专利名称：燃料电池、电子设备和商业方法
技术领域：
本发明涉及用于便携式电子设备的电源的小型燃料电池，尤其涉及利用液态燃料如甲醇等的燃料电池，电子设备和商业方法。
背景技术：
近来随着电子技术的发展，电子设备如便携式电话、笔记本型个人计算机、音频/视频设备、可移动终端等已经小型化为便携式电子设备，并在迅猛发展。迄今为止，这些设备由二次电池驱动。已经研制开发用于增加能量密度的活性材料和小型化二次电池，因而，研制出了各种电池，例如密封铅蓄电池、Ni/Cd电池、镍/氢电池、锂离子电池。
然而，二次电池需要在功率消耗后的充电操作。因此，需要充电设备和比较长的充电时间，这给长期连续的驱动便携式电子设备的要求造成了许多问题。为了满足用于提高要处理的信息量和高速处理的要求，需要具有更高输出、更高能量密度以及更长连续工作时间的小型发电装置(例如，微型发电装置)。
作为满足上述要求的电源，燃料电池是典型的例子。燃料电池能够通过电化学方式将燃料的化学能直接转化为电能。因此，它们不需要常规的动力驱动发电机例如内燃机；作为小型发电设备它们具有高可行性。此外，由于燃料电池可通过交换燃料或向它们提供燃料而简单地连续工作，因此不需要在对它们进行充电时临时地中止设备，而这在常规二次电池的情况下是经常需要的。
作为用于小型设备的小型长期工作电源，人们越发看好采用液态燃料如甲醇、乙醇、丙醇、二甲醚、乙二醇等的燃料电池。专利文献1公开了根据负载电流随时间的变化来控制液态燃料的供应量的建议。
专利文献1JP特开2003-22830。
图1是根据本发明的燃料电池电源系统图。
图2是用于回收用过的液态燃料并供应新鲜的液态燃料的液态燃料回收-供应装置的透视图。
图3是根据本发明的笔记本型个人计算机的透视图。
图4是本发明另一实施例的笔记本型个人计算机的透视图。
图5是本发明再一实施例的笔记本型个人计算机的透视图。
图6是本发明又一实施例的透视图。
图7是本发明又一实施例的透视图。
图8是根据本发明的套筒的透视图。
图9是本发明另一实施例的套筒的透视图。
图10是安装有本发明另一实施例的燃料电池的笔记本型个人计算机的透视图。
图11是安装有又一实施例的燃料电池的笔记本型个人计算机的透视图。
发明内容
采用使用在专利文献1中公开的液态燃料的燃料电池的个人计算机只要它采用具有预定燃料浓度的液态燃料就可以保证预定输出。然而，在燃料电池工作较长一段时间以后，离子杂质就会聚集在液态燃料中，这造成液态燃料导电性的增加。这种现象引起短路电流从而降低输出；由于绝缘层的击穿燃料电池失去了其作为燃料电池的功能。此外，在液态燃料中的离子杂质造成与电解质膜的离子结合，由此降低电解质膜的质子导电性，或使电极中的催化剂中毒。
为了解决上述问题，在用于液态燃料溶液的循环通道中设置过滤器或离子交换树脂以去除溶液中的杂质，但难以长时间的去除杂质。
本发明的目的是提供一种燃料电池，这种燃料电池能够将液态燃料中的离子杂质浓度控制在低值并能够长时间工作，还提供采用这种电池的电子设备和商业方法。
为了控制在循环通道内的液态燃料中的离子杂质的浓度，把液态燃料从燃料电池中取出，当燃料电池的输出下降时或在补充燃料时，将新的液态燃料供应给燃料电池。
用于取出已经恶化的液态燃料并提供新液态燃料的方式致使在充入燃料后的短时间内恢复发电性能。
具体实施例方式
下面描述用于实施本发明的优选实施例；然而，本发明不限于这些实施例。
在本发明的一个实施例中，燃料电池系统包括循环容器，用于向燃料电池提供具有预定浓度的液态燃料，并用于回收从燃料电池排放的液态燃料并将其存储起来；和用于容纳液态燃料的燃料容器，其中循环容器和燃料容器的至少一个可与燃料电池分离。
用新的循环容器和燃料容器替换原来的循环容器和燃料容器，从而再生性能恶化的燃料电池。此外，还提供一种燃料电池系统，它包括循环容器，用于向燃料电池提供液态燃料，并用于回收从燃料电池中排放的液态燃料并将其存储起来。当液态燃料的离子杂质浓度超过预定值时，或当燃料电池的电输出不能达到预定输出值时，取出在燃料电池中的液态燃料，并将新的液态燃料提供给燃料电池。
如图1所示，燃料电池系统至少包括燃料电池、循环容器和燃料容器，该系统可具有燃料浓度控制装置、产物水容器和浓度传感器。燃料电池包括阳极、电解质膜、阴极和气体扩散层，其中燃料在阳极氧化，氧气在阴极还原，由此产生电能。
