燃料电池系统、操作方法和包括其的电子装置的制作方法

专利名称：燃料电池系统、操作方法和包括其的电子装置的制作方法
技术领域：
本发明一个或多个实施方式涉及一种具有燃料循环结构的燃料电池系统、该燃料
电池系统的操作方法以及包括该燃料电池系统的电子装置。
背景技术：
小型燃料电池系统(在以下文中，称为燃料电池系统)诸如直接甲醇燃料电池 (DMFC)可用作家庭或便携式电子产品的能量供应源。 图1是普通燃料电池系统的方框图。参照图l，普通燃料电池系统包括层叠10、进 给泵12、燃料浓度传感器14、混合器16、燃料流量传感器18、燃料泵20、控制电路22和燃料 盒26，其中堆叠10产生能量，进给泵12供应具有适当浓度的燃料，燃料浓度传感14感应从 混合器16供应到进给泵12的燃料的浓度，混合器16稀释从燃料盒26供应的高浓度燃料， 燃料流量传感器18感应供应到混合器16的燃料的量，燃料泵20将存储在燃料盒26中的 燃料供应到混合器16，控制电路22控制燃料泵20的操作，燃料盒26存储燃料。
在普通的燃料电池系统中，每小时供应到层叠10的燃料的量较少。因此，供应到 混合器16的燃料被微小调整。因此，能精确供应非常少量的燃料的泵(在以下文中，精密 泵)用作燃料泵20。然而，精密泵很贵。 另外，在图1的普通燃料电池系统中，根据普通燃料电池系统的运动和/或存储在 燃料盒26中的燃料的剩余量，燃料盒26的压力可不同。因此，从燃料盒26供应到燃料泵 20的燃料的量可不同。结果，供应到层叠10的燃料的浓度会被不均一地控制。因而，燃料 流量传感器18和燃料浓度传感器14不可避免地包括于图1的普通燃料电池系统中，且需 要执行燃料供应反馈工艺。因此，需要用于操作和控制燃料浓度传感器14和燃料流量传感 器18的程序和用于控制燃料供应反馈工艺的程序。由于燃料泵20、燃料流量传感器18和 燃料浓度传感器14包括于普通燃料电池系统中，所以普通燃料电池系统的价格增加。
另外，关于操作启动，当燃料从燃料盒26移动到燃料泵20时，会延迟自起动 (self-priming)。当在燃料盒26与燃料泵20之间的路径中存在气体时，自起动消耗的时 间较长。特别地，当在燃料泵20中存在气体时，燃料抽送困难，因而，不会发生自起动。

发明内容
—个或多个实施方式包括具有燃料循环结构的燃料电池系统。
—个或多个实施方式包括操作燃料电池系统的方法。
—个或多个实施方式包括含有燃料电池系统的电子装置。 额外的方案将在以下的描述中被部分阐述，部分方案通过描述是显而易见的，或 可通过实践本发明的实施方式而了解到。 —个或多个实施方式可包括包括于燃料电池系统中的燃料盒，燃料盒包括至少两 个端口 ，其中该至少两个端口中的第一端口是燃料进口 ，该至少两个端口中的第二端口是 燃料出口。
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根据本发明教导的另一实施方式，燃料盒还可包括用于从口的外部注入燃料的第
三端口。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料盒还可包括燃料袋。这里，燃料袋可以是一 次性袋或者是能被再填充燃料的袋。在该情形下，燃料盒还可包括用于从外部注入燃料的 第三端口 ，该第三端口可以连接到燃料袋。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料盒还可包括用于容纳燃料袋的容纳空间和
用于存储在燃料袋中的部分燃料的存储空间。这里，第一端口和第二端口可连接到存储空
间。容纳在容纳空间中的燃料袋可以是一次性袋或者是能被再填充燃料的袋。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料盒还可包括分隔壁和在分隔壁上的连接构
件，该分隔壁插置在容纳空间与存储空间之间，该连接构件用于连接容纳在容纳空间中的
燃料袋。 根据本发明教导的另一实施方式，第一端口和第二端口可以沿相同方向设置。 根据本发明教导的另一实施方式，第一端口可以是燃料经过其从燃料电池系统的
内部流到燃料盒中的入口以及燃料经过其被从燃料电池系统的外部注入的入口。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料盒自身还可以是燃料袋。 根据本发明教导的另一实施方式，使用螺钉连接方法、使用螺母和外螺纹的连接
方法以及压縮方法、或者使用分离的连接构件的连接方法，第一端口和第二端口可以连接
