專利名稱：燃料電池及發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將氫氣和含氧氣體向單元電池供給(包括自然供給)而進(jìn)行發(fā)電的燃料電池及發(fā)電方法，特別是對于便攜式機(jī)器來說有用的技術(shù)。另外，本發(fā)明涉及用于使用燃料電池向移動(dòng)個(gè)人電腦、PDA等便攜式電子機(jī)器供給電源的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，更具體來說，涉及將在與水等反應(yīng)液的反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣作為燃料向燃料電池供給的方式的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
使用了聚合物電解質(zhì)之類的固體高分子電解質(zhì)的高分子型燃料電池由于具有高能量轉(zhuǎn)換效率、薄型小型、輕量，因此面向家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)或汽車的開發(fā)十分活躍。作為該燃料電池的以往技術(shù)的構(gòu)造，已知有圖17所示的構(gòu)造(例如參照非專利文獻(xiàn)1)。
即，如圖17所示，夾隔固體高分子電解質(zhì)膜100配設(shè)陽極101和陰極102。另外，隔著襯墊103由一對隔膜104夾持而構(gòu)成單元電池105。在各個(gè)隔膜104中形成有氣體流路槽，利用與陽極101的接觸，形成還原氣體(例如氫氣)的流路，利用與陰極102的接觸，形成氧化氣體(例如氧氣)的流路。各個(gè)氣體在流過單元電池105內(nèi)的各流路的同時(shí)，利用擔(dān)載于陽極101或陰極102的內(nèi)部的催化劑的作用而用于電極反應(yīng)(電極中的化學(xué)反應(yīng))，導(dǎo)致電流的產(chǎn)生和離子傳導(dǎo)。
將該單元電池105層疊多個(gè)，將單元電池105彼此之間電串聯(lián)連接而構(gòu)成燃料電池N，電極106可以從層疊的兩端單元電池105中取出。此種燃料電池N因清潔并且高效率的特征，作為各種用途，特別是作為電動(dòng)汽車用電源或家用分散型電源而受到關(guān)注。
另一方面，伴隨著近年來的IT技術(shù)的活躍化，有頻繁地使用移動(dòng)電話、筆記本個(gè)人電腦、數(shù)字照相機(jī)等移動(dòng)式機(jī)器的傾向，它們的電源基本上都使用鋰離子二次電池。但是，伴隨著移動(dòng)式機(jī)器的高功能化，耗電也不斷增大，作為其電源使用清潔且高效率的燃料電池受到關(guān)注。
由此，作為能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化的燃料電池，提出了如下構(gòu)造的燃料電池(例如參照專利文獻(xiàn)1)，即，具備固體高分子電解質(zhì)膜/電極接合體、形成了氧化劑氣體的流路的陰極側(cè)金屬板、形成了燃料氣體的流路的陽極側(cè)金屬板，在將兩側(cè)的金屬板的周緣用固定銷緊固的同時(shí)，在其內(nèi)側(cè)周圍夾設(shè)氣密襯墊而密封。
但是，上述的燃料電池都形成如下的構(gòu)造，即，在供給了氫氣等燃料氣體后，其50～80％被反應(yīng)消耗，剩余的燃料氣體被從最末段的單元電池中排出。由此，在作為燃料使用氫氣的情況下，由于氫氣的排出量變多，產(chǎn)生其排出氣體處理或氣體排放的問題，因此從成本或裝置尺寸等觀點(diǎn)考慮，不適于便攜式機(jī)器用途。
另一方面，在下述的專利文獻(xiàn)2中，公開有如下的燃料電池系統(tǒng)，即，在將純氫氣向單元電池的陽極側(cè)供給而進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)，檢測陽極側(cè)的雜質(zhì)氣體的濃度，在其濃度為一定值以上的情況下，從陽極側(cè)將氣體清除(排出)。
但是，該燃料電池系統(tǒng)中，由于使用一般的燃料電池單元，因此例如當(dāng)來自陽極側(cè)的排出氣體中的雜質(zhì)氣體的濃度達(dá)到50％以上時(shí)，則發(fā)電效率就會(huì)小于50％，從而有無法用于通常的電力供給的用途的問題。另外，即使將排出氣體中的氫氣的濃度降低為小于50％，由于清除氣體的排出量變多，因此會(huì)有所排出的氫氣的絕對量變多的問題。
另外，上述的燃料電池系統(tǒng)中，濃度的檢測或基于它的清除控制使得裝置構(gòu)成復(fù)雜且成本變高，從而難以應(yīng)用于便攜式機(jī)器用的小型、輕量的燃料電池中。而且，在不將氫氣從單元電池中排出，而全部在單元電池中消耗的方法中，在單元電池內(nèi)的氫氣流路中雜質(zhì)氣體被濃縮，從發(fā)電開始起短時(shí)間內(nèi)電池輸出降低。
但是，在下述的專利文獻(xiàn)3中，作為利用與水的反應(yīng)生成氫的氫發(fā)生裝置，公開有將鐵等金屬收容于反應(yīng)容器中并向其中供給水而使之反應(yīng)的氫發(fā)生裝置(例如，作為金屬使用了鐵時(shí)的反應(yīng)式可以表示為3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2)。該裝置中，可以將收容了金屬的反應(yīng)容器拆裝，從而能夠另行以氫氣等進(jìn)行金屬的加熱、還原。
但是，該氫發(fā)生裝置是以供給基本上一定量的氫氣為目的的裝置，而不是考慮了氫氣的消耗量的變動(dòng)的發(fā)明。所以，當(dāng)將該氫發(fā)生裝置應(yīng)用于便攜式電子機(jī)器中時(shí)，在電力的消耗量減少的情況下，就會(huì)產(chǎn)生多余的氫氣，從而產(chǎn)生其排出氣體處理或發(fā)電效率的降低的問題。另外，能夠裝入便攜式電子機(jī)器的被小型、薄型化了的燃料電池一般來說耐壓性能低，容易因過剩的氫氣產(chǎn)生由壓力上升造成的電池破損的問題。由此，由于無法形成將燃料電池的陽極側(cè)封閉了的系統(tǒng)，而成為氫氣的流通方式，因此排出氣體處理或發(fā)電效率的降低的問題就變得十分明顯。
另外，作為考慮了氫氣等燃料氣體的消耗量的變動(dòng)的燃料電池系統(tǒng)，提出了如下的燃料電池系統(tǒng)(例如參照專利文獻(xiàn)4)，即，因伴隨著燃料氣體(反應(yīng)氣體)的消耗，貯藏燃料氣體的氣體貯藏部的內(nèi)壓降低，從而將液體貯藏部的反應(yīng)溶液向進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)部移動(dòng)。該系統(tǒng)中，在燃料氣體的消耗量減少而氣體貯藏部的內(nèi)壓上升的情況下，也可以實(shí)行停止將反應(yīng)溶液向反應(yīng)部移動(dòng)的控制。
但是，由于相對于反應(yīng)溶液的供給來說，在由反應(yīng)造成的燃料氣體的產(chǎn)生中通常來說有時(shí)間延遲，因此對于該系統(tǒng)的情況，即使停止反應(yīng)溶液的移動(dòng)，氣體貯藏部的內(nèi)壓繼續(xù)上升的情況也很多。這樣，特別是對于便攜式機(jī)器用途的情況，由于燃料電池的耐壓性能低，因此會(huì)有產(chǎn)生電池破損的問題的情況。另外，由于在上述系統(tǒng)中不從燃料電池的陽極側(cè)進(jìn)行氣體的排出，因此在陽極側(cè)雜質(zhì)氣體被濃縮，從而形成容易導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電效率的降低的構(gòu)造。
非專利文獻(xiàn)1日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」發(fā)行日2001年6月29日、發(fā)行人日経BP社、第三章PEFC、3.1原理と特徵p46(日經(jīng)機(jī)械增刊「燃料電池開發(fā)最前線」發(fā)行日2001年6月29日，發(fā)行人日經(jīng)BP公司，第三章PEFC，3.1原理與特征p46)專利文獻(xiàn)1日本特開平8-162145號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開2003-243020號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本特開2004-149394號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4日本特開2004-281384號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容所以，本發(fā)明的目的在于，提供一種燃料電池以及提供使用了它的發(fā)電方法，該燃料電池不需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)，氫氣的排出量變少，難以產(chǎn)生排出氣體處理或氣體排放的問題，而且可以穩(wěn)定并且持續(xù)有效地進(jìn)行發(fā)電。
另外，本發(fā)明的另一目的在于，提供一種燃料電池，其可以對每個(gè)單元電池可靠地進(jìn)行密封，由此能夠?qū)崿F(xiàn)薄型化，維護(hù)也變得容易，而且利用對各個(gè)單元電池的壓力控制，可以獲得高發(fā)電效率。
另外，本發(fā)明的其他目的在于，提供一種便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其可以對應(yīng)于便攜式機(jī)器用的耐壓性能低的燃料電池，難以產(chǎn)生由雜質(zhì)氣體的濃縮造成的發(fā)電效率的降低。
本發(fā)明人等為了實(shí)現(xiàn)上述目的進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使用陽極側(cè)的氫氣流路部的流路截面積足夠小的單元電池，在相對于向其供給的氫氣來說排出0.02～4體積％的氣體的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，就可以穩(wěn)定并且持續(xù)有效地進(jìn)行發(fā)電，從而完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明的燃料電池具備單個(gè)或多個(gè)單元電池，該單元電池由板狀的固體高分子電解質(zhì)、配置于該固體高分子電解質(zhì)的一側(cè)的陰極側(cè)電極板、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板、向所述陰極側(cè)電極板供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向所述陽極側(cè)電極板供給氫氣的氫氣流路部形成，其特征是，對于成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，將所述氫氣流路部的流路截面積設(shè)為所述陽極側(cè)電極板的面積的1％以下，并且在所述氫氣流路部的排出口，設(shè)有將相對于向單元電池供給的氫氣來說為0.02～4體積％的氣體排出的排出控制機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，由于使用氫氣流路部的流路截面積相對于電極面積來說足夠小的單元電池，因此氫氣供給的線速度變大，在以固體高分子電解質(zhì)的大致全部將氫氣消耗之時(shí)，由于雜質(zhì)氣體不會(huì)向上游側(cè)擴(kuò)散，而在下游側(cè)濃縮，因此僅利用排出控制機(jī)構(gòu)將微量的氣體排出，就可以防止雜質(zhì)氣體向單元電池內(nèi)的蓄積。此時(shí)，由于僅在排出控制機(jī)構(gòu)的附近雜質(zhì)氣體的濃度變高，因此在以單元電池整體來看的情況下，因?yàn)榛旧喜淮嬖陔s質(zhì)氣體，所以就可以將發(fā)電效率維持得較高。其結(jié)果是，由于不需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)，可以穩(wěn)定并且持續(xù)有效地進(jìn)行發(fā)電，氫氣的排出量少，所以就難以產(chǎn)生排出氣體處理或氣體排放的問題，成為對于便攜式機(jī)器用途來說特別有利的燃料電池。
上述說明中，優(yōu)選所述排出控制機(jī)構(gòu)為以使一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以下的方式將氣體排出的壓力控制閥。氫氣多被以大致一定量過剩地向單元電池供給，利用此種壓力控制閥，當(dāng)壓力達(dá)到一定值以上時(shí)，就可以將氣體的一部分排出，從而容易將其調(diào)整為相對于所供給的氫氣來說為0.02～4體積％的排出量。此種壓力控制閥還可以實(shí)現(xiàn)小型化，通過使用它能夠形成對于便攜式機(jī)器用途來說有利的燃料電池。
即，本發(fā)明的其他的燃料電池具備板狀的固體高分子電解質(zhì)、配置于該固體高分子電解質(zhì)的一側(cè)的陰極側(cè)電極板、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板、配置于所述陰極側(cè)電極板的表面而可以實(shí)現(xiàn)氣體向內(nèi)面?zhèn)鹊牧魍ǖ年帢O側(cè)金屬板、配置于所述陽極側(cè)電極板的表面而可以實(shí)現(xiàn)燃料向內(nèi)面?zhèn)鹊牧魍ǖ年枠O側(cè)金屬板，其特征是，將所述兩側(cè)的金屬板的周緣以電絕緣的狀態(tài)利用壓彎機(jī)進(jìn)行密封，并且所述陽極側(cè)金屬板具有燃料的注入口和排出口，在其排出口設(shè)置了將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為規(guī)定值的壓力控制閥。
根據(jù)本發(fā)明的其他的燃料電池，因陰極側(cè)金屬板可以實(shí)現(xiàn)氣體向陰極側(cè)電極板的流通，陽極側(cè)金屬板可以實(shí)現(xiàn)燃料向陽極側(cè)金屬板的流通，從而可以在各個(gè)電極板中產(chǎn)生電極反應(yīng)，可以從金屬板中取出電流。另外，由于將金屬板的周緣在電絕緣的狀態(tài)下利用壓彎機(jī)進(jìn)行密封，因此可以在防止兩者的短路的同時(shí)，不太增加厚度地對每個(gè)單元電池可靠地進(jìn)行密封。這樣維護(hù)也會(huì)變得容易，而且由于與圖7所示的以往構(gòu)造相比，對電池單元構(gòu)件不要求剛性，因此可以將各單元電池大幅度地薄型化。此時(shí)，當(dāng)像本發(fā)明那樣為了實(shí)現(xiàn)薄型化而形成使用了金屬板的獨(dú)立的電池單元時(shí)，由于如果內(nèi)部壓力變得過高，則會(huì)產(chǎn)生來自密封部的泄漏，或因金屬板的變形而與電極板的接觸不充分，所以設(shè)置壓力控制閥將是有效的做法。另外，通過在燃料的排出口設(shè)置壓力控制閥，則僅從注入口供給一定量以上的燃料，就可以將內(nèi)部壓力控制為大致一定的壓力，可以利用加壓提高發(fā)電效率。
