CN1287254C - 直接甲醇燃料电池和具有该电池的便携计算机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直接甲醇燃料电池(DMFC)和具有该电池的便携计算机。该便携计算机具有与主体部件可转动地连接的显示部件，其中显示部件包括显示板，液体燃料箱和在显示板后部的直接甲醇燃料电池(DMFC)，且主体部件包括键盘，和在键盘下面的液体供应装置，用于将从DMFC的输出环流到燃料箱。在显示板后部具有薄的单极型DMFC的该便携计算机可提供更长的操作时间，并且通过迅速地供应能源而使便携性得以改进。

Description

直接甲醇燃料电池和 具有该电池的便携计算机
技术领域
本发明涉及一种单级型薄的直接甲醇燃料电池及具有该电池的便携计算机。
背景技术
一种直接甲醇燃料电池(DMFC)已经被发展来代替用于膝上型计算机或便携笔记本计算机的二次电池。DMFC是一种可代替矿物能量的未来的清洁能源，并且具有高能量密度和高能量转换率。由于DMFC可以在环境温度下操作，并且能够被小型化和密封，其已经被提议用于许多领域，例如无污染汽车、家用发电机、移动通讯系统、医疗设备、军事设备、及空间设备。
DMFC通过甲烷与氧气之间的电化学反应产生电力。如图1所示的DMFC的一个单元电池，即一个燃料电池，包括阳极2和阴极3，及布置在它们之间的氢离子交换膜。阳极2、阴极3及氢离子交换膜1构成膜电极组件(MEA)。氢离子交换膜1由一种聚合物电解质形成，具有50-200μm的厚度范围。阳极2和阴极3包括用于燃料的供应和扩散的支持层，并具有用于燃料和氧气的氧化/还原反应的催化剂层。
阳极2和阴极3的支持层由碳纸或碳纤维形成，并且是防潮的，以易于燃料的供应及反应产物的耗散。在阳极2上，所供应的燃料例如甲醇、乙醇或异丙醇等与水反应产生氢离子、电子和二氧化碳(氧化反应)，并且所产生的氢离子通过氢离子交换膜1流动到阴极3。在阴极3，氢离子与氧气反应生成水(还原反应)。
每个反应表示如下：
反应1
(阳极反应)
反应2
   (阴极反应)
反应3
  (总体反应)
由一个DMFC的单元电池可以产生大约1.2V的理论电压。但是，由活化超电压和阻抗超电压引起的电压降使环境温度和大气压力下的开路电压下降到1V以下。事实上，实际工作电压位于0.4-0.6V的范围。因此，为了获得高电压，需要多个串联的单元电池。
典型地，使用双极叠置方法串联连接单元电池。但是，这样的方法伴随着由于厚的燃料电池叠层厚度带来的便携计算机厚度的增加。因此当便携计算机使用DMFC时，该DMFC可以与便携计算机分离，并且通过对接方法(docking method)来连接，如日本专利申请公开第2002-32154中所公开的。该对接系统需要用于从燃料箱向DMFC供应燃料的泵。
为了能够装入薄的便携计算机，DMFC应该很薄。为了这样的目的，优选地，DMFC通过使用单极板而具有薄的结构。
发明内容
本发明提供一种单极型薄的直接甲醇燃料电池(DMFC)。
本发明还提供供应均匀燃料的液体燃料箱而没有使用外部的操作装置。
本发明进一步提供一种具有所述DMFC的便携计算机。
根据本发明的一个方面，提供一种DMFC，包括：离子交换膜，在离子交换膜一个表面上的多个阳极，在离子交换膜的相对面上与阳极相对应的多个阴极，分别位于每个阳极和阴极上的集流器，将阳极和阴极在电学上串联连接以形成一个直通电路的连接线，以及分别安置在每个阳极和阴极上的燃料供应板。
