本发明所述的主题(subject matter)部分涉及燃料电池的燃料输送 系统。本发明所述的主题还涉及含有改进的燃料输送系统的燃料电池。 本发明所述的主题还涉及可联接到燃料输送系统和/或燃料电池上的燃 料盒。

燃料电池是直接将反应物(即燃料和氧化剂)的化学能转化成电 的电化学器件。对于越来越多的用途而言，燃料电池比传统的发电(例 如化石燃料的燃烧)更有效，比便携式蓄电池(例如锂离子电池)更 方便。尽管甲醇和氢由于其高比能而越来越多地被采用，但可以在燃 料电池中使用几种不同材料。

燃料电池通过将燃料和氧化剂电化学转化以产生电力和反应产物 来运转。这些器件通常包含位于两个电极之间的电解质。使用电催化 剂在电极上引发电化学反应。固体聚合物燃料电池使用包含位于电极 层之间的固体聚合物电解质或质子交换膜(PEM)的膜电极装置。

一些反应物已知用在通过液流或气流输送的PEM燃料电池中。氧 化剂流例如可以是纯氧气或空气。燃料流通常可以是纯氢气、氢化物、 酸、或液体有机燃料混合物。直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接液体 进料燃料电池的一种类型，其中用作燃料的液体甲醇在阳极直接氧化。 在阳极产生的氢离子穿过膜并与阴极侧上的氧和电子结合以产生水。 电子不能穿过膜，因此通过外电路(其驱动消耗电池产生的电力的电 负载)从阳极流到阴极。

在DMFC中，燃料是甲醇或水和甲醇的混合物。将甲醇或甲醇混 合物以液体形式输送到DMFC的阳极室中，在此作为将燃料电化学转 变成电的一部分，将甲醇氧化。直接甲醇燃料电池的半电池反应通过 下式给出：

阳极：CH3OH+H2O→CO2+6e-+6H+

阴极：6e-+6H++3/2O2→3H2O

整体：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O

并入便携式器件电源中的燃料电池可以保证比传统电池系统更长 的运行时间，因为它们采用高能含量燃料。目前正在开发数种燃料电 池技术以在便携式电能应用中商业化，例如甲醇、甲酸、硼氢化钠、 燃料电池和氢聚合物电解质膜燃料电池。然而，为了促进燃料电池在 便携式电能应用中的广泛使用，仍要求改进燃料电池盒以及燃料电池 输送系统。

发明概述

一方面，用在燃料电池中的燃料盒包含可位于燃料容器中的燃料 储器以通过联接装置将燃料分配到燃料电池中。所述储器可以包含带 有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面，位于前壁中并可通过联接装 置连接到燃料电池上的燃料出口。在一些变体中，燃料储器通过燃料 电池的燃料供给回路分配燃料。

燃料盒可以是单壁的，或者其可以是多壁的以使其在分隔的室中 存放燃料。储器可以根据所需用途容纳多种燃料量，包括但不限于，1 毫升至10升燃料，并在一些变体中，20至500毫升燃料。

燃料可以是液体燃料、气体燃料、雾化燃料、固体燃料、或它们 的组合。例如，燃料可以是选自甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、二甲氧 基甲烷(DMM)、三甲氧基甲烷(TMM)、三噁烷、甲酸、甲醛、丁 烷、丙烷、甲烷、丙烯、乙烯、丙醇、乙二醇、它们与水的混合物、 它们与酸的混合物或它们与碱的混合物的烃燃料。

所述储器可以具有多种形状，包括，例如，矩形、棱形、盒形、 圆柱形和/或管形。在一些变体中，储器可以由选自冲压铝、塑料、复 合材料和基本不与容纳的燃料反应的任何材料的材料制成。储器可以 包括柔韧或可形变部分和/或刚性部分。在一些构造下，储器可以在其 至少一部分上由波纹形材料构成以提供可压缩/可膨胀波纹管以从中排 出燃料。

储器可以包含连续表面以容纳燃料，在其前壁上带有燃料出口。 此外或或者，储器可以包含位于刚性外壳内的挠性体积限定室和/或在 燃料出口处的阀以在未与燃料输送系统相连时密封储器。这种阀可以， 例如，是选自下列的单向阀：电机械驱动阀、球形止回阀、针阀(例 如含有要被伸长元件穿透的接收元件的阀)、飞机燃料补给阀、或机械 驱动阀。

燃料盒可以包括可移动屏障以在不使用时覆盖燃料出口。这种可 移动屏障可以具有拉环(tab)部分并与保护标准激光打印盒的密封件 类似地滑动穿过燃料出口面，或其可以是完全可移开的(例如金属食 品容器盖)。在一些变体中，储器包含防护元件以防止影响其中所含的 燃料。

储器可以包括在燃料出口处的锁紧部件以将燃料盒固定到联接装 置上。这种锁紧部件可以选自机械锁紧装置、摩擦锁紧装置或机械抑 制装置。机械锁紧装置可以选自：接合销钉、速断锁、螺纹、制动锁 或弹簧加载锁。摩擦锁紧装置可以是O-环。机械抑制装置可以是与联 接装置上相应的阴或阳组件啮合的阳或阴锁紧装置。

在一些变体中，燃料盒还可以配有联接传感器以检测其与联接装 置之间的联接。例如，联接传感器可以选自：安装在燃料盒外壳上并 在燃料盒与联接装置啮合时启动的微型开关、在燃料盒与联接装置啮 合时启动的磁开关、与燃料盒的金属部分接触的一对电触点、或又选 自光传感器的光检测传感器。

燃料盒还可以包含至少一个正压引发元件以从中分配燃料，该元 件选自燃料盒内部的内压供应元件、机械力引发元件或它们的组合。 内压供应元件可以包含添加到燃料中的高蒸汽压烃。如果所用燃料是 甲醇，高蒸汽压烃可以选自丁烷、二甲醚或丙烷。机械力供应元件可 以选自：可使用至少一个选自弹簧、螺杆、发动机、气压或液压的传 动元件操作的活塞；一部分储器外壳和弹性体泡沫料。

燃料盒内的燃料可以通过重力、扩散或通过毛细作用从盒中排出。 这种毛细力可以由盒内具有恒定孔隙率的泡沫体或具有孔隙率梯度 (这能够通过燃料出口附近的毛细力提高来实现燃料转移)的泡沫体 提供。或者或此外，毛细力可以由具有恒定孔隙率或具有孔隙率梯度 以在开孔附近提高毛细力的芯吸元件(例如毛毡、纤维、织物和泡沫 体)提供。在另一变体中，可以通过位于燃料盒内并可在该盒的燃料 出口处选择性筛选(例如，去除，过滤或可分离)以防止其进入联接 装置的一种或多种粘弹性流体提供毛细力。在再一变体中，可以通过 位于容器内的一个或多个毛细管和/或内压提供毛细力。

燃料可以通过盒内的气体移出或排出，将排气元件合并到该盒上。 该盒可以包含一个或多个气体储存元件以储存与燃料分隔的推进剂。 这种气体储存元件可以包含囊袋(bladder)、袋子、可膨胀容器、可破 裂胶囊、分隔气体和燃料的活塞，和与压力响应阀相联的隔室。该盒 还可以或或者包含释放装置以便在达到预定值时释放盒内的压力。释 放装置可以是在达到预定压力水平时可打开的阀，包括安装在该盒开 孔内的压敏橡皮塞、置于燃料内以减慢从盒中释放出燃料的速度的泡 沫或胶凝剂、和/或压敏排气口或选择性渗透膜。

燃料盒可以包含计量元件以控制燃料从中排出的速率。计量元件 可以选自测量口、多孔材料、位于燃料出口的多孔元件、位于容器出 口的芯吸材料和限流阀。

燃料出口可以选自：与燃料电池连接的一个或多个管、位于燃料 盒外部并可与其相联的芯吸材料、两个或两个以上同心或同轴管以使 部分或全部燃料流循环通过燃料盒、和两个或两个以上使燃料离开和 使气体和/或液体进入的管。

在一些变体中，燃料盒可以配置成联接到底座(docking station) 上。在这种变体中，燃料盒可以包含定位元件以将该盒固定在底座密 封面上。定位元件可以选自：用于圆柱盒的插销型锁和用于气溶胶罐 型盒的可粘附连接的模制塑料端盖。样品模制塑料端盖可以包含能够 夹紧并转动以选择性接合或脱离底座密封面的元件。样品插销节可以 包含安全元件并对脱离具有高扭矩要求。此外，插销节可以是销槽(pin and notch)型装置，其中销或槽位于盒外表面上并与燃料底座密封面 上相应的槽或销啮合。

