CN101138119A - 燃料电池系统及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料盒，其包括具有出口的外壳、包含燃料的燃料容器、与燃料容器及出口流体连通的流动控制机构、以及电源。流动控制机构为可操作的以控制燃料流过出口。

Description

燃料电池系统及相关方法
本发明涉及燃料电池系统。
燃料电池是能够由典型地发生在两个或多个反应物之间的电化学反应提供电能的装置。通常，燃料电池包括两个电极(称为阳极和阴极)以及设置在电极之间的固体电解质。阳极包含阳极催化剂，而阴极包含阴极催化剂。电解质如电解质膜典型地为离子导电而非电子导电。电极和固体电解质可设置在两个气体扩散层(GDL)之间。
在燃料电池操作期间，将反应物加到合适的电极上。在阳极，反应物(阳极反应物)与阳极催化剂相互作用并形成反应中间产物，如离子和电子。离子反应中间产物可通过电解质由阳极流向阴极。然而，电子通过电连接阳极和阴极的外部负载从阳极流向阴极。当电子流经外部负载时提供电能。在阴极，阴极催化剂与其它反应物(阴极反应物)、阳极形成的中间产物以及电子相互作用完成燃料电池反应。
例如，在一类有时称为直接甲醇燃料电池(DMFC)的燃料电池中，阳极反应物包括甲醇和水，而阴极反应物包括氧(如，来自空气)。在阳极，甲醇被氧化；而在阴极，氧被还原：
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-     (1)
3/2O2+6H++6e-→3H2O        (2)
CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O      (3)
如式1所示，甲醇的氧化生成二氧化碳、质子和电子。质子通过电解质由阳极流向阴极。电子经外部负载从阳极流向阴极，从而提供电能。在阴极，质子和电子与氧反应生成水(式2)。式3示出总燃料电池反应。
本发明涉及燃料电池系统。
在本发明的一个方面，燃料盒包括具有出口的外壳、位于外壳内的燃料容器、与燃料容器及出口流体连通的流动控制机构、以及位于外壳内的电源。可操作流动控制机构来控制燃料流过出口。
在本发明的另一个方面，燃料电池系统包括燃料电池组合件。所述组合件包括燃料电池和适于接纳燃料电池所产生的能量的致动器。燃料电池系统也包括适于连接到燃料电池组合件上的燃料盒。燃料盒包括限定出口的外壳、位于外壳内的燃料容器、与燃料容器及出口流体连通的流动控制机构、以及与致动器连通的电源。可操作流动控制机构来控制燃料流过出口。
在本发明的另一个方面，燃料电池系统包括燃料电池组合件。所述组合件包括燃料电池和适于连接到燃料电池组合件上的燃料盒。燃料盒包括限定出口的外壳、位于外壳内的燃料容器、与燃料容器及出口流体连通的流动控制机构、以及电源。可操作流动控制机构来控制燃料流过出口。
在本发明的另一个方面，燃料盒包括具有出口的外壳、位于外壳内的燃料容器、与燃料容器及出口流体连通的流动控制机构、以及外壳内的致动器。致动器被构型为操作流动控制机构以控制燃料流过出口。
在本发明的另一个方面，所述方法包括将燃料源连接到燃料电池上，检测燃料电池中的有效能级，并且当测出有效能级小于第一预定能级时，为燃料电池提供来自电源的能量。
实施方案可包括下列一个或多个特征。
在一些实施方案中，将燃料盒连接到燃料电池组合件上。
在某些实施方案中，将流动控制机构连接到致动器上。
在一些实施方案中，将流动控制机构机械连接到致动器上。
在某些实施方案中，机械连接包括花键轴、栓槽轴、牙嵌式离合器、摩擦式离合器、齿轮和/或杆。
在一些实施方案中，致动器位于燃料电池组合件内，并且燃料盒连接到燃料电池组合件上。
在某些实施方案中，致动器位于燃料盒内。
在一些实施方案中，致动器包括压电元件。
在某些实施方案中，流动控制机构包括泵。
在一些实施方案中，所述泵包括蠕动泵、叶轮泵、螺杆泵、隔膜泵、齿轮泵、波纹管泵和/或活塞泵。
在某些实施方案中，流动控制机构包括阀门。
在一些实施方案中，阀门包括隔膜阀、针型阀、回转阀、旋塞阀、挡板阀、提升阀、圆盘阀、闸门阀、鸭嘴阀、伞阀和/或狭口阀。
在某些实施方案中，电源包括一次电池。
在一些实施方案中，一次电池产生最多约3W。
在一些实施方案中，一次电池产生至少约50mW。
在某些实施方案中，燃料包括甲醇、乙醇、烃、甲酸、氨和/或肼。
在一些实施方案中，燃料处于约0.01MPa(0.1大气压)至约1.01MPa(10大气压)的压力下。
在某些实施方案中，燃料容器包括燃料囊。
在一些实施方案中，燃料电池组合件还包括二次电池。
在某些实施方案中，燃料电池系统还包括连接到二次电池与电源上的控制装置。该控制装置适于确定二次电池的功率电平是否足以操作致动器。
