CN101246967A

CN101246967A - 燃料盒和使用该燃料盒的燃料电池

Info

Publication number: CN101246967A
Application number: CNA2008100057998A
Authority: CN
Inventors: 韩知成; 李翰奎; 曹诚庸; 孔相畯
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: CN101246967B; EP1959515B1; US20160104904A1; KR100811984B1; JP4971868B2; JP2008198586A; EP1959515A1

Abstract

本发明涉及一种新结构的重量轻的燃料盒和使用该燃料盒的燃料电池。本发明的燃料盒包括：柔性容器，具有内部空间以贮存液体燃料；连接器，连接到柔性容器，并具有开口以排放液体燃料；通道形成结构或装置，设置在柔性容器的内部空间中，并连接到连接器，其中，为了在柔性容器的在连接器附近的两侧彼此接触时排放液体燃料，通道形成结构或装置被设置为将内部空间与连接器的开口进行互连的流场。根据本发明，通过防止这样的问题，即，防止当排放贮存的液体燃料时，由于柔性容器在连接器附近的紧密附着而导致液体燃料的流出受阻的问题，可以提高燃料盒的利用系数。

Description

燃料盒和使用该燃料盒的燃料电池

技术领域

本公开涉及一种具有塑料包(vinyl pack)结构的燃料盒，更具体地讲，涉及一种燃料盒和使用该燃料盒的燃料电池系统，该燃料盒能够防止当柔性容器中所含的燃料流出时，由于容器的在出口附近的两侧接触而使流出的燃料受阻的问题。

背景技术

由氢能产生电能的燃料电池是保护未来环境的新型能源。燃料电池是污染小、效率高的发电系统，燃料电池可以将通过燃料的氧化所产生的燃料能直接转化为电能。可由除了氢气之外的化石燃料(例如，甲烷和天然气)制成的气体燃料以及液体燃料(诸如甲醇和肼)用作燃料电池的燃料。根据所用的电解质的类型，可以将燃料电池分类为磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和碱性燃料电池(AFC)等。这些燃料电池基本以相同的原理进行操作，但是这些燃料电池在燃料的类型、操作温度、催化剂、电解质等方面不同。

在燃料电池中，利用聚合物作为电解质的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)不存在由于电解质而引起的腐蚀或蒸发的危险，而且聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有每单位面积的高的电流密度。此外，由于与其它类型的燃料电池相比，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有显著的高输出和低操作温度的优点，所以已经积极地将聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)开发为移动电源(诸如用于便携式电子设备)或运输用电源(诸如用于汽车的电源)以及作为分布式电源(诸如用于住宅和公共建筑中的固定的电厂)等。

直接甲醇燃料电池(DMFC)是另一种利用聚合物膜作为电解质的燃料电池。DMFC不采用燃料重整器，而是直接采用液体燃料(诸如甲醇等)。由于DMFC在低于100℃的温度下进行操作，所以DMFC适合于作为便携式或小尺寸型的电源。

具有能够容易地供应附加的燃料的结构的燃料盒被广泛地用作聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的燃料供应器。此外，为了减小小尺寸型燃料电池的体积和重量，将塑料包用于制造燃料盒。2005年2月3日公开的第2005-032598号日本专利公开已公开了这种燃料盒。

发明内容

本公开解决了上面描述的问题和其它问题。本发明的目的在于提供一种燃料盒，该燃料盒能够提高燃料的利用系数并且结构简单、重量轻且尺寸小。

本发明的另一目的在于提供一种利用该燃料盒的重量轻、且尺寸小的燃料电池。

例如，一种用于燃料电池的液体燃料盒的柔性容器包括：连接器，具有开口，燃料可通过该开口进行排放；通道形成结构，设置在柔性容器的内壁上，通道形成结构的一部分与连接器邻近。多个实施例的通道形成结构包括形成在柔性容器的侧面中的折边、固体构件和空心管。在不存在通道形成结构的情况下，因为当从柔性容器中排放燃料时容器皱缩，所以，如果容器的在连接器附近的内壁相互接触，则会阻塞燃料流到连接器，从而防止燃料的完全排空。通道形成结构在柔性容器的内部与连接器之间建立流场，从而使燃料可以从容器中完全排空。

