专利名称：用于便携式电子装置的燃料电池卡盒的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型改进的用于便携式电子装置的燃料电池组件和卡盒。更具体而言，本发明针对用于液体进料直接甲醇聚合物电解质膜燃料电池组件的燃料卡盒。
背景技术：
聚合物电解质膜在诸如电池和燃料电池等的电化学装置中是有用的，这是因为它们可以作为电解质和隔膜。这样的膜可以很容易的制作成薄柔性膜，所述柔性膜可以用于不同形状的电池中。
全氟磺化烃类离聚物，比如杜邦公司的NAFION或者类似的Dow全氟化聚合物目前被用作燃料电池的聚合物电解质。然而，这些现有技术中的膜用在氢/空气燃料电池和液体进料直接甲醇燃料电池中存在严重的限制性。
一个包括这种现有技术膜的燃料电池的例子参见Hockaday的美国专利No.5,759,712，其中示出了一种用于微型燃料电池电源组的表面复形燃料电池。公开的微型燃料电池电源组被构造用作蜂窝式电话的电源。设置蒸发歧管用于从燃料储瓶中吸出燃料。
尤其需要的是燃料电池组件具有一个可拆卸的燃料卡盒，所述燃料卡盒能够保持正压以使燃料易于从该卡盒流至燃料电池组件中。
发明内容
在一个实施例中，可拆卸的燃料卡盒包括具有第一容器部分和第二容器部分的刚性燃料容器，所述容器密封着可膨胀的燃料囊和可膨胀的压力构件。第一容器部分和第二容器部分可以永久地相互固定在一起。粘结剂可以将所述容器部分粘接在一起。在一个优选实施例中，液体燃料为甲醇。
第二室可包括一个通过第一端口与第一室流体连通的计量阀，并且其中第二室包括被设置以与燃料电池组件的阳极回路流体连通的第二端口。燃料计量阀能够受到位于燃料电池组件中的致动器的控制。第二室可包括用于与燃料电池组件的阳极回路流体连通的进口和出口，进口和出口之间的流体连接器以及与第一室和流体连接器流体连通的计量阀。燃料计量阀能够受到位于燃料电池组件中的致动器的控制。燃料卡盒可包括位于第二室内的与第一室或者流体连接器流体连通的燃料过滤器。燃料卡盒可包括与第一室或者流体连接器流体连通的离子交换树脂。第二室可包括用于与燃料电池组件的阳极回路流体连通的进口和出口，进口和出口之间的流体连接器，与第一室流体连通的计量阀以及用于与燃料电池组件的阳极回路流体连通的燃料进料口。
本发明的另一个方面涉及一种用于液体燃料电池组件的可拆卸燃料电池卡盒，该燃料电池组件包括一个具有至少一个用于向燃料电池组件传送燃料的端口的第一燃料室的容器，以及一个具有至少两个端口的吸收装置，其中至少一个端口与燃料电池组件相连通。该吸收装置可被构造以用来从燃料电池组件的排气中除去水或者在燃料电池的阳极侧产生的二氧化碳。该容器可包括一个第二室，该吸收装置位于该第二室中。第一室和第二室可以用一个固定不动的分隔器隔开。该燃料卡盒可包括一个或多个选自包括空气过滤器、燃料过滤器、离子交换柱、风扇、泵、泵控制芯片、计量阀、计量泵、膜、吸水剂、二氧化碳吸收剂和甲醇吸收剂的组中的附加部件。
本发明的一个目的是提供一种用于移动电话和其它便携式电子装置的紧凑型燃料电池卡盒。
本发明的另一个目的是提供一种用于便携式电子装置的燃料电池卡盒，其可以快速地补给燃料，由此减轻为电池再充电所需时间长的问题。
而本发明的另一个目的是提供一种燃料电池组件，其可以使用可更换的保持燃料正压的燃料卡盒快速和方便地补给燃料。
本发明进一步的目的是提供一种可拆卸的燃料卡盒，其永久密封以禁止无意或有意地使燃料囊和/或其中包含的燃料受到损害。
被加入其中并且构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同说明书一起用以解释本发明的原理。
图1为示意性地示出了根据本发明的一个与便携式电子装置相结合的燃料电池组件的透视图。
图2为去除了便携式电子装置的图1所示的燃料电池组件的分解前视透视图。
图3为图2所示的燃料电池组件的分解后视透视图。
图4为图1所示燃料电池组件中的膜电极组件的示意图。
图5为不带有电极的图4所示的膜电极组件的截面放大示意图。
图6为图2和3所示的阳极板的透视图。
图7为图2和3所示的可拆卸的燃料卡盒的透视图，图中示意性地示出了可膨胀的燃料囊和可膨胀的压力构件。
图8为与图1所示的相似的一个去除了便携式电子装置的另一种可选的燃料电池组件的分解侧视透视图。
图9(a)为图8所示的燃料电池组件的阴极板的放大平面图。
图9(b)为图9所示的阴极板沿图9(a)中线9-9的截面放大图。
图10为图8所示燃料电池组件中的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图11为与图10所示相似的用于图8所示燃料电池组件的改进的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图12(a)为用于图8所示燃料电池组件的二通阀组件的放大的分解透视图。
图12(b)为图12(a)所示的二通阀组件的放大透视图。
图13为根据本发明与图10所示相似的一种改进的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图14为根据本发明与图10所示相似的另一种改进的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图15为根据本发明与图10所示相似的另一种改进的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图16为根据本发明与图10所示相似的另一种改进的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图17为根据本发明与图10所示相似的另一种改进的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图18为根据本发明与图10所示相似的另一种改进的可拆卸的燃料卡盒的分解前视透视图。
图19为可与根据本发明的燃料电池组件，如图1和8所示的燃料电池组件结合使用的水回收系统的示意图。
图20为可与根据本发明的燃料电池组件，如图1和8所示的燃料电池组件结合使用的燃料电池组件的流程示意图。
图21为根据本发明的具有附加囊的可拆卸的燃料卡盒的示意图。
图22为根据本发明的适于适应水的冻结性(freezability)的燃料电池组件的示意图。
图23为根据本发明的适于利用产物二氧化碳的燃料电池组件的示意图。
图24为根据本发明的具有可置换的燃料卡盒的燃料电池组件一部分的示意图。
图25为根据本发明的具有改进的可置换的燃料卡盒的燃料电池组件一部分的示意图。
图26、图26(a)、图26(b)和图26(c)分别为根据本发明的可再装的注射器组件、可置换的注射器组件、内部注射器组件和可置换的卡盒注射器组件的示意图。
图27为根据本发明的可再装的注射器组件的示意图。
图28为根据本发明的另一种可再装的注射器组件的示意图。
图29为根据本发明的一种可置换的注射器组件的示意图。
图30为根据本发明的另一种可再装的注射器组件的示意图。
图31为根据本发明的另一种可再装的注射器组件的示意图。
图32为根据本发明的另一种可再装的注射器组件的示意图。
图33为根据本发明的另一种可置换的注射器组件的示意图。
图34为根据本发明的内部注射器组件的示意图。
图35(a)和图35(b)为根据本发明的使用波纹管的另一种可选的燃料贮存器结构的示意图，该波纹管分别显示为空的和满的。
图36(a)、图36(b)、和图36(c)为根据本发明的利用弹簧偏压的压缩板的其它燃料贮存器结构的示意图。
图37为根据本发明的使用多个燃料贮存器的另一种可选结构的示意图。
图38为根据本发明的另一种可选的可更换的燃料卡盒的示意图。
具体实施例方式
下面，参考优选实施例并结合附图对本发明进行详细说明。尽管结合优选实施例对本发明进行描述，但是应该理解并不是旨在将本发明限制在这些实施例的范围内。相反，本发明旨在覆盖那些被包括在由所附权利要求限定出的本发明的范围和精神内的其它可选方式、改进方案和等效方案。
