专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可作为电子设备或类似设备的功率源使用的燃料电池。
背景技术：
如今，电子设备的功率源，如便携式笔记本电脑和移动通信设备等的功率源，主要采用诸如锂离子电池等二次电池。这些现代化的电子设备的功能越来越强大，消耗的电能更多，并且需要有更长的运行时间。为满足这些要求，无需充电的燃料电池预计将会成为一种新型功率源。目前已经有各种不同类型的燃料电池。尤其是采用甲醇溶液作为燃料的直接甲醇燃料电池(以下简称DMFC)与使用氢作为能源的燃料电池相比，DMFC具有多种优势，包括燃料的管理更容易，构造也更简单。因此，DMFC是一种当今受到广泛关注的电子设备的功率源。
通常，一个DMFC有一个外壳，该外壳内含一个发电机部分用于实际的发电，还有一个控制电路部分用来控制发电机部分的运转。发电机部分安装有燃料罐、混合罐、液体泵和空气泵等。燃料罐内装有高浓度甲醇。燃料罐内的甲醇在混合罐内用水进行稀释。液体泵将混合罐内稀释后的甲醇加压输送到一个电动单元内。空气泵被用来向该电动单元提供空气。该电动单元有一个阳极和一个阴极。通过将稀释后的甲醇和空气分别提供给阳极和阴极，使其基于化学反应产生电能。这个过程结束后，电动单元被反应的热量加热到较高温度，反应的热量是因化学交换而产生的。
举例来说，根据日本专利申请特许公开7-6777中所描述的燃料电池，控制电路部分具有一块位于外壳内的印刷电路板，以及安装在电路板上的半导体器件。发电所产生的热量通过电动单元的表面以及阳极与阴极通道被排放到外壳内。外壳内的空气通过安装在外壳内的冷却风扇或鼓风机被排放出去，以达到通风散热的目的。
在上面描述的燃料电池中，发电是依靠电动单元内的化学反应而实现的。这个过程结束后，电动单元被反应的热量加热到较高的温度，反应的热量是因化学交换而产生的。因此，除了燃料中包含的水和甲醇产生蒸汽外，反应也会产生一些生成物。这种含有化学物质的蒸汽是酸性的。如果控制部分接触到这种蒸汽，控制电路中的金属部分就会受到腐蚀或造成短路。如果控制电路因此受到腐蚀或造成短路，就难以正常地控制发电机部分，从而导致燃料电池的可靠性降低。
发明内容
本发明是在考虑到上述情况的基础上创立的，其目的是提供一种可靠性得到改善的燃料电池，其中的控制部分受到保护，可避免被腐蚀和造成短路等。
根据本发明的一个方面，一种燃料电池的特征在于其包含一个外壳，具有第一区域，第二区域，以及将第一区域和第二区域隔开的隔离物；一个发电机部分，位于外壳内的第一区域，该发电机部分具有一个基于化学反应发电的电动单元；以及一个控制部分，位于外壳内的第二区域，该控制部分具有一个控制电路板，用于控制发电机部分的运转。
本发明的其他优势将在下面的描述中加以说明，其中的部分内容可以明显地从描述中得知，或者从本发明的实例中了解到。本发明的优势可以通过下面专门描述的手段或组合形式来实现或得知。
这些被结合到说明书当中的附图成为了说明书的一部分，它们进一步阐明了本发明的实施例。同上面的概述以及下面将要详细描述的实施例一道，这些附图用于阐述本发明的原理。
图1是根据本发明的实施例的燃料电池透视图。
图2是连接至个人电脑后的燃料电池透视图。
图3是燃料电池与个人电脑的截面图。
图4是燃料电池外壳的底部壳壁透视图。
图5是燃料电池内部的透视图。
图6是燃料电池的俯视图，部分为截面图。
图7是燃料电池的发电机部分的示意图。
图8是燃料电池中电动单元的象征性电池结构图。
图9显示的是燃料电池中的阴极通道和第二散热器部分。
图10是燃料电池的发电机部分和控制部分结构图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施例中的燃料电池做详细阐述。
如图1-3所示，燃料电池10包括用甲醇作为液体燃料的DMFC。它可以作为电子设备如个人电脑11的功率源使用。
