緊湊的燃料電池組件的制作方法

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專利名稱：緊湊的燃料電池組件的制作方法
緊湊的燃料電池組件發(fā)明背景本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)。具體地說，本發(fā)明涉及包含在適合于為便攜式電子裝置供電的緊湊且便攜的組件中的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池以電化學(xué)方式將氬氣和氧氣組合起來，以產(chǎn)生電能。燃料電池的發(fā)展迄今為止集中在大規(guī)模應(yīng)用上，例如用于電功率備用的工業(yè)尺寸的發(fā)電機(jī)。消費(fèi)類電子裝置以及其它便攜式電功率應(yīng) 用目前依賴于鋰離子蓄電池和相似的蓄電池技術(shù)。產(chǎn)生用于便攜式應(yīng)用如電子裝置的電能的燃料電池系統(tǒng)是合乎需求的，但仍然不是商業(yè)上可獲得的。另外，技術(shù)進(jìn)步有利地減小了燃料電池系統(tǒng)的尺寸。發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種緊湊且便攜的燃料電池組件。該組件包括產(chǎn)生電能的燃料電池。
一些組件還包括從燃料源中產(chǎn)生氫氣的燃料處理水平下的功率密度(每單位體積或質(zhì)量的功率)。例如，一個(gè)便攜式燃料電池組件(包括燃料電池和燃料處理器)占用小于一升的體積，并且提供30瓦的電輸出。較小的體積和不同的電輸出對(duì)于這里所述的組件是可行的。一種組件采用了至少部分地設(shè)置在燃料電池和燃料處理器 (processor)之間的互連器(interconnect)?；ミB器在這兩者之間形成了結(jié)構(gòu)化的和管道化的中介物。一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管穿過互連器，并允許在燃料電池和燃料處理器之間的氣體和/或流體連通?；ミB器減少管道復(fù)雜性和空間，其導(dǎo)致了更小的組件。
一些燃料電池組件設(shè)計(jì)成可為電子裝置供電?？紤]到這里所述的燃料電池組件的便攜性能，本發(fā)明很適合為便攜式電子裝置例如膝上型計(jì)算機(jī)供電。一種燃料電池組件包括線纜(tether)。線纜允許與電子裝置形成電的且可分離地聯(lián)接，從而供應(yīng)由燃料電池產(chǎn)生的能量，或供應(yīng) 存儲(chǔ)在可充電蓄電池中的能量，該可充電蓄電池包括在組件中，并可由燃料電池進(jìn)行充電。燃料電池組件還可包括隔離物(insulation)，以減少燃料電池和燃料處理器的熱損失，燃料電池和燃料處理器通常都在高溫下進(jìn)行操作。隔離物提高了組件的熱效率。在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于提供電能的燃料電池組件。該燃料電池組件包括配置成用于接收氫氣和氧氣，并可產(chǎn)生電能的燃料電池。根據(jù)燃料電池組件的體積，燃料電池組件提供了大于大約30瓦/升的功率密度。在另一方面，本發(fā)明涉及一種從燃料源，例如甲醇中產(chǎn)生電能的燃料電池組件。燃料電池組件包括燃料處理器，所述燃料處理器包括重整器和加熱器。重整器接收燃料源，輸出氫氣，并包括促進(jìn) 從燃料源中產(chǎn)生氬氣的催化劑。加熱器產(chǎn)生用于傳遞到重整器中的熱量。該組件還包括利用由燃料處理器輸出的氫氣而產(chǎn)生電能的燃料電池。在另一方面，本發(fā)明涉及一種緊湊的燃料電池組件。這種燃料電池組件包括燃料處理器，燃料電池和至少部分地設(shè)置在燃料電池和燃料處理器之間的互連器?；ミB器包括一組各在燃料處理器和燃料電池之間傳送液體或氣體的導(dǎo)管。在又一方面，本發(fā)明涉及一種帶線纜的燃料電池組件。這種帶線纜的組件包括燃料電池和至少部分地包含該燃料電池的外殼。該組件還包括能夠電聯(lián)接在電子裝置上，并可將燃料電池所產(chǎn)生的電力傳送到電子裝置上的線纜。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種隔離的燃料電池組件。該組件包括燃料電池，外殼，和至少部分地設(shè)置在燃料電池和外殼之間的隔離物。
在又一方面，本發(fā)明涉及一種用于燃料電池組件的互連器，這種燃料電池組件包括燃料處理器和燃料電池?；ミB器至少部分地設(shè) 置在燃料電池和燃料處理器之間，并包括一組各在燃料處理器和燃料電池之間傳送液體或氣體的導(dǎo)管。這組導(dǎo)管包括從燃料處理器的氫氣通道中接收氫氣，以及將氫氣輸出到燃料電池的氫氣通道中的氫氣導(dǎo)管。
在以下本發(fā)明的細(xì)節(jié)和相關(guān)附圖中將描述本發(fā)明的這些以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)。

圖1A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于產(chǎn)生電能的燃料電池組件。
圖1B顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的包括燃料處理器的燃料電池組件。
圖1C顯示了根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施例的用于圖1B燃料電池組件的示意性的操作。
圖2A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于圖1A燃料電池中的燃^"電池疊組(fuel cell stack)的簡化的截面圖。
圖2B顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池疊組和燃料電池的外頂部透^L圖。
圖2C顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種用于圖1A燃料電池的離子傳導(dǎo)膜燃料電池(PEMFC)架構(gòu)。
圖2D顯示了才艮據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雙極板的頂透^f見圖。
圖3顯示了用于圖1A燃料電池系統(tǒng)的燃料處理器的外頂部透一見圖。
圖3B顯示了用于圖1A燃料電池系統(tǒng)的燃料處理器的主要構(gòu)件穿過燃料處理器的中平面而剖切的正視截面圖。圖4A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組件的外部透視圖。圖4B顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的共面的燃料電池組件的內(nèi)部構(gòu)件的透視圖。圖4C顯示了根據(jù)本發(fā)明另一特定實(shí)施例的用于燃料電池組件的內(nèi)部構(gòu)件的透浮見圖。圖5A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的用于燃料電池組件的互連器的透視圖。圖5B顯示了連接在燃料電池頂板上的圖5A的互連器。圖5C顯示了聯(lián)接在圖5A互連器上的頂板的下側(cè)。圖5D顯示了圖5A的互連器的側(cè)視圖和其內(nèi)部管道的典型尺寸。圖5E顯示了圖5A的互連器的頂視圖，以及在表面上的端口的典型排列，該表面提供了獨(dú)特的與互連器的聯(lián)接接口。圖5F顯示了在圖5A的互連器和燃料電池頂板之間的接口的展開圖。圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的設(shè)置在燃料電池組件的內(nèi)部構(gòu)件周圍的隔離物的透3見圖。圖7A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶線纜的燃料電池組件的簡化視圖。圖7B顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的圖7A所示帶線纜的燃料電池組件的內(nèi)部透^L圖。優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在將參照一些附圖所示的優(yōu)選實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。在以下詳細(xì)描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的完整理解，闡述了許多特定的細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域中的扶術(shù)人員應(yīng)該懂得，本發(fā)明可在不局限
于一些或所有這些特定細(xì)節(jié)的條件下實(shí)現(xiàn)。在其它情況下，并沒有詳細(xì)描述眾所周知的工藝步驟和/或結(jié)構(gòu)，以免不必要地使本發(fā)明晦澀難懂。
燃料電池組件
圖1A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于產(chǎn)生電能的燃并牛電池組件1。燃料電池組件1包括燃料電池20,并連接在氬氣存儲(chǔ)裝置14 上。
氫氣存儲(chǔ)裝置14存儲(chǔ)并輸出氫氣，其可以是純粹的氫氣源，例如保持在加壓容器14中的壓縮氫氣。氫氣存儲(chǔ)裝置14還可包括固體氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)，例如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的基于金屬的氫氣存儲(chǔ)裝置。氫氣存儲(chǔ)裝置14的出口可分離地聯(lián)接到燃料電池20上，從而在耗盡時(shí)可更換存儲(chǔ)裝置14。
燃料電池20以電化學(xué)方式將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成水，在該過程中產(chǎn)生電能和熱量。大氣通常為燃料電池20供應(yīng)氧氣。純的或直接的氧氣源還可用于氧氣供應(yīng)。根據(jù)燃料電池20構(gòu)件的溫度，水通常形成蒸汽。對(duì)于一些燃料電池，電化學(xué)反應(yīng)還可產(chǎn)生二氧化碳作為副產(chǎn)物。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池20是適合于供便攜式應(yīng)用例如消費(fèi) 類電子裝置使用的低體積的離子傳導(dǎo)膜(PEM)燃料電池。離子傳導(dǎo)膜燃料電池包括膜電極部件，其執(zhí)行產(chǎn)生電能的電化學(xué)反應(yīng)。膜電極部件包括氫氣催化劑，氧氣催化劑和離子傳導(dǎo)膜，其a)選擇性地引導(dǎo)質(zhì)子，和b)使氫氣催化劑與氧氣催化劑電隔離開。氫氣分布層包含氫氣催化劑，并允許氫氣通過它進(jìn)行擴(kuò)散。氧氣分布層包括氧氣催化劑，并允許氧氣和氫氣質(zhì)子通過它進(jìn)行擴(kuò)散。離子傳導(dǎo)膜使氫氣和氧氣分布層隔離開。在化學(xué)術(shù)語中，陽極包括氫氣分布層和氫氣催化劑，而陰極包括氧氣分布層和氧氣催化劑。
在一個(gè)實(shí)施例中，PEM燃料電池包括具有一組雙極并反的燃料電
池疊組。膜電極部件設(shè)置在這兩個(gè)雙極板之間。氫氣分布通過一個(gè) 板上的通道場而產(chǎn)生，而氧氣分布通過膜電極部件另一側(cè)上的第二板上的通道場而產(chǎn)生。具體地說，第一通道場將氫氣分布到氫氣分布層上，而第二通道場將氧氣分布到氧氣分布層上。術(shù)語'雙極'電學(xué) 上指夾在兩個(gè)膜電極組層之間的雙極板(由一個(gè)板或兩個(gè)板組成)。在疊組中，雙極板用作設(shè)置在雙極板的相對(duì)面上的一個(gè)相鄰(例如上面的)膜電極部件的負(fù)極端子和用于第二相鄰(例如下面的)膜電極部件的正極端子。在電學(xué)術(shù)語中，陽極包括氫氣分布層，氬氣催化劑和雙極板。陽極用作燃料電池20的負(fù)電極，并且引導(dǎo)從氬分子逸出的電子，使其可在外部用于例如為外部電路供電。在燃料電池疊組中，雙極板串聯(lián)連接，以增加疊組各層中所獲得的電勢。在電學(xué)術(shù)語中，陰極包括氧氣分布層，氧氣催化劑和雙極板。陰極代表燃料電池20的負(fù)電極，并且引導(dǎo)電子從外部電路返回到氧氣催化劑，在此處其可與氫離子和氧氣重組而形成水。氫氣催化劑將氫氣分離成質(zhì)子和電子。離子傳導(dǎo)膜阻擋電子，并將化學(xué)陽極(氫氣分布層和氫氣催化劑)與化學(xué)陰極電隔離開。離子傳導(dǎo)膜還選擇性地引導(dǎo)帶正電荷的離子。陽極通過電力將電子引導(dǎo) 至負(fù)載(產(chǎn)生電能)或蓄電池(存儲(chǔ)能量)。同時(shí)，質(zhì)子穿過離子傳導(dǎo)膜。質(zhì)子和所使用的電子接著在陰極側(cè)相遇，并與氧氣結(jié)合而形成水。氧氣分布層中的氧氣催化劑促進(jìn)了這種反應(yīng)。一種常見的氧氣催化劑包括非常薄地覆在碳紙或編織物之上的鉑粉。許多設(shè)計(jì)采用粗糙且多孔的催化劑，以提高暴露于氬氣和氧氣的鉑的表面積。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池20包括一組由單個(gè)板形成的雙極板。各個(gè)板包括位于相對(duì)的板表面上的通道場。因而單個(gè)的雙扭^反雙重地分布?xì)錃夂脱鯕?一個(gè)通道場分布?xì)錃猓挥谙鄬?duì)表面上的通道場分布氧氣。多個(gè)雙極板可疊起來，以形成"燃料電池疊組"，其中膜電極部件設(shè)置在每對(duì)相鄰的雙極板之間。因?yàn)槿剂想姵?0中的發(fā)電過程^j故熱的，所以燃料電池20可裝備熱管理系統(tǒng)來消散來自燃料電池的熱量。燃料電池20還可采用許多的增濕板(HP)來管理燃料電池的濕氣水平。對(duì)適合于供本發(fā)明使用的燃料電池的進(jìn)一步描述包含在題名為"微型燃料電池架構(gòu)"的共同未決的專利申請(qǐng)No. 10/877,824中。雖然本發(fā)明將主要參照PEM燃料電池進(jìn)行論述，但是應(yīng)該懂得，本發(fā)明可利用其它燃料電池架構(gòu)來實(shí)踐。在燃料電池架構(gòu)之間的主要區(qū)別是所使用的離子傳導(dǎo)膜的類型。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池20 是磷酸燃料電池，其采用液體磷酸用于離子交換。固體氧化物燃料電池采用堅(jiān)硬的非多孔的陶瓷復(fù)合物用于離子交換，并且可適合于供本發(fā)明使用?？偟卣f來，任何燃料電池架構(gòu)都可適用于這里所述的節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。其它這種燃料電池架構(gòu)包括例如直接的甲醇、堿性和熔融碳酸鹽燃料電池。燃料電池20產(chǎn)生直流電壓，其可用于廣泛的各種應(yīng)用。例如，由燃料電池20產(chǎn)生的電能可為電動(dòng)機(jī)或燈供電。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供'小型'燃料電池，其配置成用于輸出小于200瓦的功率(有效功率或總功率)。這種尺寸的燃料電池通常被稱為'微型燃料電池'，并且適合于供便攜式電子裝置使用。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池20 配置成用于產(chǎn)生大約1毫瓦至大約200瓦的功率。在另一實(shí)施例中，燃料電池20產(chǎn)生大約5瓦至大約60瓦的功率。燃料電池20可以是獨(dú)立的燃料電池，其是只要其接觸到a)氧氣和b)氫氣或烴類燃料源即可產(chǎn)生功率的單個(gè)組件。輸出大約10瓦至大約100瓦的獨(dú)立的燃料電池20非常適合于為膝上型計(jì)算機(jī)供電。一個(gè)特定的燃料電池組件可產(chǎn)生大于大約10瓦的功率。另一個(gè)特定的燃料電池組件可產(chǎn)生大于大約45瓦的功率。本發(fā)明的燃料電池組件還可使用'重整過的'氫氣源。圖1B顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的用于產(chǎn)生電能的燃料電池組件10。燃料電池組件10包括燃料處理器15和燃料電池20。
