專利名稱：燃料電池燃料供給裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的燃料供給裝置，尤其涉及一種吹塑成型并能降低滲透率的燃料供給裝置。
背景技術：
燃料電池可將反應物(如燃料和氧化劑)的化學能直接轉(zhuǎn)換成直流電能。燃料電池得到越來越多的應用，較傳統(tǒng)電池如化石燃料電池，或可攜式電池如鋰電池的效率高。燃料電池包含許多種類，如堿性燃料電池、高分子膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池、以及酵素燃料電池。有些燃料電池使用壓縮氫氣做為燃料，但通常需要巨大儲存槽且高壓下的氫氣，因此很難處理，因此很難應用于消費性電子組件。質(zhì)子交換膜(Proton exchange membrance)燃料電池將甲醇、金屬氫化物如硼氫化鈉、碳氫化物如丁烷、或其它燃料轉(zhuǎn)換成氫氣燃料。習知的轉(zhuǎn)換式燃料電池需要轉(zhuǎn)換器、 汽化器、以及輔助系統(tǒng)將燃料轉(zhuǎn)換成氫氣，并使氫氣與氧化劑反應。最近的進展將轉(zhuǎn)換式燃料電池應用于消費性電子組件。另一種質(zhì)子交換膜燃料電池直接使用燃料如甲醇(direct methanol fuel cell，簡稱DMFC)。DMFC中甲醇與氧化劑直接反應，因此是最簡單也最小的燃料電池，可作為消費性電子組件的電源。固態(tài)氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, 簡稱S0FC)于高溫下可將碳氫化物如丁烷轉(zhuǎn)換成電力。SOFC需1000°C左右的高溫使燃料電池產(chǎn)生反應。每一種燃料電池產(chǎn)生電力的化學反應都不相同。以DMFC為例，每一個電極的反應式與總反應式如下陽極半反應CH30H+H20 — C02+6H+6e_陰極半反應1. 502+6H++6e- — 3H20總反應 CH30H+1. 502 — C02+2H20氫質(zhì)子(H+)可自陽極穿過質(zhì)子交換膜至陰極，但電子(e_)只能穿過外電路而無法穿過質(zhì)子交換膜，而使外電路產(chǎn)生一電流。該電流可用來作為消費性電子組件的電源，如手機、計算器、掌上電腦(PDA)、手提電腦、機械設備、或其它電動制品。U. S. Pat. Nos. 5，992，008 與 5，945，231 已揭示一種 DMFC，在此完整引入。質(zhì)子交換膜一般系由聚合物組成，如杜邦生產(chǎn)的Nafion 系厚度介于0. 05-0. 5毫米的全氟化硫酸聚合物，或其它適合的薄膜。一般的陽極組成為設置于氟碳紙上的催化劑薄膜，比如沉積其上的鉬銣合金。一般的陰極為粘附鉬微粒的薄膜以進行氣體擴散。
另一種燃料電池如硼氫化鈉轉(zhuǎn)換式燃料電池的反應式如下NaBH4 (水成)+2H20 —(加熱或催化劑)—4 (H2) + (NaB02)(水成)陽極半反應H2 — 2H+2e-陰極半反應2 (2H++2e-) +02 — 2H20適合上述反應的催化劑包括鉬、銣、或其它金屬。氫硼化鈉經(jīng)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生氫氣，與氧化劑如氧氣反應后產(chǎn)生電力(或電流)與水的副產(chǎn)物。轉(zhuǎn)換過程會產(chǎn)生硼酸鈉副產(chǎn)物。 標題為”Fuel Cell for a Fuel Supply” 的美國專利申請 US 2003/0082427A1 于 2003 年 3月1日已揭示一種氫硼化鈉的燃料電池，在此完整引入。燃料供給裝置是燃料電池在應用上的一個重要特征，包括可輕易的插入燃料電池，于特定的溫度及/或壓力下關閉燃料輸送，以避免發(fā)電時損害燃料電池及/或電子組件。