專利名稱：燃料電池燃料供給裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的燃料供給裝置，尤其涉及一種吹塑成型并能降低滲透率的燃料供給裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池可將反應(yīng)物(如燃料和氧化劑)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成直流電能。燃料電池得到越來越多的應(yīng)用，較傳統(tǒng)電池如化石燃料電池，或可攜式電池如鋰電池的效率高。
燃料電池包含許多種類，如堿性燃料電池、高分子膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池、以及酵素燃料電池。有些燃料電池使用壓縮氫氣做為燃料，但通常需要巨大儲(chǔ)存槽且高壓下的氫氣，因此很難處理，因此很難應(yīng)用于消費(fèi)性電子組件。質(zhì)子交換膜(Proton exchange membrance)燃料電池將甲醇、金屬氫化物如硼氫化鈉、碳?xì)浠锶缍⊥椤⒒蚱渌剂限D(zhuǎn)換成氫氣燃料。習(xí)知的轉(zhuǎn)換式燃料電池需要轉(zhuǎn)換器、 汽化器、以及輔助系統(tǒng)將燃料轉(zhuǎn)換成氫氣，并使氫氣與氧化劑反應(yīng)。最近的進(jìn)展將轉(zhuǎn)換式燃料電池應(yīng)用于消費(fèi)性電子組件。另一種質(zhì)子交換膜燃料電池直接使用燃料如甲醇(direct methanol fuel cell，簡稱DMFC)。DMFC中甲醇與氧化劑直接反應(yīng)，因此是最簡單也最小的燃料電池，可作為消費(fèi)性電子組件的電源。固態(tài)氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, 簡稱S0FC)于高溫下可將碳?xì)浠锶缍⊥檗D(zhuǎn)換成電力。SOFC需1000°C左右的高溫使燃料電池產(chǎn)生反應(yīng)。
每一種燃料電池產(chǎn)生電力的化學(xué)反應(yīng)都不相同。以DMFC為例，每一個(gè)電極的反應(yīng)式與總反應(yīng)式如下
陽極半反應(yīng)
CH30H+H20 — C02+6H+6e_
陰極半反應(yīng)
1. 502+6H++6e- — 3H20
總反應(yīng)
CH30H+1. 502 — C02+2H20
氫質(zhì)子(H+)可自陽極穿過質(zhì)子交換膜至陰極，但電子(e_)只能穿過外電路而無法穿過質(zhì)子交換膜，而使外電路產(chǎn)生一電流。該電流可用來作為消費(fèi)性電子組件的電源，如手機(jī)、計(jì)算器、掌上電腦(PDA)、手提電腦、機(jī)械設(shè)備、或其它電動(dòng)制品。
U. S. Pat. Nos. 5，992，008 與 5，945，231 已揭示一種 DMFC，在此完整引入。質(zhì)子交換膜一般系由聚合物組成，如杜邦生產(chǎn)的Nafion 系厚度介于0. 05-0. 5毫米的全氟化硫酸聚合物，或其它適合的薄膜。一般的陽極組成為設(shè)置于氟碳紙上的催化劑薄膜，比如沉積其上的鉬銣合金。一般的陰極為粘附鉬微粒的薄膜以進(jìn)行氣體擴(kuò)散。
另一種燃料電池如硼氫化鈉轉(zhuǎn)換式燃料電池的反應(yīng)式如下
NaBH4 (水成)+2H20 —(加熱或催化劑)—4 (H2) + (NaB02)(水成)
陽極半反應(yīng)
H2 — 2H+2e-
陰極半反應(yīng)
2 (2H++2e-) +02 — 2H20
適合上述反應(yīng)的催化劑包括鉬、銣、或其它金屬。氫硼化鈉經(jīng)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生氫氣，與氧化劑如氧氣反應(yīng)后產(chǎn)生電力(或電流)與水的副產(chǎn)物。轉(zhuǎn)換過程會(huì)產(chǎn)生硼酸鈉副產(chǎn)物。 標(biāo)題為”Fuel Cell for a Fuel Supply”的美國專利申請(qǐng) US 2003/0082427 Al 于 2003 年 3月1日已揭示一種氫硼化鈉的燃料電池，在此完整引入。
燃料供給裝置是燃料電池在應(yīng)用上的一個(gè)重要特征，包括可輕易的插入燃料電池，于特定的溫度及/或壓力下關(guān)閉燃料輸送，以避免發(fā)電時(shí)損害燃料電池及/或電子組件。除此之外，燃料供給裝置應(yīng)具備易置換與易再充填的特性。雖然燃料電池的燃料匣已被多篇專利揭示，但專門制造燃料匣的技術(shù)卻從未揭示過。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，其中至少一構(gòu)件以吹塑成型法形成。