上述發(fā)明中，優(yōu)選所述壓力控制閥具備將閥體向閥座推靠的推靠機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)該推靠機(jī)構(gòu)的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、具有閥座而收容閥體的閥座空間、連通至該閥座空間并可以利用閥體封鎖的導(dǎo)入流路、從閥座空間向外部連通的排出流路。
根據(jù)該壓力控制閥，由于當(dāng)燃料氣體對將導(dǎo)入流路封鎖的閥體的壓力達(dá)到一定值以上時(shí)，就會(huì)反抗推靠機(jī)構(gòu)的推靠力而在閥體與閥座之間產(chǎn)生間隙，燃料氣體經(jīng)由閥座空間和排出流路而被向外部排出，因此可以將內(nèi)部壓力維持為基本一定。另外，由于具備調(diào)節(jié)對閥體進(jìn)行推靠的推靠機(jī)構(gòu)的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，因此可以改變內(nèi)部壓力控制的設(shè)定值。此外，由于是以最簡易的構(gòu)成來構(gòu)成壓力控制閥，因此可以將壓力控制閥小型化、薄型化(例如可以實(shí)現(xiàn)直徑4mm、高度5mm)，燃料電池整體的薄型化變得容易。
另外，優(yōu)選所述壓力控制閥可以將所述內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為0.02～0.20MPa的范圍內(nèi)的規(guī)定值。如果是該壓力的范圍內(nèi)，則如實(shí)施例的結(jié)果所示，可以提高燃料電池的輸出，而且也難以產(chǎn)生來自密封部的泄漏。
另一方面，本發(fā)明的發(fā)電方法是向單個(gè)或多個(gè)由板狀的固體高分子電解質(zhì)、配置于該固體高分子電解質(zhì)的一側(cè)的陰極側(cè)電極板、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板、向所述陰極側(cè)電極板供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向所述陽極側(cè)電極板供給氫氣的氫氣流路部形成的單元電池供給氫氣和含氧氣體而進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電方法，其特征是，對于成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，在利用氫氣的流動(dòng)將雜質(zhì)氣體濃縮在排出口附近的同時(shí)，從單元電池中少量地排出氣體，使得所濃縮的雜質(zhì)氣體的量達(dá)到一定值以下，在該狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電方法，由于在利用氫氣的流動(dòng)將雜質(zhì)氣體濃縮于排出口附近的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，因此僅在排出口的附近雜質(zhì)氣體的濃度變高，所以在從單元電池整體來看的情況下，由于基本上不存在雜質(zhì)氣體，因此可以將發(fā)電效率維持得較高。另外，即使將雜質(zhì)氣體濃縮于排出口附近，如果不進(jìn)行排出，則雜質(zhì)氣體的量增加而使發(fā)電停止，然而通過將氣體少量地排出，就可以將雜質(zhì)氣體的量保持在一定值以下。其結(jié)果是，不需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)，氫氣的排出量很少，難以產(chǎn)生排出氣體處理或氣體排放的問題，而且可以穩(wěn)定并且持續(xù)有效地進(jìn)行發(fā)電。
上述發(fā)明中，優(yōu)選作為成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，使用所述氫氣流路部的流路截面積為所述陽極側(cè)電極板的面積的1％以下的單元電池，并且相對于向成為氫氣供給的最末段的所述單元電池供給的氫氣來說，優(yōu)選從該單元電池中排出0.02～4體積％的氣體。
根據(jù)該構(gòu)成，由于使用氫氣流路部的流路截面積相對于電極面積來說足夠小的單元電池，因此氫氣供給的線速度變大，在以固體高分子電解質(zhì)的大致整體將氫氣消耗之時(shí)，由于雜質(zhì)氣體不向上游側(cè)擴(kuò)散，而被濃縮于下游側(cè)，因此僅排出微小量的氣體，就可以防止雜質(zhì)氣體向單元電池內(nèi)的蓄積。此時(shí)，由于僅在排出口的附近雜質(zhì)氣體的濃度變高，所以在從單元電池整體來看的情況下，因?yàn)榛旧喜淮嬖陔s質(zhì)氣體，因此可以將發(fā)電效率維持得較高。
另外，優(yōu)選向成為氫氣供給的最末段的所述單元電池中供給氫氣，使得以所述氫氣流路部的流路截面積為基準(zhǔn)計(jì)算的供給氣體的線流速達(dá)到0.1m/秒以上。這樣，就可以更為可靠地使雜質(zhì)氣體不向上游側(cè)擴(kuò)散而濃縮于下游側(cè)。
另外，優(yōu)選從所述單元電池中排出的氣體中所含的氫氣的濃度小于50體積％。這樣，就可以將雜質(zhì)氣體高濃度且有效地向系統(tǒng)外排出。
即，本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特征是，具備將氫氣向陽極側(cè)供給而進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、利用在與反應(yīng)液的反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生劑向所述燃料電池供給氫氣的氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)、向該氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)供給反應(yīng)液的反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)氫氣向所述燃料電池的供給量的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、設(shè)于所述燃料電池的陽極側(cè)而在一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以上的情況下增加氣體的排出量的排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)。本發(fā)明中，所謂“反應(yīng)液”并不限于液體，也包括以氣相狀態(tài)供給的物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于具備如上所述的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)，因此即使在因氫氣的消耗量的變動(dòng)或反應(yīng)液供給停止后的反應(yīng)控制延遲等，使得氫氣向燃料電池的供給變得過剩的情況下，也可以利用排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)增加氣體的排出量，所以就可以將燃料電池的內(nèi)部壓力維持在一定值以下。另外，由于利用排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行氣體的排出，因此雜質(zhì)氣體就難以濃縮于陽極側(cè)，很難產(chǎn)生燃料電池的發(fā)電效率的降低。其結(jié)果是，可以對應(yīng)于便攜式機(jī)器用的耐壓性能低的燃料電池，可以提供很難產(chǎn)生由雜質(zhì)氣體的濃縮造成的發(fā)電效率的降低的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
上述發(fā)明中，優(yōu)選所述供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有以使系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力達(dá)到設(shè)定范圍的方式進(jìn)行控制的壓力控制機(jī)構(gòu)。像這樣，由于通過設(shè)置以使系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力達(dá)到設(shè)定范圍的方式進(jìn)行控制的壓力控制機(jī)構(gòu)，就可以根據(jù)電力的消耗量沒有過多或不足地供給氫氣，因此可以不怎么排出氫氣地進(jìn)行發(fā)電，從而可以進(jìn)一步減輕排出氣體處理或發(fā)電效率的降低的問題。
另外，優(yōu)選所述反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)具有借助流動(dòng)調(diào)節(jié)部與所述氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)連通的貯液部，并構(gòu)成通過用所述流動(dòng)調(diào)節(jié)部調(diào)節(jié)來自該貯液部的反應(yīng)液的供給，來調(diào)節(jié)所述氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)的氫氣的發(fā)生量的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明中，由于可以如上所述地利用排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)將燃料電池的內(nèi)部壓力維持在一定值以下，因此即使僅設(shè)置利用流動(dòng)調(diào)節(jié)部調(diào)節(jié)反應(yīng)液的供給的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)氫氣的發(fā)生量，也可以進(jìn)行從壓力控制及反應(yīng)控制的觀點(diǎn)來說足夠的控制。


圖1是表示本發(fā)明的燃料電池的單元電池的一個(gè)例子的組裝立體圖。
圖2是表示本發(fā)明的燃料電池的單元電池的一個(gè)例子的縱剖視圖。
圖3是表示由多個(gè)單元電池構(gòu)成的本發(fā)明的燃料電池的一個(gè)例子的概略構(gòu)成圖。
圖4是表示本發(fā)明的燃料電池(單元電池)中所用的壓力控制閥的一個(gè)例子的剖視圖。
圖5是表示實(shí)施例1～3、比較例1～3、參考例1的電壓的經(jīng)時(shí)變化的曲線圖。
圖6是表示實(shí)施例4中改變了氣體的排出量時(shí)的電壓的經(jīng)時(shí)變化的曲線圖。
圖7是表示實(shí)施例5中改變了氣體的排出量時(shí)的電壓的經(jīng)時(shí)變化的曲線圖。
圖8是表示實(shí)施例6中改變了氣體的排出量時(shí)的氣體組成的變化的曲線圖。
圖9是表示本發(fā)明的燃料電池的卷邊構(gòu)造的其他的例子的主要部分。
圖10是表示本發(fā)明的燃料電池(單元電池)的其他的例子的縱剖視圖，(a)是組裝立體圖，(b)是縱剖視圖。
圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施例等中得到的燃料電池的電壓與輸出的關(guān)系的曲線圖。
圖12是表示本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第一實(shí)施方式的例子的概略構(gòu)成圖。
圖13是表示本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第二實(shí)施方式的例子的概略構(gòu)成圖。
圖14是表示本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第三實(shí)施方式的例子的概略構(gòu)成圖。
圖15是表示本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第四實(shí)施方式的例子的概略構(gòu)成圖。
圖16是表示本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第五實(shí)施方式的例子的概略構(gòu)成圖。
圖17是表示以往的燃料電池的一個(gè)例子的組裝立體圖。
圖中1-固體高分子電解質(zhì)，2-陰極側(cè)電極板，3-陽極側(cè)電極板，4-陰極側(cè)金屬板，4c-開口部，5-陽極側(cè)金屬板，5c-注入口，5d-排出口，6-絕緣材料，9-流路槽，10-壓力控制閥(排出控制機(jī)構(gòu))，11-閥座，12-閥體，13-推靠機(jī)構(gòu)，14-調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，15-閥座空間，16-導(dǎo)入流路，17-排出流路，20-氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)，21-氫氣發(fā)生劑，30-反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)，32-貯液部，35-配管，40-壓力控制機(jī)構(gòu)，41-壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，50-壓力控制閥，F(xiàn)C-燃料電池，IC-供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，OC-排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)，Sn-最末段，UC-單元電池。
具體實(shí)施例方式以下，對于第一發(fā)明的實(shí)施方式，參照附圖進(jìn)行說明。圖1是表示第一發(fā)明的燃料電池的單元電池的一個(gè)例子的組裝立體圖，圖2是表示第一發(fā)明的燃料電池的單元電池的一個(gè)例子的縱剖視圖。圖3是表示由多個(gè)單元電池構(gòu)成的第一發(fā)明的燃料電池的一個(gè)例子的概略構(gòu)成圖。
