CN1294671C - 包括能通过两个反应物之一的微容积的微型燃料电池基本组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微型燃料电池基本组件，包括能通过两个反应物之一的微容积。本发明的基本组件具有一个与它的相对微小的球形表面面积对照的大功能性表面面积。它主要由多个安装在下板(1)、上板(2)和侧板(3)之间的封闭空间内的微容积(10，110)组成。每一个微容积覆盖有一层形成薄膜/电极基本元件的膜。第一反应物通过微容积(10，110)内部的循环是可行的，而通过微容积(10，110)内部的第二反应物的循环是可行的。在微容积(10，110)之间的空间可以填充多孔材料以加强组件。本发明适用于小型燃料电池。
Description
技术领域
本发明涉及微型燃料电池领域，虽然它也能适用于中功率的燃料电池。特别是，它涉及形成燃料电池的小型微型系统或组件，该燃料电池被用作便携式微型电源。本发明还同样适用于用氢/氧对启动的被称为PEMFC(质子交换膜燃料电池)的离子交换膜电池，以及使用甲醇/氧对的被称为DMFC(直接甲醇燃料电池)的电池。
背景技术
燃料电池是电化学电池，通常包括一堆产生电能的级(stages)。每一级包括均放置在不同的电解质的一侧的阳极和阴极，电解质通常包括一个薄膜。不同的反应物，即燃料和氧化剂，到达这两个电极的外表面。这些反应物通过电解质产生化学反应，于是可能在这两个电极的末端产生(take off)电压。
对于中功率燃料电池，通过压制两个构造(fabric)电极和一个质子导电薄膜得到的电极/薄膜/电极组件，一个“过滤/压制”型组件经常被用于结合两极的石墨板或者不锈钢板。然而，关于小型电池和微型电池(0.5至50W)的生产，可能使用发展的新结构和工艺，特别是使用微电子技术。
几个已知的基本组件结构中使用了薄板的多孔硅，在该板上淀积有导电材料，然后是催化剂和薄膜，接着又是催化剂和导电材料以形成电极/薄膜/电极组件。
此外，在劳伦斯利佛摩尔国家实验室的一个小组已经生产出一种使用硅衬底的微型燃料电池基本组件。第一步是在充当电子集电器的硅衬底上淀积一薄的镍金属层，然后是催化剂和质子导体。然后通过化学蚀刻，镍被打孔以使催化剂和还原剂接触。
最后，国际专利WO97/11503和美国专利US5759712描述了一种燃料电池结构，这些电池的操作是基于使用充满质子导体的多微孔材料做为微型燃料电池组件的中心区域。其它形成燃料电池的材料通过通常的真空淀积工艺被淀积在这个衬底的每一面。
所有这些燃料电池组件的结构是平面的，不能给予足够大的电极表面积以制造必要的电能，以提供给带电池的便携式装置的电子器件。因此，本发明的目的是克服这种缺点。
此外，已知的是能使得反应气体之一通过在平面状的电池内的多孔材料传输，例如多孔硅。
发明内容
本发明的主要目的是一个微型燃料电池组件，主要包括：
-多个微容积(micro-volumes)，相互由一种结构保持固定，并且每一个微容积包括由分别形成阳极、电解质和阴极的至少三层所构成的叠层，每一个微容积在两端具有未被此三层覆盖的两部分；
-通过每一个微容积内部的第一反应物的循环的第一装置；和
-在微容积外部的第二反应物的循环的第二装置。
设想微容积内部由能透过第一反应物的材料制成，是非常有利的。
在上述情况下，选择多孔硅是优选的。
在发明的主要实施例中，该结构由两个对两反应物不渗透的下板和上板组成，在两个板之间设置有微容积，这两个板在微容积的末端的所述两部分被钻孔，于是形成第一反应物的循环的第一装置的一部分。
在上述情况下，第二反应物的循环的第二装置部分由一个侧板组成，该侧板至少对第二反应物是不渗透的，围绕着组件并包括至少一个进料孔，微容积之间的空间是自由的。
在第二反应物的循环的第二装置的另一个实施例中，这些装置通过多孔材料的加强件完成，这些多孔材料填充每一个微容积之间的空间。
如果组件的侧板由硅环组成是有利的。
在用于分配第一反应物的第一装置的第一实施例中，下板由一个分配衬底组成，该衬底在微容积之间覆盖一层对两个反应物密封的膜。
在第二个实施例中，分配衬底包括一个中空底板。
