CN100521335C - 用于燃料电池的燃料供应器及使用其的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

公开的是燃料电池(723)，其中安置高浓度燃料容器(715)位于与向单元电池结构体(101)供应燃料(124)的燃料容器(713)的邻近处，并且在燃料容器(713)和用于向燃料(124)中传输高浓度燃料(725)的高浓度燃料容器(715)之间的边界处形成渗透控制薄膜(717)。

Description

用于燃料电池的燃料供应器及使用其的燃料电池
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的燃料供应器及使用其的燃料电池。
背景技术
近年来随着信息导向型社会的到来，电子设备例如个人计算机等处理的信息量在急剧增加，同时电子设备的能耗也有显著增加。特别是便携式电子设备，存在与处理能力增加相关的能耗增加的问题。目前，一般使用锂离子电池作为这些类型的便携式电子设备的能源，但是锂离子电池的能量密度正在接近理论极限。因此，为了给便携式电子设备提供更长地连续运行时间，必须抑制联机(in line)的CPU的驱动频率并且减少能耗。
在这样的情况下，期望能够使用高能量密度、高热交换器效率的燃料电池代替锂离子电池作为电子设备的能源，以便能够显著地延长便携式电子设备的连续运行时间。
燃料电池由燃料电极和氧化剂电极(以下这些电极也称作“催化剂电极”)以及位于它们之间的电解质组成，其中当通过电化学反应生产电力时，分别将燃料和氧化剂供应给燃料电极和氧化剂电极。虽然一般使用氢作为燃料，但是近年来已经看到甲醇燃料电池的积极开发，如使用甲醇作为原料并且将其重整成氢的甲醇重整型燃料电池和直接使用甲醇作燃料的直接型燃料电池。
当使用氢作燃料时，在燃料电极处发生的反应表示为下式(1)：
3H2→6H++6e-         (1)
当使用甲醇作燃料时，在燃料电极处发生的反应表示为下式(2)：
CH3OH+H2O→6H++CO2+6e-       (2)
在两种情况下，在氧化剂电极处发生的反应表示为下式(3)：
3/2O2+6H++6e-→3H2O       (3)
特别地，直接型燃料电池可以从甲醇水溶液中产生氢离子，因此不需要重整设备等，从而可以有利地用于便携式电子设备。直接型燃料电池的特征还在于，由于使用例如液体甲醇水溶液这样的液体燃料作为燃料，其能量密度非常高。
考虑到长期使用，这样的液体燃料供应型燃料电池优选在供应给燃料电极的液体中使用高浓度的燃料组分。
但是，如果使用和水具有高亲合性的液体有机燃料如甲醇，可能易于发生跨接，其中更高浓度的燃料组分扩散进入含水的固体电解质膜并且达到氧化剂电极。尽管液体有机燃料应当在燃料电极必要地供应电子，但是由于跨接，液体有机燃料在氧化剂电极侧被氧化，使得可能由于没有充分用作燃料而发生电压、输出或燃料效率的下降。因此，难以提高供应给燃料电极的液体的燃料组分浓度。
有人提出一种在减小跨接诱导的输出特性下降的燃料浓度下提高燃料电池系统体积能效的技术(参见专利文献1)。专利文献1公开了一种燃料电池，其中高浓度甲醇通过阀门连接到储存作为燃料的甲醇水溶液的燃料槽。所述的阀门是通过控制器控制的，使得高浓度甲醇从高浓度甲醇槽向燃料槽的供应是受控制的。专利文献1公开了高浓度甲醇槽的安装可以改善燃料电池的体积能效。
但是，专利文献1中公开的结构需要大的反馈控制机构，因为高浓度甲醇从高浓度甲醇槽向燃料槽的供应是受阀门操作控制的。因此，整个燃料电池大而且复杂，从节省空间和轻便考虑还有提高的余地。特别是，需要有更加紧凑和简单的机构以应用于便携式设备如便携式个人电脑或便携式电话。
[专利文献1]：日本公开专利公布No.2003-132924。
发明内容
本发明是考虑上述情况而进行的，并且本发明的一个目的是提供更长时间地稳定运行液体燃料供应型燃料电池的技术。本发明的另一目的是提供小型化液体燃料供应型燃料电池的技术。
根据本发明，提供一种位于燃料电池供应系统中的燃料供应器，其包括：燃料容器；和渗透控制薄膜，通过该渗透控制薄膜，将燃料容器中含有的补充燃料限制性地传输并且传递给燃料供应系统。
本发明的燃料供应器使得补充燃料高度可控地通过渗透控制薄膜限制性地传递给燃料供应系统。因此，当燃料供应体系中的燃料由于燃料电池的运行而减小时，可以通过渗透控制薄膜供应补充燃料。具有这种简单结构，燃料电池能够更长时间地稳定运行。
在本发明的燃料供应器中，渗透控制薄膜可以基于燃料供应系统中液体燃料的浓度限制补充燃料的传输量。这种特征改进了根据燃料供应系统中液体燃料的浓度的变化对传输量的控制。因此，在将燃料供应系统中的燃料浓度保持在防止跨接的某一浓度的同时，可以用来自燃料容器的燃料补充因燃料电池的运行而减少的液体燃料，从而可以将燃料供应系统中的液体燃料浓度控制到预定浓度。补充燃料的燃料组分浓度可以高于液体燃料的燃料组分浓度。因此，可以将燃料供应器中液体与燃料供应系统中燃料液体之间的燃料组分浓度的梯度用于将补充燃料供应给燃料供应系统，从而可以抑制燃料供应系统中燃料组分浓度的减小。
在本发明的燃料供应器中，渗透控制薄膜可以根据液体燃料的浓度改变其形状，从而改变补充燃料的传输量。这种特征使得可以利用根据液体燃料浓度的渗透控制薄膜的自发性形态变化来控制补充燃料的传递。因此，可以用简单的结构控制补充燃料的传输量，所述的结构不含用于测量燃料供应系统中液体燃料浓度并且控制补充燃料传输量的控制单元等。如此，可以使燃料电池紧凑或者轻便。还可以简化燃料电池的设备构造。
在本发明的燃料供应器中，所述的薄膜可以根据液体浓度收缩和膨胀，以改变其过流面积(open area)比率。这种特征能够控制补充燃料的传输量。
在本发明的燃料供应器中，渗透控制薄膜可以包括传输补充燃料的燃料渗透性薄膜和位于燃料渗透性薄膜上并且控制燃料渗透性薄膜暴露面积的闸板构件。在这样的结构中，让补充燃料从燃料渗透性薄膜的暴露部分移动到燃料供应系统。位于燃料渗透性薄膜上的闸板构件可以调节燃料渗透性薄膜的暴露面积，从而可以控制补充燃料的传输量。
在本发明的燃料供应器中，可以构造闸板构件以基于燃料供应系统中液体燃料的燃料浓度限制补充燃料的传输量。这种特征可以以这样一种方式控制补充燃料的供应，使得可以将燃料供应系统中的燃料浓度保持在所需的浓度。因此，在燃料电池中抑制跨接的同时，可以稳定地产生高水平的输出。
可以构造本发明的燃料供应器，使得燃料渗透性薄膜的暴露面积根据燃料供应系统中液体燃料的浓度逐步变化。这种特征可以更精确地控制补充燃料的供应量。
在本发明的燃料供应器中，闸板构件可以包括具有切口部分的弹性薄膜，并且让弹性薄膜的表面膨胀和收缩，使得切口部分改变其形状，并且控制燃料渗透性薄膜的暴露面积。这种特征可以通过闸板构件的膨胀和收缩容易地控制提供在燃料渗透性薄膜上的切口部分的开口面积。因此，可以用一种简单结构控制燃料渗透性薄膜的暴露面积。
可以构造本发明的燃料供应器，使其还包括闸板控制构件，所述闸板控制构件让闸板构件在燃料渗透性薄膜表面上滑动，从而控制燃料渗透性薄膜的暴露面积。在具有可滑动地提供在燃料渗透性薄膜表面上的闸板构件的结构中，可以用闸板构件控制燃料渗透性薄膜表面的屏蔽程度。这种特征可以控制燃料渗透性薄膜的暴露面积，因而可以控制通过燃料渗透性薄膜的补充燃料的供应量。在本发明的燃料供应器中，闸板构件还可以具有开口。在这样的结构中，可以让闸板构件在燃料渗透性薄膜表面上滑动，从而可以逐步改变燃料渗透性薄膜的暴露面积。因此，可以更加精确地控制燃料供应系统中的燃料浓度。
在本发明的燃料供应器中，可以构造燃料渗透性薄膜，以基于燃料供应系统中液体燃料的燃料浓度限制液体燃料的传输量。这种特征对于补充燃料向燃料渗透性薄膜本身的传输提供另外的可控性。因此，可以组合使用燃料渗透性薄膜和闸板构件，从而可以限制补充燃料的传输量。
本发明的燃料供应器还可以包括燃料供应单元，所述燃料供应单元通过渗透控制薄膜与燃料容器相邻，并且构造成根据其内部压力改变其体积。这种特征可以抑制由液体燃料供应型燃料电池运行产生的二氧化碳等造成的燃料供应系统内部压力的增加。因此，补充燃料可以从燃料供应器向燃料供应系统移动，从而可以稳定地供应最有效产生电力的浓度的甲醇。燃料供应单元和燃料供应系统彼此相邻的排列使得整个燃料电池体积减小并且重量减轻。
根据本发明，提供一种燃料电池，其包括：固体电解质膜；位于固体电解质膜上的燃料电极和氧化剂电极；以及供应燃料给燃料电极的燃料供应系统，其中所述的燃料供应系统具有所述的燃料供应器。
