CN100352097C - 平板型燃料电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平板型燃料电池，其包括电极-薄膜-电极装置，其中，所述薄膜由如下材料组成：其经向纤维(31)是由电绝缘材料制成的连续纤维，而其纬向纤维相交替地是由绝缘材料制成的纤维(31’)和由导电材料制成的纤维(32)，以便分别形成绝缘区(34)和导电区(33)。本发明还涉及一种用于制造所述燃料电池的方法。

Description

平板型燃料电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及平板型燃料电池，并涉及用于制作这种电池的方法。
本发明的领域为平板型燃料电池，例如具有固体聚合物电解质的平板型燃料电池，它们适于产生从数百毫瓦到数百千瓦的电力，用于：固定的应用，例如用于电站或电厂锅炉；交通应用，例如用于陆地、海洋、或空运的交通工具；以及可便携或可移动的应用，例如用于便携的电话或计算机。
背景技术
目前，大多数燃料电池基于夹层装置建造，该夹层装置由布置在电解质每一端的两个电极组成。这些电极通常由扩散层组成，活化层(催化剂层)沉积在扩散层上。不同的反应物，即燃料和氧化剂，到达两个电极的外表面。后者通过电解零件进行化学反应，从而在两个电极的端子处获得电压。
如果燃料是氢，而氧化剂是氧，则在阳极发生氢的氧化，而氧在阴极还原为水。
每个电极因此是电化学反应的中心，由此产生的电压即这两个反应之间的电位差，通常大约为1伏(电流为零)，这是因为氢在阳极氧化成质子，而氧在阴极还原为水。相对于标准电池，这个低电压是这种电池的主要障碍，而标准电池的基本电压可以上升到4伏(例如Li/C对)。为了消除这一问题，根据所谓的压滤技术，通常叠加大量的这种零件。但是，这一技术具有气体在每个电池内不良分布以及在堆栈内泄漏的问题，并随叠加零件的数量倍增而恶化。而且，隔离两个基本电池的双极板必须满足下列具体的物理和化学标准：
-优良的电子导电率；
-气体密闭性；
-轻质；
-对水、氧和氢的化学阻力；
-低成本材料；
-良好的可制造性。
如今双极板满足不了这种标准，该标准需要使用昂贵的加工技术，或使用非常贵重的材料。而且，此类叠加通常是平行六面体(parallelepipedeous)的几何形状，不利于集成。
为了克服这种缺陷，说明书结尾的参考文献[1]描述了一种用于燃料电池的新几何形状，该燃料电池可以在同一薄膜上联结多对电极，并可以人为地增加基本电压。此联结通过叠加彼此相互错位的材料来实现。其需要使用电绝缘气体分布板。
如图1所示，这种燃料电池包括由多个独立电池10组成的装置，多个独立电池10彼此靠近或一个位于另一个之后，每个电池包括阳极11和阴极12，阳极11和阴极12紧紧密封着电解质层13。这些独立电池10彼此被绝缘区17隔开，并彼此通过导电部14连接，导电部14的第一端15连接第一堆栈10的阴极12，而这个导电部14的第二端16连接与其邻近的另一电池10的阳极。
这种装置难于生产，不仅难在小规模制作不同的独立电池10，还难在建立它们的电连接。而且，密封问题仍然存在。
为了消除这些缺陷，参考文献[2]提议了一种用于制造由基础燃料电池零件组成的装置的方法，通过形成多个基本电池，通过在绝缘纬线上用多个连续步骤将不同的零件沉积为悬浮而制成。
图2例示了这种由基础零件组成、一次性完成的装置。这一装置的全部功能零件都是在纬线材料板之上和/或之内一个接一个沉积的部分，其厚度相当于离子导通层的厚度。首先，此装置包括外围密封垫21，放置在该板整个厚度之上，处于该板的外围。外围密封垫21是化学惰性和电绝缘以及离子绝缘材料。此装置的这些不同基本零件每个都由阳极22、阴极23和离子导体24组成，其中，阳极22布置在板的第一表面，阴极23布置在板的相反表面，离子导体24在该板整个厚度之上位于阳极22和阴极23之间。阳极22在离子导体24一侧上凸出，而阴极23在与阳极相反的一侧从离子导体24中凸出。这样一来，会发现，阳极22和阴极23的每个凸出部，在该板厚度内面向相邻电池的阴极23或阳极22，只除了第一端电池的阳极22和另一端电池的阴极23之外。电子导体26沉积在该板的整个厚度之上，使第n排的电池阳极22能够连接第n+1排的相邻电池的阴极23，前者面向后者放置，一个电池的电压Ui(0＜i＜5)输送给另一个电池。垂直绝缘层25将每个电子导体26和与它邻近的离子导体24的两个部分隔开。两个相邻垂直绝缘层25之间的距离可以为5毫米量级。第一集电极27放置在从第一端电池中凸出的阳极22上，第二集电极28放置在从另一端电池中凸出的阴极23上。
