CN101432922A - 直接液体燃料电池及防止直接液体燃料电池中燃料分解的方法 - Google Patents

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Abstract

一种直接燃料电池(1)，其包括阴极(4)、阳极(3)、燃料室(2)和至少一个布置在阳极(3)与燃料室(2)之间的膜(8)。所述膜(8)被构造和布置为可允许在阳极(3)的面对燃料室(2)的表面上或附近形成的气体邻近阳极(3)地累积，至少累积到所累积的气体基本上防止阳极(3)和液体燃料之间直接接触的程度。还公开了一种防止或减少燃料电池中燃料分解的方法。

Description

直接液体燃料电池及防止直接液体燃料电池中燃料分解的方法
技术领域
本发明涉及一种使用氢化物燃料(hydride fuel)的直接液体燃料电池(DLFC)，还涉及特别防止或至少基本上减少当DLFC在无负荷或仅低负荷下时由燃料电池阳极处氢化物燃料的分解导致的氢气的产生。
在燃料电池处于无负荷或仅低负荷状态期间，燃料电池阳极处的氢化物燃料分解反应产生氢气。因此本发明还提供一种用产生的氢气在阳极和液体燃料之间设置隔离层的方法。这样，可基本上防止燃料接触阳极，从而至少在相当程度上防止了燃料的分解。
可完成该目的的一个方法是通过与阳极面对燃料室的表面接近或接触地布置特殊膜。最初产生的氢气在膜和阳极之间累积，并将液体燃料从阳极与膜之间的空间推出或压出。这使得液体燃料与阳极分离。
背景技术
DLFC最常用的液体燃料是甲醇。该直接甲醇燃料电池(DMFC)的主要缺点是甲醇的毒性和室温下非常差的放电特性。结果，DMFC通常不用于便携式电子产品等。
基于(金属)氢化物和硼氢化物化合物如硼氢化钠的燃料具有非常高的化学和电化学活性。因此，使用该燃料的DLFC即使在室温下也具有非常好的放电特性(电流密度、比能等)。
例如，燃料电池阳极表面上的硼氢化物燃料的电镀氧化依据下式进行：
BH 4 - + 8 O H - = B O 2 - + 6 H 2 O + 8 e - - - - ( 1 )
与氢化物和硼氢化物燃料有关的主要问题是阳极表面(的活化层)上的燃料的自发分解，该分解伴随着通常以微型气泡如尺寸从约0.01至约2mm的气泡形式的氢气的产生。该过程在DLFC的开路状态和待用(低电流)状态尤其显著。
硼氢化物化合物的分解依据下式进行：
BH 4 - + 2 H 2 O → BO 2 - + 4 H 2 ↑ - - - ( 2 )
DLFC阳极处氢化物和硼氢化物的分解导致若干技术问题，特别是，能量损失、阳极活化层的破坏和安全性能的降低。结果，需要开发当DLFC在无负荷或无显著负荷下时基本上防止燃料分解的方法。
发明内容
本发明提供一种使用趋于在阳极表面上进行分解并在分解过程中产生气体的液体燃料的液体燃料电池。该燃料电池包括阴极；阳极；电解液室，其布置在阴极和阳极之间；燃料室，其布置在阳极的与面对电解液室侧相反的一侧；和至少一层膜，其布置在阳极的面对燃料室的一侧。至少一层膜被构造和布置为允许由于燃料分解而形成在阳极的面对燃料室的表面上或附近的气体邻近阳极地累积，至少累积到所累积的气体基本上防止当液体燃料存在于燃料室中时阳极和液体燃料之间直接接触的程度。
根据本发明的燃料电池的一个方面，燃料可包括金属氢化物和/或硼氢化物化合物和/或气体可包括氢气。
另一方面，至少一层膜可包括单层材料和/或至少一层膜可包括亲水性材料。亲水性材料可包括金属和/或金属合金。作为非限制实例，亲水性材料可包括不锈钢。
另一方面，至少一层膜可包括疏水性材料，例如，有机聚合物如聚烯烃(例如，乙烯和丙烯的均聚物和共聚物)、聚酰胺和聚丙烯腈。
另一方面，至少一层膜可包括无纺材料、复合材料、层叠材料、复合/层叠材料、泡沫材料、多孔纸材料、织物材料、碳材料(例如石墨)、烧结金属材料、陶瓷材料和聚合物材料中的一种或多种。
在本发明的燃料电池的另一方面中，至少一层膜可包括泡沫和/或筛，例如，不锈钢微孔筛。例如，微孔筛可包括具有尺寸高达约0.5mm，例如从约0.06μm至约0.05mm的尺寸的筛眼。再又一方面，至少一层膜(筛)可具有从约0.01mm至约5mm的厚度，例如，从约0.03mm至约3mm，或从约0.05mm至约0.3mm。
再另一方面，至少一层膜可包括聚合物筛和/或多孔聚合物层。例如，聚合物筛或多孔聚合物层具有从约0.02mm至约2mm的厚度和/或从约0.01mm至约0.1mm的筛眼尺寸或从约0.01μm至约0.1mm的孔尺寸。
在本发明的燃料电池的另一方面中，至少一层膜可与阳极的面对燃料室的表面接触。例如，至少一层膜可被连接和/或粘接至阳极的表面(如滚轧到阳极上)。
另一方面，燃料电池还可包括布置在至少一层膜和阳极之间自由空间和/或间隔结构。作为非限制实例，间隔结构可包括其内具有自由空间的间隔材料。
一方面，间隔结构可包括具有高达约3mm和/或至少约0.1mm的厚度的间隔材料层。例如，间隔材料层具有从约0.5mm至约1.5mm的厚度。
另一方面，间隔材料可包括疏水性材料(如与包含亲水性材料的膜相结合)例如聚合物材料。作为非限制实例，疏水性材料可包括烯烃均聚物(如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯)、烯烃共聚物、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚砜中的一种或多种。
再另一方面，间隔材料可包括网例如篱状网。例如，网包括从约1mm至约50mm的开口。
又另一方面，代替其内具有自由空间的间隔材料或在该间隔材料之外，间隔结构可包括布置在阳极的面对燃料室的表面上的框架密封件。框架密封件包括疏水性材料，例如聚合物，例如氟化高聚物(如聚四氟乙烯)。此外，框架密封件优选具有高达约0.1mm的厚度，例如，从约0.02mm至约0.05mm的厚度。
