TWI359526B

TWI359526B - Current collector supported fuel cell

Info

Publication number: TWI359526B
Application number: TW093106175A
Authority: TW
Inventors: Niranjan Thirukkovalur
Original assignee: Eveready Battery Inc
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2012-03-01
Also published as: KR20050021292A; US20050048343A1; CN1591949B; JP2005072011A; TW200509448A; US7527888B2; CN1591949A; EP1511106A1; JP4824916B2

Description

玖、發明說明： I：發明所屬之技術領域3 發明領域本發明係關於電化學電力系統，且更特別地係關於一種以集電器支撐之燃料電池。 I：先前技術3 發明背景一燃料電池堆疊主要元件係包含：一個陽極、一個陰極、一個電解質、以及一個集電器。於多種燃料電池堆疊設計中，電解質被包夾於陽極與陰極之間，藉此構成基本電池堆疊，於一燃料電池内此種電池堆疊可以呈序列及/或呈平行重覆。此種三明治電池堆疊會配接兩個集電器，這兩個集電器可導引電流流入與流出電極。集電器之目標是使電極表面能夠盡可能曝露，藉此進行氣體交換。其他型態之燃料電池包含：固體氧化物燃料電池 (SOFC)[即將於下文更詳細說明]、質子導電陶瓷燃料電池、鹼性燃料電池、聚合物電解質薄膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體酸燃料電池、以及直接甲醇燃料電池。就使用陶瓷材料做為某些具有活性之燃料電池組份而言，固體氧化物燃料電池（SOFC)是所有燃料電池型態中最有效率之燃料電池。雖然一個典型的陽極是以（例如）導電性鎳/氧化釔安定氧化鍅陶瓷（Ni/YSZ)製成，然而陽 152489-1000622.doc 極與陰極可以視一特定最終目的之所欲及/或所需，以任何一種適合的材料製成，例如：鉻酸鎳或鑭。多種陽極與陰極實例是金屬、陶瓷、及/或金屬陶瓷。某些適合供用為陽極金屬之非限制性實例係包含：至少一種鎳、鉑、及此等之混合物。某些適合供用為陽極陶瓷之非限制性實例係包含：至少一種氧化鈽釤（CexSmy〇2 3)、氧化鈽鎘 (CexGdy02.s)、氧化鑭锶锆(LaxSryCrz03.3)、及此等之混合物。某些適合供用為陽極金屬陶究之非限制性實例係包含.錄/氧化紀安定氧化鍅（Ni/YSZ)、銅/氧化紀安定氧化錯(Cu/YSZ)、鎳/氧化釤攙雜氧化鈽(Ni/SDC)、鎳/氧化鎘攙雜氧化鈽（Ni/GDC)、銅/氧化釤攙雜氧化鈽 (Cu/SDC)、銅/氧化鎘攙雜氧化鈽（Cu/GDC)、及此等之混合物。由於固體氧化物燃料電池（S0FCs)不需要該種將帶電陰離子由一電極-電解質界面轉移至另一電極_電解質界面之液相，因此SOFCs是真實固體狀態。雖然固體電解質會破裂，但由於固體電解質沒有液體物質存在，因此固體電解質並不會滲漏，而由於沒有腐蝕問題且不需要更換電解質組件或電解質界面，因此S〇FCs可藉由簡化設計來降低成本。雖然SOFCs可進行較低溫之運作，然而 SOFCs運作典型地是居於gooq〇〇〇°c。某些適合供用為陰極金屬之非限制性實例係包含：至少一種銀、鉑、及此等之混合物。一典型之陰極可以詞鈦礦（perovskite)及錳酸鑭(LaMn03)製成。某些適合供 152489-1000622.doc 1359526 用為陰極陶瓷之非限制性實例係包含：至少一種氧化釤錄始（SmxSryCo03-a)、氧化鋇鑭銘（BaxLayCo03_a)、氧化鑛 1¾ 姑（GdxSryCo〇3.a)。