CN101326668A - 与固体电解质结合的电流收集器的燃料电池及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池包括至少两个电流收集器(4、5)，电绝缘隔板元件(2)和固体电解质(6)。每个电流收集器(4、5)包括至少一个从第一表面(4a、5a)到第二表面(4b、5b)穿过该电流收集器的横向通道(4c、5c)，而具有相对的第一和第二面的隔板元件(2)被设置在所述电流收集器(4、5)之间。若干横向槽(2c)从第一面到第二面穿过所述隔板元件(2)，而离子导电固体电解质(6)占据由隔板元件的槽(2c)和电流连接器(4、5)的横向通道(4c、5c)所限定的体积。所述隔板元件(2)由热塑性聚合物材料形成而硬颗粒(8)被放置在横向槽(2c)中。

Description

与固体电解质结合的电流收集器的燃料电池及其制造工艺
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，更具体地说，涉及一种燃料微电解池，至少包括：
-两个分别为阳极和阴极的电流收集器，每个包括至少一个从第一表面到第二表面穿过所述对应电流收集器的横向通道，
-电绝缘隔板元件，该隔板元件设置在所述阳极和阴极电流收集器之间并包括分别与阳极的第一表面和阴极电流收集器接触的相对第一和第二面，以及若干从第一面到第二面穿过所述隔板元件的横向通道，
-离子导电固体电解质，该离子导电固体电解质与两个电流收集器接触并占据由所述隔板元件的通道和所述电流收集器的通道所限定的体积
本发明还涉及一种制造这种燃料电池的工艺。
背景技术
为了减少离子导电固体电解质燃料电池的尺寸同时保持电流收集器的效率，已经提出直接在电解质薄膜的表面上形成电流收集器。
例如，文献EP-A-1562243提出了一种能够使得电流收集器被转移到电解质薄膜上。电流收集器因此由电镀金属沉积在模具中产生，所述模具设置有通孔开口以便电镀金属的沉积以珠粒的形式从所述开口溢出。接着它被转移到粘着于支撑板的电解质薄膜上。然后通过按压包含所述收集器的组件和包含互相抵靠的薄膜的组件完成所述转移。所施加压力使得所述收集器的至少一部分珠粒在所述薄膜中结壳。两个组件然后被移开以便所述电流收集器从其组件断开并保持固定到所述薄膜上。所述支撑板然后从所述薄膜分离。在另一实施例中，也可以通过在组装分别包含所述收集器和所述薄膜的两个组件之前向所述收集器的珠粒敷延缓凝固的胶水并使得胶水在移动两个组件分开之前凝固完成转移。
这种制造方法被证明很复杂并且执行起来不太实际。其需要薄膜和电流收集器在互相组装之前被分别制造并且该两个电流收集器被连续转移到所述薄膜上。另外，由于薄膜的厚度小，当电极被安装在包括所述电流收集器和所述薄膜的组件时可能发生短路。
为了减小燃料电池尺寸，美国专利申请2005/0250004提出了一种离子交换薄膜，该薄膜除了包含离子导电材料之外，还包括由基底形成的非导电元件。所述基底设置有一个或者多个开口，该开口穿过所述基底并且所述离子导电材料填充所述开口。两个电流收集器可以分别设置在所述基底的两个相对面上。每个电流收集器包括也可由离子导电材料填充的横向通道。这种基底给予所述离子交换薄膜一定的机械强度，这使得其与通常的薄膜相比厚度能够被减小。例如，所述基底由印刷电路、高分子膜比如聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯或者特氟纶薄膜以及例如由玻璃纤维加强的符合材料形成。在其它的应用场合，所述基底可以用柔性材料制成。
但是，使用这种基底并不总是满意的以制造出某种可靠的燃料电池，特别是在由以前制造所述电流收集器产生的电池的情况下，例如以栅或者刷的形式，以及通过在所述固体电解质薄膜上组装所述电流收集器的情况下。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池和克服现有技术缺陷的制造工艺。
根据本发明，这个目的通过所附权利要求实现。更具体地说，这个目的是通过所述隔板元件由热塑性聚合物材料形成而由电绝缘硬颗粒形成的隔片设置在所述隔板元件的横向通道中实现的。
