TWI257731B - Cartridge with fuel supply and membrane electrode assembly stack - Google Patents

Description

1257731 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致上與燃料電池系統相關，更具體的說，是 與使用燃料電池及燃料盒的燃料系統有關，再更具體的 說，本發明是關於將薄膜電極組與燃料盒相整合。 ' 【先前技術】 燃料電池是一種直接將如燃料及氧化劑之類的反應 肇物化學能量，轉換成直流電（DC)的裝置。基於應用上的大 幅增加，相較於傳統發電方式，例如燃燒化石，及攜帶式 電源儲存裝置，例如鋰電池，燃料電池更具效率。 通常’燃料電池技術包括各種不同類型燃料電池，如 驗性燃料電池、高分子膜燃料電池、鱗酸燃料電池、溶融 碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池及酵素燃料電池。 有些燃料電池使用壓縮氫氣做為燃料，壓縮氫氣一般 均在高壓下保存，因此很難處理，此外，通常需要大型儲 ® 存槽’且不適用於小型消費性電子裝置上。質子交換膜 (proton exchange membrane，PEM)燃料電池使用曱醇 、 （CH3〇H)、氫硼化鈉（NaBH4)、碳氫化合物（如丁烧） 或其他燃料轉換成氫氣燃料。傳統式重組燃料電池需要重 組器及其他蒸發與輔助系統，將燃料轉化成氫氣以在燃料 電池中與氧化劑相互反應。最近的發展讓重組器或重組燃 料電池有希望供消費性電子裝置使用。其它質子交換膜燃 料電池直接使用甲醇（Ch3〇h)燃料（直接甲醇燃料電池或 DM FC)直接甲醇燃料電池的甲醇會在燃料電池中直接與 1257731 氧化物進行反應，是最簡單也可能是最小型的燃料電池， 但是也擁有相當可觀的電力應用，可供消費性電子裝置使 用。固態氧化物燃料電池（SOFC)會在高熱時轉化碳氫化合 物燃料，如丁烧，以產生電力。固態氧化物燃料電池需要 在1000°C的相對高溫範圍才可使燃料電池產生反應。 每一種類型的燃料電池產生電力所需的化學反應都 不同。以直接甲醇燃料電池為例，直接甲醇燃料電池每個 電極的電氣化學反應以及整體的反應如下所示： 陽極的半反應： CH3OH + H2〇 ~^ C〇2 + 6Η+ + 6θ~ 陰極的半反應： 1·5 〇2 + 6Η+ + 6e- — 3 Η20 整體燃料電池反應： CH3OH + 1.5 〇2 —>C〇2 + 2 Η2〇 因為氫離子（Η )透過質子交換膜由陽極移動到陰 極，以及自由電子（e_)無法穿透質子交換膜的緣故，電 子必須流經外部電路，並在外部電路產生電流。外部電路 可能用於供電給任何可用的消費性電子裝置，如行動電 話、計算機、個人數位助理器、筆記型電腦及電源工具等。 直接甲醇燃料電池已揭露於美國專利案號第 5,992,00請及第5,945,231 _巾，於此併人本文參考。 通常，質子交換膜是由如杜邦公司的Naf丨。n@薄膜之類的 聚合物製作而成’它是-種高氟化材料，厚度範圍大約在 0_05釐米到0·5餐米’或是其他適合的薄膜。陽極一般由 7 1257731 ， 鐵弗龍碳紙製作而成，並由已含有鉑-釕金屬沈澱的催化劑 薄層所支撐。而陰極是一種氣體擴散電極，會將鉑金屬粒 子結合在薄膜的一邊。 另一種氫删化鈉重組器燃料電池的電池反應如下： NaBH4 (水成)+ 2H2〇、熱或催化劑)~^4(H2) + (NaB〇2)(水成） 蓦 陽極的半反應： • H2 — 2H+ + 2e- 陰極的半反應： • 2(2H+ + 2e·) + 〇2 -> 2H2〇 適當的催化劑還包括鉑及釕及其他金屬。由重組氫硼化鈉 轉化產生的氫氣燃料會在燃料電池中與氧化劑，如氧氣， 發生反應並產生電流（或一種電子的流動）及水的副產 品。同時在轉化過程中也產生硼酸鹽化鈉（NaB〇2)的副 產品。氫硼化鈉燃料電池已揭露在已公告之美國專利申請 案第2003/0082427號，在此併入本文參考。 燃料電池應用重要的功能之一就是燃料儲存。燃料補 ® 給器亦應容易插入燃料電池或由燃料電池供電的電子裝 置中。除此之外，燃料補給器亦應容易更換或再填充。 ' 美國專利公告第2003/0082427號揭示一燃料盒，其 中氫硼化鈉燃料會在燃料盒中轉化以形成氫氣及副產 品。不過，先前技術並未揭露可在原位產生燃料，或含有 非腐蝕性試劑、低儲存成本的燃料補給器，或是具有下列 所述優點與功能的燃料補給器。 典型上，薄膜電極組位於消費性電子裝置内之燃料電 8 1257731 池中，吴國專利公告第2〇〇3/〇〇82416號及第 2003/0082426號案中均已揭露此類裝置 。在此類裝置

