专利名称：包括集成流场的直接甲醇燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及包括集成燃料流场的直接甲醇燃料电池和制造该装置的方法，其中在产生电能的过程中获得燃料在燃料电池中的均匀分布。
背景技术：
通常，燃料电池是“电池替代品”，和电池类似，通过没有燃烧的电化学过程产生电力。所用的电化学过程提供氢核与来自空气的氧或纯氧进行化合。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。
通常，DMFC设计是工作在大约60-80℃的高温下具有强迫气流的大堆叠。更小的通气DMFC需要将所有系统元件小型化从而更为复杂。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件之间，其中形成了用于气体分布的沟道和凹槽。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、膜电极组件(MEA)(正极/离子导电膜/负极)负极支架，以及负极集电器。直接甲醇燃料电池典型的开路电压大约在0.3-0.5V的范围内。为了得到更高的电压，通常将燃料电池以串联方式(双极方式——正极连负极)一个一个地堆叠起来，或以平面排列方式串联不同的电池。也可以并联方式(正极接正极)堆叠传统的燃料电池以得到更大的电流，但是一般地，简单地使用更大的有效面积来替代上述方式。
直接甲醇燃料电池在工作时，在正极侧使用稀释的甲醇水溶液(通常为3-4％的甲醇)作为燃料。如果甲醇浓度过高，就会出现甲醇交叉问题，降低燃料电池的效率。如果甲醇浓度过低，在正极侧就没有燃料电池反应发生所需的足够燃料。当前的DMFC设计都是用强迫气流以获得更大的堆叠。更小的通气DMFC较难实现，因为将所有所需的系统元件小型化并将它们集成在移动用途所需的小单元中是很复杂的。将DMFC系统小型化需要其本身具有分离的甲醇源和水源，并将它们在位混合以进行燃料电池反应。另外，对于最佳性能来说，将燃料均匀分布到燃料电池的正极上是很关键的。
在没有指定燃料流的情形中，燃料流将沿阻力最小的路径进入燃料电池。这一阻力最小的路径导致燃料向正极的不均匀分布。另外，如果出现无效流场，会在各处聚积二氧化碳副产物，阻碍燃料到达正极或接触电催化剂。由于缺少排出二氧化碳的装置，这会导致形成反压。为了向正极提供燃料——特定地说即甲醇——和水，形成能够使燃料均匀分布到正极——更特定地正极支架——上从而进入膜电极组件(MEA)中的燃料流场将是很有好处的。燃料的均匀分布给出了燃料电池器件的最佳性能。
因此，本发明的一个目的是给出直接甲醇燃料电池系统设计，其中燃料流场集成到小型化器件中。
本发明的一个目的是给出包括集成流场的直接甲醇燃料电池，由以下几部分组成微沟道、腔，以及用于将燃料支承流均匀分布到燃料电池器件的正极上的微流技术。
本发明的又一目的是给出包括集成流场的直接甲醇燃料电池，其中所有系统元件都埋置在基部——例如陶瓷基部——内。
本发明的再一目的是给出制造包括集成流场的直接甲醇燃料电池的方法，该燃料电池由以下几部分组成微沟道、腔，以及用于将燃料支承流均匀分布到燃料电池器件的正极上的微流技术。
发明概述至少部分解决了上述的和其它的问题，在包括基部、由单体形成、具有主表面的燃料电池器件和形成该燃料电池器件的方法中，实现了上述的和其它的目的。在基部的主表面上至少形成一个膜电极组件。基部包括用于向膜电极组件均匀分布燃料的集成燃料流场。在基部中确定了供流沟道，它与燃料流场以及该至少一个膜电极组件相通，用于向该至少一个膜电极组件提供燃料支承流。在基部中确定了排出沟道，它与该至少一个膜电极组件相通。排出沟道与供流沟道分隔开，用于从该至少一个膜电极组件中排出副产物流体，包括水。膜电极组件与协同工作的供流沟道和协同工作的排出沟道形成单个燃料电池组件。