在另一方面，用在燃料电池中的燃料盒可以包含可位于燃料容器 中的燃料储器以通过联接装置将燃料分配到燃料电池的燃料供给回路 中，该储器包含带有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面、位于前壁 中并可通过联接装置与燃料电池连接的燃料出口，其中通过选自毛细 作用元件、机械力元件、内气压或其组合的至少一种实现燃料排出。

毛细作用元件可以包括泡沫体、气凝胶、多孔陶瓷、孔径大小朝 燃料出口递减的多孔硅和/或毛细管中的至少一种。泡沫体可以具有孔 隙率为50％至99％的开孔结构，并可以包含亲水并与燃料相容的材料。 泡沫体可以例如是孔隙率为60至80孔/英寸的聚氨酯泡沫。泡沫体可 以是楔形的并被压入盒内以实现在燃料出口附近具有较小孔隙的渐变 孔隙率。可以将孔隙小于泡沫孔隙的丸粒穿过燃料出口插入泡沫孔隙 中。

泡沫体可以包含具有不同孔隙率的多个泡沫块。每一较接近燃料 出口的泡沫块均具有比前一泡沫块小的孔径。可以以这种构造设置多 个泡沫块，例如2至100个泡沫块。在一些变体中，泡沫块包含以环 形或同心方式提供的具有不同孔隙率的泡沫，最小孔隙的泡沫位于中 心并连接到燃料出口上。在其它变体中，泡沫块可以包含插入具有较 大孔径的弹性泡沫中的圆锥形泡沫件，由此压缩最接近出口的弹性泡 沫中的泡沫孔隙。可以将毛细管插入具有不同孔隙率的一个或多个泡 沫块中，以便能够朝燃料出口逐渐提高毛细力。

在一些变体中，毛细作用元件使用位于盒内且越接近盒的燃料出 口就具有越小孔隙的开孔泡沫填料或芯吸材料以朝其燃料出口逐渐提 高毛细力，从而朝燃料出口产生更高的燃料毛细拉力。

燃料盒还可以包含高蒸汽压烃(例如丁烷)以提供正压力来从燃 料出口排出燃料。可以与高蒸汽压烃结合使用泡沫材料以实现朝燃料 出口渐高的毛细力。

在另一方面，用在燃料电池中的燃料盒可以包含可位于燃料容器 中的燃料储器以通过联接装置将燃料分配到燃料电池中。该储器可以 包含带有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面、位于前壁中并可通过 联接装置与燃料供给回路连接的燃料出口。该外壳可以具有朝一个末 端的开孔和朝与该开孔相反的末端的尾端件，在开孔上配备联锁元件 以将盒固定到联接装置上，该尾端件可用燃料相容性粘合材料固定到 外壳上或可与其构成整体。

在再一方面，燃料盒可以包含可位于燃料容器中的燃料储器以通 过联接装置将燃料分配到燃料电池的燃料供给回路中。该储器可以包 含带有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面、位于前壁中并可通过联 接装置与燃料供给回路连接的燃料出口，和容纳燃料和推进剂的分立 容器。

这种储器可以包含带有囊袋的铝容器以分隔加压气体和燃料。在 其它变体中，储器可以包含用于分隔加压气体和燃料的活塞。运动检 测元件可用于计算活塞运动以测定，例如，储器中剩余的燃料量。运 动检测元件可通过磁、通过电容、感应地或通过声学或类似方式检测 运动。燃料可以是甲醇，加压气体可以是二氧化碳或惰性气体。

在进一步方面，燃料盒可以包含可位于燃料容器中的燃料储器以 通过联接装置将燃料分配到燃料电池的燃料供给回路中，其中该储器 包含带有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面、位于前壁中并可通过 联接装置与燃料供给回路连接的燃料出口，其中该盒包含一个或多个 加固元件以防止其鼓胀(bulging)。该加固元件可以与相应的位于盒对 接狭槽上的一个或多个加固元件协作和/或可以包含位于盒内表面上的 一个或多个肋条。

在再一方面，与燃料电池一起使用的燃料盒可以包含可位于燃料 容器中的燃料储器以通过联接装置将燃料分配到燃料电池的燃料供给 回路中，其中该储器包含带有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面、 位于前壁中并可通过联接装置与燃料供给回路连接的燃料出口，其中 该盒带有一个或多个需要与位于盒底座中的一个或多个相应闭锁装置 啮合的机械构件。

机械构件可以包含位于盒外表面上并可与位于盒对接狭槽的内表 面上一个或多个切口配合的一个或多个凹槽，和/或位于盒外表面上并 可与位于盒对接狭槽的内表面上的一个或多个凹槽配合的隆起，和/或 位于盒外表面上并可与位于盒对接狭槽的内表面上的一个或多个隆起 和一个或多个凹槽配合的一个或多个凹槽和一个或多个隆起。该机械 构件可以包含切口、销、隆起、孔或其它凸起以使其能够装入并与盒 底座中相应的孔接合。

在另一方面，燃料盒可以包含可位于燃料容器中的燃料储器以通 过联接装置将燃料分配到燃料电池的燃料供给回路中，其中该储器包 含带有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面、位于前壁中并可通过联 接装置与燃料供给回路连接的燃料出口，且其中该盒可通过一个或多 个压力引发元件经由壁中的开孔启动以从中排出燃料。

燃料可以包含在波纹管或囊袋中，且盒外壳配有一个或多个与该 波纹管或囊袋接触并可通过传动元件启动的板或活塞以压下波纹管或 囊袋并由此通过盒的燃料出口排出燃料。传动元件可以包含一个或多 个可通过位于盒外壳上的一个或多个槽与一个或多个板或活塞相联的 外弹簧。可以使用板簧、螺旋弹簧、钢丝弹簧和/或任何其它储能构造。

传动元件可以包括弹簧和柱塞元件的组合(柱塞元件与板或活塞 实际接触以压下波纹管或囊袋并由此通过燃料出口排出燃料)，和/或可 通过旋转电机和螺杆驱动的带螺纹的活动杆，由此推动盒内的一个或 多个板或活塞并由此压下波纹管，从而产生外部机械加压。

压力引发元件可以包含在盒内的装有燃料的囊袋、位于盒上的小 外部孔和密封件，由此压在燃料电池的密封面上以提供加压空气。密 封件可以是O-形环。

通过外部电源元件驱动泵。泵可以是活塞或隔膜型泵。压力引发 元件可以包括位于燃料中的一种或多种烃以对该盒加压。这种烃可作 为在燃料中的混合物使用，且该盒可以进一步包含用于分隔盒内的燃 料和烃的分隔元件。追加的烃可以储存在包含燃料的囊袋外部和/或储 存在位于包含燃料的囊袋内的气球中并用于对囊袋加压。

在另一方面，用于燃料电池的燃料盒可以包含可位于燃料容器中 的燃料储器以通过联接装置将燃料分配到燃料电池中，其中该储器包 含带有前壁和后壁的外壳、外表面和内表面、位于前壁中并可通过联 接装置与燃料电池连接的燃料出口，可连接到流体加压元件上的流体 入口。

在一些变体中，该盒可以进一步包含包住燃料的囊袋，且其中通 过流体入口在囊袋和燃料储器内表面之间引入加压流。可以在储器的 前壁和后壁之一中用塞子密封流体入口。在另一变体中，该盒可以包 含在储器后壁中的塞子和位于塞子和燃料出口之间的活塞。如果使用 活塞，该盒可以进一步包含或联接到用于监测活塞运动的位置传感器 上。可以将处理器联接到位置传感器上以根据活塞位置估算处理器内 的燃料量。此外，在一些变体中，水通过流体入口和燃料出口循环通 过储器。

在另一方面，燃料盒可以包含配置成与燃料电池联接的外壳、外 壳上的孔、外壳上用于从燃料源接收燃料的入口、和与孔中的入口隔 离的用于将燃料输送给燃料电池的出口。

在进一步方面，装置可以包含构成燃料储器的外壳，和在第一位 置释放燃料储器内的燃料并在第二位置保持燃料储器内的燃料的弹簧 驱动阀，其中弹簧驱动阀包括用于将阀保持在第二位置的偏置元件和 在将燃料容器联接到燃料电池上时用于与外部元件接合以与偏置元件 相反地使阀转到第一位置的接合部件。

在再进一步方面，燃料电池的燃料输送系统可以包含燃料容器、 联接装置、进料子系统、燃料处理子系统和控制子系统。进料子系统 可以联接到联接装置上并输送和控制从联接装置到燃料处理子系统的 燃料流。可以通过控制子系统经由电磁阀控制进料子系统，该电磁阀 通过控制系统和泵连接。这种泵可以选自蠕动泵、活塞泵、压电泵或 旋转泵。

进料子系统可以包含燃料浓度传感器以测定输送到燃料处理子系 统中的燃料的浓度。浓度传感器可以在内部、外部或内部和外部的组 合连接到进料子系统上。联接元件可以连接在容器和进料子系统之间 的进料管道中以测定与联接装置相联的容器的存在。联接检测元件可 以来自：包含微型开关的电开关、磁开关、近程传感器、光学器件或 压力传感器。

