專利名稱：包括集成在電極－隔膜－電極疊層中的集電器的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，包括-疊層，其包括第一電極、具有前面和后面的電解質(zhì)隔膜以及第二電極，-第一和第二集電器，它們集成在疊層中，并且分別對應(yīng)于第一和第二電極，每個集電器包括金屬沉積和設(shè)有多個用作流體通道的橫向通道。
背景技術(shù)：
質(zhì)子轉(zhuǎn)換隔膜(例如，PEMFC或質(zhì)子轉(zhuǎn)換隔膜燃料電池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell))或OH-陰離子隔膜燃料電池類型的燃料電池，通常包括大量的串接設(shè)置的單元電池，并且每一個包括由電解質(zhì)隔膜隔開的陽極和陰極組成的疊層。疊層設(shè)置在二個集電板之間，通常稱為EME(Electrode-Membrane-Electrode)型疊層。成套的單元電池形成壓濾型(pressfilter type)組件。
如圖1所示，單元電池1包括陽極2、陰極3和設(shè)置在二個電極之間的電解質(zhì)隔膜4。在PEMFC的情況下，陽極2是反應(yīng)位置，其中的反應(yīng)劑是氫，在陽極2上形成的H+質(zhì)子在陰極3上與氧發(fā)生反應(yīng)形成水。電解質(zhì)隔膜4設(shè)計成讓H+質(zhì)子從陽極2到陰極3通過。
陽極2和陰極3分別通過循環(huán)通道5a和5b連接到反應(yīng)物源提供氫和氧，一方面，氫源可以是純氫或經(jīng)過重整或未經(jīng)重整的碳氫化合物，另一方面，氧源可以是純氧或空氣。循環(huán)通道5a和5b分別由陽極和陰極的外面和收集電流的板6a和6b的內(nèi)壁劃定。板6a和6b通常是夾EME疊層的雙極板。
每個電極由擴散層2a與3a和催化層2b與3b形成，每個擴散層2a或3a都能夠使流體，例如氧、氫和水，在循環(huán)通道5a或5b和對應(yīng)的電極的催化層2b或3b之間通過。電化學(xué)反應(yīng)在陽極和陰極的催化層的位置上發(fā)生。
電流收集板6a和6b的使用對燃料電池的滿意運行是必不可少的。然而，電流收集板可能顯著地削弱電池可達到的質(zhì)量和體積能量密度。另外，這樣的組件體積龐大，其體積不易減小。然而，在某些應(yīng)用中，如涉及給手提設(shè)備提供能量，燃料電池必須尺寸小，而同時保證其性能。
專利申請EP-A2-1,282,185因此建議由基板來提供圓柱幾何體的燃料電池，其中的至少一個元件設(shè)計成被消除并作為后續(xù)沉積層的支撐，后續(xù)的沉積層包括第一集電器；包括第一電極、電解質(zhì)隔膜和第二電極的疊層；和第二集電器。第一和第二電極的每一個都包括擴散層和催化層，而第一和第二集電器可以是金屬織物網(wǎng)孔的形式。然而，這樣的燃料電池的生產(chǎn)很難付諸實施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供修補現(xiàn)有技術(shù)缺點，尤其是，具有增加能量密度而同時能夠易于為電極-隔離-電極疊層部件的至少一個提供流體的燃料電池。特別是，本發(fā)明進一步的目的是提供能最小化的小尺寸燃料電池，特別是用在微技術(shù)制造技術(shù)上。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過在電解質(zhì)隔膜和對應(yīng)的電極之間，在電解質(zhì)隔膜的前、后面上分別設(shè)置第一和第二集電器得以實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一改進，第一和第二集電器都以柵格的形式構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第二改進，第一和第二集電器都以梳子的形式構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第三改進，第一和第二集電器都是多孔的，由集電器的孔形成橫向通道。
根據(jù)優(yōu)選實施例，第一和第二集電器的每一個包括交替的多孔區(qū)和非多孔區(qū)，由多孔區(qū)的孔形成橫向通道。


通過對本發(fā)明給出的特別實施例的下述描述和對附圖的表述，本發(fā)明的其他優(yōu)點和特性將變得更加清楚顯見。其中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池的單元電池截面示意圖，圖2是燃料電池的一個具體實施例的截面示意圖。