在一些实施方案中，控制装置适于在测出功率电平不足以操作致动器时将电源电连接到致动器上。
在某些实施方案中，将流动控制机构连接到致动器上。
在一些实施方案中，燃料电池系统还包括与电源连通的致动器。
在某些实施方案中，致动器位于燃料电池组合件内。
在一些实施方案中，致动器位于燃料盒内。
在某些实施方案中，燃料盒包括被构形成能够向燃料囊施加压力的压力源。
在一些实施方案中，压力源包括弹簧支承机构。
在某些实施方案中，压力源包括加压流体。
在一些实施方案中，致动器的外壳与燃料盒的外壳整体成形。
在某些实施方案中，第一预定能级是启动燃料电池操作所需的最小能级。
在一些实施方案中，第一预定能级是操作燃料电池致动器预定的一段时间所需的最小能级。
在某些实施方案中，所述方法还包括在测出有效能级大于第二预定能级时停止由电源向燃料电池供给能量。
在一些实施方案中，第二预定能级是维持燃料电池操作所需的最小能级。
在某些实施方案中，连接燃料源至燃料电池包括连接燃料盒至燃料电池。燃料盒包括燃料源和电源。
在一些实施方案中，所述方法还包括将能量由燃料电池转移至电子装置。
其它特征和优点附在说明书、附图和权利要求书中。
图1是一种燃料电池系统实施方案的示意图。所述燃料电池系统包括连接到燃料电池组合件上的燃料盒。
图2是一种燃料电池系统实施方案的示意图。所述燃料电池系统包括具有位于其内的致动器的燃料盒。
图3是一种燃料电池系统实施方案的示意图。所述燃料电池系统包括具有位于其内的流动控制机构的燃料电池组合件。
图4是一种燃料电池系统的示意图。所述燃料电池系统包括具有加压燃料源和阀门的燃料盒。
参见图1，燃料电池系统10包括连接到燃料电池组合件24上的燃料盒12。燃料盒12包括位于外壳13内的电源14。燃料囊16与流动控制机构20也位于外壳13内。燃料囊16与流动控制机构20流体连通。燃料电池组合件24包括可操作地连接到流动控制机构20上的致动器26。燃料电池组合件24还包括控制单元30、二次电池32和燃料组33。控制单元30与二次电池32和燃料组33连通，并且可被连接到一次电池14上。
在一些实施方案中，当将燃料盒12连接到燃料电池组合件24上时，控制单元30检测二次电池32和/或燃料电池组33是否具有足以操作致动器26一段预定的时间以在燃料电池组合件24内开始发电过程的功率电平。当测出二次电池32和/或燃料电池组33的功率电平足够时，控制单元30将电源14电连接到致动器26上从而提供能量以操作致动器26。随后致动器26启动流动控制机构20以促使燃料由燃料囊16流向燃料电池组33。燃料电池组33将燃料转化成电能，其可用于操作连接到燃料电池系统10上的电子装置(如手机、便携式电脑、音频/视频装置)。该电能也可用于再充电二次电池32。在二次电池32和/或燃料电池组33已经达到足以独立地维持燃料电池组合件24中的发电过程的预定功率电平之后，控制单元30可将二次电池32与燃料电池组33之一或两者电连接到致动器26上，并且可将电源14与致动器26断开。此时，来自二次电池32和/或燃料电池组33的能量可用于维持发电过程。因此，在一些实施方案中，来自电源14的能量仅仅需要用于最初的一段时间(例如，在无需使用来自电源14的能量而维持燃料电池系统10的操作之前)。
如上所述，燃料盒12包括电源14、燃料囊16和流动控制机构20位于其中的外壳13。外壳13可形成于各种材料中的任何一种，例如塑料(如ABS、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺)、金属(如铝、钢、镀钢)和/或复合材料(如纤维增强聚合物)。在一些实施方案中，外壳13包括与燃料电池组合件24的相应扣件构件相配合的扣紧构件以将燃料盒12可释放地连接到燃料电池组合件24上。扣紧构件的实施例包括按扣元件、弹簧夹、插销、螺纹扣件和卡口快速释放构件。外壳13的一个壁限定出口22和小孔23。燃料可通过出口22由燃料盒12流向燃料电池组合件24。当燃料盒12连接到燃料电池组合件24上时，致动器26的突出转轴28可通过小孔23延伸。
