專利名稱：限定甲醇穿過電解質(zhì)的燃料電池基礎(chǔ)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有(PEM)(質(zhì)子交換膜)的質(zhì)子交換膜類型，特別是(DMFC)(直接甲醇燃料電池)類型的燃料電池領(lǐng)域，使用甲醇或者其它醇類作為燃料，本發(fā)明特別涉及具有用于供應(yīng)便攜設(shè)備，即質(zhì)輕且尺寸非常小的設(shè)備的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池一般使用氫氣作為燃料，氧氣作為助燃劑。然而，在用于給便攜設(shè)備供能的燃料電池中，燃料所占的體積必須降低到最小?？紤]到液體燃料的能量單位體積密度一般高于氫氣的能量單位體積密度，因此選擇液體燃料作為燃料。
正如在其它的燃料電池中那樣，燃料用于在陽極被催化氧化，以便提供一些質(zhì)子，電子和導(dǎo)致二氧化碳的連續(xù)的氧化作用生成物。一般由Nafion類型的傳導(dǎo)質(zhì)子的膜構(gòu)成的電解質(zhì)朝向陰極引導(dǎo)質(zhì)子，以便與氧氣發(fā)生反應(yīng)并且形成水。這種燃料電池的主要問題在于燃料穿過該電解質(zhì)膜的滲透，以便在陰極直接與氧氣反應(yīng)。該反應(yīng)有兩個(gè)主要的結(jié)果，即在陰極產(chǎn)生降低該電池的整體電壓的混合電壓，和降低了由于整體功能的最大使用時(shí)間而對(duì)燃料的過多消耗。另外該燃料在電解質(zhì)中的橫向遷移一般不可以避免，因?yàn)橘|(zhì)子導(dǎo)體含有水質(zhì)系統(tǒng)以便有利于質(zhì)子的通過并且燃料在該水質(zhì)系統(tǒng)中擴(kuò)散非常快，其中燃料可溶于該水質(zhì)系統(tǒng)。
國際申請(qǐng)WO-10/37357描述了具有硅基片的燃料電池，其中鈀、鈮、鉭或者釩制的密封格柵位于陽極和陰極之間，并且最好連接到陰極上。這個(gè)原理完全是物理的，即該薄膜構(gòu)成了甲醇通過的障礙物。另外，該方法具有下述的兩個(gè)主要缺點(diǎn)-由在該金屬膜中的吸收/擴(kuò)散/析出反應(yīng)導(dǎo)致的該質(zhì)子遷移的減慢；-在該膜中阻擋了水的運(yùn)動(dòng)，因此建立了更加干燥并且因此較少的傳遞離子的區(qū)域。
本發(fā)明的目標(biāo)是解決這些缺點(diǎn)并且提出不同的概念，以便完全為了通過在該電解質(zhì)中使用甲醇增加該電池的效率，防止甲醇穿過電解質(zhì)層直到陰極。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的主要目標(biāo)是包括在陰極和陽極之間的電解質(zhì)的燃料電池的基礎(chǔ)元件。
根據(jù)本發(fā)明，該陽極包括設(shè)置成浸漬在該電解質(zhì)中并且電連接到外部部分上的內(nèi)部部分。
該電解質(zhì)最好為薄膜形式或者層形式。
該內(nèi)部部分可以包括多個(gè)不同材料層。
該內(nèi)部部分最好平行于該外部部分。
該內(nèi)部部分還可以包括至少一種泡沫材料。
該內(nèi)部部分最好可以實(shí)施為一個(gè)或者多個(gè)格柵形式。
在本發(fā)明的基礎(chǔ)元件的優(yōu)選實(shí)施例中，燃料為一種醇，最好是選自乙醇、甲醇和乙二醇。


本發(fā)明和其不同的特征將在參照附圖閱讀了隨后的說明書后被很好地理解，附圖包括-圖1為截面圖，本發(fā)明的基礎(chǔ)元件的主要原理；和-圖2為部分截面圖，根據(jù)本發(fā)明的基礎(chǔ)元件的特別的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)的方式總是在于使得在電解質(zhì)中在燃料到達(dá)陰極之前使燃料發(fā)生反應(yīng)。
