專利名稱：具有多層燃料電池的功率發(fā)生器的制作方法
具有多層燃料電池的功率發(fā)生器
相關(guān)申請的交叉引用
本申請根據(jù)35 U. S. C § 119(e)要求于2006年1月10日提交的美 國臨時專利申請序列號為60/757,823的優(yōu)先權(quán)，在此以引用的方式并 入本文中。
背景技術(shù)：
在某些基于燃料電池的功率發(fā)生器中，存在水的條件下將氫從燃料 中提取后，導入燃料電池以產(chǎn)生電。典型地，基于氫發(fā)生器和質(zhì)子交換 膜(PEM)燃料電池的功率發(fā)生器在該功率發(fā)生器高效運轉(zhuǎn)時，提供窄 范圍的功率輸出。改變功率發(fā)生器的所述功率輸出通常需要重新設(shè)計該 功率發(fā)生器，這是不合需要的。

發(fā)明內(nèi)容
一種功率發(fā)生器具有例如產(chǎn)氫燃料的氫源和多層燃料電池的構(gòu)造。 所述多層燃料電池或燃料電池堆提供了 一種易于調(diào)整以產(chǎn)生寬范圍的 功率輸出而不需重新設(shè)計的功率發(fā)生器。
在一個實施例中， 一層中的每個燃料電池均具有分離所述產(chǎn)氬燃料 和周圍物的質(zhì)子交換膜。所述層以該方式布置，使得作為氧的來源的周 圍物，設(shè)置在所述膜的陰極側(cè)，且在所述質(zhì)子交換膜的陽極側(cè)可獲得從 產(chǎn)氳燃料中產(chǎn)生的氫。可串聯(lián)和/或并聯(lián)耦合燃料電池以提供所需的電 壓/電流。該功率發(fā)生器被設(shè)計成，使得易于串聯(lián)或并聯(lián)添加附加層或 多層以增加功率輸出。


圖1為根據(jù)一示例實施例的具有多層燃料電池的圓柱狀功率發(fā)生器 的截面圖。
圖2為根椐一示例實施例的燃料電池在一層中的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3A和圖3B為根據(jù)一示例實施例，說明在一層中燃料電池間的不
同電連接的電氣示意圖。
圖4A和圖4B為根據(jù)一示例實施例，說明多層間的不同電連接的電
氣示意圖。
圖5為根據(jù)又一示例實施例在一層中的燃料電池的結(jié)構(gòu)框圖。圖6為根據(jù)一示例實施例的燃料電池堆層的截面圖，說明電連接和
透水蒸汽不透氫膜的使用。
具體實施例方式
在以下描述中，參照附圖，其中附圖構(gòu)成了描述的一部分，并且在 附圖中借助于說明的方式示出了可被實施的特定實施例。這些實施例凈皮 描述的足夠詳細以4吏得本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以實施本發(fā)明，且應當理解 的是可以使用其他實施例以及在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，，可對本 發(fā)明作出結(jié)構(gòu)、邏輯和電氣改變。由此，以下描述不可被作為有限的理 解，且本發(fā)明的范圍由所附加的權(quán)利要求所限定。
提供一種電氣功率發(fā)生器，在其中通過水蒸氣和吸潮固體燃料物質(zhì) 的反應產(chǎn)生氫氣。在燃料電池，例如包含質(zhì)子交換膜的燃料電池中，所 述氫氣與氧反應產(chǎn)生電能。氫和氧的反應也產(chǎn)生水分子作為所述燃料電 池的副產(chǎn)品。這種產(chǎn)生的水作為水蒸汽可從燃料電池被動擴散至包含所 述固體燃料物質(zhì)的燃料室，在燃料室中其與燃料物質(zhì)反應產(chǎn)生氬氣。所 述產(chǎn)生的電能依賴于功率發(fā)生器的規(guī)格，可被用于為大或小型設(shè)備提供 電力。
所述功率發(fā)生器可用于為小型設(shè)備，例如無線傳感器、蜂窩電話或 其他手持電子設(shè)備提供電力，該小型設(shè)備電連接至所述功率發(fā)生器的一 個或多個燃料電池的陽極和陰極?？赏ㄟ^一種提供燃料電池至氧的通路 的結(jié)構(gòu)來支撐多層燃料電池，例如從周圍物和氫以產(chǎn)生電力。
