專利名稱：與固體電解質(zhì)結(jié)合的電流收集器的燃料電池及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更具體地說，涉及一種燃料微電解池，至少包括-兩個分別為陽極和陰極的電流收集器，每個包括至少一個從第一表面 到第二表面穿過所述對應(yīng)電流收集器的橫向通道，-電絕緣隔板元件，該隔板元件設(shè)置在所述陽極和陰極電流收集器之間 并包括分別與陽極的第 一表面和陰極電流收集器接觸的相對第 一和第二面， 以及若干從第一面到第二面穿過所述隔板元件的橫向通道，-離子導(dǎo)電固體電解質(zhì)，該離子導(dǎo)電固體電解質(zhì)與兩個電流收集器接觸 并占據(jù)由所述隔板元件的通道和所述電流收集器的通道所限定的體積本發(fā)明還涉及一種制造這種燃料電池的工藝。
背景技術(shù)：
為了減少離子導(dǎo)電固體電解質(zhì)燃料電池的尺寸同時保持電流收集器的 效率，已經(jīng)提出直接在電解質(zhì)薄膜的表面上形成電流收集器。例如，文獻(xiàn)EP-A-1562243提出了 一種能夠使得電流收集器被轉(zhuǎn)移到電 解質(zhì)薄膜上。電流收集器因此由電鍍金屬沉積在模具中產(chǎn)生，所述模具設(shè)置 有通孔開口以便電鍍金屬的沉積以珠粒的形式從所述開口溢出。接著它被轉(zhuǎn) 移到粘著于支撐板的電解質(zhì)薄膜上。然后通過按壓包含所述收集器的組件和 包含互相抵靠的薄膜的組件完成所述轉(zhuǎn)移。所施加壓力使得所述收集器的至 少一部分珠粒在所述薄膜中結(jié)殼。兩個組件然后被移開以便所述電流收集器 從其組件斷開并保持固定到所述薄膜上。所述支撐板然后從所述薄膜分離。 在另一實施例中，也可以通過在組裝分別包含所述收集器和所述薄膜的兩個 組件之前向所述收集器的珠粒敷延緩凝固的膠水并使得膠水在移動兩個組 件分開之前凝固完成轉(zhuǎn)移。這種制造方法被證明很復(fù)雜并且執(zhí)行起來不太實際。其需要薄膜和電流 收集器在互相組裝之前被分別制造并且該兩個電流收集器被連續(xù)轉(zhuǎn)移到所薄膜的厚度小，當(dāng)電極被安裝在包括所述電流收集器 和所迷薄膜的組件時可能發(fā)生短路。為了減小燃料電池尺寸，美國專利申請2005/0250004提出了 一種離子交 換薄膜，該薄膜除了包含離子導(dǎo)電材料之外，還包括由基底形成的非導(dǎo)電元 件。所述基底設(shè)置有一個或者多個開口，該開口穿過所述基底并且所述離子 導(dǎo)電材料填充所述開口 。兩個電流收集器可以分別設(shè)置在所述基底的兩個相 對面上。每個電流收集器包括也可由離子導(dǎo)電材料填充的橫向通道。這種基 底給予所述離子交換薄膜一定的機(jī)械強(qiáng)度，這使得其與通常的薄膜相比厚度 能夠被減小。例如，所述基底由印刷電路、高分子膜比如聚酰胺、聚酰亞胺、 聚乙烯或者特氟綸薄膜以及例如由玻璃纖維加強(qiáng)的符合材料形成。在其它的 應(yīng)用場合，所述基底可以用柔性材料制成。但是，使用這種基底并不總是滿意的以制造出某種可靠的燃料電池，特 別是在由以前制造所述電流收集器產(chǎn)生的電池的情況下，例如以柵或者刷的 形式，以及通過在所述固體電解質(zhì)薄膜上組裝所述電流收集器的情況下。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池和克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷的制造工藝。 根據(jù)本發(fā)明，這個目的通過所附權(quán)利要求實現(xiàn)。更具體地說，這個目的是通過所述隔板元件由熱塑性聚合物材料形成而由電絕緣硬顆粒形成的隔片設(shè)置在所述隔板元件的橫向通道中實現(xiàn)的。這個目的也可由所述事實實現(xiàn)，即用于制造此種燃料電池的工藝包括下述步驟-把由電絕緣硬顆粒形成的隔片插入所述隔板元件的橫向通道中， -組裝陽極和陰極電流收集器，使它們的第 一表面和分別在第 一和第二 隔板元件上，-由所述固體電解質(zhì)填充槽和通道。


