CN101432912A - 用于微型燃料电池的氢供给 - Google Patents

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Abstract

一种可抛弃的紧凑且有效率的存储装置(10)，包含燃料源(24)和水，以向微型燃料电池提供氢燃料(36)。该存储装置包括限定燃料源室(14)和多个水室(12)的外壳，以及位于每个水室(12)中含水的一个或多个聚合物晶体(22)。燃料源(24)，例如与催化剂混合的化学氢化物位于燃料源室(14)中，其中有选择地允许每个水室(12)中的水移动到燃料源室(14)接触固体燃料，由此以所需要的流量和温度产生氢燃料(36)。导管(32)将外壳中产生的氢燃料(36)提供给燃料电池(38)。

Description

用于微型燃料电池的氢供给
技术领域
本发明一般涉及微型燃料电池，更具体地，涉及包含燃料源和水以向微型燃料电池提供氢燃料的存储装置。
背景技术
可充电的蓄电池(battery)是用于蜂窝电话和各种其他便携电子设备的主要电源。蓄电池中存储的能量是有限的。这取决于存储材料的能量密度(Wh/L)、其化学性质和蓄电池的体积。例如，对于具有250Wh/L能量密度的典型Li离子蜂窝电话蓄电池来说，10cc蓄电池能够存储2.5Wh的能量。根据用途，它能够持续几小时到几天。充电总是需要插座。有限量的存储能量和频繁的充电是蓄电池的主要不便之处。对于蜂窝电话电源来说，需要更长的持续时间、容易充电的解决方案。满足这个需求的一种方法就是有带有可充电的蓄电池的混合电源和对蓄电池涓流充电的方法。对于能量转换设备来说给蓄电池充电的重要考虑包括功率密度、能量密度、尺寸和能量转换效率。
诸如太阳电池、利用周围温度波动的温差发电机和利用自然振动的压电发电机的能量获取方法对于给蓄电池涓流充电来说是非常有吸引力的电源。然而，由这些方法产生的能量都很小，通常仅几毫瓦，并且在需要一百毫瓦时它需要很大体积来产生足够的功率，这使其对蜂窝电话型应用来说不具有吸引力。
一种替代方法是装载高能量密度燃料并且以高效率将该燃料能量转化成电能对蓄电池充电。正在研究具有高能量密度的放射性同位素燃料用于便携式电源。然而，就这种方法而言，功率密度低，并且还要考虑放射性物质的安全性。这对于遥感器型应用来说是具有吸引力的电源，但是对于蜂窝电话电源来说并不具有吸引力。在各种其他能量转换技术中，最具吸引力的能量转换技术是燃料电池技术，因为它的能量转换效率高并且其展示出的高效率地小型化的可行性。
具有主动控制系统的燃料电池和高工作温度的燃料电池例如主动控制直接甲醇或者甲酸燃料电池(DMFC或DFAFC)、重整氢燃料电池(RHFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)都是复杂系统并且非常难以小型化到蜂窝电话应用所需的2-5cc体积。被动吸气式氢燃料电池(passive air breathing fuel cell)、被动DMFC或DFAFC以及生物燃料电池对于这种应用来说都是具有吸引力的系统。然而，除了小型化的问题，对于被动DMFC和DFAFC来说，其他问题包括对氢燃料电池的氢供给、寿命和能量密度；对于生物燃料电池来说，其他问题包括寿命、能量密度和功率密度。
常规DMFC和DFAFC设计包括平面堆叠层用于每个电池。然后可以堆叠单个电池以获得更高的功率、冗余和可靠性。该层典型地包括石墨、碳或碳复合材料、聚合物材料、金属例如钛和不锈钢以及陶瓷。堆叠层的功能性区域由用于将结构拧紧在一起的通孔以及沿着电池和在电池之间的燃料和氧化剂的通道限定，通常限制在周边上。此外，平面堆叠的电池仅由截面面积(x和y坐标)中的燃料/氧化剂交替发电。
