控制燃料电池中气体传输制造技术

一种用于控制溶解、保持和／或排出在燃料电池的运行中产生的气态副产品的传输或有效配置其参数的系统和方法，包括能渗透气体的膜（３２０），用于实质在线独立于引力分离例如ＤＭＦＣ装置中的二氧化碳（７１０）。本发明专利技术的各种特征和参数可以适当地修改以优化用于任何特定燃料电池设计的气体传输函数。本发明专利技术提供对于从燃料电池燃料溶液中除去气态副产品的速度的改进的控制，另外提供燃料电池技术给尤其是便携式电子装置供电的改进的应用。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
控制燃料电池中气体传输
本专利技术总的来说涉及燃料电池技术。更具体地，本专利技术涉及用于分离在燃料电池装置的运行中产生的气体的系统和方法。
技术介绍
燃料电池是电化学电池，其中，从燃料氧化产生的自由能变化被转换为电能。最早的燃料电池是1829年由William Grove首先制造的，后来，20世纪30年代后期随着F.T.Bacon的工作，这方面的研制工作得以继续。在早期试验中，氢气和氧气以气泡形式通入到含有水的隔箱中，这些隔箱通过隔板连接，水电解液被允许通过它们。当石墨/铂合成电极浸入到每一个隔箱并且电极被电导耦合起来时，就形成了完整的电路，而且在电池中发生氧化还原反应：在阳极(例如“氢电极”)氢气被氧化而形成质子，并且释放出电子流向阴极(例如“氧电极”)，在阴极这些电子随后与氧结合。从那时起，从新开始了在可行的商业和消费者级别燃料电池技术研发方面的兴趣。除了与现有传统方法相比的各种其他好处，燃料电池通常允许具有更高能量密度的改进的电能生产。例如，典型的氢氧电池，运行在约250℃和50个大气压的压力下，生产约1伏特电势，并伴随产生作为副产品的水和少量热能。然而最近，已经发现，现代的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，运行在低得多的温度和压力(即，大约80℃和约1.3个大气压)下，而产生几乎相同的电压电势。燃料电池的附加优点是它们通常具有更高的能量密度，并且比涉及直接能量转换的方法更内在有效。实际上，燃料电池效率已经典型地测量在热电转换方法(即化石燃料燃烧热交换)的近乎两倍。-->关于便携式电源应用，燃料电池在与标准电池相比不同的原理下运行。当标准电池运行时，电极的各种化学成分随着时间而耗尽。然而在燃料电池中，只要持续供应燃料和氧化剂，电池的电极材料就不会被消耗，因而将不会用完或需要重新充填或替换。当前为普通消费者使用而开发的一类燃料电池是氢燃料电池，其中富含氢的化合物被用于为氧化还原反应供给燃料。随着化学燃料物质在阳极被氧化，释放出电子以流经外部电路。剩余的正带电离子(即质子)朝向阴极运动通过电解液，在阴极它们被还原。自由电子与例如质子和氧结合而产生水，水是环境清洁的副产品。然而，当氧化还原反应在直接甲醇燃料电池(DMFC)中进行时，副产品二氧化碳的产生可能限制装置产生附加电能的能力。现有技术的燃料电池典型地利用一些方法以消除通常基本上直接依靠引力排到大气中或保留在燃料电池自身内的副产品气体。尽管这些方法在特定的大规模系统中可能是可接受的，但燃料电池技术的更宽应用(例如对于便携式用户级)提出了关于副产品气体处理的前面未解决的问题。因此，现有技术中燃料电池技术的限制关系到在燃料电池装置运行中产生的气体的有效和高效分离。
技术实现思路
在各个代表方面，本专利技术尤其提供用于控制溶解、保持和/或排出在燃料电池装置的运行中产生的气态副产品的传输功能或有效配置其参数的系统和方法。在一个示范方面，本专利技术提供包括与流体流场有效接触的能渗透气体的隔板的装置，并且可以被密封，以阻止例如泄漏或流体和/或包含的气体在隔板之外迁移而非经实质渗透传输通过隔板。另外，提供构造和使用这种装置的方法，以通过例如以下变量更好地控制气体传输速度：操作温度、流场表面积、隔板的成分和/或孔隙率、可渗透隔板的方向和/或几何形状配置、流场中流体流的体积、后侧部分气体压力、燃料流液力压力、流体流通过流场的流动速度、-->可渗透隔板的厚度等等。本专利技术的一个典型优点包括用户或设计者控制的处理和/或分离在燃料电池装置运行中产生的气体。另一个示范优点包括通常在任何方向排放气态副产品来操作燃料电池的能力，同时保持流体溶液没有显著的泄漏或流体迁移。本专利技术的另外的优点将在后面详细的说明书中阐述，并且从详细说明书其是显而易见的，或可以通过本专利技术的示范实施例的实践来获悉。本专利技术的其他优点可以通过在权利要求书中具体指出的手段、方法或其组合中的任何手段来实现。附图说明本专利技术的典型元件、运行特征、应用和/或优点尤其存在于详细构造和操作中，如以下更全面的描绘、叙述和要求的，附图构成其中的一部分，其中相同的数字代表相同的部分。