根据本发明的燃料电极具有上述的燃料供应器，因此当燃料供应系统中液体燃料的浓度由于运行而下降时，可以通过渗透控制薄膜供应补充燃料。如此，通过简单的系统构造，可以将液体燃料的浓度保持在所需的浓度。因此，在将燃料供应系统中的燃料浓度保持在不发生跨接的某一浓度的同时，可以更长时间地稳定产生高水平的输出。
本发明的燃料电池还可以包括气体导管，通过该气体导管将燃料电极产生的气体引导到燃料容器。
根据本发明的实施方案，本发明构件或元件之间本发明的上述构成部分，以及构成部分或者措辞的替换或者方法和设备之间的替换的任何组合都是有效可能的。
例如，本发明的燃料供应器在燃料电池中是可拆的，从而在燃料容器中的补充燃料被消耗后可以容易地用另一燃料供应器代替。因此，采用简单的结构，可以还要更长时间地运行燃料电池。含有燃料供应器的燃料供应系统也可以是可拆的。
根据本发明，可以提供更长时间稳定运行液体燃料供应型燃料电池的技术。根据本发明，还可以使液体燃料供应型燃料电池紧凑。
附图说明
上述的其它的目的、特护和优点将由下面的优选实施方案连同附图而变得更加明显：
图1是示意性显示根据一个实施方案的燃料电池的结构的横截面图；
图2是沿着图1的A-A′线的燃料电池的横截面图；
图3是沿着图1的A-A′线的燃料电池的横截面图；
图4是示意性显示图1中燃料电池的单元电池的结构的横截面图；
图5是示意性显示根据一个实施方案的燃料电池的结构的横截面图；
图6是示意性显示根据一个实施方案的燃料电池的结构的横截面图；
图7是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图8是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图9是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图10是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图11是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图12是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图13是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图14是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图15是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图16是沿着图15的B-B′线的渗透控制薄膜的横截面图；
图17是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图18是沿着图17的B-B′线的渗透控制薄膜的横截面图；
图19是沿着图17的B-B′线的渗透控制薄膜的横截面图；
图20是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图21是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图22是显示根据一个实施方案的燃料电池的渗透控制薄膜的结构的横截面图；
图23是显示根据一个实施方案的燃料电池的结构的横截面图；
图24是显示图23中燃料电池系统的传感器的结构的图；
图25是显示图23中燃料电池系统的浓度测量单元的结构的图；
图26是显示根据一个实施方案的燃料电池的结构的横截面图；
图27是显示根据一个实施方案的燃料电池的结构的横截面图；和
图28是显示一个实施例的燃料电池的运行持续时间与电池电压之间关系的图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明的一些实施方案。附图中，相同的参考数字指的是共同的构成部分，并且其解释不再进行适当描述。
下面实施方案中描述的燃料电池可适当用于各种应用，其实例包括但不限于，小体积的电子设备如便携式电话，便携式个人电脑如笔记本电脑，PDA(个人数字助手)，各种照相机，航海系统，便携式音乐播放器等。
(第一实施方案)
图1是示意性显示该实施方案中燃料电池结构的平面图。
参考图1，燃料电池723包括多个单元电池结构体101、为多个单元电池结构体101放置的燃料容器713、将高浓度燃料725供应给燃料容器713的高浓度燃料容器715，以及位于燃料容器713和高浓度燃料容器715之间的渗透控制薄膜717。
放置燃料容器811使其与燃料电极102接触。将燃料容器811含有的燃料124供应给燃料电极102。将燃料容器811通过燃料通道719和721与燃料容器713相连。
燃料124通过燃料通道719被供应到燃料容器811。燃料可以沿着提供在燃料容器811中的多个隔离板853流动，并且顺序供应到多个单元电池结构体101。燃料在多个单元电池结构体101中循环，然后通过燃料通道721被收集到燃料容器713中。稍后详细描述单元电池结构体101的构造。
在该实施方案和下面的其它实施方案中，燃料124是指将要供应给单元电池结构体101的液体燃料，并且包括作为燃料组分的有机溶剂和水。燃料124中含有的燃料组分可以是液体有机燃料如甲醇、乙醇、二甲醚、其它醇类，以及如环烷烃的液体烃类等。下面描述的是其中燃料组分为甲醇的情况。尽管通常可以使用空气作为氧化剂，但是也可以供应氧气。
在燃料电池723中，高浓度燃料容器715通过渗透控制薄膜717与燃料容器713相邻。渗透控制薄膜717控制高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输。
燃料容器713含有燃料124，燃料124具有达到供应到单元电池结构体101程度的燃料组分浓度。高浓度燃料容器715中含有的是燃料组分浓度不低于燃料124的燃料组分浓度的高浓度燃料725。例如，如果燃料组分是甲醇，燃料容器713可以含有水或约50体积％或更小浓度的甲醇的水溶液。在这种情况下，高浓度燃料容器715可以含有甲醇或甲醇浓度不低于燃料124的甲醇浓度的甲醇水溶液。
在燃料电池723的运行中，燃料124从燃料容器713被消耗，而具有比燃料124低的燃料组分浓度的液体通过燃料通道721被回收。因此，随着燃料电池723的运行，燃料容器713中液体的燃料组分浓度降低，从而明显不同于高浓度燃料容器715中的液体的燃料组分浓度。
构建渗透控制薄膜717，使其对燃料组分的渗透性根据燃料容器713中液体的燃料组分浓度而变化。对于渗透控制薄膜717，这样的结构可以使用对燃料组分浓度敏感的薄膜。例如，这样的薄膜可以是根据燃料组分浓度改变其形状或形态从而改变其过流面积比率的薄膜。备选地，渗透控制薄膜717可以使用对燃料组分具有渗透性的燃料渗透性薄膜与闸板的组合，所述闸板覆盖有燃料渗透性薄膜，控制燃料渗透性薄膜的暴露面积。
该实施方案是参考使用根据燃料组分浓度而自身改变其过流面积比率的薄膜的情况描述的。燃料容器713和通过渗透控制薄膜717分开的高浓度燃料容器715实现了这样一种结构，其中让高浓度燃料725根据燃料组分浓度梯度通过渗透控制薄膜717从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
在这样的结构中，将高浓度燃料725从高浓度燃料容器715逐步地供应到燃料容器713，从而可以将燃料容器713中的燃料组分浓度保持在适合于单元电池结构体101中电力产生的浓度。还可以抑制燃料124的燃料组分浓度的下降，同时保持在这样的不发生跨接的低浓度。如此，可以稳定地获得高电池电压。由于高浓度燃料容器715含有高浓度燃料725，整个燃料电池723可以具有改善的体积能效。
可以将渗透控制薄膜717和高浓度燃料容器715集成为一个构件，所述构件被构造成可以从包括单元电池结构体101的燃料电池主体上拆下。例如，这样的组件可以是筒型燃料供应装置。备选地，可以将燃料容器713、渗透控制薄膜717和高浓度燃料容器715集成为一个组件，所述组件被构造成可以从包括单元电池结构体101的燃料电池主体上拆下。
