專利名稱：燃料電池及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括堆疊的發(fā)電電池的堆疊式燃料電池，及其工作方法。更具體地說，本發(fā)明涉及包括空氣供給/排出機(jī)構(gòu)的一種堆疊式燃料電池，利用該機(jī)構(gòu)，在每一個發(fā)電電池的基礎(chǔ)上，可將在空氣極上產(chǎn)生的水依次排出；另外還涉及這種燃料電池的工作方法。
背景技術(shù)：
作為使氫和氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的系統(tǒng)的燃料電池，一方面要求加強(qiáng)其功能，另一方面要求進(jìn)一步減小尺寸和重量。這種燃料電池可以成為今日主流(例如內(nèi)燃機(jī))的礦物燃料能的代用品。由于構(gòu)成燃料電池的發(fā)電電池中單個發(fā)電電池產(chǎn)生的電壓低，因此，一般設(shè)計(jì)燃料電池時，要將多個發(fā)電電池片堆疊起來，形成燃料電池，并得到所需要的電能。
一般，燃料電池包括相對于供給作為燃料氣體的氫氣和氧氣的供給管道互相平行的氣體通道；而氫氣和氧氣則通過供給氫和空氣的相應(yīng)的氣體供給管道供給。另外，僅燃料電池排出的氣體也通過相對于排出管道互相平行的氣體通道、排出至排出道道中。
圖6簡單地表示包括一個通常形式的空氣供給/排出裝置的燃料電池的結(jié)構(gòu)，并且只表示空氣供給側(cè)的簡化的結(jié)構(gòu)圖?？諝馑腿肱c空氣供給管103連接的、互相平行的氣體通道102中。另外，空氣通過氣體通道102送入發(fā)電電池101中；并且，通過每一個發(fā)電電池101的空氣，通過空氣排出管道104排出至外面。圖7為包括通常形式的空氣供給/排出裝置的燃料電池的結(jié)構(gòu)的簡圖。一般，包括通常形式的空氣供給/排出裝置的燃料電池由4種零件組成，即空氣供給管103，多個發(fā)電電池101，氣體通道102和空氣排出管104?？諝馔瑫r從空氣供給管送入每一個發(fā)電電池101中，從而可得出所要求的電能。
同時，對能源裝置很重要的是尺寸要小，性能要好，并且在使用過程中，性能的惡化受到限制。當(dāng)利用具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池作為能源裝置時，氫和氧之間的反應(yīng)生成水。水是在供給氧的空氣極上的副產(chǎn)品，因此，當(dāng)將含有氧的空氣供給至發(fā)電電池時，空氣的流動可能受阻。因此，平穩(wěn)地將空氣送入氣體通道和除去水很重要。
有這樣的情況，在連續(xù)發(fā)電的過程中，作為副產(chǎn)品，水妨礙空氣通過氣體通道的流動，因此不能穩(wěn)定地發(fā)電，也不能產(chǎn)生足夠的電能。為了穩(wěn)定地發(fā)電，需要將足夠量的空氣從空氣供給管103送入氣體通道102中。然而，當(dāng)堆疊的發(fā)電電池101的數(shù)目增加時，送至一個發(fā)電電池101的空氣的量與從空氣供給管103送出的空氣量之比減小。因此，為了可靠地排出水，必需將大量的空氣從空氣供給管103送入氣體通道102中。由于為了除去水，要將足夠量的空氣從空氣供給管103送入氣體通道102中，因此，燃料電池等的零件尺寸的增大不可避免，這樣很難生產(chǎn)尺寸小和性能好的燃料電池。
為了利用通入空氣可靠地將積蓄在氣體通道102中的水排出，如圖8所示，在氣體通道102的入口設(shè)有能根據(jù)每一個發(fā)電電池101獨(dú)立工作的閥105。閥105是分時打開和關(guān)閉的。當(dāng)通過閥105的開閉，按照每一個發(fā)電電池101供給空氣時，如果與發(fā)電電池101相應(yīng)的閥105打開，則空氣只供給一個發(fā)電電池101，并將水排出。然而，按照每一個發(fā)電電池101來配置閥105的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且零件數(shù)目增加。另外，空氣也不供給相應(yīng)于關(guān)閉的閥105的發(fā)電電池101，因此不能穩(wěn)定地發(fā)電。
