CN101553942B - 用于燃料电池的燃料盒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于控制燃料盒内压力的方法，该燃料盒具有可连接到燃料电池的可变形衬底燃料容器。
Description
技术领域
本发明主要涉及燃料电池的燃料供应部，更具体地涉及使燃料供应部内的衬垫的内部压力最小化的燃料供应部。
背景技术
燃料电池是一种将反应剂，如燃料和氧化物的化学能直接转化成直流(DC)电的器件。对于越来越多的应用场合来说，燃料电池比常规的发电装置如矿物燃料的燃烧以及便携式的电能存贮装置如锂离子电池具有更高的效率。
一般来讲，燃料电池技术中包括有多种不同类型的燃料电池，如碱性燃料电池、聚合物电解型燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融型碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及酶燃料电池。现今更重要的燃料电池可大致划分为几种类型，即：(i)采用压缩的氢(H2)作为燃料的燃料电池；(ii)质子交换膜(PEM)燃料电池，其采用的是醇类如甲醇(CH3OH)、金属氢化物如硼氢化钠(NaBH4)、碳氢化合物或者是其它能重整成氢燃料的燃料；(iii)能够直接消耗非氢燃料的PEM燃料电池或者是直接氧化燃料电池；以及(iv)能在很高的温度下直接将碳氢化合物燃料重整成电力的固体氧化物燃料电池(SOFC)。
压缩的氢通常处于高压状态，因此其操作非常困难。此外，其通常需要很大的贮备盒，因此对于消费类电子设备而言无法做到足够小。常规的重整燃料电池需要重整剂以及其它的蒸发和辅助系统来将燃料重整成氢从而与燃料电池中的氧化剂反应。最新的进展使重整剂或重整型燃料电池很有希望用于消费类电子设备。最常用的直接氧化燃料电池是直接甲醇燃料电池或DMFC。其它的直接氧化燃料电池包括直接乙醇燃料电池和直接原碳酸四甲酯燃料电池。甲醇与燃料电池中的氧化剂直接反应的DMFC是一种最简单且最有可能做到最小的燃料电池，其也有望作为消费类电子设备的电源。SOFC在高热下重整碳氢化合物燃料如丁烷而产生电能。SOFC需要在1000℃范围内的相对高温来使燃料电池反应发生。
用来生成电能的化学反应对每一类燃料电池来说都是不同的。对于DMFC来说，每一个电极处的化学能-电学能反应以及直接甲醇燃料电池的总反应可描述如下：
阳极的半反应：
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极的半反应：
1.5O2+6H++6e-→3H2O
总燃料电池的反应：
CH3OH+1.5O2→CO2+2H2O
由于氢离子(H+)穿过PEM从阳极迁移到阴极，并且由于自由电子e-不能穿过PEM，因此电子流过外部电路，从而通过外部电路产生电流。该外部电路可用来给许多有用的消费类电子设备提供电能，如移动电话或蜂窝电话、计算器、个人数字助理、笔记本电脑以及动力工具等。
美国专利3,143,440、4,390,603均对DMFC进行了描述，这两篇专利以引用的方式全文并入这里。通常来讲，PEM由聚合物制成，如DuPont公司的
或者是其它合适的膜，前者是厚度在约0.05mm到约0.5mm之间的全氟化磺酸聚合物。阳极通常由用聚四氟乙烯处理的碳纸制成，其上支撑并沉积有很簿的一层催化剂，如铂-钌。阴极通常是气体扩散电极，其中有铂颗粒粘接到该膜的一侧上。
在另一直接氧化燃料电池中，硼氢化物燃料电池(DBFC)反应如下：
阳极的半反应：
BH4 -+8OH-→BO2-+6H2O+8e-
阴极的反反应：
2O2+4H2O+8e-→8OH-
在化学金属氢化物燃料电池中，硼氢化钠被重整并反应如下：
NaBH4+2H2O→(热或催化剂)→4(H2)+(NaBO2)
阳极的半反应：
H2→2H++2e-
阴极的半反应：
2(2H++2e-)+O2→2H2O
