專利名稱：燃料電池罐及膜電極組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及燃料電池系統(tǒng)，本發(fā)明特別涉及一種使用了燃料電池和燃料罐的燃料系統(tǒng)，本發(fā)明還特別涉及將一膜電極組件集成到燃料罐中。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將反應(yīng)劑即燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成直流電能(DC)的設(shè)備。對于越來越多的應(yīng)用場合來說，燃料電池的效率要高于常規(guī)的動力形式，如礦物燃料的燃燒，并且比便攜式電能貯存如鋰離子電池更為高效。
通常來講，燃料電池技術(shù)包括有多個不同的燃料電池，如堿性燃料電池、聚合物電解電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池以及酶燃料電池。某些燃料電池采用壓縮的氫(H2)作為燃料。壓縮的氫通常處于高壓狀態(tài)，因此其操作非常困難。此外，其通常需要很大的貯罐，很難針對消費者的電子設(shè)備做得很小。質(zhì)子交換膜(Protonexchange membrane----PEM)燃料電池采用甲醇(CH3OH)、硼氫化鈉(NaBH4)、碳?xì)浠衔?如丁烷)或者是其它燃料轉(zhuǎn)換成氫。常規(guī)的轉(zhuǎn)換型燃料電池需要轉(zhuǎn)換劑以及其它的蒸發(fā)和輔助系統(tǒng)來將燃料轉(zhuǎn)換成氫從而瑟燃料電池中的氧化劑反應(yīng)。最新的進展使轉(zhuǎn)換劑或轉(zhuǎn)換型燃料電池很有希望用于消費者的電子設(shè)備。其它的PEM燃料電池直接采用甲醇(CH3OH)燃料(“直接甲醇燃料電池”或DMFC)。DMFC，其中甲醇與燃料電池中的氧化劑直接反應(yīng)，是一種最簡單并且有可能最小的燃料電池，其很希望成為消費電子設(shè)備的電源。固體氧化物燃料電池(SOFC)在很高的溫度下對碳?xì)浠衔锶剂先缍⊥檫M行轉(zhuǎn)換從而產(chǎn)生電力。SOFC需要1000℃左右的高溫才能使燃料電池發(fā)生反應(yīng)。
用來生成電力的化學(xué)反應(yīng)對每一類燃料電池來說都是不同的。對于DMFC來說，每一個電極處的化學(xué)-電反應(yīng)以及直接甲烷燃料電池的整個反應(yīng)均可描述如下陽極的半反應(yīng)CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-陰極的半反應(yīng)1.5O2+6H++6e-→3H2O整個燃料電池的反應(yīng)CH3OH+1.5O2→CO2+2H2O由于氫離子穿過PEM從陽極遷移到陰極，并且由于自由電子不能穿過PEM，因此這些電子必須流過一個外部電路，從而形成一個流過外部電路的電流。該外部電路可用來給許多有用的消費電子設(shè)備提供電力，如移動電話或蜂窩電話、計算器、個人數(shù)字助理、膝上電腦以及動力工具等。
DMFC在美國專利文獻US5992008和US5945231中進行描述，這兩篇文獻以引用的方式全文并入這里。通常來講，PEM由一種聚合物制成，如DuPont公司的Nafion或者是其它合適的膜，前者是一種厚度在0.05mm到0.50mm之間的全氟化合物材料。陽極通常由一張用聚四氟乙烯處理的碳紙，其上支撐并沉積有很簿的一層催化劑，如鉑-釕。陰極通常是一種氣體擴散電極，其中有鉑顆粒粘接到該膜的一側(cè)上。
硼氫化鈉轉(zhuǎn)換型燃料電池的反應(yīng)如下
NaBH4(液體)+2H2O→(加熱或催化)→4(H2)+NaBO2(液體)陽極的半反應(yīng)H2→2H++2e-陰極的半反應(yīng)2(2H++2e-)+O2→2H2O適合于該反應(yīng)的催化劑包括鉑和釕以及其它的金屬。硼氫化鈉轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的氫燃料在燃料電池中與一氧化劑如O2進行反應(yīng)從而產(chǎn)生電力(或者是電子流)和副產(chǎn)品水。轉(zhuǎn)換過程中還會產(chǎn)生副產(chǎn)品硼酸鈉。硼氫化鈉燃料電池在已經(jīng)公開的美國專利文獻US2003/0082427中進行了描述，其以引用的方式并入這里。
燃料電池的一個重要方面就是燃料的貯存。燃料源應(yīng)能方便地插入到燃料電池或燃料電池所提供電力的電子設(shè)備中。此外，燃料源還應(yīng)能方便地更換或填充。
美國專利公開文獻US2003/0082427公開了一種燃料罐，其中硼氫化鈉在該罐中轉(zhuǎn)換從而形成氫和副產(chǎn)品。然而，這篇現(xiàn)有技術(shù)并未公開這樣的一種燃料源，其能當(dāng)場生產(chǎn)出燃料或者是所包含反應(yīng)劑沒有腐蝕性、并且貯存成本很低，再或者是該燃料源具有下面所述的優(yōu)點和特點。
