直接甲醇燃料電池系統的製作方法
2023-11-10 09:45:32 1
專利名稱：直接甲醇燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，更特別地，涉及直接甲醇燃料電池系統以及製造該系統的方法，其中，通過氣態或液態燃料的消耗而產生電能。
背景技術：
通常，燃料電池是「電池替代品」，與電池類似，通過沒有燃燒的電化學過程而產生電力。所利用的電化學過程提供氫質子和來自空氣的氧的化合。通過利用夾在兩個電極——即正極和負極——之間的質子交換膜(PEM)來完成該過程。眾所周知，燃料電池能提供永久的電力。通常用氫作為產生電力的燃料，它可通過加工甲醇、天然氣、石油來得到，也可以純氫的形式儲存。直接甲醇燃料電池(DMFC)利用氣態或液態的甲醇作為燃料，這樣就無需昂貴的重整工序。DMFC提供了更簡單的PEM電池系統，更輕的重量、流水線生產，從而成本更低。
在標準DMFC中，在正極側(第一電極)加入稀釋的甲醇水溶液作為燃料，負極側(第二電極)暴露在強迫通風或環境空氣(或O2)中。通常用nafion型質子導電膜分隔正極和負極。視電源需要，可以將幾個這樣的燃料電池串聯或並聯使用。
典型的DMFC設計是在高溫下具有強迫氣流的大堆疊。更小的通氣DMFC設計更複雜。在傳統的PEM燃料電池中，堆疊連接做在具有導電板的燃料電池組合件之間，與用於氣體分布的溝道和凹槽一起加工形成。典型的傳統燃料電池由下面幾部分組成正極(H2或甲醇側)集電器、正極支架、膜電極組合件(正極/離子導電膜/負極)負極支架、負極集電器。每個燃料電池也產生大約1.0V的電壓。為獲得更高的電壓，通常將燃料電池一個一個串聯堆疊起來(雙極方式——正的連負的)。傳統的燃料電池也可並聯堆疊(正的連正的)來獲得更大的功率，但通常只是簡單地使用更大的燃料電池。
在直接甲醇燃料電池工作期間，在正極側使用稀釋的甲醇水溶液(常為3-4％的甲醇)作為燃料。如果甲醇濃度太高，那麼就會出現甲醇交迭問題，這將降低燃料電池的效率。如果甲醇濃度太低，那麼在正極側將沒有足夠的燃料用於燃料電池的反應。當前的DMFC設計都是配以強迫氣流的更大堆疊。因為讓系統小型化以使它可用於便攜設備的複雜性，更小的通氣DMFC設計很難完成。要用於以很稀的甲醇混合液形式攜帶燃料的便攜設備，就需要攜帶大量燃料，這對於用於便攜設備的小型化電源設計來說是不實際的。
因此，本發明的一個目的就是給出一種直接甲醇燃料電池系統，其中在一個小型化系統中至少集成了一個直接甲醇燃料電池。
本發明的一個目的是給出包括微溝道和空腔的直接甲醇燃料電池系統，並給出用以混合、抽泵和再循環燃料支承流體的微流技術。
本發明進一步的目的是給出對方向不敏感的直接甲醇燃料電池系統。
本發明還有更進一步的目的是給出一種直接甲醇燃料電池系統，其中所有的系統元件都埋置在像陶瓷基底部這樣的基底部中。
本發明還有一個目的是給出製造直接甲醇燃料電池系統的方法，包括給出微溝道和空腔的步驟，其中微流技術是混合、抽泵和再循環燃料支承流體的基礎。
發明概述在燃料電池陣列設備和形成該燃料電池陣列設備(包括一個基底部，由單個個體形成，具有主表面)的方法中，至少部分解決了上面這些及其它問題，並實現了上面這些及其它目的。在基底部的主表面上至少形成了一個膜電極組合件。在基底部中確定了供液溝道，它與該至少一個膜電極組合件相通，為該至少一個膜電極組合件供應燃料支承流體。在基底部中確定了排氣溝道，它與該至少一個膜電極組合件相通。排氣溝道與供液溝道分隔開，它用來從至少一個膜電極組合件中排出液體。膜電極組合件以及協同工作的供液溝道和協同工作的排氣溝道形成了單個燃料電池組合件。還包括一個頂部，它包括許多電學元件，用於許多已形成的燃料電池組合件之間的電互聯。