處理器15處理燃料源17,以產(chǎn)生氫氣。燃料源17用作氫氣的載體，并可操縱以分離氫氣。燃料源17可包括任何承載氬氣的燃料
流，烴類燃料，或其它氫氣燃料源例如氨。當(dāng)前可得到的適合于供
本發(fā)明使用的烴類燃料源17包括例如曱醇，乙醇，汽油，丙烷，丁烷和天然氣。液態(tài)燃料源17提供了高的能量密度和易于存儲(chǔ)和運(yùn)輸的性能。其它燃料源也可供本發(fā)明的燃料電池組件使用，例如氫化硼鈉。幾種烴類和氨也可形成合適的燃料源17。
燃料源17可作為燃料混合劑進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)燃料處理器15包括蒸汽重整器時(shí)，存儲(chǔ)裝置16包括烴類燃料源和水的燃料混合劑。烴類燃料源/水的燃料混合劑經(jīng)常表示為燃料源在水中的百分?jǐn)?shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料源17包括水中濃度在1%-99.9%范圍內(nèi)的曱醇或乙醇。在存儲(chǔ)裝置16中還可包含水中濃度為5-100%的其它液態(tài)燃料例如丁烷，丙烷，汽油，軍用等級(jí)燃料"JP8"等等。在一個(gè)特定的實(shí) 施例中，燃料源17包括體積比67%的曱醇。
如圖所示，重整后的氫氣供給包括燃料處理器15和燃料源存儲(chǔ) 裝置16。存儲(chǔ)裝置16存儲(chǔ)燃料源17,并可包括便攜式和/或一次性的燃料盒。一次性的盒為用戶提供了瞬間再充電。在一個(gè)實(shí)施例中，這種盒包括位于堅(jiān)硬的保護(hù)罩中的可折疊的嚢狀物。燃料泵通常將燃料源17從存儲(chǔ)裝置16移動(dòng)至處理器15。如果隨后裝上組件10, 那么控制系統(tǒng)對(duì)燃料源17進(jìn)行計(jì)量，以便在由所需的燃料電池20 的功率水平輸出所確定的流速下將燃料源17傳遞給處理器15。
燃料處理器15處理烴類燃料源17，并輸出氫氣。烴類燃料處理器15在存在催化劑的條件下加熱并處理烴類燃料源17，以產(chǎn)生氫氣。燃料處理器15包括重整器，其是一種將液體或氣態(tài)烴類燃料源17 轉(zhuǎn)化成氫氣和二氧化碳的催化裝置。這里所使用的術(shù)語"重整"指從燃料源中產(chǎn)生氫氣的過程。下面將更詳細(xì)地描述一個(gè)合適的燃料處理器15。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料處理器15是一種只需要蒸汽和燃料就可
產(chǎn)生氫氣的蒸汽重整器。幾種適用于燃料電池組件10的重整器包括
蒸汽重整器(ATR)或部分催化的氧化器(CPOX)。 ATR和CPOX重整器將空氣與燃料和蒸汽的混合物混合起來。ATR和CPOX系統(tǒng)可重整燃料，例如甲醇、柴油、常規(guī)無鉛汽油以及其它烴類。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，存儲(chǔ)裝置16為燃料處理器15提供甲醇17,其在大約28(TC或較低溫度下重整曱醇，并允許燃料電池組件10在需要最大程度地降低溫度的應(yīng)用中使用。
燃料電池20可配置成從直接的氫氣接給12或重整后的氬氣源中接收氫氣。燃料電池20通常每次從一個(gè)供給中接收氫氣，但是在一些應(yīng)用中，采用從多個(gè)供給中獲得冗余氬氣供應(yīng)的燃料電池組件
是有用的。 'S二
圖1C顯示了根據(jù)本發(fā)明一特定實(shí)施例的用于圖1B燃料電池組件10的示意性操作。如圖所示，組件10包括燃料處理器15,燃料電池20，多個(gè)泵21，氣泵41，各種燃料導(dǎo)管和氣體導(dǎo)管，以及一個(gè) 或多個(gè)閥23。燃料容器16聯(lián)接在組件10上，并存儲(chǔ)氫氣燃料源17, 以便供應(yīng)到組件10中的構(gòu)件上。
燃料容器16存儲(chǔ)曱醇作為氫氣燃料源17。燃料容器16的出口 26將甲醇17供應(yīng)到氫氣燃料源導(dǎo)管25中。如圖所示，導(dǎo)管25分成兩個(gè)導(dǎo)管將甲醇17輸送到燃料處理器15的加熱器(這里也被稱為' 燃燒器')30中的第一導(dǎo)管27,以及將甲醇17輸送到燃料處理器15 的重整器32中的第二導(dǎo)管29。導(dǎo)管25,27和29例如可包括設(shè)置在燃料處理器中的通道或通向燃料處理器的管道。提供分離泵21a和21b 分別用于導(dǎo)管27和29,以對(duì)導(dǎo)管增壓，并根據(jù)需要以獨(dú)立的速率輸送甲醇。由Biochem,NJ提供的型號(hào)030SP-S6112泵合適于為系統(tǒng)10 傳送液態(tài)甲烷，用在這個(gè)實(shí)施例中是很合適的。
在一個(gè)實(shí)施例中，泵是正排量的，并且該系統(tǒng)不使用流量計(jì)。在這種情況下，控制系統(tǒng)知道正在抽吸多少燃料，并且控制系統(tǒng)將這個(gè)信息傳遞給燃料盒上的芯片。在另一實(shí)施例中，位于存儲(chǔ)裝置16
和燃料處理器18之間的流量傳感器或閥23，其檢測并通知在存儲(chǔ)裝置16和重整器32之間傳送的曱醇17的數(shù)量。在傳感器或閥23與合適的控制，例如由執(zhí)行存儲(chǔ)軟件中指令的處理器所應(yīng)用的數(shù)字控制的協(xié)作下，泵21b可調(diào)節(jié)從存儲(chǔ)裝置16供應(yīng)至重整器32的甲醇17。氣泵41通過導(dǎo)管31將氧氣和空氣從周圍環(huán)境傳遞到燃料電池20 的陰極中，其中一些氧氣在陰極中用于產(chǎn)生電力。氣泵41例如可包括風(fēng)扇或壓縮機(jī)。燃料電池20中的高操作溫度還加熱了氧氣和空氣。在所示的實(shí)施例中，；波加熱的氧氣和空氣然后通過導(dǎo)管33發(fā)送到燃料處理器15的再生器36中，在進(jìn)入加熱器30之前將其在此處進(jìn)行額外的加熱。通過a)減少加熱器30中的反應(yīng)物的熱量損失(例如新鮮的氧氣，否則其將接近室溫)，b)在產(chǎn)生能量期間冷卻燃料電池，這種雙預(yù)熱提高了燃料電池系統(tǒng)的效率。在這個(gè)實(shí)施例中，由的氧氣和空氣增壓。風(fēng)扇37在燃料電池20和其熱傳遞附件46的上方吹動(dòng)冷卻空氣 (從周圍環(huán)境)。風(fēng)扇37可具有合適的尺寸，以便根據(jù)燃料電池的加熱要求而移動(dòng)空氣；并且本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的許多廠商可提供適合于供組件10使用的風(fēng)扇。額外的風(fēng)扇可用于在燃料電池?zé)醾?遞附件的加熱器部分上吹動(dòng)空氣。燃料處理器15從存儲(chǔ)裝置16中接收甲醇17，并輸出氫氣。燃料處理器15包括加熱器30,重整器32，蒸發(fā)器34和再生器36。加熱器(或燃燒器)30包括入口(如果甲醇存在，其還用作蒸發(fā)器)，其從導(dǎo)管27中接收甲醇17和催化劑，其在曱醇存在的條件下，產(chǎn)生熱量。蒸發(fā)器34包括從導(dǎo)管29中接收甲醇17的入口。蒸發(fā)器34的結(jié)構(gòu)允許在重整器32接收甲醇17之前，利用加熱器30中所產(chǎn)生的熱量加熱蒸發(fā)器34中的曱醇17。蒸發(fā)器34包括將^皮加熱的曱醇17 提供給重整器32的出口。重整器32包括從蒸發(fā)器34中接收被加熱的甲醇17的入口。重整器32中的催化劑與曱醇17起反應(yīng)，并且產(chǎn)
生氬氣和二氧化碳(以及大約-0.2-5%的一氧化碳和任何未反應(yīng)的甲醇和蒸汽)。這種反應(yīng)是輕微吸熱的，并且從加熱器30中吸取熱量。重整器32的氫氣出口將氬氣輸出至導(dǎo)管39。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料處理器15還優(yōu)選包括氧化器，其截取重整器32的氫氣排氣，并減少排氣中的一氧化碳的量。優(yōu)選氧化器采用來自優(yōu)選氧化器的進(jìn)氣口的氧氣和催化劑，例如釕或鉑，其對(duì)于一氧化碳而言比對(duì)氫氣更為優(yōu)先。
再生器36在空氣進(jìn)入加熱器30之前預(yù)加熱空氣。再生器36還通過在空氣逸出燃料處理器15之前加熱空氣而減少了組件10的熱損失。在某種意義上來說，再生器使用在燃料處理器15中的廢熱來提高燃料處理器的熱管理和熱效率。具體地說，來自加熱器30的廢熱可用于預(yù)加熱提供給加熱器30進(jìn)入的空氣，以減少傳遞到加熱器中的空氣中的熱量，從而將更多的熱量傳遞給重整器32。再生器還通過減少整個(gè)重整器的熱量損失而用作燃料處理器的隔離物。
導(dǎo)管39將氫氣從燃料處理器15輸送到燃料電池20中。如將在下面所述，氣體輸出管路31,33和39可包括金屬中的通道。氫氣流量傳感器(未顯示)還可添加到導(dǎo)管39上，以檢測并通知傳送到燃料電池20中的氬氣數(shù)量。在與氫氣流量傳感器和合適的控制、例如由執(zhí)行存儲(chǔ)軟件中指令的處理器所應(yīng)用的數(shù)字控制的協(xié)作下，燃料處理器15可調(diào)節(jié)供應(yīng)到燃料電池20的氫氣。
燃料電池20包括氫氣進(jìn)氣口，其從導(dǎo)管39中接收氫氣，并將其傳遞到氫氣吸入歧管中，以便傳遞給一個(gè)或多個(gè)雙極板和其氫氣分布通道中。燃料電池20的氧氣進(jìn)氣口從導(dǎo)管31中接收氧氣，并將其傳遞到氧氣吸入歧管中，以便傳遞到一個(gè)或多個(gè)雙極板和其氧氣分布通道中。陽極排氣歧管38收集來自氫氣分布潭道中的氣體，并將其傳遞到周圍環(huán)境中，或返回到燃料處理器中。夂陰極排氣歧管收集來自氧氣分布通道中的氣體，并將其傳遞給陰極排氣口和導(dǎo)管 33,或周圍環(huán)境中。
除了圖1C中所顯示的構(gòu)件以外，系統(tǒng)IO還可包括用于執(zhí)行燃料電池系統(tǒng)10的功能的其它元件，例如電子控制裝置，輔助泵和閥，增加的系統(tǒng)傳感器，歧管，熱交換器和電互連器，這些對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員是已知的，并且出于簡潔目的而省略掉。
組件
本發(fā)明提供了一種減小尺寸且便攜的燃料電池組件。如此處所用術(shù)語"燃料組件"指接收氬氣或氬氣燃料源并輸出電能的燃料電池系統(tǒng)。這至少包括燃料電池。例如，在燃料電池，或者燃料電池和燃料處理器包括在膝上型計(jì)算機(jī)蓄電池插槽中的情況下，該組件不需要包括蓋子或外殼。在這種情況下，燃料電池組件只包括燃料電池，或燃料電池和燃料處理器，并且沒有外殼。該組件可包括緊湊的外形，小的體積，或小的質(zhì)量，這其中的任何一項(xiàng)對(duì)尺寸有關(guān) 的任何供電應(yīng)用中都是很有用的。此處所使用的術(shù)語"燃料電池組件"和燃料電池系統(tǒng)是同義的，其中使用組件更為方便地表示體積
和功率密度。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件包括燃料電池、燃料處理器，
以及這兩者之間的專用連接器。專用的連接器可提供a)燃料處理器和燃料電池之間的流體或氣體流通性，和/或b)這兩者之間或用于該組件的結(jié)構(gòu)支撐。在一個(gè)實(shí)施例中，如下面所述的互連器提供了最多的連通性。在另一實(shí)施例中，在燃料電池和/或燃料處理器上設(shè)有直接和專用的連接器，以便與其它裝置對(duì)接。例如，燃料電池可設(shè) 計(jì)成與特定的燃料處理器對(duì)接，并包括用于該燃料處理器的專用連接器。作為備選，燃料處理器可設(shè)計(jì)成與特珠的燃料電池對(duì)接。將燃料處理器和燃料電池一起裝配在公共且基本封閉的組件中，這提供了一種便攜式'黑盒'組件，其接收氫氣燃料源，并輸出電能。
一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管或通道在燃料電池和燃料處理器之間傳遞氣體或流體。這種傳遞包括將氫氣輸送到燃料電池中的管線。為了減少組件的尺寸，燃料電池和燃料處理器可各包括專用于將氬氣從處理器傳遞到蓄電池中的模制的通道。這種通道可包含在結(jié)構(gòu)中。當(dāng)燃料電池直接連接在燃料處理器上時(shí)，氫氣輸送管線包括a)燃料處理器中用于將氫氣從重整器傳遞到連接器中的通道，和b)燃料電池中用于將氫氣從連接器傳遞到氫氣吸入歧管中的通道。如下面所述的互連器可促進(jìn)在燃料電池和燃料處理器之間的連接。在這種情況下，互連器包括專用于將氫氣從燃料處理器傳遞到燃料電池中的集成的氫氣導(dǎo)管。圖4A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池組件400。組件 400提供一種利用燃料電池技術(shù)的緊湊且便攜的電能產(chǎn)生裝置。外殼402包含燃料電池。外殼402提供了用于其邊界內(nèi)的內(nèi)部構(gòu)件的機(jī)械保護(hù)，并且可包括提供這種保護(hù)的任何形式或配置。在一個(gè)實(shí)施例中，外殼402包括多個(gè)利用螺釘和/或合適的粘合劑而固定在一起的器件。用于外殼402的材料可包括任何合適的提供機(jī)械保護(hù)的堅(jiān)硬材料。例如，硬質(zhì)塑料或金屬可用于外殼402。在一個(gè)實(shí) 施例中，外殼402包括低熱傳導(dǎo)材料，從而外殼不用作用于其體積中發(fā)熱的散熱器。在另一實(shí)施例中，外殼402包括熱傳導(dǎo)材料。在一個(gè)實(shí)施例中，外殼402根據(jù)包含在外殼中的內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行尺寸設(shè) 置，以減小整個(gè)組件的體積。外殼402包括許多用于進(jìn)氣和排氣的開口。開口 404允許空氣 ^v周圍空間或環(huán)境進(jìn)入組件400,例如，以冷卻包含在組件中的燃料電池或用于燃料電池中產(chǎn)生能量。在氣體獲得燃料電池的熱量之后，開口 406用作被加熱的氣體的排氣口，其通常在相對(duì)于周圍環(huán)境中的空氣較高溫度下操作。雖然開口 404和406顯示為幾分線性的縫隙，但是開口可包括任何適合于冷卻空氣(或燃料處理器中所使用的氧氣)進(jìn)氣和排氣的尺寸。另外，組件可包括不止或多于兩個(gè)開口。不是所有的燃料電池系統(tǒng)構(gòu)件都必須包含在外殼402中。雖然外殼402對(duì)于表征體積是很有用的，但是一些類似內(nèi)置系統(tǒng)的組件
