CN102906919B - 燃料电池层、燃料电池系统和制造燃料电池层的方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池层包括以平面阵列排列方式设置的多个膜电极组件和用于电连接相邻膜电极组件中一个的阳极催化剂层与相邻膜电极组件中另一个的阴极催化剂层的内部连线。各膜电极组件包括电解质膜、安置在所述电解质膜的一个表面上的阳极催化剂层、和阴极催化剂层，该阴极催化剂层以其至少一部分与该阳极催化剂层相反设置这样的方式被安置在所述电解质膜的另一个表面上。所述内部连线由构成阳极催化剂层的材料和构成阴极催化剂层的材料中的至少一种形成。

Description

燃料电池层、燃料电池系统和制造燃料电池层的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池层、燃料电池系统和所述燃料电池层的制造方法。更具体地，本发明涉及具有以平面排列方式设置的膜电极组件的燃料电池层、包括所述燃料电池层的燃料电池系统和制造所述燃料电池层的方法。
背景技术
燃料电池是由氢和氧产生电流从而获得高效发电的装置。燃料电池的主要特点是其直接发电的能力，其不经历如常规发电中的热能或动能阶段。这表现出以下优势，如发电效率高但装置规模小，减少氮化合物的排放，等，并且由于最小限度的噪音或振动而非常环保。燃料电池能够有效地利用其燃料中的化学能并且，同样地，很环保。燃料电池因此被视为二十一世纪能源系统并已经获得关注，作为能够用于多种应用，包括空间应用、汽车、移动装置、和大规模和小规模发电的有前景的发电系统。进行了大量的技术努力，以开发实用的燃料电池。
具体地，聚合物电解质燃料电池的特点是比其他类型的燃料电池更低的操作温度和更高的输出密度。因此，近年来，聚合物电解质燃料电池已经作为用于移动装置诸如移动电话、笔记本尺寸的个人电脑、PDA、MP3播放器、数码相机、电子辞典或电子书的有前景的电源出现。作为用于移动装置的聚合物电解质燃料电池公知的是平面燃料电池层，其中多个膜电极组件(单电池)排列在平面上。
发明概述
技术问题
本发明的目的是提供能够减少制造平面燃料电池所需的材料数量的技术。
解决问题的方案
本发明的一个实施方案涉及燃料电池层。所述燃料电池层包括：以平面排列方式设置的多个膜电极组件，各个膜电极组件包括电解质膜、安置在所述电解质膜的一个表面上的阳极催化剂层、和阴极催化剂层，该阴极催化剂层以其至少一部分与阳极催化剂层相反设置这样的方式被安置在所述电解质膜的另一个表面上；和内部连线，其将相邻膜电极组件的一个中的阳极催化剂层与所述相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层电连接，其中所述内部连线由构成阳极催化剂层的材料和构成阴极催化剂层的材料中的至少一种形成。
在上述实施方案中，内部连线可以与由与内部连线相同材料制成的阳极催化剂层一起整体形成；或可以与由与内部连线相同材料制成的阴极催化剂层一起整体形成；或者内部连线可以包括与阳极催化剂层一起整体形成的部分和与阴极催化剂层一起整体形成的部分。
本发明的另一个实施方案涉及燃料电池系统，其包括燃料电池层、阳极外壳和阴极外壳。燃料电池系统还可以包括设置在所述燃料电池层与所述阳极外壳和阴极外壳之间的密封垫或密封层。阴极外壳可以包括空气入口。
本发明的另一个实施方案涉及用于制造燃料电池层的方法。该制造方法包括：以下列这样的方式形成以平面排列的方式设置的多个膜电极组件：在电解质膜的一个表面上形成多个阳极催化剂层和在所述电解质膜的另一个表面上形成多个阴极催化剂层同时或以随机的顺序进行；和以下列这样的方式形成被设计为将相邻膜电极组件的一个中的阳极催化剂层与相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层彼此电连接的内部连线：通过形成阳极催化剂层将用作阳极催化剂层的材料部分地或完全地填充到用于分隔所述相邻膜电极组件的电解质膜的间隔中，或通过形成阴极催化剂层将用作阴极催化剂层的材料填充到所述间隔中，或以下列这样的方式形成所述内部连线：通过形成阳极催化剂层将用作阳极催化剂层的材料填充到所述间隔中，并通过形成阴极催化剂层将用作该催化剂层的材料填充到所述间隔中。
注意前述结构成分等的任何任意的组合或重排均有效地作为和包括 在本发明的实施方案中。
附图简述
现参考附图，仅通过举例描述实施方案，所述附图意欲示范而非限制，并且其中相似元件在多幅图中以相似的方式编号，其中：
[图1]图1是示意性显示根据本发明的第一实施方案的燃料电池层结构的分解透视图；
[图2A]图2A是沿图1的A-A线截取的燃料电池层的横截面视图；
[图2B]图2B是示意性显示图2A中所示的内部连线附近的部分放大横截面视图；
[图3]图3A-3C是显示用于制造根据本发明第一实施方案的燃料电池层的方法过程的横截面视图；
[图4]图4是电解质膜的示意性透视图；
[图5]图5A-5D是显示用于制造根据本发明第一实施方案的燃料电池层的方法过程的横截面视图；
[图6]图6A-6D是显示用于制造根据本发明第一实施方案的燃料电池层的方法过程的横截面视图；