适合于该反应的催化剂包括铂和钌以及其它的金属。重整硼氢化钠产生的氢燃料在燃料电池中与氧化剂如O2进行反应，产生电(或者是电子流)和副产品水。该过程中还会产生副产品硼酸钠(NaBO2)。硼氢化钠燃料电池在美国专利4,261,956中进行了描述，其以引用的方式并入这里。
燃料电池应用的重要部件之一是燃料存储部。当液体燃料如甲醇存储在燃料供应部中或燃料供应部内的燃料衬垫中时，在燃料供应部或燃料衬垫内可能会产生不需要的压力。
发明内容
本发明涉及使燃料电池的燃料供应部内的内部压力最小化的方法，包括利用燃料电池燃料填充内衬的步骤；密封外壳内的所述内衬；加热燃料供应部到燃料的沸点以下；使燃料供应部在所述温度下保持预定的时间；以及使燃料供应部冷却到室温。
附图的简要说明
图1A是根据本发明的燃料供应部的截面图；和
图1B是图1A的透视图。
优选实施例的详细描述
如附图所示和下面的详细说明所述，本发明涉及燃料供应部，其存储燃料电池燃料如甲醇和水、甲醇/水混合物、不同浓度的甲醇/水混合物或纯甲醇。甲醇可以用在许多类型的燃料电池中，如DMFC、酶燃料电池和重整燃料电池以及其它的燃料电池。燃料电池部可以包含其它类型的燃料电池燃料，如乙醇或其它酒精。
这里所使用的术语“燃料供应部”包括但不局限于一次性盒子、可回填/再使用的盒、容器、位于电子装置内的盒、可移动的盒、位于电子装置外部的盒、燃料槽、燃料回填槽、其它存储燃料的容器和连接到燃料槽和燃料容器的管子。虽然下文中燃料盒是结合本发明的示例实施例描述的，但应当注意这些实施例也可应用于其它燃料供应部，本发明并不局限于任何具体类型的燃料供应部。
本发明的燃料供应部也可以用于存储不在燃料电池中使用的燃料。这些应用包括但不局限于存储用于在硅芯片上构造的微燃气涡轮引擎的氢燃料，该微燃气涡轮引擎在在Industrial Physicist(工业物理学家)(2001年12月/2002年1月)中出版的、在20-25页的“Here Come the Microengines”(微引擎来了)中有说明。如本应用中所使用的，术语“燃料电池”还包括微引擎。其它应用包括存储用于内燃机的传统燃料和碳氢化合物，例如用于袖珍和多用途打火机的丁烷和液体丙烷。
当液体燃料如甲醇或其它酒精存储在液体容器中时，随着时间的推移会在容器内产生压力。当燃料排出燃料容器时，燃料容器内产生的压力会增加燃料排出的速度。压力的增加可以被许多因素影响，包括气体状态燃料的部分蒸汽压。在2005年10月5日共有申请中的、名称为“用于燃料电池的燃料盒”的NO.11/243767号美国专利申请中，描述了控制燃料容器内压力的方法。这里引入其全部内容作为参考。
参考图1A，燃料盒10包括外壳12和容纳燃料的内部燃料容器14。燃料盒10还包括与内部燃料容器14流体连通的关闭阀18。内部燃料容器14容纳燃料28，如甲醇或上述任意一种适当的燃料，并且可以具有燃料上的顶部空间27。
外壳12优选是刚性的，但也可以具有足够的弹性以随着燃料从燃料盒得输出而与内部燃料容器14一起收缩。刚性外壳可以为燃料衬垫14提供附加的结构支撑。外壳优选由金属如不锈钢或铝制成，或由能被注入模制或挤压的聚甲醛树脂制成。优选地，外壳12可以由免受污染物影响的材料如锌、硫、滑石和油制成，并且可以用氟处理以使渗透最小化。外壳12可以由任意能被模制成基本刚性形状的聚合物制成，例如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、乙缩醛聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、萘二酸乙二醇酯(PEN)、尼龙和它们的混合物。外壳12也可以由网状材料制成，其可以防止内部燃料容器14的膨胀，并可以随着燃料从内部燃料衬垫14的排出而收缩。外壳12可以涂覆有能防止气体渗透的聚合物层。外壳12最优选由可选择地涂敷有防渗透层的金属制成。
