專利名稱：：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及燃料電池及操作該電池的方法。燃料電池是能夠由典型地在兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)提供電能的裝置。通常，燃料電池包括稱為陽(yáng)極和陰極的兩個(gè)電極和設(shè)置在所述電極之間的固體電解質(zhì)。陽(yáng)極包含陽(yáng)極催化劑，陰極包含陰極催化劑。諸如膜電解質(zhì)的電解質(zhì)典型地為離子導(dǎo)電而非電子導(dǎo)電?？蓪㈦姌O與固體電解質(zhì)設(shè)置在兩個(gè)氣體擴(kuò)散層(GDL)之間。在燃料電池工作期間，反應(yīng)物流向合適的電極。在陽(yáng)極，反應(yīng)物(陽(yáng)極反應(yīng)物)與陽(yáng)極催化劑相互作用并形成反應(yīng)中間體，例如離子和電子。離子反應(yīng)中間體可通過(guò)電解質(zhì)由陽(yáng)極流向陰極。然而，電子是通過(guò)電連接陽(yáng)極和陰極的外部負(fù)荷由陽(yáng)極流向陰極。當(dāng)電子流過(guò)外部負(fù)荷時(shí)提供了電能。在陰極，陰極催化劑與其它反應(yīng)物(陰極反應(yīng)物)、在陽(yáng)極上形成的中間體和電子相互作用以完成燃料電池反應(yīng)。例如，在一種類型的燃料電池(有時(shí)稱為直接甲醇燃料電池(DMFC))中，陽(yáng)極反應(yīng)物包括甲醇和水，陰極反應(yīng)物包括氧氣(例如，來(lái)自空氣)。在陽(yáng)極，甲醇被氧化；在陰極，氧氣被還原(1)(2)(3)如反應(yīng)式(1)所示，甲醇的氧化生成二氧化碳、質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)由陽(yáng)極流向陰極。電子通過(guò)外部負(fù)荷由陽(yáng)極流向陰極，從而提供電能。在陰極，質(zhì)子和電子與氧氣反應(yīng)生成水(反應(yīng)式2)。反應(yīng)式3顯示總的燃料電池反應(yīng)。本發(fā)明涉及燃料電池及操作該電池的方法。在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于一個(gè)具有燃料源和燃料(如燃料凝膠)的燃料電池系統(tǒng)，如DMFC系統(tǒng)，所述燃料源包括蒸汽傳輸元件，所述燃料能夠排放氣相燃料。蒸汽傳輸元件能夠提供高表面積，與燃料的相對(duì)恒定的界面，從而可提供相對(duì)恒定的燃料遞送。此外，高表面積的界面與氣相中的燃料遞送的組合增強(qiáng)了燃料源的幾何形狀及定向靈活性。例如，燃料源不必匹配燃料電池的面積占用區(qū)域。蒸汽相燃料遞送還可減弱燃料由陽(yáng)極向陰極的移動(dòng)(例如甲醇穿透)，這會(huì)造成寄生損失(和減少的運(yùn)行時(shí)間)以及在陰極的混合電勢(shì)(和減少的輸出功率)。此外，燃料源能夠以良好地防止泄漏的小體積設(shè)計(jì)提供這些特征。在一些實(shí)施方案中，燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)氣體驅(qū)動(dòng)器，所述氣體驅(qū)動(dòng)器可主動(dòng)調(diào)節(jié)氣相燃料的流動(dòng)并進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，例如燃料源的定向靈活性?？晒┻x擇地或另外地，燃料電池系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)氣相燃料流動(dòng)的限制機(jī)構(gòu)。在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于用于燃料電池的燃料源，所述燃料源包括具有出口的外殼；其一部分處于外殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體限定腔體并具有限定與腔體流體連通的開口的表面；以及外殼內(nèi)的燃料，所述燃料通過(guò)所述結(jié)構(gòu)體的開口及腔體與出口流體連通。實(shí)施方案可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。所述結(jié)構(gòu)體包括細(xì)長(zhǎng)管并且所述腔體是該管的內(nèi)腔。所述外殼具有入口，并且所述燃料源還包括與入口流體連通的擴(kuò)散管。外殼包括阻燃材料。所述外殼被構(gòu)型以與燃料電池系統(tǒng)接合。所述開口被構(gòu)型以減弱非氣體燃料流過(guò)該開口。所述燃料源在外殼內(nèi)包括多個(gè)結(jié)構(gòu)體。所述結(jié)構(gòu)體包括疏水材料。所述燃料源還包括與出口和/或閥門(如狹口閥)流體連通的擴(kuò)散管，這些出口和/或閥門能夠選擇性地減弱流體流過(guò)擴(kuò)散管。所述燃料源還包括與燃料流體連通的二氧化碳吸氣劑。所述燃料包括凝膠和/或液體。所述燃料包含醇，例如甲醇。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于燃料源，所述燃料源包括具有出口的外殼；其多個(gè)部分處在外殼內(nèi)的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)管，每個(gè)管限定內(nèi)腔并具有限定多個(gè)開口的表面；以及在外殼內(nèi)包括凝膠的燃料，所述燃料通過(guò)管的開口及內(nèi)腔與出口流體連通，其中所述燃料源被構(gòu)型以與燃料系統(tǒng)流體連通。