專利名稱：有錨定元件加強(qiáng)的電解質(zhì)隔膜的微燃料電池及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微燃料電池，至少包括-設(shè)置有正面和背面的基底-以及第一電極、基本平的電解質(zhì)隔膜和第二電極的相繼堆疊體，所述堆疊體由基底的正面支撐。
本發(fā)明還涉及用于制造微燃料電池的方法。
背景技術(shù)：
在燃料電池領(lǐng)域，現(xiàn)在存在兩種類型的電池。第一種稱為壓濾型(filterpress type)堆疊體，例如質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。這些電池通常包括大量串聯(lián)排列的基本電池。每個(gè)電池包括含有被電解質(zhì)隔膜分隔的陽極和陰極的堆疊體。堆疊體通常稱為“EME”(電極-隔膜-電極)堆疊體，它配置在兩個(gè)集流板之間。這組基本電池形成濾壓型組件，其中夾板被用螺栓固定在一系列EME堆疊體的每一側(cè)。
例如，如圖1所示，燃料電池包括含有配置了正面1a和背面1b的電解質(zhì)隔膜1的EME堆疊體。正面1a和背面1b分別并相繼由第一和第二催化層2a和3a以及擴(kuò)散層2b和3b覆蓋。第一催化層2a和第一擴(kuò)散層2b形成陽極2，而第二催化層3a和第二擴(kuò)散層3b形成陰極3。第一和第二集流器4和5分別配置在第一和第二擴(kuò)散層2b和3b的外表面上。它們集成在EME堆疊體中，即EME堆疊體以及第一和第二集流器(current collector)4和5形成單個(gè)基本電池。它們每個(gè)都由金屬沉積物形成，該金屬沉淀物包括多個(gè)用來允許流體通過擴(kuò)散層的橫向通道4a和5a。因此，通常用作燃料的氫可以流到陽極的集流器4的橫向通道4a到達(dá)陽極2的擴(kuò)散層2b。通常用作燃料的氧可以通過陰極的集流器5的橫向通道5a到達(dá)陰極3的擴(kuò)散層3b。同樣的，在燃料電池運(yùn)行過程中生成的水也經(jīng)同一橫向通道5a移除。
在第一類燃料電池中，將反應(yīng)流體供應(yīng)給電極并將電池運(yùn)行中形成的產(chǎn)物移除可能是主要的難點(diǎn)，特別是在便攜式裝置領(lǐng)域。實(shí)際上燃料電池的小型化意味著必須以小體積實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存設(shè)備和流體循環(huán)回路。然而，通過濾壓型堆疊體實(shí)現(xiàn)的燃料電池在小型化方面是受限的。
因此，現(xiàn)在某些人提出用基于微技術(shù)尤其是通過在基底上沉積并圖型化薄層的技術(shù)來制造小型燃料電池已經(jīng)有好幾年了。這第二類燃料電池，也稱為平面微燃料電池，使供應(yīng)回路的體積或者是反應(yīng)流體以及形成的產(chǎn)物的儲(chǔ)存的體積能夠減小。在通常的方式中，電極供應(yīng)回路采用供應(yīng)腔或在基底上形成的微通道的形式，可能有微孔擴(kuò)散層將流體傳送到電極或電解質(zhì)隔膜。例如，K.Shah等人的文章“Novel microfabrication approaches for directlypatterning PEMfuel cell membranes”(Journal of Power Sources，123(2003)，172-181)中記述了微燃料電池的制造，該微燃料電池包括在硅或聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上形成的多個(gè)供應(yīng)微通道。陽極、電解質(zhì)隔膜和陰極相繼沉積在含有供應(yīng)微通道的基底上的薄層的形式。
為了解釋的目的，圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微燃料電池，該微燃料電池包括支撐陽極8、電解質(zhì)隔膜9和陰極10的基底6。陰極集流器11設(shè)置在陰極10上，并且燃料氧化劑的循環(huán)與陰極10相切。通過垂直形成于基底6上的循環(huán)通道7來進(jìn)行向陽極8的燃料供應(yīng)。因此，循環(huán)通道7能夠使燃料從燃料源(未示出)傳輸?shù)脚渲迷陉枠O8和集流器13之間的微孔擴(kuò)散層12。
