CN102742055A - 集成pem燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种集成PEM燃料电池包括双极板组件，其利用从气体防渗板(24)的表面延伸并终止于面对相邻末梢的未涂层末梢(212)的纤维组以形成MEA组件的阳极和阴极。催化剂载体和催化剂可以涂覆到末梢成为颗粒或者薄层并且与膜接合。该组件可使用统一密封件并且包括在使用相似纤维结构的电池堆的端部的集流板。

Description

集成PEM燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池双极板的设计、材料以及工艺，燃料电池气体扩散层微结构设计，催化剂和催化剂载体，质子交换膜和将各部件集成进单个电池和多个电池堆。
背景技术
在PEM燃料电池的现有技术中，通过气体扩散层发生双极板—MEA电接触。通常，气体扩散层(GDL)是一种双层复合材料，其由涂上多孔的碳粉—聚合物混合物(MDL)的编织或者非编织材料构成。在组装入燃料电池时，碳纤维材料面向双极板表面，而MDL面向膜电极组件(MEA)的电催化剂层。GDL的主要功能是在整个MEA表面均匀分配反应物和电子，并且管理在催化剂层中的液态水。由于采用非优化设计，GDL的作用非常有限并且无法预估。由于GDL操作功能失调，会导致PEM燃料电池的性能损失很高并且寿命很短。不一致操作的主要原因之一是在燃料电池上引起的以增加在其部件内界面电接触和GDL本身电导率的压缩力施加于GDL。在GDL的x-y面对齐的碳纤维层一定是在恒力下以使电阻最小化。该压缩在位于阳极和阴极双极板槽脊(lands)的重叠区域是最高的，在它们流道(flow channel)相交的区域是最低的。因此，GDL的导电率在和槽脊接触的区域中是最高的，在流道上面最低。反过来，压缩对反应物流动分布和水控制多孔介质产生相反效果。因为GDL的孔在压力下减少，因此在具有最高压缩力的这个区域，其流动是最低的；不过，在没有或者低压缩力的点，孔保持不变以允许反应物自由地传递给MEA。从而，在为槽脊边缘的MEA的最活跃区域里产生最高的电流密度，因为这些区域同时具有最高浓度的反应物和最高的电导率。另外，在催化剂层控制液态水的GDL的毛细管作用，也受到细孔尺寸的变化影响。在压缩下减少和压缩下得到不规则几何形状的细孔将开始累积水和降低控水的能力。因此，不均匀电化学和机械应力的集成影响将在聚合物电解质膜内产生超载的区域并且导致其过早损坏。本发明采用一种新的方法处理并且消除这些缺陷。
用于低(LT)或高温(HT)PEM燃料电池的3层MEAs包括在其相对面上涂有阳极和阴极催化剂层的离子交换膜。MEA的有效的催化剂区域通常被用来密封燃料电池的未涂敷的膜包围。在LT或者HT技术的目前工艺水平里，催化剂涂层的主要组分是在碳粉上支持的铂催化剂(Pt)(Pt/C)和离子交换聚合物。通常，聚合物与制作膜所使用的相同。该涂层通常通过把部件混合入油墨(ink)制作而成，其然后使用在薄膜工艺中众所周知的标准技术涂覆到膜表面上。对于任何类型的PEM氢/空气燃料电池，典型的用于组合式阳极和阴极电极的铂载量(Pt loading)最小为0.6mg/cm2。当用作涂层时，与Pt/C催化剂粉相比，该催化剂量只有30％的电化学有效表面积(electrochemically accessible surfacearea)。然而，在操作期间，由于经过溶解，再结晶以及烧结使得铂粒子增长，导致初始催化剂表面积进一步减少到～10％。因此，如果优化催化剂沉积的方式，沉积在MEA上的催化剂量能降低90％。这样改进的主要好处将是MEA成本降低。许多分析预料即使在量产模式下铂的成本也将在MEA成本中占主导地位。
用于现有PEM燃料电池技术中的质子传导膜由酸基聚合物制成。例如，商标名为Nafion的磺化的聚四氟乙烯(PTFE)聚合物通常用于LT燃料电池，而在商标为Celtec的MEA中采用的磷酸掺杂聚苯并咪唑(PBI)用于HT燃料电池。在竞争性的的LT和HT膜的质子传导性都依赖于液体介质。因为在膜中液态水的存在使得Nafion
