專(zhuān)利名稱(chēng)：集電器支承的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明描述電化學(xué)電源系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，描述集電器支承的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池疊堆的關(guān)鍵元件包括陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和集電器。在許多燃料電池疊堆的設(shè)計(jì)中，將電解質(zhì)夾在陽(yáng)極和陰極之間，形成基本的電池疊堆，疊堆可有多個(gè)，在燃料電池中串聯(lián)或并聯(lián)。這種電池疊堆多層結(jié)構(gòu)連接到兩個(gè)集電器上，集電器將電流導(dǎo)入或?qū)С鲭姌O。集電器旨在使盡可能多的電極表面能暴露出來(lái)以便進(jìn)行氣體交換。
燃料電池類(lèi)型包括固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC-以下將作詳細(xì)說(shuō)明)、質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷燃料電池、堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)膜片(PEM)燃料電池，熔融碳化物燃料電池、固態(tài)酸燃料電池以及直接甲醇PEM燃料電池。
把陶瓷材料用于一些活性燃料電池元件的SOFC是所有燃料電池類(lèi)型中最有效的。例如，陽(yáng)極由導(dǎo)電的鎳/氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷(NI/YSZ)制成，但也可根據(jù)特定最終用途的要求或需要用任何適合的材料(例如，鉻酸鎳或鉻酸鑭)形成。各種典型的陽(yáng)極和/或陰極可以是金屬，陶瓷和/或金屬陶瓷。適合作典型陽(yáng)極的一些非限制性的金屬實(shí)例包括鎳，鉑及它們的混合物中至少一種。適合作陽(yáng)極的一些非限制性的陶瓷實(shí)例包括CexSmyO2-δ，CexGdyO2-δ，LaxSryCrzO3-δ及其混合物中至少一種。適合作陽(yáng)極的一些非限制性的金屬陶瓷實(shí)例包括Ni-YSZ，Cu-YSZ，Ni-SDC，Ni-GDC，Cu-SDC，Cu-GDC及其混合物中至少一種。
SOFC是真正的固態(tài)，因?yàn)樗鼈儾恍枰合鄟?lái)將帶電的陰離子從一個(gè)電極-電解質(zhì)界面?zhèn)鲗?dǎo)到另一電極-電解質(zhì)界面。由于不必?fù)?dān)心腐蝕問(wèn)題且電解質(zhì)沒(méi)有需要更換的零件或相位，所以可以通過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)來(lái)降低SOFC的生產(chǎn)成本固態(tài)電解質(zhì)會(huì)破裂，但由于沒(méi)有液態(tài)物質(zhì)故不會(huì)漏電。SOFC通常在900-1000℃左右工作，但也有較低溫度的SOFC。
適合作陰極的一些非限制性的金屬實(shí)例包括銀，鉑，及它們的混合物中至少一種。典型的陰極可由鈣鈦礦，錳酸鑭(LaMnO3)制成。適合作陰極的一些非限制性的陶瓷實(shí)例包括SmxSryCoO3-δ，BaxLayCoO3-δ，GdxSryCoO3-δ中至少一種。
典型的固態(tài)傳導(dǎo)氧的電解質(zhì)由氧化釔穩(wěn)定的鋯(YSZ)構(gòu)成，但示范電解質(zhì)可由任何適合的電解質(zhì)材料形成。各種示范電解質(zhì)包括傳導(dǎo)氧陰離子的膜片電解質(zhì)，傳導(dǎo)質(zhì)子的電解質(zhì)，傳導(dǎo)碳酸鹽(CO32-)的電解質(zhì)，傳導(dǎo)OH-的電解質(zhì)，及其混合物。
其它示范電解質(zhì)包括立方體氟石結(jié)構(gòu)電解質(zhì)，摻雜的立方體氟石電解質(zhì)，質(zhì)子-交換聚合物電解質(zhì)，質(zhì)子-交換陶瓷電解質(zhì)，及其混合物。其它示范電解質(zhì)可以是摻氧化釤的二氧化鈰，摻釓的二氧化鈰，LaaSrbGamgdO3-δ，及其混合物，它們特別適合SOFC中使用。