到燃料电池系统。 —个或多个实施方式可包括燃料电池系统的燃料供应模块，燃料供应模块包括 燃料循环系统，其沿包括燃料盒的外循环路径循环存储在燃料盒中的燃料；以及燃料传输 单元，将燃料从燃料循环系统传输到外部。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料循环系统可包括循环泵，提供用于抽送存 储在燃料盒中的燃料的动力，使得存储在燃料盒中的燃料沿外循环路径循环；压力调节室， 存储从循环泵供应的燃料，将其内部压力保持在设定压力，并将燃料供应到燃料传输单元; 以及压力调节器，当压力调节室的内部压力达到设定压力时，压力调节器允许燃料被从压 力调节室传输到燃料盒。 根据本发明教导的另一实施方式，循环泵可以根据压力调节器而具有不同的燃料 供应方法。 根据本发明教导的另一实施方式，压力调节室的内部压力可大于燃料传输单元的 外部压力。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料供应模块还可包括缓冲单元，在压力调节
室的内部压力达到设定压力时，缓冲单元减小压力调节室的内部压力的变化。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料供应模块还可包括歧管，燃料循环系统和
燃料传输单元固定到歧管，其中歧管包括所述压力调节室、在燃料循环系统的元件之间的
流动路径以及在燃料循环系统与所述燃料传输单元之间的流动路径。 根据本发明教导的另一实施方式，压力调节器可包括对于流经喷嘴的燃料产生恒 定阻力的喷嘴。 根据本发明教导的另一实施方式，压力调节器可包括在恒定压力以上打开的阀。
根据本发明教导的另一实施方式，歧管可包括盖和缓冲膜，该盖在歧管的一侧并限定一空间以适应根据压力调节室的内部压力的变化而产生的变化，缓冲膜插置在盖与歧 管的该一侧之间以减小压力调节室的内部压力的变化。 根据本发明教导的另一实施方式，循环泵可以是在其中设定其操作以将燃料以恒 定量供应到压力调节室的泵。 根据本发明教导的另一实施方式，循环泵可以是在其中设定其操作以在所选范围 内改变供应到压力调节室的燃料量的泵。 根据本发明教导的另一实施方式，燃料供应模块还可包括测量燃料供应模块的内 部压力的压力传感器。 —个或多个实施方式还可包括一种燃料电池系统，其包括燃料盒、燃料供应模 块、混合器、进给泵和层叠。这里，燃料供应模块和所述燃料盒可以与以上所述的相同。
—个或多个实施方式可包括含有燃料电池系统的电子装置。这里燃料电池系统可 以是以上所述的燃料电池系统。 根据实施方式，循环泵的容量高于普通燃料泵，该循环泵用于快速供应燃料到阀。 因此，可减少自起动时间，可防止自起动失败。 另外，可将燃料相对于燃料供应线的压力变化的流量变化降低至一范围内。换句 话说，具有高压的燃料被经过阀快速喷出，使得相对于燃料供应线的压力变化的燃料变化 可被降低在所选范围内。 此外，可降低燃料流量随燃料盒的阻力和燃料的剩余量的变化。S卩，使用具有较 高容量(capacity)的循环泵，以保持压力调节室的内部压力，从而即使燃料盒的压力由于 燃料盒的位置和存储在燃料盒中的燃料量的变化而变化，从阀供应到混合器的燃料量也不 变。如果燃料量变化，则该变化不影响燃料电池系统的操作，原因在于该变化非常小。
根据本发明教导的另一实施方式，不需要控制燃料浓度和燃料流量的传感器和控 制程序。即，燃料供应速率可以被均匀地保持在关于燃料电池系统中沿流动路径的压力变 化的允许范围内，从而不需要分离的燃料供应速率控制单元诸如用于控制燃料浓度和燃料 流量的传感器以及控制程序。 根据本发明教导的另一实施方式，可供应所需量的燃料，而不通过对阀操作的设 定值来进行控制。即，可供应所需量的燃料，而不通过根据层叠的输出来设定阀的开/关周 期从而分离地控制阀。 根据本发明教导的另一实施方式，可降低燃料电池系统的成本。S卩，不需要供应少 量燃料的高成本微泵，且不需要控制燃料浓度和燃料流量的传感器。可使用低成本阀和泵 来供应燃料，而不是精密泵和传感器，从而降低了燃料电池系统的成本。 根据本发明教导的另一实施方式，低成本阀和泵可广泛用于各种类型的燃料供 应。例如，当多个层叠包括于一个燃料电池系统中时，如果阀包括于每个层叠，则可将所需 量的燃料供应到每个层叠。 本发明教导的其它方案和/或优点将在以下的描述中部分阐述，部分通过描述是 显而易见的或可通过对教导的实践而了解到。


通过结合附图对本发明实施方式的以下描述，本发明的这些和/或其它方案和优点将变得更加清楚且更易于理解，附图中
图1是普通燃料电池系统的方框图； 图2是根据本发明的实施方式的燃料电池系统的方框图； 图3是参考方框图，其解释当压力调节室的内部压力高于图2的燃料电池系统中 的外部压力时可均匀地供应燃料； 图4是详细示出在图2的燃料电池系统中的燃料供应模块的俯视透视图；
图5是图4的燃料供应模块的俯视分解透视图；
图6是图4的燃料供应模块的仰视分解透视图； 图7-9是示出在图2的燃料电池系统中的燃料盒的变形的平面图；
图10-12是示出实验实例1的结果的曲线图；
图13是示出实验实例2的结果的曲线图；以及 图14是示意性地示出根据本发明的实施方式的电子装置的平面图。
具体实施例方式
现在，将详细参考在附图中示出其实例的本发明的实施方式，其中在整个说明书 中相同的附图标记表示相同的元件。通过参考附图在下文描述实施方式以解释本发明。