Figure BPA00001565097600021
的车载型(vehicle-type)质子传导性机构成为可能。水的高和低的含量使得Nafion
Figure BPA00001565097600022
膨胀和收缩，引起导致膜过早破坏的机械应力。另外，吸收的水作为增加膜尤其在高温下蠕变的聚合物增塑剂。从而，加速蠕变的结果导致膜以更快的速度发生破坏。即使在HT膜里的质子传导性通过不同的机构(Grotthuss)发生，仍然为液体依赖性。在该膜内，经由在磷酸分子的联合和分解形成的动力氢键网络内的分子间质子转移发生膜质子传导率。由于高度亲水，磷酸不断从空气吸水。稀酸向膜的外部迁移，阻塞气体孔和通道，并且与金属催化剂发生化学反应。所有这些变化限制了HT MEA的寿命并且使HT燃料电池对液态水的存在极其敏感。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种集成PEM燃料电池包括至少两个双极板组件，每个双极板组件包括气体防渗板和多个单向电传导纤维，每个纤维具有第一阳极端以及第二阴极端。该纤维分组成垂直于板延伸的纵向束，其阳极端在双极板的一侧并且阴极端在双极板的另一侧。每个纵向束被涂上一种气体防渗涂层。该涂层从所述板朝向每个纤维端部延伸，纤维的与端部邻近的部分保持未被涂层。纤维端部过渡到具有纤维末梢的未涂层的纤维刷子。一个双极板组件的阳极侧面对另一个双极板组件的阴极侧。
燃料电池还包括膜电极组件，所述膜电极组件具有位于所述阳极纤维端的纤维末梢的阳极催化剂载体和位于所述阳极催化剂载体上的阳极催化剂。阴极催化剂载体位于阴极纤维端的纤维末梢，并且阴极催化剂位于所述阴极催化剂载体上。质子交换膜使所述阴极催化剂载体和所述阳极催化剂载体相互连接。
所述阳极催化剂载体和阴极催化剂载体可各自为具有用于交换质子的催化剂阳离子的离子交换聚合物。所述阳极催化剂载体和所述阴极催化剂载体可各自形成为所述纤维端部上的液滴或薄涂层。
所述质子交换膜可形成为位于纤维端部的催化剂载体上的离子交换聚合物，并且电催化剂可通过催化剂载体中表面阳离子的还原置于催化剂载体液滴或者薄涂层的表面上。
所述纤维束可设置在基质中以在板的一侧界定出燃料流场并在板的另一侧界定出氧化剂流场。
燃料电池还可包括集流板组件，其包括电连接到双极板组件之一的阳极端的导电板，以及用于电连接到另一个双极板组件的阴极端的第二导电板。所述板可由导电树脂构成。
每个双极板组件的纤维束交叉并连接到位于双极板内的电传导基板。或者，延伸穿过每个双极板的所述纤维被所述基板分开成阳极纤维和阴极纤维。至少一些阳极纤维相对于阴极纤维轴向偏移。所述基板可延伸到双极板的外围之外，籍此提供边缘冷却。
根据本发明的其它方面，所述双极板组件包括设置成纤维组的多个电传导纤维，包括从该板的阳极侧延伸的阳极纤维组和从相对的板的阴极侧延伸的阴极纤维组。所述纤维组可形成为纤维块，包括在粘着基质中的连续纤维使所述纤维块可防渗。这些纤维块可设置为形成用于燃料和氧化剂至少之一的流道。所述纤维块也可以设置成机织织物。或者，纤维组可形成为绒片段，安装到每个气体防渗板的基板上。
根据本发明的一些方面的燃料电池可包括从每个双极板组件延伸的钩状纤维和结合在每个膜电极组件内的环状纤维。
本发明还提供将膜电极组件和双极板结合在燃料电池中的工艺。该工艺可包括以下步骤：提供双极板组件，每个双极板组件具有彼此面对的纤维端；在双极板纤维的末梢上沉积聚合物液滴；干燥液滴以得到聚合物颗粒；在聚合物颗粒上方沉积连续的薄聚合物层；利用催化剂阳离子在聚合物颗粒和连续层内交换质子以得到催化剂载体；将表面阳离子还原成催化剂载体上的金属催化剂；沉积聚合物以建立质子导电膜层；以及将形成在每个纤维端的相向组上的膜层相互结合。
附图说明
将容易明白本发明的其它优点，因为结合附图参考下列详细描述时能更好理解这些优点，其中：
图1是集成的单个燃料电池的侧视图。
图2是集成的双极板的侧视图的详图。
图3是纤维结构的侧视图：a)块；b)双面刷；c)绒。
图4是带双面刷结构的纤维的双极板的俯视图。
图5是示出与MEA接触的纤维表面的细节的双极板的分解图。