本發(fā)明揭示一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括以吹塑成型法形成的外殼與襯里，當(dāng)燃料輸送至燃料電池時(shí)，至少部分襯里與外殼分離而不完全緊附。
外殼與襯里的組成包括互不相溶的聚合物，且外殼與襯里是同時(shí)形成。外殼與襯里二者中之一者為極性樹脂，另一者為非極性樹脂。極性樹脂包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物、熱塑性聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚亞芳香醚、或熱塑性聚胺基甲酸酯。 非極性樹脂包括高密度聚乙烯、聚丙烯、或聚苯乙烯。
此外，外殼與襯里二者中之一者包括熱塑性彈性體如丁基橡膠，另一者的組成是縮醛或聚氯乙烯。
此外，外殼與襯里二者中至少一者包括聚乙烯，另一者包括滑爽劑。合適的滑爽劑包括長鏈脂肪酸酰胺、油酰胺、或親水性填充劑。
此外，中間層夾設(shè)于外殼與襯里間，且外殼與襯里中二者至少一者與中間層互不兼溶。中間層的組成可為蠟。
此外，外殼與襯里是以吹塑成型法依序形成，外殼以吹塑成型法形成并冷卻后，再以吹塑成型法形成襯里。
本發(fā)明更提供一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括外殼、襯里、閥門。較佳為襯里與外殼于閥門附近的區(qū)域是一體成型。較佳為外殼與襯里的形成方式是吹塑成型法，更佳為共擠出吹塑成型法或以吹塑成型法依序形成。
本發(fā)明更提供一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括外殼、襯里、閥門。較佳為櫬里以吹塑成型法形成。更佳為襯里的形成方式是吹塑成型法。更佳為襯里是以吹塑成型法形成于外殼內(nèi)。此外，襯里以吹塑成型法形成后再塞入外殼內(nèi)。襯里在完全裝滿后的體積大于外殼的體積，且具有至少一折迭式側(cè)壁。
本發(fā)明更提供一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括外殼、襯里、閥門。修飾外殼及/或襯里可增進(jìn)阻隔蒸氣的能力。外殼及/或襯里可以阻隔氣體薄膜涂布或包覆。外殼及/或襯里可氟化處理，亦可包含抗氧化劑。


圖1-3是實(shí)施例透視圖，圖示以吹塑成型法形成的燃料匣。
圖4是實(shí)施例剖視圖，圖示圖1的燃料匣。
圖5A、5B是實(shí)施例中，襯里的透視圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是有關(guān)于燃料的供給裝置，在下述說明及附圖中，燃料包括水及甲醇、不同濃度的水/甲醇的混合物、純甲醇。甲醇可應(yīng)用于多種形式的燃料電池，如DMFC、酵素燃料電池、轉(zhuǎn)換器燃料電池、或其它種燃料電池。本發(fā)明的燃料供給裝置可容納其它種類的燃料，如乙醇或其它醇類、可經(jīng)轉(zhuǎn)換器形成氫氣的化學(xué)品、或其它可增進(jìn)燃料電池效率或表現(xiàn)的化學(xué)品。氫氧化鉀電解液可容納于燃料供給裝置，且可應(yīng)用于金屬燃料電池或堿性燃料。t示 11 “Method of Using Fuel System Configured to Provide Power to One or more Loads”的美國專利申請(qǐng)US 2003/0077493A1于2003年4月M日已揭示一種金屬燃料電池，在此完整引入，其中將流體形式的鋅微粒浸入氫氧化鉀電解液后可使陽極微?；?。 燃料亦包括甲醇、雙氧水、硫酸的混合液，在流經(jīng)觸媒化硅芯片之后可進(jìn)行燃料電池反應(yīng)。 燃料亦包括金屬氫化物如硼氫化鈉和水如上述。燃料還包括碳?xì)浠衔铮ǖ幌薅ㄓ谙率鑫镔|(zhì)丁烷(butane)、媒油(kerosene)、醇類、或天然氣。燃料亦包括可與燃料反應(yīng)的液態(tài)氧化劑，標(biāo)題為” Liquid Hereto-Interface Fuel Cell Device”的美國專利申請(qǐng)US 2003/0096150 Al于2003年5月22日已揭示燃料種類，在此完整引入。因此本發(fā)明中，應(yīng)用于燃料電池及容納于燃料供給裝置中的物質(zhì)，不限定于任何形式的燃料、電解液、溶液/ 固態(tài)/液態(tài)的氧化劑。在這里“燃料”包括可產(chǎn)生反應(yīng)于燃料電池或燃料供給裝置的燃料， 包括但不限定于上述所有的燃料、電解液、氧化劑的溶液/氣體/液體/固體、化學(xué)品、或上述物質(zhì)的混合物。