电源14可为定制尺寸和形状以贴合到燃料盒12中的各种一次和/或二次电化学源中的任何一种，并且能够提供所需量的能量。本文所用一次电化学源是指仅放电(如，至耗尽)一次，然后丢弃。一次电化学源并不打算再充电。一次电化学源的实施例包括一次电池，如钮扣电池、圆柱形电池和棱柱电池。一次电池可包括各种不同化学物质电池，如碱性电池、锂电池、锂-二氧化锰电池、锌-氧化银电池和锌-空气电池。其它一次电池描述于例如David Linden,Handbook ofBatteries(McGraw-Hill，第2版，1995)中。二次电化学源可以被多次再充电(例如超过五十次、超过一百次或更多次)。在一些情况下，二次电化学源包括相对坚固的隔板，例如具有许多层的那些和/或相对厚的那些。二次电池还可设计成使其能适应可能在电池中发生的变化，如溶胀。二次电源包括二次电池，如钮扣电池、圆柱形电池和棱柱电池。二次电池可为各种不同化学物质，如锂离子、锂聚合物、镍金属氢化物、镍-镉、镍-锌、银-锌和铅-酸。其它二次电池描述于例如Falk&Salkind，“Alkaline Storage Batteries,”John Wiley&Sons，Inc.1969；美国专利345,124和法国专利164,681中，所有这些均引入本文以供参考。
放置电源14使其在燃料盒12连接到燃料电池组合件24上时与燃料电池组合件24的电触点电接触。因此，电能可由电源14转移至燃料电池组合件24(例如，转移至控制单元30，其可与燃料电池组合件24的电触点连通)。在一些实施方案中，电源14能够产生约30W或更小(例如，约1W或更小，约500mW或更小，约100mW或更小，约50mW或更小，约10mW或更小)的最大输出。
燃料囊16包含流体燃料18。燃料18可为能够向燃料电池系统10提供能量的任何物质。合适燃料的实施例包括甲醇、乙醇、醇与水的混合物、烃、烃与水的溶液、金属硼氢化物(如硼氢化钠)与水的溶液、甲酸、氨和肼。燃料18可为液体和/或气体形式。燃料囊16可由聚合材料(如尼龙、尿烷、聚乙烯、硅橡胶和/或聚丙烯)、金属箔(如铝、钢、钢合金和/或镍)、和/或金属与塑料的复合材料形成。其它燃料和囊材料描述于2004年10月4日提交的普通转让的美国专利申请10/957,935中，该专利引入本文以供参考。
燃料囊16可流动连接至流动控制机构20，从而燃料18可如下所述通过流动控制机构20由燃料囊16抽吸至燃料电池组合件24。在一些实施方案中，燃料囊16为液体和/或蒸汽(如CO2、O2、空气)不可渗透的。随着燃料含量开始耗尽，燃料囊16可以瘪掉以降低(最小化)燃料流动的阻力。例如，随着燃料18离开燃料囊16，该囊可基本适形于剩余燃料的体积直至该囊几乎完全瘪掉(例如，直至约95百分比或更多的燃料已从囊中释放出来)。在某些实施方案中，燃料囊16内可保持相对恒定的压力。燃料囊16保持相对恒定压力的能力可为燃料囊16的厚度和/或柔韧性以及燃料囊16和/或燃料盒12形状的函数。在某些实施方案中，燃料囊16基本上仅仅包含燃料18。例如，燃料囊16可基本上不含不凝性气体。因此，流动控制机构20可用在基本任何角度排列的燃料盒12而具有燃料18。例如，当燃料盒12连接到燃料电池组合件24上时，流动控制机构20可在基本所有时间内保持填充。
流动控制机构20可为能够传送燃料18(如所示出的，由囊16至组33)的任何装置。例如，流动控制机构20可为各种其它类型的正位移泵中的任何一种，如蠕动泵、叶轮泵、螺杆泵、隔膜泵、齿轮泵、波纹管泵和/或活塞泵。可供选择地或另外地，也可使用其它类型的泵。作为一个实施例，流动控制机构20可为离心泵。可安排止回阀与离心泵共同运转以防止燃料在泵不运转时回流。
如本文所述，流动控制机构20由位于燃料电池组合件24中的致动器26提供动力。当燃料盒12连接到燃料电池组合件24上时，致动器26可机械连接到流动控制机构20上。在这种排列中，当流动控制机构20被致动器26启动时其可将燃料抽吸至燃料电池组合件24中(例如，抽吸至燃料电池组33中)。在某些实施方案中，流动控制机构20在未被致动器26启动时保持在封闭或密封位置，这样可在燃料电池系统未使用时(例如，在燃料盒12未连接到燃料电池组合件24上时)阻止燃料18离开囊16。因此，可防止燃料18由燃料盒12渗漏出。
如上所述，燃料电池组合件24包括致动器26、二次电池32、燃料电池组33和控制单元30。如图1所示，致动器26为包括由其延伸的可旋转花键轴28的回转马达。当燃料盒12连接到燃料电池组合件24上时，花键轴28可操作地连接到流动控制机构20上。例如，花键轴28可与流动控制机构20内的带凹槽圆柱体配合。圆柱体的凹槽可与轴28的花键啮合以提供可旋转连接。由于致动器26与流动控制机构20之间的机械连接，燃料盒12可相对廉价地制造。例如，在许多情况下机械连接可使得不必在燃料盒12内提供相对昂贵的电子控制单元和/或致动器。如下所述，致动器26可在流动控制机构20内产生抽吸作用，其使得燃料18由燃料盒12流向燃料电池组合件24(例如，流到燃料电池组33中)。
二次电池32可为如上关于电源14所述的各种类型二次电池中的任何一种。二次电池32可用于在峰值载荷周期中为燃料电池系统10提供附加动力。例如，当放置于燃料体系10上的载荷大于燃料电池组33能够独立产生的动力时，二次电池32可为燃料电池系统10提供附加动力。二次电池32也可用于向马达26提供能量以便启动和/或维持燃料电池系统10的发电过程。