所述燃料可包含甲醇。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池；與燃料電池流體連通的燃料源，述燃料源包括含醇的燃料；以及沿著流體流動(dòng)通道處于燃料電池和燃料源之間的氣體驅(qū)動(dòng)器。實(shí)施方案可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。所述燃料源包括具有出口的外殼，且氣體驅(qū)動(dòng)器(如鼓風(fēng)機(jī))沿著流體流動(dòng)通道處于出口和燃料電池之間。燃料源包括具有入口的外殼，且氣體驅(qū)動(dòng)器沿著流體流動(dòng)通道處于入口和燃料電池之間。燃料電池系統(tǒng)還包括沿著流體流動(dòng)通道處于燃料電池和燃料源之間的擴(kuò)散管。燃料電池系統(tǒng)還包括沿著流體流動(dòng)通道處于燃料電池和燃料源之間的閥門。所述燃料源包括凝膠。燃料源可包括具有出口的外殼、所述外殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體限定腔體并具有限定與所述腔體流體連通的開口的表面、以及在所述外殼內(nèi)的燃料，所述燃料通過(guò)所述結(jié)構(gòu)體的開口及腔體與出口流體連通。燃料源可包括具有出口的外殼；在所述外殼內(nèi)的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)管，每個(gè)管限定內(nèi)腔并具有限定與所述內(nèi)腔流體連通的多個(gè)開口的表面；以及在所述外殼內(nèi)包括凝膠的燃料，所述燃料通過(guò)所述管的開口及內(nèi)腔與出口流體連通。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括使燃?xì)饬鬟^(guò)其一部分處在燃料源內(nèi)的結(jié)構(gòu)體的開口及腔體；并使燃?xì)饨佑|燃料電池的陽(yáng)極。實(shí)施方案可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。所述方法包括使燃?xì)饬鬟^(guò)其多個(gè)部分處在燃料源內(nèi)的多個(gè)結(jié)構(gòu)體的多個(gè)開口及多個(gè)腔體。所述結(jié)構(gòu)體包括細(xì)長(zhǎng)管。所述方法還包括使燃?xì)饬鬟^(guò)擴(kuò)散管；用閥門限制燃?xì)?；將燃?xì)庥扇剂显垂娘L(fēng)至燃料電池；和/或?qū)怏w由燃料電池系統(tǒng)的出口鼓風(fēng)至燃料源，并使所述氣體接觸燃料。燃料源包括液體燃料或凝膠燃料，例如包括甲醇的一種燃料。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括將燃?xì)鈴娜剂显垂娘L(fēng)至燃料電池，所述燃料源包含醇；并使燃?xì)饨佑|燃料電池的陽(yáng)極。實(shí)施方案可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。所述方法還包括使燃?xì)饬鬟^(guò)擴(kuò)散管和/或減弱燃?xì)獾牧鲃?dòng)。燃料源包括液體燃料或凝膠燃料。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括將氣體從燃料電池系統(tǒng)的出口鼓風(fēng)至燃料源；并使氣體與燃料源中的燃料接觸，所述燃料包含醇。所述方法還包括使氣體流過(guò)擴(kuò)散管，使氣體接觸干燥劑或二氧化碳吸氣劑，和/或減弱氣體的流動(dòng)。燃料源可包括液體燃料或凝膠燃料。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括使燃?xì)饬鬟^(guò)其多個(gè)部分處在燃料源內(nèi)的多個(gè)結(jié)構(gòu)體的多個(gè)開口及多個(gè)腔體；將燃?xì)鈴娜剂显垂娘L(fēng)至燃料電池；并使燃?xì)饨佑|燃料電池的陽(yáng)極。實(shí)施方案可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。所述方法還包括使燃?xì)饬鬟^(guò)擴(kuò)散管；減弱燃?xì)獾牧鲃?dòng)；將出口氣體由燃料電池鼓風(fēng)至燃料源，并使出口氣體接觸燃料源內(nèi)的燃料；使出口氣體流過(guò)擴(kuò)散管；和/或減弱出口氣體的流動(dòng)。所述燃料源包括液體燃料或凝膠燃料。通過(guò)所述附圖、說(shuō)明和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)。圖1是燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。圖2是燃料源的一個(gè)實(shí)施方案的圖示。圖3是燃料源的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。圖4是燃料源的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。圖5是燃料源的一個(gè)實(shí)施方案的圖示。圖6A、6B和6C是氣體擴(kuò)散器的圖示。