在以下文中，将参考附图更全面地描述具有燃料循环结构的燃料电池系统、操作 燃料电池系统的方法以及包括该燃料电池系统的电子装置。在图中，为了清晰起见，夸大了 层和区域的尺寸和厚度。 首先，参考图2描述具有燃料循环结构的燃料电池系统。图2是根据本发明的实 施方式的燃料电池系统100的方框图。 参考图2，根据本发明的实施方式的燃料电池系统100(在以下文中，称为系统)包 括层叠40和燃料盒(fuel cartridge) 52。层叠40包括至少一个隔膜电极组件(MEA)并产 生电力，燃料盒52存储将被供应到层叠40的燃料。燃料盒系统100包括一个层叠40。然 而，燃料电池系统100可包括多个层叠40。在该情形下，与供应燃料到层叠40有关的部分 元件或所有元件的数量可以是与层叠40的数量一样多。例如，燃料传输单元的数量可以是 与层叠40的数量相同。燃料盒52可存储高浓度燃料，例如，具有100%浓度的甲醇。燃料 的浓度可低于100%。燃料盒52可至少包括第一端口 52a和第二端口 52b。第一端口 52a 可以是循环的燃料被输入到其中的进口或喷嘴。第二端口 52b可以是燃料通过其从燃料盒 52排出的出口或喷嘴。第一端口 52a还可以用作将燃料从外部注入到燃料盒52的燃料入 口。为了将燃料从外部注入到燃料盒52，除了第一端口 52a和第二端口 52b之外，燃料盒52 可包括分离的燃料注入孔。第一端口 52a可利用螺钉连接方法、使用螺母和外螺纹的连接 方法、以及压縮方法或者使用分离的连接单元而连接到压力调节器50。第一端口 52a可具 有用于在第一端口 52a和压力调节器50之间连接的适当的连接结构。第二端口 52b可使用 上述的连接方法而连接到循环泵54，可具有用于连接的适当的连接结构。第一端口 52a和 第二端口 52b可设置在不同于图2示出的位置处。例如，燃料盒52可包括在其左侧或右侧 的第一端口 52a和第二端口 52b，或燃料盒52可包括同在一侧的第一端口 52a和第二端口 52b两者。另外，分离的燃料注入孔可设置在另一侧。此外，第一端口 52a和第二端口 52b 可凹入地设置在燃料盒52中，代替如图2所示的突出地设置。另外，分离的燃料注入孔可凹入地设置在燃料盒52中。燃料盒52可具有其中包括燃料袋(fuel pouch)的内部结构。 此外，燃料盒52自身可以是燃料袋，将在后文描述该情形的燃料盒52。燃料盒52可具有不 同的形状诸如圆柱形、正方形或平坦形。 系统100还包括设置在层叠40与燃料盒52之间的混合器44和压力调节室48。 混合器44将从燃料盒52供应的高浓度燃料稀释成将被适当地供应到层叠40的低浓度燃 料。因此，在混合器44中利用在层叠40操作期间产生的剩余物稀释供应到混合器44的高 浓度燃料。剩余物是低浓度甲醇，其中水与在层叠40操作期间产生的未反应甲醇混合、经 过反复循环器(recycler)(未示出)并输入到混合器44。 压力调节室48的内部压力保持恒定，压力调节室48将从燃料盒52经过循环泵54 供应的燃料保持在选定压力。压力调节室48可在其中包括用于存储从循环泵54供应的燃 料的燃料存储器或空间。循环泵54插置在第二端口 52b与压力调节室48的燃料进口端 48a之间，并连接到第二端口 52b和燃料进口端48a，其中第二端口 52b是燃料盒52的出口 端。循环泵54接收存储在燃料盒52中的燃料并将燃料供应到压力调节室48。因此，存储 在燃料盒52中的燃料被循环。 压力调节室48的内部压力可大于施加到阀46的出口端46b的压力(在以下文中， 称为外部压力)。例如，当外部压力表示为P2时，P2可以是约-5kPa < P2 <约5kPa，压 力调节室48的内部压力可以保持在高于约150kPa的高恒定级别。从阀46b供应燃料的误 差率可小于±5%。 同样地，由于压力调节室48的内部压力相对较高，所以即使由于燃料盒52的阻力 而使得燃料盒52的压力变化且存储在燃料盒52中的燃料的剩余量变化，而压力调节室48 的内部压力也可以是恒定的。压力调节室48可包括保持压力调节室48的内部压力的构件， 从而保持压力调节室48的内部压力由于外部影响而在可允许的范围内。例如，缓冲膜53可 设置在压力调节室48的外壁上，该缓冲膜53缓冲压力调节室48的内部压力的改变。当操 作循环泵54时，会产生震动，该震动可被传输到压力调节室48，从而改变压力调节室48的 内部压力。这里，部分缓冲膜53由于震动而被移动。S卩，根据震动强度，缓冲膜53的中心 部分可以是凸起或凹入的。当震动消失时，缓冲膜53保持其原始形状。因此，压力调节室 48的内部压力可以是恒定的。压力调节室48包括燃料入口端48a和燃料出口端48b。燃 料出口端48b连接到包括于压力调节室48中的燃料存储器。燃料从循环泵54经过燃料入 口端48a流入压力调节室48，经过燃料出口端48b被供应到阀46的入口端46a。阀46的 入口端46a和压力调节室48的燃料出口端48b可使用螺钉连接方法、采用螺母和外螺纹的 连接方法、以及压縮方法或采用分离的连接单元的连接方法而彼此连接。