除此之外，燃料供給裝置應具備易置換與易再充填的特性。雖然燃料電池的燃料匣已被多篇專利揭示，但專門制造燃料匣的技術卻從未揭示過。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，其中至少一構(gòu)件以吹塑成型法形成。本發(fā)明揭示一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括以吹塑成型法形成的外殼與襯里，當燃料輸送至燃料電池時，至少部分襯里與外殼分離而不完全緊附。外殼與襯里的組成包括互不相溶的聚合物，且外殼與襯里是同時形成。外殼與襯里二者中之一者為極性樹脂，另一者為非極性樹脂。極性樹脂包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物、熱塑性聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚亞芳香醚、或熱塑性聚胺基甲酸酯。 非極性樹脂包括高密度聚乙烯、聚丙烯、或聚苯乙烯。此外，外殼與襯里二者中之一者包括熱塑性彈性體如丁基橡膠，另一者的組成是縮醛或聚氯乙烯。此外，外殼與襯里二者中至少一者包括聚乙烯，另一者包括滑爽劑。合適的滑爽劑包括長鏈脂肪酸酰胺、油酰胺、或親水性填充劑。此外，中間層夾設于外殼與襯里間，且外殼與襯里中二者至少一者與中間層互不兼溶。中間層的組成可為蠟。此外，外殼與襯里是以吹塑成型法依序形成，外殼以吹塑成型法形成并冷卻后，再以吹塑成型法形成襯里。本發(fā)明更提供一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括外殼、襯里、閥門。較佳為襯里與外殼于閥門附近的區(qū)域是一體成型。較佳為外殼與襯里的形成方式是吹塑成型法，更佳為共擠出吹塑成型法或以吹塑成型法依序形成。本發(fā)明更提供一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括外殼、襯里、閥門。較佳為櫬里以吹塑成型法形成。更佳為襯里的形成方式是吹塑成型法。更佳為襯里是以吹塑成型法形成于外殼內(nèi)。此外，襯里以吹塑成型法形成后再塞入外殼內(nèi)。襯里在完全裝滿后的體積大于外殼的體積，且具有至少一折迭式側(cè)壁。
本發(fā)明更提供一種燃料供給裝置，用于供給燃料予燃料電池，包括外殼、襯里、閥門。修飾外殼及/或襯里可增進阻隔蒸氣的能力。外殼及/或襯里可以阻隔氣體薄膜涂布或包覆。外殼及/或襯里可氟化處理，亦可包含抗氧化劑。


圖1-3是實施例透視圖，圖示以吹塑成型法形成的燃料匣。圖4是實施例剖視圖，圖示圖1的燃料匣。圖5A、5B是實施例中，襯里的透視圖。
具體實施例方式本發(fā)明是有關于燃料的供給裝置，在下述說明及附圖中，燃料包括水及甲醇、不同濃度的水/甲醇的混合物、純甲醇。甲醇可應用于多種形式的燃料電池，如DMFC、酵素燃料電池、轉(zhuǎn)換器燃料電池、或其它種燃料電池。本發(fā)明的燃料供給裝置可容納其它種類的燃料，如乙醇或其它醇類、可經(jīng)轉(zhuǎn)換器形成氫氣的化學品、或其它可增進燃料電池效率或表現(xiàn)的化學品。氫氧化鉀電解液可容納于燃料供給裝置，且可應用于金屬燃料電池或堿性燃料 %M。 t示 11 “Method of Using Fuel System Configured to ProvidePower to One or more Loads”的美國專利申請US 2003/0077493A1于2003年4月M日已揭示一種金屬燃料電池，在此完整引入，其中將流體形式的鋅微粒浸入氫氧化鉀電解液后可使陽極微?；?。 燃料亦包括甲醇、雙氧水、硫酸的混合液，在流經(jīng)觸媒化硅芯片之后可進行燃料電池反應。 