在這里“燃料供給裝置”包括但不限定于下述形式即一次性燃料匣、可再充填/ 再利用的燃料匣、容器(container)、電子組件內(nèi)建的燃料匣、可置換燃料匣、電子組件外接的燃料匣、燃料槽(tank)、燃料貯槽(reservoir)、可再充填的燃料槽、其它可儲(chǔ)存燃料的容器并以管路將之連接至燃料槽或容器。接下來的敘述將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，值得注意的是，本發(fā)明可應(yīng)用于其它燃料供給裝置，且不受限于任何一種特定的燃料供給裝置。
本發(fā)明的燃料供給裝置可應(yīng)用于儲(chǔ)存燃料而非燃料電池，包括但不限定于下述應(yīng)用燃料供給裝置儲(chǔ)存碳?xì)浠衔锱c氫氣燃料，向硅芯片上的微燃蒸氣渦輪引擎(micro gas-turbine engine)供應(yīng)，發(fā)表在"The Industrial Physicist，，中標(biāo)題為"Here Come the Microengines”的論文(Dec. 2001/Jan. 2002)中，第20-25頁。其它的應(yīng)用還包括儲(chǔ)存?zhèn)鹘y(tǒng)燃料以用于內(nèi)燃機(jī)、儲(chǔ)存碳?xì)浠锶缍⊥?用于口袋型或?qū)嵱眯痛蚧饳C(jī))或液態(tài)丙烷。
如圖1-3所示，實(shí)施例中燃料匣10可具有多種形狀、大小、與尺寸，可輸送燃料至燃料電池并與燃料電池搭配，并將電力輸送至電子組件。如圖4所示，燃料匣10具有外殼12、以及用以容納燃料的襯里14。優(yōu)選外殼12比襯里14堅(jiān)固以保護(hù)襯里，而襯里 14最好有彈性。如標(biāo)題為“Fuel Cartridge with Flexible Liner”的美國專利申請(qǐng)US 2005-0023236 Al的待審專利于2005年2月3日，以及標(biāo)題為“Fuel Cell Supply Having Fuel Compatible Materials” 的美國專利申請(qǐng) US 2005-0116190A1 的待審專利于 2005 年 6月2日所揭示的具有外殼與襯里的燃料匣，在此完整引入。
燃料匣10的前端16具有閥門18與注入孔20。注入孔20于制造過程中可將預(yù)定量(襯里容量的85%至95% )的燃料輸送至襯里14并密封。襯里內(nèi)的空氣將經(jīng)由閥門 18排出以加速此輸送過程。此外，燃料匣10可經(jīng)注入孔20再充填燃料以多次使用。
如圖1-3所示，燃料匣10上具有至少一導(dǎo)軌17，可在電子組件(未圖示)的對(duì)應(yīng)軌道滑行，以利于燃料匣10插入電子組件及/或燃料匣插入的方向。前端16亦可增設(shè)電子接口 19，包括必要的電子系統(tǒng)與接點(diǎn)以將燃料匣聯(lián)機(jī)至電子組件(或燃料電池)以供電至電子組件。電子接口 19可包括或聯(lián)機(jī)至下述裝置電子可讀式燃料量表、保安裝置或數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置如電子抹除式只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)或讀/寫無線射頻身份識(shí)別系統(tǒng)。這些裝置可外接或內(nèi)建于燃料匣。如標(biāo)題為"Fuel Cell Supply Including Information Storage Device and Control System”的美國專利申請(qǐng) US 2005-0118468 Al 的待審專利于 2005 年 6月2日所揭示的電子接口，在此完整引入。
如圖4所示，閥門18為一對(duì)組件的開關(guān)閥門，其中具有第一閥門組件。第二閥門組件(未圖示)與圖4所示的閥門組件類似，設(shè)置于燃料電池或應(yīng)用燃料電池的電子組件之內(nèi)或其上。如標(biāo)題為“Fuel Cartridge with Connecting Valve”的美國專利申請(qǐng)US 2005/0022883 Al的待審專利于2005年2月3日所揭示的雙組件閥門，在此完整引入。閥門18中的第一閥門組件包括閥體30、滑置于閥體30內(nèi)的活塞32。彈簧34壓縮于閥體30 內(nèi)，并以彈簧護(hù)圈36支撐。彈簧34將活塞32往外推，施加壓力于內(nèi)部0環(huán)38以緊壓閥座表面40，使第一閥門組件產(chǎn)生密封效果。優(yōu)選，彈簧護(hù)圈36具有一孔洞填充物42，其組成是吸收材料或記憶材料，使燃料流經(jīng)第一閥門組件的速率一致?？锥刺畛湮?2、吸收材料、 與記憶材料已揭示于‘004號(hào)專利申請(qǐng)中。孔洞填充物42、吸收材料、或記憶材料可設(shè)置于第一(或第二)閥門組件的任一處，包括閥門組件的前端、末端、或內(nèi)部。
