[发明专利]电化学电池及其相关膜

说明书

背景

电化学电池——诸如燃料电池——包括用于传输带电物质的路径。由电化学反应产生的离子被传输穿过燃料电池的离子交换膜，诸如质子交换膜，并且电子在相邻的燃料电池之间传输。具体而言，用于质子传导的路径可以被集成在燃料电池中，而用于电子传导的路径在相邻的燃料电池之间产生，从而由燃料电池装置的整体正负电连接提供一个电路。双极燃料电池被布置为在离子流穿过膜的相反方向提供电流流动。可替代地，在发生离子流穿过膜时，边缘堆积型燃料电池(edge-collected fuel cell)提供平行于膜的电流流动。

具有电化学电池的系统可以用于向便携式或大型的应用设备供电。具有能节省空间的结构的电化学电池可以用于减小电源相对于整个系统的占地面积。已有用于这些应用设备的电池，但现有电池结构在应力下具有安全隐患，且具有沉积在刚性电解质(诸如固体氧化物陶瓷电解质)上的薄膜结构的燃料电池显示出有限的结构灵活性。虽然具有固体聚合物电解质的薄膜燃料电池提供了更大的灵活性，但这样的结构通常依赖于附加结构元件以提供鲁棒性。但是，衬底和结构构件占用体积，却不产生用于功率输出的能量。

附图说明

在附图(其并不一定按比例绘制)中，类似数字描述了各视图的基本类似的元件。具有不同的字母后缀的类似数字代表了基本类似的元件的不同示例。附图以实施例的方式而非限制的方式大体示出了本文件中讨论的各种实施方案。

图1示出了根据某些实施方案的离子传导复合层的截面图。

图2示出了根据某些实施方案的离子传导复合层的立体图。

图3示出了根据某些实施方案的复合层的俯视图。

图4示出了根据某些实施方案的复合层的俯视图。

图5示出了根据某些实施方案的复合层的俯视图。

图6示出了根据某些实施方案的电化学电池层的截面图。

图7示出了根据某些实施方案的包括气体扩散层的电化学电池层的截面图。

图8示出了根据某些实施方案的包括柔性增压室(plenum)的电化学电池层的截面图。

图9A-D示出了根据某些实施方案的制造复合层的制造步骤的截面图。

发明内容

本发明的实施方案涉及一种用于电化学电池的离子传导复合层。所述层包括：两个或多个导电元件，每一导电元件具有一个或多个导电通道；以及一个或多个介电元件，每一介电元件具有一个或多个离子传导通道。所述导电元件和介电元件被相邻布置，以提供流体非渗透性的复合层。

一些实施方案也涉及一种电化学电池阵列，包括具有第一表面和第二表面的复合层。所述复合层包括：两个或更多导电元件，每一导电元件具有一个或多个导电通道；以及一个或多个介电元件，每一介电元件具有一个或多个离子传导通道。所述导电元件以及介电元件是相邻布置的。所述阵列也包括与该复合层的第一侧接触的一个或多个第一涂层，以及与该复合层的第二侧接触的一个或多个第二涂层。每一第一涂层与第一介电元件的至少一个离子传导通道相接触，并与第一导电元件的至少一个导电通道电接触。每一第二涂层与第二介电元件的至少一个离子传导通道相接触，并与第一导电元件的至少一个导电通道电接触，从而足以在该阵列中的相邻的电化学电池之间提供从该复合层的第一侧至该复合层的第二侧的导电路径。

本发明的一些实施方案涉及一种电化学电池阵列。所述阵列包括具有第一侧和第二侧的复合层。所述复合层包括：多个介电元件，每一介电元件具有至少一个离子传导通道；以及至少一个导电元件，每一元件具有至少一个导电通道。所述导电元件被布置为与一个或多个所述介电元件相邻。所述阵列也包括至少两个电化学电池，其被放置为沿所述复合层形成阵列。每一电化学电池包括一个布置在第一和第二表面之间的介电元件，布置在这个介电元件的第一表面上的阳极层以及布置在这个介电元件的第二表面上的阴极层。这个介电元件的离子传导通道离子性地连接所述阳极层和阴极层，并且该阵列中的成对相邻的电化学电池被联接至公共导电元件。

一些实施方案也涉及一种电化学系统，其包括电化学电池阵列和一个或多个流体增压室。所述一个或多个流体增压室至少部分被该电化学电池阵列限定。

一些实施方案也涉及一种形成电化学层的方法，包括：形成至少一个导电元件，以及将至少一个界面区域粘接至每一导电元件的表面。所述方法也包括：通过浇铸邻近对应界面区域且与该界面区域相接触的离聚物分散体形成至少一个介电元件，将所述离聚物分散体凝固至足以形成流体非渗透性的复合层，并在所述复合层的第一表面上布置至少一个涂层。所述涂层与一个介电元件、相邻的导电元件、以及界面区域相接触。

具体实施方式