通常，MEA布置在消費電子設(shè)備內(nèi)部的燃料電池的內(nèi)部。美國公開專利申請US2003/0082416和US2003/0082426就公開了這樣的一種設(shè)備。在這種設(shè)備中，燃料源可拆下來并且能貯存在一個罐中。該MEA的壽命通常會受到PEM壽命的限制。PEM的效率易受到各種因素的影響，如燃料流量、燃料中金屬離子的濃度、燃料溫度以及環(huán)境/存放溫度等。當(dāng)PEM的效率足夠低時，PEM就必須更換或更新。頻繁的維護PEM并不是一件好事，因為其需要對電子設(shè)備進行維護。
這里就需要這樣的一種燃料電池，其能在不維護電子設(shè)備的情況下對PEM進行維護或維修。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種燃料電池，其包括一個電子設(shè)備，其具體一殼體，該殼體形成一燃料罐腔體；以及一個燃料罐，其能可拆地放置在燃料罐腔體中。該燃料罐至少包含一個膜電極組件或組；以及一個內(nèi)含燃料的燃料庫。該燃料運送到膜電極組件以便轉(zhuǎn)換成電力來給電子設(shè)備提供能量。該電子設(shè)備可具有一個控制器，其用來控制電子設(shè)備和燃料罐的各種功能，并且該電子設(shè)備中至少出現(xiàn)部分的部件平衡。
本發(fā)明還涉及一種燃料電池罐，其適于插入到一個電氣設(shè)備來給電子設(shè)備提供電力。該燃料電池罐具有一個膜電極組件或一組以及一個內(nèi)含燃料的燃料庫。該燃料在膜電極組件這里反應(yīng)從而產(chǎn)生電力。


在附圖中，其作為說明書的一個部分需要結(jié)合附圖標(biāo)記一起來看，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
圖1是本發(fā)明一燃料電池系統(tǒng)的示意圖，其包括一個燃料罐，該燃料罐帶有燃料庫和一個MEA或一組，其中該燃料罐在操作上還與電子設(shè)備相連；圖2是圖1中燃料電池系統(tǒng)的分解示意圖，其中的燃料罐從電子設(shè)備上拆了下來；圖3是本發(fā)明另一種燃料電池系統(tǒng)的示意圖，其中的燃料罐用在電子設(shè)備的外部；
圖4是本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖，其中的燃料罐用在兩個電子設(shè)備的外部；以及圖5是本發(fā)明燃料電池罐的一個示意圖。
優(yōu)選實施例如附圖及下面內(nèi)容所描述的那樣，本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其采用燃料電池燃料如甲醇和水、甲醇/水的混合物、不同濃度或純度的甲醇/水的混合物。甲醇能用在各種類型的燃料電池中，如DMFC，酶燃料電池，轉(zhuǎn)換型燃料電池等。該燃料電池系統(tǒng)可包含其它類型的燃料電池燃料如乙醇或酒精，能夠轉(zhuǎn)換成氫的化學(xué)物質(zhì)，或者是其它可提高燃料電池性能或效率的化學(xué)物質(zhì)。這些燃料還包括氫氧化鉀(KOH)電解液，其能與金屬燃料電池或堿性燃料電池一起使用，并能保存在燃料源中。對于金屬燃料電池來說，燃料為載有鋅顆粒的流體形式，其中的鋅顆粒浸在KOH電解質(zhì)反應(yīng)溶液中，并且電池腔中的陽極是由鋅顆粒所形成的顆粒陽極。KOH電解質(zhì)溶液在名稱為“Method of Using Fuel Cell System Configured toProvide Power to One or more Loads”
公開日為2003年4月24日的美國專利申請US2003/0077493中有描述，其全文在這里以引用的方式并入。這些燃料還包括甲醇、過氧化氫和硫酸的混合物，其流過硅片上形成的催化劑從而生成一個燃料電池反應(yīng)。這些燃料還包括上述的液態(tài)硼氫化鈉(NaBH4)和水。這些燃料還包括碳?xì)浠衔锶剂?，其包括但不限于，名稱為“Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device”
公開日為2003年5月22日的美國專利申請US2003/0096150中所描述的丁烷、煤油、乙醇和天然氣，這里其以引用的方式全文并入。丁烷是一種適用于固體氧化物燃料電池的燃料。這些燃料還包括能與燃料進行反應(yīng)的液態(tài)氧化劑。因此，本發(fā)明并不限于某一類型的燃料、電解質(zhì)溶液、氧化劑溶液、或者是燃料電池源或系統(tǒng)中所包含或所用的液體或固體。這里所用的術(shù)語“燃料”包括所有的能用在燃料電池中或燃料源中進行反應(yīng)的燃料，其包括但不限于上面所有合適的燃料、電解質(zhì)溶液、氧化劑溶液、液體、固體和/或化合物以及混合物。