图6是示出双极板和MEA集成的细节的双极板中纤维末梢的分解图。
图7A是使用钩和环的集成燃料电池的侧视图。
图7B是使用钩和环的集成燃料电池的另一个实施例的侧视图。
图8是由a)沉积在纤维末梢的催化剂颗粒；b)催化剂层构成的双极板纤维—催化剂—膜集成结构的分解图。
图9是示出通过两种不同类型的聚合物电解质膜的可能的质子转移机构的简图。
图10示出包括两个集成燃料电池的燃料电池堆的侧视图。
具体实施方式
本发明包括集成到可操作的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的膜电极组件(MEA)和双极板。
图1大体上示出了本发明的集成单个燃料电池(FC)1。电池1包括就膜电极组件(MEA)3而言镜像对称设置的两个双极板2，密封件4和气体出入口5。催化剂载体213是双极板2的组成部分(integral part)，并且可以被安装在单个双极板2的两个面上。此外其将双极板连结到附着于膜31相对表面的阳极32和阴极33催化剂层。反应物，通常为氢和氧化剂，通过位于双极板2上的出入口5供给到燃料电池1和从燃料电池1排出。开口5可以为内部歧管式或者外部歧管式(manifolded)。如果集流板(current collector plates)6安装到端部的双极板10(图10)的外表面，集成的单个燃料电池能作为电化学的转换装置。如图10所示的两个电池堆叠的例子，通过单个电池1的集成并且通过将集流板6加到端部的电池，也能制作多个燃料电池堆。
双极板2通常在两个相邻的燃料电池之间共用。其实际上电连接两个电池的阳极和阴极。因此，该双极板一个面带正电，而相对面带负电。其将反应物提供并分配给相邻的MEA的阳极和阴极催化剂位置。不过，双极板为阻碍气体混合制造了物理屏障。双极板2的带正电的表面引入、分配、并且排出来自一个MEA的阳极表面的带或不带水蒸汽的燃料，而带负电的一侧引入、分配、并且排出来自第二相邻的MEA3(未示出)的阴极表面的带水蒸汽的氧化剂。另外，双极板2可以提供结构支持以在它的相对面上安装其它燃料电池部件(GDL，MEA)。
图2示出的集成双极板2的细节说明可能的实施例之一。参照图2，集成双极板包括平板24，其具有垂直于板24的表面对齐的单向电传导纤维21。这些纤维从一个面连续伸展到另一个面。嵌入到板24的基材241的纤维21形成防渗纤维层211。纤维21的上部由松散纤维构成制成柔性纤维刷212。与MEA3的电化学接触实际上通过刷子212和MEA表面3的集成而发生(图1)。
在另一个实施例中，纤维21也可以被固定到如图2中所示的基板25。基板为电传导的，并且可由防渗材料或者具有开口结构的材料做成。在一种包括固体防渗材料的实施例中，阴极和阳极纤维通过基板25形成电接触。不过，当基板由开口结构材料制成时，它们可能连续伸展通过基材。为了使双极板2不可渗透，纤维21和基板25都利用基材241封装。在双极板2中形成流场通道22以供应反应物，并且从燃料电池中排出废气。通过以各种结构设置纤维21，可生产具有不同形状的双极板2。
参考图3，示出某些可能的纤维21的设置。例如，纤维21可以被压紧成3D块(图3a)，刷子(图3b)，或者绒(velvet)类的结构(图3c)。纤维21的一些结构导致准备使用已结合流场特征22的双极板22，如图3b所示，其中纤维21被设置成双面刷。不过，需要附加制造步骤来从纤维块或绒制造流场。本领域技术人员会明白可以由纤维形成各种流场类型，用于以想要流体流动性来分配反应物。这些流场包括但不局限于不同结构的通道，波纹，细孔或者多孔板，梁结构等等。如图2中所示，双极板2有双面刷型实施例，其中纤维21从平板24的一侧连续延伸通过基材到另一侧。它们以一定距离隔开形成具有在双极板2的两表面上设计的流动特性的气体通道22。图4示出了同样的双极板2的俯视图。流场221有梁结构。流场221位于平板24的内部区域，并且被平坦的边界222围绕。反应物通过入口/出口5供应到流场221或者从流场221排出。如该具体的实施例中所示，入口/出口5可位于平板24的相对角部用于外部反应物分流。双极板2上每个表面上的两个端口5利用外部燃料供给/排出管(未示出)与内通道51相互连接。