CN1339841A

CN1339841A - 微型燃料电池

Info

Publication number: CN1339841A
Application number: CN00123627A
Authority: CN
Inventors: 郑重德
Original assignee: SHIJI FUYUAN FUEL CELL CO Ltd BEIJING
Current assignee: SHIJI FUYUAN FUEL CELL CO Ltd BEIJING
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2002-03-13

Abstract

本发明是一种含有多个膜电极的微型燃料电池,采用透气,多孔的弹性材料作为压紧元件(E)将燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)紧密压合成微型燃料电池(D);燃料电池发电单元(A)是由两片多孔导流板(4,4a)将一片膜上的多个膜电极(13)紧密夹制成厚度不超过3mm的多个发电单元(14),将多孔导流板(4,4a)上的导电耳以多种方式串联起来,并通过最终的正负极端子既能将电压直接输出,也能通过升压稳压电路(C)将0.5-100V的电压输出或同时输出多种不同的电压,最大限度地简化发电系统的组成,缩小燃料电池的体积和重量为便携式电子产品提供理想的微型燃料电池。

Description

微型燃料电池

本发明是属于质子交换膜燃料电池领域。尤其涉及一种使用氢气和空气发电的微型燃料电池的改进。

众所周知，通常的质子交换膜燃料电池发电装置是由燃料电池堆(由多个电池发电单元组成)，燃料供应系统、氧化剂供应系统、气体加湿系统、热交换系统，控制系统和输出电压调制等组成的综合系统，它含有一些专用功能设备如，高压气源、减压阀、气泵、过滤器、加湿器、气水分离器、水泵、热交换器、电压调制器及温控、计量仪表等。各设备由气管、水管和导线连接以达到气、水、电的输送。因此，通常实用燃料电池发电装置是一个较庞大、复杂的系统，它们已应用于宇宙飞船、电动车、潜艇、移动电站上。这些实用的燃料电池发电装置一个共同特点是发电功率较大，一般从几百瓦到几百千瓦，体积、重量也较大。显然这样的发电装置不能用作小型、微型用电器上的电源，如手机、摄像机、笔记本电脑等的电池。近年来，随着燃料电池技术和相关材料技术、微电子技术的发展，人们试图把燃料电池小型化、微型化，以满足便携式电子产品及特殊场合对小型电源的需求。其中北美某公司研制了一种便携式质子交换膜燃料电池电源，是由20个发电单元串联组成外形尺寸85mm×85mm×235mm，再加上一个85mm×85mm×120mm的储氢器，可得到12V，25W输出电能，250Wh总容量，总重量为3.3Kg，虽然这种小型发电装置已大大简化了传统燃料电池发电系统，但用于小型电子产品上仍显得笨重与庞大。欧洲某公司也研制了类似的供电装置见图1，它由三部分组成：燃料电池(165mm×165mm×33mm)，氢源(165mm×165mm×25mm)，升压稳压电路，但仍然没有达到微型化的实用要求。

本发明的目的是提供一种微型燃料电池，最大限度地简化发电系统的组成，缩小体积和重量，使其能为手机、摄像机、笔记本电脑等便携式电子产品提供比目前所用的镉镍，氢镍，锂离子电池具有更高电容量的电能。由于这种微型燃料电池电化学反应的活性物质是氢气和空气中的氧气，所以也可简称为氢空电池。

本发明的内容之一是提供一种含有多个膜电极的微型燃料电池，关于在一片质子交换膜上含有多个膜电极的燃料电池请参阅中国专利CN00121124.2。结合附图2--图10对本发明作进一步的阐述；微型燃料电池其组成包括燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)，其特征在于燃料电池发电单元(A)包括在一片质子交换膜上含有多个膜电极(13)和多孔导流板(4，4a)组成多个发电单元(14)。

多孔导流板(4，4a)上有许许多多小孔(5)，空气中的氧气是通过“自吸”方式通过小孔(5)进入扩散层(3)，到达催化层(2)，氢气是从供氢装置(B)内的微型定压器(11)直接通过小孔(5)进入扩散层(3a)，到达催化层(2a)，氧气和氢气在催化剂和质子交换膜的作用下发生氢氧电化学反应而发出电，将多孔导流板(4，4a)上的正负极导电耳以多种方式串联，并通过最终的正负极端子既能直接将0.5-100V的电压输出，又能通过升压稳压电路(C)将多种不同的电压输出。