进料子系统可以包含止回阀、虹吸管或泵以从与其流体相联接的 空气系统中回收水。进料子系统可以联接到燃料处理系统上以在燃料 暴露在阳极中之前预处理阳极燃料流中的燃料。燃料预处理子系统可 以包含选自贮槽或选择性渗透膜的元件以从燃料电池中去除二氧化 碳。处理子系统可以包含加热元件以使燃料保持在预定温度。这种加 热元件可以选自：热交换器、蒸发器、蒸发冷却元件、电阻加热器、 陶瓷加热器、催化加热元件、燃料电池的传热部件、或它们的任意组 合。

燃料处理系统可以包含滤器以去除燃料中的杂质。滤器可以是可 透膜或屏障。在一些变体中，提供气化元件以使燃料气化和/或提供重 整元件以从燃料中离解氢。控制系统可以电连接、RF连接、或IR连 接到联接装置、容器、进料子系统、燃料处理子系统上以监测从中接 收的指示其操作的信号，此后发出校正或修改信号以调节其性能。此 外，控制系统可以连接到外部用户界面上，从而将关于燃料输送系统 性能的信息发送给用户。

可以提供电源元件以对控制系统提供动力并选自燃料电池、太阳 能电池、外接电池或它们的组合。在一些变体中，控制系统可以包含 反馈元件以向其提供燃料输送系统运行的反馈。联接装置可以包含由 位于外壳内的活塞和弹簧构成的蓄压器。可以在偏压下调节弹簧以保 持对离开的燃料流的恒定压力。

联接装置可以带有与蓄压器和控制系统相联接并配置成使燃料流 以单向方式从联接装置流出并进入蓄压器的3通电磁阀。3通电磁阀可 以连接到用于控制该电磁阀的控制系统上。

另一方面，燃料电池的燃料输送系统包含用于将燃料输送到燃料 回路中的燃料容器和第一、第二和第三活塞。当在其中加入液体时， 第一活塞能够驱动至少一个其它活塞。在第一活塞填满并在其排空时， 第二活塞能够围绕燃料回路泵送燃料和水溶液。第三活塞能够将水从 水回收系统泵送到燃料回路中。

燃料输送系统还可以包含用于收集和储存从废气冷凝物中回收的 水的贮槽。在其它变体中，可以包括盒底座——可以将燃料容器插入 该底座。可以包括弹簧或其它偏置元件，例如可偏斜或可再定位以接 合并固定燃料容器的板或钢丝型弹簧。弹簧可以由硬化金属、碳纤维、 塑料或陶瓷制成。或者，盒底座可以包含位于其外表面上的偏置插入 (plunging)元件以固定燃料容器。在再一备选方案中，盒底座可以包 含可通过旋转电机和螺杆驱动的带螺纹的活动杆以固定燃料容器。

盒底座可以包含至少一个加固元件以防止燃料容器在插入其中时 鼓胀。加固元件可以包含在盒底座外表面上的平行肋条。此外，可以 在燃料容器内部提供肋条并与底座上的肋条垂直。在一些变体中，盒 底座可以包含光滑的壁和锥度以取出燃料容器。

燃料容器可以具有多种构造，包括装有燃料的囊袋，其在容器上 带有小的外部孔和密封件以在其中提供外部机械加压。这种密封件可 以是位于燃料容器上并与燃料电池的密封面和用于发送加压泵的操作 信号的联锁装置接触的O-形环。

燃料容器可以包含一个或多个联接元件以与盒底座联接。联接元 件可以包含位于燃料盒上的一个或多个隆起、凹槽、切口、销、凹陷 (depression)、图案和位于盒底座上的相应的接合部件。可以在盒底座 上发现complimentary features。

燃料输送系统还可以包含含有一个或多个阀或泵的燃料处理子系 统以将燃料输送到燃料电池组中。还可以或或者包含浓度传感器，在 其中提供该浓度传感器以监测电性质、燃料的浓度值和性能。在一些 变体中，燃料输送系统可以包含将燃料混入阳极进料流中的进料子系 统，其将燃料输送到燃料电池的阳极侧和/或可以将燃料高速加入燃料 回路中以促进湍流，从而通过扩散混合。燃料可以通过重力、扩散、 毛细作用或外压输送到燃料回路中。

可以提供传感元件以检测燃料容器内的燃料量和燃料流速。任选 地，排空元件可以连接到燃料容器上。排空元件可以包含，例如，施 加机械力的活塞，其包括燃料电池外壳的一部分和偏动弹簧或泡沫胶。

燃料输送系统可以包括联接装置——其将燃料从燃料容器输送到 燃料电池中并牢固联接到燃料容器上以防止燃料或燃料蒸气泄漏到相 邻环境中。相关地，燃料容器可以配置成将推进气体容纳在容器中以 便在将燃料输送给联接装置时推进剂不会与燃料混合或扩散且不会通 入燃料电池中。

在另一方面，保持燃料电池盒内部正压的方法可以包括在燃料电 池盒中添加高蒸汽压烃。在一些变体中，该方法可以进一步包括将高 蒸汽压烃与燃料混合并包含在燃料到达燃料电池组之前将燃料容器中 的气体与液体分隔的分隔元件。该方法可以包括通过高蒸汽压烃将储 存在燃料容器内的包含燃料的囊袋加压。在再一变体中，该方法可以 包括将高蒸汽压烃储存在包含燃料的燃料容器中所含的囊袋外部。

本发明所述的主题提供了许多优点。例如，其提供了用在燃料电 池中的改进的燃料输送系统，其能够改进并控制进入燃料电池的燃料 输送速率。此外，本主题提供了在没有任何外部压力源的情况下保持 燃料盒内部正压的方法。此外，本主题能够使燃料电池克服与由于烃 燃料的内部蒸汽压而升高的温度有关的问题。

本发明所述的主题还提供了对伪造猖獗的传统燃料盒问题的解决 方案。在进一步优点中，提供在使燃料盒尺寸和成本最小化的同时提 高燃料储器容量的燃料盒。

附图描述

图1是燃料输送系统的第一变体的示意图。

图2A和2B描述了各种类型的燃料盒构造。

图3是显示将燃料引入燃料供给或燃料回路/燃料电池回路中的燃 料盒的变体的示意图。

图4是燃料输送系统的第二变体的示意图。

图5是与圆柱形燃料容器结合使用的联接装置的示意图。

图6是带有模制塑料端盖的圆柱形燃料容器的示意图。

图7是燃料输送系统的第三变体的示意图。

图8是燃料输送系统的第四变体的示意图。

图9是包含具有渐变孔隙率的泡沫的燃料容器示意图。

图10是用结构肋加固的盒的示意图。

图11A是燃料容器和燃料容器底座的第一变体的示意图。

图11B是燃料容器和燃料容器底座的第二变体的示意图。

图12A是燃料容器的第一变体的示意图。

图12B至图12E显示了燃料容器和燃料容器底座的进一步变体。

图13是具有密封面的燃料容器的变体的示意图。

图14A至图14F显示了下述变体——其中朝燃料容器的开孔提供 越来越高的毛细力。

图15A至图15C显示了下述变体——其中燃料中追加的烃提高了 燃料盒内的压力。

图16A是使用计量泵的燃料输送系统的示意图。

图16B是隔膜泵的示意图。

图16C是使用囊袋的泵的示意图。

图17是与燃料盒接合的联接装置示意图。

图18A是含有可对容器内的燃料加压的囊袋的容器的第一变体的 示意图。

图18B是含有可对容器内的燃料加压的推进流体的容器的第一变 体的示意图。

图18C是含有可对容器内的燃料加压的活塞的容器的第一变体的 示意图。

图19A是含有可对容器内的燃料加压的囊袋的容器的第二变体的 示意图。

图19B含有可对容器内的燃料加压的推进流体的容器的第二变体 的示意图。

图19C是含有可对容器内的燃料加压的活塞的容器的第二变体的 示意图。

图20是含有选择性提供燃料的阀的容器的示意图。

发明详述

现在参照示例性附图详细描述本发明所述的主题。尽管下列段落 主要涉及直接甲醇进料燃料电池，但技术人员会认识到，本发明所述 的主题也可用于其它液体、固体、蒸气或气溶胶进料燃料电池装置以 及其它燃料，包括乙醇、甲醛、甲酸、硼氢化物和其它烃燃料。

参照图1，燃料容器1可以连接到联接装置2上，后者又可以连接 到燃料进料子系统3上。燃料进料子系统可以通过燃料处理子系统4 连接到燃料电池组6上。燃料流径可以遵循燃料输送中的上述路径。 所有上述元件可以连接到监测并控制燃料输送系统的运行的控制子系 统5上。控制子系统还可以连接到燃料电池组6、空气输送系统7、电 源元件(例如电池或电容器)9和一个或多个由燃料电池提供动力的器 件10上。

