专利名称：具有多层燃料电池的功率发生器的制作方法
具有多层燃料电池的功率发生器
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U. S. C § 119(e)要求于2006年1月10日提交的美 国临时专利申请序列号为60/757,823的优先权，在此以引用的方式并 入本文中。
背景技术：
在某些基于燃料电池的功率发生器中，存在水的条件下将氢从燃料 中提取后，导入燃料电池以产生电。典型地，基于氢发生器和质子交换 膜(PEM)燃料电池的功率发生器在该功率发生器高效运转时，提供窄 范围的功率输出。改变功率发生器的所述功率输出通常需要重新设计该 功率发生器，这是不合需要的。
发明内容
一种功率发生器具有例如产氢燃料的氢源和多层燃料电池的构造。 所述多层燃料电池或燃料电池堆提供了 一种易于调整以产生宽范围的 功率输出而不需重新设计的功率发生器。
在一个实施例中， 一层中的每个燃料电池均具有分离所述产氬燃料 和周围物的质子交换膜。所述层以该方式布置，使得作为氧的来源的周 围物，设置在所述膜的阴极侧，且在所述质子交换膜的阳极侧可获得从 产氲燃料中产生的氢。可串联和/或并联耦合燃料电池以提供所需的电 压/电流。该功率发生器被设计成，使得易于串联或并联添加附加层或 多层以增加功率输出。
图1为根据一示例实施例的具有多层燃料电池的圆柱状功率发生器 的截面图。
图2为根椐一示例实施例的燃料电池在一层中的结构框图。
图3A和图3B为根据一示例实施例，说明在一层中燃料电池间的不
同电连接的电气示意图。
图4A和图4B为根据一示例实施例，说明多层间的不同电连接的电
气示意图。
图5为根据又一示例实施例在一层中的燃料电池的结构框图。图6为根据一示例实施例的燃料电池堆层的截面图，说明电连接和
透水蒸汽不透氢膜的使用。
具体实施例方式
在以下描述中，参照附图，其中附图构成了描述的一部分，并且在 附图中借助于说明的方式示出了可被实施的特定实施例。这些实施例净皮 描述的足够详细以4吏得本领域内技术人员可以实施本发明，且应当理解 的是可以使用其他实施例以及在不偏离本发明范围的情况下，，可对本 发明作出结构、逻辑和电气改变。由此，以下描述不可被作为有限的理 解，且本发明的范围由所附加的权利要求所限定。
提供一种电气功率发生器，在其中通过水蒸气和吸潮固体燃料物质 的反应产生氢气。在燃料电池，例如包含质子交换膜的燃料电池中，所 述氢气与氧反应产生电能。氢和氧的反应也产生水分子作为所述燃料电 池的副产品。这种产生的水作为水蒸汽可从燃料电池被动扩散至包含所 述固体燃料物质的燃料室，在燃料室中其与燃料物质反应产生氬气。所 述产生的电能依赖于功率发生器的规格，可被用于为大或小型设备提供 电力。
所述功率发生器可用于为小型设备，例如无线传感器、蜂窝电话或 其他手持电子设备提供电力，该小型设备电连接至所述功率发生器的一 个或多个燃料电池的阳极和阴极。可通过一种提供燃料电池至氧的通路 的结构来支撑多层燃料电池，例如从周围物和氢以产生电力。
单个功率发生器设计可简单地通过堆叠所需数目的燃料电池层来 提供宽范围的功率水平。每层中的燃料电池可串联连接，且所述层并联
连接(以提供更大电流)。如果例如一层燃料电池可提供10mW功率发 生器。如果需要20mW的话，则可使用两层，等等。可通过燃料电池堆 内的中心圆柱来实现电和气体连接。所述燃料电池和层可根据需要串/ 并联电耦合以提供更高或更低的电压和电流。可增加层以增大功率输 出，也可移除层以减小功率输出。
图1为一多层堆叠的功率发生器100的截面图。功率发生器100包 括容器110中的产氢燃料105。在一实施例中，支撑结构115耦合至所 述容器，包括多个堆叠关系的板120、 125、 130、 135、 140和145。所 述板通过内圆柱150和通过外环状结构155耦合起来。这种耦合提供折 叠状结构横截面，允许周围物157流至标记为160、 162和164的多层中的多个燃料电池的阴极侧。所述内圆柱15 0允许从燃料105产生的氩 流至标记为166、 168和170的多层中的多个燃料电池的阳极侧。电极 180也被示为将多个层耦合在一起以提供所需的功率水平。在一实施例 中所述电极也可布置于内圆柱150中，或在其它实施例中设置于其它地 方。
