CN1947296A - 一种微型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

提出燃料电池，燃料电池阵列和形成燃料电池的方法。燃料电池可通过形成第一孔和第二孔制成，第一孔由通过第一电极层的第一孔表面限定；第二孔由通过第二电极层的第二孔表面限定。质子交换膜层压在第一电极层和第二电极层之间。至少一部分第一孔与第二孔至少部分对齐。

Description

一种微型燃料电池
技术领域
本发明大体上涉及燃料电池技术领域，具体地，涉及微型燃料电池和制造燃料电池的方法。
背景技术
燃料电池产生电能是通过电化学氧化燃料，如电池中的氢气或甲醇，直接将燃料的化学能转换成电能。燃料电池最近因为可作为清洁的电能供应源引起广泛注意。
手提和/或无线电子装置的电源在现今市场是重大事件。尽管许多无线传感器和/或手提通讯和计算装置的速度和功能容易受到能源限制，高效能源的出现仍落后于电子装置的发展。因此改进电源和管理是一直寻求的目标。
目前已经有许多适用于电子产品的微型燃料电池，但是仍缺少低成本和可大规模生产的燃料电池，这些燃料电池的包装不适合于多种应用。文献中只有少量的信息涉及这方面，以及涉及通过低成本和高效方式生产燃料电池的方法。
发明内容
本发明大体上涉及燃料电池，燃料电池阵列和形成燃料电池的方法。在一示例性实施例中，制造燃料电池通过形成第一孔，由通过第一电极层的第一孔表面限定；和形成第二孔，由通过第二电极层的第二孔表面限定。质子交换膜然后层压于第一电极层和第二电极层之间，质子交换膜越过第一孔与第二孔。多个燃料电池以类似方式制造，如下面的进一步介绍。
在一些实施例中，为了帮助第一电极层，第二电极层和质子交换膜之间的粘接，向电极层和质子交换膜之间施加粘结剂。取决于制造燃料电池的方法，孔可以在施加粘结剂之前或之后形成。
在一些实施例中，第一电极层和/或第二电极层可包括导电基体，而在另外一些实施例中，第一电极层和/或第二电极层可包括非导电基体，导电层施加到其至少一部分上。当施加导电层时，导电层可带有图案，形成一个或多个燃料电池电触点。在某些情况下，电触点可从孔附近的质子交换膜延伸到质子交换膜范围外的区域。这样的电触点可设置在第一电极层和第二电极层，当第一电极层和第二电极层层叠到一起，第一电极层的至少一些电触点可电连接第二电极层的至少一些电触点。通过适当图案化第一和第二电极层的电触点，两个或多个燃料电池可以串联、平行或某种组合方式电连接，提供希望的电输出特性。
多个燃料电池可通过本文公开的多种方法形成。例如，第一电极层和第二电极层可包括许多孔，分别形成燃料电池。当质子交换膜层压在第一电极层和第二电极层之间时，可形成多个燃料电池。多个燃料电池然后可分割成单个燃料电池或燃料电池阵列，如果需要的话。在另一示例性实施例中，具有多个第一孔和多个第一电触点的第一长度材料可与具有多个第二孔和多个第二电触点的第二长度材料一起移动到连接单元，质子交换膜位于第一和第二长度材料之间。多个第二孔最好与多个第一孔配准。一旦连接，产生的多个燃料电池可以分割成单个燃料电池或燃料电池阵列，如需要的话。
附图说明
参考下面结合附图对本发明各个实施例的详细介绍，可对本发明有更全面的了解。附图中：
图1A-1D是处于各制造步骤的示例性微型燃料电池的截面示意图；
图1E是图1D所示的微型燃料电池的顶视示意图；
图2A-2D是处于各制造步骤的另一示例性微型燃料电池的截面示意图；
图2E是图2D所示微型燃料电池的顶视示意图；
图3A-3C是处于各制造步骤的另一示例性微型燃料电池的截面示意图；
图3D是图3C所示的微型燃料电池的顶视示意图；
图4A-4C是处于各制造步骤的另一示例性微型燃料电池的截面示意图；
图4D是图4C所示的微型燃料电池的顶视示意图；
图5是微型燃料电池阵列的透视图；
图6是分割成各种形式的图5所示燃料电池阵列的透视图；
图7是根据本发明的另一示例性实施例的燃料电池阵列的分解透视图；
图8是制造微型燃料电池的示例性方法的示意性侧视图；和
图9是安装到燃料容器的示例性燃料电池的透视图。
具体实施方式