参见图4、图10，本发明采用在一片质子交换膜上含有多个膜电极(13)和多孔导流板(4，4a)组成的多个发电单元(14)构成的微型燃料电池基本单元(A)比现有燃料电池采用一个一个电池发电单元堆积串联成一个电堆的体积和重量均大大缩小和减轻；由于多个膜电极(13)能升高输出电压，既能直接供用电器使用，又能经升压稳压电路(C)供用电器用，本发明采用多孔导流板(4，4a)上有许多小孔(5)，压紧元件(E)上也有许多小孔(5)，使用本发明的电器设备外壳上相应的也有许多透气孔，这些小孔均是沟通的，当电池消耗氧气后，空气中的氧气通过这些小孔扩散进入电池，与一般小型燃料电池采用风扇鼓风以增加空气流量的方法相比，本发明不仅减小了体积和重量还节省能源。供氢装置(B)包括有一个贮氢盒(9)内装有贮氢材料(10)，微型定压器(11)和充气阀均内置于贮氢盒(9)内，由微型定压器(11)向燃料电池发电单元(A)输入氢气并控制氢气的压力，无论由于任何原因，如环境温度的变化、贮氢盒(9)内贮氢量的变化而引起氢气压力发生变化，通过微型定压器(11)向氢电极(6)提供的氢气压力均可控制在设定压力范围内，装在贮氢盒内的贮氢材料(10)是金属氢化物，它能将氢气吸附并贮存于其中，充气阀(12)是用来向贮氢盒(9)内补充氢气，氢气的供给可采用多种方式包括金属制氢、化学制氢。现有供氢装置一般采用外置式减压器来控制对燃料电池的供氢压力，本发明采用内置式微型定压器减小了系统体积和操作的繁琐。升压稳压电路(C)包括集成块、升压线圈，电容器等元件，这是普通公知公用的电路板，其输入端与燃料电池发电单元(A)的电源输出线路相连接，输出端接至要供电的设备上。压紧元件(E)是用透气、多孔、有弹性的材料包括金属材料制成，例如不锈钢片和非金属材料，例如工程塑料，压紧元件(E)为П型，或框式的面上有许多小孔，用压紧元件(E)将燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)紧密压合为一个整体就构成微型燃料电池(D)，比一般燃料电池是采用螺栓紧固件将电堆拉紧更为严紧。还有一种方式是既能使燃料电池发电单元(A)与供氢装置(B)能紧密连接在一起，又能使两者轻易的分离，便于使供氢装置(B)从电池中取出来补充氢气后再放置到原来的位置。现有小型燃料电池的供氢装置与燃料电池发电单元，一般为分体配置的管道连接，增大了体积，本发明最大限度地减小体重，本发明微型燃料电池(D)包括(D)是由A+B+C组成和由A+B组成均能置于用电设备体中也能外置。

本发明内容之二是提供制备微型燃料电池的方法，其步骤如下。参见图7、图8、图10和图11。

①制作燃料电池发电单元(A)，采用耐电化学腐蚀和导电性好的材料包括碳板、不锈钢板，镍板、镀镍板、镀金板、覆镍板、覆金属板，制成两块具有气体导流槽或多孔状的导流板(4，4a)，两块多孔导流板(4，4a)中间夹着密封件(8，8a)和一片膜上制成的多个膜电极(13)，构成了厚度不超过3mm的多个发电单元(14)，多孔导流板(4，4a)的形状和大小与一片多个膜电极(13)的形状和大小完全一样，制得了燃料电池的发电单元(A)，多孔导流板(4，4a)上有多个导电耳(4A)，将其以多种方式串联起来，并通过最终的正负极端子既能将电压直接输出，也能通过升压稳压电路(C)将电压输出；在多孔导流板(4，4a)和膜电极(13)之间有之间夹着密封件(8，8a)；

②制作供氢装置(B)，选用0.5-0.8mm的不锈钢板冲压制成外形长度和宽度与燃料电池发电单元(A)相匹配的盒子称为贮氢盒(9)，贮氢盒(9)内装有贮氢材料(10)，在盒子的一端装一个φ4-8mm的内置充气阀(12)，在盒子的内面设置一个φ12-18mm的微型定压器(11)就制备成供氢装置(B)；

③制备压紧元件(E)，选用透气，多孔弹性材料，按照燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)的外形尺寸，长度和宽度或直径完全一样的尺寸制作成表面具有许多小孔П型或框式压紧元件(E)；

④制备微型燃料电池(D)，用压紧元件(E)将燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)紧密压合为一体整体，然后用连接的方法，包括激光焊接，台阶式倒齿咬合紧固方式、扣紧法或特种金属胶粘合，将四周紧密连接成一个整体就制得了微型燃料电池(D)，其中燃料电池发电单元(A)厚度不超过3mm。