一實(shí)施例中，第一閥門組件打開后，部分的第二閥門組件如閥體將施加壓力于活塞32以抵抗彈簧34的推力。接著內(nèi)部0環(huán)38自閥座表面40移開，燃料便可自襯里14經(jīng)填充物42、彈簧護(hù)圈36、及活塞32的路徑輸送至燃料電池。此外，第二閥門組件的彈簧將施加壓力于活塞32以抵抗彈簧34的推力。
第一閥門組件亦包括外部0環(huán)，當(dāng)?shù)诙M件的閥體插入外部0環(huán)時(shí)，可于第一閥門組件與第二閥門組件之間形成密封，此密封最好在燃料輸送前形成。外部0環(huán)可附加于燃料匣上，其優(yōu)點(diǎn)在于外部0環(huán)可隨燃料匣一起替換。優(yōu)選為先打開第二閥門組件并以外部 0環(huán)形成組件間密封，之后輸送燃料。
另一種應(yīng)用于燃料匣10的閥門包括但不限定于US 2003-0082427 Al所揭示的自密封的附加墊片/球簧閥門系統(tǒng)，在此完整引入。此提動(dòng)型閥門連接至燃料供給裝置，其中具有彈簧可施加壓力至球體，以抵抗墊片或密封表面的推力。墊片承接的中空針將施加壓力于球體，以抵抗彈簧并開啟閥門。當(dāng)針抽回時(shí)，球體又施加壓力于墊片使墊片再密封。球體的作用與活塞32類似，墊片的作用與0環(huán)38及閥座表面40類似。必需注意的是，本發(fā)明并不限定于應(yīng)用何種閥門。
燃料匣10的后部22視情況可增設(shè)氣孔，當(dāng)填充燃料時(shí)可排出燃料匣內(nèi)的氣體。 當(dāng)燃料自燃料匣輸出時(shí)，氣體可經(jīng)由氣孔進(jìn)入燃料匣以避免局部真空，亦避免燃料匣逸出液體。較佳的氣孔具有薄膜，且薄膜透氣不透水。透氣、不透水的薄膜公開在美國專利申請(qǐng)US 2005-0023236 Al的待審專利，以及1970年4月21日公開的標(biāo)題為“Electric Cell with Gas Permeable Vent Mopper，，的 US3, 508, 708，以及 1985 年 12 月 31 日公開的標(biāo)題為“Liquid Fuel Cell”的US. 4，562，123的專利，在此完整引入。此種薄膜組成包括聚四氟乙烯(polytetrafluroethylene，簡稱 PTFE)、尼龍(nylon)、聚酰胺(polyamide)、聚氯乙烯(polyvinylidene)、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、或其它聚合物。 市售的薄膜包括W. L GoreAssociate, Inc. Goretex 的疏水性PTFE微孔薄膜。薄膜的微孔大到可透氣，但小到不透水。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，至少外殼12與襯里14 一體成型，也即，在同一個(gè)制造過程中順序或同時(shí)成型。因此，如圖4所示，在閥門18插入燃料匣10的附近區(qū)域?qū)?，外?2 與襯里14是一體成型。此種構(gòu)造的好處包括但不限定于襯里與外殼間原本就具有密封， 并不需分別制造襯里與外殼再將之組裝，以減少制造步驟與成本。將閥門18設(shè)置于燃料閥10的方法包括壓著法(press fitting)、超音波熔接(ultrasonic welding)、黏著法 (adhesive)、紫外線硬化法(UV bonding)、熱熔法(hot melt)、或其它方法。雖然一體成型過程可應(yīng)用許多方法，但較佳為吹塑成型法，下面詳細(xì)討論。
吹塑成型法的基本制造過程是現(xiàn)有技術(shù)，常用來制造中空產(chǎn)品如塑料瓶(用以盛裝飲料、清潔劑、或其它液體)。一般用來吹塑成型的橡膠包括不同密度的聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、聚丙烯、聚氯乙烯、熱塑性彈性體、聚苯乙烯、氟化聚合物、或其它聚合物。吹塑成型法的基本制造過程只包括下列步驟塑化或熔化塑料樹脂，使塑料樹脂形成型胚或預(yù)成型。熔化的樹脂以發(fā)泡劑(如氣體)吹塑或充氣直到接觸模壁，接著冷卻/彈出此中空成品?；镜拇邓艹尚头ㄒ呀衣队谠S多地方，包括Norman C. Lee所著，Hanser Garden Publication 于 2000 所出版的"Understanding Blow Molding”。