[图7A]图7A是示意性显示根据第一种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图；
[图7B]图7B是示意性显示根据第二种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图；
[图7C]图7C是示意性显示根据第三种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图；
[图7D]图7D是示意性显示根据第四种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图；
[图8]图8A-8E是显示根据本发明第二实施方案用于制造燃料电池层的方法过程的横截面视图；
[图9A]图9A是示意性显示用于制造根据第五种改进的燃料电池层的方法中的第一基底的部分放大横截面视图；
[图9B]图9B是示意性显示用于制造根据第六种改进的燃料电池层的 方法中的第一基底的部分放大横截面视图；和
[图10]图10A-10D是显示根据本发明第三实施方案用于制造燃料电池层的方法过程的横截面视图。
实施方案描述
现将参考附图描述实施方案。注意在所有附图中，给予相同或相似的部件、零件和处理相同的参考编号并且适当时，省略其重复描述。而且，本文中给出的实施方案仅为了举例说明的目的，且本实施方案中描述的全部特征及其组合并非本发明必需的。
(第一实施方案)
图1示意性显示根据本发明第一实施方案的燃料电池层的结构的分解透视图。图2A是沿图1的A-A线截取的燃料电池层的横截面视图。图2B是显示图2A中所示的内部连线附近的部分放大横截面视图。参考图1，燃料电池系统10包括燃料电池层100、阴极外壳50和阳极外壳52。在图1的横截面A-A处的燃料电池层100图示在图2A中。
燃料电池层100包括以平面排列方式设置的多个膜电极组件(MEAs)120，和内部连线130(未显示在图1中)。各膜电极组件120包括电解质膜122、安置在电解质膜122的一个表面上的阳极催化剂层124，和阴极催化剂层126，其以其至少一部分与阳极催化剂层124相反设置这样的方式安置在电解质膜122的另一个表面上。
电解质膜122，其可以在湿润条件下显示优秀的离子传导率，起到在阳极催化剂层124和阴极催化剂层126之间传递质子的离子交换膜的作用。电解质膜122可以由固体聚合物材料诸如含氯聚合物或非氟聚合物形成。可以用于电解质膜122的材料可以是，例如，磺酸型全氟碳聚合物、聚砜树脂、具有膦酸基团或羧酸基团的全氟碳聚合物，等。磺酸型全氟碳聚合物的实例是Nafion膜(由DuPont生产：注册商标)。而且，非氟聚合物的实例是磺化芳族聚醚醚酮、聚砜等。电解质膜122的厚度可以是例如约10-200mm。
各膜电极组件120中的多个阳极催化剂层124可以以彼此略微分离 (如通过间隔125所示)这样的方式设置在电解质膜122的一个表面上。各膜电极组件120中的多个阴极催化剂层126可以以彼此略微分离(如通过间隔127所示)这样的方式设置在电解质膜122的另一个表面上。膜电极组件120(单电池)由一对阳极催化剂层124和阴极催化剂层126以及电解质膜122构成，所述电解质膜122保持在阳极催化剂层124和阴极催化剂层126之间。阳极催化剂层124和阴极催化剂层126可以以多种配置排列，条件是在相邻单电池之间保持电间断区域从而防止燃料电池层100电短路。这样的配置的实例可以参见美国专利申请公开号2009/0162722，标题为“Electrochemical cell assemblies including a region of discontinuity(包括间断区域的电化学电池组件)”，其公开内容通过参考整体引入本文。氢可以提供给阳极催化剂层124，作为燃料气体。尽管所述实施方案预期使用氢气作为燃料，应该理解可以使用任何其他合适的燃料，诸如，例如甲醇、甲酸、丁烷、或其他氢载体。空气可以提供给阴极催化剂层126，作为氧化剂。各单电池或膜电极组件120通过燃料(例如氢)和空气中的氧之间的电化学反应产生电力。
阳极催化剂层124和阴极催化剂层126可以各自具有离子交换材料和催化剂粒子或碳粒子，其根据具体情况而定。阳极催化剂层124和阴极催化剂层126中包含的离子交换材料可以用于促进催化剂粒子和电解质膜122之间的粘附。该离子交换材料还可以起到在催化剂粒子和电解质膜122之间传递质子的作用。离子交换材料可以由与电解质膜122相似的聚合物材料形成。催化剂金属可以是单一元素或两种或更多元素的合金，所述元素选自Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、镧系元素和锕系元素。当提供催化剂时，炉黑、乙炔黑、科琴黑(ketjen black)、碳纳米管等可以用作碳粒子。阳极催化剂层124和阴极催化剂层126的厚度可以是，例如，约10-约40mm。
如上所述，根据第一实施方案的燃料电池层100包括以平面排列方式形成的多个膜电极组件120，其由各对阳极催化剂层124和阴极催化剂层126以及电解质膜122构成，所述电解质膜122置于阳极催化剂层124和阴极催化剂层126之间。