这个目的也可由所述事实实现，即用于制造此种燃料电池的工艺包括下述步骤：
-把由电绝缘硬颗粒形成的隔片插入所述隔板元件的横向通道中，
-组装阳极和阴极电流收集器，使它们的第一表面和分别在第一和第二隔板元件上，
-由所述固体电解质填充槽和通道。
附图说明
其它优势和特征将从对本发明特定实施例的描述中变得更清晰明确，其中所述实施例仅仅作为非限制性实例给出并在附图中示出，其中：
图1和2分别示出了栅形式的电流收集器的顶视图和沿着A-A的放大截面图。
图3示出了刷形式的电流收集器的顶视图。
图4示出了栅形式的隔板元件的截面图。
图5到9以截面图示出了根据本发明的燃料电池的特定实施例的不同步骤，所述燃料电池包括根据图1的两个电流收集器和根据图4的隔板元件。
具体实施方式
燃料电池，更具体地说，根据本发明的燃料微电解池包括至少两个电流收集器，分别为阳极和阴极，集成在固体电解质中。电绝缘隔板元件的存在和隔板便于使电流收集器集成在固体电解质中。
每个电流收集器包括优选相对的第一表面和第二表面。每个电流收集器也包括至少一个横向通道和优选从所述第一表面到第二表面穿过所述电流收集器的若干横向通道。因此，至少电流收集器中的一个可以是栅、刷、或者网纹材料薄层或多孔材料的形式。所述两个电流收集器通常具有相同的形状。它们可以用金属制成，例如用金或镍、石墨或者导电聚合物材料制成。
为了举例的目的，图1和2示出了栅形式的电流收集器1，而在图3中，所述电流收集器是刷的形式。栅或者刷形式的电流收集器1因此包括相对的第一和第二表面1a和1b和从第一表面1a到第二表面1b穿过该电流收集器的横向通道1c。在图1中，电流收集器1包括例如72个横向通道。
所述隔板元件包括相对的第一和第二面，该第一和第二面分别被设计为与阳极的第一表面和阴极电流收集器接触。其包括若干从所述第一面到所述第二面穿过的横向槽。所述隔板元件可以是，例如穿孔薄膜、栅、或网纹材料的薄层或多孔材料的形式。另外，所述隔板元件由热塑性聚合物材料形成，并优选氟碳树脂。在所述炭氟树脂中，从改性乙烯和四氯乙烯(ETFE)共聚物、聚乙二烯氟化物(PVDF)、聚乙二烯氟化物(PVDF)和丙稀六氟化物共聚物(PVDF)选择的树脂可被引用。
为了例子的目的，图4以截面图示出了能够被用在根据本发明的燃料电池中的隔板元件2。该隔板元件为栅的形式，其具有相对的第一和第二面2a和2b和若干从第一面2a到第二面2b穿过的横向槽2c。
电绝缘硬颗粒被设计为设置在所述隔板元件的特定横向通道中以便在组装后形成隔片。所述硬塑料可以从例如陶瓷、玻璃或者聚合物颗粒中选择。
所述固体电解质由离子导电材料形成，即，阴离子或阳离子导电材料，并且它占据由所述隔板元件的槽和由所述燃料电池中的电流收集器限定的体积。形成所述固体电解质的材料例如是氟化聚合物，例如Nafion。
图5到9示出了根据本发明的燃料微电解池的特定实施例的不同步骤。
因此，如图5所示，硬颗粒3被引入图4中所示的隔板元件2的特定横向槽2C。随后，两个电流收集器4和5，分别为用金或者镍制成的金属栅的形式，如图1和2所示，组装在隔板元件2上。电流收集器4和5分别分别为阴极和阳极以及隔板元件2例如为由ETFE制成的栅的形式。因此，每个电流收集器4或5包括第一表面4a或5a和第二表面4b或5b，横向通道4c或5c从第一表面4a或5a到第二表面4b或5b穿过所述收集器。在图6中，隔板元件的第一面2a与阴极电流收集器4的第一表面接触，然而隔板2的第二面2b与阳极电流收集器5的第一表面接触。把两个电流收集器4和5组装在隔板元件2上可以通过挤压，更具体地说在形成隔板元件2的栅上热层压形成电流收集器4和5的两个栅完成。
如图6中所示，隔板元件2在挤压过程中变形，其使得电流收集器4和5能够在隔板2中结壳和固定。隔板元件2的特定横向槽2c中硬颗粒3的存在防止隔板2的大的破碎。隔板元件2的厚度，在组装步骤之后，因此优选与硬颗粒的尺寸相对应，而更具体地说，如果是球形与它们的直径相对应。
