燃料电池、电子装置以及燃料供给方法

专利名称：燃料电池、电子装置以及燃料供给方法
技术领域：
本发明涉及一种通过氢和氧之间的反应来进行发电的燃料电池、一种包括这样的 燃料电池的电子装置以及应用于该燃料电池的燃料供给方法。
背景技术：
在燃料电池中，氢和氧发生化学反应，从而生成水并获得电流。根据作为燃料的 氢的供给方法和反应机构，燃料电池分类为直接氢聚合物电解质型、直接甲醇型、燃料重整 型、磷酸型、熔融聚合物电解质型、固体氧化物型等。在上述类型中，近年来，甲醇被直接氧化的直接甲醇型燃料电池的研究和开发已 得到积极的关注，这是因为燃料处理以及高能量密度两者均相对容易地得到满足。图26示出了传统直接甲醇型燃料电池的结构实例的截面结构。在燃料电池101 中，甲醇水构成的液体燃料121装在燃料箱120中。在燃料箱120的上部中央部分设置燃料 泵122，该燃料泵经由喷嘴123连接至燃料扩散板103。燃料扩散板103的周围区域被密封 部141和分离板142覆盖。在分离板142上方设置由多个电池单元(battery cell)105A 105C构成的电池本体105以及燃料泄漏防止板143。在燃料电池101中，燃料扩散板103 被燃料泵122和喷嘴123填充以液体燃料121。在燃料扩散板103中，液体燃料121在扩散 的同时被汽化。在分离板142中，仅汽化的燃料供应至电池单元105A 105C。因此，在各 个电池单元105A 105C中，进行发电。而且，例如，专利文件1披露了一种燃料电池，其中，设置有具有给定形状的流路， 使得液体燃料能够顺利地扩散。专利文件1 日本未审查专利申请公开号2006-140153专利文件2 日本未审查专利申请公开号2000-10620
发明内容
然而，在图26所示的燃料电池中，液体燃料在燃料扩散板103中的扩散性很低。因 此，存在这样的问题，即在从喷嘴123供应液体燃料121之后，液体燃料121仅在喷嘴123附 近立即汽化，并且该燃料仅供应至喷嘴123附近正上方的电池单元(在这种情况下，是电池 单元105B)。因此，首先，电池本体105的仅部分发电单元进行发电，这样产生了位置变化， 并且发电效率降低。因此，为了防止这样的位置变化并且为了均勻地扩散汽化的燃料，需要 在扩散板103上方具有给定的空间区域140，由此难以减小燃料电池的尺寸。同时，在上述专利文件1中，具有给定形状的流路有可能使液体燃料能够有效地 扩散。然而，由于必须设置具有复杂形状的流路，因此制造成本很高。
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如上所述，在传统的燃料电池中，难以利用简单结构来减小电池的尺寸。而且，在图26所示的结构中，存在这样的问题，即由于燃料电池的姿势差异 (posture difference)，液体燃料121在燃料扩散板103中的扩散由于重力的影响而变得 不均勻。例如，在燃料电池水平放置的情况下，如图27所示，液体燃料121在整个燃料扩散 板103中几乎均勻地扩散。然而，在燃料电池竖直放置的情况下，如图28所示，液体燃料 121的扩散范围由于重力的影响主要位于下方，并且燃料仅供应至下部的电池单元。因此，例如，可以想到，通过毛细管力将液体燃料填充到诸如无纺布的多孔部件 中，以消除重力的影响(例如，参考专利文件2)。然而，在该方法中，需要大量的填充无纺布 的液体燃料。因此，存在这样的问题，使得即使在停止燃料供给之后，仍有相当量的液体燃 料留在无纺布中，并且无法快速停止燃料的汽化。如上所述，在传统的燃料电池中，难以通过防止由于姿势差异造成的重力影响而 均勻地将液体燃料供给各个电池单元。鉴于上述问题，本发明的第一目的在于提供一种能够利用简单结构来减小电池尺 寸的燃料电池、电子装置以及燃料供给方法。本发明的第二目的在于提供一种燃料电池以及包括该燃料电池的电子装置，该燃 料电池能够通过防止由于姿势差异造成的重力影响而均勻地将液体燃料供给各个发电部。本发明的第一燃料电池包括电池本体，其包括发电部；燃料扩散部，其表面上具 有多孔氧化膜，通过该多孔氧化膜扩散液体燃料并将燃料供给发电部；以及燃料箱，其用于 容纳液体燃料，并将液体燃料供给多孔氧化膜。