CN101359757A - 具有电容器的电源 - Google Patents

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Abstract

发电机，包括产生氢的燃料和具有质子交换膜的燃料电池堆层。阳极层和阴极层放置在所述燃料电池堆的另一表面上。电容器层与其它层集成，并且与所述阳极层和阴极层电耦合。

Description

具有电容器的电源
技术领域
本申请是2007年4月26日提交的美国专利申请No.11/796,012的部分继续申请，其内容通过引用结合于本文中。
本申请涉及一种具有电容器的电源。
背景技术
在某些基于燃料电池的发电机中，在有水存在的情况下从燃料中提取氢，随后将其引入到燃料电池中用于发电。与例如电池的常规电源相比，基于氢发生器的发电机和质子交换膜(PEM)燃料电池能够提供更高的能量密度，但是在快速提供电流脉冲方面存在着难度。它们还倾向于高的自动放电和缓慢的启动。此外，高昂的制造成本可能也限制了其广泛的商业化。
许多电子设备具有间歇性的、大范围变动的功率需求，从基本为零开始到很快地使用高达几瓦特的短暂功率脉冲。这些功率需求使得很难设计出可广泛应用的、商业上可行的燃料电池。
发明内容
一种发电器，其通过水蒸汽与吸水性固体燃料物质的反应而在内部产生氢气。氢气在燃料电池中与氧发生反应以产生电能。电容器可以与燃料电池堆单片式地集成，以提供瞬时的功率和电流脉冲。电容器可在低负载条件下充电，并在负载需要更大电流时放电。所产生的电能可以用来驱动连接到发电机的或大或小的装置，这取决于发电机的尺寸。本发明的发电机尤其适用于驱动微型装置如无线传感器、便携式电话或其它电连接到发电机的一个或多个燃料电池的阳极和阴极上的手持式电子设备。电容器的使用允许缩小燃料电池质子交换膜(PEM)的面积，这可以减小对贵金属的需求，并降低自放电。
附图说明
图1是根据一个示例性实施例的具有集成电容器的燃料电池的等效电路图。
图2是根据一个示例性实施例的具有电容器的、基于燃料电池的发电机的横截面图。
图3是图1所示发电机一部分的横截面，示出了根据一个示例性实施例的滑阀、电容器和燃料电池堆。
图4是图3所示发电机横截面的部分截面图，更进一步示出了根据一个示例性实施例的电容器的细节。
图5是根据一个示例性实施例的用于选择性连接附加电源的电容器阵列的示意图。
图6是用于连接图5所示电容器的、燃料电池中的示例性开关的结构图。
具体实施方式
在下面的描述中将参考形成了说明书的一部分的附图，所述附图示出了可实施的具体实施例。这些实施例描述得足够详细，使得本领域技术人员能够实施本发明，应当理解的是也可以使用其它实施例，并且在不脱离权利要求范围的情况下可以进行结构上的、逻辑上的和电气上的改变。因此，下列描述并不应当被视为限制，本发明的范围由所附的权利要求来限定。
图1示出了具有集成电容器120的燃料电池110的等效电路图100。燃料电池110具有阳极135和阴极140。在一个实施例中，所述元件以并联的方式电气连接，使得至少当不输出电流时燃料电池能给电容器充电，并且当输出电流时电池和电容器可以都提供电能。如果输出非常少的电能，那么该燃料电池可在需要时给电容器充电。在不同的实施例中，可以使用许多种不同的燃料电池和电容器。某些实施例利用基于氢的燃料电池和集成的高级电容器或超级电容器，例如具有纳米尺寸特征的纳米电容器，在下面将对其进行更详细的描述。这种电容器一般能储存远多于常规电容器的电荷。
在另一个实施例中，功率调节电路150与所述燃料电池110和所述电容器120连接。所述功率调节电路150调节输出，使之与负载所需的相一致。电源调节电路150可以与燃料电池110和电容器120集成在一起，或者在其它实施例中可以是附加的装置。在另外一个实施例中，功率调节电路150可以是负载的一部分，并且与燃料电池110和电容器120分离。
图2是根据一个示例性实施例的基于燃料电池的发电机200的横截面图。发电机200包括阴极输出电极210和阳极输出电极215。阴极输出电极可以构造为类似于从发电机200的凸出部，类似于普通电池的阴极。这通常称为凸点。在一个实施例中，发电机可以构造为类似于市售干电池组的形状，使得其能够替代所述干电池组。燃料室220可以包括含氢燃料，其向燃料电池层225提供氢气，这在图3放大结构中进行了图示，其中标号与图2的一致。在不同的实施例中，该燃料可以是液体或固体。