燃料电池10具有一个外壳12。该外壳12具有大致为棱柱形呈水平伸展的机身14，外壳12还拥有一个从机身上伸展出来的底座部分16。底座部分16是一个扁平的长方形结构，它可以承载个人电脑11的后部。机身14构成了外壳12的第一区域，它容纳有燃料罐、电动单元以及混合罐等，这些组件共同组成了发电机部分(后面将做具体介绍)。
底座部分16构成了外壳12的第二区域，它具有一个控制部分29，以及用将计算机11固定在底座部分上的锁定机关。
如图1和图3-6所示，机身14具有一个平的底壁18a、顶壁18b、前壁18c、后壁18d以及一对侧壁18e。底壁18a与底座部分16的底部连成一体。顶壁18b的伸展方向基本上平行于底壁18a。前壁18c位于壳壁18a和18b之间。每个侧壁18e都具有向外凸出的弯曲表面。前壁18c上形成有众多的通孔20。在与通孔20相对的位置上，后壁18d上也形成有众多的通孔21。机身14的侧壁18e形成有众多通孔22。支脚24被布置在底壁18a的外表面上。用于指示燃料电池10的工作状态的指示器23被设置在机身14的顶壁18b前端部分。
底座部分16具有平的顶壁26，从机身14的前壁18c的低端部分向前伸出。顶壁26隔着一道缝隙与18a的前半部分相面对，并从机身的一侧略微向下伸展。顶壁26形成了支撑表面26a，个人电脑11即放置于此。
底座部分16中设有控制部分29，用来控制发电机部分7的运转。控制部分29具有一个控制电路板30，位于底座部分16之内，并朝着基本上平行于顶壁26的方向伸展。包括半导体设备28和连接器32在内的电子部件都安装在电路板30上。连接器32位于底座部分16的中间与机身14相邻的地方，并且通过顶壁26从支撑表面26a上凸出。另外，控制部分29具有功率源和驱动器等，用于驱动发电机部分，稍后论述。
底座部分16设有一个锁定盘34，可以在垂直方向上移动。例如，锁定盘34上设有3个挂钩38，它们共同构成了锁定机关，并且通过顶壁26从支撑表面26a上凸出。此外，底座部分16中还设有一个开启杠杆36，用来将锁定盘34以及挂钩38移动到打开的位置。启动开启杠杆36的开启按纽40被设置在底座部分16一侧的边缘部分上。定位凸点41形成在支撑表面26a上的挂钩38附近。
如图3和图4所示，在设有控制部分29的底座部分16的内部与设有发电机部分7的机身14的内部之间，在底壁18a之上设有一道的隔墙42，将这两个内部分隔开来。起隔离作用的隔墙42沿纵向伸展，贯穿外壳12的整个长度。隔墙42形成有一个槽口43，导线穿过该槽口将发电机部分7和控制部分29电连接在一起。优选地，槽口43的开口部分的面积应被限制在隔墙42的总面积的10％以下。也可以在一个槽口的位置上形成多个槽口43。此外，在本案中，这些单独的槽口的面积之和应被优选地限制在隔墙42的总面积的10％以下。
如图2和图3所示，个人电脑11的后部被放置在底座部分16支撑表面26a之上，这样才可以利用定位凸点41进行定位。个人电脑11通过挂钩38被锁定在安装位置上。个人电脑11的连接器(未显示)机械连接和电连接到底座部分16的连接器32上。因此，燃料电池10与个人电脑11被机械地连接和电连接在一起。
如图3、5、6、7所示，发电机部分7包括位于机身14一侧的燃料罐50，位于主题中间部分的电动单元52，以及位于机身的另一侧的混合罐54。燃料罐50装有高浓度甲醇作为液体燃料。燃料罐50被制作成为一个盒子，它可以在机身14上安装或从其上卸下。机身14的一个侧面部分形成有护盖51，当燃料罐50需要被安装上或卸下时，该护盖可以取下来。
燃料罐50通过一条燃料供应线路(未显示)与混合罐54相连接。该燃料供应线路设有将燃料从燃料罐输送到混合罐的第一液体泵56。如图8所示，电动单元52是通过将多个单元层压而形成的。每个单元都由一个阳极(燃料电极)58a、一个阴极(空气电极)58b以及各电极之间的电解隔膜。大量的冷却叶片61被安置在电动单元52的周围。