吹塑成型法的基本制造過程包括擠出吹塑成型法，此方法是向下擠出管狀型胚后，將吹針插入型胚并吹氣；亦包括射出吹塑成型法，此方法將型胚射出成型后，于高溫下移至吹塑模以吹氣。其它制造過程還包括雙軸拉伸吹塑成型法與共擠出吹塑成型法。
共擠出吹塑成型法與擠出吹塑成型法類似，并可形成多層器壁，原料可為回收的聚合物或純料聚合物。多層器壁可設(shè)計(jì)成具有特殊功能，如抗紫外線、抗燃料侵蝕、抗?jié)B透性、或其它功能。不同的材質(zhì)可配合染料由擠出頭同時(shí)擠出后，再形成型胚并吹氣。二層以上的多層器壁可由共擠出吹塑成型法完成。一般說來，多層器壁彼此間會(huì)互相附著以形成單層器壁。多層的襯里或燃料匣將減少透氣率，因此甲醇蒸氣亦無法輕易逸出襯里或燃料匣。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，燃料匣10、外殼12、與襯里14可以共擠出吹塑成型法形成， 因此除了閥門18插置的附近區(qū)域M外，襯里14與外殼12是分開而非一體的。燃料匣10 可具有至少一層的中間層，夾設(shè)于襯里與外殼間，且外殼與襯里二者中至少一者具有多層結(jié)構(gòu)。當(dāng)燃料自燃料匣輸出，與外殼12部分分開的襯里14是折迭式，以減少殘留燃料于燃料匣內(nèi)。
一實(shí)施例中，組成外殼與襯里的聚合物互不相溶。“不相溶”在這指的是聚合物或樹脂于吹塑成型的制造過程中無法互相粘著，“兼溶”指的是聚合物或樹脂于吹塑成型的制造過程中，不需輔助粘合劑或兼溶劑即可互相粘著。如US 2005-0116190的待審專利所揭示，適合作為外殼與襯里的材料如下
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的燃料供給裝置，包括 夕卜殼；襯里，用以容納燃料；以及閥門組件，用以將該燃料從燃料供給裝置輸送至一燃料電池； 其中該外殼和該襯里通過吹塑成型制造，以使得該襯里和該外殼在除了該閥門組件附近的區(qū)域之外至少部分地能彼此分開，其中該襯里和該外殼合并到一起并形成一個(gè)一體成型的塊，其中燃料供給裝置被設(shè)計(jì)為一旦燃料從燃料供給裝置輸送到該燃料電池，該襯里便至少部分折迭。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里包括吹塑成型的產(chǎn)品。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里的形成方式是共擠出吹塑成型法。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里是以吹塑成型法依序形成。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里的組成是相同聚合物。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里的組成是極性聚合物。
7.如權(quán)利要求4所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里的組成是非極性聚合物。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里二者中至少一者以阻隔氣體材料涂布。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料供給裝置，其中該阻隔氣體材料是環(huán)氧胺化合物。
全文摘要
本發(fā)明披露了用于燃料電池的燃料匣。該燃料匣包括一個(gè)外殼(12)、一個(gè)襯里(14)、以及一個(gè)適于將燃料從燃料供給裝置傳送到燃料電池的閥元件(18)。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過吹塑成型制備外殼(12)和內(nèi)部襯里(14)，并且當(dāng)燃料從燃料供應(yīng)進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，襯里(14)與該外殼不完全緊附。在另一個(gè)實(shí)施方式中，在接近閥元件(18)位置的區(qū)域(24)，將襯里(14)與外殼(12)一體成型。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102522580SQ20111043912
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者佛洛伊德·菲爾班克斯, 保羅·亞當(dāng)斯, 安德魯·J·庫瑞羅, 艾倫·婁森茲威格 申請(qǐng)人:法商Bic公司