下面描述渗透控制薄膜717的一些具体结构。图2A和2B是沿着图1A-A′线的横截面图，也是示意性显示渗透控制薄膜717结构的顶视图。图2A显示了处于低燃料组分浓度状态下的渗透控制薄膜735，而图2B显示了处于高燃料组分浓度状态下的渗透控制薄膜735。
图2中，渗透控制薄膜717由渗透控制薄膜735组成，其包括支持构件731和聚合物733，并且根据燃料组分浓度改变小孔737的大小以控制高浓度燃料725的传输。
支持物731可以是能够支持聚合物733的多孔膜，并且优选使用对燃料组分具有良好耐腐蚀性的材料。例如，支持构件可以是金属网、多孔金属薄板或者可发泡金属材料。多孔金属薄板可以是具有贯穿其两面以传输高浓度燃料725的孔的任何类型的多孔金属薄板，并且可以具有任何形状或厚度。例如，可以使用多孔薄金属板，也可以使用金属纤维薄板。金属纤维薄板可以是含有一种或多种成型成薄板的金属纤维的任何材料，并且可以使用金属纤维的非机织或机织薄板。支持构件731还可以由金属以外的任何材料制成，所述的材料如聚合物、陶瓷或玻璃。具体地，还可以使用化学纤维薄板或玻璃纤维薄板。
聚合物733可以由随着燃料组分浓度增加而溶胀的聚合物材料制成。例如，可以使用稍后所述的可用于单元电池结构体101固体电解质膜的材料。具体地，可以使用含有砜基的全氟化碳(Nafion(注册商标)，由Du PontK.K.制造)。还可以使用根据燃料组分浓度收缩和膨胀的烃-或聚酰亚胺-基薄膜。
例如，当燃料组分是甲醇时，这样的材料随着甲醇浓度下降而收缩。因此，当燃料容器713中的甲醇浓度由于燃料电池723的运行而减小时，小孔737的大小增加，从而提高过流面积比率。从而将更多的甲醇从高浓度燃料容器715传输到燃料容器713。使用这样的渗透控制薄膜735作为薄膜717，可以利用渗透控制薄膜717甲醇传输速度的差异来抑制燃料容器713中甲醇浓度的降低。如此，可以保持燃料124的甲醇浓度恒定，并且可以更长时间地将合适浓度的燃料124稳定地供应到单元电池结构体101。因此，燃料电池723可以稳定地运行更长的时间。
渗透控制薄膜735的使用消除了使用外部力量或外部电源来控制渗透控制薄膜717的必要性，因此可以使整个燃料电池723紧凑和轻便。
例如，可以通过包括将支持构件731浸渍在含有聚合物733的液体中并且将其干燥的方法制备渗透控制薄膜735。备选地，可以通过用液体喷涂或者将液体滴加到膜表面上等制备薄膜735。还可以在支持构件731表面上使用制造聚合物薄膜的常规方法如单体的接枝聚合法而制备薄膜735。
图3A和3B是各自显示渗透控制薄膜717另一构造的图。图3A显示了包括附着在燃料渗透性薄膜745一侧的渗透控制薄膜735的构造e，而图3B显示了包括附着在燃料渗透性薄膜745两侧的渗透控制薄膜735的结构。
燃料渗透性薄膜745对于燃料124的燃料组分是可渗透的。在含有附着在渗透控制薄膜735上的燃料渗透性薄膜745的结构中，薄膜735起到能够改变薄膜745暴露面积的闸板的作用。因此，可以调节燃料渗透性薄膜745的暴露面积，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
在如图3A或3B所示的渗透控制薄膜717结构中，燃料渗透性薄膜745可以使用稍后在第四实施方案等中描述的材料。
下面参考图4描述如图1所示的单元电池结构体101的构造。图4是示意性显示单元电池结构体101的横截面图。每个单元电池结构体101包括燃料电极102、氧化剂电极108和固体电解质膜114。
固体电解质膜114的作用是隔开燃料电极102和氧化剂电极108，并且让氢离子在它们之间移动。因此，优选固体电解质膜114具有高氢-离子导电性。在优选方式中，膜114还是化学稳定的，并且具有高机械强度。
固体电解质膜114的材料优选为含有极性基团的有机聚合物，所述的极性基团如强酸基，例如砜基、磷酸基、膦酸基和次磷酸基；和弱酸基，例如羧基。这样的有机聚合物的实例包括：含芳香基的聚合物如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亚苯基)和烷基磺化聚苯并咪唑；共聚物，如聚苯乙烯磺酸共聚物，聚乙烯基磺酸共聚物，以及由交联的烷基磺酸衍生物、氟树脂骨架和磺酸组成的含氟聚合物；通过丙烯酰胺如丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸与丙烯酸酯如甲基丙烯酸正丁酯共聚制备的共聚物；含有砜基的全氟化碳(Nafion(注册商标)，由Du Pont K.K.制造)，Aciplex(注册商标：由AsahiKasei Corporation.制造)；以及含有羧基的全氟化碳(Flemion S薄膜，由ASAHI GLASS CO.，LTD制造)。如果从这些聚合物中选择含有芳香基的聚合物如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亚苯基)、烷基磺化聚苯并咪唑等，可以控制液体有机燃料的传输，并且可以抑制跨接诱导的电池效率的下降。
燃料电极102和氧化剂电极108分别包括燃料电极侧催化剂层106和氧化剂电极侧催化剂层112，每种催化剂层均包括载有催化剂的碳粒子和固体电解质微粒，并且形成在基材104或110上。催化剂的实例包括铂以及铂与钌的合金等。燃料电极102和氧化剂电极108可以使用相同或不同的催化剂。
基材104和110可以由稍后在第三实施方案中所述的材料制成。这些基材表面可以是防水抛光过的。当如上所述使用甲醇作为燃料124时，在燃料电极102处产生二氧化碳。如果在燃料电极102处产生的二氧化碳气泡停留在燃料电极102周围，则可能抑制燃料124向燃料电极102的供应，这可能是发电效率下降的一个原因。因此，基材104优选是用亲水性或疏水性涂料进行表面处理的。用亲水性涂料表面处理的基材104表面提供提高的燃料流度，使得二氧化碳气泡可以容易地与燃料124一起移动。如果用疏水性涂料处理基材104表面，则可以减少水在基材104表面上的沉积，否则这种沉积可能是气泡产生的一个原因。
因此，可以减少基材104表面上的气泡产生。表面处理与振动燃料电池主体100的方法的协同作用可以更有效地将二氧化碳从燃料电极102除去，从而得到高的发电效率。亲水性涂料的实例包括氧化钛和氧化硅等。疏水性涂料的实例包括聚四氟乙烯和硅烷等。
可以如图1中所示的排列每个均如上所述构造的单元电池结构体101，以获得含有多个串连的单元电池结构体101的燃料电池723。备选地，可以堆垛单元电池结构体101以获得包括燃料电池堆垛的燃料电池。
根据该实施方案，将储存在高浓度燃料容器715中的高浓度燃料的高浓度燃料725通过渗透控制薄膜717供应到燃料容器713，所以可以控制燃料组分向燃料容器713的供应，并且可以将燃料124中燃料组分的浓度控制到预定浓度。从而，可以抑制从燃料容器713供应的燃料124的浓度随着燃料电池723的运行而下降。因此，在可以抑制跨接发生的同时，可以在单元电池结构体101中更长时间稳定进行电化学反应。
在如图3A或3B所示的使用渗透控制薄膜717结构的实施方案中，渗透控制薄膜735和燃料渗透性薄膜745之间的接触面积是可变的。在这样的结构中，对高浓度燃料725的渗透性随着燃料渗透性薄膜745和渗透控制薄膜735之间接触面积的增加而下降，因此可以更加精确地控制高浓度燃料725的渗透性。例如，这样的结构可以使用稍后在第四至第十四实施方案中所述的闸板机构。
(第二实施方案)
在根据第一实施方案的燃料电池723中，高浓度燃料容器715和渗透控制薄膜717可以位于邻近燃料通道719处。图5是显示根据该实施方案的燃料电池结构的图。
在图5的燃料电池727中，将高浓度燃料725从高浓度燃料容器715通过燃料通道719供应，以将从燃料容器713供应的液体的燃料浓度固定在预定的浓度。如此，可以抑制供应到单元电池结构体的燃料124中燃料组分浓度的降低，并且可以保持在预定的浓度。因此，在单元电池结构体101中抑制跨接发生的同时，可以更长时间稳定地获得高的电池电压。
在燃料电池727中，渗透控制薄膜717可以具有例如与根据第一实施方案的燃料电池723中的相同的结构。
(第三实施方案)
在该实施方案中，本发明应用于另一种燃料电池结构，其中将液体燃料直接供应给燃料电极。图6是示意性地显示根据该实施方案的燃料电池729的结构的示意图、
