專利名稱：具有集成催化燃料處理器的基于mems燃料電池及其制造方法
依照美國能源部和加利福尼亞大學(xué)間關(guān)于Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作的合同No.W-7405-ENG-48，美國政府對本發(fā)明擁有權(quán)利。
本發(fā)明涉及并要求于2002年7月1日遞交的臨時(shí)申請No.60/393,218和于2002年7月1日遞交的臨時(shí)申請No.60/393,219的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用完全并入。
背景技術(shù)：
在這里通過引用并入1999年2月4日遞交的、序列號(hào)為09/241,159的待審批的轉(zhuǎn)讓于相同受讓人的美國專利申請。序列號(hào)為09/241,159的待審批的美國專利申請描述了基于微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的燃料電池，包括形成在微機(jī)械加工的硅晶片上的電極/催化劑/電解質(zhì)材料，其能夠使燃料和氧化劑在高溫下結(jié)合以產(chǎn)生連續(xù)電流。該基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池可以是固體氧化物(SOFC)、固體高分子(SPFC)、或質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面包括一種方法，其包括形成具有包括陽極和陰極的一對電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)的燃料電池組，其中電解質(zhì)包括固體氧化物；并在陽極附近形成催化劑，該催化劑適合于重整燃料，其中陽極和催化劑間的距離小于1毫米。
本發(fā)明的另一方面包括一種方法，其包括形成具有包括陽極和陰極的一對電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)的燃料電池組，其中電解質(zhì)包括固體氧化物；將催化微反應(yīng)器與燃料電池組整合，其中該催化微反應(yīng)器包括(1)與燃料電池組流體連通的歧管，該歧管適合于將燃料傳送到陽極和(2)適合于重整燃料的催化劑。
本發(fā)明的另一方面包括一種裝置，其包括具有包括陽極和陰極的一對電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)的燃料電池組，其中電解質(zhì)包括固體氧化物；并在陽極附近形成催化劑，該催化劑適合于重整燃料，其中陽極和催化劑間的距離小于1毫米。
本發(fā)明的另一個(gè)方面包括一種裝置，包括具有包括陽極和陰極的一對電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)的燃料電池組，其中電解質(zhì)包括固體氧化物；和催化微反應(yīng)器，其具有(1)與燃料電池組流體連通的歧管，該歧管適合于將燃料傳送到陽極和(2)適用于重整燃料的催化劑。


引入并成為公開內(nèi)容的一部分的附圖示出本發(fā)明的實(shí)施方案，并與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1是本發(fā)明的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的小型薄膜燃料電池實(shí)施方案的截面圖。
圖2是圖1中實(shí)施方案頂側(cè)的放大截面圖。
圖3是本發(fā)明的小型薄膜燃料電池的另一個(gè)實(shí)施方案的分解圖。
圖4是小型燃料電池的初始測試結(jié)果的圖解。
圖5是根據(jù)本發(fā)明制得的薄膜燃料電池的另一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。
圖6是使用多管道燃料歧管的燃料電池的另一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。
圖7示出用于堆疊基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池模塊來按比例縮放功率和電壓的方法。
圖8是為了從一個(gè)共同入口將燃料輸送到兩個(gè)電池，能夠使電池倒置并結(jié)合的燃料電池的另一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。
圖9示出基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池。
圖10示出催化微燃燒器。
圖11示出與基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池整合的催化微燃燒器。
發(fā)明詳述序列號(hào)09/241,149的待審批美國專利申請?jiān)谛蛄刑?hào)為09/241,149的待審批的美國專利申請中描述了或是固體氧化物燃料電池(SOFC)、或固體高分子燃料電池(SPFC)或質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的薄膜燃料電池或燃料電池組，其使用能夠使燃料和氧化劑在高溫下結(jié)合以產(chǎn)生連續(xù)電流的電極/催化劑/電解質(zhì)或電極/電解質(zhì)材料。用基于微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)在主體結(jié)構(gòu)/襯底上形成燃料歧管和微流管，通過薄膜沉積技術(shù)和微型制造方法結(jié)合基于微型機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)，形成有或沒有催化劑層的電極/電解質(zhì)/電極以及電阻加熱器和集成控制電路。從而，公開了包括零排放(以氫和空氣工作時(shí))的燃料電池的小型電源。從每個(gè)電池所產(chǎn)生的電流用與氣體歧管相結(jié)合的互連和支撐結(jié)構(gòu)輸導(dǎo)。為了生產(chǎn)基于微型機(jī)電系統(tǒng)的薄膜微型燃料電池，將微電子學(xué)、制造、微機(jī)械加工方法和微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的力量與薄膜沉積技術(shù)相結(jié)合。該基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池使用強(qiáng)適應(yīng)性的材料，并因此可以使用固體氧化物、固體高分子、或質(zhì)子交換膜電解質(zhì)材料體系。
