具有大活性表面区域和小体积的燃料电池组及其生产方法技术

本发明专利技术涉及一种制造燃料电池组的方法，其包含一个在至少两个基体（９）上形成多个孔（１０）的步骤，每个孔位于单个燃料电池单元的位置，所述孔具有特定几何形状，例如截锥形或截棱锥形。随后各个单个电池单元通过电连接网络（１１、１２）电力连接，并且通过一个反应物分配网络供给，组件由基体（９），电池和组成了基本模块（９’）的网络形成。最后，组装至少两个基本模块（９’），每个基本模块的单个电池单元面对邻近基本模块的单个电池单元放置。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
生产具有大活性表面区域和小体积的燃料电池组的方法
本专利技术涉及一种生产具有大活性表面区域和小体积的燃料电池组的方法。本专利技术因此涉及燃料电池组的领域，尤其涉及一种以固体聚合物隔膜作为电解质的燃料电池组，例如PEMFC(“质子交换隔膜燃料电池组”)和DMFC(“直接甲醇燃料电池组”)。使用固体聚合物电解质型的燃料电池组特别应用于陆上、空中和水上运输，尤其是应用于陆上交通工具，这是当前众多发展计划主题，以便寻找在电动车中使用电池的替代品。
技术介绍
通常，燃料电池组由许多单个电池单元的堆积构成。这些电池单元中的每一个都包含位于电解质两边的一个阳极和一个阴极。例如用于氢燃料电池的氢H2的燃料在阳极氧化，因此产生质子和电子。通过电解质，电子与外部电路再结合，而质子被引向阴极，通常是按照离子传导隔膜的形式。在阴极位置发生燃料氧化，例如在氢燃料电池组的情况下，伴随着空气中的氧气产生了水，该水是来自还原产生的离子和质子的再结合。在一个单独的电池单元上获得的功率密度是十分低的，并且通常不足以使电力设备工作。因此为了获得足够的功率，将很多这些单个的电池单元组装起来是十分必要的。通过一些单个电池的单元堆积通常可以实现组装，依靠密封的被称为双极板的金属板来分隔电池单元。在燃料电池组领域的现有技术中，已经提出了许多结构。因而，中等功率燃料电池组，即每一电池单元具有10到50千瓦的燃料电池组，通常通过压滤器结合双极板和隔膜电极组件装配而成，双极板由石墨或不锈钢制成，通过压缩两个织物电极和一个由NAFION制成的质子传导隔膜而得到隔膜电极组件。被称为微型燃料电池组的低功率燃料电池组，即每一个电池单元-->具有0.5到50瓦功率，对于其制作来说，需要开发体系结构和方法，其来源于微电子技术。难点在于微电极装配质子传导材料的薄膜。此外，微电极必须具有：高的电子传导率；在用于氢/空气燃料电池的PEMFC体系结构情况下，具有气体尤其是氢的高渗透性；而在用于甲醇/空气燃料电池的DMFC体系结构情况下，具有气体和甲醇的高渗透性；具有在小表面区域采取薄膜形式的能力；以及良好的热力强度。该微电极还必须带有适合沉积分散形式的催化剂的表面。在文献中，可分出一些基于多孔硅的体系结构，为了形成隔膜电极组件，催化剂和随后的NAFION接连沉积到多孔硅上。然而，各个层的不良粘着力限定了此种类型设备的性能，因此，产生了强烈的界面阻力，并且非常微弱的催化剂分散也限定了此种类型设备的性能，为了获得强有力的电子传导沉积，催化剂须被细致地分开。各个实验室发展了无孔硅的技术。从而，来自Lawrence Livermore国际实验室的小组通过首先在硅基体上沉积用作电子集电极的金属性镍薄膜从而制作了一个微型燃料电池。然后，催化剂和随后的质子导体相继沉积在镍上。随后为了使催化剂和还原剂相互接触，也就是按照预定的燃料电池系统的氢或者甲醇，经化学腐蚀镍被穿孔。此技术具有尤其是与镍特性相关的某些缺点。特别地，镍对于由质子导体的强酸性引起的腐蚀现象十分敏感。而且，催化剂在穿孔的镍层中较弱地分散，该穿孔镍层的引起还原剂在催化剂上面的均一分散的能力较低。最终，此技术导致很少可能出现三相点。