專利名稱：用于便攜式電子裝置的燃料電池卡盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型改進(jìn)的用于便攜式電子裝置的燃料電池組件和卡盒。更具體而言，本發(fā)明針對(duì)用于液體進(jìn)料直接甲醇聚合物電解質(zhì)膜燃料電池組件的燃料卡盒。
背景技術(shù)：
聚合物電解質(zhì)膜在諸如電池和燃料電池等的電化學(xué)裝置中是有用的，這是因?yàn)樗鼈兛梢宰鳛殡娊赓|(zhì)和隔膜。這樣的膜可以很容易的制作成薄柔性膜，所述柔性膜可以用于不同形狀的電池中。
全氟磺化烴類離聚物，比如杜邦公司的NAFION或者類似的Dow全氟化聚合物目前被用作燃料電池的聚合物電解質(zhì)。然而，這些現(xiàn)有技術(shù)中的膜用在氫/空氣燃料電池和液體進(jìn)料直接甲醇燃料電池中存在嚴(yán)重的限制性。
一個(gè)包括這種現(xiàn)有技術(shù)膜的燃料電池的例子參見Hockaday的美國專利No.5,759,712，其中示出了一種用于微型燃料電池電源組的表面復(fù)形燃料電池。公開的微型燃料電池電源組被構(gòu)造用作蜂窩式電話的電源。設(shè)置蒸發(fā)歧管用于從燃料儲(chǔ)瓶中吸出燃料。
尤其需要的是燃料電池組件具有一個(gè)可拆卸的燃料卡盒，所述燃料卡盒能夠保持正壓以使燃料易于從該卡盒流至燃料電池組件中。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒包括具有第一容器部分和第二容器部分的剛性燃料容器，所述容器密封著可膨脹的燃料囊和可膨脹的壓力構(gòu)件。第一容器部分和第二容器部分可以永久地相互固定在一起。粘結(jié)劑可以將所述容器部分粘接在一起。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，液體燃料為甲醇。
第二室可包括一個(gè)通過第一端口與第一室流體連通的計(jì)量閥，并且其中第二室包括被設(shè)置以與燃料電池組件的陽極回路流體連通的第二端口。燃料計(jì)量閥能夠受到位于燃料電池組件中的致動(dòng)器的控制。第二室可包括用于與燃料電池組件的陽極回路流體連通的進(jìn)口和出口，進(jìn)口和出口之間的流體連接器以及與第一室和流體連接器流體連通的計(jì)量閥。燃料計(jì)量閥能夠受到位于燃料電池組件中的致動(dòng)器的控制。燃料卡盒可包括位于第二室內(nèi)的與第一室或者流體連接器流體連通的燃料過濾器。燃料卡盒可包括與第一室或者流體連接器流體連通的離子交換樹脂。第二室可包括用于與燃料電池組件的陽極回路流體連通的進(jìn)口和出口，進(jìn)口和出口之間的流體連接器，與第一室流體連通的計(jì)量閥以及用于與燃料電池組件的陽極回路流體連通的燃料進(jìn)料口。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種用于液體燃料電池組件的可拆卸燃料電池卡盒，該燃料電池組件包括一個(gè)具有至少一個(gè)用于向燃料電池組件傳送燃料的端口的第一燃料室的容器，以及一個(gè)具有至少兩個(gè)端口的吸收裝置，其中至少一個(gè)端口與燃料電池組件相連通。該吸收裝置可被構(gòu)造以用來從燃料電池組件的排氣中除去水或者在燃料電池的陽極側(cè)產(chǎn)生的二氧化碳。該容器可包括一個(gè)第二室，該吸收裝置位于該第二室中。第一室和第二室可以用一個(gè)固定不動(dòng)的分隔器隔開。該燃料卡盒可包括一個(gè)或多個(gè)選自包括空氣過濾器、燃料過濾器、離子交換柱、風(fēng)扇、泵、泵控制芯片、計(jì)量閥、計(jì)量泵、膜、吸水劑、二氧化碳吸收劑和甲醇吸收劑的組中的附加部件。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于移動(dòng)電話和其它便攜式電子裝置的緊湊型燃料電池卡盒。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于便攜式電子裝置的燃料電池卡盒，其可以快速地補(bǔ)給燃料，由此減輕為電池再充電所需時(shí)間長的問題。
而本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種燃料電池組件，其可以使用可更換的保持燃料正壓的燃料卡盒快速和方便地補(bǔ)給燃料。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種可拆卸的燃料卡盒，其永久密封以禁止無意或有意地使燃料囊和/或其中包含的燃料受到損害。
被加入其中并且構(gòu)成本說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，且連同說明書一起用以解釋本發(fā)明的原理。


圖1為示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)與便攜式電子裝置相結(jié)合的燃料電池組件的透視圖。
圖2為去除了便攜式電子裝置的圖1所示的燃料電池組件的分解前視透視圖。
圖3為圖2所示的燃料電池組件的分解后視透視圖。
圖4為圖1所示燃料電池組件中的膜電極組件的示意圖。
圖5為不帶有電極的圖4所示的膜電極組件的截面放大示意圖。
圖6為圖2和3所示的陽極板的透視圖。
圖7為圖2和3所示的可拆卸的燃料卡盒的透視圖，圖中示意性地示出了可膨脹的燃料囊和可膨脹的壓力構(gòu)件。
圖8為與圖1所示的相似的一個(gè)去除了便攜式電子裝置的另一種可選的燃料電池組件的分解側(cè)視透視圖。
圖9(a)為圖8所示的燃料電池組件的陰極板的放大平面圖。
圖9(b)為圖9所示的陰極板沿圖9(a)中線9-9的截面放大圖。
圖10為圖8所示燃料電池組件中的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖11為與圖10所示相似的用于圖8所示燃料電池組件的改進(jìn)的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖12(a)為用于圖8所示燃料電池組件的二通閥組件的放大的分解透視圖。
圖12(b)為圖12(a)所示的二通閥組件的放大透視圖。
圖13為根據(jù)本發(fā)明與圖10所示相似的一種改進(jìn)的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖14為根據(jù)本發(fā)明與圖10所示相似的另一種改進(jìn)的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖15為根據(jù)本發(fā)明與圖10所示相似的另一種改進(jìn)的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖16為根據(jù)本發(fā)明與圖10所示相似的另一種改進(jìn)的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖17為根據(jù)本發(fā)明與圖10所示相似的另一種改進(jìn)的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖18為根據(jù)本發(fā)明與圖10所示相似的另一種改進(jìn)的可拆卸的燃料卡盒的分解前視透視圖。
圖19為可與根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件，如圖1和8所示的燃料電池組件結(jié)合使用的水回收系統(tǒng)的示意圖。
圖20為可與根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件，如圖1和8所示的燃料電池組件結(jié)合使用的燃料電池組件的流程示意圖。
圖21為根據(jù)本發(fā)明的具有附加囊的可拆卸的燃料卡盒的示意圖。
圖22為根據(jù)本發(fā)明的適于適應(yīng)水的凍結(jié)性(freezability)的燃料電池組件的示意圖。
圖23為根據(jù)本發(fā)明的適于利用產(chǎn)物二氧化碳的燃料電池組件的示意圖。
圖24為根據(jù)本發(fā)明的具有可置換的燃料卡盒的燃料電池組件一部分的示意圖。
圖25為根據(jù)本發(fā)明的具有改進(jìn)的可置換的燃料卡盒的燃料電池組件一部分的示意圖。
圖26、圖26(a)、圖26(b)和圖26(c)分別為根據(jù)本發(fā)明的可再裝的注射器組件、可置換的注射器組件、內(nèi)部注射器組件和可置換的卡盒注射器組件的示意圖。
圖27為根據(jù)本發(fā)明的可再裝的注射器組件的示意圖。
圖28為根據(jù)本發(fā)明的另一種可再裝的注射器組件的示意圖。
圖29為根據(jù)本發(fā)明的一種可置換的注射器組件的示意圖。
圖30為根據(jù)本發(fā)明的另一種可再裝的注射器組件的示意圖。
圖31為根據(jù)本發(fā)明的另一種可再裝的注射器組件的示意圖。
圖32為根據(jù)本發(fā)明的另一種可再裝的注射器組件的示意圖。
圖33為根據(jù)本發(fā)明的另一種可置換的注射器組件的示意圖。
圖34為根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)部注射器組件的示意圖。
圖35(a)和圖35(b)為根據(jù)本發(fā)明的使用波紋管的另一種可選的燃料貯存器結(jié)構(gòu)的示意圖，該波紋管分別顯示為空的和滿的。
圖36(a)、圖36(b)、和圖36(c)為根據(jù)本發(fā)明的利用彈簧偏壓的壓縮板的其它燃料貯存器結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖37為根據(jù)本發(fā)明的使用多個(gè)燃料貯存器的另一種可選結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖38為根據(jù)本發(fā)明的另一種可選的可更換的燃料卡盒的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參考優(yōu)選實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是應(yīng)該理解并不是旨在將本發(fā)明限制在這些實(shí)施例的范圍內(nèi)。相反，本發(fā)明旨在覆蓋那些被包括在由所附權(quán)利要求限定出的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的其它可選方式、改進(jìn)方案和等效方案。
酸性聚合物包括酸性子單元，其優(yōu)選包括酸性基，所述酸性基包括磺酸基、磷酸基、和羧酸基。包括磺酸基的聚合物的例子包括全氟磺化烴，比如NAFION；磺化芳香族聚合物比如磺化聚醚醚酮(sPEEK)、磺化聚醚醚砜(sPEES)、磺化聚苯并雙吲哚、磺化聚苯并噻唑、磺化聚苯并咪唑、磺化聚酰胺、磺化聚醚酰亞胺、磺化聚苯醚、磺化聚苯硫，以及其它磺化芳香族聚合物。該磺化芳香族聚合物可被部分或者全部氟化。其它磺化聚合物包括聚乙烯磺酸、磺化聚苯乙烯、丙烯腈和2-丙烯酰胺-2-甲基-1丙烷磺酸的共聚物、丙烯腈和乙烯基磺酸的共聚物、丙烯腈和苯乙烯磺酸的共聚物、丙烯腈和甲基丙烯酰氧基乙烯氧基丙烷磺酸的共聚物、丙烯腈與甲基丙烯酰氧基乙烯氧基四氟乙烯磺酸的共聚物等等。這些聚合物可被部分或者全部氟化。任何類別的磺化聚合物包括磺化聚磷腈，比如聚(磺基苯氧基)磷腈或者聚(磺基乙氧基)磷腈。該磷腈聚合物可被部分或者全部磺化?；腔交柩跬楹凸簿畚?、聚(磺基烷氧基)磷腈、聚(磺基四氟乙氧基丙氧基)硅氧烷。此外，可使用任何聚合物的共聚物。優(yōu)選sPEEK在60％和200％之間磺化，更優(yōu)選地在70％至150％，最優(yōu)選地在80％到120％之間磺化。就這點(diǎn)而言，100％磺化表明每個(gè)聚合物重復(fù)單元具有一個(gè)磺酸基團(tuán)。
