CN100444444C - 包括集成在电极-隔膜-电极叠层中的集电器的燃料电池 - Google Patents

包括集成在电极-隔膜-电极叠层中的集电器的燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池，其具有包括电解质隔膜(4)的叠层，其上具有前和后面，分别设置在第一和第二集电器(13，15)上，其每个包括金属沉积和提供大量的横向通道。第一和第二电极(14，16)分别设置在第一和第二集电器(13，15)上，以便与电解质隔膜(4)直接接触。

Description

包括集成在电极-隔膜-电极叠层中的集电器的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，包括：
-叠层，其包括第一电极、具有前面和后面的电解质隔膜以及第二电极，
-第一和第二集电器，它们集成在叠层中，并且分别对应于第一和第二电极，每个集电器包括金属沉积和设有多个用作流体通道的横向通道。
背景技术
质子转换隔膜(例如，PEMFC或质子转换隔膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell))或OH-阴离子隔膜燃料电池类型的燃料电池，通常包括大量的串接设置的单元电池，并且每一个包括由电解质隔膜隔开的阳极和阴极组成的叠层。叠层设置在二个集电板之间，通常称为EME(Electrode-Membrane-Electrode)型叠层。成套的单元电池形成压滤型(pressfilter type)组件。
如图1所示，单元电池1包括阳极2、阴极3和设置在二个电极之间的电解质隔膜4。在PEMFC的情况下，阳极2是反应位置，其中的反应剂是氢，在阳极2上形成的H+质子在阴极3上与氧发生反应形成水。电解质隔膜4设计成让H+质子从阳极2到阴极3通过。
阳极2和阴极3分别通过循环通道5a和5b连接到反应物源提供氢和氧，一方面，氢源可以是纯氢或经过重整或未经重整的碳氢化合物，另一方面，氧源可以是纯氧或空气。循环通道5a和5b分别由阳极和阴极的外面和收集电流的板6a和6b的内壁划定。板6a和6b通常是夹EME叠层的双极板。
每个电极由扩散层2a与3a和催化层2b与3b形成，每个扩散层2a或3a都能够使流体，例如氧、氢和水，在循环通道5a或5b和对应的电极的催化层2b或3b之间通过。电化学反应在阳极和阴极的催化层的位置上发生。
电流收集板6a和6b的使用对燃料电池的满意运行是必不可少的。然而，电流收集板可能显著地削弱电池可达到的质量和体积能量密度。另外，这样的组件体积庞大，其体积不易减小。然而，在某些应用中，如涉及给手提设备提供能量，燃料电池必须尺寸小，而同时保证其性能。
专利申请EP-A2-1,282,185因此建议由基板来提供圆柱几何体的燃料电池，其中的至少一个元件设计成被消除并作为后续沉积层的支撑，后续的沉积层包括：第一集电器；包括第一电极、电解质隔膜和第二电极的叠层；和第二集电器。第一和第二电极的每一个都包括扩散层和催化层，而第一和第二集电器可以是金属织物网孔的形式。然而，这样的燃料电池的生产很难付诸实施。
发明内容
本发明的目的是提供修补现有技术缺点，尤其是，具有增加能量密度而同时能够易于为电极-隔离-电极叠层部件的至少一个提供流体的燃料电池。特别是，本发明进一步的目的是提供能最小化的小尺寸燃料电池，特别是用在微技术制造技术上。
根据本发明，该目的通过在电解质隔膜和对应的电极之间，在电解质隔膜的前、后面上分别设置第一和第二集电器得以实现。
本发明提供了一种燃料电池，包括：叠层，其包括第一电极、设有前面和后面的电解质隔膜和第二电极；和第一和第二集电器，其集成在该叠层上，并且分别对应于该第一和第二电极，每个集电器包括金属沉积并设有多个用作流体通道的横向通道，横向通道从集电器的下表面到上表面贯穿集电器，电池的特征在于，该第一和第二集电器分别在该电解质隔膜和该对应电极之间、设置在该电解质隔膜的该前面和后面上。
