CN100527514C - 单极膜电极组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供单极膜电极组件，包括：电解质膜，其中形成多个电池区域；阳极和阴极支承体，在所述电解质膜两侧，分别具有与所述电池区域对应的多个开口；多个阳极集流器，每个包括与所述阳极支承体的每个开口对应的集流部分、连接到所述集流部分侧部的导电部分和将所述导电部分连接到外部端子的连接线；多个阴极集流器，每个包括与所述阴极支承体的每个开口对应的集流部分、连接到所述集流器侧部的导电部分和将所述导电部分连接到外部端子的连接线；多个阳极和阴极电极，分别形成在所述阳极和阴极集流部分上；以及电路单元，连接到所述阳极和阴极集流器的所述连接线，其中所述电池通过所述电路单元容易地串联或并联连接，或电分隔开。

Description

单极膜电极组件
技术领域
本发明涉及燃料电池的单极膜电极组件，更特别地，涉及允许单元电池之间容易的电连接的电极膜电极组件的结构。
背景技术
在单极燃料电池中，多个电池形成在电解质膜两侧且电池串联连接。美国专利公开No.2003/0180594和No.2003/0198853中公开了用于连接电介质膜的第一表面上的阳极电极和第二表面的阴极电极的结构。该连接结构有效地串联连接集流器(current collector)，但是当电池之一损坏时，整个燃料电池的性能会降低。
美国专利公开No.6410180公开了一种在膜电极组件(MEA)的每个电极上的网型集流部分和连接MEA的两个表面上的集流部分的导电部分。然而，集流部分与电极之间的接触电阻的增大以及在催化剂层产生的电子通过电极的燃料扩散层和支承体移动到集流部分时引起的电阻增大会降低燃料电池的效率。另外，集流部分与导电部分之间的接触电阻会是高的。
发明内容
本发明提供一种单极膜电极组件，其最小化了电阻，因为集流器形成在电极和电解质膜之间或者在催化剂层和电极的燃料扩散层之间。
本发明还提供一种允许多个电池之间的容易电连接的单极膜电极组件。
根据本发明的一个方面，提供一种单极膜电极组件，包括：电解质膜，其中形成多个电池区域；阳极支承体和阴极支承体，位于所述电解质膜两侧，分别具有对应于所述电池区域的多个开口；多个阳极集流器，每个包括与所述阳极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流部分侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线；多个阴极集流器，每个包括与所述阴极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流器侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线；多个阳极电极和多个阴极电极，分别形成在所述阳极集流部分和所述阴极集流部分上；以及电路单元，连接到所述阳极集流器和所述阴极集流器的所述连接线，其中所述电池通过所述电路单元容易地串联或并联连接，或者电分隔开。
所述阳极支承体和所述阴极支承体分别还可包括彼此对应的延伸部分，且所述连接线的端部设置在所述延伸部分上。
所述集流器可由具有1S/cm或更大的电导率的第一金属或导电聚合物形成。
所述第一金属是选自Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金构成的组的一种。
第二金属可镀在所述第一金属上，并且可由选自Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金构成的组的一种形成。
所述导电聚合物可由选自聚苯胺、聚吡咯、以及聚噻吩构成的组的一种形成。
所述支承体可由非导电聚合物形成。
所述支承体可由选自聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、以及聚氯乙烯(polyvinylchloride)构成的组的材料形成。
所述支承体和对应的集流器可整体地形成为柔性印刷电路板(FPCB)。
所述集流器可利用选自溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电沉积法、构图法、以及金属蚀刻法构成的组的一种方法形成。