單個功率發(fā)生器設(shè)計可簡單地通過堆疊所需數(shù)目的燃料電池層來 提供寬范圍的功率水平。每層中的燃料電池可串聯(lián)連接，且所述層并聯(lián)
連接(以提供更大電流)。如果例如一層燃料電池可提供10mW功率發(fā) 生器。如果需要20mW的話，則可使用兩層，等等?？赏ㄟ^燃料電池堆 內(nèi)的中心圓柱來實現(xiàn)電和氣體連接。所述燃料電池和層可根據(jù)需要串/ 并聯(lián)電耦合以提供更高或更低的電壓和電流?？稍黾訉右栽龃蠊β瘦?出，也可移除層以減小功率輸出。
圖1為一多層堆疊的功率發(fā)生器100的截面圖。功率發(fā)生器100包 括容器110中的產(chǎn)氫燃料105。在一實施例中，支撐結(jié)構(gòu)115耦合至所 述容器，包括多個堆疊關(guān)系的板120、 125、 130、 135、 140和145。所 述板通過內(nèi)圓柱150和通過外環(huán)狀結(jié)構(gòu)155耦合起來。這種耦合提供折 疊狀結(jié)構(gòu)橫截面，允許周圍物157流至標記為160、 162和164的多層中的多個燃料電池的陰極側(cè)。所述內(nèi)圓柱15 0允許從燃料105產(chǎn)生的氬 流至標記為166、 168和170的多層中的多個燃料電池的陽極側(cè)。電極 180也被示為將多個層耦合在一起以提供所需的功率水平。在一實施例 中所述電極也可布置于內(nèi)圓柱150中，或在其它實施例中設(shè)置于其它地 方。
功率發(fā)生器100的每個組件部分可進一步封入合適的中空結(jié)構(gòu)中， 例如通過合適材料形成的管，例如聚乙烯對苯二酸酯(未顯示)，該封 裝也可通過合適的蓋(未示出)蓋在頂和/或底面上，蓋可為可移除的， 且可通過與該封裝相似或不同的材料形成。
如圖示，在一實施例中提供了三級燃料電池。例如，如果每一層提 供10mW功率，那么該功率發(fā)生器提供30mW功率。依賴于設(shè)計和規(guī)格， 多層可提供不同的功率水平?？稍黾泳哂邢鄳娜剂想姵氐母郊訉影逡?增大功率輸出，或使用更少的層以減少功率輸出。所述功率發(fā)生器可通 過簡單配置就能滿足不同設(shè)備的需求，可用來供電而不必重新設(shè)計所述 功率發(fā)生器。在另外的實施例中，可提供多個燃料電池層，但僅有所需 數(shù)量的層需要被電氣連接。這允許同一功率發(fā)生器被配置成提供不同的 功率輸出水平。
在一實施例中支撐結(jié)構(gòu)115與燃料電池電氣絕緣。其可由PET或鋼， 或其它能夠提供足夠支撐的材料制成。
在一實施例中，與板或支撐結(jié)構(gòu)115間的通道或溝道相對應，所述 外環(huán)狀結(jié)構(gòu)155可具有孔或開口 ，以允許周圍空氣通往陰極。其也可以 如所示出的，完全開放，或簡單包括柱子或其它支撐結(jié)構(gòu)，以提供所需 的枳4成穩(wěn)定性。相似地，所述內(nèi)圓柱150可制為允許氬通往陽極。
板125、 135和145提供支撐結(jié)構(gòu)以支撐燃料電池。如上所指出， 每個燃料電池具有陰極和電極。所述板也確保所述燃料電池的每側(cè)暴露 于合適的介質(zhì)中，例如燃料電池陰極側(cè)的周圍物和陽才及側(cè)的氬。板120、 130和135,與所述支撐板交替排列，作為對陽極周圍物的屏障，也提 供從周圍物至陰極的路徑或通道。
在一實施例中，在所述產(chǎn)氫燃料和所述燃料電池之間設(shè)置調(diào)壓閥 182。該閥包括設(shè)置于所述產(chǎn)氫燃料的第一側(cè)上的壓力響應柔性隔板 184,以及連接板閥188的活塞或桿186,用于裝在支撐結(jié)構(gòu)的板120上。 板120可包含環(huán)狀座環(huán)190,以實現(xiàn)與板閥188的密封接觸。在示出的實施例中，所述隔板由所述燃料與所述燃料電池相對。在 另一些實施例中，所述隔板可位于同一側(cè)，或根據(jù)需要位于該功率發(fā)生 器的不同其它位置。所述隔板按照與以上所迷實施例類似的方式運作。
所述燃料805也可以與上述實施例相似的方式構(gòu)建。