本发明可进行各种改进，不同的形式和特征通过附图中的示例方式进行了显示，下面将进行详细介绍。但是，应当知道，本发明不限于所介绍的特定示例性实施例。相反地，希望包括这些属于本发明精神和范围内的改进，等效体和变化。
应参考附图来阅读下面的介绍，其中不同附图中的类似元件采用类似的标记。未按比例绘制的附图显示了选择的实施例，其不能用于限制本发明的范围。虽然给出了各种元件的结构，尺寸和材料的示例，所属领域的技术人员应认识到，所提供的许多示例具有适当的可利用的变化。
本发明可应用于许多装置，具体地可应用于使用小型电源的装置。在某些示例性实施例中，本发明提出了使用氢气和氧气的作为燃料源的电源。但本发明不限于此，通过下面的对各示例性实施例和示例的讨论可得到对本发明的各方面的认识。
图1A-1D是处于各制造步骤的示例性微型燃料电池的示意性截面图。在图1A，电极110具有顶表面112，底表面114和厚度T1，厚度由顶表面112和底表面114之间距离限定。在所显示的实施例中，基体115，其可以是非导电的基体，在至少一部分的顶表面和至少一部分的底表面114涂复了导电材料116。导电材料116可具有适当的厚度，如厚度可达1000埃或更大，如果需要的话。可选择的穿通连接件117还显示出电连接顶表面112的导电材料116到底表面114的导电材料116。在所示实施例中，电极110可具有任何适合的厚度，如厚度在2mil或更小。在一些实施例中，导电材料116可图案化，形成一个或多个电触点或焊点。当许多燃料电池同时形成时，导电材料116图案化可帮助电隔离相邻的燃料电池。
在图1B，可选的粘结剂层120可设置在电极110上。粘结剂层120可以是导电的，可使用传统的方法设置。粘结剂层120可具有适合的厚度，如同上面介绍的导电材料116，如果需要，某些实施例可进行图案化。
在图1C，孔135通过电极110的厚度T1形成。可使用传统的方法，如冲孔，蚀刻或激光切割来形成孔135。孔135由围绕孔135的孔表面130限定。孔135可具有任何尺寸或形状。在一个示例性实施例中，孔135是矩形，正方形或圆形，截面表面积小于1平方毫米。但是也可采用其他形状和尺寸，如果需要的话。在图1A-1C，粘结剂120显示出在孔135形成之前施加。但是，在另外的实施例中，粘结剂120可在孔135形成之后施加。
图1D显示了层压在第一电极110A和第二电极110B之间的质子交换膜140。第一电极110A和第二电极110B类似于上面介绍的电极110。质子交换膜140可以是任何适当的允许离子传导通过的材料。形成质子交换膜包括现场技术，如旋转铸造法或溶液铸造法，以及设置预成型膜到催化剂。示例性的可从市场买到的质子交换膜是由Dupont公司出售的Nafion_(带有聚四氟乙烯骨架的全氟硫磺酸膜)。其他的质子交换膜可从市场买到，这是所属领域的技术人员都知道的。在一优选实施例中，质子交换膜厚度的范围在10到50微米。但是也可采用其他厚度，如果需要的话。质子交换膜140还可包括顶和底催化剂层，如靠近质子交换膜140的碳/铂层。
在图示的实施例中，粘结剂层120设置在质子交换膜140和第一电极110A之间，设置在质子交换膜140和第二电极11B之间。第一电极110A的孔与第二电极110B的孔对齐，从而形成燃料电池110。当第一电极110A的孔和第二电极110B的孔不要求完全对齐时，第一电极110A的孔最好与第二电极110B的孔至少部分对齐。
示例性的燃料电池100的操作如下。燃料，如氢气或甲醇，引入第一电极110A的孔135，其扩散到位于质子交换膜140第一电极侧110A的第一催化剂层。第一催化剂层促进(氢气燃料的)电子的移动，具有下面所给出的关系：
对于甲醇，有下面的关系式：
电子从第一催化剂层流过第一电极110A上的导电材料116并流经外电路(未显示)，而氢气离子(如质子)朝向位于质子交换膜140的第二电极侧110B的第二催化剂层移动越过质子交换膜140。
氧化剂，如空气或氧气，引导到第二电极110B上的孔135，并扩散到位于质子交换膜140的第二催化剂层。在第二催化剂层，来自氧化剂的氧与流过膜140的氢气离子和从外电路流到第二催化剂层的电子反应，形成水，具有下面的关系式：