這里所用的術(shù)語“燃料源”包括但不限于一次性燃料罐、可充填/復(fù)用燃料罐、容器、可布置在電子設(shè)備內(nèi)部的罐、可拆罐、布置在電子設(shè)備外部的罐、燃料筒、燃料庫、燃料充填筒、其它的能夠保存燃料的容器以及與燃料筒和容器相連的管子。盡管罐子的描述在下面是結(jié)合本發(fā)明的實施例進行的，但需要注意的是這些實施例也可用于其它的燃料源，并且本發(fā)明并不限于某一特定類型的燃料源。
如附圖及下面內(nèi)容所公開的那樣，本發(fā)明涉及一種用來給一負(fù)載11提供電力的燃料電池系統(tǒng)10，如圖1所示。負(fù)載11通常是一種由燃料電池罐12提供電力的電子設(shè)備。在燃料電池系統(tǒng)10的第一實施例中，負(fù)載11或電子設(shè)備是外部電路或者是任易一種消費電子設(shè)備的功能塊。在本實施例中，電子設(shè)備11包括殼體14，其形成燃料罐16(參見圖2)以便可拆地容納放置燃料電池罐12。在圖1中，罐12放置在腔體16中，并在操作上與電子設(shè)備11相連。當(dāng)燃料電池罐12中沒有燃料時，用戶可將該罐與電子設(shè)備分開，然后插入另一個罐或者是充填該空罐，如圖2所示。
電子設(shè)備11可包括移動或蜂窩電話、計算器、個人數(shù)字助理、數(shù)字相機、膝上電腦、計算機游戲系統(tǒng)、便攜式音樂系統(tǒng)(MP3或CD播放器)、全球定位系統(tǒng)以及野營設(shè)備等。
圖1中包含有兩組連線，第一組連線包括流體，即液體和氣體管線，其上箭頭表示流動的方向。第二組連線包括電線，其在相交的地方有加黑的圓圈以表示電氣連接性。盡管本實施例在這里是相對于直接甲醇燃料電池進行的描述，但顯然本實施例適用于任意的一種燃料電池。
電子設(shè)備11優(yōu)選包括下面的電氣控制部件第一電接點18、適于容納燃料電池罐12的腔體16、控制器20、選用的電池21、泵22、流量計24、燃料深度傳感器25以及水計量閥26?？刂破?0與這些設(shè)備電氣相連。此外，電子設(shè)備11包括下面的流體部件空氣腔28、二氧化碳分離器30、冷凝器32以及混合腔34。這些流體部件彼此相通或者是與其它流體部件相通，這一點將在下面描述。此外，如下所述，電子設(shè)備包括有多個閥門部件36b、38b、40b、42b、44b以便電池將電子設(shè)備11上的各個流體部件連接到燃料電池罐12上的各個流體部件。
燃料電池罐12優(yōu)選包括下面的電氣控制部件第二電接點46、信息存貯設(shè)備47以及調(diào)節(jié)閥50。接點46與信息存貯設(shè)備47和調(diào)節(jié)閥50電氣相連，并與第一電接點18相連。此外，燃料電池罐12包括殼體51(虛框中所示)，該殼體51中含有燃料庫52，膜電極組件(MEA)54和熱交換器56。MEA或部件54還涉及一組。這里所用的術(shù)語一組至少包括一個膜電極組件和雙極板。該組還包括可選用的燃料和氧源以及當(dāng)前的收集部件。熱交換器56也能布置在電子設(shè)備11中。MEA54優(yōu)選包括陽極54a、質(zhì)子交換膜(PEM)54b或其它的電解質(zhì)層、以及陰極54c。作為選擇，燃料電池罐12也可進一步包括離子過濾器58和離子傳感器60。這些部件彼此之間相通或者是與其它流體部件相通，這一點將在下面描述。此外，燃料電池罐12還包括有多個閥門部件36a、38a、40a、42a、44a，其在操作上與閥門部件36b、38b、40b、42b、44b相連以便將燃料電池罐12的各個部件與電子設(shè)備的各個部件連通，這一點將在下面描述。
參見圖1，當(dāng)罐12裝入或插入到腔體16中時，第一和第二電接點18和46連接，由此控制器20就電氣連接到信息存貯設(shè)備47和罐12的其它電氣部件上。結(jié)果，控制器20就能從燃料電池罐12接收信息并對50進行控制，以及對信息存貯設(shè)備47進行讀寫。優(yōu)選的控制器和信息存貯設(shè)備以及它們的操作公開在申請日為2003年12月1日、名稱為“Fuel CellSupply Including Information Storage Device and a Controlling Ststem”的共有未授權(quán)美國專利申請US10/725237中。該237申請在這里以引用的方式全文并入。
合適的信息存貯設(shè)備包括但不限于隨機存貯器(RAM)、只讀存貯器(ROM)、可編程只讀存貯器(PROM)、可擦寫的可編程只讀存貯器(EPROM)、電可擦寫的可編程只讀存貯器(EEPROM)、閃存、電可讀元件(如電阻、電容、電感、二極管和晶體管)、光可讀元件(如條形碼)、磁可讀元件(如磁條)、集成電路(IC芯片)以及可編程邏輯陣列(PLA)和靈智卡(如那些用在電池中的靈智卡)等。優(yōu)選的信息存貯設(shè)備包括PLA和EEPROM，本發(fā)明在這里是用EEPROM進行的描述。然而，本發(fā)明顯然并不限于特定某種類型的信息存貯設(shè)備。