中金屬離子濃度、燃料溫度， 多響，如燃料流動速率、燃料 及環境/電極組堆溫度等。當 質子交換膜效率在極低效率程度時，質子交換膜必須更換 或重新檢修。經常性檢修質子交換膜是不受歡迎的，、因為 電子裝置需要一併檢修。 ^ 對燃料電池系統而言，在保養或維修質子交換膜時不 需對電子裝置進行維修服務是需要的。 【發明内容】 本件發明係有關一燃料電池系統，包括一電子裝置具 有-外殼以形成-燃料盒室，及一可拙換式收納在燃料盒 室中的燃料盒。燃料盒至少包含一薄膜電極組或電極組 堆，而且-燃料槽包含了燃料。燃料會傳送到薄膜電極組 以轉換成電力以對電子裝置供電。電子裝置可具有一控制 器來控制電子裝置的功能及燃料盒，以及至少在電子裝置 的一部分中出現系統平衡。 本件發明亦有關一燃料電池盒，可用來插入到一電子 裝置以供電給該裝置。燃料電池盒具有一薄膜電極組或電 極組堆，及一包含燃料的燃料槽。燃料會在薄膜電極組上 產生反應以產生電力。 【實施方式】 1257731 • 正如附圖中所描述及下面詳細討論的内容，本件發明 係有關燃料電池系統，使用燃料電池燃料如甲醇及水、甲 醇/水混合物、不同濃度的甲醇/水混合物或是純甲醇。甲 醇可在許多類型的燃料電池中使用，如直接甲醇燃料電 , 池、酵素燃料電池、轉化燃料電池等。燃料電池系統可以 包含其他類型的燃料電池燃料，如乙醇或酒精，可轉化為 氫的化學製品，或其他可以改善燃料電池效能或效率的化 學製品。燃料也可以包括氫氧化鉀（K0H)電解液，這對 ® 於金屬燃料電池或鹼性燃料電池是非常有用的，而且可以 儲存在燃料補給器中。在金屬燃料電池方面，燃料是以流 體鋅粒子形式浸在氫氧化鉀電解質的反應溶液中，因此在 電池空洞内的陽極上會佈滿鋅粒子的微粒。氫氧化鉀電解 洛液已揭示在美國於2003年4月24曰公告的專利申請案 第2003/0077493號、名稱為「使用設定的燃料電池系統以 提供一或多個負載電源之方法」，將其完整併入本文參 考。燃料也包括了甲醇、過氧化氫及硫酸的混合物，它會 • 流過由矽晶所形成的催化劑，產生燃料電池反應。燃料也 包括如上所討論的水成氫硼化鈉（NaBH4)與水。燃料更可 ' 包括碳氫化合物燃料，其包括但不限於，丁烷、煤油、酒 ' 精與天然氣等，這些都揭示在美國於2003年5月22日公 告之專利申請案號第2003/0096150號、名稱為「液態介 面之燃料電池裝置」一案中，在此完整併入本文參考:丁 烷疋固悲氧化物燃料電池非常適合的燃料。燃料亦可包括 能與燃料產生反應的液態氧化劑。因此，本件發明並不限 1257731 於任何形式的燃料、電解液溶劑、氧化物溶液、液體或固 體被置於燃料補給n内或被燃料電池系統所使用。此處所 j用的燃、料」一詞，包含所有可在燃料電池或燃料補給 益中發生反應的燃料’包括但不限於所有上述合適的燃 料、電解溶液劑、氧化物溶液、液體、固體及/或化學物質 及其混合物。 ' 、此處所使用的「燃料補給器」—詞，包括但不限於抛 棄式燃料皿、填充式/可重複使用之燃料盒、容器、位於電 破置内的燃料益、可抽換式燃料盒、位於電子性裝置外 之燃料盒、燃料箱、燃料槽、燃料再填充箱、其他儲存燃 料的容器以及連接到燃料箱及容器的管路。雖然以下所描 j的燃料盒會與本件發明的具體實施例結合以作為示 專巳，但必須注意的是，這些具體實施例也適用在其他燃料 補、°器上’且本件發明不受限於任何特殊類型的燃料補給 器。 正如附圖所描述及下面詳細討論的内容，本件發明係 有關燃料電池系統10供電給-負載11，如第1圖所示。 負栽11典型上是一由燃料電池盒12供電的電子裝置。在 九、、料電池系統10的第一個具體實施例中，負載或電子裝 $ 11是任何有用的消費性電子裝置之外部電路及相關功 2 ^本具體實施例中，電子裝置11包含外殼14以形成 斗皿至16 (如第2圖所示），用於可抽換式收納燃料電 池是12。在第1圖中，燃料盒12會收納在室16中，且 燃料盒彳2是操作連接到電子裝置11。