燃料電池組利用通過物理氣相沉積技術(shù)沉積的薄膜電極、催化劑、離子導(dǎo)電層來制造。該電池組使用標(biāo)準(zhǔn)微型制造技術(shù)設(shè)計(jì)電連接圖案并且隨后通過顯微機(jī)械加工除去硅襯底形成自立式的或支撐的膜。通過硅顯微加工技術(shù)進(jìn)一步制造歧管結(jié)構(gòu)。
已通過多層和薄膜真空沉積技術(shù)合成了孤立、單薄膜固體氧化物燃料電池(TFSOFCS)。(見A.F.Jankowski等，Mat Res.Soc.Symp.Proc，卷496，155-158頁，1998，Material Research Society；和1998年5月19日授予A.F.Jankowski的美國專利No.5,753,385)。公開了設(shè)計(jì)和制造適于組裝成燃料電池組中的單個(gè)基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池模塊?？捎糜陔姵囟询B的襯底平臺(tái)的發(fā)展可參見微電子加工，例如硅晶片。該硅晶片用光刻法和蝕刻工藝形成圖案以產(chǎn)生作為用來沉積陽極-電解質(zhì)-陰極三層結(jié)構(gòu)的襯底的薄氮化物窗口選擇區(qū)域。另外的方法可利用在其上沉積有具有可控孔隙率的燃料電池電極/催化劑/電解質(zhì)層的主體結(jié)構(gòu)/襯底。然后將該具有可控孔隙率的主體結(jié)構(gòu)結(jié)合到硅(或其他材料)襯底的頂上、機(jī)械密封到硅(或其他材料)襯底、或形成在硅(或其他材料)襯底內(nèi)，穿過該硅(或其他材料)襯底蝕刻流道。與圖1和2所示類似，已制造基于氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)的固體氧化物燃料電池(SOFC)三層結(jié)構(gòu)實(shí)例，其以沉積鎳(Ni)層開始和以沉積銀(Ag)層結(jié)束。隨著該基本三層結(jié)構(gòu)的沉積，如果存在氮化物窗口，則其可以通過等離子體蝕刻或其他選擇性蝕刻技術(shù)而被移除?？梢岳^續(xù)制造多電池組，例如使用Ni-YSZ-Ag三層結(jié)構(gòu)或其他固體氧化物基的三層結(jié)構(gòu)。例如硅基襯底可用于制造單獨(dú)的TFSOFCS，并利用這個(gè)平臺(tái)通過微流管和MEMS制造技術(shù)提供電路的集成、電阻加熱器、和所需的燃料和氧化劑的歧管裝置。形成圖案的電路提供每個(gè)電池的受控功率輸出和單個(gè)燃料電池元件的受控加熱。MEMS工藝允許通過使用微閥單獨(dú)控制每個(gè)電池的氣流以及控制和調(diào)整整個(gè)裝置的氣壓或燃料流。能夠提供通過減少阻抗損耗來優(yōu)化低溫性能的電極、催化劑和電解質(zhì)的界面材料，連同適合于高溫內(nèi)部燃料重整的可選材料。該襯底平臺(tái)使模塊化電池組件能夠提供維修和升級(jí)電池以及縮放電壓的能力。
整體式(Sectrode)結(jié)構(gòu)將燃料分配到整個(gè)電池組而無需龐大復(fù)雜的歧管裝置。此外，由于電池組僅是大量整體結(jié)構(gòu)的一小部分，因此燃料電池裝置、外殼、和電阻加熱器元件的適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)將允許擁有高效、低供熱的電池組。
已測試具有集成加熱元件的、具有燃料電池自立膜的完整制造的燃料電池模塊。利用形成圖案的氮化硅作為掩模以氫氧化鉀選擇性地蝕刻硅襯底以在其中形成窗口。利用相似的技術(shù)在硅襯底上蝕刻歧管。這些組件最終被結(jié)合在一起，以形成如圖1所示的具有用來輸送燃料的口徑約50μm-200μm的入口和出口管的燃料電池。
燃料電池結(jié)構(gòu)的初始測試包括可以環(huán)氧樹脂粘合到燃料電池組背面的玻璃管以輸送用氦氣稀釋到濃度為3％的氫氣。氧源只是在結(jié)構(gòu)頂側(cè)的空氣。接合線被連接在陽極和陰極的電極墊上，并且用靜電計(jì)監(jiān)測穿過電池組的電位降和隨后的作為溫度的函數(shù)的輸出電流。該測試的初始結(jié)果示于圖4。雖然不是最優(yōu)的，但這些結(jié)果顯示出對于這種沒有輸出電流的電解質(zhì)材料系統(tǒng)所期望的過電位，以及隨溫度升高輸出電流增加。當(dāng)輸出電流密度較低時(shí)，由于鎳電極層的高密度燃料電池性能出現(xiàn)固有的限制。因而，當(dāng)燃料可以迅速通過鎳膜擴(kuò)散到電解質(zhì)界面時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物，水，就不能從界面擴(kuò)散出去，從而導(dǎo)致燃料電池的效率受限。
以上討論的涉及鎳層的問題已經(jīng)通過采用多孔鎳電極結(jié)構(gòu)而被克服，從而消除了在電解質(zhì)界面上所捕獲的水蒸氣的影響。同樣，改變電解質(zhì)材料，例如其他固體氧化物、固體高分子和質(zhì)子交換膜材料被測試替代初始測試的燃料電池的YSZ電解質(zhì)。參考圖5和6，更詳細(xì)的描述這些改進(jìn)。
圖5和6示出非堆疊式的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的微型燃料電池的實(shí)施方案，所描述的可以是固體氧化物燃料電池(SOFC)、固體高分子燃料電池(SPFC)或者質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，并且此處以空氣為氧化劑，因而除去了氧氣管道和圖1實(shí)施方案中的頂側(cè)襯底16，除非使用電池堆疊，在該情況下就要求包括頂側(cè)襯底16的圖1的實(shí)施方案形成入口孔或管以使空氣流到達(dá)頂側(cè)電極。圖5的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的微型燃料電池使用能使燃料和氧化劑在高溫下結(jié)合以產(chǎn)生連續(xù)電流的電極/催化劑/電解質(zhì)材料。正如以上所指出的，每個(gè)燃料電池的基礎(chǔ)是一個(gè)由電解質(zhì)層分開的陽極和陰極，它們可以是固體氧化物、固體高分子材料、或質(zhì)子交換膜電解質(zhì)材料。催化劑材料附加層也可以將電極(陰極或陽極)從電解質(zhì)上分離。在這些實(shí)施方案中，可利用微機(jī)械的歧管來輸送燃料和氧化劑到每個(gè)電池，并提供排氣通道。從每個(gè)電池產(chǎn)生的電流由與氣體歧管成為一體的互連和支撐結(jié)構(gòu)所輸導(dǎo)。
