专利名称：用于改进便携装置中的燃料电池的效率的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及燃料电池在便携电子装置中的使用，且更具体而言，涉及对燃料电池工作效率的改进。
背景技术：
燃料电池的工作与蓄电池相类似，但只要燃料被持续供给至电池则燃料电池不会耗尽或需要进行再充电。在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，甲醇被用作燃料，所述燃料被置于燃料电池一侧上，而空气在另一侧上循环。所述两侧被膜电极组件(MEA)隔开，所述膜电极组件具有夹在两个电极之间的质子交换膜(PEM)。如图1所示，燃料电池120包括阳极侧121，在所述阳极侧处甲醇(MeOH)和水(H2O)的混合物(也被称作液体甲醇)围绕阳极(-)进行循环。在阴极侧122上，空气围绕阴极(+)进行循环。通过在膜电极组件上进行催化活化，来自液体甲醇的氢原子分解成质子(H+)和电子(未示出)。电子成为燃料电池提供的电力源。一些质子迁移通过膜组件到达阴极侧122，在所述阴极侧处电子与氧气结合生成水。尽管阳极侧上的废燃料的副产物CO2易于排出燃料电池，但阴极侧上的副产物水必须被适当去除。
燃料电池优于可再充电蓄电池的主要优点在于燃料电池通常可工作更长的时期而不需要进行再充电。此外，可通过补给液体甲醇而几乎瞬间完成燃料电池的“再充电”。相反，完成蓄电池的再充电则需要耗费一段时间。
目前，直接甲醇燃料电池的工作效率通常较低，尤其当燃料温度降至一定范围以下时情况更是如此。因此增加燃料电池的温度以改进工作效率是有利和所希望的。
发明内容
本发明的主要目的是增加便携装置如膝上型个人电脑(PC)、笔记本式个人电脑、平板个人电脑和类似装置中的直接甲醇燃料电池的工作效率。该目的可通过使用由便携装置的电和/或电子部件产生的热量使用于燃料电池中的液体甲醇变热或使大体上整个燃料电池本身预热而实现。
因此，根据本发明的第一个方面，提供了一种改进便携电子装置中的燃料电池的工作效率的方法，所述燃料电池包括用于包含燃料组分的电池隔室；和设置在邻近所述电池隔室的位置处以使所述燃料组分活化以便在所述便携电子装置中产生电的燃料活化单元。所述方法包括步骤加热至少一部分所述燃料组分以提供加热燃料部分；并且导致所述加热燃料部分与所述燃料隔室中的所述燃料活化单元结合以进行活化。
所述燃料电池进一步包括用于包含另一种燃料组分的另一个电池隔室，所述另一个电池隔室被设置在不同于所述燃料电池隔室的侧面上邻近所述燃料活化单元的位置处，所述方法进一步包括步骤加热至少一部分所述另一种燃料组分以提供另一个加热燃料部分；并且导致所述另一个加热燃料部分与所述另一个电池隔室中的燃料活化单元结合。
所述燃料组分大体上包括醇如甲醇与水的混合物且所述另一种燃料组分大体上包括空气。所述活化单元包括用于使所述电池隔室中的所述醇活化的膜电极组件。
所述加热燃料部分有利地具有大体上处于50℃至85℃或更高的温度范围内，但低于所述醇的汽化温度的温度。
所述便携电子装置优选包括产生热量的至少一个电子部件，如中央处理器(CPU)和设置与所述电子部件相关以导引至少一部分所述热量远离所述电子部件的除热装置如散热器，且其中由所述除热装置导引离开的所述热量被用于进行所述加热。
有利地，所述便携电子装置具有用于储存所述燃料组分且通过燃料导管将所述燃料组分输送至所述燃料电池中的所述电池隔室的补充单元，所述燃料导管使所述补充单元与所述电池隔室操作地相连。当所述燃料组分被输送至所述燃料电池中的所述电池隔室时，一部分所述燃料组分优选受热通过所述燃料导管。有利地，至少一部分所述燃料导管被设置在热交换器中，所述热交换器被设置在接近所述除热装置的位置处以便允许由所述除热装置导引离开的所述热量通过所述热交换器加热所述燃料导管中的所述燃料组分的所述部分。
另一种可选方式是，所述热交换器被设置与所述除热装置接触以便允许由所述除热装置导引离开的所述热量通过传导加热所述热交换器。
另一种可选方式是，所述热交换器被安放在邻近所述除热装置的位置处以便允许由所述除热装置导引离开的所述热量通过辐射或对流加热所述热交换器。
有利地，所述方法进一步包括通过使用由所述除热装置导引离开的所述热量去除至少一部分副产物水使其远离所述另一个电池隔室的步骤。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于便携电子装置中的燃料电池系统，所述便携电子装置包括产生热量的至少一个电子部件。所述燃料电池系统包括燃料电池，包括用于包含第一种燃料组分的第一电池隔室；用于包含第二种燃料组分的第二电池隔室；和设置在所述第一电池隔室与所述第二电池隔室之间以使所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的至少一种燃料组分活化从而产生电的膜电极组件；用于储存所述第一种组分的燃料补充单元；和燃料导管，所述燃料导管使所述燃料补充单元与所述燃料电池操作地连接，所述燃料导管用于将来自所述燃料补充单元的所述第一种燃料组分输送至所述燃料电池，其中至少一部分所述燃料导管被设置在接近所述至少一个电子部件的位置处以使得当所述第一种燃料组分在所述燃料导管中进行输送时，允许由所述至少一个电子部件产生的所述热量增加至少一部分所述第一种燃料组分的温度。
