电化学电源的设计和组件制造技术

本发明专利技术涉及电化学电源的设计和组件。本发明专利技术尤其是提供了离子传导膜组件，其包括：多孔芯以及将该多孔芯夹在中间的两个离子传导膜；其中所述多孔芯适于保持离子传导液体。

【技术实现步骤摘要】
电化学电源的设计和组件本专利技术是优先权日为2004年5月21日的专利技术名称为“电化学电源的设计和组件” 的中国专利技术专利申请No. 200580020505. 3 (PCT/US2005/016644)的分案申请。本专利技术尤其是涉及燃料电池和其它电化学电源，包括燃料电池堆组件，以及用于 燃料电池的装置。本专利技术还可以应用于其它电化学系统，例如可逆燃料电池和液流电池 (flow battery)0图IA中显示了燃料电池堆组件FCS。基本元件是燃料电池5，其由膜电极组件1、 膜电极组件1 一侧上的阴极室和其另一侧上的阳极室组成。这些室位于所示的密封件2内。 在这些燃料电池元件5之间是双极板3。双极板电学连接燃料电池堆5。通常还结合另外的 冷却板6来改善热消散。在该图中，在两端由端板4封闭电池堆。在图IB中单独显示了燃 料电池。膜电极组件典型地包括电解质16(例如聚合物电解质膜或碱性电解质)和电极17 及扩散层7。电极典型地包括负载材料和催化剂，例如贵金属、过渡金属或者这些的合金。燃料电池中使用的离子传导膜典型地在低于95°C的温度下工作，使用清洁的氢作 为燃料。一些膜用甲醇燃料工作，但是具有不令人满意的甲醇通过膜的渗透(甲醇穿透)， 这会降低能量效率。因此，需要新的对氢燃料电池在更高温度(120-20(TC)下工作，或者对 于直接甲醇燃料电池甲醇穿透低的膜。本专利技术尤其是提供了用于解决这些问题的离子传导 膜的设计。典型地使用负载催化剂的材料来负载催化剂颗粒，并且从催化剂颗粒上将电子传 导给气体扩散层，然后是双极板，并且然后是电池堆的下一个电池。通常使用炭黑作为负载 材料，但是难以一致地加工炭黑并且其电子电导不令人满意。本专利技术尤其是提供了改善电 学连接性的催化剂负载层的设计和加工方法。双极板必须是导电的，但是不允许反应物从分开的燃料电池中迁移。通常使用石 墨板，但是这种板是昂贵的，并且它们的机械强度是不太可取的。可以使用金属，但是金属 板通常太容易腐蚀。金以及已经开发的更奇异的金属材料具有更大的化学耐性，但是耐腐 蚀金属材料的成本高。另外，双极板的电流场和表面性质对于燃料电池、液流电池等的性能 是重要的。本专利技术尤其是提供了(i)解决这些问题的双极板的设计和(ii)用于这种新双 极的气体扩散层的设计。扩散层应该具有多孔结构并且是导电的。另外，应该使扩散层与电极或双极板之 间的电接触电阻最小化以降低内部功率损耗。本专利技术尤其是提供了具有低接触电阻的扩散层。为了在移动和便携式设备，例如使用小汽车、卡车、拖拉机等，或者收音机、移动电 话、媒体播放机等中使用氢燃料电池，具有高燃料密度的氢燃料源是有用的。本专利技术尤其是 提供了提供高密度氢源的设计和将氢源集成入完整燃料电池电源系统的设计。相信所述设计能降低制造成本、增加燃料电池效率并且降低燃料电池重量或体 积。
技术实现思路
在一个实施方案中提供了离子传导膜组件，其包括多孔芯以及将该多孔芯夹在中间的两个离子传导膜；其中所述多孔芯适于保持离子传导液体。这种离子传导膜可以用 于电化学电源中，例如在30°c -200°c，或者110°C -200°c下工作的电源。在另一个实施方案中提供了多孔电极，其包括多孔导电基体；由该多孔导电基体 负载的碳纳米管；以及沉积在碳纳米管上的电极催化剂。在另一个实施方案中提供了电化学电源堆组件，其包括两个或多个电化学电池； 位于两个电化学电池间的双极板，(i)其包含金属层和一层或多层抵抗层，抵抗层包括通过 该(一层或多层)抵抗层的导电通路(vias)，或者(ii)其基本由下面组成(1)包含抵抗层 的芯，抵抗层包括通过该抵抗层的导电通路，和(2)在该抵抗层两个主要表面上的金属涂层。尽管举例来说条目(1)包含其特征，但是“基本由......组成”指条目(1)和(2)。在它是表面层的情况中，“抵抗”层是足以抵抗由于与相关电化学电池接触引起的腐蚀的层， 从而其将使(如果这是唯一可变的)电化学电源堆具有合理的寿命。在内部的情况中，“抵 抗”层是不具有充分电导的层，从而通路改善了作为电源的功能。这种抵抗层可以由，但不 一定由认为是介电性的材料组成。