專利名稱：燃料電池的燃料盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及燃料電池的燃料補(bǔ)給器，更具體地是涉及將燃料補(bǔ)給器中 襯套內(nèi)的壓力降低的燃料補(bǔ)給器。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將反應(yīng)劑，如燃料和氧化物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成直流(DC) 電的裝置。對(duì)于越來越多的應(yīng)用場合來說，燃料電池比常規(guī)的發(fā)電裝置如礦物 燃料的燃燒以及便攜式的電能存貯裝置如鋰離子電池具有更高的效率。一般來講，燃料電池技術(shù)中包括有多種不同類型的燃料電池，如堿性燃料 電池、聚合物電解型燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融型碳酸鹽燃料電池、固 體氧化物燃料電池以及酶燃料電池。現(xiàn)今更重要的燃料電池可大致劃分為幾種 類型，即(i)采用壓縮的氫(H2)作為燃料的燃料電池；(ii)質(zhì)子交換膜(PEM) 燃料電池，其釆用的是醇類如甲醇(CH30H)、金屬氫化物如硼氫化鈉(NaBH4)、 碳?xì)浠衔锘蛘呤瞧渌苤卣蓺淙剂系娜剂希?iii)能夠直接消耗非氫燃料的 PEM燃料電池或者是直接氧化燃料電池；以及(iv)能在很高的溫度下直接將 碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成電力的固體氧化物燃料電池(SOFC)。壓縮的氫通常處于高壓狀態(tài)，因此其搡作非常困難。此外，其通常需要很 大的貯備盒，因此對(duì)于消費(fèi)類電子設(shè)備而言無法做到足夠小。常規(guī)的重整型燃 料電池需要重整器以及其它的蒸發(fā)和輔助系統(tǒng)來將燃料重整成氫從而與燃料電 池中的氧化劑反應(yīng)。最新的進(jìn)展使重整器或重整型燃料電池很有希望用于消費(fèi) 類電子設(shè)備。最常用的直接氧化燃料電池是直接甲醇燃料電池或DMFC。其它的直接氧化燃料電池包括直接乙醇燃料電池和直接原碳酸四甲酯燃料電池。以 甲醇直接與氧化劑在燃料電池中進(jìn)行反應(yīng)的DMFC,是最簡單有可能最小的燃料電池，有望在消費(fèi)類電子設(shè)備中作為電源應(yīng)用。SOFC在高熱下轉(zhuǎn)換碳?xì)浠衔锶剂先缍⊥槎a(chǎn)生電力。SOFC需要在1000°C范圍內(nèi)的相對(duì)高溫來使燃料電池反應(yīng)發(fā)生。用于生成電力的化學(xué)反應(yīng)對(duì)每一類燃料電池來說都是不同的。對(duì)于DMFC 來說，每一個(gè)電極處的化學(xué)-電學(xué)反應(yīng)以及直接甲醇燃料電池的總反應(yīng)可描述如 下陽極的半反應(yīng)CH3OH + H20 ~> C02 + 61^ + 6e-陰極的半反應(yīng)1.502 + 6f + 6e- —3H20總?cè)剂想姵氐姆磻?yīng)CH3OH + 1.502 — C02 + 2H20由于氫離子(H+)穿過PEM從陽極遷移到陰極，并且由于自由電子(e" 不能穿過PEM，因此電子流過外部電路，從而通過外部電路產(chǎn)生電流。該外部 電路可用來給許多有用的消費(fèi)類電子設(shè)備提供電力，如移動(dòng)電話或蜂窩電話、 計(jì)算器、個(gè)人數(shù)字助理、膝上電腦以及動(dòng)力工具等。美國專利號(hào)5,992,008和5,945,231均對(duì)DMFC進(jìn)行了描述，這兩篇專利以 引用的方式全文并入這里。通常來講，PEM由聚合物制成，如DuPont公司的 Nafion⑧或者是其它合適的膜，前者是厚度在約0.05 mm到約0.5 mm之間的全 氟化磺酸聚合物。陽極通常由用聚四氟乙烯化的碳紙制成，其上支撐并沉積有 很薄的一層催化劑，如鉑-釕。陰極通常是氣體擴(kuò)散電極，其中有鉑顆粒粘接到 該膜的一側(cè)上。在另一種直接氧化燃料電池中，硼氫化物燃料電池(DBFC)的反應(yīng)如下 陽極的半反應(yīng)BH4- + 80H- ^ B02- + 6H20 + 8e-陰極的半反應(yīng)202 + 4H20 + 8e國^ 80在化學(xué)金屬氫化物燃料電池中，通常重新形成硼氫化鈉并反應(yīng)如下NaBH4 + 2H20 —(熱或催化劑)—4(H2) + (NaB02)陽極的半反應(yīng)H2 — 2Pf + 2e-陰極的半反應(yīng)2(2f^ + 2e-) + 02 — 2H20適合于該反應(yīng)的催化劑包括鉑和釘以及其它的金屬。