尤其在至少一层膜与阳极表面不连接或接触的情况下，本发明的燃料电池还可包括压力释放装置，该压力释放装置布置成允许气体从阳极和至少一层膜之间的空间逸出。一方面，压力释放装置可被布置成允许气体进入燃料室。另一方面，压力释放装置可包括小直径管道
在本发明的燃料电池的另一方面中，至少一层膜和间隔结构一起可形成整体结构。
又另一方面，燃料电池可至少包括与阳极相邻的第一膜和在第一膜的面对燃料室一侧上的第二膜，至少第一膜被构造和布置成允许形成在阳极的面对燃料室的表面上或附近的气体邻近阳极地累积，至少累积到所累积的气体基本上防止阳极和液体燃料之间直接接触的程度。
另一方面，第二膜可被构造和布置成从液体燃料中过滤固体和/或保护第一膜。另一方面，第一膜和第二膜形成整体结构。
又另一方面，第二膜可包括与第一膜不同的材料和/或可具有与第一膜不同的厚度和/或可具有与第一膜不同的孔尺寸或筛眼尺寸。
再另一方面，第二膜可包括与第一膜基本上相同的材料和/或可具有与第一膜基本上相同的厚度和/或可具有与第一膜基本上相同的孔尺寸或筛眼尺寸。
除存在至少两层膜外，燃料电池可与上述具有(至少)一层膜的燃料电池相同。例如，至少第一膜可包括聚合物筛或多孔聚合物层，该聚合物筛或多孔聚合物层具有在约0.02mm和2mm之间的厚度以及从约0.01mm至约0.1mm的筛眼尺寸或从约0.01μm至约0.1mm的孔尺寸，或者至少第一膜包括具有从约0.01mm至约5mm的厚度的不锈钢筛。此外，第一膜可被粘接至阳极的面对燃料室的表面和/或与表面接触。此外，燃料电池还包括布置在第一膜和阳极之间的自由空间和/或间隔结构。间隔结构可与上述间隔结构相同，包括其各种方面。
在本发明的燃料电池的另一方面中，阳极可被固定在燃料电池(箱体)内和/或与燃料电池(箱体)密封接合。
在本发明的燃料电池的另一方面中，燃料室可包括邻近至少一层膜的至少第一部分和通过一条或多条液体通道连接至第一部分的至少一个第二部分。例如，燃料室的至少一个第二部分可包括(可选置换)液体燃料盒体。
另一方面，本发明的燃料电池可包括容纳至少阳极的箱体，燃料室的至少一部分布置在箱体外部，并且箱体通过一条或多条液体通道连接至布置在箱体外部的燃料室的至少一部分上。布置在箱体外部的燃料室的至少一部分可包括(可选置换)盒体。例如，在该情况下，至少一层膜可布置在以下至少一个处：(a)箱体的使来自至少燃料室布置在箱体外部的一部分的液体燃料可进入箱体的一个或多个位置处或附近、(b)至少燃料室布置在箱体外部的一部分的使液体燃料可离开至少燃料室布置在箱体外部的一部分的一个或多个位置处或附近、以及(c)一条或多条液体通道内的一个或多个位置处。
本发明进而提供一种减少或基本上防止当燃料电池处于基本上无负荷状态时直接液体燃料电池中的燃料在燃料电池的阳极处分解的方法，其中，燃料分解产生气体。该方法包括使初始燃料分解所产生的气体形成限制或基本上防止燃料和阳极之间进一步接触的阻挡层。
一方面，阻挡层可包括基本上横跨阳极的面对燃料电池的燃料室的整个表面的基本连续气体层。
另一方面，气体可包括氢气和/或燃料可包括氢化物化合物和硼氢化物化合物中的至少一种，例如，溶解和/或悬浮在液态载体中的碱金属(例如钠)硼氢化物。
该方法的又另一方面，在燃料电池被置于基本上无负荷状态之后不超过约5分钟内，例如，不超过约3分钟，燃料分解基本上停止。
再另一方面，方法可限制或基本上防止初始燃料分解所产生的气体从阳极流走的能力。例如，限制或基本上防止。这可以通过被布置在阳极的面对燃料电池的燃料室的一侧上的至少一层膜来完成。
此外，本发明还提供一种减少或基本上防止直接液体燃料电池的阳极处燃料分解的方法，该直接液体燃料电池使用当进行分解时产生气体的燃料。该方法包括：在燃料电池的燃料室和阳极之间布置以下结构中的一个或多个：至少一个多孔结构；至少一个筛结构；和至少一层膜；以及在燃料的初始分解过程中在燃料电池中形成气体，从而气体限制或基本上防止燃料和阳极之间的接触。
一方面，气体的形成可还包括用气体基本上防止燃料接触阳极。另一方面，其可进一步包括形成基本上横跨阳极的面对燃料电池的燃料室的整个表面的基本连续气体层。又另一方面，其可进一步包括基本上限制阳极和至少一个多孔结构、至少一个筛结构和/或至少一层膜之间的气体。
在本发明的另一方面，气体可包括氢气。
再另一方面，方法可还包括将燃料电池置于基本上无负荷状态下以便引起燃料分解。
又另一方面，方法可还包括在不超过约3分钟内基本上停止初始的燃料分解。
另一方面，方法可还包括提供在阳极和至少一个多孔结构、至少一个筛结构或至少一层膜之间的空间，空间可被基本上充满气体。
本发明还提供一种防止或减少上述燃料电池中燃料分解的方法，包括其各方面。该方法包括用燃料电池产生电能；基本上防止燃料电池进一步产生电能而由此在燃料电池的阳极处导致伴随有气体产生的燃料分解；以及(a)通过至少一层膜，促进在阳极处产生的气体邻近阳极地累积，至少累积到累积的气体限制或基本上防止阳极和液体燃料之间接触的程度；或(b)使得在阳极处产生的气体邻近阳极地累积，至少累积到累积的气体基本上防止阳极和液体燃料之间接触的程度；或(c)允许在阳极处产生的气体在至少一层膜和阳极之间累积，至少累积到所累积的气体基本上防止阳极和液体燃料之间接触的程度。
本发明还提供一种燃料电池，其包含阴极、阳极和布置在阴极与阳极之间的电解液室。包含燃料室的盒体可被连接和/或可拆卸地连接至具有阴极、阳极和电解液室的燃料电池壳体(箱体)。当盒体连接至壳体时，燃料室被布置在阳极的与面对电解液室侧相反的一侧上。至少一层膜(也可和间隔材料)被布置在邻近阳极的气体累积空间和燃料室之间。至少一层膜被构造和布置为允许由于燃料分解而形成在阳极的面对燃料室的表面上或附近的气体邻近阳极地累积，至少累积到所累积的气体基本上防止阳极和液体燃料之间直接接触的程度。
