專利名稱：高功率密度、超輕型的功率發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)電力發(fā)生器。更具體地，本發(fā)明涉及多層、高功 率密度的發(fā)生器。
背景技術(shù)：
一種已知的燃料電池結(jié)合了和位于其各側(cè)的電極相結(jié)合的質(zhì)子
交換膜，以及各種氣體擴(kuò)散層和關(guān)聯(lián)的疏水涂層和親水涂層。2005年 10月25日提交的名稱為"Proton Exchange Membrane Fuel Cell"的美 國(guó)專利申請(qǐng)No.11/257,738中公開(kāi)了這種功率發(fā)生器的一種形式，該 申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。另一種形式的結(jié)合了多層燃料電池的功 率發(fā)生器生成電力以及作為副產(chǎn)品的水。該水可回收并用于通過(guò)與固 體氫生成燃料的反應(yīng)而生成額外的氫。2005年11月9日提交的名稱 為 "Water Reclamation in a Micropower Generator" 的美國(guó)專利申i青 No.l 1/270,848中公開(kāi)了這樣的功率發(fā)生器和燃料電池。該申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給 本發(fā)明的受讓人。
雖然已知的固態(tài)功率發(fā)生器是有用的且適于其預(yù)期的目的，但與 能源密度對(duì)照，持續(xù)地有對(duì)于比迄今為止可獲得功率密度更高的功率 密度的發(fā)生器的突出的未滿足需求。持續(xù)地有對(duì)于適用于微米級(jí)應(yīng)用 或納米級(jí)應(yīng)用的高功率密度固體發(fā)生器的需求。首選地，這種功率發(fā)
生器將是重量輕的、相對(duì)便宜的、無(wú)閥的且將對(duì)高功率、輕重量應(yīng)用 呈現(xiàn)出足夠的功率。
附圖簡(jiǎn)述


圖1是根據(jù)本發(fā)明的功率發(fā)生器的等距型視圖;
圖2是沿圖1的平面2-2取得的截面圖3是根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合了燃料電池陣列的功率發(fā)生器的視以及
圖4是圖3的發(fā)生器沿平面4-4取得的視圖。 詳細(xì)4笛述
盡管本發(fā)明的實(shí)施例可以采取許多不同的形式，但在附圖中顯示 了其具體實(shí)施例，且將在此對(duì)其進(jìn)詳細(xì)描述，要理解本公開(kāi)被認(rèn)為是
本發(fā)明的原理的范例以及實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，而不意圖將本發(fā)明 限制于所示的具體實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的功率發(fā)生器呈現(xiàn)更高的功率密度而既不需要搭載 水源，也不需要用來(lái)對(duì)氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的閥。在本發(fā)明的一 方面，矩形形狀的發(fā)生器幾乎可以完全由在電池組之間有一薄層燃料 的燃料電池形成。由于大的燃料電池面積，可以期望這樣的功率發(fā)生 器具有非常高的功率密度(超過(guò)10瓦特/升)。
上述功率發(fā)生器可用多個(gè)柔性層來(lái)實(shí)現(xiàn)且可扁平地使用，例如作 為超輕型飛行器的翅膀，或者巻成圓柱形構(gòu)造。在本發(fā)明的又一方面， 因?yàn)槿剂系母弑饶?，以及在適當(dāng)?shù)貥?gòu)造時(shí)能夠產(chǎn)生可以用于為超輕型 飛行器供給功率的功率級(jí)別，所以可以期望這種發(fā)生器的重量固有地 輕。
在本發(fā)明的又一方面中，三層功率發(fā)生器結(jié)合了相對(duì)薄的柔性 片，燃料層諸如鋰鋁氫化物或者其它在暴露于水汽時(shí)可以生成氧氣的 化學(xué)氫化物。在公開(kāi)的實(shí)施例中，燃料層夾在兩個(gè)燃料電池組之間。 如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，每個(gè)電池組包括至少 一 個(gè)質(zhì)子交換 膜、氣體擴(kuò)散層、電極以及關(guān)聯(lián)的疏水涂層和親水涂層。這種復(fù)合的 功率發(fā)生器是柔性的且可以成形為平面的、大體上圓柱形的或如特定 的應(yīng)用所要求的其它形狀。
在本發(fā)明的又一方面中，多層功率發(fā)生器回收由關(guān)聯(lián)的燃料電池
中的電化學(xué)反應(yīng)所生成的水，并使用這些水來(lái)生成氫從而消除對(duì)搭載 水源的任何需要。另外，該反應(yīng)自我調(diào)節(jié)從而不需要調(diào)節(jié)閥。
成于燃料層的每一側(cè)的多個(gè)燃料電池的各項(xiàng)可以串聯(lián)地互連以提高 輸出電壓。多個(gè)組可以以圓柱形或者平面的形式并聯(lián)互連，以獲得#是 高的輸出功率。
