CN101689654B - 用于平板式燃料电池的不透性多孔基板及一体化封装体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于平板式燃料电池芯的载体(2)，其使用可透过电池燃料的材料来制备，并且在其至少一个外表面上密封。

Description

用于平板式燃料电池的不透性多孔基板及一体化封装体

发明背景

本发明涉及固体聚合物电解质燃料电池领域，以及其在产生用于便携应用的从数百毫瓦到数十瓦电功率中的实施。

更具体而言，本发明涉及一种开发平板式燃料电池中电池芯的方法，并且基于使用密封的多孔基板。

本发明涉及氢燃料电池，还涉及包含诸如甲醇、乙醇、甲酸、乙二醇或者硼氢化钠溶液的液体的燃料电池。本发明还涉及阴离子或者阳离子型电解质燃料电池。

现有技术

对于燃料电池，大体上有两种结构类型：

■包括堆叠多个燃料电池芯的压滤结构。所述第一结构通常在涉及高功率使用时是优选的。

■或者，包括在相同平面中并置多个燃料电池芯的平板式结构。所述第二结构就移动或便携型的低功率应用而言是优选的。本发明适用于这种类型的结构。

平板式结构主要使用两种制备技术：

第一技术包括：例如同美国专利5,759,712中所公开的那样，使用沉积在利用多孔材料的可透过的基板上的电极-膜-商业电极(电池芯)组件。

第二技术包括：如J.S.Wainright等人的文献《Microfabricated fuelcell》，Electrochimica Acta，第48卷(2003)，第2869-77页所公开的那样，使用另一类型的可透过基板作为电池芯载体。

如图1所示，所述电池芯1通过堆叠构成所述芯的材料的连续层(集流体10、活性层11和膜)来制备。如该图中所阐明的，可透过基板2由硅制成，并且雕刻有使得氢到达电池芯1的通道4。

因而，在单一基板2上可以制备多个电池芯1，当串联布置时，提供具有所需电特性的发电机(参见图2)。实际上，在所述设计中，电池芯的数目限定体系的电压，电池芯的表面限定可用电流。

所述电池，一旦制备，即需要被一体化为“封装体”，以允许和燃料“连接”。如图2所示，所述“封装体”3连接到构成燃料罐的筒上，由此使得向电池阳极供应燃料。此外，它确保体系的不透性。因此，所述“封装体”构成防护罩，所述防护罩可以采取可分离且密封的帽的形式。

因此，当制备这类燃料电池时，使用构成燃料电池芯1的基板2或载体的、以及构成“封装体”3的两种“惰性”材料。它们在燃料电池中的一体化包括另外的切割和组装阶段，这使得所述实施方案相对无吸引力。

因此，需要开发新的平板式燃料电池设计，其制备方法更加直截了当并且实施得更快。

发明内容

本发明基于使用既可透过电池的燃料又在其至少一个外表面上密封的材料作为平板式燃料电池中电池芯的基板或载体。

因而，该相同材料一方面具有用于扩散燃料且意图与电池接触的多孔或可透过的区域，另一方面具有至少一个不透的或密封的(因此，是非多孔且不可透过的)包围该多孔区域并与外部接触的区域。

事实上，多孔或可透性材料被局部密封或者压实。在通过使用单一材料实施这两种对立(可透性/不透性)的功能中，保证了结构的均匀性并且简化了制备方法。

通过两种手段有利地保证作为载体的材料对于燃料的可透性：

如本发明第一方面所公开的那样，所述材料具有通道。这有利地通过雕刻来完成，如特别是关于硅的现有技术中所报导的那样。

或者，如第二方面所公开的那样，可透性材料是多孔材料。

实际上，在本发明上下文中已经表明雕刻的硅可以容易地用多孔材料取代，它们在燃料扩散和基板方面的特性非常接近。

因此，可以通过将连续层堆叠到多孔材料上来制备电池芯，同时保持良好的燃料扩散能力并同时保留相同的制备方法。

有利地，如本发明所公开的多孔材料具有40％～80％的孔隙率(空隙体积与总体积之比)，有利地具有0.5～40μm的孔径。所述特性涉及所实施的初始材料并且，因此就基板而言，仅在基板未密封的部分具有所述特性。

有利地，给定目标“燃料电池”的用途，本发明的基板具有1～5mm的厚度。

在一个优选实施方案中，所用的材料是聚合物，并且甚至更有利地属于热塑性聚合物类，如聚烯烃、聚酯、聚酰胺或者氟化聚合物等，并且更具体地为聚乙烯或者聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)的均聚物或者与六氟丙烯的共聚物。所述聚合物具有100～200℃的软化温度。

在本发明上下文中，适合的材料必须具有至少两种性质：可透过并且导电。

在由多孔性使得聚合物可透过的优选情形中，如果材料并非本质上多孔的，则它可以变成多孔。如果某些多孔聚合物是市售的，则通过将其它聚合物与成孔剂一起挤出或者通过聚合物颗粒烧结可将其制成多孔的。

