专利名称：燃料电池的燃料管的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及燃料电池的燃料管，具体而言，涉及一次性燃料管和可再装燃料管。本发明还涉及直接甲醇燃料电池的燃料管。
发明的
背景技术：
燃料电池是将反应剂(即燃料和氧化剂)的化学能直接转化成直流(DC)电的装置。由于应用量的增加，燃料电池比常规发电(诸如矿物燃料燃烧)和便携式电容器(诸如锂离子电池)。
总的来说，燃料电池技术包括碱性燃料电池、高分子电解质燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池这些不同的燃料电池。目前更为重要的燃料电池大体分为三类，即利用压缩氢(H2)作燃料的燃料电池、采用甲醇(指将CH3OH)变换成的氢作为燃料的质子交换膜(PEM)燃料电池以及直接采用甲醇(CH3OH)作为燃料的质子交换膜燃料电池(即″直接甲醇燃料电池″DMFC)。压缩氢通常要保持高压，因此难以控制。而且一般储槽需要很大，不能满足用户电子设备的小型化要求。另一方面，采用甲醇转换的燃料电池需要转化器及其他汽化和辅助系统，从而增加了甲醇转换燃料电池的体积和复杂性。直接甲醇燃料电池是最简单且可能做得最小的燃料电池，并且其也是能够满足用户电子设备需要的最理想的保持功率的燃料电池。
直接甲醇燃料电池相对较大的应用一般包括向阴极供应氧化剂(一般是空气或氧气)的风机或压缩机、向阳极供应水/甲醇混合物的泵以及膜电极装置(MEA)。膜电极装置一般包括阴极、质子交换膜以及阳极。运行期间水/甲醇燃料液体混合物直接供应到阳极，氧化剂供应到阴极。各电极的化学电反应以及燃料电池的总体反应如下阳极反应
阴极反应
总体燃料电池反应
由于氢离子(H+)从阳极穿过质子交换膜迁移到阴极以及自由电子(e-)不能穿过质子交换膜，因此电子必须通过外电路流动，这就产生了外电路电流。外电路可以是任何可用的用户电子设备，例如移动电话、计算器个人数字助理以及便携式计算机等。直接甲醇燃料电池在美国专利5,992,008和5,945,231中都有详述，在此作为参考。通常质子交换膜由聚合物制成，例如由杜邦提供的Nafion，其具有厚度大约0.05毫米到大约0.50毫米的全氟化材料。阳极一般由有催化剂薄层(例如沉积在其上的铂-钌)的特氟龙碳纸做基底制成。阴极一般是气体扩散电极，其中铂粒子粘接在膜的一边。
直接甲醇燃料电池应用中其中一个最重要的特征是燃料储存。另一个重要特征是调节从燃料管到膜电极装置的燃料输送。为使直接甲醇燃料电池系统得到商业应用，其必须具备足够满足用户正常使用的燃料储存能力。例如对于移动电话、笔记本式电脑及个人数字助理(PDA)，燃料电池至少要有与现有电池相当的供电能力，当然供电时间越长越好。此外，直接甲醇燃料电池应该有容易替换或易于再装的燃料箱从而将目前可充电电池漫长的充电过程减到最少或者避免掉。
专利文献中没有有关用于燃料电池的常压便携式燃料箱或燃料储存的专门介绍。公开号为US 2002/0127451 A1的美国专利申请公开的小型质子交换膜燃料电池，其直立的圆形的箱中储存甲醇燃料，并将副产品二氧化碳排送回箱中以维持箱中的压力。该燃料箱还包括防止箱内过压的安全阀以及补充燃料的燃料进口阀。燃料箱包括多孔层，利用毛细管作用将水/甲醇燃料混合物引入质子交换膜的阳极端子。然而，除了垂直位置或相对垂直位置稍有角度的位置外，该多孔层不能与燃料保持接触。因此，该燃料箱不能全方位使用。
类似地，公开号为2001/0051293 A1的美国专利申请公开的毛细管作用结构是由与可再装燃料容器通过液体相连的吸收性材料制成。毛细管作用结构的功能是通过毛细管作用将适量燃料引入质子交换膜。然而，该参考文献没有描述调节燃料流量的方法，也没有描述当燃料液位不足以利用毛细管作用工作时，毛细管作用结构如何与燃料保持接触。
6,326,097B1号美国专利中公开了可以充满燃料渗透性材料的燃料小瓶，使得在任何方向上，燃料都能通过毛细管作用与燃料阀针连通，被引入质子交换膜。由于为使毛细管作用正常地工作，渗透性材料内的空隙必定很小，因此这些燃料小瓶不能储存足量的燃料。因此燃料渗透性材料占据了小瓶中的大部分空间，减少了存储能力。该参考文献还披露手动泵，即使用户推动在小瓶上形成的凹痕区域，从而泵送燃料。这个泵同样不实用，因为它要求在为电子器件供电以前用户进行泵送动作，并可能要求用户不断地对燃料电池进行泵送操作，以保持到达质子交换膜的燃料流量。此外，每次手动泵送动作令燃料突然涌到质子交换膜，可能造成燃料电池输出不合要求的电力到电子器件。重要的是，′097参考文献没有指出渗透性材料吸收了而未用的燃料如何送到质子交换膜。
公开号为2002/0018925 A1的美国专利申请公开的电子器件空腔，可以容纳装有燃料的球形瓶或装有燃料的吸收固体以供燃料电池使用。与′097参考文献类似，吸收材料占据了燃料箱的大部分空间，并且在吸收材料中留有燃料，因此减少了有效燃料储存量。
6,447,941 B1号美国专利公开的燃料箱中与燃料接触的多个横向燃料渗透层，燃料通过毛细管作用从燃料储藏区到达燃料渗透层。然后燃料在到达阳极端子前，在燃料蒸发层蒸发。这个燃料箱不具有任何有助于燃料运送的内部结构。
6,460,733 B2号美国专利披露的复合壁式燃料箱，包括外容器内设置的甲醇燃料内容器。内容器可以有坚硬的壁，也可以是可膨胀的软外壳。两容器之间的充满区域有中和甲醇燃料的作用剂或添加剂，以在容器破损或弃置之前发挥作用。通过重力或位于外容器内的加压气源把燃料送到燃料容器或直接送到阳极。设置外部的泵将燃料送到质子交换膜。