附圖簡述參見附圖
圖1為許多根據本發明的直接甲醇燃料電池器件的簡化剖面圖，它們形成在單個基底部上，包括許多微流溝道；圖2為根據本發明形成在包括許多微流溝道的單個基底部上的單個直接甲醇燃料電池器件的簡化剖面圖；以及圖3為示出本發明的系統的簡化示意圖。
具體實施方案描述現在看附圖，圖1以簡化剖面圖示出根據本發明製造的直接甲醇燃料電池系統的平面陣列。更特別地，形成了平面堆疊陣列10，包括兩個直接甲醇燃料電池，總體以12表示。燃料電池12形成在基底部14上，每個燃料電池12與相鄰燃料電池12之間相隔至少1mm。應當理解，取決於所需的功率輸出，可製造任意數目的燃料電池12以形成燃料電池的平面陣列——從圖2所示的一個燃料電池(馬上要討論)道無數個燃料電池。基底部14由不能透過用以驅動燃料電池12的燃料和氧化劑材料混合物的材料形成。通常利用含氫燃料/氧化劑混合物來驅動燃料電池12。燃料電池12消耗燃料來產生電能，合適的燃料為含氫材料，例如氫氣、甲烷和甲醇。在這些特定實施例中，燃料電池12使用甲醇。基底部14通常由玻璃、塑料、矽或其它任何合適的材料。在該特定實施方案中，平面堆疊陣列10由至少兩個直接甲醇燃料電池12組成，每個都由一個燃料電池膜電極組合件(MEA)(在圖2中馬上要討論)來確定，因此，平面堆疊陣列10包括兩個燃料電池膜電極組合件。
基底部14中形成了許多微流溝道，如圖所示。更特定地，基底部14形成了第一燃料入口30和第二燃料入口31，與供液溝道32相通。利用眾所周知的標準技術——例如多層陶瓷技術、微機械或注入成型——在基底部14中形成供液溝道32。供液溝道32向至少兩個互相分離的燃料電池12中的每一個供應燃料支承流體34。在該特定實施例中，燃料支承流體34由直接來自甲醇箱35和水箱37的甲醇和水組成。在基底部14中形成混合室36，它與供液溝道32微流相通，如圖所示。在一個具體實施方案中，燃料支承流體34為水(96％-99.5％)中的0.5％-4.0％的甲醇。目的是將甲醇以0.002ml/min的速率泵入整個組合件10並將水以0.098ml/min(2％至98％)的速率泵入組合件10。燃料電池組合件10也可使用其它燃料，例如氫氣或乙醇，但是應當理解，與使用甲醇相比，使用乙醇既不會更高效，也不能提供更多能量。在該特定實施例中，利用分離的甲醇箱35和水箱37來供應燃料支承流體34。甲醇將以給定速率泵入，而根據甲醇濃度感應器39所測得的需要量來加入水。甲醇濃度感應器39幫助保持混合液中的甲醇組分。在進入每個單獨的燃料電池12之前，甲醇和水在混合室36中均勻混合。應當理解，供液溝道32等量、同步地向每個單獨形成的燃料電池12供應燃料支承流體34。
另外，在基底部14上形成排氣溝道38，它與至少兩個互相分離的燃料電池12中的每一個都相通。排氣溝道38用以從燃料電池12中排出無用產物42，即二氧化碳和水/甲醇混合物。在工作時，在二氧化碳分離室44內將無用產物分離成水/甲醇混合物46以及二氧化碳氣體48。接著，通過排氣出口52——例如透氣膜——將氣體48排出，而水/甲醇混合物則通過再循環溝道53進行再循環，在背對混合室36處，再循環溝道53具有作為其一部分的泵54，例如MEMS泵，或單向閥型的組合件。另外，在微流連通中有透氣水回收系統56，以及水回收返回溝道58。水回收系統用於從燃料電池12的負極側回收水，然後將其導向水回收返回溝道58，如圖所示。水回收返回溝道58與分離室44微流相通，並最終與混合室36相通。
