专利名称：氢燃料电池的各种过滤元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及氢燃料电池以及用于其中的各种污染物过滤器。更具体地是，本发明涉及在氢燃料电池氧化剂一侧的过滤结构，用于保护燃料电池免于污染，并控制水。本发明还涉及氢燃料电池燃料一侧的过滤结构，所述燃料电池使用甲醇或其它液体作为燃料。
背景技术：
使用燃料电池作为能源是发展迅速的工业。燃料电池被认为对环境友好，这是因为它们不依赖矿物燃料，且不会产生有害或不利的排放物。燃料电池类似于电池，具有阳极和阴极，通过催化反应来产生能量。一种普通型燃料电池是氢燃料电池，它使用氢作为燃料。所述阳极可以获得氢或氢源，在该阳极，释放氢电子，留下带正电的离子。所述释放的电子通过外部电路转移到阴极上，用这方法提供用作外部电路用能源的电流。所述带正电的离子经燃料电池电解质扩散到阴极上，在该阴极上，所述离子和电子及氧气结合，形成水和二氧化碳(工艺副产物)。为了加快阴极反应，常常使用催化剂。
甲醇是常见的氢燃料源。使用甲醇的燃料电池常称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。甲醇燃料电池具有和阳极流体连通的液体甲醇源。在一些设计中，一定体积的甲醇直接相邻或接触阳极，而不是位于远处通过流体和燃料电池连通。和甲醇相邻对便携式甲醇燃料电池尤其有用，如用于为便携式设备如膝上计算机、电话、寻呼机和个人计算器提供能源。
所需要的是设法提高便携式燃料电池如直接甲醇燃料电池的可行性和可靠性。
发明概述本发明涉及各种过滤组件，它们尤其适于一起或单独或以任意组合形式用于小或便携式燃料电池，如氢燃料电池和直接甲醇燃料电池。这些燃料电池和过滤元件可以用于便携式设备，如电话、个人计算器、膝上计算机和寻呼机。
本发明还提供位于燃料电池的氧化剂或阴极一侧的过滤组件，所述过滤器在环境(通常是环境空气)和燃料电池阴极之间形成可选择性渗透的阻挡层。所述过滤组件控制阴极受到微粒和气态物质的作用。所述过滤组件也控制阴极气体和水流入和流出所述阴极。具体地是，所述过滤组件允许气体和水蒸汽流过，并调控其流速。
本发明还提供位于甲醇燃料电池阳极一侧的过滤组件，所述过滤器在液体燃料(例如甲醇)和空气(通常是环境空气)之间形成可选择性渗透的阻挡层。所述过滤组件控制液体和气体流入和流出所述阳极。具体地是，所述过滤组件允许气体流经，并抑制液体流过。
在优选的实施方式中，所述第一过滤组件允许合适气态分子如空气或其它氧气源流向阴极，但是抑制会影响燃料电池性能的微粒和气态化学污染物、污染物如烃(VOC)、酸性气体(例如，SO2、H2S、Cl2、NOx)和碱性气体(例如，氨)流过。所述第一过滤组件也控制阴极的湿度，并控制流出阴极的气态水。第一过滤组件包括膜，较好是吸附材料，用于过滤微粒的膜以及用于化学过滤的吸附材料。第一过滤组件也包括水或湿气缓冲器，用于稳定阴极处的相对湿度。
在另一优选实施方式中，所述第二过滤组件允许气态分子如空气(氧气、氮气、氩气等)以及副产物如二氧化碳经过大气和阳极之间，但是阻止液体如甲醇和水经过。第二过滤组件包括疏水性和/或疏油性材料，提供可选择性渗透的阻挡层。所述可选择性渗透的阻挡层较好还能通过阻止微粒通过来过滤微粒。所述第二过滤组件还包括吸附材料，用于吸附如甲酸和甲醛等物质，而不是将它们排到大气中。
所述第一过滤组件和第二过滤组件各自为单独元件，或者可以由多个元件构成。
在一个
具体实施例方式
中，提供一种燃料电池组件，所述组件具有便携式燃料电池，所述电池具有与氧化剂入口端流体连通的阴极和阳极；和与氧化剂入口端和阴极流体连通的过滤组件。所述过滤组件包括微粒除去部件、化学吸附部件以及水缓冲器部件。在燃料电池中构建过滤组件，使通过入口端进入的氧化剂经过微粒除去部件，并和化学吸附部件接触，并通过水缓冲器部件控制来自阴极的水蒸汽，在阴极处获得所需的湿度水平。
在另一
具体实施例方式
中，提供一种燃料电池组件，所述组件包括便携式直接甲醇燃料电池和过滤组件。所述燃料电池具有阴极、阳极以及与阳极接触的液体甲醇源，所述甲醇保持在具有排气口的腔室中，所述排气口在腔室的内部和腔室的外部之间提供流体接触。所述过滤组件在排气口中，并且构建成使腔室的内部和腔室的外部形成流体连通。所述过滤组件包括疏水和/或疏油性部件，如聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚偏二氟乙烯(PVDF)膜或聚丙烯(PP)。
