出的燃料供应泵22。在燃料箱20与电池单元5A～5F之间，具体地说，在燃料箱20的顶面上，设置用于将从喷嘴23排出的液体燃料21供应至电池单元5A～5F的燃料供应板3。在各电池单元5A～5F之间以及在电池单元5A～5F与燃料供应板3之间，设置燃料泄漏防止部41，从而可以防止液体燃料21的泄漏。
图3示出了从燃料供应板3的燃料电池本体5侧观看的结构的实例。燃料供应板3具有被供给来自燃料箱20的液体燃料21的入口IL和6个分别与电池单元5A～5F相对应的出口OL。在入口IL与出口OL之间，形成6个流路3A～3F。流路3A～3F用于使液体燃料21从入口IL分开并移动至6个出口OL。诸如宽度和深度的尺寸可以根据液体燃料21的输送方法(例如，使用泵或毛细管现象的方法)适当地设定。足够的是，各出口OL朝向电池单元5A～5F开放，而不必使各出口OL连接至电池单元5A～5F。
流路3A～3F分别包括曲线CA～CF，并且其各距离均彼此相等。从而，在燃料电池1中，液体燃料21可以被均匀地供应至电池单元5A～5F。流路3A～3F可以仅由曲线构成，但是例如，根据需要，流路3A～3F在紧接入口IL附近的分开点之后的部分中也可以包括直线。
曲线CA～CF用于实现其中流路3A～3F的入口IL与出口OL之间的各距离通过调整形状和弯曲程度(曲率半径)而彼此相等的结构。入口IL由燃料供应泵22的喷嘴23的出口位置决定。例如，如图3所示，入口IL可以从燃料供应板3的中心偏移。出口OL由电池单元5A～5F的形状、尺寸、布置、间隔等决定。通常，电池单元5A～5F为矩形，并且出口OL设置在各电池单元5A～5C的中心。很难自由改变入口IL和出口OL的位置。
流路3A～3F优选包括圆弧作为曲线CA～CF，由于圆弧的长度容易计算，因此容易制图和加工。图3示出了流路3A～3F包括圆弧和直线的情况。然而，曲线CA～CF的形状并没有特别限制，并且可以是除了圆弧之外的其他曲线诸如椭圆和贝济埃曲线(Bezier curve)。
曲线CA～CF的曲率半径期望尽可能大，因为由此流动不复杂，并且可以避免通过复杂的流体模拟进行结构确定。
不管入口IL的位置如何，流路3A～3F的各距离均彼此相等。图4示出了在入口IL与燃料供应板3的中心一致的情况下的流路3A～3F的实例。在图4所示的流路3A～3F中，曲线CA～CF的弯曲程度(曲率半径)与图3所示的不同，但是流路3A～3F的各距离均彼此相等。
如图3或图4所示，这样的流路3A～3F优选沿从入口IL朝向以入口IL为中心的n边形N(n是流路3A～3F的数目，并且在该实施方式中为6)的顶点的方向形成。如果流路3A～3F没有从入口IL直接分开，而是在途中分开，则由于流动惯性的影响，很难通过简单的几何设计流路3A～3F使液体燃料21相等地分开。
此外，n边形N更优选是正n边形(在本实施方式中，为正六边形)，由于从而可以将液体燃料21均匀地分成(分离入)流路3A～3F。本文中的“正n边形”不仅包括几何上完全的正n边形，而且还包括考虑到流路3A～3F的加工精度等具有几乎正n边形的程度的对称性的n边形。即，流路3A～3F布置成使得由紧接在相邻2个流路的分开点之后的直线部分构成的角度θ大于360/(n+1)且小于360/(n-1)。
此外，流路3A～3F优选并不具有角(angle)，因为无论是锐角还是钝角，角都会显著扰乱流动。
图5示出了燃料供应板3的具体结构的实例。燃料供应板3可以具有这样的结构，其中例如形成有入口IL的箱体侧供应板31、形成有流路3A～3F的流路板32以及设置有6个出口OL的单元侧供应板33从燃料箱20侧开始以该次序层叠。
箱体侧供应板31由例如约0.3mm厚的金属板诸如不锈钢制成，并且还具有确保燃料供应板3的强度的功能。入口IL的直径为例如约1mm。
流路板32为例如约50μm厚，并且由由马来酸改性的聚丙烯构成的两面粘合薄片制成。流路板32设置有与流路3A～3F的外形相对应的切口。在流路3A～3F的入口IL附近，作为燃料池，可以设置比入口IL宽的切口。
单元侧供应板33为例如约0.1mm厚，并且由诸如不锈钢的金属板制成。
