[发明专利]可靠的燃料电池电极设计

说明书

技术领域

本发明的实施例大体上有关于薄膜的沉积。更特定地来说，本发明系关于一种将一薄膜沉积在一基板表面的处理及装置。

背景技术

近来各种与电源及电力生产相关的产业对于发展环境友善的能源方面相当关注。各种不同类型的燃料电池可用于直接产生电力以应用至多种用途，诸如用于手提电子设备、手机、无线设备、PDA、相机、手提音响、笔记型计算机、机动式车辆(例如汽车、卡车、火车等等)、不动式大型能源设备、住宅用电等等。由于半导体处理技术可轻易地应用在燃料电池制造上，因此通过燃料电池来获得高效率的电产能是可行的。

燃料电池是一种电化学装置，其内的气态或液态燃料会和氧化剂反应而产生电。一般来说，电解质系夹在两个电极(一个阳极和一个阴极)中间而形成一个燃料电池单元。诸如纯氢气或由任何碳氢化合物燃料所再制而成的氢气等燃料被注入阳极中，经氧化而成质子和电子。氧化剂(诸如空气或氧气)则流进阴极而与穿越过电解质的质子反应，在某些状况下，质子是穿越过一层质子渗透膜(proton-permeable membrane)。所产生的电子从阳极流至阴极，并在阴极与质子和氧化剂再次结合，而导致副产物形成，诸如热及水。所产生的电子流从而生成电流来提供电力以驱动外界设备。各别燃料电池单元可堆栈或编排在一起而形成一个燃料电池堆栈组合或模块。把多个模块或燃料电池堆栈组合再堆栈起来，并将电端子、电绝缘体及端板(end plate)配置在这堆模块的相对两端，以集体发电。燃料电池的基本要素通常简单，因而可用于高度可靠且长效供电/供能的应用上。

一燃料电池堆栈组合通常会使用数个传导板(conductive plates)，这些传导板被放置在一燃料电池堆栈组合内相邻的燃料电池之间，以隔开每个燃料电池。这些传导板通常含有多个流通道或流通沟槽，用以添加及移动燃料气体、氧化剂或流体流经燃料电池。传导板可能是由金属、重掺杂的半导体或是传导性聚合物(例如含碳复合物)所制成。每个传导板包含用于流通燃料气体或气体氧化剂的一侧。放在燃料电池堆栈组合中相邻燃料电池之间的多个传导板通常称为双极板(bipolar plate)或隔离板(separator plate)，而放在燃料电池堆栈组合两端的传导板则称为端板(end plates)。应注意的是，在一个单极板(unipolar plate)构造中，传导板的另一侧通常包含多个冷却道或冷却管，该等冷却道会与燃料电池堆栈组合中一相邻燃料电池的冷却道配对结合而形成一对结合的传导板，此传导板具有呈圆柱状的内部通路，用于流通冷却剂，以将阳极及/或阴极处化学反应所产生的热和水从燃料电池堆栈组合中移除。因此在一单极板构造中，该对结合的传导板包含作为一燃料电池的阳极的一侧，以及包含充当相邻燃料电池的阴极的另一侧，故两个单极板配对结合在一起而作为一双极板。

电解质在燃料电池中扮演着将质子由阳极运送到阴极的关键角色。电解质包含各种有机化学品和无机化学品，故视所使用的化学品种类，形成了不同类型的燃料电池。其中一种类型的燃料电池为在升高温度(例如150至200℃)下使用磷酸的磷酸燃料电池(PAFC)。其它类型的燃料电池则包含固体氧化物电池(SOFC)、融熔碳酸盐燃料电池(MCFC)、甲醇燃料电池(DMFC)、聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)等。

有一类型的燃料电池使用了质子交换膜，质子可穿透此交换膜，但气体和电子却不行。在此构造下，典型质子交换膜的相反两面上会涂覆有不同的催化剂，不同的催化剂会加速在阳极和阴极处的不同化学反应。此膜夹在两层微孔导电层中间，使其一侧(例如阳极侧)和氢燃料接触，并且其另一侧(例如阴极侧)和氧化剂接触，而形成一薄膜电极组件(MEA)，而该等微孔导电层系作为气体扩散层及电流收集器。PAFC型燃料电池可使用质子交换膜或使用能支撑电解质的多孔结构。

MEA必须只让质子在阳极和阴极间穿越。如果自由电子或其它物质也行经MEA，就会扰乱化学反应，并使部分电流短路。另外，为了要让燃料电池适当地运作并兼具高电输出量及高度可靠性，气体和液体必须在各式各样操作条件下，不受干扰地行经燃料电池内部的零件、管道、管线、通路、沟槽及/或孔洞等的表面。如此一来，每一个燃料电池零件的表面性质必须加以调整，以助于此移动能够进行。此外，燃料电池堆栈组合或模块的各种零件均应具有能够与电解质、电流或任何存在于燃料电池堆栈组合内的气体、液体接触良好的表面。