專利名稱：用于燃料電池的燃料供應器及使用其的燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于燃料電池的燃料供應器及使用其的燃料電池。
背景技術：
近年來隨著信息導向型社會的到來，電子設備例如個人計算機等處理的信息量在急劇增加，同時電子設備的能耗也有顯著增加。特別是便攜式電子設備，存在與處理能力增加相關的能耗增加的問題。目前，一般使用鋰離子電池作為這些類型的便攜式電子設備的能源，但是鋰離子電池的能量密度正在接近理論極限。因此，為了給便攜式電子設備提供更長地連續運行時間，必須抑制聯機(in line)的CPU的驅動頻率并且減少能耗。
在這樣的情況下，期望能夠使用高能量密度、高熱交換器效率的燃料電池代替鋰離子電池作為電子設備的能源，以便能夠顯著地延長便攜式電子設備的連續運行時間。
燃料電池由燃料電極和氧化劑電極(以下這些電極也稱作“催化劑電極”)以及位于它們之間的電解質組成，其中當通過電化學反應生產電力時，分別將燃料和氧化劑供應給燃料電極和氧化劑電極。雖然一般使用氫作為燃料，但是近年來已經看到甲醇燃料電池的積極開發，如使用甲醇作為原料并且將其重整成氫的甲醇重整型燃料電池和直接使用甲醇作燃料的直接型燃料電池。
當使用氫作燃料時，在燃料電極處發生的反應表示為下式(1)(1)當使用甲醇作燃料時，在燃料電極處發生的反應表示為下式(2)(2)在兩種情況下，在氧化劑電極處發生的反應表示為下式(3)(3)
特別地，直接型燃料電池可以從甲醇水溶液中產生氫離子，因此不需要重整設備等，從而可以有利地用于便攜式電子設備。直接型燃料電池的特征還在于，由于使用例如液體甲醇水溶液這樣的液體燃料作為燃料，其能量密度非常高。
考慮到長期使用，這樣的液體燃料供應型燃料電池優選在供應給燃料電極的液體中使用高濃度的燃料組分。
但是，如果使用和水具有高親合性的液體有機燃料如甲醇，可能易于發生跨接，其中更高濃度的燃料組分擴散進入含水的固體電解質膜并且達到氧化劑電極。盡管液體有機燃料應當在燃料電極必要地供應電子，但是由于跨接，液體有機燃料在氧化劑電極側被氧化，使得可能由于沒有充分用作燃料而發生電壓、輸出或燃料效率的下降。因此，難以提高供應給燃料電極的液體的燃料組分濃度。
有人提出一種在減小跨接誘導的輸出特性下降的燃料濃度下提高燃料電池系統體積能效的技術(參見專利文獻1)。專利文獻1公開了一種燃料電池，其中高濃度甲醇通過閥門連接到儲存作為燃料的甲醇水溶液的燃料槽。所述的閥門是通過控制器控制的，使得高濃度甲醇從高濃度甲醇槽向燃料槽的供應是受控制的。專利文獻1公開了高濃度甲醇槽的安裝可以改善燃料電池的體積能效。
但是，專利文獻1中公開的結構需要大的反饋控制機構，因為高濃度甲醇從高濃度甲醇槽向燃料槽的供應是受閥門操作控制的。因此，整個燃料電池大而且復雜，從節省空間和輕便考慮還有提高的余地。特別是，需要有更加緊湊和簡單的機構以應用于便攜式設備如便攜式個人電腦或便攜式電話。
日本公開專利公布No.。

發明內容
本發明是考慮上述情況而進行的，并且本發明的一個目的是提供更長時間地穩定運行液體燃料供應型燃料電池的技術。本發明的另一目的是提供小型化液體燃料供應型燃料電池的技術。
根據本發明，提供一種位于燃料電池供應系統中的燃料供應器，其包括燃料容器；和滲透控制薄膜，通過該滲透控制薄膜，將燃料容器中含有的補充燃料限制性地傳輸并且傳遞給燃料供應系統。
本發明的燃料供應器使得補充燃料高度可控地通過滲透控制薄膜限制性地傳遞給燃料供應系統。因此，當燃料供應體系中的燃料由于燃料電池的運行而減小時，可以通過滲透控制薄膜供應補充燃料。具有這種簡單結構，燃料電池能夠更長時間地穩定運行。
在本發明的燃料供應器中，滲透控制薄膜可以基于燃料供應系統中液體燃料的濃度限制補充燃料的傳輸量。這種特征改進了根據燃料供應系統中液體燃料的濃度的變化對傳輸量的控制。因此，在將燃料供應系統中的燃料濃度保持在防止跨接的某一濃度的同時，可以用來自燃料容器的燃料補充因燃料電池的運行而減少的液體燃料，從而可以將燃料供應系統中的液體燃料濃度控制到預定濃度。補充燃料的燃料組分濃度可以高于液體燃料的燃料組分濃度。因此，可以將燃料供應器中液體與燃料供應系統中燃料液體之間的燃料組分濃度的梯度用于將補充燃料供應給燃料供應系統，從而可以抑制燃料供應系統中燃料組分濃度的減小。
在本發明的燃料供應器中，滲透控制薄膜可以根據液體燃料的濃度改變其形狀，從而改變補充燃料的傳輸量。這種特征使得可以利用根據液體燃料濃度的滲透控制薄膜的自發性形態變化來控制補充燃料的傳遞。因此，可以用簡單的結構控制補充燃料的傳輸量，所述的結構不含用于測量燃料供應系統中液體燃料濃度并且控制補充燃料傳輸量的控制單元等。如此，可以使燃料電池緊湊或者輕便。還可以簡化燃料電池的設備構造。
在本發明的燃料供應器中，所述的薄膜可以根據液體濃度收縮和膨脹，以改變其過流面積(open area)比率。這種特征能夠控制補充燃料的傳輸量。
在本發明的燃料供應器中，滲透控制薄膜可以包括傳輸補充燃料的燃料滲透性薄膜和位于燃料滲透性薄膜上并且控制燃料滲透性薄膜暴露面積的閘板構件。在這樣的結構中，讓補充燃料從燃料滲透性薄膜的暴露部分移動到燃料供應系統。位于燃料滲透性薄膜上的閘板構件可以調節燃料滲透性薄膜的暴露面積，從而可以控制補充燃料的傳輸量。
在本發明的燃料供應器中，可以構造閘板構件以基于燃料供應系統中液體燃料的燃料濃度限制補充燃料的傳輸量。這種特征可以以這樣一種方式控制補充燃料的供應，使得可以將燃料供應系統中的燃料濃度保持在所需的濃度。因此，在燃料電池中抑制跨接的同時，可以穩定地產生高水平的輸出。
可以構造本發明的燃料供應器，使得燃料滲透性薄膜的暴露面積根據燃料供應系統中液體燃料的濃度逐步變化。這種特征可以更精確地控制補充燃料的供應量。
在本發明的燃料供應器中，閘板構件可以包括具有切口部分的彈性薄膜，并且讓彈性薄膜的表面膨脹和收縮，使得切口部分改變其形狀，并且控制燃料滲透性薄膜的暴露面積。這種特征可以通過閘板構件的膨脹和收縮容易地控制提供在燃料滲透性薄膜上的切口部分的開口面積。因此，可以用一種簡單結構控制燃料滲透性薄膜的暴露面積。
可以構造本發明的燃料供應器，使其還包括閘板控制構件，所述閘板控制構件讓閘板構件在燃料滲透性薄膜表面上滑動，從而控制燃料滲透性薄膜的暴露面積。在具有可滑動地提供在燃料滲透性薄膜表面上的閘板構件的結構中，可以用閘板構件控制燃料滲透性薄膜表面的屏蔽程度。這種特征可以控制燃料滲透性薄膜的暴露面積，因而可以控制通過燃料滲透性薄膜的補充燃料的供應量。在本發明的燃料供應器中，閘板構件還可以具有開口。在這樣的結構中，可以讓閘板構件在燃料滲透性薄膜表面上滑動，從而可以逐步改變燃料滲透性薄膜的暴露面積。因此，可以更加精確地控制燃料供應系統中的燃料濃度。
在本發明的燃料供應器中，可以構造燃料滲透性薄膜，以基于燃料供應系統中液體燃料的燃料濃度限制液體燃料的傳輸量。這種特征對于補充燃料向燃料滲透性薄膜本身的傳輸提供另外的可控性。因此，可以組合使用燃料滲透性薄膜和閘板構件，從而可以限制補充燃料的傳輸量。
本發明的燃料供應器還可以包括燃料供應單元，所述燃料供應單元通過滲透控制薄膜與燃料容器相鄰，并且構造成根據其內部壓力改變其體積。這種特征可以抑制由液體燃料供應型燃料電池運行產生的二氧化碳等造成的燃料供應系統內部壓力的增加。因此，補充燃料可以從燃料供應器向燃料供應系統移動，從而可以穩定地供應最有效產生電力的濃度的甲醇。燃料供應單元和燃料供應系統彼此相鄰的排列使得整個燃料電池體積減小并且重量減輕。
根據本發明，提供一種燃料電池，其包括固體電解質膜；位于固體電解質膜上的燃料電極和氧化劑電極；以及供應燃料給燃料電極的燃料供應系統，其中所述的燃料供應系統具有所述的燃料供應器。
根據本發明的燃料電極具有上述的燃料供應器，因此當燃料供應系統中液體燃料的濃度由于運行而下降時，可以通過滲透控制薄膜供應補充燃料。如此，通過簡單的系統構造，可以將液體燃料的濃度保持在所需的濃度。因此，在將燃料供應系統中的燃料濃度保持在不發生跨接的某一濃度的同時，可以更長時間地穩定產生高水平的輸出。
本發明的燃料電池還可以包括氣體導管，通過該氣體導管將燃料電極產生的氣體引導到燃料容器。
根據本發明的實施方案，本發明構件或元件之間本發明的上述構成部分，以及構成部分或者措辭的替換或者方法和設備之間的替換的任何組合都是有效可能的。