从阀46供应到混合器44的高浓度燃料的量可通过调节阀46而被调节。阀46的 调节可根据层叠40的电力产生级别而设定。例如，根据层叠40的电力级别，设定阀46的 开/关次数，因而层叠40中所需的燃料可被均匀地供应到层叠40，而不用分离的传感器诸 如甲醇浓度传感器。阀46插置在混合器44与压力调节室48之间，且例如可以是螺线管阀 (solenoid valve)。 系统100包括插置在层叠40与混合器44之间的进给泵42。进给泵42根据层叠 40的操作将从混合器44供应的稀释燃料供应到层叠40。系统100还包括插置在压力调节 室48与燃料盒52之间的压力调节器50。压力调节器50的一端连接到压力调节室48，压
9力调节器50的另一端连接到第一端口 52a，第一端口 52a是燃料盒52的输入端。压力调节 器50的该一端可连接到包括于压力调节室48中的燃料存储器的出口 。从循环泵54流到 压力调节室48的燃料经过压力调节器50并流到燃料盒52。 考虑到燃料的流动路径，燃料循环路径由循环泵54、压力调节室48、压力调节器 50和燃料盒52形成。另外，燃料循环系统或燃料循环模块可由循环泵54、压力调节室48 和压力调节器50形成，用于循环存储在燃料盒52中的燃料。根据燃料循环系统，阀46可 表示为燃料传输单元，其传输从燃料循环系统供应到外部(即，层叠40)的燃料。
压力调节室48的内部压力可高于压力调节器50的外部压力。压力调节器50可 以是用于将压力调节室48的内部压力增加到所选压力的构件。压力调节器50可以是第一 构件，其允许燃料在高于所选压力下流动，或者可以是第二构件，其允许燃料流动并产生所 选阻力，从而增加压力调节室4S的内部压力。 当压力调节器50是第一构件时，即，压力调节器50允许燃料在高于所选压力下流 动时，在系统100开始操作之后继续循环泵54的操作。这里，由于循环泵54的燃料供应能 力高于普通的燃料泵，所以循环泵54可将具有高于打开压力调节器50的压力的燃料供应 到压力调节室48。因而，压力调节室48的内部压力可增加到用于打开压力调节室50的压 力。当由于循环泵54的连续操作而使得压力调节室48的内部压力是用于打开压力调节器 50的压力时，压力调节器50被打开且燃料可从压力调节室48流到燃料盒52。因此，当在 系统100的制造期间将压力调节室48的内部压力设定为所选值时，压力调节器50可被设 定为在压力调节室48中设定的压力下打开。因此，压力调节室48的内部压力可保持在设 定压力。当压力调节器50是第二构件时，即，压力调节器50允许燃料流动并产生所选阻力
时，从循环泵54均匀地供应到压力调节室48的燃料可经过压力调节器50流到燃料盒52。 然而，由于与流经压力调节器50的燃料有关的所选阻力，经过压力调节器50流到燃料盒52 的燃料的量少于从循环泵54供应到压力调节室48的燃料的量。因此，压力调节室48的内 部压力可增加到设定压力以上。当压力调节室48的内部压力达到设定压力时，关于流经压 力调节器50的燃料的压力调节器50的所选阻力被设定以使得经过压力调节器50排出的 燃料的量等于流入压力调节室48的燃料的量，从而将压力调节室48的内部压力保持在设 定压力。第一构件可以是仅在所选压力或高于所选压力下被打开的阀，例如，可以是止回 阀。第二构件可以是喷嘴，其形成为具有与流经第二构件的燃料有关的所选阻力。当压力调 节器50是第一构件时，循环泵54可被设定为以一范围将燃料供应到压力调节室48。当压 力调节器50是第二构件时，可设定从循环泵54供应到压力调节室48的燃料的量，使得供 应到压力调节室48的燃料的量一致。这里，当压力调节室48的内部压力是设定压力时，在 循环泵54中设定的燃料的供应量可以与经过压力调节器50排出的燃料的量相同。因此， 在压力调节室48的内部压力达到设定压力时，可防止压力调节室48的内部压力持续增加。
在系统100中，存储在燃料盒52中的燃料被循环泵54推进而循环，压力调节室48 保持高于外部压力的压力。因而，燃料供应速度可以被均一地保持，而与燃料盒52的方向 性以及保留在燃料盒52中的燃料的量无关。 另外，由于在压力调节室48保持在高压时燃料经过阀46被快速地喷出，所以可减 少由燃料供给线上的压力偏差(pressure deviation)而引起的喷出量变化。
此外，由于使用循环泵54推进燃料而使燃料从燃料盒52被吸出，所以即使在插置 在循环泵54与燃料盒52之间的燃料供给线中存在气体，气体也会被快速去除。另外，由于 循环泵54的性能高于普通燃料泵，所以燃料可被快速地供应到阀46，从而减少自起动时间 并防止自起动失败。 然后，当压力调节室48的内部压力高于系统100中的外部压力时，从阀46供应到 混合器44的燃料的量可以是均匀的，如将参考图3所描述。 图3是解释在压力调节室48的内部压力高于在图2的系统100中的外部压力时 可均匀地供应燃料的参考图。 参考图3，压力调节室48的内部压力表示为P1，P1被认为是常数。另外，阀46的 出口端46b的面积，即，喷射开口的面积，表示为4，每小时喷出的燃料的量表示为M2 ;出口 端46b的压力，即外部压力，表示为P2。