为了以与当前蜂窝电话蓄电池相同的体积(10cc-2.5Wh)设计燃料电池/蓄电池混合电源，需要更小的蓄电池和具有高功率密度和高效率以及高能量密度燃料供给的燃料电池，以实现总体能量密度高于仅蓄电池的能量密度。例如，对于满足电话的最大需要的4-5cc(1-1.25Wh)蓄电池，燃料电池将需要适应1-2cc，燃料占据剩余的体积。燃料电池的功率输出需要是0.5W或更大才能够在合理的时间内对蓄电池充电。对小型燃料电池所进行的大部分研发活动都是试图小型化常规燃料电池设计到小尺寸，最终的系统对于蜂窝电话应用来说还是太大。几个微型燃料电池研发活动已经揭示了在平面燃料电池构造中使用常规硅处理方法，并且在一些情况下使用多孔硅(以增大表面积和功率密度)。参见例如U.S.专利/申请号2004/0185323、2004/0058226、6541149和2003/0003347。然而，吸气式平面氢燃料电池的功率密度典型地在50-100mW/cm2的范围内。为了产生500nW，需要5cm2或者更大的活性面积。单个燃料电池的工作电压在0.5-0.7V的范围内。为了给锂离子蓄电池充电，需要串联至少四到五个电池才能使燃料电池工作电压达到2-3V以有效地DC-DC转换到4V。因此，常规平面燃料电池方法将不能满足在用于蜂窝电话用途的燃料电池/蓄电池混合电源中的燃料电池1-2cc体积的需求。在上述的专利申请中描述的3D微型燃料电池结构试图通过提供更大的表面积增大功率密度来解决该问题，并且通过按需增加燃料电池模块提供功率输出的模块方法。然而，为了实现电源的整体高能量密度，高能量密度燃料供给需要适应小体积。
在用于便携式电源应用例如蜂窝电话的具有高能量密度的微型燃料电池的研发中，高能量密度燃料源和受控制的燃料(典型地为氢)的传输是两个重要的问题。氢供给的已知选择例如H2存储在压缩的圆筒、碳纳米管、金属氢化物或金属有机框架中，氢存储的量都是有限的并且典型地能量密度低，对于特定应用它们没有竞争性。氢在化学氢化物中的存储是具有吸引力的，但是需要受控的从化学氢化物中释放氢气的方法。一旦释放，氢气的存储也是困难的。生产过剩引起的泄露(除了环境考虑外)降低能量密度，而且生产不足降低燃料电池输出。因此，需要控制生产/流动速率。此外，生产过剩(材料的快速化学消耗)导致高温，这对材料的寿命和使用者舒适都不利。进一步希望维持小体积同时避免功耗。
因此，希望提供一种包含燃料源和水的紧凑且有效率的存储装置，以受控方式向微型燃料电池提供燃料。而且，结合本发明的附图和该背景技术，本发明的其他合乎需要的特征和特性将从随后的具体实施方式和所附权利要求书中变得显而易见。
发明内容
一种紧凑且有效率的存储装置包含燃料源和水，用于向微型燃料电池提供氢燃料。该存储装置包括限定燃料源室和多个水室的外壳，及位于每个水室中的一个或多个含水的聚合物晶体。燃料源，例如与催化剂混合的化学氢化物，位于燃料源室中，其中有选择地允许每个水室中的水移动到燃料源室中接触固体燃料，由此以所需要的流量和温度产生氢燃料。导管将外壳中产生的氢燃料提供给燃料电池。
附图说明
下面结合下列附图对本发明进行描述，其中相同的附图标记表示相同的部件，以及
图1是示例性实施方案的俯视剖视图。
图2是并入示例性实施方案的混合电源的透视图。
图3是示例性实施方案的俯视剖视图和燃料电池的框图。
图4是示出混合水和燃料源的已知方法的燃料流量和温度的曲线图。
图5是示出示例性实施方案的燃料流量和温度的曲线图。
图6-13是示出根据本发明的示例性实施方案制造的层的部分剖视图。
图14是图13的部分剖视俯视图。
具体实施方式
下面的具体实施方式实质上仅仅是示例性的并且不是要限制本发明或本发明的应用和用途。而且，不受上面的背景技术或下面的具体实施方式中提到的任何理论束缚。
这里对用于微型燃料电池的高能量密度燃料源和受控制的燃料传输进行描述。在多个室中，水存储在过分吸附的聚合物晶体中或者水凝胶材料中。有选择地“打开”每个室，那么水会移动并且与固体燃料混合，在低温和低速率下将氢提供给微型燃料电池。燃料密集且紧凑，因此是保存空间，并且水方便包裹用于长时间存储。在该应用中，对燃料(固体燃料源)的选择、以方便形式(吸附在聚合物中)并且包装在小型反应室的另一种反应物(其为水)进行描述，其中燃料和另一种反应物被受控制的阀隔开，当希望以安全缓慢的速率进行反应，以微型燃料电池所需要的1-3sccm速率产生氢气时，该阀打开。
