專利名稱：微型燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明是屬于質子交換膜燃料電池領域。尤其涉及一種使用氫氣和空氣發電的微型燃料電池的改進。
眾所周知，通常的質子交換膜燃料電池發電裝置是由燃料電池堆(由多個電池發電單元組成)，燃料供應系統、氧化劑供應系統、氣體加濕系統、熱交換系統，控制系統和輸出電壓調制等組成的綜合系統，它含有一些專用功能設備如，高壓氣源、減壓閥、氣泵、過濾器、加濕器、氣水分離器、水泵、熱交換器、電壓調制器及溫控、計量儀表等。各設備由氣管、水管和導線連接以達到氣、水、電的輸送。因此，通常實用燃料電池發電裝置是一個較龐大、復雜的系統，它們已應用于宇宙飛船、電動車、潛艇、移動電站上。這些實用的燃料電池發電裝置一個共同特點是發電功率較大，一般從幾百瓦到幾百千瓦，體積、重量也較大。顯然這樣的發電裝置不能用作小型、微型用電器上的電源，如手機、攝像機、筆記本電腦等的電池。近年來，隨著燃料電池技術和相關材料技術、微電子技術的發展，人們試圖把燃料電池小型化、微型化，以滿足便攜式電子產品及特殊場合對小型電源的需求。其中北美某公司研制了一種便攜式質子交換膜燃料電池電源，是由20個發電單元串聯組成外形尺寸85mm×85mm×235mm，再加上一個85mm×85mm×120mm的儲氫器，可得到12V，25W輸出電能，250Wh總容量，總重量為3.3Kg，雖然這種小型發電裝置已大大簡化了傳統燃料電池發電系統，但用于小型電子產品上仍顯得笨重與龐大。歐洲某公司也研制了類似的供電裝置見
圖1，它由三部分組成燃料電池(165mm×165mm×33mm)，氫源(165mm×165mm×25mm)，升壓穩壓電路，但仍然沒有達到微型化的實用要求。
本發明的目的是提供一種微型燃料電池，最大限度地簡化發電系統的組成，縮小體積和重量，使其能為手機、攝像機、筆記本電腦等便攜式電子產品提供比目前所用的鎘鎳，氫鎳，鋰離子電池具有更高電容量的電能。由于這種微型燃料電池電化學反應的活性物質是氫氣和空氣中的氧氣，所以也可簡稱為氫空電池。
本發明的內容之一是提供一種含有多個膜電極的微型燃料電池，關于在一片質子交換膜上含有多個膜電極的燃料電池請參閱中國專利CN00121124.2。結合附圖2--圖10對本發明作進一步的闡述；微型燃料電池其組成包括燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)，其特征在于燃料電池發電單元(A)包括在一片質子交換膜上含有多個膜電極(13)和多孔導流板(4，4a)組成多個發電單元(14)。
多孔導流板(4，4a)上有許許多多小孔(5)，空氣中的氧氣是通過“自吸”方式通過小孔(5)進入擴散層(3)，到達催化層(2)，氫氣是從供氫裝置(B)內的微型定壓器(11)直接通過小孔(5)進入擴散層(3a)，到達催化層(2a)，氧氣和氫氣在催化劑和質子交換膜的作用下發生氫氧電化學反應而發出電，將多孔導流板(4，4a)上的正負極導電耳以多種方式串聯，并通過最終的正負極端子既能直接將0.5-100V的電壓輸出，又能通過升壓穩壓電路(C)將多種不同的電壓輸出。
參見圖4、圖10，本發明采用在一片質子交換膜上含有多個膜電極(13)和多孔導流板(4，4a)組成的多個發電單元(14)構成的微型燃料電池基本單元(A)比現有燃料電池采用一個一個電池發電單元堆積串聯成一個電堆的體積和重量均大大縮小和減輕；由于多個膜電極(13)能升高輸出電壓，既能直接供用電器使用，又能經升壓穩壓電路(C)供用電器用，本發明采用多孔導流板(4，4a)上有許多小孔(5)，壓緊元件(E)上也有許多小孔(5)，使用本發明的電器設備外殼上相應的也有許多透氣孔，這些小孔均是溝通的，當電池消耗氧氣后，空氣中的氧氣通過這些小孔擴散進入電池，與一般小型燃料電池采用風扇鼓風以增加空氣流量的方法相比，本發明不僅減小了體積和重量還節省能源。