在一个实施例中的燃料电池是DMFC(直接甲醇燃料电池)，该电池采用甲醇；液态燃料可以是甲醇、二甲醚、乙二醇等。所提供的液态燃料的浓度没有特别限制。然而，当燃料的浓度达到100％时能量密度增加，如果具有更高浓度的液态燃料的体积相同，燃料电池的工作时间变得更长。
假设燃料电池的电输出是额定输出(以预定浓度的燃料的预定输出)的80％。在上述输出条件下对甲醇水溶液的离子物质的分析表明，Cr离子为0.05-0.1％，Fe离子为0.02-0.06％，Ni离子为0.0003-0.002％，其它离子如Na、Ca。已经发现，当离子物质的总量超过0.1％时，燃料电池的输出变为额定输出的80％或更少。因此，当离子物质的浓度变为0.1％或更多、优选0.05％或更多、更优选0.01％或更多时，取出液态燃料，提供新的液态燃料。
燃料电池的方法采用用于取出用过且已恶化的含离子物质的燃料的更新过程。应在燃料电池的输出下降时或在注入燃料时进行更新过程。特别是，优选通过在取出已用燃料的同时注入新燃料的方式进行更新。判断燃料电池的输出下降的方法没有限制；优选判断当输出电压下降至额定电压的80％或更少时作为输出量减少的时间。在循环容器中要被更新的液态燃料的量是足够的。如果循环容器是可调换的，更新过程就简单地通过调换循环容器而进行。
作为用于更新的另一实施例，存在燃料套筒，其中，通过不可透过燃料的挠性膜分开用于注入燃料的燃料注入装置的内部，由此在内部或外部进行燃料的供应和已用燃料的回收。
采用燃料回收和供应系统的商业方法是可想到的；本发明的液态燃料回收和供应装置可装配在商店里，例如便利店、车站售货亭、旅馆、咖啡店、超市、邮局、银行、加油站等；在燃料电池用户需要时，把用过的燃料从燃料电池中取出，将新燃料提供给燃料电池。用于燃料电池的液态燃料供应装置读出在连接到笔记本型个人计算机、PDAs’、移动电话等的标签上的信息，从而根据此信息准备所需浓度的液态燃料。当把燃料电池放在液态燃料回收-供应装置的支架上时，自动地启动在燃料回收和供应装置和燃料电池之间的连接。在检测装置和燃料电池之间的连接完成时，回收和供应过程开始。回收和供应自动地完成。燃料供应单元和回收单元可分别设置在单独的容器中或设置在同一容器中。燃料供应单元可预先存储预定浓度的液态燃料。
在更新过程时，在循环容器中用于去除离子或离子杂质的过滤器可用新的替换。离子杂质由对管道的溶解、催化剂等产生，主要是金属离子。
虽然从一开始，提供到循环容器或燃料容器的液态燃料就可以具有需要被供应到燃料电池的浓度，但是像95％或更高这样的高浓度液态燃料也可以注入燃料电池中并与水混合，制成所需浓度的燃料溶液。因为每单位体积的输出/时间的积分值高，因此此过程是优选的。
作为用于燃料电池的聚合物电解质膜，可以采用具有离子导电性的任何电解质膜。用于薄膜的材料是氟系电解质聚合物、部分氟系聚合物、碳氢系电解质聚合物等。在本实施例中采用的氟系聚合物电解质是聚合物。例子是由通式CF2＝CF-(OCF2CFX)m-Oq-(CF2)n-A(m＝0-3，n＝0-12，q＝0或1，X＝F或CF3，A＝磺酸型官能团)表示的氟-乙烯化合物的共聚物；和全氟烯烃，如四氟乙烯、六氟乙烯、氯三氟乙烯、全氟烷氧乙烯醚等。优选的氟-乙烯化合物典型为CF2＝CFO(CF2)1-8SO2FCF2＝CFOCF2CF(CF3)(CF2)1-8SO2FCF2＝CF(CF2)0-8SO2FCF2＝CF(OCF2CF(CF3))1-5O(CF2)SO2F用于碳氢电解质膜的材料是由磺化工程塑料制成的薄膜，如磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚醚砜、磺化聚醚醚砜、磺化多硫化物、磺化聚苯撑等；由硫代烷基化工程塑料制成的薄膜，例如，硫代烷基化聚醚醚酮、硫代烷基化聚醚砜、硫代烷基化聚醚醚砜、硫代烷基化聚砜、硫代烷基化多硫化物、硫代烷基化聚苯撑等。其中，从燃料渗透性和离子导电性出发，优选材料是硫代烷基化工程塑料，如硫代烷基化聚醚醚酮、硫代烷基化聚醚砜、硫代烷基化聚醚醚砜、硫代烷基化聚砜、硫代烷基化多硫化物、硫代烷基化聚苯撑。