本发明的第二燃料电池包括电池本体，其包括发电部；燃料箱，其用于容纳液体 燃料；以及燃料扩散部，其中，在电池本体侧的表面上从供给来自燃料箱的液体燃料的入口 向燃料扩散部的周缘部径向地设置有槽部。本发明的第一电子装置和第二电子装置分别包括本发明的第一燃料电池和第二 燃料电池。本发明的第一燃料供给方法是一种用于将容纳在燃料箱中的液体燃料供给发电 部的方法，其中，该方法将液体燃料供给多孔氧化膜，通过多孔氧化膜中的毛细管现象扩散 液体燃料，并且使扩散的液体燃料汽化并将燃料供给发电部。本发明的第二燃料供给方法是一种用于将容纳在燃料箱中的液体燃料供给发电 部的方法，其中，该方法将液体燃料供给燃料扩散部的入口，在从该入口朝向燃料扩散部分 的周缘部分径向形成的槽部分中通过毛细管现象而移动液体燃料，并且使移动的液体燃料 汽化并将燃料供给发电部。在本发明的第一燃料电池和第一电子装置中，容纳在燃料箱中的液体燃料供应至 多孔氧化膜。在多孔氧化膜中，通过由于大量的微小孔产生的毛细管现象，扩散液体燃料。 然后，使扩散的液体燃料汽化，并将其供应至发电部。在本发明的第二燃料电池和第二电子装置中，容纳在燃料箱中的液体燃料供应至 燃料扩散部的入口，借助毛细管现象而移动通过径向的槽部。在燃料扩散部竖直配置的情 况中，液体燃料在槽部中克服重力而向上移动。因此，防止了由于姿势差异而造成的重力影 响，并且液体燃料均勻地供应至各个发电部。根据本发明的第一燃料电池或第一电子装置，设置表面为多孔氧化膜的燃料扩散
4部，并且使从燃料箱供应至燃料扩散部的液体燃料在该多孔氧化膜中扩散。因此，可以利用 毛细管现象，使液体燃料均勻扩散至宽范围，然后汽化，并供应至发电部。因此，能够利用简 单结构来减小电池的尺寸。根据本发明的第二燃料电池和第二电子装置，在燃料扩散部的电池本体侧的表面 上，从入口向燃料扩散部的周缘部径向设置槽部。因此，通过利用毛细管现象，可以使液体 燃料在槽部中移动，而与重力的方向无关。因此，防止了由于姿势差异造成的重力影响，并 且可以均勻地将液体燃料供给各个发电部。根据本发明的第一燃料供给方法，将容纳在燃料箱中的液体燃料供应至多孔氧化 膜，通过毛细管现象使液体燃料在该多孔氧化膜中扩散，并且使扩散的液体燃料汽化，并将 其供应至发电部。因而，汽化的燃料可以均勻地扩散。因此，可以利用简单结构来减小电池 的尺寸。根据本发明的第二燃料供给方法，将容纳在燃料箱中的液体燃料供应至燃料扩散 部的入口，在从该入口朝向燃料扩散部的周缘部径向形成的槽部中通过毛细管现象来移动 液体燃料，并且使移动的液体燃料汽化并将其供应至发电部。因此，即使在竖直布置燃料扩 散部的情况下，也可以克服重力在槽部中向上移动液体燃料。因此，防止了由于姿势差异造 成的重力影响，并且可以将液体燃料均勻地供应至各个发电部。


图1是示出了根据本发明第一实施方式的燃料电池的结构的剖视图。图2是示出了图1所示的燃料扩散层的详细结构的剖视图。图3是用于说明液体燃料的扩散同时与传统实施例相比较的剖视图。图4是用于说明液体燃料的扩散同时与传统实施例相比较的平面图。图5是用于说明多孔氧化膜的膜厚度调整的剖视图。图6是示出了根据第一变型例的燃料电池的结构的平面图和剖视图。图7是示出了根据第二变型例的燃料电池的结构的平面图和剖视图。图8是示出了根据第三变型例的燃料电池的结构的剖视图。图9是示出了根据第四变型例的燃料电池的结构的剖视图。图10是示出了根据本发明第二实施方式的燃料电池的燃料扩散层的结构的平面 图，该图是从形成有槽部的一侧观看的。图11是示出了槽部的一个实施例的剖视图。图12是示出了槽部的另一实施例的剖视图。图13是示出了槽部的又一实施例的剖视图。图14是示出了槽部的又一实施例的剖视图。图15是示出了槽部的又一实施例的剖视图。图16是示出了槽部的又一实施例的剖视图。图17是示出了燃料扩散层的另一结构的平面图和剖视图。图18是示出了燃料扩散层的又一结构的剖视图。图19是用于说明用于检验槽部中的毛细管力的试验的透视图。图20是示出了在图19所示的间隙的尺寸改变的情况下有色水上升高度的计算结果的曲线图。图21是用于说明用于检验槽部中的毛细管力的另一试验的透视图。图22是示出了图21所示的槽部中的水面形状的剖视图。图23是示出了槽部的又一实施例的剖视图。图24是示出了槽部的又一实施例的剖视图。图25是示出了燃料扩散层的又一实施例的剖视图。图26是示出了传统燃料电池的结构的剖视图。图27是用于说明由于传统燃料电池姿势而造成的燃料扩散的差异的平面图和剖 视图。图28是用于说明由于传统燃料电池姿势而造成的燃料扩散的差异的平面图和剖 视图。