圖5的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池有三個(gè)主要特征。第一個(gè)是在其上形成燃料電池組(電極/電解質(zhì)/電極)和在其中形成傳送燃料和氧化劑到電池組的歧管結(jié)構(gòu)的襯底主體結(jié)構(gòu)。該襯底可包括硅、玻璃、陶瓷、塑料、或任何具有類似性質(zhì)的材料。通過使用顯微機(jī)械加工技術(shù)，用于燃料電池的襯底主體結(jié)構(gòu)和歧管裝置可以做成輕重量的。此外，該歧管結(jié)構(gòu)可以用基于微型機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)以不同方法制造，包括顯微機(jī)械加工、注射成型、激光鉆孔、熱壓成形、或鉆石加工。如圖5所示，該襯底主體結(jié)構(gòu)有兩部分，一個(gè)是具有多個(gè)通過其73傳送氣體燃料到燃料電池組65的管或孔的襯底結(jié)構(gòu)61。如之前所述，襯底主體結(jié)構(gòu)61可以是用上述技術(shù)形成的微機(jī)械襯底，或可以是具有適于氣體通過的孔的多孔襯底。該襯底主體結(jié)構(gòu)可以具有沉積在其頂側(cè)的燃料電池組材料。第二個(gè)部分是具有形成在其內(nèi)的從一個(gè)共用的容器輸送燃料的管線的歧管襯底62，其將燃料分布到輸送燃料到電池層的管線或孔73的整個(gè)區(qū)域。這兩個(gè)部分可以用以上所引用的技術(shù)分別制造，然后粘合或機(jī)械密封在一起以形成圖5的結(jié)構(gòu)。適用如本領(lǐng)域所用的多種粘合技術(shù)，包括使用膠粘膜或低共熔混合物(eutectics)，或機(jī)械封裝技術(shù)只要它們在整個(gè)操作溫度范圍內(nèi)足夠牢固。
現(xiàn)參考圖5，通常指的燃料電池組60包括微機(jī)械主體結(jié)構(gòu)或襯底61，在63處粘合到襯底61上的微機(jī)械襯底62，位于襯底61的上表面的多孔厚膜64，和沉積在多孔厚膜或構(gòu)件64上的電極/電解質(zhì)/電極組件或燃料電池組65。襯底61具有由斜或直表面66和67所限定的近似對齊通過切出空間連接到燃料入口的襯底62的切去部分70的斜或直表面68和69的單個(gè)或多個(gè)開口、孔和窗口，由斜或直表面66和67與切去部分70所形成的單個(gè)或多個(gè)開口、孔和窗口形成微機(jī)械歧管或孔73。該電極/電解質(zhì)/電極組件或燃料電池組65包括薄膜電極74，薄或厚的膜電極/催化劑75，和薄膜電極76。多孔膜64包括多個(gè)孔77。雖然未示出，燃料電池組65將包括如在圖3中所示的整合在多孔厚膜64或燃料電池組65內(nèi)的電阻加熱器。
舉例來說，襯底61和62包括硅；多孔厚膜64包括厚度為10微米-200微米具有直徑為200-5微米的孔的氧化鋁、塑料或多孔硅以及具有機(jī)械強(qiáng)度以支撐燃料電池組65的膜64；電極74包括具有厚度為1000-2微米的鎳、碳、鈀或鉑；以及電解質(zhì)/催化劑75包括具有1微米-50微米厚度的Ni/YSZ、Pt/Nafion、或Pt/C/Nafion和電極76包括氧催化導(dǎo)電材料，例如具有1000-2微米厚度的Ag、Pt、鑭鍶錳酸鹽(LSM)或碳。微機(jī)械孔或歧管73可以具有10μm乘10μm到10mm乘10mm的橫截面積，燃料入口72的直徑為25μm到1mm。
在其上形成燃料電池組的主體襯底或結(jié)構(gòu)具有許多可以使燃料，無論是氣態(tài)或是液態(tài)，能夠輸送到電極結(jié)構(gòu)的管或孔。該主體結(jié)構(gòu)可以通過在硅襯底上選擇性溝道蝕刻而生成，例如，將生成自立式燃料電池膜。該主體結(jié)構(gòu)也可以通過以多種其他材料為特征的溝道蝕刻或成型管道特征而生成，并且該主體結(jié)構(gòu)可以是陶瓷、玻璃、或塑料。該主體結(jié)構(gòu)也可以由結(jié)合在歧管襯底頂部或管道主體結(jié)構(gòu)上的厚膜多孔材料制成，如圖6所示。要求厚膜多孔結(jié)構(gòu)的有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)位于尺寸適合的(0.1-10mm直徑)的歧管管道或孔中時(shí)將能支持可以在其上生成的燃料電池組。另外，孔的尺寸必須足夠大以提供從歧管底部到燃料電池組的燃料流，然而孔必須足夠小以便在其頂部沉積形成電極的薄膜將不會(huì)在孔內(nèi)沉積得太深，以至將孔完全封閉。如果燃料電池膜電極組件以層壓形式被粘合、附著或機(jī)械密封在主體結(jié)構(gòu)上而不是直接沉積到其上面的話，那么這個(gè)問題就不重要。幾種已經(jīng)具有所需的多孔特性的材料以片狀形式存在。這些材料包括玻璃、塑料、陶瓷、或陽極氧化鋁。當(dāng)為陽極氧化鋁的情況下，可以形成厚約50μm、孔的尺寸大約0.2μm的片，其中結(jié)構(gòu)的一小部分具有直徑僅為0.2μm的孔。這將允許沉積在頂側(cè)的薄膜不向下沉積進(jìn)入并封入到孔內(nèi)，并且可以用多種沉積技術(shù)來完成，包括溶膠-凝膠、或旋轉(zhuǎn)鑄型(spincast)法。使用每種都有不同的孔尺寸的兩種多孔陶瓷材料或兩種多孔塑料厚膜可以得到相似的結(jié)構(gòu)。此外，這些材料很容易從市售獲得，或者用在公開文獻(xiàn)中報(bào)道的技術(shù)制造。
如圖6所示，該燃料電池組件或裝置，通常指80，主要包括襯底/主體結(jié)構(gòu)81，在83處將歧管襯底82結(jié)合到襯底81上，位于襯底81上或之內(nèi)的多孔厚膜層84，和通常指85的位于層84的薄膜燃料電池組。該燃料電池組85包括電極86、電解質(zhì)87、電極88、和加熱元件，未示出，但可以如圖3中所示的實(shí)施方案制造。可選地，該加熱元件可以在襯底/主體結(jié)構(gòu)81上部或者在多孔厚膜層84內(nèi)形成，只要與電極86或88電絕緣即可。襯底/主體結(jié)構(gòu)81包括多個(gè)垂直管道或孔89其與在襯底82上的歧管管道90開放連通。該多孔厚膜層84包括多個(gè)孔91其與襯底81上的管道89開放連通。如果該多孔厚膜層84有足夠的機(jī)械強(qiáng)度并且容許足夠的燃料流過并到達(dá)燃料電池組80，則可以將它直接粘合或機(jī)械密封到具有與歧管管道90開放連通的孔91的歧管襯底82。該襯底82包括形成燃料入口的開孔或流道，在圖6中沒有示出，但類似于圖5中的燃料入口72，開放連通到多個(gè)歧管通道90，其適合于通過接頭95連接燃料源94。注意襯底/主體結(jié)構(gòu)81被蝕刻以使多孔厚膜84對準(zhǔn)使燃料流到燃料電池組80并且防止燃料流到別處的主體結(jié)構(gòu)81的孔89。另外在圖6中所示的是使歧管襯底82、主體結(jié)構(gòu)/襯底81和多孔厚膜層84可以支撐燃料電池組80的外殼96和密封97，其被安裝和機(jī)械密封。若襯底82的位置使孔90與外殼96的底部開放連通，則外殼96可以包括形成燃料入口92的開孔或流道，其適合于通過接頭95連接燃料源94。