通过采用其中传导氢离子的无机氧化物微扩散在热塑聚合物中的复合膜，传导氢离子的无机氧化物例如为羟基氧化钨、羟基氧化锆、羟基氧化锡、硅钨酸盐、硅钼酸盐、磷钨酸盐、磷钼酸盐等，获得了具有更高工作温度燃料电池。
上述氢氧化物型酸性电解质膜可能会由于在润湿条件下的膨胀而造成变形，这样在薄膜具有高离子导电性的情况下它们的机械强度可能不足。在这种情况下，以无纺或纺织状态采用具有高机械强度、耐久性和耐热性的纤维加强芯材料。将纤维作为加强填充剂加入电解质材料，由此提高燃料电池性能的可靠性。
为了降低电解质膜的燃料渗透性，可采用掺杂有硫酸、磷酸、磺酸、磷酸的聚苯并咪唑膜。聚合物电解质的磺化当量优选为0.5-2.0mEq/g干树脂，更优选为0.7-1.6mEq/g干树脂。如果磺化当量低于此值，离子导电电阻变大，如果磺化当量小于此值，薄膜将溶解在水中，不能正常用于燃料电池。
通过支撑催化剂细颗粒的导电材料构成在燃料电池的电解质/电极连接构件中采用的气体扩散电极。如果需要，可含有防水材料或粘接剂。可在气体扩散电极连接构件的表面上形成含有不支撑催化剂的导电材料和防水材料或粘合剂的层。
作为用于气体扩散电极的催化剂材料，可采用加速氢的还原反应和燃料的氧化反应的任何催化剂。例如，有铂、金、银、钯、铱、铑、钌、铁、钴、镍、铬、钨、锰、钒或它们的合金。在催化剂中，铂是特别有用的。催化剂的粒径通常为10-300埃。在载体如碳上支撑催化剂，以便节省催化剂的量。催化剂的支撑量在0.01-10mg/cm2的范围内。
作为具有电子导电性的导电材料，采用各种金属材料或碳材料。碳材料是炉黑、槽法炭黑、乙炔黑、活性碳、石墨等。它们单独或组合使用。
作为防水剂，采用氟化碳等。作为粘合剂，从粘接性来看优选材料在本实施例中采用的粘合剂，但也可以采用其它粘合剂树脂。可以将其它防水树脂如聚四氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚物、四氟乙烯-六氟乙烯共聚物等加入到粘合剂中。
制备复合电解质膜和电极的粘接方法没有限制。例如，将支撑在碳上的铂催化剂粉末与聚四氟乙烯悬浮液混合，将混合物涂覆在纸上，加热形成催化剂层。然后，将与电解质复合膜相同的溶液涂覆在催化剂层上，接着热压以将该膜和该电极结合成一体。存在有在催化剂粉末上涂覆与电解质膜的电解液相同的电解液的方法；在电解质复合膜上涂覆催化剂膏的方法；在复合电解质膜上化学镀电极金属的方法；和在复合电解质膜上有效吸附铂素元素的螯合离子、接着使离子还原的方法。
循环容器可为任何材料，只要它们是薄且强度足的材料即可，它应当是没有电化学活性的，应当在操作气氛下具有耐久性和耐腐蚀性。例如有聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸树脂和其它工程塑料、具有填充剂的加强树脂。可以采用在燃料电池工作气氛下耐腐蚀的材料，例如，碳材料、不锈钢、或具有耐腐蚀、电绝缘涂层的铁、镍、铜、铝等及其合金的表面处理金属。用作循环容器的材料没有限制，只要它是非活性并耐腐蚀的、且具有足够的强度即可。
在另一实施例中，本发明提供一种用于燃料电池的燃料回收-供应装置，该装置包括用于存储液态燃料的燃料容器、用于存储在燃料电池的阴极生成的水(在生产过程中的纯水)的储水容器、用于存储预定浓度的燃料水溶液的循环容器、用于控制燃料水溶液的浓度的燃料浓度控制装置、用于响应控制装置、将液态燃料和生成水供应至循环容器的液体传输泵、用于把在循环容器中的燃料水溶液供应至燃料电池的管线、用于响应控制装置回收在燃料容器中的液态燃料的燃料回收管线、和回收燃料容器。如果燃料供应和回收装置安装在商店如便利店、售货亭、旅馆、咖啡店等，就可以从燃料电池的燃料容器中回收燃料水溶液，并向此燃料容器提供燃料水溶液。
下面，详细描述本发明的优选实施例。
(实施例1)图1表示用于个人计算机的、采用甲醇燃料电池(DMFC)的燃料电池系统的示意图。此实施例的燃料电池包括电解质/电极组件(MEA)，该组件由阳极催化剂层3、阴极催化剂层4和被上述两个催化剂层夹住的聚合物电解质膜2构成；在阳极侧的阳极集流体5；在阴极侧的阴极集流体6，它们分别紧密接触。在阴极集流体6侧设置空气流动板7，空气流动板7设置有具有空气供应口8和空气排出口9的空气流动通道。