最有希望的方法是氢存储在化学氢化物例如硼氢化钠或硼氢化锂等中，或者活性硅酸钠或其他金属与水的反应。活性金属与水的反应是非常剧烈的，它是快速释放很多热量的放热反应并且反应速率非常难控制。用于产生氢的硼氢化钠和水的反应在文献中是众所周知的。例如，由H.I.Schlesinger，Herbert C.Brown，A.E.Finholt，James R.Gilbreath，Henry R.Hoekstra和Earl K.Hyde，J.Am.Chem.Soc；1995；75(1)215-219的题为“Sodium Borohydride，Its hydrolysis and its use as areducing agent and in the generation of hydrogen”的文章描述了硼氢化钠与水的反应和各种催化剂的影响以及用于该反应的水的pH(酸添加到水中)。还已知通过硼氢化钠溶液与催化剂的反应产生氢。然而在该情况中因为使用稀释的燃料溶液而导致燃料的能量密度低。对于高能量密度燃料源的设计，理想地优选固体硼氢化钠(任选与催化剂混合)与水的反应。一产生氢，就将它提供给燃料电池发电。需要将硼氢化钠与水的反应控制到仅仅提供足够燃料电池反应的氢。为了实现电源的高能量密度，还希望燃料源(例如：与催化剂混合的硼氢化钠)与水完全反应以使燃料利用最大化并且增大整体系统效率。
参考图1，根据示例性实施方案的存储装置10包括第一行12和第二行14。第一行12包括多个室16并且第二行包括相同数量的多个室18，其中每个室16临近一个室18并且通过膜20与其隔开。膜20包括可以通过例如穿过其的电流的施加而破坏性地打开的材料。膜20可以包括例如热塑性材料。室16和18的其余侧优选包括塑料材料，但是可以包括任何轻质坚硬的材料，其将包含存储在其中的材料。
图2是根据示例性实施方案的混合电源21的透视图，具有燃料电池38(占据1cc)、存储装置10(4cc)、蓄电池23(3cc)和任选的超级电容器25(1cc，其中蓄电池23将占据2cc)，全部适应典型地用于蜂窝电话应用中使用的锂离子蓄电池的8cc体积。在图2中示出的构造中，六个电池27串联。每个电池的目标工作电压为0.7V，总输出电压为6×0.7V＝4.2V。如果总输出电流为0.125A，那么总目标功率输出为0.125A×4.2V＝0.525W。为了由燃料电池组产生125mA电流，需要的氢气的摩尔数为It/zF＝(0.125A×60sec)/(2*96487)＝3.89×10-5摩尔，
其中I＝电流，单位为安培，
t＝时间，单位为秒，
z＝参与反应的电子数(在该情况中为2)，以及
F＝法拉第常数(96485)，
或者H2流量为0.87sccm。如果燃料电池以50％的效率工作，那么需要1.74sccm的H2。
行12的每个室16具有一个或多个聚合物晶体22，例如其中存储有水的聚丙烯酰胺晶体。行14的每个室18中存储有燃料源24。燃料源优选包括固体燃料粒，该固体燃料粒包括硼氢化钠(NaBH4)粉末和催化剂氧化硼(B2O3)粉末的混合物，但是可以包括燃料和催化剂任何组合，其与水结合产生氢，例如硼氢化钠(NaBH4)和氯化钴(CoCl2)。虽然固体燃料粒是存储燃料源24的便利方法，但是燃料也可以以任何形式存储，包括粉末、凝胶或液体。而且，虽然燃料源优选存储在多个室18中，但是可替换的实施方案包括与多个室16连接的包含燃料源的单个室。
当一个室16中的膜20打开时(以此后描述的方式)，位于其中的聚合物晶体22中存储的水将移动并且与相邻室18中的燃料源24混合。NaBH4和B2O3的混合导致产生粉末硼氧化钠(NaBO2)和氢(H2)。