所述第一种燃料组分大体上包括醇和水的混合物，且所述第二种组分大体上包括空气。
根据本发明的第三个方面，提供了一种便携电子装置，所述装置包括用于处理数据的中央处理器，所述中央处理器当在使用中时产生热量；设置在接近所述中央处理器的位置处以导引至少一部分由所述中央处理器产生的热量离开的除热装置；用于产生至少由所述中央处理器使用的电的燃料电池，所述燃料电池包括用于包含第一种燃料组分的第一电池隔室；用于包含第二种燃料组分的第二电池隔室；和设置在所述第一电池隔室与所述第二电池隔室之间以使所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的至少一种燃料组分活化从而进行所述产生电的过程的膜电极组件；用于储存所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分的燃料补充单元；和燃料导管，所述燃料导管使所述燃料补充单元与所述燃料电池操作地连接，所述燃料导管用于将来自所述燃料补充单元的所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分输送至所述燃料电池，其中至少一部分所述燃料导管被设置在接近所述除热装置的位置处以使得当所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分被输送至所述燃料电池时，允许由所述除热装置导引离开的所述热量增加所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分的至少一部分的温度。
在阅读结合图2a至图8进行的描述后，则将更易于理解本发明。
图1示意性地示出了直接甲醇燃料电池；图2a示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的改进直接甲醇燃料电池的工作效率的方法；图2b示意性地示出了根据本发明的用于使液体甲醇变热的热交换器；图3a示意性地示出了燃料电池以及设置在便携式个人电脑上的燃料储存装置；
图3b示意性地示出了用于盖住燃料电池组件的罩壳；图3c是个人电脑/燃料电池组件的分解视图；图3d示意性地示出了当个人电脑在使用中时个人电脑和燃料电池组件的相对位置；图4是燃料补充单元的切口视图，图中示出了可收缩燃料袋；图5是燃料补充单元和设置在其中的燃料袋的剖视图；图6a示意性地示出了用以将热空气从散热器引导至燃料电池的阴极侧的风机；图6b示意性地示出了用以将热空气从便携式个人电脑内部引导至燃料电池的阴极侧的泵；图7a示意性地示出了设置在散热器顶部上以通过对流和辐射受到加热的燃料导管；图7b示意性地示出了设置在散热器上以通过热传导受到加热的燃料电池；图7c示意性地示出了设置在散热器上以通过辐射受到加热的燃料电池；和图8示意性地示出了与平板个人电脑一起使用的燃料电池的布置。
具体实施例方式
随着便携装置如膝上型个人电脑或平板个人电脑的计算速度变得越来越高，便携装置中的中央处理器和其它电子部件产生的热量变得更成问题。在绝大多数便携装置中，一种或多种导热介质如散热器可用以使热量远离中央处理器，且使用风机或鼓风机将热量排至便携装置外部。
如已公知地，直接甲醇燃料电池(DMFC)的工作效率取决于燃料电池的温度。本发明利用不需要的热量增加围绕燃料电池的电极进行循环的液体甲醇和空气的温度。由此可改进燃料电池的工作效率。与此同时，减少了便携装置中的一些不需要的热量。此外，围绕便携装置中的中央处理器的散热器和其它电子部件的热空气可用以使副产物水蒸发且将水蒸气载运出便携装置。该步骤还有助于降低便携装置的内部温度。
图2a示出了根据本发明的改进个人电脑的燃料电池的效率的方法。如图所示，使用燃料补充单元110将液体甲醇(MeOH+H2O)供给至直接甲醇燃料电池120的阳极侧121。在将燃料供给至燃料电池120之前使用由膝上型或笔记本式个人电脑200产生的热量加热液体甲醇。此外，用于围绕阴极侧122中的电极循环的空气还受到膝上型个人电脑200产生的热量的加热。尽管阳极侧上的副产物CO2被排出燃料电池120，但是阴极侧上的副产物H20通过通道150被导引远离燃料电池120到达补充单元110。
为了更有效地使用热量，使用热交换器130将由膝上型个人电脑产生的热量中的热能引导至被导引通过热交换器的燃料或空气，如图2b所示。有利地，热交换器130被直接设置在散热器210上。如图2b所示，液体甲醇被从补充单元110输送通过输入导管131到达热交换器130内部的通道134。在其通过热交换器130中的通道134之后，加热液体甲醇通过输出导管132被供给至燃料电池120。理想地，加热液体甲醇的温度大体上在50-60℃的范围内。然而，加热液体甲醇的温度还可高于60℃但低于90℃。