基于微型機(jī)電系統(tǒng)的微型燃料電池的第三個(gè)主要特征是薄膜燃料電池自身。例如，如圖5中所示的系列薄膜材料是電極、催化劑、電解質(zhì)、催化劑、和電極。依特定電解質(zhì)而定，催化劑層可以不是必需的。該薄膜燃料電池組可以通過多種薄膜沉積技術(shù)形成，包括濺射或蒸發(fā)技術(shù)、溶膠-凝膠、旋轉(zhuǎn)鑄型、浸鍍法。單層厚度可以在0.5-50μm范圍內(nèi)變化。電池組結(jié)構(gòu)也可以用夾在電極/催化劑層之間形成膜電極組合元件或?qū)訅喊宀⑶腋街⒄澈匣驒C(jī)械密封在基于微型機(jī)電系統(tǒng)的的歧管主體結(jié)構(gòu)上的電解質(zhì)材料層形成。要求電極具有低電阻、連續(xù)傳導(dǎo)性、和足夠多的孔以使燃料和氧化劑擴(kuò)散到發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的催化劑/電解質(zhì)界面處，并容許反應(yīng)的副產(chǎn)物擴(kuò)散出電極結(jié)構(gòu)。電極材料可以通過包括射頻濺射、電子束沉積或溶膠-凝膠法的技術(shù)制成多孔的。電極也可以通過用光刻技術(shù)在金屬膜內(nèi)蝕刻孔而制成多孔的。此外，該多孔電極可以使用也可以用作多孔歧管主體結(jié)構(gòu)的多孔金屬層制成。催化劑和電解質(zhì)層是用上述技術(shù)沉積的致密連續(xù)膜。該電解質(zhì)可以是固體氧化物、固體高分子、或質(zhì)子交換類型的材料。
圖7示出一個(gè)實(shí)施方案，其中單個(gè)電池可以直接堆疊在另一個(gè)之上。在圖1中，燃料入口15和氧化劑入口17從燃料電池組件10的側(cè)面進(jìn)入，或者以其中入口15和17保持與流道29和30敞開連接的方式，單個(gè)電池10可以直接堆疊在另一個(gè)之上，如圖7所示，電池表示為110，燃料入口表示為115，以及氧化劑入口表示為117。此外，如果電池的燃料和氧化劑入口管的位置如圖7所示偏移時(shí)，從而它們就很容易到達(dá)，然后燃料就可以從共用的燃料或氧化劑存貯器被輸送到多個(gè)入口。此外，圖1的襯底14和16可以是相同的襯底，如在圖7中所指的114，該襯底具有形成在襯底114的頂部和底部區(qū)域的用于燃料和氧化劑的合適入口115和117，襯底114開放連接到合適的流道以輸送燃料到所要求的電極25以及輸送氧化劑到電極27，如圖1所示。在氧化劑入口117的情況下，通過用如前所述的顯微機(jī)械加工技術(shù)形成管道或孔，或者用具有足夠的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度的材料來使氧化劑或空氣流流向電極。在本堆疊實(shí)施方案中，每個(gè)模塊的電極串聯(lián)連接以加和每個(gè)單模塊所產(chǎn)生的電壓。這種堆疊方法與在圖2、3、5和6中所描述的所有實(shí)施方案相關(guān)。
在圖8中示出堆疊基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池的另外的一個(gè)實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，現(xiàn)將具有燃料電池電極/電解質(zhì)電池組213和單個(gè)或多個(gè)開口、管道或孔220的襯底/主體結(jié)構(gòu)211’，粘合或機(jī)械密封到如219所指的類似的襯底/主體結(jié)構(gòu)211上，該結(jié)構(gòu)如圖8所示被倒置，這樣就形成一個(gè)對稱結(jié)構(gòu)并且現(xiàn)在單個(gè)燃料入口215可以運(yùn)送燃料以使有效的燃料電池組面積加倍。用與流道、開口、管道或孔連通的切去部分形成燃料入口215。用如前所述的一種或多種不同的顯微機(jī)械加工技術(shù)形成流管和切去部分。如果要求額外的堆疊或封裝，與圖1中的襯底結(jié)構(gòu)類似的另一個(gè)襯底結(jié)構(gòu)216，與圖1所示的類似，置于每個(gè)燃料電池電極/電解質(zhì)組213上，并如219’所指那樣粘合或機(jī)械密封到襯底/主體結(jié)構(gòu)211和211’上。如圖8所示，本實(shí)施方案使每個(gè)燃料電池組能夠有如圖所示的用顯微機(jī)械加工技術(shù)在所述的襯底216上形成的空腔和氧氣入口結(jié)構(gòu)217。這額外地使燃料電池組件可以如前所述和如圖7所示的那樣直接堆疊。
最后，可以利用整合的電阻加熱元件來有效加熱燃料電池組而不用加熱整個(gè)主體結(jié)構(gòu)和外殼。將該電阻加熱元件放在位于外殼內(nèi)的可充電的微型電池上，并通過均勻加熱燃料電池組被用來啟動(dòng)燃料電池。一旦燃料電池接通，電阻加熱器就從工作的燃料電池中汲取其能量。電阻加熱器可以置于燃料電池組內(nèi)，但是將要求電絕緣。該加熱元件也可以置于多孔主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，和設(shè)計(jì)成將熱傳導(dǎo)到燃料電池組結(jié)構(gòu)，并且與歧管襯底和外部封裝絕緣。
所描述的小型基于微型機(jī)電系統(tǒng)的薄膜燃料電池將產(chǎn)生比現(xiàn)有的任何燃料電池大得多的功率密度。此外，剛才所描述的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池很小并且緊湊，因而相對于可充電電池提供作為小型電源的改進(jìn)性能。由于燃料電池電解質(zhì)層可以制得更薄，例如比1密耳厚1-2μm，然后對于使用固體氧化物電解質(zhì)來說，操作溫度可以從＞600℃的傳統(tǒng)操作溫度降低幾百度。該電解質(zhì)材料可以是YSZ，固體氧化物或固體高分子，或質(zhì)子交換膜。同樣，基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池具有用微機(jī)械加工到主體結(jié)構(gòu)/襯底內(nèi)的微流管和歧管裝置，利用整合的薄膜電阻加熱器來有效加熱燃料電池組，并含有與用來啟動(dòng)控制的加熱器連接的可充電微型電池。
具體實(shí)施例方式
在此所描述的是將催化材料引入燃料流場結(jié)構(gòu)以使如甲烷、甲醇、或丁烷的烴基燃料能夠催化重整的方法。該方法從上述的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池的基本概念擴(kuò)展而來。此外，如此處所述，燃料電池的整合預(yù)重整組件，為用來替代電池的緊湊、重量輕的便攜能源提供了優(yōu)越性。
每個(gè)燃料電池的基礎(chǔ)是形成在硅襯底支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的被電解質(zhì)層分開的陽極和陰極。電解質(zhì)層可以包括固體氧化物或固體高分子材料。附加的催化層也可以分開電極(陽極或陰極)和電解質(zhì)。氣體歧管輸送燃料和氧化劑到每個(gè)電池并提供用來排氣的路徑。從每個(gè)電池產(chǎn)生的電流用與氣體歧管結(jié)合的互連和支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)走。當(dāng)在主體結(jié)構(gòu)上形成的燃料電池組內(nèi)將電接插件和電阻加熱器時(shí)，利用硅或其他材料的微機(jī)械加工同時(shí)在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成歧管結(jié)構(gòu)。