空气流动通道10连接到氧化剂供应装置，该装置包括用于供应含氧空气11的鼓风机或风扇。与此同时，由在阴极处的氧的还原反应生成的水从空气排出口9排放。回收的水借助水回收管线47存储在生成水存储容器21中。燃料流动板13设置在阳极侧。燃料流动板13设置有具有燃料供应口14和燃料排出口15的燃料流动通道16。
排出的燃料通过燃料回收管线48回收，离子交换树脂和过滤器46通过管线48连接到燃料水溶液容器17。离子交换树脂除去燃料溶液中的金属离子，过滤器去除溶液中的杂质粒子。
燃料水溶液容器17通过燃料供应管线49和液体供应泵18连接到燃料供应口14，由此循环甲醇液体。甲醇水溶液通过燃料流动板13的燃料供应口14流入燃料流动板13的沟槽(燃料通道16)。燃料流动板13的突出部分与例如由碳纸制成的阳极集流体接触；流过燃料流动通道16的甲醇水溶液被吸入阳极集流体5中，从而将甲醇水溶液提供给阳极催化剂层3。
供应至阳极催化剂层3的甲醇水溶液根据等式(1)反应，分解为二氧化碳、质子和电子。
……(1)生成的质子从阳极经由聚合物电解质膜2向阴极移动。质子在阴极催化剂4上与氧气和电子反应，根据下述等式(2)生成水。
……(2)因此，总的化学反应由等式(3)表示；甲醇被氧气氧化，生成二氧化碳和水，如等式(3)表示。也就是说，该反应相当于甲醇的火焰燃烧。
……(3)在采用甲醇水溶液的燃料电池中，以甲醇的化学能转化为电能的形式产生电能。然而，流入燃料流动板13的全部甲醇水溶液都透入阳极集流体5的情况极少，部分溶液会从燃料流动板13的燃料排出口15放出。因此，甲醇溶液的利用率通常较低。为了提高效率，已经尝试改进流动板的形状，但至今未获得明显的效率提高。可以采用用于将从燃料流动板13的燃料排出口15放出的甲醇溶液返回至燃料溶液容器17的系统。然而，由于在阳极催化剂层3水和甲醇以1∶1的比例消耗，因此形成用于将甲醇溶液返回至燃料溶液存储容器17的循环通道会造成甲醇溶液的缓慢稀释。因此，在燃料电池中出现甲醇短缺，从而迅速降低燃料电池的输出。
甲醇溶液的浓度由甲醇浓度传感器19检测，并将该信息送至甲醇浓度控制装置20。控制装置20控制连接到产物水容器21的液体供应泵24和连接到液态燃料容器23的液体供应泵24，从而维持溶液中甲醇的浓度。从空气排出口9放出的部分产物水与空气一起返回至产物水容器21。将在燃料容器21中的高浓度甲醇借助燃料套筒供应至燃料溶液容器17。
按等式(1)所示方式产生的电子流过集流体，从而产生电压，此电压由DC/DC转换器25提升。通过锂离子二次电池或超级电容器26将终端连接到外电路27。锂离子二次电池或超级电容器26驱动用于控制装置20、液体供应泵22、24、鼓风机12等的电源28。所产生的部分电能流过阳极集流体和阴极集流体，以驱动用于燃料浓度控制装置20、液体供应泵22、24等的电源28。
以下述方式制备阳极催化剂层3将铂和钌的合金(1∶1)细粉末以50wt％分散在碳支撑体上，作为粘合剂树脂将30％的全氟碳磺酸酯聚合物(商品名Nafion 117，由杜邦公司制造)溶液混入，制成浆料。将该聚合物分散在由水∶异丙醇∶正丙醇以20∶40∶40构成的混合溶剂中。在约20μm厚的聚酰亚胺膜上通过丝网印刷法印刷浆料，由此制成多孔膜。以下述方式制备催化剂层4将以30wt％被支撑在碳上的铂细颗粒的催化剂粉末和作为粘合剂树脂的、分散在由水/乙醇构成的混合溶剂中的电解质树脂浆料混合，制成浆料。
通过丝网印刷法在聚酰亚胺膜上涂覆浆料，制成约25μm厚的多孔膜。将阳极多孔层和阴极多孔层裁成10mm宽、20mm长，从而制成阳极催化剂层3和阴极催化剂层4。
使由Fluka化学公司制造的、在由水∶异丙醇∶正丙醇＝20∶40∶40构成的混合溶剂中的5wt％的Nafion 117水溶液0.5mi浸透阳极催化剂层。然后，在约1kg的负载下、以80℃在上述电解质膜(50μm厚的Nafion 117)上对阳极催化剂层进行烘干3小时。
此后，使由Fluka化学公司制造的、在由水∶异丙醇∶正丙醇＝20∶40∶40构成的混合溶剂中的5wt％的Nafion 117水溶液0.5ml浸透阴极催化剂层。然后，将阳极催化剂层粘接到上述电解质膜2，接着在约1kg的负载下、以80℃烘干3小时，由此制成膜/电极组件(MEA)。