功率发生器100的每个组件部分可进一步封入合适的中空结构中， 例如通过合适材料形成的管，例如聚乙烯对苯二酸酯(未显示)，该封 装也可通过合适的盖(未示出)盖在顶和/或底面上，盖可为可移除的， 且可通过与该封装相似或不同的材料形成。
如图示，在一实施例中提供了三级燃料电池。例如，如果每一层提 供10mW功率，那么该功率发生器提供30mW功率。依赖于设计和规格， 多层可提供不同的功率水平。可增加具有相应的燃料电池的附加层板以 增大功率输出，或使用更少的层以减少功率输出。所述功率发生器可通 过简单配置就能满足不同设备的需求，可用来供电而不必重新设计所述 功率发生器。在另外的实施例中，可提供多个燃料电池层，但仅有所需 数量的层需要被电气连接。这允许同一功率发生器被配置成提供不同的 功率输出水平。
在一实施例中支撑结构115与燃料电池电气绝缘。其可由PET或钢， 或其它能够提供足够支撑的材料制成。
在一实施例中，与板或支撑结构115间的通道或沟道相对应，所述 外环状结构155可具有孔或开口 ，以允许周围空气通往阴极。其也可以 如所示出的，完全开放，或简单包括柱子或其它支撑结构，以提供所需 的枳4成稳定性。相似地，所述内圆柱150可制为允许氬通往阳极。
板125、 135和145提供支撑结构以支撑燃料电池。如上所指出， 每个燃料电池具有阴极和电极。所述板也确保所述燃料电池的每侧暴露 于合适的介质中，例如燃料电池阴极侧的周围物和阳才及侧的氩。板120、 130和135,与所述支撑板交替排列，作为对阳极周围物的屏障，也提 供从周围物至阴极的路径或通道。
在一实施例中，在所述产氢燃料和所述燃料电池之间设置调压阀 182。该阀包括设置于所述产氢燃料的第一侧上的压力响应柔性隔板 184,以及连接板阀188的活塞或杆186,用于装在支撑结构的板120上。 板120可包含环状座环190,以实现与板阀188的密封接触。在示出的实施例中，所述隔板由所述燃料与所述燃料电池相对。在 另一些实施例中，所述隔板可位于同一側，或根据需要位于该功率发生 器的不同其它位置。所述隔板按照与以上所迷实施例类似的方式运作。
所述燃料805也可以与上述实施例相似的方式构建。
在另一实施例中，可在板间布置旋转环状门阀，例如在板125和137 间，以选择性关闭板125中所支撑的燃料电池以与周围物隔开。所述燃 料电池中的其它层可继续正常运作。在又一实施例中，可布置一环状门 阀以根据需要将周围物关闭以与所有燃料电池隔离。在板145上可具有 附加板，用于支撑与支撑于板145上的所述燃料电池相关的环状门阀。
功率发生器100的每一部分，可由合适的聚合物材料、金属或其它 由功率发生器的应用所确定的其它材料制成。非排外地， 一种示例材料 包括聚乙烯对苯二酸酯。功率发生器100的元件部分的尺寸可以很小， 但同时可按照所述功率发生器的用途而不同。这样一种无水、微功率发 生器的外部尺寸的长度可以从大约l,至大约100,,宽度从大约l難 至大约lOOnmi,且深度从大约lmm至大约100mm,或在又一实施例中， 长度从大约lmm至大约25,长，或者当堆叠更多电池时，上迷长度更 长。在另外的实施例中，所述功率发生器宽度从大约l隱至大约25mm， 且深度从大约lmm至大约25mm。这些尺寸仅仅意味着作为示例，而非作 为限制，因为其它实施例中尺寸可以更大或更小。
图2为根据一示例实施例，在一层中燃料电池的结构框图。每一层 可根据需要具有不同的燃料电池布局，或相同的布局。在一个实施例中，