公开并要求保护各种其它实施方式。
附图简要说明
图1是系统的示意图，所述系统包括含有液体甲醇燃料的甲醇燃料电池、在燃料电池阴极一侧上的本发明第一过滤组件以及在燃料电池阳极一侧上的本发明第二过滤组件；图2是便携式电话的示意图，它是适于图1所示系统的一个具体实施例；图3是个人计算器的示意图，它是适于图1所示系统的另一具体实施例；图4是图1所示系统一部分的截面示意图，显示了阳极、液体甲醇燃料和第二过滤组件；图5是图1所示第一过滤组件的第一实施方式的顶视图；图6A是第一过滤组件沿图5所示线6-6的截面图；图6B是另一第一过滤组件的截面图，类似于图6A；图7是图1所示第一过滤组组件的第二实施方式的透视图；图8是第一过滤组件沿图7所示线8-8的截面图；图9是图1所示第一过滤组件的第三实施方式的截面图。
发明详述在本发明的优选实施方式中，提供了用于便携式燃料电池如直接甲醇燃料电池的阴极侧或阳极侧上的各种过滤元件。在整个附图中，类似元件用相同的数字表示；参考所述附图，显示了结合各种过滤元件的系统。具体地是，图1说明了包括设备20以及小或便携式燃料电池30的系统10。在本文中，“便携式”燃料是一般人容易携带的燃料，其尺寸不超过约6000cm3，重量不超过约10kg；较好大小不超过约1000cm3，重量不超过约2kg。在本文中，“小”燃料电池是额定功率不超过约1000瓦，较好不超过500瓦的燃料电池。
设备20通过燃料电池30的阴极32和阳极34处的催化反应所产生的电来提供能源。适于小或便携式燃料电池30操作的设备例子包括通常用电池供电的蜂窝式电话、个人计算器(PDA)、膝上计算机、寻呼机、无线电以及其它电子设备。在图2和3中说明了适于燃料电池30操作的设备20的具体类型。图2显示了设备20，具体是蜂窝式电话22；图3显示了设备20，具体是手持个人计算器(PDA)24。
存在5种主要的已知类型的燃料电池，燃料电池30可以从这些中选择。质子交换膜燃料电池(PEMFC)包含固体聚合物电解质。其低温操作性、高功率密度以及能迅速改变功率输出以满足能源需求变化的，使得它们非常适用于移动和固定应用如为机动车或建筑物提供能源。PEM燃料电池使用氢作为燃料。直接甲醇燃料电池是某种类型的PEM燃料电池，使用甲醇中存在的氢作为燃料源。碱性燃料电池(AFC)包含液体碱性电解液，并已经主要用于航天飞行中。磷酸燃料电池(PAFC)使用磷酸电解液，并且目前用于商业发电。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)包含碳酸盐电解质，所述碳酸盐在约650℃的操作温度下已经熔化。固体氧化物燃料电池(SOFC)使用陶瓷电解质材料，并在最高约1000℃的温度下操作。MCFC和SOFC均使用一氧化碳作为燃料。但是，虽然这五种类型的燃料电池适于使用本发明的过滤组件，但是优选的燃料电池是PEM燃料电池，它们通用且容易作为小或便携式燃料电池获得。
在优选的实施方式中，燃料电池30使用氢作为阳极燃料。所述氢燃料可以氢(例如氢气)或作为另一来源(例如，甲醇)直接提供给阳极34。不论是使用氢气还是甲醇作为燃料，任意氢燃料电池均受益于阴极一侧的本发明过滤组件。所述直接甲醇燃料电池也称为液体甲醇燃料电池，它尤其受益于阴极一侧的本发明过滤组件以及阳极一侧的本发明过滤组件。
在图1中说明了直接甲醇燃料电池。根据用于系统的具体燃料电池，所述甲醇源可以不是纯的甲醇，所述燃料可以是甲醇的水溶液，通常是约20-50％甲醇，虽然已知并可以使用更稀和更浓的溶液。
作为氢燃料的甲醇44通常以液体提供给燃料电池30的阳极34。环境空气或另一氧气或氧化剂源42提供给燃料电池30的阴极32。所述氧容易扩散到阴极32上，例如，可以泵送(例如，用压缩机或泵输送)或者可以通过瓶装来源提供。所述氢(来自甲醇)和氧分别接触阳极34和阴极32，在电极之间产生电压，从而产生电和热，并且产生主要副产物水。一般使75％的燃料利用率，阴极气体流量是化学计量水平的三倍。即，在燃料利用率为75％时，燃料损失25％通常是由于燃料穿过阴极造成的。虽然在控制条件下已经证实燃料利用率为90％，但是在阴极气体量是化学计量的两倍的条件下证实该燃料利用率。预计可以达到利用率90％以上，化学计量水平小于两倍。
