DE602004006488T2

DE602004006488T2 - Brennstoffkassette für brennstoffzellen

Info

Publication number: DE602004006488T2
Application number: DE602004006488T
Authority: DE
Inventors: Paul Monroe ADAMS
Original assignee: BIC SA
Current assignee: BIC SA
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: US20040151962A1; TWI237416B; US20070095860A1; EP2259372A2; EP1791209A2; ES2376575T3; EP1791209B1; KR100834349B1; EP2259372A3; MXPA05008059A; EP1791209A3; BRPI0406200A; ATE528816T1; RU2316852C2; ZA200505791B; AR042908A1; WO2004068611A2; KR20050101319A; WO2004068611A3; CN1816933A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffkartuschen für Brennstoffzellen und genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf wegwerfbare und wiederbefüllbare Brennstoffkartuschen. Diese Erfindung bezieht sich auch auf Brennstoffkartuschen für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, die chemische Energie von Reaktanten, das heißt Brennstoffe und Oxidans, direkt in Gleichstromelektrizität (DC) umwandeln. Für eine wachsende Anzahl von Anwendungen sind Brennstoffzellen effizienter als konventionelle Stromerzeugung, wie etwa die Verbrennung von fossilem Brennstoff, und effizienter als tragbare Stromspeicher, wie etwa Lithium-Ionen-Batterien.
Im Allgemeinen beinhalten Brennstoffzellen-Technologien eine Vielzahl unterschiedlicher Brennstoffzellen, einschließlich Alkali-Brennstoffzellen, Primär-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen und Feststoffoxid-Brennstoffzellen. Die wichtigsten Brennstoffzellen heute können in drei allgemeine Kategorien unterteilt werden, nämlich Brennstoffzellen, die komprimierten Wasserstoff (H₂) als Brennstoff verwenden, Protonenaustausch-Membranen(PEM)-Brennstoffzellen, die Methanol (CH₃OH) verwenden, das in Wasserstoff als Brennstoff reformiert worden ist, und PEM-Brennstoffzellen, die Methanol (CH₃OH) Brennstoff direkt verwenden ("Direkt-Methanol-Brennstoffzellen" oder DMFC). Komprimierter Wasserstoff wird allgemein unter hohem Druck gehalten und ist daher schwierig zu handhaben. Weiterhin werden typischerweise große Speichertanks benötigt und diese können für Konsumenten-Elektronikvorrichtungen nicht hinreichend klein gemacht werden. Auf der anderen Seite erfordern Brennstoffzellen, die Methanolreformate einsetzen, Reformierer und andere Verdampfungs- und Hilfssysteme, wodurch die Größe und Komplexität von Methanol-Reformat-basierten Brennstoffzellen gesteigert wird. Die DMFC ist die einfachste und potenziell kleinste Brennstoffzelle und erweist sich als die vielversprechendste Stromanwendung für Konsumenten-Elektronikvorrichtungen.
Die DMFC für relativ größere Anwendungen umfasst typischerweise ein Gebläse oder einen Kompressor, um ein Oxidationsmittel, typischerweise Luft oder Sauerstoff, an eine Kathoden-Elektrode zuzuführen, eine Pumpe zur Zulieferung einer Wasser-Methanol-Mischung an die Anoden-Elektrode und eine Membran-Elektrodenbaugruppe (MEA, Membrane Electrode Assembly). Die MEA beinhaltet typischerweise eine Kathode, eine PEM und eine Anode. Während des Betriebs wird die Wasser-Methanol-Brennstoffflüssigmischung direkt der Anode zugeführt und das Oxidationsmittel wird der Kathode zugeführt. Die chemisch elektrische Reaktion an jeder Elektrode und die Gesamtreaktion für die Brennstoffzelle werden wie folgt beschrieben:
Reaktion an der Anode:

CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺+ 6e^–|

Reaktion an der Kathode:

O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O

Die Gesamtbrennstoffzellenreaktion:

CH₃OH + 1.5O₂ → CO₂ + 2H₂O|

Aufgrund der Migration der Wasserstoff-Ionen (H⁺) durch die PEM von der Anode durch die Kathode und aufgrund der Unfähigkeit der freien Elektronen (e^–), die PEM zu passieren, müssen die Elektronen durch einen externen Schaltkreis fließen, was einen elektronischen Strom durch den externen Schaltkreis erzeugt. Der externe Schaltkreis kann jegliche sinnvolle Konsumenten-Elektronikvorrichtung sein, wie etwa Mobil- oder Zell-Telefone, Taschenrechner, persönliche digitale Assistenten und tragbare Computer, neben anderem. Die DMFC ist in den US-Patenten Nr. 5,992,008 und 5,945,231 beschrieben. Allgemein wird die PEM aus einem Polymer hergestellt, wie etwa Nafion^®, das von DuPont erhältlich ist, welches ein perfluoriniertes Material mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 0,5 mm ist. Die Anode wird typischerweise aus einem teflonisierten Kohlepapierträger mit einer dünnen Schicht Katalysator, wie etwa Platin-Ruthenium, die darauf abgelagert ist, hergestellt. Die Kathode ist typischerweise eine Gas-Diffusions-Elektrode, in der Platinpartikel an einer Seite der Membran gebunden sind.
Eines der wichtigsten Merkmale für eine DMFC-Anwendung ist Brennstoffspeicherung. Eine anderes wichtiges Merkmal ist es, den Transport von Brennstoff aus der Brennstoffzelle zu der MEA zu regulieren. Um kommerziell erfolgreich zu sein, müssen DMFC-Systeme die Fähigkeit zur Speicherung von ausreichend Brennstoff aufweisen, um die Normalanwendung der Konsumenten zu befriedigen. Beispielsweise müssen für Mobil- oder Zell-Telefone, Notebook-Computer oder persönliche digitale Assistenten (PDAs) Brennstoffzellen diese Vorrichtungen zumindest so lang wie derzeitige Batterien, und vorzugsweise wesentlich langer, betreiben. Zusätzlich sollte die DMFC einfach ersetzbare oder wiederbefüllbare Brennstoffbehälter haben, um die Notwendigkeit an länglichen Wiederaufladungen zu minimieren oder zu eliminieren, die heutige wiederaufladbare Batterien erfordern.
Die Patentliteratur enthält keine spezifische Diskussion von nicht unter Druck stehenden tragbaren Brennstofftanks oder Brennstoffspeicher für Brennstoffzellen. Die US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer US 2002/0127451 A1 offenbart eine kompakte PEM-Brennstoffzelle, die Methanol-Brennstoff in einem aufrecht stehenden Tank oder Tanks speichert und das Nebenprodukt CO₂ in die Tanks zurücklüftet, um dieselben unter Druck zu setzen. Dieser Brennstofftank umfasst weiterhin ein Entlastungsventil, um Überdruck des Tanks zu verhindern, und ein Brennstoffaufnahmeventil, um Brennstoff zuzugeben. Der Brennstofftank umfasst eine poröse Schicht, um die Wasser-/Methanol-Brennstoffmischung durch kapillare Wirkung zum Anodenanschluss der PEM zu saugen. Jedoch kann diese poröse Schicht nicht in Kontakt mit dem Brennstoff in anderen Positionen als einer vertikalen oder unter leichtem Winkel gegenüber der Vertikalen bleiben. Daher kann dieser Brennstofftank nicht unter allen Orientierungen verwendet werden.
In ähnlicher Weise offenbart die US-Patentanmeldungs-Veröffentlichungsnummer 2001/0051993 A1 eine Saugstruktur, die aus einem absorbierenden Material hergestellt ist, das in Fluidverbindung mit einem wiederbefüllbaren Brennstoff-Reservoir steht. Die Funktion der Saugstruktur ist es, Brennstoff durch kapillare Wirkung in geregelten Mengen zur PEM zu bringen. Jedoch beschreibt diese Referenz nicht das Verfahren zum Regulieren des Brennstoffflusses oder wie die Saugstruktur den Kontakt mit dem Brennstoff aufrechterhält, wenn der Brennstoffpegel weniger als voll ist, damit die kapillare Wirkung arbeitet.