硼氫化鈉轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生 的氫燃料在燃料電池中與氧化劑如02進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生電(或者是電子流)，副 產(chǎn)品水。該轉(zhuǎn)換過程中還會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品硼酸鈉(NaB02)。硼氫化鈉燃料電池在 美國專利號(hào)4,261,956中進(jìn)行了描述，其以引用的方式全文并入這里。燃料電池的一個(gè)重要的特征是燃料的儲(chǔ)存。當(dāng)液體燃料如甲醇儲(chǔ)存在燃料 補(bǔ)給器中或燃料補(bǔ)給器的燃料襯套中時(shí)，將在燃料補(bǔ)給器或燃料襯套中產(chǎn)生不 期望的壓力。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是涉及可連接到燃料電池上的燃料補(bǔ)給器，其包括外殼和儲(chǔ)存燃料 電池用的燃料的內(nèi)燃料容器。在燃料容器和外殼之間的空間可被氣體填充。該 氣體可為惰性氣體、空氣、氮、或二氧化碳，且該氣體也可以被加壓。燃料補(bǔ)給器可進(jìn)一步包括位于外殼上的止回閥，其用于調(diào)節(jié)外殼和燃料襯 套間的空間內(nèi)的壓力，或調(diào)節(jié)儲(chǔ)存在同一空間內(nèi)的氣體量?？擅芊庾≈够亻y以 限制氣體在儲(chǔ)存期間進(jìn)出外殼和燃料襯套之間的空間的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)燃料補(bǔ)給器 也可位于氣密性的外包裝內(nèi)。也可在內(nèi)燃料容器上設(shè)置止回閩或氣體可滲透而 液體不可滲透的膜以調(diào)節(jié)內(nèi)容器的內(nèi)部壓力。本發(fā)明還進(jìn)一步涉及控制燃料盒內(nèi)壓力的方法，以及對(duì)燃料脫氣以控制燃 料盒內(nèi)部壓力的方法。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃料盒的橫截面視圖；圖2是密封在外包裝中的燃料盒的橫截面視圖；圖3是具有填充有少于完全填滿時(shí)的量的預(yù)定量的燃料襯套的燃料盒的橫 截面視圖；圖4A是描述使用惰性氣體來除去燃料中溶解的氣體的方法的流程圖；圖 4B是描述重復(fù)使用惰性氣體和真空來除去燃料中溶解的氣體的方法的流程圖； 以及圖4C是描述使用內(nèi)嵌過濾裝置來除去燃料中溶解的氣體的方法的流程圖， 以及圖5是具有脫氣系統(tǒng)的燃料盒的示意圖。
具體實(shí)施方式
如附圖及下面內(nèi)容所詳細(xì)描述的那樣，本發(fā)明涉及燃料補(bǔ)給器，其存貯了 燃料電池的燃料如甲醇和水，甲醇/水的混合物，不同濃度的甲醇/水的混合 物，或純的甲醇。甲醇可用在許多類型的燃料電池中，如DMFC、酶燃料電池 以及重整型燃料電池等。燃料補(bǔ)給器可含有其它類型的燃料電池的燃料，如乙 醇或醇類，金屬氫化物如硼氫化鈉，其他的能夠重整成氫的化學(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)。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，并能儲(chǔ)存在燃料補(bǔ)給器 中。對(duì)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 to Provide Power to One or More Loads"
公開日為2003年4月24日的美國專利申 請(qǐng)公開號(hào)2003/0077493中有描述，其全文在這里以引用的方式并入。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產(chǎn)生燃 料電池反應(yīng)。并且，燃料還包括甲醇、硼氫化鈉、電解液以及其它化合物的調(diào) 和或混合物，例如在美國專利號(hào)6,554,877、 6,562,497和6,758,871中所描述的，這些專利文獻(xiàn)的全文在這里以引用的方式并入。燃料還包括在美國專利號(hào)6,773,470中描述的那些部分溶于溶劑及部分懸浮于溶劑中的燃料以及那些在 美國專利申請(qǐng)公開號(hào)2002/076602中描述的液體燃料和固體燃料。這些專利文 獻(xiàn)的全文在這里以引用的方式并入。燃料也包括氫。燃料還包括金屬氫化物，如上述討論的硼氫化鈉(NaBH4)和水，以及由 它們的反應(yīng)產(chǎn)生的低壓、低溫。燃料還包括碳?xì)浠衔锶剂?，其包括但不限? 在名稱為"Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device"，公開曰為2003年5月22 曰的美國專利申請(qǐng)公開號(hào)2003/0096150中所描述的丁烷、煤油、醇和天然氣， 該文獻(xiàn)在此以引用的方式全文并入。