然后，如图7中所示，组装步骤随后是槽2c和通道4c和5c通过固体电解质6的填充步骤。对于要被填充有固体电解质5的大多数横向通道2c，电流收集器4和5优选被形成和/或设置为使得将每个横向槽2C的开口至少部分自由。隔板元件的横向槽2c的宽度因此选择的例如比各个电流收集器4和5的横向通道4c和5c的宽度小。当电流收集器4和5形式相同时，例如，是两个相同的金属栅，所述两个电流收集器4和5的组装可以被执行这样一个电流收集器的横向通道相对于其它电流收集器偏置。
填充步骤可以通过使图7中所示的结构即由隔板元件2、硬颗粒3和两个电流收集器4和5形成的结构充满所述固体电解质前体材料而实现。所述前体材料优选液体或者粘性的形式并优选占据由所述隔板元件2的槽2c和电流收集器4和5的通道4c和5c限定的整个体积。然后所述前体材交叉耦合以便获得固体电解质6。
所述填充步骤也可以通过将图7中所示的结构浸入包含至少一种溶剂和所述电解质的溶液并通过所述溶液的蒸发完成。这样，在质子导电电解质的情况下，图7中所示的结构可以例如，被浸入包含20％Nafion的溶液中。通过所述溶液蒸发的干燥随后使得所获得的电解质为固体形式。
在这种情况下，如图7中所示，固体电解质6包围整个结构。因此，固体电解质6更具体地说覆盖电流收集器4和5的第二表面4b和5b。如图8所示，然后可以进行平面化步骤以清理电流收集器4和5的第二表面4b和5b。比如，这是通过将所述结构固定在支架上并进行两个第二表面4b和5b的机械抛光实现的。该平面化步骤使得第二表面4b和5b能够被清理并使分别包含在横向通道4c和5c中的固体电解质6的自由表面6a和6b被设置在与第二表面4b和5b相同的平面。
如图9中所示，优选多孔阴极7和阳极8可以被分别设置在阴极电流收集器4的第二表面4b上和阳极电流收集器5的第二表面5b上。每个电极7或8然后不仅与电流收集器4和5的第二表面4b和5b接触还与固体电解质6的表面6a和6b接触。例如通过喷洒装有催化剂比如铂的碳墨水，每个电极7或8被组装在相应电流收集器的第二表面上。此外，该组装步骤可以执行为使得每个电流收集器4或5在其第二表面4b或5b上包括横向区域4d或5d，该区域没有被相应的电极7或8覆盖。横向区域4d和5d然后被设计成作为电连接或者接触连接。所述组件然后可以设置在包括用于提供阳极的室和用于提供阴极的室的外壳中。
燃料电池中隔板元件的存在使得所述电流收集器电绝缘同时确保电解质的机械固定。所述隔板元件的厚度优选包括在10μm和200μm之间。这个小的厚度特别使得当电池运行时欧姆电阻减小，因此使得所述燃料电池的性能提高。另外，所述固体电解质设置在所述隔板元件的槽中和在所述电流收集器的通道中的事实使得电流收集器能够集成在固体电解质中并自支撑将获得的电解薄膜，即不需要任何外部支撑的薄膜。
所述隔板元件用热塑性塑料制成的事实使得所述隔板元件灵活的确保当所述电流收集器组装时的良好粘附。最后，由硬颗粒形成并设置在所述隔板元件的横向槽中的隔板的存在使得当所述电流收集器在该隔板元件上组装时由热塑性聚合物材料制成的隔板元件的破碎被限制。
根据本发明的燃料电池具有简单和制造速度快的优势。所述隔板元件的存在使得可以控制电流限制器的电绝缘。此外，该燃料电池具有能够适应所有类型尺寸的结构，并且所述电极和电流收集器之间的接触区域仍然较大。所述燃料电池的性能因此很好，其也是可靠的并且其总尺寸可以减小。所述固体电解质实际上不需要被笨重的外部支撑件所支撑并且其厚度可以很小。另外，所述制造工艺很简单并且执行起来很快。

Claims (15)

1.一种燃料电池，至少包括：
-两个分别为阳极(5)和阴极(4)的电流收集器，该每个电流收集器包括至少一个从第一表面(4a、5a)到第二表面(4b、5b)通过所述相应电流限制器的横向通道(4c、5c)，
-电绝缘隔板元件(2)，该电绝缘隔板元件(2)被设置在所述阳极(5)和阴极(4)电流收集器之间并包括分别和所述阳极(5)和阴极(4)电流收集器的第一表面(4a、5a)接触的相对的第一和第二面(2a、2b)，以及从所述第一面(2a)到第二面(2b)穿过所述隔板元件的横向槽(2c)，
-离子导电固体电解质(6)，该离子导电固体电解质与所述两个电流收集器接触并占据由所述隔板元件(2)的槽(2c)和由所述电流收集器(4、5)的通道限定的体积，
