燃料电池设备和使用燃料电池设备的电子装置的制作方法

专利名称：燃料电池设备和使用燃料电池设备的电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池设备和包括所述燃料电池设备的电子装置，所述燃料电池设备用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应来从其提取电力。
背景技术：
发电设备包括燃料电池设备，其配备了发电机电池，所述发电机电池通过诸如甲 醇、乙醇或者二甲醚这样的燃料与氧气的电化学反应而产生电力。燃料电池设备被大致划 分为两种类型平板类型和圆柱类型。要求通过层叠多个发电机电池而配置的平板型燃料 电池抑制提供给每个发电机电池中反应气体流动路径的反应气体的流量扩散，以便提高燃 料电池的发电效率。例如，日本专利申请公报公开出版物No. 2006-294503描述了一种通过 下述方式来抑制在气体流动路径中的气体流量扩散的方法将在气体供应传输部中的反应 气体的压力损耗与在气体排出传输部中的反应气体的压力损耗之和设置为大于在所述气 体流动路径中的反应气体的压力损耗。但是，因为多个气体流动路径彼此并联地连接到一个气体供应传输部，因此在关 注多个气体流动路径的情况下，提供给每个气体流动路径的反应气体的流量不均勻，并且 日本专利申请公报公开出版物No. 2006-294503未描述在上述情况下抑制扩散的任何方法。

发明内容
根据本发明一个方案的一种燃料电池设备包括多个发电机电池，用于通过氧化剂 和还原剂的电化学反应来产生电力，其中所述多个发电机电池包括多个气体流动路径，分别用于向所述多个发电机电池传送所述电化学反应的反应 气体；以及多个流入端口，分别被提供在所述反应气体流入所述多个气体流动路径的每一个 的位置处，并且其中在所述多个流入端口中，在所述反应气体的流动方向的下游侧提供的流入端口的 横截面尺寸小于在所述反应气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横截面尺寸。根据本发明另一方案的一种燃料电池设备包括多个发电机电池，用于通过氧化剂 和还原剂的电化学反应来产生电力，其中所述多个发电机电池包括多个电解质层，使得预定物质渗透其中；多个阳极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的一个表面中；多个阳极集电极，其分别与所述多个阳极的每一个邻接，其中，多个阳极气体流动 路径分别形成在所述阳极集电极和所述阳极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述还原 剂的阳极气体流过其中；
多个阴极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的另一个表面中；
多个阴极集电极，其分别与所述多个阴极的每一个邻接，其中，多个阴极气体流动 路径分别形成在所述阴极集电极和所述阴极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述氧化 剂的阴极气体流过其中；多个阳极气体流入端口，其分别被提供在所述阳极气体流入所述多个阳极气体流 动路径的每一个中的位置处；以及多个阴极气体流入端口，其分别被提供在所述阴极气体流入所述多个阴极气体流 动路径的每一个中的位置处，并且其中在所述多个阳极气体流入端口中，在所述阳极气体的流动方向的下游侧提供的流 入端口的横截面尺寸小于在所述阳极气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横 截面尺寸。根据本发明再一方案的一种燃料电池设备包括多个发电机电池，用于通过氧化剂 和还原剂的电化学反应来产生电力，其中所述多个发电机电池包括多个电解质层，使得预定物质渗透其中；多个阳极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的一个表面中；多个阳极集电极，其分别与所述多个阳极的每一个邻接，其中，多个阳极气体流动 路径分别形成在所述阳极集电极和所述阳极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述还原 剂的阳极气体流过其中；多个阴极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的另一个表面中；多个阴极集电极，其分别与所述多个阴极的每一个邻接，其中，多个阴极气体流动 路径分别形成在所述阴极集电极和所述阴极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述氧化 剂的阴极气体流过其中；多个阳极气体流入端口，其分别被提供在所述阳极气体流入所述多个阳极气体流 动路径的每一个中的位置处；以及多个阴极气体流入端口，其分别被提供在所述阴极气体流入所述多个阴极气体流 动路径的每一个中的位置处，并且其中在所述多个阴极气体流入端口中，在所述阴极气体的流动方向的下游侧提供的流 入端口的横截面尺寸小于在所述阴极气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横 截面尺寸。