Das US-Patent Nr. 6,326,097 B1 offenbart neben anderen Dingen Brennstoffampullen, die mit brennstoff-permeablen Materialien gefüllt werden können, die es dem Brennstoff gestatten, über Kapillarwirkung in jeglicher Orientierung mit einer Brennstoffnadel in Kontakt zu stehen, um zur PEM gesaugt zu werden. Diese Brennstoffampullen können keine ausreichende Menge an Brennstoff speichern, weil für das Funktionieren korrekter Kapillarwirkung der Abstand innerhalb der permeablen Materialien notwendigerweise klein ist. Daher nehmen die brennstoff-permeablen Materialien den meisten Raum in den Ampullen ein, wodurch die Speicherfähigkeit vermindert wird. Diese Referenz offenbart auch eine handbetriebene Pumpe, das heißt einen Grubenbereich auf den Ampullen, den der Anwender drücken kann, um Brennstoff zu pumpen. Auch diese Pumpe ist unpraktisch, da sie vom Anwender erfordert, zu pumpen, bevor Strom den elektronischen Vorrichtungen zugeführt werden kann und vom Anwender erfordern kann, kontinuierlich die Brennstoffzelle zu bepumpen, um den Brennstofffluss zur PEM aufrechtzuerhalten. Zusätzlich kann jede Handpumpbetätigung einen Brennstoffstoß zur PEM schicken und kann ein unerwünschtes Ansteigen in der elektrischen Ausgabe aus der Brennstoffzelle an die elektronischen Vorrichtungen verursachen. Es ist wichtig, dass die '097-Referenz keinerlei Lehre bereitstellt, wie der von dem permeablen Materialien absorbierte und verwendete Brennstoff zur PEM transportiert werden kann.
Das Patentdokument EP 1 280 219 A2 offenbart eine Einzelwandungs-/Einzelkammerkartusche mit einer darin befindlichen Saug- bzw. Dochtstruktur. Die Saugstruktur ist mit einer Nadel verbunden, um Brennstoff durch Kapillarwirkung oder durch Pumpen zu transportieren.
Die US-Patentanmeldungs-Veröffentlichungsnummer 2002/0018925 A1 offenbart einen Hohlraum in einer elektronischen Vorrichtung, in dem ein Brennstoff enthaltender Ballon gelagert ist und in dem ein Brennstoff enthaltender absorbierender Feststoff zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle gespeichert ist. Ähnlich wie bei der '097-Referenz würde dieses absorbierende Material den meisten Raum im Brennstofftank einnehmen und würde Brennstoff innerhalb des absorbierenden Materials zurückhalten, wodurch die effektive Brennstoffspeicherkapazität vermindert würde.
Das US-Patent Nr. 6,447,941 B1 offenbart eine Mehrzahl von horizontalen Brennstoffpermeierenden Schichten, die mit Brennstoff in einem Brennstofftank in Verbindung stehen und der Brennstoff wird durch Kapillarwirkung aus dem Brennstofftank zu den Brennstoff-permeierenden Schichten geführt. Der Brennstoff wird dann in Brennstoffverdampfungsschichten verdampft, bevor er den Anodenanschluss erreicht. Dieser Brennstofftank hat keinerlei interne Struktur, die beim Transport von Brennstoff hilft.
Das US-Patent Nr. 6,460,733 B2 offenbart einen mehrwandigen Brennstoffbehälter, der einen inneren Methanol-Brennstoff-Behälter umfasst, der in einem äußeren Behälter angeordnet ist. Der innere Behälter kann starre Wände aufweisen oder eine ausdehnbare Blase sein. Der Gesamtbereich zwischen den zwei Behältern beinhaltet Mittel oder Additive, welche den Methanol-Brennstoff im Falle von Zerbrechen oder vor dem Wegwerfen neutralisieren. Der Brennstoff wird einem Brennstoff-Reservoir oder direkt der Anoden-Elektrode durch Gravitation oder durch eine Druckgasquelle, die innerhalb des äußeren Reservoirs lokalisiert ist, zugeführt. Eine externe Pumpe wird bereitgestellt, um den Brennstoff zur PEM zu leiten.
Die US-Patent Nr. 5,709,961 und 6,268,077 B1 offenbaren unter Druck stehende Brennstofftanks zur Kommunikation von Brennstoff zur Brennstoffzelle.
Damit verbleibt ein Bedarf an einer Brennstoffspeichervorrichtung, die eine hohe Speicherkapazität besitzt und keine unter Druck stehende Quelle erfordert, um den Brennstoff aus der Speichervorrichtung zur PEM zu transportieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Somit ist die vorliegende Erfindung auf eine zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle eingerichtete Brennstoffkartusche gerichtet.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf eine zur Verwendung mit einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle eingerichtete Brennstoffkartusche gerichtet.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf eine Einmal-Brennstoffkartusche und auch auf eine wiederbefüllbare Brennstoffkartusche gerichtet.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf stapelbare Brennstoffkartuschen oder auf Brennstoffkartuschen gerichtet, die mehrere Brennstoffkammern aufweisen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf eine Brennstoffzelle gerichtet, die Brennstoff enthält, der zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle geeignet ist. Die Brennstoffkartusche umfasst einen freien Raumbereich und einen Füllereinsatz. Der Füllereinsatz umfasst ein absorbierendes Material, das dazu in der Lage ist, innerhalb der Kartusche enthaltenen Brennstoff durch Kapillarwirkung anzusaugen und der Füllereinsatz steht mit dem Brennstoff in jeglicher Orientierung der Kartusche und bei jeglichem Brennstoffpegel in Kontakt. Der Füllereinsatz umfasst vorzugsweise weniger als etwa 67%, bevorzugtererweise weniger als etwa 50% und noch bevorzugtererweise weniger als etwa 33% des Kartuschenvolumens.
Gemäß einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst der Füllereinsatz eine Verbindungssäule und zumindest zwei Scheiben. Die Scheiben sind vorzugsweise an den Enden der Verbindungssäule lokalisiert. Die Verbindungssäule und/oder zumindest eine Scheibe sind vorzugsweise durch einen fluidundurchlässigen Film abgedeckt. Vorzugsweise umfasst der Füllereinsatz weiterhin einen Auslassdurchgang, damit der Brennstoff die Kartusche verlassen kann. Der Auslassdurchgang kann aus absorbierendem Material hergestellt sein oder er kann eine Kapillarnadel oder ein Bündel von Kapillarröhren umfassen. Alternativ umfasst der Füllereinsatz eine Verbindungssäule und eine Mehrzahl von Speichen und kann weiterhin eine Mehrzahl von Ringen umfassen, wobei die Speichen die Verbindungssäulen mit den Ringen verbinden.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform umfasst der Füllereinsatz eine Schale, die zumindest einen Teil der inneren Oberfläche der Kartusche und eine Auslassöffnung abdeckt. Der Füllereinsatz kann weiterhin zumindest eine Schale und/oder eine Verbindungssäule umfassen. Die Schale kann auch die gesamte innere Oberfläche der Kartusche abdecken.
Das absorbierende Material des Füllereinsatzes kann aus Polymerfasern hergestellt sein, wie etwa Polyester, Polyethylen, Polyolefin, Polyacetal oder Polypropylenfasern, oder aus pflanzenbasierten Fasern, wie etwa Hanf, Baumwolle oder Zelluloseacetat.
