專利名稱：燃料電池組的制作方法
燃并+電池組
背景技術：
在一些現(xiàn)有的基于質子交換膜(proton exchange membrane(PEM)) 燃料電池的電力發(fā)生器中，使用氣動閥來控制給氫氧PEM燃料電池 供料的氫氣發(fā)生化學反應。閥門構成電力發(fā)生器容積和重量的相當大 部分，并因此降低了電力發(fā)生器的能量密度和比能(specificenergy)。
PEM燃料電池利用簡單的化學反應將氫和氧結合成水，并在該過 程中產(chǎn)生電流。氫氣可通過燃料(諸如氫化鋁鋰)和水蒸氣之間的化學 反應產(chǎn)生。在陽極，氫氣分子被鉑催化劑電離并放出電子。PEM允許 質子流過，但不允許電子流過。因此，氫離子經(jīng)過PEM流到陰極， 而電子經(jīng)過外部電路流動。當電子穿過外部電路遷移時，它們通過給 電氣裝置(諸如電動機、燈泡或電子電路)供電而做有用功。在陰極， 電子和氫離子與氧結合形成水，反應的副產(chǎn)物為水和熱量。
在一些電力發(fā)生器中，水傾向于在陰極積聚。水會阻塞孔隙，并 由此阻塞反應物(reactant species)的通道，導致發(fā)電減少。
附圖簡述


圖1是基于示范性實施例的電力發(fā)生器的截面圖。
圖2是基于示范性實施例的電力發(fā)生器的俯視截面圖。
圖3A是基于示范性實施例的燃料電池組的截面圖。
圖3B是基于示范性實施例的備選燃料電池組的截面圖。
圖4是基于示范性實施例的燃料電池組的透視圖。
圖5是基于示范性實施例的備選電力發(fā)生器的截面圖。
在以下描述中，參考了構成其一部分的附圖，并在圖中通過圖解 說明顯示了可能實施的具體實施例。這些實施例以足夠的細節(jié)進行了 描述，使得本領域的技術人員能夠實施本發(fā)明，并且應當理解，可以 利用其它實施例，并且在不背離本發(fā)明范圍的前提下可進行結構、邏 輯或電氣方面的修改。因此，以下描述不能從限制性的意義上理解， 并且本發(fā)明的范圍由所附的權利要求限定。
詳細描述描述了多個實施例，包括可包括水循環(huán)的無閥門電力發(fā) 生器。
圖1是電力發(fā)生器100的前^L截面圖。圖2是電力發(fā)生器100的 俯視截面圖。電力發(fā)生器包括暴露于空氣的燃料電池組110。電力發(fā) 生器100在一個實施例中構造為帶有兩個端部并且包圍燃料120的中 空圓筒。用于電力發(fā)生器形狀的其它幾何結構包括矩形實體、球體及 其它非幾何的形狀。在一個實施例中，燃料為由發(fā)生堆(generating stack) 用來發(fā)電的氫氣發(fā)生燃料。在一個實施例中燃料包括氫氣和多孔的金 屬氫化物燃料。燃料電池組110與來自空氣的氧結合生成水和電。
如果產(chǎn)生了過量的氬氣，則壓力釋放閥130可用來釋放壓力。釋 放閥可定位于電力發(fā)生器上，帶有通往由燃料產(chǎn)生的氫氣的通道。燃 料多孔的特性允許釋放閥定位于電力發(fā)生器的 一端。在一個實施例 中，壓力釋放閥130起到防止爆炸的安全閥的作用。在一個實施例中， 如果電力發(fā)生器的內壓力上升到高于預定值，諸如高于周圍環(huán)境壓力 IOPSI到IOOPSI，則壓力釋放閥130將氫氣排出到大氣或周圍環(huán)境中。 內壓力釋放之后，閥門可關閉，4吏得電力發(fā)生器能夠恢復正常運行。
圖3A顯示燃料電池組300的截面圖。陰極集電器(cathode current collector)305形成于燃料電池組300的外側并暴露于空氣?？紫缎纬?于集電器305中，以允許空氣穿過。陰極氣體擴散層(gas diffusion layer (GDL) )310與陰極集電器聯(lián)接。疏水微孔層(micro porous layer)315形 成于陰極GDL上并將陰極GDL310與涂覆催化劑的質子交換膜 (PEM)(諸如Nafion 膜層320)隔開。
親水微孔層325將層320與陽極GDL 330隔開，陽極GDL 330本身又與陽極集電器335聯(lián)接。陽極集電器335具有形成于其中的孔 隙，以允許氬氣穿過到達陽極。陽極集電器335被水蒸氣和氫氣可透 過的膜340隔開。膜340是液態(tài)水和微粒不可透過的，膜340用來將 燃料345與陽極集電器335隔開。陰極與氫氣發(fā)生燃料之間的層用來 將陰極與包含燃料345的氬氣發(fā)生器隔開，當暴露于水蒸氣時燃料345 產(chǎn)生氫氣并提供擴散通道。