此外，单元侧供应板33设置有6个通孔作为出口OL。通过与流路板32分开地设置单元侧供应板33，出口OL的直径被减小至小于流路3A～3F的宽度，并且可以使出口OL具有液体燃料21的压力调节功能。即，通过将出口OL设置成比流路3A～3F窄，可以产生压力损失(减压功能)，并且液体燃料21能够在恒压下一直从出口OL排出(压力调节功能)。此外，在这种情况下，如果燃料电池1被倾斜，则液体燃料21仍可以从出口OL排出，而不会受到重力的影响。为此，出口OL的直径期望尽可能小，并且期望例如等于或小于1mm，并且更期望为约0.3mm。代替减小出口OL的尺寸，通过在途中减小流路3A～3B的宽度、减小两面粘合薄片的厚度或在出口OL中设置压力阀(未示出)等，可以获得类似的压力调节功能。
图6示出了在如图3所示形成流路3A～3F的情况下的流体模拟结果，并且考虑到对称面，为仅其一半的结构的模型。在图6中，来自流路A～C的各燃料排出速率分别为0.844mL/s、0.851mL/s和0.847mL/s。与三个燃料排出速率的平均值的各偏差分别为-0.42％、+0.45％和-0.03％。在图6中，流路A～C的壁面的颜色(浓淡，contrasting density)表示施加至壁面的压力。当颜色从暖色(淡色)改变成冷色(深色)时，压力降低。在入口附近，由于受泵的喷出压力的影响，压力较高。在出口附近，压力降低几乎等于空气压力。此外，流路A～C中的细线表示流动方向和量。具有高细线密度的部分表示较大的流量，并且具有低细线密度的部分表示较小的流量。
在该模型中，流路A～C充满甲醇，并且密度和粘度表示甲醇的值。实际使用的密度值和粘度值为0.791g/cm3和0.54mPa·s。此外，整个模型施加有体积力(重力)，并且值为7.76kN/cm3(将重力加速度与甲醇的密度相乘而获得的值)。作为边界条件，甲醇的入口的压力为115kPa(将泵的扬程与大气压力相加而获得的值)，并且出口的压力为100kPa(大气压力)。没有甲醇出入的所有边界被视为滑动面(glide plane)。为了计算，使用了非压缩性Navier-Stokes方程，并且使用稳态线性解算机(steady state linearsolver)来进行有限元计算。作为计算条件，泵压力为15kPa，入口IL的直径为2mm，出口OL的直径为0.3mm，背压是均匀的，温度为30℃，并且设置方向为向上方向。
图7示出了在流路为直线的情况下，在类似于图6的条件下进行的流体模拟的结果。以与图6相同的方式，图7是考虑到对称面仅其一半的结构的模型。在图7中，来自流路A～C的各燃料排出速率分别为0.844mL/s、2.402mL/s和1.678mL/s。与三个燃料排出速率的平均值的各偏差为-48.6％、+46.4％和+2.25％。
在比较图6的结果与图7的结果中，可以发现，在图6中，与图7相比，来自各流路A～C的燃料排出速率的变化显著被抑制，因此其中各流路具有彼此相等的距离并且包括如图6所示的曲线的流路图案很大程度上有助于燃料的均匀喷出。
例如，可以如下来制造燃料电池1。
首先，制备具有上述厚度并由上述材料制成的箱体侧供应板31和单元侧供应板33。提供使用例如光学蚀刻等的加工，从而在箱体侧供应板31中形成入口IL，并且在单元侧供应板33中形成6个出口OL。
接着，在具有例如上述厚度并由上述材料制成的流路板32中提供通过使用例如压力机进行的冲孔加工，从而提供与流路3A～3F的形状相对应的切口。箱体侧供应板31和单元侧供应板33通过它们之间的流路板32而彼此粘结。因此，形成了燃料供应板3。
随后，将燃料供应板3置于连接有燃料供应泵22和喷嘴23的燃料箱20上。之后，将由上述材料制成的燃料电池本体5和燃料泄漏防止部41设置在燃料供应板3上。因此，制造了图1所示的燃料电池1。
借助于上述制造方法，实际上形成了这样的燃料供应板3，其中箱体侧供应板31由0.3mm的不锈钢板制成，流路板32由由50μm厚的马来酸改性的丙烯构成的两面粘合薄片制成，单元侧供应板33由0.1mm厚的不锈钢板制成，并且出口OL的直径为0.3mm。将获得的燃料供应板3粘附至燃料供应泵22，进行操作检查试验，并且视觉检查来自单元侧供应板33的出口OL的燃料喷出量。结果，几乎相等量的燃料从各出口OL喷出。此外，改变燃料供应泵22的设置方向，并且类似地进行操作检查试验。结果，无论供应泵22面朝上放下还是竖立，燃料的喷出量均没有大的变化。
