[发明专利]形成微型燃料电池的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及燃料电池，更具体地涉及一种制作微型燃料电池并向该微型燃料电池提供气体进入的方法，该方法仅需要前侧对准和处理。

背景技术

可再充电蓄电池目前是蜂窝式电话和各种其他便携式电子器件的主要电源。储存在蓄电池中的能量是有限的。它由储存材料的能量密度(Wh/L)、其化学性质和蓄电池的体积决定。例如，对于具有250Wh/L能量密度的典型的Li离子蜂窝式电话蓄电池来说，10cc蓄电池将储存2.5Wh的能量。根据使用，能量能够维持几小时至几天。再充电总是需要接入到电插座。有限的储存能量的量和频繁再充电是与蓄电池有关的主要麻烦。因此，需要一种用于蜂窝式电话电源的持续更长时间、容易再充电的解决方案。实现该需要的一种手段是具有带有可再充电蓄电池的混合式电源和对蓄电池涓流充电的方法。对于用于对蓄电池再充电的能量转换装置的重要考虑包括功率密度、能量密度、尺寸以及能量转换效率。

诸如太阳能电池、利用环境温度波动的热电发电机及利用自然振动的压电发电机的能量获取方法是对蓄电池涓流充电的非常有吸引力的电源。然而，由这些方法产生的能量小，通常仅为几毫瓦。在感兴趣的模式中，即几百毫瓦，这指示需要大体积来产生充足的功率，使得它对于蜂窝式电话类型应用不具有吸引力。

可替选的手段是输送高能量密度燃料并以高效率将该燃料能量转换成电能以对蓄电池再充电。正在研究具有高能量密度的放射性同位素燃料用于便携式电源。然而，就该手段而言，功率密度低并且还有与放射性材料有关的安全问题。这对于遥感器型应用来说是有吸引力的电源，但是对于蜂窝式电话电源来说却不是。在各种其他能量转换技术中，最有吸引力的技术是燃料电池技术，因为其能量转换效率高并且展示出具有高效率的小型化的可能性。

具有主动控制系统的燃料电池和能够在高温下工作的燃料电池是复杂的系统，并且非常难以小型化至蜂窝式电话应用所需的2-5cc体积。这些燃料电池的示例包括主动控制直接甲醇或甲酸燃料电池(DMFC或DFAFC)、重组氢燃料电池(RHFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。被动呼吸空气式氢燃料电池、被动DMFC或DFAFC以及生物燃料电池对该应用来说是有吸引力的系统。然而，除了小型化问题之外，其他担心包括针对氢燃料电池的氢的供应、针对被动DMFC和DFAFC的寿命和能量密度以及针对生物燃料电池的寿命、能量密度和功率密度。

传统DMFC和DFAFC设计包括每个电池的平坦的堆叠层。然后可以将各个电池堆叠起来以实现更高的功率、冗余和可靠性。这些层通常包括石墨、碳或碳复合物、聚合材料、诸如钛和不锈钢的金属以及陶瓷。通过通孔在周围限制堆叠层的功能区域，该通孔用于将结构拧紧在一起并且沿着电池和在电池之间容纳燃料和氧化剂的通道。另外，平坦的、堆叠的电池仅从横截面区域(x和y坐标)中的燃料/氧化剂交换得到功率。

为了设计体积与典型的移动装置蓄电池(10cc-2.5Wh)相同的燃料电池/蓄电池混合式电源，将需要具有高功率密度和效率的较小蓄电池和燃料电池两者以达到比单独蓄电池的能量密度更高的总能量密度。例如，对于满足电话最高要求的4-5cc(1.0-1.25Wh)蓄电池来说，燃料电池将需要安装在1-2cc中，燃料占据其余的体积。燃料电池的功率输出需要为0.5W或以上，以便能够以合理的时间对蓄电池再充电。大多数对于小型燃料电池的研制活动是尝试使传统燃料电池设计小型化，得到的系统对于移动应用来说仍然太大。很少的微型燃料电池研制活动已经公开了将传统硅处理方法用于平坦燃料电池构造，在少数几种情况下，采用多孔硅来增加表面面积和功率密度。例如参见US专利/公布号2004/0185323、2004/0058226、6541149和2003/0003347。然而，呼吸空气式平坦氢燃料电池的功率密度典型地为50-100mW/cm²。产生500mW将需要5cm²以上的活性面积。此外，单个燃料电池的工作电压是在0.5-0.7V范围中。需要将至少四至五个电池串联连接以使燃料电池工作电压达到2-3V并且用于有效的DC-DC转换达到4V，以便对Li离子蓄电池充电。因此，传统平坦燃料电池手段在用于蜂窝式电话用途的燃料电池/蓄电池混合式电源中将不能满足燃料电池体积为1-2cc的要求。