例如，本發明的燃料供應器在燃料電池中是可拆的，從而在燃料容器中的補充燃料被消耗后可以容易地用另一燃料供應器代替。因此，采用簡單的結構，可以還要更長時間地運行燃料電池。含有燃料供應器的燃料供應系統也可以是可拆的。
根據本發明，可以提供更長時間穩定運行液體燃料供應型燃料電池的技術。根據本發明，還可以使液體燃料供應型燃料電池緊湊。


上述的其它的目的、特護和優點將由下面的優選實施方案連同附圖而變得更加明顯圖1是示意性顯示根據一個實施方案的燃料電池的結構的橫截面圖；圖2是沿著圖1的A-A′線的燃料電池的橫截面圖；圖3是沿著圖1的A-A′線的燃料電池的橫截面圖；圖4是示意性顯示圖1中燃料電池的單元電池的結構的橫截面圖；圖5是示意性顯示根據一個實施方案的燃料電池的結構的橫截面圖；
圖6是示意性顯示根據一個實施方案的燃料電池的結構的橫截面圖；圖7是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖8是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖9是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖10是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖11是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖12是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖13是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖14是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖15是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖16是沿著圖15的B-B′線的滲透控制薄膜的橫截面圖；圖17是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖18是沿著圖17的B-B′線的滲透控制薄膜的橫截面圖；圖19是沿著圖17的B-B′線的滲透控制薄膜的橫截面圖；圖20是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖21是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；圖22是顯示根據一個實施方案的燃料電池的滲透控制薄膜的結構的橫截面圖；
圖23是顯示根據一個實施方案的燃料電池的結構的橫截面圖；圖24是顯示圖23中燃料電池系統的傳感器的結構的圖；圖25是顯示圖23中燃料電池系統的濃度測量單元的結構的圖；圖26是顯示根據一個實施方案的燃料電池的結構的橫截面圖；圖27是顯示根據一個實施方案的燃料電池的結構的橫截面圖；和圖28是顯示一個實施例的燃料電池的運行持續時間與電池電壓之間關系的圖。
具體實施例方式
下面參考附圖描述本發明的一些實施方案。附圖中，相同的參考數字指的是共同的構成部分，并且其解釋不再進行適當描述。
下面實施方案中描述的燃料電池可適當用于各種應用，其實例包括但不限于，小體積的電子設備如便攜式電話，便攜式個人電腦如筆記本電腦，PDA(個人數字助手)，各種照相機，航海系統，便攜式音樂播放器等。
(第一實施方案)圖1是示意性顯示該實施方案中燃料電池結構的平面圖。
參考圖1，燃料電池723包括多個單元電池結構體101、為多個單元電池結構體101放置的燃料容器713、將高濃度燃料725供應給燃料容器713的高濃度燃料容器715，以及位于燃料容器713和高濃度燃料容器715之間的滲透控制薄膜717。
放置燃料容器811使其與燃料電極102接觸。將燃料容器811含有的燃料124供應給燃料電極102。將燃料容器811通過燃料通道719和721與燃料容器713相連。
燃料124通過燃料通道719被供應到燃料容器811。燃料可以沿著提供在燃料容器811中的多個隔離板853流動，并且順序供應到多個單元電池結構體101。燃料在多個單元電池結構體101中循環，然后通過燃料通道721被收集到燃料容器713中。稍后詳細描述單元電池結構體101的構造。
在該實施方案和下面的其它實施方案中，燃料124是指將要供應給單元電池結構體101的液體燃料，并且包括作為燃料組分的有機溶劑和水。燃料124中含有的燃料組分可以是液體有機燃料如甲醇、乙醇、二甲醚、其它醇類，以及如環烷烴的液體烴類等。下面描述的是其中燃料組分為甲醇的情況。盡管通常可以使用空氣作為氧化劑，但是也可以供應氧氣。
在燃料電池723中，高濃度燃料容器715通過滲透控制薄膜717與燃料容器713相鄰。滲透控制薄膜717控制高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸。
燃料容器713含有燃料124，燃料124具有達到供應到單元電池結構體101程度的燃料組分濃度。高濃度燃料容器715中含有的是燃料組分濃度不低于燃料124的燃料組分濃度的高濃度燃料725。例如，如果燃料組分是甲醇，燃料容器713可以含有水或約50體積％或更小濃度的甲醇的水溶液。在這種情況下，高濃度燃料容器715可以含有甲醇或甲醇濃度不低于燃料124的甲醇濃度的甲醇水溶液。
在燃料電池723的運行中，燃料124從燃料容器713被消耗，而具有比燃料124低的燃料組分濃度的液體通過燃料通道721被回收。因此，隨著燃料電池723的運行，燃料容器713中液體的燃料組分濃度降低，從而明顯不同于高濃度燃料容器715中的液體的燃料組分濃度。
構建滲透控制薄膜717，使其對燃料組分的滲透性根據燃料容器713中液體的燃料組分濃度而變化。對于滲透控制薄膜717，這樣的結構可以使用對燃料組分濃度敏感的薄膜。例如，這樣的薄膜可以是根據燃料組分濃度改變其形狀或形態從而改變其過流面積比率的薄膜。備選地，滲透控制薄膜717可以使用對燃料組分具有滲透性的燃料滲透性薄膜與閘板的組合，所述閘板覆蓋有燃料滲透性薄膜，控制燃料滲透性薄膜的暴露面積。
該實施方案是參考使用根據燃料組分濃度而自身改變其過流面積比率的薄膜的情況描述的。燃料容器713和通過滲透控制薄膜717分開的高濃度燃料容器715實現了這樣一種結構，其中讓高濃度燃料725根據燃料組分濃度梯度通過滲透控制薄膜717從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
在這樣的結構中，將高濃度燃料725從高濃度燃料容器715逐步地供應到燃料容器713，從而可以將燃料容器713中的燃料組分濃度保持在適合于單元電池結構體101中電力產生的濃度。還可以抑制燃料124的燃料組分濃度的下降，同時保持在這樣的不發生跨接的低濃度。如此，可以穩定地獲得高電池電壓。由于高濃度燃料容器715含有高濃度燃料725，整個燃料電池723可以具有改善的體積能效。
可以將滲透控制薄膜717和高濃度燃料容器715集成為一個構件，所述構件被構造成可以從包括單元電池結構體101的燃料電池主體上拆下。例如，這樣的組件可以是筒型燃料供應裝置。備選地，可以將燃料容器713、滲透控制薄膜717和高濃度燃料容器715集成為一個組件，所述組件被構造成可以從包括單元電池結構體101的燃料電池主體上拆下。
下面描述滲透控制薄膜717的一些具體結構。圖2A和2B是沿著圖1A-A′線的橫截面圖，也是示意性顯示滲透控制薄膜717結構的頂視圖。圖2A顯示了處于低燃料組分濃度狀態下的滲透控制薄膜735，而圖2B顯示了處于高燃料組分濃度狀態下的滲透控制薄膜735。
圖2中，滲透控制薄膜717由滲透控制薄膜735組成，其包括支持構件731和聚合物733，并且根據燃料組分濃度改變小孔737的大小以控制高濃度燃料725的傳輸。
支持物731可以是能夠支持聚合物733的多孔膜，并且優選使用對燃料組分具有良好耐腐蝕性的材料。例如，支持構件可以是金屬網、多孔金屬薄板或者可發泡金屬材料。多孔金屬薄板可以是具有貫穿其兩面以傳輸高濃度燃料725的孔的任何類型的多孔金屬薄板，并且可以具有任何形狀或厚度。例如，可以使用多孔薄金屬板，也可以使用金屬纖維薄板。金屬纖維薄板可以是含有一種或多種成型成薄板的金屬纖維的任何材料，并且可以使用金屬纖維的非機織或機織薄板。支持構件731還可以由金屬以外的任何材料制成，所述的材料如聚合物、陶瓷或玻璃。具體地，還可以使用化學纖維薄板或玻璃纖維薄板。