酸性聚合物包括酸性子单元，其优选包括酸性基，所述酸性基包括磺酸基、磷酸基、和羧酸基。包括磺酸基的聚合物的例子包括全氟磺化烃，比如NAFION；磺化芳香族聚合物比如磺化聚醚醚酮(sPEEK)、磺化聚醚醚砜(sPEES)、磺化聚苯并双吲哚、磺化聚苯并噻唑、磺化聚苯并咪唑、磺化聚酰胺、磺化聚醚酰亚胺、磺化聚苯醚、磺化聚苯硫，以及其它磺化芳香族聚合物。该磺化芳香族聚合物可被部分或者全部氟化。其它磺化聚合物包括聚乙烯磺酸、磺化聚苯乙烯、丙烯腈和2-丙烯酰胺-2-甲基-1丙烷磺酸的共聚物、丙烯腈和乙烯基磺酸的共聚物、丙烯腈和苯乙烯磺酸的共聚物、丙烯腈和甲基丙烯酰氧基乙烯氧基丙烷磺酸的共聚物、丙烯腈与甲基丙烯酰氧基乙烯氧基四氟乙烯磺酸的共聚物等等。这些聚合物可被部分或者全部氟化。任何类别的磺化聚合物包括磺化聚磷腈，比如聚(磺基苯氧基)磷腈或者聚(磺基乙氧基)磷腈。该磷腈聚合物可被部分或者全部磺化。磺化苯基硅氧烷和共聚物、聚(磺基烷氧基)磷腈、聚(磺基四氟乙氧基丙氧基)硅氧烷。此外，可使用任何聚合物的共聚物。优选sPEEK在60％和200％之间磺化，更优选地在70％至150％，最优选地在80％到120％之间磺化。就这点而言，100％磺化表明每个聚合物重复单元具有一个磺酸基团。
具有羧酸基的聚合物的例子包括聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸，它们的聚合物均包括与乙烯基咪唑或者丙烯腈的共聚物，等等。聚合物可被部分或者全部氟化。
包括磷酸基的酸性聚合物的例子包括聚乙烯磷酸、聚苯并咪唑磷酸，等等。聚合物可被部分或者全部氟化。
碱性聚合物包括碱性子单元，其优选包括碱性基比如芳香族胺、脂肪族胺或者杂环含氮官能团。碱性聚合物的例子包括芳香族聚合物比如聚苯并咪唑、聚乙烯基咪唑、N-烷基或者N-芳基聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、聚苯并恶唑、聚喹啉、和含有带杂芳香族氮的官能团，比如恶唑、异恶唑、咔唑、吲哚、异吲哚、1，2，3-恶二唑、1，2，3-噻二唑、1，2，4-噻二唑、1，2，3-三唑、苯并三唑、1，2，4-三唑、四唑、吡咯、N-烷基或者N-芳基吡咯、吡咯烷、N-烷基和N-芳基吡咯烷、吡啶、吡唑基等等。这些聚合物可被部分或者全部氟化。脂肪族聚胺的例子包括聚乙烯亚胺、聚乙烯基吡啶、聚(丙烯胺)等等。这些碱性聚合物可被部分或者全部氟化。聚苯并咪唑(PBI)为一种优选的碱性聚合物。聚乙烯基咪唑(PVI)为一种特别优选的碱性聚合物。
弹性体聚合物包括弹性体子单元，其优选包括弹性体基比如腈、二氟乙烯、硅氧烷和磷腈基。弹性体聚合物的例子包括聚丙烯腈、丙烯腈共聚物、聚二氟乙烯、二氟乙烯共聚物、聚硅氧烷、硅氧烷共聚物和聚磷腈，比如聚(三氟甲基乙氧基)磷腈。
弹性体聚合物可以可聚合单体的形式加入到该聚合物膜中以制备半贯通的网络。该单体可以通过光化学聚合，或者通过热处理以得到半-IPN。
弹性体共聚物可以指包括弹性体子单元和一个或者更多酸性子单元或者碱性子单元的弹性体聚合物。比如，如果使用酸性聚合物例如sPEEK，那么包括弹性体子单元和碱性子单元的弹性体共聚物可以用在二元组分中。另一种可选方式是，如果使用碱性聚合物，那么该弹性体共聚物将包括弹性体子单元和酸性子单元。这样的二元混合物可以与其它聚合物和共聚物一起使用以形成附加组分。
可以意识到还可以使用比如在2003年5月13日提交的题为“Sulfonated Copolymer(磺化共聚物)”的美国专利申请No.10/438,186，和2003年5月13日提交的题为“Ion Conductive BlockCopolymers(离子传导块状共聚物)”的美国专利No.10/3438,299中记载的其它聚合物和共聚物，这些专利申请以引用的方式结合在这里。
如在此所使用的，膜电极组件(MEA)指的是聚合物电解质膜(PEM)与位于PEM相对侧上的阳极和阴极催化剂的结合。它还可以包括与催化剂层电接触的阳极和阴极电极。
图1所示为根据本发明的用于便携式电子装置32的燃料电池组件31。在所示实施例中，燃料电池组件为液体燃料电池组件，而便携式电子装置为移动电话。甲醇是便利的液体燃料来源，其易于进行处理并容易容纳在简单的塑料封壳内。甲醇也相对便宜，当前可以广泛地获得。可以意识到还可以使用其它类型的燃料。
如图所示的燃料电池组件31适于用在诸如蜂窝式电话的移动电话中。比如说，燃料电池组件31可被构造用以向移动电话提供持续电源，所述移动电话一般具有功率消耗范围从在当最临近相应发送器时的3.3V(1.2W)360mA，到当离相应发送器最远时3.3V(1.98W)600mA。但是应该理解的是，本发明的燃料电池组件可被构造用以向具有各种功率消耗范围的其它便携式电子装置提供持续的电能，仍然落入了本发明的范围之内。比如，根据本发明的燃料电池组件可用以向个人数字助理(PDA)、笔记本和膝上电脑、便携式CD播放器、以及其它便携式电子装置提供电力。
如图2和3所示，燃料电池组件31一般包括膜电极组件33，阳极板37，阴极板38，可拆卸的燃料卡盒39，燃料传输系统40和电压调节器41。燃料电池组件31利用各种紧固件和/或卡扣部件和/或压敏粘结剂进行组装。比如说，螺纹紧固件42延伸穿过阴极板38，延伸穿过分别位于阴极电极48、膜电极组件33和阳极电极49上的装配孔43、44和45，延伸进入位于阳极板37上的装配孔50并与螺母51配合，如图2由左向右所示。施加到上述部件的邻接表面上的压敏粘结剂可以辅助或者替代螺纹紧固件42。然而应该意识到的是还可以使用其它组装方法。
电极与聚合物电解质膜53直接或间接电接触，并能够构成一个包括聚合物电解质膜53和为其提供电流的便携式电子装置32负载的电路。更具体而言，第一催化剂54为与聚合物电解质膜53的阳极侧以电子催化的方式相连接，从而有利于诸如甲醇等的无机燃料的氧化，如图4示意性所示。这种氧化一般会产生质子、电子和二氧化碳以及水。由于聚合物电解质膜53基本不渗透诸如甲醇等有机燃料以及二氧化碳，因此这些组分保留在聚合物电解质膜53的阳极侧。由电子催化反应产生的电子从阴极电极48传送到负载，然后到达阳极电极49。平衡这一直流电子流的是质子或者其它适当阳离子物质的迁移，即等量的质子通过聚合物电解质膜到达阳极室。在存在迁移过来的质子的条件下，氧发生电子催化还原生成水。
膜电极组件33一般用于将燃料电池组件31分隔成阳极和阴极室。在这样的燃料电池系统中，有机燃料例如甲醇被加到阳极室，而氧化剂例如氧或环境空气进入阴极室。根据燃料电池组件的具体用途，可以组合多个燃料单电池以获得合适的电压和功率输出。这样的应用包括用作便携式电子装置例如蜂窝式电话和其它通讯装置、视频和音频消费电子设备、膝上电脑、笔记本电脑、个人数字助理和其它计算装置、地理定位系统(GPS’s)等的电源。
膜电极组件33包括多个膜电极组件单元，每个单元通常包括一个阳极49，一个阴极50和一个聚合电解质膜53。每个聚合物电解质膜为带有催化层的连续板。聚合物电解质膜在催化层之间形成电解质，并连同催化层一起被夹在阳极和阴极之间。聚合物电解质膜53具有分别位于邻近阳极49和阴极48的燃料侧和氧气侧，如图4示意性所示。膜电极组件33进一步包括分别位于聚合物电解质膜53燃料侧和氧气侧上的第一催化剂54和第二催化剂59。在聚合物电解质膜阳极侧上的催化剂优选为铂钌催化剂，而位于阴极侧上的催化剂优选为铂催化剂。
阳极49与第一催化剂54电连接，而阴极48与第二催化剂59电连接。在一个实施例中，电极由镀金不锈钢构成。每个膜电极组件单元的电极尺寸和结构提供电极与膜电极组件单元相应催化层之间的电接触。优选地，每个电极包括铜接头。
图5为不带有电极的膜电极组件33的截面图。该膜电极组件包括聚合物电解质膜，第一和第二催化剂层和通常至少一个在阴极侧上的气体和水渗透层，用于将空气传输到阴极催化剂层，而将水从阴极催化剂层传输走。通常碳纸或碳布用于此目的。此外，优选在阳极催化剂层上设置碳衬里以防止催化剂层受到电极的损害。由于该衬里通常包含导电材料例如碳，因此电极可直接放置在该衬里上以完整构成该膜电极组件。
根据本发明可以使用各种膜。例如全氟化烃类磺化离聚物，如NAFION可用于形成根据本发明的聚合物电解质膜。应该意识到还可以使用其它膜。
在一个实施例中，聚合物电解质膜包括第一、第二和可选的第三聚合物，其中第一聚合物为包括酸性子单元的酸性聚合物，第二聚合物为包括碱性子单元的碱性聚合物，并且其中(i)可选择的第三聚合物为包括弹性体子单元的弹性体聚合物，或者(ii)第一或第二聚合物中的至少一个为进一步包括一个弹性体子单元的弹性体共聚物。这样的聚合物电解质膜和聚合物组成由此作为膜电极组件、燃料电池和使用这样的膜的电化学装置在2001年6月1日提交的题为“PolymerComposition(聚合物组成)”的共同待审的美国专利申请No.09/872,770；以及相应的国际申请，国际公开号No.WO01/94450A2，