雖然電解質可以任何一種適合的電解質材料製造，然而一典型固體氧化物導電性電解質是以氧化釔安定氧化锆(YSZ)製成。多種電解質實例係包含：導電性碳酸鹽 (C032·)電解質、導電性〇H_電解質、以及此等之混合物。其他的電解質實例包含：方晶螢石結構電解質、攙雜方晶螢石電解質、質子交換聚合物電解質、質子交換陶瓷電解質、以及此等之混合物。其他的電解質實例是：彭攙雜氧化飾、錫攙雜氧化鈽、氧化_錯編鎮 (LaaSrbGaeMgd03』、以及此等之混合物，這些是特別適用於固體氧化物燃料電池（SOFCs)之電解質。為了產生一適合的電壓，居於同一堆疊内之燃料電池通常會以一種攙雜鉻酸鑭（例如：Lao.sCawCrOO來居中搭接兩鄰接單元之陽極與陰極。雖然有多種堆疊設計，然而一普遍常用之設計是平面（或〃平板〃)SOFC。一種燃料電池之流體燃料係包含一種適合供用於一雙槽燃料電池内產生電力之碳氫化合物燃料，例如：甲烷（CH4)、氫氣（H2)、或者其他適合供用於特定燃料電池電極組成物之碳氫化合物（意即：乙烷、丁烷、丙烷、天然氣、曱醇、以及甚至是石油。於圖式中所顯示之代表性燃料是甲烷及氫氣。燃料是於陽極被吸收至陽極表面（此表面是孔隙 152489-1000622.doc 1359526 性），然後朝向陽極-電解質界面擴散。於陰極，氧化物分 - 子（例如：來自空氣之氧氣(〇2))會被吸收至陰極表面（此表 _ 面亦通常是孔隙性），然後朝向陰極-電解質界面擴散。對於一種典型氧陰離子電解質而言，當氧分子朝向陰極-電解質界面擴散時，此氧分子會朝向該等來自電池外部電路湧入之電子曝露，藉此捕捉電子形成氧陰離子 (〇2_)。氧陰離子會朝向正電偏壓陽極/電解質界面移動。當氧陰離子於陽極/電解質界面與燃料會合時，燃料會以 • 一種氧化反應來結合氧陰離子，藉此形成反應產物（例如：水）。於每一次1個氧陰離子結合1個燃料碳原子或結合2個燃料氫原子時，會留下2個電子。此失去之電子可經由電池外部電路來供用為電流來源。該朝向陽極外表面擴散之水與二氧化碳會返回燃料液流。於多種習用燃料電池型態中，電池效能會隨製造商為了於一燃料電池槽内利用電極或電解質做為一種物理性支撐整體電池堆疊之機制所增加之一電極或一電解質厚 ® 度而下降。雖然一種緊密薄層電解質及孔隙性薄層電極是多種燃料電池型態（例如：SOFCs)展現高效能所需求，然而這必須與整體結構相容。 I：發明内容3 發明概要本發明係關於一種燃料電池堆疊之集電器，其中於燃料電池内部是以集電器來物理性支撐燃料電池堆疊，且一燃料電池堆疊之電極元件是以一沉積層來搭接集電 152489-1000622.doc

S 1359526 器。本發明集電器具有可供燃料電池氣體流入與流出電極元件之開口。圖式簡單說明第1圖是一個包含本發明集電器實施例之燃料電池代表圖。第2圖是一個製造本發明集電器實施例之實施方法流程圖。第3圖是一個以第2圖方法製成之集電器實施例代表圖。第4圖是一個製造本發明電池堆疊實施例之實施方法流程圖。第5a與5b圖是一個以第4圖實施方法製成之實施例代表圖。第6圖是一種於一個製程基材上製造集電器之實施方法。第7圖是一個以第6圖方法製成之實施例代表圖。第8圖是一種使用一製程基材製造一燃料電池堆疊之實施方法。第9圖是一個以第8圖實施方法製成之實施例代表圖。 C實施方式:J 較佳實施例之詳細說明總覽如第1圖所顯示，本發明標的係包含一個燃料電池 100，此燃料電池100具有一個燃料電池槽102以及一個搭 152489-1000622.doc 接一燃料電池堆疊105(意即104、108、112、116、及120) 之集電器實施例（例如：104)，其中於燃料電池100内部是以集電器實施例104來物理性支撐燃料電池堆疊105。