燃料還包括能與燃料進(jìn)行反應(yīng)的液體氧化 劑。因此，本發(fā)明并不限于包含在補(bǔ)給器中或其它燃料電池系統(tǒng)中使用的某一 類型的燃料、電解質(zhì)溶液、氧化劑溶液或者液體或固體。這里所用的術(shù)語"燃 料"包括所有的能用于燃料電池中或燃料補(bǔ)給器中進(jìn)行反應(yīng)的燃料，并且其包 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、氣體、液體、固 體和/或化學(xué)物質(zhì)以及它們的混合物。這里所用的術(shù)語"燃料補(bǔ)給器"包括但不限于可拋棄式盒、可再填充/重 復(fù)使用的盒、容器、可置于電子設(shè)備內(nèi)部的盒、可移除的盒、置于電子設(shè)備外 部的盒、燃料簡(tanks )、燃料補(bǔ)充筒、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。盡管以下對(duì)盒的描述是結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行的，但需要注意的是這些實(shí)施例也可用于其它的燃料補(bǔ)給器，并且本發(fā)明并不限于 某一特定類型的燃料補(bǔ)給器。本發(fā)明的燃料補(bǔ)給器也可用作存儲(chǔ)不在燃料電池使用的燃料。這些應(yīng)用包 括但不限于，為在硅片上構(gòu)建的微型氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)存儲(chǔ)碳?xì)浠衔锖蜌淙剂? 這在The Industrial Physicist ( 2001年12月/2002年1月)，第20-25頁中發(fā)表 的"Here Come the Microengines,"的 一文中進(jìn)行了討論。在本申請(qǐng)中使用的術(shù)語 "燃料電池"也包括微型發(fā)動(dòng)機(jī)。其他應(yīng)用可包括儲(chǔ)存用于內(nèi)部燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的 傳統(tǒng)燃料和碳?xì)浠衔?，如用于口袋型點(diǎn)火器及點(diǎn)火槍的丁烷和液態(tài)丙烷。當(dāng)液體燃料如甲醇儲(chǔ)存在燃料容器中時(shí)，隨著時(shí)間的推移可在容器內(nèi)形成壓力。燃料容器中形成的壓力可增加燃料從容器中出來時(shí)的速率。壓力的增加 可受到許多因素的影響，這包括來自氣態(tài)燃料的部分蒸氣壓力。參見圖1,燃料盒IO包括外殼12，和含有燃料的內(nèi)燃料容器14。內(nèi)燃料容器14在外殼12之內(nèi)，且空間20被定義為在外殼12和內(nèi)燃料容器14之間的 空間。燃料盒10進(jìn)一步包括截止閥18，其與內(nèi)燃料容器14流體連接。燃料盒 IO進(jìn)一步在外殼12上包括安全閥24，其可以是止回閥、球閥或提升型閥。止 回閩24由可選擇的可移除的密封件26覆蓋。內(nèi)燃料容器14裝有燃料28，例 如甲醇或上面討論的任何適合的燃料，并可在燃料之上具有頂部空間27。外殼12優(yōu)選是堅(jiān)硬的，但其也可以具有足夠的柔韌性，從而在將燃料從燃 料盒中轉(zhuǎn)移出去時(shí)與內(nèi)燃料容器14 一同被壓縮。堅(jiān)硬的外殼可給燃料襯套14 提供額外的結(jié)構(gòu)支持。外殼12優(yōu)選采用金屬如不銹鋼，或釆用可注射模塑或擠 出的聚縮醛樹脂制成。可選的是，外殼12也可由不含雜質(zhì)如鋅、硫、云母和油 的材料制成，并可用氟處理以最大程度地減小滲透。外殼12還可用開孔材料制 成，這種材料可抵抗內(nèi)燃料容器14的擴(kuò)張并可在燃料從內(nèi)燃料襯套14中取出 后塌陷。內(nèi)燃料容器14優(yōu)選為柔韌和可變形的，如燃料襯套，這樣燃料襯套14內(nèi) 的體積將隨著燃料轉(zhuǎn)移到燃料電池而變小。最優(yōu)選地，燃料襯套14的厚度較薄， 且用耐用的和柔軟的材料制成，這樣在燃料被取走后可有效地塌陷或減小其體 積。用于燃料襯套14的材料的例子包括天然橡膠、聚乙烯(包括低密度到高密 度PE)、乙烯聚丙烯(EP)、 EPDM和其他聚合物薄膜。聚乙烯可與蒸氣阻擋 層如鉬箔或經(jīng)氟處理過的塑料層壓在一起，從而減少甲醇的滲透。優(yōu)選地，燃 料襯套14是用低密度聚乙烯制得，并經(jīng)吹塑形成薄壁的囊。