具有羧酸基的聚合物的例子包括聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸，它們的聚合物均包括與乙烯基咪唑或者丙烯腈的共聚物，等等。聚合物可被部分或者全部氟化。
包括磷酸基的酸性聚合物的例子包括聚乙烯磷酸、聚苯并咪唑磷酸，等等。聚合物可被部分或者全部氟化。
堿性聚合物包括堿性子單元，其優(yōu)選包括堿性基比如芳香族胺、脂肪族胺或者雜環(huán)含氮官能團(tuán)。堿性聚合物的例子包括芳香族聚合物比如聚苯并咪唑、聚乙烯基咪唑、N-烷基或者N-芳基聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、聚苯并惡唑、聚喹啉、和含有帶雜芳香族氮的官能團(tuán)，比如惡唑、異惡唑、咔唑、吲哚、異吲哚、1，2，3-惡二唑、1，2，3-噻二唑、1，2，4-噻二唑、1，2，3-三唑、苯并三唑、1，2，4-三唑、四唑、吡咯、N-烷基或者N-芳基吡咯、吡咯烷、N-烷基和N-芳基吡咯烷、吡啶、吡唑基等等。這些聚合物可被部分或者全部氟化。脂肪族聚胺的例子包括聚乙烯亞胺、聚乙烯基吡啶、聚(丙烯胺)等等。這些堿性聚合物可被部分或者全部氟化。聚苯并咪唑(PBI)為一種優(yōu)選的堿性聚合物。聚乙烯基咪唑(PVI)為一種特別優(yōu)選的堿性聚合物。
彈性體聚合物包括彈性體子單元，其優(yōu)選包括彈性體基比如腈、二氟乙烯、硅氧烷和磷腈基。彈性體聚合物的例子包括聚丙烯腈、丙烯腈共聚物、聚二氟乙烯、二氟乙烯共聚物、聚硅氧烷、硅氧烷共聚物和聚磷腈，比如聚(三氟甲基乙氧基)磷腈。
彈性體聚合物可以可聚合單體的形式加入到該聚合物膜中以制備半貫通的網(wǎng)絡(luò)。該單體可以通過光化學(xué)聚合，或者通過熱處理以得到半-IPN。
彈性體共聚物可以指包括彈性體子單元和一個(gè)或者更多酸性子單元或者堿性子單元的彈性體聚合物。比如，如果使用酸性聚合物例如sPEEK，那么包括彈性體子單元和堿性子單元的彈性體共聚物可以用在二元組分中。另一種可選方式是，如果使用堿性聚合物，那么該彈性體共聚物將包括彈性體子單元和酸性子單元。這樣的二元混合物可以與其它聚合物和共聚物一起使用以形成附加組分。
可以意識(shí)到還可以使用比如在2003年5月13日提交的題為“Sulfonated Copolymer(磺化共聚物)”的美國專利申請(qǐng)No.10/438,186，和2003年5月13日提交的題為“Ion Conductive BlockCopolymers(離子傳導(dǎo)塊狀共聚物)”的美國專利No.10/3438,299中記載的其它聚合物和共聚物，這些專利申請(qǐng)以引用的方式結(jié)合在這里。
如在此所使用的，膜電極組件(MEA)指的是聚合物電解質(zhì)膜(PEM)與位于PEM相對(duì)側(cè)上的陽極和陰極催化劑的結(jié)合。它還可以包括與催化劑層電接觸的陽極和陰極電極。
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的用于便攜式電子裝置32的燃料電池組件31。在所示實(shí)施例中，燃料電池組件為液體燃料電池組件，而便攜式電子裝置為移動(dòng)電話。甲醇是便利的液體燃料來源，其易于進(jìn)行處理并容易容納在簡單的塑料封殼內(nèi)。甲醇也相對(duì)便宜，當(dāng)前可以廣泛地獲得?？梢砸庾R(shí)到還可以使用其它類型的燃料。
如圖所示的燃料電池組件31適于用在諸如蜂窩式電話的移動(dòng)電話中。比如說，燃料電池組件31可被構(gòu)造用以向移動(dòng)電話提供持續(xù)電源，所述移動(dòng)電話一般具有功率消耗范圍從在當(dāng)最臨近相應(yīng)發(fā)送器時(shí)的3.3V(1.2W)360mA，到當(dāng)離相應(yīng)發(fā)送器最遠(yuǎn)時(shí)3.3V(1.98W)600mA。但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的燃料電池組件可被構(gòu)造用以向具有各種功率消耗范圍的其它便攜式電子裝置提供持續(xù)的電能，仍然落入了本發(fā)明的范圍之內(nèi)。比如，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池組件可用以向個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、筆記本和膝上電腦、便攜式CD播放器、以及其它便攜式電子裝置提供電力。
如圖2和3所示，燃料電池組件31一般包括膜電極組件33，陽極板37，陰極板38，可拆卸的燃料卡盒39，燃料傳輸系統(tǒng)40和電壓調(diào)節(jié)器41。燃料電池組件31利用各種緊固件和/或卡扣部件和/或壓敏粘結(jié)劑進(jìn)行組裝。比如說，螺紋緊固件42延伸穿過陰極板38，延伸穿過分別位于陰極電極48、膜電極組件33和陽極電極49上的裝配孔43、44和45，延伸進(jìn)入位于陽極板37上的裝配孔50并與螺母51配合，如圖2由左向右所示。施加到上述部件的鄰接表面上的壓敏粘結(jié)劑可以輔助或者替代螺紋緊固件42。然而應(yīng)該意識(shí)到的是還可以使用其它組裝方法。
電極與聚合物電解質(zhì)膜53直接或間接電接觸，并能夠構(gòu)成一個(gè)包括聚合物電解質(zhì)膜53和為其提供電流的便攜式電子裝置32負(fù)載的電路。更具體而言，第一催化劑54為與聚合物電解質(zhì)膜53的陽極側(cè)以電子催化的方式相連接，從而有利于諸如甲醇等的無機(jī)燃料的氧化，如圖4示意性所示。這種氧化一般會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子、電子和二氧化碳以及水。由于聚合物電解質(zhì)膜53基本不滲透諸如甲醇等有機(jī)燃料以及二氧化碳，因此這些組分保留在聚合物電解質(zhì)膜53的陽極側(cè)。由電子催化反應(yīng)產(chǎn)生的電子從陰極電極48傳送到負(fù)載，然后到達(dá)陽極電極49。平衡這一直流電子流的是質(zhì)子或者其它適當(dāng)陽離子物質(zhì)的遷移，即等量的質(zhì)子通過聚合物電解質(zhì)膜到達(dá)陽極室。在存在遷移過來的質(zhì)子的條件下，氧發(fā)生電子催化還原生成水。
膜電極組件33一般用于將燃料電池組件31分隔成陽極和陰極室。在這樣的燃料電池系統(tǒng)中，有機(jī)燃料例如甲醇被加到陽極室，而氧化劑例如氧或環(huán)境空氣進(jìn)入陰極室。根據(jù)燃料電池組件的具體用途，可以組合多個(gè)燃料單電池以獲得合適的電壓和功率輸出。這樣的應(yīng)用包括用作便攜式電子裝置例如蜂窩式電話和其它通訊裝置、視頻和音頻消費(fèi)電子設(shè)備、膝上電腦、筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理和其它計(jì)算裝置、地理定位系統(tǒng)(GPS’s)等的電源。
膜電極組件33包括多個(gè)膜電極組件單元，每個(gè)單元通常包括一個(gè)陽極49，一個(gè)陰極50和一個(gè)聚合電解質(zhì)膜53。每個(gè)聚合物電解質(zhì)膜為帶有催化層的連續(xù)板。聚合物電解質(zhì)膜在催化層之間形成電解質(zhì)，并連同催化層一起被夾在陽極和陰極之間。聚合物電解質(zhì)膜53具有分別位于鄰近陽極49和陰極48的燃料側(cè)和氧氣側(cè)，如圖4示意性所示。膜電極組件33進(jìn)一步包括分別位于聚合物電解質(zhì)膜53燃料側(cè)和氧氣側(cè)上的第一催化劑54和第二催化劑59。在聚合物電解質(zhì)膜陽極側(cè)上的催化劑優(yōu)選為鉑釕催化劑，而位于陰極側(cè)上的催化劑優(yōu)選為鉑催化劑。
陽極49與第一催化劑54電連接，而陰極48與第二催化劑59電連接。在一個(gè)實(shí)施例中，電極由鍍金不銹鋼構(gòu)成。每個(gè)膜電極組件單元的電極尺寸和結(jié)構(gòu)提供電極與膜電極組件單元相應(yīng)催化層之間的電接觸。優(yōu)選地，每個(gè)電極包括銅接頭。
圖5為不帶有電極的膜電極組件33的截面圖。該膜電極組件包括聚合物電解質(zhì)膜，第一和第二催化劑層和通常至少一個(gè)在陰極側(cè)上的氣體和水滲透層，用于將空氣傳輸?shù)疥帢O催化劑層，而將水從陰極催化劑層傳輸走。通常碳紙或碳布用于此目的。此外，優(yōu)選在陽極催化劑層上設(shè)置碳襯里以防止催化劑層受到電極的損害。由于該襯里通常包含導(dǎo)電材料例如碳，因此電極可直接放置在該襯里上以完整構(gòu)成該膜電極組件。
根據(jù)本發(fā)明可以使用各種膜。例如全氟化烴類磺化離聚物，如NAFION可用于形成根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)膜。應(yīng)該意識(shí)到還可以使用其它膜。
在一個(gè)實(shí)施例中，聚合物電解質(zhì)膜包括第一、第二和可選的第三聚合物，其中第一聚合物為包括酸性子單元的酸性聚合物，第二聚合物為包括堿性子單元的堿性聚合物，并且其中(i)可選擇的第三聚合物為包括彈性體子單元的彈性體聚合物，或者(ii)第一或第二聚合物中的至少一個(gè)為進(jìn)一步包括一個(gè)彈性體子單元的彈性體共聚物。這樣的聚合物電解質(zhì)膜和聚合物組成由此作為膜電極組件、燃料電池和使用這樣的膜的電化學(xué)裝置在2001年6月1日提交的題為“PolymerComposition(聚合物組成)”的共同待審的美國專利申請(qǐng)No.09/872,770；以及相應(yīng)的國際申請(qǐng)，國際公開號(hào)No.WO01/94450A2，
公開日為2001年12月13日，題為“Polymer Composition(聚合物組成)”；2003年5月13日提交的題為“Ion Conductive BlockCopolymers(離子傳導(dǎo)塊狀共聚物)”美國專利申請(qǐng)No.10/438,299；2003年2月20日提交的題為“Ionic Conductive Polymers(離子傳導(dǎo)聚合物)”的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No60/449,299；2003年5月13日提交的題為“Sulfonated Copolymer(磺化共聚物)”的美國專利申請(qǐng)No.10/438,186；2003年1月23日提交的題為“Acid-Base ProtonConducting Polymer Blend Membrane(酸基質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物共混膜)”的美國專利申請(qǐng)No.10/351,257中有所描述，這些專利申請(qǐng)的全部內(nèi)容以引用的方式結(jié)合在這里。