这里，P1、P2、M2和A2由公式1限定。
公式1 : M =^2/2卩(尸1-尸2) 在公式1中，p表示燃料的密度，例如，甲醇的密度。 当在公式1中P2变化时，Pl或A2可变化从而使M2的值(在公式1的左侧示出的 值)在允许的范围内变化(例如，0.5g/分)。4和燃料的密度P是常数。因而，当P1远 大于P2时，根据P2的变化，M2可以在均匀地保持在预定范围内。 由于图2的系统100中的循环泵54和压力调节器50，压力调节室48的内部压力 Pl远远高于阀46的出口端46b的外部压力P2。因而，虽然外部压力P2变化，但是从阀46 供应到混合器44的燃料的量(即，喷出的燃料的量M》可均匀地保持在允许范围内。
可模块化包括图2的系统100中的阀46、压力调节室48、压力调节器50和循环泵 54的燃料供应系统。图4是示出燃料供应模块的俯视透视图，图5是图4的燃料供应模块 的俯视分解透视图。 参考图4，燃料供应模块包括含有压力调节室的歧管(manifold)80。包括于歧管 80中的压力调节室可相应于压力调节室48。包括于燃料供应模块中的元件被固定到歧管 80。歧管80包括在包括于燃料供应模块中的元件之间的燃料供应路径。压力调节室被盖 82覆盖，该盖82在压力高于或低于设定压力时提供适于压力调节室的压力变化的空间。燃 料供应模块还包括压力调节器84、循环泵86、阀88和压力传感器90。压力调节器84可相 应于压力调节器50，循环泵86可相应于循环泵54，阀88可相应于阀46。循环泵86可使用 第一固定构件87被固定到歧管80，压力传感器90可使用第二固定构件91被固定到歧管 80。 参考图5，橡胶膜92插置在盖82与歧管80之间。橡胶膜92可相应于图2的缓冲 膜53。当压力调节室的压力由于在循环泵86中产生的震动而不同于设定压力时，例如，高 于设定压力时，橡胶膜92可凸出到盖82中。可选地，当压力调节室的压力由于震动而低于 设定的压力时，橡胶膜92可凸出到歧管80中。压力调节器84包括歧管连接构件80a、安 全阀84a、 0-环84b和安全阀固定构件84c。压力调节室的压力可通过安全阀84a而保持 在设定压力。当打开安全阀84a时，燃料可从压力调节室流到燃料盒。燃料供应模块还包括注入喷嘴(injection nozzle)94。具有高压的燃料被从阀88经过注入喷嘴94供应到 混合器44，其中注入喷嘴94连接到混合器44。因而，注入喷嘴94可相应于阀46的出口端 46b。注入喷嘴94可以是阻尼阀。 图6是图4的燃料供应模块的仰视分解透视图。在图6中，未示出阀88。 参考图7-9描述燃料盒52的变形。图7_9是示出在图2的系统100中的燃料盒
52的变形的平面图。 参考图7，燃料盒52包括彼此分隔开的存储空间52c和容纳空间52d。燃料袋57 中的部分燃料被存储在存储空间52c中。容纳空间52d容纳燃料袋57。连接构件52e设置 在插置在存储空间52c与容纳空间52d之间的分隔壁59上。利用螺钉连接方法、使用螺母 和外螺纹的连接方法、及压縮方法、使用分离的连接单元的连接方法或用于连接元件的任 何其它方法，燃料袋57的燃料排出单元57a连接到连接构件52e。该连接方法可被应用到 系统100中的其它元件的连接。第一端口 52a和第二端口 52b连接到燃料盒52中的存储 空间52c。第一端口 52a和第二端口 52b彼此分隔开且沿相同方向设置。第一端口52a和 第二端口 52b可沿不同方向设置，如在图8中所示。燃料盒52可包括连接到燃料袋57的 第三端口 52f，该第三端口 52f作为将燃料喷射到燃料袋57中的口。第三端口 52f可设置 在不同于燃料排出单元57a的位置处，例如，当燃料排出单元57a设置在燃料袋57上方时， 第三端口 52f可设置在燃料排出单元57a下方，第三端口 52f的外表面可暴露于外部。
另外，燃料盒52自身可以是燃料袋57，如参考图9所示。 参考图9，第一端口 52a和第二端口 52b可直接连接到燃料袋57。第一端口 52a和 第二端口 52b如图9所示可沿相同方向设置。然而，第一端口 52a和第二端口 52b的任何 之一可沿不同方向设置。第一端口 52a可用作外部燃料注入孔以将燃料注入到燃料袋57。 然而，燃料袋57可分离地包括第三端口 52f，以从外部经过第三端口 52f将燃料注入。
以下描述在系统100上实施的实施方式。