公开日为2001年12月13日，题为“Polymer Composition(聚合物组成)”；2003年5月13日提交的题为“Ion Conductive BlockCopolymers(离子传导块状共聚物)”美国专利申请No.10/438,299；2003年2月20日提交的题为“Ionic Conductive Polymers(离子传导聚合物)”的美国临时专利申请No60/449,299；2003年5月13日提交的题为“Sulfonated Copolymer(磺化共聚物)”的美国专利申请No.10/438,186；2003年1月23日提交的题为“Acid-Base ProtonConducting Polymer Blend Membrane(酸基质子传导聚合物共混膜)”的美国专利申请No.10/351,257中有所描述，这些专利申请的全部内容以引用的方式结合在这里。
参照图2，阳极板37包括构成了与聚合物电解质膜53的燃料侧流体连接的燃料室60的内部凹处。阳极板37包括朝向阳极49延伸穿过燃料室60多个柱61，用以偏压阳极49形成与聚合物电解质53电接触。阳极板37包括多个排气口64，如图6所示。排气口延伸穿过侧壁65由此提供可使在燃料室60内产生的二氧化碳从燃料室中流出的排气口。
阴极板38形成一个封壳或套66，其具有一个容纳膜电极组件33、阳极板37和可拆卸的燃料卡盒39的凹处70。封壳66还包括用以选择性地接合移动电话或者其它便携式电子装置的接合结构。所示的封壳包括沿着该封壳每个侧壁72延伸的接合轨道71，用于可滑动地接合便携式电子装置32。封壳66还包括用于选择性地将燃料电池组件31闩锁到便携式电子装置32上的接合突舌75。还提供了用以向移动电话传送电功率的触点。
封壳可注射成型，然而应理解的是还可以使用其它形成封壳的方法。比如封壳可进行机加工等。
在图1所示的实施例中，封壳66包括多个设计在封壳66的外表面77内的空气沟槽76，所述封壳66的外表面77通常与移动电话使用者的手相接触。进气口82位于一个或多个沟槽76中用以向阴极室提供氧。特别是，氧进气口82从一个或多个沟槽76的底部延伸至聚合物电解质膜53的氧侧。这样的结构通过使用者的手掌使气流通过排气口和进气口的阻力最小化。
可拆卸的燃料卡盒39通常包括一个可膨胀的燃料囊86，一个可膨胀的压力构件87和可密封的出口88，如图7示意性所示。可拆卸的燃料卡盒39包括一个装入可膨胀的燃料囊86和可膨胀的压力构件87的刚性容器92。在一个实施例中，刚性容器92形成永久彼此固定在一起的两个部分95、96，使得燃料卡盒不会被轻易地拆卸。应当理解的是，刚性容器可以由一个、两个、三个或更多独立的部件构成，只要这些部件能构成一个用于支撑和装入燃料囊的刚性外壳。因此，出于本发明的目的，术语“部分”是指形成可拆卸的燃料卡盒的刚性容器的结构部件。虽然部分95和96是基本对称的，可以理解的是，该容器的组成部分也可以是不对称的。例如，一个刚性容器部分可以为无底的筒状，其由具有相应底部形状的另一个刚性部分密封。
容器部分95、96可以由注射成型的塑性材料以公知方式成形。应该理解的是根据本发明也可以使用其它合适的材料和其它合适的制造方法。例如，容器部分可以由塑料、金属、复合材料和/或其它合适的材料形成。该容器部分可以通过铸造、机加工、模制、冲压和/或其它合适的制造手段进行生产。
在如图所示的实施例中，容器组成部分95、96使用粘结剂彼此永久地固定在一起。应该理解的是，根据本发明还可以使用其它合适的手段，包括但是不限于，声波焊接、热焊接、溶剂粘合和/或永久粘结剂。容器部分95、96永久固定在一起的结构促进了燃料卡盒39的整体安全性，以及燃料电池组件31和便携式电子装置33的安全性，这是因为其防止了无意中的或有意的损害或误用燃料囊86和/或其中包含的燃料。
燃料卡盒的尺寸和构造使得燃料囊能够保持至少大约5立方厘米的甲醇，优选至少大约7立方厘米的甲醇，最优选至少10立方厘米的甲醇。在所示的实施例中，设置了一对弹簧夹93以将容器92和封壳66接合到一起并使容器保持在适当的位置，直到使用者从封壳上卸下容器92以为燃料电池组件31补给燃料。
可膨胀的燃料囊86接收用于提供至膜电极组件33的液体燃料。可膨胀的燃料囊86由一个基本上甲醇不能透过的塑性材料片和/或其它聚合材料构成。合适的塑性材料片的例子包括尼龙、尿烷和聚乙烯、硅橡胶，然而，应该理解的是还可以使用其它材料。
可膨胀的压力构件87通过如下方式与燃料囊86接触，即正压保持在囊上和囊内，由此对囊加压。可密封的出口88与燃料囊86流体连通。在所示的实施例中，可膨胀的压力构件87为一个受压缩的泡沫构件，优选由开放式泡沫材料构成。受压缩的泡沫构件是弹性的并向燃料囊86施加弹簧构件偏压由此在囊上保持正压。根据本发明还可以使用其它压力构件。例如，弹簧偏压构件可以向燃料囊86施加作用力以在囊上保持正压。
在所示的实施例中，可更换的燃料卡盒39的可密封的出口88包括一个隔片94，如图7所示。隔片94包括一个基本自密封的膜。参照图3，燃料传送系统40包括一个沿伸进入出口88并穿过隔片94用于使燃料囊86与聚合物电解质膜53的燃料侧流体连接的针状体97。可密封的出口88的尺寸和构造使其与针状体97相配合。在一个实施例中，可密封的出口包括一个INTERLINK流体连接适配器，由伊利诺斯州Deerfield的Baxter International Inc.制造。特别是，燃料传送系统40包括可插入隔片94中的针状体97。应该理解的是，根据本发明还可以使用其它类型的流体连接器。
封壳66还设有用于使可拆卸的燃料卡盒39从燃料传送系统40上脱开的释放插销98。释放插销98可滑动地设置在封壳66的一侧上，并与可拆卸的燃料卡盒39的隔片94接合。如图2所示，向下滑动释放插销98会推压出口88，由此将可拆卸的燃料卡盒39至少部分地向外推动经过封壳66的底壁103，由此使可拆卸的燃料卡盒39至少部分地脱开燃料传送系统40。
燃料传送系统40使可更换的燃料卡盒39的燃料囊86流体连接至阳极板37的燃料室60。燃料传送系统40包括针状体97、针状块105、单向鸭嘴阀108、歧管档块109、和串联连接的使燃料囊86和燃料室60互相连接的歧管110。针状块105支撑针状体97并定位所述针状体97，用于当燃料卡盒插入到燃料电池组件31中时针状体穿透可拆卸的燃料卡盒39的出口88。针状块105使针状体97和单向鸭嘴阀108流体互连。针状块105优选包括一个用于接合鸭嘴阀108的一端的倒钩。
单向鸭嘴阀108设置用于防止燃料流动穿过流体传送系统40远离燃料室60和聚合物电解质膜53的燃料侧。单向鸭嘴阀108可与可拆卸的燃料卡盒的容器92上的一个突起115接合，使得当燃料卡盒39从燃料电池组件31上移开时，阀108关闭，而当燃料卡盒插入燃料电池组件中时，阀108打开。应该理解的是，根据本发明还可以使用其它单向阀，包括但不限于，Schrader型阀、针形阀和球阀。当燃料卡盒39插入燃料电池组件31中时，单向阀108保持开启，允许燃料从卡盒向燃料室60流动，由此在燃料室内发生传质。通过在燃料囊86上保持正压力有利于燃料从燃料卡盒39向燃料室60流动。
歧管档块109使单向鸭嘴阀108和歧管110流体互连。优选的歧管档块109包括一个用于接合单向鸭嘴阀108的另一端的倒钩。歧管110与多个位于并贯穿阳极板37的底壁120的燃料入口119流体连通，如图6所示。虽然所示的燃料入口119贯穿阳极板37的底壁120，但是应该理解的是燃料入口可以设置在阳极板上的其它位置。
图1和图2中所示的电压和电流调节器41包括电路和蓄电池，用于监控和/或调节电压和/或提供给便携式电子装置33的功率。调节器41在2001年6月1日提交的题为INTERFACE，CONTROL，ANDREGULATOR CIRCUIT FOR FUEL CELL POWEREDELECTRONIC DEVICES(用于由燃料电池供电的电子装置的端口、控制装置和调节器电路)的共同待审的美国临时申请No.60/295,475中有所描述。