聚合物733可以由隨著燃料組分濃度增加而溶脹的聚合物材料制成。例如，可以使用稍后所述的可用于單元電池結構體101固體電解質膜的材料。具體地，可以使用含有砜基的全氟化碳(Nafion(注冊商標)，由Du PontK.K.制造)。還可以使用根據燃料組分濃度收縮和膨脹的烴-或聚酰亞胺-基薄膜。
例如，當燃料組分是甲醇時，這樣的材料隨著甲醇濃度下降而收縮。因此，當燃料容器713中的甲醇濃度由于燃料電池723的運行而減小時，小孔737的大小增加，從而提高過流面積比率。從而將更多的甲醇從高濃度燃料容器715傳輸到燃料容器713。使用這樣的滲透控制薄膜735作為薄膜717，可以利用滲透控制薄膜717甲醇傳輸速度的差異來抑制燃料容器713中甲醇濃度的降低。如此，可以保持燃料124的甲醇濃度恒定，并且可以更長時間地將合適濃度的燃料124穩定地供應到單元電池結構體101。因此，燃料電池723可以穩定地運行更長的時間。
滲透控制薄膜735的使用消除了使用外部力量或外部電源來控制滲透控制薄膜717的必要性，因此可以使整個燃料電池723緊湊和輕便。
例如，可以通過包括將支持構件731浸漬在含有聚合物733的液體中并且將其干燥的方法制備滲透控制薄膜735。備選地，可以通過用液體噴涂或者將液體滴加到膜表面上等制備薄膜735。還可以在支持構件731表面上使用制造聚合物薄膜的常規方法如單體的接枝聚合法而制備薄膜735。
圖3A和3B是各自顯示滲透控制薄膜717另一構造的圖。圖3A顯示了包括附著在燃料滲透性薄膜745一側的滲透控制薄膜735的構造e，而圖3B顯示了包括附著在燃料滲透性薄膜745兩側的滲透控制薄膜735的結構。
燃料滲透性薄膜745對于燃料124的燃料組分是可滲透的。在含有附著在滲透控制薄膜735上的燃料滲透性薄膜745的結構中，薄膜735起到能夠改變薄膜745暴露面積的閘板的作用。因此，可以調節燃料滲透性薄膜745的暴露面積，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
在如圖3A或3B所示的滲透控制薄膜717結構中，燃料滲透性薄膜745可以使用稍后在第四實施方案等中描述的材料。
下面參考圖4描述如圖1所示的單元電池結構體101的構造。圖4是示意性顯示單元電池結構體101的橫截面圖。每個單元電池結構體101包括燃料電極102、氧化劑電極108和固體電解質膜114。
固體電解質膜114的作用是隔開燃料電極102和氧化劑電極108，并且讓氫離子在它們之間移動。因此，優選固體電解質膜114具有高氫-離子導電性。在優選方式中，膜114還是化學穩定的，并且具有高機械強度。
固體電解質膜114的材料優選為含有極性基團的有機聚合物，所述的極性基團如強酸基，例如砜基、磷酸基、膦酸基和次磷酸基；和弱酸基，例如羧基。這樣的有機聚合物的實例包括含芳香基的聚合物如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亞苯基)和烷基磺化聚苯并咪唑；共聚物，如聚苯乙烯磺酸共聚物，聚乙烯基磺酸共聚物，以及由交聯的烷基磺酸衍生物、氟樹脂骨架和磺酸組成的含氟聚合物；通過丙烯酰胺如丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸與丙烯酸酯如甲基丙烯酸正丁酯共聚制備的共聚物；含有砜基的全氟化碳(Nafion(注冊商標)，由Du Pont K.K.制造)，Aciplex(注冊商標由AsahiKasei Corporation.制造)；以及含有羧基的全氟化碳(Flemion S薄膜，由ASAHI GLASS CO.，LTD制造)。如果從這些聚合物中選擇含有芳香基的聚合物如磺化聚(4-苯氧基苯甲酰基-1，4-亞苯基)、烷基磺化聚苯并咪唑等，可以控制液體有機燃料的傳輸，并且可以抑制跨接誘導的電池效率的下降。
燃料電極102和氧化劑電極108分別包括燃料電極側催化劑層106和氧化劑電極側催化劑層112，每種催化劑層均包括載有催化劑的碳粒子和固體電解質微粒，并且形成在基材104或110上。催化劑的實例包括鉑以及鉑與釕的合金等。燃料電極102和氧化劑電極108可以使用相同或不同的催化劑。
基材104和110可以由稍后在第三實施方案中所述的材料制成。這些基材表面可以是防水拋光過的。當如上所述使用甲醇作為燃料124時，在燃料電極102處產生二氧化碳。如果在燃料電極102處產生的二氧化碳氣泡停留在燃料電極102周圍，則可能抑制燃料124向燃料電極102的供應，這可能是發電效率下降的一個原因。因此，基材104優選是用親水性或疏水性涂料進行表面處理的。用親水性涂料表面處理的基材104表面提供提高的燃料流度，使得二氧化碳氣泡可以容易地與燃料124一起移動。如果用疏水性涂料處理基材104表面，則可以減少水在基材104表面上的沉積，否則這種沉積可能是氣泡產生的一個原因。
因此，可以減少基材104表面上的氣泡產生。表面處理與振動燃料電池主體100的方法的協同作用可以更有效地將二氧化碳從燃料電極102除去，從而得到高的發電效率。親水性涂料的實例包括氧化鈦和氧化硅等。疏水性涂料的實例包括聚四氟乙烯和硅烷等。
可以如圖1中所示的排列每個均如上所述構造的單元電池結構體101，以獲得含有多個串連的單元電池結構體101的燃料電池723。備選地，可以堆垛單元電池結構體101以獲得包括燃料電池堆垛的燃料電池。
根據該實施方案，將儲存在高濃度燃料容器715中的高濃度燃料的高濃度燃料725通過滲透控制薄膜717供應到燃料容器713，所以可以控制燃料組分向燃料容器713的供應，并且可以將燃料124中燃料組分的濃度控制到預定濃度。從而，可以抑制從燃料容器713供應的燃料124的濃度隨著燃料電池723的運行而下降。因此，在可以抑制跨接發生的同時，可以在單元電池結構體101中更長時間穩定進行電化學反應。
在如圖3A或3B所示的使用滲透控制薄膜717結構的實施方案中，滲透控制薄膜735和燃料滲透性薄膜745之間的接觸面積是可變的。在這樣的結構中，對高濃度燃料725的滲透性隨著燃料滲透性薄膜745和滲透控制薄膜735之間接觸面積的增加而下降，因此可以更加精確地控制高濃度燃料725的滲透性。例如，這樣的結構可以使用稍后在第四至第十四實施方案中所述的閘板機構。
(第二實施方案)在根據第一實施方案的燃料電池723中，高濃度燃料容器715和滲透控制薄膜717可以位于鄰近燃料通道719處。圖5是顯示根據該實施方案的燃料電池結構的圖。
在圖5的燃料電池727中，將高濃度燃料725從高濃度燃料容器715通過燃料通道719供應，以將從燃料容器713供應的液體的燃料濃度固定在預定的濃度。如此，可以抑制供應到單元電池結構體的燃料124中燃料組分濃度的降低，并且可以保持在預定的濃度。因此，在單元電池結構體101中抑制跨接發生的同時，可以更長時間穩定地獲得高的電池電壓。
在燃料電池727中，滲透控制薄膜717可以具有例如與根據第一實施方案的燃料電池723中的相同的結構。
(第三實施方案)在該實施方案中，本發明應用于另一種燃料電池結構，其中將液體燃料直接供應給燃料電極。圖6是示意性地顯示根據該實施方案的燃料電池729的結構的示意圖、在圖6的燃料電池中，基材104和110各自被構造使其既起到氣體擴散層作用又起到集電極作用。基材104和110分別具有燃料電極側接頭447和氧化劑電極側接頭449。基材104和110可以由金屬網、多孔金屬薄板、可發泡金屬材料等制成。在這樣的結構中，可以在不使用金屬體收集器(metal bulk collector)的情況下有效進行功率收集。
將燃料容器713連接到基材104上。如在第一實施方案中的那樣，將高濃度燃料容器715通過滲透控制薄膜717連接到燃料容器713。燃料容器713與基材104的接觸表面具有小孔(未顯示)。因此，燃料124通過這些小孔被有效供應到基材104。可以將基材104和燃料容器713用對燃料124具有抵抗力的粘合劑等相互結合，或者使用螺栓和螺母等將其固定在一起。
在圖6的燃料電池中，基材104的外周側表面被封條429覆蓋以防止燃料124泄漏。在沒有大體積的集電極的情況下，燃料容器713直接與燃料電極102的基材104接觸以供應燃料124。這樣的結構可以形成更細、緊湊和輕便的燃料電池。