根据本发明的另一发明，提供一种单极膜电极组件，包括：电解质膜，其中形成多个电池区域；多个催化剂层，形成在所述电解质膜两侧在电池区域上；阳极支承体和阴极支承体，在所述电解质膜两侧，分别具有与所述催化剂层对应的多个开口；多个阳极集流器，每个阳极集流器包括与所述阳极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流部分侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线，所述集流部分、所述导电部分和所述连接线整体地形成；多个阴极集流器，每个阴极集流器包括与所述阴极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流器侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线，所述集流部分、所述导电部分和所述连接线整体地形成；多个燃料扩散层，每个燃料扩散层在所述阳极集流器和所述阴极集流器的每个集流部分上；以及电路单元，连接到所述阳极集流器和所述阴极集流器的所述连接线，其中所述电池通过所述电路单元被容易地串联或并联连接，或者被电分隔开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显，附图中：
图1是根据本发明一实施例的单极膜电极组件的示意性分解剖视图；
图2是具有与图1的每个电池区域对应的开口的支承体的平面图；
图3是图1的集流器的平面图，其中集流部分、导电部分和连接线形成在一个单元中；
图4和5是曲线图，示出根据本发明一实施例的直接流体注入燃料电池的性能，其中图4示出六个电池的电压，图5示出六个电池的总功率密度；
图6和7是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有单极膜电极组件结构的直接流体注入燃料电池的性能，其中图6示出六个电池的电压，图7示出六个电池的总功率密度；
图8是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有其中集流器插入在电解质膜和电极的催化剂层之间的结构的单元电池与在电极的外表面上具有金属网集流器的常规单元电池之间的性能比较；以及
图9是其中插入有根据本发明另一实施例的集流器的单极膜电极组件的示意性分解剖视图。
具体实施方式
现在将参照附图描述根据本发明的单极膜电极组件，附图中示出本发明的示例性实施例。
图1是根据本发明一实施例的具有集成集流器的单极膜电极组件100的示意性分解剖视图。图2是具有与每个电池区域对应的开口(aperture)的支承体的平面图。图3是图1的集流器的平面图，其中集流部分、导电部分和连接线整体地形成为一个单元。
参照图1至3，根据本发明一实施例的其中具有集成集流器的单极膜电极组件100包括电解质膜110，其上形成多个电池区域，例如六个电池(第一至第六电池)。其中多个矩形开口114a和116a对应于每个电池区域的非导电支承体114和116设置在电解质膜110的两侧。从电解质膜110向外延伸的延伸部分114b和116b形成在支承体114和116处。阳极集流部分120和阴极集流部分160形成在支承体114和116上的每个电池区域处。
支承体114和116可由聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯等形成。
导电部分122形成在阳极集流部分120侧面。连接线124形成在延伸部分114b上，连接线124从导电部分122延伸从而将导电部分122电连接到外部电路单元200。导电部分162形成在阴极集流部分160侧面。连接线164形成在延伸部分116b上，连接现164从导电部分162延伸从而将导电部分162电连接到外部电路单元200。阳极电极130安装在阳极集流部分120上，阴极电极170形成在阴极集流部分160上。连接线124和164分别点连接至电路单元200。
集流部分120和160、导电部分122和162、以及导电线124和164可由具有大于1S/cm的电导率的是过渡金属的第一金属形成，例如Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金。用于防止第一金属的腐蚀的第二金属可镀在第一金属上。第二金属可以是Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金。具有大于1S/cm的电导率的导电聚合物可用于集流部分120和160、导电部分122和162、以及导电线124和164。导电聚合物可由聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩形成。
电极130和170分别可包括接触集流部分120和160的催化剂层、催化剂层上的燃料扩散层、以及燃料扩散层上的支承层。
参照图3，由导电金属形成的整体集流器可集成在由聚酰亚胺膜形成的支承体114和116中从而形成柔性印刷电路板(FPCB)。在该情况中，整体集流器以及聚酰亚胺膜114和116被集成，然后结合到电解质膜110。
为了制造MEA 100，包括支承体116的一片FPCB设置在阴极电极170与电解质膜110之间，支承体116集成了集流部分160、导电部分162和导电线164，且包括支承体114的一片FPCB设置在阳极电极130与电解质膜110之间，支承体114集成了集流部分120、导电部分122和导电线124。然后，所得产物用3吨压力在125℃的温度热压3分钟。