根据本发明又一方案的一种电子装置包括燃料电池设备，其包括多个发电机电池，用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应 来产生电力，其中所述多个发电机电池包括多个气体流动路径，分别用于向所述多个发电机电池传送所述电化学反应的反应 气体；以及多个流入端口，分别被提供在所述反应气体流入所述多个气体流动路径的每一个 的位置处，并且其中在所述多个流入端口中，在所述反应气体的流动方向的下游侧提供的流入端口的横截面尺寸小于在所述反应气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横截面尺寸； 以及电子装置主体，其通过由所述燃料电池设备产生的电力而工作。根据本发明再又一方案的一种电子装置包括燃料电池设备，其包括多个发电机电池，用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应来产生电力，其中所述多个发电机电池包括多个电解质层，使得预定物质渗透其中；多个阳极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的一个表面中；多个阳极集电极，其分别与所述多个阳极的每一个邻接，其中，多个阳极气体流动 路径分别形成在所述阳极集电极和所述阳极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述还原 剂的阳极气体流过其中；多个阴极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的另一个表面中；多个阴极集电极，其分别与所述多个阴极的每一个邻接，其中，多个阴极气体流动 路径分别形成在所述阴极集电极和所述阴极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述氧化 剂的阴极气体流过其中；多个阳极气体流入端口，其分别被提供在所述阳极气体流入所述多个阳极气体流 动路径的每一个中的位置处；以及多个阴极气体流入端口，其分别被提供在所述阴极气体流入所述多个阴极气体流 动路径的每一个中的位置处，并且其中在所述多个阳极气体流入端口中，在所述阳极气体的流动方向的下游侧提供的流 入端口的横截面尺寸小于在所述阳极气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横 截面尺寸；以及电子装置主体，其通过由所述燃料电池设备产生的电力而工作。根据本发明再另一方案的一种电子装置包括燃料电池设备，其包括多个发电机电池，用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应 来产生电力，其中所述多个发电机电池包括多个电解质层，使得预定物质渗透其中；多个阳极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的一个表面中；多个阳极集电极，其分别与所述多个阳极的每一个邻接，其中，多个阳极气体流动 路径分别形成在所述阳极集电极和所述阳极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述还原 剂的阳极气体流过其中；多个阴极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的另一个表面中；多个阴极集电极，其分别与所述多个阴极的每一个邻接，其中，多个阴极气体流动 路径分别形成在所述阴极集电极和所述阴极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述氧化 剂的阴极气体流过其中；多个阳极气体流入端口，其分别被提供在所述阳极气体流入所述多个阳极气体流 动路径的每一个中的位置处；以及
多个阴极气体流入端口，其分别被提供在所述阴极气体流入所述多个阴极气体流 动路径的每一个中的位置处，并且其中在所述多个阴极气体流入端口中，在所述阴极气体的流动方向的下游侧提供的流 入端口的横截面尺寸小于在所述阴极气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横 截面尺寸；以及 电子装置主体，其通过由所述燃料电池设备产生的电力而工作。


通过下面的详细说明和附图，将充分地理解本发明，但是它们仅仅被提供来用于 说明，而不用于限制本发明的范围。图1是示出其中安装了燃料电池设备的便携式电子装置的框图。图2是发电机电池的示意3是发电机电池组的示例的示意图。图4是热绝缘封装的透视图。图5是在图4中从箭头方向来看的、沿线V-V所取的剖视图。图6是示出热绝缘封装的内部结构的透视图。图7是示出当从其下侧来看时图6的热绝缘封装的内部结构的透视图。图8是示出顺序布置的连接部、重整器、连接部、燃料电池部的底视图。图9是示出当从图8中的箭头方向来看时沿图8的线IX-IX所取的图8的连接部 的剖视图。图10是示出当从图9中的箭头方向来看时沿图9的线X-X所取的图8的连接部 的剖视图。图11是示出发电机电池的阳极气体流动路径的形状的剖视图。图12是示出发电机电池的阳极气体流动路径的形状的平面图。图13是示出发电机电池的阴极气体流动路径的形状的剖视图。图14是示出发电机电池的阴极气体流动路径的形状的平面图。图15是示出在将发电机电池形成为电池组的情况下的阳极气体流动路径和阴极 气体流动路径的配置的剖视图。图16是示出在外壳内容纳的电池组的透视图。图17是示出当从上方来看时的电池组的透视图。图18是示出当从下方来看时的电池组的透视图。图19是在概念上示出电池组的主要部分的固体形状的放大图。图20是电池组的剖面侧视图。图21是示出电池组的流入端口、流出端口和阴极气体流动路径的平面图。图22是示出电池组的每个流入端口的变窄节距的剖面侧视图。图23是示出在电池组的每个流入端口的变窄节距的平面图。图24是示出每个发电机电池的阴极气流速度的流体仿真结果的图。图25是其中使得发电机电池的阴极气流的高度高于阳极气流的高度的示例的剖 视图。