在本發(fā)明的又一方面中，電池組緊密排列，生成高功率密度所需 要的氧氣流可以通過(guò)迫使環(huán)境空氣穿過(guò)電池組來(lái)獲得。在飛行器中， 這可以例如通過(guò)使由轉(zhuǎn)子或機(jī)翼產(chǎn)生的空氣流穿過(guò)電池組來(lái)實(shí)現(xiàn)。在 其它應(yīng)用中，可以使用風(fēng)扇或泵達(dá)到同樣的效果。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的高功率密度、超輕型的功率發(fā)生器10。
發(fā)生器10結(jié)合了燃料層12，例如，諸如鋰鋁氬化物或其它暴露于水
汽時(shí)生成氫的化學(xué)氫化物。可延長(zhǎng)的并具有一般地如圖1所示的矩形
形狀的燃料層12具有與其關(guān)聯(lián)的、各位于其一側(cè)的燃料電池組14和 16。將理解的是，發(fā)生器16的所有層12、 14和16都是柔性的，且 都可無(wú)限制地形成為平面的、大體上平面的、彎曲的諸如圓柱形的構(gòu) 造。
技術(shù)人員還將理解的是，發(fā)生器10的層12-16，盡管在圖1中一 般地以矩形形式示出，但其不限于任何特定的形狀。發(fā)生器10可以 采取多種均無(wú)限制且不脫離本發(fā)明的精神和范圍的物理構(gòu)造。
圖2是沿著圖1的平面2-2取得的截面圖。圖2圖示了發(fā)生器10 的多個(gè)層之間的關(guān)系。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，各燃料電池組14, 16結(jié)合了多 層平面的燃料電池，該燃料電池具有陽(yáng)極、陰極、質(zhì)子交換膜和其它 多個(gè)層，它們?cè)趯?shí)施這種燃料電池組中是有用的和合乎需要的。諸如 發(fā)生器10的燃料發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)之一是燃料電池組14, 16可以形成為 具有大的面積的事實(shí)的結(jié)果。對(duì)于由可用的燃料的量決定的有限的時(shí) 間量，這可以生成很高的功率密度。
圖3和4 一起圖示了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器30的一個(gè)具體形式。 發(fā)生器30結(jié)合了形成于燃料層36 —側(cè)的燃料電池32a的串聯(lián)連接陣 列和形成于燃料層36另 一側(cè)的第二個(gè)多個(gè)燃料電池32b。多個(gè)32a和 多個(gè)32b的各項(xiàng)可以串聯(lián)互連，以在連接40a,40b之間生成比用單燃 料電池可輕易達(dá)到的輸出電壓更高的輸出電壓。
將理解的是，陣列30的燃料電池由絕緣插入層34a, 34b， 34c 和34d而彼此隔開(kāi)。還將理解的是，陣列30中存在的燃料電池的數(shù) 量不是本發(fā)明的限制。
從以上所述，將注意到可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下 實(shí)現(xiàn)許多變化和修改。將要理解的是，本發(fā)明不意圖或不應(yīng)推斷出與 此處所示出的特定的裝置相關(guān)的限制。當(dāng)然，本發(fā)明意圖通過(guò)所附的 權(quán)利要求a^所有落入該權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有這類修改。
權(quán)利要求
1.一種功率發(fā)生器，包括至少一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，其具有柔性燃料層，所述層具有隔開(kāi)的第一側(cè)和第二側(cè)，以及遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度或?qū)挾戎械囊粋€(gè)的厚度；和第一柔性燃料電池層和第二柔性燃料電池層，其位于所述燃料層的相應(yīng)側(cè)，各所述燃料電池層均具有遠(yuǎn)小于其電極長(zhǎng)度或電極寬度中的一個(gè)的厚度參數(shù)，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)造成產(chǎn)生電能并呈現(xiàn)超過(guò)10瓦/升的功率密度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)是延長(zhǎng) 的并且能夠巻成大體上圓柱形的形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器包括 多個(gè)大體上相同的多層結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)是串聯(lián)連接或并聯(lián)連接中的一 種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)生器，其特征在于，所述串聯(lián)連接的 多層結(jié)構(gòu)具有超過(guò)10瓦/升的功率密度，并且所述并聯(lián)連接的多層結(jié) 構(gòu)具有超過(guò)10瓦/升的功率密度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器構(gòu)造 為大體上是圓柱形，并且第一電極和第二電極可以聯(lián)接到外部負(fù)載。