图3中示出了激活燃料电池装置中的存储装置10的一种方法的实施例。逻辑电路26包括多个导体301至30n，该多个导体的每两个或一个连接到每一个膜20上，其中穿过其施加的电流将打开两个室之间的阀，并且允许水与固体硼氢化钠燃料反应。该阀可以设计成电磁地、静电地或通过电阻方法破坏性地操作，例如，热熔化低熔点的阀材料而打开膜中的间隙。更具体地，当跨导体301和302布置电压时，电流将流经其间连接的膜20，从而“打开”膜。临近室18的导管32通过开口34接收通过燃料源和水的混合的化学反应产生的氢。导管将氢提供给燃料电池38。传感器42感知燃料电池38电流何时减少到阈值以下，从而逻辑电路26施加跨另一对导体例如301-30n的电压，以打开另一对室12和14之间的另一个膜20并且向燃料电池38提供附加的氢。
一种向固体燃料滴加水滴的之前已知方法导致了图4中示出的氢气流量50和温度52。在两百秒的时间内，在该已知实施例中温度52超过了80℃并且流量50在大约200标准立方厘米每分钟(sccm)处具有单个峰，其中“标准”是指0℃和760托。图5中示出了此处描述的示例性实施方案中的流量54和温度56的曲线图。在几个小时的时间内，温度56保持在31℃以下并且流量54通常保持在3.5sccm以下，并且通常更低。可以看到示例性实施方案控制燃料和水之间的反应速率，因此在低温下维持所需要的速率例如1.0至3.0sccm。在该示例性实施方案中，通过提供从聚合物晶体中吸附水的形式的水，水与硼氢化钠燃料粒的反应速率是扩散控制的，保持氢的稳定缓慢释放而没有过度产生热。对于设计成由人携带和设计成适应小体积的消耗装置来说，过高的温度是不想要的。使氢气产生速率与所需要的燃料电池消耗速率相当消除了氢泄露(安全危害)和氢气存储难的问题，直到它被燃料电池消耗。通过保持反应物隔离成很少的数量，消除了太多氢气的意外释放或产生过高的温度。示例性实施方案提供了仅在需要的时候启动燃料电池发电的灵活性。如果由燃料电池供电的电子设备处于待机模式并且不需要太多的功率，则不需要由燃料电池发电并且不需要产生氢气。在其他小室中的进一步燃料反应将被停止直到需要氢源为止。
图6-14示出了通过在硅、玻璃、陶瓷、塑料或柔性基板上进行半导体处理来制造微型燃料电池38的示例性方法，其可以利用上述示例性实施方案。参考图6，将钛的薄层114沉积在基板112上为接下来的金属化层提供粘附，并且还可以是电底板(用于I/O连接，电流跟踪(current trace))。层114的厚度可以为10-1000
Figure A200780015487D0012105846QIETU
，但是优选为100
Figure A200780015487D0012105846QIETU
。可以使用除了钛之外的金属，例如钽、钼、钨、铬。第一金属层116沉积在层114上以实现良好导电，并且优选是金，因为它是更适合于在燃料电池的工作期间见到的氧化还原气氛的贵金属。
参考图7，然后对金层116进行构图并且蚀刻，用于提供与此后描述的元件的接触(作为选择，可以使用剥离处理(lift off process))，并在其上沉积氧化物层118。第二金属层120，例如金沉积在层118上，构图和蚀刻，用于提供与此后描述的元件的接触。层116的厚度可以为100
Figure A200780015487D0012105846QIETU
-0.1微米，但是优选为1000
Figure A200780015487D0012105846QIETU
。用于第一和第二金属层的金属除了金之外，还可以包括例如铂、银、钯、钌、镍、铜。然后形成通孔115并且填充金属，以使金层116与介电层118的表面电接触。