在操作和使用中，使用者将把可拆卸的燃料卡盒39插入燃料电池组件31中，使得针状体87穿透隔片94，由此使燃料从燃料囊86流向膜电极组件33的聚合物电解质膜53。一旦燃料卡盒39中的燃料基本耗尽，使用者向下滑动释放插销98，使燃料卡盒脱离燃料电池组件31。然后使用者用一个新的也就是充满燃料的燃料卡盒，置换耗尽的燃料卡盒，将新的卡盒以与上述相同的方式插入。
在图8所示的本发明的另一个实施例中，燃料电池组件31a与上述的燃料电池组件31相似，但是包括多处下面所述的改进。在燃料电池组件31a和燃料电池组件31中使用相似的附图标记表示相似的部件。
如图8所示，燃料电池组件31a一般包括膜电极组件33a，阳极板37a，阴极板38a，可拆卸的燃料卡盒39a，燃料传送系统40a和电压调节器41a。燃料电池组件31a使用贯穿阴极板38a、阴极48a、膜电极组件33a、阳极49a、和阳极板37a，并与螺母51a相配合的螺纹紧固件42a以结合图2所示实施例以上讨论的相同的方式进行组装。
电极与聚合物电解质膜53a直接或间接地电接触，并能够构成一个电路，其包括聚合物电解质膜53a和以上述相同的方式被提供电流的便携式电子装置的负载。膜电极组件33a通常用于将燃料电池组件31a分隔成阳极室和阴极室。
在该实施例中，阴极板38a由阳极化铝构成。然而应该理解，根据本发明还可以使用其它材料。例如，阴极板可以由聚碳酸酯或其它适当的材料构成。由于铝为电导体，阴极板38a被阳极化以提供一个电绝缘层。应该理解，也可以使用其它形式的绝缘来代替阳极化阴极板或者作为除阳极化阴极板之外的绝缘形式。
优选的，还可在阴极板38a和阴极电极48a之间设置一个绝缘层122，以便进一步防止铝阴极板使燃料电池组件内的单电池短路从而使性能明显降低。例如，如果阴极板的阳极化被刮擦，绝缘层将会防止阴极板使一个或多个电池单元发生短路。在所示的实施例中，绝缘层122由乙烯树脂构成，然而应该理解，根据本发明还可以使用其它的电绝缘材料。
参照图8，阳极板37a包括构成了与聚合物电解质膜53a的燃料侧流体连接的燃料室的内部凹处。阳极板37a包括贯穿燃料室朝向阳极49a的多个柱61a，与上述的阳极板37的方式相同，用以偏压阳极49与聚合物电解质膜53a电接触。
阴极板38a连同封壳或外壳66a限定出一个容纳膜电极组件33a、阳极板37a和可拆卸的燃料卡盒39a的凹处。封壳66a还包括用于选择性接合移动电话或者其它便携式电子装置的接合结构。优选地，封壳由经过阳极化处理的铝或其它与阴极板类似的合适的材料构成。所示的封壳包括沿着该封壳66a每个侧壁延伸的接合轨道71a，用于可滑动地接合便携式电子装置。
如图9(b)所示，阴极板38a具有凸起形状，多个横向延伸的空气沟槽76a设置在阴极板38a的外凸起表面77a内。如果燃料电池组件31a与移动电话结合使用，在使用中，外表面77a通常与移动电话使用者的手相接触。空气沟槽76a形成在多个宽的或高的横向延伸的腹板124之间。入口82a位于一个或多个沟槽76a内，用于向阴极室提供氧气。高的腹板124与多个窄的或短的纵向延伸的腹板125交叉，由此构成氧气入口82a。入口82a延伸至聚合物电解质膜53a的氧侧。这样的结构通过使用者的手掌使气体穿过排出口和入口的阻抗最小化。
阴极板38a的弯曲构造进一步允许当阴极板38a和任何连接到其上的便携式电子装置例如移动电话，甚至当该组件被放置在平表面上例如桌子或椅子上时从侧部排气。在图9(b)所示的实施例中，阴极板38a具有凸起的外形轮廓，然而，应该理解，根据本发明还可以使用凸起的外形轮廓或其它弯曲外形轮廓。
如图10所示，可拆卸的燃料卡盒39a通常包括一个可膨胀的燃料囊86a，一对可膨胀的压力构件87a和一个可密封的出口88a。可拆卸的燃料卡盒39a包括一个由经过阳极化处理的铝或包括但不限于，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚碳酸酯、聚氨脂或冲压金属片的其它合适的材料构成的刚性容器92a。容器92a中装入可膨胀的燃料囊86a和可膨胀的压力构件87a。
可膨胀的燃料囊86a接收和储存用于提供给膜电极组件33a的液体燃料。可膨胀的燃料囊86a为基本不透过甲醇的塑性材料，并通过真空成型与容器92a的内部形状相符合。燃料囊86a的真空成型的构造明显地增加了容器92a内存储的流体。可密封的出口88a与燃料囊86a流体连通。
可膨胀的压力构件87a接触燃料囊86a，使得在燃料囊上及其内部保持正压力。在所示的实施例中，每个可膨胀的压力构件87a为具有良好的容积效率的顺性泡沫构件，包括但不限于，用在声屏障和由E-A-R Specialty Composites of Indianapolis，Indiana出售的型号。受压缩的泡沫构件是弹性的，并作为向燃料囊86a施加偏压的弹簧构件由此在囊上保持正压力。优选的该压力构件由板材切割成卡盒39a的内部形状。应该理解，根据本发明还可以使用其它的压力构件和装置以在燃料囊内提供正压力。
在图8所示的实施例中，可置换的燃料卡盒39a包括与装置端口127相配合的卡盒端口或出口88a，从而构成一个双向关闭阀128，如图12(a)和12(b)所示。双向阀128为弹簧加载的装置，其中出口88a包括一个将阀构件130向一个被密封的位置偏压的弹簧129，以使在卡盒从燃料电池组件31a移开时卡盒39a被流体密封，而在卡盒插入到燃料电池组件中时开启。类似的，阀128的装置端口127包括一个对阀构件135向密封位置施加偏压的弹簧134，以使燃料电池组件31a的燃料传送系统40a在卡盒39a从燃料电池组件31a上移开时被密封，而在卡盒插入到燃料电池组件中后开启。应该理解的是，端口88a同样适用于上述以及下面提到的可置换燃料卡盒，以及根据本发明的其它燃料卡盒构造。还应该理解的是，根据本发明还可以使用其它类型的流体连接器。
当卡盒39a被插入到燃料电池组件31a中且出口88a与装置端口127接合时，燃料囊86a经燃料传送系统40a以与上述关于燃料传送系统40相类似的方式与阳极板37a的燃料室流体连接。保持在燃料囊86a上的正压有利于燃料从燃料卡盒39a向燃料室阳极板37a的流动。在操作和使用中，燃料电池组件31a的使用方式与上述的燃料电池组件31相同。
在本发明的另一个实施例中，如图11所示，一个弹簧加载的可置换的卡盒39b包括一个用以在燃料囊86b中保持正压力的其它可选结构。特别是，卡盒39b包括一对压缩板138、139，所述压缩板相互施加偏压并通过一对片簧140、141向燃料囊86b施加偏压。可以理解的是，其它机械压力构件也可以用于在根据本发明的燃料囊上及其内部提供正压力。
在本发明的另一个实施例中，如图13所示，一个可拆卸的燃料卡盒39c与上述的可拆卸的燃料卡盒39a相似，但是包括多处下述的改进。可拆卸的燃料卡盒39c和上述可拆卸的燃料卡盒39、39a、39b中相似的部件用相似的附图标记进行描述。
如图13所示，可拆卸的燃料卡盒39c一般包括可以膨胀的燃料囊86c，一对可膨胀的压力构件87c和可密封的出口88c。可拆卸的燃料卡盒39c包括一个由聚碳酸酯或其它合适材料构成的刚性容器92c。容器92c包括两个容器组成部分95c和96c，其永久粘接或者组装在一起以使容器永久地容纳可膨胀的燃料囊86c和可膨胀的压力构件87c。容器组成部分95c和96c的永久固定的结构促进了燃料卡盒39c的整体安全性，以及燃料电池组件和使用该组件的便携式电子装置的安全性，这是因为这一结构可以防止无意的或有意的损害和/或误用燃料囊和其中包含的燃料。
在如图14所示的本发明的另一个实施例中，可拆卸的燃料卡盒39d与上述的可拆卸的燃料卡盒39a和39c相似，但是包括多处下述的改进。使用相似的附图标记表示可拆卸的燃料卡盒39d和上述可拆卸的燃料卡盒39、39a、39b和39c中相似的部件。
如图14所示，可拆卸的燃料卡盒39d一般包括可膨胀的燃料囊86d，一对可膨胀的压力构件87d和可密封的出口88d。可拆卸的燃料卡盒39d包括一个由经过阳极化处理的铝，或其它合适材料包括但不限于聚碳酸酯或者冲压的金属片构成的刚性容器92d。容器92d包括两个容器组成部分95d和96d，其通过铆钉144或其它合适的永久紧固件永久地固定在一起以使容器永久地容纳可膨胀的燃料囊86d和可膨胀的压力构件87d。容器组成部分95d和96d的永久固定的结构促进了燃料卡盒39d的整体安全性，以及燃料电池组件和使用该组件的便携式电子装置的安全性，这是因为这一结构可以防止无意的或有意的损害燃料囊和其中包含的燃料。
