[发明专利]用于平板式燃料电池的不透性多孔基板及一体化封装体

说明书

发明背景

本发明涉及固体聚合物电解质燃料电池领域，以及其在产生用于便 携应用的从数百毫瓦到数十瓦电功率中的实施。

更具体而言，本发明涉及一种开发平板式燃料电池中电池芯的方 法，并且基于使用密封的多孔基板。

本发明涉及氢燃料电池，还涉及包含诸如甲醇、乙醇、甲酸、乙二 醇或者硼氢化钠溶液的液体的燃料电池。本发明还涉及阴离子或者阳离 子型电解质燃料电池。

现有技术

对于燃料电池，大体上有两种结构类型：

■包括堆叠多个燃料电池芯的压滤结构。所述第一结构通常在涉及 高功率使用时是优选的。

■或者，包括在相同平面中并置多个燃料电池芯的平板式结构。所 述第二结构就移动或便携型的低功率应用而言是优选的。本发明 适用于这种类型的结构。

平板式结构主要使用两种制备技术：

第一技术包括：例如同美国专利5,759,712中所公开的那样，使用 沉积在利用多孔材料的可透过的基板上的电极-膜-商业电极(电池芯) 组件。

第二技术包括：如J.S.Wainright等人的文献《Microfabricated fuel cell》，Electrochimica Acta，第48卷(2003)，第2869-77页所公开的那样， 使用另一类型的可透过基板作为电池芯载体。

如图1所示，所述电池芯1通过堆叠构成所述芯的材料的连续层(集 流体10、活性层11和膜)来制备。如该图中所阐明的，可透过基板2 由硅制成，并且雕刻有使得氢到达电池芯1的通道4。

因而，在单一基板2上可以制备多个电池芯1，当串联布置时，提 供具有所需电特性的发电机(参见图2)。实际上，在所述设计中，电池 芯的数目限定体系的电压，电池芯的表面限定可用电流。

所述电池，一旦制备，即需要被一体化为“封装体”，以允许和燃料 “连接”。如图2所示，所述“封装体”3连接到构成燃料罐的筒上，由此 使得向电池阳极供应燃料。此外，它确保体系的不透性。因此，所述“封 装体”构成防护罩，所述防护罩可以采取可分离且密封的帽的形式。

因此，当制备这类燃料电池时，使用构成燃料电池芯1的基板2或 载体的、以及构成“封装体”3的两种“惰性”材料。它们在燃料电池中的 一体化包括另外的切割和组装阶段，这使得所述实施方案相对无吸引 力。

因此，需要开发新的平板式燃料电池设计，其制备方法更加直截了 当并且实施得更快。

发明内容

本发明基于使用既可透过电池的燃料又在其至少一个外表面上密 封的材料作为平板式燃料电池中电池芯的基板或载体。

因而，该相同材料一方面具有用于扩散燃料且意图与电池接触的多 孔或可透过的区域，另一方面具有至少一个不透的或密封的(因此，是 非多孔且不可透过的)包围该多孔区域并与外部接触的区域。

事实上，多孔或可透性材料被局部密封或者压实。在通过使用单一 材料实施这两种对立(可透性/不透性)的功能中，保证了结构的均匀 性并且简化了制备方法。

通过两种手段有利地保证作为载体的材料对于燃料的可透性：

如本发明第一方面所公开的那样，所述材料具有通道。这有利地通 过雕刻来完成，如特别是关于硅的现有技术中所报导的那样。

或者，如第二方面所公开的那样，可透性材料是多孔材料。

实际上，在本发明上下文中已经表明雕刻的硅可以容易地用多孔材 料取代，它们在燃料扩散和基板方面的特性非常接近。

因此，可以通过将连续层堆叠到多孔材料上来制备电池芯，同时保 持良好的燃料扩散能力并同时保留相同的制备方法。

有利地，如本发明所公开的多孔材料具有40％～80％的孔隙率(空 隙体积与总体积之比)，有利地具有0.5～40μm的孔径。所述特性涉及 所实施的初始材料并且，因此就基板而言，仅在基板未密封的部分具有 所述特性。

有利地，给定目标“燃料电池”的用途，本发明的基板具有1～5mm 的厚度。

在一个优选实施方案中，所用的材料是聚合物，并且甚至更有利地 属于热塑性聚合物类，如聚烯烃、聚酯、聚酰胺或者氟化聚合物等，并 且更具体地为聚乙烯或者聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)的均聚物或者与 六氟丙烯的共聚物。所述聚合物具有100～200℃的软化温度。