并不包括外殼402。或者，與可分離的氫氣或燃料源存儲(chǔ)裝置對(duì)接的構(gòu)件，其可配置在外殼402的外面。外殼402至少部分地包含燃料電池。如果系統(tǒng)中包括一個(gè)燃料處理器，外殼402通常還包含燃料處理器。體積可表示組件400的特征。該體積包括系統(tǒng)中用于產(chǎn)生電力、節(jié)省用于供應(yīng)氫氣或燃料源的存儲(chǔ)裝置的所有組件構(gòu)件。在一個(gè)實(shí) 施例中，該體積包括燃料電池和位于外殼402外部用于產(chǎn)生電力的任何構(gòu)件(例如不只是包括在外殼402中的構(gòu)件，例如部分地設(shè)置在組件外部的用于輸送燃料的泵)和/或功率調(diào)節(jié)器，其將燃料電池輸出電壓轉(zhuǎn)換到電力用戶所需要的水平，并且可根據(jù)需要由燃料電池控制系統(tǒng)接通或關(guān)閉。在一個(gè)實(shí)施例中，組件400具有小于大約1升的總體積。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，組件400具有小于大約1/2升的總體積。更大或更小的組件體積可供本發(fā)明使用。組件還包括相對(duì)較小的質(zhì)量。在一個(gè)實(shí)施例中，組件400具有小于大約lkg的總質(zhì)量。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，組件400具有小于大約1/2升的總體積。更大和更小的組件質(zhì)量也是可行的。功率密度還可用于表示燃料電池組件的特征。功率密度指由包含在組件中的燃料電池所提供的電功率輸出相對(duì)于組件的物理參數(shù) 例如體積或質(zhì)量的比值。本發(fā)明提供了目前燃料電池工業(yè)中仍未達(dá) 到的功率密度的燃料電池組件。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池組件400 提供了大于大約30瓦/升的功率密度。除了燃料和燃料源存儲(chǔ)裝置以外，這種組件包括所有燃料電池動(dòng)力裝置的事物(冷卻系統(tǒng)，能量轉(zhuǎn) 換，蓄電池啟動(dòng)等等)的平衡。在另一個(gè)特定的實(shí)施例中，燃料電池組件400提供了大于大約60瓦/升的功率密度。從大約45瓦/升至大約90瓦/升的功率密度很適合于許多便攜式應(yīng)用。對(duì)于本發(fā)明的燃料電池組件，更大和更小的功率密度也是允許的。燃料電池和燃料處理器可設(shè)置在組件中，以便最大程度地減小組件的體積。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料處理器和燃料電池設(shè)置成在組
件中共面。在這個(gè)意義上，共面指用于表示燃料電池和表示燃料處理器的最短和/或最長的尺寸對(duì)準(zhǔn)在相同的軸線上。最短的尺寸指用于表示任一構(gòu)件尺寸特征的三維尺寸(例如，X, y, Z)的最小尺寸。最長的尺寸則是相反的。例如，如果用于燃料電池和燃料處理器的高度是最小的尺寸，那么燃料電池和燃料處理器放置彼此相鄰和共面的位置，使得這兩者的高度處于相同的方向(例如Z)上。燃料電池和燃料處理器可彼此并列設(shè)置，彼此上下堆疊，或設(shè)置成任何可減小體積的其它排列形式。當(dāng)設(shè)置成彼此并列時(shí)，這兩者中較高者的高度確定了組件的總高度。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)組件具有由燃料電池確定的高度。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，燃料電池和組
件具有小于大約1英寸的高度。還可設(shè)想其它高度，例如小于大約2
英寸，或膝上型計(jì)算機(jī)中的蓄電池插槽的高度。
圖4B顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)組件420中的共面燃料電池系統(tǒng)的透視圖。組件420包括設(shè)置成彼此相鄰而使其高度基本平行的燃料電池20和燃料處理器15。
圖中顯示燃料電池20具有外殼422，外殼422包括頂板64和許多側(cè)壁424。側(cè)壁424a包括兩個(gè)開口冷卻空氣進(jìn)氣口 428和排氣口 430。圖1C的冷卻風(fēng)扇37設(shè)置在相對(duì)較靠近并且位于進(jìn)氣口 428 或排氣口 430內(nèi)部的位置。
對(duì)于組件420,包含了用于管道控制并連接在組件外殼上的燃料泵21。燃料泵21可采用螺線管泵、噴射泵或任何其它商業(yè)上可得到的移動(dòng)燃料的泵。圖4B還顯示了空氣吸入管432(圖1C中的線31), 其將氧氣和空氣從周圍空間或環(huán)境，穿過組件外殼，并傳遞到燃料電池20中，以便陰極使用。
正交的長度(L)、寬度(W)和高度(H)的尺寸表示組件420的特征。在一個(gè)實(shí)施例中，組件420包括在大約6cm和大約15cm之間的長度，在大約4cm和大約10cm之間的寬度，以及在大約lcm和大約5cm 之間的高度。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，組件尺寸將依賴于燃料電池20和燃料處理器15的排列和尺寸，以及是否將燃料處理器15包含在組件中。通過處理器和其相關(guān)的安置要求的平衡物的尺寸，燃料處理器15的排除將會(huì)減少組件420的尺寸。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，組件420包括在大約llcm和大約13cm之間的長度，在大約 7cm和大約9cm之間的寬度，以及在大約2cm和大約4cm之間的高度。更大或更小的尺寸可供本發(fā)明的組件使用。圖4C顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的用于燃料電池組件440的內(nèi)部構(gòu)件的透^J^圖。組件440包括用作結(jié)構(gòu)框架的阻隔底架(chassis)442，組件440 的功能構(gòu)件連接在底架442上。在一個(gè)實(shí)施例中，底架442形成了用于組件440的外殼的底壁。底架442包括合適的堅(jiān)硬材料，例如金屬或硬質(zhì)塑料。鋁、Fr4、碳纖維、ABS和鋼都適合使用?；蛘?，可使用提供機(jī)械完整性，并包括低熱傳導(dǎo)率的任何材料。組件440還包括并入到燃料電池20和燃料處理器15中的流體導(dǎo)管和連接器444,這與在燃料電池20和處理器15之間分開的管道和軟管相反。這減少了組件440的尺寸。泵21提供燃料源運(yùn)動(dòng)，并聯(lián)接在托架上，托架連接在底架442上?？諝鈮嚎s機(jī)448為燃料電池陰極提供空氣，并連接在底架442上。進(jìn)氣室445包括在組件440 的外殼和燃料電池20的進(jìn)氣口 428之間，以引導(dǎo)空氣。組件440還包括可再充電的蓄電池450(圖中未標(biāo)出)。在一個(gè)實(shí) 施例中，蓄電池450在啟動(dòng)期間用于提供電功率，以便加熱燃料處理器15中的燃料，直到燃料處理器和燃料電池20準(zhǔn)備產(chǎn)生電能時(shí) 為止。然后，可再充電的蓄電池可通過燃料電池20進(jìn)行再充電。如果可再充電的蓄電池450是耗空的，那么燃料電池系統(tǒng)可采用USB jumpstart (蓄電池可通過不同于燃料電池的裝置進(jìn)行充電，并且系統(tǒng) 可通過不同于系統(tǒng)蓄電池的裝置來啟動(dòng))。在這種情況下，在組件440 和電子裝置例如膝上型計(jì)算機(jī)之間的USB連接器提供功率，以便給系統(tǒng)蓄電池充電，直到其達(dá)到充電狀態(tài)，使其可加熱用于燃料處理
器15的燃料，直到燃料電池20產(chǎn)生電能。在這點(diǎn)上，蓄電池450 可通過燃料電池進(jìn)行再充電。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的廣泛廠商提供適合于供本發(fā)明使用的可再充電的蓄電池。一種2.4安培，18650 小時(shí)的可再充電的蓄電池適合一些實(shí)施例。在50%電荷和3.75伏下提供18瓦的蓄電池也是合適的。其它商業(yè)上可得到的蓄電池也可使用。
控制臺(tái)452包括合適的軟件和硬件，其用于控制組件440中的構(gòu)件。硬件可包括商業(yè)上可得到的處理器，例如可從英特爾公司， Microchip公司或摩托羅拉公司系列處理器得到的任一處理器。還包含一些形式的存儲(chǔ)器?？砂S機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器 (ROM)來存儲(chǔ)由處理器執(zhí)行的程序指令，其執(zhí)行用于不止一個(gè)燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)件的控制功能?？刂瓢暹€可包括允許對(duì)控制系統(tǒng)固件重編程序的裝置，而不需要除去控制板。
在組件中還可包含電適配器(圖4C中未顯示，并且還可以是控制板452的一部分)，將燃料電池20的電能輸出轉(zhuǎn)換到由組件440的設(shè)計(jì)所確定的合適的水平。例如，組件440可用作為膝上型計(jì)算機(jī) 供電的線纜的適配器，其中，電適配器446將燃料電池20的電能輸出轉(zhuǎn)化成適合于為膝上型計(jì)算機(jī)供電的電壓和電流。DC/DC轉(zhuǎn)換是典型的，但還可應(yīng)用其它功率調(diào)節(jié)。電適配器或功率調(diào)節(jié)器還可具有根據(jù)需要接通或關(guān)閉的能力，并且可包括例如由輸入與輸出線上的電容器提供的負(fù)載測量能力。在一個(gè)實(shí)施例中，電適配器具有大于大約90%的電效率。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，電適配器具有大于大約95%的效率。其它裝置可由燃料電池20供電，并且適配器446 將根據(jù)裝置的電力要求而進(jìn)行配置。適配器446還可包括接收導(dǎo)線的硬件接口，所述導(dǎo)線聯(lián)接在電子裝置上。
組件440還可包括額外的燃料電池系統(tǒng)構(gòu)件，例如陰極進(jìn)氣口 31,由聯(lián)接在組件440上的可分離的燃料源盒提供的燃料，以及用于溫度檢測的傳感器和導(dǎo)線。雖然已經(jīng)主要參照燃料處理器內(nèi)含物描述了燃料電池組件，但是本發(fā)明的組件并不需要包括處理器。在另一實(shí)施例中，組件只包括燃料電池，其從聯(lián)接在組件上的供給中接收氪氣。這樣組件提供了一種接收氫氣并輸出電能的便攜式黑盒。因?yàn)轶w積已經(jīng)下降，所以這提供了對(duì)于相同功率輸出而具有較小體積和質(zhì)量的燃料電池組件，因而提供了甚至更大的功率密度。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種帶線纜的燃料電池組件。圖7A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶線纜的燃料電池組件700的簡化視圖。圖7B顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的帶線纜的燃料電池組件100的內(nèi)部透^f見圖。帶線纜的組件指包括線纜702的燃料電池組件。線纜702允許遠(yuǎn)距離地電聯(lián)接到組件上，并且通常包括能夠?qū)㈦娔軓娜剂想姵鼗?包括在組件700中的電適配器傳遞到電子裝置上的導(dǎo)體。在一個(gè)實(shí) 施例中，線纜702包括可分離地聯(lián)接在組件700上，并配置成用于傳送由燃料電池所產(chǎn)生的DC電力的導(dǎo)線。連接器705允許線纜可分離地電連接在包含在組件中的電適配器710上。通常，線纜702的長度確定了線纜的距離，但在任一端增加的延長線(或相似物)可使線纜距離延長。帶線纜的燃料電池組件可類似于用于許多傳統(tǒng)的膝上型計(jì)算機(jī)的AC適配器，其中線纜組件從存儲(chǔ)的氫氣或燃料源中提供電能。因?yàn)槿剂想姵亟M件是便攜的，所以帶線纜的組件提供了一種電功率的便攜式形式，其可插入到一個(gè)或多個(gè)便攜式電子裝置中。線纜的輸出端704包括接口 705,其可分離地電聯(lián)接在電子裝置上，而燃料電池端706可分離地電聯(lián)4秦在燃津牛電池組件上(或永久地連接在它上面)。接口 705可包括任何合適的電子接口。例如，接口 705可包括DC適配器接口，例如商業(yè)上可從廣泛的各廠商中獲得任何接 n 。這樣，帶線纜的燃料電池組件700提供了一種合適于可分離地為一個(gè)或多個(gè)裝置供電的便攜式電功率源。例如，消費(fèi)類電子裝置如膝上型計(jì)算機(jī)和收音機(jī)可受益于本發(fā)明的線纜的適配器。帶線纜的燃^F電池組件700可為相同類型的多個(gè)型號(hào)、例如相同型號(hào)的多個(gè)膝上型計(jì)算機(jī)供電。帶線纜的燃料電池組件700還可提供改變的電輸出，以便為不同的裝置供電。參見圖7B，組件700包括電適配器710，其燃料電池20a輸出的電能轉(zhuǎn)化成便于線纜702上輸出的不同水平。在一個(gè)實(shí) 施例中，適配器710提供多個(gè)用于組件700的輸出電設(shè)定值。例如，一個(gè)設(shè)定值可包括12V, 3A的服務(wù)，而第二設(shè)定值提供5V, 1A的服務(wù)。位于組件700外部的開關(guān)或其它裝置可允許用戶在多個(gè)電輸出之間變化。連接器還可裝有導(dǎo)線，使控制板知道應(yīng)該在什么輸出電壓下進(jìn)行操作。這樣電適配器710包括合適的電子裝置，以維護(hù) 各個(gè)輸出設(shè)定值。在這種情況下，適配器710利用線纜702提供由燃料電池20的設(shè)計(jì)所確定的DC/DC轉(zhuǎn)換和預(yù)期的輸出。適配器710還可提供A/DC轉(zhuǎn)換。在這種情況下，組件700包括第二連接器(未顯示)，其接收AC連接器或?qū)Ь€。AC導(dǎo)線可分離地聯(lián)接在AC電源，例如壁插座上。這樣適配器710包括將AC功率轉(zhuǎn) 化成線纜702上的DC輸出的電路。例如，該電路可將65瓦的AC 輸入轉(zhuǎn)化成45瓦的DC輸出。燃料電池圖2A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于燃料電池20的燃料電池疊組60的截面圖。圖2B顯示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池疊組60和燃料電池20的外頂部透視圖。開始參見圖2A，燃料電池疊組60包括一組雙才及玲反44和一組月奚電極部件(MEA)層62 。兩個(gè)MEA層62各與雙極板44相鄰。除了最頂和最底的膜電極組層62a和62b以外，各個(gè)MEA 62 ^殳置在兩個(gè)相鄰的雙極板44之間。對(duì)于MEA 62a和62b,頂端板和底端板64a和
64b包括位于鄰近MEA62的面上的通道場72。