在两种情况中，第一反应物可以通过位于组件的上板的收集空间被收集。
有利的是，使用使第一和第二反应物循环的第一和第二装置，以及向微容积的上游侧或者向使第一反应物循环的第一装置的进料孔的上游侧施加轻微的正压的装置，或者使用在微容积的下游侧产生轻微的负压或者在使第二反应物循环的第二装置的出口孔产生轻微的负压的装置。
按照本发明，基本组件的一个特殊实施例包括几个微容积级，每一级通过一个中间板与其它级分离，中间板带有位于微容积顶端的循环孔，上板本身也在微容积的顶端带有循环孔，每一级设置本身带有至少一个进料孔的侧板。
附图说明
在阅读了下述附加两个附图的说明后，将更好地理解本发明以及它的各种技术特征，其中：
-图1，按照本发明的组件的第一个可行实施例；
-图2，按照本发明的组件的第二个可行实施例的截面图；和
-图3，按照本发明的组件的第三个可行实施例的截面图。
具体实施方式
参照图1，按照本发明，组件的原理是在微小的厚度内使用大量的微容积，微容积的壁覆盖有多层构成燃料电池的基本膜/电极元件的膜。第一反应物的循环被组织在每一个微容积内部，以和淀积在微容积上的多层膜的两个电极之一接触，而第二反应物的循环被组织在每一个微容积的周围以和形成的每一个基本元件的另一个电极接触。对于两个反应物，薄膜是密封的。
在图1中所示的组件的主要元件是下板1和上板2，在两个板之间安装了大量的微容积10。此组件由侧板3围绕，侧板在下板和上板之间限定了一个平坦的环形空间。这个环形形状不是功能性的，因此任何其它的形状都能使用(矩形，正方形等)。第一反应物的循环被组织在每一个微容积10的内部，如图中竖直箭头所指示的。因此，除了在由每一个微容积10的底部限定的表面，下板1的表面在它的表面上对两个反应物是密封的。结果，因为这个下板1由能使第一反应物循环的多孔材料组成，此反应物可以完全或者部分地由下板1传递，直到每一个微容积10的底部为止。其次，在图1中所示的组件中，组件是通过在组件之上的盖20所完整构成的，并且被固定在上板2的周围，以限定一个连接空间22，在这个空间内刚刚通过每一个微容积10的第一反应物流出。除了在对应每一个微容积10的顶端的部分表面，上板2对两个反应物设计为密封的。一个出口吸入孔21形成在盖20上用于组织第二反应物的循环。然而，因为反应物在反应过程中被消耗，出口孔不是必须的。
实际上，按照本发明的组件带有使第一反应物强迫循环的第一装置，以促使此反应物在组件内的循环，如图竖直箭头所示。
此外，第二反应物的第二循环被组织在下板1、上板2和侧板3限定的封闭空间内的微容积10之间。此循环是通过在侧板3的一侧上形成的进料孔4A和同样在侧板3上形成的位于进料孔4A对面的出口孔4B进行。两个水平箭头图示地表示此第二反应物的循环。然而，出口孔4B不是必须的，因为在反应过程中，第二反应物可能被消耗。
任何控制进料孔4A的上游侧的轻微超压的装置或者能在出口孔4B的下游侧产生负压的装置可以用来组织此第二循环。类似地，使用在下板1的上游侧或者在其下面产生正压的装置也是可能的，和/或使用在出口从出口吸入孔21产生一个轻微的负压的装置是可能的。
在这个图中，微容积10为圆锥形。这只是一个实施例的例子，其它形状也能用来形成这些微容积10。
形成下板1的多孔材料也可以用于形成微容积的内部材料。
侧板3可以优选使用硅环制造，同时构造微容积10的结构。
设想生产这种类型的电池组件的装置可以使用一种对两个反应物密封的材料，例如对这两个反应物不渗透的层压薄膜。一旦在对应微容积末端的位置钻孔，这些薄膜可以适用于下板1的内表面以及上板2的至少一个表面。
此外，一个或者几个感光干膜能通过照射用于在微容积10的末端上的在下板1和上板2上制造孔。而且，在上板2形成的孔的尺寸小于在每一个微容积顶端的尺寸。
参照图2，使第一反应物循环的第一装置在微容积10的上游侧可以不同。第一实施例的下板31可以由一个在整个厚度上对两个反应物密封的板组成，通过这个板钻出对应每一个微容积的底面的孔33。于是，通过在下板31的下面安装一个中空底板，与下板31限定一个分配空间，将第一反应物带入微容积10内是可能的。第一反应物在这个分配空间内处于轻微高压状态，因此，它可以从底部到顶部穿过每一个微容积10的内部。为了支撑每一个微容积10，如果在下板31内的孔33充满了和用于填充微容积10内部的材料一样的多孔材料，将是有利的。