在图6的燃料电池中，基材104和110各自被构造使其既起到气体扩散层作用又起到集电极作用。基材104和110分别具有燃料电极侧接头447和氧化剂电极侧接头449。基材104和110可以由金属网、多孔金属薄板、可发泡金属材料等制成。在这样的结构中，可以在不使用金属体收集器(metal bulk collector)的情况下有效进行功率收集。
将燃料容器713连接到基材104上。如在第一实施方案中的那样，将高浓度燃料容器715通过渗透控制薄膜717连接到燃料容器713。燃料容器713与基材104的接触表面具有小孔(未显示)。因此，燃料124通过这些小孔被有效供应到基材104。可以将基材104和燃料容器713用对燃料124具有抵抗力的粘合剂等相互结合，或者使用螺栓和螺母等将其固定在一起。
在图6的燃料电池中，基材104的外周侧表面被封条429覆盖以防止燃料124泄漏。在没有大体积的集电极的情况下，燃料容器713直接与燃料电极102的基材104接触以供应燃料124。这样的结构可以形成更细、紧凑和轻便的燃料电池。
还可以将氧化剂电极108直接与将要供应的氧化剂126如空气或氧接触。可以通过任何不妨碍小型化的合适构件如包装构件，将氧化剂126供应给氧化剂电极108的基材110。
根据该实施方案，即使在构造成直接供应燃料124给燃料电极102的燃料电池中，也可以控制燃料124中燃料组分的浓度。因此，在抑制跨接发生的同时，可以更长时间地稳定进行电化学反应，并且可以小型化整个电池。
尽管图6图示了单片的单元电池结构体101，还可以如图1的燃料电池723中的那样，将多个单元电池结构体101在平面内串连，或者可以形成堆跺。
在燃料电池729中，渗透控制薄膜717可以具有例如与根据第一实施方案的燃料电池723中的相同的结构。
(第四实施方案)
在根据第一至第三实施方案的燃料电池中，渗透控制薄膜717可以具有下述结构。图7A至7C是显示位于燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717结构的横截面图。根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构还可以用于含有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的渗透控制薄膜717的根据第二实施方案的结构中。
参考图7A，渗透控制薄膜717包括隔墙741、燃料渗透性薄膜745和闸板739。该实施方案的燃料电池还包括控制闸板739开关状态的旋转单元743。
燃料渗透性薄膜745对燃料124中的燃料组分具有渗透性，由隔墙741支撑，并且放置以形成高浓度燃料容器715和燃料容器713之间的界面的一部分。燃料渗透性薄膜745可以是对燃料组分具有渗透性的任何薄膜，并且优选对燃料组分具有良好的耐腐蚀性。例如，可以使用对燃料组分具有耐受性的聚合物薄膜。还可以使用能够充当固体电解质膜114的薄膜等。备选地，可以使用金属网、多孔金属薄板等。
闸板739可以在燃料渗透性薄膜745表面上滑动，使其位于燃料渗透性薄膜745整个表面的一部分上。例如，闸板739是没有开口的平板。优选闸板739由对燃料组分耐腐蚀或者变形的材料制成。这样的材料的实例包括诸如特氟隆(Teflon)(注册商标)、聚乙烯和聚丙烯的聚合物材料；金属和陶瓷材料。
闸板739可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，以可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
尽管该实施方案和下面的其它实施方案是参考只在高浓度燃料容器715侧提供闸板739的结构作为实例而描述的，但是可以在燃料容器713侧上提供闸板739，或者在燃料容器713侧和高浓度燃料容器715侧上都提供闸板739。
图7A显示了闭合闸板739的状态。在该状态中，高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的。
图7B显示了闸板739打开的状态。闸板739的开和关是通过对旋转单元743进行旋转而进行的，所述的旋转单元743与闸板739啮合并且让闸板739滑动。在从图7A至图7B的过程中，通过旋转单元743的顺时针旋转而打开闸板739。
图7C显示了闸板739再次闭合的状态。在图7B至图7C的过程中，通过旋转单元743的逆时针旋转而闭合闸板739。
在具有这种结构的渗透控制薄膜717中，燃料渗透性薄膜745可以是如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)。当使用渗透控制薄膜735时，薄膜本身控制燃料组分传输的能力与通过闸板739的开和关对燃料组分传输的控制组合，使得可以更加精确地控制燃料容器713中燃料组分的浓度。例如，由于燃料124中甲醇的最佳浓度随着温度而变化，可以调节由闸板739形成的开口面积，以在需要更高甲醇浓度的低温下提供高浓度，而在可以在相对低浓度下产生电力的高温下提供低浓度。
可以使用啮合齿轮等进行用旋转单元743打开和闭合闸板739的移动。还可以使用电动机的电力等作为驱动力，或者使用通过螺旋弹簧等由人力聚集的力转化的电信号，来进行闸板739的打开和闭合。在这些机构中，电流值、把手位置等是可变的，从而可以通过控制电流值等改变由闸板739形成的开口面积。因此，可以将燃料渗透性薄膜745的暴露面积控制到所需的大小。备选地，可以提供这样一种机构，其中检测燃料容器713中或者燃料容器713和高浓度燃料容器715每个中的燃料组分浓度，以当浓度降低至低于特定值时打开闸板739，而当浓度增加时闭合闸板739。
尽管在该实施方案中燃料渗透性薄膜745是作为燃料容器713和高浓度燃料容器715之间的边界部分而提供的，但是燃料渗透性薄膜745还可以形成整个隔墙以代替所述的隔墙741。
(第五实施方案)
根据第一至第三实施方案的燃料电池可以具有如下所述的结构。图8A至8C是显示位于燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的横截面图。根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构还可以用于具有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的根据第二实施方案的渗透控制薄膜717的结构中。
参考图8，渗透控制薄膜717包括隔墙741、燃料渗透性薄膜745和闸板739。该实施方案的燃料电池还包括卷起闸板739的卷绕单元747。参考图8，当被根据第四实施方案的结构(图7A至7C)中的卷绕单元747卷起时，闸板739可以在燃料渗透性薄膜745表面上滑动。
图8A显示了闸板739闭合的状态。在该状态中，高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的。
图8B显示了闸板739打开的状态。闸板739的开和关是通过卷起闸板739的卷绕单元747的旋转进行的。在从图8A至图8B的过程中，通过卷绕单元747的顺时针旋转打开闸板739。
图8C显示了闸板739再次闭合的状态。在从图8B至图8C的过程中，通过卷绕单元747的逆时针旋转闭合闸板739。
用卷绕单元747卷绕闸板739驱动力可以源自电动机、螺旋弹簧等。还可以检测燃料容器713中或者燃料容器713和高浓度燃料容器715每个中的燃料组分浓度，以当浓度降低至低于特定值时打开闸板739，而当浓度增加时闭合闸板739。例如，可以通过电流值控制等改变由闸板739形成的开口面积。
尽管在该实施方案中燃料渗透性薄膜745也是作为燃料容器713和高浓度燃料容器715之间的边界部分而提供的，但是燃料渗透性薄膜745还可以形成整个隔墙代替所述的隔墙741。
如果闸板739包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，则可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透率。
(第六实施方案)
在实施方案中，根据第五实施方案的渗透控制薄膜717提供有补充单元，所述的补充单元借助弹力帮助用卷绕单元747开和关闸板739。图9A至9C是显示根据该实施方案的渗透控制薄膜717结构的横截面图。
