專利名稱：具有集成加熱器和加強結(jié)構(gòu)的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池的疊層結(jié)構(gòu)和加熱機構(gòu)。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池(SOFC)典型在超過800℃的溫度下工作。升高的溫度增加了催化反應(yīng)速率和通過燃料電池中的固體電解質(zhì)的離子傳輸。典型的燃料電池由外部加熱器加熱，此加熱器將燃料加熱至足以催化的溫度。來自放熱反應(yīng)的熱量進一步將電池工作溫度增加至最佳值。然而，用于使足夠量的加熱燃料和空氣經(jīng)過燃料電池疊層以及將電池元件加熱至催化反應(yīng)自維持的水平所需的時間降低了電池效率并浪費了燃料。因此，人們需要更有效的方法來加熱燃料電池疊層。
燃料電池可以被制造成具有雙室結(jié)構(gòu)和單室結(jié)構(gòu)?？諝夂腿剂戏謩e地引入雙室系統(tǒng)。在雙室結(jié)構(gòu)中，陰極僅暴露于空氣，陽極僅暴露于燃料。電解質(zhì)是氣密性的，僅允許氧離子通過，不允許電子通過。由于燃料電池越小、電解質(zhì)膜就越薄，因此降低了氧離子從陰極向陽極遷移的電阻。但是，較薄的薄膜還顯示出降低的機械穩(wěn)定性。并且它們更加昂貴并難以制造，必須氣密的電解質(zhì)進一步增加了雙室結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本。
單室燃料電池消除了這些問題中的一些。燃料和空氣作為混合物引入到陽極和陰極的表面上，不需要氣體可透過的電解質(zhì)膜(Hibino，Science，2000，2882031)。但是采用燃料-氣體混合物不能解決單室裝置的機械難題。對于機械強度的需要降低了電解質(zhì)和催化劑的可用表面積，還降低了每單位面積的功率輸出。此外，在低功率需求期間，很難在不降低系統(tǒng)效率的條件下減少燃料用量或降低系統(tǒng)溫度。因此，人們需要一種燃料電池結(jié)構(gòu)，其在保持機械穩(wěn)定性的同時增加催化表面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種燃料電池組件，該組件包括基板和設(shè)置在基板上并具有從基板向外突出的肋的電解質(zhì)。此肋具有第一和第二側(cè)面和頂表面。陽極設(shè)置在第一側(cè)面上，陰極設(shè)置在第二側(cè)面上。燃料電池還包括設(shè)置在從陽極、陰極、電解質(zhì)中、肋和基板之間以及這些位置的任何組合中選出的位置處的電阻加熱器。


參考幾個附圖描述本發(fā)明，其中圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一部分燃料電池的示意圖；圖1B是根據(jù)本發(fā)明的可選實施例的一部分燃料電池的截面圖；圖1C是根據(jù)本發(fā)明的可選實施例的一部分燃料電池的截面圖；圖1D是表示對于根據(jù)本發(fā)明實施例的集成加熱器的可選結(jié)構(gòu)的一部分燃料電池的截面圖；圖1E是表示對于根據(jù)本發(fā)明實施例的集成加熱器的可選結(jié)構(gòu)的一部分燃料電池的示意圖；圖1F是表示對于根據(jù)本發(fā)明實施例的集成加熱器的可選結(jié)構(gòu)的一部分燃料電池的截面圖；圖1G是表示對于根據(jù)本發(fā)明實施例的集成加熱器的可選結(jié)構(gòu)的一部分燃料電池的示意圖；圖1H是表示對于根據(jù)本發(fā)明實施例的集成加熱器的可選結(jié)構(gòu)的一部分燃料電池的截面圖；圖2是描述根據(jù)本發(fā)明實施例制造燃料電池的方法的流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池疊層和底層電阻器的示意圖；圖4A是在本發(fā)明的實施例中采用的、串聯(lián)連接的燃料電池疊層的示意圖；圖4B是在本發(fā)明的實施例中采用的、并聯(lián)連接的燃料電池疊層的示意圖；圖5A是在圖1A中示出的燃料電池的側(cè)視圖，表示空氣和燃料如何通過電池疊層循環(huán)，其中圖5B的平面沿圖5A中的方向5B示出；圖5B是圖5A中示出的燃料電池的示意圖；圖5C是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的可選實施例的截面圖；圖5D是在圖5C中描述的實施例的示意圖，圖5C的平面是沿著圖5D中的線5C示出。