通过本公开和附图可确定本发明的其它示例性实施例和优点。
附图说明
在下面的详细说明中将参考本发明示例性实施例的非限制性实例的多个附图进一步说明本发明，其中在附图的多个图中相似的附图标记代表相似的部分，且其中：
图1示出现有技术燃料电池的示意性截面图；
图2示出根据本发明一个实施例的燃料电池的截面；
图3示出图2的放大部分；
图4是图解图1所示类型的燃料电池中氢气产率的图表；
图5是图解图2所示类型的燃料电池中氢气产率的图表；
图6示出篱状间隔(wattled spacer)材料的一种无界限(non-limiting)编织图案的局部视图；
图7示出篱状间隔材料的另一种无界限编织图案的局部视图；
图8示出根据本发明另一实施例的燃料电池的截面；
图9示出根据本发明又一实施例的燃料电池的截面；
图10示出根据本发明再一实施例的燃料电池的截面；
图11示出根据本发明更一实施例的燃料电池的截面。该实施例使用包含可连接和/或可拆卸地安装至燃料电池壳体的燃料室(或至少其一部分)的盒；
图12示出图11所示实施例的放大图并图解膜和/或间隔材料如何能具有小的滤筛(screen)式过滤构件形状。该图还图解盒的通道(tube)如何通过O形环相对于壳体壁中的开口被密封；和
图13示出根据图11具有与燃料电池的壳体分离和/或不相连的盒的实施例的燃料电池的截面。
具体实施方式
这里所示的细节是以实例的方式且仅用于本发明实施例的例证性论述，并且为了提供被相信是对本发明的原理和概念方面最有用和最易于理解的说明而被提出。在这点上，除对本发明的基本理解所必需的细节外，没有试图给出本发明的更多结构细节，采用附图的说明使得本领域的技术人员易知如何在实践中实施本发明的几个形式。
如图1所示，传统的DLFC使用其内包含燃料室2和电解液室5的箱体或容器体1。箱体1典型地由例如塑料材料形成。燃料室2包含例如氢化物或硼氢化物燃料形式的液体燃料。电解液室5包含例如碱金属氢氧化物水溶液形式的液态电解液。阳极3布置在箱体1内并分隔两室2和5。阳极3通常由能透过气态和液态物质的多孔材料组成。阴极4也布置在箱体1中，并和阳极3一起定义电解液室5。液体燃料的氧化作用在阳极3处发生。在阴极4处，物质(典型为环境空气中的氧气)减少。
如图2所示，根据本发明的至少一个非限制实施例，DLFC与图1所示的燃料电池的不同之处至少在于，其额外包括布置在箱体1内的框架密封件6、特殊膜8、间隔材料9和可选的、具有例如毛细针形状的压力排气装置7。
在根据本发明的DLFC中，所产生的气体，通常为氢气且通常以尺寸从约0.01mm至约2mm的微气泡形式，累积在阳极3的表面和特殊膜8之间的空间内。气泡通常会聚结和/或联合以形成基本填充阳极3和特殊膜8之间所有体积的气体层。这反过来导致液体燃料与阳极3分离。特殊膜8基本上防止了液体燃料和阳极3的任何进一步接触。阳极3和膜8之间的空间通常会为约0.1mm至约3.0mm厚，优选具有约0.5mm至约1.5mm的厚度，最优选约0.5mm的厚度。
任何超出阳极3和特殊膜8之间的空间体积的额外气体漏出或排出并通过可选毛细针7进入燃料室2。当阳极3和特殊膜8之间体积中的压强等于燃料室2中的压强时，该排出过程基本自动停止。
框架密封件6绕阳极3的周边延伸并被布置在阳极3和特殊膜8之间。框架密封件6优选具有薄(无孔)膜形式并被用于防止燃料从阳极周边的边界或外缘区域中漏出。框架密封件6的材料通常(至少在其面对燃料室的表面上)为疏水的，其可由例如聚四氟乙烯等材料形成，尽管其它的疏水材料如聚乙烯和聚丙烯等烯烃聚合物也可用于此用途。通常，框架密封件6由氟化高聚物如氟化或全氟化聚烯烃制成或至少包含氟化高聚物如氟化或全氟化聚烯烃。应当注意的是，框架密封件6也可由非疏水性材料制成，但是其表面上通过例如涂覆疏水材料或其它给予疏水性的工序而具有疏水性。优选地，框架密封件6具有不超过约0.1mm的厚度。通常其会具有至少约0.02mm的厚度。对于用于本发明的框架密封件6，尤其优选约0.05mm的厚度。框架密封件6可以多种方式安装在阳极3上，例如，使用压力和/或使用粘接剂。安装框架密封件6的优选方式包括夹物模压(insert molding)。框架密封件6也可被通过例如摩擦焊接将阳极3的周边框架固定和/或密封连接至阳极3来代替(replace)。
间隔材料9布置在阳极3和特殊膜8之间。间隔材料9也延伸至箱体1的周边内，并且在周边区域中，间隔材料9也布置在框架密封件6和特殊膜8之间。间隔材料9的用途是在特殊膜8和阳极3表面之间制造间距。该间距形成气体层空间或体积。当气体产生时，其在该空间内累积并填充该空间。间隔材料9允许气体基本自由地流过阳极3的表面，且其可为网状例如篱状网材料形式。间隔材料9必须能经受住液体燃料成分的化学侵蚀且通常为疏水性的，至少在其外表面上是疏水性的。换句话说，间隔材料9也可以是在其其它表面上通过任意合适的处理例如涂覆疏水性材料而成为疏水性的亲水性材料。本发明所用的间隔材料优选包括有机聚合物例如烯烃均聚物和烯烃共聚物。其具体实例包括也可用于框架密封件6的材料，如乙烯和丙烯的均聚物和共聚物、聚四氟乙烯等。间隔材料9也可由其它材料如ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚砜和类似的有机聚合物制成。间隔材料9通常具有不大于约5mm的厚度，优选不大于约3mm，更普遍地不大于约1.5mm的厚度。间隔材料9通常具有至少约0.1mm的厚度，优选至少约0.5mm。在本发明的优选实施例中，间隔材料9具有约0.5mm的厚度。当然，在以下将说明的其它实施例中，间隔材料9也可免去(其功能由其它结构和/或特殊膜8自身完成)。如上所述，框架密封件6也可免去。
