[发明专利]用于制造由薄层制成的燃料电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造由薄层制成的燃料电池的方法。

背景技术

燃料电池用于许多应用，并且尤其被认为是化石燃料使用的可能的替 代。实质上，这些电池能够直接将例如氢或乙醇的化学能源转化为电能。

由薄层制成的燃料电池由离子导电膜(或电解质)构成，在该离子导 电膜的相反侧上沉积阳极和阴极。

这样的电池的运行原理如下：将燃料注入电池阳极面。然后该阳极将 作为产生正离子(尤其是质子)和电子的化学反应的场所。质子通过膜传 输至阴极。电子通过电路传递，因此它们的移动产生电能。此外，将会与 质子反应的氧化剂注入阴极。

燃料电池的电极通常由已经用例如铂催化的碳构成。

制造催化电极的最常见的技术包括：使用沉积在载体上的碳墨或碳布， 然后用催化剂墨例如铂墨覆盖。

能够连续沉积几层碳和催化剂，以得到更均匀的电极。

由于已知的墨沉积技术不能产生小于约十微米厚的层，所以这些技术 的缺点是层相对较厚。

通常，以几个单独的阶段制造燃料电池：首先产生电极并且随后将它 们进行组装到可得到的膜例如Nafion膜。由于每个不同的阶段需要不同的 操作，所以这些单独的阶段延长了燃料电池的生产时间并还增加了成本。

此外，由于Nafion膜具有超过20微米的厚度所以Nafion膜具有相对 较厚的缺点，并且尤其是由于膜的低密度所以由它们制造的燃料电池不能 在高于90℃的温度下运行。实质上，在低密度膜中，没有充分地限制水并 且由于温度而迅速地蒸发。而且，水当然是燃料电池的运行必需的要素。

而且，由于Nafion膜材料在高于90℃下的不稳定性，所以Nafion膜 不能在高温下使用。

发明内容

本发明的目的是消除上述缺点的至少一个，尤其是通过提供这样的制 造方法使得电池可全部在一个设备中或两个连接的类似的设备中制造。

更确切地，本发明涉及用于制造由薄层制成的燃料电池的方法。该方 法包括以下步骤：

-在真空室中，通过等离子体喷涂在气体扩散载体上沉积第一多孔碳电 极，该电极还包含催化剂，该催化剂用于加速在燃料电池中发生的化学反 应中的至少一种，

-在该第一电极上沉积由离子导电材料制成的膜，该膜优选具有小于 20微米的厚度，和

-在真空室中通过等离子体喷涂在所述膜上沉积第二多孔碳电极，该第 二电极还包含催化剂。

在真空室中利用等离子体喷涂沉积碳电极使得能够完美控制沉积的碳 的量，并且由此沉积晶片薄层。

此外，为实施该等离子体喷涂，能够选择不超过膜的稳定温度的沉积 温度，即最高150℃。

此外，如此喷涂使得沉积期间膜没有改变并且不损失其质子导电性质。

根据制造的电池的类型，可使用不同类型材料，例如膜可由质子导电 材料构成。

优选地，使用的等离子体是由射频激发的低压氩等离子体，压力为1～ 500毫托(mT)，例如频率等于13.56兆赫(MHz)，并且由感应等离子体 发生器产生。

等离子体喷涂使得能够制造薄层，其中催化剂扩散在厚度可大于1微 米的碳层中。

同样地，为了使膜具有小于20微米的厚度，在一个实施方案中，使用 已知为PECVD(等离子体增强化学气相沉积)的方法沉积。

等离子体增强化学气相沉积的原理如下：

-加热其上将进行沉积即其上将沉积第一电极的表面，

-使用低频激发，由称为前体气体的气体产生等离子体，该等离子体 将以气相在表面上反应以产生沉积物。

在另一个实施方案中，在真空室中通过等离子体喷涂进行所述膜沉积。

在一个实施方案中，膜包括具有磺酸端基和可能的氟的碳网络材料。 为此，用于化学沉积的前体气体是例如碳前体气体诸如苯乙烯或1，3-丁二 烯和磺酸基前体气体诸如三氟甲磺酸。

这类膜具有相对致密的优点，并且由此允许燃料电池在最大150℃的 温度下运行而对膜没有任何损伤。

而且，通过PECVD的制造方法使得能够制造具有大量磺酸基的膜。 由于在质子穿过膜期间，通过从一个磺酸基传输至另一个磺酸基来传输质 子，所以这使得能够促进质子由一个电极至另一个电极的传输。