其它優(yōu)勢和特征將從對本發(fā)明特定實施例的描述中變得更清晰明確，其 中所述實施例僅僅作為 一一 限制性實例給出并在附圖中示出，其中圖1和2分別示出了柵形式的電流收集器的頂視圖和沿著A - A的放大5圖3示出了刷形式的電流收集器的頂視圖。 圖4示出了柵形式的隔板元件的截面圖。驟，所述燃料電池包括根據(jù)圖1的兩個電流收集器和才艮據(jù)圖4的隔板元件。
具體實施方式
燃料電池，更具體地說，根據(jù)本發(fā)明的燃料微電解池包括至少兩個電流 收集器，分別為陽極和陰極，集成在固體電解質(zhì)中。電絕緣隔板元件的存在 和隔板便于使電流收集器集成在固體電解質(zhì)中。每個電流收集器包括優(yōu)選相對的第 一表面和第二表面。每個電流收集器 也包括至少一個橫向通道和優(yōu)選從所述第一表面到第二表面穿過所述電流 收集器的若干橫向通道。因此，至少電流收集器中的一個可以是柵、刷、或 者網(wǎng)紋材料薄層或多孔材料的形式。所述兩個電流收集器通常具有相同的形 狀。它們可以用金屬制成，例如用金或鎳、石墨或者導(dǎo)電聚合物材料制成。為了舉例的目的，圖1和2示出了柵形式的電流收集器1，而在圖3中， 所述電流收集器是刷的形式。柵或者刷形式的電流收集器1因此包括相對的 第一和第二表面la和lb和從第一表面la到第二表面lb穿過該電流收集器 的橫向通道lc。在圖1中，電流收集器1包括例如72個橫向通道。所述隔板元件包括相對的第 一和第二面，該第 一和第二面分別被設(shè)計為 與陽極的第 一表面和陰極電流收集器接觸。其包括若干從所述第一面到所述 第二面穿過的橫向槽。所述隔板元件可以是，例如穿孔薄膜、柵、或網(wǎng)紋材 料的薄層或多孔材料的形式。另外，所述隔板元件由熱塑性聚合物材料形成， 并優(yōu)選氟碳樹脂。在所述炭氟樹脂中，從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)選擇的樹脂可被引用。為了例子的目的，圖4以截面圖示出了能夠-波用在根據(jù)本發(fā)明的燃料電 池中的隔板元件2。該隔板元件為柵的形式，其具有相對的第一和第二面2a 和2b和若干從第一面2a到第二面2b穿過的橫向槽2c。電絕緣硬顆粒被設(shè)計為設(shè)置在所述隔板元件的特定對黃向通道中以便在 組裝后形成隔片。所述硬塑料可以從例如陶覺、玻璃或者聚合物顆粒中選擇。所述固體電解質(zhì)由離子導(dǎo)電材料形成，即，陰離子或陽離子導(dǎo)電材泮+，體積。形成所述固體電解質(zhì)的材料例如是氟化聚合物，例如Nafion。圖5到9示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料微電解池的特定實施例的不同步驟。 因此，如圖5所示，硬顆粒3被引入圖4中所示的隔板元件2的特定橫 向槽2C。隨后，兩個電流收集器4和5，分別為用金或者鎳制成的金屬柵的 形式，如圖1和2所示，組裝在隔板元件2上。電流收集器4和5分別分別 為陰極和陽極以及隔板元件2例如為由ETFE制成的柵的形式。因此，每個 電流收集器4或5包括第一表面4a或5a和第二表面4b或5b，橫向通道4c 或5c從第一表面4a或5a到第二表面4b或5b穿過所述收集器。在圖6中， 隔板元件的第一面2a與陰極電流收集器4的第一表面接觸，然而隔寺反2的 第二面2b與陽極電流收集器5的第一表面接觸。把兩個電流收集器4和5 組裝在隔板元件2上可以通過擠壓，更具體地說在形成隔板元件2的4冊上熱 層壓形成電流收集器4和5的兩個柵完成。