内部燃料容器14优选为弹性和可变形的，例如燃料衬垫，以使当燃料传输到燃料电池时燃料衬垫14内的体积减小。最优选地，燃料衬垫14比较薄并且由耐用和弹性材料制成，以使随着燃料排出，衬垫充分地收缩或减小其体积。用于燃料衬垫14的材料的示例包括天然橡胶、聚乙烯(包括低密度至高密度PE)、乙烯丙烯(EP)、EPDM和其它薄聚合物膜。聚乙烯可以层叠有蒸汽阻挡层例如铝箔或氟处理过的塑料以减少甲醇渗透。优选地，燃料衬垫14由低密度聚乙烯制成，并被吹制模以形成薄壁囊。在共有申请中的申请号为No.2005/0023236-A1、题为“具有弹性衬垫的燃料盒”的美国专利申请，以及申请号为No.2006/0030652-A1、题为“燃料电池的燃料供应部”的美国专利申请，以及共有的美国专利No.7059582B2中，详细描述了这种燃料衬垫和外壳以及用于制造它们的适当材料。这里引入公开的申请“236”和“652”和专利“582”的全部内容作为参考。具有可收缩和可变形的燃料衬垫14的优点在于，由于燃料衬垫随着燃料传输到燃料电池而收缩，燃料盒10可在任意方向上使用。
关闭阀18适于连接到燃料电池(未示出)或回填燃料容器/盒或回填接头。在共有申请中的、题为“具有连接阀的燃料容器”、申请号为No.2005/0022883的美国公开专利申请中详细描述了关闭阀，这里引入其全部内容作为参考。关闭阀18也可以被利用毛细管或毛细作用传输燃料的多孔或纤维材料代替，或被能用销或针开启或刺破的弹性材料如隔膜代替。在共有申请中的、题为“燃料电池的燃料盒”的美国公开专利申请No.2004/0151962中详细讨论了合适的毛细管或毛细材料，这里引入其全部内容作为参考。
本发明的发明者已经发现，即使在燃料填充期间没有形成顶部空间的情况下，填充有甲醇或类似燃料并且存储一段时间的燃料供应部会在衬垫14内产生内部压力，以及形成顶部空间27。内部压力可以使衬垫14的壁绷紧并且可以为燃料加压。
在本发明的一个实施例中，已经发现在填充内衬14之前加热燃料然后冷却燃料的方法能使燃料盒10存储期间的内部压力最小化，并可以尽量减小存储期间顶部空间27的形成。在燃料传输或送入内衬14后，优选实施该方法。在一个示例中，存储在内衬14内的甲醇燃料，其包含在金属圆柱外壳12内，被加热到其沸点65℃以下并持续预定的时间，然后冷却到室温。在该示例中没有控制压力，但应当相信压力基本在1atm标准压力附近。在2005年10月5日申请的、共有申请中的、No.11/244,218的美国专利申请和在2005年10月25日申请的、共有申请中的、NO.60/729,761的美国临时专利申请中描述了具有内衬和金属外壳的燃料供应部。这里引入这两篇参考文献的全部内容作为参考。
在一个示例中，甲醇燃料被加热到约55℃并分别持续24小时、48小时和206小时。我们发现加热时间越长，留在燃料盒内的燃料就越多。我们还发现当金属外壳未密封时，燃料损耗稍微大于1％，当金属外壳密封时，燃料损耗将减少一半左右。当未密封时，如图1A和1B中所示，燃料盒的圆顶没有密封地连接到金属外壳的剩余部分。另外，对密封和未密封的样品在阀门18周围设置紧密的聚合物盖(未示出)，以用于测试任意的潜在通过阀门18的流路。我们还发现在未密封的盒中，内衬可以加压，并且没有观察到顶部空间尺寸的减小。另一方面，出乎意料地，在密封盒中，当盒回到室温，即在2-3小时后，顶部空间消失了，并且内衬的内部压力没有升高，在某些情况下是低度真空。
在甲醇加热到约65℃但低于甲醇沸点，并持续24小时至192小时的情况下，重复相同的测试。除了大约两倍的燃料被加热损耗了之外，观察到了类似的结果。重现了没有压力产生和密封盒内没有顶部空间的意想不到结果。测试结果如下所示：
| 加热甲醇到55℃ | 初始重量(g) | 24小时 | 48小时 | 206小时 | 总重量损耗 |
| 未密封有/没有盖子 | 219.631 | 219.246 | 218.93 | 216.985 | -2.646 |
| 未密封有/没有盖子 | 219.480 | 219.109 | 218.789 | 216.856 | -2.624 |