雖然傳統(tǒng)上氫是燃料電池產(chǎn)生電流的理想燃料，但是氫在高濃度下依然很難貯存，并且大量生產(chǎn)很昂貴。丁烷可通過形成銅-氧化釤-二氧化鈰催化劑直接用作燃料。這種燃料可以長時(shí)間工作而不產(chǎn)生均會(huì)妨礙陽極反應(yīng)的焦油或碳?？梢圆捎秘S富、便宜、和容易存貯的勝于氫的烴類燃料。以下所描述的是將催化材料引入基于微型機(jī)電系統(tǒng)的或微型燃料電池的陽極，連同整合的多孔預(yù)重整結(jié)構(gòu)以制造以烴類為燃料的固體氧化物燃料電池的實(shí)施方案。此外，燃料電池系統(tǒng)可以在再生模式下工作，其中在燃料電池中損耗的廢熱可以用于反應(yīng)加熱以維持催化燃料處理器的反應(yīng)。雖然本實(shí)施方案被描述為主要用于固體氧化物燃料電池，但它也可以應(yīng)用在固體高分子、質(zhì)子交換膜、或磷酸燃料電池上，只要燃料處理的催化重整反應(yīng)在與燃料電池工作溫度類似的溫度下發(fā)生即可。
可以以逆流設(shè)計(jì)形成管道，其中燃料在一端進(jìn)入，流過燃料電池陽極，并在相反端排出?？梢赃x擇以蛇形設(shè)計(jì)形成管道，其中燃料在管道的一端進(jìn)入并且當(dāng)它穿過燃料電池電極時(shí)以蛇形方式來回流動(dòng)。這種蛇形設(shè)計(jì)，或其多個(gè)，可以控制在陽極上的燃料的壓力下降和滯留時(shí)間從而有利于優(yōu)化燃料利用和功率密度。
參考圖9，示出了具有涂覆催化劑904的管道905的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池902?？梢杂梦C(jī)械加工技術(shù)蝕刻這些管道以連接到在主體結(jié)構(gòu)906，例如硅晶片、玻璃或陶瓷的上表面上的自立膜。另一個(gè)方法(未示出)包括在向下延伸到更大的流場管道開口的歧管支撐結(jié)構(gòu)908的上表面上形成一系列微孔。電阻加熱器910可以形成在流場主體結(jié)構(gòu)附近以提供燃料電池所需的熱從而以約＞100mA/cm2的速率開始產(chǎn)生電流。由連續(xù)電電解質(zhì)層916分開的多孔金屬電極(即，空氣電極914和燃料電極912)位于歧管支撐結(jié)構(gòu)908的上面。箭頭918示出空氣流的方向。箭頭920示出燃料流入燃料電池的方向，箭頭921示出燃料氣向燃料電極913流動(dòng)的方向，以及箭頭922示出廢氣流出燃料電池的方向。在管道905中可見燃料汽化器924和逆流熱交換區(qū)924。
可以通過利用催化微燃燒器和燃料處理器來提供燃料電池啟動(dòng)和連續(xù)工作的供熱。參考圖10，微燃燒器200包括具有微機(jī)械加工的流通管204的襯底202，流通管204填充或涂覆有催化劑材料205，例如鉑或負(fù)載在氧化鋁載體上的鉑。當(dāng)燃料和氧化劑在微管道(燃料/空氣流的方向如箭頭206所示)內(nèi)混合時(shí)，發(fā)生以可控方式生熱的放熱反應(yīng)。廢氣流的方向以箭頭208表示。燃料可以是氫氣或烴。燃料流過燃料汽化器區(qū)域211并且燃料蒸汽穿過多孔膜216。電加熱器210與微燃燒器整合以提供初始加熱，之后放熱反應(yīng)產(chǎn)生足夠的熱能來維持反應(yīng)。可以通過控制對于給定微燃燒器設(shè)計(jì)(體積和表面積)的空氣和氧氣的流動(dòng)速率和比率來獲得更多的熱控制。燃料處理器212與微燃燒器200整合并且包括具有燃料流管道214的多孔膜支撐結(jié)構(gòu)213、任選的多孔膜216，處理燃料的多孔催化劑或催化劑涂層218，和在該處如箭頭222所示將處理后的燃料排出到整合的基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池的燃料電池歧管(未示出)的多孔催化膜220。從微燃燒器200產(chǎn)生的熱沿箭頭224所示的方向轉(zhuǎn)移到熱燃料處理器212。
如圖9和10所示，熱和催化燃料處理組件可以被高度整合并形成在作為基于微型機(jī)電系統(tǒng)的薄膜燃料電池的同一微流管和主體結(jié)構(gòu)內(nèi)。薄膜燃料電池在該微流管主體結(jié)構(gòu)和加熱器的頂側(cè)，通過沉積多孔陽極層，沉積陽極催化劑層，沉積電解質(zhì)層，沉積陰極催化劑層，和沉積多孔陰極層，來形成。
固體氧化物燃料電池的層可以包括例如，(1)鎳、(2)二氧化鈰、(3)氧化釔-穩(wěn)定氧化鋯、(4)二氧化鈰、和(5)鑭鍶錳酸鹽。質(zhì)子交換膜燃料電池的層可以包括例如，(1)鎳、(2)碳-鉑-釕、(3)全氟磺酸/聚四氟乙烯(PFSA/PTFE)共聚物(例如，NafionTM)、(4)鉑、和(5)碳。這些層可通過多種沉積技術(shù)形成，包括濺射或真空蒸發(fā)沉積，溶膠凝膠沉積，絲網(wǎng)印刷，或其他本領(lǐng)域公知的技術(shù)。此外，厚膜層可以被附著和粘合到上述的任何層上。沉積后典型的層厚范圍為1-25μm，以及對于厚膜層為10-100μm。如果可以從主體結(jié)構(gòu)襯底的兩側(cè)進(jìn)行涂覆或應(yīng)用，那么按如上所述的步驟1-5形成膜的順序可以不同。例如可以首先從頂側(cè)沉積電解質(zhì)層，接著從頂側(cè)沉積陰極催化劑和陰極電極層。然后可以從底側(cè)沉積陽極催化劑和陽極電極層。
蒸汽重整裝置將烴燃料在擴(kuò)散到陽極層之前轉(zhuǎn)換成氫和副產(chǎn)物。該裝置提供操作上的靈活性以及平衡燃料電池的工作。盡管以上描述提出了燃料電池的實(shí)施方案，其中歧管微流管將汽化的燃料分布到燃料電池陽極的表面區(qū)域，但困難在于燃料處理和轉(zhuǎn)化的反應(yīng)速率與在燃料電池的陽極和陰極的電催化反應(yīng)的相匹配將限制該實(shí)施方案的效率。提供另一個(gè)描述整合的燃料處理組件的實(shí)施方案。
氣態(tài)或液態(tài)的燃料混合物從一些設(shè)有控制流速的裝置的供應(yīng)貯存器利用例如微泵流入微流體連接器。如圖11所示，燃料混合物流入微流體管道214，然后如果需要的話，流過用逆流熱交換器(例如從催化微燃燒器的熱廢蒸汽中補(bǔ)償熱量)和輔助熱源210(例如電阻或催化微燃燒器加熱器)加熱的蒸發(fā)器區(qū)209，將燃料和水的混合物轉(zhuǎn)化成蒸汽，然后流過微管道進(jìn)入如圖11中214所描述的催化劑涂覆的燃料處理器212。