具体实施例方式在下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方式。(第一实施方式)图1示出了根据本发明第一实施方式的燃料电池(燃料电池1)的截面结构。此 外，通过根据本实施方式的燃料电池系统来实施本发明的第一燃料供给方法，因此也将给 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，设置电池本体5。电池本体5包括多个沿水平方向布置的电池单元5A 5C。此外，燃 料箱20包括例如这样的容器(例如，塑料袋)，即使液体燃料21增加或减少，体积发生变 化而不会有气泡进入其中；以及覆盖该容器的长方体外壳(结构)。各个电池单元5A 5C是直接甲醇型的发电部，其中，通过氢和氧之间的反应来进 行发电。燃料电极(负电极、负极)51和氧电极(正电极、正极)53通过中间的电解质膜52 而相对布置。未示出的空气供给泵连接至氧电极53。燃料电极51形成在电池单元5A 5C的燃料箱20侧上。此外，电解质膜52例如由质子导体构成。在燃料箱20中，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 燃料供给泵22设置在燃料箱的中央上部附近。在燃料箱20与电池单元5A 5C之间，具 体地说，在燃料箱20的顶面上，形成燃料扩散层3，用于使从喷嘴23排出的液体燃料21在 该层中扩散。此外，喷嘴23穿透燃料箱20和燃料扩散层3的一部分，因而燃料箱20中的 液体燃料供应至燃料扩散层3。图2详细示出了燃料扩散层3的截面形状。燃料扩散层3在金属层31上(电池 本体5侧的表面)具有多孔氧化膜32(膜厚dl)。金属层31由铝(Al)或其合金制成。多孔氧化膜32通过对金属层31进行给定的 氧化铝膜处理(alumite treatment)而形成，并且该多孔氧化膜由氧化铝(Al2O3)或氧化铝 合金制成。如图2所示，在多孔氧化膜32中，沿层间方向形成大量的微小孔(例如，直径为 约IOnm的孔)。后面将描述在形成多孔氧化膜32中的氧化铝膜处理的详情。将再次参照图1进行描述。在燃料箱20上的燃料扩散层3的周围区域中，密封部 41沿层间方向延伸。在燃料扩散层3的上方，均勻地形成连接至密封部41的分离板42，其
6中，气体和液体能够彼此分离。分离板42例如由聚丙烯基多孔膜等制成。在分离板42的上方，分别布置上述电池单元5A 5C。电池单元5A 5C通过燃 料泄漏防止板43而彼此连接，并且电池单元5A 5C和分离板42通过燃料泄漏防止板43 而彼此连接。从而，可以防止已通过分离板42的液体燃料21的泄漏。例如可以如下制造燃料电池1。首先，例如通过溅射方法，在连接有燃料供给泵22和喷嘴23的燃料箱20上形成 由上述材料制成的金属层31。接着，对金属层31进行给定的氧化铝膜处理以形成多孔氧化膜32。具体地说， 首先，作为用于氧化铝膜处理的预处理，对金属层31进行脱脂处理、边缘处理(edging treatment)等以去除金属层31的表面上的油脂和自然氧化膜。接着，对金属层31进行氧 化铝膜处理以形成多孔氧化膜32。此时，例如，在硫酸层、铬酸层、有机酸层、硝酸层、草酸 层、硼酸层等中进行处理，同时例如施加约1 (A/dm2)的直流电。将上述酸层的温度设置成 例如约20°C。通过该温度能够调节多孔氧化膜32的表面状态。期望增加温度，因为这样能 够提高液体燃料的扩散效果。对于在氧化铝膜处理中的染色，可以设定任意颜色。在通常 的氧化铝膜处理中，随后进行密封处理。然而，在本实施方式的氧化铝膜处理中，省略了全 部或部分的密封处理以保留孔，而不进行完全的密封处理。最后，在如上所述形成的燃料扩散层3上方设置密封部41和分离板42，在密封部 41和分离板42上方进一步设置由上述材料制成的电池本体5以及燃料泄漏防止部43，从 而制造出图1所示的燃料电池系统1。在燃料电池系统1中，通过燃料供给泵22和喷嘴23将装在燃料箱20中的液体燃 料21填充到燃料扩散层3中。