燃料电池层225可以包括质子交换膜(PEM)、催化剂层、气体扩散层和微孔层，所有这些都标示为燃料电池堆层230。在一个实施例中，燃料电池层225还包括阳极层235，其在燃料电池层225和燃料室220之间与燃料电池层225相连。它也与阳极输出电极215相连。阴极层240与燃料电池层225的另一侧相连并形成了它的一部分，还与阴极输出电极210相连。它也可以暴露在外界环境中。
在一个实施例中，燃料电池堆层230可以包括质子交换膜(PEM)或其它类型的、能结合氢和氧来产生水和电能的薄膜，例如GDL或MPL。阳极可电连接到燃料电池堆层230上，并形成为其一部分。阴极可电连接到燃料电池堆层230的另一侧上，并形成为其一部分。
通常的PEM燃料电池包括电解质膜，其位于在该膜的一侧上的正极或阴极和在该膜的另一侧上的负极或阳极之间。在通常的氢-氧PEM燃料电池情况下，氢燃料(例如氢气)通过流场板流到阳极，而氧气流到燃料电池的阴极。在阳极处，氢气分解成正氢离子(质子)和带负电的电子。电解质薄膜仅允许带正电的离子通过而到达阴极。带负电的电子必须沿着外部电路移动到阴极，从而产生电流。在阴极处，电子和带正电的氢离子与氧结合，从而产生水分子。
在一个实施例中，燃料电池层225还包括电容器层243。在一个实施例中，电容器层243单片地与燃料电池层225集成，并且在阳极电极层235的相邻处形成。在阳极电极层235和电容器层243中可以具有对齐的开口，以允许氢气通过并且到达燃料电池层225，同时也允许水蒸汽通过并且到达燃料室220。在另外的实施例中，电容器层243可以在燃料电池层225的其它层相邻处形成，例如邻接阴极层240处。
燃料电池堆不需要沿着发电机200的整个长度而延伸。这部分地因为当发电机200接通负载时，电容器具备很快提供电流的能力。燃料电池层225的长度可根据用于最大稳态电流的期望规格来确定。如果小于发电机200的长度，就可以同时减小自动放电和含有昂贵的铂的薄膜的总面积。
在一个实施例中，燃料层225元件如电极、气体扩散层、薄膜和电容器元件可以由一个或多个薄层组成，其通过辊压工艺进行组装，形成能够包围发电机200的周边的大表面积的薄片。
在燃料电池层225和氢气室220之间设有滑阀。在一个实施例中，滑阀包括固定板245和活动板250，两者以滑动关系联接。在燃料电池和燃料或者燃料室220之间还可以使用可渗透氢气和水蒸汽的微粒过滤器。在一个实施例中，在贴近或邻接燃料室220的固定位置处支撑固定板245，并且活动板250与柔性膜片255相连，该柔性膜片可响应于燃料室中的氢压力和环境压力之间的压力改变而弯曲。孔260向膜片提供接触大气压力的通道。膜片255用作控制滑阀的压力响应启动器。固定板245和活动板250均具有开口，当在关闭位置时其阻止流动，而当开口至少部分对齐时其允许流动。
在一个实施例中，阀响应外部环境和发电机内部之间的压力差。燃料电池层225暴露在燃料容器220中的氢气和外部环境之间的期望压力差下。
在一个实施例中，发电机是圆柱形的，阀板是具有配对孔的同心圆柱体。固定板245和活动板250分别对应于内筒和外筒。当薄膜255上存在压力差时，例如当氢压力大于环境压力时，薄膜255偏转，并且相对于内筒轴向移动外筒250。外筒相对于内筒的运动导致孔变得不对齐，这便关闭了阀。
在一个实施例中，当孔不对齐时，在板或圆筒之间可以使用O形环265来提供密封。在一个实施例中，O形环265放置在内筒或固定板245上的环形槽270内。当孔不对齐时，相对应的是阀关闭，O形环265密封了外筒或活动板250的内部，从而密封了圆筒。这便提供了大致密封的关闭的阀位置。当大致密封时，阀的传导率大约是1％，或者比完全敞开时的传导率更小。
在一个实施例中，O形环265可以由可压缩性材料制成，并且可基本上位于环形槽270内。材料的可压缩性可以将在正常制备过程中出现的、对板的尺寸变化的影响最小化。O形环可以由腈、氟橡胶、乙烯-丙烯、四氟乙烯和丙烯的共聚物、FEP、PFA制成。O形环横截面可以是圆形或矩形。还可以使用磨损环或滑动环。