5,709,961和6,268,077B1号美国专利公开了加压燃料箱将燃料输送到燃料电池。
因此需要提供具有较大的储存能力且无需加压源将燃料从存储装置运送到质子交换膜的燃料储存装置。
发明内容
本发明旨在提供适于燃料电池使用的燃料管。
本发明也旨在提供适于直接甲醇燃料电池使用的燃料管。
本发明同样旨在提供一次性使用燃料管以及可回收燃料管。
本发明还旨在提供具可叠合的燃料管或有多燃烧室的燃料管。
本发明的优选实施方案提供的适于燃料电池使用的装有燃料的燃料管，包括自由空间部分和填充插入部。填充插入部包括能够通过毛细作用带走燃料管内燃料的吸收性材料，且填充插入部基本上不论燃料管处于任何座向以及不论燃料液位处于任何水平都能与燃料接触。填充插入部占燃料管的容积要小于大约67％，如果小于50％会更好，最好能小于33％。
在该实施方案中，填充插入部包括连接柱和至少两个盘片。盘片最好位于连接柱端部。连接柱和/或至少一个盘片最好被液密性薄膜覆盖。填充插入部最好还包括供燃料离开燃料管的出口。出口可以由吸收性材料组成，也可以包括毛细管阀针或一束毛细管。填充插入部也可以选择包括连接柱和多个辐条，还可以包括多个环，辐条将连接柱连接到环上。
在该实施方案的另一方式中，填充插入部包括覆盖至少一部分燃料管内表面的壳体以及出口。填充插入部还可以包括至少一个盘片和/或连接柱。壳体还可以覆盖燃料管的全部内表面。
填充插入部的吸收性材料可以由聚合纤维制成，如聚脂、聚乙烯、聚烯烃、聚缩醛、聚丙烯纤维，或者源自植物的纤维，如大麻纤维、棉花或醋酸纤维素。
燃料管还可以包括气孔以及可再装阀。当抽出燃料时，气孔防止燃料管内形成局部真空。气孔可以是空气阀或由疏水性微膜覆盖的开口。气孔还可以允许蒸气或气体从燃料管排出。
该实施方案的另一方式是，燃料管与泵可操作连接，从而控制燃料管中燃料的流量。泵最好为微型机电系统(MEMS)泵。微型机电系统泵可以是场感应泵或者膜移位泵。场感应泵具有施加在燃料上的交流或直流电场或磁场从而泵送燃料。合适的场感应泵包括电流体动力泵、磁流体动力泵以及电渗透泵，当然并不限于此。电流体动力泵以及电渗透泵可以一起使用。膜移位泵包括膜以及施加在膜上使膜运动或振动从而泵送燃料的作用力。合适的膜移位泵包括静电泵以及热力气动泵，当然也不限于此。微型机电系统泵控制燃料的流动速度以及使流动转向和停止流动。
本发明另一个优选方案是提供适合燃料电池使用的装有燃料的燃料管，包括填充插入部以及控制燃料流量的微型机电系统泵。填充插入部包括能够通过毛细作用带走燃料管内燃料的吸收性材料，且填充插入部基本上不论燃料管处于任何座向以及不论燃料液位处于任何水平都能与燃料接触。
该实施方案中，燃料管还包括第一自由空间部分和第二空间部分，填充插入部占据第二空间部分。填充插入部占燃料管的容积要小于大约67％，如果小于50％会更好，最好能小于33％。
该实施方案的另一方式中，填充插入部可以具有上述任何结构。填充插入部的吸收性材料可以由聚合纤维或植物纤维制成。燃料管还可以包括气孔以及可再装阀。微型机电系统泵可以是上述的场感应泵或者膜移位泵。
本发明的另一个优选方案提供的适合燃料电池使用的装有燃料的燃料管，包括多个腔。每个腔具有预定的燃料浓度，且每个腔包括能够通过毛细作用带走腔内燃料的吸收性材料制成的填充插入部。填充插入部基本上不论腔处于任何座向和不论燃料液位处于任何水平都能与燃料接触。
腔内燃料浓度最好彼此不同。燃料浓度的范围从大约100％燃料和0％水到大约0％燃料和100％水。腔可以并排设置也可以首尾相连。
该实施方案中，至少一个腔包括第一自由空间部分和第二空间部分，填充插入部占据第二空间部分。填充插入部占腔的容积要小于大约67％，如果小于50％会更好，最好能小于33％。
该实施方案的另一方式中，填充插入部可以具有上述任何结构。填充插入部的吸收性材料可以由聚合纤维或植物纤维制成。燃料管还可以包括气孔以及可再装阀。微型机电系统泵可以是上述的场感应泵或者膜移位泵。每个腔中的燃料的泵送速度最好不同，且燃料抽出腔后才进行混合。
附图是说明书的一部分，要结合起来理解，附图中相同的标号用于表示各视图中相同的部分
图1是本发明可朝向任意位置的燃料管的主视图；图2是图1燃料管朝向另一任意位置的主视图；图3(a)是本发明填充插入部的优选实施方案主视图；图3(b)到3(d)是填充插入部另一优选实施方案的多个视图；以及图3(e)到3(g)是填充插入部另一优选实施方案的多个视图；图4(a)是本发明填充插入部另一个优选实施方案的局部剖面主视图；图4(b)到4(c)是填充插入部另一优选实施方案的多个视图；以及图4(d)到4(e)是填充插入部另外一个优选实施方案的主视图；图5(a)、5(b)和图6是图1和2中燃料管的替换实施方案；图7(a)至7(b)示意性地表示控制或调节甲醇燃料和/或水从燃料管到膜电极装置的电渗透泵的替换实施方案；图8(a)、8(b)分别示意性表示反相截流燃料电渗透泵，以及与燃料管电路绝缘；图9是本发明燃料管的另一优选实施方案，为了清楚起见而省略细节，表示出多个燃料腔；图10是本发明燃料管的另一优选实施方案，为了清楚起见而省略细节，表示出多个燃料腔与可选择的扩散器/混合单元以及膜电极装置连接；图11是图1和2的填充插入部的替换实施方式，其具有保护覆套。
优选实施方案的详细说明如附图中所示以及以下所详细说明，本发明所涉及的是用于储存燃料电池燃料(如甲醇和水，甲醇/水混合物，变化浓度的甲醇/水混合物或纯甲醇)的多用途燃料管。燃料管可以装有其他类型的燃料电池燃料，如乙醇或其他可以提高燃料电池性能或效率的化学品，本发明燃料管中的燃料或液体类型不限于上述几种。在这里使用的″燃料″一词包括可以在燃料电池中起反应的全部燃料，并且包括以上全部合适的燃料、液体和/或化学品及其混合物。本发明利用占燃料管容积很小一部分的填充插入部，使燃料管可以容纳更多燃料，从而确保燃料管的长使用寿命，并且使燃料管到达使用寿命完结时存留的燃料最少。填充插入部能够通过毛细作用将燃料带走并送到膜电极装置。另外，填充插入部不论燃料管处于任何方向以及不论燃料液位处于任何水平基本都保持与燃料直接接触。