當燃料盒12沒有 1257731 燃料時，使用者可將燃料盒自電子裝置上拆下並插入另一 個燃料盒，或再填充此空燃料盒，如第2圖所示。 電子裝置11可包括行動電話、計算機、電源工具、 園藝工具、個人數位助理器、數位相機、筆記型電腦、電 . 腦遊戲系統、可攜式音樂系統（MP3或CD隨身聽）、全 球定位系統，以及露營裝備等。 第1圖包含兩組連接線。帛j組連接線包括流體線 路，如液體及氣體，具有箭頭以顯示流動方向。第2組連 • 接線則包括電子線路，在交叉點上有深色圓圈以顯示電子 連接。雖然此一具體實施例是就直接甲醇燃料電池而描 述，但可瞭解的疋，本具體實施例適用於任何燃料電池。 電子裝置11最好包括下列電子控制元件：第一電子 接點18、可用於收納燃料電池盒12之室16、控制器2〇、 選用性電池21、泵22、流量表24、燃料濃度感測器25 及水計量閥26。控制器20與這些裝置有電路流通。除此 之外’電子裝置11包括下列流體元件：空氣室28、二氧 馨 化石反分離器30、冷凝器32及混合室34。這些流體元件彼 此相互間或與其他流體元件間均有液體流通，將討論如 • 下。再者，電子裝置包括供電池使用的多個閥元件36b、 38b、40b、42b、44b，使電子裝置彳彳上各流體元件與燃 料電池盒12的各流體元件相連接，將詳細討論如下。 燃料電池盒12最好是包括下列電子性控制元件：第 二電子接點46、資訊儲存裝置47，以及調節閥50。接點 46與資訊儲存裝置47及調節閥5〇之間有電路流通，而 12 1257731 减接到第—電子接點18。此外，燃料電池盒12包括外 殼』1 (以虛線顯示）内含燃料槽52、薄膜電極組 54 ’以及熱父換器56。薄膜電極組或元件也與一個電 極、、且堆有關。在本文中，_個電極組堆包括至少—薄膜電 和、、、及兩極平板。電極組堆亦包括可選擇的燃料及氧氣供 應與目前的蒐集元件。熱交換H 56也可放在電子裝置杓 内。薄膜電極組54最好是包括陽極54a、質子交換膜 (PEM)54b或其它電解f，以及陰極54c。可選擇的是， 燃料電池盒12可更包括離子滤器58及離子感測器6〇。 這些兀件彼此相互間或是與其它流體元件間均有流體流 通，將討論如下。除此之外，燃料盒12包括多數閥元件 36a、38a、4Ga、42a及44a，可與有關的閥元件36b、 38b、40b、42b、44b相互操作，使燃料盒12上各種元 件與電子震置11上各種元件間有流體連接，將詳細討論 如下。 參考第1圖，當燃料盒12被裝載或是插入室16時， 第一及第二電子接點彳8及46相連接，使得控制器2〇與 資訊儲存裝置47以及燃料盒12剩餘的電子元件間有電路 連結。其結果是，控制器20可接收來自燃料盒彳2的資訊， 並控制調節閥50的功能，並可將讀取或寫入資訊到資訊 儲存裝置47。較佳的控制器及資訊儲存裝置以及其操作都 已揭示在2003年12月1日於美國所提出之第1〇/725 237 號、名稱為「含資訊儲存裝置與控制系統之燃料電池補給 器」審查中之專利申請案，在此完整併入本文參考。 13 1257731 適當的資訊儲存裝置’包括但不限於，隨機存取記憶 體（RAM )、唯讀記憶體（ROM )、可程式化唯讀記憶體 (PR〇M)、可抹除可程式化唯讀記憶體（epr〇m)、電子式 可抹除可程式化唯讀記憶體（EEPROM)、快閃記憶體 '電 子式可讀元件（如電阻、電容、電感器、二極體及電晶體）、 光學式可讀元件（如條碼）、磁性可讀元件（例如磁條）、積 體電路（1C晶片）及可程式邏輯陣列（PLA)及智慧晶片（如那 些用於電池者）等。較佳的資訊儲存裝置包括可程式邏輯陣 列及電子式可抹除可程式化唯讀記憶體。本件發明是討論 電子式可抹除可程式化唯讀記憶體。不過，可瞭解的是本 件發明並不限於任何特定類型的資訊儲存裝置。 —典型上，資料會以〇與！的二位元系統方式儲存，二 位元數字群組便形成8進數位（3個二位元數字群組〉或16 進數位(4個二位元財群組），通常均制彳 便資訊儲存⑽讀取。 ^