本发明的实现目的的一方面提供了一种燃料盒，该燃料盒包括：柔性容器，具有内部空间以贮存液体燃料；连接器，连接到柔性容器，并具有开口以排放液体燃料；通道形成装置，设置在柔性容器的内部空间中，并连接到连接器，其中，为了在柔性容器的在连接器附近的两侧接触时排放液体燃料，通道形成装置被设置为将连接器的开口与内部空间进行互连的流场。

本发明的另一方面提供了一种燃料电池，该燃料电池包括发电机和向发电机供应燃料的根据上述描述的方面的燃料盒。发电机包括电解质膜以及位于电解质膜的两侧的阳极和阴极，发电机通过在供应到阳极的燃料与供应到阴极的氧化剂之间的电化学反应而产生电能。

一些实施例提供了一种燃料盒以及包括该燃料盒的燃料电池系统，该燃料盒包括：柔性容器，包括用于限定内部空间的侧面，其中，内部空间被构造为贮存液体燃料；连接器，流体地连接到柔性容器，该连接器包括被构造为排放液体燃料的开口；通道形成结构，设置在柔性容器的内部空间内，通道形成结构的至少一部分设置为与连接器邻近，其中，通道形成结构被构造为提供将连接器的开口与内部空间进行互连的流场，从而当柔性容器的在连接器附近的侧面相互接触时，液体燃料可以从柔性容器中进行排放。

在一些实施例中，通道形成结构包括褶皱部分，褶皱部分包括在柔性容器的侧面中的折边，其中，褶皱部分的刚性比柔性容器的侧面的刚性大。

在一些实施例中，通道形成结构包括与固体构件相邻的侧面空间，其中，固体构件在柔性容器的内部附着到柔性容器的侧面。在一些实施例中，固体构件比柔性容器硬，且固体构件具有矩形截面。

在一些实施例中，通道形成结构包括空心管，其中，空心管的至少一部分在柔性容器的内部固定到柔性容器的侧面。在一些实施例中，空心管包括：第一空心部分，形成第一流场；第二空心部分，形成第二流场，其中，第一空心部分的长度大于第二空心部分的长度。

在一些实施例中，柔性容器包括片状的聚合物材料或塑料材料。在一些实施例中，柔性容器包括透明的袋状构件，构件的边缘相互结合。

一些实施例还包括外部容器，外部容器围绕柔性容器并暴露连接器。

在一些实施例中，连接器的凸缘结合并固定到柔性容器的开口。在一些实施例中，连接器包括连接结构，连接结构被构造为流体地连接到可拆卸的输送管。在一些实施例中，连接器包括流场控制结构，流场控制结构被构造为通过自身的弹力进行开启和关闭。

在一些实施例中，液体燃料包括液相烃基燃料。

在一些实施例中，燃料电池系统还包括发电机，发电机包括电解质膜以及位于电解质膜的相对侧上的阳极和阴极，其中，发电机被构造为通过在供应到阳极的燃料与供应到阴极的氧化剂之间的电化学反应而产生电能。

一些实施例还包括燃料供应器，燃料供应器被构造为向燃料盒施加预定的压力，从而排放贮存在燃料盒中的燃料并向发电机供应被排放的燃料。一些实施例还包括氧化剂供应器，以将氧化剂供应到发电机。

附图说明

图1是燃料箱的一个实施例的侧剖视图。

图2A是另一实施例的燃料盒的俯视图。

图2B是图2A中的燃料盒的侧视图。

图3A是示出根据对比例的燃料盒的驱动原理的侧剖视图。

图3B是示出燃料盒的实施例的驱动原理的侧剖视图。

图4A至图4C是多个实施例的通道形成装置的示意性剖视图。

图5是示出另一实施例的燃料盒的示意性俯视图。

图6A和图6B是连接器的实施例的剖视图。

图7是使用该燃料盒的燃料电池的实施例的框图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述特定的示例性实施例。