參照?qǐng)D2，陽極板37包括構(gòu)成了與聚合物電解質(zhì)膜53的燃料側(cè)流體連接的燃料室60的內(nèi)部凹處。陽極板37包括朝向陽極49延伸穿過燃料室60多個(gè)柱61，用以偏壓陽極49形成與聚合物電解質(zhì)53電接觸。陽極板37包括多個(gè)排氣口64，如圖6所示。排氣口延伸穿過側(cè)壁65由此提供可使在燃料室60內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳從燃料室中流出的排氣口。
陰極板38形成一個(gè)封殼或套66，其具有一個(gè)容納膜電極組件33、陽極板37和可拆卸的燃料卡盒39的凹處70。封殼66還包括用以選擇性地接合移動(dòng)電話或者其它便攜式電子裝置的接合結(jié)構(gòu)。所示的封殼包括沿著該封殼每個(gè)側(cè)壁72延伸的接合軌道71，用于可滑動(dòng)地接合便攜式電子裝置32。封殼66還包括用于選擇性地將燃料電池組件31閂鎖到便攜式電子裝置32上的接合突舌75。還提供了用以向移動(dòng)電話傳送電功率的觸點(diǎn)。
封殼可注射成型，然而應(yīng)理解的是還可以使用其它形成封殼的方法。比如封殼可進(jìn)行機(jī)加工等。
在圖1所示的實(shí)施例中，封殼66包括多個(gè)設(shè)計(jì)在封殼66的外表面77內(nèi)的空氣溝槽76，所述封殼66的外表面77通常與移動(dòng)電話使用者的手相接觸。進(jìn)氣口82位于一個(gè)或多個(gè)溝槽76中用以向陰極室提供氧。特別是，氧進(jìn)氣口82從一個(gè)或多個(gè)溝槽76的底部延伸至聚合物電解質(zhì)膜53的氧側(cè)。這樣的結(jié)構(gòu)通過使用者的手掌使氣流通過排氣口和進(jìn)氣口的阻力最小化。
可拆卸的燃料卡盒39通常包括一個(gè)可膨脹的燃料囊86，一個(gè)可膨脹的壓力構(gòu)件87和可密封的出口88，如圖7示意性所示?？刹鹦兜娜剂峡ê?9包括一個(gè)裝入可膨脹的燃料囊86和可膨脹的壓力構(gòu)件87的剛性容器92。在一個(gè)實(shí)施例中，剛性容器92形成永久彼此固定在一起的兩個(gè)部分95、96，使得燃料卡盒不會(huì)被輕易地拆卸。應(yīng)當(dāng)理解的是，剛性容器可以由一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多獨(dú)立的部件構(gòu)成，只要這些部件能構(gòu)成一個(gè)用于支撐和裝入燃料囊的剛性外殼。因此，出于本發(fā)明的目的，術(shù)語“部分”是指形成可拆卸的燃料卡盒的剛性容器的結(jié)構(gòu)部件。雖然部分95和96是基本對(duì)稱的，可以理解的是，該容器的組成部分也可以是不對(duì)稱的。例如，一個(gè)剛性容器部分可以為無底的筒狀，其由具有相應(yīng)底部形狀的另一個(gè)剛性部分密封。
容器部分95、96可以由注射成型的塑性材料以公知方式成形。應(yīng)該理解的是根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它合適的材料和其它合適的制造方法。例如，容器部分可以由塑料、金屬、復(fù)合材料和/或其它合適的材料形成。該容器部分可以通過鑄造、機(jī)加工、模制、沖壓和/或其它合適的制造手段進(jìn)行生產(chǎn)。
在如圖所示的實(shí)施例中，容器組成部分95、96使用粘結(jié)劑彼此永久地固定在一起。應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它合適的手段，包括但是不限于，聲波焊接、熱焊接、溶劑粘合和/或永久粘結(jié)劑。容器部分95、96永久固定在一起的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了燃料卡盒39的整體安全性，以及燃料電池組件31和便攜式電子裝置33的安全性，這是因?yàn)槠浞乐沽藷o意中的或有意的損害或誤用燃料囊86和/或其中包含的燃料。
燃料卡盒的尺寸和構(gòu)造使得燃料囊能夠保持至少大約5立方厘米的甲醇，優(yōu)選至少大約7立方厘米的甲醇，最優(yōu)選至少10立方厘米的甲醇。在所示的實(shí)施例中，設(shè)置了一對(duì)彈簧夾93以將容器92和封殼66接合到一起并使容器保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，直到使用者從封殼上卸下容?2以為燃料電池組件31補(bǔ)給燃料。
可膨脹的燃料囊86接收用于提供至膜電極組件33的液體燃料?？膳蛎浀娜剂夏?6由一個(gè)基本上甲醇不能透過的塑性材料片和/或其它聚合材料構(gòu)成。合適的塑性材料片的例子包括尼龍、尿烷和聚乙烯、硅橡膠，然而，應(yīng)該理解的是還可以使用其它材料。
可膨脹的壓力構(gòu)件87通過如下方式與燃料囊86接觸，即正壓保持在囊上和囊內(nèi)，由此對(duì)囊加壓?？擅芊獾某隹?8與燃料囊86流體連通。在所示的實(shí)施例中，可膨脹的壓力構(gòu)件87為一個(gè)受壓縮的泡沫構(gòu)件，優(yōu)選由開放式泡沫材料構(gòu)成。受壓縮的泡沫構(gòu)件是彈性的并向燃料囊86施加彈簧構(gòu)件偏壓由此在囊上保持正壓。根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它壓力構(gòu)件。例如，彈簧偏壓構(gòu)件可以向燃料囊86施加作用力以在囊上保持正壓。
在所示的實(shí)施例中，可更換的燃料卡盒39的可密封的出口88包括一個(gè)隔片94，如圖7所示。隔片94包括一個(gè)基本自密封的膜。參照?qǐng)D3，燃料傳送系統(tǒng)40包括一個(gè)沿伸進(jìn)入出口88并穿過隔片94用于使燃料囊86與聚合物電解質(zhì)膜53的燃料側(cè)流體連接的針狀體97?？擅芊獾某隹?8的尺寸和構(gòu)造使其與針狀體97相配合。在一個(gè)實(shí)施例中，可密封的出口包括一個(gè)INTERLINK流體連接適配器，由伊利諾斯州Deerfield的Baxter International Inc.制造。特別是，燃料傳送系統(tǒng)40包括可插入隔片94中的針狀體97。應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它類型的流體連接器。
封殼66還設(shè)有用于使可拆卸的燃料卡盒39從燃料傳送系統(tǒng)40上脫開的釋放插銷98。釋放插銷98可滑動(dòng)地設(shè)置在封殼66的一側(cè)上，并與可拆卸的燃料卡盒39的隔片94接合。如圖2所示，向下滑動(dòng)釋放插銷98會(huì)推壓出口88，由此將可拆卸的燃料卡盒39至少部分地向外推動(dòng)經(jīng)過封殼66的底壁103，由此使可拆卸的燃料卡盒39至少部分地脫開燃料傳送系統(tǒng)40。
燃料傳送系統(tǒng)40使可更換的燃料卡盒39的燃料囊86流體連接至陽極板37的燃料室60。燃料傳送系統(tǒng)40包括針狀體97、針狀塊105、單向鴨嘴閥108、歧管檔塊109、和串聯(lián)連接的使燃料囊86和燃料室60互相連接的歧管110。針狀塊105支撐針狀體97并定位所述針狀體97，用于當(dāng)燃料卡盒插入到燃料電池組件31中時(shí)針狀體穿透可拆卸的燃料卡盒39的出口88。針狀塊105使針狀體97和單向鴨嘴閥108流體互連。針狀塊105優(yōu)選包括一個(gè)用于接合鴨嘴閥108的一端的倒鉤。
單向鴨嘴閥108設(shè)置用于防止燃料流動(dòng)穿過流體傳送系統(tǒng)40遠(yuǎn)離燃料室60和聚合物電解質(zhì)膜53的燃料側(cè)。單向鴨嘴閥108可與可拆卸的燃料卡盒的容器92上的一個(gè)突起115接合，使得當(dāng)燃料卡盒39從燃料電池組件31上移開時(shí)，閥108關(guān)閉，而當(dāng)燃料卡盒插入燃料電池組件中時(shí)，閥108打開。應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它單向閥，包括但不限于，Schrader型閥、針形閥和球閥。當(dāng)燃料卡盒39插入燃料電池組件31中時(shí)，單向閥108保持開啟，允許燃料從卡盒向燃料室60流動(dòng)，由此在燃料室內(nèi)發(fā)生傳質(zhì)。通過在燃料囊86上保持正壓力有利于燃料從燃料卡盒39向燃料室60流動(dòng)。
歧管檔塊109使單向鴨嘴閥108和歧管110流體互連。優(yōu)選的歧管檔塊109包括一個(gè)用于接合單向鴨嘴閥108的另一端的倒鉤。歧管110與多個(gè)位于并貫穿陽極板37的底壁120的燃料入口119流體連通，如圖6所示。雖然所示的燃料入口119貫穿陽極板37的底壁120，但是應(yīng)該理解的是燃料入口可以設(shè)置在陽極板上的其它位置。
圖1和圖2中所示的電壓和電流調(diào)節(jié)器41包括電路和蓄電池，用于監(jiān)控和/或調(diào)節(jié)電壓和/或提供給便攜式電子裝置33的功率。調(diào)節(jié)器41在2001年6月1日提交的題為INTERFACE，CONTROL，ANDREGULATOR CIRCUIT FOR FUEL CELL POWEREDELECTRONIC DEVICES(用于由燃料電池供電的電子裝置的端口、控制裝置和調(diào)節(jié)器電路)的共同待審的美國臨時(shí)申請(qǐng)No.60/295,475中有所描述。
在操作和使用中，使用者將把可拆卸的燃料卡盒39插入燃料電池組件31中，使得針狀體87穿透隔片94，由此使燃料從燃料囊86流向膜電極組件33的聚合物電解質(zhì)膜53。一旦燃料卡盒39中的燃料基本耗盡，使用者向下滑動(dòng)釋放插銷98，使燃料卡盒脫離燃料電池組件31。然后使用者用一個(gè)新的也就是充滿燃料的燃料卡盒，置換耗盡的燃料卡盒，將新的卡盒以與上述相同的方式插入。
在圖8所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件31a與上述的燃料電池組件31相似，但是包括多處下面所述的改進(jìn)。在燃料電池組件31a和燃料電池組件31中使用相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件。
如圖8所示，燃料電池組件31a一般包括膜電極組件33a，陽極板37a，陰極板38a，可拆卸的燃料卡盒39a，燃料傳送系統(tǒng)40a和電壓調(diào)節(jié)器41a。燃料電池組件31a使用貫穿陰極板38a、陰極48a、膜電極組件33a、陽極49a、和陽極板37a，并與螺母51a相配合的螺紋緊固件42a以結(jié)合圖2所示實(shí)施例以上討論的相同的方式進(jìn)行組裝。
電極與聚合物電解質(zhì)膜53a直接或間接地電接觸，并能夠構(gòu)成一個(gè)電路，其包括聚合物電解質(zhì)膜53a和以上述相同的方式被提供電流的便攜式電子裝置的負(fù)載。膜電極組件33a通常用于將燃料電池組件31a分隔成陽極室和陰極室。