為了產(chǎn)生適合的電壓，在同一疊堆中的燃料電池常常與摻雜的鉻酸鑭(例如La0.8Ca0.2CrO3)互連，將鄰近單元的陽(yáng)極和陰極連接在一起。雖然有數(shù)種疊堆設(shè)計(jì)，但常用的設(shè)計(jì)是平面(或平板)SOFC。
示范的燃料電池的燃料流可包括適合于在雙室燃料電池中產(chǎn)生電的碳?xì)浠衔锶剂?，例如甲?CH4)，氫(H2)，或適合作燃料電池中使用的特殊電極成分的其它碳?xì)浠衔锶剂?，即乙烷，丁烷，丙烷，天然氣，甲醇，甚至汽油。在本說(shuō)明中將甲醇和氫示為代表性燃料。
在陽(yáng)極，燃料吸附到通常為多孔的陽(yáng)極表面，并向陽(yáng)極-電解質(zhì)界面擴(kuò)散。在陰極，氧化劑分子，例如空氣中的氧(O2)，吸附到通常也是多孔的陰極表面，并向陰極-電解質(zhì)界面擴(kuò)散。
在典型的氧陰離子電解質(zhì)中，當(dāng)氧分子向陰極-電解質(zhì)界面擴(kuò)散時(shí)，它們會(huì)碰到從電池的外部電路進(jìn)來(lái)的電子，并捕獲這些電子，變成氧陰離子(O-2)。氧陰離子向正偏壓的陽(yáng)極-電解質(zhì)界面遷移。當(dāng)氧陰離子與燃料在陽(yáng)極-電解質(zhì)界面相遇時(shí)，燃料和氧陰離子化合-氧化反應(yīng)-形成反應(yīng)產(chǎn)物，例如水和二氧化碳。一旦反應(yīng)產(chǎn)物已形成，就剩下了電子。每次一個(gè)氧陰離子和燃料的一個(gè)碳原子或兩個(gè)氫原子化合，就剩下兩個(gè)電子。這些丟失的電子就是通過(guò)電池的外部電路可加以利用的電流源。水和二氧化碳向陽(yáng)極的外表面擴(kuò)散并返回到燃料流中。
在許多類(lèi)型的常規(guī)燃料電池中，當(dāng)制造商增加電極或電解質(zhì)的厚度以便利用電極或電解質(zhì)作為物理支承燃料電池室中整個(gè)電池疊堆的機(jī)件時(shí)，電池性能就會(huì)降低。致密而薄的電解質(zhì)以及多孔而薄的電極是使許多類(lèi)型的燃料電池，例如SOFC，具有有效功能所需要的。但較薄的電極和電解質(zhì)會(huì)損害結(jié)構(gòu)的整體性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明說(shuō)明了用于燃料電池疊堆的集電器，其中所述集電器物理支承燃料電池中的燃料電池疊堆，且燃料電池疊堆的一個(gè)電極元件作為淀積層附著到集電器上。集電器上有開(kāi)口，可允許燃料電池的氣體流入和流出電極元件。


圖1示出包括示范集電器的燃料電池。
圖2示出制作示范集電器的示范方法流程圖。
圖3示出用圖2所示方法制作的集電器。
圖4示出制作燃料電池疊堆的示范方法流程圖。
圖5a和5b示出圖4的示范方法。
圖6為在芯板上制作集電器的示范方法。
圖7示出圖6的示范方法。
圖8為利用芯板制作燃料電池疊堆的示范方法。
圖9示出圖8的示范方法。
具體實(shí)施例方式
概述如圖1所示，本發(fā)明包括燃料電池100，它具有燃料電池室102和示范集電器(例如104)，集電器與燃料電池疊堆105(即，104，108，112，116，和120)相關(guān)聯(lián)，其中示范集電器104物理支承燃料電池100中的燃料電池疊堆105。圖1中，示范集電器104固定在燃料電池室102的壁上，并支承著燃料電池100中的燃料電池疊堆105，而燃料電池疊堆105的其它元件可以固定或不固定在燃料電池室102的壁上，燃料電池疊堆105的物理支承不依靠它們。
燃料電池100的所示配置僅是一個(gè)實(shí)例，其中兩個(gè)燃料電池疊堆電串聯(lián)連接，以提供相加電壓。一個(gè)示范支承集電器104上依次淀積有陰極(108)，電解質(zhì)112，陽(yáng)極116和另一集電器120。另一示范支承集電器106上以另一次序淀積陽(yáng)極110，電解質(zhì)114，陰極118和另一集電器122。燃料電池設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出適用于實(shí)施本發(fā)明的許多其它的燃料電池的配置。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，示范集電器104可以固定在不同的燃料電池元件上，而不是燃料電池室102的壁上，來(lái)支承燃料電池疊堆105，例如，示范集電器104可以僅固定在互連線上，等。