燃料亦包括金屬氫化物如硼氫化鈉和水如上述。燃料還包括碳氫化合物，包括但不限定于下述物質(zhì)丁烷(butane)、媒油(kerosene)、醇類、或天然氣。燃料亦包括可與燃料反應的液態(tài)氧化劑，標題為”Liquid Hereto-InterfaceFuel Cell Device”的美國專利申請US 2003/0096150A1于2003年5月22日已揭示燃料種類，在此完整引入。因此本發(fā)明中，應用于燃料電池及容納于燃料供給裝置中的物質(zhì)，不限定于任何形式的燃料、電解液、溶液/固態(tài)/液態(tài)的氧化劑。在這里“燃料”包括可產(chǎn)生反應于燃料電池或燃料供給裝置的燃料，包括但不限定于上述所有的燃料、電解液、氧化劑的溶液/氣體/液體/固體、化學品、或上述物質(zhì)的混合物。在這里“燃料供給裝置”包括但不限定于下述形式即一次性燃料匣、可再充填/ 再利用的燃料匣、容器(container)、電子組件內(nèi)建的燃料匣、可置換燃料匣、電子組件外接的燃料匣、燃料槽(tank)、燃料貯槽(reservoir)、可再充填的燃料槽、其它可儲存燃料的容器并以管路將之連接至燃料槽或容器。接下來的敘述將結(jié)合本發(fā)明實施例，值得注意的是，本發(fā)明可應用于其它燃料供給裝置，且不受限于任何一種特定的燃料供給裝置。本發(fā)明的燃料供給裝置可應用于儲存燃料而非燃料電池，包括但不限定于下述應用燃料供給裝置儲存碳氫化合物與氫氣燃料，向硅芯片上的微燃蒸氣渦輪引擎(micro gas-turbine engine)供應，發(fā)表在"The IndustrialPhysicist，，中標題為"Here Come the Microengines”的論文(Dec. 2001/Jan. 2002)中，第20-25頁。其它的應用還包括儲存?zhèn)鹘y(tǒng)燃料以用于內(nèi)燃機、儲存碳氫化物如丁烷(用于口袋型或?qū)嵱眯痛蚧饳C)或液態(tài)丙烷。如圖1-3所示，實施例中燃料匣10可具有多種形狀、大小、與尺寸，可輸送燃料至燃料電池并與燃料電池搭配，并將電力輸送至電子組件。如圖4所示，燃料匣10具有外殼12、以及用以容納燃料的襯里14。優(yōu)選外殼12比襯里14堅固以保護襯里，而襯里 14最好有彈性。如標題為“FuelCartridge with Flexible Liner”的美國專利申請US 2005-0023236A1的待審專利于2005年2月3日，以及標題為"Fuel Cell Supply Having FuelCompatible Materials”的美國專利申請 US 2005-0116190A1 的待審專利于 2005 年 6 月2日所揭示的具有外殼與襯里的燃料匣，在此完整引入。燃料匣10的前端16具有閥門18與注入孔20。注入孔20于制造過程中可將預定量(襯里容量的85%至95% )的燃料輸送至襯里14并密封。襯里內(nèi)的空氣將經(jīng)由閥門 18排出以加速此輸送過程。此外，燃料匣10可經(jīng)注入孔20再充填燃料以多次使用。如圖1-3所示，燃料匣10上具有至少一導軌17，可在電子組件(未圖示)的對應軌道滑行，以利于燃料匣10插入電子組件及/或燃料匣插入的方向。前端16亦可增設電子接口 19，包括必要的電子系統(tǒng)與接點以將燃料匣聯(lián)機至電子組件(或燃料電池)以供電至電子組件。電子接口 19可包括或聯(lián)機至下述裝置電子可讀式燃料量表、保安裝置或數(shù)據(jù)儲存裝置如電子抹除式只讀存儲器(EEPROM)或讀/寫無線射頻身份識別系統(tǒng)。這些裝置可外接或內(nèi)建于燃料匣。