具体实施例方式将参照附图来说明本发明的实施例。[电子装置]图1是示出其上安装了燃料电池设备1的便携式电子装置100的框图。电子装置100是便携式电子装置，诸如笔记本大小的个人计算机、个人数字助理(PDA)、个人电子记 事本、数码相机、便携式电话、腕表、记录器和投影仪。电子装置100由电子装置主体901、直流/直流转换器902和蓄电池903等以及燃 料电池设备1构成。电子装置主体901由从直流/直流转换器902或蓄电池903提供的电 力驱动。直流/直流转换器902将由燃料电池设备1产生的电力转换为适当的电压，然后 将所转换的电压的电力提供给电子装置主体901。此外，直流/直流转换器902使用由燃料 电池设备1产生的电力来对蓄电池903充电，并且在燃料电池设备1未工作期间，将蓄电池 903中累积的电力提供给电子装置主体901。[燃料电池设备]燃料电池设备1配备了燃料容器2、泵3和热绝缘封装(热绝缘容器)10等。燃料 电池设备1的燃料容器2例如以可拆装状态被提供到电子装置100。泵3和热绝缘封装10 例如被包含在电子装置100的主体中。燃料容器2保存液态原燃料(诸如甲醇、乙醇或者二甲醚)和水的混合液体。顺 便提及，可以在分立的容器中存储液态原燃料和水。泵3吸取燃料容器2中的混合液体，以 将所吸取的液体传送到热绝缘封装10中的汽化器4。在热绝缘封装10中容纳了汽化器4、重整器6、发电机电池8和催化剂燃烧室9。 热绝缘封装10的内部空间的气压被保持在小于大气压力的气压(例如10帕或者更小)，以 便提高内部空间的隔热效果。汽化器4、重整器6和催化剂燃烧室9分别具有电子加热器与温度传感器4a、6a和 9a。因为电子加热器与温度传感器4a、6a和9a的电阻值依赖于温度，因此电子加热器与温 度传感器4a、6a和9a也作为温度传感器来分别测量汽化器4、重整器6和催化剂燃烧室9 的温度。从泵3传送到汽化器4的混合液体被电子加热器与温度传感器4a的热量和从催 化剂燃烧室9传递的热量加热到大约110°C到大约160°C，由此汽化混合液体。于是产生汽 化的混合气体。在汽化器4中产生的混合气体被传送到重整器6。在重整器6中形成流动路径，并且催化剂被承载在该流动路径的壁表面上。从汽 化器4传送到重整器6的混合气体流过重整器6的流动路径，并且被电子加热器与温度传 感器6a的热量、发电机电池8的反应热量和催化剂燃烧室9的热量加热到大约300°C到大 约400°C，以便借助于催化剂来引起重整反应。通过原燃料和水的重整反应来产生混合气体 (重整气体)，该混合气体包括作为燃料的氢气，和作为副产品的二氧化碳与微量的一氧化 碳等。顺便提及，当原燃料是甲醇时，则在重整器6中主要引起下面的化学方程式(1)所示 的流重整反应。CH30H+H20 — 3H2+C02. . . (1)根据诸如下面的化学方程式(2)的化学方程式，微量产生作为副产品的一氧化碳，化学方程式(2)是在化学反应方程式(1)后依序引起的。H2+C02 — H20+C0. . . (2)根据化学反应方程式(1)和(2)产生的气体(重整气体)被传送到发电机电池8。图2是示出发电机电池8的示意图，而图3是示出发电机电池组的示例的示意图。如图2中所示，发电机电池8是固态氧化物燃料电池(SOFC)，其由以下项构成固体氧化物 电解质81 ；燃料电极82 (阳极)和氧化物电极83 (阴极)，它们分别形成在固体氧化物电解 质81的两侧；阳极集电极84，其与燃料电极82邻接，并且在阳极集电极84的邻接侧主平面 (邻接表面)上形成阳极气体流动路径86 ；以及阴极集电极85，其与氧化物电极83邻接， 并且在阴极集电极85的邻接侧主平面(邻接表面)上形成阴极气体流动路径87。此外，发 电机电池8被容纳在外壳90内。基于氧化锆的(ZivxYx)O2-X72 (YSZ)和基于镓酸镧的(Lai_xSrx) (Ga1^zMgyCoz) O3 等 可以被用作固体氧化物电解质 81 ； Laa84Sra 16Mn03、La (Ni, Bi)03、(La，Sr) MnO3 > In203+Sn02、 LaCoO3等可以被用作燃料电极82 ；Ni和Ni+YSZ等可以被用作氧化物电极83 ；并且， LaCr(Mg)O3^ (La, Sr) Cr03、NiAl+Al203等可以被用作阳极集电极84和阴极集电极85。发电机电池8被电子加热器与温度传感器9a和催化剂燃烧室9的热量加热到大 约500°C到1000°C，并且引起由下面的化学方程式(3)-(5)表达的每个反应。空气(反应气体、阴极气体)通过阴极集电极85的阴极气体流动路径87被传送 到氧化物电极83。通过由氧气(氧化剂)和阴极输出电极21b提供的电子来在氧化物电极 83中产生氧离子，如下面的化学方程式(3)所示。