於第1圖中，於燃料電池100内部是以集電器實施例104來連接一燃料電池槽102之壁面，且藉此支撐燃料電池堆疊 105，然而燃料電池堆疊105之其他元件可以連接或不連接一燃料電池槽102之壁面，且因此可以不倚賴燃料電池堆疊105之物理性支撐。此圖式之燃料電池100組態僅為一個例示，其中2個燃料電池堆疊是呈序列性電子連接，藉此提供加成電壓。一集電器實施例104之配置是呈一種其後接續陰極 108、其後接續電解質112、其後接續陽極116、其後接續另一個集電器120之序列。另一個集電器實施例106之配製則呈另一種其後接續陽極110、其後接續電解質114、其後接續陰極118、其後接續另一個集電器122之序列。對於習知此項燃料電池設計技藝人士而言，可以組裝多種其他適合供用以施行本發明標的之組態。例如，於一具體例中，該支撐一燃料電池堆疊105之集電器實施例104 可以藉由搭接其他的燃料電池組件，而不藉由連接一燃料電池槽102之壁面，例如：集電器實施例104可以只搭接一個連接器、等等。於一具體例中，於燃料電池堆疊105之建構期間，一燃料電池堆疊105之電極元件（例如：一個陰極108)可以一薄層來予以沉積於集電器實施例104上，此沉積電極108 152489-1000622.doc •10- 1359526 亦可以是一個陽極。此集電器實施例104是預先製成及/ 或於沉積電極之後予以蝕刻製成，俾使燃料電池100之氣體（124、126、128)能夠經由集電器實施例104來流入或流出沉積電極108。設若集電器實施例104是以蝕刻製成，此餘刻可藉由任何一種化學餘刻、乾燥钱刻、機械钱刻、光學蝕刻、雷射蝕刻、及電子束蝕刻等等來予以完成。本發明實施方法可供用以製造及使用一集電器實施例104，藉此提供：導電、結構整合/物理性支撐該等居於一燃料電池堆疊105之元件（包含支撐非常薄之元件）、以及氣體自由流入一燃料電池100之電極。因此，一集電器實施例104是藉由燃料電池堆疊105之元件能夠製造非常薄，來提供一種增加燃料電池效力之機會。隨著固體電解質之興起，傳統燃料電池製造業者有時候會使用一燃料電池堆疊之電極或固體電解質元件來支撐燃料電池堆疊。這通常會需要增建（意即增厚）支撐電極或電解質，俾使電極或電解質強度能夠支撐其餘的電池堆疊。然而，增加電極或電解質厚度通常會因為增加阻礙離子之氣體及離子運動路徑長度及曲折度而降低電池效力。集電器厚度及/或機械強度通常不會影響燃料電池 100之電化學效率，因此一集電器實施例104可製成相當厚，而電極（108、116)及電解質112則可製成相當薄。對燃料電池堆疊105所有的元件而言，這種物理支撐角色由諸等具有電化學運作活性之元件轉變至一或多個集電器 152489-1000622.doc • 11 - 1359526 是有利的。不僅電極108、116及電解質112可以在不需要 -— 調整電池堆疊整體結構之下製成更薄，且集電器實施例 / 104厚度增加可容許集電器以較低之電阻承載更大量的 ' 電流。雖然一低於Ιμιη之電解質厚度會導致兩電極之間短路，然而一固體氧化物電解質112之厚度可縮減為（例如）5μπι或更低。單獨藉由一個高物理強度之集電器搭接一電極108 來支撐燃料電池堆疊10 5並不會產生改善或效能更高之 # 電池堆疊105。本發明集電器實施例104所產生之改良電池堆疊105是在滿足3種角色：收集電流、物理性支撐電池堆疊105、以及容許氣體自由通過集電器流動之下，同時對非常薄層之電極108及電解質112提供有如一種支撐底座之平坦度。貫施方法實施方法包含製造及使用集電器實施例104，此等實施方法可以使集電器實施例104支撐一燃料電池堆疊105 ® 不會阻礙燃料124及氧化物氣體126、128，此等實施方法可供用以製造薄層電極108、116及電解質112，且此等實施方法可供用以製造該等使用支撐型集電器實施例104 之燃料電池堆疊105。於這些實施方法f，多種電極、電解質、集電器、及連接器通常是以層體或薄膜來予以沉積於此等層體或薄膜上。本發明所使用之術語〃沉積"是意指兩種材料之間建立至少一種物理（或者通常是電性）接觸，第二種材料是以塗覆、喷灑、塗層、電子成型、電 •12- 152489-1000622.doc