如標題為“Fuel Cell Supply Including InformationStorage Device and Control System” 的美國專利申請 US 2005-0118468A1 的待審專利于 2005 年 6月2日所揭示的電子接口，在此完整引入。如圖4所示，閥門18為一對組件的開關閥門，其中具有第一閥門組件。第二閥門組件(未圖示)與圖4所示的閥門組件類似，設置于燃料電池或應用燃料電池的電子組件之內(nèi)或其上。如標題為“Fuel Cartridge withConnecting Valve”的美國專利申請US 2005/0022883A1的待審專利于2005年2月3日所揭示的雙組件閥門，在此完整引入。閥門18中的第一閥門組件包括閥體30、滑置于閥體30內(nèi)的活塞32。彈簧34壓縮于閥體30 內(nèi)，并以彈簧護圈36支撐。彈簧34將活塞32往外推，施加壓力于內(nèi)部0環(huán)38以緊壓閥座表面40，使第一閥門組件產(chǎn)生密封效果。優(yōu)選，彈簧護圈36具有一孔洞填充物42，其組成是吸收材料或記憶材料，使燃料流經(jīng)第一閥門組件的速率一致?？锥刺畛湮?2、吸收材料、 與記憶材料已揭示于‘004號專利申請中。孔洞填充物42、吸收材料、或記憶材料可設置于第一(或第二)閥門組件的任一處，包括閥門組件的前端、末端、或內(nèi)部。一實施例中，第一閥門組件打開后，部分的第二閥門組件如閥體將施加壓力于活塞32以抵抗彈簧34的推力。接著內(nèi)部0環(huán)38自閥座表面40移開，燃料便可自襯里14經(jīng)填充物42、彈簧護圈36、及活塞32的路徑輸送至燃料電池。此外，第二閥門組件的彈簧將施加壓力于活塞32以抵抗彈簧34的推力。第一閥門組件亦包括外部0環(huán)，當?shù)诙M件的閥體插入外部0環(huán)時，可于第一閥門組件與第二閥門組件之間形成密封，此密封最好在燃料輸送前形成。外部0環(huán)可附加于燃料匣上，其優(yōu)點在于外部0環(huán)可隨燃料匣一起替換。優(yōu)選為先打開第二閥門組件并以外部 0環(huán)形成組件間密封，之后輸送燃料。另一種應用于燃料匣10的閥門包括但不限定于US 2003-0082427A1所揭示的自密封的附加墊片/球簧閥門系統(tǒng)，在此完整引入。此提動型閥門連接至燃料供給裝置，其中具有彈簧可施加壓力至球體，以抵抗墊片或密封表面的推力。墊片承接的中空針將施加壓力于球體，以抵抗彈簧并開啟閥門。當針抽回時，球體又施加壓力于墊片使墊片再密封。球體的作用與活塞32類似，墊片的作用與0環(huán)38及閥座表面40類似。必需注意的是，本發(fā)明并不限定于應用何種閥門。燃料匣10的后部22視情況可增設氣孔，當填充燃料時可排出燃料匣內(nèi)的氣體。 當燃料自燃料匣輸出時，氣體可經(jīng)由氣孔進入燃料匣以避免局部真空，亦避免燃料匣逸出液體。較佳的氣孔具有薄膜，且薄膜透氣不透水。透氣、不透水的薄膜公開在美國專利申請US 2005-0023236A1的待審專利，以及1970年4月21日公開的標題為“Electric Cell with GasPermeable Vent Stopper"的 US3, 508, 708，以及 1985 年 12 月 31 日公開的標題為“Liquid Fuel Cell”的US. 4，562，123的專利，在此完整引入。此種薄膜組成包括聚四氟乙烯(polytetrafluroethylene，簡稱 PTFE)、尼龍(nylon)、聚酰胺(polyamide)、聚氯乙烯(polyvinylidene)、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、或其它聚合物。 市售的薄膜包括W. L GoreAssociate, Inc. Goretex 的疏水性PTFE微孔薄膜。