如图2A和2B中所示，内部连线130是通过提供从一个膜电极组件 120的阳极催化剂层124至相邻膜电极组件120的阴极催化剂层126的电路来电连接相邻单电池或膜电极组件120的构件。在相邻膜电极组件120之间提供孔，并将其用于部分或完全分隔相邻膜电极组件120的电解质膜122。内部连线130被安置使得其在所述孔中穿透电解质膜122。根据本实施方案的燃料电池层100的电解质膜122具有离散的通孔122a(也参见图4)作为孔，并且内部连线130被安置在通孔122a中。注意所述孔不仅可以通过用于部分分隔相邻膜电极组件120的电解质膜122的通孔122a而实现，而且可以通过可以用于完全分隔相邻膜电极组件120的狭缝和通过沿膜电极组件120的宽度方向延伸而实现。如果所述孔通过通孔122a实现，则燃料电池层100的强度可以比其中所述孔通过狭缝实现的情形中的强度得到更大的提高。而且，形成内部连线130所需的材料的量可以减少。
相邻膜电极组件120可以通过内部连线130串联连接在一起。在本实施方案中，两个相邻膜电极组件120中一个的阳极催化剂层124的末端延伸至内部连线130，且其末端与内部连线130的一个末端电连接。而且，其另一个的阴极催化剂层126的末端延伸至内部连线130，并且其末端与内部连线130的另一个末端电连接。内部连线130的宽度可以是，例如，约30-300mm。
内部连线130由构成阳极催化剂层124的材料和构成阴极催化剂层126的材料中的至少一种形成。结果，与需要制备单独的构件诸如末端突出物作为常规平面燃料电池中的内部连线的情形相比，制造燃料电池层100所需的材料数量可以减少。
而且，内部连线130可以与以下催化剂层一起整体形成：由与所述内部连线相同材料制成的阳极催化剂层124或由与所述内部连线130相同材料制成的阴极催化剂层126。或者，内部连线130可以包括与阳极催化剂层124一起整体形成的部分和与阴极催化剂层126一起整体形成的部分。结果，所用的部件的数量与常规实践相比可以减少。而且，内部连线130和各催化剂层之间的接触电阻与常规燃料电池中的接触电阻相比，可以减小。
在图2B中所示的本实施方案中，内部连线130包括构成阳极催化剂层124的材料和构成阴极催化剂层126的材料，且由与阳极催化剂层124 一起整体形成的部分和与阴极催化剂层126一起整体形成的部分构建。更具体地，伸入通孔122a中的突部124a在阳极催化剂层124的表面中形成且伸入通孔122a中的突部126a在阴极催化剂层126的表面中形成。突部124a的边缘和突部126a的边缘在通孔122中连接在一起，由此形成内部连线130。突部124a和突部126a的高度可以是，例如，电解质膜122宽度的约一半，且突部124a和突部126a之间的界面可以位于电解质膜122宽度方向的接近中间处。
在其他实施方案中，内部连线130可以由在阳极催化剂层124的表面中形成的突部124a或在阴极催化剂层126的表面中形成的突部126a形成。在这样的实施方案中，突部124a或126a的边缘可以延伸通过电解质膜的整个宽度，且可以分别与阴极催化剂层126的表面或与阳极催化剂层124的表面连接在一起，从而形成内部连线130。
而且，根据图2B中所示的实施方案，当在平面上观察时，膜电极组件120b的阳极催化剂层124和与膜电极组件120b相邻设置的膜电极组件120a的阴极催化剂层126可以彼此部分重叠。在该实施方案中，内部连线130被安置在膜电极组件120b的阳极催化剂层124和膜电极组件120a的阴极催化剂层126彼此重叠的区域中。通过使用如上所述的结构，通孔122a可以与阳极催化剂层124和阴极催化剂层126垂直来延伸，从而使通孔122a的长度可以变得最短。结果，内部连线130的长度可以变得最短，且因此可以抑制内部连线130中电阻的增加并且可以减少形成内部连线130所需催化剂材料的量。此外，居于燃料电池层100中的内部连线130的延伸区域的面积可以变得更小。因此，如果根据本实施方案的燃料电池系统10中的燃料电池层100的尺寸变得与常规燃料电池中所用的尺寸相等，则根据本实施方案的燃料电池系统10中的电流产量可以通过增大发电区域的面积而提高。相反地，如果由根据本实施方案的燃料电池系统10产生的电流变得与常规燃料电池系统相等，则根据本实施方案的平面燃料电池系统10可以变得紧凑且尺寸更小。例如，发电区域(即两个密封层140之间的区域)和非发电区域(即由密封层140覆盖的区域)的面积比可以是约7.5∶1至约5∶1。
内部连线130，其由构成阳极催化剂层124的材料和构成阴极催化剂 层126的材料中的至少一种形成，具有多个细孔。结果，存在这样的可能性，即可以发生所谓的交叉泄漏，其中氢，作为提供给阳极催化剂层124的燃料，通过内部连线130移动到阴极催化剂层126侧，而且空气，作为提供给阴极催化剂层126的氧化剂，通过内部连线130移动到阳极催化剂层124侧。因此，用于阻断燃料和氧化剂通过内部连线130向另一催化剂侧移动的密封层140被安置在内部连线130的附近。
