CN106549175B - 氧调节燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氧调节燃料电池。一种设备，包括：容器，具有包含限氧针孔的阵列的顶板和容纳化学氢化物燃料的腔室；燃料电池质子交换膜电极组件，被支撑在容器内在顶板和腔室之间；第—气体扩散层，被支撑在燃料电池质子交换膜电极组件和顶板之间；以及第二气体扩散层，被支撑在燃料电池质子交换膜电极组件和腔室之间。

Description

氧调节燃料电池
技术领域
本发明涉及氧调节燃料电池及相关方法的实施方式。
背景技术
当前用于便携式电子设备、诸如手持移动设备的电池，需要相当频繁的被充电。随着这类设备功能的增加，出现了增加的电力需求。电子设备所需的可移动性引发了对空间的限制，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电力需求的步伐。
微型燃料电池可以利用自氢气/空气质子电子膜燃料电池中回收的水蒸气，与水反应燃料诸如化学氢化物，通过水解反应产生氢。一种机构可以通过调节向燃料提供的水蒸气而被用来调节氢的生成速率。基于横跨膜的压力差，一膜型阀通常被用来通过膜来调节水的渗透。尽管针对基于相对较低功率密度的燃料电池的发电机而言这种基于膜的水调节方法是适用的，但这一方法倾向于采用曲折的水蒸气扩散路径，导致在逐步升高到更高的功率时使厚度和操作温度显著增加，从而对发电机的能量密度带来负面影响。
发明内容
一种设备，包括具有带有限氧针孔的阵列的顶板和容纳化学氢化物燃料的腔室的容器，被支撑在容器内的顶板和腔室之间的燃料电池质子交换膜电极组件，被支撑在燃料电池质子交换膜组件和顶板之间的第一气体扩散层，以及被支撑在燃料电池质子交换膜电极组件和腔室之间的第二气体扩散层。
一种替代设备，包括具有带有限氧针孔的阵列的顶板和容纳化学氢化物燃料的腔室的容器，以及被支撑在容器内的顶板和腔室之间的、且被定位于从针孔中接收氧气并从腔室中接收氢气的燃料电池膜电极组件。
一种方法，包括在发电机的容器中通过一个或多个针孔将燃料电池膜电极组件的阴极暴露于受限的氧气供应下，从含有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，使氧气和氢气发生反应产生电和水蒸气，以及将产生的水蒸气提供至化学氢化物使化学氢化物产生更多氢气。
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气流的发电机的框图的侧截面图。
图2是图1的发电机的顶板的顶视图，示出了根据一个示例性实施例的针孔阵列。
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。
图4是根据一个示例性实施例的具有针孔开口以及压力响应阀组件的发电机框图的侧截面图，所示的压力响应阀组件处于调节氧气气流的打开位置。
图5是根据一个示例性实施例的具有针孔开口以及压力响应阀组件的发电机框图的侧截面图，所示的压力响应阀组件处于调节氧气气流的关闭位置。
图6是图4的发电机的顶板的顶视图，示出了根据一个示例性实施例的针孔阵列和阀口。
具体实施方式
在以下说明中，参考了构成本文一部分的附图，可被实施的具体实施例通过图示在附图中被展示。这些实施例已得到足够详细地描述以使本领域的技术人员能够实施本发明，并且可以理解的是可以采用其他实施例，以及做出结构、逻辑和电气方面的变化而不脱离本发明的范围。因此，以下描述的示例性实施例将不应被视为具有限制的含义，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具有带有限氧针孔120的阵列的顶板115。该容器形成一个腔125以容纳化学氢化物燃料127。
燃料电池膜电极组件130被支撑在容器内的顶板115和腔室125之间。膜电极组件130包括在两侧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是图案化的。
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一侧上包括微多孔层。
限氧针孔120的阵列，在图2的顶板115的顶视图中示出，可调整其尺寸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，限氧针孔所具有的尺寸与向所选负载提供的平均功率、例如500mW的所设计的点相对应。该针孔也可以限制从环境气氛中向发电机提供的水蒸气的量，这可以实现在炎热和潮湿条件下减小发电机操作压力的附加效果，因为接触燃料的水减少了，限制了从燃料产生过量的氢气。在燃料电池质子交换膜电极组件130中氢与氧的化学反应产生的水蒸气被提供回燃料并足以保持使发电机产生的设计点的平均功率。