仍参见图1，现将描述燃料电池组33的一个实施例。燃料电池组33包括燃料电池，所述燃料电池具有电解质38、粘结在电解质第一侧面上的阳极42和粘结在电解质第二侧面上的阴极40。电解质38、阳极42和阴极40设置在两个气体扩散层(GDL)34和36之间。为图示说明，燃料电池组33显示为具有一个燃料电池。但是在其它实施方案中，燃料电池组包括多个例如串连和/或并联排列的燃料电池。
电解质38能够使离子通过，同时对电子流动提供基本阻力。在一些实施方案中，电解质38为固体聚合物(例如，固体聚合物离子交换膜)，如固体聚合物质子交换膜(例如，包含磺酸基的固体聚合物)。这些膜以商标NAFION市售于E.I.DuPont de Nemours Company(Wilmington，DE)。可供选择地，电解质38也可用购自W.L.Gore&Associates(Elkton，MD)的商品GORE-SELECT制备。
阳极42可形成于多种材料中的任何一种。除了别的以外，这还取决于要使用的燃料类型。在一些实施方案中，阳极42形成于能够与甲醇和水相互作用生成二氧化碳、质子和电子的材料如催化剂。这些材料的实施例包括例如铂、铂合金(如Pt-Ru、Pt-Mo、Pt-W或Pt-Sn)、分散在炭黑上的铂。阳极42还可包括使阳极能够传导质子的电解质，如离聚物材料，如NAFION。可供选择地，将悬浮液施用到面向固体电解质38的气体扩散层(以下描述)的表面，然后干燥悬浮液。制备阳极42的方法还可包括利用压力和温度来实现粘结。
阴极40同样可由多种材料中的任何一种形成。除了其它因素以外，这还取决于要使用的燃料类型。在某些实施方案中，阴极40形成于能够与氧、电子和质子相互作用生成水的材料如催化剂。这些材料的实施例包括，例如，铂、铂合金(如Pt-Co、Pt-Cr或Pt-Fe)和分散在炭黑上的贵金属。阴极40还可包括使阴极能够传导质子的电解质，如离聚物材料，如NAFION。阴极40可利用类似于以上关于阳极42所述的那些技术制备。
气体扩散层(GDL)34和36可由气体和液体均可透过的材料形成。合适的GDL购自多家公司，如Natick，MA的Etek、Valencia，CA的SGL、和St.Louis，MO的Zoltek。GDL34和36可为导电的，从而电子可由阳极42流至阳极流场板，并由阴极流场板流至阴极40。
燃料电池和燃料电池系统的实施例描述于普通拥有且共同未决的美国专利申请10/779,502(提交于2004年2月13日)和10/957,935(提交于2004年10月4日)中，这些专利均都引入本文以供参考。直接甲醇燃料电池和燃料电池系统的其它实施方案(包括使用方法)描述于例如“Fuel Cell Systems Explained”，J.Laraminie，A.Dicks，Wiley，New York，2000；“Direct Methanol Fuel Cells:From aTwentieth Century Electrochemist＇s Dream to a Twenty-first CenturyEmerging Technology”，C.Lamy，J.Leger，S.Srinivasan，ModernAspects of Electrochemistry，第34期，J.Bockris等人编，KluwerAcademic/Plenum出版社，New York(2001)第53至118页；和S.R.Narayanan，T.I.Valdez和F. Clara的在Direct Methanol Fuel Cells中的“Development of a Miniature Fuel Cell for PortableApplications”，S.R.Narayanan，S.Gottesfeld和T.Zawodzinski编辑，Electrochemical Society Proceedings，2001-4(2001)Pennington，NJ中，这些专利都引入本文以供参考。
控制单元30可用于开始燃料电池系统10的启动并维持该体系的操作。如图1所示，控制单元30可与电源14、致动器26、二次电池32和燃料电池组33连通(例如电连接)。当由电源14、二次电池32和/或燃料电池组33提供动力时，控制单元30可控制致动器26的操作，其可指示燃料电池系统10所产生的能量的数量。如下文所详述，控制单元30可供选择地或另外地执行其它功能以控制燃料电池系统10的操作。