实验实例1 在实验实例1中，测量由于出口端46b的外部压力P2与压力调节室48的内部压 力之间的差异而引起的从阀46供应到混合器44的燃料的量M2的变化。对图2的包括阀 46、压力调节室48、压力调节器50、燃料盒52和循环泵52的燃料供应系统实施该实验实例 1。在该实验实例1中，层叠40和连接到层叠40的元件(例如进给泵42和反复循环器) 不与燃料供应系统连接，其中水和未反应的甲醇经过该连接到层叠40的元件。根据以下两 种情形实施实验实例1。 一种是在压力调节室48的内部压力是200kPa(在以下文中，称为 情形1)时，另一种是在压力调节室48的内部压力是250kPa(在以下文中，称为情形2)时。 在情形1和2中，外部压力P2从大约2变化到大约13kPa。另外，当燃料供应系统连接到层 叠40时，目标燃料供应量减少一半，使得在实验实例1中目标燃料供应量被设定为O. 15cc/ 分钟。 另外，如在表1中所示地设定燃料供应系统的操作条件。 表l200kPa250kPa
发动机电压(v)2. 45. 4
阀电压(v)1212
喷嘴尺寸1 (mm)0. 10. 2
喷嘴尺寸2 (mm)0. 10. 2
周期(ms)7605000
ON时间(ms)0. 0350. 03 在表1中，"发动机电压"是施加用于操作循环泵54的发动机的电压。"阀电压" 是用于操作阀46的电压。"喷嘴尺寸l"是连接到混合器44的阀46的出口端46b的尺寸。 在图5中注入喷嘴94的尺寸可相应于"喷嘴尺寸1"的尺寸。"喷嘴尺寸2"是包括于压力 调节器50中的喷嘴的尺寸。"周期"表示阀46的开/关周期。"ON时间"表示阀46保持开 启的时间，即，阀46的开启时间。 图10-11是示出实验实例1的结果的曲线图。图10示出了在操作燃料供应系统
时燃料盒52中的燃料剩余量根据阀46的出口端46b外部压力而产生的变化。 参考图IO，根据外部压力的变化，燃料盒52中燃料的剩余量不断减少。 根据在图10中示出的结果，由燃料盒52消耗的燃料量是常数，而与阀46的出口
端46b的外部压力无关。该结果表示从阀46喷出的燃料量是恒定的，而与阀46的出口端
46b的外部压力无关，如还在图11中所示。 图11示出了在操作燃料供应系统时，根据从阀46的出口端46b的外部压力变化， 从阀46的出口端46b喷出的燃料的量M2的变化。 参照图11，根据从阀46的出口端46b的外部压力变化，从阀46的出口端46b喷出 的燃料量M2保持大约0. 15cc/分钟不变。在图11中示出的结果表示从阀46的出口端46b 喷出的燃料量M2的每单位时间的变化速率是恒定的，而与阀46的出口端46b的外部压力 无关。换句话说，经过阀46供应燃料的速度是恒定的，与阀46的出口端46b的外部压力无关。 根据图10和11示出的结果，当使用燃料供应系统时，可供应恒定量的燃料，与外 部压力无关。 图12是示出通过测量在燃料供应系统中消耗的燃料的积累量或者喷出的燃料的 积累量的变化与时间的关系而获得的结果的曲线图。在图12中示出的结果通过测量燃料 系统的性能14个小时而获得。参考图12，消耗的燃料的积累量(喷出的燃料的积累量)随 时间均匀增加。根据在图12中示出的结果，尽管长时间使用燃料供应系统，也能根据图10 和图ll观察出均匀的结果。即，尽管长时间使用燃料供应系统，存储在燃料盒52中的燃料 以均匀的比率减少，经过阀46喷出的燃料量还可以是恒定的。
实验实例2
在实验实例2中，在包括实验实例1中使用的燃料供应系统的图2的燃料电池系 统100上实施实验，S卩，正常操作。实施实验实例2长于15个小时。在该实验中，在实验实 例1中使用的燃料供应系统连接到层叠40和连接到层叠40的元件，例如，诸如空气泵、进 给泵和反复循环器的其它剩余元件。在实验实例2的燃料电池系统中，不使用反馈控制，在 设定之后初始流动值不变。 图13是示出实验实例2的结果的曲线图。在图13中的G1表示层叠40的输出； G2表示在燃料盒52中的燃料减少；G3表示从阀46喷出的燃料12的流速(cc/分钟)，即， 经过阀46供应到混合器44的燃料量的流速(cc/分钟)；G4表示供应到层叠40的燃料的 浓度的变化。竖直轴表示层叠功率(stack power)，第一至第三竖直轴LA1-LA3分别表示燃 料盒52的重量g、甲醇浓度M和流速(cc/分钟)。 参考图13，燃料流速和燃料浓度在允许范围内长时间保持恒定。另外，燃料盒52
的燃料减少速率随时间不变。 现在，将描述系统100的操作。 返回参考图2，当压力调节室48的压力由于循环泵54的操作而达到设定压力时， 存储在燃料盒52中的高浓度燃料依次在循环泵54、压力调节室48、压力调节器50和燃料 盒52中循环。在该燃料循环中，根据压力调节器50的组成，循环泵54的抽吸形式可变化。 例如，当喷嘴设置在压力调节器50的燃料出口侧，该喷嘴具有一尺寸以具有与流经喷嘴的 燃料有关的阻力时，循环泵54可以恒定流量将燃料供应到压力调节室48。此外，当产生所 选压力的阀(即，在所选压力下打开的阀)设置在压力调节器50的燃料出口中时，循环泵 54可将供应到压力调节室48的燃料量调节到特定范围内。 同样地，在循环燃料时，燃料经过压力调节室48的燃料出口端48b被供应到阀46。 阀46根据基于层叠40的输出而预先设定的开/关时间而将高浓度燃料供应到混合器44。 混合器44将从阀46供应的高浓度燃料与层叠40产生电力期间所产生的残留物混合，从而 产生具有适于被供应到层叠40的浓度的燃料。在混合器44中产生的燃料被供应到进给泵 42。进给泵42将从混合器44接收的燃料供应到层叠40。 图14是示意性地示出根据实施方式的电子装置200的平面图。参考图14，电子装 置200包括主体200A和供应电力到主体200A的电源200B。电子装置200可以是家庭电子