专利说明书WO 97/11503[1]和美国专利5,759,712[2]描述了一种燃料电池组体系结构，其基于使用浸渍质子传导材料的多微孔基体作为微型燃料电池组系统的中心元件。使用传统的真空喷涂法技术，形成燃料电池组所需的各种材料因此沉积在基体每一侧。此专利技术存在两个主要缺点：首先，聚合体基体的易碎性，特别当用侵袭性的真空喷涂法技术处理时；第二，不良的电化学性能，特别是与缺乏活性表面区域相关，且也与直接形成在质子交换隔膜上的催化剂沉积的易碎性相关。所批露的所有体系结构都具有完全平坦的独特特征，这意味着不可以获得充分大的电极表面区域从而为便携式电子设备供给能量。为此，现有技术提出了多种非平面几何形状。-->美国专利6,080,501[3]、6,007,932[4]和6,001,500[5]描述了一个微型燃料电池的圆柱体结构。此体系结构是基于围绕由金属化泡沫塑料制成的心轴而缠绕一个传统使用的平面几何形状的电极-隔膜-电极组件。然而，这种类型组件的性能受到了限制，因为如下两个主要原因：-起初为平面的电极-隔膜-电极组件不适合圆柱几何形状，这意味着几乎不可能在平面电极-隔膜-电极组件缠绕后重新建立阳极-阳极、阴极-阴极和隔膜-隔膜的接触；-集电极不能与阳极和阴极密切接触，导致了过高的界面阻力。另一个美国小组研发了一种类似的管状微型燃料电池组设计。一个电极-隔膜-电极组件被卷绕形成圆柱体。此圆柱体随后集成到一“圆柱体托架”的金属设备中，使得确保电流聚集。然而，这种类型的体系结构不适合便携式电子设备，特别是由于使用“圆柱体托架”系统而产生的巨大体积。专利JP 63 138667[6]提出了一个用来实现非平面的燃料电池组结构的方法，所述方法在于在一个栅格形式的载体的孔的一部分的内表面上沉积电池组薄膜。该专利还描述了组装多个这样的载体的可能性。然而，所描述的方法获得的设备具有以下缺点：-由于孔的构造，且更明确的由于孔是高度很低的平行六面体形式，因此在所述孔的内表面上实施规则的电池薄膜是困难的；-由于在此文献中孔的几何形状和排列，因此必须将栅格形式的载体上的孔的部分用于传送供应燃料电池组的反应物，这导致用于沉积电池组薄膜的表面区域的损失，因此导致由此结构所引起的所述电池组的能量损失。因此迫切需要一个方法来生产燃料电池组，使得如下所述成为可能：在保持大电极活性表面区域和允许实现电力连接网络及反应物分布的同时，获得具有尽可能小的整体体积的燃料电池组。而且，对于此类型的燃料电池组来说，如下所述可能是需要的：能够研发出一种与在此领域中，特别是陆上运输中使用的所述燃料电池组兼容的电源。-->
技术实现思路
因此本专利技术目的是提出一种用来生产燃料电池组的方法，其适用于平常的设备，尤其能满足以上提及的需求，并且没有现有技术的缺点、不利、不足和限制，并且特别实现了一种具有比占用的地面面积大得多的活性表面面积的电池组。此外，本专利技术的目的是提供一种用来生产燃料电池组的方法，其使得获取高能量燃料电池组成为可能，而同时节约了用于所述燃料电池组的形成反应物连接和电力连接网络的大的空间。最后，本专利技术的目的是提供一个减小体积的燃料电池组，其依然具有大活性表面区域。根据本专利技术，通过生产燃料电池组的方法可实现这个和进一步的目的，所述燃料电池组包括一组彼此电连接的单个电池单元，每一个电池单元包括至少三层，即一个位于第一电极层和第二电极层之间的隔膜层，所述方法按次序包括以下步骤：-在至少两个载体上形成多个孔的步骤，通过第一孔截面和第二孔截面，每个孔在每个载体的两个相对面两侧开口，且每个孔具有侧面；-在每一个所述孔的侧面形成单个电池单元的步骤；-在每个载体至少一个所述相对面上形成电连接网络和反应物分配网络的步骤，所述网络使单个电池单元彼此连接，组件由载体形成，单个电池单元和所述网络组成了一个基本模块；-这种组装至少两个基本模块的步骤，使得每个基本模块的单个电池单元对着邻近基本模块的单个电池单元放置。