薄膜的微孔大到可透氣，但小到不透水。根據(jù)本發(fā)明的一方面，至少外殼12與襯里14 一體成型，也即，在同一個制造過程中順序或同時成型。因此，如圖4所示，在閥門18插入燃料匣10的附近區(qū)域?qū)?，外?2 與襯里14是一體成型。此種構(gòu)造的好處包括但不限定于襯里與外殼間原本就具有密封， 并不需分別制造襯里與外殼再將之組裝，以減少制造步驟與成本。將閥門18設置于燃料閥10的方法包括壓著法(press fitting)、超音波熔接(ultrasonic welding)、黏著法 (adhesive)、紫外線硬化法(UV bonding)、熱熔法(hot melt)、或其它方法。雖然一體成型過程可應用許多方法，但較佳為吹塑成型法，下面詳細討論。吹塑成型法的基本制造過程是現(xiàn)有技術，常用來制造中空產(chǎn)品如塑料瓶(用以盛裝飲料、清潔劑、或其它液體)。一般用來吹塑成型的橡膠包括不同密度的聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚丙烯、聚氯乙烯、熱塑性彈性體、聚苯乙烯、氟化聚合物、或其它聚合物。吹塑成型法的基本制造過程只包括下列步驟塑化或熔化塑料樹脂，使塑料樹脂形成型胚或預成型。熔化的樹脂以發(fā)泡劑(如氣體)吹塑或充氣直到接觸模壁，接著冷卻/彈出此中空成品?；镜拇邓艹尚头ㄒ呀衣队谠S多地方，包括Norman C. Lee所著，Hanser Garden Publication 于 2000 所出版的 “Understanding BlowMolding”。吹塑成型法的基本制造過程包括擠出吹塑成型法，此方法是向下擠出管狀型胚后，將吹針插入型胚并吹氣；亦包括射出吹塑成型法，此方法將型胚射出成型后，于高溫下移至吹塑模以吹氣。其它制造過程還包括雙軸拉伸吹塑成型法與共擠出吹塑成型法。共擠出吹塑成型法與擠出吹塑成型法類似，并可形成多層器壁，原料可為回收的聚合物或純料聚合物。多層器壁可設計成具有特殊功能，如抗紫外線、抗燃料侵蝕、抗?jié)B透性、或其它功能。不同的材質(zhì)可配合染料由擠出頭同時擠出后，再形成型胚并吹氣。二層以上的多層器壁可由共擠出吹塑成型法完成。一般說來，多層器壁彼此間會互相附著以形成單層器壁。多層的襯里或燃料匣將減少透氣率，因此甲醇蒸氣亦無法輕易逸出襯里或燃料匣。根據(jù)本發(fā)明的一方面，燃料匣10、外殼12、與襯里14可以共擠出吹塑成型法形成， 因此除了閥門18插置的附近區(qū)域M外，襯里14與外殼12是分開而非一體的。燃料匣10 可具有至少一層的中間層，夾設于襯里與外殼間，且外殼與襯里二者中至少一者具有多層結(jié)構(gòu)。當燃料自燃料匣輸出，與外殼12部分分開的襯里14是折迭式，以減少殘留燃料于燃料匣內(nèi)。
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一實施例中，組成外殼與襯里的聚合物互不相溶?！安幌嗳堋痹谶@指的是聚合物或樹脂于吹塑成型的制造過程中無法互相粘著，“兼溶”指的是聚合物或樹脂于吹塑成型的制造過程中，不需輔助粘合劑或兼溶劑即可互相粘著。如US 2005-0116190的待審專利所揭
示，適合作為外殼與襯里的材料如下