這樣的燃料襯套和外殼以及用于它們的適合的材料在共有且共同審查的美國專利申請(qǐng)?zhí)?10/629,004提交于2003年7月29日的名稱為"Fuel Cartridge with Flexible Liner" 中；在名稱為"Fuel Cell Supply Having Fuel Compatible Materials",提交于2003 年12月1曰的美國專利申請(qǐng)?zhí)?0/725,244中；以及在名稱為"Fuel Supplies for Fuel Cells",提交于2004年8月6曰的美國專利申請(qǐng)?zhí)?0/913,715中進(jìn)行了詳細(xì)的討論。該'004、 '244和'715申請(qǐng)?jiān)诖艘砸玫姆绞蕉牟⑷搿＞哂锌伤?陷和可變形的燃料襯套14的優(yōu)點(diǎn)是由于燃料襯套14隨著燃料向燃料電池的轉(zhuǎn) 移而塌陷，燃料盒10可在任何方位上使用。截止閥18經(jīng)裝配而連接到燃料電池(未示出)或連接到補(bǔ)充燃料容器/盒 或補(bǔ)充轉(zhuǎn)接器。截止閥在名稱為"FuelCartridgew他Connecting Valve",提交于 2003年7月29日的共有的且共同審查的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)10/629,006 (即 "'006申請(qǐng)")中作了詳細(xì)討論。該'006申請(qǐng)中的公開在此以引用的方式而全 文并入。截止閥18也可由一種能夠通過毛細(xì)或芯吸作用轉(zhuǎn)移燃料的多孔的或纖 維材料替代，或者由一種可用別針或針打開的或刺穿的彈性材料如隔膜代替。 適合的毛細(xì)或芯吸材料在名稱為"Fuel Cartridges for Fuel Cells",提交于2003年 l月31曰的共有的且共同審查的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)10/356,793中作了詳細(xì)討 論。該申請(qǐng)?jiān)诖私?jīng)引用而全文并入。止回閥24在'004專利申請(qǐng)中進(jìn)行了詳細(xì)討 論。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，當(dāng)外殼基本上為堅(jiān)硬的情況下，燃料盒10 的空間20填充了有效量的氣體以減少大氣氣體、水蒸氣和其他氣體在燃料盒的 期望壽命期間通過空間20的滲透或運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入燃料襯套14?？臻g20內(nèi)的有效 量的氣體包括最多達(dá)100%的，但可以低于100%的，最少可低到50%的惰性氣 體。適合的氣體包括但不限于，惰性氣體(氦、氖、氬、氪、氙、氡)、氮、和 二氧化碳。優(yōu)選的氣體是氦、氬、氪、氮、和二氧化碳。更優(yōu)選的惰性氣體是也可以是柔軟的。在襯套14的頂部空間27中和在空間20內(nèi)的壓力的建立遵循理想氣體定 律。波義耳定律指出，在常溫下，氣體體積與壓力變化相反。查爾斯定律指出， 在常壓下，氣體體積直接隨絕對(duì)溫度變化，以及在恒定體積下，氣體壓力直接 隨絕對(duì)溫度變化。道爾頓定律指出，混合氣體的總壓力等于各種氣體的分壓之 和。并不局限于任何理論，將用道爾頓定律描述本發(fā)明。如圖l所示，在頂部空間27中的總壓力(Ptotal-27)等于燃料如甲醇的分壓(Pmethan。L27 )和其中存在的任何空氣或其他氣體的分壓()之和 Ptotal-27 二 Pmethanol-27 + Pair-27空間20的總壓力(Ptotal-2Q)等于惰性氣體的分壓(Pinert gas-2o )和其中存在 的任何空氣的分壓(P^2())之和Ptotal-20 = Pinert gas-20+ Pair-20在任何時(shí)刻，頂部空間27的總壓力均被空間20的總壓力抵消，且空間27 和空間20的壓力優(yōu)選是基本上接近從而減小施加在燃料襯套14上的凈壓力， 即Ptotal-27Ptotal-20根據(jù)本發(fā)明，選擇的惰性氣體在燃料襯套14內(nèi)甲醇的不同階段的使用，包 括開始產(chǎn)生壓力累積的階段，向空間20產(chǎn)生分壓。但當(dāng)頂部空間27的總壓力 增加時(shí)，其被空間20的總壓力所抵消Pmethanol-27 +Pair-27 Pinert gas-20+ Pair-20優(yōu)選地，當(dāng)燃料襯套14基本上是充滿時(shí)，惰性氣體受壓而增大其在空間 20內(nèi)的密度。在這種情況下，襯套14由燃料支持并能經(jīng)受來自惰性氣體的壓 力。當(dāng)燃料襯套14的部分為或基本上為空時(shí)，高密度的惰性氣體膨脹而填滿由 取出的燃料所占的空間而繼續(xù)向燃料襯套14施加壓力，盡管此時(shí)的壓力小于燃 料襯套是充滿時(shí)所施加的壓力，但可以減低空間27中氣體膨脹的趨勢。這也減 小了施加到燃料襯套14上的凈壓力。