CN106549174B - 具有阀的氧调节燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有阀的氧调节燃料电池。一种设备(100，400)，包括：容器(110，410)，具有包含限氧针孔(120，320，420)的阵列的顶板(115，415)和用于容纳化学氢化物燃料的腔室(125，425)；被支撑在容器(110，410)内在顶板(115，415)和腔室(125，425)之间的燃料电池膜电极组件(430)，被定位于从针孔(120，320，420)接收氧气并从腔室(125，425)接收氢气；以及阀组件(445，450，455)，被定位为响应于腔室(125，425)中的氢气压力而调节向燃料电池质子交换膜电极组件(430)的附加的氧气流量。

Description

具有阀的氧调节燃料电池
背景技术
当前用于诸如手持移动设备的便携式电子设备的电池需要相当频繁的被 充电。随着这类设备的越来越多功能，出现了越来越高的功率需求。电子设备 所需的便携性导致空间限制，进一步增加了对电池性能的要求。现有电池的能 量密度正显示出不足以跟上便携式电子设备的功率需求。
微型燃料电池可以利用从氢/空气质子电子膜燃料电池中回收的水蒸气 经由与诸如化学氢化物的水反应燃料的水解反应生成氢气。一种机构可以被用 来通过调节向燃料提供的水蒸气调节氢气的生成速率。膜型阀已被通常使用以 基于跨膜的压力差而调节水穿过膜的渗透。尽管这种基于膜的水调节方法适用 于基于相对较低功率密度的燃料电池的发电机，但这种方法倾向于使用针对水 蒸气的曲折扩散路径，从而导致在厚度或操作温度方面显著增加以升高到更高 功率，负面影响发电机能量密度。
发明内容
一种设备，包括：容器，具有包含限氧(oxygen limiting)针孔的阵列的 顶板和用于容纳化学氢化物燃料的腔室；被支撑在容器内在顶板和腔室之间的 燃料电池膜电极组件，被定位于从针孔接收氧气并从腔室中接收氢气；以及阀 组件，被定位为响应于腔室中的氢气压力而调节向燃料电池质子交换膜电极组 件的附加的氧气流量。
一种替代设备，包括：容器，具有包含阀口和限氧针孔的阵列的顶板， 腔室进一步包括用于容纳化学氢化物燃料的腔室；被支撑在容器内在顶板和腔 室之间的燃料电池膜电极组件，被定位于从针孔接收氧气并从腔室接收氢气； 以及柔性阀膜，具有被定位为响应于腔室中的氢气压力而打开和关闭阀板中的 阀口的阀板。
一种方法，包括：将燃料电池膜电极组件的阴极经由发电机容器中的一 个或多个针孔暴露于受限供应的氧气；从包含化学氢化物的腔室向燃料电池膜 电极组件的阳极提供氢气；经由阀响应于腔室中的压力向阴极提供附加的氧气； 使氧气和氢气发生反应以产生电和水蒸气；以及将生成的水蒸气提供至化学氢 化物使化学氢化物生成更多氢气。
附图说明
图1是根据一个示例性实施例的具有针孔开口来调节氧气流量的发电机 的框图的侧截面。
图2是图示了根据一个示例性实施例的针孔阵列的图2的发电机的顶板 的顶视图。
图3是根据一个示例性实施例的具有针孔的顶板开口的框图的截面。
图4是根据一个示例性实施例的具有以用于调节氧气流量的打开位置图 示的压力响应阀组件以及针孔开口的发电机框图的侧截面。
图5是根据一个示例性实施例的具有以用于调节氧气流量的闭合位置图 示的压力响应阀组件以及针孔开口的发电机框图的侧截面。
图6是图示了根据一个示例性实施例的阀口和针孔的阵列的图4的发电 机的顶板的顶视图。
具体实施方式
在以下描述中，参考了形成本文一部分的附图，并且在附图中通过图示 的方式示出了可以被实践的特定实施例。这些实施例被描述得足够详细以使本 领域的技术人员能够实践本发明，并且要理解的是可以利用其他实施例，以及 做出结构、逻辑和电气的改变而不脱离本发明的范围。因此，示例性实施例的 以下描述不应以限制的含义进行理解，并且本发明的范围由所附权利要求所限 定。
图1是发电机100的框图的截面图。发电机100可包括容器110，该容器 110具有包含限氧针孔120的阵列的顶板115。该容器形成腔室125以容纳化学 氢化物燃料127。