第一發(fā)明的燃料電池如圖1～圖3所示，具備單個(gè)或多個(gè)由板狀的固體高分子電解質(zhì)1、配置于該固體高分子電解質(zhì)1的一側(cè)的陰極側(cè)電極板2、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板3、向上述陰極側(cè)電極板2供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向上述陽極側(cè)電極板3供給氫氣的氫氣流路部形成的單元電池UC。本實(shí)施方式中，如圖3所示，表示由多個(gè)單元電池UC構(gòu)成燃料電池的例子。
首先，對單元電池UC進(jìn)行說明。本實(shí)施方式中，給出使用如下的單元電池UC的例子，即，如圖1～圖2所示，在陽極側(cè)金屬板5上利用蝕刻形成氫氣的流路槽9而構(gòu)成氫氣流路部，在陰極側(cè)金屬板4上形成用于自然供給空氣的開口部4c而構(gòu)成含氧氣體供給部。像這樣，通過利用金屬板4、5構(gòu)成氣體供給部，就可以實(shí)現(xiàn)燃料電池的薄型化、輕量化。
作為固體高分子電解質(zhì)1，雖然只要是以往的固體高分子膜型電池中所用的材料，無論是何種材料都可以，然而從化學(xué)穩(wěn)定性及導(dǎo)電性的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選使用由具有作為超強(qiáng)酸的磺酸基的全氟碳聚合體制成的陽離子交換膜。作為此種陽離子交換膜，優(yōu)選使用Nafion(注冊商標(biāo))。
此外，例如也可以是在由聚四氟乙烯等氟樹脂制成的多孔膜中浸漬了上述Nafion或其他的離子傳導(dǎo)性物質(zhì)的膜；在由聚乙烯或聚丙烯等聚烯烴樹脂制成的多孔膜或無紡布中擔(dān)載了上述Nafion或其他的離子傳導(dǎo)性物質(zhì)的膜。
雖然固體高分子電解質(zhì)1的厚度越薄，對于整體的薄型化就越有效，但是考慮離子傳導(dǎo)功能、強(qiáng)度、處理性等，可以使用10～300μm，優(yōu)選25～50μm。
電極板2、3可以使用如下的材料，即發(fā)揮作為氣體擴(kuò)散層的作用，進(jìn)行燃料氣體、氧化氣體及水蒸氣的供給、排出，同時(shí)發(fā)揮集電的作用。作為電極板2、3，可以使用相同或不同的，在其基材上優(yōu)選擔(dān)載具有電極催化作用的催化劑。催化劑優(yōu)選至少擔(dān)載在與固體高分子電解質(zhì)1接觸的內(nèi)面2b、3b上。
作為電極基材，例如可以使用碳紙、碳纖維無紡布等纖維質(zhì)碳、導(dǎo)電性高分子纖維的集合體等導(dǎo)電性多孔材料。一般來說，電極板2、3是向此種導(dǎo)電性多孔材料中添加氟樹脂等疏水性物質(zhì)而制作的，在擔(dān)載催化劑的情況下，將鉑微粒等催化劑與氟樹脂等疏水性物質(zhì)混合，在向其中混合溶劑，制成了糊狀或墨液狀后，將其涂布于應(yīng)當(dāng)與固體高分子電解質(zhì)膜相面對的電極基材的單面上而形成。
一般來說，電極板2、3或固體高分子電解質(zhì)1采用與向燃料電池供給的還原氣體和氧化氣體對應(yīng)的設(shè)計(jì)。第一發(fā)明中，作為氧化氣體使用空氣、純氧等含氧氣體，并且作為還原氣體(燃料)使用氫氣。第一發(fā)明中，在自然供給空氣的一側(cè)的陰極側(cè)電極板2中，由于發(fā)生氧與氫離子的反應(yīng)而生成水，因此優(yōu)選進(jìn)行與該電極反應(yīng)對應(yīng)的設(shè)計(jì)。
對于氫氣，從減少氫氣的排出量，穩(wěn)定并且持續(xù)有效地進(jìn)行發(fā)電的理由考慮，氫氣的純度優(yōu)選95％以上，更優(yōu)選純度99％以上，進(jìn)一步優(yōu)選純度99.9％以上。
作為催化劑，可以使用選自鉑、鈀、釕、銠、銀、鎳、鐵、銅、鈷及鉬中的至少一種金屬或其氧化物，也可以使用將這些催化劑預(yù)先擔(dān)載于碳黑等上的材料。
雖然電極板2、3的厚度越薄則對于整體的薄型化就越有效，但是考慮到電極反應(yīng)、強(qiáng)度、處理性等，優(yōu)選50～500μm。
電極板2、3與固體高分子電解質(zhì)1雖然也可以預(yù)先進(jìn)行粘接、熔接等而層疊一體化，然而也可以只是被層疊配置。此種疊層體也可以作為薄膜電極組裝體(Membrane Electrode AssemblyMEA)獲得，也可以使用它。
本實(shí)施方式中，在陰極側(cè)電極板2的表面配置陰極側(cè)金屬板4，在陽極側(cè)電極板3的表面配置陽極側(cè)金屬板5。另外，在陽極側(cè)金屬板5上設(shè)有氫氣的注入口5c及排出口5d，在其間設(shè)有流路槽9。
第一發(fā)明中，在含氧氣體供給部中，優(yōu)選設(shè)置抑制水分從陰極側(cè)向外部的擴(kuò)散的擴(kuò)散抑制機(jī)構(gòu)。本實(shí)施方式中，在陰極側(cè)金屬板4上，設(shè)有用于自然供給空氣中的氧的開口部4c，它相當(dāng)于作為擴(kuò)散抑制機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用的擴(kuò)散抑制板，可以經(jīng)由該擴(kuò)散抑制板自然供給空氣。
在作為擴(kuò)散抑制板的陰極側(cè)金屬板4上，優(yōu)選相對于陰極側(cè)電極板2的面積以10～30％的開口率設(shè)置開口部4c。當(dāng)設(shè)為此種開口率時(shí)，只要在該開口率的范圍內(nèi)，則開口部4c的個(gè)數(shù)、形狀、大小、形成位置等無論怎樣都可以。而且，如果是上述的開口率的范圍內(nèi)，則還可以充分地進(jìn)行從陰極側(cè)電極板2的集電。陰極側(cè)金屬板4的開口部4c例如可以規(guī)則地或隨機(jī)地設(shè)置多個(gè)圓孔或狹縫等。
作為金屬板4、5，只要是對電極反應(yīng)沒有不良影響的材料，則無論是何種金屬都可以使用，例如可以舉出不銹鋼板、鎳、銅、銅合金等。但是，從伸展性、重量、彈性模量、強(qiáng)度、耐腐蝕性、沖壓加工性、蝕刻加工性等觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選不銹鋼板、鎳等。為了減少與電極板2、3的接觸電阻，優(yōu)選對金屬板4、5實(shí)施鍍金等貴金屬鍍膜。
第一發(fā)明中，從不使雜質(zhì)氣體向上游側(cè)擴(kuò)散而濃縮于下游側(cè)的觀點(diǎn)考慮，對于成為氫氣供給的最末段的單元電池UC，將氫氣流路部的流路截面積設(shè)為陽極側(cè)電極板3的面積的1％以下。該比例優(yōu)選0.5％以下，更優(yōu)選0.2％以下，進(jìn)一步優(yōu)選0.001～0.1％。第一發(fā)明中，所謂氫氣流路部的流路截面積，在假定電極板3完全為平面的情況下，是指作為流路形成的空間的與流路方向垂直的截面的面積。即使該面積基本上為零，通過使氫氣流過電極板3的多孔性空隙部，也可以進(jìn)行發(fā)電。另外，所謂陽極側(cè)電極板3的面積，無論有無電極反應(yīng)，都是指陽極側(cè)電極板3的整體的面積。
像這樣，在縮小流路截面積時(shí)，減小流路槽的深度，或加長流路的長度而減小流路的寬度是有效的做法。
對于所述的流路截面積以外，設(shè)于陽極側(cè)金屬板5上的流路槽9只要是可以利用與電極板3的接觸形成氫氣等的流路的槽，則無論是何種平面形狀或截面形狀都可以。但是，考慮到流路密度、層疊時(shí)的層疊密度、彎曲性等，優(yōu)選主要形成與金屬板5的一邊平行的縱槽9a和垂直的橫槽9b。本實(shí)施方式中，將多條(圖示的例子中為3條)縱槽9a與橫槽9b串聯(lián)連接，取得流路密度和流路長度的平衡。
而且，也可以將此種金屬板5的流路槽9的一部分(例如橫槽9b)形成于電極板3的外面。作為在電極板3的外面形成流路槽的方法，雖然也可以是加熱壓或切削等機(jī)械的方法，但是從恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行微細(xì)加工方面考慮，優(yōu)選利用激光照射來進(jìn)行槽加工。從進(jìn)行激光照射的觀點(diǎn)考慮，作為電極板2、3的基材，優(yōu)選纖維質(zhì)碳的集合體。
與金屬板5的流路槽9連通的注入口5c可以形成1個(gè)或多個(gè)。排出口5d優(yōu)選只形成1個(gè)，并優(yōu)選設(shè)于流路槽9的下游側(cè)端。排出口5d與流路槽9的下游側(cè)端越近，則越能夠?qū)饪s為高濃度的雜質(zhì)氣體有效地排出。
而且，金屬板4、5的厚度越薄，則對于整體的薄型化就越有效，然而考慮到強(qiáng)度、伸展性、重量、彈性模量、處理性等，優(yōu)選0.1～1mm。
作為在金屬板5上形成流路槽9的方法，從加工的精度或容易性考慮，優(yōu)選蝕刻。在利用例如蝕刻得到的流路槽9中，優(yōu)選寬度0.1～10mm、深度0.05～1mm。另外，流路槽9的截面形狀優(yōu)選近似四邊形、近似梯形、近似半圓形、V字形等。
對于向金屬板4上形成開口部4c、金屬板4、5的外緣部的薄壁化、向金屬板5上形成注入口5c等，也優(yōu)選利用蝕刻。
蝕刻可以在使用例如干式薄膜抗蝕劑等，在金屬表面形成了規(guī)定形狀的蝕刻抗蝕劑后，使用與金屬板4、5的種類對應(yīng)的蝕刻液來進(jìn)行。另外，通過使用2種以上的金屬的疊層板，對每種金屬選擇性地進(jìn)行蝕刻，就可以更高精度地控制流路槽9的截面形狀或薄壁化了的外緣部的厚度。
圖2所示的實(shí)施方式是將金屬板4、5的卷邊部(外緣部)利用蝕刻減少了厚度的例子。像這樣，通過蝕刻卷邊部而設(shè)為恰當(dāng)?shù)暮穸龋涂梢愿鼮槿菀椎剡M(jìn)行利用卷邊的密封。從該觀點(diǎn)考慮，作為卷邊部的厚度，優(yōu)選0.05～0.3mm。
第一發(fā)明中，只要形成向陰極側(cè)電極板2供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向陽極側(cè)電極板3供給氫氣的氫氣流路部，則流路部等的形成構(gòu)造無論為何種都可以。在金屬板4、5上形成流路部等的情況下，金屬板4、5的周緣優(yōu)選在電絕緣的狀態(tài)下利用壓彎機(jī)進(jìn)行密封。本實(shí)施方式中，表示了利用卷邊來密封的例子。
電絕緣可以通過夾設(shè)絕緣材料6或固體高分子電解質(zhì)1的周緣部或其雙方來進(jìn)行。在使用絕緣材料6的情況下，作為其厚度，從薄型化的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選0.1mm以下。而且，通過涂覆絕緣材料，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的薄型化(例如絕緣材料6的厚度可以為1μm)。
作為絕緣材料6，雖然可以使用薄片狀的樹脂、橡膠、熱塑性彈性體、陶瓷等，但是從提高密封性的方面考慮，優(yōu)選樹脂、橡膠、熱塑性彈性體等，特別優(yōu)選聚丙烯、聚乙烯、聚酯、氟樹脂、聚酰亞胺。絕緣材料6也可以是直接或借助粘結(jié)劑貼附或涂布于金屬板4、5的周緣，預(yù)先與金屬板4、5一體化。
作為卷邊構(gòu)造，從密封性或制造的容易性、厚度等觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選圖2所示的構(gòu)造。也就是優(yōu)選如下的卷邊構(gòu)造，即，使一方的金屬板5的外緣部5a大于另一方的外緣部4a，在夾設(shè)絕緣材料6的狀態(tài)下，將一方的金屬板5的外緣部5a夾壓另一方的金屬板4的外緣部4a地翻過來。該卷邊構(gòu)造中，優(yōu)選利用沖壓加工等，預(yù)先在金屬板4的外緣部4a設(shè)置階梯。此種卷邊構(gòu)造本身作為金屬加工已經(jīng)是公知的，可以利用公知的卷邊裝置來形成。
第一發(fā)明的燃料電池如圖1～圖3所示，對于成為氫氣供給的最末段Sn的單元電池UC，在氫氣流路部的排出口5d，設(shè)有控制來自最末段Sn的單元電池UC的氣體的排出量的排出控制機(jī)構(gòu)。本實(shí)施方式中，作為排出控制機(jī)構(gòu)，表示了設(shè)置有以使一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以下的方式將氣體排出的壓力控制閥10的例子。
第一發(fā)明中的來自排出控制機(jī)構(gòu)的氣體的排出無論是間歇的還是連續(xù)的都可以，無論是一定量的還是排出量發(fā)生變化都可以。但是，從使雜質(zhì)氣體的濃縮狀態(tài)穩(wěn)定化，將發(fā)電效率維持得較高的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選以大致一定的量將氣體排出。
第一發(fā)明中的排出控制機(jī)構(gòu)中，以相對于向最末段Sn的單元電池UC供給的氫氣(嚴(yán)格來說是也包括雜質(zhì)氣體的總量)排出0.02～4體積％，優(yōu)選0.05～3體積％，更優(yōu)選0.1～2體積％的氣體(包括雜質(zhì)氣體)的方式進(jìn)行控制。這里，在氣體的排出量變化的情況下，以平均值求得。當(dāng)氣體的排出量小于0.02體積％時(shí)，則無法充分地排出濃縮了的雜質(zhì)氣體，燃料電池的輸出隨時(shí)間推移而降低，發(fā)電在短時(shí)間內(nèi)停止。另外，當(dāng)氣體的排出量超過4體積％時(shí)，則氫氣的排出量變多，產(chǎn)生其排出氣體處理或氣體排放的問題。
當(dāng)從氫氣的注入口5c供給一定量以上的氫氣時(shí)，內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力即上升，可以利用壓力控制閥10，將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g(即氫氣)的壓力控制為規(guī)定值。這樣，也可以防止從密封部中泄漏或金屬板5與電極板3的接觸不良。
作為壓力控制閥10，只要可以將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為規(guī)定值，則無論是何種形式都可以，然而從將構(gòu)造簡易化方面考慮，優(yōu)選自勵(lì)式的控制閥，與外部檢測型相比，更優(yōu)選內(nèi)部檢測型。
本實(shí)施方式中，如圖4所示，表示了使用具備將閥體12向閥座11推靠的推靠機(jī)構(gòu)13、調(diào)節(jié)該推靠機(jī)構(gòu)13的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)14、具有閥座11而收容閥體12的閥座空間15、連通至該閥座空間15而可以利用閥體12封鎖的導(dǎo)入流路16、從閥座空間15向外部連通的排出流路17的壓力控制閥10的例子。
