CN1524311A - 直接甲醇燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统以及形成该燃料电池系统的方法，该系统包括基底部(14)，由单个个体形成，具有主表面。在基底部主表面上形成至少一个燃料电池膜电极组合件(16)。在基底部中确定包括混合室的供液沟道(32)，它与燃料电池膜电极组合件相通，用以向燃料电池膜电极组合件供应燃料支承流体(34)。在基底部中确定包括水回收(56)和再循环系统的排气沟道(38)，它与膜电极组合件相通。膜电极组合件和协同工作的供液沟道和协同工作的排气沟道形成了单个燃料电池组合件。

Description

直接甲醇燃料电池系统

发明领域

本发明涉及燃料电池，更特别地，涉及直接甲醇燃料电池系统以及制造该系统的方法，其中，通过气态或液态燃料的消耗而产生电能。

发明背景

通常，燃料电池是“电池替代品”，与电池类似，通过没有燃烧的电化学过程而产生电力。所利用的电化学过程提供氢质子和来自空气的氧的化合。通过利用夹在两个电极——即正极和负极——之间的质子交换膜(PEM)来完成该过程。众所周知，燃料电池能提供永久的电力。通常用氢作为产生电力的燃料，它可通过加工甲醇、天然气、石油来得到，也可以纯氢的形式储存。直接甲醇燃料电池(DMFC)利用气态或液态的甲醇作为燃料，这样就无需昂贵的重整工序。DMFC提供了更简单的PEM电池系统，更轻的重量、流水线生产，从而成本更低。

在标准DMFC中，在正极侧(第一电极)加入稀释的甲醇水溶液作为燃料，负极侧(第二电极)暴露在强迫通风或环境空气(或O2)中。通常用nafion型质子导电膜分隔正极和负极。视电源需要，可以将几个这样的燃料电池串联或并联使用。

典型的DMFC设计是在高温下具有强迫气流的大堆叠。更小的通气DMFC设计更复杂。在传统的PEM燃料电池中，堆叠连接做在具有导电板的燃料电池组合件之间，与用于气体分布的沟道和凹槽一起加工形成。典型的传统燃料电池由下面几部分组成：正极(H₂或甲醇侧)集电器、正极支架、膜电极组合件(正极/离子导电膜/负极)负极支架、负极集电器。每个燃料电池也产生大约1.0V的电压。为获得更高的电压，通常将燃料电池一个一个串联堆叠起来(双极方式——正的连负的)。传统的燃料电池也可并联堆叠(正的连正的)来获得更大的功率，但通常只是简单地使用更大的燃料电池。

在直接甲醇燃料电池工作期间，在正极侧使用稀释的甲醇水溶液(常为3-4％的甲醇)作为燃料。如果甲醇浓度太高，那么就会出现甲醇交迭问题，这将降低燃料电池的效率。如果甲醇浓度太低，那么在正极侧将没有足够的燃料用于燃料电池的反应。当前的DMFC设计都是配以强迫气流的更大堆叠。因为让系统小型化以使它可用于便携设备的复杂性，更小的通气DMFC设计很难完成。要用于以很稀的甲醇混合液形式携带燃料的便携设备，就需要携带大量燃料，这对于用于便携设备的小型化电源设计来说是不实际的。