如上所述，特殊膜8将在阳极表面形成的气体层与燃料室2中的液体燃料分离。特殊膜8由可经受住液体燃料成分的化学侵蚀的材料制成，且不会催化燃料或其组分的分解至任何可觉察的程度。该材料可以是亲水性的或疏水性的。亲水性材料也可以是在其外表面上通过任意合适的处理例如涂覆、表面处理(如氧化)等而获得亲水性的疏水性材料。优选合适的用于特殊膜8的亲水性材料的非限制实例包括金属或合金。尤其优选的材料包括抗腐蚀金属(如镍)和抗腐蚀合金如钢，尤其是，不锈钢等。
优选合适的用于特殊膜8的疏水性材料的非限制实例包括有机聚合物，例如聚烯烃(如乙烯或丙烯的均聚物和共聚物)、聚酰胺和聚丙烯腈。亲水性或疏水性材料优选以泡沫、筛状等形式存在。
通过非限制实例，特殊膜8可包括或至少包括如不锈钢微孔筛(micromesh)的金属筛(metal mesh)。筛眼(cell of themesh)可具有例如直到约0.5mm的尺寸，例如直到约0.1mm或直到约0.06mm。优选的筛眼尺寸为从约0.05μm至约0.06mm，尤其优选约0.05mm的尺寸。金属筛优选具有从约0.01mm至约5mm的厚度，例如从约0.03mm至约3mm。
特殊膜8的其它非限制实例包括聚合物筛或多孔聚合物层。优选地，聚合物筛或多孔聚合物层具有从约0.02mm至约2mm的厚度。优选地，其筛眼尺寸或孔尺寸分别为从约0.01mm至约0.1mm和从约0.01μm至约0.1mm。
膜8也可包括其它亲水性和/或疏水性材料，如亲水材料与疏水材料的复合物和/或层叠以及亲水材料与疏水材料的组合。膜8也可包括例如无纺材料、泡沫材料(聚合的或金属的)和其它多孔材料如多孔纸、织物、碳(例如石墨形式)、烧结金属和陶瓷材料。
毛细针7被紧固至特殊膜8并且可布置在其上的方便位置例如中央位置(并且优选基本垂直于膜8)。如上所述，针7的用途是平衡气体层和燃料室2中的液体燃料之间的压强。通常平衡压强范围为从约1atm至约1.5atm(绝对)。针7由可经受住液体燃料成分化学侵蚀的材料制成且不会催化燃料的分解至任何可觉察的程度。该材料通常从适合用于制造特殊膜8的材料中选择，但是也可由其它材料如聚合物材料制成。聚合物材料的非限制实例包括聚烯烃例如聚四氟乙烯和聚丙烯。优选地，针7为不锈钢针。虽然针7的合适长度可在较宽范围(部分取决于间隔9、膜8的尺寸等)变化，针7常常具有直到约2cm甚至更长的长度。针7的内径通常不超过约2mm，优选不超过约1mm，或不超过约0.5mm。针7可通过任何合适的方法，例如通过热粘接、焊接和机械连接(后者为优选方法)连接至膜8。当然，在下述其它实施例的情况中，针7对本发明的燃料电池的操作不是必需的，也可免去。
图8示出本发明的燃料电池的另一非限制实施例，其不同于图1所示的燃料电池之处至少在于：其额外包括布置在箱体1内的具有框架的阳极3、特殊膜8a、可选第二膜8b和可选间隔材料9。该实施例不需要框架密封件6，也不包括毛细针7。阳极3的周边框架可通过例如摩擦焊接固定至阳极3。装置3、4、9、8a和8b的材料和厚度与图2所示实施例的上述对应装置相同。膜8a和8b可以是如上所述的相同材料、类型和/或厚度，或者可在这些方面中的任一或更多方面不同。
图9示出本发明的燃料电池的又一非限制实施例，其不同于图1所示的燃料电池之处至少在于：其额外包括布置在箱体1内的阳极3、特殊膜8a、可选第二膜8b、可选间隔材料9和可选框架密封件6。该实施例也不包括毛细针7。装置3、4、6、9、8a和8b的材料和厚度与图2所示实施例的上述对应装置相同。膜8a和8b可以是如上所述的相同材料、类型和/或厚度，或者可在这些方面中的任一或更多方面不同。
图10示出本发明的燃料电池的再一非限制实施例，其不同于图1所示的燃料电池之处至少在于：其额外包括布置在箱体1内的阳极3、特殊膜8a和可选第二膜8b。该实施例不需要间隔材料9和框架密封件6，也不包括毛细针7。装置3、4、8a和8b的材料和厚度与图2所示实施例的上述对应装置相同。膜8a和8b可以是如上所述的相同材料、类型和/或厚度，或者可在这些方面中的任一或更多方面不同。在该实施例中，膜8a优选与阳极3接触。作为非限制实例，膜8a可被滚轧或连接或结合至阳极3的表面。在该情况下，膜8a中的空隙和/或自由空间提供可由所产生的气体占据的空的空间，从而形成基本上防止燃料接触阳极的阻挡层。
尤其地，在使用多于一个特殊膜8a例如膜8a和8b的实施例中，第一膜8a可根据空间和/或间隔材料以上述方式起作用，而第二膜8b可用作不同的用途，例如为了保护第一膜8a和/或基本上防止其堵塞，从燃料室2中的燃料中过滤固体等。
本领域的技术人员知道，本发明燃料电池的各种组件中，不是每一个都必须作为单一组件存在，而且也不必完全布置在单个箱体内。作为非限制实例，燃料室2可包括与至少一层膜8相邻(例如，与膜8b相邻)的部分和布置在燃料电池壳体或箱体外并通过一条或多条液体通道连接至箱体的部分或更多其它部分(例如，一个或多个盒体)。燃料室如果有布置在箱体内的部分，其体积相对于布置在箱体外的那一部分或更多部分的体积较小(例如，不大于后者体积的约20％，例如不大于约10％，不大于约5％，或不大于约2％)。此外，燃料室2可基本上完全布置在箱体的外部，并可通过一条或多条液体通道(例如，以小直径管道等的形式)连接至箱体。作为非限制实例，燃料室可以是连接至箱体的(可选可置换)盒体形式。将盒体连接至箱体的方法的实例公开在例如待处理美国专利申请No.10/824,443和10/849,503中，其全部内容通过引用包含于此。