壓力控制閥10通過將形成閥座空間15的筒狀主體的連結(jié)部18a插入陽極側(cè)金屬板5的排出口5d中，進(jìn)行端部的卷邊，而氣密性地連結(jié)。另外，在筒狀主體18的內(nèi)螺紋部18b上螺合有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)14的外螺紋部14a，通過利用螺合量來調(diào)節(jié)作為推靠機(jī)構(gòu)13的彈簧的長度，就可以調(diào)節(jié)推靠機(jī)構(gòu)13的推靠力。閥體12例如由金屬板12b和硅酮橡膠12a的疊層體形成。
該壓力控制閥10中，由于當(dāng)氫氣對將導(dǎo)入流路16封鎖的閥體12的壓力達(dá)到一定值以上時(shí)，就會(huì)克服推靠機(jī)構(gòu)13的推靠力而在閥體12與閥座11之間產(chǎn)生間隙，將氫氣經(jīng)由閥座空間15和排出流路17向外部排出，因此就可以將內(nèi)部壓力維持為基本上一定。另外，由于具備調(diào)節(jié)對閥體12進(jìn)行推靠的推靠機(jī)構(gòu)13的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)14，因此可以改變內(nèi)部壓力控制的設(shè)定值。
根據(jù)該壓力控制閥10，由于可以用最為簡易的構(gòu)成來構(gòu)成壓力控制閥，因此可以將壓力控制閥小型化、薄型化(例如可以實(shí)現(xiàn)直徑4mm、高度5mm)，燃料電池整體的薄型化變得容易。
第一發(fā)明中，可以使用1個(gè)或多個(gè)單元電池UC，在使用1個(gè)單元電池UC的情況下，由于它成為氫氣供給的最末段，因此在該單元電池UC上設(shè)置排出控制機(jī)構(gòu)。在使用多個(gè)單元電池UC的情況下，則如下所示地構(gòu)成。
雖然將各個(gè)單元電池UC電串聯(lián)地連接的做法是通常的做法，然而也可以使電流值優(yōu)先而將其并聯(lián)連接。另外，在電壓不足的情況下，可以根據(jù)需要連接升壓電路(DC-DC轉(zhuǎn)換器)。
對于氫氣，也可以將從初段S1到最末段Sn的各單元電池UC串聯(lián)地連接，或構(gòu)成多個(gè)串聯(lián)地連接的單元電池UC組，向各個(gè)單元電池UC組并行地供給氫氣。對于后者的情況，在各個(gè)單元電池UC組的最末段設(shè)置排出控制機(jī)構(gòu)。第一發(fā)明中，從將雜質(zhì)氣體有效地濃縮于最末段Sn的單元電池UC中的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選串行地供給氫氣的方式。
圖3所示的例子中，從初段S1到最末段Sn的各單元電池被氫供給管25串聯(lián)地連接，從作為氫氣的供給機(jī)構(gòu)的氫氣發(fā)生單元20向初段S1的單元電池UC供給氫氣。所供給的氫氣在被各個(gè)單元電池UC消耗的同時(shí)，向最末段側(cè)流動(dòng)，從最末段Sn的單元電池UC的排出控制機(jī)構(gòu)中排出。
在使用單元電池UC之時(shí)，雖然在金屬板5的氫氣的注入口5c及排出口5d上，也可以直接接合氫氣供給用的管道，但是從進(jìn)行燃料電池的薄型化方面考慮，優(yōu)選設(shè)置厚度小、具有與金屬板5的表面平行的管的管道接頭。
作為氫氣的供給方法，從使用如前所述的壓力控制閥10，恰當(dāng)?shù)乜刂苾?nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力的方面考慮，優(yōu)選使用利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生器的方法。作為該氫發(fā)生器，可以舉出在容器內(nèi)收容了納米鐵粒子、鋁粉末或反應(yīng)催化劑、或者將它們制成了多孔體的材料，還具備加熱機(jī)構(gòu)或水分供給機(jī)構(gòu)的裝置。
另一方面，第一發(fā)明的發(fā)電方法可以使用第一發(fā)明的燃料電池恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行。即，第一發(fā)明的發(fā)電方法是向單個(gè)或多個(gè)由板狀的固體高分子電解質(zhì)、配置于該固體高分子電解質(zhì)的一側(cè)的陰極側(cè)電極板、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板、向所述陰極側(cè)電極板供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向所述陽極側(cè)電極板供給氫氣的氫氣流路部形成的單元電池供給氫氣和含氧氣體而進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電方法，其特征是，對于成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，在利用氫氣的流動(dòng)將雜質(zhì)氣體濃縮在排出口附近的同時(shí)，從單元電池中少量地排出氣體，使得所濃縮的雜質(zhì)氣體的量達(dá)到一定值以下，并在該狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電。
此時(shí)，優(yōu)選作為成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，使用所述氫氣流路部的流路截面積為所述陽極側(cè)電極板的面積的1％以下的單元電池，并且相對于向成為氫氣供給的最末段的所述單元電池供給的氫氣，在從該單元電池中排出0.02～4體積％的氣體的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電。
此時(shí)，從將雜質(zhì)氣體有效地濃縮于下游側(cè)的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選向成為氫氣供給的最末段的所述單元電池中供給氫氣，使得以所述氫氣流路部的流路截面積為基準(zhǔn)而計(jì)算的供給氣體的線流速達(dá)到0.1m/秒以上。更優(yōu)選供給氣體的線流速為0.5m/秒以上，進(jìn)一步優(yōu)選1m/秒以上。
另外，從成為最末段的單元電池UC中排出的氣體中所含的氫氣的濃度優(yōu)選小于50體積％，更優(yōu)選小于40體積％，進(jìn)一步優(yōu)選小于30體積％。
第一發(fā)明中，設(shè)置了排出控制機(jī)構(gòu)的位置上的氫氣流路部的壓力優(yōu)選為7KPa以上。這樣，就可以抑制來自陰極側(cè)的雜質(zhì)氣體的透過，即使來自排出控制機(jī)構(gòu)的氣體的排出量更少，也可以將發(fā)電效率維持得較高。
第一發(fā)明的燃料電池由于氫氣的排出量少，難以產(chǎn)生排出氣體處理或氣體排放的問題，而且可以穩(wěn)定并且持續(xù)有效地進(jìn)行發(fā)電，因此特別可以適用于移動(dòng)電話、筆記本PC等移動(dòng)機(jī)器中。
但是，由于如上所述的排出氣體處理或發(fā)電效率的問題并不限于便攜式機(jī)器，因此第一發(fā)明可以廣泛地適用于汽車用的燃料電池或熱電聯(lián)供系統(tǒng)等發(fā)電裝置中。
(1)上述實(shí)施方式中，作為排出控制機(jī)構(gòu)，雖然給出了使用按照使一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以下的方式將氣體排出的壓力控制閥的例子，但是作為第一發(fā)明的排出控制機(jī)構(gòu)，只要是相對于向單元電池供給的氫氣來說以平均值表示可以排出0.02～4體積％的氣體的機(jī)構(gòu)，則無論是何種都可以。
例如，也可以是能夠利用手動(dòng)調(diào)整開度的閥或者無法調(diào)整開度的開口、小孔等的任意一種。在使用它們的情況下，雖然可以將氣體連續(xù)地排出，但是也可以是將氣體間歇地排出的排出控制機(jī)構(gòu)。另外，也可以設(shè)置定期地將氣體排出一定時(shí)間的排出控制機(jī)構(gòu)，與壓力的變化無關(guān)地從單元電池中間歇地排出氣體。
(2)上述實(shí)施方式中，雖然給出了在陰極側(cè)電極板的表面配置相對于陰極側(cè)電極板的面積來說以一定的開口率設(shè)置了開口部的擴(kuò)散抑制板(金屬板)，形成含氧氣體供給部的例子，但是也可以與陽極側(cè)相同地利用含氧氣體的流路槽來構(gòu)成含氧氣體供給部。該情況下，可以與陽極側(cè)金屬板相同，利用蝕刻或沖壓加工，形成空氣等含氧氣體的流路槽、注入口、排出口，與陽極側(cè)金屬板相同地在從陰極側(cè)金屬板的注入口供給空氣等的狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電。此時(shí)，作為抑制水分從陰極側(cè)向外部擴(kuò)散的方法，例如可以舉出供給含有水分的含氧氣體的方法。
(3)上述實(shí)施方式中，雖然給出了在陰極側(cè)電極板和陽極側(cè)電極板的表面配置金屬板，形成含氧氣體供給部和氫氣流路部的例子，但是也可以取代金屬板，而使用其他的材料或以往所使用的各種隔膜。
另外，上述實(shí)施方式中，雖然給出了利用蝕刻在陽極側(cè)金屬板上形成流路槽的例子，但是第一發(fā)明中，也可以利用沖壓加工、切削等機(jī)械的方法，在陽極側(cè)金屬板上形成流路槽。
(4)上述實(shí)施方式中，雖然給出了從陰極側(cè)金屬板的開口部中直接使陰極側(cè)電極板露出的例子，但是第一發(fā)明中，也可以在陰極側(cè)金屬板上，覆蓋所述開口部地層疊疏水性的高分子多孔膜。高分子多孔膜的層疊無論是在陰極側(cè)金屬板的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)都可以。
(5)上述實(shí)施方式中，雖然作為排出控制機(jī)構(gòu)，給出了使用按照使一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以下的方式將氣體排出的壓力控制閥的例子，但是作為排出控制機(jī)構(gòu)，也可以設(shè)置按照使二次側(cè)的氣體的流量基本上一定的方式進(jìn)行控制的排出控制機(jī)構(gòu)。該情況下，優(yōu)選檢測排出氣體的流量而對閥的開度進(jìn)行反饋控制。
以下，對于第二發(fā)明的實(shí)施方式，將參照附圖進(jìn)行說明。第二發(fā)明的燃料電池與第一發(fā)明的燃料電池相同，可以表示于圖1～圖2中。
即，第二發(fā)明的燃料電池如圖1～圖2所示，具備板狀的固體高分子電解質(zhì)1、配置于該固體高分子電解質(zhì)1的一側(cè)的陰極側(cè)電極2、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板3、配置于陰極側(cè)電極板2的表面而可以實(shí)現(xiàn)氣體向內(nèi)面?zhèn)鹊牧魍ǖ年帢O側(cè)金屬板4、配置于陽極側(cè)電極板3的表面而可以實(shí)現(xiàn)燃料向內(nèi)面?zhèn)鹊牧魍ǖ年枠O側(cè)金屬板5。以下，將對與第一發(fā)明的燃料電池不同的部分進(jìn)行說明。
電極板2、3可以使用在發(fā)揮作為氣體擴(kuò)散層的作用，進(jìn)行燃料氣體或氧化氣體及水蒸氣的供給、排出的同時(shí)，發(fā)揮集電的作用的材料。作為電極板2、3，可以使用相同或不同的材料，在其基材上優(yōu)選擔(dān)載具有電極催化作用的催化劑。催化劑優(yōu)選至少擔(dān)載于與固體高分子電解質(zhì)1接觸的內(nèi)面2b、3b上。
一般來說，電極板2、3或固體高分子電解質(zhì)1采用與向燃料電池供給的還原氣體和氧化氣體對應(yīng)的設(shè)計(jì)。第二發(fā)明中，優(yōu)選作為氧化氣體使用空氣，并且作為還原氣體使用氫氣或含氫氣體。另外，也可以取代還原氣體，而使用甲醇或二甲醚等。
例如，在使用氫氣和空氣的情況下，由于在自然供給空氣的一側(cè)的陰極側(cè)電極2中，產(chǎn)生氧與氫離子反應(yīng)而生成水，因此優(yōu)選進(jìn)行與該電極反應(yīng)對應(yīng)的設(shè)計(jì)。特別是在低動(dòng)作溫度、高電流密度及高氣體利用率的運(yùn)行條件下，在生成水的空氣極中特別容易引起由水蒸氣的冷凝造成的電極多孔體的堵塞(液泛flooding)現(xiàn)象。所以，為了長期地獲得燃料電池的穩(wěn)定的特性，確保電極的疏水性以不引起液泛現(xiàn)象的做法是有效的。
在陰極側(cè)電極板2的表面配置有陰極側(cè)金屬板4，在陽極側(cè)電極板3的表面配置有陽極側(cè)金屬板5。本實(shí)施方式中，在陽極側(cè)金屬板5中設(shè)有燃料的注入口5c及排出口5d，在其間設(shè)有流路槽9。
在陰極側(cè)金屬板4中，設(shè)有用于供給空氣中的氧的開口部4c。開口部4c只要可以露出陰極側(cè)電極板2，其個(gè)數(shù)、形狀、大小、形成位置等無論是怎樣都可以。但是，考慮到空氣中的氧的供給效率、從陰極側(cè)電極板2的集電效果等，開口部4c的面積優(yōu)選為陰極側(cè)電極板2的面積的10～50％，特別優(yōu)選20～40％。
陰極側(cè)金屬板4的開口部4c例如可以規(guī)則地或隨機(jī)地設(shè)置多個(gè)圓孔或狹縫等，或者也可以利用金屬網(wǎng)來設(shè)置開口部。
作為金屬板4、5，只要是對電極反應(yīng)沒有不良影響的材料，無論是何種金屬都可以使用，例如可以舉出不銹鋼板、鎳、銅、銅合金等。但是，從伸展性、重量、彈性模量、強(qiáng)度、耐腐蝕性、沖壓加工性、蝕刻加工性等觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選不銹鋼板、鎳等。為了減少與電極板2、3的接觸電阻，優(yōu)選對金屬板4、5實(shí)施鍍金等貴金屬鍍膜。
設(shè)于陽極側(cè)金屬板5上的流路槽9只要是可以利用與金屬板3的接觸形成氫氣等的流路，則無論是何種平面形狀或截面形狀都可以。但是，考慮到流路密度、層疊時(shí)的層疊密度、彎曲性等，優(yōu)選主要形成與金屬板5的一邊平行的縱槽9a和垂直的橫槽9b。本實(shí)施方式中，將多條(圖示的例子中為3條)縱槽9a與橫槽9b串聯(lián)地連接，取得流路密度與流路長度的平衡。
而且，也可以將此種金屬板5的流路槽9的一部分(例如橫槽9b)形成于電極板3的外面。作為在電極板3的外面形成流路槽的方法，雖然也可以是加熱壓或切削等機(jī)械的方法，但是從恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行微細(xì)加工方面考慮，優(yōu)選利用激光照射來進(jìn)行槽加工。從進(jìn)行激光照射的觀點(diǎn)考慮，作為電極板2、3的基材，優(yōu)選纖維質(zhì)碳的集合體。