填充在燃料扩散层3中的液体燃料21在燃料扩散层3的表 面上的多孔氧化膜32中扩散并汽化。汽化的燃料穿过分离板42，到达各个电池单元5A 5C，并分别供应至其燃料电极51。同时，空气(氧气)通过未示出的空气供给泵而供应至各 个电池单元5A 5C的氧电极53。然后，在各个燃料电极51中，反应开始以产生氢离子和 电子。进一步地，氢离子通过电解质膜52而移动至氧电极53，与电子和氧发生反应，从而生 成水，并且生成作为副产物的二氧化碳。因此，在燃料电池1中，进行发电。在这种情况下，在多孔氧化膜32中，通过上述给定的氧化铝膜处理形成大量的微 小孔。因此，例如，如图3㈧和图4㈧中的剖视图和平面图分别示出的，通过微小孔产生 的毛细管现象，供应至多孔氧化膜32的液体燃料21均勻地扩散至宽范围。此外，在图3 (A) 中，液体燃料21均勻向下扩散至孔的底部。然而，在某些情况下，根据多孔氧化膜32的表 面状态等，液体燃料21不能向下扩散至孔的底部。同时，在图26所示的传统燃料电池101中，供应至燃料扩散板103的液体燃料121 具有液体燃料121在燃料扩散板103上的低润湿特征。因此，例如，如图3(B)和图4(B)的 剖视图和平面图中分别示出的，与本实施方式的燃料电池1的情形相比，扩散范围小。如上所述，在本实施方式的燃料电池1中，供应至多孔氧化膜32的液体燃料21均 勻地扩散至宽范围。结果，汽化的燃料不会主要位于喷嘴23的上方位置附近，而以均勻状 态供应至电池本体5。如上所述，在本实施方式中，在电池本体5与燃料箱20之间设置燃料扩散层3，在 燃料扩散层3中，其在电池本体5侧的表面是多孔氧化膜32，并且从燃料箱20供应至燃料扩散层3的液体燃料21在多孔氧化膜32中扩散。因此，可以利用由于微小孔引起的毛细 管现象，使液体燃料21均勻地扩散至宽范围，然后汽化，并供应至电池本体5中的各个电池 单元5A 5C。因此，不需要用于均勻扩散汽化的燃料的空间区域、用于扩散液体燃料的具 有复杂形状的流路等。因此，可以利用简单结构来减小电池的尺寸。而且，对于由铝制成的金属层31仅进行给定的氧化铝膜处理就足够了。因此，可 以以便宜的制造成本实现这种电池。并且，在普通的氧化铝膜处理中，在形成微小孔之后，进行用于密封孔的密封处 理。然而，在本实施方式的多孔氧化膜32中，省略了这样的密封处理。因此，实现了前述效 果，并且通过省略一个步骤，可以通过比普通氧化铝膜处理更容易的方法来形成燃料扩散层3。而且，可以在液体燃料21在多孔氧化膜32中扩散之后立即汽化扩散的液体燃料 21。因此，使得能够以少量液体燃料21在宽范围中进行燃料供给，同时不会在完成发电之 后在电池本体5中留下无用的液体燃料21。因此，可以改善液体燃料21的使用效率，并且 可以改善燃料电池1的发电效率。此外，多孔膜由在铝化合物中最稳定的氧化铝制成。因此，例如，即使在液体燃料 21是甲醇的情况下，也能够防止由甲醇引起的膜变化，并能够避免随着时间的劣化。因此， 即使在很长时间之后，也能够稳定的发电。在本实施方式的燃料电池1中，例如，作为如图5所示的具有多孔氧化膜32A(膜 厚d2)的燃料扩散层3A，可以根据液体燃料21的扩散速率和燃料保持量来调节多孔氧化 膜的膜厚。如果如上所述进行构造，则除了本实施方式的效果之外，多孔氧化膜的膜厚调整 使得能够将液体燃料21的扩散速率和燃料保持量调整到最佳值。此外，多孔氧化膜的膜厚 调整使得能够将燃料供给泵22的驱动能力、液体燃料21的水保持条件等调整到最佳值。在下文中，将给出第一实施方式的变型例(第一至第四)的描述。(第一变型例)例如，如平面6(A)以及沿图6㈧的线II-II截取的剖视6(B)中分别示 出的燃料扩散层3B，沿给定方向通过物理加工形成的槽部33(这里由多个槽部331 333 构成)可以形成在燃料扩散层中的电池本体5侧的表面上。如果如上所述进行构造，例如， 如图6(A)所示，则由Pl指示的部分中的液体燃料能够沿图中如箭头所示的槽部33的延伸 方向选择性地扩散。因此，除了前述实施方式的效果之外，可以任意地控制液体燃料21的 扩散方向。同时，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 谓的氧化铝膜裂纹(alumite crack)，并通过利用氧化铝膜裂纹来控制液体燃料21的扩散 方向。(第二变型例)而且，例如，如平面7(A)和沿图7(A)的线III-III截取的剖视7(B)中 分别示出的燃料扩散层3C，可以设置用于将液体燃料21供应至燃料扩散层的多个喷嘴，并 且其数目可以增加(这里，由5个喷嘴231 235构成)。如果如上所述进行构造，则可以 进一步提高液体燃料21的扩散性，并且进一步提高液体燃料21的使用效率以及燃料电池 1的发电效率。(第三变型例)