S 子沉積、濺鍍（真空濺鍍）、浸泡塗覆、旋轉塗覆、疊層、揮發、等等來居於第一種材料表面上。此外，第一種材料與第二種材料通常於沉積之後會予以加熱、冷卻、或加壓、等等，俾以改善兩種材料表面之間的固體狀態連結，且藉此增強兩種材料的物理及電子耦合。製造一集電器之方法第2圖顯示一種製造集電器實施例104(此集電器上可沉積其他燃料電池元件）的實施方法200流程圖。於此流程圖中，係以個別的區塊來列述運作步驟。於區塊202中，實施方法200是以製得一適合供用為集電器之材料或組成物（"材料〃)來開始進行。此材料理想上是具有一種拉伸強度、緊密度、硬度、等等，俾使完成造型或製造成所欲幾何形狀之集電器實施例104適合供用以支撐該等與集電器實施例104相同居於電池堆疊 105之其他電池組元件。於多種具體例中，此材料理想上是選擇一種足以物理性支撐該堆疊組件之厚度，集電器實施例104必須能夠财受一高溫燃料電池100(例如：一種高溫SOFC)内部之高溫及熱脹縮。某些適合供用為集電器實施例104之材料實例是不銹鋼、鎢、鈦、鎳、等等、某些金屬合金、及某些導電性陶瓷。於某些情形中，鋁可添加入金屬及合金，俾以避免燃料電池内部某些部分進行劇烈氧化。就考量使用之材料而言，一完成之集電器實施例厚度是大約200μηι。強度相當高之材料（例如：鈦、等等）可以更薄。對於電池之電化學運作而言，選擇一完 152489-1000622.doc •13· 成集電器實施例厚度並非關鍵，只要此材料能夠提供足夠的結構性支撐度即可，因此厚度可以居於一個由ΙΟμηι 或更少至1000 μιη或更高之寬廣範圍内。於一具體例中，一集電器實施例具有一個大約是居於電極或電解質厚度 10-20倍之厚度。挑選一材料不僅必須考慮整體結構及物理性支撐電池堆疊所需之最小厚度，同時必須考慮完成之集電器實施例104所必須承載之電流數量。當燃料電池100啟動至停止期間，集電器實施例104進行熱循環，集電器實施例 104理想上必須承受熱力。設若集電器實施例104是（例如）一種導電性陶瓷，則此陶瓷之易碎性會導致易於破裂。於區塊204中，可以視製得之材料來進行一個釋放壓力步驟，俾以消除該選定材料之内部張力。此釋放壓力步驟可避免選定材料於正常電池運作之熱脹縮期間產生龜裂、爆裂、斷裂、等等。對於某些材料而言，此釋放壓力步驟可藉由加熱材料來移動分子或離子，繼之緩慢冷卻來容許分子沉降至安定位置（意即釋放不安定分子組態之潛能）。當釋放壓力步驟已令材料分子找到安定組態時，此材料會更佳地產生一種平面（將於下文解釋）且可耐受多種燃料電池内部之溫度轉變。於區塊206中，可藉由沉積、切割、拋光、等等來使材料具有至少一個材料實質平坦之表面。此平坦度可容許均一地沉積接續之層體，以及可助益於清洗。當然，一開始即可選擇一種平坦的材料。有多種可使用之薄層 152489-1000622.doc • 14- (例如：銅及鎳薄層）皆可提供足夠的平坦度。於區塊208中，可以清洗至少一個集電器材料之平坦表面，俾以將接觸阻礙減至最低。〃清洗"係意指將諸等與集電器材料不同之化學物質（包含此材料之氧化物）儘可能減少。一個未清洗表面會導致該居於集電器實施例104 與欲沉積之電極108之間的接合受到干擾。一個未清洗表面亦會於（設若）製成一平坦表面之後殘留一種氧化物層或銹垢），導致該居於集電器實施例104與欲沉積之電極 108之間產生電子抗性。經由化學活化可移除一表面氧化物層。第3圖顯示一個以第2圖實施方法製成之集電器實施例300的代表圖。製造一燃料電池堆疊之方法現在來看製造一燃料電池堆疊105之實施方法。