在该情况下，至少一层膜8可被包括在箱体中(例如，在液体燃料可进入箱体的一点或多点处或附近)、和/或可被包括在燃料室2(例如盒体)中(例如，在液体燃料可离开燃料室2的一点或多点处或附近)、和/或可被布置在箱体和燃料室2之间的某处(例如，在连接燃料室2和箱体的一条或多条液体通道内)。当然，在该情况下，关于燃料室的各种组件的细节也可与前述相同。例如，该至少一层膜8可包括至少第一膜8a和第二膜8b。
图11-13示出燃料电池1的一个非限制实施例，其具有阴极4、阳极3、布置在阴极4和阳极3之间的电解液室5。具有燃料室2的盒体CA被连接和/或可拆卸地连接至具有阴极4、阳极3和电解液室5的燃料电池壳体。当盒体CA连接至壳体时(图11)，燃料室2被布置在阳极3的与面对电解液室5侧相对的一侧上。至少一层膜8布置在与阳极3相邻的气体累积空间和燃料室2之间。作为非限制实例，该空间的宽度可为大约1mm，但是也可颇为更大或更小。该至少一层膜8被构造并布置为允许在阳极3的面对燃料室2的表面上或附近处由燃料分解而形成的气体邻近阳极3地累积，至少到气体基本上防止阳极3和燃料室2中的液体燃料之间直接接触的程度。如图12所示，膜8(其也可包括间隔材料9的附加层)可具有固定至壳体壁的内表面的小滤筛式过滤构件的形式。当然，过滤构件也可布置在管道的相反端上，从而可被布置在盒体CA中而不超出本发明的范围。此外，过滤构件也可布置在管道的两侧。更进一步，管道的内部可包括膜/间隔材料，其具有足够长度的卷烟过滤器的形式。如图13所示，盒体CA的管道(其数量和尺寸可根据需要变化并可类似于所述管道7)通过一个或多个O形环相对于壳体壁中的开口密封。当然，在提供管道和壳壁开口之间的密封中也可采用任意数量的密封技术或方法。另外，预想到管道也可连接至燃料电池壳体，而开口布置在盒体CA的壁中。图13示出盒体CA从燃料电池1的壳体分离和/或不连接。尽管未示出，可使用阀停止和/或调节来自和去向盒体CA和燃料电池1的壳体的流动。
作为非限制说明，当燃料电池处于或被置于无负荷或基本无负荷状态时，液体燃料起初分解并在阳极3附近产生气体(例如，氢气)，从而推动液体燃料远离阳极3并防止燃料进一步接触阳极3，这反过来终止了气体的产生。当燃料电池之后被置于负荷下(闭合电路)时，气体通过阳极表面上的氧化作用被消耗从而产生真空吸回液体燃料并与阳极3的表面直接接触，在阳极3其被氧化以产生电能。当电路再次断开时(无负荷)，起初通过液体燃料的分解而产生气体，并从头开始上述过程。
实例1
采用具有下列参数的图1所示类型的传统DLFC进行试验：
阳极和阴极的面积＝各45cm2(62mm×73mm)；
电解液室的厚度或宽度＝4mm；
电解液室的电解液体积＝18cm3；
燃料室的厚度或宽度＝20mm；和
燃料室的燃料体积＝90cm3。
DLFC填充硼氢化物燃料并在下列条件下进行试验：
总试验时间＝20小时；
无负荷状态＝开路。
在该试验中，最大气体产率为15cm3/min。如图4所示，氢气产量在约60分钟后开始下降，但是在整个试验的20小时中继续。
实例2
采用具有下列参数的图2所示类型的根据本发明的DLFC进行试验：
阳极和阴极的面积＝各45cm2(62mm×73mm)；
电解液室的厚度或宽度＝4mm；
电解液室的电解液体积＝18cm3；
燃料室的厚度或宽度＝20mm；和
燃料室的燃料体积＝90cm3；
薄膜特氟隆(Teflon)框架密封件的厚度＝50μm；
不锈钢毛细针长度＝7mm，内径＝320μm；
不锈钢微孔筛特殊膜筛眼＝53μm；
聚丙烯篱状网(net)状间隔材料网孔2mm×3mm且厚度＝1mm。
DLFC被填充硼氢化物燃料并在下列条件下进行试验：
总试验时间＝20小时；
无负荷状态＝开路。
在该试验中，直到阳极3和特殊膜8之间空间被填充的时间是45秒。如图5所示，氢气的产生在约45秒后开始减少，并在约3分钟后停止，即，燃料分解在约3分钟后停止。
应当注意的是，上述DLFC各元件的示例性和优选的尺寸尤其地应用于便携设备的燃料电池，例如，应用于具有合适于便携设备(如膝上电脑、蜂窝电话等)的数量级的尺寸的燃料电池。在这些实例中给出了相应参数的例子。对于那些比适于便携设备的燃料电池颇为更小或更大的燃料电池，此处给出的优选尺寸可能不总是在最大可能程度上提供理想的结果。然而，本领域的技术人员能够轻易地确定燃料电池的任意给定大小的最合适的尺寸。
这里，“亲水性”材料是指对水具有亲和力的材料。该术语包括可被浸湿、具有大的表面张力值以及具有与水形成氢键趋势的材料。其也包括具有高的水蒸汽渗透率的材料。
这里，“疏水性”材料是指排斥水的材料。该术语包括允许气体从中穿过但基本上防止水和类似的质子和/或极性液体从中流过的材料。
应当注意的是，提供上述实例仅仅为了说明的目的，并非用于限定本发明。虽然已参考示例性实施例说明了本发明，但应该理解，所使用的词语为说明性和例证性词语，而不是限定性词语。在各方面不脱离本发明的范围和精神的前提下，可在所附权利要求书的范围内进行变化。尽管本发明的说明参考了特殊的装置、材料和实施例，但是本发明不意在限于此处所公开的特例。相反，本发明延伸至所有功能等同的结构、方法和用途，这些都在所附权利要求书的范围内。
本申请是2004年9月15日提交的美国专利申请No.10/941,020的部分继续申请，其全部内容通过引用包含于此。

Claims (85)

1.一种直接液体燃料电池，其使用趋于分解产生气体的液体燃料，所述燃料电池包括：
阴极；
阳极；
电解液室，其布置在所述阴极和所述阳极之间；
燃料室，其布置在所述阳极的与面对所述电解液室侧相反的一侧；和
至少一层膜，其布置在所述阳极的面对所述燃料室的一侧，