燃料电池30使用催化剂来使氢原子分裂成质子和电子，它们各自以不同的路径转移到阴极上。所述质子经过与阴极32和阳极34电接触的电解质35转移。所述电子形成有用的电流(I)，它可以用作电子设备20的能源，之后回到阳极，在阳极再次和氢质子和氧结合，形成水。
如图1所示，第一过滤组件100在燃料电池30中，具体是在阴极32一侧；第二过滤组件200在阳极34一侧。
在阴极一侧的第一组件现在参见图5-8，说明了第一过滤组件100的各种实施方式。在位于燃料电池30的氧化剂一侧上的第一过滤组件100在环境(通常环境空气)和燃料电池阴极32之间形成可选择性渗透的阻挡层。第一过滤组件100通过选择性允许某种气体分子如氧流到阴极32并抑制微粒达到阴极32来控制阴极32受到微粒和气态物质的作用。如待审批美国专利申请09/832715、09/879441、09/122647和10/241117以及颁发的美国专利N0.6432177和6638339(Dallas等)(整个公开内容参考引用于此)所述，燃料电池阴极容易因引入空气或氧气流中的微粒和化学污染物而导致退化。第一过滤组件100也控制水从阴极32流出。
在图5和6A中说明了第一过滤组件100的第一实施方式。组件100包括包住吸附材料114的膜112，两者均允许空气流过。在膜112的相对一侧是粘合剂结构120(图6A)。粘合剂结构120提供用于将过滤组件100固定到燃料电池30上合适位置的粘附手段。在所述实施方式中，粘合剂结构是多层结构，具有粘合剂层122A、122B，夹层载体121。合适载体121是PET，其为过滤组件100提供刚性。如图6A所示，由于结构120抑制空气或其它气体流经，过滤组件100包括粘合剂结构120形成的端口115，以能进入吸附材料114中。端口115的大小可以调节，以影响并使氧气到阴极32以及水离开阴极32的总扩散速率最佳。膜材料(类似于或不同于膜112)可以位于粘合剂结构120和吸附材料114之间，这种膜可以层压或以其它方式粘附到吸附材料114上。这种材料可以提高过滤量、增大疏水性和/或改变端口115形成的气室(plenum)。
图6B中说明了作为过滤组件100’的过滤组件100的第一实施方式的另一结构。组件100’包括包住吸附材料114的膜112；在膜112的相对一侧是粘合剂结构120’。在粘合剂结构120’和延伸吸附材料114之间有另一膜材料(未图示)。粘合剂结构120’是多层结构，用于为过滤组件100’提供刚性，但是并未提供将过滤组件100’固定到燃料电池30上的结构。结构120’具有一层粘合剂层122B，将载体121粘到膜112和吸附材料114上。过滤组件100’包括第二粘合剂结构130，其提供将过滤组件100’固定到燃料电池30上合适位置的粘附结构。在所述实施方式中，粘合剂结构130是多层结构，具有粘合剂层132A、132B，夹层载体131。类似于图6A所示的过滤组件100，由于结构120’抑制空气或其它气体流经，图6B所示过滤组件100’包括由粘合剂结构120’形成的端口115，以能进入吸附材料114中。
对于组件100，100’，膜112允许气态分子经过，通常不允许液体和微粒物质经过。用于膜112的合适材料的例子包括但不限于纤维织造材料或非织造材料、纸或纤维素材料，或剥离材料。膜112是疏水、亲水或疏油材料，虽然膜112并不一定要具有这些特征中的任意一种。材料可以进行处理，如进行后处理，来提供所需的疏水、亲水或疏油特性。但是，优选膜112是疏水的，如发泡聚四氟乙烯(PTFE)。其它用于膜112的合适材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。具体的合适发泡PTFE膜的例子包括“MD5834”，87微米厚，具有0.1微米的孔；“EN 0701417”，87微米厚，具有0.7微米的孔；“EN 0701552”，87微米厚，具有1微米的孔；“EN 0701405”，200微米厚，具有0.35-0.4微米的孔；以及“EN 0701341”，250微米厚，具有0.35微米的孔，所有这些都可以从DonaldsonCompany，Inc.购得。具体的合适聚丙烯膜的例子是“EN 0701516”，87微米厚，具有0.1微米的孔。
而且，对于组件100，100’，吸着材料114吸附可以流经膜112的碳基以及各种其它气态分子或物质，如VOC、氨和SO2。吸附材料114可以永久保留所要求的污染物，或者在一定时间内释放所述污染物。