电子流提供了希望的电流，水副产物通常是通过蒸发从电池中排出。图1E是图1D所示的微型燃料电池100的示例性实施例的顶视图。
图2A到2D是处于各制造步骤的另一示例性微型燃料电池的截面示意图。在图2A，电极210具有顶表面212，底表面214和厚度T2，厚度由顶表面212和底表面214之间的距离形成。在图示实施例中，电极210是导电材料，如导电金属或导电聚合物。在图示的实施例中，电极210可具有适合的厚度，如厚度为2mil或更小。但是，也可采用其他厚度。
在图2B，可选粘结剂层220设置在电极210上。粘结剂层220可以是导电的，可使用传统的方法设置。粘结剂层220可具有任何适当的厚度。
在图2C，孔235穿过电极210厚度T2形成。形成孔235可使用传统的方法，如冲孔，蚀刻或激光切割。孔235由围绕孔235的孔表面230限定。孔235可具有任何适当尺寸或形状。在图示的实施例中，孔235是矩形，正方形，或圆形，截面表面积小于1平方毫米。在图2A-2C，粘结剂220显示出在孔235形成之前施加。但是，在另外的实施例中，粘结剂220可在孔235形成后施加。
图2D显示了质子交换膜240，其层压在第一电极210A和第二电极210B之间。第一电极210A和第二电极210B可类似于上面介绍的电极210。在图示的实施例中，粘结剂层220设置在质子交换膜240和第一电极210A之间，设置在质子交换膜240和第二电极210B之间。如上所述，第一电极210A的孔至少部分与第二电极210B的孔对齐。完成的组件形成燃料电池200。质子交换膜240还可包括靠近质子交换膜240的顶和底催化剂层，如上面所介绍的。图2E是图2D所示的微型燃料电池200的示例性实施例的顶视示意图。
图3A到3D是处于各制造步骤的另一示例性微型燃料电池的截面示意图。在图3A，电极310具有顶表面312，底表面314和厚度T3，厚度由顶表面312和底表面314之间距离形成。在图示实施例中，电极310是导电材料，如导电金属或导电聚合物。在图示的实施例中，电极310可具有适合的厚度，如厚度为2mil或更小。
在图示的实施例中，孔335可预成形成，穿过电极310的厚度T3。形成孔235可使用传统的方法，如冲孔，蚀刻或激光切割。孔335由围绕孔335的孔表面330限定。孔335可具有适合的尺寸或形状。在图示的实施例中，孔335是矩形，正方形或圆形，截面表面积小于1平方毫米。
在图3B，可选粘结剂层320设置在电极310上。粘结剂层320可以是导电的，可使用传统的方法设置。粘结剂层320可具有任何适当的厚度。在图3A到3C，粘结剂320显示出在孔335形成以后施加。但是，在另外的实施例中，粘结剂320可在孔335形成之前施加。
图3C显示了质子交换膜340，其层压在第一电极310A和第二电极310B之间。第一电极310A和第二电极310B可类似于上面介绍的电极310。在图示的实施例中，粘结剂层320设置在质子交换膜340和第一电极310A之间，设置在质子交换膜340和第二电极310B之间。第一电极310A的孔至少部分与第二电极310B的孔对齐。完成的组件形成燃料电池300。质子交换膜340还可包括顶和底催化剂层，靠近质子交换膜340，如上面所介绍的。图3D是图3C所示的微型燃料电池300的示例性实施例的顶视示意图。
图4A到4D是处于各制造步骤的另一示例性微型燃料电池的截面示意图。在图4A，电极410具有顶表面412，底表面414和厚度T4，厚度由顶表面412和底表面414之间距离形成。在图示实施例中，电极410包括非导电材料或基体415。在图示的实施例中，电极410可具有适合的厚度，如厚度为2mil或更小。
在图示的实施例中，孔435预先形成，穿过电极410的厚度T4。形成孔435可使用传统的方法，如冲孔，蚀刻或激光切割。孔435由围绕孔435的孔表面430限定。孔435可具有适合的尺寸或形状。在图示的实施例中，孔435是矩形，正方形或圆形，截面表面积小于1平方毫米。
