[发明专利]具有微型结构元件的高功率密度燃料电池层设备

说明书

本申请是申请日为2003年2月5日、申请号为03803428.X的专利申请“具有微型结构元件的高功率密度燃料电池层设备”的分案申请。

发明领域

本发明涉及燃料电池。更具体而言，本发明涉及在使用单多孔基底形成的不同通道内具有多个电池的燃料电池层。

发明背景

长期以来一直需求高功率密度燃料电池。

现有的燃料电池通常是单个燃料电池的叠放组件，其中每个电池在低电压下可产生较高的电流。一般的电池结构包括反应物分布和电流收集装置，其可与层状电化学组件接触，并由气体扩散层、第一催化剂层、电极层、第二催化剂层和第二气体扩散层组成。除了诸如熔化的碳酸盐电池等高温燃料电池外，大多数质子交换膜、直接甲醇、固体氧化物或碱性燃料电池都包括层状平面结构，其中各层首先形成作为不同的元件，然后通过使各层相互接触而组装成功能性燃料电池组。

层状平面结构燃料电池的主要问题在于各层必须相互紧密电接触，而如果不能紧密接触，那么电池组的内阻将增加，从而降低了燃料电池的总效率。

层状平面结构燃料电池第二个问题在于为进行密封并确保在层状结构燃料电池内部沟槽中的反应物和冷却剂的正确流动，各层间必须保持一致接触。此外，如果电池的总面积过大，那么在产生接触压力方面就会有困难，而这是保持反应物气体在电解质表面正确流体流动分布所需要的。

现有层状平面结构燃料电池装置的特征在于由于燃料和氧化剂都需要在层状平面结构燃料电池的平面内流动，因此需要至少4到10但通常是8个不同的层以形成可工作的电池，通常是第一流动区层、第一气体扩散层、第一催化剂层、第一电极层、第二催化剂层、第二气体扩散层、第二流动区层和隔板。这些层通常被制成单个的燃料电池元件，然后再使各层相互接触以形成燃料电池组。当使各层接触时，必须小心以使气体在各层内扩散的同时防止气体从组装的燃料电池组中泄漏。此外，电池组中燃料电池产生的所有电流必须穿过电池组中的每一层，这取决于不同层的简单接触以提供导电通路。因此，密封性和导电性都需要组装的电池组被明显的压力夹紧，从而实现周围密封并减小内接触电阻。

现有燃料电池结构中各层的制造通常很昂贵并且困难。用作氧化剂和燃料流动区及隔板的双极板经常用难于加工的石墨制成，从而显著增加了燃料电池组的成本。膜电极组件(MEA)通常通过在任一侧涂覆含有催化剂的固态聚合物电解质，然后将气体扩散层压在电解质上而形成。燃料电池组件需要将多个单个的双极板和膜电极组件串联连接在一起。通常在相邻的双极板和膜电极组件之间必须使用不连续的密封条，并在相当大的压力下将密封的双极和MEA层固定在一起。

存在对研发可选择的燃料电池设计的需要，从而以串联方式组装离散层的技术不长久。满足这种需要的一种方法是使用微型结构技术制造燃料电池，其中可将微型制造技术和纳米结构材料结合从而产生新的装置，而不会遇到通常与常规燃料电池设计相关的问题。微型技术应用到燃料电池上有很多明显的优点。具体而言，由于薄层和新几何结构的原因而使功率密度的提高、热质传输的改善、改进和/或更精密催化剂的应用、较短导电通路长度损失的降低等趋势都使燃料电池更有效率，并能得到较高体积功率密度。将辅助系统加进燃料电池设计的可能及新应用出现的趋势使其呈现出更有益的优点。

存在对与层状平面结构燃料电池相比仅有较少零件的微型燃料电池的需要。较少的零件将使微型燃料电池的制造成本比常规燃料电池更低。

存在对可使用多种电解质的微型燃料电池的需要。

存在基本上可降低燃料电池内接触电阻的微型燃料电池的需要。

许多在先发明已使用了燃料电池的微型制造技术。US 5,861,221提出含有多个通过将一个MEA的负极边缘和相邻的MEA的正极边缘相连而彼此串联连接的常规MEAs的“膜带”。可以使用两种结构。第一种通过将MEA放在一起呈台阶状结构而构成“膜带”。第二种通过将MEA头尾相边地与其间的导电区域结合而构成“膜带”，其与电池串联。在某些进一步的研究中(US 5,925,477)，同一发明人在电极间混合分流器，从而提高电池的导电性。MEAs本身是常规的层状结构设计，并且全部边缘收集组件连续依赖于相邻MEAs间的常规密封装置。