在图1中，燃料容器1可以成形成容纳燃料电池的运行所需的燃 料。在示例性特征中，容器1可以储存1毫升至10升燃料，并在一些 变体中，储存20-500毫升燃料。燃料可以是液体、气体、固体或它们 的组合。燃料可以包含适用于为燃料电池提供动力的烃燃料，例如甲 醇、乙醇、二甲醚(DME)、二甲氧基甲烷(DMM)、三甲氧基甲烷 (TMM)、三噁烷、甲酸、甲醛、丁烷、丙烷、甲烷、丙烯、乙烯、 丙醇、醇、乙二醇、或与水和/或酸和碱的混合物。燃料还可以是氨或 任何其它氢气载体。或者，燃料可以基本包含化学氢化物，例如硼氢 化钠，或其可以是化学氢化物与烃燃料的组合。

燃料容器1可以是单壁燃料容器，或多壁燃料容器，其可以存放 一种以上分隔在不同的燃料隔室中的燃料。例如，如果燃料容器1与 甲醇燃料电池连接使用，一个隔室可以存放甲醇，另一个隔室可以存 放水。

燃料电池容器1可以是矩形、棱形、盒形、管形或任何其它形状， 只要其能够连接到联接装置2上。优选地，容器1由具有足以容纳燃 料的结构完整性的轻型低成本材料制成。示例性材料包括，如冲压铝 的金属、塑料、复合材料和基本不与容纳的燃料反应的其它材料。本 领域普通技术人员会认识到，容器1可以以各种方式禁锢燃料，例如 用连续表面(密封容器)、在非密封容器内的囊袋、或固定和运动的连 续表面(管内的活塞)。容器1可以是刚性的，或其可以是柔韧/可形变 的。可以使容器1的一部分或全部呈波纹状以提供可压缩/可膨胀波纹 管，从而使用容器上的压力将燃料从容器1中排出，或可以具有薄壁 部分(例如囊袋或小袋)，该部分可以压缩以挤出燃料。容器1的结构 组件可以由多种材料制成，只要这些材料不会污染燃料或以其它方式 影响容器1内的任何催化剂或组分。

本发明所述主题的燃料输送系统可以包括联接装置2以将容器1 连接到燃料电池上，从而输送燃料。联接装置2牢固地联接燃料盒8 以防止燃料或燃料蒸气泄漏到与燃料电池相邻的环境中。这种密封可 以如下实现：在其中加入当容器1未连接到燃料电池上时密封的阀， 或使用单向阀以防止材料流出联接装置2。可用的阀包括“速断”阀(例 如用于飞机燃料补给的那些阀)、机械驱动阀、电机械驱动阀、球阀、 或针阀(例如用于密封运动器材球类的阀)。容器1还可以带有可移除 的粘合剂或屏障以在其船运或储存过程中覆盖其上的燃料出口，该粘 合剂或屏障可以被联接装置2上的元件移除或穿透，从而使燃料流出。 联接装置2还可以使用密封件(例如O-形环或弹性膜)以防止燃料不 合意地从联接装置中漏出。联接装置2可以配置成防止盒8联接之后 的疏忽或不合意的脱离，因为这种情况的发生会中断燃料电池的操作 并可能导致燃料释放到联接装置2周围的环境中。可以使用数种装置 实现这一结果，包括机械锁紧装置，例如接合销钉、速断锁、螺纹、 制动锁(包括弹簧加载锁)。

盒8还可以使用摩擦装置固定，例如O-形环或机械限制器(盒后 方的锁——例如在膝上型电脑的外壳中)。联接装置2可以配有监测盒 8与联接装置2之间的联接的元件。元件包括位于容器1或联接装置2 上(完成电路)的微型开关、或磁开关，所有这些均在将盒8进给到 联接装置2上时启动。此外，连接检测装置还可以通过检测联接装置2 内的光源强度来启动。

进料子系统3可以联接到联接装置2上并主要用于输送并控制来 自联接装置2和盒8并进入燃料处理子系统4的燃料。进料子系统3 可以带有燃料浓度传感器以检测输送给燃料处理子系统4的燃料的浓 度。或者，进料子系统3可以与外部燃料浓度传感器相连。根据燃料 电池所用的燃料，传感器可以是如美国专利6,254,748、6,303,244盒 6,306,285中所述的甲醇传感器，所有这些专利均经此引用并入本文。 浓度传感器还可以测量燃料的电性质或燃料电池的性能以通过将测量 结果与已知浓度值进行比较来确定浓度(例如，通过测量电压、电流 和温度)。浓度传感器还可以使用光传感器(使用衍射、吸收、折射率 和强度测量结果)或通过测量密度来测定浓度值。进料子系统3还可 以将燃料混入阳极进料流，其将燃料(例如水与甲醇的混合物)输送 到燃料电池的阳极侧。进料子系统3可以如图1中所示循环，或在燃 料仅朝阳极流动的情况下不循环。

进料子系统3可以配置成去除燃料电池中的气泡。这种去除可以 使用带有透气膜或可选择性地从该系统中清除二氧化碳和/或其它气体 的其它阀或膜的贮槽实现。进料子系统3可以配置成检测燃料容器1 内的燃料量和/或测定多少燃料已经通过燃料子系统3，并更具体地， 测定燃料容器1何时排空。可以通过多种机制测定燃料量，包括检测 是否有气体离开容器1、检测容器1内气体的蒸汽压、测量通过进料系 统3(通过流量计或其它装置，监测燃料电池性能、监测容器1的重量、 任选监测容器1的透射和/或反射性能及其内容物，或在容器1上提供 视觉上透明或半透明的窗口)的燃料量。可以使用燃料(例如有色燃 料)、不如燃料稠密的液体(例如有色液体)，通过浮动泡沫或固体来 辅助这些变化的测定。进料子系统3可以类似地使用各种装置通过数 出泵振荡或循环数(在此，泵泵送出几乎标准量的燃料)、通过数出流 量计的转数、通过测量燃料流的电容、通过光学检测(尤其是如果将 燃料着色时)、或通过以磁方式检测磁化装置(例如活塞)的在容器1 内的位置，来检测多少燃料已经通过该子系统。

可以将燃料混入通过进料子系统3输送燃料的阳极进料流中。可 以将燃料(例如水与甲醇的混合物)输送到燃料电池的阳极侧。进料 子系统3可以是循环系统，或非循环系统，例如在燃料仅朝阳极流动 时的非循环系统。在最初将燃料加入阳极进料流中之后充分进行甲醇 的混合以实现最佳混合。可以通过产生湍流或以其它方式用于将进料 流旋转、脉动、振动或充气的混合装置进行混合。燃料还可以通过T 型接头加入，其中燃料在与稀释燃料流垂直的角度加入。在一些变体 中，将气体加入阳极流以搅动该流，从而确保燃料充分混合在水中。 燃料可以高速引入或以其它方式注入进料流中以促进湍流，并因此仅 通过扩散实现更有效的混合，由此提高燃料电池的功率容量。

在一个变体中，进料子系统3，而非联接装置2，测定与联接装置 2联接的容器1的存在。与上述关于联接装置2所述类似地，可以通过 数种不同的技术测定容器1的存在，这些技术包括，电开关(即微型 开关，其中将容器1置于联接装置2中完成了电路)、用于感测容器1 的如电感或电容的性质的电性质传感器、测量如反射率、透射系数、 反射系数的光学性质的光学器件、只有在检测到预定光图案时才启动 燃料电池的光学安全器件(例如条形码扫描器)、或检测来自容器1的 进料管道中的压力的压力传感器，例如压力传感器或机械压力驱动开 关。

在与液体进料燃料电池一起使用的燃料盒的情况下，进料子系统3 可以从与进料子系统3流体相联的空气系统7中回收水以最大程度降 低容器1内需要储存的液体量，并由此使容器1的尺寸最小化。在另 一变体中，水可以通过空气系统7和进料子系统3之间的止回阀、虹 吸管、或通过泵循环。泵可以是旋转泵、蠕动泵、压电泵或活塞泵(其 中可以使用螺线管产生活塞运动)、由受压源(例如容器1，通过使用 受压燃料或推进气体驱动活塞或旋转泵，或通过喷射泵、夹带的气泡 或射流技术泵送燃料，由此不再需要单独的电、磁或收缩泵并能够产 生更简单的系统)或外部能源提供动力的泵。可以使用如旋转泵、蠕 动泵、压电泵或活塞泵(其中可以使用螺线管产生活塞运动)的泵使 阳极进料流在燃料电池内循环。泵还可以由如容器1的受压源或通过 外部能源提供动力。