某些负载可以包括能量存储装置，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进行充电。负载可以将所存储的能量用于提供更高功率的脉冲，例如在负载是无线传感器的情况下发送感测的值。
在一些实施例中，燃料电池的反应每产生1摩尔水利用0.5摩尔的氢。在(环境)空气中O2的浓度为约20％，而水的浓度通常在1-2％的范围内，使得氧和水的比例为10至20X。给定这些参数时，顶板115中向阴极提供氧气的针孔大小和密度可针对已知平均功率水平而容易的被设计。在一个实施例中，针孔可以具有圆形横截面，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。对于各种温度和功率水平的示例性的孔的数量如下所示。
表1
Figure GDA0003477953440000031
表1：针对各种温度和功率水平，在0.006mil厚的顶板上0.003mil直径的孔的数量。
限氧针孔与环境大气相耦合，以实现暴露于氧气和水蒸气，并且其中限氧针孔限制从环境大气中回收的水蒸气，使氧气构成了由燃料电池质子交换膜产生的电的第一级调节器。在一个实施例中限氧针孔被配置以调节向燃料电池质子交换膜电极组件的阴极提供的氧气，以控制发电而不调节水蒸气。通过将针孔设置在顶板中，向相邻的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，提供了非常短的氧扩散路径。这也可以允许发电机具有相当薄的燃料电池部分，因为氧气、水蒸气或氢气气流的额外路径可被减少或消除。
在一个实施例中，阴极层连续地跨越具有均匀分布的针孔的发电机以向阴极层分配氧气。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的图案排列，以促进氧的分布。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氧气从针孔向阴极层的扩散。在其他实施例中，第一扩散层提供足够的氧分布。
在一个实施例中，穿孔支撑板150在第二扩散层140和底部腔室125之间被容器110支撑。穿孔支撑板150包含穿孔，以允许在该腔室125的燃料与相邻于质子交换膜阳极153侧的第二扩散层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于将燃料电池的各层粘附在一起，或这些层可以简单地在顶板115和支撑板150之间被支撑。在各种实施例中，容器和板可以由金属、聚合物、或者是与燃料电池、化学燃料和膜材料相兼容的其他材料来形成。
在又一实施例中，氢气压力释放阀155由容器支撑并位于所述腔室内，以当腔室中的压力超过一选定阈值时，提供压力释放路径，向外界环境泄出氢气。如果产生了超出燃料电池能够消耗的氢气，阀155可以打开以泄出氢气。环境条件或者较低的负载能量需求会使得产生出过量氢气，导致压力超出阀155的压力阈值。
在一个实施例中，腔室125可以填充有由颗粒过滤器165从燃料电池质子交换膜电极组件中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作生产氢气的燃料，例如A1H3、LiAlH4、LiH、NaAlH4，CaH2和NaH以及其他。包括Li的燃料可提供用于所需的回收的废燃料块，其在一些实施例中在发电机中是可以替换的。燃料可以以工程化的颗粒尺寸、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成型，并具有1至100μm范围内的颗粒尺寸。在一个实施例中，颗粒的尺寸可以在5-10μm之间。所述颗粒可以全部具有相同的尺寸，或者可以是在一个或多个上述范围具有不同的粒径范围。在一个实施例中，尺寸在上述范围之外的颗粒被限制，从而不对生成氢气的性能和燃料利用率带来不利影响。
在燃料盒中产生的氢气被输送到由箭头170所指示的燃料电池的阳极侧153，并在此被消耗，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，伴随着电能，燃料电池还产生了水蒸气和热量。一部分水蒸气会如箭头175所指示进一步返回到燃料盒，被用来产生更多的氢气。