圖3B顯示備選的燃料電池組360。在一個實施例中，質子交換 部件362包括全氟化的膜，諸如全氟磺酸或全氟羧酸，或烴膜或復合 膜。燃料電池組由以下部件組成陰極集電器364、帶有微孔層的氣 體擴散電極366(除了在微孔層的表面而不是在Nafion 上帶有催化 劑368之外，帶有疏水MPL的該氣體擴散電極與氣體擴散層相同)、 質子交換膜(無催化劑)、帶有疏水MPL(在MPL的表面上具有催化劑 374)的陽極氣體擴散電極370和陽極集電器380。
氣體擴散電極在一個實施例中為帶有三個層的單體(one piece)。 三個層為氣體擴散層(GDL)(碳紙(carbon paper))、微孔層(MPL) (PTFE 或PVDF)和催化劑層(^友/鉑)。
圖4是燃料電池組300的透視圖。顯示了陽極集電器335，展示 了多個孔隙410。在一個實施例.中，孔隙相對較大，以允許氬氣穿過 移動到陽極氣體擴散層330。
氫氣發(fā)生器中使用的水在燃料電池中通過來自周圍環(huán)境的氧氣 與來自氫氣發(fā)生器的氫氣之間的電化學反應產(chǎn)生。在恒定電負載下， 在燃料電池上產(chǎn)生的水與產(chǎn)生電化學反應中消耗的氫氣所需要的水 的量精確地或基本上相當，因此，當所產(chǎn)生的水被循環(huán)時反應是自持 運轉的。術語"基本上相當"考慮了在燃料電池上產(chǎn)生的水可能不是 精確地與產(chǎn)生氫氣所需要的水相當。來自周圍環(huán)境的水蒸氣也可能被 轉移，并且一些水蒸氣可能散失到周圍環(huán)境中。提供釋放閥130以防 反應產(chǎn)生過量的氫氣。
陰極GDL上的疏水涂層和陽極GDL上的親水涂層通過提高PEM兩側的液壓壓差來促進水穿過PEM的回滲(back permeation)。陽極上 的吸濕材料(氫氣發(fā)生氫化物燃料)通過降低陰極上的濕度(蒸氣壓力) 進一步提高PEM兩側的液壓壓差。由此在燃料電池陰極和氫氣發(fā)生 器之間提供了擴散通道。
電力發(fā)生器100是不需要運動部件而發(fā)電的無閥門電力發(fā)生器。 此外，對于發(fā)電不存在由使用閥門來控制水蒸氣從燃料電池擴散到燃 料的電力發(fā)生器所施加的限制。此外，無閥門電力發(fā)生器可提供自動 調節(jié)的水流。氫氣發(fā)生速率根據(jù)從燃料電池中提取的電能進行調節(jié)而
不需要運動部件。還有，通過不需要閥門操作，燃料電池可占用電力 發(fā)生器的表面，而燃料占用電力發(fā)生器的大量容積。去除閥門釋放出 電力發(fā)生器相當大一部分容積用于額外的燃料，提高了電力發(fā)生器的 能量密度和比能。
可形成許多不同尺寸的電力發(fā)生器，諸如具有與現(xiàn)有的電池相同 容積形狀的電力發(fā)生器，或者具有其它所需形狀的電力發(fā)生器。在一 個實施例中，電力發(fā)生器可包裝在容器內，容器或者通過容器中選擇 的孔眼(holes)，或者通過氣體可透過的容器提供陰極通往周圍環(huán)境空 氣的連續(xù)通道。容器可具有通往集電板的導線。類似地，容器可具有 電氣上聯(lián)接的串聯(lián)或并聯(lián)的多個燃料電池，以提供所需的電壓容量和 電流容量。
在一些實施例中，電力發(fā)生器不需要液態(tài)水。從燃料電池的陰極 區(qū)提供水蒸氣，而空氣緊靠近陰極提供。水轉移經(jīng)過燃料電池的膜。 從燃料電池的陰極區(qū)提供水通道，而空氣通道緊靠近陰極提供，其中, 通道不經(jīng)過燃料電池的膜。經(jīng)過燃料電池的水轉移隨著壓差 (differential pressure)而變化，水轉移速率下降即壓差上升。
在許多實施例中，將微孔層添加到燃料電池膜中，以促進從陰極 到陽極的水轉移。將疏水層添加到燃料電池中，以促進從陰極到陽極 的水轉移。將親水層也添加到燃料電池中，以促進從陰極到陽極的水 轉移。燃料電池可采用微加工方法制造，并且可為陰極提供保護蓋，以 在不需要發(fā)電時防止陰極過分地暴露于空氣和水蒸氣。當需要發(fā)電 時，可取下該蓋。
陰極上的水通量&是至少三個分量(擴散、滲透阻力和液壓滲透)
的函數(shù)
^ —-臟c—力,"" 如果陰極上的水通量為零，則電流(I)為
/=尸
其中
AP — p —p 2C7C0S(4.)