還可以將氧化劑電極108直接與將要供應的氧化劑126如空氣或氧接觸。可以通過任何不妨礙小型化的合適構件如包裝構件，將氧化劑126供應給氧化劑電極108的基材110。
根據該實施方案，即使在構造成直接供應燃料124給燃料電極102的燃料電池中，也可以控制燃料124中燃料組分的濃度。因此，在抑制跨接發生的同時，可以更長時間地穩定進行電化學反應，并且可以小型化整個電池。
盡管圖6圖示了單片的單元電池結構體101，還可以如圖1的燃料電池723中的那樣，將多個單元電池結構體101在平面內串連，或者可以形成堆跺。
在燃料電池729中，滲透控制薄膜717可以具有例如與根據第一實施方案的燃料電池723中的相同的結構。
(第四實施方案)在根據第一至第三實施方案的燃料電池中，滲透控制薄膜717可以具有下述結構。圖7A至7C是顯示位于燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717結構的橫截面圖。根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構還可以用于含有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的滲透控制薄膜717的根據第二實施方案的結構中。
參考圖7A，滲透控制薄膜717包括隔墻741、燃料滲透性薄膜745和閘板739。該實施方案的燃料電池還包括控制閘板739開關狀態的旋轉單元743。
燃料滲透性薄膜745對燃料124中的燃料組分具有滲透性，由隔墻741支撐，并且放置以形成高濃度燃料容器715和燃料容器713之間的界面的一部分。燃料滲透性薄膜745可以是對燃料組分具有滲透性的任何薄膜，并且優選對燃料組分具有良好的耐腐蝕性。例如，可以使用對燃料組分具有耐受性的聚合物薄膜。還可以使用能夠充當固體電解質膜114的薄膜等。備選地，可以使用金屬網、多孔金屬薄板等。
閘板739可以在燃料滲透性薄膜745表面上滑動，使其位于燃料滲透性薄膜745整個表面的一部分上。例如，閘板739是沒有開口的平板。優選閘板739由對燃料組分耐腐蝕或者變形的材料制成。這樣的材料的實例包括諸如特氟隆(Teflon)(注冊商標)、聚乙烯和聚丙烯的聚合物材料；金屬和陶瓷材料。
閘板739可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，以可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
盡管該實施方案和下面的其它實施方案是參考只在高濃度燃料容器715側提供閘板739的結構作為實例而描述的，但是可以在燃料容器713側上提供閘板739，或者在燃料容器713側和高濃度燃料容器715側上都提供閘板739。
圖7A顯示了閉合閘板739的狀態。在該狀態中，高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的。
圖7B顯示了閘板739打開的狀態。閘板739的開和關是通過對旋轉單元743進行旋轉而進行的，所述的旋轉單元743與閘板739嚙合并且讓閘板739滑動。在從圖7A至圖7B的過程中，通過旋轉單元743的順時針旋轉而打開閘板739。
圖7C顯示了閘板739再次閉合的狀態。在圖7B至圖7C的過程中，通過旋轉單元743的逆時針旋轉而閉合閘板739。
在具有這種結構的滲透控制薄膜717中，燃料滲透性薄膜745可以是如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)。當使用滲透控制薄膜735時，薄膜本身控制燃料組分傳輸的能力與通過閘板739的開和關對燃料組分傳輸的控制組合，使得可以更加精確地控制燃料容器713中燃料組分的濃度。例如，由于燃料124中甲醇的最佳濃度隨著溫度而變化，可以調節由閘板739形成的開口面積，以在需要更高甲醇濃度的低溫下提供高濃度，而在可以在相對低濃度下產生電力的高溫下提供低濃度。
可以使用嚙合齒輪等進行用旋轉單元743打開和閉合閘板739的移動。還可以使用電動機的電力等作為驅動力，或者使用通過螺旋彈簧等由人力聚集的力轉化的電信號，來進行閘板739的打開和閉合。在這些機構中，電流值、把手位置等是可變的，從而可以通過控制電流值等改變由閘板739形成的開口面積。因此，可以將燃料滲透性薄膜745的暴露面積控制到所需的大小。備選地，可以提供這樣一種機構，其中檢測燃料容器713中或者燃料容器713和高濃度燃料容器715每個中的燃料組分濃度，以當濃度降低至低于特定值時打開閘板739，而當濃度增加時閉合閘板739。
盡管在該實施方案中燃料滲透性薄膜745是作為燃料容器713和高濃度燃料容器715之間的邊界部分而提供的，但是燃料滲透性薄膜745還可以形成整個隔墻以代替所述的隔墻741。
(第五實施方案)根據第一至第三實施方案的燃料電池可以具有如下所述的結構。圖8A至8C是顯示位于燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖。根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構還可以用于具有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的根據第二實施方案的滲透控制薄膜717的結構中。
參考圖8，滲透控制薄膜717包括隔墻741、燃料滲透性薄膜745和閘板739。該實施方案的燃料電池還包括卷起閘板739的卷繞單元747。參考圖8，當被根據第四實施方案的結構(圖7A至7C)中的卷繞單元747卷起時，閘板739可以在燃料滲透性薄膜745表面上滑動。
圖8A顯示了閘板739閉合的狀態。在該狀態中，高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的。
圖8B顯示了閘板739打開的狀態。閘板739的開和關是通過卷起閘板739的卷繞單元747的旋轉進行的。在從圖8A至圖8B的過程中，通過卷繞單元747的順時針旋轉打開閘板739。
圖8C顯示了閘板739再次閉合的狀態。在從圖8B至圖8C的過程中，通過卷繞單元747的逆時針旋轉閉合閘板739。
用卷繞單元747卷繞閘板739驅動力可以源自電動機、螺旋彈簧等。還可以檢測燃料容器713中或者燃料容器713和高濃度燃料容器715每個中的燃料組分濃度，以當濃度降低至低于特定值時打開閘板739，而當濃度增加時閉合閘板739。例如，可以通過電流值控制等改變由閘板739形成的開口面積。
盡管在該實施方案中燃料滲透性薄膜745也是作為燃料容器713和高濃度燃料容器715之間的邊界部分而提供的，但是燃料滲透性薄膜745還可以形成整個隔墻代替所述的隔墻741。
如果閘板739包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，則可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透率。
(第六實施方案)在實施方案中，根據第五實施方案的滲透控制薄膜717提供有補充單元，所述的補充單元借助彈力幫助用卷繞單元747開和關閘板739。圖9A至9C是顯示根據該實施方案的滲透控制薄膜717結構的橫截面圖。
該實施方案的燃料電池與第五實施方案一致，并且進一步包括柱749和751以及彈性構件753。將柱749固定在隔墻741的預定位置上，同時在隔墻741上提供可滑動的并且偶聯在閘板739末端的柱751。
柱749和751通過彈性構件753連接。當打開閘板739時，彈性構件753延長，使得柱751遠離柱749移動。當閘板739閉合時，彈性構件753收縮，使得柱751向著柱749移動。
圖9A顯示了閉合閘板739的狀態。在該狀態中，高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的。
圖9B顯示了打開閘板739的狀態。閘板739的開和關是通過卷起閘板739的卷繞單元747的旋轉進行的。在從圖9A至圖9B的過程中，通過卷繞單元747的順時針旋轉打開閘板739。在該過程中，柱751可以與閘板739一起移動，使得彈性構件753延長。