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而且，例如，如图8所示的具有燃料箱20A的燃料电池1A，可能的是，燃料箱本身由 铝或其合金制成，并且对顶面，即电池本体5侧的表面，提供氧化铝膜处理，以在燃料箱的 表面上形成多孔氧化膜。如果如上所述进行构造，则无需单独地形成扩散层。因此，可以利 用简单结构进一步减小燃料电池的尺寸。(第四变型例)而且，例如，如图9所示的电池单元1B，可以设置导热部6A 6C，通过该导热部将 各个电池单元5A 5C与燃料扩散层3连接，从而在各个电池单元5A 5C中产生的热传 导至燃料扩散层3。如果如上所述进行构造，则在各个电池单元5A 5C中产生的热可用来 增加燃料扩散层3的温度，这使得能够进一步提高在多孔氧化膜32中的扩散效率。而且， 由于多孔氧化膜32由具有高导热性的氧化铝制成，因此从导热部6A 6C传导的热可快速 地传导至整个膜，因而其效果很大。而且，在各个电池单元5A 5C中产生的热可有效地再 利用，电池本体5中的热释放可以有效地进行，且能量可有效地再利用。(第二实施方式)图10示出了根据本发明第二实施方式的燃料电池的燃料扩散层的结构。以与前 述第一变型例和前述第一实施方式中相同的方式构造燃料电池，不同之处在于，燃料扩散 层3D的槽部33的形状是不同的。因此，通过将相同的标号附于相应元件而给出描述。本 发明的第二燃料供给方法通过根据本实施方式的燃料电池系统来实施，因此也将给出其描 述。以与第一实施方式相同的方式来构造燃料箱20、液体燃料21、燃料供给泵22、电 池本体5、密封部41、分离板42、以及燃料泄漏防止部43。燃料扩散层3D的构成材料没有特别限制，但是例如可优选铝(Al)或包含铝(Al) 的合金。因此，通过利用高导热性来立刻增加液体燃料21的温度，并且提高液体燃料21的 汽化效率是可能的。在电池本体5侧的燃料扩散层3D的表面上，从入口 IL径向地形成大量的槽部33， 通过该槽部液体燃料21从燃料箱20向燃料扩散部3D的周缘部供应。从而，在燃料电池中， 可以利用槽部33中的毛细管现象，通过防止由于燃料电池的姿势不同造成的重力影响，使 得液体燃料21均勻地供应至各个电池单元5A 5C。槽部33的截面形状没有特别限制。然而，例如，由图11所示的倒三角(V形)、图 12所示的矩形、或诸如圆形和图13所示的椭圆形的曲线(U形)所构成的截面形状是优选 的。在具有倒三角截面的槽部33中，尖端上的锐角部34是狭窄部。在锐角部34中，可以 产生强的毛细管现象，并且易于加工锐角部34。具有矩形截面的槽部33具有由底面和侧面 形成的两个角部35。因此，能够确保恒定的毛细管力，并且能够实现有效的燃料输送。具有 曲线截面的槽部33适合于重视燃料输送效率的情况，并且易于加工。而且，如图14和图15所示，槽部33可以具有这样的结构，其中多个(例如两级的) 槽部33A和33B沿深度方向结合。因此，组合前述各个截面形状并且进一步利用它们的优 点是可能的。槽部33A和33B的截面形状同样没有特别限制。而且，槽部33A和33B可以 具有相同的截面形状，或者可以具有彼此不同的截面形状。例如，如图14所示，槽部33A和 33B可以具有彼此宽度不同的各自的倒三角截面。另外，如图15所示，可以是，槽部33A具 有由诸如圆形和椭圆形的曲线构成的截面形状，而槽部33B具有倒三角截面形状。
