[发明专利]包括串联连接的多个单元电池的燃料电池及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括多个相邻的单元电池的燃料电池以及制造这种燃料电池的方法。

背景技术

通常，单一燃料电池，即燃料电池包括由电极-隔膜-电极（或者EME）组件以及集电器形成的单个单元电池，其输送的电压不足以用于便携式装置的领域。实际上，在一些可能将燃料电池作为能源的应用中会要求高电压，例如，大于几个伏特的电压。为此，必须使用包括串联连接的多个单元电池的燃料电池。

单元电池普遍在彼此串联连接前分开生产。在平坦支撑物上以薄层形式制造的燃料电池（该电池也称为平面电池）的情况下，EME组件通常分开生产在平坦支撑物上，逐个切下，然后彼此串联连接。这样的制造方法耗时长，并且要求有附加的集电器焊接或堆叠在组件的阳极和阴极上，以能串联连接电池。

在文章“微制造的燃料电池”（Electrochimica Acta 48（2003）2869-2877）中，J.S.Wainright等人提出了一种燃料电池，其包括多个串联连接的电池，该电池形成在钻有沟道的铝上设置的多孔尼龙膜上。阳极集电器通过墨水印刷沉积而形成。此外，非多孔绝缘的聚合物材料密封物设置在阳极集电器之间，然后制造电池的其余部分。电池的串联连接通过印刷导电墨水而实现。然而，在该方案中，电解质隔膜在潮湿环境（100%RH）下膨胀且从基板剥离。然而，该剥离会导致电池的泄漏和停用。隔膜的弱机械强度一方面与绝缘密封物和阳极集电器之间的接触不良相关，由此产生间隔，另一方面与电解质隔膜在绝缘密封物上的粘合力很低相关。

专利US5863672描述了能人为提高单元电压的不同燃料电池的几何形状。如图1所示，这样的电池1由彼此相邻设置的数个单元电池2形成。每个电池2包括设置在阳极3和阴极4的组件之间的电解质隔膜5。电池2由电绝缘区域6彼此分隔，并且由导电连接部分7彼此电连接。连接部分7的每一个包括中央区域8，中央区域8包括第一面8a和第二面8b，分别由第一层9和第二层10覆盖，第一层9和第二层10的每一个包括一个端部，该端部分别与第一电池的阳极3和相邻于所述第一电池的电池的阴极4接触。然而，这样的电池（特别是连接部分7）难以实施，特别是难以在小尺寸上实施。它还需要在数个其它元件（例如设置在组件的每一侧上的外部集电器和气体分布板）之间组装由串联连接的电池形成的组件的步骤。因此，紧密性问题仍然存在。

在专利申请EP-A-1515387中，燃料电池包括为数个相邻的串联连接的电池所共用的固体电解质隔膜。电池的串联连接借助于垂直连接元件实现，垂直连接元件将电池的集电器连接到相邻电池的集电器。这些连接元件设置在共用的固体电解质隔膜中设置的通孔的中心上。密封物还设置在每个通孔的顶部上以覆盖将对应的连接元件和隔膜分开的上部空隙。

在没有切割和粘结所述电池的情况下，所有当前用于串联连接的单元电池的方案都面临机械强度的问题：

-在电解质隔膜剥离的层级，

-或者在EME组件处且特别是在为了与高功率密度相兼容而具有过高的最小厚度的隔膜的层级。

此外，对于给定的电池表面，该电池表面由一组单元电池所占据的表面（“活性表面”）和绝缘区域和/或导电区域所占据的表面（“非活性区域”）所共享。然而，在上面给出的方案中，“活性区域”的部分相对小，并且该部分远小于电池数，这证明与目的是给便携式装置的提供电力的应用并不兼容。

专利申请EP-A-2061114提出了燃料电池的简化制造方法，该燃料电池包括由它们的集电器串联连接的多个单元电池。因此，如图2所示，设计为将电池的第一（例如阳极）集电器12a与相邻电池2b的第二（例如阴极）集电器13b串联连接的连接元件11设置在两个相邻的电池2a和2b之间。连接元件11从电池2a的第一集电器12a垂直延伸，并且连接到电池2b的第二集电器13b。连接元件11还与两个相邻电池2a和2b的每个电解质隔膜5a和5b接触，并且在制作所述电解质隔膜5a和5b之前，由与多孔基板14上设置的集电器12a和12b的成分相同的导电材料制造。而且，连接元件11的厚度有益地大于每个电解质隔膜5a和5b，这提高了与电池2b的第二集电器13b的电接触连接。图2中的参考标记3a和3b表示电池2a和2b的各自的第一电极（例如阳极），并且图2中的参考标记4a和4b表示电池2a和2b的各自的第二电极（例如阴极）。