该实施方案的燃料电池与第五实施方案一致，并且进一步包括柱749和751以及弹性构件753。将柱749固定在隔墙741的预定位置上，同时在隔墙741上提供可滑动的并且偶联在闸板739末端的柱751。
柱749和751通过弹性构件753连接。当打开闸板739时，弹性构件753延长，使得柱751远离柱749移动。当闸板739闭合时，弹性构件753收缩，使得柱751向着柱749移动。
图9A显示了闭合闸板739的状态。在该状态中，高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的。
图9B显示了打开闸板739的状态。闸板739的开和关是通过卷起闸板739的卷绕单元747的旋转进行的。在从图9A至图9B的过程中，通过卷绕单元747的顺时针旋转打开闸板739。在该过程中，柱751可以与闸板739一起移动，使得弹性构件753延长。
图9C显示了闸板739再次闭合的状态。在从图9B至图9C的过程中，通过卷绕单元747的逆时针旋转闭合闸板739。在该过程中，对柱751和闸板739施加力，使延长的弹性构件753收缩，从而加速闸板739的闭合。
如上所述，如果提供弹性构件753，可以施加力以闭合闸板739，因此这样的结构可以帮助闸板739的闭合。例如，弹性构件753可以是弹簧或橡胶等。弹性构件753的材料可以对燃料124的燃料组分具有耐腐蚀性。
在该实施方案中，闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第七实施方案)
根据第一至第三实施方案的燃料电池可以具有如下所述的结构。图10A至10C是显示提供在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的横截面图。根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构还可以用于具有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的根据第二实施方案的渗透控制薄膜717的结构中。
参考图10A至10C，渗透控制薄膜717包括隔墙741、燃料渗透性薄膜745和闸板739。该实施方案的燃料电池还包括偶联到闸板739上的轴755。图10A至10C显示了一种上推结构，这种结构根据第四实施方案(图7A至7C)，并且还包括轴755，通过该轴755将闸板739向上推。
图10A显示了闸板739闭合的状态。在该状态中，闸板739与燃料渗透性薄膜745紧密接触，所以高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的。
图10B显示了打开闸板739的状态。如图所示，闸板739的开和关是通过让轴755推动闸板739向上和向下移动而进行的。在从图10A至图10B的过程中，轴755可以向上移动从而推起闸板739，使得闸板739和燃料渗透性薄膜745之间形成空间。通过该空间，高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
图10C显示了闸板739再次闭合的状态。在从图10B至图10C的过程中，如图所示，轴755可以向下移动，从而使闸板739与燃料渗透性薄膜745接触。
在根据该实施方案的结构中，用轴755推起闸板739，使得燃料渗透性薄膜745与高浓度燃料容器715中的高浓度燃料725接触，如此可以控制燃料容器713中的燃料组分浓度。轴755的上推运动可以通过以下方式进行：通过卵型凸轮的旋转推起杆状轴755，或者拧紧螺杆轴755。可以用电流值控制等来改变由闸板739形成的开口面积。
尽管在该实施方案中燃料渗透性薄膜745也是在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间的部分边界处提供的，但是燃料渗透性薄膜745还可以形成整个隔墙代替所述的隔墙741。
闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第八实施方案)
在根据第七实施方案的燃料电池中，根据该实施方案提供上拉结构，以通过轴755打开和闭合闸板739。图11是显示根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构的横截面图。
图11A显示了闸板739闭合的状态。在高浓度燃料容器715中心部分的闸板739的末端提供轴755。在该状态中，闸板739与燃料渗透性薄膜745紧密接触，所以高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的。
图11B显示了打开闸板739的状态。如图所示，开和关是通过让轴755拉动闸板739以向上和向下运动而进行的。在从图11A至图11B的过程中，轴755可以向上运动而拉起闸板739。从而在闸板739和燃料渗透性薄膜745之间形成空间。通过该空间，高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
图11C显示了闸板739再次闭合的状态。在从在图11B至图11C的过程中，如图所示，轴755可以向下运动，使闸板739与燃料渗透性薄膜745接触。
在根据该实施方案的结构中，用轴755拉起闸板739，使得燃料渗透性薄膜745与高浓度燃料容器715中的燃料组分接触，如此可以控制燃料容器713中的燃料组分浓度。轴755的上拉运动可以使用第七实施方案中所述的方式进行。
在该实施方案中，闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第九实施方案)
在根据第八实施方案的燃料电池中，在高浓度燃料容器715的端侧上闸板739的末端提供根据该实施方案的轴755。图12A至12C是显示根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构的横截面图，并且分别对应于图11A至11C的结构。
即使在通过轴755开和关闸板739的上拉机构中具有位于高浓度燃料容器715端侧的轴755，也可以如在根据第八实施方案的渗透控制薄膜717的情况下那样控制高浓度燃料725的传输。
在该实施方案中，闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第十实施方案)
根据第一至第三实施方案的燃料电池还可以具有如下所述的结构。图13A至13C是显示提供在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的横截面图。根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构还可以用于具有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的根据第二实施方案的渗透控制薄膜717的结构中。
参考图13，渗透控制薄膜717包括隔墙741、燃料渗透性薄膜745和闸板757。该实施方案的燃料电池还包括偶联到闸板757上的旋钮759。闸板757是挡板形式的，并且通过转动旋钮759而开和关。
图13A显示了闸板757闭合的状态。在该状态中，构成闸板757的每块板与燃料渗透性薄膜745紧密接触，因而高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的。
图13B显示了打开闸板757的状态。在从图13A至图13B的过程中，如图所示，闸板757的每块板通过顺时针转动旋钮759而被升起，使得在闸板757和燃料渗透性薄膜745之间形成空间。通过该空间，燃料组分可以从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
图13C显示了闸板739再次闭合的状态。在从图13B至图13C的过程中，如图所示，逆时针转动旋钮759，使闸板757再次与燃料渗透性薄膜745接触。
在根据该实施方案的结构中，通过旋钮759升起闸板757，使得燃料渗透性薄膜745与高浓度燃料容器715中的高浓度燃料725接触，如此可以控制燃料容器713中的燃料组分浓度。例如，可以使用轴代替旋钮759。在这种情况下，可以通过卵型凸轮的旋转上推轴而进行闸板757的升起运动。可以通过电流值控制等来改变由闸板757形成的开口面积。
