CN1860636A - 用在便携式装置中的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料活化组件包括基板(140)，所述基板上具有用以紧密附接多个膜电极组件(MEA)片段(110)的多个孔(142)。每个MEA片段(110)具有夹在两个电极之间的质子交换膜(PEM)，从而允许在一个燃料隔室中产生的质子通过所述孔迁移到另一个燃料隔室。如果燃料电池由于燃料活化组件受损而发生故障，有可能仅更换受损的MEA片段。利用多个MEA片段，在PEM两侧上的电极可以有选择地以串联的方式进行连接、以并联的方式进行连接或者以串联并联相结合的方式进行连接。

Description

用在便携式装置中的燃料电池
技术领域
本发明主要涉及用在便携式电子装置中的燃料电池，更具体而言，本发明涉及制造这种燃料电池的方法。
背景技术
燃料电池类似于蓄电池，但是只要向电池持续供给燃料，燃料电池就不会耗尽或者需要进行再充电。在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，甲醇被用作燃料，其从燃料电池的一侧进入，而空气在另一侧进行循环。所述两侧被膜电极组件(MEA)隔开，该膜电极组件具有夹在两个电极之间的质子交换膜(PEM)。如图1所示，燃料电池10包括阳极侧12，甲醇(MeOH)和水(H2O)的混合物(也称为液体甲醇)在阳极(-)周围进行循环。在阴极侧14，空气在阴极(+)周围进行循环。通过在MEA上催化活化，液体甲醇中的氢原子被分离成为质子(H+)和电子(未示出)。电子成为燃料电池所提供的电流源。一些质子迁移通过膜组件到达阴极侧14，在这里与氧结合形成水。而在阳极侧被消耗的燃料的副产物CO2易于从燃料电池中排出，而在阴极侧的副产物水必须被适当地除去。
燃料电池优于可再充电蓄电池的一个主要优点在于：燃料电池通常可以工作更长时间而不需要进行再充电。而且，通过添加液体甲醇能够几乎快速实现对燃料电池的“再充”。相反，对蓄电池进行再充电会耗费数个小时。
当前，直接甲醇燃料电池由单个MEA构成，其中使用单个质子交换膜。MEA和PEM通常被设计以适用于便携式装置的尺寸。如果燃料电池中的PEM存在使燃料电池不能发挥功能的缺陷，那么必须更换MEA或者整个PEM。由此，有利的和所希望的是提供一种燃料电池，其可以在不废弃整个PEM的情况下修补MEA，从而降低相关的成本。
发明内容
本发明的一个主要目的在于降低用于诸如膝上型电脑、笔记本电脑或者平板电脑等便携式装置中的燃料电池的制造和维修成本。这一目的可通过设置多个PEM片段(segment)来实现，从而使得只需在直接甲醇燃料电池中更换不起作用的缺陷片段。
由此，根据本发明的第一方面，提供一种制造用于燃料电池中的燃料活化组件的方法，所述燃料电池包括容纳第一燃料组分的第一电池隔室和容纳第二燃料组分的第二电池隔室，其中所述燃料活化组件被设置在第一电池隔室与第二电池隔室之间，以活化第一燃料组分用于在第一电池隔室中产生质子并将质子渠化传输到第二电池隔室中。所述方法包括以下步骤：
设置具有多个孔的基板；以及
在所述孔上将多个膜电极组件片段紧密附接到基板上，其中每个膜电极组件片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以便产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
可采用热结合工艺或者通过施加粘结层，将膜电极组件片段附接到基板上，形成分隔每个膜电极片段的第一侧和第二侧的阻挡层，由此防止第一燃料组分进入第二电池隔室，且防止第二燃料组分进入第一电池隔室。粘结剂对燃料组分具有抗力。
根据本发明的第二方面，提供一种燃料电池，所述燃料电池包括：
容纳第一燃料组分的第一电池隔室；
容纳第二燃料组分的第二电池隔室；和
设置在第一电池隔室与第二电池隔室之间的燃料活化组件，所述燃料活化组件包括：
具有多个孔的基板，和