附图简述见附图
图1为根据本发明的包括集成燃料流场的许多直接甲醇燃料电池器件的简化剖面图，这些燃料电池器件形成在包括许多微流沟道的单个基部上；图2为根据本发明的流场陶瓷层的简化正交图；图3为一简化正交图，示出根据本发明的燃料流场；以及图4为一简化示意图，示出本发明的燃料电池器件集成燃料流场。
优选实施方案描述在燃料电池中，流场通常加工或设计在导电材料中，通常为石墨或不锈钢。当在陶瓷衬底上形成燃料电池时，可将流场设计并制造成包括用于流体流通的微沟道和印制成用于集电的导电胶。通常，在石墨或不锈钢燃料电池中最常用的类型为蛇形构图。利用多层陶瓷技术，可在沟道之间制作蛇形构图，但只能做到一定的频率。当沟道相互之间靠得太近时，工艺变得非常困难。为了使沟道之间靠得更近(＜40密耳)，可使用三维构图。
现在看附图，图1以简化剖面图示出根据本发明制造的包括集成流场的直接甲醇燃料电池。所示出的是包括许多燃料电池组件12的燃料电池系统，通常标为10。燃料电池组件12形成在基部上。基部14设计成不让燃料和用于驱动燃料电池12的氧化剂材料透过。通常使用含氢燃料来驱动燃料电池12。适合用于燃料电池12中来产生电能的燃料有含氢材料，例如，氢气、甲烷和甲醇。在这一特定实施例中，使用甲醇的水溶液作为燃料电池12的燃料。基部14通常由玻璃、塑料、硅、石墨、陶瓷，或任何其它合适的材料形成。在这一特定实施方案中，平面堆叠10由许多直接甲醇燃料电池12构成，每个直接甲醇燃料电池12由一个燃料电池膜电极组件(MEA)(一会儿讨论)来确定。
基部14中形成了许多微流沟道，如图所示。更特定地，基部14中形成了第一流体入口30和第二流体入口31，与供流沟道32流体相通。供流沟道32利用技术上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——形成在基部14中。供流沟道32向燃料电池12提供燃料支承流34。在这一特定实施方案中，燃料支承流由甲醇和水组成，直接从甲醇箱35和水箱37供应。在基部14中形成混合腔36与供流沟道32微流相通，如图所示。在优选实施方案中，燃料支承液34优选地为0.5％-4.0％的甲醇水溶液(水99.5％-96.0％)。目的在于将甲醇以大约0.002ml/min的速率泵入整个组件10，并将水以大约0.098ml/min的速率泵入整个组件10(2％比98％)。燃料电池组件10还可使用别的燃料，例如氢气或乙醇，但值得指出的是，乙醇既不如甲醇那么有效，产生的能量也不如使用甲醇产生的多。在这一特定实施方案中，使用分离的甲醇箱35和水箱37来提供燃料支承流34。甲醇将以给定速率泵入，而根据集成的水处理系统(一会儿讨论)的效率——由甲醇浓度感应器39来监测——所确定的所需值来加入水。甲醇浓度感应器39帮助保持混合物中的甲醇比例。在均匀流入燃料电池12之前，在混合腔36中将甲醇和水均匀混合。
另外，在基部14中形成排出沟道38，与燃料电池12相通。排出沟道38用于从燃料电池12中除去废产物42，即二氧化碳和水/甲醇混合物。在工作过程中，在二氧化碳分离腔44中将废产物分离成水/甲醇混合物46和二氧化碳气体48。然后，通过排出口52——例如透气膜——排出气体48，而水/甲醇混合物46通过包括泵54——例如MEMs型泵——或单向阀型组件的再循环沟道53返回混合腔36。另外，水处理系统和水回收返回沟道58微流相通。水处理系统用于从燃料电池12的负极侧回收水并将其导入水回收返回沟道58，如图所示。水回收返回沟道58与分离腔44并最终与混合腔36微流相通。
对于使系统小型化来说，在燃料电池12中的反应之后，水/甲醇混合物的处理和再循环，以及扩散经过负极的水的循环都是必需的。可以预期，燃料传送系统以甲醇箱35和水箱37的形式包括甲醇和水，该系统将置于便携式盒状器件中，通过导管与基部14相连。