密封层140可以由可以阻断气流的材料，诸如树脂形成。如果密封层140与相邻膜电极组件120的催化剂层类似地接触，则密封层140必须是不导电的，从而防止燃料电池层100的短路。构成密封层140的材料的实例可以包括氟化树脂，诸如也用于电解质膜122的Nafion(注册商标)或Teflon(注册商标)，等。密封层140可以如下形成：可以将含有构成密封层140的材料的溶液涂覆至包括其顶部的内部连线130附近的阳极催化剂层124和阴极催化剂层126的表面。树脂溶液渗透入内部连线130和内部连线130附近设置的阳极催化剂层124和阴极催化剂层126，由此形成密封层140。树脂溶液的渗透是用密封材料填充构成内部连线130的材料的细孔，内部连线130附近的阳极催化剂层124的细孔和内部连线130附近的阴极催化剂层126的细孔。通过使用如上所述的方法和结构，可以防止通过内部连线130发生的交叉泄漏。
另外，密封层140可以被安置，以使其填充到相邻阳极催化剂层124之间的间隔125和相邻阴极催化剂层126之间的间隔127中。通过密封层140来填充间隔125和间隔127可以防止由电化学反应产生的水汇集在间隔125和127中。
因此，如果根据本实施方案的燃料电池系统10中的燃料电池层100的尺寸变得与常规燃料电池中使用的尺寸相等，则根据本实施方案的燃料电池系统10中的电流产量可以通过增大发电区域的面积而提高。如果由根据本实施方案的燃料电池系统10产生的电流变得与常规燃料电池系统相等，则根据本实施方案的平面燃料电池层100可以变得紧凑且尺寸更小。
注意，在阳极催化剂层124侧上安置的密封层140延伸至与阴极催化剂层126的间隔127相反设置的区域。还注意，在阴极催化剂层126侧上安置的密封层140延伸至与阳极催化剂层124的间隔125相反设置的区域。 以平面方式观察时，通过间隔125和间隔127插入的区域可能不促进发电。因此，在由此插入的区域内形成密封层140可以防止相邻电极之间的交叉泄漏和短路，同时不导致由各膜电极组件120产生的电流的下降。
如图1和图2A中所示，阴极外壳50可以是与阴极催化剂层126相反设置的板状构件。阴极外壳50可以具有进气口51用于由外部进料空气。在阴极外壳50和阴极催化剂层126之间可以形成气室60，其中有空气流动。
阳极外壳52可以是与阳极催化剂层124相反设置的板状构件。在阳极外壳52和阳极催化剂层124之间可以形成用于储存燃料的燃料气体室62。在阳极外壳52中可以形成燃料供应端口(未显示)，从而使燃料可以如所需地由燃料筒等供应。
用于阴极外壳50和阳极外壳52的材料可以是常用的塑料树脂诸如苯酚树脂、乙烯基树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、尿素树脂或氟树脂。
在电解质膜122外周和阳极外壳52之间可以安置密封垫56。密封垫56的安置可以提高燃料气体室62的密封性能并防止燃料泄漏。而且在电解质膜122外周和阴极外壳50之间可以安置密封垫57。
(燃料电池层的制造方法)
现参考图3A-3C、图4、图5A-5D和图6A-6D，描述用于制造根据第一实施方案的燃料电池层的方法。图3A-3C、图5A-5D和图6A-6D是显示根据第一实施方案的燃料电池层的制造方法的过程图，图4是电解质膜的示意性透视图。
如图3A所示，可以制备电解质膜122。
因此，如图3B中所示，可以对电解质膜122图案化，从而在预定位置处形成孔。例如，电解质膜122使用激光L来照射，由此选择性地去除电解质膜122的一些区域。该过程可以导致在预定位置处形成通孔122a或狭缝(未显示)，如图3C和图4中所示。在其他实施方案中，通孔122a可以通过机械冲压、冲切或直接模制代替激光照射来形成。而且，通孔122a的数量、其尺寸等可以根据电解质膜122的强度和连接相邻膜电极组件 120的内部连线130的电阻来适当地设定。
除如图3A-3C中所示在电解质膜122中形成通孔122a外，用于阳极催化剂层的材料123a还可以利用例如喷涂法涂覆于第一基底150的表面，如图5A中所示。结果，用于阳极催化剂层的材料123的层可以在第一基底150的整个表面上形成。在一些实施方案中，第一基底150可以至少在其表面上经历氟加工处理。
由此，如图5C中所示，用于阳极催化剂层的材料123的层可以用例如激光L在预定位置处照射，由此选择性地去除用于阳极催化剂层的材料123的层。该过程导致在第一基底150表面上形成由间隔125分隔开的多个用于阳极催化剂层的材料123的层。注意，其他常规方法诸如丝网印刷法可以用于在第一基底150表面上形成用于阳极催化剂层的材料123的层。
因此，如图6A中所示，可以放置其上已经形成了用于阳极催化剂层的材料123的层的第一基底150，从而使材料123的层设置在面对电解质膜122一个表面的位置处。而且，可以放置第二基底152，从而使用于阴极催化剂层的材料129的层设置在面对电解质膜122另一个表面的位置处。于此，第二基底152具有由间隔127分隔开的多个用于阴极催化剂层的材料129的层，且通过与当在第一基底150上形成用于阳极催化剂层的材料123的层时类似地使用的方法形成。在第一基底150上形成的各间隔125和在第二基底152上形成的各间隔127可以这样排列，以使得间隔125和间隔127在电解质膜122的延伸方向上移位(而非排成直线)，而通孔122a置于间隔125和间隔127之间。因而，第一基底150和第二基底152可以通过压床压力接合于电解质膜122。结果，用于阳极催化剂层的材料123的层和用于阴极催化剂层的材料129的层可以印刷到电解质膜122上。在其他实施方案中，用于阳极催化剂层的材料123的层和用于阴极催化剂层的材料129的层可以利用任意合适的方法直接设置在电解质膜122上。