紧密附接到基板的孔上的多个膜电极组件片段，其中每个膜电极组件片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以在活化过程中产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
所述活化过程产生电流，而所述燃料电池进一步包括：
操作连接到第一电池隔室上的第一导电端子，和
操作连接到第二电池隔室上，以允许连接到第一和第二导电端子上的电流负载使用电流的第二导电端子。
所述第一燃料组分主要包括水和醇的混合物，并且所述基板是耐水和醇的。所述醇主要包括甲醇。所述第二燃料组分主要包括空气。
每个膜电极组件片段包括设置在两个电极层之间的质子交换膜。
每个膜电极组件片段进一步包括两个扩散层，每个扩散层分别覆盖一个电极层。
根据本发明的第三方面，提供一种用于燃料电池中的膜电极组件。所述燃料电池包括：
容纳第一燃料组分的第一电池隔室；和
容纳第二燃料组分的第二电池隔室；所述膜电极组件包括：
具有多个孔的基板，和
紧密附接到基板的孔上的多个燃料活化片段，其中每个燃料活化片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以在活化过程中产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
有利的是，每个燃料活化片段包括：
位于第一侧上的第一电极层；
位于第二侧上的第二电极层；和
设置在第一和第二电极层之间的质子交换膜。
每个燃料活化片段中的第一电极层和第二电极层分别与另一个燃料活化片段中的第一电极层和第二电极层操作相连，从而使得所述燃料活化片段电并联在一起。
有利的是，至少一些燃料活化片段电串联在一起，从而使得每个所述至少一些燃料活化片段中的第一电极层和第二电极层操作连接到不同的燃料活化片段中的不同一个第一和第二电极层上。另一种可选方式是，所述燃料活化片段以串联和并联的混合方式进行电连接。
根据本发明的第四方面，提供一种便携式电子装置，包括：
用于处理信号或数据的电子单元；和
用以向电子单元提供电流的燃料电池，所述燃料电池包括：
容纳第一燃料组分的第一电池隔室；
容纳第二燃料组分的第二电池隔室；以及
设置在第一电池隔室和第二电池隔室之间的燃料活化组件，所述燃料活化组件包括：
具有多个孔的基板，和
紧密附接到基板的孔上的多个膜电极组件片段，其中每个膜电极组件片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以在活化过程中产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
便携式电子装置可以是笔记本电脑、膝上型电脑、平板电脑、个人数字助理装置等。
结合图2-8通过阅读说明书，可以使本发明更加明白。
附图说明
图1为现有技术的直接甲醇燃料电池的示意图；
图2a为说明根据本发明的燃料电池中的燃料电池堆的一个实施例的示意图；
图2b为图2a所示燃料电池堆的分解视图；
图3为说明根据本发明的MEA片段的示意图；
图4a为说明根据本发明的将MEA片段附接到基板上的情况的示意图；
图4b为说明将MEA片段附接到基板上所采用的一种不同方法的示意图；
图4c为说明将MEA片段附接到基板上所采用的另一种方法的示意图；
图5为说明一种收集来自MEA片段的电流的方法的示意图；
图6a为说明一种收集来自MEA片段的电流的不同方法的示意图；
图6b为说明收集来自MEA片段的电流的另一种方法的示意图；
图7a为说明两电池MEA片段的示意图；
图7b为说明四电池MEA片段的示意图；
图7c为说明六电池MEA片段的示意图；和
图8为说明燃料电池中燃料电池堆的又一个实施例的示意图，其中MEA片段的尺寸是不同的。
具体实施方式
根据本发明的燃料电池包括多个MEA(膜电极组件)片段，每个MEA片段具有分隔开的PEM(质子交换膜)和两个用于进行催化活化的电极/扩散层。如图2a和图2b所示，燃料电池堆100包括具有多个开口142的基板140以及多个紧密附接到基板140上的多个MEA片段110，每个MEA片段110位于开口142上。基板140由足够刚硬的材料制成以用作支撑MEA片段的力学框架。同时，所述材料还对甲醇具有抗力。比如，基板140可由特氟隆(Teflon)，或者FR4(由浸透环氧树脂的织造玻璃纤维织物制成的层压制件)制成。