然而，當(dāng)電解質(zhì)隔膜的兩側(cè)之間存在壓力差時(shí)，在基底中具有多孔支撐和/或供應(yīng)微通道的微燃料電池并不適用。這種壓力差實(shí)際上能使微燃料電池被破壞，或者使配置在基底上的一個(gè)或多個(gè)薄層松脫。該壓力差尤其出現(xiàn)在體積小的小型燃料電池中，在這種情況下不能很好地掌握燃料壓力的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷的微燃料電池。
尤其是，本發(fā)明目的在于提供一種能夠在EME堆疊體的兩側(cè)之間存在壓力差時(shí)運(yùn)行而沒有任何松脫或破壞的危險(xiǎn)的微燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明，為實(shí)現(xiàn)該目的，微燃料電池至少包括-配置有正面和背面的基底-第一電極、基本平的電解質(zhì)隔膜和第二電極的相繼堆疊體，所述堆疊體由基底的正面支撐，
其特征在于，電解質(zhì)隔膜包括至少一個(gè)錨定元件，其基本垂直于所述隔膜的平面凸出，并配置于形成在基底中的錨定凹部(recess)互補(bǔ)部分中。
尤其是，基底包括基本垂直于隔膜的平面并且每個(gè)包括分別在基底的正面和背面的第一和第二開口的多個(gè)微通道。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，錨定凹部是微通道中的一個(gè)，其它微通道用來用于供應(yīng)反應(yīng)流體。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，錨定凹部包括至少一個(gè)用作錨定凹部的狹窄通道，該通道張開成變寬的腔。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于制造根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的微燃料電池的方法，易于實(shí)施且不昂貴。
根據(jù)本發(fā)明，為實(shí)現(xiàn)該目的，至少包括下列相繼的階段-在基底中形成多個(gè)微通道，-在基底正面上微通道之間形成第一電極，-在微通道中選擇微通道，用來形成錨定凹部，-沉積能使未選擇的微通道的第二開口被封閉的感光薄膜，-在配置有第一電極的基底正面上擴(kuò)散電解質(zhì)溶液的薄層，以便形成基本平的電解質(zhì)隔膜，干燥后，錨定元件基本上垂直于所述隔膜的平面凸出，并至少填充錨定凹部互補(bǔ)部分，-在電解質(zhì)隔膜的基本平坦自由面(free face)上形成第二電極。


從下列本發(fā)明給出的僅作為非限制性范例并在附圖中表示的特定實(shí)施例的描述中，其它優(yōu)勢(shì)和特征將變得更顯而易見，在附圖中圖1以橫截面方式示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的濾壓型燃料電池的基本堆疊體。
圖2以橫截面方式示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的平面型微燃料電池。
圖3以橫截面方式概略地示出根據(jù)本發(fā)明的微燃料電池的特定實(shí)施例。
圖4以橫截面方式概略地示出根據(jù)圖3的微燃料電池的供選實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)示于圖3和圖4中的特定實(shí)施例，微燃料電池14包括配置有優(yōu)選為基本平的正面15a和背面15b的基底15。例如由硅、塑料或陶瓷制成的基底15包括基本垂直于基底正面15a的平面的多個(gè)微通道16。因此，圖3中示出6個(gè)微通道，而圖4中示出4個(gè)微通道16，每個(gè)微通道在基底15的正面15a和背面15b上分別具有第一和第二開口。因此，微通道16穿過基底15的整個(gè)厚度。
在圖3示出以及此后所示出的特定實(shí)施例中，6個(gè)微通道分別由用來用于供應(yīng)流體的4個(gè)微通道16a和用來作為錨定凹部的2個(gè)微通道16b形成。此外，第一集流器17優(yōu)選配置在基底15的正面15a上，它以包括在微通道16a和16b的水平的開口的方式被鉆孔或切割。第一集流器17和基底15的形狀尤其能夠確保第一集流器中流的連續(xù)性。例如，第一集流器17可以采用柵格的形式，該柵格具有分別提供有面對(duì)微通道16a和16b的第一開口的開口。