图4和5是曲线图，示出根据本发明一实施例的直接流体注入燃料电池的性能，其中图4示出六个电池的电压，图5示出六个电池的总功率密度。
当第一至第六电池CE1至CE6串联连接且如果第六电池CE6的电压下降并具有负电压时，由于低的总输出电流密度，燃料电池几乎不能正常运行。当第六电池CE6与其余电池电断开时，这样燃料电池的总输出电流密度恢复到正常水平。随着第一电池CE1的电压逐渐降低，燃料电池的总输出电流密度变得不稳定。这时，通过将第一电池CE1与其余电池电分隔开，总输出电流密度恢复到正常水平。
当使用根据本发明的单极膜电极组件的结构时，具有低电压的电池可容易地与其它电池电分隔开，因此，可以延长燃料电池的寿命。
图6和7是曲线图，示出根据本发明一实施例具有单极膜电极组件结构的直接流体注入燃料电池的性能，其中图6示出六个电池的电压，图7示出六个电池的总功率密度。
当第一至第六电池CE1至CE6串联连接且如果第一和第六电池CE1和CE6显示低电压时，由于低的总输出电流密度，燃料电池几乎不能作为燃料电池起作用。在图4和5中，显示低电压的电池与其余电池电分隔开。然而，如果显示低电压的电池与其它电池并联连接，则总输出电流密度增大。因此，具有低电压的电池可对总输出电流密度的增大做贡献而不降低总电压。例如，当第一电池CE1和第六电池CE6如上所述地与其余电池电分隔开时，如果在电路单元200处第六电池CE6并联地电连接到第五电池CE5，则总输出电流密度增大。接着，可以看出第一电池CE1与第二电池CE2的并联连接对于总输出电流密度的增大是有利的。
根据本发明的用于燃料电池的膜电极组件通过在电路单元中将显示出低电压的电池容易地并联连接到其余电池而增大了总输出电流密度，由此增加了燃料电池的寿命。
图8是曲线图，示出根据本发明一实施例的具有其中集流器插入在电解质膜和电极的催化剂层之间的结构的单元电池与在电极的外表面上具有金属网集流器的常规单元电池之间的性能比较。在0.3V的输出电压，当使用金属网时电流密度是37mA/cm2，当集流器插入在电解质膜和催化剂层之间时的情况下电流密度是42mA/cm2。后一情形显示出比前一情形高约13％的电流密度改善。即，由于低电阻，在产生电子的催化剂层处的集流显示出比在电极外部的集流更高的性能。
图9是其中插入了根据本发明另一实施例的集流器的单极膜电极组件300的示意性分解剖视图。相同的附图标记用于表示与图1至3中所示的元件基本相同的元件，因而将省略其详细描述。
参照图9，催化剂层312和314分别形成在电解质膜110两侧在电池区域中。支承体114和包括集流部分120、导电部分122和连接线124的阳极集流器形成在催化剂层312上。支承体116和包括集流部分160、导电部分162和连接线164的阴极集流器形成在催化剂层314上。燃料扩散层电极支承层330和370分别形成在集流器120和160上。
催化剂层312和314首先利用贴花法(decal method)、丝网印刷法或直接涂覆法形成在电解质膜110两侧。然后，集流器以及燃料扩散层电极支承层330和370分别设置在催化剂层312和314上，所得产物被热压从而完成MEA 300的制造。
图9的膜电极组件300的操作与图1至3所示的膜电极组件的操作基本相同，因此将不重复其详细描述。
根据本发明的单极膜电极组件具有可以容易地改变电池的串联、并联连接，或者可以容易地在电路单元处在运行期间被电分隔开的连接结构，因而增加了燃料电池的寿命。
另外，根据本发明的燃料电池具有低电阻，因为集流器安装为直接接触产生电子的催化剂层，因此提高了燃料电池的效率。
尽管本发明参照其示例实施例进行了具体示出和描述，本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明的权利要求所定义的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (22)

1.一种单极膜电极组件，包括：
电解质膜，其中形成多个电池区域；
阳极支承体和阴极支承体，在所述电解质膜两侧，分别具有与所述电池区域对应的多个开口；
多个阳极集流器，每个包括与所述阳极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流部分侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线；
多个阴极集流器，每个包括与所述阴极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流器侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线；