在另一實施例中，可在板間布置旋轉(zhuǎn)環(huán)狀門閥，例如在板125和137 間，以選擇性關(guān)閉板125中所支撐的燃料電池以與周圍物隔開。所述燃 料電池中的其它層可繼續(xù)正常運作。在又一實施例中，可布置一環(huán)狀門 閥以根據(jù)需要將周圍物關(guān)閉以與所有燃料電池隔離。在板145上可具有 附加板，用于支撐與支撐于板145上的所述燃料電池相關(guān)的環(huán)狀門閥。
功率發(fā)生器100的每一部分，可由合適的聚合物材料、金屬或其它 由功率發(fā)生器的應用所確定的其它材料制成。非排外地， 一種示例材料 包括聚乙烯對苯二酸酯。功率發(fā)生器100的元件部分的尺寸可以很小， 但同時可按照所述功率發(fā)生器的用途而不同。這樣一種無水、微功率發(fā) 生器的外部尺寸的長度可以從大約l,至大約100,,寬度從大約l難 至大約lOOnmi,且深度從大約lmm至大約100mm,或在又一實施例中， 長度從大約lmm至大約25,長，或者當堆疊更多電池時，上迷長度更 長。在另外的實施例中，所述功率發(fā)生器寬度從大約l隱至大約25mm， 且深度從大約lmm至大約25mm。這些尺寸僅僅意味著作為示例，而非作 為限制，因為其它實施例中尺寸可以更大或更小。
圖2為根據(jù)一示例實施例，在一層中燃料電池的結(jié)構(gòu)框圖。每一層 可根據(jù)需要具有不同的燃料電池布局，或相同的布局。在一個實施例中，
個餅狀燃料電池210、 220、 230和240,被支撐結(jié)構(gòu)115的部分所支撐。 所述內(nèi)圓柱150被示出位于層的中心。在一個實施例中，可通過內(nèi)圓柱 150實現(xiàn)至不同層的電連接。在另一些實施例中，可利用更多或更少不 同形狀和尺寸的燃料電池。其它形狀包括但不限于矩形、方形、圓形、 三角形等等。所示出的餅形可通過最大化固定直徑功率發(fā)生器容器內(nèi)的 可用表面積，而提供更高的功率密度。
圖3A和圖3B為根據(jù)一示例實施例，說明在層中燃料電池間的不同 電連接的電路示意圖。圖3A說明在層內(nèi)6個燃料電池的串聯(lián)連接。在 所述層內(nèi)所述電池陽極耦合至陰極， 一組相鄰燃料電池的陽極和陰極提 供觸點310, 315以耦合至其它層的燃料電池和外部負載。圖3B說明在層內(nèi)6個燃料電池的并聯(lián)連接。每個陰極可互相連接且有觸點320,每 個陽極可互相連接且有觸點325。觸點320和325作為連接至其它層和
外部負載的連接點。
圖4A和圖4B為根據(jù)一示例實施例，說明層間的不同電連接的電氣 示意圖。圖4A說明在三層之間的并聯(lián)連接。導線410耦合至層125、 135 和145中每一層的陽極，而導線415耦合至125、 135和145中每一層 的陰極。圖4B說明在功率發(fā)生器中三層之間的串聯(lián)連接。通過連接器 420,層125的陽極連接至層135的陰極。通過連接器425，層135的陽 極連接至層145的陰極。層135的陽極435和層125的陰極440可連接 至負載。在其它實施例中，連接器420和425可根據(jù)需要連接所述層的 不同電極。連接所述層的任 一 方法可與連接層內(nèi)電池的不同方法混合， 從而提供寬范圍的電壓和電流選擇。也可加入更多的層以增大功率。也 可使用更少的層，或可以剩下層不連接以減小功率。
在另一些實施例中，層和功率發(fā)生器的尺寸通?？梢员徽{(diào)整以獲取 寬范圍的功率。如果需要，可增加更多的層以增大功率水平。其它實施 例中，如果需要，所選的燃料電池可耦合至未耦合的電池。
在 一 個實施例中，單個的燃料電池所提供的功率與該燃料電池的質(zhì) 子交換膜的面積成比例。該燃料電池所產(chǎn)生的電壓約為0. 95V,且當負 載從該燃料電池中提取電流時，電壓會下降。燃料電池的典型工作范圍 在0. 6至0. 65V之間。對于一個給定的電流提取值，并聯(lián)連接幾個電池 可導致4支高的工作電壓。相似地，為了增加一組電池的電壓，也可將其 串聯(lián)連接。為了在負載下維持較高的電壓， 一組電池，例如層中的所有 電池可被串聯(lián)耦合，而不同層可被并聯(lián)連接。這些僅僅是無需改變功率 發(fā)生器的基本設(shè)計，而是通過改變電連接即可實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)的幾個例子。 通過在層內(nèi)串和/或并聯(lián)電耦合燃料電池，以及層間串和/或并聯(lián)電耦 合，就可獲得所需要的電特性，例如電壓和/或電流。