当燃料电池120被用以为膝上型个人电脑200提供电力时，优选将燃料电池120设置在接近膝上型个人电脑200的位置处，如图3a-3d所示。有利地，燃料补充单元100被设置在邻近燃料电池120的位置处。图3a-图3c还示出了用于燃料电池模件100中的其它部件以及燃料电池120和补充单元110。如图3a所示，膝上型个人电脑200包括显示部分204和数据处理部分206。燃料电池模件包括空气泵140、风机或鼓风机220、热交换器130和多条导管或通道131、132、150。有利地，保护盖或罩壳160被安放在燃料电池模件100上，如图3b所示。罩壳160具有多个通风孔161以允许空气围绕燃料电池模件100进行循环。
图3c示出了图3b所示膝上型个人电脑系统的分解视图。如图3c所示，风机200和部分热交换器130被设置在散热器210顶部上以降低散热器210中的温度。散热器210例如可被安放与膝上型个人电脑200中的中央处理器(未示出)处于接触状态。应该理解，图3a-图3c被用以表示燃料电池模件100及其部件相对于膝上型个人电脑200的位置。在图3a和图3b中，显示部分204如图所示处于数据处理部分206下面。然而，当膝上型个人电脑200在使用时，燃料电池模件100与罩壳100一起应该位于膝上型个人电脑200下面，如图3d所示。如图所示，膝上型个人电脑200处于敞开状态，图中示出了显示部分204上的显示面板205和数据处理部分206上的键盘207。
有利地，燃料补充单元110包括用于储存液体甲醇的燃料袋111。在图4所示的燃料补充单元110的切口视图和图5所示的剖视图中可看到燃料袋。如图5所示，燃料袋111是可收缩的以使得其收缩压力可用以推动液体甲醇通过安全阀114到达燃料电池120。可收缩燃料袋111外部的隔室118可用以储存由燃料电池产生的水。通过通道150将该副产物输送通过喷嘴116(参见图4)。
尽管来自补充单元110的液体甲醇可如图2b所示有利地在热交换器130中受到加热，但燃料电池120中的阴极反应所需的空气也可受到其它装置的加热。例如，要供给至燃料电池120的阴极侧122的空气可由风机220供应，如图6a所示。加热空气通常可围绕中央处理器的散热器210和其它生热部件例如风机220。因此，还可使用空气泵140将加热空气供应至燃料电池120的阴极侧122，如图6b所示。空气泵140可与风机220结合使用以将加热空气输送至燃料电池120的阴极侧122。
液体甲醇优选受到如图2b所示的热交换器中的传导的加热。然而，液体甲醇还可受到辐射和对流的加热。如图7a所示，折曲管道系统138可被安放在散热器210顶部上以加热管道系统内部的液体甲醇。另一种可选方式是，至少一部分燃料电池120可被直接安放在散热器210顶部上以便允许热量通过传导从散热器传递至燃料电池，如图7b所示。还可能将燃料电池120安放在散热器210上面以使得燃料电池120可受到辐射和对流的加热。
包括多个加热部件的燃料电池模件110可用以将电力供应至其它便携电子装置，如平板个人电脑202和类似装置。如图8所示，显示部分和数据处理部分可物理地结合成一体。例如有可能将燃料电池安放在平板个人电脑202下面。散热器210、风机220、空气泵140、热交换器130和罩壳160的布置安放可与安3a-3c和6a-7c大体上相同。然而，这些部件的布置安放可不与其相同。尽管如此，使用由中央处理器和其它部件产生的热量以改进燃料电池的工作效率的方法仍然是适用的。
因此，尽管已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，可在不偏离本发明的范围的情况下对其在形式和细节上作出前述及多种其它改变、省略和偏离。
权利要求
1.一种改进便携电子装置中的燃料电池的工作效率的方法，所述燃料电池包括用于包含燃料组分的电池隔室；和设置在邻近所述电池隔室的位置处以使所述燃料组分活化以便在所述便携电子装置中产生电力的燃料活化单元，所述方法的特征在于加热至少一部分所述燃料组分以提供加热燃料部分；并且导致所述加热燃料部分与所述燃料隔室中的所述燃料活化单元结合以进行活化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池进一步包括用于包含另一种燃料组分的另一个电池隔室，所述另一个电池隔室被设置在不同于所述燃料电池隔室的侧面上邻近所述燃料活化单元的位置处，所述方法的进一步特征在于加热至少一部分所述另一种燃料组分以提供另一个加热燃料部分；并且导致所述另一个加热燃料部分与所述另一个电池隔室中的燃料活化单元结合。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述便携电子装置包括产生热量的至少一个电子部件，其特征在于，所述加热步骤使用由所述至少一个电子部件产生的热量。