通常，信息是以二進制系統(tǒng)中的零(0)和一(1)進行地保存。這些二進制數(shù)字組形成八進制數(shù)字(三個二進制數(shù)字所組成的組)或者是十六進制數(shù)字(四個二進制數(shù)字所組成的組)。通常都用十六進制數(shù)字以便更輕松地讀取信息存貯設(shè)備。
EEPROM是一種用戶可修改的只讀存貯器，在其使用壽命內(nèi)通過同一管腳之類的編程裝置比正常寫入電壓更高的電壓就能夠進行擦除并能反復(fù)地重新寫入或編程。EEPROM不需從需要修改的燃料源上拆下來。EEPROM中的某些部分最好能夠?qū)懕Ｗo，即原始寫入的信息被保存下來并受到保護防止其受到寫入電壓的影響，當(dāng)然該EEPROM的其它部分仍可重復(fù)寫入。此外，EEPROM，類似于其它的ROM，不需要電力來維持其上所保存的內(nèi)容或數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)一電氣設(shè)備啟動時，其依賴于EEPROM上所保存的信息來啟動并運行程序。為了擦除并重寫EEPROM，控制器會將一預(yù)定電壓引到EEPROM的特定位置處從而將新的信息保存到這上面。
EEPROM，以及其它的ROM，在市場上可廣泛獲得。合適的EEPROM可從以下公司買到CA San Jose的Cypress Semiconductor公司、CA SanJose的Altera公司、CA Hayward的ATMEL公司、AZ Chandler的Microchip Technology公司。
在另一實施例中，第一和第二接點18和46之間的電氣連接是無線的。合適的無線傳送系統(tǒng)包括藍牙技術(shù)、無線電、紅外線等。
除了對信息存貯設(shè)備47進行讀寫之外，控制器20還對電子設(shè)備11的功能以及電子設(shè)備11和罐12中的閥門、傳感器和泵進行控制。作為優(yōu)選，殼體17至少還支撐一個可選用的電池21以便在MEA不工作時或者是在系統(tǒng)啟動時對燃料電池系統(tǒng)10和電子設(shè)備11的各個部件提供電力。作為選擇，可選用的電池21在罐12空時或者是在燃料電池/MEA關(guān)閉時給控制器20提供電力。可選用的電池21可由太陽能電池板來代替或者是與其一起使用。
合適的泵已在共有未授權(quán)美國專利申請US10/356793、US10/629004、US10/629006中完全公開。其中793號申請的名稱為“FuelCartridge for Fuel Cells”，申請日為2003年1月31日；004號申請的名稱為“Fuel Cartridge with Flexible Liner”，申請日為2003年7月29日；006號申請的名稱為“Fuel Cartridge with Connecting Valve”，申請日為2003年7月29日。這些專利申請在這里以引用的方式全文并入。
合適的泵為壓電泵。合適的壓電泵包括VA的PAR Technologies和LLC of Newport News的壓電泵。壓電泵必須沒有移動部件并且輕巧、緊湊、耐用、靜音和高效。這些泵的激勵電壓大于50V，并且當(dāng)輸入電壓從2.2VDC到12VDC時電流應(yīng)低至例如約15mA到130mA。在壓力約為0到5psi時壓電泵的流量為10ml/hour到900ml/hour。泵的大小約為0.5平方英寸到1.5平方英寸，厚度小于0.5英寸。壓電泵可由那些與燃料電池和燃料罐所用燃料兼容的材料制成。這些泵還應(yīng)具有較大的工作范圍以及很長的使用壽命。
在本實施例中，泵22布置在罐12的外部并固定在殼體17中。因此，當(dāng)罐12從殼體17取出時，如圖2所示，泵22仍留在殼體17中。泵22布置在本實施例混合腔34的上游。在另一實施例中，泵22可布置在混合腔34的下游(即，在混合腔34和閥部件36b之間)或者是其它的位置處。此外，泵22還可省掉，罐12經(jīng)加壓以驅(qū)動燃料從罐12流過一控制閥流到電子設(shè)備11。
再來參見圖1，燃料罐12包括殼體51，并且該殼體帶有腔體51a以便容納燃料庫52。在本實施例中，燃料庫52可包括一個與殼體51分開的外殼或外罩。該外殼可以是硬的也可是柔性的。燃料庫52可由一燃料內(nèi)襯或內(nèi)膽形成，也可不用。沒有內(nèi)襯及相應(yīng)部件的罐體在793號申請中被公開。帶有內(nèi)襯或內(nèi)膽的罐體在004號申請中被公開。