如图3、5、6、7所示，机身14中包含一个空气泵64，通过一个进气阀63向电动单元52的阴极58b提供空气。空气泵64构成了空气供应部分。燃料供应管道66a和燃料回收管道66b被连接在电动单元52和混合罐54之间，并且相互平行地伸展。它们构成了阳极通道，燃料通过这条通道在电动单元的阳极58a与混合罐54之间循环。燃料供应管道66a与第二液体泵68相连接，该液体泵从混合罐54向电动单元52输送燃料。燃料回收管道66b设有一个气体-液体分离器65，用来将电动单元52释放出的燃料与化学反应所产生的二氧化碳分离开来。众多的垂直伸展的散热器叶片69被安置在燃料供应管道66a和燃料回收管道66b周围，并构成了第一散热器(radiator)部分70。位于机身14的后壁18d上的通风孔21与散热器部分70对应设置。
排放管道72与电动单元52相连接，形成了一个阴极通道，发电产生的生成物和气体通过该通道被排放出来。该阴极通道具有第一通道72a，支通道72b，蓄水器部分72c，回收通道72d，以及第二通道72e。第一通道72a从电动单元52中伸展出来，支通道72b在第一通道上分支并按一定角度向水平方向伸展。蓄水器部分72c与第一通道和各支通道的低端连通，它储存有从第一通道排出的水以及支通道内凝结的水。回收通道72d将蓄水器部分存储的水导入混合罐54中。第二通道72e与各支通道的上端连通。在本实施例中，支通道72b各自向垂直的方向伸展。
回收通道72d设有一个回收泵76，该回收泵将蓄水器部分72c内的水供应给混合罐54。另外，位于蓄水器部分72c内的一个水位检测器77可以检测蓄水器部分的水位。
众多的水平伸展的散热器叶片安装在构成支通道72b的排放管道72周围，构成了第二散热器部分75。包括支通道72b在内的第二散热器部分75基本上平行地对着第一散热器部分70，二者之间留有间隙。第二通道72e大致朝水平方向伸展，并有一个排气端口78，该排气端口位于机身14的通风孔22附近，并朝着该通风孔敞开。在第二通道72e中，排气阀80位于排气端口78附近，第二通道72e设有一个气体排放管道81，该气体排放管道引导由气体-液体分离器65分离出的二氧化碳进入第二通道72e。在机身14的前壁18c上形成的通孔20正对着第二散热器部分75。
冷却扇82是一种离心风扇，它位于第一散热器部分70和第二散热器部分75中间的对面。冷却扇82被设置在这个地方为的是使它的叶片的轴心以正确的角度大致水平地对着散热器部分70和75。冷却扇82有一个外壳覆盖着叶片。如图9所示，该外壳形成有一个正对着第一散热器部分70的进风端口84，另一个进风端口84对着第二散热器部分75，两个排气端口86a和86b朝着正切于叶片的旋转方向的方向敞开。排气端口86a朝着机身14的通风孔22敞开，另一个排气端口86b朝着电动单元52敞开。
另外，发电机部分7设有罐阀门87、浓度传感器88和浓度检测泵85。罐阀门87与混合罐54相连。浓度传感器88检测混合罐54内的燃料的浓度。浓度检测泵85通过传感器使混合罐内的燃料循环。
如图10所示，位于底座部分内的控制部分29的控制电路包括一个连接至中央处理器(CPU)90的驱动器91、空气泵动力源92以及辅助动力源94。动力源92和94均连接至驱动器91。连接器32通过接口95与中央处理器90相连接，同时也与主动力源96相连接。
第一和第二液体泵56和68、回收泵76以及位于机身14之上并构成发电机部分的浓度检测泵85，分别通过导线56a、68a、76a和85a与控制电路板30电连接。它们通过控制电路板30与驱动器91电连接。空气泵64通过导线64a与控制电路板电连接，并通过控制电路板与空气泵功率源相连。冷却扇82通过导线82a与控制电路板30电连接，同时也与驱动器91相连接。水位检测器77和浓度传感器88分别通过导线77a和88a与控制电路板30相连接。它们通过接口98将各自检测到的信号提供给中央处理器90。用于检测开启杠杆36移动情况的开启传感器97通过接口98连接至中央处理器90。
电动单元52通过导线52a连接至主动力源96，并通过主动力源96和连接器32提供所产生的电能。空气阀门63、排气阀门80以及罐阀门87都由螺线管制成，它们分别通过导线63a、80a和87a与控制电路板30电连接，同时也与驱动器91相连接。