另外，如圖9所示，為了恒足地供給固定量的空氣，空氣供給裝置可設(shè)有與閥105平行的旁通道路106，以便在排出水的同時，將固定量的空氣供給至所有的發(fā)電電池101。又如圖10所示，空氣供給裝置中的空氣供給管103分成二個空氣供給管系統(tǒng)103a、103b，來供給空氣。利用這些空氣供給裝置，可以恒定地將足夠量的空氣送至所有的發(fā)電電池101，并將由氫和氧結(jié)合產(chǎn)生的水從氣體通道102中排出。然而，這些空氣供給裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合實(shí)際的燃料電池使用。此外，在產(chǎn)生更多電能的情況下，氣體通道102中積存的水量增加，使空氣難以平穩(wěn)地通過氣體通道102流動，不能穩(wěn)定地發(fā)電。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是要提供一種可用結(jié)構(gòu)簡單的，能排出積存在氣體通道102中的水的空氣供給/排出裝置，將空氣供給發(fā)電電池和從發(fā)電電池排出的燃料電池。另外，還要提供這種燃料電池的工作方法。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，它包括發(fā)電電池和將空氣送至所述發(fā)電電池和從所述發(fā)電電池排出的空氣供給/排出機(jī)構(gòu)，其中，所述空氣供給/排出機(jī)構(gòu)包括一個壓力控制裝置，用于間歇式地改變送至所述發(fā)電電池和從所述發(fā)電電池排出的空氣壓力。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池中，將空氣供給至發(fā)電電池和將空氣從發(fā)電電池排出的空氣供給/排出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為，帶有螺旋形槽部分的圓柱放置在空氣供給管中。在空氣供給管的內(nèi)壁和圓柱的表面之間，形成可將固定量的空氣送至發(fā)電電池的一個間隙。當(dāng)圓柱轉(zhuǎn)動時，超過正常時送入氣體通道中的空氣量的空氣，通過該槽部分送至每一個發(fā)電電池。這樣，送入連接空氣供給管和發(fā)電電池的氣體通道中的空氣量增加，因此氣體通道內(nèi)的空氣壓力升高，可以將在發(fā)電電池內(nèi)產(chǎn)生的水排出。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池中的壓力控制裝置的結(jié)構(gòu)為，表面上帶有螺旋形槽部分的圓柱轉(zhuǎn)動，因而使在圓柱轉(zhuǎn)動周期上，送至每一個發(fā)電電池的空氣量增加，并且送至發(fā)電電池和從發(fā)電電池排出的空氣壓力可以間歇式地改變。改變空氣供給管和圓柱之間的間隙的截面積和在圓柱上形成的槽部分的截面積，可以將以固定量供給的空氣量，和在圓柱回轉(zhuǎn)周期上增加的送至每一個發(fā)電電池的空氣量，調(diào)整至所需要的水平。另外，改變使圓柱轉(zhuǎn)動的軸轉(zhuǎn)動式電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，可以改變供給至每一個發(fā)電電池的空氣量增加的周期。由于可以改變圓柱的轉(zhuǎn)動周期，因此可以根據(jù)燃料電池發(fā)電的條件，來設(shè)定最優(yōu)的工作條件。
另外，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的工作方法的特征為，當(dāng)通過一個低壓的空氣供給/排出過程，供給和排出預(yù)先確定壓力的空氣，然后通過一個高壓的空氣供給/排出過程，在比所述低壓的空氣供給/排出過程高的壓力下，供給和排出空氣時，所述燃料電池工作。在具有堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池中，互相平行的發(fā)電電池與空氣供給管連接。在通過空氣供給/排出管的空氣供給和空氣排出之間形成壓力差，可將相對于公共的空氣供給/排出管互相平行放置的發(fā)電電池內(nèi)產(chǎn)生的水清除。