燃料可以是氣體，例如甲烷，或液體，例如甲醇或丁烷。燃料可以與適量的水預(yù)混以優(yōu)化蒸汽重整反應(yīng)，例如50摩爾％的水對甲醇，和88摩爾％的水對丁烷。也可以在分別將燃料和水加熱成蒸汽后再將燃料與水以適當(dāng)比率混合。此外，燃料可以通過裂解過程被直接分解，但是這種方法將會(huì)產(chǎn)生不必要的碳沉積物。
熱源可以是一個(gè)如前所述在微管道內(nèi)與燃料入口相鄰并熱接觸的催化微燃燒器和蒸汽重整微管道。微流控流通道可以在玻璃、陶瓷、金屬、或硅襯底上用微機(jī)械加工技術(shù)形成，直徑范圍為100μm-5mm。其中形成有微管道的襯底厚度通常為約500-1000μm。因此，微管道的長徑比為高∶直徑＞10∶1，這殼體容許燃料混合物的流速范圍為0.5μL/分鐘到500μL/分鐘。
如前所述和圖11所示，整合的催化燃料處理器212包括由玻璃、硅、陶瓷、或金屬制成的襯底支撐結(jié)構(gòu)213。用蝕刻、模制、或機(jī)械加工方法使垂直管道204在該襯底內(nèi)或穿過該襯體形成。燃料流的方向用箭頭214表示。垂直管道的直徑范圍可為100μm到2mm，高度∶直徑的長徑比可＞10∶1。大的垂直管道隨后可用催化劑材料，例如PtRu、CuO、Cu-ZnO、氧化鋁、Ni或其他適于烴燃料的催化蒸汽重整反應(yīng)的材料來填充。該材料用例如溶膠凝膠沉積、活化涂層沉積(washcoat deposition)、蒸發(fā)、濺射、或以涂覆催化劑材料的粒子或微球的簡單流動(dòng)的技術(shù)被沉積在管道里。催化劑材料對從其上燃料流過的體積提供高的表面積。催化燃料處理器和微燃燒器還包括用來啟動(dòng)并維持運(yùn)行的加熱器210、燃料入口216，優(yōu)選從微管道主體結(jié)構(gòu)的底部進(jìn)入，填充或涂覆有微管道或多個(gè)微管道218(如前所述)，和與燃料電池的陽極流場微流控連通的出口222。適用于整合的催化燃料處理器的微管道主體結(jié)構(gòu)213與兩個(gè)燃料電池流場的主體結(jié)構(gòu)熱連通，也就是，歧管支撐908和加熱器200，并且該加熱器可以為燃料電池和催化燃料處理器提供啟動(dòng)和持續(xù)加熱。箭頭226示出燃料電池的廢熱將流動(dòng)以加熱在燃料處理器中的催化劑的方向。
整合的催化燃料處理器可以有幾種構(gòu)造，包括在圖9和11中所示出的?？蛇x的結(jié)構(gòu)容許燃料流過微管道的入口，然后在流過出口到達(dá)燃料電池陽極歧管之前，水平流過微管道一段距離。燃料必須流過微管道的距離取決于需要的催化劑的空速和微管道的設(shè)計(jì)以便使燃料有效轉(zhuǎn)換成氫和其他副產(chǎn)物。例如，燃料在流過出口以前可以向下流經(jīng)具有數(shù)十毫米長的微流管。
流管的出口可以有具有多個(gè)較小孔(也就是微孔)，直徑范圍為0.1μm-10μm的多孔薄的篩網(wǎng)或微孔層。微孔可以是不規(guī)則或垂直定向的。微孔的排列要求容許燃料和氣體從整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)和微孔層的入口和出口僅以小壓力降流過該整合的催化燃料處理器。如果當(dāng)燃料氣體通過時(shí)使用催化劑顆粒，則該微孔也可以將催化劑材料留在燃料處理器微管道內(nèi)。如果使用催化劑涂層，則微孔成為高表面積催化劑載體來優(yōu)化燃料轉(zhuǎn)化效率。微孔層可以通過這些技術(shù)而形成例如蝕刻硅、玻璃、金屬或陶瓷層，將陶瓷、玻璃、硅或金屬的厚膜多孔結(jié)構(gòu)粘合或壓制在具有大的微管道的微管道主體結(jié)構(gòu)上，或者其他制造多孔篩網(wǎng)層的方法。該層的厚度約為25μm-1mm。電阻加熱器或其他加熱裝置可位于微孔層上或與微孔層的支撐結(jié)構(gòu)熱連通，以便加熱催化劑到要求的溫度以使流過催化劑涂層微流管的烴燃料反應(yīng)，將烴燃料轉(zhuǎn)換成氫和副產(chǎn)物，例如二氧化碳。
如果需要在垂直管道中保存催化劑材料，則微管道的底部也可以任選地具有多孔微孔篩網(wǎng)。燃料-水的蒸汽從汽化器流出經(jīng)過由硅、玻璃、陶瓷、或金屬制成的微管道，然后流過催化燃料處理器或微反應(yīng)器管道，或者穿過多個(gè)催化微反應(yīng)管道而被分散，這樣催化劑的總表面積就足夠?qū)⑷剂贤ㄟ^蒸汽重整或氧化還原反應(yīng)完全轉(zhuǎn)換成氫和其他副產(chǎn)物。加熱器可以被置于微反應(yīng)器襯底上或與其熱連通以提供啟動(dòng)和維持蒸汽重整反應(yīng)所需要的熱量。如上所述，加熱器可以是電阻加熱器，或具有用來初始啟動(dòng)的電阻加熱器的催化微燃燒器加熱器。
此處描述了整合的催化燃料處理器的微管道主體結(jié)構(gòu)部分的三個(gè)實(shí)施方案。第一個(gè)實(shí)施方案引入填充或涂覆有催化劑材料的單微管道或微管道陣列。在該實(shí)施方案中，燃料垂直通過微管道。第二個(gè)實(shí)施方案引入密集排列的填充或涂覆有催化劑材料的水平微管道陣列。燃料優(yōu)選從微管道的底部進(jìn)入入口，然后沿微管道水平流動(dòng)一段距離，其中燃料與催化劑高效反應(yīng)。處理后的燃料流向出口，名義上垂直流入燃料電池的微管道陽極流場。第三個(gè)實(shí)施方案引入填充或涂覆有催化劑材料的單水平微管道或以蛇形圖案密集排列的水平微管道陣列。燃料優(yōu)選從微管道的底部進(jìn)入入口，然后沿微管道水平流動(dòng)一段距離，其中燃料與催化劑高效反應(yīng)。處理后的燃料流向出口，名義上垂直流入燃料電池的微管道陽極流場。在每個(gè)實(shí)施方案中，為了在所要求的溫度和流量下的最有效工作，優(yōu)化微管道主體結(jié)構(gòu)的表面與體積比。
燃料電池可以是固體氧化物燃料電池，并且可以用與催化微反應(yīng)器相同的加熱器加熱。一旦催化燃料處理器和燃料電池被加熱到工作溫度，(對催化蒸汽重整反應(yīng)為250-400℃，對SOFC為350-600℃)，在SOFC中來自損耗的生熱可以補(bǔ)償給催化重整器以維持這兩個(gè)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，而無需或很少由整合的電阻加熱器額外的輸入熱量。整合的SOFC，燃料重整器另外還包括為空氣流過燃料電池的陰極的歧管和封裝。此外，只要工作溫度與催化燃料處理器的反應(yīng)溫度近似，燃料電池可以是任何類型的電解質(zhì)。
固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池通常設(shè)計(jì)為使用氫或一氧化碳作為燃料。然而，氫或一氧化碳都不容易被液化，并且液氫的存貯尤其危險(xiǎn)。結(jié)果，適宜使用更復(fù)雜的燃料，例如甲醇或丁烷。這些復(fù)雜燃料在它們可以被固體氧化物燃料電池利用前，可能需要被重整為更簡單的化合物例如氫和一氧化碳。典型的重整反應(yīng)包括蒸汽重整，其中燃料與水混合；部分氧化重整，其中燃料與氧混合(氧通常來自空氣)；和熱裂解，其中燃料不與任何東西混合，但在給定溫度下分解。所有的重整反應(yīng)可以通過加入固體催化劑而加速。傳統(tǒng)的使用復(fù)雜燃料的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)通常包括單獨(dú)的重整器，以及作為單獨(dú)模塊制造的燃料電池模塊。這些組件通常由幾米長的管道系統(tǒng)所隔開。