燃料管可选择同时包括启动、保持和/或控制燃料容器的燃料流量的泵。泵也可以调节燃料到膜电极装置的流量，从而增减膜电极装置输出的电流，更重要的是必要时切断燃料流量。可以选择使用断流阀来确保当电子器件关闭或当燃料管与设备分离时切断燃料流动。泵还可以在将甲醇与水的混合物送到膜电极装置之前混合纯甲醇与水。泵还可以从具有不同甲醇浓度的不同容器中有选择地泵送甲醇/水混合物。
最好，选择低流速泵，且体积较小的泵较适于用户的电子设备使用。优选运动部件少的泵，最好没有运动部件从而将损坏率降到最低。可选的泵包括微型机电系统(MEMS)泵，如在墨喷式打印机中泵送墨水或那些药物发送系统或用于冷却微型集成电路晶片等的泵。更具体地说，合适的微型机电系统泵包括场感应流量泵以及膜移位泵。场感应泵利用电场或磁场产生流动。合适的场感应泵是电渗透泵，其对跨过毛细管柱至少一部分施加直流电势，使液体在很小的空间(如毛细管空间)内运动。液体在毛细管柱内流动的方向还可以通过直流电势反向实现反转或停止。其他合适的场感应泵包括电流体动力泵以及磁流体动力泵，当然并不限于此。膜移位泵利用例如电荷的作用力施加在膜上，使膜运动或振动从而推动需运送的液体。合适的膜移位泵包括静电泵以及热力气动泵，当然也不限于此。
如图1所示，燃料管10包括自由空间部和填充插入部12所占据的部分。自由空间部分表示燃料或气体(当燃料液位低于充满值时有气体，气体所占空间没有其他物质或材料)占据的空间。插入部12最好由吸收性材料制成。合适的吸收剂材料包括海绵和纤维状聚合物，如聚脂、聚乙烯、聚烯烃、聚缩醛、聚丙烯纤维，或者天然纤维，如大麻纤维、棉花或醋酸纤维素以及其他植物纤维。如果使用聚合纤维，则其最好为具有高软化或熔化温度的热固材料或热塑性材料，从而能够承受燃料电池或者电子器件内部可能的高温。任何多孔性或有浸透性的填充材料都可使用，只要其能够以足够的流速通过毛细作用带走燃料。插入部12最好包括两个底盘或盘片14以及连接柱16。插入部12占燃料管10的容积要小于大约67％，如果小于大约50％会更好，最好能小于大约33％，以便自由空间部分以及插入部12内的容积间隙能够容纳燃料20。当燃料管10采用微型机电系统泵时，插入部12可以选择占据燃料管10内全部容积。
图1中，燃料管10模仿的是其在如计算器或个人数字助理的电子设备中的任意地卧置状态。在该位置，液体燃料20在图中所示未占满燃料管10的情况下，可以与填充插入部12接触，从而使燃料20能与插入部12在接触点22连通，通过毛细作用带到膜电极装置。然后燃料通过出口24送出燃料管10。出口24可以装有与插入部12相同的填充材料，以便燃料20不断地通过毛细作用带出燃料管10。出口24还可选择成单个毛细管阀针或一束毛细管。出口24最好包括更适合于所选用的泵的材料，从而优化并控制来自燃料管的流量。例如，如果使用电渗透泵，出口24最好是玻璃或熔融硅石毛细管或有孔小珠。
如图2所示，燃料管10也可以任何倾角放置，燃料20基本上都能保持与填充插入部12在接触点22接触。同样地，当燃料管10垂直设置时，以致出口24位于顶端或者底部，留在燃料管10内的燃料基本上与填充插入部12的盘片14保持接触。
也可以选择如图3(a)所示的填充插入部12，其包括位于盘片14之间的附加盘片26。盘片26可以朝向其他任意方向，包括可平行于盘片14，但也不限于此。盘片26可以在盘片14之间倾斜设置。为了增加结构上的支撑，连接柱16可以如图11所示覆盖薄塑料膜25。薄膜能防止空气或其他的气体进入填充材料，有利于液体流过插入部12。也可以选择薄塑料膜25至少部分覆盖盘片14、26，在覆盖柱14的薄膜与覆盖盘片14、26的薄膜相交部分设置封条27。
图3(b)表示填充插入部12的另一个变化形式，其包括柱16以及多根辐条28。图3(c)是图3(b)的剖视图，表示出插入部内燃料的理想流动路径。辐条28可以如图3(b)和3(c)所示以直线的方式排成一行，也可以如图3(d)所示不在一行。图3(e)表示填充插入部12的另一个变化形式，其包括柱16、辐条28以及环29。图3(f)是图3(e)的剖视图，表示插入部内燃料的理想流动路径，图3(g)是图3(e)的俯视图。在该实施例中，辐条28可以排成一行，也可以不在一行。
在另一个优选方案中，填充插入部12可以包括出口24、盘片14以及壳体31。图4(a)中为了表示清楚，在图中去掉了部分壳体31。由于壳体31和盘片14覆盖燃料管10的全部内表面，燃料20不论燃料液位处于任何水平以及燃料管处于任何座向时，总能与插入部12保持接触。需要注意的是，为使燃料20基本上与插入部12保持接触，不必使壳体31和盘片14完全覆盖燃料管10的内表面。例如，图4(d)和图4(e)所示，壳体31可以是部分覆盖燃料管内表面的螺旋形状或由多个间隔开的板条组成。如图4(d)和4(e)所示，插入部12还具有出口24和一个盘片14。也可以选择具有第二盘片14和连接柱16。进而如图4(b)所示，填充插入部12由出口24、柱16、盘片14和壳体31串联形成。图4(c)是图4(b)的剖视图，表示插入部内燃料的理想流动路径。