尽管在该实施方案中燃料渗透性薄膜745也是在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间的部分边界处提供的，但是燃料渗透性薄膜745还可以形成整个隔墙代替所述的隔墙741。
闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第十一实施方案)
在根据第十实施方案的燃料电池中，根据该实施方案，在高浓度燃料容器715端侧上的闸板757的末端处提供轴761代替旋钮759。图14A至14C是显示根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构的横截面图，并且分别对应于图13A至13C的结构。在该实施方案中，闸板757被分成类似挡板的多个小部分，如图所示地升起连接闸板757的部分的轴761，从而控制由闸板757形成的开口面积。
即使在通过轴761开和关闸板757的上拉机构中具有位于高浓度燃料容器715端侧的轴761，也可以如在根据第十实施方案的渗透控制薄膜717的情况下那样控制高浓度燃料725的传输。
在该实施方案中，闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第十二实施方案)
根据第一至第三实施方案的燃料电池可以具有如下所述的结构。图15A和15B是显示提供在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的横截面图。图16A是示意性显示沿着图15A和15B的B-B′线的横截面中闸板763的形状的平面图。
根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构还可以用于具有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的根据第二实施方案的渗透控制薄膜717的结构中。
参考图15，渗透控制薄膜717包括隔墙741、燃料渗透性薄膜745和闸板763。该实施方案的燃料电池还包括连接到闸板763上的旋钮767。闸板763是盘状的，具有三个不同大小的开口764至766。开口面积从最小至最大的次序为开口764、765和766。应当理解，开口数不限于三个，可以是一个或多个中的任一数值。
图15A显示了关闭闸板763的状态。在该状态中，闸板763中提供的开口765的位置与燃料渗透性薄膜745的位置不相符，因而高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的。
图15B显示了打开闸板763的状态。在从图15A至图15B的过程中，如图所示，顺时针转动旋钮767使闸板763中提供的开口765正好位于燃料渗透性薄膜745上方。因此，高浓度燃料725可以通过开口765从高浓度燃料容器715移动到燃料容器。
图16A至16E显示了通过转动旋钮767改变燃料渗透性薄膜745暴露部分大小的状态。
与图15A相应的图16B是显示闸板763与燃料渗透性薄膜745的位置之间的关系的顶视图，其中开口764至766中没有一个位于燃料渗透性薄膜745的正上方，使得闸板763处于关闭状态。
图16C显示了开口面积最小的开口764位于燃料渗透性薄膜745正上方的状态。在该状态中，闸板763略微打开，使得非常少量的高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动至燃料容器713。
图16D显示了开口面积第二小的开口765位于燃料渗透性薄膜745正上方的状态。在该状态中，闸板763打开了约1/4，使得少量的高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动至燃料容器713。
图16E显示了开口面积最大的开口765位于燃料渗透性薄膜745正上方的状态。在该状态中，闸板763完全打开，使得大量的高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动至燃料容器713。
根据第一至第三实施方案的燃料电池可以以如下所述的方式使用。在初始阶段，开口764、765和766的位置中没有一个与燃料渗透性薄膜745的位置相符，从而以完全关闭状态进行操作。当燃料容器713中燃料组分的浓度由于电池运行而减少时，在控制下转动旋钮767，使得开口面积逐步增加，并且依次使用开口764、765和766，以增加开口面积。当燃料容器713中燃料组分的浓度变得足够高时，减小开口面积。
在该实施方案中，通过转动旋钮767，将闸板763的面在燃料渗透性薄膜745上旋转，从而转换由闸板763形成的开口764至766的位置。在这种机构中，可以调节燃料渗透性薄膜745的遮蔽面积，因此可以更加精确地控制通过燃料渗透性薄膜745的高浓度燃料725的传递量。在这种具有与高浓度燃料容器715中的高浓度燃料725接触的燃料渗透性薄膜745的结构中，可以控制燃料容器713中燃料组分的浓度。
尽管在该实施方案中燃料渗透性薄膜745也是在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间的部分边界处提供的，但是燃料渗透性薄膜745还可以形成整个隔墙代替所述的隔墙741。
闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第十三实施方案)
根据第一至第三实施方案的燃料电池可以具有如下所述的结构。图17A和17B是显示提供在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的横截面图。
图18A是示意性显示沿着图17A和17B的B-B′线的横截面中闸板769的形状的平面图。图18B示意性显示沿着图17A和17B的B-B′线的横截面中形成开口的隔墙771的形状的平面图。
根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构还可以用于具有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的根据第二实施方案的渗透控制薄膜717的结构中。
参考图17A和17B，渗透薄膜717包括隔墙741、燃料渗透性薄膜745、闸板769和形成开口的隔墙771。该实施方案的燃料电池还包括连接到闸板769上的旋钮767。
闸板769提供于燃料渗透性薄膜745上，并且具有多个开口773。对开口773的数量没有限制。闸板769被设置成通过转动旋钮767而使其表面围绕拥有轴的旋钮767而旋转。
形成开口的隔墙771被固定在隔墙741中，并且具有开口775。开口775位于燃料渗透性薄膜745的正上方，并且与燃料渗透性薄膜745一样大。在该实施方案中，尽管图中所示的闸板769和燃料渗透性薄膜745每个都是扇形的，但是它们不限于扇形，并且可以为圆形等。闸板769具有多个开口773。可以根据燃料渗透性薄膜745的燃料渗透性适当选自开口773的数量和形状。
图19A至19C显示了通过转动旋钮767改变开口775暴露部分的大小的状态。
对应于图17A的图19A是显示闸板769和形成开口的隔墙771相互重叠的状态的顶视图。在该状态中，形成开口的隔墙771中提供的开口775被闸板769覆盖，因而是屏蔽的。由于开口775是半打开的，只在开口773和开口775相互重叠的部分暴露燃料渗透性薄膜745。通过该暴露部分，高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
图19B是显示闸板769与形成开口的隔墙771相互部分重叠的状态的顶视图。在该状态中，提供在形成开口的隔墙771中的开口775与闸板769部分重叠，因而是屏蔽的。如此，燃料渗透性薄膜745暴露于开口773与开口775相互重叠的部分以及没有被闸板769覆盖因而是暴露的形成开口的隔墙771部分。通过这些暴露部分，高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
对应于图17B的图19C是显示闸板769与形成开口的隔墙771彼此不重叠的状态的顶视图。在该状态中，提供在形成开口的隔墙771中的开口775没有被闸板769覆盖，因此是暴露的，从而通过开口775暴露燃料渗透性薄膜745。通过该暴露部分，高浓度燃料725可以从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