圖3至圖10圖解了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的不同生產(chǎn)階段。
圖11至12表示根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的電流導(dǎo)體的第一和第二實施例的頂視圖。
具體實施例方式
專利申請EP-A2-1,282,185的教導(dǎo)可以應(yīng)用到具有非圓柱幾何體的燃料電池，例如包括電極-隔膜-電極疊層，簡稱EME疊層，由平面層形成的燃料電池。
這樣，如圖2所示，燃料電池可以包括由平面層形成的EME疊層。這樣疊層包括帶有前、后面4a和4b的電解質(zhì)隔膜，其上有分別設(shè)置的第一和第二催化層2b和3b，分別由擴散層2a和3a覆蓋。第一催化層2b和第一擴散層2a形成陽極2，而第二催化層3b和第二擴散層3a形成陰極3。
第一和第二集電器7和8集成在EME疊層中，就是說，EME疊層和第一、第二集電器7和8形成單一集成組件。在圖2中，第一和第二集電器7和8分別設(shè)置在陽極2和陰極3的第一和第二擴散層2a和3a的外面上。它們每個由金屬沉積形成，其包括多個橫向通道7a和8a，設(shè)計成能使流體通過到達擴散層。這樣，氫能通過陽極集電器7的橫向通道7a到達陽極的擴散層2a，而氧通過陰極集電器8的橫向通道8a到達陰極3的擴散層3a。同樣，在燃料電池運行過程中產(chǎn)生的水通過同樣的橫向通道7a和8a移除。
這種形式的集成結(jié)構(gòu)能使在催化層的位置上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)期間形成的電子收集起來，同時提高反應(yīng)流體或形成的流體的擴散，卻不需提供外界能量，如使用風扇等。由于橫向通道的數(shù)量和配置，流體能滲透擴散層的整個表面，因此反應(yīng)遍及催化層的大部分表面。特別是，這能使電化學(xué)反應(yīng)的效率得到改善。
此外，在疊層上集成集電器能使當發(fā)生氫還原時產(chǎn)生的電子在集電器和對應(yīng)電極的催化層之間以很短的距離循環(huán)。由于電子覆蓋的距離只有約幾微米，就防止了當電極不是由壓濾型器件壓縮時由構(gòu)成電極的材料的導(dǎo)電率的水平引起的歐姆損失。電極的導(dǎo)電率通常是在1S/cm至10S/cm的范圍。
然而，這樣的集電器的集成可能引起電極的損傷，因此降低了燃料電池的性能。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過這樣一些方式克服了這一缺點由金屬沉積組成并設(shè)有橫向通道的第一和第二集電器在電解質(zhì)隔膜和相應(yīng)的電極之間分別設(shè)置在電解質(zhì)隔膜的前、后面上。集電器優(yōu)選由貴重金屬形成，特別是，在酸性燃料電池的情況下金屬是金或鉑，在堿性燃料電池的情況下金屬是鎳。而且，電極的催化元件通過形成在集電器中的橫向通道保持與疊層的電解質(zhì)隔膜直接接觸。
如圖3至10所示，根據(jù)燃料電池生產(chǎn)的具體方法，電解質(zhì)隔膜4沉積在基板8(圖3)上，其為Nafion型全氟聚合物(perfluorinated polymer)層形式。金屬層9，優(yōu)選由金、鉻-金合金或鈦-金合金制造，然后通過蒸發(fā)沉積在電解質(zhì)隔膜4的前面4a上(圖4)。
然后實行光刻步驟，以便在金屬層上形成由能夠交聯(lián)的材料制成的掩模10(圖5)。掩模10包括空穴10，其中由例如金或銅進行電沉積(galvanicdeposit)(圖6)。因此，電沉積形成包括升高件11，其對應(yīng)于空穴10a的互補部分。一旦能夠交聯(lián)的材料去除(圖7)，就蝕刻金屬層9(圖8)，以便它包括橫向通道12，該橫向通道設(shè)計成允許質(zhì)子從陽極到電解質(zhì)隔膜4或從電解質(zhì)隔膜到陰極通過。
這樣，電沉積的升高件11分別重疊在金屬層9的橫向通道的邊緣上，而組件形成第一集電器13。然后。形成第一電極的催化元件14以薄膜的形式沉積在由電解質(zhì)隔膜4和第一集電器13形成的組件的表面。然后，它充滿第一集電器13的橫向通道12，以便通過橫向通道直接接觸電解質(zhì)隔膜4。而且它覆蓋了升高件11。然后，該組件形成了燃料半電池。