个饼状燃料电池210、 220、 230和240,被支撑结构115的部分所支撑。 所述内圆柱150被示出位于层的中心。在一个实施例中，可通过内圆柱 150实现至不同层的电连接。在另一些实施例中，可利用更多或更少不 同形状和尺寸的燃料电池。其它形状包括但不限于矩形、方形、圆形、 三角形等等。所示出的饼形可通过最大化固定直径功率发生器容器内的 可用表面积，而提供更高的功率密度。
图3A和图3B为根据一示例实施例，说明在层中燃料电池间的不同 电连接的电路示意图。图3A说明在层内6个燃料电池的串联连接。在 所述层内所述电池阳极耦合至阴极， 一组相邻燃料电池的阳极和阴极提 供触点310, 315以耦合至其它层的燃料电池和外部负载。图3B说明在层内6个燃料电池的并联连接。每个阴极可互相连接且有触点320,每 个阳极可互相连接且有触点325。触点320和325作为连接至其它层和
外部负载的连接点。
图4A和图4B为根据一示例实施例，说明层间的不同电连接的电气 示意图。图4A说明在三层之间的并联连接。导线410耦合至层125、 135 和145中每一层的阳极，而导线415耦合至125、 135和145中每一层 的阴极。图4B说明在功率发生器中三层之间的串联连接。通过连接器 420,层125的阳极连接至层135的阴极。通过连接器425，层135的阳 极连接至层145的阴极。层135的阳极435和层125的阴极440可连接 至负载。在其它实施例中，连接器420和425可根据需要连接所述层的 不同电极。连接所述层的任 一 方法可与连接层内电池的不同方法混合， 从而提供宽范围的电压和电流选择。也可加入更多的层以增大功率。也 可使用更少的层，或可以剩下层不连接以减小功率。
在另一些实施例中，层和功率发生器的尺寸通常可以被调整以获取 宽范围的功率。如果需要，可增加更多的层以增大功率水平。其它实施 例中，如果需要，所选的燃料电池可耦合至未耦合的电池。
在 一 个实施例中，单个的燃料电池所提供的功率与该燃料电池的质 子交换膜的面积成比例。该燃料电池所产生的电压约为0. 95V,且当负 载从该燃料电池中提取电流时，电压会下降。燃料电池的典型工作范围 在0. 6至0. 65V之间。对于一个给定的电流提取值，并联连接几个电池 可导致4支高的工作电压。相似地，为了增加一组电池的电压，也可将其 串联连接。为了在负载下维持较高的电压， 一组电池，例如层中的所有 电池可被串联耦合，而不同层可被并联连接。这些仅仅是无需改变功率 发生器的基本设计，而是通过改变电连接即可实现的结构的几个例子。 通过在层内串和/或并联电耦合燃料电池，以及层间串和/或并联电耦 合，就可获得所需要的电特性，例如电压和/或电流。
图5为根据又一示例实施例的燃料电池在层500中的结构框图。在 此实施例中，五个燃料电池510、 515、 520、 525和530串联耦合。每 个燃料电池的阴极耦合至相邻电池的阳极，燃料电池525的阴极535电 耦合至中心圆柱545内的接入触点540。燃料电池530的阳极550连接 至中心圆柱545内的接入触点555。在叠层功率发生器中，不同层的接 入点可通过中心圓柱545轻易地耦合起来，中心圆柱545还向燃料电池提供氢。
图6为根据一示例实施例的燃料电池堆600的截面图，说明了通过 圓柱540至燃料电池的多个层的电连接610、 615,以及透水蒸汽不透氢 膜620、 625和630的使用。在一个实施例中，所述透水蒸汽不透氢膜 620、 625和630可以为Naf ioi^膜。在一个实施例中，它们可被设置为 与燃料电池640、 645和650相对，可^皮用于收回纟皮燃料电池所产生的 水。在此构造中，所述燃料电池可工作于明显更高的电流密度，因为它 们不需要提供产生电力和回收水的双重作用。圓柱540可为中心圆柱， 也可作为电导线的导管，所述电导线用于以需要的方式电耦合燃料电池 的不同层，例如串联或并联。
遵照37C. F. R § 1. 72 (b)提供摘要，以使得读者能够迅速弄清本技 术批露的本质和要点。需要理解的是，提供的摘要不能用于解释或限制 权利要求的范围或含义。
权利要求