例如，具有该实施方案的渗透控制薄膜717的燃料电池可以以如下所述的方式使用。在初始阶段，电池在闸板769与形成开口的隔墙771相互重叠的状态下运行。当燃料容器713中燃料组分的浓度由于电池运行而减小时，在控制下转动旋钮767，使得开口775的开口面积逐步增加，并且减小闸板769与形成开口的隔墙771之间的重叠。当燃料容器713中燃料组分的浓度变得足够高时，增加闸板769与形成开口的隔墙771之间的重叠。
在该实施方案中，闸板769的位置是通过转动旋钮767而变换的，从而可以调节燃料渗透性薄膜745的屏蔽面积。因此，可以更加精确地控制通过燃料渗透性薄膜745的高浓度燃料725的传递。在这种具有与高浓度燃料容器715中的高浓度燃料725接触的燃料渗透性薄膜745的结构中，可以控制燃料容器713中燃料组分的浓度。
在具有形成开口的隔墙771的结构中，燃料渗透性薄膜745没有与闸板769直接接触。因此，即使当燃料渗透性薄膜745变形等的时候，也可以防止闸板769的运动被中断，从而可以更加稳定地调节高浓度燃料725的传输量。
尽管在该实施方案中燃料渗透性薄膜745也是在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间的部分边界处提供的，但是燃料渗透性薄膜745还可以形成整个隔墙代替隔墙741。
在该实施方案中，尽管作为一个实例描述了所有开口773都具有相同大小的情况，但是还可以这样安排开口773，使它们的大小逐步变化。在这样的安排中，可以逐步改变燃料渗透性薄膜745的暴露面积，从而可以更加精确地控制高浓度燃料725的传输量。
闸板739还可以包括如第一实施方案中所示的渗透控制薄膜735(图2)，从而可以更加精确地控制对高浓度燃料725的渗透性。
(第十四实施方案)
根据第一至第三实施方案的燃料电池可以具有如下所述的结构。图20A和20B是显示提供在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的横截面图。
根据该实施方案的渗透控制薄膜717的结构还可以用于具有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的根据第二实施方案的渗透控制薄膜717的结构中。
参考图20A和20B，渗透控制薄膜717包括燃料渗透性薄膜745、位于部分燃料渗透性薄膜745上的渗透控制薄膜735以及位于部分燃料渗透性薄膜745上的闸板791。该实施方案的燃料电池还包括连接到闸板791的旋钮767。
燃料渗透性薄膜745具有开口793。闸板791是盘状的，由渗透控制薄膜735形成，并且具有开口795。可以任意选择开口793和795的形状和数量。
图20A显示了关闭闸板791的状态。在该状态中，提供在闸板791中的开口795的位置与燃料渗透性薄膜745的开口793的位置不相符，因此高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输是受限制的，并且根据渗透控制薄膜735对高浓度燃料725的渗透性而受到控制。
图20B显示了打开闸板791的状态。在从图20A至图20B的过程中，如图所示，顺时针转动旋钮767，使得提供在闸板791中的开口795位于燃料渗透性薄膜745的开口793的正上方。在该过程中，高浓度燃料725可以通过开口795和793从高浓度燃料容器715移动到燃料容器713。
在该实施方案中，燃料渗透性薄膜745具有开口793，并且如此构造闸板791，使其通过转动旋钮767而在燃料渗透性薄膜745上旋转。如此，可以变换形成的开口795至闸板791的位置。在这种机构中，如果高浓度燃料容器715中高浓度燃料725的浓度变得适合供应给单元电池结构体101，可以完全打开燃料容器713与高浓度燃料容器715之间的部分边界。因此，可以适当控制高浓度燃料725的供应。
在图20A和20B所示的结构中，还可以将燃料渗透性薄膜745附着在渗透控制薄膜735的燃料容器713侧表面上。
(第十五实施方案)
在根据第一至第三实施方案的燃料电池中，渗透控制薄膜717包括根据该实施方案的弹性薄板。图21A和21B是显示提供在燃料容器713与高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的顶视图。
图21A和21B中所示的渗透控制薄膜717包括弹性薄板777与燃料渗透性薄膜745的层压薄膜。弹性薄板777具有切口779，如图所示，该切口通过在薄板的水平方向上拉动薄板777而打开。使用弹性薄板777作为渗透控制薄膜717，可以通过调节在其平面方向上拉动弹性薄板777的强度来调节切口779的开口面积。因此，可以控制高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输。
(第十六实施方案)
根据该实施方案，在根据第一至第三实施方案的燃料电池中，渗透控制薄膜717是由这样一种薄板形成的，该薄板具有当电流通过时收缩的部件。图22A和22B是显示提供在燃料容器713和高浓度燃料容器715之间边界处的渗透控制薄膜717的结构的顶视图。
图22A和22B中所示的渗透控制薄膜717包括薄板781与燃料渗透性薄膜745的层压薄膜。弹性部件783形成于部分薄板上。弹性部件783具有切口785。弹性部件783当电流流经它时收缩，从而通过收缩增加切口785的开口面积。
可用于弹性部件的弹性构件由可以在通电流时收缩的材料如人造肌制成，或者由具有在通电流时收缩的骨架的聚合物制成。
使用渗透控制薄膜717的薄板781，通过调节施加到薄板781上的电流值，可以调节弹性部件783的开口面积。因此，可以控制高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的传输。
(第十七实施方案)
根据该实施方案，根据上述实施方案的燃料电池还包括传感器，所述的传感器检测在构成单元电池结构体101的燃料容器713中燃料组分的浓度。有了该传感器，可以基于检测到的燃料容器713中燃料组分的浓度反馈-控制燃料容器713中或燃料通道719中的燃料组分的浓度。在该实施方案中，燃料组分是甲醇，并且作为一个实例，下面将描述使用甲醇水溶液作为燃料124的情况。
图23显示的是根据该实施方案的燃料电池系统的构造的一个实例的图。参考图23，燃料电池系统787包括燃料电池主体100、传感器668、浓度测量单元670、控制单元672、渗透控制薄膜717和警告指示单元680。燃料电池主体100可以是根据上述实施方案的燃料电池。特别地，优选使用其中渗透控制薄膜717具有闸板的燃料电池，因为可以根据燃料容器713中燃料组分的浓度适当地控制闸板的开和关。这些燃料电池具有单元电池结构体101。
传感器668用于检测燃料容器713中含有的燃料124中燃料组分的浓度。传感器668包括聚合物薄膜665、第一电极端666和第二电极端667。聚合物薄膜665具有质子传导性。聚合物薄膜665是用来自燃料容器713的燃料124浸渍的，并且由根据燃料124中醇的浓度改变其质子传导率的材料制成。在根据该实施方案的燃料电池系统787中，可以基于聚合物薄膜665质子传导率的变化来检测燃料容器713中燃料124的甲醇浓度。
聚合物薄膜665可以由根据燃料124中醇浓度改变其质子传导率的任何材料制成。例如，可以由与用于燃料电池主体100的固体电解质膜114的材料相同的材料制成。
第一和第二电极端666和667彼此分开地位于聚合物薄膜665的表面上或者聚合物薄膜665中，其中聚合物薄膜665由根据醇浓度改变其质子传导率的材料制成。当电流经由聚合物薄膜665穿过第一和第二电极端666和667时，第一和第二电极端666和667之间的电阻根据燃料容器713中或燃料通道719中燃料124的醇浓度而变化。浓度测量单元670基于第一和第二电极端666和667之间的电阻来测量燃料容器713中燃料124的浓度。稍后描述浓度测量单元670的构造。
图24是显示传感器668细节的图。图24(a)显示的提供传感器668的第一和第二电极端666和667的面。图24(b)是图24(a)的侧视图。第一和第二电极端666和667可以由在燃料124中稳定的并且具有导电性的任何材料制成。可以用导电膏将第一和第二电极端666和667附着在聚合物薄膜665上。导电膏可以是含有金属如金或银的聚合物膏，或者导电性聚合物如丙烯酰胺聚合物的聚合物膏。如图23中所示，将第一和第二电极端666和667分别经由接线710a和710b导电连接到浓度测量单元670。