具體實施例方式
本發(fā)明包括燃料電池組件，此組件包括基板、設(shè)置在基板上的電解質(zhì)、陽極和陰極。電解質(zhì)包括垂直于基板突出并包括第一和第二側(cè)面及頂表面的矩形肋。陽極設(shè)置在第一側(cè)面上，陰極設(shè)置在第二側(cè)面上。電解質(zhì)可包括限定出多個矩形肋的多個平行的溝槽。各凹槽具有設(shè)置在電解質(zhì)中的底表面，組件進一步包括設(shè)置在底表面上并相鄰交替凹槽的側(cè)面的多個陰極和陽極。本發(fā)明還包括燃料電池，該燃料電池具有陽極、陰極和設(shè)置在它們之間的電解質(zhì)。加熱器設(shè)置在電解質(zhì)、陽極、陰極和/或基板中。
本發(fā)明使用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)，例如薄膜淀積、光刻、構(gòu)圖、各向異性或各向同性刻蝕。根據(jù)本發(fā)明的典型燃料電池具有沿著垂直取向的電解質(zhì)淀積在凹槽中的電極(圖1A)。垂直排列允許每覆蓋的基板表面積的更大電極表面積，并且增加了相對于熱或機械震動、在燃料和空氣流中的壓力梯度以及熱應(yīng)力的機械穩(wěn)定性。電解質(zhì)的薄度僅受光刻技術(shù)和用于形成溝槽的方法(例如，各向同性或各向異性刻蝕，犧牲材料，等)的分辨率的限制。薄電解質(zhì)有助于經(jīng)過電解質(zhì)“壁”頂部的表面擴散并且降低了離子阻抗，將阻力降低至貫穿電解質(zhì)體積的陰離子遷移率。此外，電解質(zhì)結(jié)構(gòu)增加了每基板表面積的催化表面積。因此，此燃料電池結(jié)構(gòu)能夠降低工作溫度，增加功率產(chǎn)生。
圖1A描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施例、對于具有集成加熱器的燃料電池的高密度電極結(jié)構(gòu)。燃料電池10包括淀積在低導(dǎo)熱層14上的疊層12。低導(dǎo)熱層14將燃料電池疊層12與基板16分開?；?6可包括標(biāo)準基板材料，例如硅或其他材料，這些材料可以通過光刻技術(shù)或標(biāo)準刻蝕技術(shù)進行加工。耐熱材料淀積在低導(dǎo)熱陶瓷材料14的頂部之上并在其上構(gòu)圖。電解質(zhì)20首先淀積在電阻器18之間的空隙中，然后淀積在電阻器18頂部上的層中?？涛g掉電解質(zhì)20的溝槽，由此限定出肋20a。各肋具有第一和第二側(cè)21a和21b，相鄰肋限定出具有底部21c的溝槽。因此，各溝槽由兩條肋20a限定出并由一條肋的第二側(cè)21b和下一條肋的第一側(cè)21a限界。一條肋的第二側(cè)21b、溝槽底部21c和下一條肋的第一側(cè)21a利用適當(dāng)?shù)牟牧细采w，從而形成交替的陰極22和陽極24。陰極22和陽極24材料淀積在溝槽26的側(cè)面上，增加了供燃料和空氣流過燃料電池疊層的表面積。因此，正如從上面所看到的那樣，燃料電池是在電解質(zhì)中的一組平行溝，其具有涂覆有陽極24和陰極22材料的交替列的側(cè)壁。在一可選實施例中，溝槽填充有充當(dāng)電極的多孔材料，如圖1B所示。
可選擇地或另外，加熱器可設(shè)置在肋20a中(圖1C)、電解質(zhì)20的底部(圖1C)、或者電極(圖1B和1D)、或者這些位置的某種組合。加熱器還可以作為覆層淀積在電極上。采用薄帶(圖1E)、多孔材料(圖1F)或網(wǎng)板(圖1G)可使氣體達到催化表面。薄帶或網(wǎng)板還可以設(shè)置在電極中(圖1D)或電極和電解質(zhì)之間(圖1H)。陰極集流體23和陽極集流體25可以利用類似于圖1B、D、E、F、G和H中對加熱器所示的構(gòu)造集成在陰極和陽極膜的頂部上、在陰極和陽極膜中、或者在電解質(zhì)和電極之間。例如，集流體可以設(shè)置在電解質(zhì)/電極的界面處(圖1B)或者在電極的表面處(圖1C)。集流體可以是多孔材料，這種材料在導(dǎo)電的同時允許氣體擴散到電極表面。