供氫裝置(B)包括有一個貯氫盒(9)內裝有貯氫材料(10)，微型定壓器(11)和充氣閥均內置于貯氫盒(9)內，由微型定壓器(11)向燃料電池發電單元(A)輸入氫氣并控制氫氣的壓力，無論由于任何原因，如環境溫度的變化、貯氫盒(9)內貯氫量的變化而引起氫氣壓力發生變化，通過微型定壓器(11)向氫電極(6)提供的氫氣壓力均可控制在設定壓力范圍內，裝在貯氫盒內的貯氫材料(10)是金屬氫化物，它能將氫氣吸附并貯存于其中，充氣閥(12)是用來向貯氫盒(9)內補充氫氣，氫氣的供給可采用多種方式包括金屬制氫、化學制氫。現有供氫裝置一般采用外置式減壓器來控制對燃料電池的供氫壓力，本發明采用內置式微型定壓器減小了系統體積和操作的繁瑣。升壓穩壓電路(C)包括集成塊、升壓線圈，電容器等元件，這是普通公知公用的電路板，其輸入端與燃料電池發電單元(A)的電源輸出線路相連接，輸出端接至要供電的設備上。壓緊元件(E)是用透氣、多孔、有彈性的材料包括金屬材料制成，例如不銹鋼片和非金屬材料，例如工程塑料，壓緊元件(E)為П型，或框式的面上有許多小孔，用壓緊元件(E)將燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)緊密壓合為一個整體就構成微型燃料電池(D)，比一般燃料電池是采用螺栓緊固件將電堆拉緊更為嚴緊。還有一種方式是既能使燃料電池發電單元(A)與供氫裝置(B)能緊密連接在一起，又能使兩者輕易的分離，便于使供氫裝置(B)從電池中取出來補充氫氣后再放置到原來的位置。現有小型燃料電池的供氫裝置與燃料電池發電單元，一般為分體配置的管道連接，增大了體積，本發明最大限度地減小體重，本發明微型燃料電池(D)包括(D)是由A+B+C組成和由A+B組成均能置于用電設備體中也能外置。
本
發明內容
之二是提供制備微型燃料電池的方法，其步驟如下。參見圖7、圖8、圖10和圖11。
①制作燃料電池發電單元(A)，采用耐電化學腐蝕和導電性好的材料包括碳板、不銹鋼板，鎳板、鍍鎳板、鍍金板、覆鎳板、覆金屬板，制成兩塊具有氣體導流槽或多孔狀的導流板(4，4a)，兩塊多孔導流板(4，4a)中間夾著密封件(8，8a)和一片膜上制成的多個膜電極(13)，構成了厚度不超過3mm的多個發電單元(14)，多孔導流板(4，4a)的形狀和大小與一片多個膜電極(13)的形狀和大小完全一樣，制得了燃料電池的發電單元(A)，多孔導流板(4，4a)上有多個導電耳(4A)，將其以多種方式串聯起來，并通過最終的正負極端子既能將電壓直接輸出，也能通過升壓穩壓電路(C)將電壓輸出；在多孔導流板(4，4a)和膜電極(13)之間有之間夾著密封件(8，8a)；②制作供氫裝置(B)，選用0.5-0.8mm的不銹鋼板沖壓制成外形長度和寬度與燃料電池發電單元(A)相匹配的盒子稱為貯氫盒(9)，貯氫盒(9)內裝有貯氫材料(10)，在盒子的一端裝一個φ4-8mm的內置充氣閥(12)，在盒子的內面設置一個φ12-18mm的微型定壓器(11)就制備成供氫裝置(B)；③制備壓緊元件(E)，選用透氣，多孔彈性材料，按照燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)的外形尺寸，長度和寬度或直徑完全一樣的尺寸制作成表面具有許多小孔П型或框式壓緊元件(E)；④制備微型燃料電池(D)，用壓緊元件(E)將燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)緊密壓合為一體整體，然后用連接的方法，包括激光焊接，臺階式倒齒咬合緊固方式、扣緊法或特種金屬膠粘合，將四周緊密連接成一個整體就制得了微型燃料電池(D)，其中燃料電池發電單元(A)厚度不超過3mm。
本發明是含有一個或多個膜電極微型燃料電池(D)本身根據用電器需要供給的電壓、電流要求，在一片質子交換膜上就能制作出一個或多個膜電極，并使多個發電單元以多種方式串聯起來升高輸出電壓和輸出多種不同的電壓，直接供用電器使用或經升壓穩壓電路(C)供用電器使用，升壓穩壓電路(C)包括集成塊、升壓線圈、電容器，將升壓穩壓電路(C)焊接在微型燃料電池的電壓輸出端。
本發明所達到的效果是為便攜式電子產品(手機、攝像機、筆記本電腦等)提供了超大容量的含有多個膜電極微型燃料電池，簡化了燃料電池的結構，使其體積和重量大大減小，含有多個膜電極微型燃料電池，能使一片膜上的多個發電單元串聯起來升高輸出電壓，也可采用多種方式使多個發電單元分別串聯輸出多種不同的電壓，直接供用電器使用或經升壓穩壓電路(C)供用電器使用。