因此，本发明的一个目的就是给出一种直接甲醇燃料电池系统，其中在一个小型化系统中至少集成了一个直接甲醇燃料电池。

本发明的一个目的是给出包括微沟道和空腔的直接甲醇燃料电池系统，并给出用以混合、抽泵和再循环燃料支承流体的微流技术。

本发明进一步的目的是给出对方向不敏感的直接甲醇燃料电池系统。

本发明还有更进一步的目的是给出一种直接甲醇燃料电池系统，其中所有的系统元件都埋置在像陶瓷基底部这样的基底部中。

本发明还有一个目的是给出制造直接甲醇燃料电池系统的方法，包括给出微沟道和空腔的步骤，其中微流技术是混合、抽泵和再循环燃料支承流体的基础。

发明概述

在燃料电池阵列设备和形成该燃料电池阵列设备(包括一个基底部，由单个个体形成，具有主表面)的方法中，至少部分解决了上面这些及其它问题，并实现了上面这些及其它目的。在基底部的主表面上至少形成了一个膜电极组合件。在基底部中确定了供液沟道，它与该至少一个膜电极组合件相通，为该至少一个膜电极组合件供应燃料支承流体。在基底部中确定了排气沟道，它与该至少一个膜电极组合件相通。排气沟道与供液沟道分隔开，它用来从至少一个膜电极组合件中排出液体。膜电极组合件以及协同工作的供液沟道和协同工作的排气沟道形成了单个燃料电池组合件。还包括一个顶部，它包括许多电学元件，用于许多已形成的燃料电池组合件之间的电互联。

附图简述

参见附图：

图1为许多根据本发明的直接甲醇燃料电池器件的简化剖面图，它们形成在单个基底部上，包括许多微流沟道；

图2为根据本发明形成在包括许多微流沟道的单个基底部上的单个直接甲醇燃料电池器件的简化剖面图；以及

图3为示出本发明的系统的简化示意图。

具体实施方案描述

现在看附图，图1以简化剖面图示出根据本发明制造的直接甲醇燃料电池系统的平面阵列。更特别地，形成了平面堆叠阵列10，包括两个直接甲醇燃料电池，总体以12表示。燃料电池12形成在基底部14上，每个燃料电池12与相邻燃料电池12之间相隔至少1mm。应当理解，取决于所需的功率输出，可制造任意数目的燃料电池12以形成燃料电池的平面阵列——从图2所示的一个燃料电池(马上要讨论)道无数个燃料电池。基底部14由不能透过用以驱动燃料电池12的燃料和氧化剂材料混合物的材料形成。通常利用含氢燃料/氧化剂混合物来驱动燃料电池12。燃料电池12消耗燃料来产生电能，合适的燃料为含氢材料，例如氢气、甲烷和甲醇。在这些特定实施例中，燃料电池12使用甲醇。基底部14通常由玻璃、塑料、硅或其它任何合适的材料。在该特定实施方案中，平面堆叠阵列10由至少两个直接甲醇燃料电池12组成，每个都由一个燃料电池膜电极组合件(MEA)(在图2中马上要讨论)来确定，因此，平面堆叠阵列10包括两个燃料电池膜电极组合件。

基底部14中形成了许多微流沟道，如图所示。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，与供液沟道32相通。利用众所周知的标准技术——例如多层陶瓷技术、微机械或注入成型——在基底部14中形成供液沟道32。供液沟道32向至少两个互相分离的燃料电池12中的每一个供应燃料支承流体34。在该特定实施例中，燃料支承流体34由直接来自甲醇箱35和水箱37的甲醇和水组成。在基底部14中形成混合室36，它与供液沟道32微流相通，如图所示。在一个具体实施方案中，燃料支承流体34为水(96％-99.5％)中的0.5％-4.0％的甲醇。目的是将甲醇以0.002ml/min的速率泵入整个组合件10并将水以0.098ml/min(2％至98％)的速率泵入组合件10。燃料电池组合件10也可使用其它燃料，例如氢气或乙醇，但是应当理解，与使用甲醇相比，使用乙醇既不会更高效，也不能提供更多能量。在该特定实施例中，利用分离的甲醇箱35和水箱37来供应燃料支承流体34。甲醇将以给定速率泵入，而根据甲醇浓度感应器39所测得的需要量来加入水。甲醇浓度感应器39帮助保持混合液中的甲醇组分。在进入每个单独的燃料电池12之前，甲醇和水在混合室36中均匀混合。应当理解，供液沟道32等量、同步地向每个单独形成的燃料电池12供应燃料支承流体34。