如图3所示的MEA片段110主要包括设置在两个活化层112和114之间的质子交换膜(PEM)。可以理解的是活化层112包括扩散层和设置在所述扩散层与PEM 120之间的电极。同样，活化层114包括扩散层和邻近PEM 120的电极。这些MEA部件在本技术领域是已公知的。
优选地，基板140上的每个开口142围绕其边缘具有阶梯形的凹槽144，从而允许MEA片段110被附接在其中，如图4a和4b所示。若PEM 120由与基板140相容的材料制造，那么MEA片段110可例如采用热结合工艺被结合到基板120上。所述热结合区域用附图标记122表示，如图4a所示。另一种可选方式是，MEA片段110通过对甲醇具有抗力的粘结层124被附接到基板120上。必要的是所述结合区域122或粘结层124围绕MEA片段的边缘提供了防泄漏的密封，以便防止液体甲醇从基板140的一侧泄漏到另一侧。
另一种可选方式是，可以使用合适的结合材料126，用两个基板140固定MEA片段110，如图4c所示。
在燃料电池200中，燃料电池堆100可被夹在两个集流器150、160之间，如图5所示。集流器150具有多条通道以允许液体甲醇在阳极侧202上围绕MEA片段110进行循环。同样，集流器160具有多条通道162以允许空气在阴极侧204上围绕MEA片段110进行循环。集流器150和160可被设计以对燃料电池堆100提供机械支撑。对于如图5所示的装置而言，每个MEA片段110就像隔开的燃料电池单元一样起作用，基板120上的所有的MEA片段110电并联在一起。
另一种可选方式是，MEA片段110还可电串联在一起，如图6a和6b所示。如图6a所示，使用网状结构171收集燃料电池200阳极侧202上的电荷，使用相似的结构170收集燃料电池200阴极侧204上的电荷。结构171包括多个导电片段173，其中每个导电片段被设置在MEA片段110的阳极侧附近。同样，结构170包括多个导电片段172，其中每个导电片段被设置在MEA片段110的阴极侧附近。基板120进一步具有多个导电连接器或者引线176用以连接一个导电片段173与一个导电片段172。如此进行连接的MEA片段110实际上为串联连接的多个燃料电池单元。优选地，不导电外壳180被用以支撑燃料电池堆100和阳极侧202上的网状结构171，并且另一个不导电外壳190被用以支撑燃料电池堆100和阴极侧上的网状结构170。可以理解的是，网状结构170、171被设计从而使得当导电片段173以及导电片段172能够高效地被用于收集电流时，导电片段172、173还允许液体甲醇和空气通过外壳180中的流动通道182和外壳190中的流动通道192围绕MEA片段110充分地进行循环。
在本发明的一个不同的实施例中，活化层112和114中的每一个延伸超出PEM 120以使其可以电连接到引线176上，如图6b所示。如上所述，活化层112包括面对PEM 120的电极，并且活化层114也包括面对PEM 120的电极。通过引线176，将一个MEA片段110的活化层112上面的电极与相邻的MEA片段110的活化层114上面的电极电连接在一起。如此进行连接的MEA片段110实际上为串联连接的多个燃料电池单元。
应该理解的是，燃料电池堆100中MEA片段110之间的电连接还可以是串联与并联的混合连接方式。这种混合连接方式可以适应便携式电子装置的电压和功率需求而进行改变。
图2a、2b，4a-6b示出了燃料电池200中的燃料电池堆100。燃料电池堆100包括多个MEA片段110，如图3所示。每个MEA片段110包括一对附接到PEM 120相对侧上的活化层。由此，每个MEA片段110可被看作为一个单电池部件。当燃料电池200由于质子交换的失效而受损时，有可能仅是一个或者两个这样的单电池受损。在这种情况下，有可能仅更换受损的单电池的MEA片段110。由于PEM通常是燃料电池中最昂贵的部件，因此更换MEA片段110中的小PEM相比于如图1所示的现有技术燃料电池那样废弃整个PEM来说是更加经济的。