圖9C顯示了閘板739再次閉合的狀態。在從圖9B至圖9C的過程中，通過卷繞單元747的逆時針旋轉閉合閘板739。在該過程中，對柱751和閘板739施加力，使延長的彈性構件753收縮，從而加速閘板739的閉合。
如上所述，如果提供彈性構件753，可以施加力以閉合閘板739，因此這樣的結構可以幫助閘板739的閉合。例如，彈性構件753可以是彈簧或橡膠等。彈性構件753的材料可以對燃料124的燃料組分具有耐腐蝕性。
在該實施方案中，閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第七實施方案)根據第一至第三實施方案的燃料電池可以具有如下所述的結構。圖10A至10C是顯示提供在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖。根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構還可以用于具有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的根據第二實施方案的滲透控制薄膜717的結構中。
參考圖10A至10C，滲透控制薄膜717包括隔墻741、燃料滲透性薄膜745和閘板739。該實施方案的燃料電池還包括偶聯到閘板739上的軸755。圖10A至10C顯示了一種上推結構，這種結構根據第四實施方案(圖7A至7C)，并且還包括軸755，通過該軸755將閘板739向上推。
圖10A顯示了閘板739閉合的狀態。在該狀態中，閘板739與燃料滲透性薄膜745緊密接觸，所以高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的。
圖10B顯示了打開閘板739的狀態。如圖所示，閘板739的開和關是通過讓軸755推動閘板739向上和向下移動而進行的。在從圖10A至圖10B的過程中，軸755可以向上移動從而推起閘板739，使得閘板739和燃料滲透性薄膜745之間形成空間。通過該空間，高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
圖10C顯示了閘板739再次閉合的狀態。在從圖10B至圖10C的過程中，如圖所示，軸755可以向下移動，從而使閘板739與燃料滲透性薄膜745接觸。
在根據該實施方案的結構中，用軸755推起閘板739，使得燃料滲透性薄膜745與高濃度燃料容器715中的高濃度燃料725接觸，如此可以控制燃料容器713中的燃料組分濃度。軸755的上推運動可以通過以下方式進行通過卵型凸輪的旋轉推起桿狀軸755，或者擰緊螺桿軸755。可以用電流值控制等來改變由閘板739形成的開口面積。
盡管在該實施方案中燃料滲透性薄膜745也是在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間的部分邊界處提供的，但是燃料滲透性薄膜745還可以形成整個隔墻代替所述的隔墻741。
閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第八實施方案)在根據第七實施方案的燃料電池中，根據該實施方案提供上拉結構，以通過軸755打開和閉合閘板739。圖11是顯示根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖。
圖11A顯示了閘板739閉合的狀態。在高濃度燃料容器715中心部分的閘板739的末端提供軸755。在該狀態中，閘板739與燃料滲透性薄膜745緊密接觸，所以高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的。
圖11B顯示了打開閘板739的狀態。如圖所示，開和關是通過讓軸755拉動閘板739以向上和向下運動而進行的。在從圖11A至圖11B的過程中，軸755可以向上運動而拉起閘板739。從而在閘板739和燃料滲透性薄膜745之間形成空間。通過該空間，高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
圖11C顯示了閘板739再次閉合的狀態。在從在圖11B至圖11C的過程中，如圖所示，軸755可以向下運動，使閘板739與燃料滲透性薄膜745接觸。
在根據該實施方案的結構中，用軸755拉起閘板739，使得燃料滲透性薄膜745與高濃度燃料容器715中的燃料組分接觸，如此可以控制燃料容器713中的燃料組分濃度。軸755的上拉運動可以使用第七實施方案中所述的方式進行。
在該實施方案中，閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第九實施方案)在根據第八實施方案的燃料電池中，在高濃度燃料容器715的端側上閘板739的末端提供根據該實施方案的軸755。圖12A至12C是顯示根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖，并且分別對應于圖11A至11C的結構。
即使在通過軸755開和關閘板739的上拉機構中具有位于高濃度燃料容器715端側的軸755，也可以如在根據第八實施方案的滲透控制薄膜717的情況下那樣控制高濃度燃料725的傳輸。
在該實施方案中，閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第十實施方案)根據第一至第三實施方案的燃料電池還可以具有如下所述的結構。圖13A至13C是顯示提供在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖。根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構還可以用于具有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的根據第二實施方案的滲透控制薄膜717的結構中。
參考圖13，滲透控制薄膜717包括隔墻741、燃料滲透性薄膜745和閘板757。該實施方案的燃料電池還包括偶聯到閘板757上的旋鈕759。閘板757是擋板形式的，并且通過轉動旋鈕759而開和關。
圖13A顯示了閘板757閉合的狀態。在該狀態中，構成閘板757的每塊板與燃料滲透性薄膜745緊密接觸，因而高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的。
圖13B顯示了打開閘板757的狀態。在從圖13A至圖13B的過程中，如圖所示，閘板757的每塊板通過順時針轉動旋鈕759而被升起，使得在閘板757和燃料滲透性薄膜745之間形成空間。通過該空間，燃料組分可以從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
圖13C顯示了閘板739再次閉合的狀態。在從圖13B至圖13C的過程中，如圖所示，逆時針轉動旋鈕759，使閘板757再次與燃料滲透性薄膜745接觸。
在根據該實施方案的結構中，通過旋鈕759升起閘板757，使得燃料滲透性薄膜745與高濃度燃料容器715中的高濃度燃料725接觸，如此可以控制燃料容器713中的燃料組分濃度。例如，可以使用軸代替旋鈕759。在這種情況下，可以通過卵型凸輪的旋轉上推軸而進行閘板757的升起運動。可以通過電流值控制等來改變由閘板757形成的開口面積。
盡管在該實施方案中燃料滲透性薄膜745也是在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間的部分邊界處提供的，但是燃料滲透性薄膜745還可以形成整個隔墻代替所述的隔墻741。
閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第十一實施方案)在根據第十實施方案的燃料電池中，根據該實施方案，在高濃度燃料容器715端側上的閘板757的末端處提供軸761代替旋鈕759。圖14A至14C是顯示根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖，并且分別對應于圖13A至13C的結構。在該實施方案中，閘板757被分成類似擋板的多個小部分，如圖所示地升起連接閘板757的部分的軸761，從而控制由閘板757形成的開口面積。