圖1為表示包括根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的空氣供給/排出裝置的堆疊式燃料電池的平面結(jié)構(gòu)的平面透視圖；圖2為表示包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的空氣供給/排出裝置的堆疊式燃料電池的平面結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3為簡單地表示包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的空氣供給/排出裝置的堆疊式燃料電池結(jié)構(gòu)的簡化的結(jié)構(gòu)圖；圖4A和4B為表示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的空氣供給/排出裝置中的空氣供給管的截面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)截面圖；其中圖4A為表示在固定量的空氣供給發(fā)電電池情況下的槽部分的位置的結(jié)構(gòu)截面圖；圖4B為表示在供給發(fā)電電池的空氣量增加的情況下，槽部分的位置的結(jié)構(gòu)截面圖；圖5A～5C為表示從根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的空氣供給/排出裝置供給至發(fā)電電池的空氣量隨時間變化的空氣量時間變化圖；其中圖5A為表示供給至第一個發(fā)電電池的空氣量隨時間變化的圖；圖5B為表示供給至第二個發(fā)電電池的空氣量隨時間變化的圖；圖5C為表示供給至第n個發(fā)電電池的空氣量隨時間變化的圖。
圖6為簡單地表示空氣由空氣供給/排出裝置供給和排出的通常的堆疊式燃料電池的結(jié)構(gòu)的示意性結(jié)構(gòu)圖；圖7為簡單地表示空氣從空氣供給/排出裝置供給和排出的通常的堆疊式燃料電池的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖8為簡單地表示空氣由包括分別設(shè)在氣體通道上的閥的空氣供給/排出裝置供給的、通常的堆疊式燃料電池的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖9為簡單地表示空氣由包括與分別設(shè)在氣體通道上的閥平行的旁通管路的空氣供給/排出裝置供給的，通常的堆疊式燃料電池的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖10為簡單地表示空氣由包括分別設(shè)在氣體通道上的閥和二個空氣供給管系統(tǒng)的空氣供給/排出裝置供給的，通常的堆疊式燃料電池的結(jié)構(gòu)的簡圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，參照附圖來詳細(xì)說明包括一個空氣供給/排出機(jī)構(gòu)的燃料電池，該機(jī)構(gòu)可使空氣平穩(wěn)地通過送入空氣的氣體通道，而該燃料電池可以進(jìn)行穩(wěn)定的發(fā)電。
首先，圖1表示根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池的平面透視圖。該燃料電池由用于產(chǎn)生所需要的電力的發(fā)電電池的堆疊構(gòu)成。末端平板12放置在堆疊的發(fā)電電池101的端面上。
末端平板12的形狀為薄片狀。雖然，在本實(shí)施例中末端平板12的外形是粗略地矩形，但其形狀不是僅限于矩形，且需要粗略地與堆疊的發(fā)電電池的形狀相同即可。因此，根據(jù)發(fā)電電池的形狀，末端平板12的形狀可以為圓形、三角形或其他多邊形形狀。末端平板12帶有一個空氣供給口13，一個空氣排出口14，一個氫供給口15和一個氫排出口16。作為燃料的氫氣和空氣可以通過這些口送入和排出。順便說一下，雖然空氣和氫的供給口和排出口分別設(shè)在末端平板12的四個角上，但供給口和排出口的位置不是僅限制在末端平板12的四個角上，這些口可以設(shè)在末端平板12需要的位置上。
發(fā)電電池帶有一個氣體通道17，用于將空氣從空氣供給口13送至氧在其中起反應(yīng)的發(fā)電電池101的反應(yīng)區(qū)域中。氣體通道17與空氣排出口14連通，空氣可通過氣體通道17送入和在反應(yīng)后通過該通道排出。在根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池中，空氣送至每一個發(fā)電電池101和從每一個發(fā)電電池101排出空氣，是通過公共的空氣供給口13和公共的空氣排出口14進(jìn)行的。另外，為了高效率地發(fā)電，氣體通道的形狀和截面積是根據(jù)所要求的發(fā)電能力設(shè)計(jì)的。氣體通道17可以作在構(gòu)成發(fā)電電池101的隔離器27的一個側(cè)面上，這點(diǎn)將在后面說明。另外，為了容易理解氣體通道17的形狀，圖1表示通過末端平板12所取的平面透視圖。還可以與空氣通過的氣體通道17相同，根據(jù)所要求的發(fā)電能力來設(shè)計(jì)在末端平板12上，在氧供給口15和氫排出口16之間延伸的氣體通道18(沒有示出)。