其中，所述至少一层膜被构造和布置为允许在所述阳极的面对所述燃料室的表面上或附近形成的气体邻近所述阳极地累积，至少累积到所累积的气体基本上防止所述阳极和来自所述燃料室的液体燃料之间直接接触的程度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述气体包括氢气。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料包括金属氢化物化合物和金属硼氢化物化合物中的一种或多种。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括单层材料。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括亲水性材料。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述亲水性材料包括金属和金属合金中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述亲水性材料包括不锈钢。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括疏水性材料。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述疏水性材料包括有机聚合物。
10.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述疏水性材料包括聚烯烃、聚酰胺和聚丙烯腈中的一种或多种。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括无纺材料、复合材料、层叠材料、复合/层叠材料、泡沫材料、多孔纸材料、织物材料、碳/石墨材料、烧结金属材料、陶瓷材料和聚合物材料中的一种或多种。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括筛和泡沫中的一种或多种。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括不锈钢微孔筛。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述微孔筛包括具有尺寸高达约0.5mm的筛眼。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述筛眼具有从约0.06μm至约0.05mm的尺寸。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述筛具有从约0.01mm至约5mm的厚度。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括聚合物筛和多孔聚合物层中的一种或多种。
18.根据权利要求17所述的燃料电池，其特征在于，所述聚合物筛或多孔聚合物层具有从约0.02mm至约2mm的厚度。
19.根据权利要求17或18所述的燃料电池，其特征在于，所述聚合物筛具有从约0.01mm至约0.1mm的筛眼尺寸，所述多孔聚合物层具有从约0.01μm至约0.1mm的孔尺寸。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜与所述阳极的面对所述燃料室的表面接触。
21.根据权利要求20所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜是连接和粘接至所述阳极的所述表面中的一种或多种。
22.根据权利要求1至19中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括布置在所述至少一层膜和所述阳极之间的自由空间和间隔结构中的一个或多个。
23.根据权利要求22所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括由在其中具有自由空间的间隔材料组成的间隔结构。
24.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔结构包括具有高达约3mm厚度的间隔材料层。
25.根据权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔材料层具有至少约0.1mm的厚度。
26.根据权利要求25所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔材料层具有从约0.5mm至约1.5mm的厚度。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔材料包括疏水性材料。
28.根据权利要求27所述的燃料电池，其特征在于，所述疏水性材料包括聚合物材料。
29.根据权利要求27所述的燃料电池，其特征在于，所述疏水性材料包括烯烃均聚物、烯烃共聚物、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚砜中的一种或多种。
30.根据权利要求29所述的燃料电池，其特征在于，所述疏水性材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和ABS中的一种或多种。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜包括亲水性材料。
32.根据权利要求23至31中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔结构包括网。
33.根据权利要求32所述的燃料电池，其特征在于，所述网包括篱状网。
34.根据权利要求32或33所述的燃料电池，其特征在于，所述网包括从约1mm至约50mm的开口。