Die Kartusche kann weiterhin eine Belüftung und ein Wiederbefüllventil umfassen. Die Belüftung verhindert, dass sich ein partielles Vakuum innerhalb der Kartusche bei Entnahme von Brennstoff bildet. Die Belüftung kann ein Luftventil oder eine durch eine hydrophobe Mikromembran abgedeckte Öffnung sein. Die Belüftung kann auch Dämpfen oder Gasen gestatten, aus der Kartusche zu entweichen.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform ist die Brennstoffkartusche betrieblich mit einer Pumpe verbindbar, um den Brennstofffluss aus der Kartusche zu steuern. Vorzugsweise ist die Pumpe eine mikroelektromechanische System(MEMS)-Pumpe. Die MEMS-Pumpe kann entweder eine feldinduzierte Pumpe oder eine Membranverdrängungspumpe sein. Eine feldinduzierte Pumpe weist ein an den Kraftstoff angelegtes elektrisches Gleichstrom- oder Wechselstrom- oder Magnetfeld auf, um den Kraftstoff zu pumpen. Geeignete feldinduzierte Pumpen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf elektro-hydrodynamische Pumpen, magneto-hydrodynamische Pumpen und elektro-osmotische Pumpen. Die elektro-hydrodynamische Pumpe und eine elektro-osmotische Pumpe können gemeinsam verwendet werden. Eine Membranverdrängungspumpe umfasst eine Membran und eine Kraft wird an die Membran angelegt, die die Membran veranlasst, sich zu bewegen oder zu vibrieren, um den Brennstoff zu pumpen.
Geeignete Membranverdrängungspumpen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf eine elektrostatische Pumpe und eine thermopneumatische Pumpe. Die MEMS-Pumpe steuert die Geschwindigkeit des Brennstoffflusses und kehrt den Fluss um, sowie auch die Beendung des Flusses.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf eine Brennstoff enthaltende Brennstoffkartusche gerichtet, die zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle geeignet ist, umfassend einen Füllereinsatz und eine MEMS-Pumpe zur Steuerung des Brennstoffflusses. Der Füllereinsatz umfasst ein absorbierendes Material, das zum Ansaugen von in der Kartusche enthaltenem Brennstoff durch Kapillarwirkung in der Lage ist und wobei der Füllereinsatz in Kontakt mit dem Brennstoff unter jeglicher Orientierung der Kartusche und bei jeglichem Brennstoffpegel steht.
Gemäß einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die Brennstoffkartusche weiterhin einen ersten freien Raumbereich und einen zweiten Raumbereich, wobei der Füllereinsatz den zweiten Raumbereich besetzt. Der Füllereinsatz umfasst vorzugsweise weniger als etwa 67%, bevorzugtererweise weniger als etwa 50% und noch bevorzugtererweise weniger als etwa 33% des Volumens der Kartusche.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform kann der Füllereinsatz irgendeine der oben diskutierten Strukturen aufweisen. Das absorbierende Material des Füllereinsatzes kann aus Polymerfasern oder pflanzenbasierten Fasern hergestellt sein. Die Kartusche kann weiterhin eine Entlüftung umfassen und ein Wiederbefüllventil. Die MEMS-Pumpe kann entweder eine feldinduzierte Pumpe oder eine Membranversatzpumpe sein, wie oben diskutiert.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf eine Brennstoffkartusche gerichtet, die zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle geeigneten Brennstoff enthält, wobei die Kartusche eine Mehrzahl von Kammern umfasst. Jede Kammer hat eine vorgegebene Konzentration an Brennstoff und jede Kammer umfasst einen Füllereinsatz, der aus einem absorbierenden Material hergestellt ist, das zum Ansaugen von innerhalb der Kammer enthaltenen Brennstoff durch Kapillarwirkung in der Lage ist. Der Füllereinsatz ist bei jeglicher Orientierung der Kammer und bei jeglichem Brennstoffpegel mit dem Brennstoff in Kontakt.
Die Konzentrationen an Brennstoff in den Kammern unterscheiden sich vorzugsweise voneinander. Die Konzentration an Brennstoff reicht von etwa 100% Brennstoff und 0% Wasser bis etwa 0% Brennstoff und 100% Wasser. Die Kammern können Seite an Seite oder Ende-zu-Ende zueinander positioniert sein.
Gemäß einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst zumindest eine Kammer einen ersten freien Raumbereich und einen zweiten Raumbereich, wobei der Füllereinsatz den zweiten Raumbereich okkupiert. Der Füllereinsatz umfasst vorzugsweise weniger als etwa 67%, bevorzugtererweise weniger als etwa 50% und noch bevorzugtererweise weniger als etwa 33% des Volumens der Kammer.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform kann der Füllereinsatz irgendeine der oben diskutierten Strukturen aufweisen. Das absorbierende Material des Füllereinsatzes kann aus Polymerfasern oder pflanzenbasierten Fasern hergestellt sein. Die Kartusche kann weiterhin eine Entlüftung und ein Wiederbefüllventil umfassen. Die MEMS-Pumpe kann entweder eine feldinduzierte Pumpe oder eine Membranverdrängungspumpe sein, wie oben diskutiert. Der Brennstoff in jeder Kammer wird vorzugsweise bei unterschiedlicher Rate gepumpt und vorzugsweise werden die Brennstoffe aus den Kammern gemischt, nachdem sie aus den Kammern gepumpt worden sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Spezifizierung bilden und in Zusammenhang damit zu lesen sind und in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten anzuzeigen:
ist 1 eine Frontansicht einer bevorzugten Brennstoffkartusche, die in einer beliebigen Position orientiert ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
ist 2 eine Frontsicht der Brennstoffkartusche von 1, die in einer anderen willkürlichen Position orientiert ist;
ist 3a eine Frontansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Füllereinsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung; sind 3b bis 3d verschiedene Ansichten einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Füllereinsatzes; und sind 3e bis 3g verschiedene Ansichten einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Füllereinsatzes;
ist 4a eine Frontsicht mit partiellem Schnittbereich einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Füllereinsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung; sind 4b und 4c verschiedene Ansichten einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Füllereinsatzes und sind 4d und 4e Frontansichten von anderen bevorzugten Ausführungsformen des Füllereinsatzes,
sind 5a, 5b und 6 alternative Ausführungsformen der in den 1 und 2 gezeigten Brennstoffkartusche;
sind 7a–7b schematische Sichten alternativer Ausführungsformen einer elektro-osmotischen Pumpe, welche den Fluss von Methanol-Brennstoff und/oder Wasser aus der Brennstoffkartusche/n zur MEA steuert oder reguliert;
sind 8a bis 8b schematische Ansichten der elektro-osmotischen Pumpe mit umgekehrter Polarität zum Stoppen des Brennstoffflusses, und jeweils elektrisch von der Brennstoffkartusche isoliert;
ist 9 eine andere bevorzugte Ausführungsform der Brennstoffkartusche der vorliegenden Erfindung mit zur Klarheit weggelassenen Details, die eine Mehrzahl von Brennstoffkammern aufweist;
ist 10 eine andere bevorzugte Ausführungsform der Brennstoffkartusche der vorliegenden Erfindung mit aus Klarheit weggelassenen Details, die eine Mehrzahl von Brennstoffkammern aufweist, die schematisch mit einem optionalen Diffuser/Mischelement und der MEA verbunden sind; und
ist 11 eine alternative Ausführungsform des in den 1 und 2 gezeigten Füllereinsatzes mit einer Schutzhülse.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie in den beigefügten Zeichnungen illustriert und unten detailliert diskutiert, ist die vorliegende Erfindung auf eine vielseitige Brennstoffkartusche zum Speichern von Brennstoffzellen-Brennstoffen, wie etwa Methanol und Wasser, Methanol-/Wasser-Mischung, Methanol-/Wasser-Mischungen verschiedener Konzentrationen oder purem Methanol gerichtet. Die Brennstoffkartusche kann andere Arten von Brennstoffzell-Brennstoffen enthalten, wie etwa Ethanol oder andere Chemikalien, welche die Leistungsfähigkeit oder Effizienz von Brennstoffzellen verbessern können und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine Art von Brennstoffen oder Flüssigkeiten, die in den Kartuschen enthalten sind, beschränkt. Der Ausdruck "Brennstoff', wie hierin verwendet, beinhaltet alle Brennstoffe, die in Brennstoffzellen reagieren können und beinhaltet alle obigen geeigneten Brennstoffe, Flüssigkeiten und/oder Chemikalien und Mischungen derselben. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Füllereinsatz, der vorzugsweise einen kleinen Teil des Volumens der Brennstoffzelle belegt, so dass die Brennstoffkartusche mehr Brennstoff halten kann, um eine lange Lebenszeit der Brennstoffkartusche sicherzustellen und die Rückhaltung von Brennstoff in der Kartusche am Ende des Nutzlebens der Kartusche zu minimieren. Der Füllereinsatz ist in der Lage, den Brennstoff zur MEA zu saugen und zu transportieren. Zusätzlich bleibt der Füllereinsatz in physischem Kontakt mit dem Brennstoff bei jeglicher Orientierung der Brennstoffkartusche und bei jeglichem Brennstoffpegel in der Brennstoffkartusche.