02+4e" ^ 202\ . . (3)固体氧化物电解质81具有氧离子可渗透性，并且允许根据化学反应方程式(3)在 氧化物电极83中产生的氧离子渗透固体氧化物电解质81到达燃料电极82。从重整器6排出的重整气体(反应气体、阳极气体)通过阳极集电极84的阳极气 体流动路径86被传送到燃料电极82。在燃料电极82中，引起已经渗透固体氧化物电解质 81的氧离子与在重整气体中的氢气(还原剂)和一氧化碳反应，该反应通过下面的化学方 程式⑷和(5)来表达。H2+02-— H20+2e: · · (4)C0+02-— C02+2e: · · (5)根据化学反应方程式⑷和(5)发出的电子通过燃料电极82、阳极输出电极21a 和诸如直流/直流转换器902这样的外部电路从阴极输出电极21b被提供到氧化物电极 83。阳极输出电极21a和阴极输出电极21b被分别连接到阳极集电极84和阴极集电 极85，并且阳极输出电极21a和阴极输出电极21b穿过外壳90而被拉出。在此，如下所述， 通过例如基于Ni (镍)的合金来形成外壳90，并且阳极输出电极21a和阴极输出电极21b 以用诸如玻璃或者陶瓷这样的绝缘材料而与外壳90绝缘的状态被拉出。如图1中所示，阳 极输出电极21a和阴极输出电极21b连接到例如直流/直流转换器902。图3是示出由多个发电机电池8构成的电池组80的示例的示意图。在本发明中， 如此附图中所示，层叠了多个发电机电池8，其中每个发电机电池8由阳极集电极84、燃料 电极82、固体氧化物电解质81、氧化物电极83和阴极集电极85构成，并且所述多个发电机电池8的每一个串联地彼此电连接以形成电池组80。在这种情况下，发电机电池8在串联 的集电极84的一端的阳极集电极84连接到阳极输出电极21a，而发电机电池8在另一端的 阴极集电极85连接到阴极输出电极21b。此外，电池组80被容纳在外壳90中。已经通过阳极集电极84的阳极气体流动路径86的重整气体(以下，通过的重整 气体被称为废气)还包括未反应的氢气。废气被提供到催化剂燃烧室9。已经通过阴极集电极85的阴极气体流动路径8 7的空气与废气一起被提供到催化 剂燃烧室9。在催化剂燃烧室9中形成流动路径，并且基于Pt (钼)的催化剂被承载在该流 动路径的壁表面上。在催化剂燃烧室9上提供由电子加热材料构成的电子加热器与温度传 感器9a。因为电子加热器与温度传感器9a的电阻值依赖于温度，因此电子加热器与温度传 感器9a也用作温度传感器来测量催化剂燃烧室9的温度。由废气和空气构成的混合气体(燃烧气体)流过催化剂燃烧室9的流动路径，并 且被电子加热器与温度传感器9a加热。流过催化剂燃烧室9的流动路径的燃烧气体中的 氢气被催化剂燃烧，并由此产生燃烧热量。燃烧后的排气从催化剂燃烧室9被排出到热绝 缘封装10外部。在催化剂燃烧室9中产生的燃烧热量用于将发电机电池8的温度保持在高温(大 约500°C到大约1000°C )。然后，发电机电池8的热量传导到重整器6和汽化器4，并且用 于在汽化器4中的汽化和重整器6中的流重整反应。[热绝缘封装]接着，描述热绝缘封装10的具体配置。图4是热绝缘封装10的透视图，而图5是当从箭头方向来看时，沿图4中的线V-V 所取的剖视图。图6是示出热绝缘封装10的内部结构的透视图，而图7是当从其下侧来看 时，图6的热绝缘封装10的内部结构的透视图。如图4中所示，连接部5、阳极输出电极21a和阴极输出电极21b从热绝缘封装10 的一个壁表面突出。顺便提及，如图5中所示，分别使用绝缘材料IOa和IOb来使热绝缘封 装10的部分与电极21a和21b绝缘，在所述部分处，阳极输出电极21a和阴极输出电极21b 穿过热绝缘封装10。如图5-7中所示，汽化器4和连接部5、重整器6、连接部7和燃料电池部20被布 置在热绝缘封装10中，其中后四项以此顺序布置。顺便提及，通过将容纳发电机电池8的 外壳90与催化剂燃烧室9集成来形成燃料电池部20，并且废气从发电机电池8的燃料电极 82被提供到催化剂燃烧室9。汽化器4、连接部5、重整器6、连接部7、燃料电池部20的容纳发电机电池8外壳 90和催化剂燃烧室9、阳极输出电极21a以及阴极输出电极21b由耐高温和具有适中导热 率的金属制成，并且可以通过使用基于Ni的合金(诸如因科镍合金(InCOnel)783)来形 成。具体而言，为了抑制阳极输出电极21a和阴极输出电极21b的破损，优选的是，至少形 成与外壳90的材料相同材料的阳极输出电极21a和阴极输出电极21b，其中，阳极输出电 极21a和阴极输出电极21b分别连接到在燃料电池部20中的阳极集电极84和阴极集电极 85，并且由于接收发电机电池8的升温伴有的热胀系数的差别导致的应力而从外壳90被拉 出。此外，为了减少在汽化器4、连接部5、重整器6、连接部7以及燃料电池部20的外壳90 和催化剂燃烧室9之间伴随升温而产生的应力，优选的是，使用相同的材料来形成它们。