有利地，填充插入部12可用于其他形式的燃料管30，其外表面具有不同曲率，例如图5(a)所示的水漏形或图5(b)所示的瓶子形。图1、2所示的填充插入部可用于图5(a)所示的燃料管30，图4(b)至4(c)所示的填充插入部可用于图5(b)所示的燃料管30。盘片14和/或环29还可以更改成其他的形状，如用于图6所示的燃料管32中的六角形片34。因此在这里使用的″片″或″环″不限于任何具体的形状，包括圆形、非圆形以及规则和不规则的形状。
当燃料从燃料管10、30或32抽出，燃料管内可能造成局部真空。这种局部真空会易于迫使燃料流回燃料管内，其也可能将燃料电池反应时生成的水吸入燃料管内。这种效应会抵消填充插入部12将燃料从燃料管中引出的毛细管作用。为了克服这种效应，当用户的电子设备不使用时，允许燃料电池反应时生产的空气或二氧化碳通过出口24流入燃料管从而去除局部真空。在应用时，出口24以气密方式与膜电极装置连接，或者提供允许空气进入燃料管内的通气孔36，在燃料电池连续长时间使用后，使燃料管的内外压力平衡。图6示意性的表示出通气孔36，其可以是只允许空气进入不允许燃料或其他的液体引出的单向阀。通气孔36可以选择由疏水性膜覆盖的开口，这样甲醇、水或其他的液体不能通过，而空气允许进入燃料管内。疏水性膜可以由聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙、聚酰胺、聚乙二烯、聚丙烯、聚乙烯或其他的高分子膜制成。市场上可买到的疏水性聚四氟乙烯微孔膜由W.LGore Associates公司出品。另外，可以设置再加注阀38，必要时向燃料管10、30、32补充燃料。需要注意的是，虽然只在图6中表示出通气孔36和阀38，但这些装置适用于各实施例以及权利要求中涉及的所有的燃料管。
为使从燃料管出口24到膜电极装置的燃料流量得到控制，可以选择设置泵。只要是可以控制燃料从燃料管中抽出的泵，都能使用。泵最好为微型机电系统(MEMS)泵，这样能使泵的体积最小。本发明可采用其中的电渗透泵。电渗透泵39如图7(a)至7(c)所示。其不包含运动部件，并且能够使运动液体通过紧密空间。电渗透泵的优点在于可以使低导电性液体运动。当施加直流电势跨过多孔介质时，产生电渗流动。当多孔介质中的液体接触直流电场时，会从阳极被驱赶到阴极或从阴极被驱赶到阳极。电渗透泵特别适于象填充插入部12或出口24这样的微通道使用，并且其流动既缓慢且受控制，这对直接甲醇燃料电池非常有用。有关电渗流动的介绍，参见1975年12月2日公告名为″Electroosmotic Pumpand Fluid Dispenser Including Same″的3,923,426号美国专利，S.Zeng、C.Chen、J.Santiago、J.Chen、R.Zare、J.Tripp、F.Svec和J.Frechet在″Sensors and ActuatorsB Chemical Journal″2002年，82卷209-212页发表的题为″Electroosmotic flow pumpswith polymer frits″的文章，以及S.Yao、D.Huber、J.Mikkelsen和J.Santiago在纽约2001年11月11日至16日的美国机械工程师学会国际机械工程代表大会和展览会会议论文集中发表的题为″A Large Flowrate Electroosmotic Pump with Micron Pores″的论文等。上述文献一并作为参考。
如图7(a)所示，直流电势跨过整个插入部12，确保从燃料管10流出的燃料受到控制。直流电势最好只跨过出口24施加，这样可以降低电压，只要燃料开始流过出口24，就能保持克服粘性作用传送燃料的动量。电池40只要能够提供满足引导燃料流量的电势即可。如图7(c)所示可以串联多个电池40以增加直流电势。也可以选择直流-直流变换器增加直流电势输出。直流-直流变换器将低压直流转换成交流电压(或电子脉冲)，然后将低压交流电压转换成较高的交流电压，再将其转换成直流电压。直流-直流变换器的优点是体积小。当储存在燃料管自由空间中的燃料耗尽时，电渗透泵39可以将插入部12中的燃料引出使尽可能多的燃料得到利用。为了尽可能减少移动电池40，一旦燃料电池可供使用，就可以利用燃料电池电势为电渗流动提供动力。最好设置控制器42控制电势和/或翻转电池40的极性。
本发明中可选用可再充电的电池40，从而当燃料电池工作时，向电池40提供电流进行充电。这样电池40就可以不断地充电从而延长电池寿命，用户也不会意识到燃料电池中采用的电池。本发明还可以选择手动泵44，例如手动空气泵，当电池40快没电时，或由于长期不运转燃料已从出口24或大部分插入部12排干，或者毛细管空间阻塞时，手动泵送燃料激活膜电极装置。
电渗透泵39的另一个优点是当膜电极装置需要关闭时，如图8(a)所示，控制器/反相器42可以将电池40的极性翻转，使燃料不再被迫从膜电极装置流走，从而停止燃料电池的反应，断开电路。也可以如图6所示，选择设置断流阀45使燃料与膜电极装置隔离。当燃料管与电子设备分离时，断流阀45还可有助于防止燃料意外从燃料管流出。断流阀可以位于再充阀38的上方或下方。断流阀45可以是常开阀或常闭阀，其在共同拥有的5,520,197号美国专利中有说明。美国专利′197在本文完全引用作为参考。
燃料电池停止发电后，打开手动或电子开关44，清除跨过填充插入部12或出口24的直流电势。控制器42可以可操作地与用户电子设备开关连接，这样当电子设备开启时，直流电势跨过插入部12或出口24进行施加。当电子设备关闭，直流电势反转然后中断。控制器42也可以通过改变直流电势来控制燃料从燃料管排出的流速。以下说明改变直流电势的一种方法。
电池40和控制器/反相器42可以设在燃料管上，优选当燃料管为可再装时；或可以选择设置在燃料电池上，从而通过将燃料管造成一次性的而减低生产燃料管的成本。