圖2表示作為通過堆疊發(fā)電電池101構(gòu)成的燃料電池的結(jié)構(gòu)圖的截面結(jié)構(gòu)圖。順便指出，圖2為表示通過堆疊發(fā)電電池101構(gòu)成的燃料電池的一部分的截面結(jié)構(gòu)圖。發(fā)電電池101的結(jié)構(gòu)為將隔離器21，氫擴(kuò)散層22，幫助氫轉(zhuǎn)換為氫離子的催化劑薄膜23和作為帶正極性電荷的氫離子通過的電解質(zhì)的固態(tài)聚合物薄膜24堆疊起來；再將在固態(tài)聚合物薄膜24的相反一側(cè)形成的催化劑薄膜25，氧擴(kuò)散層26和隔離器27堆疊和連接起來。將多個這種單個的發(fā)電電池101堆疊起來就構(gòu)成燃料電池。在這種情況下，由氫擴(kuò)散層22和催化劑薄膜23互相連接構(gòu)成的部分組成一個燃料極28；而由氧擴(kuò)散層26和催化劑薄膜23互相連接構(gòu)成的部分組成一個空氣極29。
隔離器21上作出氣體通道18，該通道是從氫供給口送出的氫氣的通道。雖然，在本實(shí)施例，氣體通道18的截面形狀為矩形，但其形狀不是僅限于矩形，可以為不是矩形的半圓形或其他多邊形形狀。另外，隔離器21為用于分隔每一個發(fā)電電池的一塊分隔板，它起到當(dāng)堆疊發(fā)電電池時，防止氫和空氣互相混合的作為。另外，隔離器21還起到電子導(dǎo)體的作用，用于將相鄰的發(fā)電電池107串聯(lián)起來。制造隔離器21的材料的電子導(dǎo)電性好，并且具有高的氣密性，以防止氫和空氣互相混合。另外，在隔離器21的背面，形成一個用于將空氣送往相鄰的發(fā)電電池101的梳子形氣體通道。
氣體通道18應(yīng)能將氫氣送至由氫擴(kuò)散層22和催化劑薄膜23組成的燃料極28的平的表面上。為了得到高的發(fā)電效率，氣體通道18應(yīng)能將氫氣有效地送至燃料極28的整個表面上。例如，當(dāng)在與燃料極28連接的隔離器21的表面上作出梳子形通道的，則可保證燃料極28與氫氣的接觸面積大，因此可以有效地發(fā)電。另外，當(dāng)氣體通道18的寬度小，和排列成梳子形的氣體通道18的重復(fù)間距小時，則可以進(jìn)一步增大氫氣和燃料極28之間的接觸面積，使發(fā)電的效更高。例如，在本實(shí)施例的情況下，氣體通道18的寬度或深度大約為0.8mm。
為了有效地將氫氣轉(zhuǎn)換成氫離子，燃料極28由堆疊氫擴(kuò)散層22和催化劑薄膜23構(gòu)成。氫擴(kuò)散層22的材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)使氫氣可以容易地透過，達(dá)到催化劑薄膜23。例如，作為氫擴(kuò)散層22，可以使用帶有小孔的多孔的碳薄膜，使氫氣容易透過。另外，催化劑薄膜23可以通過在固態(tài)聚合物薄膜24的一個側(cè)表面上，均勻地形成具有催化作用的金屬(例如Pt)的薄膜來形成。為了形成燃料極28，可將氫擴(kuò)散層22和帶有催化劑薄膜23的固態(tài)聚合物薄膜24互相堆疊和互相連接起來。另一種方案是，可以預(yù)先在氫擴(kuò)散層22上形成催化劑薄膜23，以形成燃料極28；然后將燃料極28和固態(tài)聚合物薄膜24互相堆疊起來。
固態(tài)聚合物薄膜24用于使氫離子從燃料極28運(yùn)動至空氣極29。在本實(shí)施例的情況下，為了減小由堆疊發(fā)電電池101構(gòu)成的燃料電池的尺寸。發(fā)電電池101的厚度大約為1～2mm。在這種情況下，固態(tài)聚合物薄膜24的厚度大約為幾十微米(μm)。由于在將氫氣供給至燃料極28和將空氣供給至空氣極29時，氣體壓力之間的不同，因此分別作用在固態(tài)聚合物薄膜24的二個側(cè)面上的壓力之間有差別，從而在固態(tài)聚合物薄膜24上有負(fù)荷作用。固態(tài)聚合物薄膜24的強(qiáng)度足以承受分別在其二個側(cè)面上作用的壓力之間的壓力差。因此，使用固態(tài)聚合物薄膜24的燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是，容易控制或升高氫氣和空氣的氣體壓力。作為固態(tài)聚合物薄膜24的材料，例如可以使用具有氫離子導(dǎo)電性的以氟樹脂為基礎(chǔ)的磺酸薄膜。