图3是示出在顶板310中针孔位于300的一种替代排列的截面图。顶板310可包含暴露于外部环境的开口阵列，其中一个以315所示。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。开口315比针孔320具有更大的横截面。较大的横截面可以防止氧气路径结垢，结垢会在某些操作环境中带来问题，因为针孔是穿过顶板310一直延伸的。结垢的针孔会导致降低产生的功率，因为氧气气流会进一步受限。通过将针孔的长度减小到一个较低的距离，结垢的可能性会变小。
在进一步的实施例中，可以提供具有更多的行和列的针孔，并且可以分布成与所示的图案不同。虽然在一个实施例中，针孔以重复膜电极组件的图案为中心，但它们可以分散成不同的自身图案。在一些实施例中，多个针孔可以围绕各自重复膜电极组件的图案而分布。膜电极组件还可以由不同的图案组成，其并不必须要求均匀。在一个实施例中，选择出所有针孔的总横截面积，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具有带有限氧针孔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在容器内被支撑于顶板415和腔室425之间。第一气体扩散层435在燃料电池质子交换膜电极组件430和顶板415之间被支撑。第二气体扩散层440在燃料电池质子交换膜电极组件430和腔室425之间被支撑。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一侧包括微多孔层。
在一个实施例中，膜电极层430可为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，并位于每个针孔420之下以接收足以产生所附负载的平均功率需求的氧气。在负载需求增加期间，通过在顶板415上阀板450和阀口455的组合，可以提供额外的氧气以促进产生额外的能量。阀板450可以由能通过水蒸气但不能通过氢气和氧气的选择性渗透阀膜460支撑在膜电极组件之间。该阀膜保持阀板450与阀口455对齐以选择性地覆盖和打开开口。阀膜460柔性地响应于跨越阀膜460的压力变化来移动阀板450以覆盖或打开开口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的不同侧以及容器410的任选的侧面。
当由于负载使用的能量增加使得腔室425内的氢气消耗而导致腔室425的压力降低时，阀膜460从阀口455弯曲开，如图4所示，允许来自于外部环境的穿过阀口455的氧气和水蒸气气流增加。氧气流经顶板415和阀膜460之间由箭头470所指示的开放路径到达膜电极组件430。开放路径围绕每个阀板450延伸，向所述图案化的膜电极组件430提供自由流动的氧气。水蒸气如箭头475所指示流经阀膜到达腔室。水蒸气穿过阀膜460进入腔室425使得产生了更多的氢气。额外的氧气使膜电极组件430产生更多的能量，满足了负载的需求的增加。
当负载返回到它的平均消耗水平，腔室425中的压力增加，使阀膜460在阀口455的方向上弯曲，用阀板450覆盖阀口455，使针孔420提供的氧气气流速率返回。阀板450和阀口455的闭合位置如图5所示，其中沿用了图4的标号。
限氧针孔420的阵列，在图6中的顶板415的顶视图中示出，可调节其尺寸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，限氧针孔所具有的尺寸与向所选负载提供的平均功率、例如500mW的所设计的点相对应。该针孔也可以限制从环境气氛中向发电机提供的水蒸气的量，这可以实现在炎热和潮湿条件下减小发电机操作压力的附加效果，因为接触燃料的水减少了，限制了从燃料产生过量的氢气。在燃料电池质子交换膜电极组件430中氢与氧的化学反应产生的水蒸气被提供回燃料并足以使发电机产生设计点的平均功率。
图6还示出了在针孔420之间穿插的开口455阵列的阀口455。图6所示的例子可以是一个简化的示例实施例。在进一步的实施例中，可提供具有更多行和列的针孔和阀口，并且可以分布成与所示的图案不同。虽然在一个实施例中，针孔以重复膜电极组件的图案为中心，但它们自身可以分散成不同的图案。在一些实施例中，多个针孔可以围绕各自重复膜电极组件的图案而分布。膜电极组件还可以由不同的图案组成，其并不必须要求均匀。在一个实施例中，选择出所有针孔的总横截面积，以满足预期负载的平均功率需求，例如500mW的期望负载，而在选择打开以满足期望负载的峰值能量需求，例如1.5W时，由阀板和阀口提供总的最大氧气流速。