另外，在基底部14上形成排气沟道38，它与至少两个互相分离的燃料电池12中的每一个都相通。排气沟道38用以从燃料电池12中排出无用产物42，即二氧化碳和水/甲醇混合物。在工作时，在二氧化碳分离室44内将无用产物分离成水/甲醇混合物46以及二氧化碳气体48。接着，通过排气出口52——例如透气膜——将气体48排出，而水/甲醇混合物则通过再循环沟道53进行再循环，在背对混合室36处，再循环沟道53具有作为其一部分的泵54，例如MEMS泵，或单向阀型的组合件。另外，在微流连通中有透气水回收系统56，以及水回收返回沟道58。水回收系统用于从燃料电池12的负极侧回收水，然后将其导向水回收返回沟道58，如图所示。水回收返回沟道58与分离室44微流相通，并最终与混合室36相通。

对于小型化系统来说，燃料电池中的反应之后水/甲醇混合物的再循环以及扩散通过负极的水的循环是必要的。可以预期，燃料传输系统包括甲醇和水，以甲醇箱35和水箱37的形式，这个系统要装在便携式一次性盒状器件中，通过管子与基底部14相连。

燃料电池阵列10通常具有四个单独的燃料电池12作为其一部分，总基底部14的尺寸大约为5.5cm×5.5cm×.5cm，而单个燃料电池12的面积为4×1.5-2.0cm平方。每个单独的燃料电池12能产生大约0.5V和22.5mA/cm²的能量。

现在参看图2，所示出的是燃料电池系统，总体以10’表示，它包括单个燃料电池组合件12’。应当指出，图1所示的第一实施方案中所有与图2所示的特定实施方案中的元件相类似的元件都用类似的数字示出，只是加上一个撇号“’”来表示不同的实施方案。燃料电池12’由燃料电池膜电极组合件16组成，而后者由下列部分组成：第一电极18，包括碳布支架；膜20，例如多孔质子导电电解质膜；以及第二电极22，包括碳布支架23。第一和第二电极18和22由下列材料之一组成：铂、钯、金、镍、碳化钨、钌、钼，以及铂、钯、金、镍、碳化钨、钌、钼的合金。膜20进一步由nafion型材料形成，它可防止燃料从燃料电池12’的正极侧(第一电极18)向负极侧(第二电极22)的透过。

在该特定实施例中的膜电极组合件16位于形成在基底部14’最上层主表面26中的凹口24中。本公开预计，膜电极组合件16可位于基底部14’的主表面26上，而无需形成凹口24。在这种情况下，要利用隔片(未示出)来避免膜电极组合件16的完全压缩。

平面堆叠阵列10’进一步包括覆盖膜电极组合件16的一个顶部，更特别地，在该特定实施方案中，为集电器28。在一个具体实施方案中公开了集电器28，它分离形成在每个单独形成的燃料电池膜电极组合件16上。在一个具体实施方案中，集电器28进一步描述为由穿孔波纹金覆盖的不锈钢组成。应当理解，另外还可预期，集电器28可由任何导电材料形成。

在制造过程中，利用直接绘制法(direct painting method)或热压法形成单个燃料电池膜电极组合件16。更特定地，形成或放置许多第一电极18与基底部14’的主表面26相接触。可用各种材料形成电极18。合适的材料包括：铂、钯、金、镍、碳化钨、钌、钼，以及这些材料的各种合金。

在该特定实施方案中，为示意起见，许多第一电极18中的每一个的尺寸都大约为2.0cm×2.0cm。当平面堆叠10’包括许多燃料电池12’——例如像前面对图1的讨论那样——时，这就包括相邻燃料电池12之间的大约为0.5mm至1mm的间距。

由质子导电电解质形成的膜20——也称作质子交换膜(PEM)——由nafion型材料组成。如前所述，膜20限制了燃料从燃料电池12的正极侧18向燃料电池12的负极侧的透过。