在热绝缘封装10的内壁表面上形成防辐射膜11，并且分别在汽化器4、连接部5、 重整器6、连接部7、阳极输出电极21a、阴极输出电极21b以及燃料电池部20的外壁表面上 形成防辐射膜12。防辐射膜11和12防止通过辐射进行热传递，并且例如可以将Au (金) 和Ag(银)等用于防辐射膜11和12。优选的是，提供有防辐射膜11和12的至少一个，并 且更为优选的是，具有防辐射膜11和12两者。连接部5穿过热绝缘封装10。连接部5的一端连接到在热绝缘封装10外部的泵 3，而其另一端连接到重整器6。汽化器4位于连接部5的中部。重整器6和燃料电池部20 彼此连接，并且在其间放置有连接部7。如图6和7中所示，集成地形成汽化器4、连接部5、重整器6、连接部7和燃料电池 部20，并且它们的下表面形成为齐平。图8是连接部5、重整器6、连接部7和燃料电池部20的底视图。顺便提及，在图 8中未示出阳极输出电极21a和阴极输出电极21b。如图8中所示，在使用陶瓷等执行了连接部5、重整器6、连接部7和燃料电池部 20的绝缘处理后，在它们的下表面上形成布线图案。所述布线图案以曲折状态被形成在汽 化器4的下部、重整器6的下部和燃料电池部20的下部，以分别作为电子加热器与温度传 感器4a、6a和9a。电子加热器与温度传感器4a、6a和9a的每一个的一端连接到公共端子 13a，而它们的另一端分别连接到三个独立的端子13b、13c和13d。所述四个端子13a、13b、 13c和13d被形成在连接部5的在热绝缘封装10外侧的端部上。图9是当从箭头方向来看时，沿图8的线IX-IX所取的剖视图，而图10是当从箭 头方向来看时，沿图9的线X-X所取的剖视图。在连接部5中形成要从催化剂燃烧室9排出的排气的排出流动路径51和52。此 夕卜，在连接部5中形成要从汽化器4传送到重整器6的混合气体的供应流动路径53。类似地，在连接部7中形成要从催化剂燃烧室9排出的排气的排出流动路径(未 示出)，所述排出流动路径分别与排出流动路径51和52连通。此外，在连接部7中形成要 从重整器6传送到发电机电池8的燃料电极82的重整气体的供应流动路径(未示出)。通 过连接部5和7，保证了原燃料、混合气体和重整气体向汽化器4、重整器6和燃料电池部20 的供应流动路径和排气的排出流动路径。顺便提及，为了将要从催化剂燃烧室9排出的排气的流动路径直径充分地扩大为 提供给催化剂燃烧室9的废气和空气的流动路径直径，在连接部7中形成的三个流动路径 中，将两个流动路径用作来自催化剂燃烧室9的排气的流动路径，而将另一个流动路径用 作重整气体向发电机电池8的燃料电极82的供应流动路径。阳极输出电极21a和阴极输出电极21b的每一个的一端从燃料电池部20的在其 连接到连接部7的一侧的表面上被拉出，如图6和7中所示。阳极输出电极21a和阴极输 出电极21b的每一个的另一端从热绝缘封装10的与连接部5从中突出的壁表面相同的壁 表面突出到外部，如图4中所示。顺便提及，在本实施例中，连接部7连接到燃料电池部20的一个表面的中央部分， 并且阳极输出电极21a和阴极输出电极21b从该表面的相对部被拉出。因此，在连接部7、 阳极输出电极21a和阴极输出电极21b的三个点支撑燃料电池部20，由此，可以将燃料电池 部20稳固地保持在热绝缘封装10中。
阳极输出电极21a和阴极输出电极21b包括弯曲部分21c和21d，它们在热绝缘封 装10的内壁表面和燃料电池部20之间的空间中弯曲，如图6和7中所示。弯曲部分21c 和21d起到减轻源自燃料电池部20和热绝缘封装10的热胀量之间的差的应力的作用，热 绝缘封装10处于比燃料电池部20的温度更低的温度，所述应力通过阳极输出电极21a和 阴极输出电极21b在燃料电池部20和热绝缘封装10之间作用。 从发电机电池8的阳极集电极84拉出阳极输出电极21a，并且从发电机电池8的 阴极集电极85拉出阴极输出电极21b。阳极输出电极21a和阴极输出电极21b每个都形 成为空心管，并且阳极输出电极21a和阴极输出电极21b的内部形成为空气供应流动路径 22a和22b，用于将空气提供给发电机电池8的氧化物电极83。图11和12分别是示出发电机电池8中的阳极气体流动路径86的形状的剖视图 和平面图，而图13和14分别是示出发电机电池8中的阴极气体流动路径87的形状的剖视 图和平面图。图15是示出在将发电机电池8进行层叠而形成电池组80的情况下的阳极气 体流动路径86和阴极气体流动路径87的配置的剖视图。在阳极集电极84中形成的阳极气体流动路径86被形成为曲折形状，如图11和12 中所示。在阴极集电极85中形成的阴极气体流动路径87被类似地形成为曲折形状，如图 13和14中所示。阴极气体流动路径87的一端通过下述的阴极气体供应歧管(manifold)(公共供 应路径)连接到空气供应流动路径22a和22b，并且阴极气体流动路径87将从空气供应流 动路径22a和22b提供的空气提供到氧化物电极83，使空气通过其内部。阴极气体流动路 径87的另一端具有将在随后描述的阴极气体排出歧管(公共排出路径)，其与催化剂燃烧 室9连通。还未在氧化物电极83中用于化学反应方程式(3)的反应而保留在其中的空气 从阴极气体排出歧管被提供到催化剂燃烧室9。当多个发电机电池8被层叠而形成电池组80时，从降低气体流动路径的压力损耗 的视点看，与以彼此串联地布置发电机电池的气体流动路径的方式叠放发电机电池8相比 较，更有利的是以彼此并联地布置发电机电池8的气体流动路径的方式来叠放发电机电池 8，如图15中所示。通过将气体流动路径彼此并联布置，可以缩短气体流动路径，并且适当 地降低它们的压力损耗。考虑到这一点，本实施例的电池组80具有阳极气体供应歧管810，用于将包括氢 气的重整气体均勻地扩散到层叠的发电机电池8的每个阳极气体流动路径86中，以执行重 整气体的并联供应；以及，阳极气体排出歧管820，用于汇合已经通过每个阳极气体流动路 径86的包括未反应的氢气的重整气体，以排出所汇合的气体。