包丁八1徠除可程式化唯讀記憶體是一種使用者可 =改的，讀記憶體’它可透過在其他程式裝置中運用比正 承電髮π的寫人電壓於相同接腳上，以在記憶體的使用期 =f仃刪除、重㈣人或重新程式化。電子式可抹除可 式，唯讀記龍修改時，並不需要自燃料補給器上移 ^:優點是部分的電子式可抹除可程式化唯讀記憶體可 入電壓的修改，至=的貧訊會被儲存並保護免於寫 其他部分則可重複^ 除可程式化唯讀記憶體的 ”、、 此外’電子式可抹除可程式化唯 1257731 項口己憶體類似於其他唯讀記憶體，不需要電能即可維持儲 存其中的记憶或資料，因此，當一電子裝置啟動時，其仰 賴儲存在電子式可抹除可程式化唯讀記憶體中的資訊來 啟動並執行程式，而要刪除及重複寫人電子式可抹除可程 式化唯讀記憶體’控制器會在電子式可抹除可程式化唯讀 記憶體的特定位置上命令預定的電壓來儲存新的資訊。 電子式可抹除可程式化唯讀記憶體與其他唯讀記憶 體可在市場上取得，適當的電子式可抹除可程式化唯 讀記憶體可自加州聖荷西市的Cypress simiconductor

