燃料电池中产生的水通过包含至少一个疏水性元件（２６）和亲水性元件（２３）的组件来管理和／或调节。该亲水性元件（２３）与阴极（１８）外表面（２０）的至少一个第一区域接触。该疏水性元件（２６）覆盖与阴极（１８）外表面（２０）相对的亲水性元件（２３）的整个表面（２４），并且其包含开放该亲水性元件（２３）所述表面（２４）的区域的至少一个贯穿开口（２７）。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种燃料电池，更具体地，涉及一种燃料微电池(fuel microcell)， 其包含连续堆叠的阳极、电解质膜和阴极，以及在所述阴极的至少部分外表面上设置的组件，该组件包含与该阴极 外表面的至少一个第一区域接触的至少一个亲水性元件和覆盖该亲水性元 件的与该阴极外表面相对的整个表面的疏水性元件。
技术介绍
在燃料电池领域中，目前有两类电池，压滤型堆叠的燃料电池和通过源造的微型燃料电池。例如，在图1中示出了在微型燃料电池中使用的基本燃料电池。它包含 具有前表面la和后表面lb的电解质膜l。前表面la和后表面lb分别且连 续地被第一催化剂层2a和第二催化剂层3a以及扩散层2b和3b覆盖。第一 催化剂层2a和第一扩散层2b形成阳极2,而第二催化剂层3a和第二扩散层 3b形成阴极3。第一集电器4和第二集电器5分别设置在第一扩散层2b和 第二扩散层3b的外表面上。该EME堆叠以及第一集电器4和第二集电器5 构成了单个基本电池。它们每一个都通过金属沉积来形成，并且包含设计用 来使得流体穿过并到达扩散层的多个横向通道4a和5a。从而，常用来作为 燃料的氢能穿过阳极集电器4的横向通道4a而到达阳极2的扩散层2b。常 作为易燃剂的氧或空气穿过阴极集电器5的横向通道5a而到达阴极3的扩 散层3b。在燃料电池操作期间产生的水同样地经由相同的横向通道5a移除。被称为压滤型堆叠电池的电池一般包含串联设置的很多基本电池。每一 个电池包含由电解质膜隔开的阳极和阴极组成的堆叠。该堆叠， 一般被称为 EME(电极-膜-电极)堆叠，被设置在两个集电板之间。 一组基本电池构成 压滤型组件，将夹板(clamping plate )栓接至EME堆叠组的每一侧。因此，图2示出了压滤型电化学电池，如在图1中所示的，其包含由设置在两个流体分配层10和11之间的阳极7、电解质膜8以及阴极9构成的组件6。层 10和11是电传导层，并作为气体和液体从循环通道12进入电化学电池和离 开电化学电池到循环通道12的管道(duct)。关于这种类型的燃料电池以及关于通过源自微电子技术的技术手段获 得的燃料电池，给电极供应反应流体以及去除电池操作期间形成的产物产生 了一些问题。更具体地，管理燃料电池中的水对于使燃料电池良好操作尤其 重要。事实上，燃料电池或电化学电池中过多的水会淹没阴极。于是氧或空 气到阴极的催化剂位置的通道被阻挡，电池停止工作。如在图2中所示的，专利申请US-A-2005/0181264提出使用特殊的阴极 集电板来改进对压滤型电化学电池产生的水的管理。于阴极9外表面9a上 设置的层11表现出一定的疏水性，从而将电化学电池产生且包含于阴极9 中的水向通道12推挤。但是，层11的疏水性比阴极9的疏水性低。而且， 通道12的壁由堆叠多孔亲水性层13和流体不渗透层14而构成。多孔亲水 性层13吸引在阴极9中通过毛细管力堆积的水，并且不渗透层14在不同的 电化学电池之间形成物理屏障，它们一起增强将水移除到通道12。但是，这种方案还不令人满意，因为水的完全排出还引起操作问题。事 实上，这将使得电解质膜逐渐变干，从而降低了它的离子传导率，其导致电 池操作能力降低。在专利申请US2004/0137311中，通过i殳置与EME堆叠的电极的催化剂 层接触的扩散载体来控制水管理。每个扩散载体包含两个叠置层与电极接 触并由用来传输水的多孔基体(matrix)和颗粒构成的第一层，以及覆盖整 个第一层的疏水性第二层。但是，由于在整个第一层上设置的疏水性层具有 将水排斥到电池中心的缺点，所以通过这样的扩散载体来管理燃料电池中产生的水流不是令人满意的。当产生大量水时，疏水性层的存在会引起淹没第 一层的危险，并因此降低堆叠(stack)性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是"t是供一种消除现有技术缺陷的燃料电池。