此實施方法的某些部分是特別適合供用以製造一種供用於固體氧化物燃料電池（SOFCs)之燃料電池堆疊105。由於製造一薄層可以於製造一燃料電池堆疊105之期間重覆數次，因此本實施方法可供用以製造一燃料電池堆疊105且供用以製造薄層電極108、116及電解質112。第4、5a、與5b圖係分別顯示一實施方法400之流程圖以及以實施方法400製成之燃料電池堆疊105的代表圖。於此流程圖中，係以個別的區塊來列述運作步驟。於區塊402中，實施方法400是以（例如）上述實施方法 200製得一個第一集電器實施例104來開始進行。此第一 152489-1000622.doc •15- 1359526 集電器104構成一個可添加其他層體來建構燃料電池堆疊105之基底。於區塊404中，於製得該具有一平坦、乾淨表面之第一集電器實施例104後，令一第一電極層108沉積於此第一集電器實施例104之平坦表面上（步驟502)。視第一電極層108所使用之材料及第一集電器104之材料，可以加熱來增加兩表面之間的熔合或結合。於區塊406中，令一電解質層112沉積於第一電極層 # 108上（步驟504)。視第一電極層108及電解質層112所使用之材料，可以加熱來增加兩表面之間的溶合或結合。於區塊408中，令一第二電極（或〃相反電極"）116沉積於電解質層112之上（步驟506)。此沉積技術是視第二電極 116所使用之材料而定。視電解質層112及第二電極116所使用之材料，可以再次加熱來增加兩表面之間的炫合或結合。於區塊410中，對於某些具體例而言，此部分電池堆 ® 疊105於此時是居於一種階段，此階段加熱可以取代前述個別層體加熱或者是額外於前述個別層體加熱之加熱。於區塊412中，令一第二集電器層120沉積於第二電極層116之上。此沉積技術是視第二集電器層120所使用之材料而定。第二集電器層120之材料可以與第一集電器 104之材料相同，或者不同（例如）：第一集電器104物理支撐整個層體堆疊組件105，而第二集電器120不支撐堆疊組件105。視第二集電器層120及第二電極層116所使用之 -16· 152489-1000622.doc

S 1359526 材料，可以加熱來增加兩表面之間的炼合或結合。於區塊414中，對於某些型態之燃料電池而言（例如：固體氧化物燃料電池（SOFCs))，會希望在不調整支撐結構之下，能夠具有愈多愈好之未覆蓋第一集電器104與第二集電器120的第一電極層108與第二電極層116，俾使電極表面曝露燃料及/或氧化物氣體能夠達到最大值。因此，會從第一電極層108之至少某些表面區域移除或蝕刻部分之第一集電器104(步驟510)，藉此曝露更多的第一電極層108。可以使用一種蝕刻圖案或圖型，俾以容許第一集電器104與其所有未蝕刻部分及第一電極層108維持整體電性接觸。換句話說，一種蝕刻圖案可製造孔洞，藉此令燃料及/或氧化物氣體（通常是空氣）能夠〃通過〃第一集電器104及第二集電器120來到達電極層108、116。此種蝕刻圖案或圖型理想上是供用以容許第一集電器104能夠維持物理性結構支撐整個堆疊組件105之能力。因此，對於某些具體例而言，可使用一過量之第一集電器起始材料，俾以於蝕刻之後，令第一集電器104維持所欲之物理尺寸。此姓刻可經由化學#刻、乾燥触刻、機械姓刻、光學蝕刻（例如：雷射、光學微影）、電子束蝕刻、及其他技術來予以完成。可選擇地，第一集電器104可以製造成具有一種孔洞或溝道圖案，例如：以一種構型或模具（” 造型〃)來製造第一集電器104,藉此令第一集電器104具有孔洞或溝道。此種造型可以是（例如）一種居於一種製程基材（基材）上之光阻劑材料圖案層，下文將參照第8及第9 152489-1000622.doc -17- 1359526 圖來進行論述。 • 於區塊416中，亦希望在不調整支撐結構之下，能夠具有愈多愈好之未覆蓋接續集電器層120的第二電極層 116,俾使第二電極表面曝露燃料及/或氧化物氣體能夠達到最大值。