在精心制作这类燃料电池中遇到的主要问题，一方面是离子导体/电子导体材料接口的密封，另一方面是在“电流交叉”中获得低的电子导电率值。这些低导电率值引发导致性能损耗和在这些交叉内发热的高电阻电压降(焦耳效应)。
本发明的目的在于解决这种问题。
发明内容
本发明涉及一种平板型燃料电池，其包括电极-薄膜-电极装置，其特征在于所述薄膜包括一种织布，其经向纤维是电绝缘材料的连续纤维，而其纬向纤维相交替地为绝缘材料纤维和导电材料纤维，从而分别形成绝缘区和导电区。
优选地，绝缘材料纤维用聚合物或惰性玻璃制成。导电材料纤维是碳纤维或不锈钢纤维。
这种电池明显具有以下优点：
-通过取缔了设置垂直绝缘层的步骤，简化了制造；
-通过在电交叉中提供大块电子导体，提高了性能；
-电子导体的大小允许增加同一表面上的电极对的数量，由此增大电池的电压。
本发明还涉及一种用于制造平板型燃料电池的方法，其包括如下步骤：
-切割出理想形状的一片材料；
-在此片材料外围的整个厚度之上沉积密封层，使厚度变厚；
-在此片材料的整个厚度之上沉积离子导体；
-在由此填充的所述材料片的第一表面上沉积阳极组件，而在后者的另一表面上沉积阴极组件；
-在两端中一端的所述阳极组件上和另一端的所述阴极组件上沉积集电极；
所述方法特征在于，所述材料片是一片织布，其经向纤维是电绝缘材料的连续纤维，而其纬向纤维相交替地是绝缘材料纤维和导电材料纤维，以便分别形成绝缘区和导电区。
优选地，绝缘密封垫沉积在每个导电区的每一侧上。
由于此片织布的编织结构，故纤维为密切电接触，不像已知技术的装置，其中，导电颗粒嵌在粘结剂内，而电连续性不是绝对的。此片织布因此导致导电率增加2～10倍，从而可以提高电池的性能，并可以减少绝缘区的大小以及因此可以减少电池的大小。
这类(整体或多组分)燃料电池技术的目标应用是既轻又可便携的系统，该系统需要大于1伏的电压供应，并存在重量和形状的问题。
供给因此而建造的电池的燃料，可以作为压缩气体存储在电池的外侧上，或也可以按照氢化物吸收的形式存储，其可以制成与阳极接触的氢化物薄片。
附图说明
图1例示了已知技术的第一装置。
图2例示了已知技术的第二装置。
图3例示了根据本发明的局部导电的纬线。
图4～6分别用横剖视图(图4A、5A和6A)和俯视图(图4B、5B和6B)例示了本发明方法的步骤。
具体实施方式
如图2所示，制作已知技术的并置平板型电池采用多孔基体，其局部填充适宜填充区将要执行的功能的材料。这种解决方案存在不同区域接口的密封问题。而且，电子导电率由于多孔材料的实际结构而必定不高。
为克服这种缺陷，本发明使用一片由纤维组成的织布30来代替多孔基体。如图3所示，经向纤维31从电池的一端到另一端连续(没有接口，因而没有间距损失)，并是电绝缘材料。纬向纤维交替地用绝缘纤维31’和导电纤维32制作，从而实现电池零件的不同功能，并且并置这些零件，以便形成电池。
绝缘纤维31和31’例如是聚合物纤维或化学惰性玻璃纤维。导电纤维32例如是碳纤维或不锈钢纤维。
如图3所示，这些导电纤维32形成导电区33，以便在宽度b之上局部提供纬线厚度中的电子导电率。对于表面积为1平方米、厚度为20～100微米的织布，厚度b可以为2毫米量级。
如图3所示，此织布30可以用标准的以直角编织的网制作。纤维的数量和编织角可根据选择的电池几何形状而变化。
用于制造平板型燃料电池的方法包括如下步骤：
-切割出理想形状的该片织布30，其包括被导电区33隔开的绝缘区34；
-在此片织布30外围的整个厚度之上沉积密封层40，厚度稍微变厚；
-在此片织布30的整个厚度之上沉积离子导体41；
-在由此填充的织布片的第一表面上沉积阳极组件44，而在另一表面上沉积阴极组件45；
-在两端中一端的所述阳极组件44上和另一端的所述阴极组件45上沉积(图4～6未示出)集电极。
上面提供的不同沉积步骤优选通过掩模实现。
为了改进操作，避免任何离子泄漏，可以在每个导电区33的每一侧上沉积绝缘密封垫。
因此，根据图4-6所示的这些步骤，可以制造性能高于用参考文献[2]所述电池而获得的性能的平板型燃料电池，并且通过取缔离子导体/电子导体的接口来加强机械强度，还限制可以引起氢氧混合的内部泄漏的风险。
如上所示的本发明的电池结构仅是示例。本发明可以应用于例如冲压在支撑件上的微电池，或应用于在同一平面上具有分离的导电表面和离子导通表面的所有电池。
参考
[1]US 5,863,672
[2]FR 2819107