连接发电机部分7和控制部分29的导线穿过隔离墙42上的槽口43，从机身14的内部被引到底座部分16上。
如果具有上述结构的燃料电池10被用作个人计算机11的功率源，计算机的后端部分就要首先安置在燃料电池的底座16上，锁定到位并通过连接器32与燃料电池进行物理连接和电连接。在这种状态下，燃料电池10就会开始发电。在控制部分29的控制下，甲醇由第一液体泵56从燃料罐50中被供应到混合罐54当中，并用水稀释到特定的浓度，使其成为用于从电动单元52中回流的溶剂。在混合罐54中稀释后的甲醇被第二液体泵68通过阳极通道提供给电动单元52的阳极58a。空气由空气泵64提供给电动单元52的阴极58b。如图8所示，所供应的甲醇和空气在阳极58a和阴极58b之间的电解薄膜60内进行化学反应，这样就能在阳极58a和阴极58b之间产生电能。电动单元52发出的电能通过控制电路板30、主功率源96和连接器32被输送到个人电脑11上。
在进行发电反应的过程中，在电动单元52的阳极58a一侧和阴极58b一侧会分别出现反应的生成物，即二氧化碳和水。形成在阳极一侧的二氧化碳和甲醇被输送到气体-液体分离器65中，对其进行气-液分离。此后，二氧化碳通过气体排放管道81被输送到阴极通道当中，而甲醇则通过阳极通道返回混合罐54中。
如图7和图9所示，大部分在阴极58b一侧产生的水都被转化为蒸汽，这些蒸汽与空气一起被排放到阴极通道当中。被排放出的水和蒸汽穿过第一通道72a，水被输送到蓄水器部分72c中，蒸汽和空气通过支通道72b向上流动到第二通道72e。在这个过程结束后，穿过支通道72b的蒸汽被第二散热器部分75冷却和凝结。冷凝所产生的水在引力的作用下在支通道72b内向下流动，并被回收到蓄水器72c中。蓄水器72c中回收的水被回收泵76输送到混合罐54中，这些水与甲醇混合后再次被输送到电动单元52中。
被输入到第二通道72e中的部分空气和蒸汽经过排气阀80，再经过排放端口78被释放到机身14当中，再通过机身上的通孔22被排放到外面。从电动单元52的阳极一侧排放出的二氧化碳通过第二通道72e，并通过排放端口78被排入机身14中，再通过机身上的通孔22被排放到外面。
当燃料电池10在工作时，冷却扇82被启动，因此外面的空气通过机身上的通孔20和21被吸入到机身14当中。如图7和图9所示，通过通孔21被吸入机身14的空气以及在机身14内的空气穿过第一散热器70周围进行冷却，然后经过冷却扇82的其中一个进气端口84被吸入风扇罩中。这样，在阳极通道中流过的甲醇就会被冷却，从而降低电动单元52的加热温度。通过机身14上的通孔20被吸入到机身14内的外部空气以及在机身14内的空气穿过第二散热器75周围进行冷却，然后经过其他进气端口被吸入风扇罩中。这样，在阴极通道中流过的空气和生成物就会被冷却。
被吸入风扇罩内的空气通过排放端口86a和86b被释放到机身14当中。通过排放端口86a被释放出的空气经过混合罐54来对它进行冷却，然后经由机身14上的通孔22被排放到外面。这一过程结束后，经排放端口86a释放出的空气就会与经由阴极通道和排放端口78释放出的空气、蒸汽和二氧化碳相混合。这样的混合物的通过通孔22被释放到机身之外。在对电动单元52及其周围进行冷却后，通过另一个排放端口86b释放的空气被释放到机身14之外。
在混合罐54内的甲醇的浓度被浓度传感器88检测到。控制部分29根据检测到的浓度启动回收泵76，将蓄水器72c内的水输送到混合罐54当中，从而使甲醇的浓度保持不变。回收的水或蒸汽凝结物的量，是根据蓄水器部分72c内回收的水位来控制第二散热器部分75的冷却能力来调节的。在这种情况下，第二散热器部分75的冷却能力得到调节，根据由水位检测器77检测到的水位来控制冷却扇82的驱动电压，以调节水的回收量。此外，控制部分29根据回收到蓄水器部分72c的水位对回收泵的流速加以控制，从而使蓄水器部分72c内的水量保持在一定的范围内。