本发明是含有一个或多个膜电极微型燃料电池(D)本身根据用电器需要供给的电压、电流要求，在一片质子交换膜上就能制作出一个或多个膜电极，并使多个发电单元以多种方式串联起来升高输出电压和输出多种不同的电压，直接供用电器使用或经升压稳压电路(C)供用电器使用，升压稳压电路(C)包括集成块、升压线圈、电容器，将升压稳压电路(C)焊接在微型燃料电池的电压输出端。

本发明所达到的效果是为便携式电子产品(手机、摄像机、笔记本电脑等)提供了超大容量的含有多个膜电极微型燃料电池，简化了燃料电池的结构，使其体积和重量大大减小，含有多个膜电极微型燃料电池，能使一片膜上的多个发电单元串联起来升高输出电压，也可采用多种方式使多个发电单元分别串联输出多种不同的电压，直接供用电器使用或经升压稳压电路(C)供用电器使用。

附图及其说明

图1：现有欧洲某公司的供电装置，由三部分组成：燃料电池，氢源，升压稳压电路

图2：本发明含有多个膜电极微型燃料电池的方框图

图3：本发明在一片质子交换膜上含有多个膜电极示意图

图4：含有膜电极微型燃料电池原理图

图5：含有3个膜电极的微型燃料电池发电单元示意图

图6：含有6个膜的微型燃料电池发电单元示意图

图7：制作含有6个膜电极微型燃料电池示意图

图8：制作含有2个正方形和4个矩形发电单元微型燃料电池示意图能输出两种不同的电压

图9：本发明与欧洲某公司发电装置相比较示意图

图9A是欧洲某公司的供电装置示意图

图9B、图9C是本发明微型燃料电池供电示意图

图10：本发明中燃料电池发电单元(A)的组装示意图

图11：本发明中压紧元件(E)的框式结构示意图，E是由E_A和E_B组装而成的。

其中：

A—微型燃料电池基本单元

B—贮氢制氢装置

C—升压稳压电路

D—本发明含有1个至多个膜电极微型燃料电池

E—压紧元件

F—需要供电的设备

1—质子交换膜

2，2a—催化层

3，3a—扩散层

4，4a—多孔导流板4A—导电耳

5—导气小孔(在导流板上，压紧元件上)

6—氢电极

7—氧电极

8，8a—密封件是夹在多孔导流板(4，4a)与多个膜电极之间

9—贮氢盒

10—制氢贮氢材料

11—微型定压器

12—充气阀

13—一个或多个膜电极

14—多个发电单元

实施例1

在薄型不锈钢板上，均匀做出6个等面积的矩形模板(参见图6)，将其置于一片面77mm×34mm的质子交换膜(1)上，用喷笔将催化剂液喷涂于质子交换膜(1)的两面形成催化层(2，2a)上就形成扩散层(3，3a)，在一片质子交换膜上有6个膜电极，用带有多孔镍板作为多孔导流板(4，4a)，每两块多孔导流板(4，4a)与其对应的膜电极组成了6个发电单元，将各个发电单元的正负极导电耳(4A)串联起来，并通过最终的正负极端子直接将电压输出，就构成了微型燃料电池发电单元(A)，(A)的厚度不超过3mm，用0.6mm厚的不锈钢板冲压制成外形尺寸77mm×34mm×8mm的盒子，在盒子内装有金属氢化物(10)就是贮氢盒(9)，在贮氢盒的一端安装φ4-6mm内置充气阀，在贮氢盒的面内安装内置φ12-18mm高8mm的微型定压器(11)就制备成供氢装置(B)。

制作压紧元件(E)用0.5mm厚度不锈钢板制作成77mm×34mm×10mm的矩形П形、平面上具有许多小孔(5)的压紧元件(E)，用压紧元件(E)将燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)紧密压合成一个整体，四周激光焊接牢固就制得了一个含六个膜电极的微型燃料电池，在使用0.1Mpa空气(常压空气)0.1Mpa氢气，室温条件下，发电效果为3.6V电压下输出功率大于2W。可以置入带有许多小孔的手机壳体内作为手机电源，一次充氢气，可供手机通话30小时以上。