发明的另一实施方式，燃料管10可以包括两个或更多腔。如图9所示，燃料管10具有腔46和48，一个腔位于另一个腔的上部。最好，一个腔装有甲醇，另一个腔装有水。填充插入部包含在各腔中。如图9所示的实施例中，腔48的连接柱50设置在腔46的连接柱52内部，并与腔46的连接柱52同轴。柱50最好与柱52通过防水膜隔开。如图所示，各柱与圆盘通连确保其中的液体通过毛细作用带出腔外。腔还可以选择并排设置，如图10所示的腔54和56。腔54、56装有填充插入部，分别包括连接柱58、60和通过毛细作用将液体带出腔的盘片。如图9和10所示的实施例中，甲醇和水需要在到达膜电极装置之前结合或混合。液体最好在扩散器或渗混区62中混合。区域62最好填有与插入部12相同的填充材料，在燃料混合物到达膜电极装置之前通过毛细管作用散布。还可以在扩散器或渗混区62的上游设置预先混合区，使液体到达扩散器62之前彻底地混合。
不同的燃料电池运行所需的燃料混合物中甲醇含水的浓度不同。这可以通过图7(c)所示的电渗透泵实现。对腔46、48或54、56施加相同的直流电势。由于甲醇和水的粘度和表面张力不同，甲醇和水的流速就不同。控制器/反相器42可以有多个输出信号，各输出信号可以有不同的电压从而调节各腔的流量。在一种优选实施方案中，可以选用图7(b)所示的可变电阻器64调整各输出信号的电压。可变电阻器可选择与腔串联，来调节施加在腔上的电压，如图7(c)所示。
或者在腔46、48或54、56中装有不同浓度或成分的燃料混合物，电渗透泵39根据功率消耗要求有选择地从一个或另一个腔中泵送燃料混合物。可以增加与不需要的腔相连的电阻器64的电阻，从而显著提高该腔中填充插入部的阻抗或电阻。当电阻器64的电阻足够大时，跨过填充插入部的直流电势已经微不足道，这就能有效地抑制不需要的腔流出燃料，同时允许所选择的腔流出燃料。如上所述，两个或更多腔中的燃料混合物可以在到达膜电极装置之前混合在一起。还可以选择各腔拥有自己的泵，来调节或控制各自的燃料流量。
发明的另一个实施例是燃料管10、30、32或其他的燃料管可以采用别的泵。如上所述其他适当的泵包括场感应泵，如电流体动力泵和磁流体动力泵，当然不仅限于此。其他合适的泵还包括膜移位泵，如静电泵和热力气动泵。
电流体动力泵向需要输送的液体施加交流电场。1982年2月16日公告的名称为″SinglePhase Electrohydrodynamic Pump″的4,316,233号美国专利中公开了一种电流体动力泵。′233号专利在本文引用作为完整参考。通常，电流体动力泵的运作是利用通过库仑反应的电场向液体施加引力和斥力。因为电场作用在液体上而并没施加机械压力，液体不会因泵送而使内部压力显著增大。电流体动力泵特别适于低导电性液体。如′233号专利图中所示，交流电荷施加在流通管道上，流通管道包括从管道壁垂下的多个半绝缘材料的内凸块。流通管道的优点是可以作为填充插入部12的出口24。凸块由具有不同电驰豫时间的原料制成，这样各凸块中的电荷到达顶峰的时间不同。这就在液体内产生了交流电场。如果交流电荷是正弦电压，那么凸块端部电压形成正弦电场从而将液体向要求的方向输送。凸块也可以选择具有不同大小的相同材料制作，来获得不同的驰豫时间。凸块可以间隔设置或彼此相邻设置。凸块也可以具有任何几何形状。
大家都知道，电流体动力流动可与电渗流动组合泵送液体，而且已经看到电流体动力泵和电渗透泵一起使用泵送甲醇和乙醇穿过毛细管的报道。
另一方面，磁流体动力泵对工作流体施加磁场从而使工作流体向所要求的方向移动。工作流体的流动可以通过磁场的反转而反向。磁流体动力泵在2001年6月5日公告名为″Micro-magnetohydrodynamic Pump and Method for Operation of the Same″的6,241,480号美国专利中公开。′480号专利在本文引用作为完整参考。任何导电液体可以作为工作流体。工作流体最好是高粘性的液态金属，如水银或镓合金。在最优方案中，磁流体动力泵包括具有进口和出口并由液态金属作为活塞的腔。永久磁铁、电磁体或螺旋磁感应器将磁场作用于工作流体，使工作流体离开进口从而牵引需注入腔中的液体。然后，磁场反转，从而将液体通过出口送出腔。磁流体动力泵可以具有附加腔用于容纳被泵送的液体。进口和出口最好各有逆止阀，从而控制需泵送的液体流量。进口最好与出口24相通，出口最好与膜电极装置相通，从而运送液体到膜电极装置。
静电泵是膜移位泵，其不同于上述的场感应泵。膜移位泵不是靠向液体施加电场或磁场来泵送流体，其一般包括膜或膜片和施加在膜或膜片上泵送液体的作用力。在静电泵中，电势施加在膜或膜片上，使膜或膜片运动或振动从而泵送液体。静电泵在2002年11月26日公告名为″Distributed MEMS Electrostatic Pumping Devices″的6,485,273号美国专利中公开。′273号专利还披露了微型机电系统泵，其具有以悬臂方式固定在底层上的可移动膜。膜在自由端偏向远离底层。当静电电压跨过可移动膜中的第一电极和在基质内的第二电极施加时，可移动膜移向底层。这种位移使可移动膜自由端与底层之间的需泵送的任何液体被送出。当静电力消失，可移动膜偏回原始位置。该循环可以重复进行从而不断地泵送液体。另一种静电泵在1994年8月9日公告名为″Microminiaturized Pump″的5,336,062号美国专利中公开。′062号专利中披露了具有至少一个膜的静电泵。当交流电压通过其电阻性接触作用于膜时，膜产生振动从而泵送液体。′062号专利同时披露了两个膜的实施例，两个交流电压具有不同的相位和电压作用于两个膜，使两个膜彼此反相振动从而泵送液体。′273号专利和′062号专利在此均作为参考。