空氣極29是通過氧擴(kuò)散薄膜26和催化劑薄膜25互相堆疊形成的。氧擴(kuò)散層26的材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)使空氣中所含的氧能容易透過。例如，作為氧擴(kuò)散層26，可以使用帶有小孔的多孔的碳薄膜，使氧容易透過。另外，催化劑薄膜25可以通過在固態(tài)聚合物薄膜24上，均勻地形成具有催化作用的金屬(例如Pt)的薄膜而形成。當(dāng)氧擴(kuò)散層26和帶有催化劑薄膜25的固態(tài)聚合物薄膜24互相堆疊和互相連接時，可以形成空氣極29。另一種方案是，可以預(yù)先在氧擴(kuò)散層26上形成催化劑薄膜25，以形成空氣極29。
隔離器27上作出氣體通道17，該通道為從空氣供給口13送出的空氣的通道。雖然，在本實(shí)施例中，氣體通道17的截面形狀為矩形，但其形狀不是僅限于矩形，可以為不是矩形的圓形或其他多邊形形狀。氣體通道17應(yīng)能有效地將空氣供給至氧擴(kuò)散層26和催化劑薄膜25的整個表面。另外，當(dāng)氧擴(kuò)散層28和催化劑薄膜25互相連接時，它們構(gòu)成空氣極29。為了有效地將空氣送至空氣極29，氣體通道17的寬度較小，并且排列成梳子形的氣體通道17的重復(fù)間距小。例如，在本實(shí)施例中，氣體通道17的寬度大約為0.8mm。
末端平板12與由發(fā)電電池101堆疊構(gòu)成的發(fā)電電池101的堆疊體一側(cè)上的端面連接，以構(gòu)成燃料電池。在堆疊的發(fā)電電池101的隔離器21、27的背面，還作出氣體通道，用于將空氣和氫氣分別送至相鄰的發(fā)電電池。另外，由于隔離器21、27有氣密性，使空氣和氫難以透過，并且還有電子導(dǎo)電性，因此，發(fā)電電池101的堆疊使發(fā)電電池101互相串聯(lián)連接。雖然，每一片發(fā)電電池101產(chǎn)生的電壓不大于1V，但多個發(fā)電電池101串聯(lián)可在燃料電池的基礎(chǔ)上，整體地向外部輸出高電壓。另外，用于將電能取出至外部電路的電流收集器與堆疊的發(fā)電電池101的兩端連接。
圖3表示在根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池中使用的空氣供給/排出機(jī)構(gòu)。用于供給含氧空氣的空氣供給管35為圓筒形狀。用于將空氣送入空氣供給管35中的空氣供給泵31，與空氣供給管35一側(cè)的末端部分連接?？諝夤┙o管35的另一側(cè)的末端部分密封，并在其中心設(shè)有一個插入口34，用于插入回轉(zhuǎn)軸33。回轉(zhuǎn)軸33插入插入口34中，使送至空氣供給管35中的空氣不泄漏。回轉(zhuǎn)軸33與放置在空氣供給管35外面的一個軸轉(zhuǎn)動的電機(jī)32連接，并由該軸轉(zhuǎn)動的電機(jī)32產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力帶動轉(zhuǎn)動。
在空氣供給管35的內(nèi)面，放置一個圓柱36，用于斷開和控制在空氣供給管35中的一部分空氣流動，以控制供給至發(fā)電電池101的空氣量和壓力。空氣供給管35的截面形狀為圓形，空氣從空氣供給泵31通過空氣供給口13送入空氣供給管35中?？諝夤┙o管35帶有將空氣送入發(fā)電電池101的供給口38。供給口38的間隔與發(fā)電電池101的間隔相同，所有的供給口38具有同樣的形狀和尺寸。雖然，在本實(shí)施例中，供給口38是圓形的，并且供給口38具有相同的形狀和尺寸，但供給口38的形狀不是僅限于圓形，可以為矩形、三角形和其他多邊形形狀中的任何一種形狀。
放置在空氣供給管35內(nèi)面的圓柱36，由軸轉(zhuǎn)動的電機(jī)32的回轉(zhuǎn)力，通過四轉(zhuǎn)軸33，圍繞著與其縱向平行的軸所轉(zhuǎn)動。圓柱36的表面上作有槽部分37，可以有選擇地調(diào)節(jié)送入發(fā)電電池101中的空氣量和壓力。槽部分37沿著圓柱36的縱向方向作成螺旋形，并且在圓柱36的整個體上，從一端至另一端作出。圓柱36的截面直徑比空氣供給管35的截面直徑略小，因此，圓柱36可以在空氣供給管35內(nèi)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動。