燃料电池膜电极组件130被支撑在容器内在顶板115和腔室125之间。 膜电极组件130包括在两侧上涂覆有催化剂电极的质子交换膜，该催化剂电极 在各种实施例中可以被图案化。
第一气体扩散层135被支撑于燃料电池质子交换膜电极组件130和顶板 115之间。第二气体扩散层140被支撑于膜电极组件130和腔室125之间。气体 扩散层可以包括多孔碳纤维或碳纸，并且可以在面向膜电极组件的侧上包括微 多孔层。
在图2中的顶板115的顶视图中示出的限氧针孔120的阵列可被调整大 小以限制向燃料电池质子交换膜电极组件130的阴极侧145供应的氧气。在一 个实施例中，限氧针孔具有与用于提供所选负载的平均功率(诸如例如，500mW) 的设计点对应的大小。针孔也可以限制从环境气氛向发电机提供的水蒸气的量， 这可以具有在热且潮湿条件下减小发电机操作压力的额外好处，因为更少的水 达到燃料，从而限制了从燃料过量产生氢气。在燃料电池质子交换膜电极组件 130处通过氢气与氧气的化学反应产生的水蒸气被提供回到燃料并足以保持发 电机生成设计点的平均功率。
一些负载可以包括能量存储装置，诸如超级电容器或可再充电电池，其 可利用由发电机提供的平均功率被充电。负载可以将所存储的能量用于诸如在 负载是无线传感器的情况下传输感测的值时提供更高功率的脉冲。
在一些实施例中，燃料电池反应每摩尔所产生的水利用0.5摩尔的氢气。 在(环境)空气中的O2浓度是近似20％，并且水浓度的范围通常从1-2％，从 而导致氧与水的比例为10至20X。在给定这些参数的情况下，顶板115中的向 阴极提供氧气的针孔的大小和密度可针对已知平均功率水平而被容易地设计。 在一个实施例中，针孔可以具有圆形截面，或者可以是任何所需的形状，并且 可以通过激光切割、冲压、铸造或其它手段来形成。针对各种温度和功率水平 的示例性的孔的数量被示出在以下表1中：
Figure BSA0000134164250000031
表1：针对各种温度和功率水平的在0.006mil厚的顶板中的0.003mil直径的孔 的数量。
限氧针孔与环境大气耦合，以获得暴露于氧气和水蒸气，并且其中限氧 针孔限制从环境大气回收的水蒸气，使得氧气是由燃料电池质子交换膜所生成 的电的主要调节器。在一个实施例中，限氧针孔被配置为调节向燃料电池质子 交换膜电极组件的阴极提供的氧气，以在不调节水蒸气的情况下控制生成的电。 通过将针孔放置在顶板中，相邻第一气体扩散层与燃料电池质子交换膜电极组 件的阴极侧，提供非常短的氧扩散路径。这也可以允许使发电机的燃料电池部 分相当薄，因为针对氧气、水蒸气或氢气的流量的附加路径可被减少或消除。
在一个实施例中，阴极层连续跨发电机，其中针孔被均匀定位以向阴极 层分布氧气。在图案化的阴极层的情况下，针孔可以对准或集中于每个阴极图 案之上，以促进氧气分布。在一些实施例中，顶板可包含与第一扩散层相邻的 从针孔延伸的通道以帮助从针孔向阴极层分布氧气。在其他实施例中，第一扩 散层提供足够的氧气分布。
在一个实施例中，穿孔支撑板150被容器110支撑在第二扩散层140和底部腔室125之间。穿孔支撑板150包含穿孔，以允许在腔室125中的燃料与相邻于质子交换膜的阳极侧153的第二扩散层140之间氢气和水蒸气不受限制的流动。在一些实施例中，合适的粘合剂可被用来将各种燃料电池层粘附在一起，或这些层可以简单地被支撑在顶板115和支撑板150之间。在各种实施例中，容器和板可以由金属、聚合物或者与燃料电池、化学燃料和膜材料兼容的其他材料形成。
在另一实施例中，氢气压力释放阀155由容器支撑并位于腔室中，以当 腔室内的压力超过一选定阈值时提供向环境的压力释放路径来排出氢气。如果 产生比燃料电池能够消耗的更多的氢气，则阀155可以打开以排出氢气。环境 条件或者较低的负载能量需求可贡献于产生过量氢气，从而导致超出阀155的 压力阈值的压力。