接下来，将聚四氟乙烯微粒的水分散体(分散体D-1，由Daikin公司制造)以在烧结后的重量为40wt％的量加入到碳粉末中，将该材料混合以制备膏状混合物。
以约20μm的厚度在约350μm厚、87％的孔隙率的纺织碳纤维布的一个表面上涂覆该混合物。然后，以室温烘干涂层，接着以270℃烧结3个小时，制成碳片。将得到的碳片裁成与MEA的电极相同的尺寸，制成扩散层。利用这些部件，组装图1中所示的燃料电池系统。
通过甲醇浓度传感器19监测在燃料水溶液容器中水溶液的浓度，该燃料水溶液容器同样用作循环容器。如果浓度下降或甲醇的量短缺，响应甲醇浓度控制装置20由液体供应泵22、24提供在产物水容器21中的回收产物水和在燃料容器23中存储的高浓度甲醇，由此把要供应到燃料电池的浓缩甲醇控制在预定浓度如10-30％。尽管进行控制，但在约50小时后燃料电池仍会降低其输出，使其不能工作。即使在供应燃料容器23内的新甲醇时，输出也不能达到预定值。
因此，在图1所示的燃料电池系统1中，通过浓度传感器19检测在燃料水溶液容器17中甲醇的浓度，从而将浓度控制在预定值。当输出降低至预定值的80％的时候，通过借助液体供应泵22、24供应在产物水容器21中的水和在燃料容器中的高浓度甲醇、同时取出甲醇水溶液，从而将燃料电池中的甲醇水溶液用新鲜甲醇溶液替换。结果，恢复燃料电池的输出。重复此操作可以使燃料电池至少持续工作1000小时。根据本实施例，当在检测出输出下降时或在注入燃料时提供新鲜的液态燃料，显著延长了燃料电池的使用寿命。
(实施例2)图2表示同时进行燃料回收和燃料供应的燃料回收-供应装置的示图。燃料回收-供应装置安装在便利店、铁路售货亭、旅馆、咖啡店等，用于在装配有燃料电池的个人计算机、PDAs’、移动电话等的用户需要时、回收用过的含离子杂质等的燃料，并提供新鲜的液态燃料。正如图1所示的实施例中说明的那样，由于液态燃料通过容器17和燃料电池循环，因此随着工作时间的推移，在燃料溶液容器17中的液态燃料溶液积聚离子杂质，由此降低输出，造成其使用寿命缩短。
检测在液态燃料溶液容器17中在所用液态燃料中离子杂质的浓度。当浓度超过预定值时，通过图2所示的装置回收并替换液态燃料。
在其输出明显降低的液态溶液中检测出的离子杂质主要是金属离子，例如在0.05-0.1％范围内的Cr离子，在0.02-0.06％的铁离子，在0.0003-0.002％的Ni离子，以及包括钠、钙等其它离子。当金属离子的总浓度超过0.1％时，输出下降。因此，在此实施例中，当浓度达到0.01％时，液态燃料被排放并用新鲜燃料取代。
供应新鲜液态燃料的方法如下。首先，在燃料电池中用过的液态燃料与在燃料回收部分43的燃料管线41的燃料排出口15相连。按照连接信号，响应甲醇浓度控制装置20驱动燃料供应泵40，由此将旧燃料吸入燃料回收容器39。
然后，将有关用户的燃料电池的燃料种类和浓度的信息预先输入燃料供应部分42，将该信息传送至甲醇浓度控制装置20，该装置20通过控制连接到蓄水容器21的液体供应泵22和连接到甲醇溶液容器23的液体供应泵24来调节液态燃料溶液的浓度。在将液态燃料供应口14连接到液态燃料供应管线38之后，驱动液体供应泵18以向燃料电池提供燃料。
当笔记本型个人计算机、移动电话、PDAs’等放在燃料回收-供应装置的支架上时，将针管插入以从燃料电池中回收用过的液态燃料并开始向燃料电池提供新鲜液态燃料。换句话说，燃料回收-供应装置自动地连接到甲醇水溶液箱17，以开始取出燃料并开始提供新的甲醇燃料。在完成液态燃料的回收和供应时，取出针管。结果，用过的燃料就由具有预定浓度并没有金属离子杂质的新鲜液态燃料替换，由此恢复燃料电池的输出。通过重复上述操作，燃料电池的使用寿命将持续1000小时或更长。
在燃料电池的输出低于额定输出的情况下，采用同样的对策。
(实施例3)图3表示采用根据本发明的燃料电池系统的个人计算机的透视图。本实施例涉及个人计算机，其中，平板型燃料电池电源部分29装在液晶显示器中。在图3中所示的电源表面中的狭缝是空气进口45。正如由合页处的虚线所示，用于预定浓度的甲醇溶液的燃料循环箱30和甲醇燃料箱31保持在支撑装置44上。
将甲醇燃料从甲醇燃料箱31连续提供给液态燃料溶液循环箱30。如果在燃料从燃料注入装置供应至液态燃料箱31时燃料电池的输出下降至低于额定输出的80％时，用过的燃料循环箱30用新的替换。如果重复进行替换，燃料电池的使用寿命会延长至1000小时或更长。燃料箱31也可用另一个取代。