如圖6中所示，隔板元件2在擠壓過程中變形，其使得電流收集器4和 5能夠在隔板2中結(jié)殼和固定。隔板元件2的特定橫向槽2c中硬顆粒3的存 在防止隔板2的大的破碎。隔板元件2的厚度，在組裝步驟之后，因此優(yōu)選 與硬顆粒的尺寸相對應(yīng)，而更具體地說，如果是球形與它們的直徑相對應(yīng)。然后，如圖7中所示，組裝步驟隨后是槽2c和通道4c和5c通過固體 電解質(zhì)6的填充步驟。對于要被填充有固體電解質(zhì)5的大多數(shù)橫向通道2c, 電流收集器4和5優(yōu)選被形成和/或設(shè)置為使得將每個橫向槽2C的開口至少 部分自由。隔板元件的橫向槽2c的寬度因此選擇的例如比各個電流收集器4 和5的橫向通道4c和5c的寬度小。當(dāng)電流收集器4和5形式相同時，例如， 是兩個相同的金屬柵，所述兩個電流收集器4和5的組裝可以被執(zhí)行這樣一 個電流收集器的橫向通道相對于其它電流收集器偏置。填充步驟可以通過使圖7中所示的結(jié)構(gòu)即由隔板元件2、硬顆粒3和兩 個電流收集器4和5形成的結(jié)構(gòu)充滿所述固體電解質(zhì)前體材料而實現(xiàn)。所述 前體材料優(yōu)選液體或者粘性的形式并優(yōu)選占據(jù)由所述隔板元件2的槽2c和電流收集器4和5的通道4c和5c限定的整個體積。然后所述前體材交叉耦 合以便獲得固體電解質(zhì)6。所述填充步驟也可以通過將圖7中所示的結(jié)構(gòu)浸入包含至少一種溶劑和所述電解質(zhì)的溶液并通過所述溶液的蒸發(fā)完成。這樣，在質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)的情況下，圖7中所示的結(jié)構(gòu)可以例如，被浸入包含2(T/。Nafion的溶液中。通 過所述溶液蒸發(fā)的干燥隨后使得所獲得的電解質(zhì)為固體形式。在這種情況下，如圖7中所示，固體電解質(zhì)6包圍整個結(jié)構(gòu)。因此，固 體電解質(zhì)6更具體地說覆蓋電流收集器4和5的第二表面4b和5b。如圖8 所示，然后可以進(jìn)行平面化步驟以清理電流收集器4和5的第二表面4b和 5b。比如，這是通過將所述結(jié)構(gòu)固定在支架上并進(jìn)行兩個第二表面4b和5b 的機(jī)械拋光實現(xiàn)的。該平面化步驟使得第二表面4b和5b能夠被清理并〗吏分 別包含在橫向通道4c和5c中的固體電解質(zhì)6的自由表面6a和6b被設(shè)置在 與第二表面4b和5b相同的平面。如圖9中所示，優(yōu)選多孔陰極7和陽極8可以被分別設(shè)置在陰極電流收 集器4的第二表面4b上和陽極電流收集器5的第二表面5b上。每個電極7 或8然后不僅與電流收集器4和5的第二表面4b和5b接觸還與固體電解質(zhì) 6的表面6a和6b接觸。例如通過噴灑裝有催化劑比如鉑的碳墨水，每個電 極7或8被組裝在相應(yīng)電流收集器的第二表面上。此外，該組裝步驟可以執(zhí) 行為使得每個電流收集器4或5在其第二表面4b或5b上包括橫向區(qū)域4d 或5d,該區(qū)域沒有被相應(yīng)的電極7或8覆蓋。橫向區(qū)域4d和5d然后被i殳計 成作為電連接或者接觸連接。所述組件然后可以設(shè)置在包括用于提供陽極的 室和用于提供陰極的室的外殼中。燃料電池中隔板元件的存在使得所述電流收集器電絕緣同時確保電解 質(zhì)的機(jī)械固定。所述隔板元件的厚度優(yōu)選包括在10pm和200[im之間。這個 小的厚度特別使得當(dāng)電池運行時歐姆電阻減小，因此使得所述燃料電池的性 能提高。另外，所述固體電解質(zhì)設(shè)置在所述隔板元件的槽中和在所述電流收 集器的通道中的事實使得電流收集器能夠集成在固體電解質(zhì)中并自支撐將 獲得的電解薄膜，即不需要任何外部支撐的薄膜。