在該實(shí)施例中，陰極板38a由陽極化鋁構(gòu)成。然而應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它材料。例如，陰極板可以由聚碳酸酯或其它適當(dāng)?shù)牟牧蠘?gòu)成。由于鋁為電導(dǎo)體，陰極板38a被陽極化以提供一個(gè)電絕緣層。應(yīng)該理解，也可以使用其它形式的絕緣來代替陽極化陰極板或者作為除陽極化陰極板之外的絕緣形式。
優(yōu)選的，還可在陰極板38a和陰極電極48a之間設(shè)置一個(gè)絕緣層122，以便進(jìn)一步防止鋁陰極板使燃料電池組件內(nèi)的單電池短路從而使性能明顯降低。例如，如果陰極板的陽極化被刮擦，絕緣層將會(huì)防止陰極板使一個(gè)或多個(gè)電池單元發(fā)生短路。在所示的實(shí)施例中，絕緣層122由乙烯樹脂構(gòu)成，然而應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它的電絕緣材料。
參照?qǐng)D8，陽極板37a包括構(gòu)成了與聚合物電解質(zhì)膜53a的燃料側(cè)流體連接的燃料室的內(nèi)部凹處。陽極板37a包括貫穿燃料室朝向陽極49a的多個(gè)柱61a，與上述的陽極板37的方式相同，用以偏壓陽極49與聚合物電解質(zhì)膜53a電接觸。
陰極板38a連同封殼或外殼66a限定出一個(gè)容納膜電極組件33a、陽極板37a和可拆卸的燃料卡盒39a的凹處。封殼66a還包括用于選擇性接合移動(dòng)電話或者其它便攜式電子裝置的接合結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，封殼由經(jīng)過陽極化處理的鋁或其它與陰極板類似的合適的材料構(gòu)成。所示的封殼包括沿著該封殼66a每個(gè)側(cè)壁延伸的接合軌道71a，用于可滑動(dòng)地接合便攜式電子裝置。
如圖9(b)所示，陰極板38a具有凸起形狀，多個(gè)橫向延伸的空氣溝槽76a設(shè)置在陰極板38a的外凸起表面77a內(nèi)。如果燃料電池組件31a與移動(dòng)電話結(jié)合使用，在使用中，外表面77a通常與移動(dòng)電話使用者的手相接觸?？諝鉁喜?6a形成在多個(gè)寬的或高的橫向延伸的腹板124之間。入口82a位于一個(gè)或多個(gè)溝槽76a內(nèi)，用于向陰極室提供氧氣。高的腹板124與多個(gè)窄的或短的縱向延伸的腹板125交叉，由此構(gòu)成氧氣入口82a。入口82a延伸至聚合物電解質(zhì)膜53a的氧側(cè)。這樣的結(jié)構(gòu)通過使用者的手掌使氣體穿過排出口和入口的阻抗最小化。
陰極板38a的彎曲構(gòu)造進(jìn)一步允許當(dāng)陰極板38a和任何連接到其上的便攜式電子裝置例如移動(dòng)電話，甚至當(dāng)該組件被放置在平表面上例如桌子或椅子上時(shí)從側(cè)部排氣。在圖9(b)所示的實(shí)施例中，陰極板38a具有凸起的外形輪廓，然而，應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明還可以使用凸起的外形輪廓或其它彎曲外形輪廓。
如圖10所示，可拆卸的燃料卡盒39a通常包括一個(gè)可膨脹的燃料囊86a，一對(duì)可膨脹的壓力構(gòu)件87a和一個(gè)可密封的出口88a?？刹鹦兜娜剂峡ê?9a包括一個(gè)由經(jīng)過陽極化處理的鋁或包括但不限于，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚碳酸酯、聚氨脂或沖壓金屬片的其它合適的材料構(gòu)成的剛性容器92a。容器92a中裝入可膨脹的燃料囊86a和可膨脹的壓力構(gòu)件87a。
可膨脹的燃料囊86a接收和儲(chǔ)存用于提供給膜電極組件33a的液體燃料?？膳蛎浀娜剂夏?6a為基本不透過甲醇的塑性材料，并通過真空成型與容器92a的內(nèi)部形狀相符合。燃料囊86a的真空成型的構(gòu)造明顯地增加了容器92a內(nèi)存儲(chǔ)的流體。可密封的出口88a與燃料囊86a流體連通。
可膨脹的壓力構(gòu)件87a接觸燃料囊86a，使得在燃料囊上及其內(nèi)部保持正壓力。在所示的實(shí)施例中，每個(gè)可膨脹的壓力構(gòu)件87a為具有良好的容積效率的順性泡沫構(gòu)件，包括但不限于，用在聲屏障和由E-A-R Specialty Composites of Indianapolis，Indiana出售的型號(hào)。受壓縮的泡沫構(gòu)件是彈性的，并作為向燃料囊86a施加偏壓的彈簧構(gòu)件由此在囊上保持正壓力。優(yōu)選的該壓力構(gòu)件由板材切割成卡盒39a的內(nèi)部形狀。應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它的壓力構(gòu)件和裝置以在燃料囊內(nèi)提供正壓力。
在圖8所示的實(shí)施例中，可置換的燃料卡盒39a包括與裝置端口127相配合的卡盒端口或出口88a，從而構(gòu)成一個(gè)雙向關(guān)閉閥128，如圖12(a)和12(b)所示。雙向閥128為彈簧加載的裝置，其中出口88a包括一個(gè)將閥構(gòu)件130向一個(gè)被密封的位置偏壓的彈簧129，以使在卡盒從燃料電池組件31a移開時(shí)卡盒39a被流體密封，而在卡盒插入到燃料電池組件中時(shí)開啟。類似的，閥128的裝置端口127包括一個(gè)對(duì)閥構(gòu)件135向密封位置施加偏壓的彈簧134，以使燃料電池組件31a的燃料傳送系統(tǒng)40a在卡盒39a從燃料電池組件31a上移開時(shí)被密封，而在卡盒插入到燃料電池組件中后開啟。應(yīng)該理解的是，端口88a同樣適用于上述以及下面提到的可置換燃料卡盒，以及根據(jù)本發(fā)明的其它燃料卡盒構(gòu)造。還應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明還可以使用其它類型的流體連接器。
當(dāng)卡盒39a被插入到燃料電池組件31a中且出口88a與裝置端口127接合時(shí)，燃料囊86a經(jīng)燃料傳送系統(tǒng)40a以與上述關(guān)于燃料傳送系統(tǒng)40相類似的方式與陽極板37a的燃料室流體連接。保持在燃料囊86a上的正壓有利于燃料從燃料卡盒39a向燃料室陽極板37a的流動(dòng)。在操作和使用中，燃料電池組件31a的使用方式與上述的燃料電池組件31相同。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖11所示，一個(gè)彈簧加載的可置換的卡盒39b包括一個(gè)用以在燃料囊86b中保持正壓力的其它可選結(jié)構(gòu)。特別是，卡盒39b包括一對(duì)壓縮板138、139，所述壓縮板相互施加偏壓并通過一對(duì)片簧140、141向燃料囊86b施加偏壓。可以理解的是，其它機(jī)械壓力構(gòu)件也可以用于在根據(jù)本發(fā)明的燃料囊上及其內(nèi)部提供正壓力。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖13所示，一個(gè)可拆卸的燃料卡盒39c與上述的可拆卸的燃料卡盒39a相似，但是包括多處下述的改進(jìn)?？刹鹦兜娜剂峡ê?9c和上述可拆卸的燃料卡盒39、39a、39b中相似的部件用相似的附圖標(biāo)記進(jìn)行描述。
如圖13所示，可拆卸的燃料卡盒39c一般包括可以膨脹的燃料囊86c，一對(duì)可膨脹的壓力構(gòu)件87c和可密封的出口88c。可拆卸的燃料卡盒39c包括一個(gè)由聚碳酸酯或其它合適材料構(gòu)成的剛性容器92c。容器92c包括兩個(gè)容器組成部分95c和96c，其永久粘接或者組裝在一起以使容器永久地容納可膨脹的燃料囊86c和可膨脹的壓力構(gòu)件87c。容器組成部分95c和96c的永久固定的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了燃料卡盒39c的整體安全性，以及燃料電池組件和使用該組件的便攜式電子裝置的安全性，這是因?yàn)檫@一結(jié)構(gòu)可以防止無意的或有意的損害和/或誤用燃料囊和其中包含的燃料。
在如圖14所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39d與上述的可拆卸的燃料卡盒39a和39c相似，但是包括多處下述的改進(jìn)。使用相似的附圖標(biāo)記表示可拆卸的燃料卡盒39d和上述可拆卸的燃料卡盒39、39a、39b和39c中相似的部件。
如圖14所示，可拆卸的燃料卡盒39d一般包括可膨脹的燃料囊86d，一對(duì)可膨脹的壓力構(gòu)件87d和可密封的出口88d?？刹鹦兜娜剂峡ê?9d包括一個(gè)由經(jīng)過陽極化處理的鋁，或其它合適材料包括但不限于聚碳酸酯或者沖壓的金屬片構(gòu)成的剛性容器92d。容器92d包括兩個(gè)容器組成部分95d和96d，其通過鉚釘144或其它合適的永久緊固件永久地固定在一起以使容器永久地容納可膨脹的燃料囊86d和可膨脹的壓力構(gòu)件87d。容器組成部分95d和96d的永久固定的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了燃料卡盒39d的整體安全性，以及燃料電池組件和使用該組件的便攜式電子裝置的安全性，這是因?yàn)檫@一結(jié)構(gòu)可以防止無意的或有意的損害燃料囊和其中包含的燃料。
在如圖15所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39e與上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是包括兩個(gè)彈簧板138e和139e代替泡沫壓力構(gòu)件。使用和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的附圖標(biāo)記表示可拆卸的燃料卡盒39e中相似的部件。
如圖15所示，可拆卸的燃料卡盒39e一般包括可膨脹的燃料囊86e，一對(duì)彈簧板138e和139e，以及一個(gè)可密封的出口88e。在這個(gè)實(shí)施例中，片簧構(gòu)件140e與彈簧板138e和139e為一個(gè)整體。優(yōu)選地，彈簧板由鋼構(gòu)成，但是應(yīng)該理解地是，彈簧板可以由具有內(nèi)在記憶性的其它合適材料構(gòu)成。在所示的實(shí)施例，每個(gè)彈簧板設(shè)有4個(gè)片簧構(gòu)件，由此提供能夠向燃料囊施加更高傳輸壓力的結(jié)構(gòu)。此外，多個(gè)片簧結(jié)構(gòu)可以提供燃料從燃料囊分配的更均勻的壓力。應(yīng)該可以理解的是，根據(jù)本發(fā)明也可以使用一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多片簧。
可拆卸的燃料卡盒39e包括由聚碳酸酯和/或其它合適材料構(gòu)成的剛性容器92e。容器92e包括兩個(gè)容器組成部分95e和96e，其通過永久粘接、焊接和/或其它合適的手段永久相互固定，以使容器永久容納可膨脹的燃料囊86e和可膨脹的壓力構(gòu)件87e。
容器組成部分的永久固定結(jié)構(gòu)促進(jìn)了燃料卡盒的整體安全性，以及燃料電池組件和使用該組件的便攜式電子裝置的安全性，因?yàn)檫@一結(jié)構(gòu)可以防止燃料囊和其中包含的燃料無意的或有意的受到損害。由此，容器組成部分的永久密封結(jié)構(gòu)還防止由于接觸和誤用其中容納的燃料而導(dǎo)致的燃料卡盒的誤用。