结果，如图6B中所示，用于阳极催化剂层的材料123的层转移至电解质膜122的一个表面上，由此形成阳极催化剂层124，而用于阴极催化剂层的材料129的层转移至电解质膜122的另一个表面上，由此形成阴极催化剂层126。而且，第一基底150可以压力接合于电解质膜122，由此用于阳极催化剂层的材料123的层的一部分从电解质膜122的一个表面侧 填充到通孔122a中。已经填充到通孔122a中的用于阳极催化剂层的材料123的层的部分成为与阳极催化剂层124一起整体形成的突部124a。而且，第二基底152可以压力接合于电解质膜122，由此用于阴极催化剂层的材料129的层的一部分从电解质膜122的另一个表面侧填充到通孔122a中。已经填充到通孔122a中的用于阴极催化剂层的材料129的层的部分成为与阴极催化剂层126一起整体形成的突部126a。突部124a和突部126a在通孔122a中彼此接触，由此形成内部连线130。
因此，如图6C中所示，可以利用平版印刷法等在阴极催化剂层126上与密封层140的图案对准地选择性形成掩模170。在这样的实施方案中，含有构成密封层140的树脂的树脂溶液140a可以填充到掩模170的开口中，由此使树脂溶液140a渗透到阴极催化剂层126中。类似地，可以在阳极催化剂层124上选择性地形成掩模(未显示)，树脂溶液140a填充到该掩模的开口中，由此使树脂溶液140a渗透到阳极催化剂层124中。应该注意，树脂溶液140a可以利用许多合适的方法来设置，例如，可以使用镂花涂装、丝网印刷或喷墨印刷。然后可以干燥和固化树脂溶液140a。注意，树脂溶液140a的涂覆量可以根据由于干燥和固化引起的体积减小来调节。在设置密封层后，可以去除掩模。
结果，如图6D中所示，形成密封层140，其被安置使得其填充在内部连线130的细孔和包括其顶部的内部连线130附近的阳极催化剂层124和阴极催化剂层126的细孔中。此外，可以如此安置密封层140，以使其填充在间隔125和127中。通过上述过程，制造根据第一实施方案的燃料电池层100。作为进一步的步骤，在燃料电池层100的阳极催化剂层124侧经由密封垫56安置阳极外壳52和在其阴极催化剂层126侧经由密封垫57安置阴极外壳50容许制造燃料电池系统10。
如上所述，根据第一实施方案的燃料电池层100包括以平面排列方式设置的多个膜电极组件120和内部连线130。内部连线130可以由构成阳极催化剂层124的材料和构成阴极催化剂层126的材料中至少一种形成。结果，与需要制备单独的构件诸如末端突出物作为常规平面燃料电池中的内部连线的情形相比，制造燃料电池层100所需的材料数量可以减少。由此，可以减小燃料电池层100的制造成本。
各内部连线130可以通过将与阳极催化剂层124一起整体形成的突部124a和与阴极催化剂层126一起整体形成的突部126a连接在一起来构建。结果，内部连线130和各催化剂层之间的接触电阻可以减小。而且，燃料电池层100中使用的部件数量可以减少，从而可以简化燃料电池层100的制造过程。
电解质膜122可以具有通孔122a，并在通孔122a中安置内部连线130。结果，相邻膜电极组件120之间设置的电解质膜122的强度能够得以维持。而且，形成内部连线130所需的催化剂材料的量可以减少并因此限制制造成本的增加。
(改进)
其次，在下文中给出关于第一种至第四种改进的描述，其中密封层140的形状在根据第一实施方案的燃料电池层100中可以不同。图7A是示意性显示根据第一种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图。图7B是示意性显示根据第二种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图。图7C是示意性显示根据第三种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图。图7D是示意性显示根据第四种改进的燃料电池层中内部连线附近的部分放大横截面视图。
(第一种改进)
根据如图7A中所示的第一种改进，安置密封层140以使得密封层140填充在内部连线130的细孔，包括其顶部的内部连线130附近的阳极催化剂层124的细孔和包括其顶部的内部连线130附近的阴极催化剂层126的细孔中。而且，如此安置密封层140，以使其覆盖面对相邻阳极催化剂层124之间的间隔125的侧壁和面对相邻阴极催化剂层126之间的间隔127的侧壁。
由密封层140覆盖间隔125和127中的侧壁可以防止相邻催化剂层之间的短路。因此，与完全填充间隔125和127的情形相比，在仍可以防止相邻催化剂层之间短路可能的同时，形成密封层140所需的材料量可以减少。
(第二种改进)