Optional kann die Brennstoffkartusche auch eine Pumpe beinhalten, um den Brennstofffluss aus dem Brennstoff-Reservoir zu initiieren, aufrechtzuerhalten und/oder zu steuern. Die Pumpe kann auch den Brennstofffluss zur MEA regulieren, um die elektrische Stromausgabe aus der MEA zu steigern oder zu senken und, wichtig, um den Brennstofffluss abzuschalten, falls nötig. Alternativ kann ein Abschaltventil verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Brennstofffluss abgeschaltet wird, wenn die elektronische Vorrichtung abgeschaltet wird oder wenn die Kartusche von der Vorrichtung getrennt wird. Die Pumpe oder Pumpen können auch reines Methanol mit Wasser mischen, bevor die Mischung zur MEA gepumpt wird. Die Pumpe kann auch selektiv Methanol-/Wassermischung von den verschiedenen Reservoirs mit unterschiedlichen Methanol-Konzentrationen pumpen.
Vorzugsweise ist die Pumpe zur Verwendung mit niedrigen Flüssigkeits-Flussraten ausgelegt und vorzugsweise ist sie in kleinen Größen zur Verwendung mit Konsumenten-Elektronikvorrichtungen verfügbar. Vorzugsweise hat die Pumpe eine minimale Anzahl von beweglichen Teilen oder noch bevorzugter kein bewegliches Teil, um Defekte zu minimieren. Vorzugsweise beinhalten geeignete Pumpen mikroelektromechanische System(MEMS)-Pumpen, wie etwa jene, die zum Pumpen von Tinte in Tintenstrahldruckern verwendet werden oder jene, die bei Medikamentenzufuhrsystemen verwendet werden oder jene, die zur Kühlung von mikrointegrierten Leitungschips verwendet werden, neben anderem. Genauer gesagt, beinhalten geeignete MEMS-Pumpen feldinduzierte Flusspumpen und Membranverdrängungspumpen. Feldinduzierte Pumpen verwenden ein elektrisches oder magnetisches Feld zur Erzeugung des Flusses. Eine geeignete feldinduzierte Pumpe ist eine elektro-osmotische Pumpe, die zum Bewegen von Flüssigkeit in kleinen Räumen in der Lage ist, wie Kapillarräumen, indem ein Gleichstrom(DC)-Potenzial an zumindest einen Teil einer Kapillarsäule angelegt wird. Die Richtung des Fluidflusses in der Kapillarsäule kann auch umgedrehdreht oder gestoppt werden, indem die Richtung des DC-Potenzials umgedreht wird. Andere geeignete feldinduzierte Pumpen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf elektro-hydrodynamische Pumpen und magneto-hydrodynamische Pumpen. Membranverdrängungspumpen verwenden eine Kraft, z. B. eine elektrische Ladung, die an eine Membran angelegt wird, was die Membran veranlasst, sich zu bewegen oder zu vibrieren, um die zu pumpende Flüssigkeit voranzutreiben. Geeignete Membranverdrängungspumpen beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf elektrostatische Pumpen und thermopneumatische Pumpen.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Brennstoffkartusche 10 einen freien Raumbereich und einen von einem Füllereinsatz 12 belegten Bereich. Der freie Raumbereich zeigt an, dass der Raum durch Brennstoff oder Gas belegt werden kann, wenn der Brennstoffpegel niedriger ist als voll, aber ansonsten nicht durch andere Substanzen oder Materialien belegt ist. Der Einsatz 12 ist vorzugsweise aus einem absorbierenden Material hergestellt. Geeignete absorbierende Materialien beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Schwämme und fibröse Polymere wie etwa Polyester, Polyethylen, Polyolefin, Polyacetal, Poylpropylenfasern oder aus natürlichen Fasern wie etwa Hanf, Baumwolle oder Zelluloseacetet oder anderen pflanzenbasierten Fasern. Vorzugsweise, falls Polymerfasern verwendet werden, sind diese Fasern entweder thermogehärtet oder thermoplastisch mit hoher Erweichungs- oder Schmelztemperatur, um potenziell hohen Innentemperaturen zu widerstehen, die innerhalb von Brennstoffzellen oder innerhalb der elektronischen Vorrichtungen vorkommen können. Füllermaterialien jeglicher Porosität und Permeabilität können verwendet werden, so lange die Füllmaterialien Brennstoff bei einer hinreichenden Flußrate saugen können. Der Einsatz 12 umfasst vorzugsweise zwei Basen oder Scheiben 14 und eine Verbindungssäule 16. Der Einsatz 12 okkupiert vorzugsweise weniger als etwa 67% des Innenvolumens der Kartusche 10, bevorzugtererweise weniger als etwa 50% und noch bevorzugtererweise weniger als etwa 33%, so dass der freie Raumbereich und das Zwischenraumvolumens innerhalb des Einsatzes 12 verwendet werden können, um Brennstoff 20 zu halten. Alternativ kann der Einsatz 12 das gesamte Innenvolumen der Kartusche 10 belegen, vorzugsweise, wenn die Kartusche 10 mit einer MEMS-Pumpe verwendet wird.
In 1 wird die Kartusche 10 willkürlich in einer horizontalen Position gezeigt, um eine elektronische Vorrichtung, wie etwa einen Taschenrechner oder PDA bei Verwendung zu replizieren. In dieser Position kann der Flüssigbrennstoff 20, der als teilweise leer gezeigt wird, Kontakt aufnehmen mit dem Füllereinsatz 12, so dass Brennstoff 20 zum Einsatz 12 bei den Kontaktpunkten 22 zum Saugen zur MEA geführt werden kann. Brennstoff wird dann aus der Kartusche 10 über den Auslass 24 transferiert. Die Auslassöffnung 24 kann dasselbe Füllmaterial wie Einsatz 12 enthalten, so dass der Brennstoff 20 kontinuierlich aus der Kartusche 10 gesaugt werden kann. Alternativ kann die Auslassöffnung 24 eine einzelne Kapillarnadel oder ein Bündel von Kapillarröhren umfassen. Bevorzugtererweise umfasst die Auslassöffnung 24 ein Material, das bei der ausgewählten Pumpe geeigneter ist, um den Fluss aus der Kartusche zu optimieren und denselben zu steuern. Falls beispielsweise eine elektro-osmotische Pumpe verwendet wird, umfasst die Auslassöffnung 24 vorzugsweise Quarzglas-Kapillarrohre oder Perlen.
Wie in 2 illustriert, kann die Kartusche 10 auch willkürlich unter jeglichem Kippwinkel positioniert sein und der Brennstoff 20 würde seinen Kontakt mit dem Füllereinsatz 12 an dem/den Kontaktpunkt(en) 22 aufrechterhalten. In ähnlicher Weise, wenn die Kartusche 10 vertikal positioniert ist, so dass die Auslassöffnung 24 entweder oben oder unten positioniert ist, behält der in der Kartusche 10 verbleibende Brennstoff Kontakt mit der Scheibe 14 des Füllereinsatzes 12.
