溼度調節燃料電池的製作方法

2023-09-19 08:59:55

專利名稱：溼度調節燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，尤其涉及氫氧燃料電池，更具體地，涉及控制這些電池的溼度。
背景技術：
如圖1所示，氫氧燃料電池包括夾在兩個催化劑層或片3和4之間的一層或一片 電解質1，催化劑層或片3和4鍍有用於產生接觸的導電層6和7。電池的上表面與氧(例 如周圍空氣)接觸，而電池的下表面與氫接觸。在這些情況下，當電池與負載8連接時，在上表面側或陰極出現正電壓，而在下表 面側或陽極出現負電壓，電流流過負載。在陽極側，催化劑將氣態氫分子分解為兩個質子和 兩個電子，質子從陽極催化劑層穿過電解質層進入到陰極催化劑層，並在此處發生下述反 應2H+l/202+2e- — H20，其中兩個電子都流經負載。目前，電解質1是全氟代磺酸酯(Nafion)，並且催化劑3、7是碳鉬混合物，例 如包括數個百分點的鉬。催化劑也可以優選地包含既定量的全氟代磺酸酯，例如包含 20% -40%的全氟代磺酸酯。舉例來說，導體6和7是既導電又能透過氫或氧的極薄的金層。導體6和7也可 由金制網柵形成。圖2示出了使用微電子技術的燃料電池的一種實施方式。該電池形成在矽晶片10 上，該矽晶片10可鍍有薄的第一絕緣層11和較厚的第二絕緣層12。在絕緣層12的一部分 上形成有開口。在該開口內，先後放置有催化劑層3、電解質1和第二催化劑層4 (絕緣層12 及層3、1和4的厚度可使得層3、1和4中的至少一些層延伸遠遠超出該開口)。下部的陽 電極6能夠與下部的催化劑層3接觸。上部的陰電極7能夠與上部的催化劑層4接觸。電 極6和7具有若干開口，且在矽晶片10上形成與下表面金屬鍍層中的開口相對的通道13。 此外，已經在電池的下表面側示出了外殼15，該外殼定義了用作氫氣緩衝罐的室，該室連接 到氫源或連接到氫發生源。這僅僅是一種實施方式。現有技術中存在可如圖2所示形成的各種類型的燃料電 池。例如，優選地，使支持實際燃料電池的矽晶片部分變薄。晶片10變薄的部分上鑽有通 道13，以使氫氣通過。應該理解的是，一般而言，所有的晶片表面都鍍有至少由天然氧化矽 形成的絕緣體。通過任意方法形成催化劑層3和4，例如通過噴墨沉積。舉例來說，全氟代磺酸酯 層1是旋塗上的(spun on)。在這種燃料電池中，能夠提供的電力尤其與電池在矽晶片平 面上佔據的表面積成比例。一般來說，圖2中描述的這種類型的燃料電池的有用表面積在 l-3cm2 之間。這些氫氧燃料電池特別適用於安裝在便攜設備上，所述便攜設備例如行動電話或 可攜式計算機。然而，正如之前所看到的，由於與電池運行關聯的反應意味著產生水的，而 且由於當電解質中的水的含量在一個有限的範圍內時，電池運行得最好，因此，這些電池的應用仍然存在問題。在現有技術中，採用了不同的方法以確保加溼電池，尤其如果所述電池 在其運行期間變乾燥，例如由於其被放置在非常乾燥的空氣中，或者因為特別的運行條件 並不有利於提供水(高電壓且低電流)而變乾燥。現有技術的加溼裝置一般比較複雜，而 且舉例來說，還意味著增加了供給電池的氣體(空氣或氧氣和氫氣)中的水蒸汽。此外，電 解質溼度比率的測量一般需要中斷電池的正常運行。

發明內容
本發明的一種實施方式的一個目的是提供一種調節燃料電池的溼度比率的系統， 該系統克服現有系統中的眾多缺陷的至少一些。本發明的一種實施方式的另一個目的是提供一種調節燃料電池的溼度比率的系 統，該系統在不中斷電池的正常運行的情況下運行。本發明的一種實施方式的又一個目的是提供一種特別簡單的這樣的設備。本發明的一種實施方式的再一個目的是提供這樣的設備，該設備不需要使用除常 規燃料電池製造技術之外的技術。為了實現全部或部分這些目的，本發明的一種實施方式提供一種氫氧燃料電池， 該燃料電池包括主電池和附屬電池，所述主電池和附屬電池共享共同的電解質並具有至 少一個分離的電極；用於測量電解質的溼度比率的裝置；以及控制和開關裝置，用於使主 電池和附屬電池並聯地運行在同一負載上或分別地運行在兩個不同的負載上。根據本發明的一種實施方式，溼度比率測量裝置包括阻抗測量裝置。根據本發明的一種實施方式，控制裝置包括實現如下功能的裝置定期地將附屬 電池從主電池斷開；觸發溼度比率測量；如果溼度比率低於期望閾值，將附屬電池連接到 使其運行在高溼度發生狀況下的負載。根據本發明的一種實施方式，附屬電池布置在主電池的外圍。將結合附圖在下面的具體實施方式
的非限制性說明中詳細討論本發明的上述目 的、特徵和優點。


