具有微型结构元件的高功率密度燃料电池层设备制造技术

本发明专利技术公开一种燃料电池，其包括含有燃料的燃料室；含有氧化剂的氧化剂室；与该燃料室和该氧化剂室相通的多孔基底；使用该多孔基底形成的通道；阳极；阴极；在该通道的一部分中并与该阳极和该阴极接触的电解质，从而可防止燃料输送到该阴极并可防止氧化剂输送到该阳极；用于防止燃料进入该多孔基底一部分的第一涂层；用于防止氧化剂进入该多孔基底一部分的第二涂层；两个密封挡板；正极和负极电接头。本发明专利技术也涉及多个燃料电池层结构、双层燃料电池层结构和制备燃料电池层的方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有微型结构元件的高功率密度燃料电池层设备专利
本专利技术涉及燃料电池。更具体而言，本专利技术涉及在使用单多孔基底形成的不同通道内具有多个电池的燃料电池层。专利技术背景长期以来一直需求高功率密度燃料电池。现有的燃料电池通常是单个燃料电池的叠放组件，其中每个电池在低电压下可产生较高的电流。一般的电池结构包括反应物分布和电流收集装置，其可与层状电化学组件接触，并由气体扩散层、第一催化剂层、电极层、第二催化剂层和第二气体扩散层组成。除了诸如熔化的碳酸盐电池等高温燃料电池外，大多数质子交换膜、直接甲醇、固体氧化物或碱性燃料电池都包括层状平面结构，其中各层首先形成作为不同的元件，然后通过使各层相互接触而组装成功能性燃料电池组。层状平面结构燃料电池的主要问题在于各层必须相互紧密电接触，而如果不能紧密接触，那么电池组的内阻将增加，从而降低了燃料电池的总效率。层状平面结构燃料电池第二个问题在于为进行密封并确保在层状结构燃料电池内部沟槽中的反应物和冷却剂的正确流动，各层间必须保持一致接触。此外，如果电池的总面积过大，那么在产生接触压力方面就会有困难，而这是保持反应物气体在电解质表面正确流体流动分布所需要的。-->现有层状平面结构燃料电池装置的特征在于由于燃料和氧化剂都需要在层状平面结构燃料电池的平面内流动，因此需要至少4到10但通常是8个不同的层以形成可工作的电池，通常是第一流动区层、第一气体扩散层、第一催化剂层、第一电极层、第二催化剂层、第二气体扩散层、第二流动区层和隔板。这些层通常被制成单个的燃料电池元件，然后再使各层相互接触以形成燃料电池组。当使各层接触时，必须小心以使气体在各层内扩散的同时防止气体从组装的燃料电池组中泄漏。此外，电池组中燃料电池产生的所有电流必须穿过电池组中的每一层，这取决于不同层的简单接触以提供导电通路。因此，密封性和导电性都需要组装的电池组被明显的压力夹紧，从而实现周围密封并减小内接触电阻。现有燃料电池结构中各层的制造通常很昂贵并且困难。用作氧化剂和燃料流动区及隔板的双极板经常用难于加工的石墨制成，从而显著增加了燃料电池组的成本。膜电极组件(MEA)通常通过在任一侧涂覆含有催化剂的固态聚合物电解质，然后将气体扩散层压在电解质上而形成。燃料电池组件需要将多个单个的双极板和膜电极组件串联连接在一起。通常在相邻的双极板和膜电极组件之间必须使用不连续的密封条，并在相当大的压力下将密封的双极和MEA层固定在一起。存在对研发可选择的燃料电池设计的需要，从而以串联方式组装离散层的技术不长久。满足这种需要的一种方法是使用微型结构技术制造燃料电池，其中可将微型制造技术和纳米结构材料结合从而产生新的装置，而不会遇到通常与常规燃料电池设计相关的问题。微型技术应用到燃料电池上有很多明显的优点。具体而言，由于薄层和新几何结构的原因而使功率密度的提高、热质传输的改善、改进和/或更精密催化剂的应用、较短导电通路长度损失的降低等趋势都使燃料电池更有效率，并能得到较高体积功率密度。将辅助系统加进燃料电池设计的可能及新应用出现的趋势使其呈现出更有益的优点。-->存在对与层状平面结构燃料电池相比仅有较少零件的微型燃料电池的需要。较少的零件将使微型燃料电池的制造成本比常规燃料电池更低。存在对可使用多种电解质的微型燃料电池的需要。存在基本上可降低燃料电池内接触电阻的微型燃料电池的需要。许多在先专利技术已使用了燃料电池的微型制造技术。US 5,861,221提出含有多个通过将一个MEA的负极边缘和相邻的MEA的正极边缘相连而彼此串联连接的常规MEAs的“膜带”。可以使用两种结构。第一种通过将MEA放在一起呈台阶状结构而构成“膜带”。第二种通过将MEA头尾相边地与其间的导电区域结合而构成“膜带”，其与电池串联。