附圖及其說明圖1現有歐洲某公司的供電裝置，由三部分組成燃料電池，氫源，升壓穩壓電路圖2本發明含有多個膜電極微型燃料電池的方框3本發明在一片質子交換膜上含有多個膜電極示意4含有膜電極微型燃料電池原理5含有3個膜電極的微型燃料電池發電單元示意6含有6個膜的微型燃料電池發電單元示意7制作含有6個膜電極微型燃料電池示意8制作含有2個正方形和4個矩形發電單元微型燃料電池示意圖能輸出兩種不同的電壓圖9本發明與歐洲某公司發電裝置相比較示意9A是歐洲某公司的供電裝置示意9B、圖9C是本發明微型燃料電池供電示意10本發明中燃料電池發電單元(A)的組裝示意11本發明中壓緊元件(E)的框式結構示意圖，E是由EA和EB組裝而成的。
其中A—微型燃料電池基本單元B—貯氫制氫裝置C—升壓穩壓電路D—本發明含有1個至多個膜電極微型燃料電池E—壓緊元件
F—需要供電的設備1—質子交換膜2，2a—催化層3，3a—擴散層4，4a—多孔導流板4A—導電耳5—導氣小孔(在導流板上，壓緊元件上)6—氫電極7—氧電極8，8a—密封件是夾在多孔導流板(4，4a)與多個膜電極之間9—貯氫盒10—制氫貯氫材料11—微型定壓器12—充氣閥13—一個或多個膜電極14—多個發電單元實施例1在薄型不銹鋼板上，均勻做出6個等面積的矩形模板(參見圖6)，將其置于一片面77mm×34mm的質子交換膜(1)上，用噴筆將催化劑液噴涂于質子交換膜(1)的兩面形成催化層(2，2a)上就形成擴散層(3，3a)，在一片質子交換膜上有6個膜電極，用帶有多孔鎳板作為多孔導流板(4，4a)，每兩塊多孔導流板(4，4a)與其對應的膜電極組成了6個發電單元，將各個發電單元的正負極導電耳(4A)串聯起來，并通過最終的正負極端子直接將電壓輸出，就構成了微型燃料電池發電單元(A)，(A)的厚度不超過3mm，用0.6mm厚的不銹鋼板沖壓制成外形尺寸77mm×34mm×8mm的盒子，在盒子內裝有金屬氫化物(10)就是貯氫盒(9)，在貯氫盒的一端安裝φ4-6mm內置充氣閥，在貯氫盒的面內安裝內置φ12-18mm高8mm的微型定壓器(11)就制備成供氫裝置(B)。
制作壓緊元件(E)用0.5mm厚度不銹鋼板制作成77mm×34mm×10mm的矩形П形、平面上具有許多小孔(5)的壓緊元件(E)，用壓緊元件(E)將燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)緊密壓合成一個整體，四周激光焊接牢固就制得了一個含六個膜電極的微型燃料電池，在使用0.1Mpa空氣(常壓空氣)0.1Mpa氫氣，室溫條件下，發電效果為3.6V電壓下輸出功率大于2W。可以置入帶有許多小孔的手機殼體內作為手機電源，一次充氫氣，可供手機通話30小時以上。
實施例2在不銹鋼板上作出2個正方形和4個矩形的模板(圖8)，將其置于一片100mm×100mm質子交換膜(1)上，用離子真空濺射法制出催化層(2，2a)，將碳布剪成與催化層形狀，大小完全一樣的4個矩形和2個正方形的擴散層(3，3a)，組裝在催化層兩側就構成在一片質子交換膜上有多個形狀不同的膜電極，在膜電極兩側裝上多孔覆鎳板作的多孔導流板(4，4a)就構成了具有6個發電單元的微型燃料電池基本單元(A)，分別將2個正方形發電單元的多孔導流板(4，4a)上導電耳(4A)串聯起來將4個矩形發電單元的多孔導流板上(4，4a)上導電耳(4A)串聯起來，并通過兩組最終正負極端子則可同時直接輸出1.4V和2.8V兩種不同的電壓，就制作成燃料電池發電單元(A)；用工程塑料注出厚度為0.8mm外形尺寸為100mm×100mm×16mm的盒子，在盒子內裝填貯氫材料(10)金屬氫化物，就制成了貯氫盒(9)，在貯氫盒(9)內面置有φ12-18mm微型定壓器(11)，在盒端面內安裝φ8mm充氣閥(12)，就制得供氫裝置(B)；用具有彈性的工程塑料制備成面上具有許多小孔的100mm×100mm×15mm正方形框狀的壓緊元件(E)見圖10，用壓緊元件(E)將燃料電池基本單元(A)和供氫裝置(B)緊密壓合為一個整體，四周用特種膠粘合成制得了含有兩個正方形膜電極和四個矩形膜電極的微型燃料電池(D)。