Corp.與Altera Corp. ’以及加州海沃市的atmel Corporation與亞歷桑那州錢德市的…⑽⑶巾 Technology Inc·取得。 在另一具體實施例中，在第一及第二接點18及46之 間可以用無線電路連接。適當的無線傳輸系統包括藍芽技 術、無線射頻、紅外線等。 除了讀取及寫入資訊儲存裝置47之外，控制器2〇也 控制電子裝置11的功能，以及在電子裝置11及燃料盒i 2 之間的閥、感測器與泵。最好的情況是，外殼17也支援 至少一選用性電池21，以在薄膜電極組無法操作或在系統 啟動時，對燃料電池系統1〇及電子裝置彳彳之各種元件供 電。另一方面，當燃料盒12用完時，或是當燃料電池/薄 膜電極組關閉時’選用性電池21可對控制器2〇供電。選 用性電池21可被太陽能板取代或與其一併使用。 適當的泵22已完全揭示在審查中之美國專利申請案 15 1257731 第 10/356,793、10/629,004、10/629,006 號案中。其中 第793號專射請案的名稱為「燃料電池的燃料盒」係於 2003年1月31日提出中請，第·號專利中請案的名稱 為「含彈性襯墊之燃料盒」係於2〇〇3年7月29日提出申 請，第Ό06號專利申請案的名稱為「含連接活門之燃料盒」 係於2003年7月29日提出申請，在此完整併入本文參考。 適合的泵是一壓電式泵，適當的壓電式泵包括可自維 吉尼亞洲紐波特紐斯市的PAR Techn〇丨〇gy，LLC取得的產 品，壓電式泵不含移動零件且輕巧、精簡、強固、安靜及 有效率。這些泵具有較50V為大的激發電位及電流，例如 當輸入電壓由約2.2直流電電壓升到約12直流電電壓 時，可由非常低的約15微安培升到高約13〇微安培。壓 電式泵的流率在壓力範圍由大約〇到5psi時，大約是每小 時1〇毫升到每小時_毫升，至於泵的尺寸則由大約〇 5 平方英对到1.5平方英吋且約少於〇 5英吋厚。製造壓電 式泵的材料可與燃料電池及燃料盒所使用的燃料相容，這 些泵使用的範圍廣泛並具有較長的生命週期。 在本具體實施例中，泵22外接到燃料盒12，並固定 在外殼17之内。其結果為，當燃料盒12由外殼17移除 時，如第2圖所示，泵22維持在外殼17之中。在本具體 實施例中，泵22位於混合室34的上游部分。在另一具體 實施例中，i 22彳位於混合:^ 34㈤下游4 (如位在混合 室34及閥元件36b之間）或在其他位置。另外，泵u 可以被省略，而燃料盒12可被加壓，透過一控制閥由燃 16 1257731 料盒12傳送燃料到電子裝置扣。 再參考第1圖，燃料盒12包括外殼51並具有室51a 以收納燃料槽52。在此具體實施例中，燃料槽幻可能包 括與外喊51分開的外框或外罩52a。而外罩可以是十 分堅固或具有彈性。燃料槽52的形成可以具有或不具有 内部襯塾或囊袋’不具有襯墊及相關組件的燃料盒已揭示 於‘793號專财職，具有内部婦或囊袋的麵盒已完 整揭示Ό04號專利申請案。 閥元件36a是依附在燃料盒12，而閥元件36fc)則是 依附在電子裝置1。閥36a、b最好是—雙元件閥。每一 個閥元件在燃料盒12與電子裝置彳彳分開時都可以形成一 種禮、封。雙元件閥已完整揭示於‘006號專利申請案。當燃 料盒12位在室16中時，槽52中的燃料會藉由閥元件 36a、b與混合室34有流體流通。 依據本件發明的另一特色，離子濾器58及離子感測 器60可選擇性地供燃料盒12使用。離子濾器及離子感測 斋已完整揭示在2003年12月1日於美國所提出之第 10/725,235號、名稱為「含離子濾器之燃料電池系統」審查 中之專利申請案。離子濾器會將離子自燃料中移除並延長 貝子父換膜的使用期限。離子渡器58可放在燃料槽52之 内或之外。離子粒子可藉由離子清潔劑、螫合劑或離子交 換膜（例如質子交換膜材質）移除。 離子感測器60用來確認濾器的效率並測定何時應更 換濾器，如圖所示，離子感測器60最好是放置在燃料電 17 1257731 池益12中，或是置於電子裝置彳彳。控制器2〇可使用離 子感測器60來讀取燃料中的離子量，並將此資訊寫入資 Λ儲存裝置47中，則燃料所含離子量未達可接受標準時 將不會被使用。離子感測器6〇可藉由讀取燃料導電性以 確定離子量，高導電性代表高離子量。不論電子裝置是否 開啟或是當裝入不同的燃料盒時，控制器均可檢查燃料中 離子量° 、薄膜電極組54傳統上會被置放在兩個極板之間（圖 式中未顯示）。在本件發明中，薄膜電極組54最好是收納 2燃料盒12内的室53中。因此，薄膜電極組最好是由符 口成本效盈的材料製作而成，且當燃料盒12用完時便可 丟棄。本發明之具體實施例的優點之一，即是當薄膜電極 組為可丟棄時，離子濾器及/或離子感測器可被省略。此 外，内室51或燃料槽52可再填充及/或被取代，且燃料 電池盒12可重複使用直到薄膜電極組被取代。另一方面， 田其他的燃料盒是可重複使用時，薄膜電極組或電極組堆 54可被取代。這讓燃料電池設計者可以選擇在燃料盒12 中，使用可棄式或可重複使用的質子交換膜。 、最好的情況是，陽極54a及陰極54c由傳統材料所形 薄膜電極組的質子交換膜541)最好是由一離子傳導聚 一斤^成。適當的離子傳導聚合物，包括但不限於，覆 盍催化劑的全氟化賴聚合物，如同前述之Nafion®可自 公司取得。塗覆催化劑的聚合物一般稱為催化劑「支 援」聚合物。適當的催化劑包括鉑及釕，或其合金與其他 18 1257731 金屬。另一適當的離子傳導聚合物是由美國紐澤西州瑪瑞 山之Celanese Fuel Cell USA, |nc.所製造的聚苯並咪唑 (PBI)。聚苯並料是—種高溫質子交換膜，可在12〇。〇到 200°C的溫度範圍間操作。 其他適當的離子傳導聚合物在Davjs，T.A、