在如圖16所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39f與上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是在燃料卡盒內(nèi)包括一個(gè)空氣過濾器和/或離子交換柱(IEC)。使用相似的附圖標(biāo)記表示可拆卸的燃料卡盒39f和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的部件。
雖然在圖16中并未示出，但是可拆卸的燃料卡盒39f一般包括與上述類似的一個(gè)可膨脹的燃料囊，一個(gè)壓力構(gòu)件和一個(gè)出口。在該實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39f包括一個(gè)由聚碳酸酯和/或其它合適的材料構(gòu)成的剛性容器92f。容器92f包括兩個(gè)容器組成部分95f和96f，其以與上述相同的方式限定出一個(gè)用于接收和容納可膨脹的囊和壓力構(gòu)件的主室145。容器組成部分95f和96f還限定出一個(gè)輔助室146，其尺寸和構(gòu)造用于容納附加部件，例如但不限于，空氣過濾器、燃料過濾器、離子交換柱、風(fēng)扇、泵、泵控制芯片、計(jì)量閥、計(jì)量泵、膜、吸水劑、二氧化碳吸收劑和/或甲醇吸收劑，其由附圖標(biāo)記148表示。例如，可設(shè)置一個(gè)空氣過濾器用于凈化空氣氣流，而可設(shè)置一個(gè)IEC用于凈化供給燃料電池的甲醇。諸如過濾器、風(fēng)扇、泵、離子交換柱等的這樣的附加部件可以是耐用品，其時(shí)常需要進(jìn)行更換。通過在燃料卡盒中結(jié)合使用這樣的附加部件，耐用的附加部件每次自動(dòng)地更換，在便攜式電子裝置例如蜂窩電話中安裝一個(gè)新的燃料卡盒。
容器組成部分95f和96f通過永久粘結(jié)劑、焊接和/或其它合適的手段彼此永久地固定在一起，以使容器永久地容納可膨脹的燃料囊86f和可膨脹的壓力構(gòu)件87f，以及附加部件148。
在圖17所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39g與上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是在燃料卡盒內(nèi)包括一個(gè)泵149和/或泵控制芯片150。使用相似的附圖標(biāo)記表示可拆卸的燃料卡盒39g和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的部件。
雖然在圖17中未示出，但是可拆卸的燃料卡盒39g一般包括一個(gè)可膨脹的燃料囊和一個(gè)出口，與上述類似。在該實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39g包括一個(gè)由聚碳酸酯和/或其它合適的材料構(gòu)成的剛性容器92g。容器92g包括兩個(gè)容器組成部分95g和96g，并以與上述相同的方式容納可膨脹的囊。
泵149可以與出口88g成為一體或不成為一體。泵149還可被構(gòu)造以用來補(bǔ)充由可膨脹壓力構(gòu)件和/或彈簧板施加在囊上的作用力。另一種可選方式是，泵149可用于代替可膨脹壓力構(gòu)件和/或彈簧板。例如，一個(gè)正排量泵可用于以受控的方式將囊內(nèi)的燃料傳送至燃料電池。根據(jù)本發(fā)明可以使用各種泵，包括但不限于由新澤西州的StarMicronics America of Edison生產(chǎn)的壓電-陶瓷微型泵。
泵149是設(shè)計(jì)成使大小和尺寸最小化的類型。緊湊的設(shè)計(jì)經(jīng)常要犧牲這樣的泵的可靠性和使用壽命。由于這樣的泵的使用壽命一般為一百或兩百小時(shí)，因此該泵會(huì)被認(rèn)為是耐用品。泵控制芯片150可被構(gòu)造以存儲(chǔ)與泵的使用有關(guān)的數(shù)據(jù)，由此該芯片可用于確定消耗的燃料量和/或燃料囊內(nèi)殘存的燃料量(例如燃料表)。泵控制芯片150的尺寸和形狀可以最小化，而以該控制芯片的壽命和可靠性為代價(jià)，由此，也可以認(rèn)為是與上述附加部件方式相同的耐用品。通過在燃料卡盒中結(jié)合這樣的耐用品，這些耐用品被自動(dòng)地更換，與上述的附加部件148方式相同，每次都安裝一個(gè)新的燃料卡盒。
容器組成部分95g和96g通過永久粘結(jié)劑、焊接和/或其它合適的手段彼此永久地固定在一起，以使容器永久地容納可膨脹的燃料囊86g和可膨脹的壓力構(gòu)件87g，以及泵149和/或泵控制芯片150。
在如圖18所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39h與上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是在燃料卡盒內(nèi)包括一個(gè)空氣過濾器和/或離子交換柱(IEC)以及一個(gè)風(fēng)扇。使用相似的附圖標(biāo)記表示可拆卸的燃料卡盒39h和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的部件。
雖然在圖18中并未示出，可拆卸的燃料卡盒39h一般包括與上述類似的一個(gè)可膨脹的燃料囊，一個(gè)壓力構(gòu)件和一個(gè)出口。在該實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39h包括一個(gè)由聚碳酸酯和/或其它合適的材料構(gòu)成的剛性容器92h。容器92h包括兩個(gè)容器組成部分95h和96h，其包括一個(gè)用于以與上述相同的方式接收和容納可膨脹的囊和壓力構(gòu)件的主室145h。容器組成部分95h和96h還限定出一個(gè)輔助室146g，其尺寸和構(gòu)造用于容納附加部件148g和/或風(fēng)扇153或其它合適的鼓風(fēng)裝置。風(fēng)扇153是設(shè)計(jì)成使大小和尺寸最小化的類型。緊湊的設(shè)計(jì)經(jīng)常要犧牲這樣的泵的可靠性和使用壽命，這樣的泵還會(huì)被認(rèn)為是耐用品。通過在燃料卡盒中結(jié)合這樣的耐用品，例如過濾器和/或風(fēng)扇，這些耐用品被自動(dòng)地更換，每次都安裝一個(gè)新的燃料卡盒。
容器組成部分95h和96h通過永久粘結(jié)劑、焊接和/或其它合適的手段彼此永久地固定在一起，以使容器永久地容納可膨脹的燃料囊86h和可膨脹的壓力構(gòu)件87h，以及附加部件148h和風(fēng)扇153。
本發(fā)明的燃料電池組件可被構(gòu)造以用于從陰極排氣流中回收水，回收的水可用于補(bǔ)充到聚合物電解質(zhì)膜53的陽極側(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件或可拆卸的燃料卡盒包括一個(gè)水回收系統(tǒng)155或一個(gè)這樣的系統(tǒng)的一部分，例如圖19所示，其包括流體地串連連接的雙路熱交換器156和一個(gè)冷凝器/散熱器熱交換器157，使得陰極排氣供應(yīng)到回收回路，排出的水的一部分返回以補(bǔ)充陽極。在該實(shí)施例中，冷凝器/散熱器熱交換器157包括背靠背設(shè)置的一個(gè)冷凝器和一個(gè)散熱器，以使得允許排出的水與冷卻空氣交叉流動(dòng)。在所示的實(shí)施例中，40℃的空氣在其流經(jīng)熱交換器時(shí)可用于冷卻排出的水20℃，然而，應(yīng)該理解，冷卻的實(shí)際溫度和量取決于具體的燃料電池組件。如圖19所示，從冷凝器/散熱器熱交換器157排出的較低溫度的水的一部分流經(jīng)雙路熱交換器156，由此在回收的水到達(dá)膜電極組件33的陽極側(cè)之前調(diào)節(jié)回收的水的溫度。應(yīng)該理解，系統(tǒng)155的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)各種因素包括排出的水的溫度和回收水的所需溫度而進(jìn)行改變。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的燃料電池組件31i為了將在陰極和/或陽極排氣氣流中的氣體和液體分開，可以使用一個(gè)液體/氣體分離器158，如圖20所示。例如，可以使用旋風(fēng)分離器、離心分離器、和/或其它合適裝置從氣體中分離出甲醇、水和/或其它液體。
同時(shí)在圖20中示出，燃料電池組件31i可包括一個(gè)位于陰極排氣160和陽極回路161之間的隔離膜159，以保持陽極液體與陰極排氣分離，將熱量從陰極廢氣傳輸?shù)疥枠O液體，和/或由于在膜的每側(cè)濃度的不同而將水從陰極廢氣傳輸?shù)疥枠O回路。應(yīng)該理解，隔離膜可包括滲透膜和/或其它合適的裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的燃料電池組件可利用從陰極回收的水與陽極回路之間的壓差。陰極供水和陽極回路之間的正壓差可以通過泵149來產(chǎn)生，陽極回路的水注入點(diǎn)162可位于陽極泵的入口，其為陽極回路中最低壓力點(diǎn)。在陽極回路中的抽取器163可用于產(chǎn)生局部壓力點(diǎn)以加速流體從甲醇源和/或水源向較低的壓力處流動(dòng)。還可以向陽極回路施加負(fù)壓以控制流體更換的速率。負(fù)壓還可以提供用于從容納在如圖7所示的帶出口的卡盒中的囊中注入甲醇的驅(qū)動(dòng)力。
應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明可使用各種與甲醇-水混合相關(guān)的方法，包括但不限于在燃料電池中使用參比單元164(見圖20)以控制陽極回路中的甲醇濃度；使用比例注入，無論被動(dòng)的或主動(dòng)的由微處理器控制系統(tǒng)控制(例如泵控制芯片150，圖17)；使用噴射器，每個(gè)噴射器的大小設(shè)置為可保持水和甲醇的固定流速(例如噴射器163)；以及使用查找表165，其中測量多個(gè)參數(shù)并且性能的降低假定是由于陽極流體中甲醇濃度的降低。
應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明可使用用于除去水的各種方法。比如，可使用蒸發(fā)方法，其中由于從燃料電池系統(tǒng)的熱傳遞，廢水被蒸發(fā)到具有比環(huán)境空氣更高的溫度的空氣中。在該實(shí)施例中，陰極產(chǎn)物水將被滴到、噴到或通過毛細(xì)作用傳到具有高滲透性基體的大表面面積上。另一種可選方式是，可使用冷凝方法。產(chǎn)物水可被冷凝，由此產(chǎn)生的陰極廢氣在降低的溫度下被水飽和，然后或者再加熱并釋放到周圍大氣中或排放到冷卻的空氣流中。另一種可選方式是，使水留在用過的燃料卡盒中。這將利用當(dāng)燃料被用盡時(shí)產(chǎn)生的燃料卡盒的空體積。在這一方法中，第一柔性囊86j將容納甲醇，而第二柔性囊或燃料卡盒39j中的附加部件166將接收過多的陰極水，如圖21示意性所示。這樣的燃料卡盒將優(yōu)選被排放到大氣中(例如，經(jīng)由開口167)。