根据本发明的另一个方面，提供一种便携计算机，其具有可转动地连接到一个主体部件的显示部件，其中显示部件包括显示板，液体燃料箱，及在显示板后面的直接甲醇燃料电池(DMFC)，其中在该便携计算机的显示部件打开的位置，该液体燃料箱位于该DMFC之上，并且该液体燃料箱通过燃料供应管与该DMFC相连，主体部件包括键盘，和在键盘下面的液体供应装置，该液体供应装置通过连接该液体供应装置与燃料箱的燃料环流管将从DMFC的输出环流到燃料箱，其中该DMFC包括：离子交换膜；在离子交换膜一个表面上的多个阳极，及在离子交换膜的相对面上与阳极相对应的多个阴极；分别安置在每个阳极和阴极上的集流器；在电气上串联连接阳极和阴极的连接线；以及，分别安置在每个阳极和阴极上的燃料供应板。
优选地，燃料通道形成在燃料供应板上每个单元电池的区域内。
优选地，燃料通道的入口和出口形成在每个单元电池的区域内，其中燃料通道的入口通过一个燃料流入通道连接，而燃料通道的出口通过一个燃料流出通道连接，且燃料供应板包括一个连接到燃料流入通道前端的燃料供应板入口和一个连接到燃料流出通道末端的燃料供应板出口，燃料流入通道和燃料流出通道以彼此不干扰的方式形成。
一个具有预定长度的芯元件可被安置在阳极一侧的燃料通道入口处。
优选地，燃料供应管插入在燃料箱和阳极一侧的燃料供应板入口之间。
优选地，主体部件进一步包括一个向阴极一侧的燃料供应板入口供应空气的空气压缩机。
液体供应装置包括一个水泵，该水泵用于将在阴极产生的水通过燃料供应板的出口环流到燃料箱。
优选地，在阳极未反应的甲醇通过燃料排放管被供应到水泵的入口。
优选地，主体部件进一步包括一个置于阴极和水泵之间的空气分离器，用于将未反应的空气排放到大气中。
附图说明
图1为DMFC的典型结构的示意图。
图2为根据本发明用于一种便携计算机的单极型燃料电池的平面图；
图3为沿图2中III-III线的剖面图；
图4为燃料供应板一个内部表面的平面图；
图5表示了根据本发明的燃料电池系统的基本结构；
图6表示了根据本发明另一实施例的燃料电池系统的结构；
图7为根据本发明一个实施例的便携计算机的示意图；及
图8为装在图7所示便携计算机内的DMFC的结构透视图。
具体实施方式
下面，将参考附图对根据本发明实施例的便携计算机进行详细说明。
图2为使用在根据本发明的便携计算机内的单极型燃料电池，其中在燃料电池的底部部分和顶部部分的燃料供应板是可拆卸的。图3为沿图2中III-III线的剖面图。在图1到图3中相同的元件使用相同的附图标记。
参考图2和图3，阳极2被安置在氢离子交换膜1的一侧，且阴极3被安置在氢离子交换膜1的另一相反侧与阳极2相对。在每个电极2和3上形成集流器2a和3a。
优选地，集流器2a和3a由被具有导电性能的材料例如金所涂覆的金属网构成。
集流器2a和3a通过线4连接形成如图2所示的直通线路。燃料供应板5和6由非导电材料构成并被安置在集流器2a和3a上。用于将燃料(甲烷或空气)供应到每个电极2和3上的燃料通道5a和6a形成在每个燃料供应板5和6上。在电极之间形成密封垫7来作为密封元件。
图4为安置在阳极2上的燃料供应板5的一个内部表面的平面图。
参考图4，在相对于每个单元电池的区域51上形成盘管形燃料通道5a。在每个单元电池区域51上的燃料通道5a具有一个燃料入口51a和一个燃料出口51b。每个燃料流动通道5a的燃料入口51a与燃料流入通道55连接，且每个燃料流动通道的出口51b与燃料流出通道56连接。所有单元电池区域51的燃料入口51a通过燃料流入通道55被连接到燃料供应板5的燃料入口53。所有单元电池区域51的燃料出口51b通过燃料流出通道56被连接到燃料供应板的燃料出口54。燃料流入通道55和燃料流出通道56彼此不干扰地形成。优选地，一个具有预定长度的芯元件52例如多孔海棉被安置在单元电池区域51的每个入口51a中。芯元件52有助于稳定地将燃料供应给阳极2。