在如图15所示的本发明的另一个实施例中，可拆卸的燃料卡盒39e与上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是包括两个弹簧板138e和139e代替泡沫压力构件。使用和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的附图标记表示可拆卸的燃料卡盒39e中相似的部件。
如图15所示，可拆卸的燃料卡盒39e一般包括可膨胀的燃料囊86e，一对弹簧板138e和139e，以及一个可密封的出口88e。在这个实施例中，片簧构件140e与弹簧板138e和139e为一个整体。优选地，弹簧板由钢构成，但是应该理解地是，弹簧板可以由具有内在记忆性的其它合适材料构成。在所示的实施例，每个弹簧板设有4个片簧构件，由此提供能够向燃料囊施加更高传输压力的结构。此外，多个片簧结构可以提供燃料从燃料囊分配的更均匀的压力。应该可以理解的是，根据本发明也可以使用一个、两个、三个、四个或更多片簧。
可拆卸的燃料卡盒39e包括由聚碳酸酯和/或其它合适材料构成的刚性容器92e。容器92e包括两个容器组成部分95e和96e，其通过永久粘接、焊接和/或其它合适的手段永久相互固定，以使容器永久容纳可膨胀的燃料囊86e和可膨胀的压力构件87e。
容器组成部分的永久固定结构促进了燃料卡盒的整体安全性，以及燃料电池组件和使用该组件的便携式电子装置的安全性，因为这一结构可以防止燃料囊和其中包含的燃料无意的或有意的受到损害。由此，容器组成部分的永久密封结构还防止由于接触和误用其中容纳的燃料而导致的燃料卡盒的误用。
在如图16所示的本发明的另一个实施例中，可拆卸的燃料卡盒39f与上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是在燃料卡盒内包括一个空气过滤器和/或离子交换柱(IEC)。使用相似的附图标记表示可拆卸的燃料卡盒39f和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的部件。
虽然在图16中并未示出，但是可拆卸的燃料卡盒39f一般包括与上述类似的一个可膨胀的燃料囊，一个压力构件和一个出口。在该实施例中，可拆卸的燃料卡盒39f包括一个由聚碳酸酯和/或其它合适的材料构成的刚性容器92f。容器92f包括两个容器组成部分95f和96f，其以与上述相同的方式限定出一个用于接收和容纳可膨胀的囊和压力构件的主室145。容器组成部分95f和96f还限定出一个辅助室146，其尺寸和构造用于容纳附加部件，例如但不限于，空气过滤器、燃料过滤器、离子交换柱、风扇、泵、泵控制芯片、计量阀、计量泵、膜、吸水剂、二氧化碳吸收剂和/或甲醇吸收剂，其由附图标记148表示。例如，可设置一个空气过滤器用于净化空气气流，而可设置一个IEC用于净化供给燃料电池的甲醇。诸如过滤器、风扇、泵、离子交换柱等的这样的附加部件可以是耐用品，其时常需要进行更换。通过在燃料卡盒中结合使用这样的附加部件，耐用的附加部件每次自动地更换，在便携式电子装置例如蜂窝电话中安装一个新的燃料卡盒。
容器组成部分95f和96f通过永久粘结剂、焊接和/或其它合适的手段彼此永久地固定在一起，以使容器永久地容纳可膨胀的燃料囊86f和可膨胀的压力构件87f，以及附加部件148。
在图17所示的本发明的另一个实施例中，可拆卸的燃料卡盒39g与上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是在燃料卡盒内包括一个泵149和/或泵控制芯片150。使用相似的附图标记表示可拆卸的燃料卡盒39g和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的部件。
虽然在图17中未示出，但是可拆卸的燃料卡盒39g一般包括一个可膨胀的燃料囊和一个出口，与上述类似。在该实施例中，可拆卸的燃料卡盒39g包括一个由聚碳酸酯和/或其它合适的材料构成的刚性容器92g。容器92g包括两个容器组成部分95g和96g，并以与上述相同的方式容纳可膨胀的囊。
泵149可以与出口88g成为一体或不成为一体。泵149还可被构造以用来补充由可膨胀压力构件和/或弹簧板施加在囊上的作用力。另一种可选方式是，泵149可用于代替可膨胀压力构件和/或弹簧板。例如，一个正排量泵可用于以受控的方式将囊内的燃料传送至燃料电池。根据本发明可以使用各种泵，包括但不限于由新泽西州的StarMicronics America of Edison生产的压电-陶瓷微型泵。
泵149是设计成使大小和尺寸最小化的类型。紧凑的设计经常要牺牲这样的泵的可靠性和使用寿命。由于这样的泵的使用寿命一般为一百或两百小时，因此该泵会被认为是耐用品。泵控制芯片150可被构造以存储与泵的使用有关的数据，由此该芯片可用于确定消耗的燃料量和/或燃料囊内残存的燃料量(例如燃料表)。泵控制芯片150的尺寸和形状可以最小化，而以该控制芯片的寿命和可靠性为代价，由此，也可以认为是与上述附加部件方式相同的耐用品。通过在燃料卡盒中结合这样的耐用品，这些耐用品被自动地更换，与上述的附加部件148方式相同，每次都安装一个新的燃料卡盒。
容器组成部分95g和96g通过永久粘结剂、焊接和/或其它合适的手段彼此永久地固定在一起，以使容器永久地容纳可膨胀的燃料囊86g和可膨胀的压力构件87g，以及泵149和/或泵控制芯片150。
在如图18所示的本发明的另一个实施例中，可拆卸的燃料卡盒39h与上述的可拆卸的燃料卡盒相似，但是在燃料卡盒内包括一个空气过滤器和/或离子交换柱(IEC)以及一个风扇。使用相似的附图标记表示可拆卸的燃料卡盒39h和上述可拆卸的燃料卡盒中相似的部件。
虽然在图18中并未示出，可拆卸的燃料卡盒39h一般包括与上述类似的一个可膨胀的燃料囊，一个压力构件和一个出口。在该实施例中，可拆卸的燃料卡盒39h包括一个由聚碳酸酯和/或其它合适的材料构成的刚性容器92h。容器92h包括两个容器组成部分95h和96h，其包括一个用于以与上述相同的方式接收和容纳可膨胀的囊和压力构件的主室145h。容器组成部分95h和96h还限定出一个辅助室146g，其尺寸和构造用于容纳附加部件148g和/或风扇153或其它合适的鼓风装置。风扇153是设计成使大小和尺寸最小化的类型。紧凑的设计经常要牺牲这样的泵的可靠性和使用寿命，这样的泵还会被认为是耐用品。通过在燃料卡盒中结合这样的耐用品，例如过滤器和/或风扇，这些耐用品被自动地更换，每次都安装一个新的燃料卡盒。
容器组成部分95h和96h通过永久粘结剂、焊接和/或其它合适的手段彼此永久地固定在一起，以使容器永久地容纳可膨胀的燃料囊86h和可膨胀的压力构件87h，以及附加部件148h和风扇153。
本发明的燃料电池组件可被构造以用于从阴极排气流中回收水，回收的水可用于补充到聚合物电解质膜53的阳极侧。在一个实施例中，燃料电池组件或可拆卸的燃料卡盒包括一个水回收系统155或一个这样的系统的一部分，例如图19所示，其包括流体地串连连接的双路热交换器156和一个冷凝器/散热器热交换器157，使得阴极排气供应到回收回路，排出的水的一部分返回以补充阳极。在该实施例中，冷凝器/散热器热交换器157包括背靠背设置的一个冷凝器和一个散热器，以使得允许排出的水与冷却空气交叉流动。在所示的实施例中，40℃的空气在其流经热交换器时可用于冷却排出的水20℃，然而，应该理解，冷却的实际温度和量取决于具体的燃料电池组件。如图19所示，从冷凝器/散热器热交换器157排出的较低温度的水的一部分流经双路热交换器156，由此在回收的水到达膜电极组件33的阳极侧之前调节回收的水的温度。应该理解，系统155的结构可以根据各种因素包括排出的水的温度和回收水的所需温度而进行改变。
在一个实施例中，本发明的燃料电池组件31i为了将在阴极和/或阳极排气气流中的气体和液体分开，可以使用一个液体/气体分离器158，如图20所示。例如，可以使用旋风分离器、离心分离器、和/或其它合适装置从气体中分离出甲醇、水和/或其它液体。
同时在图20中示出，燃料电池组件31i可包括一个位于阴极排气160和阳极回路161之间的隔离膜159，以保持阳极液体与阴极排气分离，将热量从阴极废气传输到阳极液体，和/或由于在膜的每侧浓度的不同而将水从阴极废气传输到阳极回路。应该理解，隔离膜可包括渗透膜和/或其它合适的装置。