根据本发明的第一改进，第一和第二集电器都以栅格的形式构成。
根据本发明的第二改进，第一和第二集电器都以梳子的形式构成。
根据本发明的第三改进，第一和第二集电器都是多孔的，由集电器的孔形成横向通道。
根据优选实施例，第一和第二集电器的每一个包括交替的多孔区和非多孔区，由多孔区的孔形成横向通道。
附图说明
通过对本发明给出的特别实施例的下述描述和对附图的表述，本发明的其他优点和特性将变得更加清楚显见。其中：
图1是根据现有技术的燃料电池的单元电池截面示意图，
图2是燃料电池的一个具体实施例的截面示意图。
图3至图10图解了根据本发明的燃料电池的不同生产阶段。
图11至12表示根据本发明的燃料电池的电流导体的第一和第二实施例的顶视图。
具体实施方式
专利申请EP-A2-1,282,185的教导可以应用到具有非圆柱几何体的燃料电池，例如包括电极-隔膜-电极叠层，简称EME叠层，由平面层形成的燃料电池。
这样，如图2所示，燃料电池可以包括由平面层形成的EME叠层。这样叠层包括带有前、后面4a和4b的电解质隔膜，其上有分别设置的第一和第二催化层2b和3b，分别由扩散层2a和3a覆盖。第一催化层2b和第一扩散层2a形成阳极2，而第二催化层3b和第二扩散层3a形成阴极3。
第一和第二集电器7和8集成在EME叠层中，就是说，EME叠层和第一、第二集电器7和8形成单一集成组件。在图2中，第一和第二集电器7和8分别设置在阳极2和阴极3的第一和第二扩散层2a和3a的外面上。它们每个由金属沉积形成，其包括多个横向通道7a和8a，设计成能使流体通过到达扩散层。这样，氢能通过阳极集电器7的横向通道7a到达阳极的扩散层2a，而氧通过阴极集电器8的横向通道8a到达阴极3的扩散层3a。同样，在燃料电池运行过程中产生的水通过同样的横向通道7a和8a移除。
这种形式的集成结构能使在催化层的位置上发生的电化学反应期间形成的电子收集起来，同时提高反应流体或形成的流体的扩散，却不需提供外界能量，如使用风扇等。由于横向通道的数量和配置，流体能渗透扩散层的整个表面，因此反应遍及催化层的大部分表面。特别是，这能使电化学反应的效率得到改善。
此外，在叠层上集成集电器能使当发生氢还原时产生的电子在集电器和对应电极的催化层之间以很短的距离循环。由于电子覆盖的距离只有约几微米，就防止了当电极不是由压滤型器件压缩时由构成电极的材料的导电率的水平引起的欧姆损失。电极的导电率通常是在1S/cm至10S/cm的范围。
然而，这样的集电器的集成可能引起电极的损伤，因此降低了燃料电池的性能。因此，根据本发明，通过这样一些方式克服了这一缺点：由金属沉积组成并设有横向通道的第一和第二集电器在电解质隔膜和相应的电极之间分别设置在电解质隔膜的前、后面上。集电器优选由贵重金属形成，特别是，在酸性燃料电池的情况下金属是金或铂，在碱性燃料电池的情况下金属是镍。而且，电极的催化元件通过形成在集电器中的横向通道保持与叠层的电解质隔膜直接接触。
如图3至10所示，根据燃料电池生产的具体方法，电解质隔膜4沉积在基板8(图3)上，其为型全氟聚合物(perfluorinated polymer)层形式。金属层9，优选由金、铬-金合金或钛-金合金制造，然后通过蒸发沉积在电解质隔膜4的前面4a上(图4)。
然后实行光刻步骤，以便在金属层上形成由能够交联的材料制成的掩模10(图5)。掩模10包括空穴10，其中由例如金或铜进行电沉积(galvanicdeposit)(图6)。因此，电沉积形成包括升高件11，其对应于空穴10a的互补部分。一旦能够交联的材料去除(图7)，就蚀刻金属层9(图8)，以便它包括横向通道12，该横向通道设计成允许质子从阳极到电解质隔膜4或从电解质隔膜到阴极通过。
这样，电沉积的升高件11分别重叠在金属层9的横向通道的边缘上，而组件形成第一集电器13。然后。形成第一电极的催化元件14以薄膜的形式沉积在由电解质隔膜4和第一集电器13形成的组件的表面。然后，它充满第一集电器13的横向通道12，以便通过横向通道直接接触电解质隔膜4。而且它覆盖了升高件11。然后，该组件形成了燃料半电池。