除了上述的內(nèi)容，在陰極產(chǎn)生的產(chǎn)物水或廢水能夠通過聚合物電解質(zhì)膜(例如PEM 53j，圖20)擴(kuò)散回來以補(bǔ)充在陽極處消耗的水。這將需要控制溫度以及控制聚合物電解質(zhì)膜的滲透性和厚度。
在圖20所示的實(shí)施例中還示出了一個(gè)可選的燃料傳感器。燃料電池組件31i可以設(shè)置一個(gè)燃料傳感器168來監(jiān)控陽極燃料回路中燃料的濃度。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料傳感器168為甲醇傳感器，其包括一個(gè)可部分滲透甲醇的傳感器膜169，且其被定位與陽極燃料回路相接觸。甲醇穿過傳感器膜169到達(dá)一個(gè)附接有熱電偶171的催化劑層170。應(yīng)該理解的是，也可以使用其它裝置來確定溫度，包括但不限于，紅外檢測儀、熱敏電阻器和其它合適的裝置。熱電偶171處的溫度被測量并與一個(gè)參考溫度進(jìn)行比較。溫度的改變?nèi)Q于由甲醇在催化劑層170處反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，其與陽極燃料回路中甲醇的濃度成比例。
傳感器膜169優(yōu)選包括少量的合適的催化劑與甲醇滲透膜相接觸。例如，PtRu黑和/或其它合適的催化劑可以沉積到NAFION或其它合適的膜上。該燃料傳感器被構(gòu)造使得空氣可以被容易地供給到催化劑層170并允許二氧化碳和水從傳感器催化劑層170排出。當(dāng)傳感器膜的前表面與甲醇溶液接觸時(shí)，在這種情況下，燃料、與燃料溶液的甲醇濃度成比例的大量甲醇，透過傳感器膜并在空氣存在下與催化劑按照如下反應(yīng)式進(jìn)行反應(yīng)反應(yīng)式(1)甲醇/催化劑反應(yīng)產(chǎn)生熱量，其在與催化劑層171緊密接觸的熱電耦171處被測量出溫度上升。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器膜響應(yīng)0.5到3克分子的甲醇濃度，在兩分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的溫度差讀數(shù)。
應(yīng)該理解，傳感器催化劑可被設(shè)置成各種結(jié)構(gòu)。例如，傳感器催化劑可以涂覆在滲透性傳感器膜的后側(cè)，以少量自由浮動(dòng)的粉末形式存在，和/或涂覆在隔離基體上并置于傳感器膜的后面。向催化劑傳送甲醇的方法可以是傳送蒸氣、液體甲醇或甲醇溶液的任何方法，只要傳送的量與陽極燃料回路中的濃度成比例。例如，燃料的一小部分可以被毛細(xì)吸收或泵送到傳感器區(qū)域。該燃料傳感器可以設(shè)置在貯存器的壁上或作為附加在燃料流動(dòng)回路的側(cè)臂附件。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料傳感器被構(gòu)造用于測量參考溫度和測量傳感器溫度與參考溫度之間的溫度差，以滿足燃料電池通常不能在單一絕對(duì)溫度下運(yùn)行的要求。例如，該參考溫度可以是膜附近的燃料溫度。
由于甲醇穿過離子傳導(dǎo)膜的滲透速率也公知取決于溫度，因此燃料電池理想的是在恒定的參考溫度下運(yùn)行，或較理想的使其響應(yīng)在期望的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。
與甲醇溶液緊鄰的燃料傳感器的運(yùn)行，與位于貯存器頂端空間相比，可有利于膜的完全水化的條件。這樣的完全水化的條件是所需的，因?yàn)榻o定膜的甲醇滲透性通常對(duì)膜的水化程度敏感。
應(yīng)該理解，本發(fā)明的燃料傳感器不限于甲醇燃料，也不限于燃料電池。例如，任何能夠滲透穿過膜、并容易在催化劑表面氧化放出熱量的化學(xué)品的濃度也都可以上述的方式進(jìn)行測量。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件被構(gòu)造用于間接地確定燃料電池卡盒內(nèi)的初始燃料濃度。美國運(yùn)輸部已經(jīng)頒布了一個(gè)法規(guī)，其中包含低于初始24％甲醇濃度的燃料容器可以用于航空運(yùn)輸，例如，在商用飛機(jī)上用于為電子裝置提供電源。在其它應(yīng)用中，可使用包含高于初始甲醇濃度的卡盒。
為了間接的識(shí)別燃料的濃度，可拆卸的燃料卡盒39被構(gòu)造使得燃料卡盒中的甲醇燃料的濃度可以由燃料電池組件33自動(dòng)識(shí)別。在該實(shí)施例中，合適的識(shí)別裝置172用于識(shí)別燃料卡盒，該裝置可容易地由燃料電池組件讀出。這樣的識(shí)別裝置可以結(jié)合到或不結(jié)合到主功率消耗設(shè)備例如便攜式電子裝置32上。
在圖21所示的一個(gè)實(shí)施例中，可拆卸的燃料卡盒39包括與識(shí)別35mm薄膜卡盒ASA等級(jí)類似的標(biāo)記相似的光學(xué)標(biāo)記172，由此當(dāng)燃料卡盒載入便攜式電子裝置或燃料電池組件中時(shí)，允許燃料電池組件通過讀取這樣的光學(xué)標(biāo)記確定在可拆卸的燃料卡盒39中的燃料濃度。在另一個(gè)實(shí)施例中，在燃料卡盒外殼上設(shè)置可機(jī)械地(例如，使用機(jī)械開關(guān))、電子地(例如，通過霍耳效應(yīng)，一個(gè)集成電路芯片，或其它電子裝置)、和/或通過其它合適的手段讀取的特征。
本發(fā)明的燃料識(shí)別結(jié)構(gòu)可被構(gòu)造以使燃料電池組件能夠確定燃料容器中的甲醇濃度，由此可確定各種操作參數(shù)包括量油比、運(yùn)行時(shí)間、燃料容器的尺寸和濃度。燃料卡盒的識(shí)別信息還可包括其它信息包括制造批量、生產(chǎn)日期、有效期、制造商和/或其它所需信息。
有利地，本發(fā)明的識(shí)別系統(tǒng)將允許便攜式電子裝置的使用者攜帶含有初始24％甲醇濃度的燃料卡盒用于進(jìn)行航空旅行和用于在航線中的使用，以及還可以讓使用者在其它時(shí)間使用包含更高濃度甲醇燃料的燃料卡盒。使用高濃度甲醇燃料卡盒的能力增加了由直接甲醇發(fā)電供電的使用燃料卡盒的裝置的運(yùn)行時(shí)間。攜帶多個(gè)使用于空中旅行認(rèn)證的卡盒(即低于24％濃度)的能力允許使用者通過使用多個(gè)卡盒延長操作便攜式電子裝置的時(shí)間。
本發(fā)明的識(shí)別結(jié)構(gòu)允許可用于各種燃料電池應(yīng)用包括但不限于利用直接甲醇發(fā)電的便攜式電子裝置的可置換燃料卡盒的標(biāo)準(zhǔn)化。一般地，已公知的燃料電池組件限于適于傳統(tǒng)聚合物電解質(zhì)膜例如DuPont生產(chǎn)的NAFION膜的甲醇濃度。在高濃度下，聚合物電解質(zhì)膜和相應(yīng)的燃料電池將會(huì)遭受腐蝕效應(yīng)，其會(huì)降低燃料電池發(fā)電裝置的性能和/或耐受性。已公知的燃料電池組件沒有用于監(jiān)控燃料電池發(fā)電裝置中甲醇濃度的適當(dāng)?shù)膫鞲衅骷夹g(shù)。由此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的識(shí)別使得燃料電池組件能夠監(jiān)控輸入濃度，也就是說，可置換的燃料卡盒的初始燃料濃度。燃料電池組件的一個(gè)控制器(例如控制器173，圖20)可以作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)來控制燃料電池組件的操作參數(shù)以便保持在燃料電池組件中的適當(dāng)?shù)募状紳舛?，由此減輕或消除不適當(dāng)燃料濃度帶來的負(fù)面影響。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)的識(shí)別還允許燃料電池聚合物電解質(zhì)膜的技術(shù)進(jìn)步，而沒有改變?nèi)剂峡ê械脑O(shè)計(jì)。這種膜技術(shù)不斷進(jìn)步，這樣的進(jìn)步允許在燃料電池自身中使用更高的濃度。由于這樣的進(jìn)步的產(chǎn)生，隨著這樣的進(jìn)步被帶入消費(fèi)品中，優(yōu)選以后繼續(xù)使用現(xiàn)有的燃料卡盒。燃料電池發(fā)電裝置可以確定燃料濃度的能力允許以后繼續(xù)使用本發(fā)明的可更換的燃料卡盒。
根據(jù)本發(fā)明，從燃料貯存器到燃料電池組件的燃料供應(yīng)可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，比如使用如圖7所示的可膨脹的壓力構(gòu)件87或者其它合適的裝置可以加壓燃料囊，且計(jì)量閥174被用于向燃料電池組件提供所需量的燃料。應(yīng)該理解的是也可以使用計(jì)量泵取代或者與該計(jì)量閥一起使用。另一種可選方式是，無壓力囊可與正排量泵如圖17所示的泵149結(jié)合使用。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件被構(gòu)造成可以適應(yīng)關(guān)閉時(shí)的耐凍性。在關(guān)閉時(shí)，燃料電池組件的一些部分可能經(jīng)受了溫度的顯著降低，接近水的凝固點(diǎn)。如果燃料電池組件包括水源(即圖20中的水源175)，燃料電池組件可被構(gòu)造通過增加燃料回路中的甲醇濃度超過預(yù)定的水平用以防止在燃料回路中燃料/水混合物發(fā)生相變，從而防止水在燃料回路中凍結(jié)。例如，控制器可以致動(dòng)計(jì)量閥、泵或其它合適的裝置來增加燃料回路中的甲醇濃度超過大約8克分子以防止產(chǎn)生這樣的相變。另一種可選方式是，可以使所述泵從燃料回路中基本除去液體水和/或其它流體。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件可被構(gòu)造用于使燃料回路循環(huán)通過一個(gè)純甲醇的貯存器，如圖22所示。陽極回路161與包含甲醇優(yōu)選為100％甲醇的燃料貯存器176流體連通。甲醇擴(kuò)散膜177位于甲醇燃料貯存器176的入口和出口之間，其中每個(gè)端口包含一個(gè)關(guān)閉閥。該擴(kuò)散膜被構(gòu)造以允許甲醇進(jìn)入陽極回路，但是防止水?dāng)U散進(jìn)入燃料貯存器。當(dāng)甲醇容器在陽極回路之外的時(shí)候還設(shè)置一個(gè)允許陽極流體流動(dòng)的旁路回路178。在關(guān)閉期間，向甲醇容器的入口和出口開啟以允許甲醇擴(kuò)散進(jìn)入陽極回路達(dá)到合適的水平以防止發(fā)生凍結(jié)。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件設(shè)有一個(gè)溫度傳感器(例如見圖20中的熱電偶171)并且該燃料電池組件被構(gòu)造以防止燃料電池組件在低于一定溫度時(shí)啟動(dòng)。例如，若溫度低于32°F，燃料電池組件被構(gòu)造以防止啟動(dòng)，以便防止水在組件內(nèi)凍結(jié)的情況下組件受到損害。優(yōu)選的，該燃料回路閥物理上鄰近于到達(dá)膜電極組件33i的入口和出口(參見如圖20中所示的優(yōu)選位置179)從而防止過多燃料流體擴(kuò)散穿過組件(如，聚合物電解質(zhì)膜53i)。