Alternativ, wie in 3a gezeigt, kann der Füllereinsatz 12 zusätzliche Scheibe(n) 26, die zwischen den Scheiben 14 angeordnet sind, umfassen. Die Scheibe 26 kann jegliche Orientierung haben, einschließlich aber nicht beschränkt parallel zu den Scheiben 14. Die Scheibe 26 kann diagonal zwischen den Scheiben 14 positioniert sein. Für zusätzliche strukturelle Unterstützung kann die Verbindungssäule 16 durch einen dünnen Kunststofffilm 25 abgedeckt sein, wie in 11 gezeigt. Vorteilhafterweise verbessert solch ein Dünnfilm den Fluss von Flüssigkeit durch den Einsatz 12, indem Luft oder andere Gase daran gehindert werden, in das Füllmaterial einzudringen. Alternativ kann der dünne Plastikfilm 25 auch zumindest teilweise die Scheibe 14, 26 abdecken und es können Dichtungen 27 dort bereitgestellt werden, wo der die Säule 14 abdeckende Film den die Scheibe 14, 26 abdeckenden Film schneidet.
3b illustriert eine andere Variation des Füllereinsatzes 12, welche die Säule 16 und eine Mehrzahl von Speichen 28 umfasst. 3c ist eine Querschnittsansicht von 3b, die einen bevorzugten Treibstoffflusspfad innerhalb des Einsatzes zeigt. Die Speichen 28 können in geraden Linien ausgerichtet sein, wie in den 3b und 3c gezeigt, oder können unausgerichtet sein, wie in 3d gezeigt. 3e illustriert eine andere Variation des Füllereinsatzes 12, der die Säule 16, Speichen 28 und Ringe 29 umfasst. 3f ist eine Querschnittsansicht von 3e, die einen bevorzugten Brennstoffflusspfad innerhalb des Einsatzes zeigt, 3g ist eine Draufsicht von 3e. Die Speichen 28 können auch bei dieser Ausführungsform ausgerichtet oder unausgerichtet sein.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Füllereinsatz 12 eine Öffnung 24, Scheiben 14 und eine Schale 31 umfassen. 4a, gezeigt unter Entfernung eines Teils der Schale 31 aus Klarheitsgründen, illustriert diese Ausführungsform. Da die Schale 31 und die Scheiben 14 die gesamte Innenoberfläche der Kartusche 10 abdecken würden, würde Brennstoff 20 immer in Kontakt mit dem Einsatz 12 bei jeglichem Brennstoffpegel und bei jeglicher Orientierung der Kartusche bleiben. Es ist wichtig anzumerken, dass es nicht notwendig ist, dass die Schale 31 und die Scheiben 14 komplett die innere Oberfläche der Kartusche 10 abdecken, damit Brennstoff 20 in Kontakt mit dem Einsatz 12 bleibt. Beispielsweise kann, wie in den 4d und 4e gezeigt, die Schale 31 eine Spiralform haben oder jeweils eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Streifen aufweisen, und bedeckt teilweise die innere Oberfläche der Kartusche. Wie in den 4d und 4e gezeigt, kann der Einsatz 12 auch eine Auslassöffnung 24 und eine Scheibe 14 aufweisen. Alternativ kann diese Ausführungsform auch eine zweite Scheibe 14 und eine Verbindungssäule 16 aufweisen. Weiterhin, wie in 4b gezeigt, umfasst der Füllereinsatz 12 Auslassöffnung 24, Säule 16, Scheibe 14 und Schale 31, die seriell in der gezeigten Weise verbunden sind. 4c ist eine Querschnittsansicht von 4b, die den bevorzugten Brennstoffflusspfad innerhalb des Einsatzes zeigt.
Vorteilhafterweise kann der Füllereinsatz 12 mit anderen Kartuschen, wie etwa Kartusche 30, verwendet werden, die äußere Oberflächen mit variierender Kurvatur aufweisen, z. B. der in 5a gezeigten stundenglasförmigen Kartusche oder der in 5b gezeigten flaschenförmigen Kartusche. Wie illustriert, wird der in den 1 bis 2 gezeigte Füllereinsatz mit der Kartusche 30 in 5a verwendet und der in den 4b bis 4c gezeigte Füllereinsatz wird mit Kartusche 30 in 5b gezeigt. Scheiben 14 und/oder Ringe 29 können auch zu anderen Formen modifiziert werden, wie etwa hexagonalen Scheiben 34, um in der in 6 gezeigten Kartusche 32 eingesetzt zu werden. Somit ist der Ausdruck "Scheibe" oder "Ring", wie hier verwendet, nicht auf irgendeine bestimmte Form beschränkt und beinhaltet kreisförmige und nicht-kreisförmige Formen wie auch reguläre und irreguläre Formen.
Mit Entnahme des Treibstoffs aus der Kartusche 10, 30 oder 32 kann ein Teilvakuum innerhalb der Kartusche erzeugt werden. Dieses partielle Vakuum tendiert dazu, den Treibstoff zu zwingen, zurück in die Kartusche zu fließen, oder kann Wasser aus der Brennstoffzellenreaktion in die Kartusche ziehen. Dieser Effekt kann gegen den Kapillareffekt von Füllereinsatz 12, Brennstoff aus der Kartusche herauszuziehen, arbeiten. Um diesen Effekt zu überwinden, kann es, wenn die elektronische Konsumentenvorrichtung nicht verwendet wird, Luft oder CO₂, das durch die Brennstoffzellenreaktion hergestellt wird, gestattet werden, über Auslassöffnung 24 in die Kartusche zu fließen, um das partielle Vakuum aufzuheben. Bei Anwendungen, wo die Auslassöffnung 24 in luftdichter Weise mit der MEA verbunden ist oder wo die Brennstoffzelle kontinuierlich über einen langen Zeitraum verwendet wird, kann eine Lüftung 36 bereitgestellt werden, um Luft zu gestatten, in die Kartusche einzudringen, um den Innendruck der Kartusche an den Außendruck anzugleichen. Lüftung 36, die in 6 schematisch gezeigt wird, kann ein Einwegeventil sein, welches es nur Luft gestattet, einzudringen, es aber nicht Brennstoff oder anderen Flüssigkeiten gestattet, herauszugelangen. Alternativ kann Lüftung 36 eine durch eine hydrophobe Membran abgedeckte Öffnung sein, so dass Methanol, Wasser oder andere Flüssigkeiten nicht hindurchgehen können, Luft aber gestattet ist, in die Kartusche einzudringen. Hydrophobe Membranen können aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Nylon, Polyamiden, Polyvinyliden, Polypropylen, Polyethylen oder anderen polymeren Materialien hergestellt werden. Eine kommerziell erhältliche hydrophobe PTFE-Mikroporenmembran kann von W.L. Gore Associates, Inc. bezogen werden. Zusätzlich kann ein Wiederbefüllventil 38 bereitgestellt sein, um der Kartusche 10, 30, 32 nach Bedarf Brennstoff hinzuzufügen. Es ist wichtig anzumerken, dass, während Lüftung 36 und Ventil 38 in Verbindung mit 6 illustriert sind, diese Vorrichtungen auf alle gezeigten und hier beanspruchten Kartuschen-Ausführungsformen anwendbar sind.
Um sicherzustellen, dass der Brennstofffluss aus der Auslassöffnung 24 der Brennstoffkassette an die MEA reguliert wird, wird eine optionale Pumpe bereitgestellt. Jegliche Pumpe kann verwendet werden, so lange wie Brennstoff aus der Kartusche in gesteuerter Weise abgepumpt werden kann. Vorzugsweise ist die Pumpe eine MEMS-Pumpe, um die Größe der Pumpe zu minimieren. Eine elektro-osmotische Pumpe ist eine der MEMS-Pumpen, die mit der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. Wie in den 7a bis 7c gezeigt, wird eine elektro-osmotische Pumpe 39 bereitgestellt. Die elektro-osmotische Pumpe 39 enthält keine beweglichen Teile und ist dazu in der Lage, Fluide durch enge Räume zu bewegen. Die elektro-osmotische Pumpe kann vorteilhafterweise Fluid bei niedriger Leitfähigkeit transportieren. Es wird ein elektro-osmotischer Fluss erzeugt, wenn ein DC-Potenzial an den porösen Medien angelegt ist. Die Flüssigkeit in den porösen Medien wird von der Anode oder positiven Elektrode zur Kathode oder negativen Elektrode getrieben, wenn einem elektrischen Gleichstromfeld ausgesetzt. Eine elektro-osmotische Pumpe ist besonders nützlich bei Mikrokanälen, wie solche innerhalb des Füllereinsatzes 12 oder der Auslassöffnung 24 und bei langsamem und kontrolliertem Fluss, der bei DMFC sehr nützlich ist. Ein elektro-osmotischer Fluss wird detailliert im US-Patent Nr. 3,923,426 mit dem Titel "Elektro-osmotische Pumpe und Fluiddispenser, der dieselbe enthält", erteilt am 2. Dezember 1975, in "Electro-osmotic flow pumps with polymer frits" von S. Zeng, C. Chen, J. Santiago, J. Chen, R. Zare, J. Tripp, F. Svec and J. Frechet, veröffentlicht in Sensors and Actuators B Chemical Journal, Band 82, Seiten 209–212 (2002), und in "A Large Flowrate Electroosmotic Pump with Micron Pores," von S. Yao, D. Huber, J. Mikkelsen and J. Santiago, Proceedings of IMECE, 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 11. bis 16. November 2001, New York, NY, neben anderen Referenzen diskutiert. Diese Referenzen werden hierin in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme inkorporiert.