在利用燃料电池系统10期间，使用者将燃料盒12连接到燃料电池组合件24上。例如，使用者可配合燃料盒12与燃料电池组合件24，使得致动器26的花键轴28插入到流动控制机构20的带凹槽圆柱体中，并使得一次电池14接合燃料电池组合件24的电接触元件。在一些实施方案中，如上所注明，可利用一种或多种扣紧元件将燃料盒12可释放地扣紧到燃料电池组合件24上。
一旦燃料盒12连接到燃料电池组合件24上，控制单元30检测燃料电池组合件24中(例如，二次电池32和/或燃料电池组33中)有效功率的量。如果控制单元30检测出有效功率电平小于启动燃料电池系统10的发电过程所必需的预定最小功率电平(例如，小于30W，小于3W，小于1W，小于500mW，小于100mW，小于5mW，小于1mW)，则控制单元30利用电源14所提供的能量启动致动器26。
当被启动时，致动器26使得流动控制机构20将燃料由燃料囊16抽吸至燃料电池组33。例如，致动器26可使花键轴28旋转流动控制机构20的带凹槽圆柱体，这样在流动控制机构20内产生抽吸作用。抽吸作用迫使燃料18通过出口22并进入燃料电池组33。例如，取决于所用的燃料电池类型和燃料电池的功率电平，燃料18可以约0.1微升每分钟至约50毫升每分钟(例如，约一微升每分钟至约十微升每分钟)的速度抽吸。燃料18可以连续方式或者以所需方式(例如，通过在具有控制单元30的反馈回路中操作)抽吸。
当进入燃料电池组33时，燃料18接触阳极42。如上所述，这使得燃料电池组33产生电能。来自燃料电池组33的电能流流向控制单元30，然后其可将能量转移至马达26、二次电池32和/或连接到燃料电池系统10上的电子装置。例如，电能可转移至致动器26以便维持燃料电池系统10的发电过程。可供选择地或另外地，电能可转移至二次电池32以为电池再充电和/或为致动器26提供动力，从而维持燃料电池系统10和/或连接到燃料电池系统10上的电子装置的发电过程。类似地，电能可直接转移至连接到燃料电池系统10上的电子装置以便为该装置提供动力。
如本文所述，燃料电池系统10可在即使燃料电池组合件24最初不能够提供足够能量来启动体系时(例如，在长期不用之后)启动发电过程。例如，如上所述，可使用来自电源14的能量启动发电过程。利用来自电源14的能量启动发电过程之后，控制单元30可继续监控燃料电池组合件24中(例如，二次电池32和/或燃料电池组33中)的功率电平。例如，当测出二次电池32和/或燃料电池组33已经达到维持燃料电池系统操作所必需的预定最小功率电平时，控制单元30可将致动器的来自电源14的能源转移至二次电池32和/或燃料电池组33。因此，即使当电源14的能量用于首先启动发电过程时，燃料电池系统10可随后被调整来发电而无需依赖电源14。因此，如上所注明，电源14仅仅需要能够提供较少量的能量。例如，在某些实施方案中，电源14被构型为提供足够能量以启动燃料电池系统10的发电过程约12次或更少(例如，约十次或更少，约五次或更少，约两次或更少，约一次)。
以上实施方案描述了当燃料电池组合件24具有不足以独立地启动发电过程的功率电平时启动燃料电池系统10的发电过程的方法。在这种情况下，如以上所注明的，电源14可用于最初启动致动器26以便启动发电过程。然而应当理解，当开始测出燃料电池组合件24的有效功率电平(例如，二次电池和/或燃料电池组33的有效功率电平)大于或等于启动燃料电池系统10的发电过程所必需的预定最小功率电平(例如大于1mW，大于5mW，大于100mW，大于500mW，大于1W，大于3W，大于30W)时，二次电池32和/或燃料组33所提供的能量可用于启动致动器26。在这种情况下，通常不必依赖电源14的能量来启动燃料电池系统10的发电过程。
尽管已描述了多种实施方案，但其它实施方案也是可能的。
尽管以上讨论的一些实施方案涉及将液体燃料18由燃料盒12抽吸至燃料电池组合件24，但是燃料18也可作为蒸汽被抽吸。例如，重力分离技术可用于从其蒸汽中分离液体燃料，并且蒸汽可由燃料盒12抽吸至燃料电池组合件24。重力分离器可包括被排列以控制液位的填充有液体的容器。例如，可使用溢流管保持液位。通过控制容器内的液位，液体与气体界面可保持在容器之内。气体可从容器上部移除并递送至燃料组合件24。在某些实施方案中，使用一个或多个挡流板以便使得在罐的取向中有一些变化同时保持气体分离。
可供选择地或另外地，燃料盒12可包括扩散屏蔽，其使得蒸汽通过其传送但基本阻止液体通过其传送。例如，扩散屏蔽可位于燃料囊16与流动控制机构20之间的燃料18的流动通道中。扩散屏蔽可形成于以下各种材料中的任何一种。所述材料使得气体或蒸汽燃料通过其传送并阻止液体燃料通过其传送。合适的材料可基于所用燃料类型选择。在某些实施方案中，燃料盒12包括微孔和/或不可润湿屏蔽。类似于扩散屏蔽，微孔和/或不可润湿屏蔽不允许液体通过但允许蒸汽通过。可使用以下各种材料中的任何一种。所述材料为不可润湿和/或具有足够小的平均孔径以阻止液体的整体流动(例如，高泡压)。用于形成微孔和/或不可润湿屏蔽的材料类型取决于体系中所用燃料的类型。