燃料电池12由燃料电池膜电极组件16组成，后者由以下几部分组成第一电极18，或正极，包括碳布支架19；膜20，例如导质子电解质膜；以及第二电极22，或负极，包括碳布支架23。第一和第二电极18和22由任何金属材料构成，包括选自下列之一的材料铂、钯、金、镍、钨、钌、钼、锇、铱、铜、钴、铁，以及铂、钯、金、镍、钨、钼、锇、铱、铜、钴、铁和钌的合金。电极18和22中还可含有导质子聚合物、导电聚合物，以及无机载体，例如碳和金属氧化物。膜20进一步由Nafion型材料形成，防止燃料从每个燃料电池12的正极侧(第一电极18)渗透到负极侧(第二电极22)。
在这一特定实施例中，膜电极组件16位于形成在基部14最上主表面26中的凹口24内。由这一公开可以预期，膜电极组件16可位于基部14的主表面26上，而无需形成凹口24。在这一情形中，要使用垫片(未示出)来避免膜电极组件16的完全压缩。基部14进一步包括集电器15。
平面堆叠列阵10进一步包括顶部，更特定地，在这一特定实施方案中，为集电器28，它包括许多覆盖膜电极组件16的气流通孔29。集电器28作为盖帽部——一般标为27——的一部分而形成。盖帽部使第二电极22暴露在环境空气下。
在制造过程中，用热压法或本技术领域中其它已知的标准方法形成燃料电池膜电极组件16。更特定地，第一电极18与基部14相触。如前所述，可使用各种材料来形成电极18。在这一特定实施方案中，而且为了示范的目的，第一电极18的尺寸大约为2.0cm×2.0cm。
由导质子(质子导电)电解质形成的膜20——也称作质子交换膜(PEM)——由Nafion型材料构成。如前所述，膜20用于限制燃料从每个燃料电池12的正极18渗透到每个燃料电池12的负极22。
接下来，在膜电极组件16的制造过程中，形成第二电极22，与第一电极18协同工作。第二电极22具有和其相应的第一电极18大致相同的尺寸。应当理解，正如所描述的，每个燃料电池膜电极组件16由第一电极18、膜20、第二电极22，以及气体扩散媒介层——或更特定地碳布支架层——19和23组成。最后，集电器28相对于第二电极22放置。集电器28至少要0.1mm厚，长度取决于每个燃料电池上的接触点。作为替代，可使用通过蒸发或溅射而沉积的银导电漆电连接这许多燃料电池12。适用于此的材料有金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、铜(Cu)，或任何其它低电阻率材料。电极材料的体电阻率以及电极的面积将决定集电方案的类型，以将欧姆损耗减至最小。应当理解，可以预期，可使用串联或并联来电连接燃料电池12，取决于最后所需的电压。如图1所示，燃料电池器件10进一步包括三维流场的集成，一般地标为60(一会儿讨论)。
在这一特定实施方案中，燃料电池列阵10中形成了四个单独的燃料电池12，整个基部尺寸为大约5.5cm×5.5cm×.5cm，单个燃料电池12的面积为4×1.5-2.0平方厘米。每个单独的燃料电池12能产生大约0.5V和22.5mA/cm2的能量。燃料电池12形成在基部14上，每个燃料电池12与相邻燃料电池12之间相距至少0.5-1mm。应当理解，取决于所需的能量输出，可制作任意数量的燃料电池12和燃料电池之间的任意距离，以形成燃料电池的平面列阵——从单个燃料电池到大量的燃料电池，如图1所示。
现在看图2和3，其中以简化正交图示出根据本发明的三维流场60。三维流场60由许多陶瓷层——一般地标为62、64和66——组成，这些陶瓷层中形成了许多三维微流燃料传送沟道(一会儿讨论)。应当理解，层62、64和66作为陶瓷层的一部分，组成本发明的多层陶瓷燃料电池器件10，如果需要，可加入另外的层来进一步确定流场60。