Wie in 7a gezeigt, kann ein Gleichstrompotenzial an den gesamten Einsatz 12 angelegt sein, um sicherzustellen, dass der Brennstofffluss aus der Kartusche 10 reguliert wird. Bevorzugtererweise wird ein DC-Potenzial nur an der Auslassöffnung 24 angelegt, da weniger Spannung erforderlich ist, und wenn der Brennstoff einmal durch die Auslassöffnung 24 zu fließen beginnt, das Moment über viskose Interaktion auf den verbleibenden Brennstoff übertragen wird. Die Batterie 40 wird so ausgelegt, dass sie jegliches Potenzial aufweist, das zum Induzieren von Brennstofffluss notwendig ist. Ein oder mehrere Batterien 40 können in Reihe gestapelt werden, um das angelegte DC-Potenzial zu vergrößern, wie in 7c gezeigt. Alternativ kann ein DC-DC-Wandler verwendet werden, um die DC-Potenzialausgabe zu vergrößern. Der DC-DC-Wandler wandelt Niederspannungsgleichstrom in Wechselstrom (AC)-Spannung (oder in elektrische Pulse) um und transformiert die niedrige Wechselspannung auf höhere Wechselspannung, bevor sie wieder in eine Gleichstromspannung rückgewandelt wird. Vorteilhafterweise sind DC-DC-Wandler in kleinen Größen erhältlich. Wenn der im freien Raum der Brennstoffkartusche gespeicherte Brennstoff aufgebraucht ist, kann die elektro-osmotische Pumpe 39 Brennstoff aus dem Einsatz 12 herauspumpen, um das meiste des Brennstoffs verwendbar zu machen. Um das Ziehen aus der Batterie 40 zu minimieren, kann das elektrische Potenzial aus der Brennstoffzelle verwendet werden, um den elektro-osmotischen Fluss anzutreiben, wenn die Brennstoffzelle einmal betriebsbereit ist. Vorzugsweise wird eine Steuerung 42 bereitgestellt, um das Potenzial zu steuern und/oder die Polarität der Batterie 40 umzudrehen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Batterie 40 wiederaufladbar, so dass der Strom aus der Brennstoffzelle, wenn sie in Betrieb ist, die Batterie 40 wieder aufladen kann. Vorteilhaflerweise kann die Batterie 40 kontinuierlich wieder aufgeladen werden, um das Batterieleben zu verlängern und der Konsument muss nicht realisieren, dass eine Batterie innerhalb der Brennstoffzelle verwendet wird. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine manuelle Pumpe, wie etwa eine handbetriebene Luftpumpe, bereitgestellt werden, um manuell den Brennstoff zu pumpen, um die MEA zu aktivieren, wenn die Batterie 40 abgelaufen ist, oder nach einem langen Zeitraum der Inaktivität wird der Brennstoff aus der Auslassöffnung 24 oder aus dem meisten des Einsatzes 12 abgelassen, oder wenn der kapillare Abstand blockiert ist.
Ein anderer Vorteil der elektro-osmotischen Pumpe 39 ist, dass, wenn die MEA abgeschaltet werden muss, die Steuerung/der Inverter 42 die Polarität der Batterie 40 umdrehen kann, so dass Brennstoff gezwungen wird, aus der MEA wegzufließen, um die Brennstoffzellenreaktion zu beenden oder die elektrische Schaltung außer Kontakt zu bringen, wie in 8a gezeigt. Alternativ kann ein Abschaltventil 45, wie in 6 gezeigt, bereitgestellt werden, um den Brennstoff aus der MEA zu isolieren. Das Abschaltventil 45 kann auch dabei helfen, das unbeabsichtigte Entladen von Brennstoff aus der Brennstoffkartusche zu verhindern, wenn die Kartusche von der elektronischen Vorrichtung getrennt wird. Das Abschaltventil kann entweder über oder unter dem Wiederbefüllventil 38 positioniert sein. Das Abschaltventil 45 kann ein normalerweise geöffnetes oder ein normalerweise geschlossenes Ventil sein, wie in der gemeinsam zugewiesenen Patentschrift 5,520,197. Das '197-Patent wird hiermit in seiner Gesamtheit unter Bezugnahme inkorporiert.
Nachdem die elektrische Produktion der Brennstoffzelle gestoppt ist, wird ein manueller oder elektronischer Schalter 44 geöffnet, um jegliches DC-Potenzial am Füllereinsatz 12 oder an der Auslassöffnung 24 zu entfernen. Die Steuerung 42 kann beispielsweise betrieblich mit dem Ein-/Ausschalter der Konsumenten-Elektronikvorrichtung so verbunden sein, dass, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird, ein DC-Potenzial am Einsatz 12 oder der Auslassöffnung 24 angelegt wird. Wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, wird das DC-Potenzial umgekehrt und dann getrennt. Die Steuerung 42 kann auch die Rate des Brennstoffflusses aus der Brennstoffkartusche durch Variieren des angelegten DC-Potenzials steuern. Ein Verfahren zum Variieren des DC-Potenzials wird unten beschrieben.
Batterie 40 und Steuerung/Wechselrichter 42 können auf der Brennstoffkartusche lokalisiert sein, vorzugsweise wenn die Kartusche wiederbefüllbar ist, oder können in der Brennstoffzelle lokalisiert sein, so dass die Kosten zur Herstellung der Brennstoffkartuschen vermindert werden können, um die Brennstoffkartusche nach Einmalverwendung wegwerfbar zu machen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann die Brennstoffkartusche 10 zwei oder mehr Kammern umfassen. Wie in 9 gezeigt, kann die Brennstoffkartusche 10 Kammern 46 und 48 aufweisen, wo eine Kammer oben auf der anderen Kammer angeordnet ist. Vorzugsweise enthält eine Methanol und die andere enthält Wasser. Ein Füllereinsatz ist in jeder Kammer beinhaltet. In der in 9 gezeigten Ausführungsform ist die Verbindungssäule 50 der Kammer 48 konzentrisch innerhalb der Verbindungssäule 52 der Kammer 46 angeordnet. Vorzugsweise ist die Säule 50 gegenüber der Kammer 52 durch einen wasserdichten Film isoliert. Wie gezeigt, ist jede Säule mit Scheiben verbunden, um sicherzustellen, dass die darin enthaltene Flüssigkeit aus den Kammern herausgesaugt wird. Alternativ können die Kammern Seite an Seite positioniert sein, wie etwa die in 10 illustrierten Kammern 54 und 56. Jede Kammer 54, 56 enthält einen Füllereinsatz, der eine Verbindungssäule 58 bzw. 60 und Scheiben umfasst, um die Flüssigkeiten aus den Kammern herauszusaugen. In den in 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen müssen Methanol- und Wasserströme kombiniert oder gemischt werden, bevor sie die MEA erreichen. Vorzugsweise werden die Flüssigkeiten in der Diffuser- oder Mischzone 62 gemischt. Vorzugsweise ist die Zone 62 mit demselben Füllmaterial gefüllt wie der Einsatz 12, um die Brennstoffmischung durch Kapillarwirkung zu verteilen, bevor die MEA erreicht wird. Zusätzlich kann eine Vormischkammer stromaufwärts von Diffuser- oder Mischzone 62 vorgesehen sein, so dass die Flüssigkeiten gründlich gemischt werden können, bevor sie den Diffuser 62 erreichen.