在一个实施例中，穿孔支撑板480在第二扩散层453和底部腔室425之间被容器410支撑。穿孔支撑板480包含穿孔，以允许在该腔室425的燃料与相邻于质子交换膜阳极440侧的第二扩散层453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于将燃料电池的各层粘附在一起，或这些层可以简单地在顶板415和支撑板480之间被支撑。
在又一实施例中，氢气压力释放阀485由容器410支撑并位于腔室425内，以当腔室425中的压力超过一选定阈值时，提供压力释放路径，向外界环境泄出氢气。如果产生了超出燃料电池能够消耗的氢气，阀485可以打开以泄出氢气。环境条件或者较低的负载能量需求会使得产生出过量氢气，导致压力超出阀485的压力阈值。
实施例
1.一种设备，包括：
容器，该容器具有带有限氧针孔的阵列的顶板和容纳化学氢化物燃料的腔室；
燃料电池质子交换膜电极组件，该燃料电池膜电极组件被支撑在容器内的顶板和腔室之间；
第一气体扩散层，该第一气体扩散层被支撑在燃料电池质子交换膜电极组件和顶板之间；以及
第二气体扩散层，该第二气体扩散层被支撑在燃料电池质子交换膜电极组件和腔室之间。
2.一种如实施例1的设备，其中限氧针孔阵列的尺寸被调整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。
3.一种如实施例2的设备，其中限氧针孔具有对应于所选负载平均功率的大小。
4.一种如实施例3的设备，其中限氧针孔与环境大气耦合以实现暴露于氧气和水蒸气中，并且其中限氧针孔限制了从周围环境中回收的水蒸气，从而使氧气成为对由燃料电池质子交换膜产生电力的首要调节项。
5.一种如实施例1-4任一的设备，其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氧气，从而不对水蒸气进行调节地控制电力的产生。
6.一种如实施例1-5任一的设备，进一步包括穿孔支撑板，该穿孔支撑板被容器支撑在第二扩散层和底部的腔室之间。
7.一种如实施例1-6任一的设备，进一步在腔室内包含由容器支撑的氢气压力释放阀。
8.一种如实施例1-7任一的设备，其中腔室内包含通过颗粒过滤器从燃料电池膜电极组件中分离的化学氢化物燃料。
9.一种如实施例1-8任一的设备，其中燃料电池质子交换膜电极组件包括与第二气体扩散层相邻的阳极层，以及与第一气体扩散层相邻的阴极层。
10.一种如实施例1-9任一的设备，其中燃料电池质子交换膜电极组件包括与第一气体扩散层相邻的阴极层，使得针孔穿过第一气体扩散层向阴极层提供受限的氧气供应。
11.一种设备，包括：
容器，该容器具有带有限氧针孔阵列的顶板以及容纳化学氢化物燃料的腔室；以及
燃料电池膜电极组件，该燃料电池膜电极组件被支撑在容器内的顶板和腔室之间，被定位于从针孔中接收氧气并从腔室中接收氢气。
12.一种如实施例11的设备，其中限氧针孔阵列的尺寸被调整以限制向燃料电池膜电极组件的阴极供应的氧气。
13.一种如实施例12的设备，其中限氧针孔具有与所选负载平均功率相对应的尺寸
14.一种如实施例13的设备，其中限氧针孔与环境大气耦合以实现暴露于氧气和水蒸气中，并且其中限氧针孔限制了从周围环境中回收的水蒸气，从而使氧气成为对通过燃料电池膜电极组件产生电力的首要调节项。
15.一种如实施例11-14任一的设备，其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氧气，从而不对水蒸气进行调节地控制电力的产生。
16.一种如实施例11-15任一的设备，其中腔室内包含通过颗粒过滤器从燃料电池膜电极组件中分离的化学氢化物燃料。
17.一种如实施例11-16任一的设备，其中膜电极组件包括与针孔相邻的阴极层，使得穿过第一气体扩散层向阴极层提供受限的氧气供应。
18.一种方法，包括：
在发电机的容器中将燃料电池膜电极组件的阴极通过一个或多个针孔暴露于受限的氧气供应下；
从含有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；
使氧气和氢气发生反应产生电和水蒸气；以及
将产生的水蒸气提供至化学氢化物使化学氢化物产生更多氢气。
19.一种实施例18的方法，其中一个或多个针孔的尺寸被调整从而提供一定量的氧气使得燃料电池膜电极组件提供预选的被负载消耗的平均能量。