在圖20所示的一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池卡盒分別包含燃料和液體水儲(chǔ)存介質(zhì)176和175。在該實(shí)施例中，包含水的陰極廢氣被處理使水蒸氣液化。在這點(diǎn)上，設(shè)置了冷凝器180使水蒸氣液化。然后未被液化的水蒸氣經(jīng)過燃料卡盒的一部分進(jìn)行吸收或儲(chǔ)存以在補(bǔ)充進(jìn)入陽極回路中。
根據(jù)本發(fā)明可以利用由燃料電池組件產(chǎn)生的廢二氧化碳。例如，過量的二氧化碳可以供給到燃料卡盒39k容器，其具有一個(gè)部分由活動(dòng)活塞壁181限定出的第二室146k并具有一個(gè)用于使壓力保持在大約1-2psi的釋放閥182，以促進(jìn)燃料從柔性燃料囊流出，如圖23所示。特別是，第二室內(nèi)的壓力將會(huì)保持處于相對(duì)低的壓力，該壓力將會(huì)使活塞壁181向燃料囊86k施加輕微的偏壓。由此，可利用廢二氧化碳在燃料卡盒89k內(nèi)燃料囊86k上提供一個(gè)正壓力。應(yīng)該理解，一個(gè)附加囊可以代替活塞結(jié)構(gòu)以提供一個(gè)由可向燃料囊提供正壓力的過量的二氧化碳供料的可膨脹室。另一種可選方式是，可以利用廢的二氧化碳驅(qū)動(dòng)一個(gè)循環(huán)泵以產(chǎn)生功率來提高燃料電池效率和/或替代地使用其它膨脹裝置例如往復(fù)式螺線管或燃料泵的閥。
二氧化碳廢氣的其它用途包括將其排到陰極以氧化包含在CO2廢氣中的甲醇蒸氣并將CO2排到陰極室以除去氧并防止在關(guān)機(jī)后陰極室中的甲醇燃燒。
在圖24所示的另一個(gè)卡盒的實(shí)施例中，兩個(gè)端口使陽極回路161l的全部或部分經(jīng)過包含在可置換卡盒184中的燃料過濾器183。應(yīng)該理解，這樣的過濾器可能具有有限的使用壽命并可能需要進(jìn)行周期性的更換。有利的是，在一個(gè)可置換燃料卡盒中設(shè)置過濾器使燃料過濾器可以隨著每次可置換燃料卡盒的更換而自動(dòng)的更換。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料過濾器為有機(jī)過濾器，然而，應(yīng)該理解的是，也可以使用任何其它適合的過濾器裝置。可選擇的，可置換卡盒184的第三端口與燃料卡盒內(nèi)的甲醇流體連通以經(jīng)卡盒內(nèi)的計(jì)量閥174l向陽極回路提供甲醇。該計(jì)量閥可由燃料電池組件本體內(nèi)的系統(tǒng)致動(dòng)器185或者由位于可置換燃料卡盒內(nèi)的致動(dòng)器(未示出)控制。
在圖25所示的其它可選實(shí)施例中，僅有兩個(gè)端口包含在燃料電池卡盒內(nèi)。一個(gè)端口與燃料電池回路連通以使得該回路流動(dòng)到燃料卡盒內(nèi)，而另一個(gè)端口提供與燃料回路的連通以使燃料流返回。燃料卡盒中的燃料與卡盒內(nèi)的燃料電池回路的內(nèi)部流體連通。燃料向燃料電池回路的流動(dòng)受到卡盒內(nèi)計(jì)量閥174的控制，該計(jì)量閥由位于燃料電池本體內(nèi)并可操作地連接到控制器(例如控制器173)上的系統(tǒng)致動(dòng)器185控制。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，具有燃料室187的注射器組件186可與可置換燃料卡盒相結(jié)合或代替可置換燃料卡盒進(jìn)行設(shè)置。該注射器組件可具有各種結(jié)構(gòu)，包括但不限于，可再裝的注射器188、可置換的注射器189、內(nèi)部注射器190和可置換的卡盒191，分別如圖26(a)-圖26(d)所示。在前三個(gè)種類中，燃料貯存器永久地置于便攜式電子裝置中。各種形式的注射器組件被用于從再裝容器向位于電子裝置和/或可置換燃料卡盒上的貯存器傳輸燃料，另一種可選方式是，注射器可以位于電子裝置內(nèi)。
在圖27所示的一個(gè)實(shí)施例中，可再裝的注射器188包括與注射器泵149r流體連接且選擇地與再裝卡盒193聯(lián)結(jié)的注射閥192。該再裝卡盒可以為塑性容器的形式，然而，應(yīng)該理解的是，也可以使用其它合適的容器和/或材料。當(dāng)再裝卡盒被插入可再裝的注射器188中時(shí)，再裝閥194開啟，由此允許燃料電池的燃料通過可再裝的注射器188從再裝卡盒193中抽出?？捎梢粋€(gè)位于注射器外表面上的注射器控制開關(guān)195起動(dòng)的注射泵被用于從再裝卡盒中抽出流體，并傳輸?shù)奖銛y式電子裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，注射泵由一個(gè)注射器電池196供電，并由一個(gè)注射泵控制板197的控制。該控制板可被構(gòu)造用以檢測什么時(shí)候便攜式電子裝置的燃料水平是滿的，由此使泵停止工作以防止對(duì)便攜式電子裝置過量充注燃料。該控制板可以通過在泵上監(jiān)控反向驅(qū)動(dòng)、通過使用設(shè)置在可再裝注射器上的壓力傳感器、通過設(shè)置在便攜式電子裝置上的壓力傳感器、和/或其它合適的手段監(jiān)控燃料水平。
在圖28所示的另一個(gè)實(shí)施例中，可再裝的注射器188s是一個(gè)彈簧加載的注射器組件，其包括一個(gè)由卡盒閥194s和注射器活塞198密封的再裝卡盒193s。該再裝卡盒可以適當(dāng)?shù)姆绞脚c可再裝的注射器接合。例如，再裝品可以插入可再裝的注射器中并扭轉(zhuǎn)以將再裝卡盒鎖到可再裝的注射器內(nèi)。當(dāng)可再裝注射器188s附接到便攜式電子裝置上時(shí)，卡盒閥自動(dòng)打開，燃料可從再裝卡盒193s傳輸?shù)饺剂想姵亟M件。注射器彈簧199可用于朝著再裝閥偏壓活塞，由此在燃料上提供從再裝卡盒/可再裝注射器組件上排空燃料的正壓力。在圖29所示的另一個(gè)實(shí)施例中，可置換注射器189還包括一個(gè)注射器彈簧199t和一個(gè)活塞198t，但是不包括分立的可置換再裝卡盒，由此提供一種更簡單但是可置換的結(jié)構(gòu)。
有利的是，彈簧加載的注射器便宜而且易于制造。再裝卡盒可以與已公知的胰島素再裝卡盒類似的方式大規(guī)模生產(chǎn)。而且，這樣的彈簧加載的注射器的操作簡便，并允許在插入便攜式電子裝置時(shí)燃料自動(dòng)分配。
在圖30所示的另一個(gè)實(shí)施例中，可再裝注射器188u包括一個(gè)也由注射閥192u和注射器活塞198u密封的可置換再裝卡盒193u。在該實(shí)施例中，再裝卡盒與注射器組件螺紋接合，然而，應(yīng)該理解的是，也可以使用其它接合方式，包括但不限于，上述的扭轉(zhuǎn)-鎖緊結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，當(dāng)可再裝的注射器附接到便攜式電子裝置上時(shí)，注射器閥自動(dòng)打開，燃料可從再裝品傳輸?shù)奖銛y式電子裝置?？梢云饎?dòng)一個(gè)注射器馬達(dá)200和一個(gè)注射器驅(qū)動(dòng)裝置201朝向注射器閥偏壓活塞，由此排空可置換再裝卡盒193u中的內(nèi)容物使其進(jìn)入便攜式電子裝置的燃料電池組件中。在所示的實(shí)施例中，注射器裝置為導(dǎo)向螺桿組件，然而，應(yīng)該理解的是，也可以使用其它合適的裝置。通過監(jiān)控注射器馬達(dá)的反向驅(qū)動(dòng)，可再裝注射器可以檢測在什么時(shí)候燃料電池組件是滿的，并停止再裝過程。另一種可選方式是，可以與上述類似的方式使用壓力傳感器來檢測在什么時(shí)候燃料電池組件是滿的并停止再裝過程。
在圖31所示的另一個(gè)實(shí)施例中，可再裝注射器188v包括一個(gè)與上述類似的可置換的再裝卡盒，但是包括一個(gè)手動(dòng)致動(dòng)的注射器驅(qū)動(dòng)組件。具體而言，注射器驅(qū)動(dòng)組件201v由手動(dòng)操作的旋紐起動(dòng)以使得導(dǎo)向螺桿201v向上移動(dòng)注射器卡盒203，由此朝向注射器閥192v偏壓注射器活塞198v，排空再裝卡盒中的內(nèi)容物進(jìn)入便攜式電子裝置?？稍O(shè)置一個(gè)注射器滑動(dòng)離合器204，在電子裝置充滿燃料的時(shí)候停止活塞的運(yùn)動(dòng)。再裝卡盒與注射器組件可如上述通過螺紋接合，然而，應(yīng)該理解的是，也可以使用其它適當(dāng)?shù)慕雍戏绞?。還應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明，注射器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不僅可以在可再裝注射器組件中使用也可以與可置換的注射器組件一起使用。
在圖32所示的另一個(gè)實(shí)施例中，注射器組件與上述的類似，但是包括一個(gè)手動(dòng)的泵組件205。例如，一個(gè)可再裝注射器188w或一個(gè)可置換注射器189w可包括一個(gè)由注射器閥192w和柔性膜或隔膜片206密封的燃料室187w。在所示的實(shí)施例中，手動(dòng)的泵組件為拇指致動(dòng)泵，與在REEBOK運(yùn)動(dòng)鞋上發(fā)現(xiàn)的相類似，其用于在柔性隔膜片上提供正壓力，該壓力可用于從注射器組件傳輸燃料進(jìn)入便攜式電子裝置。可設(shè)置一個(gè)壓力釋放閥207用于防止使用者在注射器組件上和/或便攜式電子裝置上施加過大壓力。壓力釋放閥和/或注射器組件的其它部件還可被構(gòu)造用于當(dāng)充注結(jié)束時(shí)提供聲音指示。應(yīng)該理解的是，手動(dòng)泵組件也可以使用在如圖33所示的可置換注射器組件189x中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)有一個(gè)內(nèi)部注射器組件190，其具有上述可再裝和可置換注射器組件的全部功能，但是位于便攜式電子裝置的內(nèi)部，如圖34所示。有利的是，這樣的結(jié)構(gòu)可有助于再裝卡盒的尺寸、成本和復(fù)雜性的降低，也可以防止施加過大壓力。在這個(gè)實(shí)施例中，便攜式電子裝置32y包括具有一個(gè)單向注入閥209以允許進(jìn)行再裝的燃料貯存器208。一旦再裝卡盒193與注入閥接合，并與燃料貯存器流體連通，可壓下注入杠桿210以使燃料室擴(kuò)大，由此在其內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，其可以從再裝卡盒中抽出燃料。一旦加完燃料，也就是說，一旦燃料室208基本充滿時(shí)，通過下壓杠桿，燃料室彈簧211被壓縮以產(chǎn)生能夠從燃料貯存器中將燃料泵送至便攜式電子裝置的燃料電池組件的燃料回路中的正壓力。在這點(diǎn)上，應(yīng)該理解的是，燃料室彈簧的作用方式與上述的可膨脹的壓力構(gòu)件87相同。在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料貯存器208z可包括一個(gè)以波紋管212形式存在的囊，其可以進(jìn)一步增強(qiáng)燃料在燃料貯存器中的保存，如圖35所示。應(yīng)該理解，波紋管可以與圓形柱塞或矩形活塞結(jié)合使用。