产品或便携式电子产品，例如，数字家用电器、便携式电子器件、通信器件或便携式显示器。 主体200A可进一步包括电池(battery)。这里，电池产生电力或操作的原理可与电源200B 的不同。例如，电池可被充以电力。电源200B可以是燃料电池系统，例如，图2的系统100， 电源200B可以是外部的。 应该理解，在此描述的示例性实施方式应该仅以描述性含义被理解且不用于对器 件的限制。例如，可包括连接到压力调节室48的分离式压力缓冲器件，来替代包括用于缓 冲压力调节室48的压力变化的缓冲膜53和橡胶膜92。另外，燃料供应模块可被分为两个 模块。此外，在使用低浓度燃料盒时，可应用燃料供应模块。因此，虽然已经参考本发明的 实施方式特别示出并描述了本发明的构思，但是将理解在不脱离权利要求书的精神和范围 下可以在此进行形式和细节的变化。 本申请要求享有2008年12月30日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请 No. 10-2008-0137165的权益，在此结合其全部公开作为参考。
权利要求
一种包括在燃料电池系统中的燃料盒，所述燃料盒包括至少两个端口，其中该至少两个端口中的第一端口是燃料进口，该至少两个端口中的第二端口是燃料出口。
2. 根据权利要求1所述的燃料盒，还包括从所述燃料电池系统的外部注入燃料的第三端口。
3. 根据权利要求l所述的燃料盒，还包括燃料袋。
4. 根据权利要求1所述的燃料盒，还包括用于容纳所述燃料袋的容纳空间和用于存储 所述燃料袋中的燃料的存储空间。
5. 根据权利要求4所述的燃料盒，其中所述第一端口和所述第二端口连接到所述存储 空间。
6. 根据权利要求3所述的燃料盒，其中所述燃料袋是一次性袋或者是能被再填充燃料 的袋。
7. 根据权利要求4所述的燃料盒，其中容纳在所述容纳空间中的所述燃料袋是一次性 袋或者是能被再填充燃料的袋。
8. 根据权利要求4所述的燃料盒，还包括分隔壁和连接构件，该分隔壁插置在所述容 纳空间与所述存储空间之间，该连接构件形成在所述分隔壁上以连接容纳于所述容纳空间 中的所述燃料袋与所述存储空间。
9. 根据权利要求l所述的燃料盒，其中所述第一端口和所述第二端口沿相同方向设置。
10. 根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述第一端口是燃料通过其从所述燃料电池 系统的内部流入所述燃料盒的入口以及所述燃料通过其从所述燃料电池系统的外部被注 入的入口。
11. 根据权利要求3所述的燃料盒，还包括第三端口 ，该第三端口用于将燃料从所述燃 料电池系统的外部注入并且该第三端口连接到所述燃料袋。
12. 根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述燃料盒是燃料袋。
13. 根据权利要求1所述的燃料盒，其中利用螺钉连接方法、使用螺母和外螺纹的连接 方法以及压縮方法、或者使用分离的连接构件的连接方法，将所述第一端口和所述第二端 口连接到所述燃料电池系统。
14. 根据权利要求2所述的燃料盒，其中所述燃料盒是燃料袋。
15. 根据权利要求3所述的燃料盒，其中所述第一端口和所述第二端口直接连接到所 述燃料袋。
16. 根据权利要求1所述的燃料盒，其中所述第一端口和所述第二端口沿不同的方向 设置。
17. —种燃料电池系统的燃料供应模块，所述燃料供应模块包括 燃料循环系统，其沿包括燃料盒的外循环路径循环存储在所述燃料盒中的燃料；以及 燃料传输单元，将所述燃料从所述燃料循环系统传输到所述燃料电池系统的外部。
18. 根据权利要求17所述的燃料供应模块，其中所述燃料循环系统包括循环泵，提供抽送所述燃料的动力，使得存储在所述燃料盒中的燃料沿所述外循环路 径循环；压力调节室，存储从所述循环泵供应的所述燃料，将所述压力调节室的内部压力保持在设定压力，将所述燃料供应到所述燃料传输单元；以及压力调节器，当所述压力调节室的内部压力达到所述设定压力时，所述压力调节器允 许所述燃料从所述压力调节室被传输到所述燃料盒。
19. 根据权利要求17所述的燃料供应模块，其中所述燃料传输单元是阀。
20. 根据权利要求18所述的燃料供应模块，其中所述循环泵根据所述压力调节器而具 有不同的燃料供应方法。
21. 根据权利要求18所述的燃料供应模块，其中所述压力调节室的内部压力大于所述 燃料传输单元的外部压力。
22. 根据权利要求18所述的燃料供应模块，还包括缓冲单元，在所述压力调节室的所 述内部压力达到所述设定压力时，所述缓冲单元减小所述压力调节室的所述内部压力的变 化。