對於小型化系統來說，燃料電池中的反應之後水/甲醇混合物的再循環以及擴散通過負極的水的循環是必要的。可以預期，燃料傳輸系統包括甲醇和水，以甲醇箱35和水箱37的形式，這個系統要裝在可攜式一次性盒狀器件中，通過管子與基底部14相連。
燃料電池陣列10通常具有四個單獨的燃料電池12作為其一部分，總基底部14的尺寸大約為5.5cm×5.5cm×.5cm，而單個燃料電池12的面積為4×1.5-2.0cm平方。每個單獨的燃料電池12能產生大約0.5V和22.5mA/cm2的能量。
現在參看圖2，所示出的是燃料電池系統，總體以10』表示，它包括單個燃料電池組合件12』。應當指出，圖1所示的第一實施方案中所有與圖2所示的特定實施方案中的元件相類似的元件都用類似的數字示出，只是加上一個撇號「』」來表示不同的實施方案。燃料電池12』由燃料電池膜電極組合件16組成，而後者由下列部分組成第一電極18，包括碳布支架；膜20，例如多孔質子導電電解質膜；以及第二電極22，包括碳布支架23。第一和第二電極18和22由下列材料之一組成鉑、鈀、金、鎳、碳化鎢、釕、鉬，以及鉑、鈀、金、鎳、碳化鎢、釕、鉬的合金。膜20進一步由nafion型材料形成，它可防止燃料從燃料電池12』的正極側(第一電極18)向負極側(第二電極22)的透過。
在該特定實施例中的膜電極組合件16位於形成在基底部14』最上層主表面26中的凹口24中。本公開預計，膜電極組合件16可位於基底部14』的主表面26上，而無需形成凹口24。在這種情況下，要利用隔片(未示出)來避免膜電極組合件16的完全壓縮。
平面堆疊陣列10』進一步包括覆蓋膜電極組合件16的一個頂部，更特別地，在該特定實施方案中，為集電器28。在一個具體實施方案中公開了集電器28，它分離形成在每個單獨形成的燃料電池膜電極組合件16上。在一個具體實施方案中，集電器28進一步描述為由穿孔波紋金覆蓋的不鏽鋼組成。應當理解，另外還可預期，集電器28可由任何導電材料形成。
在製造過程中，利用直接繪製法(direct painting method)或熱壓法形成單個燃料電池膜電極組合件16。更特定地，形成或放置許多第一電極18與基底部14』的主表面26相接觸。可用各種材料形成電極18。合適的材料包括鉑、鈀、金、鎳、碳化鎢、釕、鉬，以及這些材料的各種合金。
在該特定實施方案中，為示意起見，許多第一電極18中的每一個的尺寸都大約為2.0cm×2.0cm。當平面堆疊10』包括許多燃料電池12』——例如像前面對圖1的討論那樣——時，這就包括相鄰燃料電池12之間的大約為0.5mm至1mm的間距。
由質子導電電解質形成的膜20——也稱作質子交換膜(PEM)——由nafion型材料組成。如前所述，膜20限制了燃料從燃料電池12的正極側18向燃料電池12的負極側的透過。
接著，在膜電極組合件16的製造過程中，形成許多第二電極22，對應於那些第一電極18。第二電極22的尺寸與相應的第一電極18的尺寸大致相等。應當理解，正如所描述的，燃料電池膜電極組合件16每個都由第一電極18、膜20和第二電極22組成。