尽管致动器26如上所述为回转马达，但在其它实施方案中，也可使用多种其它类型的致动器。例如，致动器26可为线性致动器(如连接到齿条和小齿轮上的回转马达)、直线性磁性马达(如螺线管)和/或压电致动器。同样，在致动器26与流动控制机构20之间可使用各种类型连接中的任何一种。例如，致动器26与流动控制机构20可气动连接、液压连接、磁力连接、静电连接、热连接和/或机械连接。致动器类型与连接类型可取决于所需的应用以及所用流动控制机构的类型而改变。
尽管上述实施方案涉及当燃料电池组合件24包括有限能级时首先用一次电池14为马达26提供动力，但其它排列也是可能的。例如，在一些实施方案中，一次电池14被构型为首先为二次电池32充电而非向致动器26提供动力。例如，当达到预定能级时，二次电池32可向致动器26和/或控制器30提供能量。发电过程的剩余部分可以类似于上述的方式进行。
在一些实施方案中，燃料电池盒12可被构形成能够检测并向使用者表明燃料盒12是否已充分连接到燃料电池组合件24上。例如，当与燃料电池组合件24的触点电接触时，电源14可提供能量以照亮燃料盒12上的指示灯，其向使用者表明燃料盒12已充分连接到燃料电池组合件24上。可供选择地或另外地，也可使用其它类型的指示灯如音频指示灯。
在一些实施方案中，燃料盒12为一次性的。例如，一旦燃料18的含量和/或电源14的功率电平基本耗尽时，可将燃料盒12从燃料电池组合件24中取出并丢弃。此时，可将一个新盒连接到燃料电池组合件24上来发电。
在某些实施方案中，燃料盒12可再填充。例如，当燃料囊16内的燃料18的含量基本耗尽时，燃料盒12可与燃料电池组合件24分开并再填充燃料用于进一步使用。同样，当电源的功率电平耗尽时，电源14可用新电池置换。
在一些实施方案中，燃料盒12包括燃料表。例如，燃料表可连接到致动器26、轴28和/或泵20上，并且可测定燃料囊16内作为致动器启动次数的函数的燃料含量。
尽管以上许多实施方案中所述的致动器位于燃料电池组合件中，但是在一些实施方案中，致动器可包括在燃料盒中。例如，参见图2，燃料盒112包括致动器126和流动控制机构120。致动器126电连接到流动控制机构120上并电连接到存储在燃料盒112内的一次电池114上。一次电池114可首先向致动器126提供电力(通过控制单元130)以便开始燃料输送过程(例如，将燃料118由燃料囊116抽吸至燃料电池组133)。当产生足够电力而变得自足时，燃料电池组合件124可开始向致动器126提供动力而无需电源114的援助。例如，类似于上述一些实施方案，当测出燃料电池组合件124具有足以维持发电过程的功率电平时，控制单元130可将致动器126电连接到燃料电池组33和/或二次电池32上。
在一些实施方案中，燃料盒112为一次性的。在这种实施方案中，致动器126可相对廉价地制造，因为其仅仅需要被构造成只需维持一次性燃料盒(例如，只需维持燃料118)。例如，致动器126可结合到外壳中使得外壳126与盒112均分一个公共外壳(如外壳的公共部分)。致动器126可包括各种低成本和/或有限寿命磁性组件中的任何一种。在一些实施方案中，致动器126包括压电盘。
尽管以上许多实施方案描述了位于燃料盒内的流动控制机构，但在一些实施方案中，流动控制机构可供选择地可包括在燃料电池组合件中。例如，参见图3，燃料电池系统210包括连接到燃料电池组合件224上的燃料盒212。燃料盒212包括由燃料囊216通向限定在外壳213内的小孔的管线215。阀门217(如单向阀)可位于管线215中以防止燃料218在燃料盒212未连接到燃料电池组合件224上时由燃料盒渗漏出。阀门217可为各种类型的机械和/或柔性阀门中的任何一种。机械阀门的实施例包括挡板阀、提升阀、圆盘阀和闸门阀。柔性阀门的实施例包括鸭嘴阀、伞阀和狭口阀。当连接燃料盒212时，由流动控制机构220延伸的突出可延伸到管线215中以打开阀门217。因此，燃料218可由燃料囊216流向燃料电池组合件224内的流动控制机构220。当启动时，流动控制机构220可将燃料218抽吸至燃料电池组233，并且可发生类似于以上所述那些的发电过程。
尽管以上许多实施方案描述了作为泵的流动控制机构，但在一些实施方案中，流动控制机构可为阀门。例如，参见图4，燃料电池系统310包括连接到燃料电池组合件324上的燃料盒312。燃料盒312包括阀门320与燃料囊316。阀门320可为各种类型阀门中的任何一种，例如隔膜阀、针型阀、回转阀、旋塞阀、波纹管阀、闸门阀和/或楔形阀。阀门320与燃料囊316和被燃料盒312的壁所限定的出口322流体连通。阀门320机械连接到位于燃料电池组合件324内的致动器326上。设定阀门320使其通常位于关闭位置。例如，阀门320可保持在关闭位置直至启动致动器326以打开阀门320。因此，当燃料电池系统310未使用时(例如，当燃料盒312未连接到燃料电池组合件324上时)，可阻止燃料离开燃料盒312。