此外，电池组80具有阴极气体供应歧管830，用于将包括氧气的空气均勻地扩散 到层叠的发电机电池8的每个阴极气体流动路径87中，以执行空气的并联供应；以及，阴极 气体排出歧管840，用于汇合已经通过每个阴极气体流动路径87的包括未反应的氧气的空 气，以排出所汇合的空气。图16是在外壳90中容纳的电池组80的透视图。图17是当从上方来看时的电池 组80的透视图，而图18是当从下方来看时的电池组80的透视图。图19是在概念上示出 电池组80的主要部分的固体形状的放大图。阳极集电极84和阴极集电极85都是平矩形。形成气体供应歧管的一部分的突出部分84a和85a被形成在该平矩形四个角之间的对角线方向上彼此相对的两个角之一上， 并且形成气体排出歧管的一部分的突出部分84b和85b被形成在彼此相对的两个角的另一 个上(参见图19)。在本实施例中，阳极气体供应歧管810和阴极气体供应歧管830被布置在阳极集电极84和阴极集电极85的一侧上，而阳极气体排出歧管820和阴极气体排出歧管840被 布置在阳极集电极84和阴极集电极85的另一侧上。图20是电池组的剖面侧视图，而图21是示出电池组的流入端口、流出端口和阴极气体流动路径的平面图。图22是示出电池组的每个流入端口的变窄节距的剖面侧视图。此 夕卜，图23是示出电池组的每个流入端口的变窄节距的平面图。阳极气体供应歧管810和阴 极气体供应歧管830在电池组80的厚度方向(发电机电池8的层叠方向)上直线延伸。阳 极气体排出歧管820和阴极气体排出歧管840也在电池组80的厚度方向上直线延伸。图 18,20和22中的箭头示出了作为阴极气体流动路径87中的气体的空气的流入和流出。在电池组80中的阴极气体供应歧管830和发电机电池8的阴极气体流动路径87 之间的阴极集电极85中形成用于调整流量的阴极气体流入端口 831，如图20-23中所示。 因此，从阴极气体供应歧管830到发电机电池8的阴极气体流动路径87依次形成阴极气体 流入端口 831。每个阴极气体流入端口 831形成为具有彼此不同的横截面面积的平矩形。即，阴 极气体流入端口 831形成为具有大小以从位于阴极气体供应歧管830的上游侧到位于其下 游侧的顺序变小的横截面。阴极气体流入端口 831的横截面的形状不限于平矩形，而可以 是圆形、三角形和四角或者更多角的多边形中的一些。顺便提及，通过未示出的空气泵从空气供应流动路径22a和22b提供(排放)到 阴极气体供应歧管830的空气排放方向被设置为面向发电机电池8的层叠方向(阴极气体 供应歧管的长度方向)，如图22中所示。设置空气排放方向的原因是，通过下述方式可以使 得在每个阴极气体流动路径87中的空气流量几乎是均勻的，而没有任何扩散将空气排放 方向设置为阴极气体供应歧管的长度方向，并且将阴极气体流入端口 831的横截面的大小 形成为以从位于阴极气体供应歧管830的上游侧到位于其下游侧的顺序变小。在此，空气 供应流动路径22a和22b、空气泵等构成空气供应部。此外，在本实施例中，还在电池组80中在阳极气体供应歧管810和发电机电池8 的阳极气体流动路径86之间形成用于调整流量的阳极气体流入端口 811 (参见图15)。在每个阴极气体流动路径87和阴极气体排出歧管840之间形成阴极气体流出端 口 832。在本实施例中，阴极气体流出端口 832的横截面大小被形成为彼此相等。此外，还 在每个阳极气体流动路径86和阳极气体排出歧管820之间形成阳极气体流出端口 812。阳 极气体流出端口 812的横截面大小也被形成为彼此相等。通过将流出端口 832和812的横 截面大小设置为常量，不仅可以使得在气体流动路径87和86中的空气流量几乎均勻而不 引起任何扩散，而且使得设置流入端口 831和811的横截面大小变得更容易。在此，假定从空气循环的上游侧(即从阴极气体供应歧管830的空气供应侧)到 第η个发电机电池8的阴极气体流动路径87中的阴极气体流入端口 831的横截面大小被 设置为EnXFn，如图21中所示。假定En和Fn是2毫米，并且在阴极气体流动路径87的弯 曲流动路径的横截面尺寸是5mmX0. 3mm、流动路径87中的分隔壁的数量是5并且叠层数量是10的情况下，通过流体仿真来计算7700ccm空气流量在每个发电机电池8中的空气流 速。在图24中的图内示出了结果。在此，图例gr-x表示在En的方向上与2毫米的初始值 之差(流动路径变窄的节距)，而图例gr-y表示在Fn的方向上与2毫米的初始值之差(流 动路径变窄的节距)。如从图24所显而易见地，gr-x = 0和gr-y = 0的情况指示当所有阴极气体流入 端口 831的横截面尺寸相同时叠层之间的流速分布，所述分布为其中流速从空气循环的上 游侧向下游侧变快的分布。在这样的流速分布中，发电机电池8的输出变得不均勻，并且不 能充分地达到电池组80的固有性能。此外，当通过改变gr-x和gr-y而逐渐地缩小阴极气体流入端口 831的大小时，则 发现叠层之间的流量分布根据图24改变。在本实施例中，大约在gr-x = 0. 2且gr-y = 0. 05时，情形为几乎均勻。如上所述，根据本实施例，在多个发电机电池8的每个阴极气体 流动路径87中流动的空气流量在发电机电池8的流动路径87之间的扩散可以被抑制。此 夕卜，在每个阳极气体流动路径86中流动的重整气体的流量在发电机电池8的流动路径86 之间的扩散也可以被抑制。