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述便携电子装置包括设置与所述电子部件相关以导引至少一部分所述热量远离所述电子部件的除热装置，其特征在于，由所述除热装置导引离开的所述热量被用于进行所述加热。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述燃料组分大体上包括醇与水的混合物。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述燃料电池包括直接甲醇燃料电池且所述醇大体上包括甲醇。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述活化单元包括用于使所述电池隔室中的所述醇活化的膜电极组件。
8.根据权利要求2所述的方法，其中所述活化单元包括膜电极组件，所述燃料组分大体上包括醇与水的混合物，且所述另一种燃料组分大体上包括空气。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述便携电子装置具有用于储存所述燃料组分且通过燃料导管将所述燃料组分输送至所述燃料电池中的所述电池隔室的补充单元，所述燃料导管使所述补充单元与所述电池隔室操作地相连，其特征在于，当所述燃料组分被输送至所述燃料电池中的所述电池隔室时，一部分所述燃料组分受热通过所述燃料导管。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述便携电子装置包括产生热量的至少一个电子部件，和设置与所述电子部件相关以导引至少一部分所述热量远离所述电子部件的除热装置，其特征在于，至少一部分所述燃料导管被设置在接近所述除热装置的位置处以使得所述燃料组分的所述部分使用由所述除热装置导引离开的所述热量被加热通过所述导管。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，至少一部分所述燃料导管被设置在热交换器中，所述热交换器被设置在接近所述除热装置的位置处以便允许由所述除热装置导引离开的所述热量通过所述热交换器加热所述燃料导管中的所述燃料组分的所述部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述热交换器被设置与所述除热装置接触以便允许由所述除热装置导引离开的所述热量通过传导加热所述热交换器。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述热交换器被安放在邻近所述除热装置的位置处以便允许由所述除热装置导引离开的所述热量通过辐射或对流加热所述热交换器。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述除热装置包括散热器。
15.根据权利要求3所述的方法，其中所述便携电子装置中的所述至少一个电子部件是中央处理器。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述除热装置包括散热器，所述散热器被设置与所述中央处理器接触以便导引由所述中央处理器产生的所述热量离开。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述除热装置进一步包括设置在接近所述散热器的位置处以进一步导引由所述中央处理器产生的所述热量离开的鼓风机。
18.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述除热装置包括鼓风机。
19.根据权利要求7所述的方法，其中所述便携电子装置包括产生热量的至少一个中央处理器，和被放置与所述中央处理器相关以导引由所述中央处理器产生的热量离开的除热装置，且其中所述燃料电池还在所述另一个电池隔室中产生水作为副产物，所述方法的进一步特征在于，通过使用由所述除热装置导引离开的所述热量去除至少一部分副产物水使其远离所述另一个电池隔室。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述便携电子装置包括笔记本式计算机。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述便携电子装置包括平板个人电脑。
22.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加热燃料部分具有大体上处于50℃至85℃的温度范围内的温度。