在另一个实施方案中提供了电化学电源组件，其包括两个或多个电化学电池 (power cell)；位于两个所述电化学电池之间的双极板；以及对于一个或多个所述电化学电 池位于所述电化学电池的离子传导膜和所述双极板之间的扩散层，该扩散层包括多孔的碳垫 层，其在至少一个主要表面上包括导电能力大于所述碳垫层的导电区图案，该区域适合与所 述双极板电接触。该双极板包括适合与所述扩散层的导电区域对齐并且接触的电接触。在另一个实施方案中提供了固体氢源，其包括包含复合氢化物和活性金属的混 合物、入口通道和出口通道的容器；以及加热所述复合氢化物/金属混合物的电加热器。可 以使用这种固体氢源与在水源之间具有一个或多个阀的导管在需要时产生氢。附图说明图IA和IB显示了燃料电池堆的基本元件。图2和3表示了混合离子传导膜的元件。图4和5表示了电极结构。图6A和6B表示了双极板。图7A、7B、7C、8、9和10表示双极板。图1IA和1IB表示了扩散层。图12表示了固体氢源。具体实施例方式图2表示了具有将多孔芯112夹在中间的离子传导膜111的混合离子传导膜组 件100。当相信一个夹持的多孔芯在许多情况中是足够的时，多个也是可以的。操作中， 将多孔芯112浸泡在液体电解质溶液中，例如酸的水溶液中。离子传导膜111例如可以是 Nafion (可购自 Dupont)等。多孔材料例如可以是石英、玻璃、陶瓷或金属。如果是玻璃或石英，可以刻蚀它以提供孔，或者它可以是玻璃纤维垫、布和纸。多孔芯的厚度例如是10-2000微米。在某些实 施方案中，厚度可以是从下面的下限之一(包括)或者从下面的上限之一(包括)。下限 是 10、20、50、100、200、400、800、1，200,1, 600 和 2，000 微米。上限是 20、50、100、200、400、 800、1，200、1，600、2，000和5，000微米。举例来说，厚度可以为50-200微米。在某些实施 方案中，孔尺寸可以从下面的下限之一(包括)或者从下面的上限之一(包括)。下限是 5、10、20、50、100、200、400 和 800nm 以及 1、5、10、20、30、50 和 100 微米。上限是 10、20、50、 100、200、400 和 800nm 以及 1、5、10、20、30、50、100 和 200 微米。图3表示了混合离子传导膜组件实施方案的剖面的放大图。图2中表示了放大表 示的该部分(仅为了举例说明假定在图2所示的离子传导膜组件中使用该实施方案)。该 实施方案具有主孔214和介孔215。主孔和介孔可以构成整个芯区，或者可以有结构或填料 组件213。在某些实施方案中，介孔尺寸可以从下面的下限之一(包括)或者从下面的上限 之一(包括)。下限是 5、10、20、50、100、200、300 和 400nm。上限是 20、50、100、200、300、 400和500nm。对于较大的孔(例如主孔214)，在某些实施方案中，孔尺寸可以从下面的下 限之一(包括)或者从下面的上限之一(包括)。下限本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极板，（ｉ）其包含一层或多层金属层和一层或多层抵抗层，该抵抗层包括通过该（一层或多层）抵抗层的导电通路，或者（ｉｉ）其基本由包含通过该（一层或多层）抵抗层的导电通路的一层或多层抵抗层，以及涂覆在该（一层或多层）抵抗层的两个主要表面上的金属层组成，其中适用下面的一种或多种情况：（Ａ）该双极板包括夹在两个包含通路的抵抗层之间的金属层；或者（Ｂ）该双极板是根据（ｉｉ）的；或者（Ｃ）该双极板包括适于运载热交换流体的内部通道；或者（Ｄ）该双极板包括适于运载热交换流体的内部通道并且该内部通道在金属层内；或者（Ｆ）该双极板包括适于运载热交换流体的内部通道并且该内部通道在金属层和抵抗层之间；或者（Ｇ）该双极板两个主要外表面中的至少一个具有适于在该（一个或多个）主要外表面上铺展凝结水的微通道或者凹坑；或者（Ｈ）该双极板是有波纹的；或者（Ｉ）成形至少一个双极板的外表面以便为电化学反应物的流提供通道。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：王丛桦，
申请(专利权)人：沙诺夫公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]