閥門部件36a連接到罐12上，閥門部件36b連接到電子設(shè)備11上。閥門36a、b優(yōu)選是一種由兩個部件構(gòu)成的閥。當(dāng)燃料罐12與電子設(shè)備11分開時，每一個閥門部件都能形成密封。006號申請中公開由兩個部件構(gòu)成的閥門。當(dāng)罐12處在腔體16中時，庫52中的燃料通過閥門部件36a、b與混合腔34相通。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，離子過濾器58和離子傳感器60作為選擇可提供給罐12。離子過濾器和離子傳感器在名稱為“Fuel Cell SystemIncluding an Ion Filter”、申請日為2003年12月1日的共有未授權(quán)專利申請10/725235中被完全公開。該離子過濾器將離子從燃料中去掉并延長PEM的壽命。離子過濾器58布置在燃料庫52的內(nèi)部或外部。離子顆?？捎秒x子清除劑、敖合劑或離子交換膜(如PEM材料)去掉。
離子傳感器60可用來探知過濾器的效率并確定何時更換該過濾器。離子傳感器60優(yōu)選布置在燃料電池罐12內(nèi)，如圖所示，其也可布置在電子設(shè)備11中?？刂破?0可通過離子傳感器60讀取燃料中的離子水平并將該信息寫到信息存貯設(shè)備47中，這樣，在使用中就不會用到離子水平不能接受的燃料。離子傳感器60可通過讀取燃料的導(dǎo)電率來探知離子水平。導(dǎo)電率越高表示離子水平越高?？刂破骺稍陔娮釉O(shè)備打開時或者裝上不同的罐時核實燃料中的離子水平。
MEA54通常布置在兩個雙極板(圖中未示出)之間。在本發(fā)明中，MEA54優(yōu)選由罐12中的腔體53來容納。因此，MEA優(yōu)選由一種成本合適的材料制成，并且當(dāng)罐12空了時可以扔掉。本發(fā)明一實施例的一個優(yōu)點是，當(dāng)MEA扔掉時，離子過濾器和/或離子傳感器可以省掉。此外，外部腔體51或燃料庫52可重新裝填和/或更換，并且燃料電池罐12可反復(fù)使用直到MEA必須更換為止。作為選擇，MEA或組54可以更換，同時余下的罐還能再用。這樣就給燃料電池設(shè)計人員提供了一個選擇，即燃料電池罐12中是采用一次性的PEM還是采用可重復(fù)使用的PEM。
作為優(yōu)選，陽極54a和陰極54c由常規(guī)的材料形成。MEA的PEM54b優(yōu)選由一種導(dǎo)離子的聚合體形成。合適的導(dǎo)離子聚合體包括但不限于其上涂有催化劑全氟化磺酰聚合物，如上所述其可是DuPont公司的Nafion。涂有催化劑的聚合體為公知的催化劑“支撐”聚合體。合適的催化劑包括鉑和釕及其合金等。另一種合適的導(dǎo)離子聚合體是由New Jersey州MurrayHill的Celanese Fuel Cells-USA生產(chǎn)的聚苯并咪唑(PBI)。PBI是一種高溫PEM，其能在120°至200°的范圍內(nèi)工作。
其它合適的導(dǎo)離子聚合體在美國專利文獻US6630518B1以及Davis，T.A.，Genders，J.D.和Pletcher，D.的“First Course in Ion PermeableMembranes”第35-57頁有公開，這里其以引用的方式全文并入。這些聚合體包括與一功能烯烴共聚的未取代的烯烴，其中的功能烯烴包含有能離子化的組或者是它們的前體(如，Nafion的全氟化膜)，以及聚合烯烴和離子組，其在后面再引入到的膜中。其它合適的導(dǎo)離子聚合體包括GoreTex防風(fēng)雨材料，其是一種聚四氟乙烯(PTFE)，用全氟化的聚合體填充孔道，以及聚氟乙烯(PVC)膜，其在2.5％的氯磺酸溶液進行照射。該518號專利文獻公開了其它合適的導(dǎo)離子聚合體，這包括經(jīng)照射然后磺化的低滲透膜。合適的膜包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚六氟丙烯、聚氯三氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟乙烯(PVF)、聚氟偏二乙烯(PVDF)、以及它們的共聚體和混合體。這些膜以及具有高滲透性的膜均適用于本發(fā)明。其它合適的膜還包括由Polyfuel公司生產(chǎn)的那些膜。任何一種離子交換材料以及廉價材料如本段中公開的那些材料均可用在這里，這是因為當(dāng)罐空了時或者是當(dāng)MEA的效率明顯降低時MEA能夠更換。
陽極54a這里反應(yīng)的結(jié)果就是陽極上出現(xiàn)DMFC反應(yīng)的一側(cè)會形成包括二氧化碳的氣體副產(chǎn)品。這些氣體副產(chǎn)品以及未反應(yīng)的燃料，如果有的話，會經(jīng)過閥門部件38a、b運送到電子設(shè)備11中的二氧化碳分離器30。閥門38a、b可類似于閥門38a、b是一種由兩個部件構(gòu)成的閥。二氧化碳分離器30利用氣體本身的浮性將二氧化碳與未使用的燃料分開。此外，二氧化碳分離器30具有一個放空閥30a，其用來將電子設(shè)備11外的二氧化碳排放到大氣中。放空閥可以是004號申請中所公開提動式放空閥。
