[发明专利]在多孔载体上制造燃料电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造燃料电池的方法，该方法至少包括在包含由壁界 定出的孔的载体上形成由第一电极、固体质子传导膜和第二电极形成的组 件，所述膜通过液体电解质的沉积和干燥形成。

背景技术

燃料电池(更具体地说，微型燃料电池)通过在载体上相继沉积电极-膜- 电极组件(也称为EME组件、EME堆或者电池芯)而获得。所述载体用于对 所述堆进行机械保护，并且由于其多孔性，其使得能够向所述EME组件供 应反应性流体(更具体地说为燃料，例如氢气、乙醇或者甲醇蒸气)。

此外，对具有高功率密度的燃料电池存在不断增加的需求。为此，质 子传导膜的厚度必须小，典型地为约5～10微米。另外，在多孔载体上形成 5～10微米厚度的均一的膜需要所述载体呈现比该厚度小的孔径。

然而，燃料电池各组件的尺寸的这种减小引起了毛细管作用问题。固 体质子传导膜(通常由质子传导的全氟磺酸聚合物如Dupont De Nemours以 品牌销售的产品形成)实际上通过沉积液体(或者液体电解质)膜(其 随后通过干燥而硬化)而获得。然而，当沉积液体电解质时，由于毛细管力 的作用，液体电解质可能渗入到多孔载体的孔中。这意味着有阻塞载体的 孔并且因此阻碍反应性流体的通道的风险。

发明内容

本发明的目标是提供一种制造燃料电池的方法，所述方法在形成固体 质子传导膜时防止固体电解质渗入多孔载体中，且同时保持并且可能增加 所述电池的功率密度。

根据本发明，该目标通过如下事实而实现：在沉积液体电解质之前， 在界定出孔的壁的至少一部分之上形成膜(由对所述液体电解质的液滴呈现 大于90°的接触角的材料形成)，所述膜具有使得反应性流体能够在所述孔 中通过的厚度。

根据本发明的第一改进，形成所述膜的材料至少包括对所述液体电解 质的液滴呈现大于90°的接触角的聚合物。更具体而言，所述膜通过将所述 载体用包含至少一种溶剂(所述材料或者所述材料的至少一种前体溶解在所 述溶剂中)的液体溶液浸渍，并随后蒸发所述溶剂而形成。

根据本发明的第二改进，所述膜通过化学气相沉积而形成。

附图说明

通过仅以非限制性实施例给出并且在附图中表示的本发明的特定实施 方式的下列描述，本发明的其它优点和特点将变得更为明晰，其中：

-图1示意性地表示在多孔载体上形成的燃料电池的特定实施方式的横 截面。

-图2-4示意性地说明在图1中的电池的制造方法中，在界定出多孔载 体的孔的壁上形成膜的不同步骤的横截面。

-图5和6示意性地表示多孔载体的两个可选实施方式的横截面。

具体实施方式

为防止液体电解质渗入多孔载体中并同时保持和可能增加燃料电池的 功率密度，在沉积液体电解质之前，将界定出载体孔的壁的至少一部分用 膜覆盖，所述膜由对所述液体电解质的液滴呈现大于90°的接触角θ的材料 形成。而且，所述膜具有使得反应性流体能够在载体的孔中通过的厚度。

根据拉普拉斯方程，导致液体渗入多孔材料中的毛细管压力正比于：

σ*cosθ/R

其中，

-σ：所沉积的液体的粘度，

-θ：液滴和多孔材料之间的接触角，也称为倾角(drop angle)。当一滴液 体沉积在固体的平整表面上时，在所述液体和所述表面之间的界面处测量 该角度，并且其决定了液体对固体的润湿程度，和

-R：多孔材料的孔的半径或者尺寸。

因此，毛细管压力与多孔材料的孔的尺寸成反比。孔越小，毛细管压 力越高并且增加了液体电解质更多的渗入。然而，为防止液体电解质渗入 多孔载体中，孔的尺寸不能增加。实际上，多孔载体的孔的尺寸相反只能 减小以获得高功率密度。

然而，毛细管压力也是液滴和多孔材料之间的接触角θ的函数。因此， 为防止液体电解质渗入多孔材料中，毛细管压力只能通过获得负的cosθ值 (即，大于90°的接触角θ)而减少，这意味着液体电解质的液滴不在多孔 载体的表面上润湿。作为对比，如果表面对水滴呈现大于90°的接触角θ， 则认为表面是疏水的。