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的燃料供給裝置，包括 夕卜殼；可折迭的襯里，用以容納燃料；以及閥門組件，用以將該燃料自燃料供給裝置輸送至一燃料電池，所述燃料電池用于為電子組件提供電力；以及該外殼與該襯里二者中至少一者的外表面上的非金屬涂料，以增進阻隔蒸氣的能力， 其中當燃料從燃料供給裝置輸送到燃料電池時，該襯里至少部分折迭。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料供給裝置，該非金屬涂料包括阻隔氣體涂料。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料供給裝置，其中該阻隔氣體涂料包括環(huán)氧胺化合物、或氧化硅、或選自以下物質(zhì)非膠態(tài)為主的樹脂、或環(huán)氧化聚酯與胺類化合物的產(chǎn)物、羧化酰胺聚合物、和水為主的涂料如溶解或分散于水的聚環(huán)氧化合物與胺基酸至少部分中和反應后的產(chǎn)物。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料供給裝置，其中該阻隔氣體涂料包括二甲苯聚合物。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料供給裝置，其中該非金屬涂料包括包覆該外殼與該襯里二者中至少一者的阻隔氣體薄膜。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料供給裝置，其中該阻隔氣體薄膜包括聚對苯二甲酸乙二酯。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料供給裝置，其中于該聚對苯二甲酸乙二酯上以聚偏氯乙烯共聚物或氧化硅涂布。
8.如權(quán)利要求6所述的燃料供給裝置，其中該聚對苯二甲酸乙二酯形成層狀物的一部分。
9.如權(quán)利要求5所述的燃料供給裝置，其中該阻隔氣體薄膜的蒸氣滲透率小于聚胺基甲酸酯的蒸氣滲透率。
10.如權(quán)利要求5所述的燃料供給裝置，其中該阻隔氣體薄膜是擇自下列任一種材料 聚乙烯醇、乙烯乙烯醇、與聚酯基片鍵結(jié)的乙烯乙烯醇、聚偏氯乙烯共聚物、尼龍樹脂、氟化聚合物、聚丙烯腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸亞丙基酯、間苯二酚共聚物、液晶聚合物、脂肪族聚酮、或具有上述物質(zhì)的共聚物或混摻聚合物。
11.一種燃料電池的燃料供給裝置，包括 夕卜殼；可折迭的襯里，用以容納燃料；以及閥門組件，用以將該燃料自燃料供給裝置輸送至一燃料電池，所述燃料電池用于為電子組件提供電力；其中該外殼與該襯里中至少一者包括至少一種抗氧化劑，以增進阻隔蒸氣的能力，其中當燃料從燃料供給裝置輸送到燃料電池時，該襯里至少部分折迭。
12.如權(quán)利要求11所述的燃料供給裝置，其中該抗氧化劑包括喹啉型抗氧化劑、胺化物型抗氧化劑、酚基型抗氧化劑或亞磷酸酯型抗氧化劑。
13.如權(quán)利要求11所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里二者中至少一者包括氟化聚合物。
14.如權(quán)利要求1所述的燃料供給裝置，其中該外殼與該襯里二者的組成是聚合物，且彼此互不相溶，其中不相溶的聚合物在其融化狀態(tài)不會互相粘著。
全文摘要
本發(fā)明披露了用于燃料電池的燃料匣。該燃料匣包括一個外殼(12)、一個襯里(14)、以及一個適于將燃料從燃料供給裝置傳送到燃料電池的閥元件(18)。在一個實施方式中，通過吹塑成型制備外殼(12)和內(nèi)部襯里(14)，并且當燃料從燃料供應進行傳輸?shù)臅r候，襯里(14)與該外殼不完全緊附。在另一個實施方式中，在接近閥元件(18)位置的區(qū)域(24)，將襯里(14)與外殼(12)一體成型。
文檔編號H01M8/04GK102522579SQ20111043776
公開日2012年6月27日 申請日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者佛洛伊德·菲爾班克斯, 保羅·亞當斯, 安德魯·J·庫瑞羅, 艾倫·婁森茲威格 申請人:法商Bic公司