热力气动泵是另一种膜移位泵。该泵中，例如电阻加热元件的加热元件布置在压力室中，压力室可操作地与膜连接。腔内有一定量的工作气体或者工作液体，当其受热时膨胀。合适的工作液体包括可以从3M获得的氟化烃液体。这种热膨胀产生抵抗膜的力，使膜运动。膜发生位移以泵送液体。工作气体或液体的温度降低使膜收缩。热力气动泵及其他膜位移微型泵在2000年5月30日公告的名称为″Microbellows Actuator″的6,069,392号美国专利以及2001年12月4日公告的名称为″Method of Manipulating a Gas Bubble in aMicrofluidic Device″的6,326,211号美国专利中公开。在此一并作为参考。
上面描述的燃料管10、30、32可以用于直接甲醇燃料电池，或可通过改装从而用于将甲醇转换成氢的甲醇改装燃料电池中。
显然，从本发明的实施例实现了本发明的目的，而本领域技术人员还可以作出许多的改变及其他实施例。此外，任何一个实施例中的装置和/或部件都可以单独使用或者与其他实施例结合使用。因此，希望通过所附的权利要求书来覆盖本发明实质和范围的所有改型和实施例。
权利要求
1.装有燃料的燃料管，其适用于燃料电池并包括第一自由空间部分和填充插入部，其特征在于填充插入部包括能够通过毛细作用带走燃料管内燃料的吸收性材料，其中不论燃料管处于任何座向以及不论燃料液位处于任何水平，填充插入部都能基本上与燃料接触。
2.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于填充插入部占燃料管的容积小于大约67％。
3.如权利要求2所述的燃料管，其特征在于填充插入部占燃料管的容积小于大约50％。
4.如权利要求3所述的燃料管，其特征在于填充插入部占燃料管的容积小于大约33％。
5.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括连接柱和至少两个盘片。
6.如权利要求5所述的燃料管，其特征在于盘片位于连接柱端部。
7.如权利要求5所述的燃料管，其特征在于连接柱由液密性膜覆盖。
8.如权利要求5所述的燃料管，其特征在于一个盘片的至少一部分由液密性膜覆盖。
9.如权利要求5所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括布置在至少两个盘片之间的第三盘片。
10.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于填充插入部还包括出口。
11.如权利要求10所述的燃料管，其特征在于出口包括第二吸收性物质。
12.如权利要求10所述的燃料管，其特征在于出口包括毛细管阀针。
13.如权利要求10所述的燃料管，其特征在于出口包括一束毛细管。
14.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括连接柱和多个的辐条。
15.如权利要求14所述的燃料管，其特征在于填充插入部还包括多个环，其中辐条通过连接柱与环连接。
16.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括覆盖燃料管内表面至少一部分的壳体。
17.如权利要求16所述的燃料管，其特征在于填充插入部还包括至少一个与壳体连接的盘片。
18.如权利要求16所述的燃料管，其特征在于填充插入部还包括至少一个与壳体连接的连接柱。
19.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于填充插入部基本上覆盖燃料管的全部内表面。
20.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于吸收性物质由聚合纤维制成。
21.如权利要求20所述的燃料管，其特征在于聚合纤维是聚酯、聚乙烯、聚烯烃、聚缩醛或聚丙烯纤维。
22.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于吸收性物质由植物纤维制成。
23.如权利要求22所述的燃料管，其特征在于植物纤维是大麻纤维、棉花或醋酸纤维素。
24.如权利要求1所述的燃料管，还包括通气孔。
25.如权利要求1所述的燃料管，还包括可再装阀。
26.如权利要求1所述的燃料管，其特征在于燃料管与泵可操作连接，从而控制来自燃料管的燃料流量。
27.如权利要求26所述的燃料管，其特征在于泵包括微型机电系统泵。
28.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括场感应泵。
29.如权利要求28所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括施加到燃料上，从而泵送燃料的电场。
30.如权利要求29所述的燃料管，其特征在于电场由直流电压产生。
31.如权利要求29所述的燃料管，其特征在于电场由交流电压产生。
32.如权利要求28所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括施加到工作流体上，从而泵送燃料的磁场。
33.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括电流体动力泵。
34.如权利要求33所述的燃料管，其特征在于电流体动力泵向燃料施加交流电压，从而泵送燃料。