在一个实施例中，板尽可能的薄以保持高传导率，同时保持充分的结构刚度以在移动时不会折断。在平行于阀的移动方向运动的外板的外周上设置加厚部分，可以在改善结构刚度的同时保持高传导率。这对在内径上设置加厚部的内板来说也是如此。在一个实施例中，O形环可以同时具有小横截面以获得高传导率，同时保持板之间的良好密封。
也可以使用其它形状的板，其通常符合燃料容器和燃料电池的形状。在一个实施例中，阀板可以备选地形成低摩擦接触装配。在该实施例中不必使用O形环。可以用润滑剂来降低板之间的静摩擦。外部尺寸如固定板的直径非常接近活动板的内部尺寸，以形成摩擦装配。
材料的组合应该具有低摩擦系数，例如用于外部电极的不锈钢和用于内部电极的填充了特氟隆的乙缩醛。可以使用具有相似特性的许多其它组合。
在另一个实施例中，外板可以具有在一侧的切口，其内径稍微小于内板的外径，使得当外板被放置在内板上时其能够稍微膨胀，并保持对于内板(或O形环)的密封力。另外，外板可以是柔性的(橡胶)，而内板可以是刚性的(不锈钢)，并且正如以上所论述的，外板的内径可以稍微小于内板的外径，使得在外板膨胀而容纳内板时产生密封力。
还可以使用润滑剂作为密封剂。在一个实施例中，润滑剂可以是石墨、硅，或者是能与所使用的材料以及所发生的电化学反应相兼容的其它润滑剂。也可以使用油或其它碳氢化合物润滑剂。
图4详细示出了电容器层243的一部分的一个示例性实施例。在一个实施例中使用了超级电容器。通常来说，超级电容器是电解电容器，其包括浸渍在液体电解质中的大表面积的电极。电极的大表面积和电解质的两层之间短的距离提供了大的电容。在图4中的电容器层243的部分中，一对电极410和415被电解质420隔离。在所需的区域处也提供绝缘体425，以使得电极彼此隔离，并且隔离与燃料电池层225和阳极层235关联的电极。纳米级材料如纳米线430和435从每一个电极410和415伸出以增加表面积，由此增加电容器240的电容。它们被电解质彼此隔离。
在一个实施例中，纳米线具有大概10-9-10-7米或者一到一百纳米数量级的宽度。现有或将来会有很多种纳米线，例如金属的、碳纳米管、导电聚合物、半导体和绝缘体。纳米线是人造材料，其通过制造它们的材料的悬浮、沉积或者合成得到。纳米线所固有的大的表面-体积比提供了性能提升，其中可以在小组件中获得非常大的电容。基本上，电极上的少量纳米线会提供能产生巨大电容的很大量的表面积。另外，相比于目前的超级电容器技术，垂直排列的线产生了有序的孔隙结构，其能够允许更好的电解质-电极覆盖和离子迁移。
可以通过对多孔模板进行简单的电镀来合成金属线，使得多孔结构的样式转移到纳米线电极上。在一个实施例中，在模板的背面上沉积金属层。在一个实施例中，可以通过电镀来穿过薄膜的孔以沉积金属层，随后通过溶解模板来移除模板，留下电极板和线结构，如图4所示。
在电沉积线之后，已经溶解的模板留下了规则的纳米线电极结构。随后将整个纳米线电极浸于电解质溶液中，形成纳米线超级电容器。在一些实施例中，模板可以由氧化铝或氧化硅制成。一个可用的模板是由Whatman.Inc公司制造的氧化铝薄膜，该公司在New Jersey的Florham Park设有办事处，其生产的氧化铝膜的商标是Anopore
Figure A20081014462200101
。材料具有精密、不变形的蜂窝孔隙结构，在各孔之间不具有横向交叉，使得当填充该孔时，形成很多单独的线作为纳米线。
一个实例的电解质包括有机溶剂和盐。作为电解质材料的例子的盐包括但不局限于三乙基甲基铵四氟硼酸盐和四乙铵四氟硼酸盐，其都能够溶解在有机溶剂中。这些盐可以同时与离子液体相结合。在一些实施例中，电解质可以是含水形式。
一个实例的制造超级电容器电极的方法可以按照下列步骤进行：
1、在市售氧化铝(Whatman Anopore)薄膜的背面溅射金属(金)涂层；
2、使用粘性导电带(铜)来覆盖薄膜背面；
3、透过市售薄膜来电镀金属(镍)；
4、将薄膜置于6M NaOH中以开始去除薄膜。轻微的搅动有助于薄膜的去除。
5、旋卷薄膜～1分钟。