省略基板25将导致由设置成双面刷结构的纤维21产生相同的双极板2的实施例。如图4示出的双极板2相似设计也可由单面刷设计制成(未示出)。在这种情况下，纤维21对称地嵌入到平板24的基材241，基材与位于板24中间的导电基板25的相对表面接触(图2)。将纤维21的主体和基板25组件封装，以形成防渗双极板。当反应物经由端口5进入通道51时，其通过交叉的通道流场221在双极板2的表面上均匀分布。在这种流场结构中，嵌入式纤维21形成防渗的纤维柱211而不是连续的层。在柱211的顶部上的刷子212支撑MEA3并与其电连接。
在工作中，发电时需要冷却燃料电池以去除由于本征能(intrinsic energy)损失产生的过热。在开放式阴极设计中，气流通常提供供给氧化剂和消除热量的双重作用。不过，在不适用空气冷却/加热的燃料电池中，必须在双极板2中集成其它类型的热调节。例如，如果通过使导电基板25比平板24的主体241大而暴露于周围空气，导电基板25可以用于边缘冷却。对于液冷系统来说，面对阴极侧的双极板的主体241可如图10示出的那样具有封装在板24内的液体冷却剂管道9。在每个双极板2内的冷却剂流场(未示出)可为内部或者外部歧管式以提供连续流经电池堆的冷却剂。
可以通过利用制造塑料刷子的各种工艺生产双面刷型双极板2。这些工艺可包括但是不局限于挤出成型，注射成型，热压成型，铸造，压塑成型和传递成型。例如，如图3中所示双极板2可以从按规格裁切并对齐的封装在聚合物基材241中的纤维束21通过成型工艺制造出具有所有设计特征的最终尺寸。
如图3a中所示的纤维块通常由黏合剂/密封剂处理的纤维制成，以保持纤维紧密结合在防渗部件中。在优选实施例中，在压缩成的连续纤维束到所要的大小与形状之前，导电的连续单纤维可以通过具有聚合物溶液、熔体或树脂的浸渍槽。然后从纤维束切出一定厚度的纤维块并且用于形成流场221。然后通过合并具有如图4中所示入口/出口特征的平框架222制造完整的双极板2。用于从纤维块制造双极板2的生产过程包括例如模塑，挤出成型，热压成型和铸造等用于聚合物/纤维混合物的制造方法。
除了所描述的方法之外，也可由平纹织物制成纤维块，其中用导电纤维制成附有纬纱的经纱。该织物采用黏合剂/密封剂处理并且分层形成带有相同方向定向的经纱的压缩纤维束。类似于由连续纤维制成的纤维块，该块从所要厚度的布切出用于更进一步的处理。
参照图3b，单面绒可用作双极板前驱体(precursor)。将两片材料使用并且以这样的方式组装，使得基板25和面向外的纤维紧密接触。然后用制造平板24的主体241的聚合物来处理基板25和纤维。然后可通过可包括模塑，铸造，挤出成型，热压成型等各种生产工艺使双极板2带有特征流场221。如有必要，也可使用这些技术将平坦的边界222增加到流场222。可通过编织(weaving)、针织(knitting)、或者簇绒法(tufting)来生产绒等材料—这些生产工艺通常在纺织工业分别用于生产绒(velvet)、丝绒(velour)和地毯。在编织灯芯绒型织物期间，可以同时形成流场通道。
用于从如图3所示的前驱体制造如图2中所示的双极板2的材料可以包括例如热固性或者热塑性聚合物等塑料，和聚合物复合材料以及任何类型的导电纤维，纤维束和纱线。纤维直径可以从纳米到数十个微米。纤维和聚合物的选择基于对燃料电池工作中存在的机械、热、和化学应力的抵抗力。另外，选择合适材料的重要因素是与膜材料的由于联结的兼容性。优选的，用于双极板的聚合物由一种类似于膜或者黏合材料的聚合物制成。选择的纤维优选具有极好电和热的传导率。