圖5為根據(jù)又一示例實施例的燃料電池在層500中的結(jié)構(gòu)框圖。在 此實施例中，五個燃料電池510、 515、 520、 525和530串聯(lián)耦合。每 個燃料電池的陰極耦合至相鄰電池的陽極，燃料電池525的陰極535電 耦合至中心圓柱545內(nèi)的接入觸點540。燃料電池530的陽極550連接 至中心圓柱545內(nèi)的接入觸點555。在疊層功率發(fā)生器中，不同層的接 入點可通過中心圓柱545輕易地耦合起來，中心圓柱545還向燃料電池提供氫。
圖6為根據(jù)一示例實施例的燃料電池堆600的截面圖，說明了通過 圓柱540至燃料電池的多個層的電連接610、 615,以及透水蒸汽不透氫 膜620、 625和630的使用。在一個實施例中，所述透水蒸汽不透氫膜 620、 625和630可以為Naf ioi^膜。在一個實施例中，它們可被設(shè)置為 與燃料電池640、 645和650相對，可^皮用于收回纟皮燃料電池所產(chǎn)生的 水。在此構(gòu)造中，所述燃料電池可工作于明顯更高的電流密度，因為它 們不需要提供產(chǎn)生電力和回收水的雙重作用。圓柱540可為中心圓柱， 也可作為電導線的導管，所述電導線用于以需要的方式電耦合燃料電池 的不同層，例如串聯(lián)或并聯(lián)。
遵照37C. F. R § 1. 72 (b)提供摘要，以使得讀者能夠迅速弄清本技 術(shù)批露的本質(zhì)和要點。需要理解的是，提供的摘要不能用于解釋或限制 權(quán)利要求的范圍或含義。
權(quán)利要求
1、一種功率發(fā)生器，包括氫源；多層堆疊燃料電池，每一燃料電池具有陰極、質(zhì)子交換膜和位于氫源與周圍物之間的陽極，其中每一層中的陽極和陰極電耦合，并且各層電耦合，以提供所需的電壓或電流。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，其中，所述堆中每一層包含多 個燃料電池，其中所收堆的第 一層每個燃料電池的陰極暴露至周圍物， 以及所述堆的第二層層中每個燃料電池的陽極暴露至來自氫源的氪。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，進一步包括暴露至周圍物的透 水蒸汽不透氫膜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，其中，層內(nèi)燃料電池通過串聯(lián) 或并聯(lián)電耦合。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，其中，燃料電池的各層在中心 圓柱處具有接觸點，且各層通過所述中心圓柱串聯(lián)或并l關(guān)電耦合。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，其中，燃料電池的各層具有開 口，允許來自氫源的氬接觸各層內(nèi)每個燃料電池的陽極，也為從燃料電 池產(chǎn)生的水蒸汽回到氬源提供通路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的功率發(fā)生器，其中，每一層具有通往各層之 間的周圍物的開口，從而允許所述陰極接近周圍物。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，進一步包括與所述燃料電池電 隔離的支撐結(jié)構(gòu)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8的功率發(fā)生器，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)提供連接 多個折疊形狀的板和交替設(shè)置的板中的燃料電池的中心圓柱，作為連接 不同板的燃料電池的電導線的管道。