本發(fā)明實(shí)施方案在固體氧化物燃料電池和重整器之間以非常短的距離用歧管提供這兩者間的流體連通。為制造這些緊湊結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用用在微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和集成電路(IC)制造中的各種圖案形成技術(shù)，包括光刻法和模壓。特別地，因?yàn)镸EMS和IC工業(yè)熟悉硅材料，所以用硅來作為歧管材料是有利的。
這些緊湊結(jié)構(gòu)的制造經(jīng)常輔助使用比傳統(tǒng)固體氧化物燃料電池要薄的燃料電池組層。由于降低了燃料電池的電阻，所以降低電解質(zhì)的厚度改善了性能。薄膜電解質(zhì)可以通過標(biāo)準(zhǔn)IC工藝濺射技術(shù)生產(chǎn)。特別地，小于10微米的厚度會(huì)改善燃料電池的性能。除電解質(zhì)外，電極也可以用IC工藝技術(shù)或傳統(tǒng)陶瓷工藝技術(shù)制造。
在燃料電池組和重整器間的短距離導(dǎo)致更緊湊的系統(tǒng)，從而容許系統(tǒng)用在便攜應(yīng)用中，其中希望使系統(tǒng)的尺寸和重量最小。短距離也使催化劑和燃料電池組能夠緊密熱連通。緊密熱連通容許在燃料電池組中產(chǎn)生的余熱被用來加熱燃料重整器(催化微反應(yīng)器)，或用在燃料重整器中的余熱來加熱固體氧化物燃料電池組。另外，現(xiàn)在來自催化微燃燒器的生熱與整個(gè)集成系統(tǒng)熱連通，在燃料處理器區(qū)域的催化劑和燃料電池都，從而提供了閉環(huán)控制機(jī)制來維持燃料電池和燃料處理器的溫度。這種熱能的共享就形成更高效的系統(tǒng)。另外，將燃料輸送到電極的歧管可以具有與燃料電池相同的溫度。歧管可以作為用來提供燃料處理器中的催化劑和固體氧化物燃料電池之間的緊密熱連通的裝置。
由于有限的熱傳導(dǎo)性，公認(rèn)這些組件不可能被很容易地造得工作在精確相同的溫度下。然而，所有組件彼此在約200℃工作則足以取得所述的優(yōu)勢。
在一個(gè)實(shí)施方案中，催化劑直接與燃料電池組的燃料電極(陽極)接觸。一種制造組合燃料電池組和微反應(yīng)器(重整器)的有效的技術(shù)為利用硅微機(jī)械加工技術(shù)。為使燃料電池組和微反應(yīng)器間的流管最大化，可使用小流管。考慮到復(fù)雜流動(dòng)模式的空間，直徑小于5毫米。在特定實(shí)施方案中，最大的流管特征為小于3毫米或小于1毫米。
在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料電極覆有多孔燃料重整催化劑。以考慮到燃料電池和催化劑間的緊密熱連通的方式來定位催化劑，從而改善燃料和產(chǎn)物的傳輸。例如，在燃料電極的1mm內(nèi)定位催化劑可消除與大量運(yùn)輸有關(guān)的損失。
當(dāng)電極用催化劑覆蓋時(shí)，輸入的燃料和輸出的產(chǎn)物均在催化劑上出現(xiàn)。流出的產(chǎn)物含有在燃料電池反應(yīng)中所消耗的額外的氧原子，并且這些產(chǎn)物可用在燃料重整反應(yīng)中來分解進(jìn)入的燃料。例如假設(shè)燃料包括丁烷、水和在燃料電極作為產(chǎn)物形成的二氧化碳。當(dāng)水和二氧化碳離開燃料電極時(shí)，它們通過催化劑。輸入的丁烷可與輸出的水和二氧化碳反應(yīng)，生成氫和一氧化碳。這樣，輸入的燃料流就無需為驅(qū)動(dòng)燃料重整反應(yīng)而包括同樣多的水或其他形式的氧。在一些實(shí)施方案中，催化劑的構(gòu)造可以迫使燃料和產(chǎn)物向相反方向移動(dòng)，從而增加了可用于發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間。
如果催化劑足夠厚并有高活性，輸入的燃料就無需包括任何附加的氧(例如水或氧氣)，并且可以使用固體氧化物燃料電池的產(chǎn)物來發(fā)生完全的燃料重整反應(yīng)。一些燃料電池可耐受部分重整的燃料。如果使用重整燃料，催化劑就無需完成該燃料重整反應(yīng)。
系統(tǒng)可以連同輸送燃料到催化劑的歧管一起制造。一種制造這種歧管的技術(shù)是硅微機(jī)械加工法。通過應(yīng)用光刻法、蝕刻和其他在微機(jī)械加工領(lǐng)域公知的工具，可以構(gòu)造非常復(fù)雜的小型系統(tǒng)。
在催化劑中可包括與燃料電極垂直的孔。這種結(jié)構(gòu)提供了將燃料運(yùn)送到燃料電極和將產(chǎn)物運(yùn)離燃料電極的最小的電阻。
還可以通過在不同區(qū)域?qū)Σ煌臍饬髀窂揭胛⒐艿滥媪鳠峤粨Q器來優(yōu)化集成設(shè)計(jì)。例如，燃料入口的汽化區(qū)可以連通來自燃料電池陽極的廢熱或來自微燃燒器的廢熱或兩者，來預(yù)熱并汽化輸入的液體燃料。燃料電池的陰極可以含有熱交換器，以便通過陰極排出的空氣來預(yù)熱流入的空氣。與燃料混合流入到微燃燒器的空氣能被微燃燒器排出的蒸汽預(yù)熱。該熱交換器通常是單獨(dú)的微管道或彼此毗鄰的具有各自流向相反的氣體或液體的微管道陣列。由適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和熱連通，熱量可以通過最佳的路徑長度相互有效傳遞。
最后，完整集成的系統(tǒng)要求熱絕緣以最小化熱傳導(dǎo)和導(dǎo)致的能量的對外損失。有效絕緣的實(shí)例包括氣凝膠材料、真空封裝，或二者的組合。因而該集成系統(tǒng)可工作在高溫下，同時(shí)外部溫度非常接近周圍環(huán)境溫度。
此處所描述的催化微反應(yīng)器直接與燃料電池整合。重整的燃料流從催化微反應(yīng)器直接進(jìn)入基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池的歧管。該歧管管道在襯底結(jié)構(gòu)內(nèi)通過蝕刻、模制或其它技術(shù)形成。襯底可以用玻璃、硅、或陶瓷制成，其他細(xì)節(jié)描述在以前的描述基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池(IL-10186)專利申請中。將燃料電池的主體結(jié)構(gòu)結(jié)合到在其中形成有微反應(yīng)器的襯底上?？墒褂昧硗獾慕Y(jié)合和密封材料，例如陶瓷或玻璃預(yù)型體，或基于高溫二氧化硅的結(jié)合材料和膠粘劑。其他實(shí)施方案可以為燃料處理器在與燃料電池流場相同的襯底內(nèi)引入微管道。在這些實(shí)施方案中，燃料電池的流場管道可以是如前所述的涂覆有催化劑材料的催化燃料處理器微管道。當(dāng)燃料流入并沿管道與催化劑反應(yīng)時(shí)，副產(chǎn)物通過微孔擴(kuò)散到燃料電池的陽極。因而，該集成燃料處理器作為燃料電池的預(yù)重整器，其中任何未反應(yīng)的燃料都將在燃料電池電極內(nèi)被完全處理。