参考图23，将由浓度测量单元670测量的燃料容器713中燃料124的醇浓度传送给控制单元672。控制单元672确定浓度测量单元670测量的醇浓度是否在合适的范围内，并且控制渗透控制薄膜717，以将燃料容器713中燃料124的醇浓度保持在合适的范围内。基于控制单元672的控制，渗透控制薄膜717控制从高浓度燃料容器715供应到燃料容器713的燃料124的量。具体地，例如，在渗透控制薄膜717具有闸板的情况下，可以使用电信号等来控制闸板的开和关。
即使在重复控制渗透控制薄膜717的过程之后，如果燃料容器713中燃料124的醇浓度不在合适的范围内，控制单元672也让警告指示器680发出警告。
图25是显示浓度测量单元670的结构细节的图。浓度测量单元670包括测量第一和第二电极端666和667之间电阻的电阻测量单元(R/O)682，基于电阻测量单元682测量的电阻计算燃料容器713中醇浓度的浓度计算单元(S/O)684，以及储存显示甲醇浓度和第一和第二电极端666和667之间电阻的关系的参考数据的参考数据存储单元685。电阻测量单元682可以是含有桥接电路的交流电阻抗计。可以使用具有20mV或更小的低波幅的交流电来测量第一和第二电极端666和667之间的电阻。浓度计算单元684基于来自参考数据存储单元685的参考数据、从电阻测量单元682测量的电阻来计算甲醇浓度。
在根据该实施方案的燃料电池系统787中，燃料容器713中的醇浓度是用简单的结构检测的，所述结构中，第一和第二电极端666和667仅附着在聚合物薄膜665上。因此，特别是在具有装备有闸板的渗透控制薄膜717的结构中，可以精确地控制闸板的开和关运动。
根据该实施方案的燃料电池系统的结构还可以用于根据第二实施方案的具有位于燃料通道719和高浓度燃料容器715之间的渗透控制薄膜717的结构中。
在构成单元电池结构体101的固体电解质膜114的某个区域，该区域既没有提供燃料电极侧催化剂层106也没有提供氧化剂电极侧催化剂层112，可以用来代替聚合物薄膜665。在这种情况下，可以直接检测单元电池结构体101的固体电解质膜114中的燃料组分浓度来控制燃料124的浓度。
(第十八实施方案)
在根据上述实施方案的燃料电池或燃料电池系统的燃料供应系统中，内部压力可能随着电池运行而增加，因为产生了诸如二氧化碳的气体。因此，可以构造燃料容器713，使其内部压力是可变的。图26显示的是根据该实施方案的燃料电池的结构。在图26所示的结构中，构造燃料容器713，使其在图6的燃料电池中具有风箱侧壁。如图所示，燃料容器713是具有可变体积的袋形。因此，随着燃料容器713内部压力的增加，燃料容器713使风箱膨胀从而具有增加的体积，因此可以防止因燃料容器713中内部压力增加导致的高浓度燃料725从高浓度燃料容器715的供应中断。
备选地，图26中所示的燃料电池可以包括塑料袋状燃料容器713以具有可变的体积。燃料容器713还可以具有用于防止内部压力增加的排气阀门。
图27显示的是根据该实施方案的燃料电池的另一结构。参考图27，如图6所示的燃料电池还包括气体导管789，通过该气体导管789将在燃料电极102处产生的二氧化碳引导到高浓度燃料容器715。在这种结构中，利用在燃料电极102处产生的气体的压力，可以增加高浓度燃料容器715的内部压力，从而进一步确保高浓度燃料725从高浓度燃料容器715向燃料容器713的供应。
尽管该实施方案是参考作为一个实例的图6的燃料电池的情况而描述的，也可以在如上所述的燃料电池或燃料电池系统的其它结构中的任一种中采用该实施方案。
如上根据这些实施方案描述了本发明。这些实施方案是举例说明性的，本领域的普通技术人员应当清楚，每个构造的更改和变化以及上述方法的任何组合都可以在本发明的范围内。
例如，控制燃料容器713中或燃料通道719中燃料124的燃料组分浓度的方法可以包括：预先监测燃料电池运行的期间和燃料容器713中或燃料通道719中燃料组分的浓度，并且基于监测的数据，控制通过渗透控制薄膜717的高浓度燃料725的传输，具体而言控制诸如闸板开和关之类的运动。根据这种结构，不需要提供控制单元，并且可以获得更加紧凑和轻便的燃料电池。
通过高浓度燃料容器715和渗透控制薄膜717将高浓度燃料725供应到燃料容器713的系统可以与供应任一合适浓度的水或甲醇的装置一起提供。组合的装置通过泵或通过滴流方法等供应水或甲醇。因此，即使当燃料容器713中燃料124的量由于挥发等而减少时，也可以将其量调节到合适的量。如此，可以改善燃料124浓度的可控性。
(实施例)
在该实施例中，制备具有图6结构的燃料电池，并且评估电池电压随时间的变化。在具有图6结构的燃料电池中，燃料容器713填充有60ml的10体积％甲醇水溶液，同时高浓度燃料容器715填充有50体积％的甲醇水溶液。渗透控制薄膜717是由涂覆了Nafion(注册商标)的不锈金属网组成的渗透控制闸板735形式的。渗透控制薄膜735在干燥状态的厚度为500μm。将渗透控制薄膜735附着在Nafion 177薄膜上，充当燃料渗透性薄膜745。从燃料容器713以15ml/分钟的速度供应甲醇水溶液，同时如实施例中那样进行相同的试验。将空气中的氧用于氧化剂电极108。
燃料电池单元的催化剂中，用于燃料电极的是铂/钌，用于氧化剂电极的是铂。固体电解质膜的构成材料是Nafion(注册商标)。
(比较例)
采用实施例的结构制备燃料电池，不同之处在于既不提供高浓度燃料容器715也不提供渗透控制薄膜717。当采用与实施例相同的方式评估电池电压随时间的变化时，燃料容器713中装有60ml的10体积％甲醇水溶液，该甲醇水溶液以15ml/分钟的速度供应。
评估
图28显示的是燃料电池的运行期间和电池电压之间的关系的曲线图。如图28所示，已经证明具有双槽的实施例的燃料电池抑制了运行过程中电池电压的下降，并且与比较例的燃料电池对比，在更长的时间内产生稳定的输出。这应当是因为提供在高浓度燃料容器715与燃料容器713之间边界处的渗透控制薄膜735适当地抑制了从燃料容器713供应的燃料124中燃料组分浓度的下降。

Claims (9)

1、一种燃料供应器，该燃料供应器位于燃料电池的燃料供应系统中，包括：
燃料容器；
渗透控制薄膜，通过该渗透控制薄膜将所述燃料容器中含有的补充燃料限制性地传输，
其中让所述的补充燃料通过所述的渗透控制薄膜移动到所述的燃料供应系统，
其中所述的渗透控制薄膜位于燃料的流路上，并且所述的渗透控制薄膜由根据燃料组分浓度改变其形状或形态的材料制成；并且
所述燃料容器中含有液体燃料。
2、根据权利要求1所述的燃料供应器，
其中所述的薄膜根据所述液体燃料的浓度收缩和膨胀，以改变薄膜上的孔的大小。
3、根据权利要求1所述的燃料供应器，
其中所述的渗透控制薄膜包含传输在所述燃料容器中容纳的所述补充燃料的燃料渗透性薄膜和位于所述燃料渗透性薄膜上并且控制所述燃料渗透性薄膜暴露面积的闸板构件。
4、根据权利要求3所述的燃料供应器，
其中所述的闸板构件基于所述燃料供应系统中所述液体燃料的燃料浓度控制所述燃料渗透性薄膜的暴露面积。
5、根据权利要求3所述的燃料供应器，
其中所述的闸板构件包括具有切口部分的弹性薄膜，并且根据所述液体燃料的浓度，让所述弹性薄膜的表面膨胀和收缩，以使切口部分改变其形状并且控制所述燃料渗透性薄膜的暴露面积。
6、根据权利要求3所述的燃料供应器，还包括闸板控制构件，该闸板控制构件让所述闸板构件在所述燃料渗透性薄膜表面上滑动，从而控制所述燃料渗透性薄膜的暴露面积。
7、根据权利要求1所述的燃料供应器，还包含燃料供应单元，该燃料供应单元通过所述渗透控制薄膜与所述燃料容器相邻，并且被构造成具有可变体积的袋形以使其根据其内部压力改变其体积。
8、一种燃料电池，其包含：
固体电解质膜；
位于所述固体电解质膜上的燃料电极和氧化剂电极；和
向所述燃料电极供应燃料的燃料供应系统，
其中所述的燃料供应系统具有根据权利要求1至7中任何一项所述的燃料供应器。
9、根据权利要求8所述的燃料电池，还包含气体导管，通过该气体导管将所述燃料电极处产生的气体导向所述燃料容器。
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