^^c一 — F陰極一 ^陽極 ^
電流密度(I)是PEM膜兩側絕對壓差的函數(shù)。 7 = /X^f]極 一尸陽極)
因為水的產(chǎn)生，且因此氫氣的產(chǎn)生是電流的函數(shù)，因此反饋機制 是固有的，并且其控制壓力并保持電力發(fā)生器穩(wěn)定。因此控制閥不是 必需的。
如前面所指出的，燃料電池陰極上的水通量是至少三種方式的水
轉移的總和PEM膜中的水擴散、電滲透(electroosmosis)和液壓滲透。 通過使用薄膜并利用膜兩側大的水濃度差促進水通過擴散轉移
進電力發(fā)生器((從陰極到陽極)。
通過電滲透轉移出電力發(fā)生器(從陽極到陰極)的水是電流密度的
函數(shù)，并且可以利用低的電流密度使其減到最小。
通過在陰極GDL上使用疏水涂層和小的孔隙尺寸以及在陽極
GDL上使用親水涂層和大的孔隙尺寸可促進水通過液壓滲透轉移到電力發(fā)生器中(從陰極到陽極)。液壓滲透可通過使用在陽極處產(chǎn)生低 濕度(低液壓)氣氛的吸濕燃料而^皮加大。液壓滲透還可以通過在燃料 電池膜兩側建立壓差而被加大。可以通過使電力發(fā)生器在低于周圍環(huán) 境氫氣壓力的條件下運行來達成這一點。
有幾種方法可用來提高從陰極到陽極的水通量。諸如膜厚度(& ) 的參數(shù)可降至最小，陰極微孔層的接觸角度(^)可增至最大。陰極輯 孔層的孔隙半徑(^)也可降至最小。陽極微孔層的接觸角度(&)可降至 最小。同樣，使陽極微孔層的孔隙半徑(^)增至最大有助于提高從陰 極到陽極的水通量。在一個實施例中，參數(shù)不應當降至最小或增至最 大，因為在其極值處它們負面地影響限制電力發(fā)生器性能的其它因 素。
膜兩側的壓差與液壓滲透之間的關系允許電力發(fā)生器不使用閥 門而對化學反應進行調節(jié)。水在這種平穩(wěn)狀態(tài)條件下循環(huán)。可對影響
水流量的以上參數(shù)進行平衡以提供這種循環(huán)。微孔層(MPL)由與聚合 物粘結劑(通常為PTFE或PVDF)混合的100nm到150nm的碳粒子或 石墨粒子組成。陰極MPL的孔隙尺寸可在lOOnm到lOOOnm的范圍 內變化，厚度可在10um到lOOum的范圍內變化，接觸角度可在90 度到120度的范圍內變化。陽極MPL的孔隙尺寸可在500nm到 2000nm的范圍內變化，厚度可在10um到100um的范圍內變化，接 觸角度可在50度到90度的范圍內變化。這些參數(shù)和范圍中的每一項 均為近似值，并且在許多實施例、中可被超出。
對于負載在其下恒定的平穩(wěn)狀態(tài)條件，由燃料電池產(chǎn)生水的速率 等于由氫氣發(fā)生反應消耗水的速率。反應是自持運轉的并且電力發(fā)生 器內的壓力是恒定的。如果負載增加，則電力發(fā)生器內的壓力降低， 因為氫氣被燃料電池所消耗。內部壓力的下降導致液壓滲透加大，因 此，更多的水轉移到氫氣發(fā)生器中并產(chǎn)生更多的氫氣，然后在較低的 壓力下達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。
如果負載降低，則電力發(fā)生器內的壓力升高，這將減少液壓滲透 和氫氣發(fā)生，然后在較高的壓力下達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。在無負載時， 穿過膜的氬氣滲透損失將基本上與液壓滲透的速率相當，然后達到最 大平穩(wěn)狀態(tài)壓力。在一個實施例中，可鄰近氫氣發(fā)生器設置釋放閥， 以在由于各種原因產(chǎn)生過量氬氣的情況下釋放壓力。