一个密封件，例如图3中的密封垫7或类似物，可以被使用在除燃料供应板5和6的燃料流动通道之外的区域上。安置在阴极3上的燃料供应板6除了没有位于单元电池区域入口处的芯元件外与图4所示的燃料供应板的结构基本相同。
图5表示了根据本发明的燃料电池系统的基本结构。
参考图4和5，甲醇从一个燃料箱10通过燃料供应板5的入口53被供应进入每个单元区域51的入口51a。此时，通过形成在单元电池入口51a的芯元件52，燃料被稳定地供应到每个单元电池的阳极2上。在这种情况下，当燃料箱10被安置在燃料电池上部时，由于重力，可通过一个燃料供应管道(未显示)来实现从燃料箱10到燃料供应板5的入口53的液体燃料供应，同时供应到阴极3的空气通过一个压缩机11来泵送。
在阳极2未反应的剩余甲醇和在阳极2产生的二氧化碳(CO2)通过一个水泵9被泵送到燃料箱10的上部空间。泵送到燃料箱10中的二氧化碳通过在燃料箱10的顶部形成的孔(未显示)被排放到大气中，并且未反应的甲醇与在燃料箱10内的未使用的甲醇混合。
过量的空气和从阴极3产生的水通过水泵9被泵送到一个空气分离器8。然后，空气通过在空气分离器8顶部的孔(未显示)被排放到大气中并且水在冲击空气分离器8的壁后被储存在分离器8中。储存在空气分离器8中的水和来自阳极2的未反应的甲醇通过水泵9被泵送到燃料箱10中。
图6表示了根据本发明另一个实施例的燃料电池系统的结构。与图5所示的元件相同的元件使用相同的附图标记，并且省略对其的详细说明。
参考图4和6，来自燃料箱10的甲醇在通过芯元件59后通过燃料供应板5的入口53被引入到单元电池区域51的入口51a中。芯元件59有助于将燃料稳定地供应到燃料供应板5的入口53。此时，由于燃料箱10安置在燃料电池之上，由于重力，可以通过图7中的燃料供应管道22来实现从燃料箱10到燃料供应板5的入口53的燃料供应。同时，供应到阴极3的空气通过空气压缩机11来泵送。优选地，在燃料箱10中储存纯甲醇。已通过阴极3的空气和所产生的水由水泵9泵送到空气分离器8。然后空气通过在空气分离器8顶部的孔(未显示)被排放到大气中并且水在冲击空气分离器8的壁后被储存在分离器8中。储存在空气分离器8中的水通过水泵9被泵送到二氧化碳(CO2)分离器12。大多数从燃料箱10供应的纯甲醇在阳极2被消耗掉，并且在阳极2产生的二氧化碳(CO2)通过水泵9被泵送到二氧化碳(CO2)分离器12。
被输送到二氧化碳(CO2)分离器12的二氧化碳(CO2)通过在二氧化碳(CO2)分离器12上形成的孔(未显示)被排放到大气中，并且通过二氧化碳(CO2)分离器12的水和从燃料箱10供应并穿过芯元件59的甲醇一起被供应到阳极2。
上述DMFC的结构可以使用纯甲醇作为燃料，从而增加燃料的浓度。
图7为根据本发明一个实施例的便携计算机的示意图，且图8为设置在图7所示便携计算机内的DMFC结构的透视图。
参考图7和8，该便携计算机包括显示部件20和主体部件30。这些部件20和30彼此之间可转动地连接，以便使用该计算机时，显示部件20可以向上转动从主体部件30打开，而当不使用该计算机时，显示部件20可以向下转动盖住主体部件30。
显示板21形成在显示部件20的前表面上，且甲醇的燃料箱10和DMFC23被安装在显示板21的后部。
排气孔10a形成在燃料箱10的顶部，且可渗透薄膜10b被安置在排气孔10a中。优选地，可渗透薄膜10b容许气体通过而不容许液体例如水或甲醇通过。
该便携计算机的DMFC 23包括一对覆盖多个单元电池的图3中的燃料供应板5和6。燃料供应管22被安置在从燃料箱10到阳极2一侧的燃料供应板5的燃料入口(图4中的53)。