此外，如果材料并非本质上导电的，则可以向其中加入电导体。

这样的材料可还具有其中包含诸如甲醇、乙醇等的液体燃料的罐的功能。

如本发明的一个必要特征所公开的那样，载体在其至少一个外表面上是密封的。

逻辑上，用于密封的表面是那些并非预定与电池芯接触的那些，并且特别是与电池罐接触的那些。

非常有利地，所选择的材料是具有热塑性特性、换言之能够在热作用下软化的聚合物。因而，在将层堆叠之后施加在可透过聚合物整个可到达表面上的局部和外围温度的升高，导致材料变形。所述软化使得材料的通道或者孔能够得到填充并获得致密层。一体化电池组件因而具有燃料扩散区域，同时相对于外部和阴极不透过。

本发明因而无需引进另外的帽来实施不透性功能。

因而，本新发明赋予体系更加紧实的方面，由此提供其更佳的以W/kg或W/l计的功率密度。

如另一方面所公开的那样，本发明涉及一种包括至少一个电池芯、且有利地包括多个电池芯的平板式燃料电池，所述电池芯位于载体外部的未密封表面上，如前面所公开的那样。

本发明还涉及制备所述平板式燃料电池的方法。该方法包括以下步骤：

-制备可透过且导电的载体；

-堆叠连续层以在一个外表面上形成电池芯；

-密封其它表面。

如前所述，制备载体可以包括加入导电材料和/或使得它多孔。

在第二步骤中，电池芯是通过层：集流体、活性层和膜的相继堆叠，而在载体的一个表面上构成的。

然后将未被电池芯占据的基板表面密封。

在其中用作载体的材料是热塑性聚合物的优选情形中，通过将未被电池芯占据的表面暴露至材料软化温度之上的温度，通常为100～200℃，来密封。然后，出现产生致密外层的表面软化。

实际上，在一个优选实施方案中，载体置于具有适合尺寸的模具中，并且所述模具升至适当的温度。

发明的具体实施例

从下面作为信息而非限制性地给出的、由附图支持的具体实施例，可以实施本发明的方式以及所产生的优点将变得更加清晰。

图1示出如现有技术所公开的位于载体上的电池芯的示意性截面图。

图2示出如现有技术所公开的包括排列在载体上且装入不透性“封装体”的三个电池芯的平板式燃料电池的示意性截面图。

图3示出如本发明所公开的位于多孔基板上单一平面中的三个电池芯的示意性截面图。

图4示出如本发明所公开的包括排列在多孔且不透性基板上的三个电池芯的平板式燃料电池的示意性截面图。

发明实施方案

使用具有20μm孔的孔隙率为40％且具有1.6mm厚度的聚乙烯基板2作为堆叠电池芯1的载体。

如本发明所公开的那样，第一步骤包括沉积作为集电极10的第一金层。然后通过溅射沉积活性阳极层11。所述层包含催化剂，恰当的例子为铂。像金层那样局部沉积，以最后形成多个1cm²的电池芯。

然后，通过涂布将对应于磺化全氟化聚合物分散体的(商标为Dupont de Nemours)的溶液沉积到基板的整个表面上。然后，以阳极层相同的方式，通过溅射施加活性阴极层11，也位于阴极层对侧(图3)。

然后将该组件置于具有适于基板2大小的尺寸的模具中。将组件在1巴压力下放置20秒，将所述模具升温至100℃。然后将组件从模具中取出。

因而密封燃料室。然后将电池经由管和先前拧入致密材料的连接器与氢连接(图4)。

Claims (9)

1.一种平板式燃料电池，包括位于载体的未密封外表面上的多个电池芯(1)，其中所述载体为使用可透过电池燃料的材料制备的用于平板式燃料电池芯的载体(2)，其特征在于所述可透过电池燃料的材料具有用于扩散所述燃料的区域，和在所述载体至少一个外表面上的密封区域(3)，其中用于扩散所述燃料的所述区域和所述密封区域(3)由相同材料制成，其中所述可透过电池燃料的材料为热塑性聚合物，所述密封区域是通过使所述热塑性聚合物进行表面软化来制备的。

2.根据权利要求1所述的平板式燃料电池，其特征在于所述可透过电池燃料的材料具有通道(4)。

3.根据权利要求1所述的平板式燃料电池，其特征在于所述可透过电池燃料的材料在未密封的区域中是多孔的。

4.根据权利要求1所述的平板式燃料电池，其特征在于所述可透过电池燃料的材料在未密封的区域中具有40～80％的孔隙率。

5.根据权利要求3所述的平板式燃料电池，其特征在于所述多孔的材料在所述未密封的区域中具有0.5～40μm的孔径。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的平板式燃料电池，其特征在于所述载体具有1～5mm的厚度。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的平板式燃料电池，其特征在于所述可透过电池燃料的材料为聚乙烯或者聚偏二氟乙烯(PVDF)。

8.一种制备根据权利要求1至7中任一项所述的平板式燃料电池的方法，其包括以下步骤：

-制备可透过且导电的载体(2)；

-堆叠连续层以在一个外表面上形成电池芯(1)；

-密封其它表面(3)。

9.根据权利要求8所述的制备平板式燃料电池的方法，其特征在于构成所述可透过载体的材料为热塑性聚合物，并且所述密封是通过将所涉及的表面暴露于所述材料的软化温度之上的温度来进行的。