图5是示出与MEA接触的纤维表面细节的双极板分解图。更具体地说，封装的纤维柱211向上延伸进入纤维刷子212，使MEA与双极板2相互连接。纤维柱211和刷子212可以如图5所示的有各种各样的实施例。它们可包括但是不局限于直径相同(图5B 1)的纤维，或者微米和纳米尺寸直径(B2)的混合纤维。双极板2也可以具有附着至刷子212(B3)的另外的纳米纤维层213。可以通过各工序来增加纳米层213，包括但是不局限于化学，电化学，机械，或者静电。纤维柱211，刷子212和纳米层213(如果存在)，建立与现有的燃料电池技术的通道和GDL相似的大和小的流体流道。最好如图2所示，封装的、紧密压缩的和防渗的纤维柱212之间的空间形成流道22，该流道在完全打开的纤维刷子212之间逐渐减少。多个微流体流道在纤维内界定出并且容易在纤维内分布，纤维均匀盖住整个MEA3表面因此具有GDL类似的作用。不过，这些微流道在刷子212内的尺寸从纤维柱21向MEA3表面逐渐增加。这类孔的几何形状可具有增强毛细管作用，用于从MEA表面向纤维柱211吸收液态水。另外，纤维刷子212能容易压缩从而建立能适应压缩或者尺寸变化的适应层，同时仍然在MEA3中提供均匀的流体分配和电导率。
纳米层213或者刷子212纤维的末端还集成到MEA3。其中一种方式是作为催化剂载体。参照图6，可能是刷子212(B1)或纳米层213(B3)的主要组成的纤维214的上端，具有附着其上的至少一个阳极32或阴极33的催化剂颗粒。优选的，催化剂颗粒32/33然后在膜处理期间接合到膜31上。例如溶液铸模，喷涂，浸涂，旋涂，挤出成型，熔体铸造等各种技术，任何技术的组合，或一些其它工艺将形成防渗的质子导电膜。粘合时，纤维214、催化剂颗粒32/33和膜31形成气态反应物能够进行电化学转变的多相线界面区。
参照图7A和7B，将双极板2和MEA21结合的另一种方法可基于钩和环扣紧固件，类似于众所周知的商标名称为Velcro
Figure BPA00001565097600071
的纺织品。对这个应用来说，钩215和环216可以由嵌入到相应表面的电传导或非传导纤维制成。例如，钩215可以被集成到双极板2，环216集成到MEA3的膜31中。钩的扁平部分可被固定到板2的主体上，钩本身在刷子212中与纤维混合。另一方面，环(未示出)成为膜31的或者催化剂层21的一部分。在操作中，双极板2的钩215夹持住膜31的或者催化剂层21的环使纤维刷子212与MEA3电接触。通常钩和环在相应的燃料电池部件生产期间可以被并入其中。
本发明的一个方面包括允许较低量的催化剂用于MEAs而不降低燃料电池性能和耐受性的一种先进的电催化剂(electro catalyst)沉积方法。在这种新的方法中，高比表面积的金属催化剂位于纤维的末梢，因此与由双极板纤维和膜表面确定的气体，电子和质子反应界面直接接触。另外，金属催化剂逐渐渗入膜次表层在膜内建立一层扩散阻挡层，抑制催化剂在膜内通过溶解和再结晶而老化。另外，催化剂集成膜的这种方法允许给阴极和阳极催化剂使用较少贵金属或者不使用贵金属。本发明各方面中使用的另一个新的方法在于，金属催化剂化学地结合到其载体以允许建立非常高比表面积催化剂，不易通过溶解或者接合而老化。因此，在本实施例中，即使原子尺寸催化剂321层或者纳米尺寸的单个颗粒也有望是稳定的。
如图7最佳地示出的，阳极32或者阴极33催化剂层可操作地连接到双极板2的纤维214和膜31表面。例如，阳极催化剂层32和质子导体322以及电子导体214直接接触。催化剂层包括金属催化剂321，以及催化剂载体323。金属催化剂321沉积在催化剂载体323的表面的上方。
可采用各种催化剂沉积方式结合纤维214，催化剂321，以及膜31。例如，质子形式的离子交换聚合物322的溶液可以被沉淀在纤维214的末梢上。由于表面张力，聚合物将形成液滴，并且干燥后在纤维214末梢形成球形颗粒214。在下一步中，聚合物322颗粒中的质子将与可溶的催化剂盐的水溶液中的催化剂321阳离子交换。离子交换过程形成催化剂载体323，其为盐形式的离子交换聚合物322。该步骤之后，位于球形颗粒表面的催化剂321阳离子的还原造成催化剂金属沉积在为聚合物322盐形式的载体323的表面上。
使用相似的程序，也可以催化膜表面的次层。质子交换聚合物322次层转变为盐形式323。例如，一旦聚合物液滴在纤维214的末梢干燥，在聚合物颗粒的上方沉积聚合物322的薄的连续层。随后在聚合物颗粒和与该颗粒接触的薄膜表面上同时完成离子交换和还原。催化剂321的厚度和形状可以通过例如浓度，温度和时间等反应条件控制。总之，参照图7a，双极板和MEA集成的程序可以包括以下步骤：