然后，燃料電池的其余部分通過去除基板8以便使電解質(zhì)隔膜的后面露出而形成。然后，如果必要，在保護層覆蓋后，轉(zhuǎn)動由電解質(zhì)隔膜4、第一集電器13和第一電極14形成的組件。然后，如圖10所圖解，第二集電器15和第二電極16以與第一集電器13和第一電極14同樣的形式形成在電解質(zhì)隔膜4的后面4b上。然后，第二電極16的催化元件充滿形成在第二集電器15中的橫向通道，以便直接接觸電解質(zhì)隔膜4的后面4b，并且它覆蓋第二集電器15。
特別是，在EME疊層中集成集電器能使在微技術(shù)中已知的沉積技術(shù)得到應(yīng)用，因此能使小型燃料電池更快速投入生產(chǎn)。此外，燃料電池包括提供橫向通道和設(shè)置在電解質(zhì)隔膜上的前、后面上的集電器，體現(xiàn)了與壓濾型電池等同的內(nèi)在電化學(xué)特性。然而，它確實具有更高體積和質(zhì)量能量密度，并且體積大為減小。
在集電器上生成電極也簡化了生產(chǎn)這種燃料電池的方法。事實上，在集電器上設(shè)置電極對于制造燃料電池來說是有利的，原因是電極的催化元件比集電器更脆，在更堅固的元件上沉積脆的元件比相反的沉積更容易。這也能夠獲得更崎嶇不平(rugged)的燃料電池，催化元件的厚度不再受集電器的局限。
本發(fā)明不局限于具體實施例。這樣，燃料電池可以包括多個具有集電器的EME疊層。燃料電池可以是任意形狀，例如圓柱型。集電器也可以是任意形狀，集電器的橫向通道以這樣的方式設(shè)置，以保證在集電器中的電流流動的連續(xù)性。這樣，如圖11和12所示，集電器可以以柵格(圖11)或梳子(圖12)的形式構(gòu)成。例如，在集電器13以梳子形式的情況下，橫向通道12形成在梳子的分支17之間。另外，橫向通道的數(shù)量和配置能在催化元件和電解質(zhì)隔膜之間保證高反應(yīng)表面。
集電器采用任何熟知的獲取薄膜的方法生產(chǎn)。特別是，它們可以通過物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、光刻或電化學(xué)沉積等獲取。集電器可以是均勻多孔的，或它們可以包括交替的多孔區(qū)和非多孔區(qū)，在兩種情況，孔起到集電器橫向通道的作用。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括疊層，其包括第一電極(14)、設(shè)有前面和后面(4a，4b)的電解質(zhì)隔膜(4)和第二電極(16)，和第一和第二集電器(13，15)，其集成在該疊層上，并且分別對應(yīng)于該第一和第二電極(14，16)，每個集電器包括金屬沉積并設(shè)有多個用作流體通道的橫向通道，電池的特征在于，該第一和第二集電器(13，15)分別在該電解質(zhì)隔膜(4)和該對應(yīng)電極(14，16)之間、設(shè)置在該電解質(zhì)隔膜(4)的該前面和后面(4a，4b)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，該第一和第二集電器(13，15)都構(gòu)造成柵格的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，該第一和第二集電器(13，15)都構(gòu)造成梳子的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一要求所述的燃料電池，其特征在于，該第一和第二集電器(13，15)是多孔的，該橫向通道由該集電器(13，15)的孔形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的燃料電池，其特征在于，該第一和第二集電器(13，15)的每個都包括交替的多孔區(qū)和非多孔區(qū)，該橫向通道由該多孔區(qū)的孔形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的燃料電池，其特征在于，第一和第二集電器(13，15)的金屬選自于貴重金屬。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池，其具有包括電解質(zhì)隔膜(4)的疊層，其上具有前和后面，分別設(shè)置在第一和第二集電器(13，15)上，其每個包括金屬沉積和提供大量的橫向通道。第一和第二電極(14，16)分別設(shè)置在第一和第二集電器(13，15)上，以便與電解質(zhì)隔膜(4)直接接觸。
文檔編號H01M8/10GK1816932SQ200480018810
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月1日
發(fā)明者讓-伊薇斯·勞倫特, 迪迪爾·馬薩克, 克里斯廷·內(nèi)約澤, 克里斯特爾·魯, 弗朗西斯·卡多特 申請人:原子能委員會