來自陰極的液體/水副產(chǎn)品經(jīng)閥門部件40a、b運送到電子設(shè)備11中的冷凝器32中。閥門部件40a、b可類似于閥門36a、b由兩個部件構(gòu)成。冷凝器32接收副產(chǎn)品水，將水蒸汽冷凝，如果有的話，再將液態(tài)的水輸送到混合腔34。此外，冷凝器32還可包括放空閥32a，從而將電子設(shè)備11外的氣體排放到大氣中。作為選擇，放空閥30a和/或32a可由混合腔34上的一個放空閥來代替。
閥26用來調(diào)節(jié)水以及未反應(yīng)的燃料流到混合腔24，并使燃料/水的混合物達到最佳的燃料濃度?？刂破?0控制閥門26使腔34中的燃料/水達到合適的濃度。
用泵22將濃度合適的燃料/水的混合物從腔34送出。燃料/水混合物中燃料的濃度由燃料濃度傳感器25測出，并由控制器20通過水計量閥26來監(jiān)控調(diào)節(jié)。這類傳感器在美國公開的專利文獻US2003/0131663和US2003/0134162以及美國專利文獻US6254748和US6306285中均有描述。這些參考文獻在這里以引用的方式并入。
燃料/水的混合物從泵22經(jīng)閥門部件44a、b流到燃料罐12中的熱交換器56。閥門44a、b可類似于閥門36a、b由兩個部件構(gòu)成。由于MEA特別是PEM對燃料的溫度非常敏感，因此熱交換器需將燃料冷卻到一個優(yōu)選的溫度范圍內(nèi)。該熱交換器可以是常規(guī)的包括肋片的熱交換器。
燃料/水混合物從熱交換器56流到MEA54的陽極54a從而反應(yīng)生成電力給電子設(shè)備11提供能量。在本實施例中，調(diào)節(jié)閥50調(diào)節(jié)燃料到MEA54的流量。調(diào)節(jié)閥50可具有一個可變的開孔，其打開預(yù)定的直徑以便對流量進行調(diào)節(jié)。237號申請中公開了其它的調(diào)節(jié)閥。類似于調(diào)節(jié)閥也在美國專利US5596309和US4560345中有所描述。這兩篇專利文獻在這里以引用的方式全文并入。
電子設(shè)備11進一步包括內(nèi)含空氣的空氣腔28?？諝饨?jīng)閥門部件42a、b從該空氣腔28流到燃料罐12的陰極。該閥門42a、b可類似于閥門36a、b由兩個部件構(gòu)成。作為選擇，空氣可從陰極周圍的環(huán)境提供，或者是在裝置陰極之前通過電子設(shè)備提供。還可用一個泵或風(fēng)扇來輸送空氣。
如圖1和2所示，由于MEA布置在罐12中，因此其更換起來非常容易，電子設(shè)備內(nèi)基本能夠?qū)崿F(xiàn)“部件平衡”。這樣做的優(yōu)點是部件的平衡可包括敏感或貴重部件如控制器、泵這些更適于布置在電子設(shè)備內(nèi)的部件的平衡。根據(jù)其成本和可靠性的不同，也可將這些部件布置在罐中。
參見圖3，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，其中有一個燃料罐112，其布置在電子設(shè)備的外部并適于與電子設(shè)備111一起工作。電子設(shè)備111包括設(shè)備11中的各種電子和流體部件，這包括第一接點118。在本實施例中，第一接點包括用來將設(shè)備111的部件電氣并且流體連接到燃料罐112上的部件。燃料罐112包括罐12中的各種電子和流體部件，這包括第二接點146。在本實施例中，第二接點包括在接點118和146在操作上相連時用來將設(shè)備111的部件電氣并且流體連接到燃料罐112上的部件。在另一實施例中，燃料罐112可集合到一個對接臺中，該對接臺具有第二接點以及一個可選用的平臺以便在使用過程中支撐膝上電腦。
參見圖4，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，燃料罐212用作一個中心加料站或樞紐或集管，其適于布置在電子設(shè)備的外部并與兩個或多個電子設(shè)備211一起工作。燃料罐212在設(shè)計上可與任意數(shù)目的電子設(shè)備211關(guān)聯(lián)操作。每一個電子設(shè)備211包括有設(shè)備11中的各種電子和流體部件，其中包括第一接點218。在本實施例中，第一接點包括用來將設(shè)備211的部件電氣并且流體連接到燃料罐212上的部件。燃料罐212包括罐12中的各種電子和流體部件，這包括第二接點246。在本實施例中，第二接點246包括在接點218和246在操作上相連時用來將設(shè)備211的部件電氣并且流體連接到設(shè)備211上的部件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，某些如圖1所示布置在電子設(shè)備11內(nèi)部的部件可移到罐12中或罐12上。例如，泵22和混合腔24可移動罐12這里。此外，空氣腔28、冷凝器32以及二氧化碳分離器30這些部件中的一個或多個可移動罐12這里。