參照?qǐng)D1，示出的是燃料電池系統(tǒng)20，例如直接甲醇燃料電池(DMFC)系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)20包括燃料電池組22；與燃料電池組流體連通的燃料源24(例如，包含甲醇的盒子)；與燃料電池組和燃料源流體連通的兩個(gè)氣體驅(qū)動(dòng)器26和28；以及空氣驅(qū)動(dòng)器30。為了圖示說(shuō)明的目的，燃料電池組22顯示具有一個(gè)燃料電池32(下文進(jìn)行描述)，但在其它實(shí)施方案中，燃料電池組包括多個(gè)燃料電池32，例如串連或并聯(lián)排列。簡(jiǎn)單地講，燃料電池32包括陽(yáng)極34、陰極36和位于陽(yáng)極與陰極之間的電解質(zhì)38。燃料電池32還包括設(shè)置在電解質(zhì)38、陽(yáng)極34和陰極36組件每一側(cè)上的氣體擴(kuò)散層(GDL)40和42。將空氣驅(qū)動(dòng)器30布置為有利于陰極反應(yīng)物(如空氣)流向陰極36，以及陰極產(chǎn)物(如水)從陰極流出。將氣體驅(qū)動(dòng)器26和28布置為有利于陽(yáng)極反應(yīng)物(如甲醇和水)由燃料源24流向陽(yáng)極入口54，以及陽(yáng)極產(chǎn)物(如二氧化碳)從陽(yáng)極出口56流出(如所示，流向燃料源)。參照?qǐng)D2，燃料源24被構(gòu)型以將蒸汽相燃料遞送至燃料電池組22。如所示，燃料源24是包括外殼44的棱柱形盒形式，所述外殼44具有入口47和出口53。在外殼44內(nèi)，燃料源24包括燃料48以及燃料中(例如，被燃料所包圍)的一個(gè)或多個(gè)(如所示，四個(gè))蒸汽傳輸元件46。在一些實(shí)施方案中，蒸汽傳輸元件46是細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體，其具有限定腔體50并穿孔有一個(gè)或多個(gè)開口52的外表面。腔體50和開口52與入口47及出口53流體連通。蒸汽傳輸元件可為例如限定內(nèi)腔的末端開口的穿孔管狀結(jié)構(gòu)體，并且在其它實(shí)施方案中，蒸汽傳輸元件可具有任何橫截面構(gòu)型(例如，三角形、正方形、矩形、或具有3、4、5、6、7、8或更多邊的規(guī)則或不規(guī)則多邊形)。蒸汽傳輸元件46可基本沿外殼44的整個(gè)長(zhǎng)度或其一部分延伸。蒸汽傳輸元件的橫截面寬度或直徑可為約0.01微米至約10mm(例如約1mm至約5mm，如約1mm)。燃料源24可包括相同尺寸和構(gòu)型或不同尺寸和/或構(gòu)型的蒸汽傳輸元件46。蒸汽傳輸元件46可由諸如聚丙烯的材料制成，所述材料可長(zhǎng)期穩(wěn)定地暴露于燃料48。在一些情況下，例如在DMFC系統(tǒng)中，用于形成蒸汽傳輸元件46的材料為疏水的，以減小水冷凝的可能性，從而保持水在蒸汽相中。開口52的尺寸容許氣體燃料通過(guò)所述開口，同時(shí)防止非氣體燃料(如液體燃料)通過(guò)，例如，由于表面張力。開口52可為例如圓形、橢圓形、具有3、4、5、6、7、8或更多邊的規(guī)則或不規(guī)則多邊形。在一些情況下，開口52的平均寬度或直徑為約0.001mm至約5mm；例如，平均寬度或直徑可大于或等于約0.05mm、0.5mm、1mm或3mm，和/或小于或等于約5mm、3mm、1mm、0.5mm或0.05mm。開口52可以規(guī)則圖案排列或隨機(jī)排列在蒸汽傳輸元件46上。燃料源24可包括任何數(shù)目的蒸汽傳輸元件46或所述元件的任何排列。蒸汽傳輸元件46可不規(guī)則或規(guī)則排列，例如排列成行或成列。蒸汽傳輸元件46可互相接觸和/或接觸外殼44的內(nèi)表面。在一些實(shí)施方案中，蒸汽傳輸元件46互相間隔開和/或與外殼44間隔開。例如，可利用塑料線框架或支架將蒸汽傳輸元件46保持在預(yù)定位置。所述框架或支架還容許在保持蒸汽傳輸元件46的位置的同時(shí)用燃料48填充燃料源24。如果在填充燃料后去除所述框架或支架，蒸汽傳輸元件46可隨著燃料48在使用期間的消耗而移動(dòng)并互相接觸。燃料48能夠向燃料電池組22提供氣體形式的燃料。燃料48，例如包括醇(如甲醇和/或乙醇)或烴的燃料，可為液體或凝膠形式，其具有的蒸汽壓足以向電池組22提供氣體燃料。燃料凝膠是能夠排放出純的或高濃度的氣相燃料分子的粘稠物質(zhì)(例如，約5×10-5至200Pa□s(0.05至約200,000厘泊))。粘度可為例如大于或等于約10、25、50、100或150Pa□s(約10,000、25,000、50,000、100,000或150,000厘泊)；和/或小于或等于約200、150、100、50或25Pa□s(約200,000、150,000、100,000、50,000或25,000厘泊)。燃料凝膠組合物的一個(gè)實(shí)例包括燃料(如甲醇)；稀釋劑(如去離子水)；增稠劑(如CarbopolEZ-3，一種酸性的、疏水改性的交聯(lián)聚丙烯酸酯粉末)；以及中和劑(如三異丙醇胺)。其它燃料凝膠描述于Noveon的文獻(xiàn)，該文獻(xiàn)描述了使用丙烯酸聚合物(Carbopol)流變改性劑(由BFGoodrich制造)的實(shí)例；并用烹飪?nèi)剂鲜纠f(shuō)明(例如，購(gòu)自Sterno，配方實(shí)例由Noveon列出)。可將具有足夠高粘度的燃料凝膠限制在外殼44內(nèi)，例如，通過(guò)使用塑料網(wǎng)柵(未示出)。如圖2所示，限制燃料48以限定兩個(gè)末端空間51，該空間提供燃料蒸汽可由此排放出的兩個(gè)界面。