如果当燃料通过燃料注入装置供应至燃料箱31时用过的燃料循环箱30没有用含有预定燃料溶液的另一个替换的话，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成燃料电池的失效。根据本发明，在表现出输出下降时，用过的燃料从燃料电池中取出，并提供新鲜燃料。结果，延长燃料电池的使用寿命。
如果需要，可以省去甲醇箱31，将支撑构件44与燃料水溶液循环箱30制成一体。
(实施例4)图4表示装配有燃料电池的笔记本型个人计算机的透视图。本实施例采用在液晶显示器中设置的平板型燃料电池的电源29。
在此实施例中，甲醇水溶液燃料循环箱30的体积明显小于在实施例3中的甲醇箱31的体积。不仅甲醇水溶液循环箱30是可替换的，而且燃料槽31也是可替换的。正如由合页处的虚线所示，用于预定浓度的甲醇溶液的甲醇水溶液循环箱30和甲醇燃料箱由支撑装置44固定。
如果在通过用燃料注入装置注入的方式将燃料供应至液态燃料箱31时燃料电池的输出是额定输出的80％或更低的话，含用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30就用含有预定浓度的甲醇溶液的新的一个替换。通过重复地替换甲醇水溶液循环箱30，燃料电池的使用寿命会延长。
在用燃料注入装置注入燃料时、在含有用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30没有被替换的情况下，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成失效。
由于甲醇燃料箱31的体积是甲醇水溶液循环箱30的体积的大约4倍，因此一次注入使燃料电池使用寿命的延长是实施例3中的燃料电池的4倍。由此来看，证实了从燃料电池取出用过的燃料并将新鲜燃料注入燃料电池显著延长了燃料电池的使用寿命。
(实施例5)图5表示装配有根据本发明的燃料电池系统的笔记本型个人计算机的透视图。在此实施例中，在个人笔记本的合页处设置燃料电池电源32。将燃料电池设计为可用锂电池替换。甲醇水溶液燃料循环箱30和甲醇燃料箱31可替换。燃料电池电源32装配有辅助机械和控制装置，例如甲醇水溶液循环箱30、甲醇燃料箱31、层叠发电部分、液体供应泵、鼓风机等。DC/DC转换器、锂二次电池和超级电容器可设置到燃料电池电源32或笔记本型个人计算机。如果在通过用燃料注入装置注入的方式将燃料供应至甲醇燃料箱31时燃料电池的输出是额定输出的80％或更低的话，含用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30就用含有预定浓度的甲醇溶液的新的一个替换。通过重复地替换甲醇水溶液循环箱30，燃料电池的使用寿命会延长。
在用燃料注入装置注入燃料时、在含有用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30没有被替换的情况下，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成失效。由此来看，证实了从燃料电池取出用过的燃料并将新鲜燃料注入燃料电池显著延长了燃料电池的使用寿命。
(实施例6)图6表示装配有根据本发明的燃料电池系统的笔记本型个人计算机的透视图。在此实施例中，在个人笔记本的合页处设置燃料电池。燃料电池可用锂电池替换。甲醇水溶液燃料循环箱30和甲醇燃料箱31可替换。燃料电池电源32装配有辅助机械和控制装置，例如甲醇水溶液循环箱30、甲醇燃料箱31、层叠发电部分、液体供应泵、鼓风机等。DC/DC转换器、锂二次电池和超级电容器可设置到燃料电池电源32或笔记本型个人计算机。
如果在通过用燃料注入装置注入的方式将燃料供应至甲醇燃料箱31时燃料电池的输出是额定输出的80％或更低的话，含用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30就用含有预定浓度的甲醇溶液的新的一个替换。通过重复地替换甲醇水溶液循环箱30，燃料电池的使用寿命会延长。