在一个实施例中，本发明的燃料电池组件可利用从阴极回收的水与阳极回路之间的压差。阴极供水和阳极回路之间的正压差可以通过泵149来产生，阳极回路的水注入点162可位于阳极泵的入口，其为阳极回路中最低压力点。在阳极回路中的抽取器163可用于产生局部压力点以加速流体从甲醇源和/或水源向较低的压力处流动。还可以向阳极回路施加负压以控制流体更换的速率。负压还可以提供用于从容纳在如图7所示的带出口的卡盒中的囊中注入甲醇的驱动力。
应该理解的是，根据本发明可使用各种与甲醇-水混合相关的方法，包括但不限于在燃料电池中使用参比单元164(见图20)以控制阳极回路中的甲醇浓度；使用比例注入，无论被动的或主动的由微处理器控制系统控制(例如泵控制芯片150，图17)；使用喷射器，每个喷射器的大小设置为可保持水和甲醇的固定流速(例如喷射器163)；以及使用查找表165，其中测量多个参数并且性能的降低假定是由于阳极流体中甲醇浓度的降低。
应该理解的是，根据本发明可使用用于除去水的各种方法。比如，可使用蒸发方法，其中由于从燃料电池系统的热传递，废水被蒸发到具有比环境空气更高的温度的空气中。在该实施例中，阴极产物水将被滴到、喷到或通过毛细作用传到具有高渗透性基体的大表面面积上。另一种可选方式是，可使用冷凝方法。产物水可被冷凝，由此产生的阴极废气在降低的温度下被水饱和，然后或者再加热并释放到周围大气中或排放到冷却的空气流中。另一种可选方式是，使水留在用过的燃料卡盒中。这将利用当燃料被用尽时产生的燃料卡盒的空体积。在这一方法中，第一柔性囊86j将容纳甲醇，而第二柔性囊或燃料卡盒39j中的附加部件166将接收过多的阴极水，如图21示意性所示。这样的燃料卡盒将优选被排放到大气中(例如，经由开口167)。
除了上述的内容，在阴极产生的产物水或废水能够通过聚合物电解质膜(例如PEM 53j，图20)扩散回来以补充在阳极处消耗的水。这将需要控制温度以及控制聚合物电解质膜的渗透性和厚度。
在图20所示的实施例中还示出了一个可选的燃料传感器。燃料电池组件31i可以设置一个燃料传感器168来监控阳极燃料回路中燃料的浓度。在一个实施例中，燃料传感器168为甲醇传感器，其包括一个可部分渗透甲醇的传感器膜169，且其被定位与阳极燃料回路相接触。甲醇穿过传感器膜169到达一个附接有热电偶171的催化剂层170。应该理解的是，也可以使用其它装置来确定温度，包括但不限于，红外检测仪、热敏电阻器和其它合适的装置。热电偶171处的温度被测量并与一个参考温度进行比较。温度的改变取决于由甲醇在催化剂层170处反应所产生的热量，其与阳极燃料回路中甲醇的浓度成比例。
传感器膜169优选包括少量的合适的催化剂与甲醇渗透膜相接触。例如，PtRu黑和/或其它合适的催化剂可以沉积到NAFION或其它合适的膜上。该燃料传感器被构造使得空气可以被容易地供给到催化剂层170并允许二氧化碳和水从传感器催化剂层170排出。当传感器膜的前表面与甲醇溶液接触时，在这种情况下，燃料、与燃料溶液的甲醇浓度成比例的大量甲醇，透过传感器膜并在空气存在下与催化剂按照如下反应式进行反应反应式(1)甲醇/催化剂反应产生热量，其在与催化剂层171紧密接触的热电耦171处被测量出温度上升。在一个实施例中，传感器膜响应0.5到3克分子的甲醇浓度，在两分钟内达到稳定的温度差读数。
应该理解，传感器催化剂可被设置成各种结构。例如，传感器催化剂可以涂覆在渗透性传感器膜的后侧，以少量自由浮动的粉末形式存在，和/或涂覆在隔离基体上并置于传感器膜的后面。向催化剂传送甲醇的方法可以是传送蒸气、液体甲醇或甲醇溶液的任何方法，只要传送的量与阳极燃料回路中的浓度成比例。例如，燃料的一小部分可以被毛细吸收或泵送到传感器区域。该燃料传感器可以设置在贮存器的壁上或作为附加在燃料流动回路的侧臂附件。
在一个实施例中，燃料传感器被构造用于测量参考温度和测量传感器温度与参考温度之间的温度差，以满足燃料电池通常不能在单一绝对温度下运行的要求。例如，该参考温度可以是膜附近的燃料温度。
由于甲醇穿过离子传导膜的渗透速率也公知取决于温度，因此燃料电池理想的是在恒定的参考温度下运行，或较理想的使其响应在期望的运行温度范围内进行校准。
与甲醇溶液紧邻的燃料传感器的运行，与位于贮存器顶端空间相比，可有利于膜的完全水化的条件。这样的完全水化的条件是所需的，因为给定膜的甲醇渗透性通常对膜的水化程度敏感。
应该理解，本发明的燃料传感器不限于甲醇燃料，也不限于燃料电池。例如，任何能够渗透穿过膜、并容易在催化剂表面氧化放出热量的化学品的浓度也都可以上述的方式进行测量。
在一个实施例中，燃料电池组件被构造用于间接地确定燃料电池卡盒内的初始燃料浓度。美国运输部已经颁布了一个法规，其中包含低于初始24％甲醇浓度的燃料容器可以用于航空运输，例如，在商用飞机上用于为电子装置提供电源。在其它应用中，可使用包含高于初始甲醇浓度的卡盒。
为了间接的识别燃料的浓度，可拆卸的燃料卡盒39被构造使得燃料卡盒中的甲醇燃料的浓度可以由燃料电池组件33自动识别。在该实施例中，合适的识别装置172用于识别燃料卡盒，该装置可容易地由燃料电池组件读出。这样的识别装置可以结合到或不结合到主功率消耗设备例如便携式电子装置32上。
在图21所示的一个实施例中，可拆卸的燃料卡盒39包括与识别35mm薄膜卡盒ASA等级类似的标记相似的光学标记172，由此当燃料卡盒载入便携式电子装置或燃料电池组件中时，允许燃料电池组件通过读取这样的光学标记确定在可拆卸的燃料卡盒39中的燃料浓度。在另一个实施例中，在燃料卡盒外壳上设置可机械地(例如，使用机械开关)、电子地(例如，通过霍耳效应，一个集成电路芯片，或其它电子装置)、和/或通过其它合适的手段读取的特征。
本发明的燃料识别结构可被构造以使燃料电池组件能够确定燃料容器中的甲醇浓度，由此可确定各种操作参数包括量油比、运行时间、燃料容器的尺寸和浓度。燃料卡盒的识别信息还可包括其它信息包括制造批量、生产日期、有效期、制造商和/或其它所需信息。
有利地，本发明的识别系统将允许便携式电子装置的使用者携带含有初始24％甲醇浓度的燃料卡盒用于进行航空旅行和用于在航线中的使用，以及还可以让使用者在其它时间使用包含更高浓度甲醇燃料的燃料卡盒。使用高浓度甲醇燃料卡盒的能力增加了由直接甲醇发电供电的使用燃料卡盒的装置的运行时间。携带多个使用于空中旅行认证的卡盒(即低于24％浓度)的能力允许使用者通过使用多个卡盒延长操作便携式电子装置的时间。
本发明的识别结构允许可用于各种燃料电池应用包括但不限于利用直接甲醇发电的便携式电子装置的可置换燃料卡盒的标准化。一般地，已公知的燃料电池组件限于适于传统聚合物电解质膜例如DuPont生产的NAFION膜的甲醇浓度。在高浓度下，聚合物电解质膜和相应的燃料电池将会遭受腐蚀效应，其会降低燃料电池发电装置的性能和/或耐受性。已公知的燃料电池组件没有用于监控燃料电池发电装置中甲醇浓度的适当的传感器技术。由此，本发明结构的识别使得燃料电池组件能够监控输入浓度，也就是说，可置换的燃料卡盒的初始燃料浓度。燃料电池组件的一个控制器(例如控制器173，图20)可以作出适当的调节来控制燃料电池组件的操作参数以便保持在燃料电池组件中的适当的甲醇浓度，由此减轻或消除不适当燃料浓度带来的负面影响。
本发明结构的识别还允许燃料电池聚合物电解质膜的技术进步，而没有改变燃料卡盒的设计。这种膜技术不断进步，这样的进步允许在燃料电池自身中使用更高的浓度。由于这样的进步的产生，随着这样的进步被带入消费品中，优选以后继续使用现有的燃料卡盒。燃料电池发电装置可以确定燃料浓度的能力允许以后继续使用本发明的可更换的燃料卡盒。
根据本发明，从燃料贮存器到燃料电池组件的燃料供应可以通过多种方式实现。在一个实施例中，比如使用如图7所示的可膨胀的压力构件87或者其它合适的装置可以加压燃料囊，且计量阀174被用于向燃料电池组件提供所需量的燃料。应该理解的是也可以使用计量泵取代或者与该计量阀一起使用。另一种可选方式是，无压力囊可与正排量泵如图17所示的泵149结合使用。
在一个实施例中，燃料电池组件被构造成可以适应关闭时的耐冻性。在关闭时，燃料电池组件的一些部分可能经受了温度的显著降低，接近水的凝固点。如果燃料电池组件包括水源(即图20中的水源175)，燃料电池组件可被构造通过增加燃料回路中的甲醇浓度超过预定的水平用以防止在燃料回路中燃料/水混合物发生相变，从而防止水在燃料回路中冻结。例如，控制器可以致动计量阀、泵或其它合适的装置来增加燃料回路中的甲醇浓度超过大约8克分子以防止产生这样的相变。另一种可选方式是，可以使所述泵从燃料回路中基本除去液体水和/或其它流体。