通过多孔填充材料35，例如聚合物，填充图1中第一个实施例的下板1和上板2之间的剩余自由空间，以加强组件特别是微容积10的机械强度，也是值得注意的。这种类型的多孔材料可以球状的塑料颗粒的形式进行淀积，例如聚苯乙烯球，接着通过加热，焊接这些不同的颗粒或球。于是这些填充材料35的多孔结构能使第二反应物在下板31和上板32之间的内部空间内，从图1中的进料孔4A朝向出口孔4B循环。
参照图3，按照本发明，基本组件的特殊实施例由制造几个级组成，其中微容积10均放置在同一平面。每一级具有一个侧板103，设置有进料孔104A和出口孔。每一级通过设置有孔149的中间板140与上级或者下级分开，孔149在每一个微容积110的顶端开口。因为下板131在每一个微容积110的底面也设置有进料孔133，以及上板132本身在微容积110的顶端带有出口孔149，可以理解的是，可以组织只在微容积110内的第一反应物的循环。这是同上述实施例类似的方式进行的，使用一个开口进入分配空间134内的第一反应物129的入口，中空空间由中空底板130形成。在顶层有一个盖120，在盖的上面形成一个出口吸入孔121。
有利地，使用的每一个微容积110可以带有多孔材料，例如多孔硅。
Claims (12)
1.微型燃料电池基本组件，其主要由多个微容积(10，110)组成，相互由一种结构保持固定，并且每一个微容积包括由分别形成阳极、电解质和阴极的至少三层构成的叠层，每一个微容积(10，110)在两端具有未被此三层覆盖的两部分；
一通过每一个微容积内部的第一反应物的循环的第一装置；和
一在微容积外部的第二反应物的循环的第二装置。
2.如权利要求1所述的基本组件，其特征在于，微容积(10，110)内部填充有可透过第一反应物的材料。
3.如权利要求2所述的基本组件，其特征在于，可透过第一反应物的材料由多孔硅制成。
4.如权利要求1所述的基本组件，其特征在于，该结构由两个板组成，下板(1，31，131)和上板(2，32，132)不能透过两个反应物并且在两个板之间设置有微容积(10，110)，这两个板在微容积的末端中的所述两部分被钻孔，于是形成第一反应物的循环的第一装置的一部分。
5.如权利要求4所述的基本组件，其特征在于，第二反应物的循环的第二装置部分由一个侧板(3，103)组成，该侧板至少对第二反应物是不渗透的，围绕着组件并包括至少一个进料孔(4A，104A)，微容积之间的空间是自由的。
6.如权利要求5所述的基本组件，其特征在于，第二反应物的循环的第二装置与多孔材料(35，135)的加强件一起使用，多孔材料填充每一个微容积(10，110)之间的空间。
7.如权利要求5所述的基本组件，其特征在于，侧板(3)由一个硅环组成。
8.如权利要求4所述的基本组件，其特征在于，下板(1)由分配第一反应物的衬底组成，并且在微容积(10，110)之间覆盖有一层不能透过两个反应物的膜。
9.如权利要求8所述的基本组件，其特征在于，分配衬底包括一个中空底板(30，130)。
10.如权利要求4所述的基本组件，其特征在于，使第一反应物循环的第一装置还包括一个位于上板(2，32，132)之上、由盖(20，120)形成的收集空间(22)，以收集在微容积(10，110)下游侧的第一反应物。
11.如权利要求5所述的基本组件，其特征在于，使第一和第二反应物循环的第一和第二装置与向微容积(10，110)和进料孔(4A)的上游侧施加轻微正压的装置一起使用，和/或与在微容积(10，110)和出口孔(4B)的下游侧产生轻微负压装置一起使用。
12.如权利要求1所述的基本组件，其特征在于，包括几个微容积(10，110)级，每一级通过一个类似上板(132)的中间板(140)与其它级分离，中间板均带有位于微容积(10，110)顶端的循环孔(149)，每一级设置本身带有至少一个进料孔(104A)的侧板(103)。
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