根据如图7B中所示的第二种改进，密封层140可以被安置在与内部连线130末端相邻设置的阴极催化剂层126中，由此覆盖阴极催化剂层126侧内部连线130的该末端。例如，可以形成所述密封层140，由此树脂溶液140a从阴极催化剂层126侧渗透。如何安置密封层140不局限于本改进的情形，其中如此安置密封层140，以使其填充在与内部连线130末端相邻设置的阴极催化剂层126的细孔中。交叉泄漏的发生可以得到阻止，条件是如此安置密封层140，以使其填充在内部连线130内的一部分细孔和与内部连线130另一末端相邻设置的阳极催化剂层124的细孔的至少之一中。换言之，如果如此安置密封层140，以使得阻断容许燃料或氧化剂流动的通道，就足够了。
(第三种改进)
根据如图7C中所示的第三种改进，密封层140在阳极催化剂层124和阴极催化剂层126的表面中形成，同时密封层140不渗透到阳极催化剂层124、内部连线130和阴极催化剂层126中。在该情形中，在保持内部连线130附近电导率的同时可以防止交叉泄漏的发生。根据本改进的密封层140可以通过增大树脂溶液140a的粘度来形成。
(第四种改进)
根据如图7D中所示的第四种改进，密封层140由片状密封材料形成，并且安置在内部连线130上的阳极催化剂层124和内部连线130上的阴极催化剂层126的表面。在该情形中，同样地，可以抑制交叉泄漏的发生。如此安置密封层140，以使其还覆盖间隔125和127。该结构防止发电生成的水进入间隔125和127并防止相邻催化剂层之间的短路。
如果，如同第三种改进和第四种改进，密封层140不在内部连线130或催化剂层中形成，而在一个催化剂层或多个催化剂层的表面中形成，则仅需要如此安置密封层140，以使其覆盖阳极催化剂层124的表面和阴极催化剂层126的表面中至少一个的其中当以平面方式观察时与内部连线 130重叠的区域。
(第二实施方案)
在根据本发明第二实施方案的燃料电池层100的制造方法中，用于制造燃料电池层100的第一基底150和第二基底152的形状可以与第一实施方案中使用的不同。注意，燃料电池系统10和燃料电池层100的最终结构及其制造过程与第一实施方案中描述的那些基本相同。对与第一实施方案的那些相同的结构构件给予相同的参考编号，并且在适当时省略其描述。
图8A-8E是显示根据第二实施方案用于制造燃料电池层的方法过程的横截面视图。
如图8A中所示，在第二实施方案中使用在其表面上具有突出部分150a的第一基底150。当第一基底150压力接合于电解质膜122时，安置突出部分150a的位置可以设置成与通孔122a相对。用于阳极催化剂层的材料123a可以利用例如喷涂法涂覆于其中安置突出部分150a的第一基底150的表面处。结果，如图8B中所示，在第一基底150的整个表面上可以形成用于阳极催化剂层的材料123的层。结果，在突出部分150a上安置的用于阳极催化剂层的材料123的层的部分可以突出高于它的其他部分。
由此，如图8C中所示，例如，激光L照射在阳极催化剂层124的其中将形成间隔125的制备区域上，由此选择性去除用于阳极催化剂层的材料123的层。如图8D中所示，该过程导致在第一基底150的表面上形成由间隔125分隔的多个用于阳极催化剂层的材料123的层。
由此，如图8E中所示，放置在其上已经形成用于阳极催化剂层的材料123的层的第一基底150，以使得材料123的层设置在面对电解质膜122的一个表面的位置处。而且，类似于用于阳极催化剂层的材料123的层，在其上已经形成用于阴极催化剂层的材料129的层的具有突出部分152a的第二基底152被放置，以使得用于阴极催化剂层的材料129的层可以设置在面对电解质膜122的另一个表面的位置处。因而，第一基底150和第二基底152可以通过压床压力接合于电解质膜122。结果，用于阳极催化剂层的材料123的层和用于阴极催化剂层的材料129的层可以印在电解质膜122上。在下文中，利用与第一实施方案中使用的相似的方法形成燃料 电池层100。
根据如上所述的第二实施方案，催化剂层可以通过利用在对应于通孔122a的位置处具有突出部分的基底而压力接合于电解质膜122。因此，部分催化剂层可以更可靠地进入通孔122a中。结果，内部连线130可以在通孔122a中紧密地形成，其间没有间隔。即，可以最大化内部连线130的横截面积。而且，进入通孔122a中的突部124a与突部126a的压力接合可以得到确保。由此，相邻膜电极组件120可以更可靠地电连接。基底150和第二基底152中至少一个具有突出部分可能是可接受的。然而，如果基底150和第二基底152二者具有突出部分，则相邻膜电极组件120可以更可靠地电连接。
(改进)
以下第五种和第六种改进是对第二实施方案的改进，其显示还有第一基底150和第二基底152的其他形状。图9A是示意性显示用于制造根据第五种改进的燃料电池层的方法中的第一基底的部分分解横截面视图。图9B是示意性显示用于制造根据第六种改进的燃料电池层的方法中的第一基底的部分分解横截面视图。注意，图9A和9B仅图示制造燃料电池层100的方法的一部分。
(第五种改进)
根据如图9A中所示的第五种改进，通过在第一基底150的表面中放置片状密封层形成材料140b，在第一基底150的表面中形成突出部分。在这样情形中，当第一基底150压力接合于电解质膜122时(见图6A)，密封层140可以与形成阳极催化剂层124和突部124a同时形成(见图6B-6D)。结果，燃料电池层100制造工序的数量(见图6D)可以减少。注意，第二基底152的形状(见图6A)可以与第一基底150的形状相似。