所述隔板元件用熱塑性塑料制成的事實使得所述隔板元件靈活的確保 當(dāng)所述電流收集器組裝時的良好粘附。最后，由硬顆粒形成并設(shè)置在所述隔 板元件的橫向槽中的隔板的存在使得當(dāng)所述電流收集器在該隔板元件上組 裝時由熱塑性聚合物材料制成的隔板元件的破碎被限制。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池具有簡單和制造速度快的優(yōu)勢。所述隔板元件的 存在使得可以控制電流限制器的電絕緣。此外，該燃料電池具有能夠適應(yīng)所有類型尺寸的結(jié)構(gòu)，并且所述電極和電流收集器之間的接觸區(qū)域仍然較大。 所述燃料電池的性能因此很好，其也是可靠的并且其總尺寸可以減小。所述 固體電解質(zhì)實際上不需要被笨重的外部支撐件所支撐并且其厚度可以很小。 另外，所述制造工藝很簡單并且執(zhí)行起來很快。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，至少包括-兩個分別為陽極(5)和陰極(4)的電流收集器，該每個電流收集器包括至少一個從第一表面(4a、5a)到第二表面(4b、5b)通過所述相應(yīng)電流限制器的橫向通道(4c、5c)，-電絕緣隔板元件(2)，該電絕緣隔板元件(2)被設(shè)置在所述陽極(5)和陰極(4)電流收集器之間并包括分別和所述陽極(5)和陰極(4)電流收集器的第一表面(4a、5a)接觸的相對的第一和第二面(2a、2b)，以及從所述第一面(2a)到第二面(2b)穿過所述隔板元件的橫向槽(2c)，-離子導(dǎo)電固體電解質(zhì)(6)，該離子導(dǎo)電固體電解質(zhì)與所述兩個電流收集器接觸并占據(jù)由所述隔板元件(2)的槽(2c)和由所述電流收集器(4、5)的通道限定的體積，其特征在于，所述隔板元件(2)由熱塑性聚合物材料形成而由電絕緣硬顆粒(3)形成的隔板設(shè)置在所述隔板元件(2)的橫向槽(2c)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于所述熱塑性聚合物由碳 氟樹脂形成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其特征在于所述碳氟樹脂從改性乙 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 選擇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的燃料電池，其特征在于所述顆粒 (3)從陶瓷、玻璃、和聚合物顆粒中選擇。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 - 4中任意一項所述的燃料電池，其特征在于每個電流 收集器(4、 5)包括若干從第一表面(4a、 5a)到第二表面(4b、 5b)穿過 該電流收集器的橫向通道(4c、 5c)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項所述的燃料電池，其特征在于該燃料電 池包括設(shè)置在所述陽極電流收集器(5)的第二表面(5b)上的陽極(8)和 設(shè)置在陰極電流收集器(4)的第二表面(4b)上的陰極(7),所述陽極(8) 和陰極(7)與固體電解質(zhì)(6)接觸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于每個電流收集器(4、 5 ) 包括在其第二表面上的未被覆蓋的橫向區(qū)域(4d、 5d)，該區(qū)域充當(dāng)電連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任意一項所述的燃料電池，其特征在于至少一個電流收集器(4、 5)是柵、刷、或者網(wǎng)紋材料或多孔材料薄層的形式。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項所述的燃料電池，其特征在于所述隔才反 元件(2)是穿孔薄膜、柵、或者網(wǎng)紋材料或多孔材料薄層的形式。