图1是燃料箱1，燃料箱1包括：袋状分隔件5，安装在外部容器2中的甲醇容纳空间A中；活塞3，被安装成通过压力弹簧7的弹力来挤压分隔件5，其中，压力弹簧7设置在外部容器2的一侧上；弹性体8，安装在活塞3与分隔件5之间；O形环6，用于将支架9固定到开口，其中，分隔件5中所含的液体燃料通过所述开口流入和流出。空心连接器4具有穿过支架9的空心部分4a。

当分隔件5由于其的折叠和收缩(shrink)而起皱(wrinkle)时，为了迫使分隔件5中所含的液体燃料流出，活塞3用作通过压力弹簧7的弹力来挤压分隔件5的一侧的装置，弹性体8用作通过保持合适的接触状态来顺利地迫使分隔件5中所含的甲醇流出的装置。

燃料箱1通过利用袋状分隔件5、活塞3、压力弹簧7和弹性体8来提供利用系数。然而，在燃料箱1中，如果袋状分隔件5为柔性容器(诸如塑料包)，则当分隔件5由于燃料的流出而收缩时，开口会由于分隔件5的在开口附近的部分之间的相互接触而被阻塞，其中，支架9连接到所述开口。在这种情况下，由于在分隔件5中剩余的燃料不能再流出，所以燃料箱中燃料的利用系数降低。此外，为了有效地挤压贮存液体燃料的分隔件5的一侧，燃料箱1包括活塞3、压力弹簧7和弹性体8。因此，增加了燃料箱1的体积和重量。

图2A是另一实施例的燃料盒的主视图。图2B是图2A中的燃料盒的侧视图。参照图2A和图2B，该实施例的燃料盒10包括：柔性容器11，用于贮存液体燃料；连接器13，连接到柔性容器11，液体燃料通过连接器13进入柔性容器11以及流出柔性容器11；通道形成结构或装置15，延伸到柔性容器11的内部空间，并在柔性容器11皱缩(collapse)或收缩时为液体燃料在柔性容器11的内部提供流场。通道形成结构或装置15的一端位于与连接器13邻近的位置。柔性容器可包括透明的袋状构件，所述构件的边缘相互结合。

通过塑料构件12(vinyl member)来实现柔性容器11，在塑料构件12中，边缘的部分按照这样的方式被折叠，即，当液体燃料贮存于塑料构件12的内部空间中时，膨胀到期望的体积。如图2A中所示，两片塑料构件12可用于形成柔性容器。第一片塑料构件12具有朝着附图的中心向内进行折叠的一对角部分12a，第二片塑料构件12具有与角部分12a的折叠方向相对地进行折叠的一对角部分12b。两片塑料构件12的边缘12c彼此附着，从而形成具有袋状的内部空间。

柔性容器11可包含任何适宜的材料，例如，可包括聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate)、它们的组合、高聚物或塑料中的至少一种。例如，柔性容器11由塑料构件12来实现，塑料构件12由聚合物材料(polymeric material)来实现。

连接器13连接到柔性容器11的开口，连接器13是将燃料泵与柔性容器11互连的装置。燃料泵和柔性容器11是燃料供应器，以通过使贮存在柔性容器11中的液体燃料流出来将燃料供应到发电机。连接器13的凸缘13a结合到柔性容器11的开口的内边缘。连接器13设置有用于使贮存在柔性容器11中的液体燃料流入和流出的开口13b。由塑料材料来实现连接器13。

通道形成结构或装置15从连接到柔性容器11的连接器13延伸到柔性容器11的内部空间。当贮存在柔性容器11中的液体燃料不能被顺利地排放时，例如，当柔性容器11皱缩且两片塑料构件12彼此紧密接触时，通过在柔性容器11的内部空间与连接器13的开口13b之间提供流场，通道形成结构或装置15使柔性容器11中的大部分液体燃料顺利地流出。