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另外，如图16所示，可以是，两个突起36设置在电池本体5侧的燃料扩散层3D的 表面上，并且突起36之间的间隙构造成槽部33。在这种情况下，使得突起36外部的边角部 37能够具有类似于槽部33的燃料输送功能。此外，如图17所示，燃料扩散层3D可以具有设置有槽部33的燃料输送层3D1和 覆盖设置有槽部33的燃料输送层3D1表面的覆盖层3D2。槽部33的侧面是倾斜面38。在 夹在倾斜面38与覆盖层3D2之间的两个锐角部34中，有效地产生毛细管现象。在这种情 况下，槽部33的截面形状可以具有双曲线形状或具有两个锐角部34的倒三角，如图17(B) 所示，或者可以具有这样的形状，该形状仅具有两个锐角部34中的一个。而且，虽然在图 17(A)中仅示出了设置在左上槽部33上的覆盖层3D2，但覆盖层3D2需要设置成覆盖所有 的槽部33。然而，覆盖层3D2覆盖至少槽部33就足够了，并不需覆盖燃料输送层3D1的整 个表面。优选地，覆盖层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 作为液体燃料21的出口。在燃料输送层3D1的入口 IL的周围区域中，可以设置用于临时 汇集供应的液体燃料21的燃料池62。图10和图17所示的槽部33的数目、在其延伸方向上的长度、和槽部33的面内分 布，作为一个例子示出，并且优选设置成使得液体燃料21根据燃料扩散层3D的形状和尺寸 而分散到整个燃料扩散层3D中。如图18所示，通过与第一实施方式的燃料扩散层3相同的方式，燃料扩散层3D优 选在金属层31 (电池本体5侧的表面)上具有多孔氧化膜32。因此，通过槽部33输送的 液体燃料21能够在多孔氧化膜32中扩散和汽化，并且由于其协同效果而可以获得更好的 效果。槽部33可以比多孔氧化膜32的膜厚dl更深，并且可以到达金属层31。另外，槽部 33可以比多孔氧化膜32的膜厚dl更浅。在图18中，示出了槽部33的截面形状是倒三角 的情况。然而，在形成多孔氧化膜32的情况下，槽部33的截面形状同样没有特别限制。例如，可以如下制造燃料电池。首先，以与第一实施方式相同的方式，由前述材料制成的金属层31形成在装有燃 料供给泵22和喷嘴23的燃料箱20上。接着，以与第一实施方式相同的方式，对金属层31 进行给定的氧化铝膜处理，以形成多孔氧化膜32。随后，在多孔氧化膜32的表面上，例如，通过例如冲切、蚀刻、或利用刀具等的物 理加工，从入口 IL朝向周缘部径向地形成大量的槽部33，以形成燃料扩散层3D。最后，以与第一实施方式相同的方式，在如上所述形成的燃料扩散层3D上方，设 置密封部41和分离板42。而且，由前述材料制成的电池本体5和燃料泄漏防止部43设置 在密封部41和分离板42上。因此，制造出本实施方式的燃料电池系统。在该燃料电池系统中，装在燃料箱20中的液体燃料21供应至燃料扩散层3D。在 燃料扩散层3D中扩散和汽化的燃料穿过分离板42，到达各个电池单元5A 5C，并供应至 其燃料电极51。同时，空气(氧气)通过未示出的空气供给泵而供应至各个电池单元5A 5C的氧气电极53。然后，在各个燃料电极51中，开始反应以生成氢离子和电子。而且，氢 离子通过电解质膜52而移动至氧电极53，并且与电子和氧气进行反应，从而生成水并生成 二氧化碳作为副产物。因此，在燃料电池中，进行发电。此时，由于在电池本体5侧的燃料扩散层3D的表面上，从入口 IL向周缘部径向地 设置大量的槽部33，因此供应至入口 IL的液体燃料21通过毛细管现象而移动通过径向槽部33，并且在供应之后，液体燃料21瞬时在燃料扩散层3D上扩展，而无需任何专用泵等。 因此，无需像专利文献2中那样为了均勻扩散而将大量液体燃料填充到诸如无纺布的多孔 部件中。而且，在停止发电的情况下，通过停止供应燃料而快速停止汽化。因此，防止了无 用的燃料供应，并且少量的液体燃料得以有效利用。而且，在竖直放置燃料扩散层3D的情况下，液体燃料21在槽部33中克服重力而 向上移动。因此，防止了由于姿势差异造成的重力影响，并且液体燃料21均勻地供应至各 个电池单元5A 5C。另一方面，在图28所示的传统燃料电池中，在竖直放置燃料电池的情 况下，供应至燃料扩散板103的液体燃料121的扩散范围由于其自身重力而主要位于下方。此外，多孔氧化膜32设置在燃料扩散层3D的表面上。因此，移动通过槽部33的 液体燃料21从槽部33的侧面供应至多孔氧化膜32，并且由于多孔氧化膜32的大量的微 小孔，液体燃料21通过毛细管现象而均勻地扩散至宽范围。因此，液体燃料21更均勻地扩 散，并且扩散范围由于槽部33和多孔氧化膜32的协同效果而得以扩展。