在燃料襯套14基本上是充滿時(shí)施加到惰性氣體上的壓力水平可由以下因 素來確定氣體定律，和在燃料襯套基本是充滿時(shí)空間20的體積，以及在燃料 襯套基本上為空時(shí)空間20的體積。優(yōu)選地，當(dāng)燃料襯套基本上為空時(shí)，惰性氣 體施加到燃料襯套14上的壓力至少比大氣壓高出4 psi,更優(yōu)選地高出6 psi， 最優(yōu)選地高出8psi。在空間20中的惰性氣體的存在可形成一個(gè)用以減少大氣氣體、水蒸氣和其 他氣體的滲透而進(jìn)入燃料襯套14的壁的有效的隔離屏障。在空間20中的氣體 的存在中斷了從大氣到空間20到頂部空間27的大氣氣體濃度的梯度，從而減少了大氣氣體的滲透速率。本發(fā)明還可在燃料盒的溫度由高變低時(shí)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。溫度將同時(shí)使頂部空間27內(nèi)的氣體分壓和空間20內(nèi)的氣體分壓增加。因此在頂部空間27內(nèi)增加 的總壓力被在空間20內(nèi)增加的總壓力所抵消。密封件26可覆蓋于止回閥24之上，從而在存儲(chǔ)和運(yùn)輸期間進(jìn)一步阻止空 氣、氮和任何其他種類的大氣氣體進(jìn)入空間20和燃料襯套14的運(yùn)動(dòng)。密封件 26可在使用前由使用者移走，或者在將燃料盒IO從其包裝中取出時(shí)自動(dòng)移走。 用于密封件26的適合材料包括但不限于，在'004申請(qǐng)中描述的莎綸膜，鋁箔或 壓縮的片狀脫落的石墨箔?；蛘?，密封件26可采用(1 )在Stenersen等人的名禾爾為"Filter Assemblies and Systems for Intake Air for Fuel Cells"的美國專利號(hào)6，797，027中討論的用于燃料電池中空氣進(jìn)入的過 濾器組裝和過濾器系統(tǒng)的密封系統(tǒng)，該專利在此經(jīng)引用而全文并入；(2) 在Anderson, Jr.等人的名稱為"Ink Source Regulator for an Inkjet Printer"的美國專利號(hào)6，796，644中討論的用于墨水入口的密封件，該專利在此 經(jīng)引用而全文并入；或(3) 在Kelly等人的名稱為"Fluid Shut Off Valve Cartridge wkh Quick Connection"的美國專利號(hào)6,802,491中討論的密封件，該專利在此經(jīng)引用而全 文并入。參考圖2，用可選擇的外包裝30包住并密封燃料盒10。密封壁32確保包 裝30基本上是氣密性的。空間34被定義為在密封件32和燃料盒10之間的空 間，其可用惰性氣體填充或保持真空。外包裝30可用可剝離的適用于食品包裝 的膜覆蓋，這類膜在Mauclair等人的名稱為"Pouch or Packaging for Foodstuffs Made of a Peelable Film and Process for the Production Thereof 的美國專禾'j號(hào) 6，688，078中進(jìn)行了討論，該專利在此經(jīng)引用而全文并入。可剝離的膜包括第一 方位的聚酰胺層，其結(jié)合有第二共擠出的可剝離的聚乙烯層。該可剝離的膜是 由德國的SudpackGmbH,Ochsenhausen生產(chǎn)。第一方位的聚酰胺層的厚度約為 15微米，而第二共擠出的可剝離的聚乙烯層的厚度約為60微米。為形成包裝剝離的膜的兩個(gè)部分進(jìn)行密封。其他的適合外包裝的 材料包括適用于密封件26的材料?；蛘?，這種膜可直接覆蓋在盒IO上，或者 該膜可以抽真空被環(huán)繞包裝在盒IO周圍以除去在盒與膜之間的氣穴。參考圖3，在本發(fā)明的另一種實(shí)施方式中的燃料盒40包括外殼42,含有燃 料并置于外殼42內(nèi)的燃料襯套44。外殼42優(yōu)選是堅(jiān)硬的。燃料襯套44優(yōu)選 是柔軟的或可塌陷的?？臻g46被定義為在外殼42和燃料襯套44之間的空間。 燃料盒40進(jìn)一步包括截止閥50,其與燃料襯套44呈流體互通。燃料襯套44 中含有燃料52，如甲醇。燃料襯套44中燃料52的量比襯套的充滿容量要少， 該減少的預(yù)定量例如約10%?？臻g54代表了在大概充滿時(shí)的容量和容量之間的 體積差。這可通過(1 )用燃料填充燃料襯套至大概充滿的容量，然后從燃料襯套中 取出預(yù)定體積，例如約10%或其他預(yù)定量的燃料，或(2)將空的燃料襯套壓縮 至一個(gè)預(yù)定量，例如少于充滿容量的約90%，并用燃料填充該剩余體積而完成。 不管采用任何方法，燃料襯套中填充量均少于其充滿時(shí)的容量。這樣，當(dāng)壓力 開始在燃料襯套中累積時(shí)，將有膨脹的空間而不會(huì)對(duì)燃料襯套產(chǎn)生擠壓。盡管 這里使用10%作為示例，但可從燃料盒中取出或在燃料盒中保留任意百分比的 燃料。