供給口38與將空氣送入發(fā)電電池101的氣體通道17連接，從空氣供給泵31送出的空氣則通過空氣供給管35流動，再通過供給口38送入氣體通道17中。送入氣體通道17中的空氣，通過梳子形的氣體通道17，與氧擴(kuò)散層26的表面接觸。由于氧擴(kuò)散層26為多孔的，氧容易透過。氧可以透過至氧擴(kuò)散層26的背面，同時在氧擴(kuò)散層26的整個體上擴(kuò)散。氧透過氧擴(kuò)散層26，達(dá)到帶有催化劑薄膜25的固態(tài)聚合物薄膜24的表面附近。在這種情況下，由于氣體通道17具有梳子形通路，氧容易擴(kuò)散至氧擴(kuò)散層26的整個體上，并能有效地進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
另一方面，空氣送入發(fā)電電池101，從氫供給口15送出的氫氣進(jìn)入氣體通道18，使氫氣可以固定流至通過氫供給管(沒有示出)進(jìn)入發(fā)電電池101中。送入作成梳子形狀的氣體通道18中的氫氣，擴(kuò)散進(jìn)入氫擴(kuò)散層22中，達(dá)到與氫擴(kuò)散層22的背面連接的催化劑薄膜23。在這種情況下，由于氣體通道18作成梳子形狀，氫可有效地?cái)U(kuò)散進(jìn)入氫擴(kuò)散層22中，如同氧有效地?cái)U(kuò)散進(jìn)入氧擴(kuò)散層26中一樣，從而達(dá)到催化劑薄膜23的整個表面。達(dá)到催化劑薄膜23的氫氣轉(zhuǎn)換為氫離子，氫離子通過固態(tài)聚合物薄膜24，并與氧結(jié)合，在由催化劑薄膜23和氧擴(kuò)散層26構(gòu)成的空氣極29上形成水。
含有消耗的氧的空氣和在氫離子與氧結(jié)合產(chǎn)生的水通過氣體通道17流動，并通過與氣體通道17連接的排出口40，排出至空氣排出管41中?？諝馀懦龉?1為圓筒形形狀，其一端氣密地密封，而在空氣排出管41的另一端的空氣排出口14打開。使用過的空氣和在發(fā)電時形成的水排出至空氣排出管41中，再通過空氣排出口14排出至燃料電池的外面。在這種情況下，如果送入氣體通道17中的空氣壓力低，則水可能排不出去。特別是，當(dāng)發(fā)電量增加和氫與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)時，反應(yīng)產(chǎn)生的水的量增加，并且，增加的水量可以堵塞氣體通道17。在希望通過減小燃料電池的尺寸和提高發(fā)電效率來達(dá)到較高性能時，減小氣體通道17的截面積，和減小氣體通道17的梳子形狀的重復(fù)間距很重要，以便增大與空氣極29接觸的空氣量。在這種情況下，如果水不能平穩(wěn)地從氣體通道17排出，則含氧的空氣不能送至空氣極29，不能進(jìn)行所需要的發(fā)電。
圖4A和4B為表示空氣供給管35的截面的結(jié)構(gòu)截面圖。直徑比空氣供給管35的截面直徑小的圓柱35的中心軸線，與空氣供給管35的中心軸線重合。從空氣供給泵31，以均勻的量和壓力送出的空氣，沿著圓柱36和空氣供給管35的縱向，流過寬度均勻的間隔40，并通過供給口38送入氣體通道17中。
在這種情況下，圓柱36以回轉(zhuǎn)軸33為中心，在箭頭所示方向，由回轉(zhuǎn)軸33，利用軸轉(zhuǎn)動電機(jī)32產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)動。圓柱36的表面沿著其軸向帶有槽部分37。如圖4A所示，當(dāng)圓柱36轉(zhuǎn)動時，槽部分37在箭頭方向轉(zhuǎn)動。雖然在本實(shí)施例中，槽部分37的截面形狀為柜形，但其形狀可以為半圓形或其他多邊形形狀。沿著圓柱軸向的螺旋形槽部分37的形狀與圓柱36的任何截面形狀相同，并且在圓柱36的表面上的槽部分37面向所有的供給口38。