合适吸附着材料114的例子包括活性炭、活性铝土、分子筛、离子交换树脂或其它功能树脂和聚合物、硅藻土、硅胶或粘土。所述吸附材料可以包含涂料、添加剂、浸渍剂或其它选择性吸附或反应的处理剂。浸渍剂包括无机材料，它可以使用水溶液或有机溶液浸渍。
在过滤组件中可以使用一种以上的吸着材料114。例如，可以使用活性炭材料来吸附烃类、酸性气体(如SO2)和碱性气体(如，氨)，并且可以使用硅胶或其它干燥剂(dessicant)材料来阻止水(催化反应的副产物)从阴极32流到系统10外部。这种吸水元件可以吸附、吸附或以其它方式抑制水从系统10离开(例如，滴下、泄漏等)。吸水元件的合适材料的例子包括硅胶。在一些实施方式中，要求通过控制水从燃料电池30排出来将阴极32处的相对湿度保持在指定的水平上，而不是吸附水。阴极32处所需相对湿度通常至少为50％，常常是60-100％。在一些实施方式中，碳材料提供足够的控水性质，无需任何干燥剂(dessicant)或其它用于控制水的材料。
可以使用各种方法来提供吸着材料114。在一些方法中，吸着材料114可以离散的方式置于基材如膜112上。吸着材料114可以是吸附浆液，它用丝网印刷型工艺沉积，例如在美国专利No.5869009(Bellefeuille等)中讲述了沉积吸着材料的方法，其内容参考引用于此。在另一方法中，吸附剂或吸附材料的片可以转化(例如，冲切)成离散的吸着材料小片114。然后，这些离散的片转移或以其它方式施加到膜112或其它多孔载体材料上。其它制造吸着材料114以及过滤组件100和100’的方法也是合适的。
图5、6A和6B的第一过滤组件100、100’具有窄轮廓，即膜112和吸附材料114以及任意其它层不会太厚。通常，图5、6A和6B所示结构的厚度约为0.25-3mm，通常约为0.75mm。此外，过滤组件100、100’是通常软的、可贴合的结构，由膜112和吸附剂114形成，并且粘合剂结构120、120’为结构提供一些刚性。
在图7和8中说明了作为过滤组件150的第一过滤组件100的第二实施方式。第一过滤组件150在环境和燃料电池阴极32之间形成可选择性渗透的阻挡层，允许气体(如氧气)经过，但是不允许VOC、酸性气体、碱性气体和微粒污染物经过。第一过滤组件150也控制水从阴极32流出。
过滤组件150具有外壳155，为组件150提供坚硬且全面的物理结构。通常，外壳155是塑料。膜162和吸附物质164在外壳150中。膜162通常在外壳155顶部，但是可以凹进去，以保护膜162。吸附剂164在外壳155的凹槽156中。组件150包括用于将组件150固定在燃料电池30中合适位置上的粘合剂结构170。在所述实施方式中，粘合剂结构是多层结构，它具有粘合剂层172A、172B夹层载体171。合适的载体171是PET。此外，结构170抑制空气或其它气体流过。
外壳155和粘合剂结构170一起形成了从过滤组件150的外部向吸附剂164延伸的空气通道165。通道165是曲折的通道，模制在外壳155中，其中一部分通道壁由粘合剂结构170构成。粘合剂结构170中的孔形成通道165的第一端165A。通道165的第二端165B在紧贴吸附剂164的地方。
类似于上述过滤组件100，过滤组件150位于入口或排气口上，在阴极32和外部环境之间提供通道。较好的是，所有空气或其它氧化剂源流经这一入口或排气口，到达阴极32。
过滤组件150允许所需气体分子如空气或其氧气源流向阴极，但是抑制可能影响燃料电池性能的微粒和气态化学污染物经过。
膜162允许气体分子经过，但是抑制微粒污染物经过。用于膜162的合适材料的例子包括但不限于纤维织造材料或非织造材料、纸或纤维素材料，或玻璃材料。虽然膜112并不一定要具有这些特征的任意一种，但是膜162可以是疏水、亲水或疏油材料。但是，优选膜162是疏水的，如发泡聚四氟乙烯(PTFE)。其它用于膜162的合适材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。
过滤组件150包括额外的材料层，如聚合物敞开丝网或织造材料或非织造材料层。可以理解第一过滤组件150的层可以是任意类型的织造或非织造材料，它们足够牢固，可以容纳吸附剂164，同时仍允许气体(如氧气)经过。所述层可以是单层或多层，这取决于所述材料的所需性质。