由本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)還便于制造并降低制造成本。燃料電池可以采用更少的加工步驟和標(biāo)準制造加工工具制造出來。氣密性的獨立式薄膜的消除減少了在材料和制造處理方面的限制；此外，加強電極提高了產(chǎn)量。為了制造燃料電池，將低導(dǎo)熱陶瓷材料例如氧化鋁淀積在基板例如硅上。然后將電阻器例如鉑淀積在熱絕緣體上。選擇的電阻器材料不僅要經(jīng)受住升高的溫度，而且還要耐得住由空氣傳播的氣體例如氧和硫的腐蝕。電解質(zhì)淀積在電阻器上。典型的電解質(zhì)材料包括摻雜有釤的二氧化鈰(SDC)、摻雜有釓的二氧化鈰(GDC)、用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)以及摻雜有鎂和鍶的酸鑭(LSGM)。溝槽通過刻蝕或其它技術(shù)形成，并且淀積陽極和陰極材料。典型的陰極材料包括釤鍶輝(砷)鈷礦、釓鍶輝(砷)鈷礦以及鑭鍶鐵輝(砷)鈷礦。典型的陽極材料包括Ni-SDC、Cu-SDC、Ni-GDC、Cu-GDC和Ni-YSZ。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會熟知可用于制造根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的各種相應(yīng)的淀積技術(shù)。例如，可以采用氣相方法例如CVD和原子層CVD、或者液相方法例如浸漬、以及各種電化學(xué)技術(shù)。
為了制造根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料電池(圖2)，設(shè)置基板202，將低導(dǎo)熱材料淀積其上204。淀積電阻加熱器206，接著淀積電解質(zhì)208。形成陽極溝槽210，淀積陽極材料212。采用犧牲材料來填充陽極溝槽并覆蓋陽極材料214。然后形成陰極溝槽216，淀積陰極材料218。最后，從陽極溝槽中除去犧牲材料220?？梢栽陉枠O和陰極材料222a-b之前、在電極材料224a-b之后、或者作為在電極材料226a-b中的層淀積集流體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認識到，如果需要的話，可以首先淀積陰極，接著淀積陽極。
這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高表面積。燃料電池優(yōu)選具有每平方厘米的基板至少1cm2的電極表面積，更優(yōu)選的是每平方厘米的基板至少2cm2的電極表面積。在一個實施例中，如果溝槽26的深度是2μm，溝槽寬度為0.5μm，電解質(zhì)“壁”寬度為0.5μm，那么在燃料電池疊層中重復(fù)單元的總長度為2μm。因此，每線性厘米有5000個電池。溝槽底部的面積給定為溝槽寬度*長度*電池的數(shù)量 (1)0.5μm*長度*5000/cm (2)或者每平方厘米的基板為0.25cm2。溝槽側(cè)面的面積為溝槽深度*長度*2*電池的數(shù)量 (3)2.0μm*長度*2*5000/cm(4)這是因為各溝槽有兩個側(cè)面，或者每平方厘米的基板為2.0cm2。因此，總電極面積為每平方厘米的基板2.25cm2。
從上面可以看出，燃料電池疊層是由一系列的電解質(zhì)“壁”和溝槽26形成的，如圖3所示。電阻器18以平行于由電解質(zhì)限定的溝道的長條形式分布在燃料電池疊層以下。電流通過觸點30和32供應(yīng)到電阻器18。熱量從電阻器18通過電解質(zhì)20傳導(dǎo)到催化表面22和24。
疊層設(shè)計同時為優(yōu)化電流和電壓值以及功率控制提供了靈活性。電池可以互連以便串聯(lián)和并聯(lián)工作，從而分別提高電壓和電流。大量的電池還可以通過使一些電池電分離的方式實現(xiàn)電流偏移。當(dāng)對電流的需求降低時，保持連接的那些電池繼續(xù)以它們的最大效率工作。相反，為了降低單電池系統(tǒng)的功率，既可以降低溫度，也可以減少燃料輸送，降低效率。
陽極和陰極表面可以以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接，如圖4A和B所示。串聯(lián)電路增加了由燃料電池疊層輸送的電壓，而并聯(lián)電路增加了由電池輸送的電流?？蛇x擇地，如圖3所示，可以提供電路，從而以串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接單個燃料電池，設(shè)置一組開關(guān)40以確定電流在那個結(jié)構(gòu)中流動。在低需求時此開關(guān)還可以關(guān)閉部分疊層。設(shè)置在電路控制電阻器18中的類似開關(guān)42還會關(guān)閉用于不工作的那部分電路的加熱器。