在层116上沉积多金属层122，该多金属层122包括两种金属的合金，例如银/金、铜/银、镍/铜、铜/钴、镍/锌和镍/铁并且厚度为100-500μm，但是优选为200μm。然后湿法蚀刻多金属层118以除去一种金属，留下多孔材料。该多孔金属层还可以通过其他方法形成，例如模板自组装生长(templated self assembled growth)或溶胶-凝胶法。在层118上沉积介电层120，并在介电层120上用本领域公知的方法对抗蚀剂层122构图。
参考图8，在金属层120和氧化物层118上方的籽晶层(未示出)上沉积多金属层122，该多金属层122包括两种金属的合金，例如银/金、铜/银、镍/铜、铜/钴、镍/锌和镍/铁，并且厚度为100-500μm，但是优选为200μm。在多金属层122上沉积介电层124，并在介电层124上对抗蚀剂层122构图和蚀刻。
参考图9-10，利用化学蚀刻，除去未被抗蚀剂层126保护的介电层124。然后，在除去抗蚀剂层126之后，除去未被介电层124保护的多金属层122形成底座128，该底座128包括中心阳极129(里面部分)和同心的阴极130(外面部分)，阴极130包围阳极129并且通过空腔131与阳极129隔开。底座128的直径优选为10-100微米。作为选择，阳极129和阴极130可以通过模板方法同时形成。在该方法中，利用光致抗蚀剂或其他模板方法制造支柱，接着围绕支柱沉积多层金属形成图10中示出的结构。这里用到的同心是指具有共同中心的结构，但是阳极、空腔和阴极壁可以采用任何形式，不局限于圆环。例如，作为选择，底座128可以通过蚀刻正交沟槽形成。
然后通过粉刷涂覆(wash coat)或一些其他沉积方法例如CVD、PVD或电化学方法，使侧壁132涂覆有用于阳极和阴极燃料电池反应的电催化剂(图11)。然后蚀刻层114和116向下到基板112，在于电解质材料1340上形成覆盖层136(图12)和构图覆盖层136(图13)之前，在空腔131中放置电解质材料134。作为选择，电解质材料134可以包括例如全氟磺酸(
Figure A200780015487D00131
)、磷酸或离子液体电解质。全氟磺酸在室温下增湿时具有非常好的离子传导性(0.1S/cm)。电解质材料还可以是质子传导离子液体，例如磺酰基双三氟甲烷和咪唑的混合物、硝酸乙基铵、硝酸二甲基铵的硝酸甲基铵、硝酸乙基铵和咪唑的混合物、硫酸氢乙基铵和咪唑的混合物、氟代磺酸和三氟甲磺酸。在液体电解质的情况下，空腔需要被覆盖以防止电解质泄漏。
通过化学蚀刻(湿法或干法)法在基板112中形成通孔或空腔138。然后利用化学或物理蚀刻法，使通孔138延伸穿过层114和116到多金属层122。
图14示出了以参考图1-3中描述的方法制造的相邻燃料电池的俯视图。硅基板112或包含微型燃料电池的基板位于结构140上用于将氢传送到空腔138中。结构140可以包括形成在例如陶瓷材料中的一个空腔或一系列空腔(例如管或通道)。那么氢将进入位于空腔138上方的交替多金属层122中的氢部分142。因为部分142覆盖有介电层120，所以氢将停留在部分142中。氧化剂部分144通向周围空气，允许空气(包含氧)进入到氧化剂部分144。
在用电解质材料填充空腔134之后，其将形成阳极(氢供给)和阴极(吸气)区域之间的物理屏障。气体管线构建在底部封装基板中将氢气提供给全部阳极区域。因为它覆盖在顶部136上，所以它象是一端闭塞不通的阳极供给构造燃料电池。图1-3中描述的燃料源安装在燃料电池封装下面并且从源的H2气体出口与燃料电池的燃料入口连接。硼氢化钠燃料和水反应以希望的速率产生氢。在产生氢气之后，副产物NaBO2和聚合物晶体将留在可抛弃燃料罐中。需要时可以将新的燃料罐能够插入到电源中提供氢气。这里教导了燃料(固体燃料源)的选择和以方便形式(吸附在聚合物中)并包装在小型反应室的另一种反应物(水)，其中燃料和另一种反应物被受控制的阀隔开，当希望以安全缓慢的速率进行反应，以微型燃料电池所需要的1-3sccm速率产生氢气时，该阀打开。