10. 制造根據(jù)權(quán)利要求1到9中任意一項所述的燃料電池的工藝，其特征 在于該工藝連續(xù)包括下述步驟-將由電絕緣硬顆粒(3)形成的隔片插入所述隔板元件(2)的橫向槽中，-組裝陽極(5)和陰極(4)電流收集器，使它們的第一表面(4a、 5a) 分別在所述隔板元件(2)的第一和第二面(2a、 2b)上，-用所述固體電解質(zhì)(6)填充所述槽(2c)和通道(4c、 5d)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的工藝，其特征在于將所述電流收集器(4、 5) 安裝在所述隔板元件(2)的第一和第二面(2a、 2b)上由熱層壓完成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10和ll之一所述的工藝，其特征在于由所述固體電解 質(zhì)(6)填充所述槽(2c)和通道(4c、 5c)的步驟是通過使裝有陽極(5) 和陰極(4)電流收集器的隔板元件(2)被充滿所述固體電解質(zhì)(6)的前 體材料和通過該前體材料的交叉耦合完成以便獲得該固體電解質(zhì)(6 )。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10和11之一所述的工藝，其特征在于由所述固體電解 質(zhì)(6)的填充所述槽(2c)和通道(4c、 5c)的步驟是通過將裝有陽極(5) 和陰極(4)電流收集器的隔板元件(2)浸入包含至少一種溶劑和電解質(zhì)的 溶液中并通過所述溶液的蒸發(fā)完成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10到13中任意一項所述的工藝，其特征在于所述槽 (2c)和通道(4c、 5c)的填充步驟包括平面化步驟以清理所述電流收集器的第二表面。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10到14中任意一項所述的工藝，其特征在于所述槽 (2c)和通道(4c、 5c)的填充步驟之后是把陽極(8)和陰極(7)組裝在相應(yīng)電流收集器(4、 5)的第二表面(4b、 5b))上的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池，該燃料電池包括至少兩個電流收集器(4、5)，電絕緣隔板元件(2)和固體電解質(zhì)(6)。每個電流收集器(4、5)包括至少一個從第一表面(4a、5a)到第二表面(4b、5b)穿過該電流收集器的橫向通道(4c、5c)，而具有相對的第一和第二面的隔板元件(2)被設(shè)置在所述電流收集器(4、5)之間。若干橫向槽(2c)從第一面到第二面穿過所述隔板元件(2)，而離子導(dǎo)電固體電解質(zhì)(6)占據(jù)由隔板元件的槽(2c)和電流連接器(4、5)的橫向通道(4c、5c)所限定的體積。所述隔板元件(2)由熱塑性聚合物材料形成而硬顆粒(8)被放置在橫向槽(2c)中。
文檔編號H01M8/10GK101326668SQ200680046071
公開日2008年12月17日 申請日期2006年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者丹尼斯·洛卡特利, 奧德麗·馬蒂南特, 菲利普·凱普倫, 讓-伊薇斯·勞倫特 申請人:原子能委員會