图3A是示出根据对比例的燃料盒的驱动原理的侧剖视图。图3B是示出燃料盒的实施例的驱动原理的侧剖视图。如图3A所示，根据对比例的燃料盒10a包括柔性容器11和连接到柔性容器11的连接器13。当通过燃料供应器从燃料盒10a中排放贮存在柔性容器11中的液体燃料时，由于柔性容器11皱缩，所以两侧的塑料构件12紧密地接触。具体地讲，如果柔性容器11的两片塑料构件12在连接器13附近紧密地接触，则即使增大燃料供应器的输出驱动力，贮存在柔性容器11的内部空间中的液体燃料也不能被排放。因此，在柔性容器11内有液体燃料剩余。

然而，如图3B所示，虽然柔性容器11的两片塑料构件12在连接器13附近紧密地接触，但是当排放液体燃料时，通过通道形成结构或装置在两片塑料构件12之间的至少一部分中形成的空间，即，通过在连接器13的开口和柔性容器11的内部空间的内部形成液体燃料的通道，在柔性容器11中剩余的大部分的液体燃料可被顺利地排放。

图4A至图4C是多个实施例的通道形成结构或装置的示意性剖视图。参照图4A，通道形成结构或装置可包括形成或安装在柔性容器的塑料构件12上的至少一个褶皱单元(wrinkle unit)12d。即，通道形成结构或装置可包括处于两个褶皱单元12d之间的一个或多个空间，或者形成在每个褶皱单元12d的侧面上的空间15a。褶皱单元12d形成为塑料构件中的折边(fold)，因此褶皱单元12d的刚性比塑料构件的其它部分的刚性大。虽然塑料构件12的两侧近似靠近，但是由褶皱单元12d形成的至少一个连续的空间15a将内部空间与连接器的开口互连，褶皱单元12d可包括各种形状，诸如直线形状、波浪形状或鸡冠形状。

参照图4B，通道形成结构或装置可包括附着到塑料构件12的内部的至少一部分的固体构件12e。即，通道形成结构或装置可包括形成在固体构件12e的侧面的空间15a。虽然当排放液体燃料时塑料构件12的两侧近似靠近，但是可包括具有矩形截面的条状构件的固体构件12e形成空间15a。此外，为了形成空间15a，固体构件12e可具有一个侧面或两个侧面为凹面的结构。例如，固体构件12e可包括其截面为哑铃形状的构件。

参照图4C，通道形成结构或装置可包括空心管12f，空心管12f的至少一部分附着到柔性容器11的塑料构件12的内侧。空心管12f包括空心部分15b，空心管12f被安装为通过空心部分15b在柔性容器的内部空间与连接器的开口之间形成流场。

同时，除了空心部分15b之外，空心管12f还可包括第二空心部分。在具有多个空心部分的空心管中，多个空心部分中的一个或多个具有不同的长度。例如，空心管的第一空心部分形成第一流场，空心管的第二空心部分形成第二流场，以使第一空心部分的长度可大于第二空心部分的长度。

图5是另一实施例的燃料盒的示意性俯视图。参照图5，该实施例的燃料盒10包括：柔性容器11；连接器13，连接到柔性容器11；第一空心管12f和第二空心管12g，在柔性容器11的内部空间和连接器13内形成液体燃料的第一流场和第二流场；外部容器17，围绕柔性容器11以保护并支撑柔性容器11。

第一空心管12f包括形成第一流场的第一空心部分，第二空心管12g包括形成第二流场的第二空心部分，其中，第二空心管12g的长度小于第一空心管12f的长度，从而将每根空心管的端部定位在柔性容器11的不同区域中。

外部容器17输送、保持并保护柔性容器11，外部容器17包含任何适宜的材料，诸如塑料、木头和金属。

连接器13结合到并固定到外部容器17，以容易地与输送管结合或连接，从而输送从柔性容器11中被排放的液体燃料，连接器被暴露在外部容器17的外面。此外，连接器13可具有可拆卸的连接结构，以容易地与输送管进行结合。利用管连接的连接结构是可拆卸的连接结构。