键盘31被安装在主体部件30的表面上，且用于将从DMFC 23的阳极2排放的未反应的甲醇环流到燃料箱10的水泵32被安置在键盘31下面。水泵32与安置在图4中燃料供应板5的出口54处的燃料排放管24连接。附图标记10c表示一个入口孔，用于使由水泵32泵送的未反应的甲醇进入燃料箱10，并且附图标记25表示一个燃料环流管，用于将来自水泵32的未反应的甲醇供应到燃料箱10。通过燃料环流管供应到燃料箱10的燃料包含二氧化碳(CO2)。二氧化碳(CO2)通过在燃料箱10顶部形成的排气孔10a而被排放到大气中。
用于将空气供应到阴极3一侧的燃料供应板6的入口的压缩机33被安置在主体部件30中。
附图标记34表示用于将DMFC的直流电压转换为要求的直流电压的转换器。该直流转换器34的输出电压用于操作显示部件20、硬盘驱动器、和外部设备等。
附图标记35表示控制水泵32、空气压缩机33、和直流电压转换器34的控制器。
附图标记36表示用于安装例如硬盘驱动器和磁盘驱动器的存储设备的空间。
根据本发明的便携计算机通过在显示板的后面安置一种薄的单极型DMFC来提供更长的操作时间，并且还通过迅速地供应能源使便携性得以提高。根据本发明的便携计算机具有的优点还在于由于从燃料箱向燃料电池的燃料是通过重力供应的因而不需要附加的燃料供应泵，并且由于其使用纯的液体甲醇，能够具有较高的燃料浓度。
虽然本发明参考示意性实施例进行特别的展示和说明，但是这不表明本发明仅仅限于这里阐述的实施例。本领域普通技术人员可以在不背离本发明的范围的情况下对所述实施例作出各种变形。因此，本发明的真正范围不是由上述的内容来决定，而是由所附的权利要求和它们的等同物来决定。

Claims (9)

1.一种便携计算机，具有一显示部件，其可转动地与一主体部件连接，其中：
该显示部件包括显示板、液体燃料箱、和在显示板后部的直接甲醇燃料电池，即DMFC，其中在该便携计算机的显示部件打开的位置，该液体燃料箱位于该DMFC之上，并且该液体燃料箱通过燃料供应管与该DMFC相连，
该主体部件包括键盘和在键盘下面的液体供应装置，该液体供应装置通过连接该液体供应装置与燃料箱的燃料环流管将从DMFC的输出环流到燃料箱，
其中该DMFC包括：
离子交换膜；
在离子交换膜一个表面上的多个阳极，及在离子交换膜的相对面上与阳极相对应的多个阴极；
分别安置在每个阳极和阴极上的集流器；
在电气上串联连接阳极和阴极的连接线；及
分别安置在每个阳极和阴极上的燃料供应板。
2.如权利要求1的便携计算机，其中燃料通道形成在燃料供应板上每个单元电池的区域内。
3.如权利要求2的便携计算机，其中在每个单元电池的区域上形成燃料通道的入口和出口，其中燃料通道的入口通过一个燃料流入通道连接，且燃料通道的出口通过一个燃料流出通道连接，并且燃料供应板包括一个与燃料流入通道前端连接的燃料供应板的入口和一个与燃料流出通道的末端连接的燃料供应板出口，其中燃料流入通道和燃料流出通道彼此不干扰地形成。
4.如权利要求3的便携计算机，其中具有预定长度的芯元件被安置在阳极一侧的燃料通道的入口处。
5.如权利要求3的便携计算机，其中燃料供应管安置在燃料箱和阳极一侧的燃料供应板的入口之间。
6.如权利要求3的便携计算机，其中主体部件进一步包括将空气供应到阴极一侧的燃料供应板的入口的空气压缩机。
7.如权利要求3的便携计算机，其中液体供应装置包括用于将在阴极生成的水通过燃料供应板的出口环流到燃料箱的水泵。
8.如权利要求7的便携计算机，其中在阳极处未反应的甲醇通过燃料排放管被供应到水泵内。
9.如权利要求7的便携计算机，其中主体部件进一步包括安置在阴极和水泵之间的用于将未反应的空气排放到大气的空气分离器。
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