Unterschiedliche Brennstoffzellen können unterschiedliche Konzentrationen an Methanol zu Wasser in der Brennstoffmischung für den Betrieb erfordern. Dies kann durch die schematisch in 7c gezeigte elektro-osmotische Pumpe bewirkt werden. Dasselbe DC-Potenzial kann an die Kammer 46, 48 oder 54, 56 angelegt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Viskosität und Oberflächenspannungen von Methanol und Wasser kann die Flussrate von Methanol und Wasser unterschiedlich sein. Die Steuerung/der Inverter 42 kann mehrere Ausgänge haben und jeder Ausgang kann eine unterschiedliche Spannung aufweisen, um die Flüsse aus den Kammern zu regulieren. Alternativ kann in einer bevorzugten Ausführungsform jeder Ausgang einen variablen Widerstand 64 aufweisen, um die Spannung des Ausgangs wie in 7b illustriert, einzustellen. Alternativ kann der variable Widerstand in Reihe mit der Kammer lokalisiert sein, um die an die Kammer angelegte Spannung einzustellen, wie in 7c illustriert.
Alternativ können die Kammer 46, 48 oder 54, 56 Brennstoffmischungen unterschiedlicher Konzentrationen oder Zusammensetzungen enthalten und die elektro-osmotische Pumpe 39 kann selektiv die Brennstoffmischung aus einer oder der anderen Kammer abhängig von den Energieverbrauchsanforderungen pumpen. Dies kann erreicht werden, indem der Widerstand im Widerstand 64, der mit der unnötigen Kammer verbunden ist, gesteigert wird, so dass er signifikant höher ist als die Impedanz oder der Widerstand des Füllereinsatzes in der Kammer. Wenn der Widerstand des Widerstands 64 hinreichend hoch ist, ist das DC-Potenzial am Füllereinsatz insignifikant klein, wodurch effektiv der Fluss aus der unnötigen Kammer gestoppt wird und nur der Fluss gestattet wird, der aus der selektierten Kammer kommt. Die Brennstoffmischungen in den zwei oder mehr Kammern können miteinander gemischt werden, bevor sie die MEA erreichen, wie oben erläutert. Alternativ kann jede Kammer ihre eigene Pumpe haben, um den Fluss aus Brennstoff aus ihr zu regulieren oder zu steuern.
Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung können andere Pumpen mit den Brennstoffkartuschen 10, 30, 32 oder anderen Brennstoffkartuschen eingesetzt werden. Wie oben ausgeführt, beinhalten andere geeignete Pumpen, sind aber nicht darauf beschränkt, feldinduzierte Pumpen, wie etwa elektro-hydrodynamische Pumpen und magneto-hydrodynamische Pumpen. Andere geeignete Pumpen beinhalten Membranverdrängungspumpen, wie etwa elektrostatische Pumpen oder thermopneumatische Pumpen.
Eine elektro-hydrodynamische Pumpe legt ein Wechselstromfeld an ein zu pumpendes Fluid an. Ein Beispiel einer elektro-hydrodynamischen Pumpe ist in dem US-Patent Nr. 4,316,233 mit dem Titel "Einzelphasen-Elektro-Hydrodynamik-Pumpe", erteilt am 16. Februar 1982, offenbart. Das '233-Patent ist hiermit unter Bezugnahme in seiner Gesamtheit inkorporiert. Eine elektro-hydrodynamische Pumpe arbeitet allgemein durch die Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die von einem elektrischen Feld durch Coulomb'sche Reaktion auf das Fluid ausgeübt werden. Da das elektrische Feld auf das Fluid und nicht durch mechanischen Druck wirkt, steigt der Innendruck innerhalb des Fluids aufgrund des Pumpens nicht signifikant an. Eine elektro-hydrodynamische Pumpe ist besonders geeignet für Flüssigkeit mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit. Wie in den Figuren des '233-Patents offenbart und gezeigt, wird eine AC-Ladung an einen Flussdurchgang angelegt, wobei der Flussdurchgang eine Mehrzahl von inneren Vorsprüngen aus halbisolierendem Material, die von der Leiterwand hängen, umfasst. Dieser Flussleiter kann vorteilhafterweise Auslassöffnung 24 oder Füllereinsatz 12 sein. Die Vorsprünge werden aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Relaxationszeiten hergestellt, so dass die elektrische Ladung für jeden Vorsprung ihre Spitze zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Dies erzeugt ein elektrisches AC-Feld im Fluid. Beispielsweise, falls die AC-Ladung von sinusidaler Spannung ist, veranlassen die Spannungen an den Spitzen der Vorsprünge ein sinusidales elektrisches Feld, das Fluid in der gewünschten Richtung zu pumpen. Alternativ können die Vorsprünge aus demselben Material gemacht werden, aber unterschiedliche Abmessungen haben, um unterschiedliche Relaxationszeiten aufzuweisen. Die Vorsprünge können voneinander beabstandet oder angrenzend aneinander positioniert sein. Die Vorsprünge können auch jegliche geometrische Form haben.
Es ist bekannt, dass ein elektro-hydrodynamischer Fluss in Kombination mit elektro-osmotischem Fluss verwendet werden kann, um Fluid zu pumpen und es ist berichtet worden, dass elektro-hydrodynamische und elektro-osmotische Pumpen gemeinsam verwendet werden können, um Methanol und Ethanol durch Kapillarrohre zu pumpen.
Eine magneto-hydrodynamische Pumpe legt andererseits ein magnetisches Feld an ein arbeitendes Fluid an, um das arbeitende Fluid in jegliche gewünschte Richtung zu bewegen. Der Fluss von Arbeitsfluid kann durch Umkehren des Magnetfeldes umgedreht werden. Ein Beispiel einer magneto-hydrodynamischen Pumpe ist im US-Patent Nr. 6,241,480 mit dem Titel "Mikromagneto-hydrodynamische Pumpe und Verfahren zum Betrieb derselben", erteilt am 05. Juni 2001, offenbart. Das '480-Patent wird hierin unter Bezugnahme in seiner Gesamtheit inkorporiert. Jegliche leitfähige Flüssigkeit kann die Arbeitsflüssigkeit sein. Vorzugsweise ist die Arbeitsflüssigkeit eine hochviskoses Flüssigmetall, wie etwa Quecksilber oder Galliumlegierungen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die magneto-hydrodynamische Pumpe eine Kammer mit einem Einlass und einem Auslass mit einer Masse des Flüssigmetalls, die als Kolben arbeitet. Ein durch Permanentmagnet, Elektromagnet oder jede Fläche von spiralförmigen magnetischen Induktoren erzeugtes magnetisches Feld wird auf das Arbeitsfluid angelegt, um das Arbeitsfluid vom Einlass weg zu bewegen, um das zu pumpende Fluid in die Kammer zu führen. Das Magnetfeld wird dann umgedreht, um das Fluid aus der Kammer durch den Auslass zu pumpen. Die magneto-hydrodynamische Pumpe kann eine zusätzliche Kammer zum Halten der zu pumpenden Flüssigkeit aufweisen. Jeder der Einlässe und Auslässe hat vorzugsweise einen Kontrollwert zur Steuerung des Flusses des zu pumpenden Fluids. Der Einlass ist vorzugsweise in Fluidverbindung mit dem Auslass 24 und der Auslass ist vorzugsweise in Fluidverbindung mit der MEA, um das Fluid zur MEA zu transportieren.