图6A和图6B是用于燃料盒的连接器的实施例的剖视图。参照图6A和图6B，连接器包括：第一框架30，包括凸缘13a和中空部分；第二框架31，从第一框架30的内侧延伸，阻塞第一框架30的中空部分，并包括通孔(penetrating hole)31a；第三框架32，呈哑铃形状，穿过第二框架的通孔31a进行延伸；弹性构件34，设置在第二框架31与第三框架32之间。

第一框架30穿透塑料构件12中的开口，第一框架30的凸缘13a附着并固定到开口的边缘。这里，塑料构件12是如上所述的柔性容器11的塑料构件。在第一框架30的端部形成连接槽30a。可以用其它连接结构(诸如螺纹结构)来代替连接槽30a。

第三框架32包括：主体32a，位于哑铃形状的中部；第一头部33a，结合到主体32a的第一端；第二头部33b，结合到主体32a的第二端。主体32a包括空心部分和侧面开口33c，其中，侧面开口33c流体地连接到空心部分。第二头部33b包括通孔33d，通孔33d流体地连接到主体32a的空心部分。第三框架的第一头部33a的截面或直径比第一框架30的空心部分的截面或直径小。

弹性构件34被安装为在第二框架31与第二头部33b之间以围绕第三框架32的主体32a。当安装燃料盒时，来自连接到连接器的输送管的突起的力F压缩弹性构件34。具有螺旋状的弹簧可用于弹性构件34。

连接器的使用如下。当将连接器与输送管连接时，对第三框架32施加外力F，此时，第三框架32的预定部分移动到第二框架31的通孔31a中。并且，第三框架32的主体32a的侧面开口33c流体地连接到燃料盒的柔性容器的内部空间。因此，贮存在柔性容器中的燃料通过顺序地流过第三框架32的主体32a的侧面开口33c、主体32a的空心部分和第三框架32的第二头部33b的通孔33d而被排放到外面。此外，当将连接器与输送管分开时，移去施加到第三框架32的外力F，此时，通过弹性构件34的弹力，将第三框架32的预定部分推出第二框架31的通孔31a。而且，由于第三框架32的第一头部33a阻塞第二框架31的通孔31a，所以贮存在燃料盒的柔性容器中的燃料未被排放。连接器是通过自身的弹力进行开启和关闭的流场控制结构或装置。

图7是使用该燃料盒的燃料电池的实施例的示意图。参照图7，该实施例的燃料电池包括：发电机40；根据实施例中的任何一个的燃料盒10；燃料供应器42，排放贮存在燃料盒中的液体燃料，并向发电机40供应被排放的液体燃料；氧化剂供应器44，向发电机40供应氧化剂。

发电机40包括具有阳极和阴极的膜电极组(MEA)，阳极和阴极中的每个位于MEA的相对侧上。发电机40通过供应到阳极的燃料与供应到阴极的氧化剂之间的电化学反应而产生电能。供应到阳极的燃料可以为液体燃料和/或气体燃料。当发电机40采用气体燃料时，该实施例的燃料电池还可包括燃料重整器，以通过重整液体燃料来产生气相富氢燃料。发电机40可包括聚合物电解质膜燃料电池堆和/或直接甲醇燃料电池堆。

聚合物电解质膜燃料电池的燃料重整器可以包括蒸气重整器，蒸气重整器主要通过使处于高温下的蒸气和重整原材料与重整催化剂接触来产生含氢的被重整气体，重整催化剂包括例如镍(Ni)、铑(Rh)和钌(Ru)中的至少一种。

烃基燃料(诸如甲醇、乙醇、石油等)或液体生物燃料可用作贮存在燃料盒10中的液体燃料。

燃料供应器42包括这样一种装置，即，在以预定的压力迫使贮存在燃料盒10中的液体燃料流出后，该装置输送该液体燃料。燃料供应器42可通过容易拆卸的输送管连接到燃料盒。液体燃料泵可用作燃料供应器42。