35.根据权利要求21至34中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括间隔结构，该间隔结构由布置在所述阳极的面对所述燃料室的表面上的框架密封件构成。
36.根据权利要求35所述的燃料电池，其特征在于，所述框架密封件包括疏水性材料。
37.根据权利要求36所述的燃料电池，其特征在于，所述疏水性材料包括聚合物。
38.根据权利要求37所述的燃料电池，其特征在于，所述聚合物包括氟化高聚物。
39.根据权利要求35至38中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述框架密封件具有高达约0.1mm的厚度。
40.根据权利要求39所述的燃料电池，其特征在于，所述框架密封件具有从约0.02mm至约0.05mm的厚度。
41.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔结构包括其内具有自由空间的间隔材料和布置在所述阳极的面对所述燃料室的表面上的框架密封件。
42.根据权利要求22至41中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括压力释放装置，该压力释放装置布置成允许气体从所述阳极和所述至少一层膜之间的空间逃逸出。
43.根据权利要求42所述的燃料电池，其特征在于，所述压力释放装置被布置成允许所述气体逃逸入所述燃料室。
44.根据权利要求42或43所述的燃料电池，其特征在于，所述压力释放装置包括管道。
45.根据权利要求23至44中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜和所述间隔结构形成整体结构。
46.根据权利要求1至45中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池至少包括与所述阳极相邻的第一膜和在所述第一膜的面对所述燃料室一侧上的第二膜，至少所述第一膜被构造和布置成允许在所述阳极的面对所述燃料室的表面上或附近形成的气体邻近所述阳极地累积，至少累积到所累积的气体基本上防止所述阳极和所述液体燃料之间直接接触的程度。
47.根据权利要求46所述的燃料电池，其特征在于，所述第二膜被构造和布置成从所述液体燃料中过滤固体或保护所述第一膜、或者二者兼具。
48.根据权利要求46或47所述的燃料电池，其特征在于，所述第一膜和所述第二膜形成整体结构。
49.根据权利要求46至48中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第二膜包括与所述第一膜不同的材料、与所述第一膜不同的厚度、与所述第一膜不同的孔尺寸或筛眼尺寸中的一种或多种。
50.根据权利要求46至49中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第二膜包括与所述第一膜基本上相同的材料、与所述第一膜基本上相同的厚度、与所述第一膜基本上相同的孔尺寸或筛眼尺寸中的一种或多种。
51.根据权利要求46至50中任一项所述的燃料电池，其特征在于，至少所述第一膜包括聚合物筛或多孔聚合物层，该聚合物筛或多孔聚合物层具有在约0.02mm和2mm之间的厚度以及从约0.01mm至约0.1mm的筛眼尺寸或从约0.01μm至约0.1mm的孔尺寸。
52.根据权利要求46至51中任一项所述的燃料电池，其特征在于，至少所述第一膜包括具有从约0.01mm至约5mm的厚度的不锈钢筛。
53.根据权利要求46至52中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第一膜是粘接至所述阳极的面对所述燃料室的表面以及与所述表面接触中的一种或多种。
54.根据权利要求46至52中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括布置在所述第一膜和所述阳极之间的自由空间和间隔结构中的一种或多种。
55.根据权利要求54所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括由在其中具有自由空间的间隔材料组成的间隔结构。
56.根据权利要求55所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔材料包括疏水性材料。
57.根据权利要求55或56所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔结构包括篱状网。
58.根据权利要求55至57中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述间隔结构包括布置在所述阳极的面对所述燃料室的表面上的框架密封件。
59.根据权利要求58所述的燃料电池，其特征在于，所述框架密封件具有从约0.02mm至约0.05mm的厚度。
60.根据权利要求1至59中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极是固定在所述燃料电池箱体内和与所述燃料电池箱体密封接合中的一种或多种。
61.一种减少或基本上防止当燃料电池处于基本上无负荷状态时直接液体燃料电池中的燃料在燃料电池的阳极处分解的方法，其中，所述燃料分解产生气体，所述方法包括使初始燃料分解所产生的气体形成限制或基本上防止所述燃料和所述阳极之间进一步接触的阻挡层。
62.根据权利要求61所述的方法，其特征在于，所述阻挡层包括基本上横跨所述阳极的面对所述燃料电池的燃料室的整个表面的基本连续气体层。
63.根据权利要求61或62所述的方法，其特征在于，所述气体包括氢气。