在用燃料注入装置注入燃料时、在含有用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30没有被替换的情况下，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成失效。由此来看，证实了从燃料电池取出用过的燃料并将新鲜燃料注入燃料电池显著延长了燃料电池的使用寿命。
(实施例7)图7表示装配有根据本发明的燃料电池系统的笔记本型个人计算机的透视图。在此实施例中，在个人笔记本的合页处设置燃料电池。燃料电池可用锂电池替换。甲醇水溶液燃料循环箱30和甲醇燃料箱31可替换。燃料电池电源32装配有辅助机械和控制装置，例如甲醇水溶液循环箱30、甲醇燃料箱31、层叠发电部分、液体供应泵、鼓风机等。DC/DC转换器、锂二次电池和超级电容器可设置到燃料电池电源32或笔记本型个人计算机。
如果在通过用燃料注入装置注入的方式将燃料供应至甲醇燃料箱31时燃料电池的输出是额定输出的80％或更低的话，含用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30就用含有预定浓度的甲醇溶液的新的一个替换。通过重复地替换甲醇水溶液循环箱30，燃料电池的使用寿命会延长。
在用燃料注入装置注入燃料时、在含有用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30没有被替换的情况下，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成失效。由此来看，证实了从燃料电池取出用过的燃料并将新鲜燃料注入燃料电池显著延长了燃料电池的使用寿命。
(实施例8)图8表示根据本实施例的燃料套筒的透视图。当将用过的甲醇水溶液燃料从循环箱30中取出并将具有预定浓度的新鲜燃料提供给实施例6中所示的甲醇箱31时，采用图8中所示的套筒。通过此套筒，同时进行燃料回收和燃料供应。燃料套筒注入装置的内部由挠性的、不透过甲醇的聚合物膜分为两个部分，一部分容纳燃料吸收装置36，另一部分储存燃料。
将甲醇水溶液循环槽30连接到填充了燃料吸收装置的燃料吸入口，通过毛细管作用把在甲醇水溶液循环箱30中的燃料传输至燃料吸收装置36，使燃料吸收装置膨胀。利用这种膨胀力，燃料通过燃料供应口供应至燃料箱。燃料电池可使用1000小时以上。
在用燃料注入装置注入燃料时、在含有用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30没有被替换的情况下，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成失效。由此来看，证实了从燃料电池取出用过的燃料并将新鲜燃料注入燃料电池显著延长了燃料电池的使用寿命。
(实施例9)图9表示根据本实施例的套筒的透视图。当将用过的甲醇水溶液燃料从循环箱30中取出并将具有预定浓度的新鲜燃料提供给实施例6中所示的甲醇箱31时，采用图8中所示的套筒。通过这种套筒，同时进行燃料回收和燃料供应。将图6所示的循环箱连接到燃料吸入口，将燃料供应箱31连接到燃料供应口35。
通过用活塞37挤压燃料，使新鲜燃料供应至燃料箱31，回收侧产生负压以回收用过的燃料。结果，燃料电池可工作1000小时或更长时间。
在用燃料注入装置注入燃料时、在含有用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30没有被替换的情况下，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成失效。由此来看，证实了从燃料电池取出用过的燃料并将新鲜燃料注入燃料电池显著延长了燃料电池的使用寿命。
(实施例10)图10和11表示各装配有根据实施例的燃料电池的笔记本型个人计算机的透视图。图10和11中所示的实施例设置有在笔记本型个人计算机主体之下的燃料电池。如果在通过用燃料注入装置注入的方式将燃料供应至甲醇燃料箱31时燃料电池的输出是额定输出的80％或更低的话，含用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30就用含有预定浓度的甲醇溶液的新的一个替换。通过重复地替换甲醇水溶液循环箱30，燃料电池的使用寿命会延长。