燃料盒包括含有燃料318的燃料囊316。弹簧支承装置319位于燃料囊316的末端区域附近。弹簧支承装置319被构型为向燃料囊316施加压力，从而加压包含在其内的燃料318。可供选择地或另外地，其它部件可用于加压燃料318。例如，在一些实施方案中，燃料盒312在外壳313与燃料囊316之间包含高蒸汽压液体。高蒸汽压液体的实施例包括含氯氟烃(如氟利昂)、HCFC、丁烷、丙烷、二氯二氟甲烷和氯甲烷。作为另一个实施例，压力源可被构形成能够将加压流体(例如，空气和/或燃料电池废气)加入到外壳313的内部体积(例如，外壳313的内表面与燃料囊316的外表面之间的区域)中以便加压燃料囊316。仍作为另一个实施例，燃料318可为各种自加压燃料中的任何一种。自加压燃料的实施例包括丁烷、丙烷和乙烷。在某些实施方案中，燃料318被加压至约0.15MPa(1.5大气压)至约1.01MPa(10大气压)的压力。
在用致动器326启动阀门320时，加压燃料318可以从燃料囊316流向燃料电池组333。在某些实施方案中，燃料电池组合件324的控制单元330连接到位于燃料囊内的压力传感器上。当燃料囊318内的压力改变时，控制单元330可适于通过致动器326调节阀门320。例如，当燃料囊316中的燃料含量减少时，燃料囊316内的压力通常降低。随着压力降低，控制单元330可进一步打开阀门320以便保持燃料318以基本恒定的速度流动，从而保持基本恒定的发电水平。在燃料318递送至燃料电池组333之后，发电过程可如上所述进行。
尽管以上实施方案显示包括电源的燃料盒，但燃料盒不必包括电源。例如，在一些需要补充功率启动燃料电池的发电过程的实施方案中，燃料电池可临时连接(例如，电连接)到外部电源上。
其它实施方案涵盖在权利要求书中。

Claims (47)

1.一种燃料盒，所述燃料盒包括：
具有出口的外壳；
位于所述外壳内的燃料容器；
与所述燃料容器及所述出口流体连通的流动控制机构，所述流动控制机构为可操作的以控制燃料流过出口；和
位于所述外壳内的电源。
2.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述燃料盒连接到燃料电池组合件上。
3.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述流动控制机构连接到致动器上。
4.如权利要求3所述的燃料盒，其中所述流动控制机构机械连接到致动器上。
5.如权利要求4所述的燃料盒，其中所述机械连接包括一个或多个选自由下列组成的组的构件：花键轴、栓槽轴、牙嵌式离合器、摩擦式离合器、齿轮和杆。
6.如权利要求4所述的燃料盒，其中所述致动器位于燃料电池组合件内，并且所述燃料盒连接到燃料电池组合件上。
7.如权利要求4所述的燃料盒，其中所述致动器位于燃料盒内。
8.如权利要求7所述的燃料盒，其中所述致动器包括压电元件。
9.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述流动控制机构包括泵。
10.如权利要求9所述的燃料盒，其中所述泵包括一个或多个选自由下列组成的组的构件：蠕动泵、叶轮泵、螺杆泵、隔膜泵、齿轮泵、波纹管泵和活塞泵。
11.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述流动控制机构包括阀门。
12.如权利要求11所述的燃料盒，其中所述阀门包括一个或多个选自由下列组成的组的构件：隔膜阀、针型阀、回转阀、旋塞阀、挡板阀、提升阀、圆盘阀、闸门阀、鸭嘴阀、伞阀和狭口阀。
13.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述电源包括一次电池。
14.如权利要求13所述的燃料盒，其中所述一次电池产生最多约3W。
15.如权利要求13所述的燃料盒，其中所述一次电池产生至少约50mW。
16.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述燃料包括一种或多种选自由下列物质组成的组的成分：甲醇、乙醇、烃、甲酸、氨和肼。
17.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述燃料处于约0.1大气压至约10大气压的压力下。
18.如权利要求1所述的燃料盒，其中所述燃料容器包括燃料囊。