在图4A所示的实施例中，基体415在至少一部分上或在整个孔表面430涂复了导电材料416。此外，导电材料可设置在至少一部分顶表面412和/或至少一部分底表面414。在某些实施例中，导电材料可在顶表面412和/或底表面414上图案化。孔表面430上的导电材料116可提供密封，帮助防止燃料从孔435逸出，尤其在基体415相对燃料是多孔的情况下。在图示实施例中，导电材料116可具有适当厚度，如厚度达到1000埃。导电材料116可以是导电金属或导电聚合物。
在图4B，可选粘结剂层420设置在电极410。粘结剂层420可以是导电的，可使用传统的方法设置。粘结剂层420可具有适合的厚度。在某些情况下，孔在施加粘结剂之后形成，在另一些情况下，可在施加粘结剂之前形成孔。
图4C显示了质子交换膜440，其层压在第一电极410A和第二电极410B之间。第一电极410A和第二电极410B可类似于上面介绍的电极410。在图示的实施例中，粘结剂层420设置在质子交换膜440和第一电极410A之间，设置在质子交换膜440和第二电极410B之间。如上所述，第一电极410A的孔至少部分与第二电极410B的孔对齐。完成的组件形成燃料电池400。质子交换膜440还可包括靠近质子交换膜440的顶和底催化剂层，如上面所介绍的。图4D是图4C所示的微型燃料电池400的示例性实施例的顶视示意图。
图5是微型燃料电池阵列的透视图。在一些示例性实施例中，多个微型燃料电池500可经济地在大片材料501上生产。片510可包括多个穿过顶部电极510A和底部电极510B的孔535，如上所述。各个孔具有孔截面区530，如图所示。质子交换膜540可设置在顶部电极510A和底部电极510B之间，最好越过孔，以便暴露于燃料源。
图6是图5所示的燃料电池阵列600的透视图，其中燃料电池阵列分割成各种形式。图5的材料片501分割成一个个单个燃料电池，或多个燃料电池阵列。在某些情况下，燃料电池阵列中的燃料电池可进行串联，并联或某种组合，取决于应用条件。串联连接燃料电池容易增加输出电压水平，而并联燃料电池容易增加输出电流水平。因此，通过适当地串联和/或并联连接燃料电池，可得到希望的燃料电池的电输出特性。在一个示例性实施例中，各燃料电池阵列可具有5个或更多的电串联的燃料电池。
图7是根据本发明的示例性实施例的燃料电池阵列700的分解透视图。在图示的实施例中，顶部电极710A具有多个孔735A，底部电极710B具有多个孔735B。孔735A和735B显示出至少部分对准质子交换膜740，质子交换膜设置在顶部电极710A和底部电极710B之间。质子交换膜740显示出越过孔735A和735B，沿质子交换膜PEM区745A和745B延伸。
电触点750A从顶部电极710A的孔735A延伸到第一区755A。电触点750B从底部电极710B的孔735B延伸到第一区755B。顶部电极710A上的至少一个电触点750A在重叠区760A和760B至少部分重叠底部电极710B上的电触点750B。在图示的实施例中，质子交换膜740未延伸到重叠区760A的顶部电极710A或重叠区760B的底部电极710B之间。因此，当顶部电极710A层压到底部电极710B时，其间设有质子交换膜740，顶部电极710A上的电触点750A电连接底部电极710B上的电触点750B。这样可使一个微型燃料电池串联电连接到另一微型燃料电池。类似的方法可用来并联电连接微型燃料电池，如果需要还可用来进行串联和并联。
图8是制造微型燃料电池的示例性方法的侧视示意图。在图示的实施例中，燃料电池阵列800可在卷筒到卷筒过程中在图5所示的连续片上形成。连续长度的顶部电极710A可设置在第一卷705A上。例如，连续长度的底部电极710B可设置在第二卷705B。连续长度的顶部电极710A和底部电极710B可同步移动到连接单元880，同时连续长度的质子交换膜840位于连续长度的顶部电极710A和连续长度的底部电极710B之间。孔可预成形，或在进入连接单元880之前形成。在进入连接单元880之前，顶部电极710A和底部电极710B的孔至少部分配准。连接单元880可进行任何传统的层压操作，施加压力到顶部电极810A和底部电极810B，形成燃料电池叠层，如文中介绍的。当使用粘结剂时，粘结剂可在进入连接单元880前施加到质子交换膜和/或顶部电极710A和底部电极710B。离开连接单元880后，设置的切割器可切割多个燃料电池为单个燃料电池或燃料电池阵列，如果需要的话。