說明書和權(quán)利要求中所用的表達(dá)組分、成分、反應(yīng)條件等的所有數(shù)字應(yīng)被理解為在任何情況下都被“約”一詞修飾。
盡管這里出現(xiàn)的數(shù)值范圍和參數(shù)提出的廣泛的標(biāo)的范圍為近似值，在特定實(shí)施例中舉出的數(shù)值被報(bào)告得盡可能精確。然而，任何數(shù)值都固有地包含必然的誤差，其必定來源于在它們各自的測試方法中所發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
盡管描述了不同的材料、參數(shù)、操作順序等來例證和教導(dǎo)本發(fā)明的原理，但其意并非局限于此。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說修改和變動(dòng)可以是很明顯的；并且意圖在于本發(fā)明僅受所附的權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括燃料電池組，具有一對包括陽極和陰極的電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)；其中電解質(zhì)包括固體氧化物；和催化微反應(yīng)器，具有(1)與燃料電池組流體連通的歧管，該歧管適合于將燃料傳送到陽極和(2)適合于重整燃料的催化劑。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中成對電極中的至少一個(gè)和催化劑間的距離小于10毫米。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中成對電極中的至少一個(gè)和催化劑間的距離小于1毫米。
4.權(quán)利要求3的裝置，其中催化劑與成對電極中的至少一個(gè)相接觸。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中催化劑與陽極相接觸。
6.權(quán)利要求1的裝置，其中催化劑置于至少一部分歧管上。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中燃料電池組和催化微反應(yīng)器一起的體積小于1L。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中電解質(zhì)的厚度小于10微米。
9.權(quán)利要求1的裝置，其中在裝置工作期間催化劑具有第一溫度和電解質(zhì)具有第二溫度，并且第一溫度和第二溫度間的差值小于200攝氏度。
10.權(quán)利要求9的裝置，其中在工作時(shí)，至少一部分歧管具有第三溫度，并且第一溫度和第三溫度間的差值小于200攝氏度以及第二溫度和第三溫度間的差值小于200攝氏度。
11.權(quán)利要求1的裝置，其中歧管包括至少一個(gè)含硅的壁(wall)。
12.權(quán)利要求1的裝置，其中歧管包括具有至少一個(gè)維度小于5毫米的流管。
13.權(quán)利要求1的裝置，其中基本平坦的襯底限定歧管。
14.一種裝置，包括，燃料電池組，具有一對包括陽極和陰極的電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)；其中電解質(zhì)包括固體氧化物；和置于陽極附近的催化劑，該催化劑適于重整燃料，其中陽極和催化劑間的距離小于1毫米。
15.權(quán)利要求14的裝置，其中催化劑與陽極接觸。
16.權(quán)利要求14的裝置，其中在裝置工作期間，催化劑被設(shè)計(jì)為混合以第一方向通過催化劑被運(yùn)送到燃料電池組的燃料和以第二方向通過催化劑從燃料電池組排出的至少一種產(chǎn)物。
17.權(quán)利要求16的裝置，其中催化劑適于加速傳送的燃料和排出的產(chǎn)物間的反應(yīng)。
18.權(quán)利要求16的裝置，其中催化劑適于與傳送的燃料反應(yīng)以形成基本不含水和氧其中的至少之一的輸入的燃料。
19.權(quán)利要求14的裝置，其中催化劑包括多個(gè)基本與陽極垂直定向的孔。
20.權(quán)利要求14的裝置，還包括與催化劑流體連通并適于傳送燃料到催化劑的歧管。
21.權(quán)利要求20的裝置，其中歧管包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)維度小于5毫米的流管。
22.一種方法，包括形成具有包括陽極和陰極的一對電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)的燃料電池組，其中電解質(zhì)包括固體氧化物；將催化微反應(yīng)器與所述的燃料電池組整合，其中所述的催化微反應(yīng)器包括(1)與燃料電池組流體連通的歧管，該歧管適合于將燃料傳送到陽極和(2)適合于重整燃料的催化劑。
23.權(quán)利要求22的方法，其中形成裝置的方法包括光刻法和模壓法的至少其中之一。
24.權(quán)利要求22的方法，其中形成裝置的方法包括濺射沉積。
25.一種方法，包括形成具有包括陽極和陰極的一對電極，和置于電極間的薄膜電解質(zhì)的燃料電池組，其中電解質(zhì)包括固體氧化物；和形成置于陽極附近的催化劑，該催化劑適于重整燃料，其中陽極和催化劑間的距離小于1毫米。
26.權(quán)利要求25的方法，其中形成燃料電池的方法包括光刻法和模壓法的至少其中之一。
27.權(quán)利要求25的方法，其中形成燃料電池的方法包括濺射沉積和真空蒸發(fā)沉積的至少其中之一。
全文摘要
這里所描述的是將催化材料引入基于微型機(jī)電系統(tǒng)的燃料電池的燃料流場結(jié)構(gòu)的裝置，它使烴基燃料，如甲烷、甲醇、或丁烷能夠催化重整。也公開了制造方法。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1666374SQ03815677
公開日2005年9月7日 申請日期2003年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者艾倫·F·揚(yáng)科夫斯基, 杰弗里·D·莫爾塞, 拉溫德雷·S·烏帕德耶, 馬克·A·哈夫斯特德 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)