燃料处理子系统4可以联接到进料子系统3上以在燃料暴露在阳 极中之前在阳极燃料流中对燃料进行预处理步骤。在另一变体中，燃 料处理子系统4可以联接到进料子系统3上以在燃料暴露在阳极中之 前预处理阳极燃料流中的燃料。燃料处理子系统4发挥一种或多种下 列作用：(i)从阳极燃料流中去除二氧化碳；(ii)加热阳极燃料流； (iii)去除燃料中的杂质；(iv)将燃料雾化(在一些变体中)；(v)将 进料流气化；和/或(vi)从燃料流中离解氢离子。可以使用贮槽或选 择性渗透膜去除二氧化碳。可以使用各种传热装置(例如热交换器、 蒸发器、蒸发冷却元件、或它们的组合)将燃料保持在预定温度。

需要时可以使用传统方法进行燃料加热，例如电阻加热器、陶瓷 加热器、(通过与催化剂的反应化学进行)、或通过与通常在60℃和更 高温度运行的燃料电池的热部位进行热交换。使用滤器(例如泡沫体、 多孔陶瓷、纤维和其它网孔材料)，或通过可透膜或屏障去除杂质。在 将雾化燃料输送给燃料电池组的那些燃料电池中，燃料处理系统包括 雾化器(例如参见美国专利US6,440,594，其内容经此引用并入本文)。 燃料处理子系统4还可以通过加热或闪蒸(当系统内的压力低于燃料 的蒸汽压时)使燃料气化。燃料处理系统4还可以配置成使用重整器 将氢从燃料中离解。

燃料输送系统还可以包括用于控制和/或监测系统中组件的各种参 数的控制子系统5。控制子系统5可以电联接到燃料输送系统内的所有 主要组件上，从而使指示组件操作参数的信号可以被控制子系统5接 收，控制子系统5可以发送启动信号以改变或以其它方式调节各个组 件的性能。控制子系统5还可以联接到用户界面上，从而将关于燃料 输送系统内的组件性能的信息发送给用户。控制子系统5可以由燃料 电池，或由外部电源(例如电池9、太阳能电池、电容器，或它们的组 合)提供动力。在一个变体中，燃料输送系统可以通过从指示燃料量 的至少一个传感器接收信号并将这种信息发送给界面，从而为燃料电 池用户提供指示燃料电池内燃料量的信号。控制子系统5可以设置成 使其为燃料输送系统内的组件提供反馈以确保操作在预定参数内。

图2A显示了可用在本发明所述主题的燃料输送系统中的燃料盒 的各种类型。图2B显示了从容器1向联接装置2输送燃料的示例性方 法。在操作过程中，可以在不中断的情况下输送为燃料电池提供动力 的燃料。如图2A中所示，燃料可以输送到燃料电池的联接装置2上。 在一些变体中，容器1内的燃料在压力下，以便在容器1打开时，内 部的燃料会流向容器开孔。容器的内压可以是由于：(i)燃料内的压缩 气体(例如CO2)或惰性气体；(ii)使用室温下的蒸汽压大于大气压 的燃料(例如丁烷)；(iii)提供室温下的蒸汽压大于大气压的液体(可 与燃料混溶或不可与燃料混溶)(例如丁烷)，(iv)当容器内的压力降 至当前值(例如20psig)以下时打开的压力响应阀，其中阀的开启释 放出气体或导致材料破裂并反应以放出气体(例如CO2)，或(v)通 过燃料的局部或完全加热提高燃料温度(在一些变体中，使用电阻加 热器(在容器外部或内部)、热力电力冷却器/加热器或感应加热线圈(在 金属容器的情况下)产生热)。

在带有泡沫的盒中，和在没有提供其它力来使燃料移向盒开孔或 由此甚至移向燃料电池组的构造中，盒8内部的正压是有用的。保持 燃料盒内部正压的一种方法可以是在燃料中添加追加的高蒸汽压烃。 追加的烃的蒸汽压通常足够高以在正常环境温度下为气态。追加的烃 材料不应该对燃料电池组分(例如催化剂)有害，且任选地，该烃材 料可用作燃料。对于直接甲醇进料燃料电池，可以使用丁烷。丁烷在 一种气氛中具有-0.5℃的沸点，在室温下具有大约45psia或30psig的 蒸汽压，其是可用的但不是超压。既适用于加压又适合作为燃料的其 它烃类包括二甲醚或丙烷。

在一个变体中，使用机械力代替或补充容器1中的内压，以从容 器1中排出燃料。可以通过位于容器1内并配置成降低燃料储存体积 的活塞提供这种机械力。活塞可以使用传统技术移动，包括使用弹簧、 螺杆、发动机、气体力学或水力学，其中活塞驱动器可以在容器1的 内部或外部。如果容器是柔韧的或可形变的，例如囊袋、波纹管、小 袋等，可以使用机械力压缩容器。机械力的例子可以包括外部构件， 例如活塞，在操作过程中储存燃料电池并可以被偏动弹簧或如泡沫体 的弹性体压缩的外壳部分。此外，可以配置容器1以使其内储存的燃 料不会被手或市售器具(例如圆珠笔或回形针)乱动或漏出。

在一个变体中，通过重力、扩散、或通过毛细作用(或借助于毛 细作用)，将燃料输送到联接装置2中。可以提供使液体移向容器1的 开孔的毛细力，并可以由于：(i)容器1内具有恒定孔隙率或与燃料相 比具有孔隙率梯度移提高开孔附近的毛细力的泡沫体，(ii)燃料容器1 内的粘弹性流体(其可以在开孔处选择性筛选移防止进入联接装置2)； (iii)芯吸材料(例如毛毡、纤维、织物或泡沫体)或(iv)在容器1 内的一个或多个毛细管。可以通过毛细力与内压以及外压的结合，可 以实现从容器1中排出燃料。总压力可以足以从毛细材料中排出液体， 且如果使用气体，气体可以在不会首先从容器1中漏出的情况下排出 液体。在一个变体中，可以在容器1中或在燃料输送系统的任何位置 加入排气口以在已经将燃料从容器1中排出之后实现排气，或作为压 力安全阀。

可以将燃料加入联接装置2中以降低或消除燃料输送系统中对泵 或其它压力源的需求。在液体甲醇进料燃料电池的情况下，可以加入 燃料以最有效地与水混合以产生可以最好地与燃料电池膜电极组件相 互作用的溶液。燃料可以通过一个或多个孔或通道注入以在燃料进料 流中产生湍流或对流。或者或结合地，通过联接装置2从容器1中加 入该系统中的燃料可以被加压，或容器1可以包括推进气体，以使出 自容器1的燃料卸料转向或以其它方式为使燃料进料流循环的泵提供 动力。这种装置可以提供大于纯扩散系统的每表面积功率，并且其可 以消除或减少对电、磁、蠕动或收缩泵的需求，这种需求提高了燃料 输送系统的成本、尺寸和复杂性。

在其它变体中，容器1可以配置成将推进剂(例如气体)容纳在 容器1中，以在将燃料输送给联接装置2时推进剂不会与燃料混合或 扩散且不会通入燃料电池中。推进剂可以通过数种不同的机制储存， 包括(i)与传统气溶胶输送装置所用类似的在容器1内的袋子或囊袋； (ii)储存压缩材料的可膨胀容器(例如含有压缩气体的气球)；(iii) 在袋子或囊袋外部的可破裂胶囊；(iv)分隔气体和液体的活塞；(v) 与压力响应阀相联的隔室；或(vi)包住燃料(只要推进剂相对于燃料 不是惰性的)。

在一些燃料电池中，根据燃料输送方法，需要限制离开容器1的 燃料速率。示例性的限制器包括测量口、容器内的多孔材料、在容器 开孔处的多孔元件、在开孔处的芯吸材料、限流阀等。还可以通过限 定燃料输送泵的操作参数来控制该流。这种限制器确保对于一致的操 作在以燃料电池所需的速度输送燃料的同时燃料不会意外地从容器1 中泄漏到联接装置2的外部(也就是说，对于直接甲醇燃料电池，0.4 毫升/小时/瓦特至20毫升/小时/瓦特的流速是足够的)。

在另一变体中，容器1可以包含释放装置以在压力超过预定值时 释放容器1内的压力。一种这样的释放装置可以是在达到预定值时打 开的阀，例如安装在容器开孔内的压敏橡胶塞(其是吹胀的 (blown-out))。另一装置可以包括在燃料内的如泡沫体或胶凝剂的材料， 其减缓从容器开孔中释放出燃料的速度，和/或在液体燃料的情况下， 减缓燃料的气化速度。

