具有集成催化燃料处理器的基于MEMS燃料电池及其制造方法技术

这里所描述的是将催化材料引入基于微型机电系统的燃料电池的燃料流场结构的装置，它使烃基燃料，如甲烷、甲醇、或丁烷能够催化重整。也公开了制造方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有集成催化燃料处理器的基于MEMS燃料电池及其制造方法依照美国能源部和加利福尼亚大学间关于Lawrence Livermore国家实验室运作的合同No.W-7405-ENG-48，美国政府对本专利技术拥有权利。本专利技术涉及并要求于2002年7月1日递交的临时申请No.60/393,218和于2002年7月1日递交的临时申请No.60/393,219的优先权，在此通过引用完全并入。专利技术背景在这里通过引用并入1999年2月4日递交的、序列号为09/241,159的待审批的转让于相同受让人的美国专利申请。序列号为09/241,159的待审批的美国专利申请描述了基于微型机电系统(MEMS)的燃料电池，包括形成在微机械加工的硅晶片上的电极/催化剂/电解质材料，其能够使燃料和氧化剂在高温下结合以产生连续电流。该基于微型机电系统的燃料电池可以是固体氧化物(SOFC)、固体高分子(SPFC)、或质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
技术实现思路
本专利技术的一个方面包括一种方法，其包括：形成具有包括阳极和阴极的一对电极，和置于电极间的薄膜电解质的燃料电池组，其中电解质包括固体氧化物；并在阳极附近形成催化剂，该催化剂适合于重整燃料，其中阳极和催化剂间的距离小于1毫米。本专利技术的另一方面包括一种方法，其包括：形成具有包括阳极和阴极的一对电极，和置于电极间的薄膜电解质的燃料电池组，其中电解质包括固体氧化物；将催化微反应器与燃料电池组整合，其中该催化微反应器包括(1)与燃料电池组流体连通的歧管，该歧管适合于将燃料传送到阳极和(2)适合于重整燃料的催化剂。本专利技术的另一方面包括一种装置，其包括：具有包括阳极和阴极的一对电极，-->和置于电极间的薄膜电解质的燃料电池组，其中电解质包括固体氧化物；并在阳极附近形成催化剂，该催化剂适合于重整燃料，其中阳极和催化剂间的距离小于1毫米。本专利技术的另一个方面包括一种装置，包括：具有包括阳极和阴极的一对电极，和置于电极间的薄膜电解质的燃料电池组，其中电解质包括固体氧化物；和催化微反应器，其具有(1)与燃料电池组流体连通的歧管，该歧管适合于将燃料传送到阳极和(2)适用于重整燃料的催化剂。附图说明引入并成为公开内容的一部分的附图示出本专利技术的实施方案，并与说明书一起用来解释本专利技术的原理。图1是本专利技术的基于微型机电系统的小型薄膜燃料电池实施方案的截面图。图2是图1中实施方案顶侧的放大截面图。图3是本专利技术的小型薄膜燃料电池的另一个实施方案的分解图。图4是小型燃料电池的初始测试结果的图解。图5是根据本专利技术制得的薄膜燃料电池的另一个实施方案的截面图。图6是使用多管道燃料歧管的燃料电池的另一个实施方案的截面图。图7示出用于堆叠基于微型机电系统的燃料电池模块来按比例缩放功率和电压的方法。图8是为了从一个共同入口将燃料输送到两个电池，能够使电池倒置并结合的燃料电池的另一个实施方案的截面图。图9示出基于微型机电系统的燃料电池。图10示出催化微燃烧器。图11示出与基于微型机电系统的燃料电池整合的催化微燃烧器。专利技术详述序列号09/241,149的待审批美国专利申请-->在序列号为09/241,149的待审批的美国专利申请中描述了或是固体氧化物燃料电池(SOFC)、或固体高分子燃料电池(SPFC)或质子交换膜燃料电池(PEMFC)的基于微型机电系统的薄膜燃料电池或燃料电池组，其使用能够使燃料和氧化剂在高温下结合以产生连续电流的电极/催化剂/电解质或电极/电解质材料。用基于微型机电系统技术在主体结构/衬底上形成燃料歧管和微流管，通过薄膜沉积技术和微型制造方法结合基于微型机电系统的制造技术，形成有或没有催化剂层的电极/电解质/电极以及电阻加热器和集成控制电路。从而，公开了包括零排放(以氢和空气工作时)的燃料电池的小型电源。从每个电池所产生的电流用与气体歧管相结合的互连和支撑结构输导。为了生产基于微型机电系统的薄膜微型燃料电池，将微电子学、制造、微机械加工方法和微型机电系统技术的力量与薄膜沉积技术相结合。该基于微型机电系统的燃料电池使用强适应性的材料，并因此可以使用固体氧化物、固体高分子、或质子交换膜电解质材料体系。燃料电池组利用通过物理气相沉积技术沉积的薄膜电极、催化剂、离子导电层来制造。该电池组使用标准微型制造技术设计电连接图案并且随后通过显微机械加工除去硅衬底形成自立式的或支撑的膜。通过硅显微加工技术进一步制造歧管结构。已通过多层和薄膜真空沉积技术合成了孤立、单薄膜固体氧化物燃料电池(TFSOFCS)。