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的功率發(fā)生器，其中，不包含燃料電池的交替 板包含透水蒸汽不透氫膜，其一側(cè)暴露于周圍物中，另一側(cè)暴露于氬中。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，進一步包括設(shè)置于氫源和燃料電池之間的壓力調(diào)節(jié)閥，其中所述壓力調(diào)節(jié)閥包 括設(shè)置在產(chǎn)氬燃料第一側(cè)的壓力響應柔性隔板，和連接板閥用于設(shè)置在 所述支撐結(jié)構(gòu)的第 一板上的活塞。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11的功率發(fā)生器，其中，當氫源和燃料電池間 的壓力高于預定水平時，所述壓力調(diào)節(jié)閥位于第一板上。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的功率發(fā)生器，其中，當氫源和燃料電池間 的壓力低于預定水平時，所述壓力調(diào)節(jié)閥允許氫源暴露至燃料電池。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1的功率發(fā)生器，其中，燃料電池的每一層包括 多個圓形布置的燃料電池，所述功率發(fā)生器進一步包括多開口門閥，其 定位成可控地提供一層燃料電池的陰極至周圍物的通路。
15、 一種功率發(fā)生器，包括 產(chǎn)氫燃料；多層堆疊燃料電池，每一燃料電池具有陰極、質(zhì)子交換膜和位于所 述燃料與周圍物之間的陽極，其中每一層內(nèi)的陽極和陰極電耦合，各層 也電耦合，以提供所需的電壓或電流；具有多板的支撐結(jié)構(gòu)，用于支撐所述燃料電池和提供陰極至周圍物 以及陽極至氬的通路，其中所述支撐結(jié)構(gòu)包括圓柱，其提供管道，用于 燃料電池澤反間的電連4妾；以及設(shè)置于產(chǎn)氬燃料和燃料電池之間的壓力調(diào)節(jié)閥。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15的功率發(fā)生器，其中，所述圓柱為中心圓柱， 其允許陽極接近產(chǎn)氫燃料所產(chǎn)的氬。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15的功率發(fā)生器，其中，所述板以折疊的方式 相互連接，以允許陰極接近周圍物。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15的功率發(fā)生器，其中，層內(nèi)燃料電池通過串 耳關(guān)或并耳關(guān)電井馬合。
19、 根據(jù)權(quán)利要求15的功率發(fā)生器，其中，燃料電池的各層串聯(lián) 或并耳關(guān)電耦合。
20、 一種在多個燃料電池層功率發(fā)生器中電配置燃料電池以提供不 同功率^T出的方法，該方法包4舌在層內(nèi)串聯(lián)和/或并聯(lián)電耦合燃料電池；和串聯(lián)和/或并聯(lián)電耦合各層以獲得所需的電特性。
全文摘要
一種功率發(fā)生器具有例如產(chǎn)氫燃料的氫源以及具有質(zhì)子交換膜用于分隔產(chǎn)氫燃料與周圍物的燃料電池。在所述燃料電池與周圍物之間設(shè)置有一閥，由此通過促動該閥可控地防止水進入或離開所述燃料電池。在一個實施例中，多個燃料電池圍繞燃料布置成圓形，所述閥為一可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形門閥，具有對應于燃料電池的多個開口。
文檔編號H01M8/02GK101421872SQ200780012846
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者S·J·埃克霍夫 申請人:霍尼韋爾國際公司