圖1是高度簡化的燃料電池的橫截面視圖；圖2是根據現有技術的燃料電池的一種實施方式的簡化橫截面視圖；圖3是根據本發明的一種實施方式的燃料電池的高度簡化的橫截面視圖；圖4示出了根據本發明的一種實施方式的燃料電池控制電路的一個實例；圖5是根據本發明的一種實施方式的燃料電池的簡化橫截面視圖；及圖6是根據本發明的燃料電池的一種實施方式的簡化頂視圖。
具體實施例方式為清楚起見，不同附圖中的同一元件具有相同的附圖標記，此外，按照集成元件的 表示方法中的做法，不同的附圖並不成比例。圖3高度示意性地示出了(類似於圖1)根據本發明的一種實施方式的燃料電池 的一般結構。該燃料電池分為共享同一電解質21的主電池和附屬電池。下表面側具有催化劑層23和導電層26。上表面側布置有第一主催化劑層24和第二附屬催化劑層25，這兩層 被分開並分別鍍有金屬鍍層27和28。因此，電池包括單個陽極A和兩個陰極K1和K2。正 如下文中結合圖6所說明的那樣，陰極K2例如位於相對於陰極K1的外圍。由於電解質可 透過水，水分子可以良好地擴散且溼度比率在整個電解質中(在主電池側和附屬電池側) 是相似的。定期測試附屬電池以檢查電解質的溼度比率是否合適的功能也包含在本發明中。 根據本發明的優點，可以在不中斷主電池的運行的情況下進行該測試。如果溼度比率不符 合要求，附屬電池會在不同於主負載電路的負載電路中在使電解質的溼度比率增加的條件 下運行。這可包括使附屬電池運行在高電流密度下，例如通過將其布置成短路或近似短路。圖4示出了可用於實施本發明的電路的一個實例。在圖4中，主電池被命名為FC1， 附屬電池被命名為FC2。正常情況下，這兩個電池向負載L供電，供電有可能經由緩衝電容， 所述負載例如行動電話的電路。開關31布置在電池FC2的陰極K2和負載L之間。附屬電 池的接線端子A和K2通過開關32連接到額外的負載33。電池FC2的接線端子還連接到 測量電路34。控制器35控制測量電路34、開關31和32，並且還可能控制負載33。舉例來 說，測量電路和控制器是由附屬電池提供電力的。在正常運行中，開關31閉合，開關32斷開。兩個電池FC1和FC2—起向負載L供 電。定期地，控制器35斷開開關31並啟動確定電解質特性的測量電路，例如通過阻抗測量 (或電化學阻抗光譜測量)或者通過本領域已知的其他方法。如果測量結果顯示電解質並 不足夠溼潤，控制器保持開關31斷開，且開關32閉合，從而電池FC2僅為負載33供電。該 負載可以是由控制器35控制的可控負載。其也可以是簡單的短路或低電阻。在電解質再 加溼階段，控制器驗證測量電路34給出的指示並通過如下方法中斷再加溼階段一旦電解 質中的溼度比率足夠，就將開關32恢復為斷開狀態。然後，將開關31恢復為閉合狀態，兩 個電池一起運行以向負載L供電。控制器僅定期地通過諸如短暫地斷開開關31並進行測 量的方法驗證溼度比率，例如，每分鐘驗證一次。應該注意的是，附屬電池元件的使用尤其適於結合圖2描述的那種類型的結構。 圖5是對應於圖2的橫截面視圖並示出了根據本發明的燃料電池。與圖2中的元件相同的 元件具有相同的附圖標記，並且附屬電池的催化劑層和導電層的附圖標記為4』和7』。圖6示出了諸如圖5中的電池的簡化頂視圖，其中，附屬電池布置在主電池的外圍。當然，本領域技術人員有可能對本發明做出各種改動。具體地，上文描述了一種電 池，其中主電池和附屬電池具有共用的陽極和分離的陰極。相反的情況或者陽極和陰極都 是分離的情況也包含在本發明中。結合與燃料電池的具體實施方式
相關的實施方式，已經更具體地描述了本發明， 在該燃料電池中，不同的材料放置在連續的層中。本發明還應用到下述情況電池由不同材 料的片形成，這些片互相貼著布置，並且使用諸如在壓力下裝配的方法裝配。上文描述了具有不同變化的不同實施方式。本領域技術人員在未表現出任何創造 性的情況下有能力將這些不同的實施方式中的不同的元件和變化結合起來。此外，可將除 全氟代磺酸酯之外的材料用於電解質，並且，可將除碳/鉬之外的材料用於催化劑，例如碳 /鉬-鈷或者碳/鉬-鎳。
權利要求
一種氫氧燃料電池，包括主電池和附屬電池，所述主電池和附屬電池共享共同的電解質(21)並具有至少一個分離的電極(27、28)；用於測量電解質的溼度比率的裝置(34)；及控制和開關裝置(35、31、32)，用於使主電池和附屬電池並聯地運行在同一負載(L)上或分別地運行在兩個不同的負載(L、33)上。
2.如權利要求1所述的燃料電池，其中，溼度比率測量裝置包括阻抗測量裝置。
3.如權利要求1所述的燃料電池，其中，控制裝置包括裝置(31)，該裝置(31)實現如 下功能定期地將附屬電池從主電池斷開；觸發溼度比率測量；如果溼度比率低於期望閾 值，將附屬電池連接到使其運行在高溼度發生狀況下的負載(33)。
4.如權利要求1所述的燃料電池，其中附屬電池布置在主電池的外圍。
全文摘要
一種氫氧燃料電池，包括主電池和附屬電池，所述主電池和附屬電池共享共同的電解質並具有至少一個分離的電極；用於測量電解質的溼度比率的電路；以及控制和開關電路，用於使主電池和附屬電池並聯地運行在同一負載上或分別地運行在兩個不同負載上。
文檔編號H02J7/00GK101872869SQ20101000342
公開日2010年10月27日 申請日期2010年1月15日 優先權日2009年1月19日
發明者奧德麗·馬蒂耐恩特, 尼古拉斯·卡斯特, 皮埃爾·布伊隆, 耐莉·馬丁 申請人:意法半導體(圖爾)公司;法國原子能委員會