圖3示出了以相互疊加的方式層疊的加熱器和燃料電池電路。設(shè)置開關(guān)40，從而以串聯(lián)或并聯(lián)的方式構(gòu)成燃料電池。為了以串聯(lián)方式連接燃料電池，打開開關(guān)40a-e。開關(guān)401，n，和p也應(yīng)該打開，剩余的開關(guān)應(yīng)關(guān)閉。為了以并聯(lián)的方式連接燃料電池，打開開關(guān)40f，h和j；剩余的開關(guān)應(yīng)關(guān)閉。還可以控制開關(guān)以便僅連接一部分燃料電池。例如，關(guān)閉開關(guān)40k-q將連接燃料電池的最下面的單電池。再關(guān)閉開關(guān)40i和j同時打開開關(guān)40p將以串聯(lián)的方式連接其它單電池。為了以并聯(lián)的方式連接兩個單電池，關(guān)閉開關(guān)k-q和開關(guān)40c，e和i。
開關(guān)42可以使電阻器18串聯(lián)連接。通過打開和關(guān)閉適當(dāng)?shù)拈_關(guān)，可以對電阻器的選擇部分進行加熱。例如，為了加熱電阻器元件的最下對，應(yīng)關(guān)閉開關(guān)42h-n。為了增加另一排，應(yīng)關(guān)閉開關(guān)42a-g。應(yīng)打開剩下的開關(guān)。為了將第四電阻器元件加入到電路中，關(guān)閉開關(guān)42g-m，同時打開42a-f和n。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會知曉如何構(gòu)成各種開關(guān)40和42，從而打開和加熱燃料電池的特定部分。
在一個實施例中，將空氣/燃料混合物輸送到燃料電池疊層，并且通過圖5A和B中所示的管道50除去水和/或CO2，圖5A和5B是垂直于彼此的側(cè)視圖。將空氣/燃料混合物通過溝道52輸送到疊層，水蒸汽和其它廢氣通過溝道54除去。圖5B示出了對在溝道52和54之間的溝槽26進行封閉的管道。對于便攜式裝置，燃料的可更換或可再充滿貯存器56可連接到溝道52。這種貯存器可包括取決于燃料的燃料重整器。典型的燃料重整器對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是非常熟知的。廢氣可以釋放到環(huán)境中或者收集到容器58中，此容器可根據(jù)需要倒空或去掉。用以從廢蒸汽中除去水蒸汽的冷凝器60的采用會降低在這種容器中氣體的含量。
在一可選實施例中，兩個燃料電池10安裝有彼此相對的溝槽，如圖5C所示?？諝饬鲝娜剂显?2輸送到溝槽，燃料源可包括貯存器、重整器或其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的燃料轉(zhuǎn)換或儲存設(shè)備(圖5D)。容器58可以設(shè)置在成對燃料電池的相對端部以收集廢氣，并且可包括冷凝器60。
從在此公開的本發(fā)明的具體說明和實踐的考慮出發(fā)，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，本發(fā)明的其它實施方式也是顯而易見的。具體說明和實施例的內(nèi)容僅作為舉例，本發(fā)明的實際范圍和精神實質(zhì)通過下述權(quán)利要求書表明。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池組件(10)，包括基板(16)；設(shè)置在基板(16)上的具有從基板向外突出的肋的電解質(zhì)(20)，該肋具有第一側(cè)面(21b)、第二側(cè)面(21a)和頂表面；陽極(24)設(shè)置在第一側(cè)面(21b)上；陰極(22)設(shè)置在第二側(cè)面(21a)上；在從陽極、陰極、電解質(zhì)中、肋和基板之間以及這些位置的任何組合中選出的位置處設(shè)置的電阻加熱器(18)，還可能具有下述特征A)在電解質(zhì)(20)和基板(16)之間設(shè)置的低導(dǎo)熱陶瓷層(14)，和/或B)陽極集流體(25)和陰極集流體(23)，其中集流體設(shè)置在陽極和陰極內(nèi)、電解質(zhì)與陽極和陰極之間、以及陽極和陰極上方的構(gòu)件處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其特征在于，電解質(zhì)(20