作為選擇，MEA54可移到電子設(shè)備11這里，并且燃料庫x、泵22以及混合腔34可布置在罐12中。燃料和水的混合可在兩者被輸送到電子設(shè)備11從而在MEA中反應(yīng)之前在罐中準(zhǔn)備好。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所有如圖1所示那樣布置的燃料電池部件均移到罐12這里。參見圖5，罐12獨立的燃料電池，其帶有一個可更換的/可填充的燃料源52以及一個可修理的/可更換的MEA或組。該罐12的輸出是MEA54產(chǎn)生的電力。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是(i)無論電子設(shè)備11是什么設(shè)備，MEA在大小和配置上均能產(chǎn)生電子設(shè)備11工作所必須的電力；(ii)閥門連接36a、b，38a、b，40a、b，42a、b，44a、b以及電子連接18、46均可做到最小甚至是不要。
顯然，本發(fā)明這里公開的均是實現(xiàn)本發(fā)明目的示例性實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)Υ颂岢龆喾N修改和變更。此外，各個實施例中的特征和/或部件可單獨或與其它實施例中的特征和/或部件結(jié)合起來使用。因此，本發(fā)明用權(quán)利要求書來覆蓋本發(fā)明的構(gòu)思以及上述修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其包括一個電子設(shè)備，其具體一殼體，該殼體形成一燃料罐腔體；一個燃料罐，其能可拆地放置在燃料罐腔體中，該燃料罐至少包含一個膜電極組件以及一個內(nèi)含燃料的燃料庫，該燃料在運送到膜電極組件以便轉(zhuǎn)換成電力來給電子設(shè)備使用之前能運送到電子設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的電子設(shè)備進一步包括一個第一電接點以及一個控制器，同時燃料罐進一步包括一個第二電接點，當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，第一和第二電接點電氣導(dǎo)通，由此控制器就能控制電子設(shè)備和燃料罐的功能。
3.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的膜電極組件包括一個陽極、一個質(zhì)子交換膜以及一個陰極。
4.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的燃料罐進一步包括一個與第二電接點電氣接通的信息存貯設(shè)備，當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，該信息存貯設(shè)備可由一控制器進行讀取。
5.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的燃料罐進一步包括一個熱交換器，其與膜電極組件的上游相流通，由此該燃料就能傳輸?shù)綗峤粨Q器以便冷卻，再輸送到膜電極組件。
6.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的燃料罐進一步包括一個離子過濾器，其與燃料庫的下游相流通。
7.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的燃料罐進一步包括一個離子傳感器，并且該離子傳感器與第二電接點電氣相連。
8.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的電子設(shè)備進一步包括一個泵，當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時該泵用來將燃料泵送到膜電極組件。
9.如權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中的泵與第二電接點和控制器電氣連通。
10.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的電子設(shè)備進一步包括一個空氣腔，當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，該空氣腔與膜電極組件的一個陰極相流通，由此該空氣就能輸送到陰極。