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其特征在于，所述燃料電池層 中的至少 一些層各包括由固態(tài)柔性電解質(zhì)隔開(kāi)的陽(yáng)極和陰極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)生器，其特征在于，所述燃料電池層 的選定項(xiàng)彼此電氣絕緣并且以串聯(lián)或并耳關(guān)中的一種形式互連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)構(gòu)造為 平面或圓柱形中的一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)生器，其特征在于，所述燃料電池層 的選定項(xiàng)彼此電氣絕緣并且以串聯(lián)或并聯(lián)的一種形式互連。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)生器，其特征在于，回收其中生成 的水以生成額外的氫。
11. 一種功率發(fā)生器，包括至少 一個(gè)多層燃料電池，所述燃料電池結(jié)合了至少由固體電解質(zhì) 隔開(kāi)的陽(yáng)極和陰極；和燃料層，其定位成鄰近所述多層燃料電池，并且所述組合的多層 燃料電池和燃料層構(gòu)造成產(chǎn)生電能并呈現(xiàn)超過(guò)10瓦/升的功率密度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器包 括至少第二多層燃料電池，所述第二多層燃料電池位于所述至少一個(gè) 燃料電池的一側(cè)，鄰近所述至少一個(gè)燃料電池，并且所述燃料層具有 對(duì)兩個(gè)燃料電池公共的表面；或者，所述第二多層燃料電池從所述至 少一個(gè)燃料電池移位，并且兩者之間有所述燃^j^層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)生器，其特征在于，所述燃料電池成用于隨后的反應(yīng)的氬。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)生器，其特征在于，所述氫生成反 應(yīng)是自調(diào)節(jié)的，并且所述燃料電池和燃料層在沒(méi)有調(diào)節(jié)閥的情況下產(chǎn) 生電能。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)生器，其特征在于，所述組合燃料 電池和燃料層是柔性的。
16. 據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)生器，其特征在于，所述電池和燃料 層各具有各自的長(zhǎng)度參數(shù)、寬度參數(shù)和厚度參數(shù)，其中，所述燃料電池的厚度和所述燃料層的厚度的復(fù)合厚度參數(shù)遠(yuǎn)小于各自的長(zhǎng)度參 數(shù)和寬度參數(shù)，從而增強(qiáng)所述功率密度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)生器，其特征在于，所述燃并+電池 和燃料層是柔性的，并且可以變形成選定的形狀。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的發(fā)生器，其特征在于，所述燃并+電池 構(gòu)造成以便暴露于環(huán)境空氣及其中的氧氣，從而增強(qiáng)所述功率密度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的發(fā)生器，其特征在于，所述發(fā)生器包 括第 一和第二由所述燃料層隔開(kāi)的多個(gè)燃料電池。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)生器，其特征在于，所述燃料電池以并聯(lián)陣列或串聯(lián)陣列中的至少 一種陣列互連。
21. —種方法，包括 提供柔性燃料層；提供燃料電池的柔性第 一層和第二層； 根據(jù)預(yù)定的構(gòu)造互連相應(yīng)的電池；定位其中帶有所述燃料層的電池層，從而形成多層電力發(fā)生器。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法包括使 所述電力發(fā)生器形成為預(yù)定的形狀。
23. 根據(jù)權(quán)利要求.22所述的方法，其特征在于，所述方法包括將 所述燃料電池的相應(yīng)的電池暴露于氧氣。.
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法包括啟 動(dòng)所述多層發(fā)生器中的電化學(xué)反應(yīng)，從而生成具有大于10瓦/升的功 率密度的電流。
全文摘要
用柔性的多層結(jié)構(gòu)形成的一種高功率密度發(fā)生器。該結(jié)構(gòu)包括燃料層，其具有鄰近該燃料層各側(cè)的分開(kāi)的燃料電池組。該結(jié)構(gòu)可以是柔性的并且可以形成為多種形狀。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101371386SQ200780002973
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月27日
發(fā)明者S·J·?？品?申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司