Genders, J. D·及Pletcher，D·的「離子穿透性薄膜的第一課 」第35-57頁中以及美國專利案號第6 63〇,518 B1號案中 均有所敘述，在此完整併入本文參考。這些聚合物包括一 具有離子化族群之機能烯的不可替代性共聚烯聚合物或 其前驅物（如Nafion®氟化薄膜），且烯聚合物與離子族群 則在之後導入薄膜中，其他適當的離子傳導聚合物包括防 風雨的材料GoreTex，也就是聚四氟乙烯（p丁FE)，具有一 全氟聚合物填滿氣孔，以及一在2_5%氣磺酸溶液中照射 的聚氟乙烯（PVC)薄膜。在‘518專利案中揭示其他適當的 離子傳導聚合物，包括一已被照射及磺化的低滲透性薄 膜’適當的薄膜包括聚乙烯（PE)、聚丙烯（pp)、聚六氟丙 烯、聚三氟化氯乙稀、聚四氟乙稀（PTFE)、聚氟乙烯 (PVF)、聚偏一氟乙稀（PVDF)，及其共聚合物以及其混合 物，這些薄膜以及具有高滲透性的薄膜皆可使用在本發明 中。其他適當的薄膜也包括了那些由P〇|yfue|，丨nc.所製造 的產品。任何離子交換材料均可使用，例如本段落中所討 論之不甚昂貴的材質也可使用，因為薄膜電極組在燃料盒 用完時可以更換，或是當薄膜電極組的效率明顯降低時。 在陽極54a上的反應結果，包括二氧化碳的氣體副產 19 1257731 品會在直接甲醇燃料電池的陽極反應產生。若還有氣體副 產品及尚未反應的燃料，會透過閥元件38a、b傳送到電 子裝置11中的二氧化碳分離器30。閥38a、b可以是類 似閥36a、b的雙元件閥。二氧化碳分離器3〇利用氣體的 天然浮力使一氧化碳自未使用的燃料中分離出來。除此之 外，二氧化碳分離器30具有釋放閥30a以將二氧化碳排 ‘ 放到電子裝置11外的大氣中。釋放閥可以是Ό04專利申 清案的k升式閥。 • 來自陰極的液體/水副產品則透過閥元件40a、b傳送 到電子裝置11中的冷凝器32。閥40a、b可以是類似閥 36a、b的雙元件閥。如果有的話，冷凝器32可接收水副 產品、壓縮水蒸氣，並傳送液態水到混合室34。除此之外， 冷凝器32可包括釋放閥32a，以將任何氣體排放到電子 裝置11外的大氣中。另一方面，釋放閥30a&/或323可 用混合室34上的單一釋放閥來取代。 閥26調節水的流率及未反應之燃料到混合室34中， • 並協助在燃料/水混合物上獲得最佳燃料濃度。控制器2〇 控制閥26以在室34中獲得適當的燃料/水濃度。 : 具有適當濃度的燃料/水混合物藉由泵22從室34傳 ^ 送出來。在燃料/水混合物中的燃料濃度會由燃料濃度感測 器25所量測，並用水計量閥26使控制器2〇能監控與調 郎。這樣的感測器已揭示於美國專利公告第 2003/0131663號及第2003/0134162號，以及在美國專 利案號第6,254,748號及第6,306,285號案中，在此完整 20 1257731 併入本文參考。 燃料/水混合物藉由閥元件44a、b而自栗22流到燃 料盒12中的熱交換器56。閥44a、b可以是類似閥36a、 b的雙元件閥。由於薄膜電極組，更明確而言是質子交換 膜可能會受燃料溫度所影響，故熱交換器56會冷卻燃料 到最佳溫度範圍。熱交換器可以是一傳統型熱交換器並且 包括翼板。