與金屬板5的流路槽9連通的注入口5c及排出口5d可以分別形成1個(gè)或多個(gè)。而且，金屬板4、5的厚度越薄，則對于整體的薄型化就越有效，然而考慮到強(qiáng)度、伸展性、重量、彈性模量、處理性等，優(yōu)選0.1～1mm。
作為在金屬板5上形成流路槽9的方法，從加工的精度或容易性考慮，優(yōu)選蝕刻。在利用蝕刻得到的流路槽9中，優(yōu)選寬度0.1～10mm、深度0.05～1mm。另外，流路槽9的截面形狀優(yōu)選近似四邊形、近似梯形、近似半圓形、 V字形等。
第二發(fā)明中，如圖1～圖2所示，陽極側(cè)金屬板5具有燃料的注入口5c和排出口5d，在其排出口5d設(shè)有將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為規(guī)定值的壓力控制閥10。當(dāng)從燃料的注入口5c供給一定量以上的燃料時(shí)，則內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力上升，可以利用壓力控制閥10，將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g(即燃料氣體)的壓力控制為規(guī)定值。
壓力控制閥10優(yōu)選將所述內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為0.02～0.20MPa的范圍內(nèi)的規(guī)定值，更優(yōu)選控制為0.03～0.05MPa的范圍內(nèi)的規(guī)定值。當(dāng)壓力小于0.02MPa時(shí)，則基本上看不到輸出的提高效果，當(dāng)壓力超過0.20MPa時(shí)，則會(huì)從密封部中產(chǎn)生泄漏，或有金屬板5與電極板3的接觸變得不充分的傾向。
作為壓力控制閥10，雖然只要是可以將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為規(guī)定值，則無論是何種形式都可以，但是從將構(gòu)造簡易化方面考慮，優(yōu)選自勵(lì)式的控制閥，與外部檢測型相比，更優(yōu)選內(nèi)部檢測型。例如，如圖3所示，可以使用具備將閥體12向閥座11推靠的推靠機(jī)構(gòu)13、調(diào)節(jié)該推靠機(jī)構(gòu)13的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)14、具有閥座11而收容閥體12的閥座空間15、連通至該閥座空間15而可以利用閥體12封鎖的導(dǎo)入流路16、從閥座空間15向外部連通的排出流路17的壓力控制閥10。
該壓力控制閥10中，由于當(dāng)燃料氣體對將導(dǎo)入流路16封鎖的閥體12的壓力達(dá)到一定值以上時(shí)，就會(huì)克服推靠機(jī)構(gòu)13的推靠力而在閥體12與閥座11之間產(chǎn)生間隙，將燃料氣體經(jīng)由閥座空間15和排出流路16向外部排出，因此就可以將內(nèi)部壓力維持為基本上一定。另外，由于具備調(diào)節(jié)對閥體12進(jìn)行推靠的推靠機(jī)構(gòu)13的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)14，因此可以改變內(nèi)部壓力控制的設(shè)定值。
第二發(fā)明中，由于可以使用1個(gè)或多個(gè)如圖2所示的單元電池，因此可以用固體高分子電解質(zhì)1、一對電極板2、3及一對金屬板4、5來構(gòu)成單元電池UC，也可以將在該單元電池上粘接了面狀發(fā)熱體10等的構(gòu)件層疊多個(gè)，或在同一面上排列而使用。當(dāng)如此設(shè)置時(shí)，則即使不利用螺栓及螺帽的緊固部件相互結(jié)合，對電池單元部件施加一定的壓力，也可以提供高輸出的燃料電池。
作為燃料氣體的供給方法，從使用如前所述的壓力控制閥10，將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力恰當(dāng)?shù)乜刂茷?.02～0.20MPa的范圍內(nèi)的規(guī)定值的方面考慮，優(yōu)選使用利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生器的方法。作為該氫發(fā)生器，可以舉出在容器內(nèi)收容了納米鐵粒子或反應(yīng)催化劑、或者將它們制成了多孔體的材料，還具備加熱機(jī)構(gòu)或水分供給機(jī)構(gòu)的裝置。
第二發(fā)明的燃料電池由于能夠?qū)崿F(xiàn)薄型化，且可以實(shí)現(xiàn)小型輕量并且自由的形狀設(shè)計(jì)，因此特別可以適用于移動(dòng)電話、筆記本PC等移動(dòng)機(jī)器中。
(1)上述實(shí)施方式中，雖然給出了采用圖2所示的卷邊構(gòu)造的例子，但是第二發(fā)明中，也可以采用如圖9(a)～(b)所示的卷邊構(gòu)造(第一發(fā)明中也可以采用相同的卷邊構(gòu)造)。
圖9(a)所示的卷邊構(gòu)造是將兩方的金屬板4、5的外緣部4a、5a翻過來的卷邊構(gòu)造。該例子中，在金屬板5中未設(shè)置階梯部，而僅在金屬板4中設(shè)置有階梯部。而且，該單元電池中，為了不使從各個(gè)電極板2、3擴(kuò)散的氣體混合，在各個(gè)金屬板4、5與固體高分子電解質(zhì)1之間，夾設(shè)有密封構(gòu)件S。
另外，圖9(b)所示的卷邊構(gòu)造是不將兩方的金屬板4、5的外緣部4a、5a翻過來，而利用別的金屬板7，夾隔將各個(gè)金屬板4、5絕緣的絕緣材料6a、6b夾壓的卷邊構(gòu)造。該例子中，在金屬板4及金屬板5中，設(shè)有平緩地傾斜的階梯部。而且，卷邊構(gòu)造中，也可以不將兩個(gè)金屬板4、5沖壓加工而仍以平板狀態(tài)使用。
(2)上述實(shí)施方式中，雖然給出了利用蝕刻在陽極側(cè)金屬板上形成流路槽的例子，但是第二發(fā)明中，也可以利用沖壓加工、切削等機(jī)械的方法，在陽極側(cè)金屬板上形成流路槽。
(3)上述實(shí)施方式中，雖然給出了在陽極側(cè)金屬板上形成燃料的流路槽的例子，但是第二發(fā)明中，也可以如圖10(a)～(b)所示，在陽極側(cè)電極板3上，形成燃料的流路槽3a。該情況下，也可以在陽極側(cè)金屬板5上不設(shè)置流路槽。
另外，該例子中，雖然在具有開口部4c的一側(cè)的陰極側(cè)電極板2上，也形成流路槽2a，但是出于提高來自陰極側(cè)金屬板的開口部4c的空氣的擴(kuò)散性的目的，也可以在陰極側(cè)電極板2上也形成流路槽2a。
(4)上述實(shí)施方式中，雖然給出了從陰極側(cè)金屬板的開口部中直接使陰極側(cè)電極板露出的例子，但是第二發(fā)明中，也可以在陰極側(cè)金屬板上，覆蓋所述開口部地層疊疏水性的高分子多孔膜。高分子多孔膜的層疊無論是在陰極側(cè)金屬板的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)都可以。
從在維持透氣性的同時(shí)防止水滴的漏出的方面考慮，高分子多孔膜的平均孔徑優(yōu)選0.01～3μm。另外，高分子多孔膜的厚度優(yōu)選10～100μm。作為高分子多孔膜的材質(zhì)，可以舉出聚四氟乙烯等氟樹脂、聚丙烯或聚乙烯等聚烯烴、聚氨酯、硅酮樹脂等。
(5)上述實(shí)施方式中，雖然給出了在陰極側(cè)金屬板上形成用于自然供給空氣的開口部的例子，但是也可以與陽極側(cè)金屬板相同，利用蝕刻或沖壓加工，形成空氣等含氧氣體的流路槽、注入口、排出口。該情況下，與陽極側(cè)金屬板相同，在從陰極側(cè)金屬板的注入口供給空氣等的狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電。
以下，對于本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施方式，將參照附圖進(jìn)行說明。圖12～圖16是表示本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第一實(shí)施方式～第五實(shí)施方式的例子的概略構(gòu)成圖。
本發(fā)明的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖12～圖16所示，具備利用氫氣的供給將氫氣向陽極側(cè)供給而進(jìn)行發(fā)電的燃料電池FC；利用在與反應(yīng)液的反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生劑21向燃料電池FC供給氫氣的氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20；向氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20供給反應(yīng)液的反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30；調(diào)節(jié)向所述燃料電池FC的氫氣的供給量的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)IC；設(shè)于所述燃料電池FC的陽極側(cè)，在一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以上的情況下增加氣體的排出量的排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)OC。
以下將以各實(shí)施方式為例進(jìn)行詳細(xì)說明。而且，以下的實(shí)施方式中，雖然對氫發(fā)生劑21在與水或水蒸氣的反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣的情況進(jìn)行說明，但是作為反應(yīng)液與氫發(fā)生劑21的組合，也可以使用日本特開2004-281384號(hào)公報(bào)中記載的組合。
本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，如圖12所示，給出如下的例子，即，反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30具有將水加熱而產(chǎn)生水蒸氣的加熱機(jī)構(gòu)31，并且利用設(shè)于氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的上游側(cè)而根據(jù)二次側(cè)的壓力進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41構(gòu)成壓力控制機(jī)構(gòu)40。該壓力控制機(jī)構(gòu)40作為調(diào)節(jié)氫氣向燃料電池FC的供給量的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)IC發(fā)揮作用。
即，該例子中，通過利用加熱機(jī)構(gòu)31將水加熱而產(chǎn)生水蒸氣，就可以在壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41的一次側(cè)產(chǎn)生壓力，利用該壓力差使氣體流動(dòng)，此時(shí)，由于壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41根據(jù)二次側(cè)的壓力進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，因此可以將系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力控制為達(dá)到設(shè)定范圍，此時(shí)，可以調(diào)節(jié)氫氣向燃料電池FC的供給量。
反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30具有作為密閉的空間的貯液部32，可以貯留水。在貯液部32中，設(shè)有注水口33，可以根據(jù)水的消耗量，追加供給水。在貯液部32中優(yōu)選使用熱傳導(dǎo)性良好的金屬，可以舉出鋁或不銹鋼、銅等。
作為加熱機(jī)構(gòu)31，只要可以使貯液部32的水蒸發(fā)即可，優(yōu)選薄膜狀電阻加熱器、電磁感應(yīng)加熱器等。在使用它們的情況下，在發(fā)電初期進(jìn)行從輔助電池的電力供給即可。此外，也可以是利用化學(xué)反應(yīng)發(fā)熱的加熱機(jī)構(gòu)31等。
在貯液部32中，也可以配置纖維集合體或多孔體，利用毛細(xì)管現(xiàn)象在規(guī)定的部分保持水，這樣即使便攜式機(jī)器的使用狀態(tài)(機(jī)器的傾斜或振動(dòng))發(fā)生變化，也可以利用加熱機(jī)構(gòu)31實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的水蒸氣的產(chǎn)生。
利用此種反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30，可以產(chǎn)生水分組成約為100％的水蒸氣。反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30和氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20被配管34連結(jié)，將所產(chǎn)生的水蒸氣(GH2O)向氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20供給。
氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20在反應(yīng)容器22內(nèi)具備利用與水分(水或水蒸氣)的反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生劑21，這樣就可以向燃料電池FC供給氫氣。在氫發(fā)生劑21的反應(yīng)需要加熱的情況下，可以設(shè)置加熱機(jī)構(gòu)23。
作為氫發(fā)生劑21，優(yōu)選與水分反應(yīng)而生成氫的金屬粒子，可以舉出選自Fe、Al、Mg、Zn、Si等中的一種以上的金屬的粒子；或?qū)⑺鼈儾糠值匮趸说慕饘俚牧Ｗ?。另外，通過添加用于促進(jìn)氧化反應(yīng)的金屬催化劑等，可以在更低溫度下產(chǎn)生氫氣。