20.一种实施例18-19任一的方法，进一步包含通过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，但可能存在其它的修改。例如，在附图中描述的逻辑流程不要求所示的特定顺序或连续顺序，才能达到期望的结果。可以提供其他步骤，或者步骤可以从所描述的流程中被省略，并且在所描述的系统中可添加或移除其它组件。可存在处于以下权利要求的范围之内的其他实施例。

Claims (10)

1.一种设备(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)和容纳化学氢化物燃料(127，427)的腔室(125，425)，限氧针孔(120，320，420)中的每一个提供至环境大气的直接路径，以提供短的氧气扩散路径；以及
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(130，430)，被定位于从限氧针孔(120，320，420)接收氧气并从腔室(125，425)接收氢气，限氧针孔(120，320，420)的阵列被配置为将燃料电池膜电极组件(130，430)的阴极暴露于受限供应的氧气以限制由燃料电池膜电极组件(130，430)所生成的平均功率，其中限氧针孔(120，320，420)限制了从环境大气回收的水蒸气，使得氧气是由燃料电池膜电极组件(130，430)生成的电的主要调节器。
2.权利要求1的设备(100，400)，其中限氧针孔(120，320，420)的阵列被调整大小以根据所选负载的平均功率向燃料电池膜电极组件(130，430)的阴极(145，445)提供受限供应的氧气。
3.权利要求2的设备(100，400)，其中，限氧针孔(120，320，420)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了从环境大气回收的水蒸气，使得氧气是由燃料电池膜电极组件(130，430)生成的电的主要调节器。
4.权利要求1的设备(100，400)，其中限氧针孔(120，320，420)被配置为调节向燃料电池膜电极组件(130，430)的阴极(145，445)提供的氧气，以在不调节水蒸气的情况下控制所生成的电。
5.权利要求1-4中的任一个的设备(100，400)，其中燃料电池膜电极组件(130，430)还包括：
第一气体扩散层(135，435)，被支撑在燃料电池膜电极组件(130，430)和顶板(115，415)之间；以及
第二气体扩散层(140，440)，被支撑在燃料电池膜电极组件和腔室(125，425)之间。
6.权利要求5的设备(100，400)，其中腔室(125，425)包括通过颗粒过滤器与燃料电池膜电极组件(130，430)分离的化学氢化物燃料(127，427)。
7.权利要求5的设备(100，400)，其中，燃料电池膜电极组件(130，430)包括：
与第二气体扩散层(140，440)相邻的阳极层以及与第一气体扩散层(135，435)相邻的阴极(145，445)层；
阴极(145，445)层，与第一气体扩散层(135，435)相邻，使得限氧针孔(120，320，420)穿过第一气体扩散层(135，435)向阴极(145，445)层提供受限供应的氧气；以及
穿孔支撑板(150，480)，被容器(110，410)支撑在第二气体扩散层(140，440)和腔室(125，425)之间。
8.一种方法，包括：
经由在发电机的容器中的一个或多个限氧针孔(120，320，420)将燃料电池膜电极组件(130，430)的阴极(145，445)暴露于受限供应的氧气，以限制由燃料电池膜电极组件(130，430)所生成的平均功率，其中限氧针孔(120，320，420)限制了从环境大气回收的水蒸气，使得氧气是由燃料电池膜电极组件(130，430)生成的电的主要调节器，限氧针孔(120，320，420)中的每一个提供至环境大气的直接路径，以提供短的氧气扩散路径；
从包含化学氢化物的腔室(125，425)向燃料电池膜电极组件(130，430)的阳极提供氢气；
使氧气和氢气发生反应以产生电和水蒸气；以及
将水蒸气提供至化学氢化物使化学氢化物生成更多氢气。
9.权利要求8的方法，其中一个或多个限氧针孔(120，320，420)被调整大小以提供一定量的氧气使得燃料电池膜电极组件(130，430)提供由负载消耗的所选平均能量。
10.权利要求8-9中的任一个的方法，并且进一步包括经由释放阀释放腔室(125，425)中的过量的氢气压力。
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