第一集流器17被多個(gè)催化元件18覆蓋。更尤其是，第一集流器17的整個(gè)自由表面被通過微通道16a和16b彼此分離的所述催化元件18所覆蓋。于是催化元件形成微燃料電池14的第一電極，例如陽極。
配置有第一集流器17和催化元件18的基底15的正面15a相繼支撐基本平的電解質(zhì)隔膜19、第二電極20和第二集流器21。第二電極20和第二集流器21例如采用基本平的薄層形式。第二集流器21可以是部分不相繼的。
基本平的電解質(zhì)隔膜的意思是具有基本平的正面和背面的薄層。而且，由于電解質(zhì)隔膜的小厚度，可以定義平行于電解質(zhì)隔膜的正面和背面的各自平面的主平面。因此，在圖3中，電解質(zhì)隔膜19的主平面用虛線A1表示，且它平行于基底15的正面15a的平面。
此外，由第一電極18、電解質(zhì)隔膜19和第二電極20形成的連續(xù)堆疊體機(jī)械地固定到基底15。用屬于電解質(zhì)隔膜19的至少一個(gè)錨定元件19a來進(jìn)行這種固定。在圖3中，電解質(zhì)隔膜19實(shí)際上包括2個(gè)錨定元件19a，其基本垂直于所述隔膜19的主平面A1凸出，并且每個(gè)都占據(jù)微通道16b。每個(gè)微通道16b由一個(gè)錨定元件19a所占據(jù)，并充當(dāng)用于所述錨定元件19a的錨定凹部。錨定元件19a于是設(shè)置在與其相聯(lián)的錨定凹部互補(bǔ)部分中。
其它4個(gè)微通道16a用于給微燃料電池尤其是第一電極18供應(yīng)反應(yīng)流體。當(dāng)?shù)谝浑姌O18是陽極時(shí)，反應(yīng)流體是例如燃料。未被錨定元件19a占據(jù)的微通道16a中的反應(yīng)流體的循環(huán)以向上指的箭頭F1示于圖3中，即從微通道16a的第二開口到第一開口的方向。微通道16a的每個(gè)第二開口都可以連接到反應(yīng)燃料源，例如儲(chǔ)存槽。此外，向第二電極20供應(yīng)反應(yīng)燃料，例如燃料氧化劑，可以通過任何方式來完成。例如，通過在堆疊體和基本平行于第二電極的平面之上設(shè)置的供應(yīng)通道(未示出)來進(jìn)行這種供應(yīng)。圖3中用基本平行于第二電極20的箭頭F2示出給第二電極19供應(yīng)燃料氧化劑。
微通道16a和16b可以具有可變尺寸。例如，它們具有約50微米的直徑，兩個(gè)微通道間隔的距離是30微米。在這種情況下，10％的微通道優(yōu)選用作容納電解質(zhì)隔膜19的錨定元件的錨定凹部。此外，微通道16a和16b的形狀和尺寸可以調(diào)整從而更好地將電解質(zhì)隔膜19固定到基底15。因此，如圖3所示，示出了微通道16b的壁可以在其底部形成錐形區(qū)域，張開成所述微通道16b的第二開口。
例如，圖3中示出的微燃料電池通過預(yù)先在基底15中形成多個(gè)微通道16a和16b而獲得。對(duì)于硅基底15，可以通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)完成該操作，制造出小直徑例如約30微米的微通道16a和16b，兩個(gè)微通道16a和16b之間的距離例如約80微米。然后進(jìn)行額外的蝕刻以得到每個(gè)微通道底部的錐形區(qū)域，并由此便于在微通道16b中將錨定元件19a錨定。
然后，第一集流器和第一電極在微通道16之間的基底15的正面15a上相繼形成。集流器元件17例如通過金的薄層的物理氣相沉積(PVD)而形成。第一電極的催化元件18尤其通過形成在集流器元件17上、先前用生長促進(jìn)劑覆蓋并用來用來充當(dāng)催化支撐的碳納米管實(shí)現(xiàn)。例如，該催化劑通過電沉積而沉積在碳納米管上。