根据按上述方式构成的燃料电池10，具有发电机部分7的机身14的内部和具有控制部分29的底座部分16的内部，被隔墙42分隔开。如果含有挥发性燃料或蒸汽的潮湿气体被排放到机身之内，这种气体就会被隔墙42阻挡，避免其进入底座部分16当中。隔墙42具有一个槽口43，导线从中穿过。该槽口43的敞开面积被限制在隔墙总面积的10％以下。因此，通过槽口43进入到底座部分16的气体量被减少到最低限度，这样，挥发性燃料或蒸汽就不可能接触到电路板30或半导体设备，从而避免了控制电路被腐蚀或造成短路。因此，控制部分29就可以不发生故障或失灵，其结果是使燃料电池具有高度的可靠性。
根据燃料电池10，通过使用第一和第二散热器部分70和75以及冷却扇82，从阴极排出的气体被降温以减少水的挥发。通过这种方法，水可以有效地被回收并再次用于发电的反应。因此，缺水的问题得到了解决，所需浓度的燃料可以被提供给电动单元52。与此同时，可以通过冷却阳极通道来降低电动单元52的加热温度，从而使阴极的气体排放温度更有效地被降低。因此，这样就使燃料电池的工作时间更长，发电效果更稳定。
另外，按照本实施例，冷却扇82排出的废气与阴极通道排出的废气相混合，被排放到机身14之外。由于阴极通道排出的废气具有一定的湿度，有可能会在机身14的通孔22周围形成水滴，但是可以通过将冷却扇82排出的废气与阴极通道排出的废气相混合来避免水滴的形成，因此可以避免水滴导致的故障，以确保燃料电池具有高度的可靠性。
本发明不仅仅局限于上面直接描述的实施例，在落实本发明的过程中，它的组件可以在不背离本发明的范围或精神的前提下进行修改或具体化。另外，通过适当地组合在上述实施例中描述的多种组件，可以实现不同的发明。例如，根据上面描述的实施例，有些组件可以被省略。另外，不同的实施例的组件可以根据需要进行组合。
根据上面描述的实施例，发电机部分包括燃料罐50、电动单元52、第一和第二散热器部分70和75以及混合罐54，它们按照上述顺序排列。然而这个排列顺序也可以根据需要进行不同的改动。根据本发明的燃料电池不仅限于应用在上述个人电脑上，也可以被用作任何其他电子设备的功率源，如移动通信设备或便携式终端等。燃料电池不仅限于DNFC型，也可以是任何其他类型，如聚合物电解质燃料电池(PEFC)。冷却扇不仅限于离心风扇，也可以选择轴向气流风扇。
权利要求
1.一种燃料电池，其特征在于包括一个外壳，具有第一区域、第二区域和一个将第一区域、第二区域分开的隔墙；一个发电机部分，位于外壳的第一区域，具有基于化学反应产生功率的电动单元；以及一个控制部分，具有控制电路板，位于外壳的第二区域内，控制发电机部分的运转。
2.根据权利要求1的燃料电池，其特征在于进一步包括连接发电机部分和控制部分的导线，其中隔墙有一个槽口，导线通过该槽口而穿过，该槽口的开口面积约为隔墙的总面积的10％或以下。
3.根据权利要求2的燃料电池，其特征在于发电机部分包括一个装有燃料的燃料罐，一个使燃料在电动单元和燃料罐之间循环的液体泵，一个向电动单元提供空气的空气泵，以及一个冷却扇，并且控制部分包括安装在控制电路板上的多个电子组件以及一个功率源，导线包括用于泵、冷却扇和功率源的导线。
4.根据权利要求1的燃料电池，其特征在于外壳包括一个机身，该机身限定了第一区域；一个从机身伸展的底座部分，限定了第二区域，并被制成可在其上承载电子设备。
5.根据权利要求4的燃料电池，其特征在于控制部分包括安装在控制电路板上的连接器，从底座部分向外突出的凸起，并且可以与电子设备连接。
全文摘要
燃料电池的外壳(12)有一个第一区域、一个第二区域和一个将第一和第二区域隔开的隔墙(42)。位于第一区域的发电机部分(7)有一个电动单元(52)和一个燃料罐，所述电动单元基于化学反应而产生电能，所述燃料罐装有燃料。位于第二区域一个控制部分(29)控制着发电机部分的运转。
文档编号H01M8/24GK1604371SQ20041001174
公开日2005年4月6日 申请日期2004年9月24日 优先权日2003年9月30日
发明者田岛伸泰, 涩谷信男, 平泽博明, 宫本浩久 申请人:株式会社东芝