因此，會從第二電極層116之至少某些表面區域移除或蝕刻部分之第二集電器120(步驟512)，藉此於燃料電池運作期間令第二電極層116能夠更佳地曝露燃料及/或氧化物。可以使用一種蝕刻圖案或圖型，俾以容許 • 第二集電器120與其所有未蝕刻部分及第二電極層116維持整體電性接觸。由於較諸第一集電器104而言，第二集電器可以不同的材料製成或具有不同的物理尺寸，因此第二集電器之蝕刻方法可以使用不同於第一集電器之蝕刻方法。然而，於某些具體例中，第二集電器120亦可參與物理性支撐堆疊組件105，因此可以使用相同的蝕刻方法。第6及第7圖係顯示一種實施方法600，以及參照此方 ^ 法經由沉積製成之第一集電器層104的代表圖700。於此流程圖中，係以個別的區塊來列述運作步驟。於一具體例中，使用一製程基材702來做為一個以沉積、電鍍、及/或電子製程、等等來沉積第一集電器104 之平坦起始表面。製程基材702是一個供用以進行沉積之基材。於一具體例中，製程基材702可重覆使用，例如：首先於一玻璃板上沉積一前驅導電層，接續沉積或製造一暫渡脫釋層。俟於此製程基材702上製造第一集電器層 •18· 152489-1000622.doc

S 1359526 1〇4之後脫釋製程基材702,然後重覆使用製程基材7〇2 來製造另一個第一集電器層104。當以（例如）電鍍來做為一種於製程基材7〇2上製造第 /集電器層104之沉積技術時，可以較諸其他沉積方法更有利地提供一種可以更乾淨清洗之新生成金屬表面，且藉此具有更佳之附著鄰接層的潛力。製程基材7〇2之材料可以選擇一種能夠提供一種可供用以電子製造之非常平坦表面者（例如：玻璃）。藉此可製得一非常平坦之第一集電器層104。電鍍第一集電器層1 〇4係容許使用下列諸等金屬：錄、銅、金、錢、纪、麵、辞、鉻、等等，且容許使用合金（例如：不銹鋼）。於實施方法6〇〇之流程圖中，係以個別的區塊來列述運作步驟。於區塊602中，製備一製程基材7〇2係具有一個玎供用以進行沉積之平坦表面。對於電鍍而言，此製程基材表面是具有電導性，且此製程基材之材料可以因此是：一種金屬、或半金屬導電材料、或如上文所述之具有於第一集電器層104之前預先沉積前驅導電層之非導電性材料(例如：玻璃）。無論是材料本身具有導電性或藉由沉積一前驅導電層，此製程基材702之導電表面通常會覆蓋一層〃脫釋層"(例如：表面氧化物層），藉此使該沉積於此表面之上的第一集電器層104能夠容易地自此製程基材 702表面移除。於區塊604中，將第一集電器層104沉積於製程基材 702之上。設若使用電鍍，必須控制此第一集電器層104 •19· 152489-1000622.doc 1359526 之厚度，且此厚度的選擇必須視該被沉積來供用以物理 • 性支撐整體堆疊組件105之特定金屬或合金的能力而定。於區塊606中，典型地是將第一電極層108沉積於第 ' 一集電器層104之上。這可確保該居於第一集電器層104 與第一電極層108之間的邊界形成是在第一集電器層104 仍維持平坦載置於製程基材702之上。於區塊608中，可以移除製程基材702，特別是當所選擇之製程基材702材料不能夠耐受一加熱接續層體之 • 高溫時。設若已移除製程基材702，則可以一種類似上述實施方法400之方式來進行沉積電解質層112、第二電極層116、第二集電器層120、以及蚀刻步驟。可選擇地，設若製程基材702能夠耐受加熱或設若不需要加熱，則實施方法600可以於保留製程基材702之下進行* 可使用一種電連接器來將一堆疊組件105之陽極116 或陰極108搭接至另一個堆疊組件之相反電極，藉此令該 ^ 堆疊依序連接。此種連接器材料典型地是一種與大部分的金屬不易進行氧化之陶瓷氧化物（例如：鉻酸鑭 (LaCr03) 〇當一燃料電池堆疊實施例105已被製成時，可直接或間接將支撐型集電器實施例104連接至一個可配置一或多個燃料電池堆疊組件之燃料電池槽102表面。一燃料電池槽102通常是一個提供燃料電池堆疊組件之物理支撐底座，且亦可協助區隔及導引燃油及氧化物氣體朝向諸 -20- 152489-1000622.doc