即使在通過軸761開和關閘板757的上拉機構中具有位于高濃度燃料容器715端側的軸761，也可以如在根據第十實施方案的滲透控制薄膜717的情況下那樣控制高濃度燃料725的傳輸。
在該實施方案中，閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第十二實施方案)根據第一至第三實施方案的燃料電池可以具有如下所述的結構。圖15A和15B是顯示提供在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖。圖16A是示意性顯示沿著圖15A和15B的B-B′線的橫截面中閘板763的形狀的平面圖。
根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構還可以用于具有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的根據第二實施方案的滲透控制薄膜717的結構中。
參考圖15，滲透控制薄膜717包括隔墻741、燃料滲透性薄膜745和閘板763。該實施方案的燃料電池還包括連接到閘板763上的旋鈕767。閘板763是盤狀的，具有三個不同大小的開口764至766。開口面積從最小至最大的次序為開口764、765和766。應當理解，開口數不限于三個，可以是一個或多個中的任一數值。
圖15A顯示了關閉閘板763的狀態。在該狀態中，閘板763中提供的開口765的位置與燃料滲透性薄膜745的位置不相符，因而高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的。
圖15B顯示了打開閘板763的狀態。在從圖15A至圖15B的過程中，如圖所示，順時針轉動旋鈕767使閘板763中提供的開口765正好位于燃料滲透性薄膜745上方。因此，高濃度燃料725可以通過開口765從高濃度燃料容器715移動到燃料容器。
圖16A至16E顯示了通過轉動旋鈕767改變燃料滲透性薄膜745暴露部分大小的狀態。
與圖15A相應的圖16B是顯示閘板763與燃料滲透性薄膜745的位置之間的關系的頂視圖，其中開口764至766中沒有一個位于燃料滲透性薄膜745的正上方，使得閘板763處于關閉狀態。
圖16C顯示了開口面積最小的開口764位于燃料滲透性薄膜745正上方的狀態。在該狀態中，閘板763略微打開，使得非常少量的高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動至燃料容器713。
圖16D顯示了開口面積第二小的開口765位于燃料滲透性薄膜745正上方的狀態。在該狀態中，閘板763打開了約1/4，使得少量的高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動至燃料容器713。
圖16E顯示了開口面積最大的開口765位于燃料滲透性薄膜745正上方的狀態。在該狀態中，閘板763完全打開，使得大量的高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動至燃料容器713。
根據第一至第三實施方案的燃料電池可以以如下所述的方式使用。在初始階段，開口764、765和766的位置中沒有一個與燃料滲透性薄膜745的位置相符，從而以完全關閉狀態進行操作。當燃料容器713中燃料組分的濃度由于電池運行而減少時，在控制下轉動旋鈕767，使得開口面積逐步增加，并且依次使用開口764、765和766，以增加開口面積。當燃料容器713中燃料組分的濃度變得足夠高時，減小開口面積。
在該實施方案中，通過轉動旋鈕767，將閘板763的面在燃料滲透性薄膜745上旋轉，從而轉換由閘板763形成的開口764至766的位置。在這種機構中，可以調節燃料滲透性薄膜745的遮蔽面積，因此可以更加精確地控制通過燃料滲透性薄膜745的高濃度燃料725的傳遞量。在這種具有與高濃度燃料容器715中的高濃度燃料725接觸的燃料滲透性薄膜745的結構中，可以控制燃料容器713中燃料組分的濃度。
盡管在該實施方案中燃料滲透性薄膜745也是在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間的部分邊界處提供的，但是燃料滲透性薄膜745還可以形成整個隔墻代替所述的隔墻741。
閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第十三實施方案)根據第一至第三實施方案的燃料電池可以具有如下所述的結構。圖17A和17B是顯示提供在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖。
圖18A是示意性顯示沿著圖17A和17B的B-B′線的橫截面中閘板769的形狀的平面圖。圖18B示意性顯示沿著圖17A和17B的B-B′線的橫截面中形成開口的隔墻771的形狀的平面圖。
根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構還可以用于具有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的根據第二實施方案的滲透控制薄膜717的結構中。
參考圖17A和17B，滲透薄膜717包括隔墻741、燃料滲透性薄膜745、閘板769和形成開口的隔墻771。該實施方案的燃料電池還包括連接到閘板769上的旋鈕767。
閘板769提供于燃料滲透性薄膜745上，并且具有多個開口773。對開口773的數量沒有限制。閘板769被設置成通過轉動旋鈕767而使其表面圍繞擁有軸的旋鈕767而旋轉。
形成開口的隔墻771被固定在隔墻741中，并且具有開口775。開口775位于燃料滲透性薄膜745的正上方，并且與燃料滲透性薄膜745一樣大。在該實施方案中，盡管圖中所示的閘板769和燃料滲透性薄膜745每個都是扇形的，但是它們不限于扇形，并且可以為圓形等。閘板769具有多個開口773。可以根據燃料滲透性薄膜745的燃料滲透性適當選自開口773的數量和形狀。
圖19A至19C顯示了通過轉動旋鈕767改變開口775暴露部分的大小的狀態。
對應于圖17A的圖19A是顯示閘板769和形成開口的隔墻771相互重疊的狀態的頂視圖。在該狀態中，形成開口的隔墻771中提供的開口775被閘板769覆蓋，因而是屏蔽的。由于開口775是半打開的，只在開口773和開口775相互重疊的部分暴露燃料滲透性薄膜745。通過該暴露部分，高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
圖19B是顯示閘板769與形成開口的隔墻771相互部分重疊的狀態的頂視圖。在該狀態中，提供在形成開口的隔墻771中的開口775與閘板769部分重疊，因而是屏蔽的。如此，燃料滲透性薄膜745暴露于開口773與開口775相互重疊的部分以及沒有被閘板769覆蓋因而是暴露的形成開口的隔墻771部分。通過這些暴露部分，高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
對應于圖17B的圖19C是顯示閘板769與形成開口的隔墻771彼此不重疊的狀態的頂視圖。在該狀態中，提供在形成開口的隔墻771中的開口775沒有被閘板769覆蓋，因此是暴露的，從而通過開口775暴露燃料滲透性薄膜745。通過該暴露部分，高濃度燃料725可以從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
例如，具有該實施方案的滲透控制薄膜717的燃料電池可以以如下所述的方式使用。在初始階段，電池在閘板769與形成開口的隔墻771相互重疊的狀態下運行。當燃料容器713中燃料組分的濃度由于電池運行而減小時，在控制下轉動旋鈕767，使得開口775的開口面積逐步增加，并且減小閘板769與形成開口的隔墻771之間的重疊。當燃料容器713中燃料組分的濃度變得足夠高時，增加閘板769與形成開口的隔墻771之間的重疊。
在該實施方案中，閘板769的位置是通過轉動旋鈕767而變換的，從而可以調節燃料滲透性薄膜745的屏蔽面積。因此，可以更加精確地控制通過燃料滲透性薄膜745的高濃度燃料725的傳遞。在這種具有與高濃度燃料容器715中的高濃度燃料725接觸的燃料滲透性薄膜745的結構中，可以控制燃料容器713中燃料組分的濃度。