如图所示，第一陶瓷层62具有让燃料34从供流沟道32流入的流入口68和让用过的燃料成分排出到排出沟道38的流出口69。燃料入口68和燃料出口69与陶瓷层64微流相通，其中形成了许多用于燃料34通过多层陶瓷的三维流动的回流通路70(一会儿描述)。如图所示，第三陶瓷层66包括许多燃料传送沟道72，进一步确定了流场60。可以预期，燃料传送沟道72的相邻沟道72之间的距离小于1000密耳，相邻沟道72之间的优选距离为大约40密耳。
如图3所示，在燃料电池12的工作过程中，燃料按流场60沿燃料传送沟道72流动(如箭头34所示)。在每条燃料传送沟道72的末端，燃料流34流经回流通路70，最初的方向与相邻电极18相反，如图1所示。燃料流34在回流通道70中流动，直到它返回到下一个燃料传送沟道72。燃料流34就这样在许多燃料传送沟道72中按箭头34所示的单方向路径流动。这一单方向路径的目的在于将电极组件16产生的二氧化碳作为排出副产物而挤出。更特定地，在工作过程中，电极组件16处产生的二氧化碳被挤回流场60，或更特定地，挤回燃料传送沟道72。由于燃料传送沟道72中燃料流34的单方向路径，废二氧化碳被通过燃料出口69挤出燃料传送沟道72进入排出沟道38。
流场60的设计使得许多燃料传送沟道72之间的间距比以前所能实现的更小。而如前所述，这又改善了燃料向燃料电池12的分布，减小了燃料34越过气体扩散层19的扩散距离，且能更好地除去二氧化碳。燃料传送沟道72之间靠得非常近，更特定地，相邻沟道之间的距离小于125密耳，优选地小于40密耳，从而燃料34可以通过扩散穿过气体扩散层——或更特定地，碳布19——到达相邻正极18的整个表面。
现在参看图4，以简化示意图详细描述了本发明的系统。所示出的是与混合腔36微流相通的甲醇箱35和水箱37。如前所述，混合腔36用于获得甲醇与水的合适比例。一旦经过适当混合，燃料支承流通过供流沟道流向燃料电池12。可选用MEMs型泵40来辅助流动。使用浓度感应器39来帮助监测甲醇浓度和燃料支承流的温度。然后燃料支承流到达燃料电池堆叠12并产生能量。能量输入DC-DC转换器80，将所产生的电压转换成可用于驱动便携式电子器件——例如包括可充电电池84的移动电话82——的电压。在工作过程中，通过排出沟道将用过的流体排入二氧化碳分离腔和二氧化碳出孔，它们一般地标为44。另外，从燃料电池12的负极侧和分离腔44回收水，并使其通过再循环沟道返回混合腔36。这一流体再循环使得可以更少地消耗水箱37中的水，从而可以更少地补充水箱37。
因此，所公开的是包括集成燃料流场的燃料电池系统和用于制造该系统的方法，在平坦表面上形成单个燃料电池或许多燃料电池，从而可在单个平坦表面上获得更高的电压和电流。更特定地，该设计给出了一种简化系统，其中燃料通过三维燃料流场传送到电极组件的正极侧，从而使燃料向正极均匀分布，从而提高了性能。另外，还公开了，本发明的系统是一种半自持系统，对方向不敏感，从而便于移动，例如在使用该系统向便携式电子器件供电时。
尽管我们示出并描述了本发明的特定实施方案，但是对于熟练的技术人员来说，还可有其它的调整和改进。因此，我们希望这一点应当被理解本发明并不局限于所示出的特定形式，在所附权利要求中我们要求保护覆盖所有不偏离本发明的精神和领域的调整。
权利要求
1.燃料电池器件，包含基部，由单体形成，具有主表面；至少一个燃料电池膜电极组件，形成在基部的主表面上；供流沟道，确定在基部中，与该至少一个燃料电池膜电极组件相通，供流沟道包括混合腔和至少一个燃料支承流入口；排出沟道，确定在基部中，与该至少一个燃料电池膜电极组件相通，排出沟道包括与许多亲水细线相通的水回收和再循环沟道，排出沟道与供流沟道隔开，用于排出来自至少一个燃料电池膜电极组件的流体，该至少一个燃料电池膜电极组件和协同工作的供流通道和协同工作的排出沟道形成单个燃料电池组件；多维燃料流场，确定在基部中，与供流沟道、该至少一个燃料电池膜电极组件以及排出沟道相通；以及许多电学元件，形成在基部中，用于燃料电池组件的电学集成。