在一个实施例中，腔室125可以填充有通过颗粒过滤器165与燃料电池 质子交换膜电极组件分离的化学氢化物燃料127。在各种实施例中，许多不同的 化学氢化物可以被用于产生氢气的燃料，诸如例如A1H3、LiAlH4、LiH、NaAlH4、 CaH2和NaH以及其它。包括Li的燃料可提供所期望的废燃料块的回收，废燃 料块在一些实施例中在发电机中是可替换的。燃料可以以工程化的颗粒大小、 分布和受控密度来形成。例如，燃料可以在液压机中用模具来形成，并包含1 至100μm的范围内的颗粒大小。在一个实施例中，颗粒的大小可以在5至10 μm之间。颗粒可以全部是相同大小的，或者可以在一个或多个上述范围内具 有不同的颗粒大小范围。在一个实施例中，在上述范围之外的颗粒大小被限制， 从而不对燃料的氢气生成和利用的性能带来不利影响。
在燃料盒中生成的氢气被输送到(由箭头170所指示)的燃料电池，并 在燃料电池的阳极侧153被消耗，而穿过针孔的环境气流中的氧气在燃料电池 质子交换膜电极组件130的阴极侧145被消耗。当氢气和氧气反应时，燃料电 池产生了水蒸气和热量以及电。一些水蒸气可如箭头175所指示的那样前进回 到燃料盒以供生成更多的氢气之用。
图3是在顶板310中以300图示替代针孔布置的截面。顶板310可包含 暴露于环境的开口阵列，开口中的一个以315指示。开口315部分地穿过顶板 延伸。可以在一个或多个开口315的底部形成针孔320。开口315具有比针孔 320更大的截面。较大的截面可在防止氧气路径的结垢中有用，结垢可能在一些 操作环境中针对针孔穿过顶板310一直延伸是有问题的。结垢的针孔将会导致 降低功率生成，因为氧气流量将会进一步受限。通过将针孔的长度减小到较低 距离，结垢的可能性较小。
在进一步的实施例中，更多的行和列的针孔可以被提供并且可以以与所 示的图案不同的图案来分布。虽然在一个实施例中，针孔集中于膜电极组件的 重复图案，但它们自身可以分散在不同的图案中。在一些实施例中，多个针孔 可以围绕膜电极组件的每个重复图案来分布。膜电极组件还可以由不同的图案 形成，不同的图案不需要是均匀的。在一个实施例中，选择出所有针孔的总截 面面积，以满足预期负载的平均功率需求。
图4是发电机400的框图的截面图。发电机400可包括容器410，该容 器410具有包含限氧针孔420阵列的顶板415。该容器形成腔室425以容纳化学 氢化物燃料427。
燃料电池质子交换膜电极组件430被支撑在容器内在顶板415和腔室425 之间。第一气体扩散层435被支撑在燃料电池质子交换膜电极组件430和顶板 415之间。第二气体扩散层440被支撑在燃料电池质子交换膜电极组件430和腔 室425之间。气体扩散层可以包括多孔碳纤维或碳纸，并且可以在面向膜电极 组件的侧上包括微多孔层。
在一个实施例中，膜电极层430可能完全催化或选择性地图案化。在一 个实施例中，膜电极层430被图案化，并被定位在每个针孔420之下以接收足 够的氧气来生成所附负载的平均能量需求。用于在负载的增加需要期间促进生 成附加能量用于负载的附加氧气可以经由在顶板415中的阀口455和阀板450 的组合来提供。阀板450可以由可渗透水蒸气但不可渗透氢气和氧气的选择性 可渗透阀膜460支撑在膜电极组件之间。阀膜保持阀板450与阀口455对齐以 选择性地覆盖和打开开口。阀膜460响应于跨阀膜460的压力差而弯曲，以移 动阀板450来覆盖或打开开口455。在一个实施例中，阀膜460可被耦合到图案 化的膜电极组件430的各种侧并且可选地耦合到容器410的侧。
当腔室425中的压力由于引起来自腔室425的氢气消耗的由负载进行的 增加的能量使用而降低时，阀膜460离开阀口455而弯曲，如图4所示，从而 允许来自于环境的氧气和水蒸气穿过阀口455的流量增加。氧气流经顶板415 和阀膜460之间的开放路径到膜电极组件430，如由箭头470所指示的。开放路 径围绕每个阀板450延伸，从而向图案化的膜电极组件430提供自由流动的氧 气。水蒸气如由箭头475所指示的那样流经阀膜到腔室。水蒸气穿过阀膜460 进入腔室425，从而导致更多的氢气被产生。附加氧气允许膜电极组件430产生更多的能量，从而满足了负载的增加的需求。
当负载返回到它的平均消耗水平时，腔室425中的压力增加，从而使阀 膜460在阀口455的方向上弯曲，用阀板450覆盖阀口455，这使氧气流量速率 返回到针孔420提供的氧气流量速率。阀板450和阀口455的闭合位置被图示 在图5中，其中编号与图4一致。