在具有形成開口的隔墻771的結構中，燃料滲透性薄膜745沒有與閘板769直接接觸。因此，即使當燃料滲透性薄膜745變形等的時候，也可以防止閘板769的運動被中斷，從而可以更加穩定地調節高濃度燃料725的傳輸量。
盡管在該實施方案中燃料滲透性薄膜745也是在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間的部分邊界處提供的，但是燃料滲透性薄膜745還可以形成整個隔墻代替隔墻741。
在該實施方案中，盡管作為一個實例描述了所有開口773都具有相同大小的情況，但是還可以這樣安排開口773，使它們的大小逐步變化。在這樣的安排中，可以逐步改變燃料滲透性薄膜745的暴露面積，從而可以更加精確地控制高濃度燃料725的傳輸量。
閘板739還可以包括如第一實施方案中所示的滲透控制薄膜735(圖2)，從而可以更加精確地控制對高濃度燃料725的滲透性。
(第十四實施方案)根據第一至第三實施方案的燃料電池可以具有如下所述的結構。圖20A和20B是顯示提供在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的橫截面圖。
根據該實施方案的滲透控制薄膜717的結構還可以用于具有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的根據第二實施方案的滲透控制薄膜717的結構中。
參考圖20A和20B，滲透控制薄膜717包括燃料滲透性薄膜745、位于部分燃料滲透性薄膜745上的滲透控制薄膜735以及位于部分燃料滲透性薄膜745上的閘板791。該實施方案的燃料電池還包括連接到閘板791的旋鈕767。
燃料滲透性薄膜745具有開口793。閘板791是盤狀的，由滲透控制薄膜735形成，并且具有開口795。可以任意選擇開口793和795的形狀和數量。
圖20A顯示了關閉閘板791的狀態。在該狀態中，提供在閘板791中的開口795的位置與燃料滲透性薄膜745的開口793的位置不相符，因此高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸是受限制的，并且根據滲透控制薄膜735對高濃度燃料725的滲透性而受到控制。
圖20B顯示了打開閘板791的狀態。在從圖20A至圖20B的過程中，如圖所示，順時針轉動旋鈕767，使得提供在閘板791中的開口795位于燃料滲透性薄膜745的開口793的正上方。在該過程中，高濃度燃料725可以通過開口795和793從高濃度燃料容器715移動到燃料容器713。
在該實施方案中，燃料滲透性薄膜745具有開口793，并且如此構造閘板791，使其通過轉動旋鈕767而在燃料滲透性薄膜745上旋轉。如此，可以變換形成的開口795至閘板791的位置。在這種機構中，如果高濃度燃料容器715中高濃度燃料725的濃度變得適合供應給單元電池結構體101，可以完全打開燃料容器713與高濃度燃料容器715之間的部分邊界。因此，可以適當控制高濃度燃料725的供應。
在圖20A和20B所示的結構中，還可以將燃料滲透性薄膜745附著在滲透控制薄膜735的燃料容器713側表面上。
(第十五實施方案)在根據第一至第三實施方案的燃料電池中，滲透控制薄膜717包括根據該實施方案的彈性薄板。圖21A和21B是顯示提供在燃料容器713與高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的頂視圖。
圖21A和21B中所示的滲透控制薄膜717包括彈性薄板777與燃料滲透性薄膜745的層壓薄膜。彈性薄板777具有切口779，如圖所示，該切口通過在薄板的水平方向上拉動薄板777而打開。使用彈性薄板777作為滲透控制薄膜717，可以通過調節在其平面方向上拉動彈性薄板777的強度來調節切口779的開口面積。因此，可以控制高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸。
(第十六實施方案)根據該實施方案，在根據第一至第三實施方案的燃料電池中，滲透控制薄膜717是由這樣一種薄板形成的，該薄板具有當電流通過時收縮的部件。圖22A和22B是顯示提供在燃料容器713和高濃度燃料容器715之間邊界處的滲透控制薄膜717的結構的頂視圖。
圖22A和22B中所示的滲透控制薄膜717包括薄板781與燃料滲透性薄膜745的層壓薄膜。彈性部件783形成于部分薄板上。彈性部件783具有切口785。彈性部件783當電流流經它時收縮，從而通過收縮增加切口785的開口面積。
可用于彈性部件的彈性構件由可以在通電流時收縮的材料如人造肌制成，或者由具有在通電流時收縮的骨架的聚合物制成。
使用滲透控制薄膜717的薄板781，通過調節施加到薄板781上的電流值，可以調節彈性部件783的開口面積。因此，可以控制高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的傳輸。
(第十七實施方案)根據該實施方案，根據上述實施方案的燃料電池還包括傳感器，所述的傳感器檢測在構成單元電池結構體101的燃料容器713中燃料組分的濃度。有了該傳感器，可以基于檢測到的燃料容器713中燃料組分的濃度反饋-控制燃料容器713中或燃料通道719中的燃料組分的濃度。在該實施方案中，燃料組分是甲醇，并且作為一個實例，下面將描述使用甲醇水溶液作為燃料124的情況。
圖23顯示的是根據該實施方案的燃料電池系統的構造的一個實例的圖。參考圖23，燃料電池系統787包括燃料電池主體100、傳感器668、濃度測量單元670、控制單元672、滲透控制薄膜717和警告指示單元680。燃料電池主體100可以是根據上述實施方案的燃料電池。特別地，優選使用其中滲透控制薄膜717具有閘板的燃料電池，因為可以根據燃料容器713中燃料組分的濃度適當地控制閘板的開和關。這些燃料電池具有單元電池結構體101。
傳感器668用于檢測燃料容器713中含有的燃料124中燃料組分的濃度。傳感器668包括聚合物薄膜665、第一電極端666和第二電極端667。聚合物薄膜665具有質子傳導性。聚合物薄膜665是用來自燃料容器713的燃料124浸漬的，并且由根據燃料124中醇的濃度改變其質子傳導率的材料制成。在根據該實施方案的燃料電池系統787中，可以基于聚合物薄膜665質子傳導率的變化來檢測燃料容器713中燃料124的甲醇濃度。
聚合物薄膜665可以由根據燃料124中醇濃度改變其質子傳導率的任何材料制成。例如，可以由與用于燃料電池主體100的固體電解質膜114的材料相同的材料制成。
第一和第二電極端666和667彼此分開地位于聚合物薄膜665的表面上或者聚合物薄膜665中，其中聚合物薄膜665由根據醇濃度改變其質子傳導率的材料制成。當電流經由聚合物薄膜665穿過第一和第二電極端666和667時，第一和第二電極端666和667之間的電阻根據燃料容器713中或燃料通道719中燃料124的醇濃度而變化。濃度測量單元670基于第一和第二電極端666和667之間的電阻來測量燃料容器713中燃料124的濃度。稍后描述濃度測量單元670的構造。
圖24是顯示傳感器668細節的圖。圖24(a)顯示的提供傳感器668的第一和第二電極端666和667的面。圖24(b)是圖24(a)的側視圖。第一和第二電極端666和667可以由在燃料124中穩定的并且具有導電性的任何材料制成。可以用導電膏將第一和第二電極端666和667附著在聚合物薄膜665上。導電膏可以是含有金屬如金或銀的聚合物膏，或者導電性聚合物如丙烯酰胺聚合物的聚合物膏。如圖23中所示，將第一和第二電極端666和667分別經由接線710a和710b導電連接到濃度測量單元670。
參考圖23，將由濃度測量單元670測量的燃料容器713中燃料124的醇濃度傳送給控制單元672。控制單元672確定濃度測量單元670測量的醇濃度是否在合適的范圍內，并且控制滲透控制薄膜717，以將燃料容器713中燃料124的醇濃度保持在合適的范圍內。基于控制單元672的控制，滲透控制薄膜717控制從高濃度燃料容器715供應到燃料容器713的燃料124的量。具體地，例如，在滲透控制薄膜717具有閘板的情況下，可以使用電信號等來控制閘板的開和關。