2.根据权利要求1的燃料电池器件，其中基部由选自下列之一的材料构成陶瓷、塑料、玻璃、石墨、以及硅。
3.根据权利要求2的燃料电池器件，其中形成在基部主表面上的至少一个燃料电池膜电极组件包括许多形成在基部主表面上的燃料电池膜电极组件。
4.根据权利要求1的燃料电池器件，其中燃料电池膜电极组件进一步包括位于第一电极上背对相邻膜一侧上的碳布支架，以及位于第二电极上背对相邻膜一侧上的碳布支架。
5.根据权利要求1的燃料电池器件，其中多维燃料流场包括与许多燃料回流通路相通的许多燃料传送沟道，从而提供燃料向膜电极组件的三维流动。
6.根据权利要求5的燃料电池器件，其中许多燃料传送沟道中相邻燃料传送沟道之间的距离小于1000密耳。
7.根据权利要求1的燃料电池器件，其中多维燃料流场包括与供流沟道流体相通的燃料入口和与排出沟道流体相通的燃料出口。
8.燃料电池器件，包含基部，由单体形成，具有主表面，基部由选自下列之一的材料形成陶瓷、塑料、玻璃、以及硅；至少一个燃料电池膜电极组件，形成在基部的主表面上，该至少一个燃料电池膜电极组件包括第一电极、由导质子电解质形成的膜，以及第二电极；供流沟道，形成在基部中，与该至少一个燃料电池膜电极组件相通，用于向该至少一个燃料电池膜电极组件提供燃料支承流，供流沟道进一步包括第一燃料支承流入口和第二燃料支承流入口，以及混合腔；排出沟道，确定在基部中，与该至少一个燃料电池膜电极组件相通，排出沟道与供流沟道分隔开，用于从该至少一个隔开的燃料电池膜电极组件中排出流体，排出沟道进一步包括水回收和再循环沟道，与该至少一个燃料电池膜电极组件流体相通；多维燃料流场，确定在基部中，与供流沟道相通，该至少一个燃料电池膜电极组件、排出沟道、多维燃料流场、协同工作的供流沟道，以及协同工作的排出沟道结合形成单个燃料电池组件；以及顶部，包括许多电学元件，用于许多已形成的燃料电池组件的电学集成。
9.制造燃料电池器件的方法，包含下列步骤给出多层基部，它由选自下列之一的材料形成陶瓷、塑料、玻璃、石墨、以及硅；在基部中形成供流沟道，以向至少一个燃料电池膜电极组件提供燃料支承流，供流沟道进一步包括混合腔和甲醇浓度感应器；在基部中形成排出沟道，排出沟道与供流沟道分隔开，用于从该至少一个隔开的燃料电池膜电极组件中排出流体，排出沟道进一步包括水回收和再循环沟道，用于已用燃料支承流和反应水的回收和再循环；在基部的主表面上形成至少一个燃料电池膜电极组件，形成该至少一个分隔的燃料电池膜电极组件的步骤包括下列步骤在基部的主表面上给出第一电极，给出由导质子电解质形成的与第一电极接触的膜，给出与该膜接触的第二电极，该至少一个隔开的燃料电池膜电极组件和协同工作的供流沟道和协同工作的排出沟道形成单个燃料电池组件；形成与供流沟道、排出沟道和该至少一个燃料电池膜电极组件相通的多维集成燃料流场；以及形成包括许多电学元件的顶部，用于已形成的燃料电池组件的电学集成。
全文摘要
燃料电池器件(10)和形成该燃料电池器件的方法，该燃料电池器件包括由单体形成的基部(14)，具有主表面(26)。在基部的主表面上形成至少一个燃料电池膜电极组件(16)。在基部中确定包括混合腔(36)的供流沟道(32)，它与燃料电池膜电极组件相通，用于向膜电极组件提供燃料支承流(34)。在基部中确定排出沟道(38)，它与膜电极相通。在多层基部中确定多维燃料流场，它与供流沟道、膜电极组件以及排出沟道相通。膜电极组件和协同工作的供流沟道、多维燃料流场以及协同工作的排出沟道形成单个燃料电池组件。
文档编号H01M8/24GK1836346SQ01820542
公开日2006年9月20日 申请日期2001年11月19日 优先权日2000年12月15日
发明者约瑟夫·W·博斯坦夫, 乔杜里·R·克里派拉, 阿里森·M·费希尔, 杰伊·K·诺伊茨勒 申请人:摩托罗拉公司