此外，当适应便携式电子装置的尺寸和功率消耗来制造燃料电池时，有可能使用不同数量的MEA片段以适合燃料电池200的大小。比如，有可能制造一个具有4×6MEA片段的燃料电池，和制造一个具有相同尺寸的5×7MEA片段的电池。相比之下，对于现有技术燃料电池而言，一个燃料电池必须具有不同尺寸的PEMs，以适应不同便携式电子装置的尺寸。
应该注意到，每个MEA片段可包括两对或者更多对附接到PEM 120相对侧上的活化层。如图7a所示，每个MEA片段110a包括两个活化层112和两个活化层114(未示出)，所述活化层附接到PEM 120的相对侧上。由此，每个MEA片段110a可被看作两个电池部件。如图7b所示，每个MEA片段110b包括四个活化层112和四个活化层114(未示出)，所述活化层附接到PEM 120的相对侧上。相似地，每个MEA片段110c包括六个活化层112和六个活化层114(未示出)，所述活化层附接到PEM 120的相对侧上。利用不同的MEA片段，有可能结合这些MEA片段以形成具有某一尺寸的燃料电池。比如，当需要使用如图2b所示具有2×3个开口的基板140生产燃料电池时，有可能使用3个两电池MEA片段110a(参见图7a)，但是也可以结合一个两电池MEA片段110a和一个四电池MEA片段110b(参见图7b)。还可以仅使用一个六电池MEA片段110c来制造具有相同尺寸的燃料电池。但是，随着单个MEA片段上的电池数量增加，PEM 120的面积也增加。在更换受损电池中的PEM的成本效率将相应地降低。但是，多电池MEA片段为制造用于各种尺寸的便携式电子装置中的燃料电池提供了一种方便的方法。
应该指出的是，在单电池MEA片段或者多电池MEA片段中的单个“电池”可以是正方形的，或者具有特定长宽比的矩形的，以适合多种燃料电池尺寸。比如，单个电池的长宽比可以为4∶3或者5∶4。
此外，燃料电池堆中的MEA片段的尺寸不需要是相同的。如图8所示，两个更小的MEA片段210与4个MEA片段110结合使用。
总而言之，燃料电池中的膜电极组件可包括多个片段，每个片段中具有分隔开的质子交换膜。同样，如果燃料电池出现故障，那么就有可能更换故障片段，而不是废弃整个膜电极组件。利用膜电极组件片段，可以制造出具有各种尺寸的燃料电池，而不使用具有不同尺寸的质子交换膜。在具有多个膜电极组件片段的燃料电池中，所述片段有可能是以串联的方式进行连接的、以并联的方式进行连接的或者是以串联并联相结合的方式进行连接的。
尽管已结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解的是，在没有偏离本发明的范围的情况下，可对本发明在结构和细节上作出前述各种和其它的改变、省略和偏差。

Claims (21)

1、一种制造用于燃料电池中的燃料活化组件的方法，所述燃料电池包括容纳第一燃料组分的第一电池隔室和容纳第二燃料组分的第二电池隔室，其中所述燃料活化组件被设置在第一电池隔室与第二电池隔室之间，以活化第一燃料组分用于在第一电池隔室中产生质子并将质子渠化传输到第二电池隔室中，所述方法包括以下步骤：
设置具有多个孔的基板；以及
在所述孔上将多个膜电极组件片段紧密附接到基板上，其中每个膜电极组件片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以便产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述附接通过热结合工艺而实现，形成分隔每个膜电极片段的第一侧和第二侧的阻挡层，由此防止第一燃料组分进入第二电池隔室，且防止第二燃料组分进入第一电池隔室。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述附接通过在基板和膜电极组件片段之间施加粘结层而实现，形成分隔每个膜电极片段的第一侧和第二侧的阻挡层，由此防止第一燃料组分进入第二电池隔室，且防止第二燃料组分进入第一电池隔室。