在某些进一步的研究中(US 5,925,477)，同一专利技术人在电极间混合分流器，从而提高电池的导电性。MEAs本身是常规的层状结构设计，并且全部边缘收集组件连续依赖于相邻MEAs间的常规密封装置。US 5,631,099和US 5,759,721使用相仿的串联连接构思，但是对燃料电池设计使用多种其它的微型技术。这样做后，在单结构中同时形成多个燃料电池。燃料电池本身仍是置于载体上的层状平面装置，并在相邻的燃料电池间需要穿过载体层的相互连接。这些专利中公开的大多数技术涉及产生耐甲醇的催化剂并在催化剂上使用钯层来防止甲醇在电池内跨接。WO 01/95406公开了一种单膜装置，其被分成段以制得多个MEA结构。难于制造的复合双极板可为MEA层的两侧提供燃料和氧化剂。US 6,127,058公开了一种相似的结构，但代替复合的多种反应气体的是仅将一种反应物应用到MEA层的任一侧。MEA层内形成的燃料电池的串联连接可通过外电流收集器实现，其沿该装置的周围设置并可-->提供从MEA层顶部到MEA层底部的电连接。这种周围电连接的效率很低。某些现有技术中的燃料电池试图通过使用微型制造技术来降低尺寸和制造成本。例如Case Western Reserve University装置是使用与印刷和半导体制造相似的薄层过程在载体基底上形成多个燃料电池(Wainwright et al。“A micro fabricated Hydrogen/Air Fuel Cell”195Meeting of the Electrochemical Society，Seattle，WA，1999)。在这些设计中，除了将燃料电池形成在基础基底上之外，燃料电池保留了常规的平面设计。阴极必须形成在平面电解质的顶部，然后必须与相邻的阳极直接相互连接。上述的所有电池都使用电极边缘上的电流收集。这显著地增加了这些电池的内电池电阻。每个电池也以固体聚合物电解质为基础，因为这个唯一容易制造的电解质。此外，上述的所有电池通过在单电解质平面内形成多个燃料电池都实现了微型燃料电池设计。过去已有使用非平面电解质的构思。GB 2,339,058提出一种带有波浪形电极层的燃料电池。在这种结构中，常规层状的MEA是波浪形。MEA置于双极板之间。这种设计增加了活性面积，并可包装成预定体积。然而，这种设计仍依赖于外部密封的昂贵复杂的层状结构，并需要压力以保持内部的电接触和密封。JP 50903/1996提出一种固体聚合物燃料电池，其包括通常是平面并带有交替的用以将能量产生元件(明显是MEA)夹成非平面分段线型的突出零件。与此相同的是GB2,339,058，此文献仍然依赖于昂贵复杂的层状结构，但这种设计通过使用隔板将其压成非平面装置从而也对MEA施加了不恰当的压力。除了非平面设计之外，某些现有技术提出管状结构。US 6,060,188提出一种圆柱形燃料电池，其带有形成圆柱的单MEA层。燃料或氧化剂输送到圆柱内部的凹陷处，而其它的反应物在外部输送。在这种-->设计中，每个圆柱形结构产生一个单电池，电流通过燃料电池的环形圆柱壁流动。没有公开在燃料电池间提供串联的电学相互连接或密封单个燃料电池的方法。这种设计得自于公知的固体氧化物燃料电池的管状设计。存在对于可在相同的体积中增大活性面积(即活性面积的高密度)的燃料电池布局或燃料电池结构的需要。这将使燃料电池以不同于当前大多数燃料电池研发者所进行的方式被最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其包括：ａ．含有燃料的燃料室；ｂ．含有氧化剂的氧化剂室；ｃ．与所述的燃料室和所述的氧化剂室相通的多孔基底，其还包括顶部、底部、第一侧和第二侧；ｄ．使用所述的多孔基底形成的通道，其中所述的通道包括 第一通道壁和第二通道壁；ｅ．通过在所述第一通道壁的所述多孔基底上设置的第一催化剂层形成的阳极；ｆ．通过在所述第二通道壁的所述多孔基底上设置的第二催化剂层形成的阴极；ｇ．在所述通道的至少一部分中设置并与所述阳极和所述阴 极接触的电解质，从而可防止燃料输送到所述阴极并可防止氧化剂输送到所述阳极；ｈ．设置在所述多孔基底至少一部分上的第一涂层，从而可防止燃料进入所述多孔基底的至少一部分中；ｉ．设置在所述多孔基底至少一部分上的第二涂层，从而可防止氧 化剂进入所述多孔基底的至少一部分中；ｊ．在所述第一侧上设置的第一密封挡板，和在所述第二侧上设置的第二密封挡板；ｋ．设于所述第一侧上的正极电接头；及ｌ．设于所述第二侧的负极电接头；及其中制得的燃料电池可产生电流 以驱动外部负载。...