氫發(fā)生劑21雖然也可以直接以金屬粒子的狀態(tài)填充于反應(yīng)容器22內(nèi)，但是也可以使用粘合了金屬粒子的多孔體。為了不產(chǎn)生水蒸氣的流過(向下游側(cè)空間的泄漏)，氫發(fā)生劑21也可以配置為使氫發(fā)生劑21的填充部將反應(yīng)容器22的空間隔開。但是，也有優(yōu)選在向燃料電池供給的燃料氣體中含有水分的情況，該情況下，優(yōu)選在反應(yīng)容器22內(nèi)設(shè)置旁路，將一部分的水蒸氣與所產(chǎn)生的氫氣混合。
作為加熱機(jī)構(gòu)23，只要可以進(jìn)行對氫發(fā)生劑21與水分的反應(yīng)來說必需的加熱即可，優(yōu)選薄膜狀電阻加熱器、電磁感應(yīng)加熱器等。在使用它們的情況下，在發(fā)電初期進(jìn)行來自輔助電池的電力供給即可。此外，也可以是利用化學(xué)反應(yīng)發(fā)熱的加熱機(jī)構(gòu)23等。
利用此種氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20，可以產(chǎn)生氫組成約為100％(除去水分)的氫氣。氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20和燃料電池FC被利用配管24連結(jié)，將所產(chǎn)生的氫氣(H2)向燃料電池FC的陽極側(cè)空間11供給。
本發(fā)明的燃料電池FC是將氫氣向陽極側(cè)供給而進(jìn)行發(fā)電的電池。燃料電池FC一般來說具備陽極側(cè)空間(或流路)7、陰極側(cè)電極3、電解質(zhì)膜1、陰極側(cè)電極2、陰極側(cè)空間(或流路)8。在用于便攜式機(jī)器中的情況下，由于減少部件數(shù)目是特別理想的，因此優(yōu)選將陰極側(cè)空間8向大氣開放而可以自然供給空氣中的氧。對于適于便攜式機(jī)器的燃料電池FC的構(gòu)造或材料等，可以使用前面所述的第一發(fā)明或第二發(fā)明的燃料電池。
本實(shí)施方式中，在具備如上所述的燃料電池FC、氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20及反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如圖12所示，將與二次側(cè)的壓力對應(yīng)地進(jìn)行流量調(diào)節(jié)(包括開閉)的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41設(shè)于氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的上游側(cè)，由此構(gòu)成壓力控制機(jī)構(gòu)40。
作為壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41，可以設(shè)為與一般的減壓閥相同的構(gòu)造，例如可以舉出具備可以用壓力調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)推靠力的彈簧、在被該彈簧推靠的狀態(tài)下從反方向受到二次側(cè)流路的壓力的隔板、與隔板連動(dòng)而在二次側(cè)的壓力達(dá)到一定壓力以上的情況下被關(guān)閉的閥部的構(gòu)造。當(dāng)采用此種構(gòu)造的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41時(shí)，就不需要電氣的控制，可以用簡易的裝置構(gòu)成壓力控制機(jī)構(gòu)40。
根據(jù)此種壓力控制機(jī)構(gòu)40，由于即使在被燃料電池FC消耗的氫氣減少，系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力上升的情況下，通過同時(shí)增加配管34的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41的二次側(cè)的壓力，使壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41進(jìn)行流量的減少或停止，水蒸氣的供給量就會(huì)減少，因此氫氣的產(chǎn)生量也會(huì)減少，其結(jié)果是，可以將系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力控制為達(dá)到設(shè)定范圍。
上述說明中，因壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41進(jìn)行流量的減少或停止，會(huì)產(chǎn)生貯液部32的溫度或壓力過度上升的情況。所以，優(yōu)選還設(shè)置如下的控制機(jī)構(gòu)，即，檢測貯液部32的溫度或壓力，控制加熱機(jī)構(gòu)31，使得貯液部32的溫度或壓力達(dá)到一定值以下。
圖12所示的例子中，雖然壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41是其本身與二次側(cè)的壓力對應(yīng)地進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，但是也可以是另外設(shè)置壓力檢測器，基于來于它的電信號(hào)等與二次側(cè)的壓力對應(yīng)地進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。該情況下，壓力檢測器也可以設(shè)于配管24或燃料電池FC中。
另外，本發(fā)明中，如圖12所示，在燃料電池FC的陰極側(cè)空間(或流路)15設(shè)有排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)OC。該排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)OC是在一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以上的情況下增加氣體的排出量的機(jī)構(gòu)。當(dāng)增加排出量時(shí)，既可以從無排出的狀態(tài)開始進(jìn)行排出，也可以改變排出量本身。本發(fā)明中，雖然可以使用1個(gè)或多個(gè)燃料電池FC的單元電池，但是將排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)OC設(shè)于成為氫氣供給的最末段的單元電池的排出口5d處。
作為成為排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)OC的壓力控制閥50，只要可以在一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以上的情況下增加氣體的排出量，則無論是何種形式都可以，然而從將構(gòu)造簡易化方面考慮，優(yōu)選自勵(lì)式的控制閥，與外部檢測型相比，更優(yōu)選內(nèi)部檢測型。
本實(shí)施方式中，與第一～第二發(fā)明相同，可以使用如圖6所示的壓力控制閥50，其具備將閥體52向閥座51推靠的推靠機(jī)構(gòu)53、調(diào)節(jié)該推靠機(jī)構(gòu)53的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)54、具有閥座51而收容閥體52的閥座空間55、連通至該閥座空間55而可以利用閥體52封鎖的導(dǎo)入流路56、從閥座空間55向外部連通的排出流路57。壓力控制閥50的詳細(xì)情況如前所述。
本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，如圖13所示，給出如下的例子，即，反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30具有貯液部32和輸送貯液部32的水的加壓輸送機(jī)構(gòu)36，并且利用設(shè)于水蒸氣或氫氣的流路上的壓力檢測機(jī)構(gòu)47、基于來自該壓力檢測機(jī)構(gòu)47的信號(hào)控制所述加壓輸送機(jī)構(gòu)36以使氫氣的壓力達(dá)到設(shè)定值范圍的控制機(jī)構(gòu)46來構(gòu)成壓力控制機(jī)構(gòu)40。該情況下，由于基于來自設(shè)于氫氣的流路上的壓力檢測機(jī)構(gòu)47的信號(hào)來控制加壓輸送機(jī)構(gòu)36，因此可以根據(jù)所輸送的水的量的變動(dòng)，以使系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力達(dá)到設(shè)定范圍的方式進(jìn)行控制。
圖示的例子中，在氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的上游側(cè)，具有水蒸氣發(fā)生部37。對于沒有特別說明的構(gòu)成，與第一實(shí)施方式相同。
作為加壓輸送機(jī)構(gòu)36，只要是可以基于來自控制機(jī)構(gòu)46的操作信號(hào)來調(diào)節(jié)(包括啟動(dòng)、停止)供給量的機(jī)構(gòu)即可，例如可以使用將驅(qū)動(dòng)源設(shè)為電動(dòng)機(jī)的管道型的微型泵、或利用了壓電元件的微型泵、齒輪泵等。
加壓輸送機(jī)構(gòu)36被設(shè)于將一端配置于貯液部32中，將另一端與水蒸氣發(fā)生部37連接的配管35中。
水蒸氣發(fā)生部37具備內(nèi)置型的加熱器38，可以將所供給的水蒸發(fā)而產(chǎn)生水蒸氣。它經(jīng)由配管34而向氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20供給。水蒸氣發(fā)生部37在氫發(fā)生劑21在低溫下產(chǎn)生氫氣的情況下，或在氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20為足夠高的溫度的情況下，都可以省略。
壓力檢測機(jī)構(gòu)47只要是可以檢測并輸出氣體的壓力的機(jī)構(gòu)即可，作為能夠?qū)崿F(xiàn)小型化的機(jī)構(gòu)，優(yōu)選利用了壓電元件或差動(dòng)變壓器的壓力傳感器。而且，來自壓力檢測機(jī)構(gòu)47的信號(hào)并不限于電信號(hào)，也可以是由壓力變動(dòng)等形成的信號(hào)。
壓力檢測機(jī)構(gòu)47雖然被設(shè)于將氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20與燃料電池FC連接的配管24中，即被設(shè)于氫氣的流路中，但是也可以設(shè)于水蒸氣的流路中。各個(gè)流路不需要是配管，也可以在燃料電池FC的內(nèi)部或氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的內(nèi)部的流路(包括空間)中設(shè)置壓力檢測機(jī)構(gòu)47的檢測部。
控制機(jī)構(gòu)46基于來自壓力檢測機(jī)構(gòu)47的信號(hào)，在氫氣的壓力超過設(shè)定值范圍的情況下，停止加壓輸送機(jī)構(gòu)36或減少輸送量，在小于設(shè)定值范圍的情況下，啟動(dòng)加壓輸送機(jī)構(gòu)36或增加輸送量。該控制雖然也可以是單純的開閉控制，但是也可以按照進(jìn)行更為復(fù)雜的PID控制的方式構(gòu)成。這些控制機(jī)構(gòu)46都是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說公知慣用的技術(shù)手段。
另一方面，在可以在更低溫度下進(jìn)行氫發(fā)生劑21與反應(yīng)液的反應(yīng)的情況下，可以不將水蒸發(fā)地向氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20供給。該情況下，就會(huì)形成省略了具備加熱機(jī)構(gòu)38的水蒸氣發(fā)生部37的構(gòu)成。另外，也可以省略氫發(fā)生劑21的加熱機(jī)構(gòu)23。
本發(fā)明的第三實(shí)施方式中，如圖14所示，給出如下的例子，即，反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30具有將水加熱而產(chǎn)生水蒸氣的加熱機(jī)構(gòu)31，并且利用設(shè)于氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的下游側(cè)而根據(jù)二次側(cè)的壓力進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41來構(gòu)成壓力控制機(jī)構(gòu)40。本發(fā)明的第三實(shí)施方式只是設(shè)置壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41的位置與第一實(shí)施方式不同。
根據(jù)此種壓力控制機(jī)構(gòu)40，在由燃料電池FC消耗的氫氣減少，系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力上升的情況下，通過使壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41進(jìn)行流量的減少或停止，就可以將系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力控制為達(dá)到設(shè)定范圍。此時(shí)，雖然壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41的一次側(cè)的壓力上升，但是由于貯液部32的水的蒸發(fā)量變少，因此自然不會(huì)向氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20供給過多的反應(yīng)液。
但是，由于會(huì)產(chǎn)生貯液部32的溫度或壓力過度上升的情況，因此優(yōu)選還設(shè)置如下的控制機(jī)構(gòu)，即，檢測貯液部32的溫度或壓力，控制加熱機(jī)構(gòu)31，使得貯液部32的溫度或壓力達(dá)到一定值以下。