结合详细说明中列举的特定示范实施例，其他的元件、运行特征、应用和/或优点对于本领域技术人员将是显而易见的，其中：图1说明现有技术中应用的典型氢氧燃料电池的示意图；图2说明现有技术中应用的典型DMFC装置；图3说明根据本专利技术的一个示范实施例用于至少部分地分离气体的组成系统的分解透视图；图4说明根据本专利技术的另一个示范实施例用于至少部分地分离气体的组成装置的透视图；图5说明根据本专利技术的另一个示范实施例的组成流体流场的透视图；图6说明根据本专利技术的另一个示范实施例用于至少部分地分离气体的整体组成装置的透视图；图7说明根据本专利技术的另一个示范实施例用于至少部分地分离气体的另一个整体组成装置的透视图；-->图8说明根据本专利技术的另一个示范实施例用于至少部分地分离气体的另一个整体组成装置的透视图；图9说明根据本专利技术的另一个示范实施例用于至少部分地分离气体的另一个整体组成装置的透视图；图10说明根据本专利技术的另一个示范实施例用于至少部分地分离气体的另一个整体组成装置的透视图；图11说明根据本专利技术的一个示范实施例具有用于至少部分地分离二氧化碳的组成子系统的集成DMFC系统的侧视图；图12说明与例如图11所示的典型实施例对应的操作流程图；图13说明根据本专利技术的一个示范实施例用于移动电话使用的典型燃料电池的透视图；图14说明用于与例如图13所示典型实施例示范协同工作的移动电话的透视图。本领域的技术人员会认识到图中的元件是为了简单和清楚而示出，并且不必按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其他元件是放大的，以便帮助增加对本专利技术的各实施例的理解。具体实施方式以下说明是关于本专利技术的示范实施例和专利技术人的最好模式的观念，并且不打算以任何方式限制本专利技术的范围、适用性或配置。相反，以下说明意图提供用于实现本专利技术的各种实施例的便利说明。很明显，可以在公开的示范实施例中所描述的任何元件的功能和/或布置中作出改变，而不脱离本专利技术的精神和范围。本专利技术的各种典型实施可以应用到用于控制或否则确定燃料系统中气体的传输和/或分布的任何系统。特定的典型实施可以包括例如：控制燃料电池溶液中溶解的气体的浓度；控制燃料电池中气相化学物质的浓度；或控制从燃料电池排出的气体的泻出速度。如这里所用的，术语“排出”、“排放”、“传输”、“扩散”、“泻出”和“分离”-->或其任何变体或组合通常都包括可以被认为至少是易受表征的影响的任何东西或通常指至少一种化学化合物从一个区域到另一个区域的移动，使得：(1)相对降低一个区域中或周围的浓度，和/或(2)相对增加另一个区域中或周围的浓度。相同的应该被认为在本专利技术的范围和界限之内。如这里所用的，术语“燃料”、“流体”、“溶液”、“流”、“液体”和“流出物”或其任何变体或组合通常都意图包括任何阳极燃料溶液和/或阴极氧化物溶液，无论该溶液是否已经对暴露(exposure)到燃料电池的电极元件进行预调节或后调节。作为具体的实施可能方案公开提供了示范应用的详细说明，即从DMFC阳极燃料流中除去二氧化碳的速度控制和参数配置，其可被本领域技术人员推广到所公开的系统和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制在燃料电池的阳极燃料溶液和阴极氧化剂溶液的至少之一中的至少一种气态氧化还原副产品的浓度的系统，该系统包括：对所述气态副产品至少之一是至少部分地可渗透的至少一个隔板；所述隔板包括至少第一表面和第二表面；所述隔板的所述第一表面具有与所述溶液有效数量的接触；以及所述隔板被布置为至少有效地密封所述系统，阻止所述溶液和所述气态化合物迁移到所述隔板的所述第二表面之外而非经充分渗透传输通过所述隔板。

【技术特征摘要】
US 2002-4-8 10/118,2751.一种用于控制在燃料电池的阳极燃料溶液和阴极氧化剂溶液的至少之一中的至少一种气态氧化还原副产品的浓度的系统，该系统包括：对所述气态副产品至少之一是至少部分地可渗透的至少一个隔板；所述隔板包括至少第一表面和第二表面；所述隔板的所述第一表面具有与所述溶液有效数量的接触；以及所述隔板被布置为至少有效地密封所述系统，阻止所述溶液和所述气态化合物迁移到所述隔板的所述第二表面之外而非经充分渗透传输通过所述隔板。2.根据权利要求1的系统，其中，所述隔板包括聚合物膜、多孔陶瓷、多孔硅板、不锈钢砂和多孔玻璃中至少之一。3.一种用于控制燃料电池溶液中至少一种气态氧化还原副产品的浓度的装置，其包括：对至少一种气态化合物是可渗透的隔板，所述隔板包括至少内表面和外表面；所述隔板的所述内表面包括至少一个流体流动路径，用于流过含有至少一种气态化合物的溶液；至少一个流体流动入口；和至少一个流体流动出口。4.一种使用如权利要求3所述组成装置的方法，其中，在流体流动出口处所述气态副产品的浓度至少低于在流体流动入口处所述气态副产品的浓度。5.一种用于控制在燃料电池的阳极燃料溶液和阴极氧化剂溶液-->的至少之一中的至少一种气态氧化还原副产品的浓度的方法，该方法包括：将溶液流经流体流场；所述流场具有在所述溶液和隔板的第一表面之间的有效接触；所述隔板具有对所述气态化合物至少之一的至少部分渗透性；所述隔板进一步包括至少第二表面；以及至少有效地密封所述隔板的所述第一表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿莉森M费希尔，约瑟夫W博斯塔夫，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司在特拉华州注册的公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]