1)聚合物322液滴沉积在双极板纤维214的末梢
2)干燥液滴得到聚合物球(颗粒)
3)在聚合物球上方沉积薄的连续聚合物322层
4)聚合物322球和连续层中的质子与催化剂321阳离子交换获得催化剂载体323
5)表面阳离子还原成催化剂载体323上的金属催化剂
6)沉积聚合物322以构造质子导电的膜层。
相同的程序可以用于沉积阴极催化剂层33。在膜沉积工艺期间，两个半电池(阳极和阴极)可通过将膜层彼此结合而集成单个电池。可以在一些实施例中跳过步骤1)，其中可通过如图7b中所示的其他方式实现双极板、催化剂以及膜的集成。例如，当纤维环沉积在膜表面，钩部集成在刷子212内时，通过钩环机构完成集成。在这种情况下，纤维环首先沉积在膜表面，然后在步骤2-6之后是催化剂321。在另一个实施例中，当例如为纳米纤维的情况下，单位面积内的纤维末梢的数量非常高时，纤维与催化剂层的粘着力可能强得足以结合双极板和MEA。在本实施例中使用步骤2-6将催化剂层直接沉积到膜上。使用的催化剂可以包括，但是不局限于沉积为薄层(单原子到纳米尺寸)或者沉积为颗粒(纳米到微米尺寸)的纯金属，金属合金或者金属络合物。其可以从不影响聚合物或者其他燃料电池部件的各种溶液中沉淀到质子传导聚合物上。也可利用如PVD或者CVD等非溶解薄膜技术而添加位于膜表面上的催化剂层。
根据本发明的另一个方面，使用新材料化学在低和高的工作温度中用作非液体基质子传导(non liquid based proton conduction)的基础。如图9中所示，膜31可以制备为诸如酸化聚合物等内在质子供体和诸如有机或无机多羟基化合物等稳定质子溶剂(immobilized proton solvents)或包含氧和氮的大分子的混合物。该化学结构能使分子间质子在质子供体和质子受体分子之间形成的氢键网络内转移。例如，来自磺化聚合物的磺酸基团和来自添加剂1的羟基团的质子构建一个类似于在液态水存在的情况下在Nafion
Figure BPA00001565097600091
中存在的氢键网络；不过，在这种材料里的质子传导性与水无关。在图9中示出的另一实施例中，对于包括磺化聚合物和两性电解质添加物2的材料混合，非水质子传导如同在具有一定pH值的酸类溶液中一样经由氢键穿过膜发生。为制造用于膜31制造的本体聚合物共混物(bulk polymer blends)，可通过各种混合方式进行聚合物固体，液体以及液化前驱体的均匀化。制造出的本体聚合物然后通过任何本领域公知的聚合物处理方法形成膜31，这些方法可包括但是不局限于模制，铸造和挤出成型。然而，薄膜31的膜可使用浸涂，旋涂，或者喷涂技术由聚合物溶液产生。另外，可通过层层(LBL)方法生产具有组织纳米结构的薄膜31的膜。这种方法允许从使用化合物的质子供体和质子受体制造多层膜31。通过各个化合物的单个纳米层的连续沉积获得最后的薄膜结构。选择沉积的条件，膜31的纳米结构可以改变以得到想要的膜特性。可将任何磺化，羧化化，或者膦酸化聚合物用作质子供体材料。另一方面，使用的共轭质子受体碱可以包括但是不局限于多羟基醇(polyhydroxyl alcohols)，高分子金属氢氧化物(polymericmetal hydroxides)，季铵阳离子大分子(quaternary ammonium cationmacromolecules)或者含氮的聚合物。
为防止集成的单个燃料电池2的窜气和向外部泄漏，电池的边界如图1中所示被密封。在电池集成期间或者在集成之后，膜31和双极板2边界熔合在一起构成燃料电池密封部4。密封部4由与平板24的主体241相同的材料制成。然而，也可以使用与平板24和膜31都相互兼容的其他材料。可在燃料电池中注塑或者铸造成密封部4与双极板形成对接接头，与膜31形成T型接头。如果膜31边界超过有效面积(active area)，也可以通过对接接头熔合密封部4和膜31。一旦处于适当位置，密封部4允许继续进行可包括仅添加集流板6(图10)到单个电池1的堆叠组装，或具有集流板6的多电池1的组装。
