[发明专利]制造圆筒形燃料电池的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一个制造圆筒形构造的燃料电池的工艺，特别是一个电极-薄膜-电极组件。

本发明还涉及一个包含这样一个组件的电池。

一般地说，燃料电池由层叠的单元电池组合构成(每个单元电池由一个电极-薄膜-电极组件构成)。这些层由电极层和电解层构成(当电解质是固体聚合物时，所述层称为薄膜层)。每个电极层由三个薄层构成：

扩散层，它通常由多孔碳制成，用于运送输入电流和对电极起一个机械支承作用，它并使试剂很好分布到活性层中。

一个活性层，电化学反应在活性层中进行，活性层由保持催化剂颗粒的碳粉构成，所有这些都注入了导电聚合物，例如是质子聚合物，以便促使三态点出现。

电流收集层，它是由金属材料制成的，以便运送电流到外电路。

背景技术

在过去，燃料电池有几个实施例被建议。

中功率燃料电池，每个电池10-50kW，它通常由压力过滤机联合两电极石墨或不锈钢板来制造，电极-薄膜-电极组件是通过压制两个纤维电极和一个NAFION质子导电薄膜而获得。

低功率燃料电池，每个电池0.5-50W，它被称做微燃料电池，它是根据微电子技术的结构和工艺制做的。困难在于，微电极组件具有很薄的离子导电膜。再者，由于它的尺寸很小/电极必须具有高的电子导电率，在氢气/空气电池的PEMFC结构中要有高的透气性，特别对于氢气，在甲醇/空气电池的DMFC结构中要有高的透气性和甲醇渗透率，要有在一个小表面上的薄层中形成的能力，要有好的热机强度。微电极必须同时有充足的面积，以便催化剂以分散形式淀积在它上面。

在文献中给出了多孔硅基础结构之间的区别，在这个结构中，Nafion薄膜跟随催化剂淀积，以形成电极-薄膜组件。不过，这种型式元件的性能受到不同层的坏的附着力的限制，因此产生高的界面电阻，以及很低的催化剂分散，催化剂很好地被分配，是为了获得强的电子导电淀积。

不同实验室研制了不同的非多孔硅技术。Lawrence Livermore国家实验室的工作人员通过首先淀积一个镍薄金属层研制出一个微型燃料电池，镍薄金属层是作为一个电子收集器安排在硅基片上的。催化剂然后是质子导体被淀积在镍上。镍通过化学腐蚀被穿孔，使催化剂和还原剂之间产生接触，即氢气或甲醇依燃料电池而定，被考虑。这种技术有许多缺点，特别涉及镍的性质。镍，是对质子导体的强酸性质产生的腐蚀现象敏感的物质。再者，在穿孔的镍层中，催化剂也只是弱分散，使催化剂上的还原剂均匀分散的能力很低。最后，用这种技术，三态点存在的可能性很低。

WO专利申请97/11503和美国专利5,759,712以注入了质子导体的微型多孔基件的使用为基础描述了一种燃料电池的结构，其中微型多孔基件是微型燃料电池的中心元件。然后，形成燃料电池所需的不同材料，通过使用传统的真空淀积技术而淀积在这个基片的每个边上。这个发明有两个主要缺点，第一，聚合物基片的易碎性，特别是当它通过侵蚀性真空淀积技术处理的时候，第二，很差的电化学特性，它特别涉及缺少有效面积，以及直接在质子交换膜上形成的催化剂淀积的易碎性。

所有上述结构都有共同特点，它们全是平的，不能给出足够大的电极表面面积去提供给便携式电子设备以电能。

为此目的，现有技术建议了几种不平的几何形状。

美国专利6,080,501，6,007,932和6,001,500描述了微型圆筒形燃料电池结构。这种结构是使传统上是平的几何形状的电极-薄膜电极组件绕在金属泡沫心轴周围。不过，这种型式的组件的特性受到两个主要原因的限制：

电极-薄膜-电极组件，它开始是平的，不适合于圆筒形状，这就是说，在缠绕平的电极-薄膜-电极组件以后，几乎不可能恢复阳极-阳极，阴极-阴极和薄膜-薄膜的接触。

电流收集器与阳极和阴极不是紧密接触，因此，产生过高的界面电阻。

另一些美国人研制了一个类似的小型筒形燃料电池。一个电极-薄膜-电极组件绕成一个园柱体，然后整体进入一个金属“园柱体支架”装置，收集电流。不过，这种结构型式不适合便携电子设备，主要是因为尺寸大，因为使用了“园柱形支架”。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点而提出一种制造电极-薄膜-电极组件的工艺，它用于构成低或中功率薄膜燃料电池，以便在一个小的体积中获得大的电极表面面积。