疊組60中的雙極板44還各包括一個(gè)或多個(gè)熱傳遞附件46。如圖所示，各雙4及板44包括板一側(cè)的熱傳遞附件46a和位于對(duì)側(cè)的熱傳遞附件46b。下面將進(jìn)一步詳細(xì)論迷熱傳遞附件46。
如圖2A中所示，疊組60包括十二個(gè)膜電極組層62，十一個(gè)雙極板44和兩個(gè)端板64(圖2B顯示了形成疊組的18個(gè)板44)。各組中的雙極板44和MEA層62的數(shù)量可根據(jù)燃料電池疊組60的設(shè)計(jì)而變化。將平行層疊組在燃4+電池疊組60中將允許有效地使用空間，并提高燃料電池20以及包括燃料電池20的燃料電池組件10的功率密度。在一個(gè)實(shí)施例中，各個(gè)膜電極部件62產(chǎn)生0.7V的電壓，并且選擇MEA層62的數(shù)量以取得所需的電壓?；蛘?，MEA層62和雙極板44的數(shù)量可由可允許的組件10厚度來確定。具有一個(gè)MEA 62 至幾百個(gè)MEA 62的燃料電池疊組60適合于許多應(yīng)用。具有大約三個(gè)MEA 62至大約二十個(gè)MEA 62的疊組60也適合于許多應(yīng)用。燃料電池20的尺寸和布置還可設(shè)計(jì)和配置成用于輸出給定的功率。
參見圖2B,頂端板和底端板64a和64b提供對(duì)疊組60的機(jī)械保護(hù)。端板64還將雙極板44和MEA層62保持在一起，并且將壓力施加于各個(gè)雙極板44和各個(gè)MEA 62的平面區(qū)域上。端板64可包括鋼或另一合適的堅(jiān)硬材料。螺栓82a-d將頂端板和底端板64a和64b 連接和固定在一起。
燃料電池20包括兩個(gè)陽極歧管(84和86)。各歧管將產(chǎn)物或反應(yīng) 氣體來回傳遞到燃料電池疊組60中。更具體地說，各歧管在由疊組的雙極板44(圖2D)創(chuàng)建的垂直歧管和燃料電池20的外部管道之間傳遞氣體。氬氣入口歧管84設(shè)置在頂端板64a上，與入口導(dǎo)管聯(lián)接，以接收氫氣(例如圖4A中的204a),并且通向入口氫氣》支管102(圖 2D),入口氫氣歧管102配置成用于將入口氫氣傳遞到疊組60的各雙極板44上的通道場72中。出口歧管86從陽極排氣歧管104接收出口氣體(圖2D),排氣歧管104配置成用于從各雙極板44的陽極通
道場72收集廢棄產(chǎn)物。出口歧管86可將廢氣提供給燃料電池周圍空間。在另一實(shí)施例中，歧管86提供陽極排氣線38,其在啟動(dòng)期間將未使用的氫氣輸送回燃料處理器。
燃料電池20包括兩個(gè)陰極歧管入口陰極歧管或入口氧氣歧管 88,和出口陰極歧管或出口水/蒸汽歧管90。入口氧氣歧管88設(shè)置在頂端板64a上，與入口導(dǎo)管(導(dǎo)管31，其從周圍環(huán)境中抽吸空氣)聯(lián) 接，以接收周圍空氣，并通向氧氣歧管106(圖2D)，其配置成用于將入口氧氣和周圍空氣傳遞到疊組60的雙極板44上的通道場72中。出口水/蒸汽歧管90從陰極排氣歧管108中接收出口氣體(圖2D)，排氣歧管108配置成用于從各雙極板44的陰極通道場72中收集水(通常為蒸汽)。
如圖2B所示，歧管84,86,88和90包括片莫制的通道，其各沿著端板64a的頂面，從其與燃料電池外部的接口延伸至疊組的歧管中。各歧管或通道用作燃料電池20的氣體連通線路，并且可在板64或燃料電池20的外殼中包括;漠制的通道。還可設(shè)想與疊組60來回傳送氣體的其它設(shè)計(jì)，例如那些在單個(gè)板或結(jié)構(gòu)中不共享通用歧管的設(shè)計(jì)。
圖2C顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種用于燃料電池20的離子傳導(dǎo)膜燃料電池(PEMFC)架構(gòu)120。如圖所示，PEMFC架構(gòu)120 包括兩個(gè)雙極板44和夾在兩個(gè)雙極板44之間的膜電才及組層(或 MEA)62。 MEA 62以電化學(xué)方式將氫和氧轉(zhuǎn)化成水，并在該過程中產(chǎn)生電能和熱量。膜電極部件62包括陽極氣體擴(kuò)散層122,陰極氣體擴(kuò)散層124，氬氣催化劑126，離子傳導(dǎo)膜128，陽極電極130, 陰極電極132,和氧氣催化劑134。
加壓的氫氣(H》通過氫氣口 84進(jìn)入燃料電池20,繼續(xù)穿過入口氫氣歧管102，并穿過設(shè)置在雙極板44a的陽極面75上的氫氣通道場72a的氫氣通道74。氫氣通道74通向陽極氣體擴(kuò)散層122，其設(shè) 置在雙極板44a的陽極面75和離子傳導(dǎo)膜128之間。壓力迫使氫氣
進(jìn)入到氫氣可透過的陽極氣體擴(kuò)散層122中，并越過設(shè)置在陽極氣體擴(kuò)散層122中的氫氣催化劑126。當(dāng)1"12分子與氪氣催化劑126接觸時(shí)，其分裂成兩個(gè)H+離子(質(zhì)子)和兩個(gè)電子(e-)。質(zhì)子移動(dòng)穿過離子傳導(dǎo)膜128,而與陰極氣體擴(kuò)散層124中的氧氣結(jié)合。電子引導(dǎo)穿過陽極電極130,在此處它們建立用于外電路(例如膝上型計(jì)算機(jī)的電源)中的電勢。在外部使用之后，電子流向PEMFC架構(gòu)120的陰極電極132。氫氣催化劑126將氫氣分裂成質(zhì)子和電子。合適的催化劑126 包括例如柏、釘和鉑黑或鉑碳，和/或位于碳納米管上的鈾。陽極氣體擴(kuò)散層122包括允許氫氣擴(kuò)散并能保持氫氣催化劑126,以允許催化劑和氫分子之間相互作用的任何材料。一種合適的層包括織物或非織物的碳紙。其它合適的氣體擴(kuò)散層122材料可包括金剛砂矩陣和織物或非織物的碳紙和聚四氟乙烯的混合物。在PEMFC架構(gòu)120的陰極側(cè)，攜帶氧氣(02)的壓縮空氣通過氧氣口 88進(jìn)入燃料電池20,繼續(xù)穿過入口氧氣歧管106,并穿過設(shè)置在雙極+反44b的陰極面77上的氧氣通道場72b的氧氣通道76。氧氣通道76通向陰極氣體擴(kuò)散層124,其設(shè)置在雙極板44a的陰極面77 和離子傳導(dǎo)膜128之間。壓力迫使氧氣進(jìn)入到陰極氣體擴(kuò)散層124 中，并越過設(shè)置在陰極氣體擴(kuò)散層124中的氧氣催化劑134。當(dāng)02 分子與氧氣催化劑134接觸時(shí)，其分裂成兩個(gè)氧原子。兩個(gè)已經(jīng)穿過離子選擇性的離子傳導(dǎo)膜128的H+離子和氧原子與自外電路返回的兩個(gè)電子結(jié)合而形成水分子(^20)。陰極通道76排出水，其通常形成蒸汽。這個(gè)反應(yīng)在單個(gè)MEA層62中產(chǎn)生大約0.7伏的電壓。陰極氣體擴(kuò)散層124包括允許氧氣和氫氣質(zhì)子擴(kuò)散，并且能夠保持氧氣催化劑134,以允許催化劑134與氧氣和氫氣之間相互作用的材料。合適的氣體擴(kuò)散層124可包括例如碳紙或編織物。其它合適的氣體擴(kuò)散層124材料可包括金剛砂矩陣和織物或非織物的碳紙和聚四氟乙烯的混合物。氧氣催化劑134促進(jìn)了氧氣和氫氣形成水
的反應(yīng)。
一種常用的催化劑134包括鉑。許多設(shè)計(jì)采用粗糙且多孔的催化劑134，以提高暴露于氫氣和氧氣的催化劑134的表面積。例如，鉑可作為涂敷在碳紙或編織物之上的非常薄的粉末而滯留在陰極氣體擴(kuò)散層124上。離子傳導(dǎo)膜128通過阻塞電子穿過膜128而將陽極與陰極電隔離開。因而，膜128防止電子在氣體擴(kuò)散層122和氣體擴(kuò)散層124 之間通過。離子傳導(dǎo)膜128還選擇性地將帶正電荷的離子，例如，氫氣質(zhì)子從氣體擴(kuò)散層122引導(dǎo)到氣體擴(kuò)散層124中。對(duì)于燃料電池20,質(zhì)子移動(dòng)穿過膜128,而將電子引導(dǎo)至電負(fù)載或蓄電池中。在一個(gè)實(shí)施例中，離子傳導(dǎo)膜128包括電解質(zhì)。一種適合供燃料電池20使用的電解質(zhì)是從Murray Hill, NJ的PEMEAS USA AG(www.pemeas.co)獲得的Cdtec 1000。包括這種電解質(zhì)的燃料電池 20通常是更耐受一氧化碳的，并且可不需要增濕。離子傳導(dǎo)膜128 還可采用磷酸矩陣，其包括用磷酸浸漬的多孔的分離器。適合于供燃料電池20使用的備選的離子傳導(dǎo)膜128可廣泛地從United technologies, DuPt, 3M以及本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的其它制造商處得到。例如，Elkton,MD的WL Gore Associates生產(chǎn)的58系列膜，其是適合于供本發(fā)明使用的低溫MEA。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池20不需要外部的增濕器或熱交換器，并且疊組60只需要?dú)錃夂涂諝鈦懋a(chǎn)生電功率?；蛘?，燃料電池20 可采用陰極增濕，以提高燃料電池20的性能。對(duì)于一些燃料電池疊組60的設(shè)計(jì)，陰極增濕提高了燃料電池20的功率和操作壽命。圖2D顯示了^^艮據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雙極板疊組(帶兩個(gè)標(biāo)為 44p和44q的頂板)的頂透視圖。雙極板44是單個(gè)板44 ，其中第一通道場72設(shè)置在板44的相對(duì)面75上。從功能上，雙極板44 a)將反應(yīng)氣體傳遞和分布到氣體擴(kuò)散層122 和124以及其相應(yīng)的催化劑上，b)保持反應(yīng)氣體彼此在疊組60的MEA 層62之間的分隔，c)將電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物從MEA層62中排出，d)
促進(jìn)MEA層62和燃料電池疊組60之間來回的熱傳遞，和e)包括用于將氣體傳送到燃料疊組60中的其它雙極板44中的進(jìn)氣歧管和排氣歧管。
在結(jié)構(gòu)上，雙極板44具有相對(duì)較平坦的外形，并包括相對(duì)的頂面和底面75a和75b(只顯示了頂面75a)以及許多側(cè)面78。除了在村底89中形成溝槽的通道76以外，面75基本上是平面的。側(cè)面78 包括位于兩個(gè)面75之間且靠近雙極板44邊緣的雙極板44的部分。如圖所示，雙極板44是大概的四邊形，具有用于吸入歧管，排氣歧管和熱傳遞附件46的特征，其提供四邊形的外偏差。
各板44上的歧管配置成用于將氣體傳遞到板44面上的通道場中，或從通道場72中"l妄收氣體。用于雙極板44的歧管包括位于襯底89中的孔徑或孔，當(dāng)與歧管疊組60中的其它板44結(jié)合時(shí)，其形成了中間板44的氣體連通歧管(例如102,104,106和108)。因而，當(dāng) 將板44疊組起來，并使其歧管基本對(duì)準(zhǔn)時(shí)，歧管允許在各板44之間來回地傳送氣體。
雙才及板44包括位于板44的各個(gè)面上的通道場72或"流場"。各個(gè)通道場72包括一個(gè)或多個(gè)成形于板44的襯底89中的通道76，使得通道置于板44的表面下面。各個(gè)通道場72將一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)氣體分布到燃料電池疊組60的活性區(qū)域中。雙極板44包括位于雙極板44的陽極面75a上的第一通道場72a,其將氫氣分布到陽極上(圖 2C),而第二通道場位于相對(duì)的陰極面75b上，其將氧氣分布到陰極上。具體地說，通道場72a包括允許氧氣和空氣流向陽極氣體擴(kuò)散層 122的多個(gè)通道76,而通道場72b包括允許氧氣和空氣流向陰沖及氣體擴(kuò)散層124的多個(gè)通道76。對(duì)于燃料電池疊組60,各通道場72 配置成用于從吸入歧管102或106中接收反應(yīng)氣體，并配置成用于將反應(yīng)氣體分布到氣體擴(kuò)散層122或124中。各通道場72還收集從燃料電池20中排出的反應(yīng)副產(chǎn)物。當(dāng)在燃料電池60中將雙極板44 疊組在一起時(shí)，相鄰的板44之間夾有MEA層62，使得一個(gè)雙極板44的陽極面75a與位于MEA層62對(duì)側(cè)的相鄰的雙極板44的陰極面 75b鄰接。雙極板44可包括一個(gè)或多個(gè)熱傳遞附件46。各個(gè)熱傳遞附件46 允許對(duì)燃料電池疊組60的內(nèi)部部分進(jìn)行外部的熱管理。更具體地:說，附件46可用于加熱或冷卻燃料電池疊組60的內(nèi)部部分，例如所連才妻的雙極板44和任何相鄰的MEA層62的內(nèi)部部分。熱傳遞附件46 橫向設(shè)置在通道場72的外部。在一個(gè)實(shí)施例中，附件46設(shè)置在雙極板44的外面部分上。雙極板44的外面部分包括板44的靠近包含在板44中的襯底側(cè)面或邊緣的任何部分。雙極板44的外面部分通常不包括通道場72。對(duì)于所示的實(shí)施例，熱傳遞附件46基本上S夸越板44的側(cè)面，其不包括進(jìn)氣歧管和輸出歧管02-108。對(duì)于圖2A中所顯示的實(shí)施例，板44包括兩個(gè)熱傳遞附件46,其基本上跨越不包括氣體歧管的板44的兩側(cè)面。外圍設(shè)置的熱傳遞附件46允許在板44的內(nèi)部部分和外部i殳置的附件46之間通過板襯底89進(jìn)行傳熱。熱傳導(dǎo)指在接觸或整體成形的物體之間的熱傳遞。因而，在板44的外面部分(熱傳遞附件46 連接在此處)和雙極板44的中心部分之間的橫向熱傳導(dǎo)通過經(jīng)由襯底 89的傳導(dǎo)性的熱流通而產(chǎn)生。在一個(gè)實(shí)施例中，熱傳遞附件46與板 44中的襯底材料89是整體的。"整體，，在這個(gè)意義上來說，指在附件46和板44之間的材料連續(xù)性。例如，整體成形的附件46可與板 44 一起在單次;漠制、沖壓、機(jī)械加工或MEM工藝中由單個(gè)金屬板形成。整體成形的附件46和板44允許在豐反44的內(nèi)部部分和熱傳遞附件46之間通過襯底89的傳導(dǎo)性熱連通和熱傳遞。在另一實(shí)施例中，附件46包括不同于連接在板44上的襯底89所使用的材料，并且傳導(dǎo)性的熱連通和熱傳遞發(fā)生在這兩個(gè)連接材料之間的連接4妾頭處。熱量可在熱傳遞附件46上來回移動(dòng)。^:句話il,附件46可用作散熱器或熱源。因而，熱傳遞附件46可用作冷卻雙極板44或MEA