權利要求
1，一種微型燃料電池，其組成包括燃料電池發電單元(A)，供氫裝置(B)，其特征在于燃料電池發電單元(A)包括在一片質子交換膜上含有多個膜電極(13)和多孔導流板(4，4a)組成多個發電單元(14)，由多孔導流板(4，4a)上的正負極導電耳(4A)以多種方式串聯，并通過最終的正負極端子直接向外輸出電壓；供氫裝置(B)包括貯氫盒(9)，以及置入貯氫盒(9)內的微型定壓器(11)，充氣閥(12)和貯氫材料(10)；供氫裝置(B)是通過微型定壓器(11)向燃料電池發電單元(A)輸送氫氣；采用透氣，多孔彈性材料作為壓緊元件(E)，其將燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)緊密壓合為一個整體，構成一個微型燃料電池(D)。
2，根據權利要求1所述微型燃料電池，其特征在于膜電極(13)是由一片質子交換膜(1)在兩面上涂敷組裝催化層(2，2a)，再在催化層(2，2a)兩面上組裝上擴散層(3，3a)而構成一個或多個膜電極。
3，一種制備微型燃料電池的方法，該燃料電池包括燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)，其特征在于燃料電池發電單元(A)是由兩片完全一樣的多孔導流板(4，4a)和密封件(8，8a)，將形狀，大小完全與其一樣的多個膜電極(13)緊密夾制成厚度不超過3mm的多個發電單元(14)，通過將多孔導流板(4，4a)上的導電耳以多種方式串聯起來，并通過最終的正負極端子將電壓既能直接輸出，也能通過升壓穩壓電路(C)將電壓輸出；供氫裝置(B)是用厚度為0.5-0.8mm的不銹鋼板沖壓制成外形長度和寬度與(A)完全一樣的貯氫盒(9)，貯氫盒(9)內裝有貯氫材料(1 0)，外徑φ4-8mm的充氣閥口裝在貯氫盒(9)的一端，在貯氫盒(9)的內部設置有φ12-18mm孔洞設置微型定壓器(11)，(11)出口所在的貯氫盒(9)的面就是與(A)緊密結合的面，采用透氣，多孔彈性材料制成外型尺寸長度和寬度與(A)(B)完全一樣的壓緊元件(E)將(A)和(B)緊密制成一個整體就是微型燃料電池(D)。
4，根據權利要求3所述的制備微型燃料電池的方法，其特征在于透氣，多孔彈性材料制成整體式壓緊元件(E)。
5，根據權利要求3所述的制備微型燃料電池的方法，其特征在于透氣，多孔彈性材料制成框式壓緊元件(E)，E是由EA和EB組裝而成的。
6，根據權利要求5或6所述的制備方法，其特征在于壓緊元件(E)燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)緊密壓合為一個整體(D)時，需要采用連接的方法，包括激光焊接，臺階式倒齒咬合緊固方式，扣緊法或特殊金屬膠粘合。
7，根據權利要求3所述的制備微型燃料電池的方法，其特征是用模板涂敷法在一片質交換膜(1)上制備多個膜電極(13)。
8，根據權利要求3所述的制備方法，其特征是在一塊電路板上安裝集成塊，升壓線圈，電容器，組裝成升壓穩壓電路(C)，(C)的電壓輸入端接至燃料電池發電單元(A)輸出端，(C)的電壓輸出端接至需要供電的設備(F)，將(C)組裝在由(A)和(B)組成的微型燃料電池(D)的電壓輸出端部。
全文摘要
本發明是一種含有多個膜電極的微型燃料電池,采用透氣,多孔的彈性材料作為壓緊元件(E)將燃料電池發電單元(A)和供氫裝置(B)緊密壓合成微型燃料電池(D);燃料電池發電單元(A)是由兩片多孔導流板(4,4a)將一片膜上的多個膜電極(13)緊密夾制成厚度不超過3mm的多個發電單元(14),將多孔導流板(4,4a)上的導電耳以多種方式串聯起來,并通過最終的正負極端子既能將電壓直接輸出,也能通過升壓穩壓電路(C)將0.5-100V的電壓輸出或同時輸出多種不同的電壓,最大限度地簡化發電系統的組成,縮小燃料電池的體積和重量為便攜式電子產品提供理想的微型燃料電池。
文檔編號H01M8/10GK1339841SQ0012362
公開日2002年3月13日 申請日期2000年8月25日 優先權日2000年8月25日
發明者鄭重德 申請人:北京世紀富原燃料電池有限公司