在用燃料注入装置注入燃料时、在含有用过的燃料的甲醇水溶液循环箱30没有被替换的情况下，燃料电池就会在大约50小时内降低其输出，造成失效。由此来看，证实了从燃料电池取出用过的燃料并将新鲜燃料注入燃料电池显著延长了燃料电池的使用寿命。
采用液体燃料的燃料电池的问题在于，在长期工作之后离子杂质积聚在燃料电池中，在短时间内输出下降，这造成燃料电池的失效。根据上述实施例，此问题由下述方式解决(1)当燃料电池的输出下降时，或当注入燃料时，取出燃料电池中的液态燃料并提供新鲜燃料，和(2)当燃料电池的输出下降时，或当燃料注入时，把在燃料循环通道中设置的过滤器或离子交换树脂用新的替换。
此外，采用根据本实施例的燃料电池系统作为用于在移动电话、便携式个人计算机、便携式音频设备、视频设备和其它便携式信息终端中安装的二次电池的电池充电器。在没有安装二次电池的情况下，燃料电池用作封闭电源。结果，通过供应燃料可使用电设备长时间持续工作。
根据本发明，过滤器、离子交换树脂、套筒是可替代的以更新燃料。在上述实施例中，可省去循环装置。在此情况下，在燃料供应时用过的燃料从燃料电池放出。
权利要求
1.一种燃料电池，其特征在于具有用于向燃料电池提供预定浓度的液态燃料并用于回收和存储从燃料电池中排放的液态燃料的循环容器，其中循环容器是可替换的。
2.一种燃料电池，其特征在于具有用于向燃料电池提供预定浓度的液态燃料并用于回收和存储从燃料电池中排放的液态燃料的循环容器，并且具有用于向循环容器提供液态燃料的燃料容器，其中循环容器和燃料容器的至少一个是可替换的。
3.根据权利要求1的燃料电池，该燃料电池进一步包括用于检测供应到燃料电池的液态燃料的浓度的检测器。
4.根据权利要求1的燃料电池，该燃料电池进一步包括用于将液态燃料的浓度控制为预定浓度的控制器。
5.根据权利要求1的燃料电池，该燃料电池进一步包括用于去除在由燃料电池排放的液态燃料中所含的金属离子和/或杂质的过滤器。
6.根据权利要求1的燃料电池，该燃料电池进一步包括燃料电极、与燃料电极相对设置的氧化剂电极、和夹在上述两个电极之间的电解质膜。
7.根据权利要求6的燃料电池，其中液态燃料是甲醇、二甲醚和乙二醇之一。
8.根据权利要求2的燃料电池，该燃料电池进一步包括用于检测供应到燃料电池的液态燃料的浓度的检测器。
9.根据权利要求2的燃料电池，该燃料电池进一步包括用于将液态燃料的浓度控制为预定浓度的控制器。
10.根据权利要求2的燃料电池，该燃料电池进一步包括用于去除在由燃料电池排放的液态燃料中所含的金属离子和/或杂质的过滤器。
11.根据权利要求2的燃料电池，该燃料电池进一步包括燃料电极、与燃料电极相对设置的氧化剂电极、和夹在上述两个电极之间的电解质膜。
12.根据权利要求6的燃料电池，其中液态燃料是甲醇、二甲醚和乙二醇之一。
13.一种在其中安装有燃料电池的电装置，其中燃料电池是在权利要求1中限定的燃料电池。
14.一种在其中安装有燃料电池的电装置，其中燃料电池是在权利要求2中限定的燃料电池。
15.根据权利要求14的电装置，该装置进一步包括用于支撑循环容器和燃料容器的套筒的支撑装置。
16.根据权利要求14的电装置，该装置进一步包括在循环容器和燃料容器之间设置的不可透过燃料液体的聚合物膜。
17.根据权利要求14的电装置，其中循环容器具有活塞，所述活塞在容器中作往复运动，从而向燃料电池提供液态燃料并回收在燃料电池中用过的液态燃料。
18.一种商业方法，包括在一个或多个商店中安装用于燃料电池的液态燃料回收和供应装置，从而从燃料电池回收液态燃料并向燃料电池提供新的液态燃料。
全文摘要
本发明涉及一种用作便携式电子设备的电源的小型燃料电池，尤其涉及利用液态燃料例如甲醇等的燃料电池，用电设备，以及商业方法。该燃料电池的特征在于具有用于向燃料电池提供预定浓度的液态燃料并用于回收和存储从燃料电池中排放出的液态燃料的循环容器，其中循环容器是可替换的。
文档编号H01M8/06GK1604377SQ20041005761
公开日2005年4月6日 申请日期2004年8月20日 优先权日2003年10月3日
发明者小山彻, 铃木重雄, 茂木亮, 相马宪一 申请人:日立麦克赛尔株式会社