吸附剂164允许气体如氧气和氮气通过，但是吸附烃类(VOC)、酸性气体(例如，SO2、H2S、Cl2、NOx)和碱性气体(例如，氨)。吸附剂164可以永久截留污染物，或者在一定时间内释放所述污染物。吸附剂164也可以控制水或水蒸汽流入或流出阴极32。
合适吸附剂164的材料例子包括活性炭、活性铝土、分子筛、离子交换树脂或其它功能树脂和聚合物、硅藻土、硅胶或粘土。所述吸附材料可以包含涂料、添加剂、浸渍剂或选择性吸附或反应的其它处理剂。浸渍剂包括无机材料，它可以使用水溶液或有机溶液浸渍。在吸附剂164中可以使用一种以上的材料。
可以使用各种方法来提供吸附物质164。在一种方法中，将大量吸附剂颗粒模制成一块材料。所述颗粒可以通过聚合物粘结剂或通过其它方式保持在一起。在美国专利No.6146446(Tuma等)、6168651(Tuma等)和6491741(Tuma等)中公开了各种模制吸附材料的结构及其制造方法，其内容均参考引用于此。
通道165也允许气体经过，但是会限制其扩散；以这种方式，通道165减缓了气体如氧气扩散到阴极32的速率。类似地，通道165允许水蒸汽经过，但是会限制其扩散；以这种方式，通道165减缓了水从阴极32离开的扩散速率，结果保持阴极32所需的相对湿度。可调整通道165的总体尺寸(长度、横截面、几何形状等)，影响氧气扩散到阴极32以及水离开阴极32的总速率。美国专利No.4863499(Osendorf)、5997614(Tuma等)和6491741(Tuma等)(其整个公开内容参考引用于此)说明了曲折通道的各种形式，它们适于结合到过滤组件150或其替换形式中。
在图9中说明了作为过滤组件180的第一过滤组件100的第三实施方式。过滤组件180在环境和燃料电池阴极32之间形成可选择性渗透的阻挡层，允许气体经过，但是不允许VOC、酸性气体、碱性气体以及微粒经过。过滤组件180也控制水从阴极32流出。
过滤组件180具有包封在两层静电或膜过滤介质196和保护稀松布192之间的吸附剂元件194。具体地是，吸附剂元件194用过滤介质196a和196b覆盖，然后用保护稀松布192a、192b覆盖。
类似于上述过滤组件100和过滤组件150，过滤组件180位于端口或排气口上，在阴极32和系统10的外部环境之间提供通道。较好的是，所有空气或其它氧化剂流经这一入口或排气口，达到阴极32。
保护性稀松布192也允许气体分子经过，但是抑制微粒污染物通过。稀松布192的压力降通常最小。用于保护性稀松布192的合适材料包括但不限于纤维织造材料或非织造材料、纸或纤维素材料，或玻璃材料。虽然稀松布192并不一定要具有这些特征的任意一种，但是保护性稀松布192可以是疏水、亲水或疏油材料。优选保护性稀松布192是织造的聚酯稀松布，以商品名“EN0701457”购自Donaldson Company。另一种合适的保护性稀松布192是非织造的聚酯稀松布，以商品名“EN0701232”购自Donaldson Company。
静电介质或膜196保持吸附剂194，并允许气体分子通过，但是抑制颗粒污染物通过。用于介质或膜196的合适材料例子包括但不限于纤维织造材料或非织造材料、纸或纤维素材料，或玻璃材料。多层或多层材料可以层压在一起，或者以其它方式形成层196。优选的介质或膜196是丙烯酸类/聚丙烯掺合物。
吸附剂194类似于吸附剂114和吸附剂164，它们允许气体如氧气和氮气通过，但是吸附烃类(VOC)、酸性气体和碱性气体。
过滤组件180更适于燃料电池组件，它们使用驱动或增压氧化剂流(例如，泵送空气)，因此，组件并不依靠扩散来将氧气送到阴极。有关类似于组件180的过滤组件的其它细节可以在例如美国专利5997618和6077335(Isogawa等)中找到，其内容参考引用于此。
在图5、6A、6B、7、8和9所述第一过滤组件100的实施方式中，所述过滤组件是单独单元。应理解所述过滤组件可以由多个单元组成。例如，提供气体扩散但抑制微粒通过的第一单元可以位于排气口上。用于吸附化学污染物以及调节湿度的第二单元(例如具有吸附材料)可以位于远离排气口的地方。吸附剂部分的例子(可位于远离空气入口的地方)包括美国专利No.5876487(Dahlgren等)、6143058(Dahlgren等)和6214095(Logan等)所述的，其全部内容参考引用于此。