虽然在前面具体实施方式中已经提出了至少一个示例性实施方案，但是应当理解存在大量变形。还应当理解该示例性实施方案或多个示例性实施方案仅仅是实施例，不是要以任何方式限制本发明的范围、应用或构造。相反，上述详细描述将为本领域技术人员提供方便的路线图来实现本发明的示例性实施方案，应当理解可以对在示例性实施方案中描述的元件的功能和设置上进行各种变化，而不脱离所附权利要求书中提出的本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于存储燃料源和水，以向燃料电池提供燃料的存储装置，该存储装置包括：
限定燃料源室和多个水室的外壳；
位于每个所述水室中的至少一个含水的聚合物晶体；
位于所述燃料源室中的固体燃料；
其中有选择地允许每个所述水室中的水移动到所述燃料源室中接触所述固体燃料，从而以所需要的流量和温度产生所述燃料；以及
将所述外壳中产生的所述燃料提供给所述燃料电池的导管。
2.根据权利要求1所述的存储装置，其中所述燃料源室包括多个燃料源室，并且其中所述固体燃料位于每个所述燃料源室中。
3.根据权利要求1所述的存储装置，其中所述固体燃料包括化学氢化物。
4.根据权利要求1所述的存储装置，其中所述固体燃料包括硼氢化钠。
5.根据权利要求4所述的存储装置，其中所述固体燃料还包括催化剂。
6.根据权利要求1所述的存储装置，进一步包括位于所述多个水室中的每一个和所述燃料室之间的阀。
7.根据权利要求6所述的存储装置，其中电磁地、静电地或通过电阻方法激活所述阀。
8.根据权利要求1所述的存储装置，进一步包括与每个所述阀连接的电导体。
9.根据权利要求1所述的存储装置，进一步包括与所述燃料电池连接的电路，该电路用于检测所述燃料电池的电输出是否超过了阈值，并且由此选择所述水室之一以向所述燃料源提供水。
10.一种燃料电池，包括：
存储装置，该存储装置包括：
限定多个水室和燃料源室的外壳；
位于每个所述水室中的至少一个含水的聚合物晶体；
位于所述燃料源室中的固体燃料；
其中有选择地允许每个所述水室中的水移动到所述燃料源室中接触固体燃料，从而以所需要的流量和温度产生燃料；以及
将所述外壳中产生的燃料提供给所述燃料电池的导管；
传感器，用于感知所述燃料电池的电输出何时超过阈值；以及
逻辑电路，响应所述阈值被超过而选择所述水室之一并且引起其中的水移动到所述燃料源。
11.根据权利要求10所述的存储装置，其中所述燃料源室包括多个燃料源室，并且其中所述固体燃料位于每个所述燃料源室中。
12.根据权利要求10所述的存储装置，其中所述固体燃料包括化学氢化物。
13.根据权利要求10所述的存储装置，其中所述固体燃料包括硼氢化钠。
14.根据权利要求13所述的存储装置，其中所述固体燃料还包括催化剂。
15.根据权利要求10所述的存储装置，进一步包括位于所述多个水室中的每一个和所述燃料室之间的阀。
16.根据权利要求15所述的存储装置，其中电磁地、静电地或通过电阻方法激活所述阀。
17.根据权利要求10所述的存储装置，进一步包括与每个所述阀连接的电导体。
18.根据权利要求10所述的存储装置，进一步包括与所述燃料电池连接的电路，该电路用于检测所述燃料电池的电输出是否超过了阈值，并且由此选择所述水室之一向所述燃料源提供水。
19.一种向燃料电池提供燃料的方法，包括：
感知所述燃料电池的电输出何时超过阈值；
选择包含至少一个含水的聚合物晶体的多个水室中的一个；
引起水从所述选择的水室移动到包括与催化剂混合的化学氢化物的燃料源；
由水和所述燃料源的混合产生燃料；
将燃料提供给所述燃料电池。
20.根据权利要求19所述的存储装置，其中所述燃料源存储在多个燃料源室中，且其中固体燃料位于每个所述燃料源室中，并且所述引起步骤包括引起来自所述选择的水室中的水移动到所述多个燃料源室之一。
21.根据权利要求19的存储装置，进一步包括：
检测所述燃料电池的电输出是否超过了阈值；以及
选择所述水室之一向所述燃料源提供水。
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