當(dāng)圓柱36轉(zhuǎn)動時，槽部分37面向供給口38，如圖4B所示那樣。在這種情況下，當(dāng)槽部分37面向供給口38時形成的間隙43的截面積，比在圓柱36表面和空氣供給管35的內(nèi)壁之間的間隙42大。由于在圓柱36的末端，通過槽部分37送入間隙43中的空氣量，比送入間隙42中的空氣量大，因此與槽部分37不面向供給口38時比較，送入供給口38的空氣量較大。由于當(dāng)槽部分37面向供給口38時，空氣通過供給口38流入氣體通道17中，因此流入的空氣量大，又由于氣體通道17的截面積恒定，因此氣體通道17內(nèi)的空氣壓力，比從間隙42送出的空氣壓力大。利用在較高空氣壓力下送入的空氣，將為了把空氣送至空氣極29而積存在氣體通道17中的水排出至空氣排出管41中。在這種情況下，由于圓柱36的表面，沿著其軸線作出螺旋形的槽部分37，較高壓力的空氣依次流入單個氣體通道17中，從而依次將積存在氣體通道17中的水排出至空氣排出管41中。由于固定量的空氣送入氣體通道17中，同時依次將積存在氣體通道17中的水排出，因此壓力比在氣體通道中，與排出水相應(yīng)的空氣壓力低的固定量的空氣，恒定不變地供給不與水的排出相應(yīng)的發(fā)電電池101，進(jìn)行穩(wěn)定的發(fā)電。
圖5A～5C表示送入相應(yīng)的氣體通道17中的空氣量隨時間變化的氣體流量圖形。由于作在圓柱36上，用于保持從空氣供給泵31送出的空氣量固定不變的槽部分37作成螺旋形，則當(dāng)圓柱36轉(zhuǎn)動時，槽部分37面向單個供給口38的時間錯開一個固定的時間差。所有發(fā)電電池101總是供給一個通過不帶有槽部分37的圓柱36的表面部分和空氣供給管35的內(nèi)壁之間的間隙42送入的固定空氣量51。
圖5A為表示送至第一個發(fā)電電池的空氣量隨時間變化的圖。當(dāng)槽部分37面向供給口38時，除了經(jīng)常供給的空氣量51以外，空氣增量52供給至供給口38。空氣增量52可根據(jù)槽部分37的截面積大小調(diào)節(jié)。例如，通過使槽部分37的寬度增大，和使槽部分37的深度加大，可以增加流過槽部分37的空氣量，從而當(dāng)槽部分37面向供給口38時，流入供給口38的空氣量可增大，并且，氣體通道17內(nèi)的空氣壓力可升高。當(dāng)圓柱36進(jìn)一步轉(zhuǎn)動時，槽部分37面向供給口38，將空氣送入第二個發(fā)電電池中。如圖5B所示，與送入氣體通道17的空氣的固定量51比較，送入氣體通道17中的空氣量增加一個增量52。這時，為了將空氣送入第二個發(fā)電電池101中，氣體通道17內(nèi)的空氣壓力升高。這樣，槽部分37依次處在面向供給口38的位置，將空氣分別送入發(fā)電電池101中，和依次將積存在氣體通道17中的水排出一個送至第n個發(fā)電電池101的空氣增量52，如圖5C所示。通過使帶有螺旋形的槽部分37的圓柱36轉(zhuǎn)動，可將高壓空氣依次送入氣體通道17中，從而將積存在氣體通道17中的水排出。例如，當(dāng)將槽部分37的寬度和深度作成使空氣增量52不小于空氣量51的二倍時，則可以滿意地將積存在氣體通道17中的水排出。在這種情況下，空氣量51恒定地送至放在使槽部分37不面向供給口38的發(fā)電電池101中，因此可以穩(wěn)定地發(fā)電。
另外，改變轉(zhuǎn)動圓柱36的軸轉(zhuǎn)動的電機(jī)32的轉(zhuǎn)數(shù)，可以改變增加送入空氣量的周期。例如對于回轉(zhuǎn)周期53，可以設(shè)定軸轉(zhuǎn)動的電機(jī)32的轉(zhuǎn)數(shù)，使送入的空氣量在根據(jù)工作條件(例如燃料電池的發(fā)電能力、溫度等)的相應(yīng)周期上增加。
另外，除了調(diào)節(jié)送入發(fā)電電池101中的空氣量的圓柱36的結(jié)構(gòu)放置在空氣供給管35中以外，還可以放置調(diào)節(jié)排出至空氣排出管41中的空氣量的圓柱，因此同樣可以調(diào)節(jié)氣體通道17內(nèi)的空氣壓力和排出積存在氣體通道17中的水。利用將表面帶有螺旋形槽部分的圓柱的結(jié)構(gòu)插入空氣供給管35和空氣排出管41中，以便在供給和排出空氣時調(diào)節(jié)空氣壓力，與只將帶有槽部分37的圓柱36插入空氣供給管35中，調(diào)節(jié)所供給的空氣量的情況比較，可以更有效地排出水和連續(xù)地更穩(wěn)定地發(fā)電。
利用帶有螺旋形的槽部分的圓柱，在向與空氣供給/排出管互相平行的連接的發(fā)電電池供給空氣時，在空氣供給/排出管中轉(zhuǎn)動的方法，可以調(diào)節(jié)送至發(fā)電電池上的空氣壓力，并可以有效地排出在作為將空氣送至發(fā)電電池的通道的氣體通道中所積存的水。