实施例2

在不锈钢板上作出2个正方形和4个矩形的模板(图8)，将其置于一片100mm×100mm质子交换膜(1)上，用离子真空溅射法制出催化层(2，2a)，将碳布剪成与催化层形状，大小完全一样的4个矩形和2个正方形的扩散层(3，3a)，组装在催化层两侧就构成在一片质子交换膜上有多个形状不同的膜电极，在膜电极两侧装上多孔覆镍板作的多孔导流板(4，4a)就构成了具有6个发电单元的微型燃料电池基本单元(A)，分别将2个正方形发电单元的多孔导流板(4，4a)上导电耳(4A)串联起来将4个矩形发电单元的多孔导流板上(4，4a)上导电耳(4A)串联起来，并通过两组最终正负极端子则可同时直接输出1.4V和2.8V两种不同的电压，就制作成燃料电池发电单元(A)；用工程塑料注出厚度为0.8mm外形尺寸为100mm×100mm×16mm的盒子，在盒子内装填贮氢材料(10)金属氢化物，就制成了贮氢盒(9)，在贮氢盒(9)内面置有φ12-18mm微型定压器(11)，在盒端面内安装φ8mm充气阀(12)，就制得供氢装置(B)；用具有弹性的工程塑料制备成面上具有许多小孔的100mm×100mm×15mm正方形框状的压紧元件(E)见图10，用压紧元件(E)将燃料电池基本单元(A)和供氢装置(B)紧密压合为一个整体，四周用特种胶粘合成制得了含有两个正方形膜电极和四个矩形膜电极的微型燃料电池(D)。

Claims

1，一种微型燃料电池，其组成包括燃料电池发电单元(A)，供氢装置(B)，其特征在于燃料电池发电单元(A)包括在一片质子交换膜上含有多个膜电极(13)和多孔导流板(4，4a)组成多个发电单元(14)，由多孔导流板(4，4a)上的正负极导电耳(4A)以多种方式串联，并通过最终的正负极端子直接向外输出电压；供氢装置(B)包括贮氢盒(9)，以及置入贮氢盒(9)内的微型定压器(11)，充气阀(12)和贮氢材料(10)；供氢装置(B)是通过微型定压器(11)向燃料电池发电单元(A)输送氢气；采用透气，多孔弹性材料作为压紧元件(E)，其将燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)紧密压合为一个整体，构成一个微型燃料电池(D)。

2，根据权利要求1所述微型燃料电池，其特征在于膜电极(13)是由一片质子交换膜(1)在两面上涂敷组装催化层(2，2a)，再在催化层(2，2a)两面上组装上扩散层(3，3a)而构成一个或多个膜电极。

3，一种制备微型燃料电池的方法，该燃料电池包括燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)，其特征在于燃料电池发电单元(A)是由两片完全一样的多孔导流板(4，4a)和密封件(8，8a)，将形状，大小完全与其一样的多个膜电极(13)紧密夹制成厚度不超过3mm的多个发电单元(14)，通过将多孔导流板(4，4a)上的导电耳以多种方式串联起来，并通过最终的正负极端子将电压既能直接输出，也能通过升压稳压电路(C)将电压输出；供氢装置(B)是用厚度为0.5-0.8mm的不锈钢板冲压制成外形长度和宽度与(A)完全一样的贮氢盒(9)，贮氢盒(9)内装有贮氢材料(1 0)，外径φ4-8mm的充气阀口装在贮氢盒(9)的一端，在贮氢盒(9)的内部设置有φ12-18mm孔洞设置微型定压器(11)，(11)出口所在的贮氢盒(9)的面就是与(A)紧密结合的面，采用透气，多孔弹性材料制成外型尺寸长度和宽度与(A)(B)完全一样的压紧元件(E)将(A)和(B)紧密制成一个整体就是微型燃料电池(D)。

4，根据权利要求3所述的制备微型燃料电池的方法，其特征在于透气，多孔弹性材料制成整体式压紧元件(E)。

5，根据权利要求3所述的制备微型燃料电池的方法，其特征在于透气，多孔弹性材料制成框式压紧元件(E)，E是由E_A和E_B组装而成的。

6，根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于压紧元件(E)燃料电池发电单元(A)和供氢装置(B)紧密压合为一个整体(D)时，需要采用连接的方法，包括激光焊接，台阶式倒齿咬合紧固方式，扣紧法或特殊金属胶粘合。

7，根据权利要求3所述的制备微型燃料电池的方法，其特征是用模板涂敷法在一片质交换膜(1)上制备多个膜电极(13)。

8，根据权利要求3所述的制备方法，其特征是在一块电路板上安装集成块，升压线圈，电容器，组装成升压稳压电路(C)，(C)的电压输入端接至燃料电池发电单元(A)输出端，(C)的电压输出端接至需要供电的设备(F)，将(C)组装在由(A)和(B)组成的微型燃料电池(D)的电压输出端部。