(第六种改进)
根据如图9B中所示的第五种改进，在第一基底150的表面中形成凹进部分150b，且作为密封层形成材料的树脂溶液140a填充入凹进部分 150b中，由此在第一基底150中形成突出部分。在该情形中，同样地，类似于第五种改进，密封层140可以与形成阳极催化剂层124和突部124a同时形成(见图6B-6D)。结果，燃料电池层100制造工序的数量(见图6D)可以减少。注意，第二基底152的形状(见图6A)可以与第一基底150的形状相似。在一些实施方案中，树脂溶液140a可以具有一定的高粘度。
(第三实施方案)
根据本发明第三实施方案的燃料电池层100制造方法与第一实施方案中的制造方法不同。下文中给出第三实施方案的描述。注意，燃料电池系统10和燃料电池层100的结构可以与第一实施方案中所述的那些基本相同。对与第一实施方案的那些相同的结构构件给予相同的参考编号，并且在适当时省略其描述。
图10A-10D是显示根据第三实施方案用于制造燃料电池层的方法过程的横截面视图。
如图10A中所示，用于阳极催化剂层的材料123a可以利用例如喷涂法涂覆于其中形成通孔122a的电解质膜122的一个表面处。类似地，用于阴极催化剂层的材料可以涂覆于电解质膜122的另一个表面。因此，如图10B中所示，阳极催化剂层124可以在电解质膜122的一个表面的整个表面上形成，且阴极催化剂层126在其另一个表面的整个表面上形成。由于，在第三实施方案中，可以在可以涂覆用于阴极催化剂层的材料之前涂覆用于阳极催化剂层的材料123a，所以仅用于阳极催化剂层的材料123a填充入通孔122a中，由此形成内部连线130。
因而，如图10C中所示，可以使用例如激光L在预定位置处照射阴极催化剂层126，由此选择性去除阴极催化剂层126。类似地，可以选择性去除阳极催化剂层124。如图10D中所示，该过程导致在电解质膜122的一个表面上形成由间隔125分隔的多个阳极催化剂层124。该过程还导致在电解质膜122的另一个表面上形成由间隔127分隔的多个阴极催化剂层126。结果，形成以平面排列方式设置的多个膜电极组件120。在下文中，可以利用与第一实施方案中使用的相似的方法形成燃料电池层100。
通过使用根据本实施方案的制造方法形成的燃料电池层100获得与第 一实施方案相同的有益效果。尽管，在本实施方案中，形成间隔125和127比在基底上形成的用于催化剂层的材料的层中形成间隔125和127更难，燃料电池层100的制造过程可以得到简化，因为可以减少制造所需的设备数量。而且，由于催化剂层不通过压床压力接合于电解质膜122，所以损坏电解质膜122的风险可以显著降低。
本发明不仅限于上述实施方案和改进，并且本领域技术人员应该理解基于他们的知识可以进一步作出多种改进，诸如设计的改变，并且附加这些改进的实施方案也属于本发明的范围。
例如，在上述第一和第二实施方案中，阳极催化剂层124和阴极催化剂层126可以同时压力接合于电解质膜122，从而通过突部124a和突部126a形成内部连线130。代替地，内部连线130可以如下形成。即阳极催化剂层124，例如，首先压力接合于电解质膜122，并且构成阳极催化剂层124的材料填充入通孔122a中。然后，阴极催化剂层126压力接合于电解质膜122。结果，由单独的突部124a构成的内部连线130可以与阳极催化剂层124一起整体形成。类似地，单独的突部126a构成的内部连线130可以与阴极催化剂层126一起整体形成。
而且，在阳极催化剂层124和阴极催化剂层126中可以各自安置集电器(未显示)。
在以上的详细说明中，不同的特征可以集合在一起，以组织发明内容。这不应该被解释为意指未要求的公开的内容对任何权利要求是必需的。相反，本发明的主题可以存在少于具体公开的实施方案的全部特征。因此，以下权利要求由此结合在详细说明中，各权利要求作为单独的实施方案代表其本身。本发明的范围应该参考所附权利要求以及与这些权利要求授权的等价物的完整范围来确定。
提供摘要从而容许读者迅速确定技术内容的特性。在理解其不用于解释或限制权利要求范围或含义的条件下，提交摘要。

Claims (14)

1.一种燃料电池层，其包括：
多个膜电极组件，其以平面排列的方式设置，各个膜电极组件包括电解质膜、安置在所述电解质膜的一个表面上的阳极催化剂层、和阴极催化剂层，该阴极催化剂层以其至少一部分与阳极催化剂层相反设置这样的方式被安置在所述电解质膜的另一个表面上；和
内部连线，其将相邻膜电极组件的一个中的阳极催化剂层与所述相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层电连接，
其中所述内部连线由构成阳极催化剂层的材料和构成阴极催化剂层的材料中的至少一种形成，
其中当以平面方式观察时，相邻膜电极组件的一个中的阳极催化剂层和相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层彼此部分重叠，且
其中所述内部连线被安置在其中所述相邻膜电极组件中的阳极催化剂层和所述相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层彼此重叠的区域中，