1、一种功率发生器，包括氢源；多层堆叠燃料电池，每一燃料电池具有阴极、质子交换膜和位于氢源与周围物之间的阳极，其中每一层中的阳极和阴极电耦合，并且各层电耦合，以提供所需的电压或电流。
2、 根据权利要求1的功率发生器，其中，所述堆中每一层包含多 个燃料电池，其中所收堆的第 一层每个燃料电池的阴极暴露至周围物， 以及所述堆的第二层层中每个燃料电池的阳极暴露至来自氢源的氪。
3、 根据权利要求1的功率发生器，进一步包括暴露至周围物的透 水蒸汽不透氢膜。
4、 根据权利要求1的功率发生器，其中，层内燃料电池通过串联 或并联电耦合。
5、 根据权利要求1的功率发生器，其中，燃料电池的各层在中心 圆柱处具有接触点，且各层通过所述中心圆柱串联或并l关电耦合。
6、 根据权利要求1的功率发生器，其中，燃料电池的各层具有开 口，允许来自氢源的氩接触各层内每个燃料电池的阳极，也为从燃料电 池产生的水蒸汽回到氬源提供通路。
7、 根据权利要求6的功率发生器，其中，每一层具有通往各层之 间的周围物的开口，从而允许所述阴极接近周围物。
8、 根据权利要求1的功率发生器，进一步包括与所述燃料电池电 隔离的支撑结构。
9、 根据权利要求8的功率发生器，其中，所述支撑结构提供连接 多个折叠形状的板和交替设置的板中的燃料电池的中心圆柱，作为连接 不同板的燃料电池的电导线的管道。
10、 根据权利要求9的功率发生器，其中，不包含燃料电池的交替 板包含透水蒸汽不透氢膜，其一侧暴露于周围物中，另一侧暴露于氬中。
11、 根据权利要求1的功率发生器，进一步包括设置于氢源和燃料电池之间的压力调节阀，其中所述压力调节阀包 括设置在产氬燃料第一侧的压力响应柔性隔板，和连接板阀用于设置在 所述支撑结构的第 一板上的活塞。
12、 根据权利要求11的功率发生器，其中，当氢源和燃料电池间 的压力高于预定水平时，所述压力调节阀位于第一板上。
13、 根据权利要求12的功率发生器，其中，当氢源和燃料电池间 的压力低于预定水平时，所述压力调节阀允许氢源暴露至燃料电池。
14、 根据权利要求1的功率发生器，其中，燃料电池的每一层包括 多个圆形布置的燃料电池，所述功率发生器进一步包括多开口门阀，其 定位成可控地提供一层燃料电池的阴极至周围物的通路。
15、 一种功率发生器，包括 产氢燃料；多层堆叠燃料电池，每一燃料电池具有阴极、质子交换膜和位于所 述燃料与周围物之间的阳极，其中每一层内的阳极和阴极电耦合，各层 也电耦合，以提供所需的电压或电流；具有多板的支撑结构，用于支撑所述燃料电池和提供阴极至周围物 以及阳极至氬的通路，其中所述支撑结构包括圓柱，其提供管道，用于 燃料电池泽反间的电连4妾；以及设置于产氬燃料和燃料电池之间的压力调节阀。
16、 根据权利要求15的功率发生器，其中，所述圆柱为中心圆柱， 其允许阳极接近产氢燃料所产的氬。
17、 根据权利要求15的功率发生器，其中，所述板以折叠的方式 相互连接，以允许阴极接近周围物。
18、 根据权利要求15的功率发生器，其中，层内燃料电池通过串 耳关或并耳关电井馬合。
19、 根据权利要求15的功率发生器，其中，燃料电池的各层串联 或并耳关电耦合。
20、 一种在多个燃料电池层功率发生器中电配置燃料电池以提供不 同功率^T出的方法，该方法包4舌在层内串联和/或并联电耦合燃料电池；和串联和/或并联电耦合各层以获得所需的电特性。
全文摘要
一种功率发生器具有例如产氢燃料的氢源以及具有质子交换膜用于分隔产氢燃料与周围物的燃料电池。在所述燃料电池与周围物之间设置有一阀，由此通过促动该阀可控地防止水进入或离开所述燃料电池。在一个实施例中，多个燃料电池围绕燃料布置成圆形，所述阀为一可旋转的环形门阀，具有对应于燃料电池的多个开口。
文档编号H01M8/02GK101421872SQ200780012846
公开日2009年4月29日 申请日期2007年2月13日 优先权日2006年2月14日
发明者S·J·埃克霍夫 申请人:霍尼韦尔国际公司