使用期間，氣相燃料分子能夠由燃料48流出，經(jīng)過(guò)蒸汽傳輸元件的開口52和腔體50，經(jīng)過(guò)出口53，到達(dá)燃料電池32的陽(yáng)極34。使用與能夠提供氣相燃料的燃料組合的蒸汽傳輸元件46可提高所述燃料在燃料電池系統(tǒng)20中的遞送及其性能。蒸汽傳輸元件46可在任何幾何形狀的燃料源內(nèi)提供與燃料48的高表面積的界面，而不增加燃料源的占用區(qū)域。例如，在一個(gè)4×8×1cm的棱柱形燃料盒(體積為32cc)中，對(duì)燃料盒的某些設(shè)計(jì)，該盒的大面積占用區(qū)域的表面積為32cm2。相比之下，使用四個(gè)蒸汽傳輸元件(例如，直徑2mm，長(zhǎng)度略小于8cm，50％可透過(guò))可得到兩個(gè)4×1cm的矩形界面(來(lái)自末端空間51，共8cm2)，加上蒸汽傳輸元件提供的面積(每個(gè)略小于2.5cm2)，總面積略小于18cm2。對(duì)于十個(gè)蒸汽傳輸元件，總表面積略小于33cm2(元件的略小于25cm2，加上兩個(gè)界面的8cm2)，而體積為約2.5cc(小于燃料盒體積的10％)。此外，通過(guò)提供與燃料48的高表面積的界面，而不必增加出口53的橫截面積，蒸汽傳輸元件46增強(qiáng)了燃料源24的靈活性，例如，依據(jù)其幾何形狀和/或相對(duì)燃料電池組22的定向。燃料源24不必具有與燃料電池32相同的面積占用區(qū)域(即，基本相當(dāng)于陽(yáng)極34的活性區(qū)域)以獲得良好性能。此外，由于蒸汽傳輸元件46可接觸燃料48，蒸汽傳輸元件46和燃料之間的界面可保持相對(duì)恒定，例如，燃料不撤離出蒸汽傳輸元件。因此，隨著燃料48在使用期間被消耗，燃料源24能夠保持恒定的燃料遞送速率，從而使燃料電池組22能夠提供恒定的功率輸出。此外，燃料源24能夠以具有良好防止泄漏的相對(duì)簡(jiǎn)單(例如，沒(méi)有移動(dòng)部件)的小體積設(shè)計(jì)提供上述特征，尤其是當(dāng)燃料48包括凝膠時(shí)。此外，燃料系統(tǒng)20的性能可通過(guò)采用氣體驅(qū)動(dòng)器26和28的一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)一步增強(qiáng)。氣體驅(qū)動(dòng)器26和28調(diào)節(jié)氣體流進(jìn)和流出燃料電池組22，并進(jìn)一步使燃料源24相對(duì)于燃料電池組22的定向更靈活。氣體驅(qū)動(dòng)器26置于燃料源24的出口48和燃料電池組22的陽(yáng)極入口54之間的氣體流動(dòng)通道內(nèi)。氣體驅(qū)動(dòng)器26能夠有利于(例如吸引)氣相燃料由蒸汽傳輸元件46流至燃料電池32。氣體驅(qū)動(dòng)器28置于燃料電池組22的陽(yáng)極出口56和燃料源24的入口46之間的氣體流動(dòng)通道內(nèi)。氣體驅(qū)動(dòng)器28能夠有利于陽(yáng)極出口氣體(例如未反應(yīng)的燃料、二氧化碳和水)由燃料電池32流至燃料源24，例如來(lái)循環(huán)水。氣體驅(qū)動(dòng)器26和28可為例如鼓風(fēng)機(jī)，如具有直流電機(jī)(購(gòu)自中國(guó)溫州的Kot′lJinLongMachinery)和葉輪的一種鼓風(fēng)機(jī)。在其它實(shí)施方案中，氣體驅(qū)動(dòng)器26和28可為隔膜泵及其變型，或蠕動(dòng)泵。泵的實(shí)例描述于U.S.6,274,261、WO00/36696、WO01/97317、WO01/97318、WO01/97319和WO02/31906中，所有這些專利據(jù)此全文引入本文以供參考。氣體驅(qū)動(dòng)器26和/或28可為燃料電池組22的整體部件，位于電池組之內(nèi)或之上，或者氣體驅(qū)動(dòng)器可為燃料源24的部件。在一些實(shí)施方案中，燃料電池系統(tǒng)20包括一個(gè)或多個(gè)限制機(jī)構(gòu)，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)沒(méi)有使用時(shí)，所述限制機(jī)構(gòu)部分地或完全地減弱(如隔離)氣體流出和流入燃料源24。限制氣體流入和流出燃料源24可減弱燃料48的降解(如，被空氣氧化)及燃料的不必要蒸發(fā)。限制機(jī)構(gòu)的實(shí)例包括壓敏閥，例如由聚合物膜制成的狹口閥，或突開閥。當(dāng)存在壓差(例如當(dāng)氣體驅(qū)動(dòng)器26和/或28被啟動(dòng))時(shí)，壓敏閥會(huì)自動(dòng)打開，并且當(dāng)壓差消除(例如，氣體驅(qū)動(dòng)器不起作用)時(shí)關(guān)閉。壓敏閥描述于例如2002年9月6日提交的U.S.S.N.10/236,126中。限制機(jī)構(gòu)的其它實(shí)例包括重力驅(qū)動(dòng)瓣閥、機(jī)電閥或機(jī)械閥，例如手動(dòng)操作的閂鎖或閥門。限制機(jī)構(gòu)可以任何組合延伸穿過(guò)燃料源24的入口47和/或出口53的橫截面，或穿過(guò)燃料電池組22的任何入口和/或出口?？晒┻x擇地或另外地，參照?qǐng)D3和4，限制機(jī)構(gòu)可包括任何組合的與燃料源24的入口47和/或出口48流體連通和/或穿過(guò)燃料電池組22的任何入口和/或出口的擴(kuò)散管49。