23. 根据权利要求18所述的燃料供应模块，还包括歧管，所述燃料循环系统和所述燃 料传输单元固定到所述歧管，其中所述歧管包括所述压力调节室、在所述燃料循环系统的 元件之间的流动路径以及在所述燃料循环系统与所述燃料传输单元之间的流动路径。
24. 根据权利要求18所述的燃料供应模块，其中所述压力调节器包括喷嘴，该喷嘴对 于流经所述喷嘴的燃料产生恒定阻力。
25. 根据权利要求18所述的燃料供应模块，其中所述压力调节器包括在恒定压力以上 打开的安全阀。
26. 根据权利要求23所述的燃料供应模块，其中所述歧管包括盖和缓冲膜，该盖在所 述歧管的一侧并限定一空间以适应所述压力调节室的所述内部压力的变化，所述缓冲膜插 置在所述盖与所述歧管的所述一侧之间以减小所述压力调节室的所述内部压力的变化。
27. 根据权利要求24所述的燃料供应模块，其中所述循环泵被设定为以恒定量将所述 燃料供应到所述压力调节室。
28. 根据权利要求25所述的燃料供应模块，其中所述循环泵被设定为在所选范围内改 变供应到所述压力调节室的所述燃料的量。
29. 根据权利要求23所述的燃料供应模块，还包括测量所述燃料供应模块的内部压力 的压力传感器。
30. 根据权利要求23所述的燃料供应模块，其中所述压力调节器还包括歧管连接构 件、0-形环和安全阀固定构件。
31. —种燃料电池系统，包括燃料盒、燃料供应模块、混合器、进给泵和至少一个层 叠，其中所述燃料供应模块包括燃料循环系统和燃料传输单元，所述燃料循环系统沿包括 所述燃料盒的外循环路径循环存储在所述燃料盒中的燃料，所述燃料传输单元将所述燃料 从所述燃料循环系统传输到所述燃料电池系统的外部。
32. 根据权利要求31所述的燃料电池系统，其中所述燃料盒包括至少两个端口，其中 所述至少两个端口中的第一端口是燃料进口 ，所述至少两个端口中的第二端口是燃料出 □。
33. 根据权利要求31所述的燃料电池系统，其中所述燃料盒是燃料袋。
34. 根据权利要求31所述的燃料电池系统，其中所述至少一个层叠包括至少一个隔膜 电极组件。
35. 根据权利要求31所述的燃料电池系统，其中所述混合器将从所述燃料盒供应的高 浓度燃料稀释成将被供应到所述层叠的低浓度燃料。
36. —种包括燃料电池系统的电子装置，其中所述燃料电池系统包括燃料盒、燃料供 应模块、混合器、进给泵和至少一个层叠，其中所述燃料供应模块包括燃料循环系统和燃料 传输单元，所述燃料循环系统沿包括所述燃料盒的外循环路径循环存储在所述燃料盒中的 燃料，所述燃料传输单元将所述燃料从所述燃料循环系统传输到所述燃料电池系统的外 部。
37. 根据权利要求36所述的电子装置，其中所述燃料盒包括至少两个端口 ，其中所述 至少两个端口中的第一端口是燃料进口 ，所述至少两个端口中的第二端口是燃料出口 。
38. 根据权利要求36所述的电子装置，其中所述燃料盒是燃料袋。
39. 根据权利要求36所述的电子装置，其中所述至少一个层叠包括至少一个隔膜电极 组件。
40. —种燃料电池系统，包括 至少一个层叠；以及燃料盒，存储即将被供应到所述至少一个层叠的燃料并连接到压力调节室，所述压力 调节室插置在所述至少一个层叠与所述燃料盒之间，其中所述燃料盒通过位于所述燃料盒 上的第一端口和第二端口连接到所述压力调节室。
41. 根据权利要求40所述的燃料电池系统，还包括位于所述燃料盒与所述压力调节室 之间的循环泵，其中所述循环泵接收存储在所述燃料盒中的燃料并将所述燃料供应到所述 压力调节室。
42. 根据权利要求41所述的燃料电池系统，还包括插置在所述压力调节室与混合器之 间的阀，其中所述混合器将从所述燃料盒供应的高浓度燃料稀释成即将被供应到所述层叠 的低浓度燃料。
43. 根据权利要求42所述的燃料电池系统，还包括插置在所述至少一个层叠与所述混 合器之间的进给泵，其中所述进给泵将从所述混合器供应的被稀释的燃料供应到所述至少一个层叠。
44. 根据权利要求42所述的燃料电池系统，其中所述阀、所述压力调节室和所述循环 泵是形成燃料供应模块的单个单元的一部分。
45. 根据权利要求44所述的燃料电池系统，其中当使用低浓度燃料盒时利用所述燃料 供应模块。
全文摘要
本发明提供一种具有燃料循环结构的燃料电池系统及其操作方法和包括该燃料电池系统的电子装置。在包括燃料盒和燃料供应模块的燃料电池系统中，燃料盒包括至少两个端口，其中该至少两个端口中的第一端口是燃料入口，该至少两个端口中的第二端口是燃料出口。燃料盒还可包括燃料袋或燃料盒自身可以是燃料袋。燃料供应模块可包括在燃料供应到层叠之前循环燃料的燃料循环结构。该燃料电池系统可被配备于电子装置中并用作电源。
文档编号H01M8/02GK101771157SQ200910266209
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者尹相浩, 赵慧贞, 郑永秀 申请人:三星Sdi株式会社