其特征在于，所述隔板元件(2)由热塑性聚合物材料形成而由电绝缘硬颗粒(3)形成的隔板设置在所述隔板元件(2)的横向槽(2c)中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述热塑性聚合物由碳氟树脂形成。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于所述碳氟树脂从改性乙烯和四氯乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯和六氟化丙稀共聚物中选择。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的燃料电池，其特征在于所述颗粒(3)从陶瓷、玻璃、和聚合物颗粒中选择。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的燃料电池，其特征在于每个电流收集器(4、5)包括若干从第一表面(4a、5a)到第二表面(4b、5b)穿过该电流收集器的横向通道(4c、5c)。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的燃料电池，其特征在于该燃料电池包括设置在所述阳极电流收集器(5)的第二表面(5b)上的阳极(8)和设置在阴极电流收集器(4)的第二表面(4b)上的阴极(7)，所述阳极(8)和阴极(7)与固体电解质(6)接触。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于每个电流收集器(4、5)包括在其第二表面上的未被覆盖的横向区域(4d、5d)，该区域充当电连接。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的燃料电池，其特征在于至少一个电流收集器(4、5)是栅、刷、或者网纹材料或多孔材料薄层的形式。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的燃料电池，其特征在于所述隔板元件(2)是穿孔薄膜、栅、或者网纹材料或多孔材料薄层的形式。
10.制造根据权利要求1到9中任意一项所述的燃料电池的工艺，其特征在于该工艺连续包括下述步骤：
-将由电绝缘硬颗粒(3)形成的隔片插入所述隔板元件(2)的横向槽中，
-组装阳极(5)和阴极(4)电流收集器，使它们的第一表面(4a、5a)分别在所述隔板元件(2)的第一和第二面(2a、2b)上，
-用所述固体电解质(6)填充所述槽(2c)和通道(4c、5d)。
11.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于将所述电流收集器(4、5)安装在所述隔板元件(2)的第一和第二面(2a、2b)上由热层压完成。
12.根据权利要求10和11之一所述的工艺，其特征在于由所述固体电解质(6)填充所述槽(2c)和通道(4c、5c)的步骤是通过使装有阳极(5)和阴极(4)电流收集器的隔板元件(2)被充满所述固体电解质(6)的前体材料和通过该前体材料的交叉耦合完成以便获得该固体电解质(6)。
13.根据权利要求10和11之一所述的工艺，其特征在于由所述固体电解质(6)的填充所述槽(2c)和通道(4c、5c)的步骤是通过将装有阳极(5)和阴极(4)电流收集器的隔板元件(2)浸入包含至少一种溶剂和电解质的溶液中并通过所述溶液的蒸发完成。
14.根据权利要求10到13中任意一项所述的工艺，其特征在于所述槽(2c)和通道(4c、5c)的填充步骤包括平面化步骤以清理所述电流收集器的第二表面。
15.根据权利要求10到14中任意一项所述的工艺，其特征在于所述槽(2c)和通道(4c、5c)的填充步骤之后是把阳极(8)和阴极(7)组装在相应电流收集器(4、5)的第二表面(4b、5b))上的步骤。
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