擴(kuò)散管是具有足夠長(zhǎng)腔體或內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)體，從而缺少驅(qū)動(dòng)力(例如，來(lái)自氣體驅(qū)動(dòng)器)時(shí)，通過(guò)該管的氣體擴(kuò)散足夠低以提供一個(gè)有效的閥門。在一些實(shí)施方案中，擴(kuò)散管的長(zhǎng)度大于盒子長(zhǎng)度的約一半至盒子的整個(gè)長(zhǎng)度?？刹捎貌恢挂粋€(gè)擴(kuò)散管，例如，通過(guò)在盒子外部?jī)蓚?cè)提供歧管，以及多個(gè)入口和出口。擴(kuò)散管還描述于1999年9月21日提交的U.S.S.N.09/400,020,以及美國(guó)專利5,560,999和5,721,064中。在一些實(shí)施方案中，擴(kuò)散管包括一個(gè)或多個(gè)延伸穿過(guò)該管橫截面的限制機(jī)構(gòu)(如，狹口閥或瓣閥)。限制機(jī)構(gòu)可縮短擴(kuò)散管的長(zhǎng)度和/或增強(qiáng)燃料源24的隔離。擴(kuò)散管可為燃料源24的部件(例如，在外殼44內(nèi)部或外部整體成形)或燃料電池組32的集成部件。上述限制機(jī)構(gòu)可用于具有或沒(méi)有氣體驅(qū)動(dòng)器26和28的燃料電池系統(tǒng)?？諝怛?qū)動(dòng)器30被構(gòu)型以有利于陰極反應(yīng)物(如氧氣)流向陰極36以及陰極產(chǎn)物(如水)流出陰極?？諝怛?qū)動(dòng)器30可與氣體驅(qū)動(dòng)器26或28，例如鼓風(fēng)機(jī)相同。再次參照?qǐng)D1，現(xiàn)在將描述燃料電池32的實(shí)例。燃料電池32包括電解質(zhì)38、粘合在電解質(zhì)第一側(cè)面上的陽(yáng)極34、以及粘合在電解質(zhì)第二側(cè)面上的陰極36。電解質(zhì)38、陽(yáng)極34和陰極36設(shè)置在氣體擴(kuò)散層(GDL)40和42之間。電解質(zhì)38應(yīng)當(dāng)能夠容許離子流過(guò)，同時(shí)基本阻止電子的流動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，電解質(zhì)38是固體聚合物(例如，固體聚合物離子交換膜)，例如固體聚合物質(zhì)子交換膜(如包含磺酸基團(tuán)的固體聚合物)。此類膜以商標(biāo)NAFION商購(gòu)自E.I.DuPontdeNemoursCompany(Wilmington，DE)?？晒┻x擇地，電解質(zhì)38也可由購(gòu)自W.L.Gore&Associates(Elkton，MD)的商業(yè)產(chǎn)品GORE-SELECT制備。陽(yáng)極34可由能夠與甲醇和水相互作用以生成二氧化碳、質(zhì)子和電子的物質(zhì)例如催化劑來(lái)形成。此類物質(zhì)的實(shí)例包括例如鉑、鉑合金(如Pt-Ru、Pt-Mo、Pt-W或Pt-Sn)、分散在碳黑上的鉑。陽(yáng)極34還可包括電解質(zhì)，例如離聚物材料，如NAFION，其容許陽(yáng)極傳導(dǎo)質(zhì)子?？晒┻x擇地，將懸浮液施用到面向固體電解質(zhì)38的氣體擴(kuò)散層(在下文描述)的表面上，然后干燥懸浮液。制備陽(yáng)極34的方法還可包括利用壓力和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。陰極36可由能夠與氧氣、電子和質(zhì)子相互作用以生成水的物質(zhì)例如催化劑來(lái)形成。此類物質(zhì)的實(shí)例包括例如鉑、鉑合金(如Pt-Co、Pt-Cr或Pt-Fe)以及分散在碳黑上的貴金屬。陰極36還可包括電解質(zhì)，例如離聚物材料，如NAFION，其容許陰極傳導(dǎo)質(zhì)子。陰極36可根據(jù)以上關(guān)于陽(yáng)極34的描述進(jìn)行制備。氣體擴(kuò)散層(GDL)40和42可由氣體和液體均可透過(guò)的材料形成。合適的GDL購(gòu)自多家公司，例如Etek，Natick，MA；SGL，Valencia，CA；和Zoltek，St.Louis，MO。GDL40和42可為導(dǎo)電的，從而電子可由陽(yáng)極34流至陽(yáng)極流場(chǎng)板(未示出)，并由陰極流場(chǎng)板(未示出)流至陰極36。直接甲醇燃料電池和燃料電池系統(tǒng)的其它實(shí)施方案，包括使用方法，被描述于例如“FuelCellSystemsExplained”，J.Laraminie，A.Dicks，Wiley，NewYork，2000；“DirectMethanolFuelCellsFromaTwentiethCenturyElectrochemist′sDreamtoaTwenty-firstCenturyEmergingTechnology”，C.Lamy，J.Leger，S.Srinivasan，ModernAspectsofElectrochemistry，第34期，J.Bockris等人編輯，KluwerAcademic/PlenumPublishers，NewYork(2001)pp53-118；和“DevelopmentofaMiniatureFuelCellforPortableApplications”，S.R.Narayanan，T.I.ValdezandF.Clara，摘自DirectMethanolFuelCells，S.R.Narayanan，S.GottesfeldandT.Zawodzinski，編輯，ElectrochemicalSocietyProceedings，2001-4(2001)Pennington，NJ，所有這些均據(jù)此引入以供參考。