顺便提及，还与上述方法类似地设置在阳极气体供应歧管810和发电机电池8的 阳极气体流动路径86之间形成的用于进行流量调整的阳极气体流入端口 811的大小。但 是，反应气体的流速在阳极气体流动路径86中比在阴极气体流动路径87中更小，一般约为 阴极气体流动路径87中流速的1/3到1/10。因此，因为反应气体的流量的扩散也更小，因 此根据更小的扩散来设置阳极气体流入端口 811的横截面大小。现在，在本实施例中，当废气中的氢气已经完全燃烧时，从催化剂燃烧室9排出 C02、H20、N2和02。在此，存在以下两个向发电机电池8供应反应气体的流动路径的系统阳 极气体流动路径86，用于传送重整气体；以及阴极气体流动路径87，用于传送空气。但是， 存在一个流动路径的系统作为从发电机电池8排出反应后的气体的流动路径。在这种情况 下，因为排出系统的气体流量大于供应系统的气体流量，因此，当供应系统和排出系统的管 道数量的每一个是1时，并且当这些管道的直径相同时，排出系统的流动路径中的压力损 耗扩大。期望将排出系统的管道直径扩大为大于供应系统的管道直径，以便抑制排出系统 的流动路径中的压力损耗。或者，期望将供应系统和排出系统的管道直径设置为相同，并且 将排出系统的流动路径的数量设置为多于供应系统的流动路径的数量。在本实施例中，因 为针对包括供应流动路径53这一个流动路径的供应系统，采用了包括排出流动路径51和 52这两个流动路径的排出系统，因此可以有效地抑制排出系统的流动路径中的压力损耗。此外，在如本实施例中这样的固态氧化物燃料电池内，需要使比重整气体的流量 更多的空气流过阴极气体流动路径。因此，当阴极气体流动路径87和阳极气体流动路径86 的横截面面积相同时，则阴极气体流动路径87中空气的压力损耗大于阳极气体流动路径 86中的重整气体的压力损耗。在此，因为具有矩形横截面的流动路径中的压力损耗几乎与 该流动路径的横截面的短边的立方成反比地减少，因此通过与图25中所示的阳极气体流 动路径86的高度相对地扩大阴极气体流动路径87的高度，可以有效地防止流过阴极气体 流动路径87的空气的压力损耗。顺便提及，虽然在如上所述的本实施例中示出了使用阳极气体流动路径86和阴 极气体流动路径87两者(它们形成为具有内部流动路径分隔壁的曲折流动路径)的示例，但是可以使用所谓的池状流动路径，而没有内部流动路径分隔壁。在这种情况下，获得下述优点简化了要连接到阴极气体流动路径87的空气供应流动路径22a和22b的连接位置 与连接结构的改变。而且，在这种情况下，通过与阳极气体流动路径86的高度相对地扩大 阴极气体流动路径87的高度，可以有效地防止流过阴极气体流动路径87的空气的压力损 耗。此外，虽然提供给燃料电池设备的发电机电池是固态氧化物燃料电池，但是发电机电池 并不限于此。也可以使用溶融碳酸盐燃料电池和固态聚合物燃料电池。
2007年9月21日提交的日本专利申请No. 2007-244968的包括说明书、权利要求、 附图和摘要的整个公开，其全部内容通过引用被并入本文。
权利要求
一种燃料电池设备，包括多个发电机电池，用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应来产生电力，其中所述多个发电机电池包括多个气体流动路径，分别用于向所述多个发电机电池传送所述电化学反应的反应气体；以及多个流入端口，分别被提供在所述反应气体流入所述多个气体流动路径的每一个的位置处，并且其中在所述多个流入端口中，在所述反应气体的流动方向的下游侧提供的流入端口的横截面尺寸小于在所述反应气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的燃料电池设备，还包括公共供应路径，其通过所述多个流入 端口的每一个连接到所述多个气体流动路径的每一个。
3.根据权利要求2所述的燃料电池设备，还包括供应部，用于向所述公共供应路径供 应所述反应气体，其中所述多个发电机电池彼此层叠，并且在所述公共供应路径中的所述反应气体在与所述发电机电池的层叠方向相同的方向 上流动。
4.根据权利要求1所述的燃料电池设备，其中所述多个发电机电池包括多个流出端口，所述多个流出端口分别被提供在从所述多个 气体流动路径的每一个排出所述反应气体的位置处，并且 所述多个流出端口的横截面尺寸彼此相同。
5.根据权利要求1所述的燃料电池设备，其中，所述反应气体是包括所述氧化剂的阴 极气体或者是包括所述还原剂的阳极气体。