)具有由多條肋限定的多個平行溝槽(26)，各條肋具有第一側(cè)面(21b)和第二側(cè)面(21a)，各溝槽(26)具有設(shè)置在電解質(zhì)(20)中的底面，所述組件還包括從肋的第二側(cè)(21a)延伸出、跨過相鄰溝槽(26)的底部、沿著其后的肋的第一側(cè)(21b)延伸的多個交替的陰極(22)和陽極(24)，還可能具有下述特征A)陽極(24)和陰極(22)填充它們各自的溝槽(26)，和/或B)多個陽極(24)和陰極(22)適用于并構(gòu)造成讓一部分陽極(24)和陰極(22)與燃料電池(10)可電分離，其中加熱器(18)適用于并構(gòu)造成僅向沒有電分離的陽極和陰極提供熱量，和/或C)燃料電池的表面催化面積大于每平方厘米的基板為1cm2的構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其特征在于，電解質(zhì)(20)包括設(shè)置在凸部和基板之間的基層，電阻加熱器(18)設(shè)置在從基層中和在基板(16)和基層之間選出的位置，還可能具有下述特征，電阻加熱器(18)包括多個串聯(lián)連接的電阻材料條。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其特征在于，還包括A)適用于并構(gòu)造成連接由并聯(lián)和串聯(lián)構(gòu)成的組的構(gòu)件中的陽極(24)和陰極(22)的電路，或者B)適用于并構(gòu)造成允許陽極(24)和陰極(22)從串聯(lián)電路向并聯(lián)電路可逆地切換的電路；或者C)燃料電池從中得到燃料的腔室(56)和從燃料電池向其中流入廢氣的腔室(58)，其中燃料和廢氣腔室可任意選擇地去除。
5.一種電氣設(shè)備，包括權(quán)利要求2的燃料電池組件；具有入口(52)和出口(54)的管道(50)，其中流過入口(52)的流體可以沿多個平行溝槽(26)中流動；以及與入口流體連接的燃料源(56)，還可能具有下述特征與出口流體連接的廢氣存儲容器(58)，和設(shè)置在廢氣存儲容器中的冷凝器(60)，其中燃料源是特征在于可替換、可再充滿的構(gòu)件的貯存器。
6.一種電源，包括根據(jù)權(quán)利要求2的第一組件；以及根據(jù)權(quán)利要求2的第二組件；其中各組件具有溝槽側(cè)和基板側(cè)，電源適合于并構(gòu)造成具有彼此面對的第一和第二組件的溝槽側(cè)；以及第一和第二組件的溝槽彼此流體連接。
7.一種加熱燃料電池的方法，該燃料電池包括設(shè)置在陽極和陰極之間的電解質(zhì)，該方法包括讓電流以與電解質(zhì)熱連接的方式通過電阻器，其中電流可任意選擇地經(jīng)過僅一部分電阻器。
8.一種制造燃料電池的方法，包括提供基板(16)；在基板(14)上淀積低導(dǎo)熱材料；在低導(dǎo)熱材料上淀積電阻加熱器(18)；在電阻加熱器上淀積電解質(zhì)(20)；在電解質(zhì)中形成第一多個平行溝槽(26)；在第一多個溝槽(26)的側(cè)壁上淀積第一電極材料；在第一電極材料上淀積犧牲材料；形成第二多個溝槽(26)，其中第二多個溝槽和第一多個溝槽形成交替的溝槽；在第二多個溝槽的側(cè)壁上淀積第二電極材料；以及除去犧牲材料以露出第一電極材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，還包括在電解質(zhì)、溝槽的側(cè)壁以及第一電極和第二電極材料的構(gòu)件中設(shè)置集流體。
10.一種電氣設(shè)備，利用權(quán)利要求1的燃料電池作為電源。
全文摘要
一種燃料電池組件(10)，包括基板(16)和設(shè)置在基板(16)上的具有從基板向外突出的肋的電解質(zhì)(20)。此肋具有第一和第二側(cè)面(21a和21b)和頂表面。陽極設(shè)置在第一側(cè)面上；陰極設(shè)置在第二側(cè)面(21a)上。燃料電池還包括在從陽極、陰極、電解質(zhì)中、肋和基板之間以及這些位置的任何組合中選出的位置處設(shè)置的電阻加熱器(18)。
文檔編號H01M8/00GK1495952SQ0313306
公開日2004年5月12日 申請日期2003年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月23日
發(fā)明者G·S·赫爾曼, D·錢皮安, J·奧內(nèi)爾, G S 赫爾曼, グ, 詼 申請人:惠普公司