23.一种用于便携电子装置中的燃料电池系统，所述便携电子装置包括产生热量的至少一个电子部件，其特征在于燃料电池，包括用于包含第一种燃料组分的第一电池隔室；用于包含第二种燃料组分的第二电池隔室；和设置在所述第一电池隔室与所述第二电池隔室之间以使所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的至少一种燃料组分活化从而产生电力的膜电极组件；用于储存所述第一种组分的燃料补充单元；和燃料导管，所述燃料导管使所述燃料补充单元与所述燃料电池操作地连接，所述燃料导管用于将来自所述燃料补充单元的所述第一种燃料组分输送至所述燃料电池，其中至少一部分所述燃料导管被设置在接近所述至少一个电子部件的位置处以使得当所述第一种燃料组分在所述燃料导管中进行输送时，允许由所述至少一个电子部件产生的所述热量增加至少一部分所述第一种燃料组分的温度。
24.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一种燃料组分大体上包括醇和水的混合物。
25.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于，所述醇大体上包括甲醇。
26.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二种组分大体上包括空气。
27.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其中所述至少一个电子部件包括中央处理器且所述便携电子装置进一步包括设置在邻近所述中央处理器的位置处以导引由所述中央处理器产生的所述热量离开的除热装置，其特征在于，所述燃料导管被设置在接近所述除热装置的位置处以便允许由所述除热装置导引离开的所述热量加热所述第一种燃料组分。
28.根据权利要求27所述的燃料电池系统，其进一步特征在于，设置在接近所述除热装置的位置处的热交换器，且其特征在于，所述燃料导管受到由所述除热装置导引离开并通过所述热交换器的所述热量的加热。
29.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其进一步特征在于，用于在将所述第二种燃料组分输送至所述燃料电池中的所述第二电池隔室之前加热所述第二种燃料组分的装置。
30.一种便携电子装置，其特征在于用于处理数据的中央处理器，所述中央处理器当在使用中时产生热量；设置在接近所述中央处理器的位置处以导引至少一部分由所述中央处理器产生的热量离开的除热装置；用于产生至少由所述中央处理器使用的电力的燃料电池，所述燃料电池包括用于包含第一种燃料组分的第一电池隔室；用于包含第二种燃料组分的第二电池隔室；和设置在所述第一电池隔室与所述第二电池隔室之间以使所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的至少一种燃料组分活化从而产生电力的膜电极组件；用于储存所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分的燃料补充单元；和燃料导管，所述燃料导管使所述燃料补充单元与所述燃料电池操作地连接，所述燃料导管用于将来自所述燃料补充单元的所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分输送至所述燃料电池，其中至少一部分所述燃料导管被设置在接近所述除热装置的位置处以使得当所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分被输送至所述燃料电池时，允许由所述除热装置导引离开的所述热量增加所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分的至少一部分的温度。
31.根据权利要求30所述的便携电子装置，包括膝上型计算机。
32.根据权利要求30所述的便携电子装置，包括平板计算机。
33.根据权利要求30所述的便携电子装置，包括笔记本式计算机。
34.根据权利要求30所述的便携电子装置，其中所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的所述至少一种燃料组分大体上包括醇与水的混合物，且所述第一种燃料组分和所述第二种燃料组分中的另一种不同的燃料组分大体上包括空气。
全文摘要
一种改进便携装置如膝上型或平板个人电脑(200)中的燃料电池(120)的工作效率的方法。通过使用由中央处理器或所述个人电脑中的其它部件产生的热量加热用于所述燃料电池的阳极部分(121)中的液体甲醇而改进所述效率。当通过导管(134)将所述液体甲醇从补充单元(110)输送至所述燃料电池时，所述液体甲醇可受到加热。所述导管可被埋置在热交换器(130)中，所述热交换器被安放在接近中央处理器的散热器(210)的位置处或安放在所述散热器附近以通过辐射和对流加热所述热交换器中的液体甲醇。此外，使用风机引导热空气围绕所述散热器流动以加热所述导管中的液体甲醇且将加热空气提供至所述燃料电池的所述阴极部分(122)。
文档编号H01M8/00GK1839500SQ200380110448
公开日2006年9月27日 申请日期2003年10月24日 优先权日2003年9月8日
发明者张双辉, W·F·曾 申请人:张双辉