制氢燃料电池盒的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请为分案申请，原申请的申请日是2006年2月22日、申请号是 200680006229. X(PCT/US2006/006182)、发明名称为"制氢燃料电池盒"。
技术领域
[0002] 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换成直流（DC)电的 设备。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。
【背景技术】
[0003] -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。现如今那些最为重要的燃料电池可被分成几个大类，即：（i)采用压缩的氢 (?)作为燃料的燃料电池；（ii)质子交换膜（Proton exchange membrane----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 它能转换成氢燃料的燃料；（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)固体氧化物燃料电池（SOFC)，其能在很高的温度下直接将碳氢化合物 燃料转换成电力。
[0004] 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 盒，因此很难把消费类的电子设备做得很小。常规的转换型燃料电池需要转换剂以及其它 的蒸发和辅助系统来将燃料转换成氢从而与燃料电池中的氧化剂反应。最新的进展使转换 剂或转换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采 用甲醇的燃料电池或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四甲基 原碳酸盐燃料电池。DMFC，其中甲醇与燃料电池中的氧化剂直接反应，是一种最简单并且有 可能做到最小的燃料电池，其很希望成为消费类电子设备的电源应用。SOFC在很高的温度 下将碳氢化合物燃料如丁烷进行转换从而产生电力。SOFC需要KKKTC范围相对高温使燃 料电池发生反应。
[0005] 用来生成电力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-电学反应以及直接甲醇燃料电池的整个反应均可描述如下：
[0006] 阳极的半反应：
[0007] CH30H+H20 - C02+6H++6e_
[0008] 阴极的半反应：
[0009] I. 502+6H++6e - 3H20
[0010] 整个燃料电池的反应：
[0011] CH30H+1. 502- CO 2+2H20
[0012] 由于氢离子（H+)穿过PEM从阳极迀移到阴极，并且由于自由电子e不能穿过PEM， 因此这些电子必须流过一个外部电路，从而形成一个电流。该外部电路可用来给许多有用 的消费类电子设备提供电力，如移动电话或蜂窝电话、计算器、个人数字助理、膝上电脑以 及动力工具等。
[0013] 美国专利文献US5992008和US5945231均对DMFC进行了描述，这两篇文献以引用 的方式全文并入这里。通常来讲，PEM由一种聚合物制成，如DuPont公司的Nafion5"或者是 其它合适的膜，前者是一种厚度在0. 05mm到0. 50mm之间的全氟化聚合物磺酸材料。阳极通 常由一张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，如铂一钌。 阴极通常是一种气体扩散电极，其中有铂颗粒粘接到该膜的一侧上。
[0014] 在另一种直接氧化燃料电池中，硼氢化物燃料电池（DBFC)的反应如下：
[0015] 阳极的半反应如下：
[0016] BH4__ι~80Η-^ BO2__^6H20+8e_
[0017] 阴极的半反应如下：
[0018] 202+4H20+8e-^ 8OH-
[0019] 在化学金属氢化物燃料电池中，通常来说液态硼氢化钠经改性并反应如下：
[0020] NaBH4+2H20 -(加热或催化）一4 (H2) +NaBO2
[0021] 阳极的半反应：
[0022] H2- 2H ++2e_
[0023] 阴极的半反应：
[0024] 2 (2H++2e_ ) +02- 2H 20
[0025] 适合于该反应的催化剂包括铂和钌以及其它的金属。硼氢化钠转换中产生的氢燃 料在燃料电池中与氧化剂如02进行反应从而产生电力（或者是电子流）和副产品水。转 换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文献US4261956 中进行了描述，其以引用的方式并入这里。