圖1示出了該基礎(chǔ)元件的一部分的截面圖，其很好示出了所應(yīng)用的原理。附圖標(biāo)記為3和4的電解質(zhì)占用了該元件的主要部分。在一側(cè)面，即右側(cè)在該電解質(zhì)4的右側(cè)部分的外部表面上設(shè)有陰極2，該陰極2按常規(guī)方式設(shè)置。在該電解質(zhì)3的外部表面的左側(cè)部分上設(shè)有陽極的外部部分11。該陽極的外部部分還包括內(nèi)部部分12，該內(nèi)部部分12平行于外部部分11并且浸漬在該電解質(zhì)的中間。該內(nèi)部部分12通過連接10電連接到外部部分。這個(gè)包括連接10、外部部分11和內(nèi)部部分12的組件，通過一導(dǎo)體13連接到該元件的外部。必須指出該陽極的內(nèi)部部分12不包括由不可機(jī)械通過的障礙物構(gòu)成的平板或者實(shí)心層，而是相反該陽極的內(nèi)部部分12包括格柵。該格柵具有多種不同的形式，網(wǎng)眼可以是圓的、方的、六角的或者其它形狀，允許了質(zhì)子通過以及平衡膜的水含量的水的運(yùn)動(dòng)。陽極和特別是由內(nèi)部部分12構(gòu)成的格柵，必須由允許氧化該燃料的材料構(gòu)成，例如鈀、鉑或者釕或者其它。該內(nèi)部部分因此允許不在該外部陽極處反應(yīng)的燃料在這個(gè)位置反應(yīng)，以便到達(dá)該陰極的燃料的數(shù)量最小。
該電解質(zhì)可以為任何的質(zhì)子傳導(dǎo)的聚合物，例如Nafion。這些電極最好是以鉑為基。該燃料可以是醇，例如乙醇，甲醇，乙二醇。
表示該電解質(zhì)的內(nèi)部3和4的幾個(gè)箭頭示出了燃料從陽極向陰極遷移，并且示出通過該陽極的內(nèi)部部分限定遷移現(xiàn)象。在該陰極2的側(cè)面導(dǎo)致了質(zhì)子與氧氣的反應(yīng)，因此產(chǎn)生了水。
在這些附圖中，設(shè)置了該陽極的單一的內(nèi)部部分12。然而可以構(gòu)思多個(gè)電連接到外部部分11的內(nèi)部部分12。
圖2部分地和截面地參照了燃料電池的基礎(chǔ)元件的更具體的實(shí)施例，特別是其制造方法的實(shí)施例。
因此，利用硅基片25來支撐該組件。該硅基片25在附圖左側(cè)具有垂直于上部表面和傾斜的斜面27的供給氧氣的通道系統(tǒng)26。該硅基片25組件因此構(gòu)成了槽部，必須在該槽部的內(nèi)部生產(chǎn)該組件。
制造該組件的第一階段在于在該硅基片25的一個(gè)表面上蝕刻出一個(gè)或者多個(gè)槽部。為一截面的圖2示出了這些槽部中的一個(gè)的邊緣形狀。通過化學(xué)腐蝕，更精確地說通過基礎(chǔ)腐蝕例如用加熱的氫氧化鉀來制造這些槽部。
第二階段在于在該基片25的槽部底部上氣相沉積由金屬收集器構(gòu)成的陰極20。該陰極20的厚度為微米數(shù)量級(jí)。
第三個(gè)操作在于在該陰極20上通過表面涂飾沉積用于催化氧氣的還原反應(yīng)的活性層35。該活性層35是鍍鉑石墨和PVDF即聚氟乙烯粘合劑的混合物。該層的厚度是幾個(gè)微米。
第四階段在于沉積該電解質(zhì)23的第一部分，該電解質(zhì)23的第一部分必須覆蓋該第一活性層35直到由傾斜面27構(gòu)成的槽部的邊緣。該電解質(zhì)23是表面涂飾形式的Nafion溶液。該層具有20微米數(shù)量級(jí)的厚度。通過離心進(jìn)行展開，然后干燥。該電解質(zhì)23還可以由下述的制劑構(gòu)成聚酰亞胺、酸性硫酸基的聚苯醚砜、酸性硫酸基的聚苯乙烯和其酸性硫酸基的衍生物，酸性硫酸基的聚醚紫羅蘭酮和酸性硫酸基的衍生物，酸性硫酸基的聚苯并惡唑，聚苯并咪唑及其衍生物，諸如對(duì)苯和聚對(duì)二甲苯的聚芳撐及其酸性硫酸基的衍生物。該電解質(zhì)23可以薄膜形式沉積。
隨后的步驟在于，沉積陽極的內(nèi)部部分32，該內(nèi)部部分在這個(gè)例子中是由非密封的單一層構(gòu)成，但是可以由多個(gè)不同材料層構(gòu)成。該內(nèi)部部分32被氣相(PVD)沉積。該沉積是在氬等離子體3mbar的壓力下通過金屬掩模進(jìn)行的以便實(shí)現(xiàn)格柵。在該槽部的側(cè)面，更精確地說在傾斜面27上通過由同樣的沉積獲得的平板的延長繼續(xù)該陽極的內(nèi)部部分32，該平板的延長構(gòu)成了與同樣構(gòu)成陽極的外部部分31的電連接30。這樣允許獲得了整個(gè)陽極的電一致性。
隨后的步驟在于以與第一部分相同的方式，沉積該電解質(zhì)23的第二部分。