【技术特征摘要】
US 2002-2-6 60/354,795;US 2002-2-6 60/354,637;US 21.一种燃料电池，其包括：a.含有燃料的燃料室；b.含有氧化剂的氧化剂室；c.与所述的燃料室和所述的氧化剂室相通的多孔基底，其还包括顶部、底部、第一侧和第二侧；d.使用所述的多孔基底形成的通道，其中所述的通道包括第一通道壁和第二通道壁；e.通过在所述第一通道壁的所述多孔基底上设置的第一催化剂层形成的阳极；f.通过在所述第二通道壁的所述多孔基底上设置的第二催化剂层形成的阴极；g.在所述通道的至少一部分中设置并与所述阳极和所述阴极接触的电解质，从而可防止燃料输送到所述阴极并可防止氧化剂输送到所述阳极；h.设置在所述多孔基底至少一部分上的第一涂层，从而可防止燃料进入所述多孔基底的至少一部分中；i.设置在所述多孔基底至少一部分上的第二涂层，从而可防止氧化剂进入所述多孔基底的至少一部分中；j.在所述第一侧上设置的第一密封挡板，和在所述第二侧上设置的第二密封挡板；k.设于所述第一侧上的正极电接头；及l.设于所述第二侧的负极电接头；及其中制得的燃料电池可产生电流以驱动外部负载。2.如权利要求1所述的燃料电池，其中从所述的第一催化剂层形成的所述阳极设于所述第一通道壁的所述多孔基底中；及从所述的第二催化剂层形成的所述阴极设于所述第二通道壁的所述多孔基底中。-->3.如权利要求2所述的燃料电池，其中所述第一催化剂层和所述第二催化剂层设置在所述多孔基底中达最小深度，从而产生催化活性，所述的最小深度选自：从所述第一通道壁至所述第一侧的距离及从所述第二通道壁至所述第二侧的距离。4.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的第一密封挡板相对所述阳极设置在所述第一侧，所述的第二密封挡板相对所述阴极设置在所述第二侧。5.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的通道形成在所述的多孔基底中。6.如权利要求5所述的燃料电池，其中所述的通道通过选自切割、烧蚀、模压、蚀刻、挤压、压花、层压、镶嵌、熔化和其组合的技术来形成。7.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的通道是波浪形。8.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的通道至少在三个平面中。9.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的氧化剂包括纯氧气、含有氧气的气体、空气、富氧气的空气和其组合。10.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的燃料包括纯氢气、含有氢气的气体、甲酸、含有氨、甲醇、乙醇和硼氢化钠和其组合的水溶液。-->11.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的多孔基底包括平面形。12.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的多孔基底包括包围空间的形状。13.如权利要求12所述的燃料电池，其中所述的多孔基底形状包括圆柱形。14.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的多孔基底是导电材料。15.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的多孔基底包括金属泡沫、石墨、石墨复合物、至少一层硅晶片、烧结的聚四氟乙烯、结晶聚合物、结晶聚合物的复合物、增强的酚醛树脂、碳布、碳泡沫、碳溶胶、陶瓷、陶瓷复合物、碳和聚合物的复合物、陶瓷和玻璃的复合物、回收的有机材料及其组合。16.如权利要求1所述的燃料电池，还包括设于所述第一通道壁和所述第二通道壁之间的支撑件，所述的支撑件包括硅、石墨、石墨复合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、结晶聚合物、结晶共聚物、交联的聚合物、木材及其组合。17.如权利要求1所述的燃料电池，还包括与所述燃料室相连的燃料室出口。18.如权利要求1所述的燃料电池，还包括与所述燃料室相连的燃料室进口。-->19.如权利要求1所述的燃料电池，还包括与所述氧化剂室相通的氧化剂室进口。20.如权利要求1所述的燃料电池，还包括与所述氧化剂室相通的氧化剂室出口。21.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的燃料室包括渗透性材料。22.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的燃料室包括带有流动区的固体材料。23.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的燃料室向周围环境敞开。24.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的电解质是含有磺酸基的全氟聚合物、pH至多为4的酸性水溶液、pH大于7的碱水溶液及其组合。25.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的第一涂层和所述的第二涂层材料相同。26.