S 1359526 等居於一特定堆疊組件上之適宜電極。第8及第9圖係顯示一種實施方法800以及參照此方法製成之第一集電器層104的代表圖900。於此流程圖中，係以個別的區塊來列述運作步驟。於組裝部分或全部的電池堆疊之後並不蝕刻第一集電器104，此實施方法800之目標是製造一個（於製造時）已具有可令氣體通過之溝道或孔洞圖案之第一集電器 104。這可藉由使用一種具有圖案之製程基材702來予以達成，一圖案化製程基材702之具體例可以經由標準微影方法來予以達成。於區塊802中，光阻劑902或另一種可移除或可溶解之暫渡性材料是呈一種圖案來予以施加於製程基材702 上。於區塊804中，將第一集電器104材料沉積於（及/或沉積落在）該以光阻劑902製成之溝道或圖案中。設若沉積此第一集電器104材料所使用之沉積製程於光阻劑溝道或圖案頂部殘留一過多的材料時，可移除此過多的材料，或者以平坦化、砂磨、拋光、等等來處理頂面，藉此使第一集電器104與光阻劑902二者共同形成一平坦表面。於區塊806中，將第一電極層108沉積於該以上述區塊804製備之平坦表面上。於區塊808中，令製程基材702自堆疊組件脫釋，留下該連接圖案化第一集電器104之第一電極108以及光阻劑902或其他暫渡性材料。可選擇地，（例如）設若製程基 152489-1000622.doc •21 - 材可耐受（設若任何）添加其他層體之加熱製程時，則可保留製程基材702。於區塊810中，令光阻劑或其他暫渡性材料顯影、熔解、以加熱步驟揮發、生物分解、等等，俾使此移除只保留該具有圖案之第一集電器104,此第一集電器104仍保持連接第一電極層108。設若需要且尚未進行加熱，則圖案化第一集電器104 與第一電極層108可以於此階段進行加熱。一電池堆疊之其餘裝置亦可在不加熱下以（例如）實施方法400及600進行。然而，由於圖案化第一集電器104已預先具有來自圖案之溝道或孔洞，因此可跳過蝕刻第一集電器104之製程。結論上文係描述一種以集電器支撐之燃料電池。於一具體例中，一集電器實施例是藉由使燃料電池堆疊之電化學元件製成非常薄之狀態來提升燃料電池效率之下，提供一燃料電池堆疊之元件之結構完整性及物理性支撐。雖然本發明是以特定的結構特徵及/或實施方法來參述本發明標的，然而必須瞭解檢附明申請專利範圍所界定之本發明標的不必須限制是特定之描述特徵或方法。更確切而言，本發明揭露之特定特徵及方法是申請專利範圍提申標的之具體例的實施形式。【圖式簡單說明】第1圖是一個包含本發明集電器實施例之燃料電池代 152489-1000622.doc •22· 1359526 表圖程圖第2圖是-個製造本發明集電器實施例之實施方法流第3圖是-個以第2圖方法製成之集電圖器實施例代表之實施方法第4圖是-個製造本發明電池堆疊實施例流程圖。第5a與5b圖是-個以第4圖實施方法製成之實施例代表圖。第6圖是-種於-個製程基材上製造集電器之實施方法。第7圖疋一個以第6圖方法製成之實施例代表圖。第8圖是一種使用一製程基材製造一燃料電池堆疊之實施方法。第9圖是一個以第8圖實施方法製成之實施例代表圖。【圖式之主要元件代表符號表】 100…燃料電池 102···燃料電池槽 104、106、120、122、300、700、 900…集電器 105...燃料電池堆疊 108、118…陰極 110、116…陽極 112、114.··電解質· 124、126、128···燃料電池氣體 200、400、600、800…實施方法 202、204、206、208、402、404、 406、408、410、412、414、 416、602、604、606、608、 802、804、806、808、810... 流程圖區塊 502、504、506、510、512··.實 152489-1000622.doc •23· 1359526 施例步驟 702...製程基材 902...光阻劑