其它實(shí)施方案燃料源24的外殼44可為能夠與燃料電池或燃料電池組接合并向其提供燃料的任何構(gòu)型。例如，參照?qǐng)D5，燃料源24′包括入口47′和出口53′，所述入口和出口被構(gòu)型以與燃料電池或燃料電池組的相應(yīng)入口和出口接合，例如扣合或鎖合。燃料源24′可包括上述任何一個(gè)或多個(gè)限制機(jī)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，燃料源24的外殼44包括(例如，由包括其的組合物形成)阻燃劑(如CN-2616，一種購(gòu)自GreatLakesChemical公司的氮-磷膨脹化合物)以降低燃料源的易燃性。陽(yáng)極入口54可包括一個(gè)或多個(gè)特征以增強(qiáng)燃料在陽(yáng)極54活性區(qū)域上的均勻分配。例如，參照?qǐng)D6A、6B和6C，燃料電池系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)氣體擴(kuò)散器60、62和/或64用于有效的蒸汽流動(dòng)。氣體擴(kuò)散器可為例如截頭圓錐體構(gòu)件(圖6A)、平板(圖6B)或篩網(wǎng)(圖6C)，其與陽(yáng)極入口54接合或在陽(yáng)極入口54附近。當(dāng)氣體流出陽(yáng)極入口54并進(jìn)入陽(yáng)極室時(shí)，氣體分散在陽(yáng)極室內(nèi)以減小低燃料濃度區(qū)域(相對(duì)于沿著MEA表面的其它區(qū)域)的發(fā)生。氣體擴(kuò)散器可與燃料源、燃料電池或燃料電池組成為一體。氣體擴(kuò)散器可用在燃料電池系統(tǒng)的陰極側(cè)上。從單一入口進(jìn)料分散陽(yáng)極和/或陰極氣體的其它方法包括將入口分成多個(gè)端口，例如使用歧管。在一些實(shí)施方案中，燃料電池系統(tǒng)只包括一個(gè)氣體驅(qū)動(dòng)器，例如，氣體驅(qū)動(dòng)器26或氣體驅(qū)動(dòng)器28。在一些實(shí)施方案中，本文所述的燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)排放控制系統(tǒng)，例如描述于2003年5月14日提交的普通轉(zhuǎn)讓的U.S.S.N.10/438,031中的那些。簡(jiǎn)單地講，排放控制系統(tǒng)能夠降低釋放到環(huán)境中的未反應(yīng)燃料及部分氧化產(chǎn)物(如，甲醛和/或甲酸)的含量。排放控制系統(tǒng)(包括它們?cè)谌剂想姵叵到y(tǒng)中的放置)的實(shí)施方案描述于U.S.S.N.10/438,031中。可供選擇地或另外地，燃料電池系統(tǒng)可包括能夠降低燃料電池組22排放二氧化碳的材料(如，吸氣材料)。諸如氧化鈣的吸氣材料可位于沿著出口56下游的流體流動(dòng)通道的任何位置。例如，燃料源24可在外殼44內(nèi)包含吸氣材料。在一些實(shí)施方案中，蒸汽傳輸元件不包括任何開口。蒸汽傳輸元件可由氣體可透過(guò)但液體不可透過(guò)的材料形成，例如膨化聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚苯乙烯和聚乙烯膜，如美國(guó)專利申請(qǐng)公布US2003/0215686A1中所述，和Lim等人的GasPermeableMembranesComposedofCarboxylatedPoly(vinylchloride)andPolyurethane，Bull.KoreanChem.Soc.1999，第20卷，第6期，第672至676頁(yè)，據(jù)此引入以供參考。氣體可透過(guò)但液體不可透過(guò)的材料可用于凝膠燃料和/或液體燃料。由氣體可透過(guò)但液體不可透過(guò)材料形成的蒸汽傳輸元件可用于本文所述的燃料源或燃料電池系統(tǒng)的任何實(shí)施方案。實(shí)施例以下示例性的實(shí)施例描述了制備燃料凝膠的方法。所述燃料凝膠包括按重量計(jì)約75.0％的甲醇；按重量計(jì)約24.0％的去離子水；按重量計(jì)約0.5％的CarbopolEZ-3；和按重量計(jì)約0.5％的三異丙醇胺。將CarbopolEZ-3增稠劑加入到水中，無(wú)需攪拌，并容許浸濕幾分鐘。然后在攪拌下加入甲醇。然后在攪拌下加入溶融的三異丙醇胺。在該步驟之后也可加入其它添加劑(例如阻燃劑，如CN-2616)。加入三異丙醇胺后，形成清澈凝膠，可將該凝膠傾倒或抽吸到燃料盒內(nèi)，容許冷卻且進(jìn)一步凝膠化。本文涉及到的所有參考文獻(xiàn)，例如專利申請(qǐng)、公布和專利均全文引入本文以供參考。其它實(shí)施方案在權(quán)利要求書中。權(quán)利要求1.一種用于燃料電池的燃料源，所述燃料源包括具有出口的外殼；其一部分處在所述外殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體限定腔體并具有限定與所述腔體流體連通的開口的表面；和在所述外殼內(nèi)的燃料，所述燃料通過(guò)所述結(jié)構(gòu)體的開口和腔體與所述出口流體連通。2.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述結(jié)構(gòu)體包括細(xì)長(zhǎng)管并且所述腔體是所述管的內(nèi)腔。3.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述開口被構(gòu)型以減少非氣體燃料流過(guò)所述開口。