得到的结构可能是大量具有～300nm直径的镍纳米线。这些纳米线电极可以集成使用0.1M NaCl作为电解质的电解质电容器。相比受控的平面电极，使用这种样品纳米线可以提供在低频操作中100x倍的增强作用。通过最优化纳米线的几何形状，还可能使电容有更大的改进。纳米线材料可以是其它高导电性材料，例如金或银。除含水电解质之外，盐可以与有机溶剂和离子液体一起使用。
有商业利益的、使用单片集成超级电容器的装置可以使用大面积的多孔模板如阳极氧化铝片，以及溶解在有机溶剂中作为电解质材料的盐。
纳米线可以提供大的表面积-体积比，其允许使用少量的材料就能够获得巨大的电容。相比于基于碳的技术，由于离子迁移的容易，垂直排列的纳米线允许提供更高的能量密度，这应当能增加与电解质直接接触的电极的数量。这个工艺是与实验室工艺相兼容的，允许容易地集成到MEMS/芯片级传感器，本发明的超级电容器电极可以用于期望超级电容器发挥功能的各种微芯片应用中。
燃料电池元件(电极、气体扩散层和薄膜)和电容器元件可以由许多薄层组成，其以辊压工艺组装，形成能够包在发电机200周边的大表面积的薄片。基于溶液的合成法同时可以允许使用辊压方法来制造发电机的电容器元件，而不需要真空或高温系统。
电容器极板可以通过在柔性导电电极上集成例如纳米线的纳米级材料来形成。可以通过基于溶液的方法集成纳米材料，例如通过电镀阳极氧化铝。纳米材料可以在电极板上提供非常大的表面积，以形成超级电容器的极板。在两个超级电容器极板之间夹入电解质材料层，从而完成电解质超级电容器的构造。
在一个实施例中，电容器层243包括能够被单独充电的小电容器的阵列，并允许发电机瞬时输出全部电压，同时允许经过一段时间达到完全充电。这样便提供了输送按照负载需要的功率的能力。电容器可以是并联耦合的，或者有些可以串联耦合以获得期望的电压。在另一个实施例中，功率调节电路可以与发电机集成，调节发电机产生的电能以符合预期负载的需求，例如电压和电流的需求。
图5示出了统称为500的这种电容器的实例阵列。示出了三个并联的电容器505、510和515。各个电容器可以分别与电子开关520、525和530耦合，形成可编程电容器组。电子开关可以通过可编程序逻辑元件/芯片控制。开关能够打开和关闭，以选择性地给特定的电容器充电，以此有效地调整装置的电容，以及能够供给负载的电量。虽然仅仅显示了3个电容器，该阵列可以由许多电容器形成。在另外的实施例中，电容器可通过电子开关或开关而串联耦合。
可编程电容器组可与凸点开关(switch in pip)540耦合，其与燃料电池545耦合，并在550处与燃料电池阳极耦合。在一个实施例中，当电源插入到装置时，凸点开关540接通，使得燃料电池和电容器电连接。当不使用电源时，这可以降低(电容器中的)自放电。
图6是形成图2中和燃料电池阴极210内部的凸点开关540的更为详细的结构图图示。通过杆615和阴极210内部的弹簧机构617来支撑开关板610。凸点开关540还包括连接到杆615的接触板620，以便在625处将引线接触到阴极上，并用于与电容器引线630相接触，从而选择性地将阴极连接到电容器组505、510、515。
基于PEM的燃料电池与集成超级电容器的组合便于形成具有和现有或者将来的电子电池兼容或者相同的形状因数的发电机系统，例如AA、AAA、C、D、9V、用于照相机和传感器的各种电池等等。这种组合在相同的形状因数尺寸下提供了更大的能量密度。在一个实施例中，可以提供至少大约10种这种形状因数的现有干电池组。集成超级电容器的使用允许减小PEM面积尺寸，该PEM面积尺寸通常是为了生产出与干电池组形状因素所相当的电流水平所需要的。该尺寸减小与集成超级电容器相结合，有助于提供各种负载所需的功率分布。
遵照37 C.F.R.§1.72(b)所提供的摘要允许读者快速地确定技术公开的本质和要点。该摘要不用于解释或限制权利要求的范围或意思。

Claims (25)

1.一种系统，包括：
含氢燃料；
具有质子交换膜的燃料电池堆层；
分别放置在所述燃料电池堆的相对表面上的阳极层和阴极层；和