6.一种燃料电池设备，包括多个发电机电池，用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应 来产生电力，其中所述多个发电机电池包括 多个电解质层，使得预定物质渗透其中；多个阳极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的一个表面中； 多个阳极集电极，其分别与所述多个阳极的每一个邻接，其中，多个阳极气体流动路径 分别形成在所述阳极集电极和所述阳极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述还原剂的 阳极气体流过其中；多个阴极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的另一个表面中； 多个阴极集电极，其分别与所述多个阴极的每一个邻接，其中，多个阴极气体流动路径 分别形成在所述阴极集电极和所述阴极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述氧化剂的 阴极气体流过其中；多个阳极气体流入端口，其分别被提供在所述阳极气体流入所述多个阳极气体流动路 径的每一个中的位置处；以及多个阴极气体流入端口，其分别被提供在所述阴极气体流入所述多个阴极气体流动路 径的每一个中的位置处，并且其中在所述多个阳极气体流入端口中，在所述阳极气体的流动方向的下游侧提供的流入端口的横截面尺寸小于在所述阳极气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横截面 尺寸。
7.根据权利要求6所述的燃料电池设备，还包括公共供应路径，其通过所述多个阳极 气体流入端口的每一个连接到所述多个阳极气体流动路径的每一个。
8.一种燃料电池设备，包括多个发电机电池，用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应 来产生电力，其中所述多个发电机电池包括 多个电解质层，使得预定物质渗透其中；多个阳极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的一个表面中； 多个阳极集电极，其分别与所述多个阳极的每一个邻接，其中，多个阳极气体流动路径 分别形成在所述阳极集电极和所述阳极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述还原剂的 阳极气体流过其中；多个阴极，其分别被提供在所述多个电解质层的每一个的另一个表面中； 多个阴极集电极，其分别与所述多个阴极的每一个邻接，其中，多个阴极气体流动路径 分别形成在所述阴极集电极和所述阴极之间的每一个邻接表面上，以便包括所述氧化剂的 阴极气体流过其中；多个阳极气体流入端口，其分别被提供在所述阳极气体流入所述多个阳极气体流动路 径的每一个中的位置处；以及多个阴极气体流入端口，其分别被提供在所述阴极气体流入所述多个阴极气体流动路 径的每一个中的位置处，并且其中在所述多个阴极气体流入端口中，在所述阴极气体的流动方向的下游侧提供的流入端 口的横截面尺寸小于在所述阴极气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横截面 尺寸。
9.根据权利要求8所述的燃料电池设备，还包括公共供应路径，其通过所述多个阴极 气体流入端口的每一个连接到所述多个阴极气体流动路径的每一个。
10.根据权利要求6所述的燃料电池设备，其中，所述多个阳极气体流动路径的每一个 的横截面形状和所述多个阴极气体流动路径的每一个的横截面形状是矩形，并且所述多个阳极气体流动路径的每一个的横截面形状的两条边中的短边比所述多个阴 极气体流动路径的每一个的横截面形状的两条边中的短边更短。
11.根据权利要求8所述的燃料电池设备，其中，所述多个阳极气体流动路径的每一个 的横截面形状和所述多个阴极气体流动路径的每一个的横截面形状是矩形，并且所述多个阳极气体流动路径的每一个的横截面形状的两条边中的短边比所述多个阴 极气体流动路径的每一个的横截面形状的两条边中的短边更短。
12.根据权利要求6所述的燃料电池设备，其中，所述多个发电机电池包括多个阳极气体流出端口，所述多个阳极气体流出端口分别被 提供在从所述多个阳极气体流动路径的每一个排出所述阳极气体的位置处，并且 所述多个阳极气体流出端口的横截面尺寸彼此相同。
13.根据权利要求8所述的燃料电池设备，其中，所述多个发电机电池包括多个阴极气体流出端口，所述多个阴极气体流出端口分别被提供在从所述多个阴极气体流动路径的每一个排出所述阴极气体的位置处，并且 所述多个阴极气体流出端口的横截面尺寸彼此相同。
14.一种电子装置，包括根据权利要求1所述的燃料电池设备；以及 电子装置主体，其通过由所述燃料电池设备产生的电力而工作。
15.一种电子装置，包括根据权利要求6所述的燃料电池设备；以及 电子装置主体，其通过由所述燃料电池设备产生的电力而工作。
16.一种电子装置，包括根据权利要求8所述的燃料电池设备；以及 电子装置主体，其通过由所述燃料电池设备产生的电力而工作。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池设备，其包括多个发电机电池，用于通过氧化剂和还原剂的电化学反应来产生电力，其中，所述多个发电机电池包括多个气体流动路径，分别用于向所述多个发电机电池传送所述电化学反应的反应气体；以及，多个流入端口，分别被提供在所述反应气体流入所述多个气体流动路径的每一个的位置处，并且其中，在所述多个流入端口中，在所述反应气体的流动方向的下游侧提供的流入端口的横截面尺寸小于在所述反应气体的所述流动方向的上游侧提供的流入端口的横截面尺寸。
文档编号H01M8/24GK101803085SQ20088010775
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月8日 优先权日2007年9月21日
发明者山本忠夫 申请人:卡西欧计算机株式会社