图9是安装到燃料容器909的示例性燃料电池900的透视图。在图示的实施例中，燃料电池900固定到容器909，使得质子交换膜通过孔暴露于容器909中的燃料。容器909可容纳燃料源，如氢气或类似燃料。燃料电池阵列900可包括电触点912A和912B，其代表了两个或多个串联、并联或某种组合连接的燃料电池。电触点912A，912B用于提供能量到外部负荷。在这个实施例中，副产物是水，其收集到质子交换膜的外表面，并蒸发到周围的大气中。
本发明不限于上面介绍的特定示例，而是应认为覆盖本发明的所有方面，如所附权利要求适当限定的。对于所属领域的技术人员，阅读本发明的说明后，很清楚，可对本发明进行各种改进，采用等效的工艺和许多不同结构。

Claims (28)

1.一种形成燃料电池的方法，包括步骤：
形成第一孔，由通过第一电极层的第一孔表面限定；
形成第二孔，由通过第二电极层的第二孔表面限定；
层压质子交换膜于第一电极层和第二电极层之间，第一孔与第二孔至少部分对齐，形成燃料电池。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：向第一电极层和质子交换膜之间及第二电极层和质子交换膜之间施加粘结剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘结剂施加步骤在形成第一和/或第二孔的步骤之前进行。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述孔形成步骤在向第一电极层和质子交换膜之间及第二电极层和质子交换膜之间施加粘结剂的步骤之前进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：在第一电极层和第二电极层上设置导电层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在孔形成步骤后进行在第一电极层和第二电极层上设置导电层的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括在第一电极层和第二电极层上设置导电层的步骤，其中第一和第二电极层基本不导电。
8.一种形成多个燃料电池的方法，包括步骤：
形成多个通过第一电极片的第一孔；
形成多个通过第二电极片的第二孔；和
层压质子交换膜于第一电极片和第二电极片之间，其中多个第一孔与多个第二孔至少部分对齐，形成多个燃料电池。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：向第一电极片和质子交换膜之间及第二电极片和质子交换膜之间施加粘结剂。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在形成多个第一孔和多个第二孔的步骤之前进行施加粘结剂的步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在向第一电极片和质子交换膜之间及第二电极片和质子交换膜之间施加粘结剂的步骤之前进行所述孔形成步骤。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述层压步骤包括层压质子交换膜于第一电极片和第二电极片之间，其中第一电极片和第二电极片在至少一个区延伸超过质子交换膜。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括提供多个图案化第一电极于相邻质子交换膜的第一电极片的表面，提供多个图案化第二电极于相邻质子交换膜的第二电极片的表面，第一和第二图案化电极至少一部分延伸到至少一个区。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述至少一个区，至少一个第一电极重叠至少一个第二电极，形成电接触。