可以各种方式堆叠集成的单个电池1以得到具有更高功率输出的多个燃料电池的堆叠。图10中示出具有内歧管5和冷却部9的两个电池燃料电池的堆叠7。如图1所示的两个集成的电池1为示出一种双极燃料电池结构的实施例，其可根据所需次数重复以得到电压-功率堆叠输出。参照图10，两相邻电池1共用的常规双极板2用来将单个电池2集成进入多个堆叠。该集成通过与单个电池1集成步骤相同的反复操作发生。依赖流场面对的MEA的这一侧，阳极或者阴极催化剂层沉积在面对MEA的流场241的纤维214的末梢。在催化剂321沉积后，膜聚合物322部分地沉积在其上以制造半个电池。与此类似，第二半个电池沉积在下一相邻单个电池的外部流场上并用来将该电池通过膜31熔合结合入多层堆叠。最后的电池以相同方式结合在多层堆叠中，然而，该催化剂沉积在端板10的纤维流场24上。在堆叠集成期间以在单个电池1内的相同方式进行燃料电池组件的密封。为完成堆叠组件，阳极(+)和阴极(-)集流板6安装到端板10，如图10中所示。板10设计用于传导电流并支持供给到堆叠和从堆叠排出的流体的出入口。集流板6可以由两个部件组成：导电板61和绝缘板62。板61和阳极端板10及阴极端板10的纤维电接触。它们可具有从绝缘板62出来的延伸部以连接配线。通常它们由导电金属或者金属合金制成。优选的，板6由薄金属箔制成以减少电池堆的重量和体积。绝缘板62支持集流板61和反应物气体5以及冷却剂8端口。优选的，层62由用于纤维封装的相同的基材241制成。其可以由用于制造聚合物或者基于聚合物的混合物的制造工艺而附着到该堆叠上。当燃料电池工作时，氢气接近阳极催化剂，而氧气接近MEA3的阴极催化剂。在阳极催化剂32上形成的质子通过质子交换膜31传导进阴极催化剂33，在其中它们与被还原的氧结合并且产生水，电流和热。进入燃料电池1的氢气通过流场241在MEA3阳极表面32上分布。氢气流动可以为槽状流动(trough flow)，或者通过周期净化而耗尽因为排出的氢气主要含有水蒸气。可通过开放的阴极结构通过对流发生氧化剂的转移。由于用来制造电池的材料的兼容性，电池1可以在很宽的温度、压力、相对湿度和流量范围内工作。
虽然已经公开依据本发明的一些方面的示例性和优选实施例的细节，应当理解，本发明不限制这些细节。相反，本发明的范围应该有通过所附权利要求确定。

Claims (22)

1.一种集成PEM燃料电池，包括：
至少两个双极板组件，其中每一个双极板组件包括：
气体防渗板，以及
多个单向电传导纤维，每个纤维具有第一阳极端以及第二阴极端，
所述纤维分组成垂直于所述板延伸的纵向束，
在所述板的一侧的阳极端和所述板的另一侧的阴极端，
每个纤维束被涂上气体防渗的涂层，该涂层从所述板朝向每个纤维端部延伸，纤维的邻近端部的部分保持未涂层，
过渡到具有纤维末梢的未涂层的纤维刷的纤维端部；
一个双极板组件的阳极侧面对另一个双极板组件的阴极侧；
膜电极组件，包括：
位于所述阳极纤维端的纤维末梢的阳极催化剂载体和位于所述阳极催化剂载体上的阳极催化剂；
位于所述阴极纤维端的纤维末梢的阴极催化剂载体和位于所述阴极催化剂载体上的阴极催化剂；以及
使所述阴极催化剂载体和所述阳极催化剂载体相互连接的质子交换膜。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述阳极催化剂载体和所述阴极催化剂载体各自为具有用于交换质子的催化剂阳离子的离子交换聚合物。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中所述阳极催化剂载体和所述阴极催化剂载体各自形成为所述纤维端上的液滴或薄涂层之一。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述质子交换膜形成为位于纤维端上的催化剂载体上的离子交换聚合物。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中电催化剂通过催化剂载体的表面阳离子的还原而置于催化剂载体液滴或者薄涂层的表面上。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述纤维束设置在基质中以在板的一侧界定出燃料流场并在板的另一侧界定出氧化剂流场。