另外，由于不但可以排出在氣體通道中的水，而且還可以經(jīng)常地將固定量的空氣送至發(fā)電電池中，因此可以連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。另外，由于作為發(fā)電副產(chǎn)品的水可以利用簡單的空氣供給/排出機(jī)構(gòu)排出，因此可以制造尺寸小和性能好的燃料電池。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，它包括發(fā)電電池和將空氣送至所述發(fā)電電池和從所述發(fā)電電池排出的空氣供給/排出機(jī)構(gòu)，其特征為，所述空氣供給/排出機(jī)構(gòu)包括一個壓力控制裝置，用于間歇式地改變送至所述發(fā)電電池和從所述發(fā)電電池排出的空氣壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，它包括多個所述的發(fā)電電池，所述壓力控制裝置具有在每一個所述發(fā)電電池的基礎(chǔ)上，改變送入每一個所述發(fā)電電池和從每一個所述發(fā)電電池排出的空氣壓力的功能。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征為，在所述空氣供給/排出機(jī)構(gòu)中的空氣流量粗略地為常數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征為，所述空氣供給/排出機(jī)構(gòu)包括一個空氣供給部分，用于將空氣送至所述的發(fā)電電池；和一個空氣排出部分，用于從所述發(fā)電電池排出空氣。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池，其特征為，所述空氣供給部分和所述空氣排出部分中的每一個部分都有一個圓筒形空間。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征為，所述壓力控制裝置由一個屏蔽空氣的圓柱屏蔽體和作在所述圓柱屏蔽體上的槽部分組成。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征為，所述槽部分為作在所述圓柱屏蔽體表面上的螺旋形槽部分。
8.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征為，所述圓柱屏蔽體轉(zhuǎn)動，從而將壓力間歇式地控制的空氣送至所述發(fā)電電池和從所述發(fā)電電池排出。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征為，在所述發(fā)電電池中產(chǎn)生的水由所述壓力控制裝置排出。
10.一種下列形式的燃料電池的工作方法，在該形式的所述燃料電池中，通過將空氣送至發(fā)電電池和從發(fā)電電池排出而得到電動力，其特征為，所述燃料電池這樣工作，通過一個低壓的空氣供給/排出過程，供給和排出預(yù)先確定壓力的空氣，然后通過一個高壓的空氣供給/排出過程，在比所述低壓的空氣供給/排出過程高的壓力下，供給和排出空氣，間歇改變送至發(fā)電電池和從發(fā)電電池排出的空氣的壓力。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種燃料電池，它可以利用結(jié)構(gòu)簡單的、可以簡單的結(jié)構(gòu)清除積存在氣體通道中的水的空氣供給/排出機(jī)構(gòu)，將空氣送至發(fā)電電池和從發(fā)電電池排出而連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。燃料電池的結(jié)構(gòu)是，帶有螺旋形槽部分和放在空氣供給/排出管中的圓柱轉(zhuǎn)動，從而可以依次增加每一個發(fā)電電池上的供給空氣的量，和依次升高空氣壓力，以除去水。在這種情況下，給每一個發(fā)電電池經(jīng)常供給不小于一個固定量的空氣，可以做到穩(wěn)定發(fā)電。
文檔編號H01M8/04GK1465112SQ02802666
公開日2003年12月31日 申請日期2002年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月16日
發(fā)明者金井千明 申請人:索尼公司