燃料/水混合物由熱交換器56流到薄膜電極組54的 陽極54a，以發生反應並產生電力對電子裝置彳彳供電。 在此具體實施例中，調節閥50會調節到薄膜電極組54的 Μ料抓率。调喊閥5〇可能具有能在預定直徑下開啟的可 變孔徑以調節流率。另—種調節閥已揭示於ί237號專利申 請案中，而類似的調節閥亦完整揭示於美國專利案號第 4,496,309號及帛4，_，345號案巾，將此二件專利案完 整併入本文參考。

電子裝置11更包括含有空氣的空氣室28。空氣藉由 閥元件42a、b自空氣室流到燃料盒12中的陰極54c。間 兀件42a b可以疋類似於閥元件36a、b的雙元件闕。此 外’空氣可直接餘陰極料㈣境來提供，或是在 接收到陰極之前透料子裝置提供。1或㈣也可用於 傳送空氣。 如第1圖及第2圖所示， 12之中使其易於更換， 中執行。這種方式的優 當薄膜電極組位在燃料盒 而厂系統平衡」實際上會在電子裝置 點是系統平衡可包括靈敏或昂貴項 21

燃料盒212具有燃料盒12中的各種電子及流體元件，包 括第一接點246及線路246a、b。在本具體實施例中，當 接點218及246相互操作時’第二接點包括多個電子及流 體元件，使裝置211的元件與燃料盒212相互連接。 1257731 目’例如控制器、果，更適合用在電子裝置中。依據成本 與可靠度，這些項目也可放在燃料盒中。 參考第3圖，依據本發明的另一特性，燃料盒112被 提供並用於裝置外部而與電子裝置川—_作。電子裝 置川具有裝置11中的各種電子及流體元件，包括第一 接點118。在本具體實施例中，第—接點包括多個電子及 流體元件，使裝置1H @元件與燃料盒112相互連接。燃 料盒m具有燃料盒12中的各種電子及流體元件，包括 第二接點146。在本具體實施例中’當接，點118及146相 互操作時，第二接點包括多個電子及流體元件，使裝置川 的το件與燃料盒112相互連接。在另—具體實施例中，燃 料盒112可整合到-具有第二接點及可選用平台的擴充基 座，以支援筆記型電腦111的使用。 β參考第4圖，依據本發明的另—特性，燃料盒212可 提供做為中央燃料站或集線器或岐管，並用於裝置外部而 與一個或更多電子裝置211 —起操作。燃料盒可設計 能與任何數量的電子裝置211 一起操作使用。每一個電子 裝置211具有裝置11中的各種電子與流體元件，包括第 -接點218。在本具體實施例中，第—接點包括多個電子 及流體元件，使裝置211的元件與燃料盒212相互連接。 22 1257731 依=發明的另一特性’某些在電子裝置”内的元 件苐圖所示，可移到燃料盒12之内或之上。例如， 泉22及混合室34可移到燃料盒12上。除此之外，一或 多個空氣室28、冷凝器32及二氧化碳分離器30等元件 也都可移到燃料盒彳2。 另一方面，薄膜電極組54也可移到電子裝置^，而 t:料槽52果22及混合室34則位於燃料盒12中。在被

傳送到電子裝S 11的薄膜電極組中發生反應前，燃料與 水的混合物可先在燃料盒中準備。

依據本發明的另一特色，第1圖中顯示的所有燃料電 池元件可移到燃料纟12上。參考第5圖，燃料盒12是一 單獨燃料電池，並具有可更換/可再填充的燃料補給器 52,以及一可維修/可更換的薄膜電極組或電極組堆。此燃 料益12輸出由薄膜電極組54所產生的電流。此系統的優 點包括⑴薄膜電極組可固定大小並用於產生操作電子裝 置彳彳所需的電流’不論需求為何，以及（jj)閥接點36a、 36b、38a、38b、40a、40b、42a、42b、44a、44b 及電 子接點18、46可縮小或刪除。 雖然本發明之具體實施例明顯地實現本發明的目 標’但熟知先前技術者仍可做出許多的修改及其他的具體 實施例，此外，任何具體實施例的特色及/或元件可單獨使 用或與其他具體實施例的特色及/或元件相結合，因此，我 們了解附隨的申請專利範圍應可涵蓋在本發明的精神與 範疇之内所有的修改及具體實施例。 23 1257731 【圖式簡單說明】 附件之圖式為本說明書之一部份應一併參考，不同圖 式中會用相同符號來代表相同元件： 第1圖是本件發明之燃料電池系統之結構圖，包括具 有一燃料槽及一薄膜電極組或一電極組堆之燃料盒，其/中 燃料盒可操作連接到電子裝置； 第2圖是第1圖中所示燃料電池系統之分解結構圖， 其中燃料盒已自電子裝置上移除； 第3圖是本件發明另一燃料電池系統之結構圖，其中 燃料盒使用時位在電子裝置外部； 第4圖是本件發明另一燃料電池系統之結構圖，其中 燃料盒使用時位在兩個電子裝置外部；以及 第5圖是本件發明之燃料電池盒之結構圖。 【主要元件符號說明】 10 燃料電池系統 11 負載、電子裝置 12 燃料電池盒、燃料盒 14 外殼 16 燃料盒室 17 外殼 18 第一電子接點 20 控制器 21 選用性電池 24 1257731

22 泵 24 流量表 25 燃料濃度感測器 26 水計量閥 28 空氣室 30 二氧化碳分離器 30a 釋放閥 32 冷凝器 32a 釋放閥 34 混合室 36a 閥元件、 閥接點 36b 閥元件、 閥接點 38a 閥元件、 閥接點 38b 閥元件、 閥接點 40a 閥元件、 閥接點 40b 閥元件、 閥接點 42a 閥元件、 閥接點 42b 閥元件、 閥接點 44a 閥元件、 閥接點 44b 閥元件、 閥接點 46 第二電子接點 47 資訊儲存裝置 50 調節閥 51 外殼、内 室 25 1257731 51a 室 52 燃料槽、燃料補給器 52a 燃料槽外罩 53 室 54 薄膜電極組、元件、電極組堆 54a 陽極 54b 質子交換膜 54c 陰極

56 熱交換器 58 離子濾器 60 離子感測器 111 電子裝置、筆記型電腦 112 燃料盒 118 第一接點 146 第二接點 211 電子裝置

212 燃料盒 218 第一接點 246 第二接點 246a 線路 246b 線路 26

Claims (1)