接着，在膜电极组合件16的制造过程中，形成许多第二电极22，对应于那些第一电极18。第二电极22的尺寸与相应的第一电极18的尺寸大致相等。应当理解，正如所描述的，燃料电池膜电极组合件16每个都由第一电极18、膜20和第二电极22组成。

最后，相对于第二电极22放置集电器28。集电器28的厚度至少为0.1mm，而长度取决于接触在每个燃料电池12’上的点。在替代方案中，当器件包括许多燃料电池12’时，许多燃料电池12’可使用通过蒸发或溅射而沉积上的银导电漆来进行电互联。适用的材料有：金(Au)、银(Ag)铜(Cu)，或其它任何低电阻材料。电极材料的体电阻率和电极的面积将支配集电设计的类型，以使欧姆损耗降至最小。另外，为获得许多直接甲醇燃料电池12’之间的电互联，由本公开所预期的为图形导电环氧树脂以及压片、线焊、接焊、簧片触点、电线或弹簧夹。应当理解，可预期燃料电池12’既可串联互联，也可并联互联，这取决于想要的最终电压。为获得许多燃料电池12’之间的电互联(未示出)，第二电极22中的每一个都与相邻第一电极18相连，从而形成串联以提高燃料电池阵列设备10’的输出电压，或者第一电极18中的每一个都与相邻第一电极18相连，而第二电极22中的每一个都与相邻第二电极22相连，从而形成并联以提高燃料电池阵列设备10’的输出电流。

现在参看图3，所示为详述本发明的系统的简化示意图。所示为与混合室36微流相通的甲醇箱35和水箱37。如前所述，混合室36用于获得甲醇对水的合适比例。在适当混合之后，将燃料支承流体通过供液沟道通入燃料电池12。选择某种MEMS型泵40来进行辅助。浓度感应器39用于辅助监视甲醇浓度和燃料支承流体的温度。然后燃料支承流体到达燃料电池堆叠12并产生能量。能量通向DC-DC转换器62，将产生的电压转换成驱动便携电子器件——例如移动电话60——的可用电压，并作为便携电子器件的可充电电池64。在工作过程中，用过的流体通过排气沟道排入二氧化碳分离室和二氧化碳出口，一般地以44表示。另外，从燃料电池12的负极侧和分离室44回收水，并通过再循环沟道送回混合室36。流体的再循环可使水箱37的水消耗更少，从而减少对水箱37的补充。

因此，所公开的是燃料电池系统以及在平坦表面上制造单个燃料电池或多个燃料电池的方法，这样就可在单个平坦表面上得到更高的电压和电流。更特定地，该设计给出简化系统，其中将用过的燃料部分分离以再循环可用副产物，即水，从而减少水的消耗和补充。另外，公开了本发明的系统为半自持系统，并且对方向不敏感，从而容易地移动该系统，例如在为便携电子器件提供能量时。

尽管我们示出并描述了本发明的特殊实施方案，但对于熟练的技术人员来说，还可有进一步的调整和改进。所以，我们期望理解：本发明并不局限于所示出的特定形式，在所附的权利要求中我们打算覆盖所有的调整，只要它们不背离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.燃料电池系统，包括：

基底部，由单个个体形成，并具有主表面；

至少一个燃料电池膜电极组合件，形成在基底部的主表面上；

供液沟道，确定在基底部中，与该至少一个燃料电池膜电极组合件相通，供液沟道包括混合室和至少两个燃料支承流体入口；

排气沟道，确定在基底部中，与该至少一个燃料电池膜电极组合件相通，排气沟道包括水回收和再循环系统，排气沟道与供液沟道互相分离，用以从该至少燃料电池膜电极组合件中排出流体，该至少一个燃料电池膜电极组合件和协同工作的供液沟道和协同工作的排气沟道形成了单个燃料电池组合件；