62的內(nèi)部部分的散熱器。燃料電池20采用冷卻介質(zhì)來除去來自附件 46中的熱量?；蛘?，熱傳遞附件46可用作為雙極板44或MEA 62 的內(nèi)部部分提供熱量的熱源。在這種情況下，催化劑可設(shè)置在附件46 上，以響應(yīng)于加熱介質(zhì)的存在而產(chǎn)生熱量。對(duì)于冷卻，熱傳遞附件46允許從板44的內(nèi)部部分至外部設(shè)置的附件46的集成的熱傳導(dǎo)。在氬氣消耗和電能產(chǎn)生期間，電化學(xué)反應(yīng)在各MEA 62中產(chǎn)生熱量。因?yàn)殡p極板44的內(nèi)部部分與MEA 62 接觸，因而雙極板44上的熱傳遞附件46將通過a)從MEA 62至雙極板44的熱傳導(dǎo)，以及b)從與MEA 62接觸的雙極板44的中心部分至包括附件46的板44的外面部分的橫向熱連通和熱傳導(dǎo)而冷卻與板相鄰的MEA 62。在這種情況下，熱傳遞附件46在板44的一個(gè) 面75上的第一通道場72與在平行于板44的面75的方向上同熱傳遞附件46相對(duì)的板44的面上的第二通道場72之間耗散來自襯底89 的熱量。當(dāng)燃料電池疊組60包括多個(gè)MEA層62時(shí)，各雙極板44 的橫向熱連通通過這個(gè)方式提供了疊組60中的多個(gè)MEA層62 (包括疊組60中心部分中的那些層)的層間冷卻。燃料電池20可采用在熱傳遞附件46上傳遞的冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)接收來自附件46的熱量，并從燃料電池20中除去熱量。疊組60 內(nèi)部產(chǎn)生的熱量因而穿過雙極板44，引導(dǎo)至附件46,并通過附件46 和冷卻介質(zhì)之間的對(duì)流熱傳遞而加熱冷卻介質(zhì)。空氣適合于用作冷卻介質(zhì)。熱傳遞附件46可配置成具有比板44的相對(duì)面75之間厚度更小的厚度。燃料電池疊組60中的相鄰雙^l板44上的附件46的減小的厚度而形成了相鄰附件之間的通道。疊組中的多個(gè)相鄰的雙極板44 和附件46形成許多通道。各通道允許冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)穿過通道并越過熱傳遞附件46。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池疊組60包括封裝和保護(hù)疊組60的機(jī)械外殼。通過在相鄰的附件46和壁之間形成導(dǎo) 管，外殼壁還提供了用于冷卻或加熱介質(zhì)的額外導(dǎo)管。
冷卻介質(zhì)可以是氣體或液體。由高傳導(dǎo)率的雙極板44獲得的熱
傳遞優(yōu)點(diǎn)允許空氣用作冷卻介質(zhì)，以冷卻熱傳遞附件46和疊組60。例如，直流風(fēng)扇37可連接在機(jī)械外殼的外表面上。風(fēng)扇37移動(dòng)空氣穿過機(jī)械外殼中的孔，穿過附件冷卻熱傳遞附件46和燃料電池疊組60之間的通道，并排出機(jī)械外殼中的排氣孔或排氣口。這樣，燃料電池系統(tǒng)10可包括基于溫度檢測反饋的主動(dòng)式熱控制。提高或降低冷卻風(fēng)扇速度可調(diào)節(jié)從疊組60中除去的熱量和疊組60的操作溫度。在空氣冷卻的疊組60的一個(gè)實(shí)施例中，冷卻風(fēng)扇的速度根據(jù)實(shí) 際的陰極出口溫度而相對(duì)于所需的溫度設(shè)定值提高或降低。
對(duì)于加熱，熱傳遞附件46允許^v外部設(shè)置的附件46至板44的內(nèi)部部分以及燃料電池20中與板44的內(nèi)部部分熱連通的任何構(gòu)件和部分的集成熱傳遞。越過熱傳遞附件46的加熱介質(zhì)為附件提供熱量。對(duì)流到附件46上的熱量之后穿過襯底89，并進(jìn)入到板44和疊組60的內(nèi)部部分，例如MEA 62和其組成構(gòu)件的部分內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，加熱介質(zhì)包括被加熱的氣體，其具有大于附件46的溫度。來自燃料處理器15的加熱器30或重整器32的廢氣可各包括升高的溫度，其適合于加熱一個(gè)或多個(gè)附件46。
在另一實(shí)施例中，燃料電池包括設(shè)置成與一個(gè)或多個(gè)熱傳遞附件46接觸或與其接近的催化劑192(圖2A)。當(dāng)加熱介質(zhì)穿過催化劑時(shí)，催化劑192產(chǎn)生熱量。在這種情況下，加熱介質(zhì)可包括與催化劑192起反應(yīng)而產(chǎn)生熱量的任何氣體或流體。通常，催化劑192和加熱介質(zhì)采用放熱化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生熱量。然后熱傳遞附件46和板44 將熱量傳遞到燃料電池疊組60中，例如以加熱MEA層62的內(nèi)部。例如，催化劑192可包括鉑，并且加熱介質(zhì)包括烴類燃料源17。在其進(jìn)入到燃料電池20中之前，燃料源17可被加熱到氣態(tài)。這允許加熱介質(zhì)在燃料源17和催化齊')192之間的氣態(tài)輸送，以及氣態(tài)相互作用以產(chǎn)生熱量。類似于上述冷卻介質(zhì)，風(fēng)扇設(shè)置在其中一個(gè)壁上，從而^吏氣態(tài)加熱介質(zhì)在燃料電池20中移動(dòng)。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，用于與催化劑192起反應(yīng)的烴類燃料源17來自燃料處理器15中的重整器排氣(見圖1C)或加熱器排氣。這在燃料源17 ^皮接收到燃料電池20中之前有利地預(yù)加熱燃料源17，并且還在燃料處理器15處理之后有效地使用或燃燒保持在重整器或加熱器排氣中的任何燃料?；蛘撸剂想姵?0可包括分開的烴類燃料源17供給，其將烴類燃料源17直接供應(yīng)到燃料電池20中，以便加熱和與催化劑192起反應(yīng)。在這種情況下，催化劑192可包括鉑。其它合適的催化劑192包括鈀、鉑/釔混合物、鐵、釕和其組合物。這些催化劑各自將與烴類燃料源17起反應(yīng)，以產(chǎn)生熱量。其它合適的加熱介質(zhì)包括例如氬氣或任何從燃料處理器15排出的^f皮加熱的氣體。當(dāng)氫氣用作加熱介質(zhì)時(shí)，催化劑192包括在氫氣存在的條件下產(chǎn)生熱量的材料，例如鈀或鉑。如以下進(jìn)一步詳細(xì)所述，氫氣可包括從燃料處理器15的重整器32中作為排氣供應(yīng)的氫氣。如圖2A中所示，催化劑192設(shè)置在各熱傳遞附件46上，并與其接觸。在這種情況下，加熱介質(zhì)越過各附件46,并與催化劑192 起反應(yīng)。這產(chǎn)生熱量，其通過傳導(dǎo)性的熱連通而被冷卻器附件46吸收?？刹捎孟村儗⒋呋瘎?92設(shè)置在各附件46上。陶瓷支撐還可用于將催化劑192粘接在附件46上。對(duì)于基于催化劑的加熱，熱量a)從催化劑192傳送到附件46上， b)橫向移動(dòng)穿過雙極板44，通過熱傳導(dǎo)從包括熱傳遞附件46的板橫向部分移動(dòng)至與MEA層62接觸的雙極板44的中心部分，和c)從雙極板44引導(dǎo)至MEA層62。當(dāng)燃料電池疊組60包括多個(gè)MEA層62 時(shí)，通過各雙極板44的橫向加熱提供了疊組60中的多個(gè)MEA層62 的層間加熱，其加速燃料電池20的預(yù)熱。圖2A的雙極板44包括位于各側(cè)的熱傳遞附件46。在這種情況下，一組熱傳遞附件46a用于冷卻，而另一組熱傳遞附件46b用于加
疊組60三個(gè)側(cè)面上的板44。附件46的排列可根據(jù)其它特定設(shè)計(jì)而變化，以影響和改良燃料電池疊組60的散熱和熱管理。例如，如圖所示附件46不需要跨越板44的側(cè)面，并且可基于如何通過外殼引導(dǎo)力口熱;克體而進(jìn)"f亍i殳計(jì)。雖然本發(fā)明提供了一種具有通道場72的雙極板44,通道場72 將氫氣和氧氣分布到單個(gè)板44的對(duì)側(cè)上，但是這里所述的許多實(shí)施例適合于供傳統(tǒng)的雙極板部件使用，其釆用兩個(gè)分開的板來分布?xì)?氣和氧氣。雖然迄今為止主要是參照重整后的甲醇燃料電池(RMFC)來論述本發(fā)明，但是本發(fā)明還可應(yīng)用于其它類型的燃料電池，例如固體氧化物燃料電池(SOFC)，磷酸燃料電池(PAPC),直接甲醇燃料電池 (DMFC),或直接乙醇燃料電池(DEFC)。在這種情況下，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員理解的那樣，燃料電池20包括這些架構(gòu)特定的構(gòu)件。 DMFC或DEFC接收和處理燃料。更具體地說，DMFC或DEFC接收液體甲醇或乙醇，分別將燃料引導(dǎo)到燃料電池疊組60中，并處理液態(tài)燃料，以分開氫氣而產(chǎn)生電能。對(duì)于DMFC，雙極板44中的通道場72分布液態(tài)甲烷而不是氫氣。上述氫氣催化劑126將包括用于分離氫氣與曱醇的合適的陽極催化劑。氧氣催化劑128將包括合適的陰極催化劑，用于處理DMFC使用的氧氣或另一合適的氧化劑，例如過氧化物?？偟卣f來，在其它燃料電池架構(gòu)中，氫氣催化劑126 還通常被稱為陽極催化劑，并且可包括除去氫氣以便在燃料電池中，例如直接從DMFC的燃料中產(chǎn)生電能的任何合適的催化劑。總地說來，氧氣催化劑128可包括處理燃料電池20中所用任何氧化劑的任何催化劑。氧化劑可包括任何氧化燃料的液體或氣體，并且并不局限于上述氧氣。例如SOFC, PAFC或MCFC也可受益于這里所述的本發(fā)明。在這種情況下，根據(jù)特定的SOFC， PAFC或MCFC設(shè)計(jì)，燃料電池20包括陽極催化劑126,陰極催化劑128，陽極燃料和氧化劑。
燃料處理器
圖3A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的包含在燃料處理器15中的構(gòu)件的透視圖。圖3B顯示了單片結(jié)構(gòu)100的橫截面正視圖。燃料處理器15重整甲醇，以產(chǎn)生氬氣。燃料處理器15包括單片結(jié)構(gòu)100, 端板182和184,端板185，重整器32，加熱器30，蒸發(fā)器34，蒸發(fā)器108,杜瓦瓶(dewar)150和外殼152。雖然現(xiàn)在將參照用于產(chǎn)生氫氣的甲醇消耗來描述本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，本發(fā)明的燃料處理器可消耗另一燃料源。
此處所使用的用語'單片'指單個(gè)整體式的結(jié)構(gòu)，其包括至少燃料處理器15中所使用的多個(gè)構(gòu)件的一部分。如圖3B中所示，單片結(jié) 構(gòu)100包括重整器32，燃燒器30,蒸發(fā)器34和蒸發(fā)器108。單片結(jié) 構(gòu)100還包括用于重整器32，燃燒器30和蒸發(fā)器34的相關(guān)的管道化的入口和出口，其設(shè)置在端板182和184以及互連器200上。單片結(jié)構(gòu)100包括組成該結(jié)構(gòu)的公用材料141。單片結(jié)構(gòu)100和公用材料141簡化了燃料處理器15的制造。例如，采用金屬作為公用材料 141允許單片結(jié)構(gòu)100通過擠壓而成形。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，單片結(jié)構(gòu)100在端板182和184之間的橫截面尺寸上是一致的，并且只包括單個(gè)擠壓中成形的銅。
參見圖3B,外殼152提供對(duì)燃料處理器15的內(nèi)部構(gòu)件，例如燃燒器30和重整器32的機(jī)械保護(hù)。外殼152還提供與處理器15的外部環(huán)境的隔離，并且包括用于與燃料處理器15氣體和液體流通的入口和出口。外殼152包括一組外殼壁，其至少部分地包含杜瓦瓶150, 并為燃料處理器15中的構(gòu)件提供外部的機(jī)械保護(hù)。壁可包括合適的堅(jiān)硬材料，例如金屬或剛性聚合物。通過a)允許在進(jìn)入燃燒器30之前預(yù)加熱進(jìn)入的空氣，b)在熱量達(dá)到外殼152的外部之前，將燃燒器 32產(chǎn)生的熱量消散到進(jìn)入的空氣中，杜瓦瓶150改善了燃料處理器 15的熱管理。
在重整器32接收甲醇之前，蒸發(fā)器34加熱甲醇。蒸發(fā)器34通過互連器200上的燃料源入口 81接收甲醇(圖5A),互連器200聯(lián)接在曱醇供給線27上(圖1C)。因?yàn)橥ㄟ^重整器32中的催化劑102進(jìn) 行的甲醇重整和氫氣生產(chǎn)時(shí)常需要升高的曱醇溫度，所以在重整器32 通過蒸發(fā)器34接收到甲醇之前，燃料處理器15預(yù)加熱甲醇。蒸發(fā) 器34設(shè)置在燃燒器30附近，以接收燃燒器30中所產(chǎn)生的熱量。熱量通過傳導(dǎo)穿過單片結(jié)構(gòu)，從燃燒器30傳遞到蒸發(fā)器34中，并通過對(duì)流從蒸發(fā)器34的壁傳遞到穿過壁的甲醇中。在一個(gè)實(shí)施例中，蒸發(fā)器34配置成用于使液態(tài)甲烷蒸發(fā)。然后蒸發(fā)器34將氣態(tài)甲醇傳遞到重整器32中，以便與催化劑102發(fā)生氣態(tài)相互作用。重整器32配置成用于從蒸發(fā)器34中接收甲醇。單片結(jié)構(gòu)100 中的壁111和端板182和184上的端壁113限定了用于重整器室103 的尺寸。在一個(gè)實(shí)施例中，端板182和/或端板184包括通道，其將從蒸發(fā)器34排出的被加熱的曱醇引導(dǎo)到重整器32中。在一個(gè)實(shí)施例中，重整器包括多通道排列。重整器32包括三個(gè) 順序地處理甲醇的多通道部分腔室部分32a，腔室部分32b，和腔室部分32c。這樣重整器室103包括所有三個(gè)部分32a-c的體積。各部分橫貫單片結(jié)構(gòu)100的長度；并且彼此串聯(lián)相通使得部分32a-c形成一個(gè)用于氣體流動(dòng)的連續(xù)路徑。更具體地說，；波加熱的氣態(tài)曱醇從蒸發(fā)器34a)于單片結(jié)構(gòu)100的入口端進(jìn)入重整器腔室部分32a中，并流向部分32a中的催化劑102上的另一端，b)然后于單片結(jié)構(gòu)100 的第二端流入腔室部分32b中，并流向部分32b中的催化劑102上的入口端，和c)于單片結(jié)構(gòu)100的一端流入腔室部分32c中，并流向腔室部分32c中的催化劑102上的另一端。重整器32包括促進(jìn)氬氣產(chǎn)生的催化劑102。催化劑102與甲醇起反應(yīng)，并產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑102包括壓縮的丸粒，其形成多孔床，或合適地填充到重整器腔室103的體積中。大約50微米至大約1.5毫米的丸粒直徑適合于許多應(yīng)用。
大約500微米至大約1毫米的丸粒直徑適合于供重整器32使用。丸粒尺寸可相對(duì)于重整器部分32a-c的橫截面尺寸而變化，例如，隨著重整器部分的尺寸增加，而增加催化劑102的丸粒直徑。丸粒尺寸和填密還可變化，以控制重整器腔室103中所產(chǎn)生的壓力降。在一個(gè)實(shí)施例中，在重整器腔室103的入口和出口之間大約0.2至大約2 psi 的壓力降是合適的。當(dāng)甲醇用作烴類燃料源17時(shí)，一個(gè)合適的催化劑102可包括涂覆在氧化鋁丸粒上的CuZn。其它適合于催化劑102 的材料包括例如鉑、釔、鈾/鈀混合物、鎳，以及其它貴金屬催化劑。催化劑102丸粒是商業(yè)上可從本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的許多廠商得到的。催化劑102還可包括上面列出的涂覆在金屬海綿或金屬泡沫之上的催化劑材料。洗鍍到重整器腔室103的壁上的所需金屬催化劑材料涂層也可用于重整器32。重整器32配置成用于輸出氫氣，并包括出口 209，其成形于重整器32中的氫氣，傳遞到燃料處理器15的外面。出口 209設(shè)置在端板184的壁上，并包括穿過壁的孔。出口 209通向互連器200中的氫氣導(dǎo)管204a,其則形成了氫氣供應(yīng)線39的一部分(圖1C)。供應(yīng) 線39將氫氣傳遞到燃料電池20的陽極中，用于產(chǎn)生電能。重整器32中的氫氣生產(chǎn)是輕微吸熱的，并且從燃燒器30中吸取熱量。燃燒器30產(chǎn)生熱量，并且配置成用于為重整器32提供熱量。如圖3B中所示，燃燒器30包括四個(gè)圍繞重整器32的燃燒器腔室105a-d。在一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器30使用電阻和電能來產(chǎn)生熱量。在所示的實(shí)施例中，燃燒器30采用催化燃燒來產(chǎn)生熱量。此處所使用的術(shù)語"燃燒器，，指使用催化加熱過程來產(chǎn)生熱量的加熱器。本發(fā)明的燃料處理器中的加熱器或者可采用例如電加熱。設(shè)置在各個(gè)燃燒器腔室105中的催化劑104幫助燃燒器燃料穿過腔室而產(chǎn)生熱量。燃燒器30包括入口，其通過其中一個(gè)端板182或184中的通道而從蒸發(fā)器108中接收曱醇17。在一個(gè)實(shí)施例中，甲醇在燃燒器 30中產(chǎn)生熱量，并且催化劑104促進(jìn)甲醇產(chǎn)生熱量。在另一實(shí)施例