4、根据权利要求3所述的方法，其中所述第一燃料组分主要包括水和醇的混合物，并且所述粘结层对水和醇具有抗力。
5、一种燃料电池，包括：
容纳第一燃料组分的第一电池隔室；
容纳第二燃料组分的第二电池隔室；和
设置在第一电池隔室与第二电池隔室之间的燃料活化组件，所述燃料活化组件包括：
具有多个孔的基板，和
紧密附接到基板的孔上的多个膜电极组件片段，其中每个膜电极组件片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以在活化过程中产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
6、根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述活化过程产生电流，所述燃料电池进一步包括：
操作连接到第一电池隔室上的第一导电端子，和
操作连接到第二电池隔室上，以允许连接到第一和第二导电端子上的电流负载使用电流的第二导电端子。
7、根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述第一燃料组分主要包括水和醇的混合物，并且所述基板对水和醇具有抗力。
8、根据权利要求7所述的燃料电池，其中所述醇主要包括甲醇。
9、根据权利要求7所述的燃料电池，其中所述第二燃料组分主要包括空气。
10、根据权利要求5所述的燃料电池，其中每个膜电极组件片段包括设置在两个电极层之间的质子交换膜。
11、根据权利要求10所述的燃料电池，其中每个膜电极组件片段进一步包括两个扩散层，每一个覆盖电极层中的一个。
12、一种用于燃料电池中的膜电极组件，所述燃料电池包括：
容纳第一燃料组分的第一电池隔室；和
容纳第二燃料组分的第二电池隔室；所述膜电极组件包括：
具有多个孔的基板，和
紧密附接到基板的孔上的多个燃料活化片段，其中每个燃料活化片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以在活化过程中产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
13、根据权利要求12所述的膜电极组件，其中每个燃料活化片段包括：
位于第一侧上的第一电极层；
位于第二侧上的第二电极层；和
设置在第一和第二电极层之间的质子交换膜。
14、根据权利要求13所述的膜电极组件，其中每个燃料活化片段中的第一电极层和第二电极层分别与另一个燃料活化片段中的第一电极层和第二电极层操作相连，从而使得所述燃料活化片段电并联在一起。
15、根据权利要求13所述的膜电极组件，其中至少一些燃料活化片段电串联在一起，从而使得每个所述至少一些燃料活化片段中的第一电极层和第二电极层操作连接到不同的燃料活化片段中的不同的一个第一和第二电极层上。
16、根据权利要求13所述的膜电极组件，其中所述燃料活化片段以串联和并联的混合方式进行电连接。
17、一种便携式电子装置，包括：
用于处理信号或数据的电子单元；和
用以向电子单元提供电流的燃料电池，所述燃料电池包括：
容纳第一燃料组分的第一电池隔室；
容纳第二燃料组分的第二电池隔室；以及
设置在第一电池隔室和第二电池隔室之间的燃料活化组件，所述燃料活化组件包括：
具有多个孔的基板，和
紧密附接到基板的孔上的多个膜电极组件片段，其中每个膜电极组件片段具有第一侧和相对的第二侧，所述第二侧邻近第二电池隔室，所述第一侧邻近第一电池隔室，用以活化第一燃料组分以在活化过程中产生质子并通过穿过膜电极组件片段的孔将至少一部分质子从第一电池隔室渠化传输到第二电池隔室中。
18、根据权利要求17所述的便携式电子装置，包括笔记本电脑。
19、根据权利要求17所述的便携式电子装置，包括膝上型电脑。
20、根据权利要求17所述的便携式电子装置，包括平板电脑。
21、根据权利要求17所述的便携式电子装置，包括个人数字助理装置。
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