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的第一涂层和所述的第二涂层材料不同。27.如权利要求1所述的燃料电池，其中至少一层所述的涂层包括聚合物涂层、环氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交联的聚合物、导电金属及其组合。-->28.如权利要求1所述的燃料电池，其中至少一层所述的催化剂层是贵金属、含贵金属的合金、铂、铂合金、钌、钌合金及其组合。29.如权利要求28所述的燃料电池，其中至少一层所述的催化剂层包括含有至少一种贵金属的三元合金。30.如权利要求28所述的燃料电池，其中至少一层所述的催化剂层包括铂。31.如权利要求28所述的燃料电池，其中至少一层所述的催化剂层包括铂-钌合金。32.如权利要求28所述的燃料电池，其中至少一层所述的催化剂层其催化剂加载量不同于另一层催化剂层。33.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的通道其高度为1纳米到10cm，宽度为1纳米到1mm，长度以为1纳米到100米。34.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的燃料电池能够产生约0.25伏到约4伏的电压。35.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的燃料室包括矩形截面。36.如权利要求1所述的燃料电池，其中与所述的燃料室相通的所述多孔基底还包括水平轴，置于所述通道中的所述电解质以垂直于所述水平轴一定的角度放置。37.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的氧气室包括渗透性材料。-->38.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的氧气室包括带有流动区的固体材料。39.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述的氧气室向周围环境敞开。40.一种用于连接外部负载的燃料电池层，其包括至少两个如权利要求1所述的燃料电池。41.如权利要求40所述的燃料电池层，其中从所述的第一催化剂层形成的所述阳极设于所述第一通道壁的所述多孔基底中；及从所述的第二催化剂层形成的所述阴极设于所述第二通道壁的所述多孔基底中。42.如权利要求40所述的燃料电池层，其中所述第一催化剂层和所述第二催化剂层设置在所述多孔基底中至少为最小深度，从而产生催化活性。43.如权利要求40所述的燃料电池层，其中所述的通道形成在所述的多孔基底中。44.如权利要求43所述的燃料电池层，其中所述的通道通过选自切割、烧蚀、模压、蚀刻、挤压、压花、层压、镶嵌、熔化和其组合的技术来形成。45.如权利要求40所述的燃料电池层，其中至少一个所述的通道是波浪形。-->46.如权利要求40所述的燃料电池层，其中至少一个所述的通道是至少在三个平面中。47.如权利要求40所述的燃料电池层，其中至少一个所述的燃料电池还包括：设于所述第一通道壁和所述第二通道壁之间的支撑件，所述的支撑件包括硅、石墨、石墨复合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、结晶聚合物、结晶共聚物、交联的聚合物、木材及其组合。48.如权利要求40所述的燃料电池层，其中至少一个所述的燃料电池包括选自含有磺酸基的全氟聚合物、pH大于7的酸性水溶液、pH至多为4的碱水溶液及其组合的电解质。49.如权利要求40所述的燃料电池层，其中至少一层所述的涂层包括聚合物涂层、环氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交联的聚合物、导电金属及其组合。50.如权利要求40所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层是贵金属、含贵金属的合金、铂、铂合金、钌、钌合金及其组合。51.如权利要求50所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层包括含有至少一种贵金属的三元合金。52.如权利要求50所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层包括铂。53.如权利要求50所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层包括铂-钌合金。-->54.如权利要求50所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层其催化剂加载量不同于另一层催化剂层。55.如权利要求40所述的燃料电池层，其中至少一个所述的通道其高度为1纳米到10cm，宽度为1纳米到1mm，长度以为1纳米到100米。56.如权利要求40所述的燃料电池层，其中每个燃料电池层能够产生约0.25伏到约2500伏的电压。57.如权利要求40所述的燃料电池层，其中所述的燃料电池层包括1～5000个燃料电池。58.如权利要求57所述的燃料电池层，其中所述的燃料电池层包括75～150个燃料电池。59.一种燃料电池层，其包括至少两个如权利要求1所述的连接的燃料电池。60.如权利要求59所述的燃料电池层，其中从所述的第一催化剂层形成的所述阳极设于所述第一通道壁的所述多孔基底中；及从所述的第二催化剂层形成的所述阴极设于所述第二通道壁的所述多孔基底中。