中，燃料電池20中的廢棄的氫氣在催化劑104的存在下產(chǎn)生熱量。
合適的燃燒器催化劑104可包括例如涂覆在氧化鋁丸粒上的鉑或鈀。其它適合于催化劑104的材料包括鐵、二氧化錫、其它貴金屬催化劑，可還原的氧化物，和其混合物。催化劑104是商業(yè)上可從本領(lǐng) 域中的技術(shù)人員已知的許多廠商得到的小丸粒?？商钛b到燃燒器腔室105中的丸?？尚纬啥嗫状玻蚝线m地填充到燃燒器腔室的體積中。催化劑104丸粒尺寸可相對(duì)于燃燒器腔室105的橫截面尺寸進(jìn) 行變化。催化劑104還可包括上面列出的涂覆在金屬海綿或金屬泡沫之上或洗鍍在燃燒器腔室105的壁之上的催化劑材料。
一些燃料源在燃燒器30中產(chǎn)生額外的熱量，或在高溫下更有效率地產(chǎn)生熱量。燃料處理器15包括蒸發(fā)器108,其在燃燒器30接收燃料源之前加熱曱醇。在這種情況下，蒸發(fā)器108通過燃料源入口 85 接收曱醇。蒸發(fā)器108設(shè)置在燃燒器30附近，以接收燃燒器30中所產(chǎn)生的熱量。熱量通過傳導(dǎo)穿過單片結(jié)構(gòu)，從燃燒器30傳遞到蒸發(fā)器108中，并通過對(duì)流從蒸發(fā)器108的壁傳遞到穿過壁的曱醇中。
包括氧氣的空氣通過進(jìn)氣口 91而進(jìn)入燃料處理器15中。燃燒器30使用氧氣，用于甲醇的催化燃燒。燃料處理器15中的燃燒器30 產(chǎn)生熱量，并通常在高溫下操作。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料處理器15 包括改善燃料處理器15的熱管理的杜瓦瓶150。杜瓦瓶150至少部分地與外殼152的內(nèi)部構(gòu)件(例如燃燒器30)熱隔離開，并包含燃料處理器15中的熱量。杜瓦瓶150配置成使得穿過杜瓦瓶腔室156的空氣接收燃燒器30中所產(chǎn)生的熱量。因而杜瓦瓶150為燃料處理器15 提供了兩個(gè)功能a)其允許在熱量達(dá)到燃料處理器的外面部分之前主動(dòng)冷卻燃料處理器15中的構(gòu)件，和b)其預(yù)加熱流向燃燒器30的空氣。在穿過杜瓦瓶的孔和沿著杜瓦瓶150的內(nèi)部流動(dòng)之前，空氣首先沿著杜瓦并瓦150的外面流動(dòng)。這在燃燒器30的進(jìn)氣口 93接收到空氣之前加熱了空氣。
在一個(gè)實(shí)施例中，組件10使陽極排氣從燃料電池20返回到燃
料處理器中。如圖1C中所示，管線38使未使用的氬氣從燃料電池20 傳送到燃燒器入口 109，其將陽極排氣提供給燃燒器30(或再生器36，之后傳送到燃燒器入口 109和燃燒器30中)。燃燒器30包括熱催化劑，其與未使用的氫氣起反應(yīng)而產(chǎn)生熱量。因?yàn)闅錃庠谌剂想姵?0 中的消耗時(shí)常不完全，并且陽極排氣時(shí)常包括未使用的氫氣，所以陽極排氣重新傳送到燃燒器30中將允許燃料電池系統(tǒng)10在燃料電池20中采用未使用的氫氣，并提高氫氣的使用率和效率。組件10 因而提供了在催化燃燒器30中使用不同燃料的適應(yīng)性。例如，如果燃料電池20可以可靠且有效地消耗陽極流中90。/。以上的氫氣，那么可能沒有充足的氫氣來維持重整器和蒸發(fā)器在燃料處理器15中的操作溫度。在這種情況下，增加甲醇供應(yīng)，以產(chǎn)生額外的熱量來維持重整器和蒸發(fā)器的溫度。燃燒器入口 109橫貫單片結(jié)構(gòu)100,并且在供應(yīng)到燃燒器30中之前，攜帶來自燃料電池20的陽極排氣。與燃燒器腔室105相鄰設(shè) 置的燃燒器入口 109還加熱了進(jìn)入的陽極排氣，其減少傳遞到燃燒器腔室105中的陽極排氣中的熱量。在另一實(shí)施例中，組件10使加熱介質(zhì)從燃料處理器15傳送到燃料電池20中，以便為燃料電池20提供熱量。在這種情況下，組件10包括配置成用于將加熱介質(zhì)從燃料處理器15輸送到燃料電池20 中的管道。此處所使用的術(shù)語"管道，，可包括任何將氣體或液體從一個(gè)位置傳送到第二位置的管子、導(dǎo)管和/或通道。管道還可包括一個(gè)或多個(gè)促進(jìn)和控制流動(dòng)的閥、閘門或其它裝置。以下將參照互連器200進(jìn)一步詳細(xì)描述在燃燒器30和燃料電池20之間的管道。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，管線35將被加熱的氣體輸送到風(fēng)扇37 中，其使燃料電池20中^皮加熱的氣體移動(dòng)，并穿過燃料電池疊組和熱傳遞附件(圖1C)。或者，管道可配置成將加熱介質(zhì)從燃燒器30輸送到一個(gè)或多個(gè)熱傳遞附件中。在這種情況下，管線35可連續(xù)穿過燃料電池外殼，并在一個(gè)或多個(gè)熱傳遞附件附近形成開口。燃料電池外殼中的孔因而允許管線35通過或連接在將氣體傳送到燃料電池內(nèi)部管道中的端口上，以便將氣體傳送到燃料電池疊組和熱傳遞附件上。對(duì)于燃料電池20中的催化發(fā)熱，管道還可輸送加熱介質(zhì)，以促進(jìn)與催化劑的氣態(tài)相互作用，例如管道輸送到一個(gè)或多個(gè)隔壁上。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱介質(zhì)包括從燃燒器30中排出的—皮加熱的氣體。催化的燃燒器或電阻燃燒器在高溫下操作。當(dāng)氣體離開燃料處理器時(shí)，從電阻燃燒器排出的冷卻空氣或從催化的燃燒器中排出的氣體產(chǎn)物時(shí)常大于大約100攝氏度。對(duì)于許多催化的燃燒器，當(dāng)加熱介質(zhì)離開燃料處理器時(shí)，根據(jù)所采用的燃料源，加熱介質(zhì)通常大于大約200攝氏度。這些被加熱的氣體輸送到燃料電池中，用于燃料電池中的對(duì)流熱傳遞，例如在一個(gè)或多個(gè)熱傳遞附件46上傳遞被加熱的氣體，以便將熱量從較溫暖的氣體對(duì)流熱傳遞到4支冷卻的熱傳遞附件上。在另一實(shí)施例中，燃燒器30是催化的燃燒器，并且加熱介質(zhì)包括燃料源。在燃燒器30中的催化燃燒時(shí)常是不完全的，并且燃燒器排氣包括未使用的氣態(tài)甲醇。這樣燃料電池20包括熱的催化劑，其在甲醇存在的條件下，促進(jìn)了燃料電池中的熱量的產(chǎn)生。燃料源通常在到達(dá)燃燒器之前蒸發(fā)以促進(jìn)催化燃燒。在這種情況下，導(dǎo)管35 將氣態(tài)未使用的甲醇輸送到燃料電池20中的熱的催化劑中。幾個(gè)用于將熱量傳遞到熱傳遞附件46中的合適的熱催化劑裝置將在下面進(jìn) 行描述(圖2A)。合適的甲醇催化劑，例如涂覆在氧化鋁丸粒上的鉑或鈀，也在上面參照燃燒器30中的催化劑104描述過。在一個(gè)實(shí)施例中，在燃料電池開始產(chǎn)生電能之前的啟動(dòng)周期期間，例如響應(yīng)于電能請(qǐng)求時(shí)，將加熱介質(zhì)輸送到燃料電池中。通過這種方式加熱燃料電池可允許燃料電池構(gòu)件的操作溫度盡快地達(dá) 到，并加速開始接通燃料電池20時(shí)所需要的預(yù)熱時(shí)間。在另一實(shí)施例中，在燃料電池不產(chǎn)生電能并且構(gòu)件冷卻的停用周期期間，加熱介質(zhì)從燃料處理器輸送到燃料電池中。因?yàn)樵S多燃料電池需要用于
操作的高溫，并且電能產(chǎn)生過程是放熱的，所以燃料電池在電能產(chǎn) 生期間通常不需要外部加熱。然而，當(dāng)電能產(chǎn)生中止一段延長的時(shí) 間，并且構(gòu)件下降到閾值操作溫度以下時(shí)，那么可將加熱介質(zhì)從燃料處理器輸送出來，以便重新獲得操作溫度，并繼續(xù)電能的產(chǎn)生。這允許當(dāng)燃料電池不產(chǎn)生電能時(shí)，保持燃料電池中的操作溫度。
雖然本發(fā)明將主要參照?qǐng)D3A和3B中所顯示的重整器和燃燒器
進(jìn)行描述，但是可以預(yù)期燃料電池組件可包括其它燃料處理器設(shè)計(jì)。許多架構(gòu)采用設(shè)置在平面燃燒器上面或下面的平面重整器?？墒褂?通常這種疊組平面構(gòu)造中所采用的硅制造的微型通道設(shè)計(jì)?？墒褂?其它燃料處理器，其處理不同于甲醇的燃料源。上面列出了不同于曱醇的燃料源，并且出于簡潔的目的，在這里并不詳細(xì)描述用于這
些燃料的處理器。在共同擁有的共同未決的專利申請(qǐng)No.10,877,044 中，包含了對(duì)適合于供本發(fā)明使用的平面燃料處理器的進(jìn)一步描述。
互連器
一個(gè)用于將燃料電池和燃料處理器組合在公用組件中的實(shí)施例采用了燃料電池系統(tǒng)互連器。這種互連器至少部分地設(shè)置在燃料電池和燃料處理器之間，并在這兩者之間形成了一種結(jié)構(gòu)化的和管道
化的中介物體。
將燃料電池和燃料處理器組合在公用組件中將導(dǎo)致許多可能的障礙，例如管道連接性、空間和操作溫度差異。這里所述的本發(fā)明的互連器克服了許多這些障礙，以便獲得減少尺寸和形態(tài)因素的燃料電池組件。
圖5A顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的用于燃料電池組件的互連器200的透視圖。圖3A顯示了當(dāng)裝配在組件中時(shí)相對(duì)于燃料處理器15定位的互連器200。圖5B顯示了聯(lián)^接在燃料電池20的頂板 64a上的互連器200。圖5C顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的頂板64a的下側(cè)。圖5D顯示了互連器200內(nèi)部的管道。圖5E顯示了
互連器200的頂視圖和唯一地標(biāo)識(shí)互連器200的端口 208的排列。最初參見圖5A，互連器200包括許多側(cè)面201和合適的剛性材料，例如金屬。側(cè)面201a與燃料處理器15對(duì)接；頂側(cè)面201b與燃料電池20對(duì)接。側(cè)面201c用于通向燃料處理器的入口管道。各側(cè)面 201通常指互連器200的外表面，不需要是完全平的，并且包括一個(gè) 或多個(gè)表面。各側(cè)面201的確可包括凹入的或增高的特征，如圖所示。不同的用于互連器200的側(cè)面和表面配置是可行且可設(shè)想的?；ミB器200可包括一個(gè)或多個(gè)材料。在一個(gè)實(shí)施例中，互連器200 由合適的剛性材料構(gòu)造而成，其為燃料電池組件增加了結(jié)構(gòu)完整性，并提供了在燃料電池和燃料處理器之間的剛性連接。許多金屬適合于供互連器200使用。在一個(gè)實(shí)施例中，互連器200包括單件制造材料。在這種情況下，金屬和高溫塑料適合使用。在一個(gè)特定實(shí)施例中，互連器200由單塊鋼或鋁機(jī)械加工而成。根據(jù)燃料電池組件的熱設(shè)計(jì)，用于互連器200的材料可以是或不是熱傳導(dǎo)的。互連器200包括用于在燃料電池和燃料處理器之間傳送許多氣體和液體的管道。對(duì)于圖1C中的燃料電池系統(tǒng)10,由互連器200服務(wù)的管道包括l)從燃料處理器至燃料電池的氫氣管線39; 2)將未使用的氫氣從燃料電池返回到燃料處理器的管線38; 3)從燃料電池至燃料處理器的氧氣管線33;以及4)從燃料處理器移動(dòng)到燃料電池的重整器或燃燒器排氣管線37。其它氣體或液體在燃料電池和燃料處理器之間，在任一方向上的傳輸，可由互連器200提供。在一個(gè)實(shí) 施例中，互連器200內(nèi)部并入了所有用于其傳輸?shù)臍怏w和液體的管道，以便最大程度地減小暴露的管道和組件尺寸?；ミB器200包括一組用于在燃料電池20和燃料處理器15之間傳送流體和氣體的導(dǎo)管204。此處所使用的術(shù)語"導(dǎo)管，，指通道、管道、傳送口、管子，或允許在兩個(gè)位置之間傳送氣體或流體的相似物。對(duì)于互連器200，各導(dǎo)管204包括位于互連器200中的通道206(圖 5A和5D)和位于通道206各端的端口 208(或孔)。例如，一個(gè)導(dǎo)管204a
可包括端口 208d,其從互連器200的一個(gè)側(cè)面201a上的燃料處理器中接收氫氣，并傳送氫氣-穿過互連器200-并進(jìn)入燃料電池側(cè)面201b 上的端口 208a中。各端口 208促進(jìn)了與互連器200的連接性。當(dāng)裝配時(shí)，各端口 208與燃料電池或燃料處理器的管道對(duì)接，或與它們之間的管道化的中介物對(duì)接。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池20和燃料處理器15包括固定管道，以便與互連器200對(duì)接。管道在互連器200的端口 208和燃料電池20 或燃料處理器15的功能部分(例如燃料電池的氫氣燃料入口)之間傳遞液體或氣體。圖5C顯示了設(shè)置在燃料電池20的頂板64的內(nèi)表面上的固定的管道化的通道84,86，88和90。通道84,86,88和90在互連器200和燃料電池疊組60中的歧管之間傳送氣體。例如，頂板64 上的固定通道84將氫氣從互連器200傳送到疊組60的氫氣歧管中，其然后將氫氣傳遞到各雙極板的氣體分布通道中。
燃料電池20和燃料處理器15還包括與互連端口 208緊密配合，以促進(jìn)對(duì)接和產(chǎn)物或反應(yīng)物輸送的連接器或端口。圖5C顯示了位于燃料電池20的頂板64上的配合端口 211。圖3A顯示了位于燃料處理器15的端板184上的配合端口 209。墊片可設(shè)置在端板184和互連器200之間，以改善密封。類似地，墊片可設(shè)置在頂板64和互連器200之間。雖然燃料處理器15和燃料電池20顯示為帶有與互連器200對(duì)接的分開的板，但是，可與互連器200對(duì)接的其它裝置也適合于供本發(fā)明使用。例如，雖然互連器200與燃料電池20的一側(cè) 對(duì)接，并且與燃料處理器15的另一側(cè)對(duì)接，但是本發(fā)明并不局限于這種簡單的幾何關(guān)系?；蛘?，燃料電池20或燃料處理器15與互連器200的兩個(gè)或更多個(gè)側(cè)面互相作用。