應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明也可使用其它合適的囊結(jié)構(gòu)。在圖36(a)所示的實(shí)施例中，囊212aa可設(shè)置于如圖36(a)所示的兩個(gè)側(cè)面壓縮板213之間并與之結(jié)合使用，其中兩個(gè)側(cè)面壓縮板通過彈簧向彼此施加壓力由此以與上述的壓縮板138和139相似的方式提供在囊上的正壓力。另一種可選方式是，壓縮板213bb可設(shè)有互連連接桿214，使壓縮板通過卷簧向彼此施加壓力，如圖36(b)所示。進(jìn)一步的，壓縮板213cc可以通過一個(gè)鉸鏈樞轉(zhuǎn)連接，其中壓縮板通過卷簧向彼此施加壓力，如圖36(c)所示。
應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明可使用一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多的燃料注射器、再裝卡盒和/或燃料貯存器。例如，如圖37所示，多個(gè)注射器215可用于從注射器組件和/或再裝卡盒中以與上述相似的方式抽出流體?？墒褂枚鄠€(gè)注射器以達(dá)到增加較大的便攜式電子裝置例如膝上電腦和其它使用燃料電池組件的設(shè)備可能需要的體積。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖38所示，可拆卸的燃料卡盒設(shè)有主室145ee，其中裝入一個(gè)以與上述類似的方式與燃料電池組件陽極側(cè)上的入口流體連通的可膨脹的燃料囊86ee。在這個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)吸收裝置216位于第二室146ee中。在一個(gè)實(shí)施例中，裝置216為一個(gè)環(huán)形管狀構(gòu)件，其包括一個(gè)圍繞著多孔材料218且其中充填有干燥劑219的膠乳管217。該多孔材料可包括篩網(wǎng)、滲透膜和或其它合適的裝置，其允許要進(jìn)行吸收的水和/或其它物質(zhì)有選擇的通過。如果水是要吸收的目標(biāo)物質(zhì)，干燥劑可包括丙烯酸、角叉菜膠和/或其它適于吸收水的材料。應(yīng)該理解的是也可使用其它干燥劑來吸收其它目標(biāo)物質(zhì)，包括但不限于，二氧化碳和甲烷。也應(yīng)該理解，可使用不可逆吸收劑或可逆吸收劑作為干燥劑。
在圖38所示的實(shí)施例中，吸收裝置216與燃料電池室的陰極側(cè)上的排放端口流體連接，并被構(gòu)造以接收從陰極排出的水和空氣。在這個(gè)實(shí)施例中，吸收裝置被構(gòu)造用于俘獲或吸收排放氣流中的水。當(dāng)排放的空氣被陰極利用時(shí)，這樣的水吸收結(jié)構(gòu)特別有利于從排放氣流中除去水，因?yàn)樗畬娜剂想姵亓黧w循環(huán)中除去，因此這樣的水吸收結(jié)構(gòu)將會(huì)增加燃料電池組件的耐凍結(jié)性。
在多個(gè)方面中，與前述改進(jìn)相似的附圖標(biāo)記的各種改變中，以及后綴有下標(biāo)“a”到“ee”的相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部件。
前述對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例的說明是出于舉例和說明的目的。其并不旨在是窮舉的或?qū)l(fā)明限制為已公開的具體形式，且明顯地，在上述教導(dǎo)之下可能存在多種變型和變化。為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，選擇和描述了這些實(shí)施例，由此使得本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員能夠最好地利用本發(fā)明，各種帶有各種變型的實(shí)施例也適于所期望的特定用途。這里本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求及其等效方式所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于液體燃料電池組件的可拆卸的燃料電池卡盒，包括一個(gè)具有至少一個(gè)用于向燃料電池組件傳送燃料的端口的第一燃料室的容器；和一個(gè)用于一個(gè)或多個(gè)附加部件的第二室，其中所述第二室包括至少兩個(gè)端口，其中至少一個(gè)端口與所述燃料電池組件相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料卡盒，其中所述第一室和所述第二室被一個(gè)固定不動(dòng)的分隔器隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料卡盒，其中所述附加部件選自包括空氣過濾器、燃料過濾器、離子交換柱、風(fēng)扇、泵、泵控制芯片、計(jì)量閥、計(jì)量泵、膜、吸水劑、二氧化碳吸收劑和甲醇吸收劑組成的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料卡盒，其中所述容器具有一個(gè)與所述燃料電池組件相接合的近端，和一個(gè)與所述近端相對(duì)的遠(yuǎn)端，其中所述第一室和第二室的每一個(gè)都位于所述容器的所述近端和遠(yuǎn)端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料卡盒，其中所述容器具有一個(gè)與所述燃料電池組件相接合的近端，和一個(gè)與所述近端相對(duì)的遠(yuǎn)端，其中所述第一室位于所述近端附近，所述第二室位于所述遠(yuǎn)端附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料卡盒，其中所述容器具有一個(gè)與所述燃料電池組件相接合的近端，和一個(gè)與所述近端相對(duì)的遠(yuǎn)端，其中所述第二室位于所述近端附近，所述第一室位于所述遠(yuǎn)端附近。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料卡盒，其中所述第二室包括通過第一端口與所述第一室流體連通的計(jì)量閥或計(jì)量泵，其中所述第二室包括一個(gè)與所述燃料電池組件的陽極回路流體連通的第二端口。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料卡盒，其中所述燃料計(jì)量閥或計(jì)量泵能夠由一個(gè)位于所述燃料電池組件內(nèi)的致動(dòng)器控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料卡盒，其中所述第二室包括用于與所述燃料電池組件的陽極回路流體連通的入口和出口，在所述入口和出口之間的流體連接器以及與所述第一室和所述流體連接器流體連通的計(jì)量閥或計(jì)量泵。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料卡盒，其中所述燃料計(jì)量閥或計(jì)量泵能夠由位于所述燃料電池組件內(nèi)的致動(dòng)器進(jìn)行控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料卡盒，進(jìn)一步包括一個(gè)在所述第二室中與所述第一室或所述流體連接器流體連通的燃料過濾器。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料卡盒，進(jìn)一步包括與所述第一室或所述流體連接器流體連通的離子交換樹脂。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料卡盒，其中所述第二室包括用于與所述燃料電池組件的陽極回路流體連通的入口和出口，在所述入口和出口之間的流體連接器以及與所述第一室流體連通的計(jì)量閥或計(jì)量泵和一個(gè)用于與所述燃料電池組件的陽極回路流體連通的燃料供給端口。
14.一種用于液體燃料電池組件的可拆卸的燃料電池卡盒，包括一個(gè)具有至少一個(gè)用于向燃料電池組件傳送燃料的端口的第一燃料室的容器；和一個(gè)具有至少兩個(gè)端口的吸收裝置，其中至少一個(gè)端口與所述燃料電池組件相連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池卡盒，其中所述吸收裝置被構(gòu)造用于從所述燃料電池組件的廢氣回路中除去水。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池卡盒，其中所述容器包括一個(gè)第二室，且所述吸收裝置位于所述第二室中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料電池卡盒，其中所述第一室和所述第二室被一個(gè)固定不動(dòng)的分隔器隔開。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料卡盒，進(jìn)一步包括從包括空氣過濾器、燃料過濾器、離子交換柱、風(fēng)扇、泵、泵控制芯片、計(jì)量閥、計(jì)量泵、膜、吸水劑、二氧化碳吸收劑和甲醇吸收劑的組中選出的一個(gè)或多個(gè)附加部件。
19.一種燃料電池組件，包括根據(jù)權(quán)利要求1或14所述的燃料卡盒。
20.一種電子裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池。
21.一種電源，包括根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電源，包括多個(gè)燃料卡盒。
全文摘要
一種燃料電池組件，包括膜電極組件、陽極板、陰極板、可拆卸的燃料卡盒，以及燃料傳輸系統(tǒng)。該組件包括陽極、陰極和具有燃料側(cè)和氧氣側(cè)的聚合物電解質(zhì)膜。燃料卡盒包括用于容納液體燃料的可膨脹燃料囊、與該囊接觸的用以保持該囊上的正壓力的可膨脹壓力構(gòu)件，以及與該囊流體連通的可密封出口。燃料傳輸系統(tǒng)從該卡盒向該膜的燃料側(cè)傳輸燃料。可拆卸的燃料卡盒包括具有第一容器部分和第二容器部分的剛性燃料容器，所述容器密封著可膨脹的燃料囊和可膨脹的壓力構(gòu)件。第一容器部分和第二容器部分可以通過粘結(jié)劑永久地相互結(jié)合在一起。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1809941SQ200380109460
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2003年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月2日
發(fā)明者M·比爾施巴赫 申請(qǐng)人:復(fù)合燃料公司