另外，毛细管现象是这样一种现象，S卩，在插入液体的小管、固体壁之间的窄间隙 等中，液面相对于外部自由面向上(向下)移动的现象。通过数学公式1来获得管中液面 的上升高度h。例如，在利用数学公式1计算直径为0. Imm的玻璃管中的液面基于海水面高 度的上升高度h的情况下，其结果是约28cm。然而，本实施方式的槽部33并不是管。因此， 实际计算出的槽部33中的液面的上升高度h如图19所示。两个玻璃板403A和403B的一 侧彼此接触，并且厚度为1. 2mm的间隔件403C夹在与前述一侧相对的各侧之间，以形成对 应于槽部33的具有倒三角截面的间隙433。玻璃板403A和403B设置在水槽420中，该水 槽包含对应于液体燃料21的有色水421。接着，有色水421在间隙433中向上移动。水槽 420中有色水421的液面到间隙433中最高位置的上升高度h为约6cm。[数学公式1]h = 2TCOS θ / (p gr)在该公式中，h表示液面的上升高度(m)，T表示表面张力(N/m)，θ表示接触角， P表示液体的密度(kg/m3)，g表示重力加速度(m/s2)，以及r表示管的内径(半径)(m)。 在水的情况下，表面张力T为0. 0728N/m(20°C )，接触角θ是20度，密度P是1000kg/m3， 以及重力加速度g是9. 80665m/s2。图20示出了在间隙433的尺寸改变的情况下基于数学公式1计算的有色水421 的上升高度h的结果。图20的计算结果很好地对应于图21所示的间隙433中的水面的实 际形状。从中可以发现，与槽部33对应的间隙433中的水面的上升是基于毛细管现象。因 此，即使在如图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设置在包含有色水421的水槽420中使得槽部533的延伸方向对应于重力g的方向 (如图22所示)的情况下，也可想象到，槽部533中的水面形状具有以与图19和图20所示 的间隙433中的水面形状相同的方式的毛细管现象。如上所述，在该实施方式中，在电池本体5侧的燃料扩散层3D的表面上，从入口 IL 向周缘部径向地设置大量的槽部33。因此，即使在竖直放置燃料扩散层3D的情况下，液体 燃料21也能够在槽部33中克服重力而向上移动。因此，防止了由于姿势差异造成的重力 影响，并且液体燃料21能够均勻地供应至各个电池单元5A 5C。而且，供应至入口 IL的液体燃料21通过毛细管现象而移动通过径向槽部33，并且
11在供应之后，液体燃料21能够瞬时在燃料扩散层3D上扩展，而无需任何专用泵等。因此， 无需像专利文献2中那样为了均勻扩散而利用大量液体燃料填充诸如无纺布的多孔部件。 而且，在停止发电时，通过停止供应燃料能够快速停止汽化。因此，防止了无用的燃料供给， 并且使得能够通过有效利用少量液体燃料而进行发电。特别地，由于在电池本体5侧的燃料扩散层3D的表面上形成多孔氧化膜32，所以 可能的是，通过槽33传输的液体燃料21在多孔氧化膜32中更均勻地、大范围地扩散，进而 汽化，并供应至电池本体5中的各个电池单元5A 5C。在前述第二实施方式中，已经给出了对于槽部33的宽度和截面形状在整个延伸 方向上是相同的情况的描述。然而，可以根据自入口 IL的距离而调整槽部33的宽度和截面 形状中的至少一个，以提高毛细管力。在调整宽度的情况下，必须是随着自入口 IL的距离 变大，宽度变小。这是因为如果随着自入口 IL的距离变大，宽度变大，则不能够传输液体燃 料21。例如，如图23所示，槽部633可以具有这样的结构，即，其中多个段(例如三个段) 中的宽度彼此不同的槽部633A、633B、633C按照从入口 IL侧开始的次序而联接，并且随着 自入口 IL的距离变大，槽部633A、633B、633C的宽度变小。图23仅示出了从入口 IL延伸 的大量槽部633中的一个。而且，在前述第二实施方式中，已经给出了对于槽部33没有分支的情况的描述。 然而，如图24所示，槽部633可以具有从入口 IL延伸的主槽部6331 (槽部633A)以及从主 槽部6331分支的分支槽部6332 (槽部633B1和633B2,以及槽部633C1和633C2)。在这种 情况下，分支槽部6332的宽度可以小于主槽部6331的宽度。