| 未密封有/没有盖子 | 219.388 | 219.014 | 218.704 | 216.859 | -2.529 |
| 未密封有盖子 | 220.842 | 220.449 | 220.123 | 218.119 | -2.723 |
| 未密封有盖子 | 221.413 | 221.056 | 220.756 | 218.936 | -2.477 |
| 未密封有盖子 | 221.176 | 220.788 | 220.462 | 218.519 | -2.657 |
| 密封有/没有盖子 | 219.042 | 218.854 | 218.688 | 217.591 | -1.451 |
| 密封有/没有盖子 | 229.637 | 229.437 | 229.259 | 228.181 | -1.456 |
| 密封有/没有盖子 | 219.304 | 219.104 | 218.925 | 217.836 | -1.468 |
| 密封有盖子 | 220.924 | 220.764 | 220.623 | 219.823 | -1.101 |
| 密封有盖子 | 221.386 | 221.214 | 221.061 | 220.143 | -1.243 |
| 密封有盖子 | 221.199 | 221.067 | 220.943 | 220.234 | -0.965 |
| 加热甲醇到65℃ | 初始重量 | 24小时 | 192小时 | 总重量损耗 | |
| 未密封有/没有盖子 | 219.489 | 218.564 | 214.125 | -5.364 | |
| 未密封有/没有盖子 | 218.550 | 217.674 | 213.263 | -5.287 | |
| 未密封有/没有盖子 | 218.734 | 217.849 | 213.545 | -5.189 | |
| 未密封有盖子 | 221.631 | 220.729 | 216.335 | -5.296 | |
| 未密封有盖子 | 221.502 | 220.622 | 216.359 | -5.143 | |
| 未密封有盖子 | 221.083 | 220.176 | 215.98 | -5.103 | |
| 密封有/没有盖子 | 219.258 | 218.802 | 216.652 | -2.606 | |
| 密封有/没有盖子 | 219.353 | 218.877 | 216.713 | -2.640 | |
| 密封有/没有盖子 | 219.648 | 219.178 | 217.045 | -2.603 | |
| 密封有盖子 | 221.246 | 220.848 | 219.284 | -1.962 | |
| 密封有盖子 | 220.838 | 220.441 | 218.841 | -1.997 | |
| 密封有盖子 | 219.902 | 219.543 | 217.967 | -1.935 |
在甲醇被加热到约55℃分别持续24小时、48小时、72小时和96小时的情况下，除了在某些情况下用塞子代替阀门18，重复进行相同的测试。
| 加热甲醇到55℃ | 初始重量(g) | 24小时 | 48小时 | 72小时 | 96小时 | 总量损耗 |
| 密封有阀门和盖子 | 221.151 | 221.017 | -0.134 | |||
| 密封有阀门和盖子 | 220.926 | 220.635 | -0.291 | |||
| 密封有阀门和盖子 | 221.249 | 220.8 | -0.449 | |||
| 密封有阀门和盖子 | 221.226 | 220.858 | -0.368 |
| 密封有阀门和盖子 | 220.393 | 220.196 | -0.197 | |||
| 密封有阀门和盖子 | 220.342 | 220.074 | -0.268 | |||