圖5顯示電力發(fā)生器500的另一個實施例。容器510盛裝氬氣發(fā) 生燃料515，該氫氣發(fā)生燃料515在一個實施例中占用電力發(fā)生器相 當大的容積。膜520(諸如Gore Tex水蒸氣和氫氣可透膜)將燃料515 與燃料電池組件530隔開。燃料電池組件530可按照與燃料電池組300 相同的方式形成。
燃料電池組件530在一個實施例中由開放的空間535與膜520隔 開。開放的空間535為氫氣積聚以及穿過燃料電池組的孔口(ports)到 達陽極和陰極提供了空間。因此，在一個實施例中，擴散通道將燃料 電池陰極和氬氣發(fā)生器隔開。燃詩+電池組件530在一個實施例中由容 器510支撐。容器510還包括開口 540和基部545。開口 540提供了 通往周圍環(huán)境空氣以及發(fā)電反應中所使用的氧氣的通道。這種開口可 限制為將提供給陰極的氧氣量限制到對于所需發(fā)電足夠的程度。
對于所需的功率水平，燃料電池陰極上的限制允許基本上足夠的 氧氣從周圍環(huán)境擴散到陰極，同時限制水蒸氣從陰極擴散到周圍環(huán) 境。開口 540還可包含位于開口和陰極之間的氧氣可透過而水蒸氣不 可透過的膜545，對于所需的功率水平，膜545允許基本上足夠的氧 氣從周圍環(huán)境滲透到陰極，同時限制水蒸氣從陰極滲透到周圍環(huán)境。 在一個實施例中，膜550包括一個薄層或多層的氟化乙烯聚合物或氟 化丙烯聚合物(PEP)或全.氟烷^基(PFA),以提供高選擇性。其它材料 也可以按照類似的方式操作。這種膜還可用在其它實施例中，諸如用 于電力發(fā)生器IOO，其中這種膜可包圍陰極。
摘要按照37 C.F.R. § 1，72(b)的要求提供，以使得讀者迅速地弄 清本技術公開的本質和要旨。摘要是基于其不會被用來解釋或限制權
力要求的范圍或含義的理解而提交。
權利要求
1.一種燃料電池組，所述燃料電池組包括陰極集電器；電氣上聯(lián)接到所述陰極集電器的陰極氣體擴散層；由所述陰極氣體擴散層支撐的疏水層；靠近所述疏水涂層的涂覆催化劑的質子交換部件；靠近所述涂覆催化劑的質子交換部件的親水層；支撐所述親水層的陽極氣體擴散層；以及電氣上聯(lián)接到所述陽極氣體擴散層的陽極集電器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述疏水 層和親水層促進水從陰極到陽極的回滲。
3. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述疏水 層和親水層提高質子交換部件兩側的液壓壓差。
4. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述陰極 具有相對小的孔隙尺寸。
5. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述陽極 具有相對大的孔隙尺寸。
6. 根據(jù)權利要求1所舉的燃料電池組，其特征在于，所述燃料 電池組還包括通過膜與所述陽極集電器隔開的氬氣發(fā)生燃料。
7. 根據(jù)權利要求6所述的燃料電池組，其特征在于，所述膜包 括水蒸氣和氫氣可透過的膜。
8. 根據(jù)權利要求6所述的燃料電池組，其特征在于，所述氬氣 發(fā)生燃料包括氫氣和多孔的金屬氫化物燃料。
9. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述質子 交換部件包括全氟化的膜，諸如全氟磺酸或全氟羧酸，或烴膜或復合 膜。 一
10. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述氣體擴散層包括微孔層(MPL)，該微孔層(MPL)具有與聚合物粘結劑混合的 100nm到150nm的碳粒子或石墨粒子。