氧化剂供应器44是向发电机40的阴极供应氧化剂的装置。空气、纯氧等可用作氧化剂。鼓风机、压缩机和/或空气泵可用作氧化剂供应器44，但是由于空气泵的输出易于进行控制且空气泵可以是便宜的，所以可以优选地采用空气泵。回转式滑片泵和隔膜泵可用作空气泵。

如上所述，可提高贮存在使用柔性容器的燃料盒中的液体燃料的利用系数。因此，可减小与相等的燃料供应量对应的燃料盒的体积和重量。因此，通过使用该燃料盒，提供了一种比普通的燃料电池的重量更轻、尺寸更小的燃料电池。

虽然已示出和描述了若干实施例，但是本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本公开的范围限定在权利要求及其等同物中。

Claims

1、一种燃料盒，包括：

柔性容器，包括用于限定内部空间的侧面，其中，内部空间被构造为贮存液体燃料；

连接器，流体地连接到柔性容器，连接器包括被构造为排放液体燃料的开口；

通道形成结构，设置在柔性容器的内部空间内，通道形成结构的至少一部分设置为与连接器邻近，

其中，通道形成结构被构造为提供将内部空间与连接器的开口进行互连的流场，从而当柔性容器的在连接器附近的侧面相互接触时，使液体燃料从柔性容器中排放。

2、如权利要求1所述的燃料盒，其中，通道形成结构包括褶皱部分，褶皱部分包括在柔性容器的侧面中的折边，其中，褶皱部分的刚性比柔性容器的侧面的刚性大。

3、如权利要求1所述的燃料盒，其中，通道形成结构包括与固体构件相邻的侧面空间，其中，固体构件在柔性容器的内部附着到柔性容器的侧面。

4、如权利要求3所述的燃料盒，其中，固体构件比柔性容器硬，且固体构件具有矩形截面。

5、如权利要求1所述的燃料盒，其中，通道形成结构包括空心管，其中，空心管的至少一部分在柔性容器的内部固定到柔性容器的侧面。

6、如权利要求5所述的燃料盒，其中，空心管包括第一空心部分和第二空心部分，其中，第一空心部分形成第一流场，第二空心部分形成第二流场，第一空心部分的长度大于第二空心部分的长度。

7、如权利要求1所述的燃料盒，其中，柔性容器包括片状的聚合物材料或塑料材料。

8、如权利要求1所述的燃料盒，其中，柔性容器包括透明的袋状构件，所述构件的边缘相互结合。

9、如权利要求1所述的燃料盒，还包括外部容器，外部容器围绕柔性容器并暴露连接器。

10、如权利要求1所述的燃料盒，其中，连接器的凸缘结合到并固定柔性容器的开口。

11、如权利要求1所述的燃料盒，其中，连接器包括连接结构，连接结构被构造为流体地连接到可拆卸的输送管。

12、如权利要求1所述的燃料盒，其中，连接器包括流场控制结构，流场控制结构被构造为通过自身的弹力进行开启和关闭。

13、如权利要求1所述的燃料盒，其中，液体燃料包括液相烃基燃料。

14、一种燃料电池系统，包括：

发电机，包括电解质膜以及阳极和阴极，其中，阳极和阴极位于电解质膜的相对侧上，发电机被构造为通过供应到阳极的燃料与供应到阴极的氧化剂之间的电化学反应而产生电能；

被构造为将燃料供应到发电机的如权利要求1所述的燃料盒。

15、如权利要求14所述的燃料电池系统，还包括燃料供应器，燃料供应器被构造为对燃料盒施加预定的压力，从而排放贮存在燃料盒中的燃料并将排放的燃料供应到发电机。

16、如权利要求14所述的燃料电池系统，还包括氧化剂供应器，用于向发电机供应氧化剂。