| 密封有阀门和盖子 | 220.563 | 220.026 | -0.537 | |||
| 密封有阀门和盖子 | 220.512 | 220.09 | -0.422 |
结果显示，通过加热，至少通过阀门的部分燃料损耗了，通过内衬壁的一些燃料损耗了。另外，虽然在48小时后顶部空间的尺寸和内部压力减小了，在冷却到室温8小时后，加热24小时和48小时不会完全去除顶部空间和内衬的内部压力。利用具有阀门的测试样品加热72小时和冷却4小时后，和利用具有塞子的测试样品冷却6小时后，消除了顶部空间和内衬中的内部压力。对具有阀门的测试样品加热96小时和冷却2小时后，以及对具有塞子的测试样品冷却4小时后，消除了顶部空间和内衬中的内部压力。
在约3个月的储藏寿命后重新评估了其中顶部空间已经消失的密封测试样品，没有观察到顶部空间和内部压力的任何变化。换句话说，顶部空间没有重新出现，并且内部压力保持没有升高。由于这些密封的测试样品是“打开的”以使内部燃料衬垫可以被去除以称重，因此该结果是没有预料到的。当测试样品放在架上时，在称重后，测试盒样品的顶被放回但没有被重新密封。
虽然很清楚这里描述的本发明示例实施例实现了本发明的目的，但是应当理解本领域技术人员可以做出大量的修改并设计出许多其它的实施例。另外，任意实施例的部件和/或元件可以单个使用或与其它实施例组合使用。因此，应当理解所附的权利要求倾向于覆盖所有这样的修改和实施例，它们都将落入到本发明的精神和范围之内。
Claims (13)
1.用于使燃料电池燃料供应部内的内部压力最小化的方法，包括以下步骤：
i.用燃料电池燃料填充内衬并密封内衬中的燃料电池燃料，其中所述内衬是弹性的并对燃料电池燃料是可渗透的；
ii.密封外壳内的所述内衬；
iii.将燃料供应部加热到低于燃料沸点的温度；
iv.把燃料供应部保持在所述温度一定时间，其中所述时间为至少48小时；
v.冷却燃料供应部到室温。
2.如权利要求1的方法，其中步骤iv包括将燃料供应部保持在所述温度至少72小时。
3.如权利要求2的方法，其中步骤iv包括保持燃料供应部在所述温度持续至少96小时。
4.如权利要求1的方法，其中步骤iii包括把燃料从室温加热到低于燃料沸点10℃的温度。
5.如权利要求1的方法，其中步骤iii包括把燃料从室温加热到低于燃料沸点1℃的温度。
6.如权利要求1的方法，其中步骤v包括保持燃料供应部至少2个小时。
7.如权利要求6的方法，其中步骤v包括保持燃料供应部至少4个小时。
8.如权利要求7的方法，其中步骤v包括保持燃料供应部至少6个小时。
9.如权利要求8的方法，其中步骤v包括保持燃料供应部至少8个小时。
10.如权利要求1的方法，还包括由金属制造外壳的步骤。
11.如权利要求10的方法，还包括利用防渗透材料涂覆外壳的步骤。
12.如权利要求1的方法，还包括从聚乙烯制造内衬的步骤。
13.如权利要求1的方法，其中燃料电池燃料包括甲醇。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Owner name: INTELLIGENT ENERGY LTD. Free format text: FORMER OWNER: BIC SOC Effective date: 20150813 |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150813 Address after: Leicestershire Patentee after: Intelligent energy company limited Address before: France Klich Patentee before: BIC Soc |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130306 Termination date: 20201115 |