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Claims

.卜第093106175號專利申請案 τΗ 中文申請專利範圍替換本(loo年11月）拾、申請專利範圍：卜年(（月,修正本 h 一種燃料電池單元，其包含： ―一供用於燃料電池堆疊（105)之集電器（104)，其中該集電器（104)係物理性地支撐該燃料電池（1〇〇)中之燃料電池堆疊（105)，且該集電器（1〇4)係與該燃料電池内之内表面連結；及該燃料電池堆疊（105)之電極元件（108)，其係作為沉積層搭接於集電器（104)上，其中該集電器（104)具有呈孔洞或溝道形式而容許該燃料電池（100)之氣體流入與流出該電極元件（108)之開口。 2. 如請求項1之燃料電池單元，其進一步包含作為沉積層搭接於電極元件（108)上之電解質層（112)。 3. 如請求項2之燃料電池單元，其進一步包含作為沉積層搭接於電解質（112)上之接續電極元件（H6)。 4. 如請求項3之燃料電池單元，其進一步包含作為沉積層搭接於接續電極元件（116)上之接續集電器（120)，其中該接續集電器（120)具有呈孔洞或溝道形式而容許燃料電池氣體流入與流出該接續電極元件（H6)之開口。 5. 如請求項2之燃料電池單元’其中該電解質層（112)係作為沉積層搭接於電極元件（108)上’該沉積層具有介於大約1 μιη及大約5 μιη間之厚度。 6. 如請求項2之燃料電池單元，其中該電解質層（112)係作為沉積層搭接於電極元件（108)上’該沉積層具有低於大約1 μιη之厚度。 152489-1001104.doc 月求項1之燃料電池單元，其中該電極元件（1〇8)之一部分未被該集電器（104)封閉。月求項1之燃料電池單元，其中該電極元件（1〇8)係沉積於該集電器（104)之平坦表面上。 9. 如喷求項1之燃料電池單元，其中該集電器（104)具有帅至200 μιη之厚度。 10. —種燃料電池，其包含：或多個堆疊組件（1〇5)，各堆疊組件（1〇5)具有陽極電極（116)、陰極電極（ι〇8)、電解質層（112)及至少一支撐型集電器（1〇4) ’其中該支撐型集電器（1〇4)提供該堆疊組件（105)之結構整體性，且該支樓型集電器 (104)具有呈孔洞或溝道形式而容許該燃料電池（1〇〇) 之氣體流入與流出該陽極電極（116)及該陰極電極（1〇8) 之開口，及 —或多個包含該一或多個該堆疊組件（1 〇5)之燃料電池槽（102)，其中至少一燃料電池槽（1〇2)之表面係經由該堆疊組件（105)之支撐型集電器（104)物理性地支撐該堆疊組件（105)。 11·如請求項10之燃料電池，其中該陽極電極（116)或陰極電極（108)作為沉積層搭接於支撐型集電器（1〇4)上。 12. 如請求項丨丨之燃料電池，其中該陽極電極（116)或陰極電極（108)是以電鍍搭接於該支撐型集電器（1〇4)上。 13. 如請求項丨丨之燃料電池，其中該支撐型集電器（1〇4)可容許該燃料電池（1〇〇)之氣體流入與流出所搭接之陽 152489-100ll04.doc 1359526 極電極（116)或陰極電極（108)。 14·如請求項1G之燃料電池，其中該陽極電極⑴6)或陰極電極⑽)之一部分未被該集電器（1〇4)封閉。 15·如請求㈣之燃料電池，其中該陽極電極（ιι6)或陰極電極（1〇8)係沉積於該集電器（104)之平坦表面上。 16.如請求項10之燃料電池’其中該集電器(1〇4)具有1〇 μιη至200 μπι之厚度。 152489-1001104.doc