15.一种燃料电池，包括：
第一电极，其包括：
第一电极顶表面；
第一电极底表面；
第一电极厚度，由第一电极顶表面和第一电极底表面之间的第一距离形成；
第一电极孔，由通过第一电极厚度的第一孔表面限定；
第二电极，其包括：
第二电极顶表面；
第二电极底表面；
第二电极厚度，由第二电极顶表面和第二电极底表面之间的第二距离形成；
第二电极孔，由通过第二电极厚度的第二孔表面限定；
第一导电层，设置在至少一部分第一电极顶表面，至少一部分第一电极底表面，和至少一部分第一电极孔表面；
第二导电层，设置在至少一部分第二电极顶表面，至少一部分第二电极底表面，和至少一部分第二电极孔表面；
质子交换膜，电接触第一导电层和第二导电层并位于其间；
其中，第一电极孔至少部分与第二电极孔对齐。
16.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，还包括靠近质子交换膜的顶催化剂层和底催化剂层。
17.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，质子交换层的厚度为1mil或更小。
18.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述第一孔表面形成1平方毫米或更小的第一孔截面区。
19.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述第一导电层的厚度为1000埃或更小。
20.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述第二导电层的厚度为1000埃或更小。
21.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述第一电极厚度和第二电极厚度是2mil或更小。
22.一种燃料电池，包括：
第一电极，其具有第一孔；
第二电极，其具有第二孔；和
质子交换膜，电接触第一电极和第二电极并位于其间，跨越第一孔和第二孔；
其中，第一孔至少部分与第二孔对齐，质子交换层不受支承地越过第一孔和第二孔的至少主要部分。
23.一种燃料电池，包括：
顶层，其具有多个第一电触点和多个第一孔，至少选择的第一电触点从相邻的对应孔延伸到第一区；
底层，其具有多个第二电触点和多个第二孔，至少选择的第二电触点从相邻的对应孔延伸到第二区；其中在重叠区，第一区至少部分重叠第二区；和
质子交换膜，设置在顶层和底层之间，靠近孔但未处于重叠区。
24.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，粘结剂层设置在质子交换膜和顶层之间，设置在质子交换膜和底层之间，或设置在质子交换膜和底顶层之间。
25.一种形成多个燃料电池的方法，包括步骤：
提供第一长度材料，其具有多个第一孔和多个第一电触点；
提供第二长度材料，其具有多个第二孔和多个第二电触点；
提供质子交换膜；
移动第一长度材料进入连接单元；
移动第二长度材料进入连接单元，使得多个第二孔至少部分与多个第一孔配准；
与第一和第二长度材料同时移动质子交换膜进入连接单元，并位于第一和第二长度材料之间，至少部分的质子交换膜与多个第一和第二孔对齐，形成多个燃料电池。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括步骤：施加粘结剂层于质子交换膜和第一长度材料之间，质子交换膜和第二长度材料之间，质子交换膜和第一及第二长度材料之间。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括步骤：分割多个燃料电池成一个个燃料电池。
28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括步骤：分割多个燃料电池成燃料电池阵列。
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