所述方法的特征在于，在形成多个孔的步骤期间，每一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产燃料电池组的方法，所述燃料电池组包括一组彼此电连接的单个电池单元，每一个单个电池单元包括至少三个层，即位于第一电极层和第二电极层之间的隔膜层，所述方法按次序包括以下步骤：－在至少两个载体（９）中形成多个孔（１、１０）的步骤， 通过第一孔口截面（１ａ）和第二孔口截面（１ｂ），每一个孔在每一个基体的两个相对面（９ａ，９ｂ）两侧开通，并且每一个孔口具有一个侧表面（１ｃ）；－在每一个所述孔的侧表面（１ｃ）上形成单个电池单元的步骤；－在每一个基体的至少一个 所述相对面上形成一个电连接网络（１１、１２）和一个反应物分配网络的步骤，所述网络将单个电池单元相互连接，组件由一个基体，单个电池单元和组成一个基本模块（９’）的所述网络形成；－以下述的方式组装至少两个基本模块（９’）的步骤：每一个基 本模块的单个电池单元面对邻近基本模块的单个电池单元放置，所述方法的特征在于，在形成多个孔的步骤期间，以这种方式来形成每一个孔：每个孔的所述第一或第二孔口截面（１ａ，１ｂ）中的至少一个具有的表面区域小于在一平行于所述相对面的平面内开出 的所述孔的至少一个横截面的表面区域，并且对于每一个孔，第一或第二孔口截面具有比其他孔口截面的表面区域小的表面区域。...

【技术特征摘要】
FR 2001-11-16 01/148411.一种生产燃料电池组的方法，所述燃料电池组包括一组彼此电连接的单个电池单元，每一个单个电池单元包括至少三个层，即位于第一电极层和第二电极层之间的隔膜层，所述方法按次序包括以下步骤：-在至少两个载体(9)中形成多个孔(1、10)的步骤，通过第一孔口截面(1a)和第二孔口截面(1b)，每一个孔在每一个基体的两个相对面(9a，9b)两侧开通，并且每一个孔口具有一个侧表面(1c)；-在每一个所述孔的侧表面(1c)上形成单个电池单元的步骤；-在每一个基体的至少一个所述相对面上形成一个电连接网络(11、12)和一个反应物分配网络的步骤，所述网络将单个电池单元相互连接，组件由一个基体，单个电池单元和组成一个基本模块(9’)的所述网络形成；-以下述的方式组装至少两个基本模块(9’)的步骤：每一个基本模块的单个电池单元面对邻近基本模块的单个电池单元放置，所述方法的特征在于，在形成多个孔的步骤期间，以这种方式来形成每一个孔：每个孔的所述第一或第二孔口截面(1a，1b)中的至少一个具有的表面区域小于在一平行于所述相对面的平面内开出的所述孔的至少一个横截面的表面区域，并且对于每一个孔，第一或第二孔口截面具有比其他孔口截面的表面区域小的表面区域。2.根据权利要求1所述的生产燃料电池组的方法，其特征在于，孔基本是截锥形。3.根据权利要求1所述的生产燃料电池组的方法，其特征在于，孔基本是截棱锥形。4.根据权利要求1至3中任一项所述的生产燃料电池组的方法，其特征在于，在每一个基体上形成的每一个孔具有一个第一孔口截面和一个第二孔口截面，这些孔口截面具有比所述孔的侧表面小的表面区域。5.根据权利要求1至4中任一项所述的生产燃料电池组的方法，其特征在于，通过蚀刻在每一个基体上形成孔。6.根据权利要求1至4中任一项所述的生产燃料电池组的方法，其特征在于，通过激光消融术在每一个基体形成孔。-->7.根据前述权利要求的任一项所述的生产燃料电池组的方法，其特征在于，基体由选自硅材料组成，例如多孔硅、石墨、陶瓷和聚合体。8.根据前述权利要求的任一项所述的生产燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：J阿罗约，D布洛克，JY劳伦特，D马萨克，
申请(专利权)人：法国原子能委员会，
类型：发明
国别省市：FR[法国]