最後，相對於第二電極22放置集電器28。集電器28的厚度至少為0.1mm，而長度取決於接觸在每個燃料電池12』上的點。在替代方案中，當器件包括許多燃料電池12』時，許多燃料電池12』可使用通過蒸發或濺射而沉積上的銀導電漆來進行電互聯。適用的材料有金(Au)、銀(Ag)銅(Cu)，或其它任何低電阻材料。電極材料的體電阻率和電極的面積將支配集電設計的類型，以使歐姆損耗降至最小。另外，為獲得許多直接甲醇燃料電池12』之間的電互聯，由本公開所預期的為圖形導電環氧樹脂以及壓片、線焊、接焊、簧片觸點、電線或彈簧夾。應當理解，可預期燃料電池12』既可串聯互聯，也可並聯互聯，這取決於想要的最終電壓。為獲得許多燃料電池12』之間的電互聯(未示出)，第二電極22中的每一個都與相鄰第一電極18相連，從而形成串聯以提高燃料電池陣列設備10』的輸出電壓，或者第一電極18中的每一個都與相鄰第一電極18相連，而第二電極22中的每一個都與相鄰第二電極22相連，從而形成並聯以提高燃料電池陣列設備10』的輸出電流。
現在參看圖3，所示為詳述本發明的系統的簡化示意圖。所示為與混合室36微流相通的甲醇箱35和水箱37。如前所述，混合室36用於獲得甲醇對水的合適比例。在適當混合之後，將燃料支承流體通過供液溝道通入燃料電池12。選擇某種MEMS型泵40來進行輔助。濃度感應器39用於輔助監視甲醇濃度和燃料支承流體的溫度。然後燃料支承流體到達燃料電池堆疊12並產生能量。能量通向DC-DC轉換器62，將產生的電壓轉換成驅動便攜電子器件——例如行動電話60——的可用電壓，並作為便攜電子器件的可充電電池64。在工作過程中，用過的流體通過排氣溝道排入二氧化碳分離室和二氧化碳出口，一般地以44表示。另外，從燃料電池12的負極側和分離室44回收水，並通過再循環溝道送回混合室36。流體的再循環可使水箱37的水消耗更少，從而減少對水箱37的補充。
因此，所公開的是燃料電池系統以及在平坦表面上製造單個燃料電池或多個燃料電池的方法，這樣就可在單個平坦表面上得到更高的電壓和電流。更特定地，該設計給出簡化系統，其中將用過的燃料部分分離以再循環可用副產物，即水，從而減少水的消耗和補充。另外，公開了本發明的系統為半自持系統，並且對方向不敏感，從而容易地移動該系統，例如在為便攜電子器件提供能量時。
儘管我們示出並描述了本發明的特殊實施方案，但對於熟練的技術人員來說，還可有進一步的調整和改進。所以，我們期望理解本發明並不局限於所示出的特定形式，在所附的權利要求中我們打算覆蓋所有的調整，只要它們不背離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.燃料電池系統，包括基底部，由單個個體形成，並具有主表面；至少一個燃料電池膜電極組合件，形成在基底部的主表面上；供液溝道，確定在基底部中，與該至少一個燃料電池膜電極組合件相通，供液溝道包括混合室和至少兩個燃料支承流體入口；排氣溝道，確定在基底部中，與該至少一個燃料電池膜電極組合件相通，排氣溝道包括水回收和再循環系統，排氣溝道與供液溝道互相分離，用以從該至少燃料電池膜電極組合件中排出流體，該至少一個燃料電池膜電極組合件和協同工作的供液溝道和協同工作的排氣溝道形成了單個燃料電池組合件；許多電學元件，形成在基底部中，用於燃料電池組合件的電結合。
2.根據權利要求1的燃料電池系統，其中基底部包括下列材料之一陶瓷、塑料、玻璃，以及矽。
3.根據權利要求2的燃料電池系統，其中該形成在基底部主表面上的至少一個燃料電池膜電極組合件包括多個形成在基底部主表面上的燃料電池膜電極組合件，其中這多個燃料電池膜電極組合件中的每一個與相鄰燃料電池膜電極組合件相距至少1mm。
4.根據權利要求1的燃料電池系統，其中該燃料電池膜電極組合件都包括第一電極；與第一電極相鄰形成的膜，由質子導電電解質形成；以及與該膜相觸的第二電極。
5.根據權利要求4的燃料電池系統，其中第一和第二電極包括選自下列的一種材料鉑、鈀、金、鎳、碳化鎢、釕、鉬，以及鉑、鈀、金、鎳、碳化鎢、釕、鉬的合金。