4.如權(quán)利要求1所述的燃料源，所述燃料源在所述外殼內(nèi)包括多個(gè)結(jié)構(gòu)體。5.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述結(jié)構(gòu)體包括疏水材料。6.如權(quán)利要求1所述的燃料源，所述燃料源還包括與所述出口流體連通的擴(kuò)散管。7.如權(quán)利要求6所述的燃料源，所述燃料源還包括能夠選擇性地減弱流體流過(guò)所述擴(kuò)散管的閥門。8.如權(quán)利要求1所述的燃料源，所述燃料源還包括能夠選擇性地減弱流體流過(guò)所述出口的閥門。9.如權(quán)利要求8所述的燃料源，其中所述閥門包括狹口閥。10.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述外殼具有入口，并且所述燃料源還包括與所述入口流體連通的擴(kuò)散管。11.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述燃料包括凝膠。12.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述燃料包括液體。13.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述燃料包含醇。14.如權(quán)利要求13所述的燃料源，其中所述燃料包含甲醇。15.如權(quán)利要求1所述的燃料源，所述燃料源還包括與所述燃料流體連通的二氧化碳吸氣劑。16.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述外殼包括阻燃材料。17.如權(quán)利要求1所述的燃料源，其中所述外殼被構(gòu)型以與燃料電池系統(tǒng)接合。18.一種燃料源，所述燃料源包括具有出口的外殼；其多個(gè)部分處在所述外殼內(nèi)的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)管，每個(gè)管限定內(nèi)腔并具有限定多個(gè)開口的表面；和在所述外殼內(nèi)包括凝膠的燃料，所述燃料通過(guò)所述管的開口和內(nèi)腔與所述出口流體連通，其中所述燃料源被構(gòu)型以與燃料系統(tǒng)流體連通。19.如權(quán)利要求18所述的燃料源，其中所述燃料包含甲醇。20.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池；與所述燃料電池流體連通的燃料源，所述燃料源包括含醇的燃料；和沿著流體流動(dòng)通道處于所述燃料電池和所述燃料源之間的氣體驅(qū)動(dòng)器。21.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料源包括具有出口的外殼，并且所述氣體驅(qū)動(dòng)器沿著所述流體流動(dòng)通道處于所述出口和所述燃料電池之間。22.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料源包括具有入口的外殼，并且所述氣體驅(qū)動(dòng)器沿著所述流體流動(dòng)通道處于所述入口和所述燃料電池之間。23.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氣體驅(qū)動(dòng)器包括鼓風(fēng)機(jī)。24.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括沿著流體流動(dòng)通道處于所述燃料電池和所述燃料源之間的擴(kuò)散管。25.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)還包括沿著流體流動(dòng)通道處于所述燃料電池和所述燃料源之間的閥門。26.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料源包括凝膠。27.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料源包括具有出口的外殼、在所述外殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體限定腔體并具有限定與所述腔體流體連通的開口的表面、以及在所述外殼內(nèi)的燃料，所述燃料通過(guò)所述結(jié)構(gòu)體的開口及腔體與所述出口流體連通。28.如權(quán)利要求20所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料源包括具有出口的外殼；在所述外殼內(nèi)的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)管，每個(gè)管限定內(nèi)腔并具有限定與所述內(nèi)腔流體連通的多個(gè)開口的表面；以及在所述外殼內(nèi)包括凝膠的燃料，所述燃料通過(guò)所述管的開口及內(nèi)腔與所述出口流體連通。29.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括使燃?xì)饬鬟^(guò)結(jié)構(gòu)體的開口及腔體，所述結(jié)構(gòu)體的一部分處在燃料源內(nèi)；和使所述燃?xì)饨佑|燃料電池的陽(yáng)極。30.