阳极侧的过滤组件再次参见图1，燃料电池30的阳极侧包括第二过滤组件200。构建并设置第二过滤组件200，使气体分子如氧气、氮气、二氧化碳等能通过，但是不允许液体如甲醇通过。第二过滤组件200通常不允许燃料、水等从燃料电池30流出，但是允许大气物质以及燃料电池反应副产物通过。
图4说明燃料电池一部分的放大图，具体是说明了容器中的甲醇源50，和第二过滤组件200。容器50容纳液体甲醇，并其构造成与阳极34毗邻；任选地，阳极34可以形成壁，所述壁形成容器50的内部容积。具有内表面51和外表面53的容器50容纳一定体积的液体甲醇44和气态二氧化碳46以及其它气态物质。二氧化碳46是阳极34的反应副产物。容器50中具有至少一个孔55，所述孔在容器50的内部容积和系统10的外部之间形成排气口。在图4中所述具体实施方式
中，容器50包括三个孔55。由于使用容器50中的甲醇，容器50可以包括用于加入甲醇的入口，或者容器55可以除去，并可以用它和阳极34的关系来替换，这样允许用新的或完整的容器50来替换用完的容器50。
第二过滤组件200(形成容器50的穿孔55)在甲醇44和系统10外部之间提供可选择性渗透的阻挡层。第二过滤组件200较好允许气体分子如氧气、氮气、氩气和二氧化碳通过。阳极34处的反应副产物如甲酸和甲醛也透过第一过滤组件100。第二过滤组件200可以位于并固定在容器50的内表面51上，或者在容器50的外表面53上。
第二过滤组件200的优选构型是膜过滤器，也常称为标记过滤器，由疏水和/或疏油材料制得。疏水和/或疏油材料允许气态分子通过，但是不允许液体如液体甲醇通过。合适材料的例子包括发泡聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯和聚偏二氟乙烯(PVDF)，这些材料具有曲折的孔隙或通道。所述材料包括后处理剂或其它涂料，用于提高疏水和/或疏油特性。
PTFE以商标“Tetratex”购自Donaldson Company，Inc.，以及以商标“GoreTex”购自W.L.Gore & Assoc.。PTFE可以各种厚度，和各种孔径大小获得。用于第二过滤组件200的疏水和/或疏油材料的优选厚度约为12-260微米。对于这种厚度的材料，0.1-2微米的孔是合适的，小至0.05微米，甚至0.01微米的孔是合适的。
合适的发泡PTFE膜的具体例子包括“MD 5834”，87微米厚，具有0.1微米的孔；“MD 5897”，87微米厚，具有0.2微米的孔；“EN 0701417”，87微米厚，具有0.7微米的孔；“EN 0701552”，87微米厚，具有1微米的孔；“EN0701405”，200微米厚，具有0.35-0.4微米的孔；以及“EN 0701341”，250微米厚，具有0.35微米的孔，所有这些都可以从Donaldson Company，Inc.购得。合适聚丙烯膜的具体例子是“EN 0701516”，87微米厚，具有0.1微米的孔。合适PVDF膜的具体例子是“MD 5915”，87微米厚，具有1微米的孔径。可以购得“MD 5915”、“EN 0701341”和“EN 0701516”，在它们上面进行了疏油处理，提高其对甲醇的排斥性。
第二过滤组件200较好确定大小，以覆盖容器50中的整个孔55(见图4)，并稍微向内表面51或外表面53延伸，形成坚固的密封。较好的是，第二过滤组件200延伸超过孔55约1-10mm。
粘合剂通常将第二过滤组件200固定到容器50的内表面51或外表面53上。若施加到内表面51上，和液体甲醇接触，则所述粘合剂应耐甲醇，并且不会在第二过滤组件200的预定使用寿命内退化、增溶或溶解。在设置第二过滤组件200之前，剥离衬垫或其它可剥离的层可以位于粘合剂上，在将过滤器粘到容器50的合适位置上之前可以除去所述剥离衬垫。也可以使用其它机理将第二过滤组件200固定到容器50上，例如，过滤组件200可以通过热粘结(例如，超声粘结或加热)或通过机械方式固定。
第二过滤组件200可以包括吸收或吸附材料。这种吸着材料可以加入以吸附物质，而不是使它们透过过滤组件200进入大气。例如，甲酸和甲醛(formadehyde)(阳极34的反应副产物)可以被吸着材料吸附。任意吸着材料可以永久截留所要求的污染物，或者可以在一定时间内释放污染物。所述吸着材料可以包含涂料、添加剂、浸渍剂或其它和污染物反应，由此中和它们的处理剂。合适吸着材料的例子包括活性炭、活性铝土、分子筛、离子交换树脂或其它功能树脂和聚合物、硅藻土、硅胶或粘土。任意吸着材料较好装入或以其它方式被材料如疏水材料包围，来容纳所述吸着材料。