在基底15中形成的微通道16a和16b之中，選擇一個(gè)或多個(gè)微通道16b以形成一個(gè)或多個(gè)錨定凹部。例如，已經(jīng)選擇兩個(gè)微通道16b用于圖3中示出的微燃料電池。接著，在基底15的背面15b上沉積感光薄層，從而封閉未選擇的微通道16a的第二開口。因此，薄層能使一定容積的空氣容納在未選擇的微通道16a中。接著例如用旋涂在被第一集流器和第一電極覆蓋的基底15的正面15a上擴(kuò)散電解質(zhì)溶液。接著將電解質(zhì)溶液填入所選擇的微通道16b中，而包含在其它微通道16a中的一定容積的空氣防止所述微通道16a被填充電解質(zhì)溶液。一旦它已被烘干，電解質(zhì)溶液能夠形成兩個(gè)錨定元件19a和一個(gè)基本平的薄層。這兩個(gè)錨定元件占據(jù)所選擇的微通道16b，且該薄層被基底15的正面15a支撐，該組件形成電解質(zhì)隔膜19，該電解質(zhì)隔膜19可以是全氟代磺酸鹽基(perfiuorosulfonate-based)離聚物隔膜，例如Nafion。
接著用噴涂方法將例如由鍍鉑碳制成的第二電極20形成在電解質(zhì)隔膜的正面上，且接著可采用PVD方法將第二集流器21沉積在第二電極20的自由面上。
這種微燃料電池14尤其適于在電極-隔膜-電極(EME)堆疊體的兩側(cè)之間存在壓力差的時(shí)候使用。實(shí)際上，電解質(zhì)隔膜的錨定元件進(jìn)行機(jī)械固定，使微燃料電池被破壞或者堆疊體或至少一個(gè)堆疊體元件松脫的問題能夠得以避免。而且，這種機(jī)械固定很容易執(zhí)行并且成本低廉。因?yàn)橛糜谛纬慑^定元件的材料由用來形成堆疊體中隔膜的電解質(zhì)溶液所構(gòu)成，所以不需要將任何新材料加入微燃料電池。最后，采用這種固定方法不會(huì)增加燃料電池的體積，且微燃料電池重量的增加可以忽略不計(jì)。
這種微燃料電池的制造方法也體現(xiàn)了能夠根據(jù)堆疊體兩側(cè)之間容易出現(xiàn)的壓力差而調(diào)節(jié)或控制錨定凹部的數(shù)量的優(yōu)勢(shì)。也可以控制由錨定元件固定的表面和承壓表面之間的比率，同時(shí)控制錨定元件的排列。由于微燃料電池的不同元件之間的粘附力取決于所使用的材料，因此可以預(yù)先測(cè)量這種粘附力以估計(jì)所需的錨定力并由此能夠選擇構(gòu)建微燃料電池時(shí)形成的錨定元件的數(shù)目、形狀和排列。
用于容納電解質(zhì)隔膜19的錨定元件19a的微通道16b可以由在基底15中形成的任何類型的凹部所替代。因此，在圖4示出的供選實(shí)施例中，在根據(jù)圖3的微燃料電池14中被錨定元件19a所占據(jù)的兩個(gè)微通道16b被基底15中形成的兩個(gè)封閉凹部22所替代。每個(gè)凹部22優(yōu)選包括用來對(duì)應(yīng)錨定元件19a的狹窄通道22a，并且該狹窄通道22a張開成封閉的加寬腔22b。在圖4中，電解質(zhì)隔膜19的兩個(gè)錨定元件19a占據(jù)相應(yīng)凹部22的整個(gè)容積。凹部22的容積可以僅被錨定元件19a部分填充，然而，后者元件的形狀與凹部22的至少部分形狀互補(bǔ)，以便確保隔膜19到基底15的滿意錨定。
在圖4中，用來用于給第一電極18供應(yīng)反應(yīng)流體尤其是燃料氧化劑的四個(gè)微通道16配置在基底15中，基本垂直于電解質(zhì)隔膜19的平面。因此，在圖4中，每個(gè)凹部22由兩個(gè)微通道16所圍繞。接著用微通道16和兩凹部22的狹窄通道22a將形成第一集流器并支撐第一電極的催化元件18的集流器元件17彼此分離。
例如，通過先前采用例如RIE方式在基底15中形成四個(gè)微通道16和兩個(gè)凹部22而得到這種微燃料電池。接著，第一集流器17和第一電極18相繼形成在基底15的正面15a上。它們可以如先前所述地形成。接著，用來形成電解質(zhì)隔膜19及錨定元件19a的電解質(zhì)溶液分散在被第一集流器和第一電極所覆蓋的基底15的正面15a上。接著，電解質(zhì)溶液填充微通道16和凹部22。接著，通過噴吹將微通道16從基底的背面15b釋放。接著在電解質(zhì)溶液已被烘干后，微燃料電池的其它元件例如第二電極20和第二集流器如先前所述地形成。
本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例。因此，在其它實(shí)施例中，能夠以任何其它類型的方式進(jìn)行反應(yīng)燃料供應(yīng)，例如用于供應(yīng)燃料氧化劑的微通道能夠被配置有至少一個(gè)錨定凹部的多孔基底所代替。
權(quán)利要求