現(xiàn)在參考特定氣體的輸送，互連器200將氫氣從燃料處理器15 傳送到燃料電池20中。之后互連器200中的氫氣導(dǎo)管204a形成了氫氣供應(yīng)線39的一部分(圖1C)。對(duì)于燃料處理器15和燃#+電池20, 氫氣導(dǎo)管204a從包含在燃料處理器15中的氫氣通道209中接收氫氣 (圖3A),并將氫氣輸出到包含在燃料電池20中的氫氣通道92中(圖5B和5C)。管線39因而包括(按照氫氣輸送的順序)燃料處理器15 中的重整器出口孔通道209，互連器200中的導(dǎo)管204a，和燃料電池 20中的通道92。氬氣導(dǎo)管204a包括通道206a和兩個(gè)端口 208a和 208d(圖5A)。通道206a穿過互連器200的材料，從表面201a延伸至表面201b。圖5D顯示了通道206a的內(nèi)部尺寸。氬氣端口 208d與來自燃料處理器15的氫氣輸出信道209對(duì)接。墊片的一部分密封了端口 208d和通道209。氫氣端口 208a通過包含在頂板64底面上的端口 211a而與用于燃料電池20的氫氣通道92對(duì)接(圖5C)。
互連器200還將未使用的氫氣和陽極排氣從燃料電池20傳送回燃料處理器15的燃燒器中。之后，互連器200中的氫氣導(dǎo)管204c形成了氫氣返回線38的一部分(圖1C)。氫氣導(dǎo)管204c從包含在頂板64 中的通道86中接收未使用的氫氣(圖5B和5C),并將陽極排氣輸出到燃料處理器的燃燒器入口 109中。管線38因而包括(按照輸送的順序)燃料電池20中的陽極出口孔通道209，互連器200中的導(dǎo)管 204c,和燃料處理器15中的入口 109。導(dǎo)管204c包括通道206c和兩個(gè)端口 208c和208b(圖5A)。通道206c穿過互連器200的材^K 從表面201b延伸至表面201a。圖5D顯示了通道206c的內(nèi)部尺寸。端口 208b與燃料處理器15中的陽極排氣進(jìn)口通道109對(duì)接。墊片的一部分密封了端口 208d和通道109。端口 208c通過包含在頂板64 底面上的端口 211c而與燃料電池20的陽極排氣通道86對(duì)接(圖5C)。
互連器200將被加熱的氧氣和陰極排氣從燃料電池20傳送到燃料處理器15的燃燒器中。被加熱的氧氣用于燃燒器中的催化燃燒，并提高組件的熱效率。這樣互連器200中的氧氣導(dǎo)管204b形成了氧氣管線33的一部分(圖1C)。氧氣導(dǎo)管204b從包含在頂板64中的通道90中接收被加熱的氧氣和空氣(圖5B和5C)，并將被加熱的氧氣輸出到燃料處理器的燃燒器入口中。管線33因而包括(按照輸送的順序)燃料電池20中的陰纟及出口孔通道90,互連器200中的導(dǎo)管204b，
和燃料處理器15中的燃燒器的入口。導(dǎo)管204b包括通道206b和兩個(gè)端口 208e和208f(圖5A)。通道206b穿過互連器200的材料，從表面201b延伸至表面201a。圖5D顯示了通道206b的內(nèi)部尺寸。端口 208f與燃料處理器15中的燃燒器入口對(duì)^接。端口 208e通過包含在頂板64底面上的端口 211b而與燃料電池20的陰極排氣通道90 對(duì)接(圖5C)。互連器200還將燃燒器排氣從燃料處理器15傳送到燃料電池20 的熱傳遞附件中。燃燒器排氣與設(shè)置在燃料電池附近的催化劑起反應(yīng)，以便加熱燃料電池和加速燃料電池的啟動(dòng)。這樣互連器200中燃燒器排氣導(dǎo)管204d形成了排氣管線35的一部分(圖1C)。導(dǎo)管204d 從燃料處理器的燃燒器出口中接收燃燒器排氣，并將燃燒器排氣輸出到燃料電池的加熱區(qū)域262中(圖2B)。管線35因而包括(按照輸送的順序)燃料處理器15中的燃燒器出口，互連器200中的導(dǎo)管204d, 和燃料電池20中的加熱區(qū)域262。導(dǎo)管204d包括通道206d和兩個(gè) 端口 208g和208h(圖5A)。通道206d穿過互連器200的材料，從表面201a延伸至面向燃料電池主體的表面。圖5D顯示了通道206d的內(nèi)部尺寸。端口 208g與燃料處理器15中的燃燒器出口對(duì)接。墊片的一部分密封了端口 208g和燃燒器出口。端口 208h通向燃料電池20 中的區(qū)域262。互連器200還負(fù)責(zé)將燃料源輸送到燃料處理器15中。重整器燃料源入口 81從燃料源供給(泵21b和上游存儲(chǔ)裝置16,見圖1C)中接收曱醇，并包括互連器200內(nèi)部的導(dǎo)管206e，其將曱醇輸送到燃料處理器的蒸發(fā)器中，其在輸送到重整器之前加熱甲醇。燃燒器燃料源入口 204f從第二燃料源供給(第二泵21a和上游存儲(chǔ)裝置16)中才矣收甲醇，并包括互連器200內(nèi)部的導(dǎo)管206f,其將曱醇輸送到燃料處理器的蒸發(fā)器中，其在曱醇輸送到催化燃燒器之前加熱曱醇。總地說來，互連器200可包括用于在燃料電池和燃料處理器之間傳送流體和氣體的任何合適數(shù)量的導(dǎo)管。大約1至大約8個(gè)導(dǎo)管
適合于許多微型燃料電池系統(tǒng)和組件。各導(dǎo)管可專用于特殊的氣體或流體。專用的導(dǎo)管可負(fù)責(zé)用于燃料處理器或燃料電池的氧氣，氫氣，燃燒器或重整器排氣，甲醇或另一燃料源，空氣，或任何其它反應(yīng)物或處理氣體或液體。應(yīng)該懂得，這些物質(zhì)中的一些物質(zhì)可在任一方向(或兩個(gè)方向)上，在燃料電池和燃料處理器之間移動(dòng)。總地說來，導(dǎo)管204可在燃料電池或燃料處理器的任何部分之間傳送氣體或液體。例如，導(dǎo)管可從燃料電池或燃料處理器中的專用歧管中接收氣體。或者，導(dǎo)管可將氣體傳遞到燃料電池的區(qū)域中，例如包括一個(gè)或多個(gè)熱傳遞附件的體積中。導(dǎo)管204可根據(jù)設(shè)計(jì)需求而改變配置。在一個(gè)實(shí)施例中，互連器和其導(dǎo)管204設(shè)計(jì)和配置成用于減少集成的燃料電池組件的體積。在另一實(shí)施例中，導(dǎo)管204 設(shè)計(jì)和配置成用于與燃料電池和燃料處理器的現(xiàn)存的流體通道和導(dǎo)管對(duì)準(zhǔn)。在互連器200和燃料電池20之間，或在互連器200和燃料處理器15之間還可采用墊片來對(duì)接。例如，在組裝期間可將墊片設(shè)置在燃料處理器15的端板184和互連器200之間。以下還將討論位于互連器200和燃料電池20之間的墊片260。將燃料電池和燃料處理器組合在一種公用和緊湊的組件中所產(chǎn) 生的一個(gè)問題是這兩者之間的操作溫度差異。根據(jù)特定的燃料電池、處理器和其相應(yīng)的催化劑，可顯著地改變緊湊組件中的這兩個(gè)結(jié)構(gòu) 之間的溫度差異。例如，一個(gè)合適的燃料處理器15在25CTC以上操作，而燃料電池M通常在大約1卯。C(或以下)溫度操作。將這兩個(gè)物體放置在附近將導(dǎo)致可能的熱傳遞，并且如果不能控制熱傳遞，將導(dǎo)致燃料處理器的熱效率損失。互連器200設(shè)計(jì)成可減少燃料處理器和燃料電池之間的熱傳遞。在一個(gè)實(shí)施例中，互連器用作燃料電池和燃料處理器之間熱傳遞的隔離物，并包括低熱傳導(dǎo)率的材料。在另一實(shí)施例中，互連器包含與燃料電池和/或燃料處理器接觸的最少量的材料，其最大程度地減
小了這兩個(gè)構(gòu)件之間通過互連器的熱傳導(dǎo)。這減少了對(duì)互連器200 的材料限制。
圖5F顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在端口 208周圍的互連器 200和頂板64之間接觸的^:大的側(cè)視圖。如圖所示，互連器200在其中一個(gè)其側(cè)面201和板64的底面之間維持一個(gè)或多個(gè)間隙240。間隙240可為空的或填充有隔離物(圖6)?？諝忾g隙240各用作低熱容量材料層和低熱傳導(dǎo)率的隔離物，以便最大程度地減小在互連器和燃料處理器或燃料電池之間的熱傳遞。
配合特征244和246減小了在各結(jié)構(gòu)的相向表面之間的表面區(qū) 域接觸。這進(jìn)一步減少了在燃料電池和互連器之間的熱傳導(dǎo)。
配合特征244包括各端口 208的增高部分252,其在互連器200 的側(cè)面201b的凹入表面254上延伸。圖5F顯示了位于頂板64的底面上的配合裝置246。凹入的表面254接收頂板64上的配合特征246 的遠(yuǎn)端245。配合特征244和246成形于表面區(qū)域中，使得當(dāng)互連器 200和頂板64聯(lián)接在一起時(shí)，在深度方向上進(jìn)行重疊。
凹入的表面254還接收墊片260，其促進(jìn)了互連器200和頂板64 之間的密封。墊片260包圍表面254上的各個(gè)端口 208。墊片260適合是可壓縮的，并當(dāng)組件已經(jīng)裝配時(shí)，可防止在互連器200和頂板64 之間的接觸。更具體地說，墊片260成形成可界定各端口 208的增高部分252的外部邊界，并且在其與凹入的表面254接觸之前，隔斷頂板64上的配合特征246的遠(yuǎn)端245。墊片260因而改善了在這兩個(gè)結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的通道之間的密封，并改善了燃料電池系統(tǒng)中的氣態(tài)流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，墊片260包括形狀符合凹入表面254 的輪廓的帶定制切口的墊片，或另一高溫，低熱傳導(dǎo)率的適應(yīng)性材料。低熱傳導(dǎo)率墊片260還降低了頂板64和互連器200之間的熱傳遞。
各端口 208的增高部分252還提供了改進(jìn)的墊片。更具體地i兌，增高部分252防止了墊片260(擱置在凹入表面254上)一皮^=齊壓到通道206或螺釘孔215中，否則，在不存在增高部分252的條件下，這種情形可能會(huì)在組裝期間發(fā)生。配合特征244和246還促進(jìn)了這兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)互連器200連接在頂板64上時(shí)，端口 208和孔211(和其配合特征244和 246)的形狀和空間設(shè)置一起提供了燃料電池20的互連器200和頂板 64之間的獨(dú)特結(jié)構(gòu)接口。圖5A顯示了一個(gè)典型的包括一連串圓形" 麥田怪圈"構(gòu)造。頂板64具有位于其底面上的相配構(gòu)造258。當(dāng)互連器200和頂板64聯(lián)接或連接在一起時(shí)，端口 208和螺釘孔211的形狀和空間排列確定性地使頂才反64相對(duì)于互連器200對(duì)準(zhǔn)和定位。這兩者的連接還提供了阻礙頂板64和互連器200之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)(三維尺寸上的平移和旋轉(zhuǎn))的力。其它空間排列和配置也是合適的且可設(shè)想到的。例如，可改變圓的數(shù)量、間距或區(qū)域排列。螺釘孔215允許在互連器200和頂板64之間的機(jī)械聯(lián)接。螺釘孔215還包括便于互連器200和燃料電池20之間對(duì)準(zhǔn)，并且添加到獨(dú)特的結(jié)構(gòu)接口上的增高的特征?；ミB器200具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。通常，燃料電池系統(tǒng)包括位于燃料電池和燃料處理器之間的極大量的管道。這種管道消耗大量空間。互連器200的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它通過消除許多管道和同燃料電池和燃料處理器相關(guān)聯(lián)的額外的導(dǎo)管，而減小了包含燃料處理器和燃料電池的單個(gè)組件的尺寸?；ミB器200還避免對(duì)影響制造的銅焊金屬管的需求。雖然本發(fā)明可包括一個(gè)或多個(gè)銅焊金屬管，但是減少互連器200的導(dǎo)管數(shù)量可降低制造的復(fù)雜性。雖然已經(jīng)參照分開地連接在燃料電池和燃料處理器上的分開的結(jié)構(gòu)來描述互連器200,但是應(yīng)該懂得，互連器可作為燃料電池的一整體部分，或作為燃料處理器的一整體部分而包括進(jìn)來。組件隔離物許多燃料電池和燃料處理器在高溫下操作。大約200攝氏度至
大約800攝氏度的燃燒器30的溫度是常見的。在電能產(chǎn)生期間，許多燃料電池20在高溫下操作。負(fù)責(zé)氫氣消耗和產(chǎn)生電能的電化學(xué)反應(yīng)通常需要高溫。MEA層62和其組成部分的起動(dòng)溫度通常大于150 攝氏度。燃料電池組件的周圍環(huán)境是較冷卻的，并且通常小于40攝氏度。從燃料電池或燃料處理器至周圍環(huán)境的熱損失降低了燃料電池組件的各裝置的效率。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的燃料電池組件包括隔離物，其減少了燃料電池或燃料處理器的熱損失。隔離物至少部分地設(shè)置在燃料電池和/或燃料處理器周圍，位于組件外殼的下面。隔離物減少了燃料電池和/或燃料處理器至組件外殼的熱傳遞，其降低了外殼的溫度。這則減少了至周圍環(huán)境的熱損失。因而，隔離物保持了組件中的熱量，并提高了用于構(gòu)件在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的設(shè)置在圖4C的燃料電池組件440的內(nèi)部構(gòu)件周圍和外殼下面的隔離物320的透碎見圖。圖4B 還顯示了設(shè)置在燃料電池20和燃料處理器15周圍的隔離物320。在這兩種情況下，已經(jīng)顯示隔離物320具有一些透明性，以便于顯示和描述。如圖所示，隔離物320至少部分地設(shè)置在燃料電池20的外部周圍，從而最大程度地減小燃料電池的熱損失。隔離物320還至少部分地設(shè)置在燃料處理器15周圍，以減少燃料處理器的熱損失。隔離物320可包括一個(gè)或多個(gè)低熱傳導(dǎo)率的材料層。隔離層可包繞在燃料電池20、燃料處理器15和/或燃料電池系統(tǒng)組件的周圍。隔離層的厚度和包繞在各構(gòu)件周圍的數(shù)量可根據(jù)設(shè)計(jì)而變化。增加厚度或纏繞數(shù)量將減少熱損失。在一個(gè)實(shí)施例中，隔離物選擇并配置成使得燃料電池組件440的表面保持所需的溫度。強(qiáng)加于消費(fèi)類電子裝置上的標(biāo)準(zhǔn)可能要求電子裝置例如帶線纜的燃料電池組件的表面溫度低于某個(gè)預(yù)定的水平，并且可將隔離物320設(shè)計(jì)成規(guī)則地滿足這個(gè)水平。一些消費(fèi)類電子裝置標(biāo)準(zhǔn)需要低于50。C的表面溫度。
大約1毫米至大約10毫米的厚度適合一些設(shè)計(jì)。在一個(gè)特定的實(shí)施
例中，隔離物320具有大約2毫米的厚度，并且圍繞燃料電池和燃料處理器包繞兩次。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，將一層材料設(shè)置在燃料電池上，位于歧管之間，而第二層包圍整個(gè)燃料電池。
隔離物320可包括商業(yè)上可得到的隔離膜。一個(gè)合適的商業(yè)上可得到的隔離材料包括由MA Marlborough的Aspen Systems,Inc公司提供的氣凝膠隔離物。可使用其它形式的隔離物。本領(lǐng)域中的技術(shù) 人員應(yīng)該懂得，商業(yè)上可得到的廣泛的各種隔離產(chǎn)品在這里用于獲得所需的溫度降。