在一个实施例中，燃料电池组件可被构造用于使燃料回路循环通过一个纯甲醇的贮存器，如图22所示。阳极回路161与包含甲醇优选为100％甲醇的燃料贮存器176流体连通。甲醇扩散膜177位于甲醇燃料贮存器176的入口和出口之间，其中每个端口包含一个关闭阀。该扩散膜被构造以允许甲醇进入阳极回路，但是防止水扩散进入燃料贮存器。当甲醇容器在阳极回路之外的时候还设置一个允许阳极流体流动的旁路回路178。在关闭期间，向甲醇容器的入口和出口开启以允许甲醇扩散进入阳极回路达到合适的水平以防止发生冻结。
在一个实施例中，燃料电池组件设有一个温度传感器(例如见图20中的热电偶171)并且该燃料电池组件被构造以防止燃料电池组件在低于一定温度时启动。例如，若温度低于32°F，燃料电池组件被构造以防止启动，以便防止水在组件内冻结的情况下组件受到损害。优选的，该燃料回路阀物理上邻近于到达膜电极组件33i的入口和出口(参见如图20中所示的优选位置179)从而防止过多燃料流体扩散穿过组件(如，聚合物电解质膜53i)。
在图20所示的一个实施例中，燃料电池卡盒分别包含燃料和液体水储存介质176和175。在该实施例中，包含水的阴极废气被处理使水蒸气液化。在这点上，设置了冷凝器180使水蒸气液化。然后未被液化的水蒸气经过燃料卡盒的一部分进行吸收或储存以在补充进入阳极回路中。
根据本发明可以利用由燃料电池组件产生的废二氧化碳。例如，过量的二氧化碳可以供给到燃料卡盒39k容器，其具有一个部分由活动活塞壁181限定出的第二室146k并具有一个用于使压力保持在大约1-2psi的释放阀182，以促进燃料从柔性燃料囊流出，如图23所示。特别是，第二室内的压力将会保持处于相对低的压力，该压力将会使活塞壁181向燃料囊86k施加轻微的偏压。由此，可利用废二氧化碳在燃料卡盒89k内燃料囊86k上提供一个正压力。应该理解，一个附加囊可以代替活塞结构以提供一个由可向燃料囊提供正压力的过量的二氧化碳供料的可膨胀室。另一种可选方式是，可以利用废的二氧化碳驱动一个循环泵以产生功率来提高燃料电池效率和/或替代地使用其它膨胀装置例如往复式螺线管或燃料泵的阀。
二氧化碳废气的其它用途包括将其排到阴极以氧化包含在CO2废气中的甲醇蒸气并将CO2排到阴极室以除去氧并防止在关机后阴极室中的甲醇燃烧。
在图24所示的另一个卡盒的实施例中，两个端口使阳极回路161l的全部或部分经过包含在可置换卡盒184中的燃料过滤器183。应该理解，这样的过滤器可能具有有限的使用寿命并可能需要进行周期性的更换。有利的是，在一个可置换燃料卡盒中设置过滤器使燃料过滤器可以随着每次可置换燃料卡盒的更换而自动的更换。在一个实施例中，燃料过滤器为有机过滤器，然而，应该理解的是，也可以使用任何其它适合的过滤器装置。可选择的，可置换卡盒184的第三端口与燃料卡盒内的甲醇流体连通以经卡盒内的计量阀174l向阳极回路提供甲醇。该计量阀可由燃料电池组件本体内的系统致动器185或者由位于可置换燃料卡盒内的致动器(未示出)控制。
在图25所示的其它可选实施例中，仅有两个端口包含在燃料电池卡盒内。一个端口与燃料电池回路连通以使得该回路流动到燃料卡盒内，而另一个端口提供与燃料回路的连通以使燃料流返回。燃料卡盒中的燃料与卡盒内的燃料电池回路的内部流体连通。燃料向燃料电池回路的流动受到卡盒内计量阀174的控制，该计量阀由位于燃料电池本体内并可操作地连接到控制器(例如控制器173)上的系统致动器185控制。
在本发明的其它实施例中，具有燃料室187的注射器组件186可与可置换燃料卡盒相结合或代替可置换燃料卡盒进行设置。该注射器组件可具有各种结构，包括但不限于，可再装的注射器188、可置换的注射器189、内部注射器190和可置换的卡盒191，分别如图26(a)-图26(d)所示。在前三个种类中，燃料贮存器永久地置于便携式电子装置中。各种形式的注射器组件被用于从再装容器向位于电子装置和/或可置换燃料卡盒上的贮存器传输燃料，另一种可选方式是，注射器可以位于电子装置内。
在图27所示的一个实施例中，可再装的注射器188包括与注射器泵149r流体连接且选择地与再装卡盒193联结的注射阀192。该再装卡盒可以为塑性容器的形式，然而，应该理解的是，也可以使用其它合适的容器和/或材料。当再装卡盒被插入可再装的注射器188中时，再装阀194开启，由此允许燃料电池的燃料通过可再装的注射器188从再装卡盒193中抽出。可由一个位于注射器外表面上的注射器控制开关195起动的注射泵被用于从再装卡盒中抽出流体，并传输到便携式电子装置。在一个实施例中，注射泵由一个注射器电池196供电，并由一个注射泵控制板197的控制。该控制板可被构造用以检测什么时候便携式电子装置的燃料水平是满的，由此使泵停止工作以防止对便携式电子装置过量充注燃料。该控制板可以通过在泵上监控反向驱动、通过使用设置在可再装注射器上的压力传感器、通过设置在便携式电子装置上的压力传感器、和/或其它合适的手段监控燃料水平。
在图28所示的另一个实施例中，可再装的注射器188s是一个弹簧加载的注射器组件，其包括一个由卡盒阀194s和注射器活塞198密封的再装卡盒193s。该再装卡盒可以适当的方式与可再装的注射器接合。例如，再装品可以插入可再装的注射器中并扭转以将再装卡盒锁到可再装的注射器内。当可再装注射器188s附接到便携式电子装置上时，卡盒阀自动打开，燃料可从再装卡盒193s传输到燃料电池组件。注射器弹簧199可用于朝着再装阀偏压活塞，由此在燃料上提供从再装卡盒/可再装注射器组件上排空燃料的正压力。在图29所示的另一个实施例中，可置换注射器189还包括一个注射器弹簧199t和一个活塞198t，但是不包括分立的可置换再装卡盒，由此提供一种更简单但是可置换的结构。
有利的是，弹簧加载的注射器便宜而且易于制造。再装卡盒可以与已公知的胰岛素再装卡盒类似的方式大规模生产。而且，这样的弹簧加载的注射器的操作简便，并允许在插入便携式电子装置时燃料自动分配。
在图30所示的另一个实施例中，可再装注射器188u包括一个也由注射阀192u和注射器活塞198u密封的可置换再装卡盒193u。在该实施例中，再装卡盒与注射器组件螺纹接合，然而，应该理解的是，也可以使用其它接合方式，包括但不限于，上述的扭转-锁紧结构。在该实施例中，当可再装的注射器附接到便携式电子装置上时，注射器阀自动打开，燃料可从再装品传输到便携式电子装置。可以起动一个注射器马达200和一个注射器驱动装置201朝向注射器阀偏压活塞，由此排空可置换再装卡盒193u中的内容物使其进入便携式电子装置的燃料电池组件中。在所示的实施例中，注射器装置为导向螺杆组件，然而，应该理解的是，也可以使用其它合适的装置。通过监控注射器马达的反向驱动，可再装注射器可以检测在什么时候燃料电池组件是满的，并停止再装过程。另一种可选方式是，可以与上述类似的方式使用压力传感器来检测在什么时候燃料电池组件是满的并停止再装过程。
在图31所示的另一个实施例中，可再装注射器188v包括一个与上述类似的可置换的再装卡盒，但是包括一个手动致动的注射器驱动组件。具体而言，注射器驱动组件201v由手动操作的旋纽起动以使得导向螺杆201v向上移动注射器卡盒203，由此朝向注射器阀192v偏压注射器活塞198v，排空再装卡盒中的内容物进入便携式电子装置。可设置一个注射器滑动离合器204，在电子装置充满燃料的时候停止活塞的运动。再装卡盒与注射器组件可如上述通过螺纹接合，然而，应该理解的是，也可以使用其它适当的接合方式。还应该理解的是，根据本发明，注射器驱动结构不仅可以在可再装注射器组件中使用也可以与可置换的注射器组件一起使用。
在图32所示的另一个实施例中，注射器组件与上述的类似，但是包括一个手动的泵组件205。例如，一个可再装注射器188w或一个可置换注射器189w可包括一个由注射器阀192w和柔性膜或隔膜片206密封的燃料室187w。在所示的实施例中，手动的泵组件为拇指致动泵，与在REEBOK运动鞋上发现的相类似，其用于在柔性隔膜片上提供正压力，该压力可用于从注射器组件传输燃料进入便携式电子装置。可设置一个压力释放阀207用于防止使用者在注射器组件上和/或便携式电子装置上施加过大压力。压力释放阀和/或注射器组件的其它部件还可被构造用于当充注结束时提供声音指示。应该理解的是，手动泵组件也可以使用在如图33所示的可置换注射器组件189x中。