虽然已经说明过滤组件100、100’、150为圆形或圆柱形，但是应理解所述第一过滤组件和第二过滤组件或其任意部分可以是任意合适的几何形状或特定断面的形状，如椭圆、矩形、八边形、星形等。
此外，虽然已经说明过滤组件100、100’、150具有单个排气口或入口北5、165，但是应理解任意第一过滤组件或第二过滤组件具有多个排气口或入口。
以下说明了过滤组件的各种具体实施例。
示例性过滤组件实施例1，提供合适第一过滤组件100的具体例子，类似于图5和6A所示的实施方式。将活性炭材料114(预先和PTFE及聚乙烯层压，并用碱性物质浸渍)从片材上冲切出直径8.5mm的圆形。吸附剂点114用发泡PTFE112(厚度约为200微米，孔径大小约为0.35微米)覆盖。这种PTFE材料以商品名EN0701405购自Donaldson Company，Inc.。所述层状结构冲切成11.9mm直径的圆形。将压敏粘合剂施加与PTFE相反的面上，形成内径为6.4mm的环形粘合剂区域。所述过滤组件的总厚度约为0.75mm。在PSA上提供不含硅的剥离衬垫。本文所述步骤可以其它顺序进行。
这种过滤组件100以商品名“Adsorbent Breather Filter”或“ABF”从Donaldson Company，Inc.购得。“ABF”过滤器从Donaldson购得，其直径为10100mm。可以采用各种几何形状。
实施例2，提供合适第一过滤组件150的另一具体例子，类似于图7和8所示的实施方式。将活性炭材料模制成小块，形成吸附剂块164。将所述小块置于五边形笔直的塑料外壳155中，所述外壳具有在与敞开面相反的面中模制的扩散通道165。在所述小块上放置厚度约为25微米且孔径大小约为1.5微米的一片PTFE膜162。将压敏粘合剂粘到具有扩散通道165的外壳面上，留下通道的端口165A未覆盖。本文所述步骤可以其它顺序进行。
这种过滤组件150以商品名“Adsorbent Breather Filter”或“ABA”从Donaldson Company，Inc.购得。“ABA”过滤器从Donaldson购得，其尺寸(宽度、长度和高度)为4-50mm。也可以是圆柱形“ABA”过滤器，尺寸为4-50mm(直径)，4-15mm(高度)。可以采用各种几何形状。
实施例3，提供合适第一过滤组件180的另一具体例子，类似于图9所示的实施方式。将珠状活性炭冲切成吸附剂材料194。在吸附剂材料的各面上，用丙烯酸类/聚丙烯多层静电过滤介质196覆盖所述材料194。将厚度约为127微米的一层织造聚酯稀松布192置于各过滤介质层上。所述过滤介质层和稀松布的边缘用超声焊接进行密封，形成围绕吸附剂材料194的外围密封。
这种过滤组件180以商品名“Adsorbent Recirculation Filter”或“ARF”从Donaldson Company，Inc.购得。“ABF”过滤器从Donaldson购得，其尺寸(宽带和长度)为4-100mm，总厚度约为2-20mm，密封处的外围厚度约为1-5mm。可采用各种几何形状。
实施例4，提供一种合适的第二过滤组件200的具体例子。将发泡PTFE膜112(厚度约为200微米，孔径大小约为0.35微米)冲切成直径4.4mm的圆形。这种PTFE材料可以从Donaldson Company，Inc.以商品名EN0701405购得。将压敏粘合剂粘到圆形的周边，形成内径为1.5mm的环形粘合剂区域。所述过滤组件的总厚度约为0.75mm。本文所述步骤可以其它顺序进行。
这种过滤组件200可以从Donaldson Company，Inc.以商品名“StandardBreather Filter”或“SBF”购得。“SBF”过滤器可以从Donaldson购得，直径为4-100mm。可采用各种几何形状。
实施例5，合适第二过滤组件200的具体例子(包括吸附剂材料)是ABF过滤器，如实施例1所述。
以上说明和实施例已经为用于燃料电池的过滤组件提供广泛和具体的实例。但是应理解即使在以上说明中已经阐述了本公开内容的许多特征和优势，以及所述结构细节和功能，但是所述公开内容仅是说明性的，在附带权利要求书所述术语的广义含义所示表示的整个范围内，在细节方面尤其是所述部件的形状、大小和配制和材料的类型方面可以变化。