即使在重復控制滲透控制薄膜717的過程之后，如果燃料容器713中燃料124的醇濃度不在合適的范圍內，控制單元672也讓警告指示器680發出警告。
圖25是顯示濃度測量單元670的結構細節的圖。濃度測量單元670包括測量第一和第二電極端666和667之間電阻的電阻測量單元(R/O)682，基于電阻測量單元682測量的電阻計算燃料容器713中醇濃度的濃度計算單元(S/O)684，以及儲存顯示甲醇濃度和第一和第二電極端666和667之間電阻的關系的參考數據的參考數據存儲單元685。電阻測量單元682可以是含有橋接電路的交流電阻抗計。可以使用具有20mV或更小的低波幅的交流電來測量第一和第二電極端666和667之間的電阻。濃度計算單元684基于來自參考數據存儲單元685的參考數據、從電阻測量單元682測量的電阻來計算甲醇濃度。
在根據該實施方案的燃料電池系統787中，燃料容器713中的醇濃度是用簡單的結構檢測的，所述結構中，第一和第二電極端666和667僅附著在聚合物薄膜665上。因此，特別是在具有裝備有閘板的滲透控制薄膜717的結構中，可以精確地控制閘板的開和關運動。
根據該實施方案的燃料電池系統的結構還可以用于根據第二實施方案的具有位于燃料通道719和高濃度燃料容器715之間的滲透控制薄膜717的結構中。
在構成單元電池結構體101的固體電解質膜114的某個區域，該區域既沒有提供燃料電極側催化劑層106也沒有提供氧化劑電極側催化劑層112，可以用來代替聚合物薄膜665。在這種情況下，可以直接檢測單元電池結構體101的固體電解質膜114中的燃料組分濃度來控制燃料124的濃度。
(第十八實施方案)在根據上述實施方案的燃料電池或燃料電池系統的燃料供應系統中，內部壓力可能隨著電池運行而增加，因為產生了諸如二氧化碳的氣體。因此，可以構造燃料容器713，使其內部壓力是可變的。圖26顯示的是根據該實施方案的燃料電池的結構。在圖26所示的結構中，構造燃料容器713，使其在圖6的燃料電池中具有風箱側壁。如圖所示，燃料容器713是具有可變體積的袋形。因此，隨著燃料容器713內部壓力的增加，燃料容器713使風箱膨脹從而具有增加的體積，因此可以防止因燃料容器713中內部壓力增加導致的高濃度燃料725從高濃度燃料容器715的供應中斷。
備選地，圖26中所示的燃料電池可以包括塑料袋狀燃料容器713以具有可變的體積。燃料容器713還可以具有用于防止內部壓力增加的排氣閥門。
圖27顯示的是根據該實施方案的燃料電池的另一結構。參考圖27，如圖6所示的燃料電池還包括氣體導管789，通過該氣體導管789將在燃料電極102處產生的二氧化碳引導到高濃度燃料容器715。在這種結構中，利用在燃料電極102處產生的氣體的壓力，可以增加高濃度燃料容器715的內部壓力，從而進一步確保高濃度燃料725從高濃度燃料容器715向燃料容器713的供應。
盡管該實施方案是參考作為一個實例的圖6的燃料電池的情況而描述的，也可以在如上所述的燃料電池或燃料電池系統的其它結構中的任一種中采用該實施方案。
如上根據這些實施方案描述了本發明。這些實施方案是舉例說明性的，本領域的普通技術人員應當清楚，每個構造的更改和變化以及上述方法的任何組合都可以在本發明的范圍內。
例如，控制燃料容器713中或燃料通道719中燃料124的燃料組分濃度的方法可以包括預先監測燃料電池運行的期間和燃料容器713中或燃料通道719中燃料組分的濃度，并且基于監測的數據，控制通過滲透控制薄膜717的高濃度燃料725的傳輸，具體而言控制諸如閘板開和關之類的運動。根據這種結構，不需要提供控制單元，并且可以獲得更加緊湊和輕便的燃料電池。
通過高濃度燃料容器715和滲透控制薄膜717將高濃度燃料725供應到燃料容器713的系統可以與供應任一合適濃度的水或甲醇的裝置一起提供。組合的裝置通過泵或通過滴流方法等供應水或甲醇。因此，即使當燃料容器713中燃料124的量由于揮發等而減少時，也可以將其量調節到合適的量。如此，可以改善燃料124濃度的可控性。
(實施例)在該實施例中，制備具有圖6結構的燃料電池，并且評估電池電壓隨時間的變化。在具有圖6結構的燃料電池中，燃料容器713填充有60ml的10體積％甲醇水溶液，同時高濃度燃料容器715填充有50體積％的甲醇水溶液。滲透控制薄膜717是由涂覆了Nafion(注冊商標)的不銹金屬網組成的滲透控制閘板735形式的。滲透控制薄膜735在干燥狀態的厚度為500μm。將滲透控制薄膜735附著在Nafion 177薄膜上，充當燃料滲透性薄膜745。從燃料容器713以15ml/分鐘的速度供應甲醇水溶液，同時如實施例中那樣進行相同的試驗。將空氣中的氧用于氧化劑電極108。
燃料電池單元的催化劑中，用于燃料電極的是鉑/釕，用于氧化劑電極的是鉑。固體電解質膜的構成材料是Nafion(注冊商標)。
(比較例)采用實施例的結構制備燃料電池，不同之處在于既不提供高濃度燃料容器715也不提供滲透控制薄膜717。當采用與實施例相同的方式評估電池電壓隨時間的變化時，燃料容器713中裝有60ml的10體積％甲醇水溶液，該甲醇水溶液以15ml/分鐘的速度供應。
評估圖28顯示的是燃料電池的運行期間和電池電壓之間的關系的曲線圖。如圖28所示，已經證明具有雙槽的實施例的燃料電池抑制了運行過程中電池電壓的下降，并且與比較例的燃料電池對比，在更長的時間內產生穩定的輸出。這應當是因為提供在高濃度燃料容器715與燃料容器713之間邊界處的滲透控制薄膜735適當地抑制了從燃料容器713供應的燃料124中燃料組分濃度的下降。
權利要求
1.一種燃料供應器，該燃料供應器位于燃料電池的燃料供應系統中，包括燃料容器；和滲透控制薄膜，通過該滲透控制薄膜將所述燃料容器中含有的補充燃料限制性地傳輸和傳遞到所述的燃料供應系統。
2.根據權利要求1所述的燃料供應器，其中所述的滲透控制薄膜基于所述燃料供應系統中液體燃料的燃料濃度限制所述補充燃料的傳輸量。
3.根據權利要求1或2所述的燃料供應器，其中所述的滲透控制薄膜根據所述液體燃料的濃度改變其形狀，從而改變所述補充燃料的傳輸量。
4.根據權利要求3所述的燃料供應器，其中所述的薄膜根據所述液體燃料的濃度收縮和膨脹，以改變其過流面積比率。
5.根據權利要求1至4至任何一項所述的燃料供應器，其中所述的滲透控制薄膜包含傳輸所述補充燃料的燃料滲透性薄膜和位于所述燃料滲透性薄膜上并且控制所述燃料滲透性薄膜暴露面積的閘板構件。
6.根據權利要求5所述的燃料供應器，其中所述的閘板構件基于所述燃料供應系統中所述液體燃料的燃料濃度限制所述補充燃料的傳輸量。
7.根據權利要求5或6所述的燃料供應器，其中所述的閘板構件包括具有切口部分的彈性薄膜，并且讓所述彈性薄膜的表面膨脹和收縮，以使切口部分改變其形狀并且控制所述燃料滲透性薄膜的暴露面積。
8.根據權利要求5所述的燃料供應器，還包括閘板控制構件，該閘板控制構件讓所述閘板構件在所述燃料滲透性薄膜表面上滑動，從而控制所述燃料滲透性薄膜的暴露面積。
9.根據權利要求5至8中任何一項所述的燃料供應器，其中所述的燃料滲透性薄膜基于所述燃料供應系統中所述液體燃料的燃料濃度限制所述液體燃料的傳輸量。
10.根據權利要求1至9中任何一項所述的燃料供應器，還包含燃料供應單元，該燃料供應單元通過滲透控制薄膜與燃料容器相鄰，并且被構造成使其根據其內部壓力改變其體積。
11.一種燃料電池，其包含固體電解質膜；位于所述固體電解質膜上的燃料電極和氧化劑電極；和向所述燃料電極供應燃料的燃料供應系統，其中所述的燃料供應系統具有根據權利要求1至10中任何一項所述的燃料供應器。
12.根據權利要求11所述的燃料電池，還包含氣體導管，通過該氣體導管將所述燃料電極處產生的氣體導向所述燃料容器。
全文摘要
公開的是燃料電池(723)，其中安置高濃度燃料容器(715)位于與向單元電池結構體(101)供應燃料(124)的燃料容器(713)的鄰近處，并且在燃料容器(713)和用于向燃料(124)中傳輸高濃度燃料(725)的高濃度燃料容器(715)之間的邊界處形成滲透控制薄膜(717)。
文檔編號H01M8/10GK1839505SQ20048002414
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月23日 優先權日2003年8月22日
發明者關野省治, 小畑毅, 中村新, 久保佳實 申請人:日本電氣株式會社