35.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括电流体动力泵和电渗透泵。
36.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括磁流体动力泵。
37.如权利要求36所述的燃料管，其特征在于微型机电泵施加到工作流体上，从而泵送燃料。
38.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于泵包括电渗透泵。
39.如权利要求38所述的燃料管，其特征在于电渗透泵施加跨过填充插入部的直流电势。
40.如权利要求38所述的燃料管，其特征在于电渗透泵施加跨过燃料管出口的直流电势。
41.如权利要求38所述的燃料管，其特征在于电渗透泵可操作地连接到控制器，从而改变泵的直流电势以控制泵送流速。
42.如权利要求41所述的燃料管，其特征在于控制器反转电势从而反转泵送流向。
43.如权利要求41所述的燃料管，其特征在于控制器切断电势从而停止泵送。
44.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于微型机电泵是膜移位泵。
45.如权利要求44所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括膜以及施加在膜上使膜运动从而泵送燃料的作用力。
46.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于泵包括静电泵。
47.如权利要求46所述的燃料管，其特征在于静电泵包括膜以及直接施加在膜上使膜运动从而泵送燃料的电压。
48.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于泵包括热力气动泵。
49.如权利要求48所述的燃料管，其特征在于热力气动泵包括膜和加热元件，其中加热元件产生热量使工作流体膨胀，通过这种膨胀使膜运动从而泵送燃料。
50.装有燃料的燃料管，其适用于燃料电池并包括填充插入部和与微型机电泵可操作连接从而控制燃料流量的燃料管，其特征在于填充插入部包括能够通过毛细作用带走燃料管内燃料的吸收性材料，其中不论燃料管处于任何座向以及不论燃料液位处于任何水平，填充插入部都能基本上与燃料接触。
51.如权利要求50所述的燃料管，还包括第一自由空间部分和第二空间部分，其中填充插入部占据第二空间部分。
52.如权利要求51所述的燃料管，其特征在于填充插入部占燃料管的容积小于大约67％。
53.如权利要求52所述的燃料管，其特征在于填充插入部占燃料管的容积小于大约50％。
54.如权利要求53所述的燃料管，其特征在于填充插入部占燃料管的容积小于大约33％。
55.如权利要求51所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括连接柱和至少两个盘片。
56.如权利要求51所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括覆盖燃料管内表面至少一部分的壳体。
57.如权利要求51所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括出口。
58.如权利要求51所述的燃料管，其特征在于填充插入部包括连接柱和多个的辐条。
59.如权利要求58所述的燃料管，其特征在于填充插入部还包括多个环，其中辐条通过连接柱与环连接。
60.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于吸收性物质由聚合物纤维制成。
61.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于吸收性物质由植物纤维制成。
62.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于燃料管还包括通气孔。
63.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于燃料管还包括可再装阀。
64.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括场感应泵。
65.如权利要求64所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括施加到燃料上，从而泵送燃料的电场。
66.如权利要求65所述的燃料管，其特征在于电场由直流电压产生。
67.如权利要求65所述的燃料管，其特征在于电场由交流电压产生。
68.如权利要求64所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括施加到工作流体上，从而泵送燃料的磁场。
69.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括电流体动力泵。
70.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括电流体动力泵和电渗透泵。
71.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括磁流体动力泵。
72.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于泵包括电渗透泵。
73.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括膜移位泵。