64.根据权利要求61至63中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料包括氢化物化合物和硼氢化物化合物中的一种或多种。
65.根据权利要求61至64中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料包括碱金属硼氢化物，该碱金属硼氢化物是溶解和悬浮在液态载体中的一种或多种。
66.根据权利要求61至65中任一项所述的方法，其特征在于，在所述燃料电池被置于基本上无负荷状态之后不超过约5分钟内，所述燃料分解基本上停止。
67.根据权利要求66所述的方法，其特征在于，所述燃料分解在不超过约3分钟内基本上停止。
68.根据权利要求61至67中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括限制或基本上防止所述初始燃料分解所产生的气体从所述阳极流走的能力。
69.根据权利要求68所述的方法，其特征在于，所述气体从所述阳极流走的能力被布置在所述阳极的面对所述燃料电池的燃料室的一侧上的至少一层膜限制或基本上防止。
70.一种减少或基本上防止直接液体燃料电池的阳极处燃料分解的方法，该直接液体燃料电池使用当进行所述分解时产生气体的燃料，其中，所述方法包括：
在所述燃料电池的燃料室和所述阳极之间布置以下结构中的一种或多种：
至少一多孔结构；
至少一筛结构；和
至少一层膜；以及
在所述燃料的初始分解过程中在所述燃料电池中形成气体，
从而所述气体限制或基本上防止所述燃料和所述阳极之间的接触。
71.根据权利要求70所述的方法，其特征在于，所述形成包括用所述气体基本上防止所述燃料接触所述阳极。
72.根据权利要求70或71所述的方法，其特征在于，所述形成包括形成基本上横跨所述阳极的面对所述燃料电池的所述燃料室的整个表面的基本连续气体层。
73.根据权利要求70至72中任一项所述的方法，其特征在于，所述形成包括基本上限制所述阳极和所述至少一多孔结构、所述至少一筛结构或所述至少一层膜之间的所述气体。
74.根据权利要求70至73中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体包括氢气。
75.根据权利要求70至74中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将所述燃料电池置于基本上无负荷状态下以便引起燃料分解。
76.根据权利要求70至75中任一项所述的方法，其特征在于，还包括在不超过约3分钟内基本上停止初始燃料分解。
77.根据权利要求70至76中任一项所述的方法，其特征在于，还包括提供在所述阳极和所述至少一多孔结构、所述至少一筛结构或所述至少一层膜之间的空间，其中，所述空间可被基本上充满所述气体。
78.一种在根据权利要求1至60中任一项所述燃料电池中防止或减少燃料分解的方法，其中，所述方法包括：
用所述燃料电池产生电能；
基本上防止所述燃料电池进一步产生电能而由此在所述燃料电池的所述阳极处导致伴随有气体产生的燃料分解；以及
通过所述至少一层膜，促进在所述阳极处产生的气体邻近所述阳极地累积，至少累积到所累积的气体限制或基本上防止所述阳极和所述液体燃料之间接触的程度。
79.一种在根据权利要求1至60中任一项所述燃料电池中防止或减少燃料分解的方法，其中，所述方法包括：
用所述燃料电池产生电能；
基本上防止所述燃料电池进一步产生电能而由此在所述燃料电池的所述阳极处导致伴随有气体产生的燃料分解；以及
使得在所述阳极处产生的所述气体邻近所述阳极地累积，至少累积到所累积的气体基本上防止所述阳极和所述液体燃料之间接触的程度。
80.一种在根据权利要求1至60中任一项所述燃料电池中防止或减少燃料分解的方法，其中，所述方法包括：
用所述燃料电池产生电能；
基本上防止所述燃料电池进一步产生电能而由此在所述燃料电池的所述阳极处导致伴随有气体产生的燃料分解；以及
允许在所述阳极处产生的所述气体在所述至少一层膜和所述阳极之间累积，至少累积到所累积的气体基本上防止所述阳极和所述液体燃料之间接触的程度。
81.根据权利要求1至60中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料室布置在盒体中，该盒体是连接至所述燃料电池的壳体和可拆卸地安装至所述燃料电池的壳体中的至少一个。
82.根据权利要求81所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括至少一个允许液体燃料从所述盒体的所述燃料室流到所述阳极邻近区域的构件。
83.根据权利要求1至60中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括至少容纳所述阳极的箱体，所述燃料室的至少一部分布置在所述箱体外，并且所述箱体通过一条或多条液体通道连接至所述燃料室的布置在所述箱体外的所述至少一部分上。
84.根据权利要求83所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料室的布置在所述箱体外的所述至少一部分包括盒体。
85.根据权利要求83或84所述的燃料电池，其特征在于，所述至少一层膜布置在以下至少一个位置：(a)所述箱体的一个或多个位置处或附近，来自所述燃料室的布置在所述箱体外的所述至少一部分的液体燃料可在该一个或多个位置处或附近进入所述箱体；(b)所述燃料室的布置在所述箱体外的所述至少一部分的一个或多个位置处或附近，液体燃料可在该一个或多个位置处或附近离开所述燃料室的布置在所述箱体外的所述至少一部分；以及(c)所述一条或多条液体通道内的一个或多个位置处。
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