11.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的電子設(shè)備進一步包括一個氣體副產(chǎn)品分離器，當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，該二氧化碳分離器與膜電極組件的一個陽極相流通，由此就能將一氣體副產(chǎn)品輸送到氣體產(chǎn)品分離器。
12.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的電子設(shè)備進一步包括一個冷凝器，當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，該冷凝器與膜電極組件的一個陰極相流通，由此就能將一液體副產(chǎn)品輸送到冷凝器。
13.如權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中的電子設(shè)備進一步包括一混合腔，當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，該混合腔與冷凝器和燃料庫相流通，由此就能將燃料輸送到混合腔，并且將副產(chǎn)品輸送到混合腔，并且燃料和該副產(chǎn)品混合后輸送到膜電極組件。
14.如權(quán)利要求13的燃料電池系統(tǒng)，其中的電子設(shè)備進一步包括一個計量閥，其布置在冷凝器和混合腔之間并與冷凝器和混合腔流體相通，由此副產(chǎn)品就能通過該計量閥輸送到混合腔。
15.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的膜電極組件是一次性的。
16.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的燃料庫是一次性的。
17.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中的膜電極組件布置在一個架子中。
18.一種燃料電池系統(tǒng)，其包括一電子設(shè)備，其具有一個第一電接點以及一個與第一電接點電氣相通的控制器；一個燃料罐，其在操作上有選擇地與電子設(shè)備相連，該燃料罐包括一個第二電接點、至少一個膜電極組件和一個內(nèi)含燃料的燃料庫，當(dāng)該燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，第一和第二電接點電氣相通，由此控制器就對電子設(shè)備和燃料罐的功能進行控制，并且能將該燃料輸送到膜電極組件以便轉(zhuǎn)換成電力供電子設(shè)備使用。
19.如權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，其中電子設(shè)備進一步包括多個第一流體部件，并且燃料罐進一步包括多個第二流體部件和多個由兩個部件構(gòu)成的閥，其中第一組閥門部件連接到燃料罐上，第二組閥門部件連接到電子設(shè)備上，其中當(dāng)燃料罐在操作上與電子設(shè)備相連時，第一和第二組閥門部件配合從而在多個第一流體部件和多個第二流體部件之間形成流體連通。
20.一種燃料電池罐，其適于插入到一個電氣設(shè)備來給該電氣設(shè)備提供電力，該燃料電池罐包括至少一個膜電極組件以及一個內(nèi)含燃料的燃料庫，其中的燃料在膜電極組件這里反應(yīng)從而產(chǎn)生所述電力，其中的部件的平衡出現(xiàn)在罐中。
21.如權(quán)利要求20的燃料電池罐，其中的燃料庫可拆地連接到罐上，由此燃料庫就能重新填滿或進行更換。
22.如權(quán)利要求20的燃料電池罐，其中的膜電極組件可拆地連接到罐上，由此該膜電極組件就能進行修理或更換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)(10)，其具有多種特征以便使電子設(shè)備(11)的操作達到最佳。該燃料電池系統(tǒng)(10)包括一個燃料罐(12)，其帶有一個內(nèi)含燃料的燃料庫以及一個膜電極組件(MEA)或組(54)。該燃料罐(12)在操作上可選擇性地與電子設(shè)備(11)相連從而給設(shè)備提供電力。在一實施例中，該燃料罐(12)可放置在電子設(shè)備(11)的一個腔體中。在另一個實施例中，該燃料罐(12)在操作上可布置電子設(shè)備(11)的外部并與該電子設(shè)備相連。
文檔編號H01M8/06GK101065872SQ200580021189
公開日2007年10月31日 申請日期2005年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月11日
發(fā)明者保羅·亞當(dāng)斯, 安德魯·J·庫瑞羅, 佛洛伊德·菲爾班克斯 申請人:法商Bic公司