在图6中的顶板415的顶视图中示出的限氧针孔420的阵列可被调整大 小以限制供应到燃料电池质子交换膜电极组件430的阴极侧445的氧气。在一 个实施例中，限氧针孔具有与用于提供所选负载的平均功率(诸如例如，500mW) 的设计点对应的大小。该针孔也可以限制从环境气氛向发电机提供的水蒸气的 量，这可以具有在热且潮湿条件下减小发电机操作压力的额外好处，因为更少 的水达到燃料，从而限制了从燃料过量产生氢气。在燃料电池质子交换膜电极 组件130处氢气与氧气的化学反应产生的水蒸气被提供回到燃料并足以保持发 电机生成设计点的平均功率。
图6还图示了作为在针孔420之间散布的开口455的阵列的阀口455。 图6所示的示例可以是一个简化的示例性实施例。在进一步的实施例中，更多 行和列的针孔和阀口可被提供并且可以以所示的图案不同的图案分布。虽然在 一个实施例中，针孔集中于膜电极组件的重复图案，但它们自身可以分散在不 同的图案中。在一些实施例中，多个针孔可以围绕膜电极组件的每个重复图案 而分布。膜电极组件还可以由不同的图案形成，不同的图案不需要均匀。在一 个实施例中，选择所有针孔的总截面面积，以满足预期负载的平均功率需求诸 如500mW，而在选择打开以满足预期负载的峰值能量需求诸如1.5W时，由阀 板和阀口提供总最大氧气流量速率。
在一个实施例中，穿孔支撑板480被容器410支撑在第二扩散层453和 底部腔室425之间。穿孔支撑板480包含穿孔，以允许在腔室425中的燃料与 相邻于质子交换膜的阳极440侧的第二扩散层453之间的氢气和水蒸气的不受 限制流动。在一些实施例中，合适的粘合剂可被用来将各种燃料电池层粘附在 一起，或这些层可以简单地被支撑在顶板415和支撑板480之间。
在另一实施例中，氢气压力释放阀485由容器410支撑并位于腔室425 中，以当腔室425内的压力超过一选定阈值时提供向环境的压力释放路径来排 出氢气。如果产生了比燃料电池能够消耗的更多的氢气，则阀485可以打开以 排出氢气。环境条件或者较低的负载能量需求可贡献于产生过量氢气，从而导 致超出阀485的压力阈值的压力。
示例
1.一种设备，包括：
容器，具有包含限氧针孔的阵列的顶板和用于容纳化学氢化物燃料的腔室；
被支撑在容器内在顶板和腔室之间的燃料电池膜电极组件，被定位于从针孔 接收氧气并从腔室接收氢气；以及
阀组件，被定位为响应于腔室中的氢气压力而调节流向燃料电池质子交换膜 电极组件的附加的氧气流量。
2.示例1的设备，其中限氧针孔阵列被调整大小以限制向燃料电池质子交 换膜电极组件的阴极供应的氧气，并具有对应于所选负载的平均功率的大小。
3.示例1-2中任一个的设备，其中，阀组件包括：
柔性、选择性可渗透膜，与膜电极组件耦合；
穿过顶板的阀口；以及
阀板，由选择性可渗透膜支撑，以随膜移动从而响应于腔室中的氢气压力选 择性打开和关闭阀口。
4.示例3的设备，其中选择性可渗透膜可渗透水蒸气。
5.示例4的设备，其中选择性可渗透膜不可渗透氢气和氧气。
6.示例3-5中任一个的设备，其中阀组件包括定位相邻于燃料电池膜电极 组件的选择性可渗透膜、阀口和阀板的阵列，其中燃料电池膜电极组件被图案 化成具有对应于阀组件阵列的开口。
7.示例6的设备，其中阀组件被配置成提供足够的氧气来满足所选负载的 峰值需求。
8.示例7的设备，其中阀口比针孔大。
9.示例1-8中任一个的设备，并且进一步在腔室中包括由容器支撑的氢气 压力释放阀。
10.示例1-9中任一个的设备，其中腔室包括通过颗粒过滤器与燃料电池 膜电极组件分离的化学氢化物燃料。
11.一种设备，包括：
容器，具有包含阀口和限氧针孔的阵列的顶板，该容器还包括用于容纳化学 氢化物燃料的腔室；
被支撑在容器内在顶板和腔室之间的燃料电池膜电极组件，被定位于从针孔 接收氧气并从腔室接收氢气；以及
柔性阀膜，具有被定位为响应于腔室中的氢气压力而打开和关闭阀板中的阀 口的阀板。