(见A.F.Jankowski等，Mat Res.Soc.Symp.Proc，卷496，155-158页，1998，Material Research Society；和1998年5月19日授予A.F.Jankowski的美国专利No.5,753,385)。公开了设计和制造适于组装成燃料电池组中的单个基于微型机电系统的燃料电池模块。可用于电池堆叠的衬底平台的发展可参见微电子加工，例如硅晶片。该硅晶片用光刻法和蚀刻工艺形成图案以产生作为用来沉积阳极-电解质-阴极三层结构的衬底的薄氮化物窗口选择区域。另外的方法可利用在其上沉积有具有可控孔隙率的燃料电池电极/催化剂/电解质层的主体结构/衬底。然后将该具有可控孔隙率的主体结构结合到硅(或其他材料)衬底的顶上、机械密封到硅(或其他材料)衬底、或形成在硅(或其他材料)衬底内，穿过该硅(或其他材料)衬底蚀刻流道。与图1和2所示类似，已制造基于氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的固体氧化物燃料电池(SOFC)三层结构实例，其以沉积镍(Ni)层开始和以沉积银(Ag)层结束。随-->着该基本三层结构的沉积，如果存在氮化物窗口，则其可以通过等离子体蚀刻或其他选择性蚀刻技术而被移除。可以继续制造多电池组，例如使用Ni-YSZ-Ag三层结构或其他固体氧化物基的三层结构。例如硅基衬底可用于制造单独的TFSOFCS，并利用这个平台通过微流管和MEMS制造技术提供电路的集成、电阻加热器、和所需的燃料和氧化剂的歧管装置。形成图案的电路提供每个电池的受控功率输出和单个燃料电池元件的受控加热。MEMS工艺允许通过使用微阀单独控制每个电池的气流以及控制和调整整个装置的气压或燃料流。能够提供通过减少阻抗损耗来优化低温性能的电极、催化剂和电解质的界面材料，连同适合于高温内部燃料重整的可选材料。该衬底平台使模块化电池组件能够提供维修和升级电池以及缩放电压的能力。整体式(Sectrode)结构将燃料分配到整个电池组而无需庞大复杂的歧管装置。此外，由于电池组仅是大量整体结构的一小部分，因此燃料电池装置、外壳、和电阻加热器元件的适当的热设计将允许拥有高效、低供热的电池组。已测试具有集成加热元件的、具有燃料电池自立膜的完整制造的燃料电池模块。利用形成图案的氮化硅作为掩模以氢氧化钾选择性地蚀刻硅衬底以在其中形成窗口。利用相似的技术在硅衬底上蚀刻歧管。这些组件最终被结合在一起，以形成如图1所示的具有用来输送燃料的口径约50μm-200μm的入口和出口管的燃料电池。燃料电池结构的初始测试包括可以环氧树脂粘合到燃料电池组背面的玻璃管以输送用氦气稀释到浓度为3％的氢气。氧源只是在结构顶侧的空气。接合线被连接在阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：燃料电池组，具有一对包括阳极和阴极的电极，和置于电极间的薄膜电解质；其中电解质包括固体氧化物；和催化微反应器，具有（１）与燃料电池组流体连通的歧管，该歧管适合于将燃料传送到阳极和（２）适合于重整燃料的催化剂。

【技术特征摘要】
US 2002-7-1 60/393,218;US 2002-7-1 60/393,2191.一种装置，包括：燃料电池组，具有一对包括阳极和阴极的电极，和置于电极间的薄膜电解质；其中电解质包括固体氧化物；和催化微反应器，具有(1)与燃料电池组流体连通的歧管，该歧管适合于将燃料传送到阳极和(2)适合于重整燃料的催化剂。2.权利要求1的装置，其中成对电极中的至少一个和催化剂间的距离小于10毫米。3.权利要求2的装置，其中成对电极中的至少一个和催化剂间的距离小于1毫米。4.权利要求3的装置，其中催化剂与成对电极中的至少一个相接触。5.权利要求4的装置，其中催化剂与阳极相接触。6.权利要求1的装置，其中催化剂置于至少一部分歧管上。7.权利要求1的装置，其中燃料电池组和催化微反应器一起的体积小于1L。8.权利要求1的装置，其中电解质的厚度小于10微米。9.权利要求1的装置，其中在装置工作期间催化剂具有第一温度和电解质具有第二温度，并且第一温度和第二温度间的差值小于200摄氏度。10.权利要求9的装置，其中在工作时，至少一部分歧管具有第三温度，并且第一温度和第三温度间的差值小于200摄氏度以及第二温度和第三温度间的差值小于200摄氏度。11.权利要求1的装置，其中歧管包括至少一个含硅的壁(wall)。12.权利要求1的装置，其中歧管包括具有至少一个维度小于5毫米的流管。13.权利要求1的装置，其中基本平坦的衬底限定歧管。14.一种装置，包括，燃料电池组，具有一对包括阳极和阴极的电极，和置于电极间的薄膜电解质；其中电解质包括固体氧化物；和置于阳极附近的催化剂，该催化剂适于重...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦F扬科夫斯基，杰弗里D莫尔塞，拉温德雷S乌帕德耶，马克A哈夫斯特德，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]