权利要求
1.一种燃料电池组件，所述组件包括(a)便携式燃料电池，所述电池具有与氧化剂入口端流体连通的阴极和阳极；(b)与氧化剂入口端和阴极流体连通的过滤组件，所述过滤组件包括(i)微粒除去部件和化学吸附部件中的至少一个；以及(ii)水缓冲部件；(c)在燃料电池中构建的过滤组件，使通过入口端进入的氧化剂经过过滤组件，通过水缓冲部件控制来自阴极的水蒸汽，以达到所需的湿度水平。
2.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述过滤组件包括微粒除去部件和化学吸附部件。
3.如权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，所述过滤组件包括其中具有微粒除去部件、化学吸附部件和水缓冲部件的一个部分。
4.如权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于，所述过滤组件包括外壳，在所述外壳中具有微粒除去部件、化学吸附部件和水缓冲部件。
5.如权利要求4所述的燃料电池组件，其特征在于，所述外壳形成至少部分扩散通道。
6.如权利要求2所述的燃料电池组件，其特征在于，所述过滤组件包括其中具有微粒除去部件的一个部分，以及其中具有化学吸附部件和水缓冲部件的第二部分。
7.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述微粒除去部件是膜。
8.如权利要求7所述的燃料电池组件，其特征在于，所述膜是PTFE。
9.如权利要求7所述的燃料电池组件，其特征在于，所述膜是PVDF。
10.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述化学吸附部件包含活性炭。
11.如权利要求10所述的燃料电池组件，其特征在于，所述化吸附部件包含浸渍的活性炭。
12.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述燃料电池可操作地连接到电子设备上，为所述电池设备提供能源。
13.如权利要求12所述的燃料电池组件，其特征在于，所述电子设备是蜂窝式电话、个人计算器或膝上计算机中的一种。
14.如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述便携式燃料电池的重量不大于2kg。
15.一种燃料电池组件，所述组件包括(a)便携式直接甲醇燃料电池，它包括(i)阴极；(ii)阳极；和(iii)与阳极流体连通的液体甲醇源，所述甲醇在具有排气口的腔室中，所述排气口在腔室内部和腔室外部之间提供流体接触；和(b)位于所述排气口中的过滤组件，所述过滤组件在腔室内部和腔室外部之间形成流体连通，所述过滤组件包括可选择性渗透的疏水和/或疏油部件。
16.如权利要求15所述的燃料电池组件，其特征在于，所述可选择性渗透的疏水和/或疏油部件是膜。
17.如权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，所述膜是PTFE。
18.如权利要求16所述的燃料电池组件，其特征在于，所述膜是PVDF。
19.如权利要求15所述的燃料电池组件，其特征在于，所述过滤组件还包括吸附部件。
20.如权利要求15所述的燃料电池组件，其特征在于，所述便携式燃料电池的重量不超过2kg。
全文摘要
过滤组件控制气体和水流入和流出燃料电池的阳极和阴极。所述组件尤其适于便携式燃料电池用的甲醇和其它液体燃料源。这些燃料电池和过滤元件可以用于如电话、个人计算器、膝上计算机和寻呼机等设备。本发明提供一种过滤组件，它在燃料电池外部和阴极之间形成可选择性渗透的阻挡层。所述过滤组件控制阴极受到微粒和气态物质的作用。所述过滤组件也控制水的流动。本发明也提供一种过滤组件，它在液体(例如，甲醇和水)和燃料电池外部之间形成可选择性渗透的阻挡层。所述过滤组件控制液体和气态物质从阳极离开。
文档编号H01M8/04GK1751407SQ200380109401
公开日2006年3月22日 申请日期2003年12月2日 优先权日2002年12月2日
发明者A·C·达尔格伦, 矶川胜司, R·O·尼尔森, E·斯特纳森, D·L·图马 申请人:唐纳森公司