更具体地，本 专利技术的目的是制造一种燃料电池，其具有使得燃料电池中的湿度被有效管理 并表现出最佳性能的组件。根据本专利技术，通过附加的权利要求实现这个目的。更具体地，通过疏水性元件包含开放亲水性元件所述表面的区域的至少一个贯穿开口 ( through叩ening)来实现这个目的。 附图说明通过仅用于非限制性目的并且在附图中呈现的本专利技术的具体实施例的 以下描述，其它优点以及特征将变得更显而易见，其中和第二实施例；图3示出了电化学电池中的水流变化与三种类型热交换表面的温度的关 系图4示出了根据本专利技术的燃料电池的具体实施例； 图5和6示出了在图4中示出的实施例的两个变形。具体实施例为了获得性能良好的燃料电池，优选为以液体形式排除和/或蒸发的水量 不比阴极产生的水量大，使得电解质膜不会由于缺水而变干。事实上，阴极产生的水量单独地依赖于燃料电池操作电流，而排除的水 量依赖于燃料电池中的温度以及堆叠与燃料电池外部之间的热交换表面的 可润湿性。用于示例，在图3中，曲线A、 B和C示出分别对于三种类型的热交换 表面，电化学电池中排出水流(waterflow)的变化与燃料电池温度的关系。 与曲线B对应的热交换表面是与石墨阴极外表面对应的参照热交换表面。分 別与曲线A和C对应的热交换表面分别是疏水性的和亲水性的。疏水性热 交换表面可通过例如利用碳氧化硅膜覆盖阴极外表面获得，而亲水性表面通 过利用碳氧化硅膜覆盖相同阴极的外表面并利用UV线进行曝光(exposure ) 获得。在图3中绘制曲线D、 E和F确定电化学电池中产生的水与排除的水之 间的平tf点。曲线D-F实质上表示了对于100mA、 150mA和200mA的操作 电流，阴极产生的水流变化。从其中可以发现，对于产生的水流(曲线D、 E或F)，根据环境条件存在两个平衡点，即两个可能的操作温度。这两个平4軒点对应于曲线D、 E或F与曲线A和C的交叉点。因此，阳极-电解质膜-阴极堆叠中的湿度必须通过组件来管理，该组件 使得阴极产生的水能以可控方式被调节。因此，根据本专利技术，燃料电池中产 生的水，尤其是燃料微电池中产生的水，通过在阴极的至少部分外表面上设 置组件来管理和/或调节。组件包含至少一个疏水性元件和亲水性元件，最好 每个具有在10 ia m和10mm之间的厚度。才艮据图4中所示的具体实施例以及才艮据图5和6中所示的可选实施例， 燃料微电池15包含连续堆叠的阳极16、电解质膜17和阴极18。阳极16和 阴极18分別具有在其上分别设置集电器21和22的外表面19和20。集电器 21和22集成在堆叠6中。它们每一个由包含贯穿通道的薄层构成，开放所 述外表面的区域。具有所述贯穿通道的阴极集电器22被优选由亲水性层13构成的亲水性 元件覆盖。因此，没有被阴极集电器22覆盖的阴极18外表面20的区域被 亲水性层23覆盖，从而在阴极18外表面20的所述区域与亲水性层23之间 形成了接触。亲水性层23包含例如选自多孔石墨、被处理以获得亲水性表面的陶瓷 以及具有亲水性官能团(fimction)的聚合物的材料，而疏水性元件可包含 选自氟化聚合物、非晶硅碳氧化物以及碳纳米管的材料。亲水性层23还包含与接触阴极18外表面20的表面相对的优选平坦的 表面24。在图4至图6中，亲水性层23的厚度比阴极集电器23的厚度大。 因此，阴极集电器22包含由亲水性层2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池，包含： 连续堆叠的阳极（１６）、电解质膜（１７）和阴极（１８）， 以及在所述阴极（１８）的至少部分外表面（２０）上设置的组件，并且该组件包含与该阴极（１８）外表面（２０）的至少一个第一区域接触的至少一个亲水性元件（２３）和覆盖与该阴极（１８）外表面（２０）相对的亲水性元件（２３）的整个表面（２４）的疏水性元件（２６）， 电池特征在于，该疏水性元件包含开放该亲水性元件（２３）所述表面（２４）区域的至少一个贯穿开口（２７）。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：让伊维斯劳伦特，马克普利森尼尔，丹尼斯洛凯特利，文森特福丘克斯，
申请(专利权)人：原子能委员会，
类型：发明
国别省市：FR[法国]
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