74.如权利要求73所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括膜以及施加在膜上使膜运动或振动从而泵送燃料的作用力。
75.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于泵包括静电泵。
76.如权利要求50所述的燃料管，其特征在于泵包括热力气动泵。
77.装有燃料的燃料管，其适用于燃料电池并包括多个腔，其特征在于各腔具有预定燃料浓度，且各腔包括由吸收性物质制成能够通过毛细作用将腔内燃料引出的填充插入部，其中不论燃料管处于任何座向以及不论燃料液位处于任何水平，填充插入部都能基本上与燃料接触。
78.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于腔内燃料浓度彼此不同。
79.如权利要求78所述的燃料管，其特征在于燃料浓度的范围从大约100％燃料和0％水到大约0％燃料和100％水。
80.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于腔并排设置。
81.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于腔头尾相连地设置。
82.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于至少一个腔包括第一自由空间部分和第二空间部分，其中填充插入部占据第二空间部分。
83.如权利要求82所述的燃料管，其特征在于填充插入部占腔的容积小于大约67％。
84.如权利要求83所述的燃料管，其特征在于填充插入部占腔的容积小于大约50％。
85.如权利要求84所述的燃料管，其特征在于填充插入部占腔的容积小于大约33％。
86.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于各腔包括出口。
87.如权利要求82所述的燃料管，其特征在于所述至少一个腔的填充插入部包括连接柱和至少两个盘片。
88.如权利要求82所述的燃料管，其特征在于所述至少一个腔的填充插入部包括覆盖燃料管内表面至少一部分的壳体。
89.如权利要求82所述的燃料管，其特征在于所述至少一个腔的填充插入部包括连接柱和多个的辐条。
90.如权利要求89所述的燃料管，其特征在于所述至少一个腔的填充插入部还包括多个环，其中辐条通过连接柱与环连接。
91.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于吸收性物质由聚合物纤维制成。
92.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于吸收性物质由植物纤维制成。
93.如权利要求77所述的燃料管，还包括至少一个通气孔。
94.如权利要求77所述的燃料管，还包括至少一个可再装阀。
95.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于燃料管与微型机电泵可操作连接，从而控制来自燃料管的燃料流量。
96.如权利要求95所述的燃料管，其特征在于各腔中的燃料由微型机电泵泵出腔外。
97.如权利要求96所述的燃料管，其特征在于各腔中燃料的泵送速度不同。
98.如权利要求96所述的燃料管，其特征在于来自各腔的燃料从腔中泵出后混合。
99.如权利要求95所述的燃料管，其特征在于微型机电泵是场感应泵。
100.如权利要求99所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括施加到燃料上，从而泵送燃料的电场。
101.如权利要求95所述的燃料管，其特征在于微型机电泵包括电流体动力泵和电渗透泵。
102.如权利要求95所述的燃料管，其特征在于微型机电泵是电渗透泵。
103.如权利要求95所述的燃料管，其特征在于微型机电泵是膜移位泵。
104.如权利要求77所述的燃料管，其特征在于燃料管与泵可操作连接，从而控制燃料管中燃料的流量。
105.如权利要求87所述的燃料管，其特征在于连接柱由液密性膜覆盖。
106.如权利要求87所述的燃料管，其特征在于一个盘片的至少一部分由液液密性膜覆盖。
107.如权利要求55所述的燃料管，其特征在于连接柱由液密性膜覆盖。
108.如权利要求55所述的燃料管，其特征在于一个盘片的至少一部分由液密性膜覆盖。
109.如权利要求1所述的燃料管，还包括断流阀。
110.如权利要求50所述的燃料管，还包括断流阀。
111.如权利要求77所述的燃料管，还包括至少一个断流阀。
112.如权利要求82所述的燃料管，其特征在于至少一个腔包括断流阀。
113.如权利要求27所述的燃料管，其特征在于泵是可反转的，从而使燃料流动反向。
全文摘要
用于储存甲醇和水、甲醇/水混合物或浓度不同的甲醇/水混合物的多用途燃料管，本发明采用的填充插入部，其燃料管优选只占据容积一小部分，因而使燃料管可以容纳更多燃料从而确保燃料管的长使用寿命。填充插入部能够进行毛细作用并将燃料输送到膜电极装置。另外，填充插入部不论燃料管处于任何座向以及不论燃料处于任何液位时，仍然与燃料保持物理接触。燃料管可以多于一个腔，最好各腔装有不同浓度的燃料。燃料管可选择还包括使燃料从燃料容器流出的泵。泵还可以调节燃料的流量，更重要的是必要时阻断燃料流动。
文档编号H01MGK1816933SQ200480003157
公开日2006年8月9日 申请日期2004年1月26日 优先权日2003年1月31日
发明者保罗·亚当斯 申请人:法商Bic公司