隨后的步驟在于通過表面涂飾在由混合了Nafion鍍金的炭構(gòu)成的陽極的側(cè)面上進(jìn)行活性層35的沉積。然后該陽極的外部部分31通過噴灑陰極等離子體而獲得。該外部部分31延長到該槽部的邊緣，即直到連接30處。在該組件外部，以與陽極的內(nèi)部部分32相同的方式，延長該層以便構(gòu)成氣相沉積的連接裝置34。該基片25的槽部形式因此允許了將由外部部分31和內(nèi)部部分32構(gòu)成的兩個(gè)陽極層連接成組件并且構(gòu)成了該連接30。
在圖2中示出的實(shí)施例中，已經(jīng)表示了單一的內(nèi)部部分32。很可能構(gòu)思將多個(gè)連續(xù)的內(nèi)部部分插入在更大的電解質(zhì)層中。
不同的層的沉積也可以通過氣相沉積、化學(xué)方法、噴灑、表面涂飾、浸濕或者離心沉積來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明特別應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)，其通過諸如甲醇燃料或者其它液體燃料或者可以穿過所應(yīng)用的電解質(zhì)遷移的氣體進(jìn)行工作。本發(fā)明，在具有對(duì)于氣體特別大的透過率的非常細(xì)的膜情況下還能夠用于使用氫氣作燃料的電池。
權(quán)利要求
1燃料電池的基礎(chǔ)元件，包括在陽極和陰極之間的電解質(zhì)(3，23)，其特征在于，陽極包括設(shè)置成浸漬在電解質(zhì)(3，23)中并且電連接到與該電解質(zhì)(23)的一個(gè)側(cè)面接觸的外部部分(11，31)的內(nèi)部部分(12，32)。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的基礎(chǔ)元件，其特征在于，電解質(zhì)(3，23)為一薄膜的形式。
3根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的基礎(chǔ)元件，其特征在于，電解質(zhì)(3，23)為一層的形式。
4根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的基礎(chǔ)元件，其特征在于，該內(nèi)部部分(12，32)大致平行于該陽極的外部部分(31)。
5根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的燃料電池的基礎(chǔ)元件，其特征在于，該內(nèi)部部分(32)由至少一個(gè)格柵構(gòu)成。
6根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的基礎(chǔ)元件，其特征在于，該內(nèi)部部分(12，32)由至少一個(gè)泡沫材料構(gòu)成。
7根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的燃料電池的基礎(chǔ)元件，其特征在于，該內(nèi)部部分(32)由多個(gè)不同材料層構(gòu)成。
8根據(jù)權(quán)利要求1所述的基礎(chǔ)元件，其特征在于，該燃料為醇。
9根據(jù)權(quán)利要求8所述的基礎(chǔ)元件，其特征在于，該醇在乙醇、甲醇和乙二醇中選擇。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有PEM (質(zhì)子互換膜)類型燃料電池基礎(chǔ)元件，當(dāng)除了所有的可以反作用該陰極的其它類型以外僅僅質(zhì)子向該陰極遷移時(shí)，該元件具有較高的效率。該元件主要由穿過有一些管道系統(tǒng)(26)的硅基片(25)構(gòu)成，這些管道系統(tǒng)(26)通向槽部的底部。該陰極(20)設(shè)置在該槽部的底部上，并且在其上面設(shè)置第一電解質(zhì)層(23)。陽極的內(nèi)部部分(32)浸漬在兩個(gè)電解質(zhì)層(23)之間，而在該陽極的上面部分上設(shè)置了外部部分(31)。該內(nèi)部部分(32)最好為格柵或者泡沫材料，該泡沫材料允許消耗朝向陰極遷移的燃料并且允許質(zhì)子從中通過。
文檔編號(hào)H01M4/94GK1628395SQ03800496
公開日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月23日
發(fā)明者J·-Y·勞倫特, D·馬薩克, C·羅克斯, C·奈奧澤 申請(qǐng)人:法國原子能委員會(huì)