许多电学元件，形成在基底部中，用于燃料电池组合件的电结合。

2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中基底部包括下列材料之一：陶瓷、塑料、玻璃，以及硅。

3.根据权利要求2的燃料电池系统，其中该形成在基底部主表面上的至少一个燃料电池膜电极组合件包括多个形成在基底部主表面上的燃料电池膜电极组合件，其中这多个燃料电池膜电极组合件中的每一个与相邻燃料电池膜电极组合件相距至少1mm。

4.根据权利要求1的燃料电池系统，其中该燃料电池膜电极组合件都包括：第一电极；与第一电极相邻形成的膜，由质子导电电解质形成；以及与该膜相触的第二电极。

5.根据权利要求4的燃料电池系统，其中第一和第二电极包括选自下列的一种材料：铂、钯、金、镍、碳化钨、钌、钼，以及铂、钯、金、镍、碳化钨、钌、钼的合金。

6.根据权利要求5的燃料电池系统，其中覆盖第一电极的膜由质子交换型材料组成。

7.根据权利要求1的燃料电池系统，其中燃料支承流体由甲醇和水的混合物组成，由分离的甲醇源和分离的水源供应，并进行现场混合。

8.根据权利要求1的燃料电池系统，其中确定在基底部中并与燃料电池膜电极组合件相通的供液沟道包括甲醇浓度感应器。

9.根据权利要求1的燃料电池系统，其中确定在基底部中并与燃料电池膜电极组合件相通的排气沟道进一步包括二氧化碳分离室和二氧化碳排出口。

10.根据权利要求1的燃料电池系统，其中水回收和再循环系统从燃料电池回收用过的水和乙醇混合物并将其送回混合室。

11.燃料电池阵列设备，包括：

基底部，由单个个体形成，并具有主表面，该基底部由下列材料之一形成：陶瓷、塑料、玻璃，以及硅；

至少一个燃料电池膜电极组合件，形成在基底部的主表面上，该至少一个燃料电池膜电极组合件包括：第一电极，与第一电极相触、由质子导电电解质形成的膜，以及与该膜相触的第二电极；

供液沟道，确定在基底部中，与该至少一个燃料电池膜电极组合件，用以向该至少一个燃料电池膜电极组合件供应燃料支承流体，供液沟道进一步包括第一燃料支承流体入口、第二燃料支承流体入口，以及混合室；

排气沟道，确定在基底部中，与该至少一个燃料电池膜电极组合件相通，排气沟道与供液沟道互相分离，用以从该至少一个燃料电池膜电极组合件中排出流体，排气沟道进一步包括水回收和再循环组件，与该至少一个燃料电池膜电极组合件的第二电极流体相通，该至少一个燃料电池膜电极组合件和协同工作的供液沟道和协同工作的排气沟道相结合形成了单个燃料电池组合件；以及

顶部，包括许多用于多个已形成的燃料电池组合件之间电结合的电学元件。

12.制造燃料电池阵列设备的方法，包括下列步骤：

提供基底部，它由选自下列的材料之一形成：陶瓷、塑料、玻璃，以及硅；

在基底部中形成供液沟道，用以向该至少一个燃料电池膜电极组合件供应燃料支承流体，供液沟道包括混合室和甲醇浓度感应器；

在基底部中形成排气沟道，排气沟道与供液沟道互相分离，用以从该至少一个相分离的燃料电池膜电极组合件中排出流体，排气沟道进一步包括水回收和再循环系统，用于用过的燃料支承流体的回收和再循环；

在基底部的主表面上形成至少一个燃料电池膜电极组合件，形成该至少一个燃料电池膜电极组合件的步骤包括下列步骤：在基底部主表面上给出第一电极，使一个由质子导电电解质形成的膜与第一电极相触，使第二电极与该膜相触，该至少一个相分离的燃料电池膜电极组合件和协同工作的供液沟道和协同工作的排气沟道形成了单个燃料电池组合件；以及

形成顶部，包括许多用于已形成的燃料电池组合件的电结合的电学元件。

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