本發(fā)明的第四實(shí)施方式中，如圖15所示，給出如下的例子，即，所述反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30具有貯液部32和將貯液部32的水利用負(fù)壓輸送的配管35，并且利用設(shè)于該配管35中而根據(jù)二次側(cè)的壓力進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41來構(gòu)成壓力控制機(jī)構(gòu)40。在不將氫氣自然排出地進(jìn)行發(fā)電的燃料電池中，因氫氣被發(fā)電所消耗，陽極側(cè)就變?yōu)樨?fù)壓。根據(jù)所述的反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30，可以利用該負(fù)壓來輸送貯液部32的水，此時(shí)，由于設(shè)于輸送配管35中的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41根據(jù)二次側(cè)的壓力進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，因此可以將系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力控制為達(dá)到設(shè)定范圍。
圖示的例子中，在氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的上游側(cè)，具有水蒸氣發(fā)生部37。對于沒有特別說明的構(gòu)成，與第一實(shí)施方式相同。
在將貯液部32的水利用負(fù)壓輸送時(shí)，只要將配管35的一端配置于水中，并為了使貯液部32的空間不變?yōu)樨?fù)壓，而預(yù)先進(jìn)行向大氣開放等操作即可。此時(shí)，因空間與大氣借助疏水性的多孔膜連通，因而可以在防止水的泄漏的同時(shí)，將貯液部32的空間維持為大氣壓。
在利用氫氣的供給，不將氫氣自然排出地進(jìn)行發(fā)電的燃料電池FC中，當(dāng)氫氣被消耗時(shí)，陽極側(cè)空間11就會(huì)慢慢地被減壓而變?yōu)樨?fù)壓。在燃料電池FC的上游側(cè)，氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20與水蒸氣發(fā)生部37借助配管24和配管34而氣密性地連接，當(dāng)陽極側(cè)空間11變?yōu)樨?fù)壓時(shí)，就可以利用配管35將貯液部32的水向水蒸氣發(fā)生部37輸送。在未設(shè)置水蒸氣發(fā)生部37的情況下，貯液部32的水被向氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20輸送。
壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41雖然可以使用與第一實(shí)施方式相同的構(gòu)造的減壓閥等，然而在第四實(shí)施方式中，由于一次側(cè)近似為大氣壓，因此可以使用更為簡易的構(gòu)造的閥類。例如，可以舉出具備可以用壓力調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)推靠力的彈簧、在被該彈簧推靠的狀態(tài)下從反方向受到一次側(cè)流路的壓力而在二次側(cè)的壓力達(dá)到一定壓力以下的情況下開閥的閥部的構(gòu)造。
根據(jù)此種壓力控制機(jī)構(gòu)40，在由燃料電池FC消耗的氫氣增大，系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力降低的情況下，通過壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41進(jìn)行開閥或流量的增加，就可以將水向水蒸氣發(fā)生部37供給，將系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力控制為達(dá)到設(shè)定范圍。此時(shí)，雖然壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)41的二次側(cè)的壓力一次性地上升，但是由于上升前的壓力為負(fù)壓(一個(gè)大氣壓以下)，因此燃料電池FC的內(nèi)壓的上升很難成為問題。
另一方面，在可以將氫發(fā)生劑21與反應(yīng)液的反應(yīng)在更低溫度下進(jìn)行的情況下，可以不使水蒸發(fā)地向氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20供給。該情況下，就會(huì)形成省略了具備加熱機(jī)構(gòu)39的水蒸氣發(fā)生部37的構(gòu)成。另外，也可以省略氫發(fā)生劑21的加熱機(jī)構(gòu)23。
本發(fā)明的第五實(shí)施方式中，如圖16所示，給出了如下的例子，即，反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30具有經(jīng)由流動(dòng)調(diào)節(jié)部與氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20連通的貯液部32，并構(gòu)成通過用所述流動(dòng)調(diào)節(jié)部調(diào)節(jié)來自該貯液部32的反應(yīng)液的供給，來調(diào)節(jié)所述氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的氫氣的發(fā)生量的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)IC。
圖示的例子中，流動(dòng)調(diào)節(jié)部由毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26和閘門構(gòu)件27構(gòu)成，反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30和氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20被一體化。對于沒有特別說明的構(gòu)成，與第一實(shí)施方式相同。
在反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30的內(nèi)部，內(nèi)置有氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)20的反應(yīng)容器22，在反應(yīng)容器22的外部，形成用于貯留反應(yīng)液的貯液部32。在反應(yīng)容器22的內(nèi)部填充有氫發(fā)生劑21，所產(chǎn)生的氫被從鼓泡管28向貯液部32的反應(yīng)液內(nèi)鼓泡排出。在反應(yīng)液為水的情況下，可以利用鼓泡向氫氣供給水分，對于防止燃料電池FC的固體電解質(zhì)13的干燥是有效的。
鼓泡管28的下端優(yōu)選設(shè)為與反應(yīng)容器22的下端大致相同的高度，該情況下，由于即使貯液部32的反應(yīng)液的高度發(fā)生變化，反應(yīng)容器22的內(nèi)壓與反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)30的內(nèi)壓也會(huì)大致相等，因此對毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26產(chǎn)生的來自反應(yīng)液的壓力基本上不會(huì)變化。
所以，利用反應(yīng)液浸透毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26的速度，可以調(diào)節(jié)反應(yīng)液的流入速度。由此，通過在反應(yīng)容器22的底面設(shè)置多個(gè)毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26，并利用閘門構(gòu)件27來阻斷與一部分的毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26的接觸，就可以調(diào)節(jié)反應(yīng)液的流入速度。另外，通過改變毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26的空隙尺寸或厚度等，就可以調(diào)節(jié)各個(gè)毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26中的反應(yīng)液的流入速度。
其結(jié)果是，可以與氫氣的消耗量對應(yīng)地以一定速度產(chǎn)生氫氣，這樣就可以減少氫氣的無謂的排出。
作為毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26，可以使用紙類、無紡布、織布、多孔膜、毛氈、陶瓷等的多孔體等。通過在閘門構(gòu)件27上，設(shè)置O形環(huán)等密封材料，就可以進(jìn)一步提高阻斷接觸時(shí)的密封性。
作為流動(dòng)調(diào)節(jié)部，并不限于使用毛細(xì)管流動(dòng)構(gòu)件26的情況，也可以是流路的單純的節(jié)流裝置或流量調(diào)節(jié)閥等。
實(shí)施例以下，將對具體地表示本發(fā)明的構(gòu)成和效果的實(shí)施例等進(jìn)行說明。
實(shí)施例1在具有耐腐蝕性的SUS(50mm×26mm×0.3mm厚)上利用氯化亞鐵水溶液的蝕刻設(shè)置槽(寬0.8mm，深0.2mm，間隔1.6mm，條數(shù)21條)及周邊卷邊部、氣體導(dǎo)入、排出孔，將其作為陽極側(cè)金屬板。此時(shí)設(shè)于陽極側(cè)金屬板上的氫氣流路部的流路截面積為0.16mm3。同樣地，在具有耐腐蝕性的SUS(50mm×26mm×0.3mm厚)上利用氯化亞鐵水溶液的蝕刻設(shè)置貫穿孔(0.6mm，間距1.5mm，個(gè)數(shù)357個(gè)，接觸區(qū)域的開口率13％)及周邊卷邊部、氣體導(dǎo)入、排出孔，將其作為陰極側(cè)金屬板。此后，將絕緣薄片(50mm×26mm×2mm寬，厚80μm)粘合在SUS上。
另外，薄膜電極組裝體(49.3mm×25.3mm)是如下所示地制作的。鉑催化劑使用了美國ElectroChem公司制20％鉑擔(dān)載碳催化劑(EC-20-PTC)。將該鉑催化劑、碳黑(Akzo公司科琴黑EC)、聚偏氟乙烯(カィナ-)分別以75重量％、15重量％、10重量％的比例混合，向所述鉑催化劑、碳黑、聚偏氟乙烯的混合物中以成為2.5重量％的聚偏氟乙烯溶液的比例添加二甲基甲酰胺，在乳缽中溶解、混合，制作了催化劑糊狀物。將碳紙(東麗制TGP-H-90，厚370μm)切割為20mm×43mm，在其上用抹刀涂布如上所述地制作的催化劑糊狀物約20mg，在80℃的熱風(fēng)循環(huán)式干燥機(jī)中干燥。像這樣就制作了擔(dān)載了4mg的催化劑組合物的碳紙。鉑擔(dān)載量為0.6mg/cm2。
使用如上所述地制作的鉑催化劑擔(dān)載碳紙、作為固體高分子電解質(zhì)(陽離子交換膜)的Nafion薄膜(杜邦公司制Nafion112，25.3mm×49.3mm，厚50μm)，在其兩面使用模具以135℃、2MPa的條件進(jìn)行了2分鐘熱壓。通過將如此得到的薄膜電極組裝體夾入2片上述的SUS板的中央，并如圖2所示地卷邊配合，就可以獲得外形尺寸為50mm×26mm×1.4mm厚這樣的薄型小型的微型燃料電池。該單元電池的氫氣流路部的流路截面積相對于陽極側(cè)電極板的面積為0.019％。將其作為單元電池，如圖3所示，將3個(gè)單元電池串聯(lián)(氣體及電氣)地連接而構(gòu)成了燃料電池。
評價(jià)了該微型燃料電池的電池特性。燃料電池特性使用東陽テクニカ制燃料電池評價(jià)系統(tǒng)，在室溫下向陽極側(cè)流入氫氣(純度100％)，陰極側(cè)向大氣開放，在電流1.0A(電流密度120mA/cm2)的恒定運(yùn)行下進(jìn)行了測定。此時(shí)，氫氣的供給氣體流量對于最上游的單元電池為22.8mL/min，對于最末段的單元電池為7.6mL/min。另外，在最末段的單元電池的排出口設(shè)置壓力控制閥，通過調(diào)節(jié)它(設(shè)定壓力為10KPa)，將平均的氣體的排出量設(shè)為0.1mL/min。也就是設(shè)定為，相對于向最末段的單元電池供給的氫氣來說排出1.3體積％的氣體。
將此時(shí)的電壓的經(jīng)時(shí)變化表示于圖5中。根據(jù)該結(jié)果判斷，可以在長時(shí)間內(nèi)維持大致相同的輸出電壓值。
比較例1除了在實(shí)施例1中，未設(shè)置壓力控制閥，不從最末段的單元電池中排出氣體以外，利用與實(shí)施例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖5中。如該結(jié)果所示，在不從單元電池中排出氣體的情況下，燃料電池的輸出電壓在約20分鐘時(shí)就達(dá)到一半以下，說明發(fā)電提前停止。
參考例1除了在實(shí)施例1中，在進(jìn)行電流1.0A的恒定運(yùn)行的同時(shí)，不設(shè)置壓力控制閥，將來自最末段的單元電池的平均氣體的排出量設(shè)為4.56mL/min(總供給量的20體積％)以外，利用與實(shí)施例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖5中。如該結(jié)果所示，判明了參考例1中與實(shí)施例1相比，雖然電壓略有上升，但是與實(shí)施例1基本上沒有差別。
實(shí)施例2除了在實(shí)施例1中，在進(jìn)行電流0.5A的恒定運(yùn)行(對最末段的單元電池以3.8mL/min供給)的同時(shí)，相對于向最末段的單元電池供給的氫氣排出1.3體積％的氣體以外，利用與實(shí)施例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖5中。如該結(jié)果所示，判明了可以在長時(shí)間內(nèi)維持大致相同的輸出電壓值。
比較例2除了在比較例1中，在進(jìn)行電流0.5A的恒定運(yùn)行(對最末段的單元電池以3.8mL/min供給)的同時(shí)，不從最末段的單元電池中排出氣體以外，利用與比較例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖5中。如該結(jié)果所示，在不從單元電池中排出氣體的情況下，燃料電池的輸出電壓在約15分鐘時(shí)就達(dá)到一半以下，說明發(fā)電提前停止。