在本发明所述主题的燃料输送系统的操作中，可以通过(i)连接 到燃料电池上的一个或多个管；(ii)装在联接装置中的芯吸材料(其 可以与燃料电池内的燃料回路相连)；(iii)使部分或所有燃料流(例如 在水中的稀释甲醇)循环通过容器的两个管(这可以是两个分离的管， 它们可以同心或同轴)；或(iv)使燃料离开和使气体和/或液体进入的 两个管，从容器1中排出燃料。

燃料输送系统也可以将燃料盒牢固固定在底座密封面上。在圆柱 盒的情况下，可以使用需要弯曲90°以锁紧的插销型锁。在如图6中 所示的气溶胶圆柱体71的情况下，可以粘附或机械连接模制塑料端盖 72，该盖72具有使其能够被夹紧并转动的元件。插销节69可以如下： 脱离所需的扭矩足够高以产生预防儿童开启的特征。这种插销节可以 具有各种类型，例如销槽(pin and notch)型装置，且阳或阴部件可以 在盒上。

在本发明所述的主题的方法中，可以通过如电磁阀11(图3)的 阀或在从控制子系统5接收到信号时通过电传动打开的其它传动装置， 或通过如蠕动泵、活塞泵、压电泵或旋转泵的泵，启动流体流。除了 从盒8向电池组6或燃料处理子系统4转移燃料外，这些阀和泵还可 用于在拆下盒8时防止燃料流出联接装置2。还可以使用多种具有不同 毛细作用和表面性质的泡沫、毛毡或织物实现燃料转移。

控制系统5能够控制本发明所述主题的燃料输送系统内不同组件 的各种参数。控制系统5可以电联接到燃料输送系统内的主要组件上 以接收指示组件操作参数的信号。控制子系统5然后发送歘嘟哝信号 以改变/调节各个组件的性能。控制子系统5还可以联接到用户界面上， 以将关于燃料输送系统内的组件性能的信息发送给用户。控制子系统5 可以由燃料电池本身，或外部电源(例如电池9、太阳能电池、电容器， 或它们的组合)提供动力。

图4显示了燃料输送系统内的各种组件。在图4中描绘了容器1、 联接装置2、燃料电池组6、空气系统7、回水管道12、控制子系统5。 容器1可以在冲压铝容器中含有20至500毫升净甲醇。容器1可以含 有主体圆柱部分和圆顶端。容器1可以具有足够的结构完整性以在不 形变的情况下承受高度加压(例如100psig)的内容物。

图5是联接到气溶胶容器61上的联接装置2的另一变体示意图。 维度“B”的机械插销62与容器1的一部分接合以将容器1牢固固定 在联接装置2的表面C上。可以提供长度为A的管63以通过将表面C 压下距离D(其是使例如2立方厘米/分钟的最少量的甲醇离开所需的 最小距离)来活化阴气溶胶罐阀65的可移动密封面64。垫圈66可以 将管63与阀体65密封；由此防止甲醇泄漏到管膛径63中，并在管63 抽回时重新密封容器1。

图6是可用于储存燃料的气溶胶罐容器61的示意图。容器61可 以包含带有朝一个末端的开孔67的外壳66，和朝与开孔67相反的末 端的塑料尾端件68。开孔67可以包含插销型锁69以将容器61固定到 联接装置2上。尾端件68可以通过与燃料和水相容的粘合材料固定到 外壳66上或其可以与其构成整体。

图7中显示了与液体甲醇进料燃料电池一起使用的燃料输送系统 的另一变体。可以提供冲压铝的容器，其包含囊袋81以分隔加压气体 82和甲醇83。加压气体82可以是环境友好的气体，例如二氧化碳， 以最大程度减少处置问题。如图5所示和如上所述的联接装置2可用 于与容器1联接。联接装置2又可以联接到外壳87内的包含活塞85 和弹簧86的蓄压器84。可以选择弹簧86的偏压以保持对离开的甲醇 流的相对恒定压力。还可以将3通电磁阀81联接到蓄压器84和控制 子系统85上，并配置成使甲醇83从联接装置2中流入和流出蓄压器 84。此外，可以通过控制子系统5控制3通电磁阀。限流器88可以控 制排出到电池组9的燃料供给回路中的甲醇82的速率。可以与燃料供 给回路相联地提供甲醇传感器83a以根据甲醇浓度向控制系统5提供 电压信号。控制系统5可以将甲醇传感器信号与浓度值相联，并且只 要甲醇浓度降至低于预定值，就将启动信号传送给螺线管81a。这种变 体提供了对甲醇进料速率和压力的增强的控制，一种失效保护防漏系 统，因为在任一位置的螺线管故障防止泄漏出燃料电池或在燃料回路 内部产生推进气体的超压，并可以计数每次活塞启动以更精确地估算 容器中剩余的燃料量。

图8显示了燃料输送系统的另一变体，其包括容器1、联接装置2、 控制系统5和与图7所示的变体结合使用的甲醇传感器91。在图8所 示的变体中，提供串联的三个或三个以上装弹簧或以其它方式偏置的 连接活塞P1、P2、P3。当从加压容器1向其中加入液体时，第一活塞 P1可以驱动其它两个活塞P2、P3。第二活塞P2可以围绕燃料供给回 路泵送甲醇+H2O溶液并是双动式，因此在第一活塞P1填满和在其排 空时第二活塞P2均可以进行泵送。第三活塞可以将贮槽93中蓄积的 来自空气系统94的水回收的蓄积H2O泵送到燃料回路中。贮槽93配 置成收集并储存从空气供应系统94的废气冷凝物中回收的水。如果 “H2O补充”管道内的压力超过预定值(例如当来自燃料回路的水损 耗低于试图补充的水时)，压力释放阀95可以将水导回贮槽93。此外， 可以提供多个止回阀V1、V2、V3、V4、V5、V6，它们可以与活塞构 成整体(例如挡板阀)，并控制回流并使液体如预期那样循环。图8的 变体提供了失效保护系统，其在不存在该盒时防止甲醇回流出燃料电 池，或在电磁阀失灵并留在一个位置时防止在燃料电池中产生超压。 此外，可以通过将活塞冲程数与容器中剩余的甲醇联系起来以测定燃 料量。此外，该系统可以使用推进气压驱动燃料回路循环泵，由此去 除单独的电驱动泵。该变体还可以根据空气系统的设计使用第三活塞 P3以消除对水补充泵的需求。

容器1可以使用泡沫体16毛细管作用和气压的组合以排出甲醇。 如果容器1垂直取向，则容器1中可用的泡沫体必须具有足够的毛细 力以将燃料提升至开孔。然而，已知的是，毛细力产生“抑制 (holdback)”，即燃料保持被捕获且不能被去除。在本发明所述的主题 中，使用朝开孔渐高的毛细力克服或最大程度降低这种“抑制”。在一 些变体中，泡沫是防爆的并可用于降低与容器1内的燃料引燃有关的 附带损害。这可以通过数种不同的方法实现，其中一些在图9和图15A 至15F中描绘。

例如，可以使用孔径大小递减的泡沫体或使用泡沫体和毛细管实 现盒内朝开孔渐高的毛细力。该泡沫体可以包含具有孔隙率为50％至 99％的开孔结构并且亲水和与燃料相容的材料。甲醇的示例性材料包括 聚氨酯泡沫，例如聚醚或聚酯型聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫可以是毡合 的、网状的或毡合的网状泡沫。如果该泡沫毡合，其可以具有大约3∶1 的压缩比，并可以通过施加足量的热量和压力以将泡沫压缩至其原始 厚度的一部分(例如原始厚度的1/3)来制造。毡合泡沫提供了具有提 高的毛细作用的较小孔隙(例如60至80孔/英寸)。可以使用具有类似 特征的其它材料以提供更高的毛细力，包括气凝胶、多孔陶瓷、多孔 硅以及其它表现出毛细作用的微米和纳米材料。这些材料可以使用光 刻法、纳米印刻阀、x-射线技术(例如LIGA)并由适合的生物材料制 造。

在图14A中，可以使用相容并以楔形成形的泡沫体21。楔形在插 入固定尺寸的容器22时产生渐大的孔隙压缩，以使最接近开孔23的 孔隙最小(即具有最高的毛细力)。图14A中所示的变体包括在将泡沫 体21插入容器22之前泡沫体21和盒容器22的展开图，以及在泡沫 体21插入其中之后燃料盒容器22的示意图，其表现出朝开孔23尺寸 越来越小的孔隙24，和朝与开孔23相反的容器末端尺寸越来越大的孔 隙。

图14B是另一变体的示意图，其中可以通过加入至少两个泡沫块 21a、21b、21c、21d朝盒容器22的开孔23实现渐增的孔隙压缩。较 接近开孔23的每一泡沫块(例如部分)具有比前一泡沫块小的孔径。 因此，在图14B中，泡沫块21a具有比泡沫块21b小的孔径。类似地， 泡沫块21b具有比泡沫块21c小的孔径，诸如此类。可以使用许多泡 沫块21a、21b、21c、21d，通常2至100个。在一些变体中，使用3 至4个泡沫块21a、21b、21c、21d以实现渐变的孔隙压缩。