而且，可能的是，在分支槽部 6332中，随着自入口 IL的距离变大，宽度变小。图24仅示出了从入口 IL延伸的大量槽部 633中的一个。而且，如图25所示，分支槽部6332可以分支成很多段。在这种情况下，分支槽部 6332的宽度可以小于主槽部6331的宽度。而且，可以在分支槽部6332中，随着自入口 IL 的距离变大，宽度变小。已经参照实施方式描述了本发明。然而，本发明并不限于前述实施方式，并且可以 进行各种更改。例如，在前述实施方式中，已经专门给出了燃料电池的结构的描述。然而， 燃料电池可以具有其他结构或可以由其他材料制成。例如，在前述第二实施方式中，已经给 出了对于使多孔氧化膜32与槽部33 —起形成在电池本体5侧的燃料扩散层3D的表面上 的情况的描述。然而，用于扩散液体燃料并将燃料供给至发电部的燃料扩散部在金属层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，每个元件的材料和厚 度，或者燃料电池的发电条件等并不限于前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。而且，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，而且还适用于使用除了诸如 氢的液体燃料之外的物质作为燃料的燃料电池。而且，在前述实施方式中，已经给出了电连接多个电池单元5A 5C的燃料电池的 描述。然而，本发明也适用于单个单元型燃料电池。此外，在前述实施方式中，已经给出了关于本发明适用于燃料电池以及包括燃料 电池的电子装置的情况的描述。然而，除了燃料电池之外，本发明还适用于其他电化学装置，诸如电容器、燃料传感器以及显示器。 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、笔记本尺寸的个人计算机、摄像机、便携式视频游戏播放器、便携式视频播放器、 耳机式立体声系统、和PDA (个人数字助理)。在这样的电子装置中，能够容易地实现燃料电 池的小型化。因此，同样能够容易地减小整个电子装置的尺寸，因此使得同样能够实现制造 成本的降低。
权利要求
一种燃料电池，其特征在于，包括电池本体，包括发电部；燃料箱，用于容纳液体燃料；以及燃料扩散部，在所述燃料扩散部中，在所述电池本体侧的表面上从供给来自所述燃料箱的所述液体燃料的入口向所述燃料扩散部的周缘部径向地形成槽部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，根据自所述入口的距离来调整所述 槽部的宽度和截面形状中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述槽部具有从所述入口延伸的主 槽部以及从所述主槽部分支的分支槽部。
4.一种包括燃料电池的电子装置，其特征在于，所述燃料电池包括 电池本体，包括发电部；燃料箱，用于容纳液体燃料；以及燃料扩散部，在所述燃料扩散部中，在所述电池本体侧的表面上从供给来自所述燃料 箱的所述液体燃料的入口向所述燃料扩散部的周缘部径向地形成槽部。
5.一种燃料供给方法，用于将容纳在燃料箱中的液体燃料供给发电部，其特征在于， 将所述液体燃料供给燃料扩散部的入口，在从所述入口向所述燃料扩散部的周缘部径向地形成的槽部中，通过毛细管现象移动 所述液体燃料，以及将所述移动的液体燃料汽化并供给所述发电部。
全文摘要
本发明提供了燃料电池、电子装置以及燃料供给方法，在该燃料电池中，在电池本体(5)与燃料箱(20)之间，设置燃料扩散层(3)，其中，电池本体(5)侧上的表面是多孔氧化膜(32)。而且，从燃料箱(20)供应至燃料扩散层(3)的液体燃料(21)在多孔氧化膜(32)中扩散。通过由于微小孔引起的毛细管现象，液体燃料(21)均匀地扩散至宽范围，然后汽化，并且汽化的燃料供应至电池本体(5)中的各个电池单元(5A～5C)。在燃料扩散层的位于电池本体(5)侧的表面上，从燃料供给位置朝向燃料扩散部的周缘部径向地设置槽部。
文档编号H01M8/24GK101980397SQ20101051634
公开日2011年2月23日 申请日期2007年8月7日 优先权日2006年8月11日
发明者沢上圣一 申请人:索尼株式会社