取出的燃料的量可部分根據(jù)燃料的熱膨脹而定。在填充內(nèi)襯套14而減小進(jìn)入內(nèi)襯套14的氣體如空氣時(shí)，可采用其他的一 些技術(shù)。其中的一種方法是先用燃料28填充內(nèi)襯套14,然后用包括但不限于 氬和氮的惰性或非活性氣體過量填充內(nèi)襯套14。這些氣體旨在將內(nèi)襯套14中 的未填充的空間基本上填滿，從而減慢空氣滲入內(nèi)襯套14。此外，在一些情況中最好在內(nèi)襯套14中形成略微增加的反壓或低真空度。 該反壓可以多種不同方式產(chǎn)生。在內(nèi)襯套14完全填充后，真空抽出少量的燃料 以使內(nèi)襯套14發(fā)生變形。另一種產(chǎn)生輕微反壓的方法是在從燃料簡填充內(nèi)襯套 14之前加熱燃料。然后完全填充內(nèi)襯套14并將其密封。當(dāng)內(nèi)襯套14中的燃料 冷卻時(shí)，燃料發(fā)生收縮，從而導(dǎo)致內(nèi)襯套14略微縮小。分壓。參考圖4A,描述了一種除去燃料中溶解的氣體的方法。在步驟60中，惰性氣體與燃料接觸，優(yōu)選是通過滲透作用使它們接觸。在步驟62中，用脫氣的燃料填充燃料襯套。適合的惰性氣體包括但不限于氬和氦?？墒褂靡话闩c高效液相色譜(HPLC) —同使用的惰性氣體鼓泡系統(tǒng)來進(jìn)行該燃料的脫氣過程。 在圖4B中描述了另一種除去燃料中溶解的氣體的方法。在步驟64中，惰 性氣體滲透進(jìn)入燃料。在步驟66中，除去該惰性氣體，優(yōu)選是通過對(duì)燃料的抽 真空而除去的?？蛇x地，步驟64和66可以根據(jù)情況重復(fù)進(jìn)行多次，例如2-10 次。在步驟68中，用脫氣的燃料填充燃料襯套。脫氣的燃料可在轉(zhuǎn)移到燃料盒 之前被抽真空。在圖4C中描述了另一種除去燃料中溶解的氣體的方法。在步驟72中，用 內(nèi)嵌過濾裝置過濾燃料。在步驟74中，用經(jīng)過濾的燃料填充燃料襯套。目前的 分離技術(shù)可從溶液中以簡單而經(jīng)濟(jì)的方式提取出幾乎所有溶解的氣體。適合的 內(nèi)嵌過濾裝置可由Hendersonville, North Carolina的Insight Process Solution獲得。為了在內(nèi)襯套14裝配完成后對(duì)燃料進(jìn)行脫氣，燃料可通過氣體-液體分離 器周期性地通過該系統(tǒng)。如圖5所示，盒10包括具有兩個(gè)閥的內(nèi)襯套，第一閥 18與圖1中所示的閥18類似，第二閥為進(jìn)入閥76。盒10連接到第一泵78， 其從內(nèi)襯套14中抽取燃料。第一泵78可向燃料電池輸送燃料或從其中抽取燃 料> 或者其可將抽取的燃料泵入氣體分離器80中進(jìn)行純化。氣體分離器可以是任何現(xiàn)有技術(shù)中已知的氣體-液體分離器。氣體分離器的 一個(gè)例子是氣體可滲透而液體不可滲透的膜。燃料通過含有這種膜的孔，分離 的氣體被排除到如大氣中，而燃料或者被泵入燃料電池中，或者返回內(nèi)襯套14 中，或者可直接被用作燃料電池的燃料。優(yōu)選地，該膜僅允許空氣或其他氣體 離開該盒，并阻止液體離開該盒。這種氣體可透過而液體不可透過的膜在'793 申請(qǐng)被揭露且在先前通過引用而并入到名稱為"Electric Cell with Gas Permeable VentStopper",于1970年4月21曰授權(quán)的美國專利號(hào)3,508,708中;以及被并 入到名稱為"LiquidFuel Cell",于1985年12月31曰授權(quán)的美國專利號(hào)4,562,123中。這些專利文獻(xiàn)中的揭露在此以引用的方式而全文并入。這種膜可由聚四氟 乙烯(PTFE)、尼龍、聚酰胺、聚乙二烯、聚丙烯、聚乙烯或其他聚合膜制成?？缮虡I(yè)獲得的憎水性PTFE微孔膜可由W.L Gore Associates, Inc.購得。 Gore-Tex⑧是 一種適合的膜。Gore-Tex⑧是 一種含有小到液體不能通過但足夠大 讓氣體可通過的孔的微孔膜?，F(xiàn)有技術(shù)中還有更復(fù)雜的氣體-液體分離器。出于示例的目的，這里描述的 另一種氣體分離器80與已知的二氧化碳分離器類似。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn) 識(shí)到其他的分離器也可用于本發(fā)明。氣體分離器80包括一吸入閥82，不純的燃料通過該閥進(jìn)入中空室81。進(jìn) 入中空室81后，液流遇到渦流產(chǎn)生器84,其導(dǎo)致燃料在中空室81內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)液流旋轉(zhuǎn)時(shí)，其中的液體被迫進(jìn)入中空室81的內(nèi)壁。液流中的任何氣體均被 提升到中空室81的頂部并通過出口 86排除到大氣中?