1.一種微燃料電池(14)至少包括-配置有正面(15a)和背面(15b)的基底(15)-第一電極(18)、基本平的電解質(zhì)隔膜(19)和第二電極(20)的相繼堆疊體，所述堆疊體由基底(15)的正面(15a)支撐，該微燃料電池(14)的特征在于，電解質(zhì)隔膜(19)包括至少一個(gè)錨定元件(19a)，其基本垂直于所述隔膜(19)的平面凸出并配置在形成于基底(15)中的錨定凹部(16b，22)互補(bǔ)部分中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的微燃料電池(14)，其特征在于所述錨定元件(19a)占據(jù)所述錨定凹部(16b，22)的整個(gè)容積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的微燃料電池(14)，其特征在于所述基底(15)包括基本垂直于所述隔膜(19)的平面并且每個(gè)包括分別在基底(15)的正面和背面(15a，15b)的第一和第二開口的多個(gè)微通道(16，16a，16b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的微燃料電池(14)，其特征在于所述第一電極由被所述微通道(16a，16b)所分離并配置在所述基底(15)的正面(15a)上的多個(gè)不同催化元件(18)形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的微燃料電池(14)，其特征在于它包括第一和第二集流器(17，21)，分別配置在第一電極的催化元件(18)和基底(15)的正面(15a)之間及第二電極(20)的自由面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3到5中任一項(xiàng)的微燃料電池(14)，其特征在于錨定凹部是微通道(16b)中的一個(gè)，其它微通道(16a)用來進(jìn)行反應(yīng)流體的供應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)的微燃料電池(14)，其特征在于錨定凹部(22)包括用于所述錨定元件(19a)的至少一個(gè)狹窄通道(22a)，張開成加寬腔(22b)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)的微燃料電池(14)，其特征在于該基底(15)是包括至少一個(gè)錨定凹部(16b，22)的多孔基底。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的微燃料電池(14)的制造方法，其特征在于它至少包括下列相繼的步驟-在基底(15)中形成多個(gè)微通道(16a，16b)，-在基底(15)的正面(15a)上所述微通道(16a，16b)之間形成第一電極，-在微通道(16a，16b)中選擇用來形成錨定凹部的微通道(16b)，-沉積使未選擇的微通道(16a)的第二開口被封閉的感光薄膜，-在配置有第一電極(18)的基底(15)的正面(15a)上擴(kuò)散電解質(zhì)溶液的薄層，從而形成基本平的電解質(zhì)隔膜(19)，干燥后，錨定元件(19a)基本上垂直于所述隔膜(19)的平面凸出，并至少填充所述錨定凹部(16b)互補(bǔ)部分，-在所述電解質(zhì)隔膜(19)的基本平坦自由面上形成第二電極(20)。
全文摘要
本發(fā)明提供微燃料電池(14)，至少包括配置有正面(15a)和背面(15b)的基底(15)?；?15)的正面(15a)支撐由第一電極(18)、基本平的電解質(zhì)隔膜(19)和第二電極(20)形成的連續(xù)堆疊體。電解質(zhì)隔膜(19)包括至少一個(gè)錨定元件(19a)，其基本垂直于所述隔膜(19)的平面(A1)凸出。該錨定元件(19a)配置在基底(15)中形成的錨定凹部互補(bǔ)部分。基底(15)還可以包括基本垂直于隔膜的平面的多個(gè)微通道(16a，16b)。接著，錨定凹部可以由微通道(16)的其中一個(gè)形成，而其它微通道(16)能夠給第一電極(18)供應(yīng)反應(yīng)流體。這種微燃料電池(14)能夠在堆疊體的兩側(cè)之間存在壓力差時(shí)運(yùn)行。
文檔編號(hào)H01M4/86GK1996650SQ20061017181
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者讓-伊薇斯·勞倫特, 弗雷德里克·蓋拉德, 卡林·蘭伯特, 馬克·普利索尼爾 申請(qǐng)人:原子能委員會(huì)