61.如权利要求60所述的燃料电池层，其中所述第一催化剂层和所述第二催化剂层设置在所述多孔基底中至少为最小深度，从而产生催化活性。-->62.如权利要求59所述的燃料电池层，其中所述的通道形成在所述的多孔基底中。63.如权利要求62所述的燃料电池层，其中所述的通道通过选自切割、烧蚀、模压、蚀刻、挤压、压花、层压、镶嵌、熔化和其组合的技术来形成。64.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的通道是波浪形。65.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的通道是至少在三个平面中。66.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的多孔基底包括平面形。67.如权利要求59所述的燃料电池层，其中所述的多个燃料电池包括包围空间的形状。68.如权利要求59所述的燃料电池层，其中所述多个燃料电池的所述形状包括圆柱形。69.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的多孔基底是导电材料。70.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的多孔基底包括金属泡沫、石墨、石墨复合物、至少一层硅晶片、烧结的聚四氟乙烯、结晶聚合物、结晶聚合物的复合物、增强的酚醛树脂、碳布、碳泡沫、碳溶胶、陶瓷、陶瓷复合物、碳和聚合物的复合物、陶瓷和玻璃的复合物、回收的有机材料及其组合。-->71.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的燃料电池还包括：设于所述第一通道壁和所述第二通道壁之间的支撑件，所述的支撑件包括硅、石墨、石墨复合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、结晶聚合物、结晶共聚物、交联的聚合物、木材及其组合。72.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的燃料电池包括选自含有磺酸基的全氟聚合物、pH大于7的酸性水溶液、pH至多为4的碱水溶液及其组合的电解质。73.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的燃料电池包括相同材料的第一涂层和第二涂层。74.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的燃料电池包括不同材料的第一涂层和第二涂层。75.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一层所述的涂层包括聚合物涂层、环氧化合物、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、其共聚物、其交联的聚合物、导电金属及其组合。76.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层是贵金属、含贵金属的合金、铂、铂合金、钌、钌合金及其组合。77.如权利要求76所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层包括含有至少一种贵金属的三元合金。-->78.如权利要求76所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层包括铂。79.如权利要求76所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层包括铂-钌合金。80.如权利要求76所述的燃料电池层，其中至少一层所述的催化剂层其催化剂加载量不同于其它的催化剂层。81.如权利要求59所述的燃料电池层，其中至少一个所述的通道其高度为1纳米到10cm，宽度为1纳米到1mm，长度以为1纳米到100米。82.如权利要求59所述的燃料电池层，其中所述的燃料电池层能够产生约0.25伏到约2500伏的电压。83.如权利要求59所述的燃料电池层，中所述的燃料电池层包括1～5000个连接的燃料电池。84.如权利要求83所述的燃料电池层，其中所述的燃料电池层包括75～150个连接的燃料电池。85.一种制备燃料电池层的方法，包括如下步骤：a.形成多孔基底，其包括顶部和底部、第一侧和第二侧；b.用第一涂层涂覆顶部的至少一部分；c.用第二涂层涂覆底部的至少一部分；d.使用所述多孔基底形成多个不同的通道，其中每一个不同的通道包括第一通道壁和第二通道壁；e.通过在所述第一通道壁上设置多个第一催化剂层形成多个阳极；-->f.通过在所述第二通道壁上设置多个第二催化剂层形成多个阴极；g.在每个不同通道的至少一部分中设置电解质；h.在所述第一侧的至少一部分上设置第一密封挡板；i.在所述第二侧的至少一部分上设置第二密封挡板；j.在不同通道之间形成多个第三密封挡板，从而在所述多孔基底上产生多个彼此相邻的独立的燃料电池；k.将正极电接头与所述多孔基底的第一侧固定；l.将负极电接头与所述多孔基底的第二侧固定；m.将燃料电池正极电接头与每个独立的燃料电池固定；n.将燃料电...

【专利技术属性】
技术研发人员：格拉尔德弗朗西斯麦克莱恩，
申请(专利权)人：昂斯特罗姆动力公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]