Claims (5)

1.一种平板型燃料电池，其包括电极-薄膜-电极装置，其特征在于所述薄膜包括一种织布，其经向纤维(31)是电绝缘材料的连续纤维，而其纬向纤维相交替地是绝缘材料纤维(31’)和导电材料纤维(32)，从而分别形成绝缘区(34)和导电区(33)。
2.根据权利要求1的燃料电池，其中，绝缘材料纤维(31、31’)用聚合物或惰性玻璃制成。
3.根据权利要求1的燃料电池，其中，导电材料纤维(32)是碳纤维或不锈钢纤维。
4.一种用于制造平板型燃料电池的方法，其包括如下步骤：
-切割出预定形状的一片(30)材料；
-在此片材料外围的整个厚度之上沉积密封层(40)，使厚度变厚；
-在此片材料的整个厚度内沉积离子导体(41)；
-在由此填充的所述材料片的第一表面上沉积阳极组件(44)，而在另一表面上沉积阴极组件(45)；
-在两端中一端的所述阳极组件(44)上和另一端的所述阴极组件(45)上沉积集电极；
所述方法特征在于，所述材料片是一片织布，其经向纤维(31)是电绝缘材料的连续纤维，而其纬向纤维相交替地是绝缘材料纤维(31’)和导电材料纤维(32)，以便分别形成绝缘区(34)和导电区(33)。
5.根据权利要求4的方法，其中，在织布(30)导电区(33)的每一侧上沉积绝缘密封垫。
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Granted publication date: 20071128

Termination date: 20160316

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