19.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
燃料电池组合件，其包括：
燃料电池，和
适于接纳所述燃料电池所产生的能量的致动器；和
适于连接到所述燃料电池组合件上的燃料盒，所述燃料盒包括
限定出口的外壳，
位于所述外壳内的燃料容器，
与所述燃料容器及所述出口流体连通的流动控制机构，所述流动控制机构为可操作的以控制燃料流过出口，以及
与所述致动器连通的电源。
20.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池组合件还包括二次电池。
21.如权利要求20所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括连接到二次电池和电源上的控制装置，所述控制装置适于测定二次电池的功率电平是否足以操作致动器。
22.如权利要求21所述的燃料电池系统，其中所述控制装置适于在测出功率电平不足以操作致动器时将电源电连接到致动器上。
23.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述流动控制机构连接到致动器上。
24.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述流动控制机构包括泵。
25.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述流动控制机构包括阀门。
26.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述电源包括一次电池。
27.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
包括燃料电池的燃料电池组合件；和
适于连接到燃料电池组合件上的燃料盒，所述燃料盒包括
限定出口的外壳，
位于所述外壳内的燃料容器，
与所述燃料容器及所述出口流体连通的流动控制机构，所述流动控制机构为可操作的以控制燃料流过出口，和
电源。
28.如权利要求27所述的燃料电池系统，所述系统还包括与电源连通的致动器。
29.如权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述致动器位于所述燃料电池组合件中。
30.如权利要求29所述的燃料电池系统，其中所述致动器连接到流动控制机构上。
31.如权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述致动器位于所述燃料盒内。
32.如权利要求27所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池组合件还包括二次电池。
33.如权利要求27所述的燃料电池系统，其中所述电源包括一次电池。
34.如权利要求27所述的燃料电池系统，其中所述燃料容器包括燃料囊。
35.如权利要求34所述的燃料电池系统，其中所述燃料盒包括被构形成能够向燃料囊施加压力的压力源。
36.如权利要求35所述的燃料电池系统，其中所述压力源包括弹簧支承机构。
37.如权利要求35所述的燃料电池系统，其中所述压力源包括加压流体。
38.一种燃料盒，所述燃料盒包括：
具有出口的外壳；
位于所述外壳内的燃料容器；
与所述燃料容器及所述出口流体连通的流动控制机构；和
位于所述外壳内的致动器，所述致动器被构型为操作流动控制机构以控制燃料流过出口。
39.如权利要求38所述的燃料盒，其中所述致动器的外壳与所述燃料盒的外壳整体成形。
40.如权利要求39所述的燃料盒，其中所述致动器包括压电元件。
41.一种方法，所述方法包括：
将燃料源连接到燃料电池上；
检测所述燃料电池内的有效能级；以及
在检测到所述有效能级小于第一预定能级时，为所述燃料电池提供来自电源的能量。
42.如权利要求41所述的方法，其中所述第一预定能级是启动燃料电池操作所需的最小能级。
43.如权利要求41所述的方法，其中所述第一预定能级是操作燃料电池致动器预定的一段时间所需的最小能级。
44.如权利要求41所述的方法，所述方法还包括在检测到有效能级大于第二预定能级时停止由电源向燃料电池供给能量。
45.如权利要求44所述的方法，其中所述第二预定能级是维持燃料操作所需的最小能级。
46.如权利要求41所述的方法，其中将燃料源连接至燃料电池包括将燃料盒连接至燃料电池，所述燃料盒包括燃料源和电源。
47.如权利要求41所述的方法，所述方法还包括将能量由燃料电池转移至电子装置。
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