在图14C中，可以通过以环形或同心方式设置具有不同孔隙率的 泡沫体21a、21b、21c、21d来实现朝开孔23渐变的孔隙压缩，最小 孔隙的泡沫体位于中心并连接到开孔23上。

在图14D中显示了另一变体，其包括插入具有较大孔径的弹性泡 沫21b中的圆锥形泡沫件21a，由此压缩最接近楔形的弹性泡沫21b中 的泡沫孔隙，由此降低其在盒容器22内的尺寸(参看例如图14E)。

图14F描绘了使用插入泡沫体21中的小内径毛细管实现朝盒容器 22的开孔23渐增的毛细力的另一方法。毛细管25的内径可以足够小 以导致毛细力能够在盒22垂直取向时将燃料提升至开孔23，但是可以 更小。毛细管25可以由亲水并与燃料相容的任何材料制成。玻璃毛细 管的优点在于，它们容易获得、廉价且惰性。例子是内径为0.1毫米的 玻璃毛细管。

可以通过泵(例如活塞、压电隔膜盒等)或通过连续毛细通道将 到达开孔23的燃料输送到燃料电池组9中。进料子系统3可以包括电 磁阀，其由控制系统5电启动并配置成能够在甲醇浓度非常低时使甲 醇流入燃料电池进料流3中。联接到进料子系统3上的控制系统5感 测燃料电池组(或所选电池)的电压、电流和温度状况并使用积分算 法或“查阅(look up)”表将其与达到该状况所需的甲醇浓度联系起来， 随后在甲醇浓度过低时向螺线管发送启动信号。

在图9中所示的示例性变体中，可以在盒22中使用开孔泡沫填料 或其它芯吸材料21，并可以包含越接近盒容器22的开孔23就越小的 孔隙，从而与盒22内部的高蒸汽压烃一起朝开孔23产生更大的燃料 拉力，并由此提供迫使燃料从开孔23进入位于燃料输送系统中的燃料 电池中的正压力。可以迫使具有基本均匀的孔隙密度24的楔形泡沫件 21进入容器22，由此有效产生接近开孔23的较小孔隙(未标示)，由 此在图9的变体中实现渐变的孔隙率。

在另一变体中，可以在泡沫体21中并通过开孔23插入孔隙27小 于泡沫体21的孔隙的丸粒26。追加的烃可以是丁烷，其可以是与蒸汽 压为2.7psia的甲醇燃料相比在室温下具有大约45psia的蒸汽压的丁 烷。此外，丁烷对于甲醇燃料电池的操作是无害的。可以添加充足的 丁烷以克服最小孔隙泡沫体/芯吸材料的毛细吸持力。既适用于加压又 适合作为燃料源的其它烃包括，例如，二甲醚或丙烷。

在图10所示的一个变体中，盒112可以通过盒对接狭槽111联接 到燃料电池上，其可以加固以承受任何鼓胀或其它外部压力。可以提 供光滑的滑动内壁113和非常微量的锥度以助于通过开孔110取出盒 112。在图10的变体中，可以使用位于其外表面115上的一个或多个 肋条114实现盒对接狭槽111的加固。在另一变体中，还可以在盒内 部117中提供与对接狭槽肋条114垂直的肋条116以增强对接狭槽111 内的抗鼓胀性。加固的盒底座可以具有其它形式以接合带有非棱柱形 外壳的盒。

在图11A中所示的变体中，盒121可以包含在底座122中具有附 送(complimentary)相应锁的一个或多个机械构件。在图11A的所示 变体中，盒121可以带有位于其外表面123上的一个或多个凹槽G1以 与位于盒底座122的内表面124中的一个或多个相应的隆起R1啮合。 类似地，盒底座122可以带有位于其内表面124上的凹槽G2，其能够 接合到位于盒121的外表面123上的隆起R2。也可以结合这两种变体 以避免使用假冒的盒。在图11B的变体中，位于盒121上的机械构件 可以包括切口N、销P、隆起R、孔H、或其它凸起以使其能够嵌入并 与盒底座122中相应的孔125，125a接合。

可以在盒容器中使用波纹管或囊袋以容纳燃料和抵着囊袋的板或 活塞，囊袋在例如狭槽或孔的情况下经由开孔被外弹簧或活化器压下。 如图13A至13F中所示，外弹簧或活化器可以留在底座(在其中插入 盒)中并作为其组成部分。

图12A是可以在其至少一个前表面133上包含一个或多个狭槽132 的盒131变体的示意图。可以将狭槽成形以接合位于盒底座(未标示) 内部的外弹簧/活化器(未标示)并在位于其中的板/活塞上压下，板/ 活塞又在包含燃料并包含在盒容器内的波纹管或囊袋上压下。

图12B和13C中所示的变体显示了可以实现棱形盒的外部机械盒 加压的方法。盒131可以在其内表面上包含金属板134，其在盒131 插入盒底座135中时通过一个或多个弹簧136的作用推下，并对位于 盒容器131内部的波纹管/囊袋137加压。弹簧可以是板或钢丝型弹簧， 其能够偏斜以接合盒131，然后压在金属板134上。板134可以由硬化 金属制成，尽管也可以使用如碳纤维或塑料或陶瓷的其它材料。可以 在盒131的一个或多个侧面上提供一个或多个狭槽132以使弹簧136 能够压下板134。

在图12D中，弹簧136可以压下外部柱塞138。弹簧136可以是 板簧或线圈类型，且可以在盒容器131的任何表面上提供柱塞138。柱 塞138又可以压下板134，由此在波纹管137上提供外部机械加压。

在图12E中所示的变体中，可以通过旋转电机M和滚珠螺杆S驱 动带螺纹的活动杆139，从而在盒131内的板或活塞134上加压。板或 活塞134可以在盒131的任何表面上。活动杆的这种运动可以压下板 并因此压下波纹管137，由此导致外部机械加压。

参照图13，可以在具有中心孔149的容器141中提供装有燃料的 囊袋142。可以在容器141中提供小的外部孔143和密封件144。将盒 141插入燃料电池中，并随后迫使加压空气在囊袋142和容器壁141 之间进入盒141，这导致燃料的加压。密封件144可以是固定到盒141 上的O-形环，其施压于固定到燃料电池上的密封面145上。联锁装置 147可以为泵148发送信号以提供加压空气。泵148可以是小型化泵并 由燃料电池(未标示)电驱动，并可以是任何类型。其它泵可以是活 塞或隔膜基的。还可以通过其它装置，例如在燃料电池内的空气循环 泵或风扇提供加压空气。

在另一变体中，可以如图15A至15C中所示，使用燃料中追加的 烃将盒加压。在图16A中，追加的烃可以作为在甲醇燃料中的混合物 使用。可以在盒中或在到达燃料电池组之前提供将气态组分与液体组 分分隔的元件/装置。在图16A中所示的变体中，可以与追加的烃结合 使用具有不同孔径的两个泡沫体。

在图16B中，可以将追加的烃储存在包含燃料(甲醇)的囊袋161 的外部并可用于将囊袋161加压。在图16C中，可以使用追加的烃将 燃料内的囊袋161或瘪塌囊袋161加压。在该变体中，可以在气球或 囊袋161中提供追加的烃。在一个示例性变体中，对于含有85立方厘 米液体甲醇并具有100psig初始压力和在燃料输出末端0.2psig的最小 压力(当所有甲醇均耗尽时)的100立方厘米盒而言，可以在盒中添 加大约117立方厘米体积的气态丁烷(在20℃)。还可以使用在正常环 境温度下为气态的其它高蒸汽压烃，例如二甲醚或丙烷。

在一些变体中，可以如图16A中所示使用加压燃料执行辅助任务， 例如操作计量泵。可以通过燃料压力和回位弹簧156驱动泵154。活塞 155的每次冲程可以提供对剩余燃料的估算。泵154可以连接到与燃料 盒150联接的管道上并位于可电联接到控制管道152上的电磁阀151 后方。