在另一个实施例中，设有一个内部注射器组件190，其具有上述可再装和可置换注射器组件的全部功能，但是位于便携式电子装置的内部，如图34所示。有利的是，这样的结构可有助于再装卡盒的尺寸、成本和复杂性的降低，也可以防止施加过大压力。在这个实施例中，便携式电子装置32y包括具有一个单向注入阀209以允许进行再装的燃料贮存器208。一旦再装卡盒193与注入阀接合，并与燃料贮存器流体连通，可压下注入杠杆210以使燃料室扩大，由此在其内产生负压，其可以从再装卡盒中抽出燃料。一旦加完燃料，也就是说，一旦燃料室208基本充满时，通过下压杠杆，燃料室弹簧211被压缩以产生能够从燃料贮存器中将燃料泵送至便携式电子装置的燃料电池组件的燃料回路中的正压力。在这点上，应该理解的是，燃料室弹簧的作用方式与上述的可膨胀的压力构件87相同。在另一个实施例中，燃料贮存器208z可包括一个以波纹管212形式存在的囊，其可以进一步增强燃料在燃料贮存器中的保存，如图35所示。应该理解，波纹管可以与圆形柱塞或矩形活塞结合使用。
应该理解，根据本发明也可使用其它合适的囊结构。在图36(a)所示的实施例中，囊212aa可设置于如图36(a)所示的两个侧面压缩板213之间并与之结合使用，其中两个侧面压缩板通过弹簧向彼此施加压力由此以与上述的压缩板138和139相似的方式提供在囊上的正压力。另一种可选方式是，压缩板213bb可设有互连连接杆214，使压缩板通过卷簧向彼此施加压力，如图36(b)所示。进一步的，压缩板213cc可以通过一个铰链枢转连接，其中压缩板通过卷簧向彼此施加压力，如图36(c)所示。
应该理解，根据本发明可使用一个、两个、三个或更多的燃料注射器、再装卡盒和/或燃料贮存器。例如，如图37所示，多个注射器215可用于从注射器组件和/或再装卡盒中以与上述相似的方式抽出流体。可使用多个注射器以达到增加较大的便携式电子装置例如膝上电脑和其它使用燃料电池组件的设备可能需要的体积。
在一个实施例中，如图38所示，可拆卸的燃料卡盒设有主室145ee，其中装入一个以与上述类似的方式与燃料电池组件阳极侧上的入口流体连通的可膨胀的燃料囊86ee。在这个实施例中，一个吸收装置216位于第二室146ee中。在一个实施例中，装置216为一个环形管状构件，其包括一个围绕着多孔材料218且其中充填有干燥剂219的胶乳管217。该多孔材料可包括筛网、渗透膜和或其它合适的装置，其允许要进行吸收的水和/或其它物质有选择的通过。如果水是要吸收的目标物质，干燥剂可包括丙烯酸、角叉菜胶和/或其它适于吸收水的材料。应该理解的是也可使用其它干燥剂来吸收其它目标物质，包括但不限于，二氧化碳和甲烷。也应该理解，可使用不可逆吸收剂或可逆吸收剂作为干燥剂。
在图38所示的实施例中，吸收装置216与燃料电池室的阴极侧上的排放端口流体连接，并被构造以接收从阴极排出的水和空气。在这个实施例中，吸收装置被构造用于俘获或吸收排放气流中的水。当排放的空气被阴极利用时，这样的水吸收结构特别有利于从排放气流中除去水，因为水将从燃料电池流体循环中除去，因此这样的水吸收结构将会增加燃料电池组件的耐冻结性。
在多个方面中，与前述改进相似的附图标记的各种改变中，以及后缀有下标“a”到“ee”的相同的附图标记表示相应的部件。
前述对本发明的具体实施例的说明是出于举例和说明的目的。其并不旨在是穷举的或将发明限制为已公开的具体形式，且明显地，在上述教导之下可能存在多种变型和变化。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，选择和描述了这些实施例，由此使得本领域的其它技术人员能够最好地利用本发明，各种带有各种变型的实施例也适于所期望的特定用途。这里本发明的范围由所附的权利要求及其等效方式所限定。
权利要求
1.一种用于液体燃料电池组件的可拆卸的燃料电池卡盒，包括一个具有至少一个用于向燃料电池组件传送燃料的端口的第一燃料室的容器；和一个用于一个或多个附加部件的第二室，其中所述第二室包括至少两个端口，其中至少一个端口与所述燃料电池组件相连通。
2.根据权利要求1所述的燃料卡盒，其中所述第一室和所述第二室被一个固定不动的分隔器隔开。
3.根据权利要求1所述的燃料卡盒，其中所述附加部件选自包括空气过滤器、燃料过滤器、离子交换柱、风扇、泵、泵控制芯片、计量阀、计量泵、膜、吸水剂、二氧化碳吸收剂和甲醇吸收剂组成的组。
4.根据权利要求1所述的燃料卡盒，其中所述容器具有一个与所述燃料电池组件相接合的近端，和一个与所述近端相对的远端，其中所述第一室和第二室的每一个都位于所述容器的所述近端和远端之间。
5.根据权利要求1所述的燃料卡盒，其中所述容器具有一个与所述燃料电池组件相接合的近端，和一个与所述近端相对的远端，其中所述第一室位于所述近端附近，所述第二室位于所述远端附近。
6.根据权利要求1所述的燃料卡盒，其中所述容器具有一个与所述燃料电池组件相接合的近端，和一个与所述近端相对的远端，其中所述第二室位于所述近端附近，所述第一室位于所述远端附近。
7.根据权利要求6所述的燃料卡盒，其中所述第二室包括通过第一端口与所述第一室流体连通的计量阀或计量泵，其中所述第二室包括一个与所述燃料电池组件的阳极回路流体连通的第二端口。
8.根据权利要求7所述的燃料卡盒，其中所述燃料计量阀或计量泵能够由一个位于所述燃料电池组件内的致动器控制。
9.根据权利要求6所述的燃料卡盒，其中所述第二室包括用于与所述燃料电池组件的阳极回路流体连通的入口和出口，在所述入口和出口之间的流体连接器以及与所述第一室和所述流体连接器流体连通的计量阀或计量泵。
10.根据权利要求9所述的燃料卡盒，其中所述燃料计量阀或计量泵能够由位于所述燃料电池组件内的致动器进行控制。
11.根据权利要求9所述的燃料卡盒，进一步包括一个在所述第二室中与所述第一室或所述流体连接器流体连通的燃料过滤器。
12.根据权利要求9所述的燃料卡盒，进一步包括与所述第一室或所述流体连接器流体连通的离子交换树脂。
13.根据权利要求9所述的燃料卡盒，其中所述第二室包括用于与所述燃料电池组件的阳极回路流体连通的入口和出口，在所述入口和出口之间的流体连接器以及与所述第一室流体连通的计量阀或计量泵和一个用于与所述燃料电池组件的阳极回路流体连通的燃料供给端口。
14.一种用于液体燃料电池组件的可拆卸的燃料电池卡盒，包括一个具有至少一个用于向燃料电池组件传送燃料的端口的第一燃料室的容器；和一个具有至少两个端口的吸收装置，其中至少一个端口与所述燃料电池组件相连通。
15.根据权利要求14所述的燃料电池卡盒，其中所述吸收装置被构造用于从所述燃料电池组件的废气回路中除去水。
16.根据权利要求14所述的燃料电池卡盒，其中所述容器包括一个第二室，且所述吸收装置位于所述第二室中。
17.根据权利要求16所述的燃料电池卡盒，其中所述第一室和所述第二室被一个固定不动的分隔器隔开。
18.根据权利要求14所述的燃料卡盒，进一步包括从包括空气过滤器、燃料过滤器、离子交换柱、风扇、泵、泵控制芯片、计量阀、计量泵、膜、吸水剂、二氧化碳吸收剂和甲醇吸收剂的组中选出的一个或多个附加部件。
19.一种燃料电池组件，包括根据权利要求1或14所述的燃料卡盒。
20.一种电子装置，包括根据权利要求19所述的燃料电池。
21.一种电源，包括根据权利要求19所述的燃料电池。
22.根据权利要求21所述的电源，包括多个燃料卡盒。
全文摘要
一种燃料电池组件，包括膜电极组件、阳极板、阴极板、可拆卸的燃料卡盒，以及燃料传输系统。该组件包括阳极、阴极和具有燃料侧和氧气侧的聚合物电解质膜。燃料卡盒包括用于容纳液体燃料的可膨胀燃料囊、与该囊接触的用以保持该囊上的正压力的可膨胀压力构件，以及与该囊流体连通的可密封出口。燃料传输系统从该卡盒向该膜的燃料侧传输燃料。可拆卸的燃料卡盒包括具有第一容器部分和第二容器部分的刚性燃料容器，所述容器密封着可膨胀的燃料囊和可膨胀的压力构件。第一容器部分和第二容器部分可以通过粘结剂永久地相互结合在一起。
文档编号H01M8/04GK1809941SQ200380109460
公开日2006年7月26日 申请日期2003年12月1日 优先权日2002年12月2日
发明者M·比尔施巴赫 申请人:复合燃料公司