然后，燃料电池的其余部分通过去除基板8以便使电解质隔膜的后面露出而形成。然后，如果必要，在保护层覆盖后，转动由电解质隔膜4、第一集电器13和第一电极14形成的组件。然后，如图10所图解，第二集电器15和第二电极16以与第一集电器13和第一电极14同样的形式形成在电解质隔膜4的后面4b上。然后，第二电极16的催化元件充满形成在第二集电器15中的横向通道，以便直接接触电解质隔膜4的后面4b，并且它覆盖第二集电器15。
特别是，在EME叠层中集成集电器能使在微技术中已知的沉积技术得到应用，因此能使小型燃料电池更快速投入生产。此外，燃料电池包括提供横向通道和设置在电解质隔膜上的前、后面上的集电器，体现了与压滤型电池等同的内在电化学特性。然而，它确实具有更高体积和质量能量密度，并且体积大为减小。
在集电器上生成电极也简化了生产这种燃料电池的方法。事实上，在集电器上设置电极对于制造燃料电池来说是有利的，原因是：电极的催化元件比集电器更脆，在更坚固的元件上沉积脆的元件比相反的沉积更容易。这也能够获得更崎岖不平(rugged)的燃料电池，催化元件的厚度不再受集电器的局限。
本发明不局限于具体实施例。这样，燃料电池可以包括多个具有集电器的EME叠层。燃料电池可以是任意形状，例如圆柱型。集电器也可以是任意形状，集电器的横向通道以这样的方式设置，以保证在集电器中的电流流动的连续性。这样，如图11和12所示，集电器可以以栅格(图11)或梳子(图12)的形式构成。例如，在集电器13以梳子形式的情况下，横向通道12形成在梳子的分支17之间。另外，横向通道的数量和配置能在催化元件和电解质隔膜之间保证高反应表面。
集电器采用任何熟知的获取薄膜的方法生产。特别是，它们可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、光刻或电化学沉积等获取。集电器可以是均匀多孔的，或它们可以包括交替的多孔区和非多孔区，在两种情况，孔起到集电器横向通道的作用。

Claims (6)

1、一种燃料电池，包括：
叠层，其包括第一电极(14)、设有前面和后面(4a，4b)的电解质隔膜(4)和第二电极(16)，
和第一和第二集电器(13，15)，其集成在该叠层上，并且分别对应于该第一和第二电极(14，16)，每个集电器包括金属沉积并设有多个用作流体通道的横向通道，所述横向通道从集电器的下表面到上表面贯穿集电器，
电池的特征在于，该第一和第二集电器(13，15)分别在该电解质隔膜(4)和该对应电极(14，16)之间、设置在该电解质隔膜(4)的该前面和后面(4a，4b)上。
2、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，该第一和第二集电器(13，15)都构造成栅格的形式。
3、根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，该第一和第二集电器(13，15)都构造成梳子的形式。
4、根据权利要求1至3中的任一要求所述的燃料电池，其特征在于，该第一和第二集电器(13，15)是多孔的，该横向通道由该集电器(13，15)的孔形成。
5、根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池，其特征在于，该第一和第二集电器(13，15)的每个都包括交替的多孔区和非多孔区，该横向通道由该多孔区的孔形成。
6、根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池，其特征在于，第一和第二集电器(13，15)的金属选自于贵重金属。
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