与其它层集成并且与所述阳极层和阴极层电耦合的超级电容器层。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述层彼此单片式地集成。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述层形成为有助于辊压制造工艺。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池堆包括质子交换膜。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超级电容器层包括一对含有纳米级材料的电容器极板。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述纳米级材料包括提供巨大表面积的纳米线。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括夹在所述一对电容器极板之间的电解质材料层。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电解质材料包括有机溶剂中的盐。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述盐是选自由四乙铵四氟硼酸盐和三乙基甲基铵四氟硼酸盐组成的组中的至少一种。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电解质包括离子液体。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电解质还包括具有盐的有机溶剂。
12.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电解质材料包括含水材料。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超级电容器层通过阳极层和阴极层与所述燃料电池堆层并联地电耦合。
14.一种发电机，包括：
氢燃料容器；
具有质子交换膜的燃料电池堆层；
分别放置在所述燃料电池堆的相对表面上的阳极层和阴极层；
与其它层集成并且与所述阳极层和阴极层电耦合的超级电容器层；
连接在所述层和燃料容器之间的滑阀，其适于提供打开的阀位置和大致密封的关闭的阀位置；和
连接到所述滑阀和燃料容器的压力响应启动器。
15.根据权利要求14所述的发电机，其特征在于，所述层彼此单片式地集成，以便有助于辊压制造工艺。
16.根据权利要求14所述的发电机，其特征在于，所述超级电容器层包括含有提供巨大表面积的纳米线的一对电容器极板。
17.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述发电机还包括夹在所述一对电容器极板之间的电解质材料层，其中所述电解质材料包括选自由四乙铵四氟硼酸盐和三乙基甲基铵四氟硼酸盐组成的组中的一种盐。
18.一种方法，包括：
由基于质子交换膜的燃料电池堆层提供电能；和
由与所述燃料电池堆层单片式地集成的超级电容器层提供电能，其中所述超级电容器层与所述燃料电池堆层并联地电耦合。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述超级电容器层包括纳米级材料以增加表面积。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在低负载条件下由所述燃料电池堆层向所述超级电容器层充电，以及在高负载条件下使所述超级电容器层放电。
21.一种能量发生器，包括：
具有含质子交换膜的燃料电池层的基于氢的燃料电池；和
集成到所述燃料电池层的超级电容器。
22.根据权利要求21所述的能量发生器，其特征在于，所述燃料电池和集成的超级电容器布置在具有与小电池的形状大约相同的容器中。
23.根据权利要求22所述的能量发生器，其特征在于，所述形状选自AA、AAA、C、D或者9V电池的形状组成的组中。
24.根据权利要求21所述的能量发生器，其特征在于，所述超级电容器根据负载的功率曲线而选择性地向所述燃料电池充电和放电。
25.根据权利要求21所述的能量发生器，其特征在于，所述能量发生器还包括电调节电路，以便根据负载的需求来提供电压和电流。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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