如權(quán)利要求29所述的方法，所述方法包括使所述燃?xì)饬鬟^(guò)多個(gè)結(jié)構(gòu)體的多個(gè)開口及多個(gè)腔體，所述結(jié)構(gòu)體的多個(gè)部分處在所述燃料源內(nèi)。31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)體包括細(xì)長(zhǎng)管。32.如權(quán)利要求29所述的方法，所述方法還包括使所述燃?xì)饬鬟^(guò)擴(kuò)散管。33.如權(quán)利要求29所述的方法，所述方法還包括用閥門限制所述燃?xì)狻?4.如權(quán)利要求29所述的方法，所述方法還包括將所述燃?xì)鈴乃鋈剂显垂娘L(fēng)至所述燃料電池。35.如權(quán)利要求29所述的方法，所述方法還包括將氣體從所述燃料電池系統(tǒng)的出口鼓風(fēng)至所述燃料源，并使所述氣體接觸燃料。36.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述燃料源包括液體燃料或凝膠燃料。37.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述燃料源包括含甲醇的燃料。38.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括將燃?xì)鈴娜剂显垂娘L(fēng)至燃料電池，所述燃料源包含醇；和使所述燃?xì)饨佑|所述燃料電池的陽(yáng)極。39.如權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括使所述燃?xì)饬鬟^(guò)擴(kuò)散管。40.如權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括減弱所述燃?xì)獾牧鲃?dòng)。41.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述燃料源包括液體燃料或凝膠燃料。42.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括將氣體從所述燃料電池系統(tǒng)的出口鼓風(fēng)至燃料源；和使所述氣體與所述燃料源內(nèi)的燃料接觸，所述燃料包含醇。43.如權(quán)利要求42所述的方法，所述方法還包括使所述氣體流過(guò)擴(kuò)散管。44.如權(quán)利要求42所述的方法，所述方法還包括使所述氣體接觸干燥劑或二氧化碳吸氣劑。45.如權(quán)利要求42所述的方法，所述方法還包括減弱所述氣體的流動(dòng)。46.如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述燃料源包括液體燃料或凝膠燃料。47.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括使燃?xì)饬鬟^(guò)多個(gè)結(jié)構(gòu)體的多個(gè)開口及多個(gè)腔體，所述結(jié)構(gòu)體的多個(gè)部分處在燃料源內(nèi)；將所述燃?xì)鈴乃鋈剂显垂娘L(fēng)至燃料電池；和使所述燃?xì)饨佑|所述燃料電池的陽(yáng)極。48.如權(quán)利要求47所述的方法，所述方法還包括使所述燃?xì)饬鬟^(guò)擴(kuò)散管。49.如權(quán)利要求47所述的方法，所述方法還包括減弱所述燃?xì)獾牧鲃?dòng)。50.如權(quán)利要求47所述的方法，所述方法還包括將出口氣體從所述燃料電池鼓風(fēng)至所述燃料源，并使所述出口氣體接觸所述燃料源內(nèi)的燃料。51.如權(quán)利要求50所述的方法，所述方法還包括使所述出口氣體流過(guò)擴(kuò)散管。52.如權(quán)利要求50所述的方法，所述方法還包括減弱所述出口氣體的流動(dòng)。53.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述燃料源包括液體燃料或凝膠燃料。54.一種用于燃料電池的燃料源，所述燃料源包括具有出口的外殼；其一部分處在所述外殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體限定腔體并包括氣體可透過(guò)但液體不可透過(guò)的材料；和在所述外殼內(nèi)的燃料，所述燃料通過(guò)所述結(jié)構(gòu)體的開口和腔體與所述出口流體連通。55.如權(quán)利要求54所述的燃料源，其中所述氣體可透過(guò)但液體不可透過(guò)的材料包含聚四氟乙烯。56.如權(quán)利要求54所述的燃料源，其中所述燃料包括液體或凝膠。57.如權(quán)利要求54所述的燃料源，所述燃料源在所述外殼內(nèi)包括多個(gè)結(jié)構(gòu)體。全文摘要公開了燃料電池及操作燃料電池的方法。在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于用于燃料電池的燃料源包括具有出口的外殼、其一部分處在外殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)體，所述結(jié)構(gòu)體限定腔體并具有限定與所述腔體流體連通的開口的表面、以及外殼內(nèi)的燃料。所述燃料通過(guò)所述結(jié)構(gòu)體的開口及腔體與出口流體連通。文檔編號(hào)H01M8/00GK1918736SQ200580004645公開日2007年2月21日申請(qǐng)日期2005年2月8日優(yōu)先權(quán)日2004年2月13日發(fā)明者A·G·吉里辛斯基,B·L·赫斯申請(qǐng)人:吉萊特公司