可以为剂量泵154提供弹簧运动以调节来自加压盒150的燃料压 力。在提取燃料时，盒150中的燃料供应压力可以变化，且燃料电池 组可能需要较低的压力。通过使用在剂量泵空腔填满时关闭的限流器 153和电磁阀151，可以将燃料进料压力保持在由弹簧力、拉伸囊袋或 囊袋气压控制的范围内。例如，在50W燃料电池中，0.78立方厘米的 活塞体积提供几乎每分钟大约一次的冲程。弹簧可以保持电磁阀关闭 时的燃料进料压力。对于1厘米直径×1厘米长活塞腔，在冲程上具有 大约0.122至0.025磅力的弹簧可以保持大约1.0至0.2psig的压力。泵 可以具有图16B中所示的隔膜类型，其提供了更大的结构简易性。图 16B的隔膜泵例如使用柔韧的氯丁橡胶隔膜157以禁锢燃料并提供弹 簧压力。氯丁橡胶隔膜157可以最初在心轴158上拉伸以提供预载力。 隔膜无需如图16C中所示是柔韧的。在这种情况下，通过在波纹管、 囊袋或隔膜160背面上的加压气体159提供回压。在所有上述变体中， 活塞中的最大回压不会超过来自盒的燃料的最小出口压力。为了防止 螺线管打开时的压力波动，可以在活塞/隔膜和燃料电池组之间的管道 中提供限流器。

图17显示了具有外壳33、用于从容器1中接收燃料的入口31、 滑动密封件34(例如O-形环)、插入装置37、使插入装置37偏置的一 系列弹簧38、加压流/推进流出口32的双管联接装置30。此外，在插 入装置37中，存在第一燃料出口35和加压入口32。这种装置与滑阀 类似。联接的特征在于盒侧可以在关闭位置用弹簧加载(即，将流体 流开孔密封并彼此分离并仅通过在底座中插入complimentary元件来打 开)。当插入装置37在与燃料出口35和流体入口32相反(并与弹簧 38的偏压相反)的方向移位时，使燃料出口35与入口31相连，流体 入口36与流体出口32相连。这种变体可用于没有加压源(例如推移 燃料的推进剂)的容器1。弹簧38使插入装置37偏置以使燃料出口 35不与进口31相连，且流体入口36不与流体出口32相联。此外，这 种变体也可以与使用囊袋和/或泡沫体的燃料容器结合使用。

可以用手或用自动驱动装置(例如螺线管传动器)实现插入装置 37的运动。或者，插入装置37可以固定在对接装置或联接装置中，并 容器1的插入以使插入装置37与弹簧38的偏压相反地移动。使用后 一种变体，可以加入阀或其它装置以选择性防止流体在流体出口35或 流体入口36中流动。

参照图18A，燃料容器164通常为带有凹入端并在相反端带有孔 169的圆柱形。在容器内，燃料167可以被囊袋165或其它压缩、挠性、 可折叠和/或弹性材料(例如氯丁橡胶)包围。可以在囊袋和容器163 的外壁之间放置推进剂171，例如挥发性烃(例如液体丁烷)。囊袋165 应该与所用推进剂和燃料167相容。使用这种变体，可以首先通过孔 169将推进剂171装入容器163中，然后装入囊袋165和燃料167。此 后，可以将孔169密封。

图18B显示了通常为圆柱形并包含环绕燃料179的推进剂175的 燃料容器173。在孔181对面，燃料容器173可以包含进气口177。该 进气口177可以是，例如，橡皮塞或用于密封燃料容器173壁中的开 孔的其它装置。使用该变体，可以将燃料179通过开孔181装入燃料 容器173，随后将其密封。随后可以将推进剂175通过进气口177加入 燃料容器173。任选地，囊袋可以将燃料与推进剂分隔。

参照图18C，显示了可能包含活塞185的燃料容器183，该活塞能 够压缩容纳燃料197的容器183的一部分。孔199提供了将燃料197 输送到燃料电池中的出口。在活塞185的与燃料197相反的一侧，可 以是推进剂189。将推进剂189与燃料197密封的可以是密封件187， 例如O-形环。活塞185还可以包括或联接到检测活塞运动的位置传感 器193上。在一个变体中，活塞185包括可通过位置传感器193检测 以测定位置的磁铁191。除了活塞位置185的磁检测，可以进行使用电 容、感应、或声学测量的其它变体。

可以使用联接到位置传感器193上的处理器195以根据活塞185 的位置测定燃料容器183中剩余燃料197的量。处理器195可以构成 燃料容器183的一部分或其可以在外部以使其在用于燃料电池中时联 接到燃料容器183上。

图19A至19C显示了容器包含或联接到与出口分隔的入口上的变 体。在图19A中，提供含有包住燃料205的囊袋198的容器196的变 体。此外，该容器可以联接到将加压流导入容器196中的加压流导管 201和将燃料从容器196中导出到燃料电池和/或燃料电池底座中的燃 料排出管203。在囊袋198和容器196的外壳之间加入加压流以对囊袋 198的内容物加压(和/或将燃料压出囊袋198)。加压流导管201和燃 料排出管203可以包括阀或将流体流选择性限定在其中的其它装置。 在一些变体中，可以在从容器205中排出一些或所有燃料205之后， 使加压流导管201中的流体流反向。这能够使加压流重新用于随后的 容器，由此降低环境修复问题。

此外，可以将容器联接到将加压流导入囊袋198中的加压流导管 201和将容器1196与囊袋壁之间的燃料导入燃料电池和/或燃料电池底 座的燃料排出管203。引入加压流以使瘪塌的囊袋198膨胀，从而挤压 容器196与囊袋壁之间的燃料、将燃料通过联接装置压出。

参照图19B，容器207含有大孔隙泡沫体209和小孔隙泡沫体217 (或梯度泡沫体)，它们中均含有燃料219。加压气体入口213将气体 211加入容器以促进燃料219通过燃料出口215输送到燃料电池或燃料 电池底座中。

图19C显示了容器221，其中将水223通过水入口227加入容器， 且燃料/水混合物225通过燃料出口243离开容器221。水223可以是 从之前的燃料电池操作中收集的水。使用该变体，容器221是不使用 囊袋或其它装置分隔燃料和产物水的流体循环子系统的组成部分。

当首先使用容器221时，其含有大约100％甲醇，因此水泵送的速 率可以相对较小。在消耗燃料且甲醇浓度变稀时，通过水入口227使 追加的水223循环到容器221中。在燃料/水混合物225中的甲醇/燃料 浓度达到燃料电池所需的最小浓度时，水几乎连续循环通过容器221。

燃料出口243可以联接到泵233上，其促进燃料/水混合物225输 送到燃料电池组231中。燃料电池组231可以联接到空气供应系统229 上以利于空气进入燃料电池组231并联接到用于检测浓度值的甲醇浓 度传感器237。根据甲醇浓度传感器237测得的浓度值，可以通过贮槽 235去除过量水，可以通过阀239将燃料/水混合物225经由泵233送 回燃料电池组231，或可以通过与水入口227联接的泵241将燃料/水 混合物225送回容器221。这种变体的优点在于，其提供了高体积存储 效率(即将容器221装满燃料)，其不要求加压，其可以不考虑容器221 朝向和几何构造来运行，并且能够储存燃料电池组231产生的至少一 些废水。

当使用受压盒时，可以在其到达燃料电池组之前调节燃料的流量 和压力。受压燃料盒可以带有阀，其可以用作“按需阀”，以代替燃料 电池/底座内的单独阀。图20显示了可以包含受压燃料255的容器245。 容器245包括可以是积分阀的阀257(例如带有偏动弹簧259和容器阀 密封件261的气溶胶筒)和密封件(例如O-形环)以确保容器245与 联接装置249之间的密封。联接装置还可以包括可以与容器245的外 部协作的一个或多个密封件247。联接装置249可以包含由螺线管251 (或其它传动装置)驱动的柱塞253。当启动螺线管251时，柱塞253 可以与弹簧259的偏压相反地移动，由此产生开孔——通过该开孔， 受压燃料从容器245中漏出并导入联接装置249内的燃料出口263中。 燃料出口263可以联接到压力调节器267上，后者可以通过固定装置 265(例如夹具)连接到燃料出口263上。限流器269可以联接到压力 调节器267上以限制流入燃料电池组271的燃料。压力调节装置可以 包括，例如，调节压力的橡胶(或其它弹性材料)管形部件。控制装 置可以与螺线管251相连以打开阀257，从而将燃料255提供到燃料出 口263。控制装置可以，例如，联接到测定燃料电池中的燃料浓度的浓 度传感器。可以使用其它传动装置，例如由流体压力(例如空气泵) 启动的隔膜和活塞。或者，可以与该变体结合使用其它组件，例如止 回阀和防止回流的其它限制器、进一步确保燃料不泄漏到环境中的附 加密封装置等。

参照附图的上述变体既没有描述本发明所述主题的燃料输送系统 的完整实施的所有组件，也没有描述列出图解的所有不定组件。操作、 装置和应用的尺寸、材料、形状、形式、功能和方式的变动对于本领 域技术人员是显而易见的，并可以在不背离所述主题的范围和精神的 情况下进行各种修改。

优先权声明

本申请要求2004年7月8日提交的名为“Fuel Delivery System for Fuel Cells”的美国专利60/585,831的优先权，其内容完全经此引用并 入本文。

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