；蛘?，通過出口 86離開 氣體分離器80的蒸氣可轉(zhuǎn)移到燃料電池的混合室，或轉(zhuǎn)移到燃料電池的陽極回 路，或轉(zhuǎn)移到一個(gè)催化燃燒器中。為了不浪費(fèi)蒸氣，燃料蒸氣可經(jīng)濃縮而重新 引入內(nèi)襯套14中。液流中的液體在中空室81的底部收集并通過液體出口 88。 然后，由第二泵卯將脫氣的液體燃料通過進(jìn)入閥76泵回內(nèi)襯套中。用于使燃料從盒10運(yùn)送到燃料電池和/或氣體分離器80的泵，可以是任何 能夠以期望的速率傳輸流體的泵。適合的泵包括但不限于，微電子機(jī)械泵 (MEMS),例如那些在先前經(jīng)引用而并入的'793專利申請(qǐng)中討論并要求保護(hù)的 泵。該MEMS泵可以是場感應(yīng)泵或膜置換泵。場感應(yīng)泵具有施加到燃料/液體 上的AC或DC電場或磁場來泵送燃料/液體。適合的場感應(yīng)泵包括但不限于電 液動(dòng)泵、磁液動(dòng)泵和電滲流泵。電液動(dòng)泵和電滲流泵可一起使用。 一種膜置換 泵包括膜和一股施加于膜上導(dǎo)致膜發(fā)生移動(dòng)或振動(dòng)而泵送燃料的力。適合的膜 置換泵包括但不限于靜電泵、壓電泵和熱力氣動(dòng)泵。該MEMS泵控制著燃料流 的速度并可以逆轉(zhuǎn)和停止流動(dòng)。在另一實(shí)施方式中，在襯套14上可具有與圖1中所示的安全閥24類似的 安全閥92,從而在內(nèi)襯套14的內(nèi)部壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)釋放壓力。安全閥92可用于排除在內(nèi)襯套14累積的蒸氣。優(yōu)選地，安全閥92包括允許氣體物質(zhì)傳輸 但不允許液體物質(zhì)傳輸?shù)哪?。適合的膜在上面已討論過，包括可通過商業(yè)渠道獲得的材料如Gore-Tex 。從內(nèi)襯套14中排出的蒸氣被排放到內(nèi)襯套14夕卜， 例如排放到內(nèi)襯套14和外殼12之間的空間20或排放到大氣中。安全閥92可 選擇在襯套14的內(nèi)壓高于空間20的壓力 一個(gè)預(yù)定壓力，如高于約2 psi時(shí)打開。 或者，安全閥92可由一種氣體可透過而液體不可透過的膜代替，這樣無論在氣 體與膜接觸時(shí)，以及無論是其壓力高于空間20的壓力時(shí)，氣體或蒸氣都可由襯 套14中出來。該種液體不可透過而氣體可透過的膜可設(shè)置在襯套14上的一處 或多處，并最多可占據(jù)襯套的50%或更多。適合的膜在先前已經(jīng)引用而并入的 共審查的'793申請(qǐng)中進(jìn)行了揭露。盡管這里揭露的本發(fā)明的示例性的實(shí)施方式顯然達(dá)到了本發(fā)明的目的，但并且，任何實(shí)施方式中的特征和/或元素均可單獨(dú)使用或與其他實(shí)施方式結(jié)合使 用。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，后附的權(quán)利要求旨在覆蓋所有這些在本發(fā)明精神和 范圍內(nèi)的改性和實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種可連接到燃料電池上的燃料補(bǔ)給器，包括外殼；內(nèi)燃料容器；以及控制內(nèi)燃料容器的內(nèi)部壓力的裝置。
2. —種可連接到燃料電池上的燃料補(bǔ)給器，包括 夕卜殼5和含有用于燃料電池的燃料的內(nèi)燃料容器，其中在外殼和內(nèi)燃料容器之間的 空間填充了氣體以控制內(nèi)燃料容器的壓力，其中氣體選自由氦、氖、氬、氪、 氮、氡、氮、和二氧化碳組成的組。
3. 權(quán)利要求2的燃料補(bǔ)給器，其中氣體是受壓的。
4. 權(quán)利要求2的燃料補(bǔ)給器，其中氣體中斷了從大氣到內(nèi)燃料容器的空氣 梯度。
5. 權(quán)利要求2的燃料補(bǔ)給器，進(jìn)一步包括位于外殼上用于調(diào)節(jié)外殼和內(nèi)燃 料容器之間的空間內(nèi)的氣體量的止回閥。
6. 權(quán)利要求5的燃料補(bǔ)給器，進(jìn)一步包括覆蓋在止回閥上的可移除的密封件。
7. 權(quán)利要求2的燃料補(bǔ)給器，其中燃料補(bǔ)給器用外包裝密封。
8. 權(quán)利要求7的燃料補(bǔ)給器，其中在外包裝和燃料補(bǔ)給器之間的空間填充 了氣體，其中該氣體選自由氦、氖、氬、氪、氙、氡、氮、和二氧化碳組成的 組。
9. 權(quán)利要求7的燃料補(bǔ)給器,其中在外包裝和燃料盒之間的空間是真空的。
10. 權(quán)利要求2的燃料補(bǔ)給器，其中外殼是堅(jiān)硬的。
11. 權(quán)利要求2的燃料補(bǔ)給器，其中內(nèi)燃料容器是可變形的。