在燃料电池1中，容纳在燃料箱20中的液体燃料21通过燃料供应泵22和喷嘴23被供应至燃料供应板3的入口IL，借助于燃料供应泵22的压力，液体燃料从入口IL通过流路3A～3F移动至出口OL，并汽化。汽化的燃料穿过分离板42并到达各电池单元5A～5C，并且被各自供应至燃料电极51。同时，通过空气供应泵(未示出)，将空气(氧)供应至各电池单元5A～5C的氧电极53。在各燃料电极51中，开始反应从而生成氢离子和电子。此外，氢离子穿过电解质膜52移动至氧电极53，与电子和氧反应从而生成水，并且附带生成二氧化碳。因此，在燃料电池1中进行发电操作。
在本实施方式中，流路3A～3F分别包括曲线CA～CF，并且其各距离均彼此相等。因此，不管入口IL与6个出口OL之间的直线距离长还是短，几乎相等量的液体燃料21均几乎同时到达出口OL，并且汽化。因此，汽化的燃料被相等地供应至电池单元5A～5F，电池单元5A～5F的电动势的变化降低，并且整个燃料电池1的输出被改善。
如上所述，在本实施方式中，入口IL通过分别包括曲线CA～CF并且具有彼此相等距离的流路3A～3F而连接至6个出口OL，并且液体燃料21通过流路3A～3F被供应。因此，液体燃料21可以被均匀地供应至电池单元5A～5F。因此，由于燃料供应量的变化引起的电池单元5A～5F的电动势的变化被降低，并且可以改善整个燃料电池的输出。
特别地，由于流路3A～3F包括圆弧作为曲线CA～CF，因此可以有利于制图和加工。
此外，流路3A～3F从入口IL朝向以入口IL为中心的n边形N(n是流路3A～3F的数目)的顶点的方向形成。因此，液体燃料21可以被均匀地分到流路3A～3F中。
此外，由于n边形N是正n边形，因此液体燃料21可以被更均匀地分到流路3A～3F中。
此外，由于流路3A～3F并不具有角，因此可以消除扰乱液体燃料21的流动的可能性。
已经参照实施方式描述了本发明。然而，本发明并不限于上述实施方式，并且可以进行各种变化。例如，在上述实施方式中，已经具体给出了流路3A～3F分别包括曲线流路CA～CF的情况的描述。然而，所有流路3A～3F不必包括曲线，只要流路3A～3F的各距离均彼此相等即可。流路3A～3F中的至少一个包括曲线是足够的。
此外，在上述实施方式中，已经具体给出了燃料电池1和燃料供应板3的结构的描述。然而，燃料电池1或燃料供应板3可以具有其他结构或者可以由其他材料制成。例如，在燃料供应板3中，可能的是，省略箱体侧供应板31，并且仅设置流路板32和单元侧供应板33。在这种情况下，入口IL可以设置在流路板32中。此外，流路板32可不是两面粘合薄片，而具有其中将由聚丙烯等构成的热粘着层设置在由铝(Al)或包含铝(Al)的合金构成的金属板的两面上的结构。此外，例如，已经给出了6个电池单元3A～3F以3行2列布置在燃料电池1中的情况的描述。然而，电池单元的数目和布置没有特别限制，并且可以适当地改变。例如，可以以4行2列来布置8个电池单元。
此外，例如，各构成要素的材料和厚度，燃料电池的发电条件等并不限于在上述实施方式中描述的那些。可以采用其他材料、其他厚度或其他发电条件。
此外，例如，在上述实施方式中，已经给出了液体燃料21汽化，并且汽化的燃料被供应至电池单元5A～5F的情况的描述。然而，本发明可适用于液体状态的燃料通过与燃料电极接触而被供应的情况。
此外，在上述实施方式中，燃料箱20被密闭密封，并且根据需要供应液体燃料21。然而，燃料可以从燃料供应部(未示出)供应至燃料电极51。此外，例如，液体燃料21可以是除了甲醇之外的其他液体燃料，如乙醇和二甲醚。
此外，本发明不仅适用于使用液体燃料的燃料电池，而且还适用于使用诸如氢的非液体燃料的物质作为燃料的燃料电池。
本发明的燃料电池可以适当地用于移动电子装置，诸如移动电话、电子照相机、电子数据书、笔记本型个人计算机、摄像机、便携式游戏播放器、便携式视频播放器、耳机式立体声系统和PDA(个人数字助理)。