[0026] 燃料电池的一个最重要的特征是燃料的存贮。另一个重要特征是对燃料从燃料盒 取出并送到燃料电池的操作进行调节。为了能够应用于商业，燃料电池如DMFC或PEM系统 必须能够存贮不同的燃料从而满足消费者的正常使用。例如，对于移动电话或蜂窝电话，对 于笔记本电脑以及对于个人数字助理（PDA)来说，燃料电池至少应能给这些设备提供像当 前所使用电池那样长的电力，并且作为优选地是越长越好。此外，燃料电池应更换方便或者 是具有可重装的燃料罐从而减少或避免现今充电电池那样长时间地充电。
[0027] 公知的氢气产生装置的缺点是一旦反应启动，气体产生装置盒不能控制反应。因 此，反应将持续直至反应剂的供给耗尽或反应源被手动切断。
[0028] 因此，需要获得能够自调节至少一种反应剂到反应腔的流量的氢气产生装置。
【发明内容】
[0029] 本发明涉及具有寿命明显延长且高效率产生氢气的燃料系统/气体产生装置。
[0030] 在一个实施例中，本发明涉及包括至少一个反应腔、存储器和自调节流量控制设 备或系统气体产生装置。当反应腔中的压力到达预定压力值时，自调解流量控制设备/系 统阻止反应剂从存储器流入反应腔。
[0031] 在另一实施例中，本发明的气体产生装置包括反应腔盒含有至少一种反应剂的存 储器。反应剂从存储器传输到反应腔产生氢气。通常，当反应腔中的压力超出预定压力时， 装置开关从操作状态转至非开关状态，并且当压力降低到低于预定值时，装置开关从非操 作状态转至操作状态。
[0032] 优选地，反应腔含有另一反应剂或催化剂，或被加热促进氢气的产生。从存储器中 的反应剂可以通过毛细作用或栗传输。存储器还可以被不同的方法加压以将存储器中的反 应剂传输到反应腔。可选择地，反应腔中重整再反应产生的压力可以连通返回存储器以传 输反应剂到反应腔。
[0033] 自调节流量控制设备可以是压力敏感隔板、止回阀、活塞或推动器、阻挡毛细流量 路径的方法或其它或它们的组合。
[0034] 操作气体产生装置的方法和自调解流量控制设备的操作方法，包括气体产生装置 的关断阀的循环和自调节流量控制设备的循环。
[0035] 公知的本发明的上述两种方式和下述具体细节是示例性的，仅仅为了进一步解释 本发明，如权利要求。
【附图说明】
[0036] 在形成说明书一部分的附图中，其应该结合来理解，其中在不同的图中相同的附 图标记表不相同的部分：
[0037] 图1(a)是具有操作状态中的自调节流量控制设备的气体产生装置的截面图；图 1(b)是图1(a)处于非操作状态下的气体产生装置的截面图；图1(c)是用于图1(a)所示 的气体产生装置的可选的自调节流量控制设备的示意图；图1(d)是图1(c)中可选择的自 调解流量控制设备处于操作状态下的示意图；
[0038] 图2(a)是另一个具有自调节流量控制设备的气体产生装置的截面图；图 2(b)_(d)是不同的圆片和喷雾附件适于用于图2(a)的气体产生装置的示意图；
[0039] 图3是具有启动初始反应的推动器的气体产生装置的截面图。
[0040] 图4(a)是另一种气体产生装置的截面图；图4(b)和4(c)表不图4(a)中气体产 生装置中的装置分别处于开启和关闭状态；
[0041] 图5(a)和5(b)表示图4(a)中各种实施例的变化；
[0042] 图6是另一种气体产生装置的截面图；
[0043] 图7是具有用于启动反应的旋转杆的另一种气体产生装置的截面图；
[0044] 图8(a)是具有启动反应的按钮的另一种气体产生装置的截面图；图8(b) - 8(d) 是表示用于图3和8(a)的气体产生装置的不同的启动机制的部分切除示意图；
[0045] 图9(a)是具有带隔板的自调节流量控制设备的另一种气体产生装置的截面图； 图9(b)是图9 (a)的流量自调节控制装置的放大截面图；图9 (c)是当流量自调节控制装置 处于关闭状态时的图9(a)的自调节流量控制设备的放大截面图；图9(d)是当流量自调节 控制装置处于开启状态下的图9(a)的自调节流量控制设备的放大截面图；
[0046] 图10是另一种气体产生装置的截面图；
[0047] 图11是用于最小化反映存储器中部分压力的挡板或排气机制的部分截面图；
【具体实施方式】
[0048] 如附图及下面内容所描述的那样，本发明涉及一种燃料源，该燃料源用来存贮燃 料电池的燃料如甲醇和水、甲醇/水的混合物、不同浓度的甲醇/水的混合物、纯甲醇和/ 或甲基包合物，这一点参见美国专利申请US5364977和6512005B2,这两篇文献在这里以参 考的形式全文并入。甲醇或其它的醇类能用在许多类型的燃料电池中，如DMFC，酶燃料电 池，转换型燃料电池等。该燃料源可包含其它类型的燃料电池燃料如乙醇或酒精，金属氢化 物如硼氢化钠，能够重整（reformatted)成氢的其它化学物质，或者是其它可提高燃料电 池性能或效率的化学物质。这些燃料还包括氢氧化钾（KOH)电解液，其能与金属燃料电池 或碱性燃料电池一起使用，并能保存在燃料源中。对于金属燃料电池来说，燃料为载有锌 颗粒的流体形式，其中的锌颗粒浸在KOH电解质反应溶液中，并且电池腔中的阳极是由锌 颗粒所形成的颗粒阳极。KOH电解质溶液在名称为"Method of Using Fuel Cell System Configured to Pro