12. —種用于填充燃料補(bǔ)給器的方法，包括以下步驟 (i)向燃料補(bǔ)給器提供燃料，以及(ii)對(duì)燃料進(jìn)行脫氣以除去溶解的氣體。
13. 權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括步驟(iii)用脫氣的燃料填充燃料補(bǔ) 給器。
14. 權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括步驟(iii)將脫氣的燃料回流到燃料 補(bǔ)給器。
15. 權(quán)利要求12的方法，其中步驟(ii)包括使燃料與惰性氣體接觸的步
16. 權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括步驟(iv)在步驟(ii)之后從燃料除 去惰性氣體。
17. 權(quán)利要求12的方法，其中步驟(ii)包括使惰性氣體滲透進(jìn)入燃料中 的步驟。
18. 權(quán)利要求16的方法，其中步驟(iv)包括從燃料中真空排氣的步驟。
19. 權(quán)利要求16的方法，其中步驟(ii)包括使燃料通過渦流產(chǎn)生器的步驟。
20. 權(quán)利要求12的方法，其中步驟(ii)包括過濾燃料的步驟。
21. —種可連接到燃料電池上的燃料盒，包括夕卜殼；置于外殼內(nèi)的內(nèi)燃料容器，其中內(nèi)燃料容器含有用于燃料電池的燃料； 用于將燃料傳輸給燃料電池的燃料出口；以及 置于內(nèi)燃料容器中的排氣件，其用于將蒸氣從內(nèi)燃料容器內(nèi)部排放到內(nèi)燃 料容器外。
22. 權(quán)利要求21的燃料盒，其中排氣件包括止回閥。
23. 權(quán)利要求22的燃料盒，其中膜覆蓋在止回閩的開口上。
24. 權(quán)利要求23的燃料盒，其中該膜為氣體可透過而液體不可透過的膜。
25. 權(quán)利要求22的燃料盒，其中該排氣件包括氣體可透過而液體不可透過 的膜。
26. 權(quán)利要求21的燃料盒，其中蒸氣被排放到大氣中。
27. 權(quán)利要求21的燃料盒，其中內(nèi)燃料容器是可變形的。
28. —種可連接到燃料電池上的燃料盒，包括外殼；置于外殼內(nèi)的內(nèi)燃料容器，其中內(nèi)燃料容器含有用于燃料電池的液體燃料; 用于將燃料傳輸給燃料電池的燃料出口；以及 位于燃料出口和燃料電池泵之間的分離器，其中該分離器將蒸氣從液體燃 料中分離。
29. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中該分離器包括一膜，其位于連接燃料閥和 燃料電池泵的連接器內(nèi)。
30. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中分離器包括 主容器，所述容器包括頂部，底部，和內(nèi)穴， 流體連接至主容器的吸入管， 設(shè)置在內(nèi)穴中的渦流產(chǎn)生器， 流體連接至主容器靠近頂部的蒸氣排出管，以及 流體連接至主容器底部或靠近底部的流體燃料，以及排出器。
31. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中蒸氣被排放到大氣中。
32. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中蒸氣被轉(zhuǎn)移到燃料電池的混合室中。
33. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中蒸氣被轉(zhuǎn)移到燃料電池的陽極回路中。
34. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中蒸氣被轉(zhuǎn)移到催化燃燒器中。
35. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中蒸氣被轉(zhuǎn)移到冷凝器中，該冷凝器使蒸氣 重新液化成為液體燃料。
36. 權(quán)利要求28的燃料盒，其中分離器包括渦流產(chǎn)生器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可連接到燃料電池上的具有可變形的內(nèi)燃料容器(14)的燃料盒(10)。內(nèi)燃料容器中的壓力得到了控制。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101326664SQ200680045857
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2006年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月5日
發(fā)明者保羅·亞當(dāng)斯, 安德魯·J·庫瑞羅, 詹斯·米勒 申請(qǐng)人:法商Bic公司