7.根据权利要求1所述的燃料电池，还包括集流板组件，其包括电连接到双极板组件之一的阳极端的导电板；以及用于电连接到另一双极板组件的阴极端的第二导电板。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述板由导电树脂构成。
9.根据权利要求1所述的燃料电池，其中每个双极板组件的纤维束与位于双极板内的电传导基板交叉并连接到该基板。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其中延伸通过每个双极板的所述纤维被所述基板分开成阳极纤维和阴极纤维。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中至少一些阳极纤维相对于阴极纤维轴向偏移。
12.根据权利要求9所述的燃料电池，其中所述基板延伸到双极板的外围之外，籍此提供边缘冷却。
13.一种集成的PEM燃料电池，包括：
至少两个双极板组件，各自包括：
气体防渗板；
设置成纤维组的多个电传导纤维，所述纤维组包括从该板的阳极侧延伸的阳极纤维组和从板的相对的阴极侧延伸的阴极纤维组，所述阳极纤维组和阴极纤维组电连接，
每个所述阳极纤维组和所述阴极纤维组具有过渡到具有纤维末梢的未涂层纤维刷的纤维端部；
一个双极板组件的阳极侧面对另一个双极板组件的阴极侧；膜电极组件，包括：
位于阳极纤维端的纤维末梢的阳极催化剂载体和位于所述阳极催化剂载体上的阳极催化剂；
位于阴极纤维端的纤维末梢的阴极催化剂载体和位于所述阴极催化剂载体上的阴极催化剂；以及
使所述阴极催化剂载体和所述阳极催化剂载体相互连接的质子交换膜。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其中所述纤维组形成为纤维块，该纤维块包括在粘着基质中的连续纤维使所述纤维块可防渗。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，其中所述纤维块设置为形成用于燃料和氧化剂至少之一的流道。
16.根据权利要求13所述的燃料电池，其中纤维块中的纤维设置成机织织物。
17.根据权利要求13所述的燃料电池，其中所述纤维组形成为绒片段，安装到每个气体防渗板中的基板上。
18.根据权利要求1所述的燃料电池，还包括从每个双极板组件延伸的钩状纤维和结合在每个膜电极组件内的环状纤维，纤维钩和纤维环相互连接。
19.一种用于燃料电池的双极板组件，包括：
气体防渗板，和
多个单向电传导纤维，每个纤维具有第一阳极端和第二阴极端，
该纤维分组成垂直于所述板延伸的纵向束，
在所述板一侧的阳极端和所述板的另一侧的阴极端，每个纤维束被涂上气体防渗的涂层，该涂层从所述板朝向每个纤维端延伸，纤维的邻近端部的部分保持未涂层，以及
过渡到具有纤维末梢的未涂层的纤维刷的纤维端部。
20.一种用于燃料电池的膜电极组件，所述组件包括：
彼此面对的多个阳极纤维端和多个阴极纤维端；
位于阳极纤维端的的纤维末梢的阳极催化剂载体和位于所述阳极催化剂载体上的阳极催化剂；
位于阴极纤维端的的纤维末梢的阴极催化剂载体和位于所述阴极催化剂载体上的阴极催化剂；以及
使所述阴极催化剂载体和阳极催化剂载体相互连接的质子交换膜。
21.一种将膜电极组件和双极板结合在燃料电池中的工艺，所述工艺包括以下步骤：
提供多个双极板组件，每个双极板组件具有彼此面对的纤维端；
在双极板纤维的末梢上沉积聚合物液滴；
干燥液滴以得到聚合物颗粒；
在聚合物颗粒上方沉积连续的薄聚合物层；
将聚合物颗粒和连续层内的质子与催化剂阳离子交换以得到催化剂载体；
将表面阳离子还原成催化剂载体上的金属催化剂；
沉积聚合物以建立质子导电膜层；
以及将形成在每个纤维端的相向组上的膜层相互结合。
22.根据权利要求21所述的工艺，还包括以下步骤：
将纤维环沉积在所述膜表面上；
从所述板提供在纤维末梢延伸或比纤维末梢短的纤维钩；
将所述环和钩连接以将所述纤维末梢与所述膜相互接触。
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