多个阳极电极和多个阴极电极，分别形成在所述阳极集流部分和所述阴极集流部分上从而在所述电池区域完成各电池；以及
电路单元，连接到所述阳极集流器和所述阴极集流器的所述连接线，
其中所述电池通过所述电路单元容易地串联或并联连接，或者电分隔开。
2.如权利要求1的单极膜电极组件，其中所述阳极支承体和所述阴极支承体分别还包括彼此对应的延伸部分，且所述连接线的端部设置在所述延伸部分上。
3.如权利要求1的单极膜电极组件，其中所述集流器由具有1S/cm或更大的电导率的第一金属或导电聚合物形成。
4.如权利要求3的单极膜电极组件，其中所述第一金属由选自Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金构成的组的一种形成。
5.如权利要求4的单极膜电极组件，其中第二金属镀在所述第一金属上。
6.如权利要求5的单极膜电极组件，其中所述第二金属由选自Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金构成的组的一种形成。
7.如权利要求3的单极膜电极组件，其中所述导电聚合物由选自聚苯胺、聚吡咯、以及聚噻吩构成的组的一种形成。
8.如权利要求1的单极膜电极组件，其中所述支承体由非导电聚合物形成。
9.如权利要求8的单极膜电极组件，其中所述支承体由选自聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、以及聚氯乙烯构成的组的材料形成。
10.如权利要求8的单极膜电极组件，其中所述支承体和对应的集流器整体地形成为柔性印刷电路板(FPCB)。
11.如权利要求1的单极膜电极组件，其中所述集流器利用选自溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电沉积法、构图法、以及金属蚀刻法构成的组的一种方法形成。
12.一种单极膜电极组件，包括：
电解质膜，其中形成多个电池区域；
多个催化剂层，形成在所述电解质膜两侧的电池区域上；
阳极支承体和阴极支承体，在所述电解质膜两侧，分别具有与所述催化剂层对应的多个开口；
多个阳极集流器，每个阳极集流器包括与所述阳极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流部分侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线，所述集流部分、所述导电部分和所述连接线整体地形成；
多个阴极集流器，每个阴极集流器包括与所述阴极支承体的每个开口对应的用于集流的集流部分、连接到所述集流器侧部的导电部分、以及将所述导电部分连接到外部端子的连接线，所述集流部分、所述导电部分和所述连接线整体地形成；
多个燃料扩散层，每个燃料扩散层在所述阳极集流器和所述阴极集流器的每个集流部分上从而在所述电池区域完成各电池；以及
电路单元，连接到所述阳极集流器和所述阴极集流器的所述连接线，
其中所述电池通过所述电路单元容易地串联或并联连接，或者电分隔开。
13.如权利要求12的单极膜电极组件，其中所述阳极支承体和所述阴极支承体分别还包括彼此对应的延伸部分，且所述连接线的端部设置在所述延伸部分上。
14.如权利要求12的单极膜电极组件，其中所述集流器由具有1S/cm或更大的电导率的第一金属或导电聚合物形成。
15.如权利要求14的单极膜电极组件，其中所述第一金属由选自Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金构成的组的一种形成。
16.如权利要求15的单极膜电极组件，其中第二金属镀在所述第一金属上。
17.如权利要求16的单极膜电极组件，其中所述第二金属由选自Ag、Au、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn、以及这些金属的合金构成的组的一种形成。
18.如权利要求14的单极膜电极组件，其中所述导电聚合物由选自聚苯胺、聚吡咯、以及聚噻吩构成的组的一种形成。
19.如权利要求12的单极膜电极组件，其中所述支承体由非导电聚合物形成。
20.如权利要求19的单极膜电极组件，其中所述支承体由选自聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、以及聚氯乙烯构成的组的材料形成。
21.如权利要求19的单极膜电极组件，其中所述支承体和对应的集流器整体地形成为FPCB。
22.如权利要求12的单极膜电极组件，其中所述集流器利用选自溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电沉积法、构图法、以及金属蚀刻法构成的组的一种方法形成。
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