所述燃料电池层还包括密封层，所述密封层用于阻断燃料和氧化剂从一个催化剂层通过所述内部连线转移至另一个催化剂层，
所述密封层是以在下述这样的区域内覆盖阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少一个的表面这样的方式安置的，在所述区域中，当以平面方式观察时，阳极催化剂层和阴极催化剂层中的所述至少一个的表面与所述内部连线重叠。
2.根据权利要求1的燃料电池层，其中所述内部连线与以下催化剂层一起整体形成：由与所述内部连线相同的材料制成的阳极催化剂层，或由与所述内部连线相同的材料制成的阴极催化剂层；
或者所述内部连线包括：与所述阳极催化剂层一起整体形成的部分，以及与所述阴极催化剂层一起整体形成的部分。
3.根据权利要求1的燃料电池层，其中所述多个膜电极组件以平面排列的方式设置，使得各个膜电极组件中的各个阳极催化剂层在所述电解质膜的一个表面上彼此分隔开，且各个膜电极组件中的各个阴极催化剂层在所述电解质膜的另一个表面上彼此分隔开，
其中所述电解质膜具有从其一个表面延伸至其另一个表面的通孔，且
其中所述内部连线被安置在所述通孔中。
4.根据权利要求2的燃料电池层，其中所述多个膜电极组件以平面排列的方式设置，使得各个膜电极组件中的各个阳极催化剂层在所述电解质膜的一个表面上彼此分隔开，且各个膜电极组件中的各个阴极催化剂层在所述电解质膜的另一个表面上彼此分隔开，
其中所述电解质膜具有从其一个表面延伸至其另一个表面的通孔，且
其中所述内部连线被安置在所述通孔中。
5.根据权利要求1的燃料电池层，其中所述密封层是以使下列细孔中的至少一种被所述密封层填充这样的方式安置的：构成所述内部连线的材料的细孔、与所述内部连线的一个末端相邻的阳极催化剂层的细孔、以及与所述内部连线的另一个末端相邻的阴极催化剂层的细孔。
6.根据权利要求1的燃料电池层，其中所述密封层是以覆盖面对相邻催化剂层之间的间隔的催化剂层侧壁这样的方式安置的。
7.根据权利要求1的燃料电池层，其中所述密封层是以填充相邻催化剂层之间的空间这样的方式安置的。
8.根据权利要求5的燃料电池层，其中所述密封层是以填充相邻催化剂层之间的空间这样的方式安置的。
9.根据权利要求6的燃料电池层，其中所述密封层是以填充相邻催化剂层之间的空间这样的方式安置的。
10.一种燃料电池系统，其包括：
根据权利要求1至权利要求9中任一项的燃料电池层；
与阴极催化剂层相邻设置的阴极外壳；和
与阳极催化剂层相邻设置的阳极外壳。
11.一种用于制造燃料电池层的方法，所述方法包括：
以下列这样的方式形成以平面排列的方式设置的多个膜电极组件：在电解质膜的一个表面上形成多个阳极催化剂层和在所述电解质膜的另一个表面上形成多个阴极催化剂层同时或以随机的顺序进行；和
以下列这样的方式形成被设计为将相邻膜电极组件的一个中的阳极催化剂层与相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层彼此电连接的内部连线：通过形成阳极催化剂层将用作阳极催化剂层的材料部分地或完全地填充到用于分隔所述相邻膜电极组件的电解质膜的间隔中，或通过形成阴极催化剂层将用作阴极催化剂层的材料填充到所述间隔中，
或以下列这样的方式形成所述内部连线：通过形成阳极催化剂层将用作阳极催化剂层的材料填充到所述间隔中，并通过形成阴极催化剂层将用作该催化剂层的材料填充到所述间隔中，
其中当以平面方式观察时，相邻膜电极组件的一个中的阳极催化剂层和相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层彼此部分重叠，且
其中所述内部连线被安置在其中所述相邻膜电极组件中的阳极催化剂层和所述相邻膜电极组件的另一个中的阴极催化剂层彼此重叠的区域中，
所述燃料电池层还包括密封层，所述密封层用于阻断燃料和氧化剂从一个催化剂层通过所述内部连线转移至另一个催化剂层，
所述密封层是以在下述这样的区域内覆盖阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少一个的表面这样的方式安置的，在所述区域中，当以平面方式观察时，阳极催化剂层和阴极催化剂层中的所述至少一个的表面与所述内部连线重叠。
12.根据权利要求11的用于制造燃料电池层的方法，其中将其上层叠用作阳极催化剂层的材料的第一基底设置在面对所述电解质膜的一个表面的位置处，
其中将其上层叠用作阴极催化剂层的材料的第二基底设置在面对所述电解质膜的另一个表面的位置处，且
其中通过将第一基底和第二基底压力接合到所述电解质膜上，在所述电解质膜的所述一个表面上形成阳极催化剂层且在所述电解质膜的所述另一个表面上形成阴极催化剂层，且
通过将所述用作阳极催化剂层的材料和所述用作阴极催化剂层的材料中的至少一种经由压力接合而填充到所述间隔中，形成所述内部连线。
13.根据权利要求12的用于制造燃料电池层的方法，其中第一基底和第二基底中的至少一个在对应于所述间隔的表面区域中具有突出部分。
14.根据权利要求13的用于制造燃料电池层的方法，其中所述突出部分通过在基底表面上层叠密封层形成材料而形成。
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