11. 根據(jù)權利要求10所述的燃料電池組，其特征在于，所述聚 合物粘結劑包括PTFE或PVDF。
12. 根據(jù)權利要求11所述的燃料電池組，其特征在于，所述陰 極MPL具有在大約100nm到1000nm的范圍內變化的孔隙。
13. 根據(jù)權利要求12所述的燃料電池組，其特征在于，所述陰 極MPL的厚度在大約10um到100um的范圍內變化。
14. 根據(jù)權利要求12所述的燃料電池組，其特征在于，所述陰 極MPL具有在大約90度到120度的范圍內變化的接觸角度。
15. 根據(jù)權利要求11所述的燃料電池組，其特征在于，所述陽 極MPL具有在大約500nm到2000nm的范圍內變化的孔隙。
16. 根據(jù)權利要求11所述的燃料電池組，其特征在于，所述陽 極MPL具有從大約10um到,100um的厚度。
17. 根據(jù)權利要求11所述的燃料電池組，其特征在于，所述陽 極MPL具有在大約50度到90度的范圍內變化的接觸角度。
18. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池組，其特征在于，所述燃料 電池組還包括將所述燃料電池組與周圍環(huán)境隔開并具有開口的容器， 對于所需的功率水平，所述開口限制氧氣流從所述周圍環(huán)境擴散到所 述陰極，同時限制水蒸氣從所述陰極到所述周圍環(huán)境的擴散。
19. 根據(jù)權利要求18所述的電力發(fā)生器，其特征在于，所述電 力發(fā)生器還包括位于所述開口和所述陰極之間的氧氣可透過而水蒸 氣不可透過的膜。
20. —種用于電力發(fā)生器的燃料電池組，所述燃料電池組包括 陰極集電器；電氣上聯(lián)接到所述陰極集電器的陰極疏水氣體擴散層； 陽極集電器；電氣上聯(lián)接到所述陽極集電器的陽極親水氣體擴散層；以及 夾在所述疏水層和所述親水層之間的涂覆催化劑的質子交換部件。
21. 根據(jù)權利要求20所述的燃料電池組，其特征在于，所述燃 料電池組還包括將所述燃料電池組與周圍環(huán)境隔開并具有開口的容 器，對于所需的功率水平，所述開口限制氧氣流從所述周圍環(huán)境擴散 到所述陰極，同時限制水蒸氣從所述陰極到所述周圍環(huán)境的擴散。
22. 根據(jù)權利要求21所述的電力發(fā)生器，其特征在于，所述電 力發(fā)生器還包括位于所述開口和所述陰極之間的氧氣可透過而水蒸 氣不可透過的膜。
23. —種用于電力發(fā)生器的燃料電池組，所述燃料電池組包括 陰極集電器；電氣上聯(lián)接到所述陰極集電器的陰極疏水氣體擴散層； 陽極集電器；電氣上聯(lián)接到所述陽極集電器的陽極親水氣體擴散層；以及 夾在所述氣體擴散層之間的質子交換部件，其中所述氣體擴散層 中的至少一層包括催化劑。
24. 根據(jù)權利要求23所述的燃料電池組，其特征在于，所述質 子交換部件包括全氟化的膜。
25. 根椐權利要求24所述的燃料電池組，其特征在于，所述膜 包括全氟磺酸、全氟羧酸、烴膜或復合膜。
全文摘要
一種包括氫氣發(fā)生器和燃料電池組的電力發(fā)生器，燃料電池組具有暴露于來自氫氣發(fā)生器的氫氣的陽極和暴露于周圍環(huán)境的陰極。使用疏水層和親水層來促進水流離開陰極。擴散通道由此將燃料電池陰極與氫氣發(fā)生器隔開。在一個實施例中，燃料電池中產(chǎn)生的水蒸氣基本上與氫氣發(fā)生器產(chǎn)生氫氣所使用的水相當。
文檔編號H01M4/86GK101346838SQ200680048771
公開日2009年1月14日 申請日期2006年10月20日 優(yōu)先權日2005年10月25日
發(fā)明者S·J·埃科夫 申請人:霍尼韋爾國際公司