1257731 十、申请專利範圍： 1· #具有燃料補給器與薄膜電極組堆之燃料盒的燃料電 池糸統，包括： 一電子裝置具有-外殼以形成-燃料盒室； -燃料盒可抽換式收納在燃料盒室，該燃料盒包括至少一 薄膜電極組及-含有燃料的燃料槽，該燃料在被傳送到薄 膜電極組以轉換成供電子裝置使用的電流之前，可傳送到 電子裝置。 2·如申明專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中電子裴 置更包括一第一電子接點及一控制器，且燃料盒更包括一 第二電子接點，當燃料盒與電子裝置相互操作時，第一及 第二電子接點會有電路流通，使得控制器可控制電子裝置 及燃料盒的功能。 3.如申請專利範圍第彳項所述之燃料電池系統，其中薄膜電 極組包括一陽極、一質子交換膜，以及一陰極。 4_如申請專利範圍第彳項所述之燃料電池系統，其中燃料盒 更包括一與第二電子接點有電路流通的資訊儲存裝置，當 燃料盒與電子裝置相互操作時，資訊儲存裝置可由一控制 器讀取。 5·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中燃料盒 更包括一熱交換器，並與薄膜電極組之上游處有流體流 通，如此燃料便可傳送到熱交換器冷卻後再傳送到薄膜電 極組。 6·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中燃料各 27 1257731 更包括一與燃料槽之下游處有流體流通的離子濾器。 女申明專利範圍弟1項所述之燃料電池系統，其中燃料盒 更包括一離子感測器，且該離子感測器及第二電子接點間 以電子連接。 8·如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中當燃料 盈及電子表置相互操作時，電子裝置更包括一用於協助傳 送燃料到薄膜電極組的泵。 9.如申請專利範圍第8項所述之燃料電池系統，其中泵與第 一電子接點及控制器間有電路流通。 10·如申请專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中電子裝 置更包括一空氣室，當燃料盒及電子裝置相互操作時，空 氣室與薄膜電極組之一陰極間有流體流通，如此可傳送空 氣到陰極。 11.如申請專利範圍第彳項所述之燃料電池系統，其中電子裝 置更包括一氣體副產品分離器，當燃料盒及電子裝置相互 操作時，二氧化碳分離器與薄膜電極組之陽極間有流體流 通’如此可傳送氣體副產品到氣體產品分離器。 12_如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中電子裝 置更包括一冷凝器，當燃料盒及電子裝置相互操作時，冷 凝器與薄膜電極組之一陰極間有流體流通，如此可傳送液 體副產品到冷凝器。 如申請專利範圍第12項所述之燃料電池系統，其中電子 裳置更包括一混合室，當燃料盒及電子裝置相互操作時， 混合室與冷凝器及燃料槽之間有流體流通，如此可傳送燃 28 1257731 料到混合室，以及傳送副產品到混合室，而燃料與副產品 於相混合後再被傳送到薄膜電極組。 14·如申請專利範圍第13項所述之燃料電池系統，其中電子 褒置更包括一位於冷凝器及混合室之間並與之有流體流 通的計量閥，如此可藉由計量閥傳送副產品到混合室。 15. 如申請專利範圍第彳項所述之燃料電池系統，其中薄膜電 極組是可丟棄式。 16. 如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中燃料槽 是可丟棄式。 17_如申請專利範圍第1項所述之燃料電池系統，其中薄膜電 極組是以堆疊方式組合。 8·種具有燃料補給器與薄膜電極組堆之燃料盒的燃料電 池系統，包括： 一具有一第一電子接點的電子裝置及一與第一電子接點 有電路流通的控制器； -與電子裝置相互操作之可選用的燃料盒，並包括一第二 電子接點、至少一撞腔:雷搞知β _人> Hh、·.........

有電路流通’使得控制器能控制電子裝置及燃料盒的功 能’且燃料可傳送到薄膜電極組以轉換成供電子裝置使用 之電流。 池糸統，其中電子 且燃料盒更包括多個第二 第一組閥元件連接到燃料 19·如申請專利範圍第18項所述之燃料電 裝置更包括多個第一流體元件，且燃制 流體元件及多個雙元件閥，其中第一翻 29 1257731 盒，而第二組閥元件連接到電子裝置，其中當燃料盒與電 子裝置相互操作時，第一組及第二組閥元件可相互結合， 以容許多個第一流體元件及多個第二流體元件之間有流 體流通。 20. —種具有燃料補給器與薄膜電極組堆之燃料盒，該燃料盒 可插入電子裝置以供電，其包括至少一薄膜電極組，以及 一含有燃料的燃料槽，其中燃料在薄膜電極組上發生反應 以產生電流，且其中系統平衡在燃料盒内發生。 21. 如申請專利範圍第20項所述之燃料盒，其中燃料槽係以 可抽換式連接到燃料盒，使燃料槽可再填充或更換。 22. 如申請專利範圍第20項所述之燃料盒，其中薄膜電極組 以可抽換式連接到燃料盒，使薄膜電極組可以維修或更 換0

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