Eine elektrostatische Pumpe ist eine Membranverdrängungspumpe, die sich von den oben erörterten feldinduzierten Pumpen unterscheidet. Anstelle des Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes (oder beider) an ein Fluid und Pumpen des Fluids beinhaltet eine Membranverdrängungspumpe typischerweise eine Membran oder ein Diaphragma und eine an die Membran oder das Diaphragma angelegte Kraft, um das Fluid zu pumpen. Bei einer elektrostatischen Pumpe wird ein elektrisches Potenzial an eine Membran oder ein Diaphragma angelegt, was die Membrane oder das Diaphragma veranlasst, sich zu bewegen oder zu vibrieren, um das Fluid zu pumpen. Eine elektrostatische Pumpe ist in US-Patent Nr. 6,485,273 mit dem Titel "Verteilte MEMS-Elektrostatik-Pumpenvorrichtungen" erteilt am 26. November 2002, offenbart. Das '273-Patent offenbart neben anderen Dingen eine MEMS-Pumpe, die eine entfernbare Membran aufweist, die in einer schwenkbaren Weise an einem Substrat angebracht ist. Die Membran wird am freien Ende vom Substrat weg vorgespannt. Wenn eine elektrostatische Spannung an der ersten Elektrode in der beweglichen Membran und einer zweiten Elektrode im Substrat angelegt wird, bewegt sich die bewegliche Membran zum Substrat hin. Solch eine Bewegung pumpt jegliches zu pumpendes Fluid, das zwischen dem freien Ende der beweglichen Membran und dem Substrat lokalisiert ist. Wenn die elektrostatische Kraft entfernt wird, wird die bewegliche Membran zu ihrer Ursprungsposition zurück vorgespannt. Dieser Zyklus kann wiederholt werden, um das Fluid kontinuierlich zu pumpen. Eine andere elektrostatische Pumpe ist im US-Patent 5,336,062 mit dem Titel "Mikrominiaturisierte Pumpe", erteilt am 9. August 1994, offenbart. Das '062-Patent offenbart neben anderen Dingen eine elektrostatische Pumpe mit zumindest einer Membran. Wenn eine AC-Spannung an die Membran über ihre „ohmschen" Kontakte angelegt wird, vibriert die Membran, um Fluid zu pumpen. Das '062-Patent offenbart auch eine Zwei-Membran-Ausführungsform, bei der zwei AC-Spannungen mit unterschiedlichen Phasen und Spannungen an die Membranen angelegt werden, so dass die Membranen in Gegenphase zueinander vibrieren können, um Fluid zu pumpen. Die Offenbarung des '273-Patents und des '062-Patens sind hierin unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit inkorporiert.
Eine thermopneumatische Pumpe ist eine andere Membranverdrängungspumpe. Bei dieser Pumpe ist ein Heizelement, z. B. ein Widerstandsheizelement, in einer Druckkammer angeordnet und die Druckkammer ist betrieblich mit der Membran verbunden. In der Kammer eingeschlossen ist eine Quantität von entweder Arbeitsgas oder Arbeitsflüssigkeit, die bei Erhitzung expandiert. Geeignete Arbeitsflüssigkeiten beinhalten fluorinierte Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten, die von 3M erhältlich sind. Solch thermische Ausdehnung erzeugt eine Kraft gegen die Membran und bewegt die Membran. Die Bewegung der Membran pumpt das zu pumpende Fluid. Eine Temperaturverminderung des eingeschlossenen Arbeitsgases oder der Flüssigkeit kontrahiert die Membran. Eine thermopneumatische Pumpe und andere Membranverdrängungsmikropumpen sind im US-Patent Nr. 6,069,392 mit dem Titel "Mikrobalgen-Aktuator" erteilt am 30. Mai 2000, und US-Patent Nr. 6,326,211 mit dem Titel "Methode zur Manipulation einer Gasblase in einer Mikrofluid-Vorrichtung", erteilt am 4. Dezember 2001, offenbart. Diese Referenzen werden unter Bezugnahme in ihren Gesamtheiten inkorporiert.
Die Brennstoffkartuschen 10, 30, 32, wie oben beschrieben, können mit DMFC verwendet werden oder können bei einem Reformat inkorporiert werden, um das Methanol in Wasserstoff umzuwandeln, das mit Methanolreformat-Brennstoffzellen verwendet ist.
Während es ersichtlich ist, dass die illustrierten Ausführungsformen der hier offenbarten Erfindung die Aufgaben der vorliegenden Erfindung voll erfüllen, wird erkannt werden, dass zahlreiche Modifikationen und andere Ausführungsformen von Fachleuten erdacht werden können.

Claims

Brennstoffkartusche, die einen Flüssigbrennstoff enthält, der zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle geeignet ist, wobei die Kartusche einen Füllereinsatz umfasst, wobei der Füllereinsatz ein absorbierendes Material mit einer Kapillarität umfasst, welches innerhalb der Kartusche enthaltenen Brennstoff ansaugt und wobei der Füllereinsatz in der Kartusche so angeordnet ist, dass der Füllereinsatz bei jeglicher Orientierung der Kartusche und bei jeglichem Brennstoffpegel in Kontakt mit dem Brennstoff steht, wobei zumindest ein Teil des Füllereinsatzes von einem fluidundurchlässigen Film abgedeckt ist.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffkartusche eine Mehrzahl von Kammern umfasst, wobei jede Kammer eine vorgegebene Konzentration an Brennstoff aufweist und wobei jede Kammer den aus einem absorbierenden Material mit einer Kapillarität, die innerhalb der Kammer enthaltenden Brennstoff ansaugt, hergestellten Füllereinsatz umfasst, und wobei der Füllereinsatz in der Kammer so angeordnet ist, dass der Füllereinsatz bei jeglicher Orientierung der Kammer und jeglichem Brennstoffpegel in Kontakt mit dem Brennstoff steht.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 2, wobei zumindest ein Teil eines der Füllereinsätze von einem fluid-undurchlässigen Film abgedeckt ist.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennstoffkartusche mit einer Pumpe verbunden ist, um den Fluss von Flüssigbrennstoff aus der Kartusche zu steuern.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 4. wobei die Pumpe eine mikroelektromechanische Pumpe ist.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 5, wobei die mikroelektromechanische Pumpe zumindest eine der folgenden Pumpen umfasst: i. eine feldinduzierte Pumpe, ii. eine Elektrofeld-induzierte Pumpe, iii. eine Magnetfeld-induzierte Pumpe, iv. eine elektro-hydrodynamische Pumpe, v. eine Kombination einer elektro-hydrodynamischen Pumpe und einer elektro-osmotischen Pumpe, vi. eine magnet-hydrodynamische Pumpe, vii. eine elektro-osmotische Pumpe, viii. eine Membranverschiebungspumpe, ix. eine mikroelektromechanische Pumpe mit einer Membran und einer an der Membran angelegten Kraft, welche die Membran veranlasst, sich zu bewegen, um den Brennstoff zu pumpen, x. eine elektrostatische Pumpe, oder xi. eine thermopneumatische Pumpe.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Füllereinsatz zumindest eines der folgenden umfasst: i. eine Verbindungssäule und zumindest zwei Scheiben, ii. eine zumindest einen Teil der inneren Oberfläche der Kartusche abdeckende Hülle, iii. einen Auslassdurchgang, iv. einen Auslassdurchgang mit zumindest zwei absorbierenden Materialien, v. eine Verbindungssäule und eine Mehrzahl mit einer Säule verbundenen Speichen, oder vi. eine Verbindungssäule und eine mit einer Säule verbundenen Mehrzahl von Speichen, wobei zumindest ein Ring mit einigen der Speichen verbunden ist.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 1 oder 2, wobei das absorbierende Material aus Polymerfasern oder aus pflanzenbasierten Fasern hergestellt ist.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kartusche weiterhin eine Belüftung umfasst.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kartusche weiter ein wiederbefüllbares Ventil umfasst.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 2, wobei die Konzentration an Brennstoff von etwa 100% Flüssigbrennstoff und 0% Wasser bis etwa 0% Brennstoff und 100% Wasser reicht.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 11, wobei Flüssigbrennstoff Methanol umfasst.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 2, wobei die Kammern Seite an Seite oder Ende an Ende angeordnet sind.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend ein Sperrventil.
Brennstoffkartusche nach Anspruch 4, wobei die Pumpe eine Umkehrpumpe ist.