在一個(gè)特定的實(shí)施例中，除了燃料電池系統(tǒng)組件周圍的隔離層以外，在燃料電池和處理器周圍還設(shè)置有隔離層。這種雙隔離設(shè)置進(jìn)一步保持燃料電池系統(tǒng)的生熱構(gòu)件中的熱量。
除了隔離物320以外，燃料電池組件還可包括一個(gè)或多個(gè)空氣間隙。這些間隙可設(shè)置在隔離物和組件之間，隔離物和燃津牛電池之間，或隔離物和燃料處理器之間。風(fēng)扇可使空氣移動(dòng)穿過這些間隙，以促進(jìn)散熱而使熱量離開外殼或組件的表面。
結(jié)論
雖然已經(jīng)根據(jù)幾個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是在本發(fā)明范圍內(nèi)可以有變型、改型和等效物，出于筒潔目的而省略了。例如，雖然本發(fā)明已經(jīng)描述了在燃料電池系統(tǒng)和組件上操作的系統(tǒng)和方法，但是所述的許多方法和技術(shù)組成了系統(tǒng)控制，并且將包括由執(zhí) 行存儲(chǔ)軟件中的指令的處理器施加的數(shù)字控制。雖然沒有詳細(xì)描述，但是，這種數(shù)字控制在機(jī)械系統(tǒng)上的實(shí)施是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員眾所周知的，并且本發(fā)明可因而涉及存儲(chǔ)在軟件中的指令，其能夠執(zhí) 行這里所述的方法。因此本發(fā)明的范圍應(yīng)該參照所附權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種用于提供電能的燃料電池組件，所述燃料電池組件包括配置成用于接收氫氣和氧氣并產(chǎn)生電能的燃料電池，其中，根據(jù)所述燃料電池組件的體積，所述燃料電池組件提供了大于大約30瓦/升的功率密度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其特征在于，所述組件提供了大于大約60瓦/升的功率密度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其特征在于，所述組件占用小于大約1升的體積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其特征在于，所述燃料電池產(chǎn)生了大于大約10瓦的功率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括燃料處理器，其包括重整器，其配置成用于接收燃料源，配置成用于輸出氫氣，并且包括促進(jìn)氬氣產(chǎn)生的催化劑；加熱器，其配置成用于產(chǎn)生傳遞到所述重整器中的熱量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括至少部分地設(shè)置在所述燃料電池和所述燃料處理器之間的互連器，所述互連器包括一組導(dǎo)管，各所述導(dǎo)管在所述燃料電池和所述燃料處理器之間傳送氣體或液體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷燃料電池和所述燃料處理器在所述組件中設(shè)置成共面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括至少部分地設(shè)置在所述燃料處理器和所述外殼之間的隔離物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括至少部分地設(shè)置在所述燃料電池和所述燃料處理器之間的隔離物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷組件還包括外殼，其至少部分地包含所迷燃料電池，并且限定了所述組件的體積。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括至少部分地設(shè)置在所述燃料電池和所述外殼之間的隔離物。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括位于所述燃料電池和所述外殼之間的空氣間隙。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池組件，其特征在于，在所述燃料電池產(chǎn)生電力的同時(shí)，所述外殼保持在大約25攝氏度以下，且高于周圍環(huán)境溫度。
14. 一種用于提供電能的燃料電池組件，所述燃料電池組件包括燃料處理器，其包括重整器，其配置成用于接收燃料源，配置成用于輸出氫氣> 并且包括促進(jìn)了從所述燃料源中產(chǎn)生氫氣的催化劑；加熱器，其配置成用于產(chǎn)生傳遞到所述重整器中的熱量；和配置成用于利用所述燃料處理器輸出的氫氣而產(chǎn)生電能的燃料電池，其中，所述燃料電池組件提供了大于大約30瓦/升的功率密度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷組件提供了大于大約60瓦/升的功率密度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池組件，其特征在于，還包到所述燃料處理器中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷組件占用小于大約1升的體積。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池組件，其特征在于，所述組件占用小于大約1/2升的體積。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池組件，其特征在于，所述組件產(chǎn)生大于大約10瓦的功率。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池組件，其特征在于，所述燃料源是甲醇。
21. —種用于提供電能的燃料電池組件，所述燃料電池組件包括燃料處理器，其包括重整器，其配置成用于接收燃料源，配置成用于輸出氬氣，并且包括促進(jìn)了從所迷燃料源中產(chǎn)生氫氣的催化劑；加熱器，其配置成用于產(chǎn)生傳遞到所述重整器中的熱量；配置成用于利用所述燃料處理器輸出的氫氣而產(chǎn)生電能的燃料電池；和至少部分地設(shè)置在所述燃料電池和所述燃料處理器之間的互連器，其包括一組各在所述燃料處理器和所述燃料電池之間傳送液體或氣體的導(dǎo)管。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，各所述導(dǎo)管從所述互連器一個(gè)表面經(jīng)過而到達(dá)所述互連器的另一表面。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷互連器包括氫氣導(dǎo)管，其從所述燃料處理器的氫氣通道中接收氫氣，并將氫氣輸出到所述燃料電池的氫氣通道中。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器包括氧氣導(dǎo)管，其從所述燃料電池的氧氣通道中接收氧氣，并將氧氣輸出到所述燃料處理器的氧氣通道中。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器包括加熱導(dǎo)管，其從所述燃料處理器中接收加熱介質(zhì)，并將加熱介質(zhì)輸出到所述燃料電池中。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器包括氫氣返回通道，其從所述燃料電池中接收未使用的氫氣，并將未使用的氫氣輸出到所述燃料處理器中。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器是在所述燃料電池組件組裝之前與所述燃料處理器和所述燃料電池分開的器件，并且在組裝之后連接在所述燃料處理器上，并連接在所述燃料電池上。
28. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所述燃料電池包括聯(lián)接在所述互連器上的板，所述板包括一組各自通向包含在所述互連器中的導(dǎo)管的通道。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所迷的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器包括在燃料電池組件已經(jīng)裝配之后與所述板相接觸的配合特征。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的燃料電池組件，其特征在于，相對(duì) 于在沒有所述配合特征時(shí)，所述互連器和所述燃料電池之間的表面區(qū)域接觸量而言，所述配合特征減少了在所述互連器和所述燃料電池之間的表面區(qū)域接觸。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括設(shè)置在所述互連器和所述板之間的墊片。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器上的配合特征包括防止將所述墊片擠壓到導(dǎo)管中的增高特征。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括位于所述互連器和所述板之間的間隙。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括位于所述間隙中的隔離物。
35. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷組件占用小于大約1升的體積。
36. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池組件，其特征在于，所述組件不包括任何在所述燃料處理器和所述燃料電池之間連通氣體或液體的管道。
37. —種用于提供電能的帶線纜的燃料電池組件，所述帶線纜的燃料電池組件包括提供了大于大約30瓦/升的功率密度的燃料電池組件，其包括配置成用于接收氫氣和氧氣并配置成用于產(chǎn)生電能的燃料電池；和能夠電聯(lián)接在電子裝置上，并配置成用于將所述燃料電池所產(chǎn) 生的電力傳送到所述電子裝置上的線纜。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括可再充電的蓄電池。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷可再充電的蓄電池配置成用于利用所述燃料電池產(chǎn)生的電能進(jìn)行再充電。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的燃料電池組件，其特征在于，所述燃料電池包括從燃料源中產(chǎn)生氫氣的燃料處理器。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的燃料電池組件，其特征在于，所述可再充電的蓄電池配置成用于為包含在所迷燃料處理器中的電加熱器供電。
42. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池組件，其特征在于，所述電子裝置包括處理器。
43. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池組件，其特征在于，所述線纜可分離地聯(lián)接在所述電子裝置上。
44. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池組件，其特征在于，還包括電適配器，其配置成用于將所述燃料電池輸出的電能轉(zhuǎn)換成不同的電平，以便在線纜上輸出。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的燃料電池組件，其特征在于，所述電適配器將由所述燃料電池電壓輸出的直流電壓轉(zhuǎn)化成應(yīng)用所需要的直流電壓，并且所述電適配器包括大于大約95%的電轉(zhuǎn)換效率。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的燃料電池組件，其特征在于，所迷電適配器可^妄通和關(guān)閉。
47. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池組件，其特征在于，所述組件占用了小于大約1升的體積。
48. —種用于燃料電池組件的互連器，所述燃料電池組件包括燃料處理器和燃料電池，所述燃料電池配置成用于利用所述燃料處理器輸出的氫氣而產(chǎn)生電能，所述互連器至少部分地設(shè)置在所述燃料電池和所述燃料處理器之間，并且包括一組各自在所述燃料處理器和所述燃料電池之間傳送液體或氣體的導(dǎo)管，其中，所述這組導(dǎo) 管包括氳氣導(dǎo)管，其從所述燃料處理器的氫氣通道中接收氫氣，并將氫氣輸出到所述燃料電池的氫氣通道中。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的燃料電池組件，其特征在于，各所述導(dǎo)管從所述互連器一個(gè)表面經(jīng)過而到達(dá)所述互連器的另一表面。
50. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器包括氧氣導(dǎo)管，其從所述燃料電池的氧氣通道中接收氧氣，并將氧氣輸出到所述燃料處理器的氧氣通道中。
51. 根振權(quán)利要求48所迷的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器包括加熱導(dǎo)管，其從所述燃料處理器中接收加熱介質(zhì)，并將所述加熱介質(zhì)輸出到所述燃料電池中。
52. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器包括氬氣返回通道，其從所迷燃料電池中接收未使用的氫氣，并將未使用的氫氣輸出到所述燃料處理器中。
53. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的燃料電池組件，其特征在于，所述互連器是在所述燃料電池組件組裝之前與所述燃料處理器和所述燃料電池分開的器件，并且在組裝之后連接在所述燃料處理器上，并連接在所述燃料電池上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種緊湊且便攜的燃料電池組件。該組件包括產(chǎn)生電能的燃料電池。一些組件還包括從燃料源中產(chǎn)生氫的燃料處理器。這里所述的燃料電池組件提供了目前仍未達(dá)到的功率密度(每單位體積或質(zhì)量的功率)的水平。一個(gè)組件采用了至少部分地設(shè)置在燃料電池和燃料處理器之間的互連器?；ミB器在這兩者之間形成了結(jié)構(gòu)化的和管道化的中介物?？紤]到這里所述的燃料電池組件的便攜尺寸，本發(fā)明很適合為便攜式電子裝置供電。一種便攜式燃料電池組件包括線纜，其允許可分離地電聯(lián)接在電子裝置上。
文檔編號(hào)H01M4/88GK101120479SQ200580048212
公開日2008年2月6日申請(qǐng)日期2005年12月13日優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者I·W·凱, J·E·布蘭特利, M·C·德倫齊申請(qǐng)人:超電池公司

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