6.根據權利要求5的燃料電池系統，其中覆蓋第一電極的膜由質子交換型材料組成。
7.根據權利要求1的燃料電池系統，其中燃料支承流體由甲醇和水的混合物組成，由分離的甲醇源和分離的水源供應，並進行現場混合。
8.根據權利要求1的燃料電池系統，其中確定在基底部中並與燃料電池膜電極組合件相通的供液溝道包括甲醇濃度感應器。
9.根據權利要求1的燃料電池系統，其中確定在基底部中並與燃料電池膜電極組合件相通的排氣溝道進一步包括二氧化碳分離室和二氧化碳排出口。
10.根據權利要求1的燃料電池系統，其中水回收和再循環系統從燃料電池回收用過的水和乙醇混合物並將其送回混合室。
11.燃料電池陣列設備，包括基底部，由單個個體形成，並具有主表面，該基底部由下列材料之一形成陶瓷、塑料、玻璃，以及矽；至少一個燃料電池膜電極組合件，形成在基底部的主表面上，該至少一個燃料電池膜電極組合件包括第一電極，與第一電極相觸、由質子導電電解質形成的膜，以及與該膜相觸的第二電極；供液溝道，確定在基底部中，與該至少一個燃料電池膜電極組合件，用以向該至少一個燃料電池膜電極組合件供應燃料支承流體，供液溝道進一步包括第一燃料支承流體入口、第二燃料支承流體入口，以及混合室；排氣溝道，確定在基底部中，與該至少一個燃料電池膜電極組合件相通，排氣溝道與供液溝道互相分離，用以從該至少一個燃料電池膜電極組合件中排出流體，排氣溝道進一步包括水回收和再循環組件，與該至少一個燃料電池膜電極組合件的第二電極流體相通，該至少一個燃料電池膜電極組合件和協同工作的供液溝道和協同工作的排氣溝道相結合形成了單個燃料電池組合件；以及頂部，包括許多用於多個已形成的燃料電池組合件之間電結合的電學元件。
12.製造燃料電池陣列設備的方法，包括下列步驟提供基底部，它由選自下列的材料之一形成陶瓷、塑料、玻璃，以及矽；在基底部中形成供液溝道，用以向該至少一個燃料電池膜電極組合件供應燃料支承流體，供液溝道包括混合室和甲醇濃度感應器；在基底部中形成排氣溝道，排氣溝道與供液溝道互相分離，用以從該至少一個相分離的燃料電池膜電極組合件中排出流體，排氣溝道進一步包括水回收和再循環系統，用於用過的燃料支承流體的回收和再循環；在基底部的主表面上形成至少一個燃料電池膜電極組合件，形成該至少一個燃料電池膜電極組合件的步驟包括下列步驟在基底部主表面上給出第一電極，使一個由質子導電電解質形成的膜與第一電極相觸，使第二電極與該膜相觸，該至少一個相分離的燃料電池膜電極組合件和協同工作的供液溝道和協同工作的排氣溝道形成了單個燃料電池組合件；以及形成頂部，包括許多用於已形成的燃料電池組合件的電結合的電學元件。
全文摘要
燃料電池系統以及形成該燃料電池系統的方法，該系統包括基底部(14)，由單個個體形成，具有主表面。在基底部主表面上形成至少一個燃料電池膜電極組合件(16)。在基底部中確定包括混合室的供液溝道(32)，它與燃料電池膜電極組合件相通，用以向燃料電池膜電極組合件供應燃料支承流體(34)。在基底部中確定包括水回收(56)和再循環系統的排氣溝道(38)，它與膜電極組合件相通。膜電極組合件和協同工作的供液溝道和協同工作的排氣溝道形成了單個燃料電池組合件。
文檔編號H01M8/04GK1524311SQ01815152
公開日2004年8月25日 申請日期2001年7月17日 優先權日2000年7月18日
發明者超達利·R·克利皮拉, 威廉·J·馬姆斯, 戴維·L·威爾科克斯, 約瑟夫·W·波斯塔夫, W 波斯塔夫, J 馬姆斯, L 威爾科克斯, 超達利 R 克利皮拉 申請人:摩託羅拉公司