實(shí)施例3除了在實(shí)施例1中，在進(jìn)行電流1.5A的恒定運(yùn)行(對最末段的單元電池以11.4mL/min供給)的同時(shí)，相對于向最末段的單元電池供給的氫氣排出1.3體積％的氣體以外，利用與實(shí)施例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖5中。如該結(jié)果所示，判明可以在長時(shí)間內(nèi)維持大致相同的輸出電壓值。
比較例3除了在比較例1中，在進(jìn)行電流1.5A的恒定運(yùn)行(對最末段的單元電池以11.4mL/min供給)的同時(shí)，不從最末段的單元電池中排出氣體以外，利用與比較例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖5中。如該結(jié)果所示，在不從單元電池中排出氣體的情況下，燃料電池的輸出電壓在約30分鐘時(shí)就達(dá)到一半以下，說明發(fā)電提前停止。
實(shí)施例4除了在實(shí)施例1中，在進(jìn)行電流1.0A的恒定運(yùn)行(對最末段的單元電池以7.6mL/min供給)的同時(shí)，將來自最末段的單元電池的氣體的排出量改變?yōu)?～12cc/h以外，利用與實(shí)施例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖6中。如該結(jié)果所示，判明了在0.6cc/h(排出量0.13體積％)以上時(shí)，可以在長時(shí)間內(nèi)維持大致相同的輸出電壓值，在與0cc/h(0體積％)之間有臨界值。
實(shí)施例5除了在實(shí)施例1中，在用設(shè)于排出口的壓力控制閥設(shè)定為5KPa的壓力，進(jìn)行電流1.0A的恒定運(yùn)行(對最末段的單元電池以7.6mL/min供給)的同時(shí)，將來自最末段的單元電池的氣體的排出量改變?yōu)?.0～8.0cc/h以外，利用與實(shí)施例1相同的方法制作燃料電池，評價(jià)了燃料電池特性。將其結(jié)果表示于圖7中。如該結(jié)果所示，判明了在7.7cc/h(排出量1.7體積％)以上時(shí)，可以在長時(shí)間內(nèi)維持大致相同的輸出電壓值，在與5.4cc/h(1.2體積％)之間有臨界值。
實(shí)施例6除了在實(shí)施例1中，在用設(shè)于排出口的壓力控制閥設(shè)定為5KPa的壓力，進(jìn)行電流1.0A的恒定運(yùn)行(對最末段的單元電池以7.6mL/min供給)的同時(shí)，將來自最末段的單元電池的氣體的排出量改變?yōu)?～15cc/h以外，利用與實(shí)施例1相同的方法制作燃料電池，用氣體色譜法測定了排出氣體的組成。將其結(jié)果表示于圖8中。如該結(jié)果所示，判明了在氣體的排出量為5cc/h～10cc/h的情況下，排出氣體中的氫氣的濃度將會(huì)小于50體積％。根據(jù)該結(jié)果與實(shí)施例1和參考例1的對比可知，雜質(zhì)氣體僅被濃縮于壓力控制閥的附近，由此發(fā)電效率提高。
實(shí)施例7在鎳板(50mm×26mm×0.3mm厚)上利用氯化亞鐵水溶液的蝕刻設(shè)置槽(寬0.8mm，深0.2mm，間隔1.6mm，條數(shù)21條)及周邊薄壁部(厚100μm)、氣體導(dǎo)入、排出孔。其后，對周邊薄壁部進(jìn)行沖壓加工而形成階梯部(階梯150μm)和周緣部，在整個(gè)面進(jìn)行鍍金(鍍膜厚0.5μm)而制成了陽極側(cè)金屬板。
同樣地，在鎳板(50mm×26mm×0.3mm厚)上利用氯化亞鐵水溶液的蝕刻設(shè)置了貫穿孔(1.0mm，間距1.5mm，個(gè)數(shù)350個(gè))及周邊薄壁部、氣體導(dǎo)入、排出孔。其后，對周邊薄壁部進(jìn)行沖壓加工而形成階梯部(階梯150μm)和周緣部，在整個(gè)面進(jìn)行鍍金(鍍膜厚0.5μm)，將其作為陰極側(cè)金屬板。此后，將絕緣薄片(50mm×26mm×2mm寬，厚80μm)粘合在周緣部上。
另外，薄膜電極組裝體(49.3mm×25.3mm)是如下所示地制作的。鉑催化劑使用了美國ElectroChem公司制20％鉑擔(dān)載碳催化劑(EC-20-PTC)。將該鉑催化劑、碳黑(Akzo公司科琴黑EC)、聚偏氟乙烯(カィナ-)分別以75重量％、15重量％、10重量％的比例混合，向所述鉑催化劑、碳黑、聚偏氟乙烯的混合物中以成為2.5重量％的聚偏氟乙烯溶液的比例添加二甲基甲酰胺，在乳缽中溶解、混合，制作了催化劑糊狀物。將碳紙(東麗制TGP-H-90，厚300μm)切割為20mm×43mm，在其上用抹刀涂布如上所述地制作的催化劑糊狀物約20mg，在80℃的熱風(fēng)循環(huán)式干燥機(jī)中干燥。像這樣就制作了擔(dān)載了4mg的催化劑組合物的碳紙。鉑擔(dān)載量為0.6mg/cm2。
使用如上所述地制作的鉑催化劑擔(dān)載碳紙、作為固體高分子電解質(zhì)(陽離子交換膜)的Nafion薄膜(杜邦公司制Nafion112，25.3mm×49.3mm，厚25μm)，在其兩面使用模具以135℃、2MPa的條件進(jìn)行了2分鐘熱壓。通過將如此得到的薄膜電極組裝體夾入2片所述的金屬板的中央，如圖2所示地卷邊配合，就可以獲得外形尺寸為50mm×26mm×1.4mm厚這樣的薄型小型的微型燃料電池。
在該燃料電池的陽極側(cè)金屬板的排出口，設(shè)置圖4所示的構(gòu)造的壓力控制閥，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力達(dá)到0.00MPa、0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa及0.05MPa，控制了壓力。分別評價(jià)了此時(shí)的燃料電池的電池特性。燃料電池特性使用東陽テクニカ制燃料電池評價(jià)系統(tǒng)，在室溫下向陽極側(cè)流入純氫氣(陰極側(cè)向大氣開放)。氣體流量設(shè)為0.2L/min。將所得的輸出密度表示于圖11中。
根據(jù)圖11的結(jié)果可知，本發(fā)明中在0.02MPa～0.05MPa下可以獲得高輸出。
實(shí)施例8使用與實(shí)施例7相同的燃料電池，將控制壓力進(jìn)一步提高，研究了此時(shí)的電池的輸出和來自密封部的氣體的泄漏。其結(jié)果是，直至0.1 0MPa附近，輸出慢慢地增加，當(dāng)超過0.20MPa時(shí)，產(chǎn)生了來自密封部的氣體的泄漏。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，具備單個(gè)或多個(gè)單元電池，該單元電池由板狀的固體高分子電解質(zhì)、配置于該固體高分子電解質(zhì)的一側(cè)的陰極側(cè)電極板、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板、向所述陰極側(cè)電極板供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向所述陽極側(cè)電極板供給氫氣的氫氣流路部形成，其特征是，對于成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，將所述氫氣流路部的流路截面積設(shè)為所述陽極側(cè)電極板的面積的1％以下，并且在所述氫氣流路部的排出口，設(shè)有將相對于向單元電池供給的氫氣來說為0.02～4體積％的氣體排出的排出控制機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征是，所述排出控制機(jī)構(gòu)是以使一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以下的方式將氣體排出的壓力控制閥。
3.一種燃料電池，具備板狀的固體高分子電解質(zhì)、配置于該固體高分子電解質(zhì)的一側(cè)的陰極側(cè)電極板、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板、配置于所述陰極側(cè)電極板的表面而使氣體能夠向內(nèi)面?zhèn)攘魍ǖ年帢O側(cè)金屬板、配置于所述陽極側(cè)電極板的表面而使燃料能夠向內(nèi)面?zhèn)攘魍ǖ年枠O側(cè)金屬板，其特征是，將所述兩側(cè)的金屬板的周緣以電絕緣的狀態(tài)利用壓彎機(jī)進(jìn)行密封，并且所述陽極側(cè)金屬板具有燃料的注入口和排出口，在其排出口設(shè)置有將內(nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為規(guī)定值的壓力控制閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征是，所述壓力控制閥具備將閥體向閥座推靠的推靠機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)該推靠機(jī)構(gòu)的推靠力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、具有閥座而收容閥體的閥座空間、連通至該閥座空間并能夠利用閥體封鎖的導(dǎo)入流路、從閥座空間向外部連通的排出流路。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其特征是，所述壓力控制閥能夠?qū)⑺鰞?nèi)面?zhèn)瓤臻g的壓力控制為0.02～0.20MPa的范圍內(nèi)的規(guī)定值。
6.一種發(fā)電方法，向單個(gè)或多個(gè)單元電池供給氫氣和含氧氣體而進(jìn)行發(fā)電，該單元電池由板狀的固體高分子電解質(zhì)、配置于該固體高分子電解質(zhì)的一側(cè)的陰極側(cè)電極板、配置于另一側(cè)的陽極側(cè)電極板、向所述陰極側(cè)電極板供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向所述陽極側(cè)電極板供給氫氣的氫氣流路部形成，其特征是，對于成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，在利用氫氣的流動(dòng)將雜質(zhì)氣體濃縮在排出口附近的同時(shí)，從單元電池中少量地排出氣體，使得所濃縮的雜質(zhì)氣體的量達(dá)到一定值以下，在該狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)電方法，其特征是，作為成為氫氣供給的最末段的所述單元電池，使用所述氫氣流路部的流路截面積為所述陽極側(cè)電極板的面積的1％以下的單元電池，并且相對于向成為氫氣供給的最末段的所述單元電池供給的氫氣來說，從該單元電池中排出0.02～4體積％的氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)電方法，其特征是，向成為氫氣供給的最末段的所述單元電池中供給氫氣，使得以所述氫氣流路部的流路截面積為基準(zhǔn)計(jì)算的供給氣體的線流速達(dá)到0.1m/秒以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)電方法，其特征是，從所述單元電池中排出的氣體中所含的氫氣的濃度小于50體積％。
10.一種便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，具備將氫氣向陽極側(cè)供給而進(jìn)行發(fā)電的燃料電池、利用在與反應(yīng)液的反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生劑向所述燃料電池供給氫氣的氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)、向該氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)供給反應(yīng)液的反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)氫氣向所述燃料電池的供給量的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、設(shè)于所述燃料電池的陽極側(cè)而在一次側(cè)的壓力達(dá)到一定值以上的情況下增加氣體的排出量的排出側(cè)控制機(jī)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有以使系統(tǒng)內(nèi)的氫氣的壓力達(dá)到設(shè)定范圍的方式進(jìn)行控制的壓力控制機(jī)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的便攜式機(jī)器用電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述反應(yīng)液供給機(jī)構(gòu)具有借助流動(dòng)調(diào)節(jié)部與所述氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)連通的貯液部，并構(gòu)成通過用所述流動(dòng)調(diào)節(jié)部調(diào)節(jié)來自該貯液部的反應(yīng)液的供給，來調(diào)節(jié)所述氫氣發(fā)生機(jī)構(gòu)的氫氣的發(fā)生量的供給側(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池及使用該燃料電池的發(fā)電方法，其氫氣的排出量少，難以產(chǎn)生排出氣體處理或氣體排放的問題，而且可以穩(wěn)定并且持續(xù)有效地進(jìn)行發(fā)電。該燃料電池具備單個(gè)或多個(gè)單元電池(UC)，該單元電池(UC)由板狀的固體高分子電解質(zhì)(1)、其陰極側(cè)電極板(2)、陽極側(cè)電極板(3)、向所述陰極側(cè)電極板(2)供給含氧氣體的含氧氣體供給部、向所述陽極側(cè)電極板(3)供給氫氣的氫氣流路部形成，其中，對于成為氫氣供給的最末段的所述單元電池(UC)，將所述氫氣流路部的流路截面積設(shè)為所述陽極側(cè)電極板(3)的面積的1％以下，并且在所述氫氣流路部的排出口，設(shè)有將相對于向單元電池(UC)供給的氫氣來說為0.02～4體積％的氣體排出的排出控制機(jī)構(gòu)(10)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101027808SQ200580032619
公開日2007年8月29日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月5日
發(fā)明者矢野雅也, 杉本正和, 杉田泰一, 桶結(jié)卓司 申請人:日東電工株式會(huì)社