12.示例11的设备，其中柔性阀膜被定位为允许氧气从阀口到燃料电池膜 电极组件的阴极侧。
13.示例12的设备，其中柔性阀膜是可渗透水蒸气并且不可渗透氢气和氧 气的选择性可渗透膜。
14.示例13的设备，其中燃料电池膜电极组件被图案化为具有对应于阀膜 和板的开口。
15.示例11-14中任一个的设备，其中阀口比针孔大。
16.示例11-15中任一个的设备，并且进一步在腔室中包括由容器支撑的 氢气压力释放阀。
17.示例11-16中任一个的设备，其中腔室包括通过颗粒过滤器与燃料电 池膜电极组件分离的化学氢化物燃料。
18.一种方法，包括：
将燃料电池膜电极组件的阴极经由发电机的容器中的一个或多个针孔暴露 于受限供应的氧气；
从包含化学氢化物的腔室向燃料电池膜电极组件的阳极提供氢气；
经由阀响应于腔室中的压力向阴极提供附加氧气；
使氧气和氢气发生反应以产生电和水蒸气；以及
将生成的水蒸气提供至化学氢化物使化学氢化物生成更多氢气。
19.示例18的方法，并且进一步包括经由阀响应于腔室中的压力向化学氢 化物提供附加的水蒸气。
20.示例18-19中任一个的方法，并且进一步包括经由释放阀释放腔室中 的过量的氢气压力。
虽然已经在上面详细地描述了几个实施例，但其它的修改是可能的。例 如，在附图中描绘的逻辑流程不要求所示的特定顺序或连续顺序，以实现所期 望的结果。可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程省略步骤，并且可添 加其它组件到所描述的系统或从所描述的系统移除其它组件。其他实施例可在 所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种发电机，包括：
容器，具有包含限氧针孔（420）的阵列的顶板（415）和用于容纳化学氢化物燃料（427）的腔室；
被支撑在容器内在顶板（415）和腔室之间的燃料电池质子交换膜电极组件（430），所述燃料电池质子交换膜电极组件被定位为在燃料电池质子交换膜电极组件（430）的阴极处从针孔（420）接收氧气并在燃料电池质子交换膜电极组件（430）的阳极处从腔室接收氢气；以及
阀组件，包括具有阀板（450）的柔性阀膜（460），所述阀板（450）被定位为打开和关闭顶板（415）中的阀口（455）以响应于腔室中的氢气压力而调节向燃料电池质子交换膜电极组件（430）的阴极的附加的氧气流量。
2.权利要求1所述的发电机，其中限氧针孔（420）的阵列被调整大小以向燃料电池质子交换膜电极组件（430）的阴极提供供应受限制的氧气，并具有对应于所选负载的平均功率的大小。
3.权利要求1所述的发电机，其中柔性阀膜可渗透水蒸气并且不可渗透氢气和氧气。
4.权利要求1所述的发电机，其中阀组件包括定位相邻于燃料电池膜电极组件（430）的柔性阀膜、阀口和阀板（450）的阵列，其中燃料电池膜电极组件（430）被图案化成具有对应于阀组件阵列的开口。
5.权利要求4所述的发电机，其中阀组件被配置成提供足够的氧气来满足所选负载的峰值需求。
6.权利要求1-5中任一个所述的发电机，并且进一步在腔室中包括由容器支撑的氢气压力释放阀。
7.一种用于发电机的方法，包括：
将燃料电池膜电极组件的阴极经由在发电机容器中的一个或多个针孔（420）暴露于受限供应的氧气；
从包含化学氢化物（127，427）的腔室向燃料电池膜电极组件的阳极提供氢气；
经由阀组件响应于腔室中的氢气压力向阴极提供附加的氧气，所述阀组件包括具有阀板（450）的柔性阀膜（460），所述阀板（450）被定位为打开和关闭顶板（415）中的阀口（455）；
使氧气和氢气发生反应以产生电和水蒸气；以及
将生成的水蒸气提供至化学氢化物（127，427）使化学氢化物（127，427）生成更多氢气。
8.权利要求7所述的方法，并且进一步包括经由阀组件响应于腔室中的压力向化学氢化物（127，427）提供附加的水蒸气。
9.权利要求7-8中任一个所述的方法，并且进一步包括经由释放阀释放腔室中的过量的氢气压力。
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