在一個(gè)實(shí)施例中，在構(gòu)建燃料電池疊堆105時(shí)，將燃料電池疊堆105的一個(gè)電極元件(例如，陰極)108以薄層淀積到示范集電器104上。(雖然陰極用作電極108的實(shí)例，但淀積的電極108也可以是陽(yáng)極)。示范集電器104預(yù)成形和/或在電極淀積后刻蝕，以使燃料電池100的氣體(124，126，128)能通過(guò)示范集電器104流入或流出淀積的電極108。如果示范集電器104需刻蝕，則可用以下任一種刻蝕方法進(jìn)行化學(xué)刻蝕，干法刻蝕，機(jī)械刻蝕，光學(xué)刻蝕，激光刻蝕，以及電子束刻蝕等。
提出了制作和使用能夠提供以下功能的示范集電器104的示范方法導(dǎo)電、對(duì)燃料電池疊堆105中的元件的結(jié)構(gòu)整合/物理支承，包括對(duì)要制作得非常薄的元件的支承、以及氣體自由流動(dòng)到燃料電池100的各電極。這樣示范集電器104因能使燃料電池疊堆105的元件制作得非常薄而為增加燃料電池效率提供了機(jī)會(huì)。
隨著固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展，常規(guī)燃料電池制造商有時(shí)用燃料電池疊堆的電極或固態(tài)電解質(zhì)元件來(lái)支承燃料電池疊堆。這通常要求加厚支承電極或電解質(zhì)，以使其有足夠的強(qiáng)度物理支承其余的疊堆。但增加電極或電解質(zhì)的厚度一般會(huì)增加氣體和離子需經(jīng)過(guò)的通路長(zhǎng)度和彎曲度，給離子增加了阻力，從而降低了電池的效率。
集電器的厚度和/或機(jī)械強(qiáng)度通常不會(huì)影響燃料電池100的電化學(xué)性能，因此示范集電器104可以制作得比較厚而電極(108，116)和電解質(zhì)112作得比較薄。將物理支承的作用從在電池的電化學(xué)反應(yīng)中活躍的元件轉(zhuǎn)移到一個(gè)或多個(gè)集電器104上，有利于燃料電池疊堆105的所有元件。不僅電極108，116以及電解質(zhì)112可以制作得比較薄而不損害疊堆組件的結(jié)構(gòu)整體性，而且示范集電器104增加的厚度使其能以較小的電阻承載較大的電流。例如，固態(tài)氧化物電解質(zhì)112的厚度可降到5微米或更薄，不過(guò)電解質(zhì)的厚度若小于1微米會(huì)導(dǎo)致電極間的電短路。
僅將物理強(qiáng)度高的集電器連接到電極108來(lái)支承燃料電池疊堆105并不一定能得到改進(jìn)的或甚至可用的電池疊堆105。本文說(shuō)明的示范集電器104可實(shí)現(xiàn)以下三重角色收集電流；物理支承電池疊堆105；以及允許氣體自由流過(guò)，從而可得到改進(jìn)的電池疊堆105，同時(shí)為非常薄的電極108和電解質(zhì)112提供了一個(gè)作為支承基礎(chǔ)的平滑性。
示范方法示范方法包括這樣制作和使用示范集電器，使得它既能支承燃料電池疊堆105又不阻擋燃料124和氧化劑氣體126，128；制作薄的分層電極108，116以及電解質(zhì)112；以及利用支承示范集電器104制作燃料電池疊堆105。在這些示范方法中，各種電極，電解質(zhì)，集電器以及互連線通常以薄層或薄膜的形式淀積在另一元件之上。此處所用的“淀積”一詞的意思是在兩種材料之間至少建立物理接觸，通常建立電接觸；即將第二種材料用刷涂、噴涂、電鍍、電鑄、電淀積、濺射(真空淀積)、浸入涂覆、旋涂、升華、蒸發(fā)等方法之一涂覆到第一種材料的表面上。而且，第一種材料和第二種材料在淀積后還要燒結(jié)，退火或加壓等，以改善這兩種材料表面間的固態(tài)連接，從而提高它們的物理和電連接的強(qiáng)度。
制作集電器的方法圖2示出制作示范集電器104的示范方法200的流程圖，其它燃料電池元件則可淀積在所述集電器上。在所述流程圖中，各操作歸納在各個(gè)方框中。
在方框202，示范方法200從獲得適合用作集電器的材料或成分(“材料”)開(kāi)始。所述材料最理想的是具有抗拉強(qiáng)度，剛性，硬度等，以使其在成形為最終的示范集電器104的所需幾何形狀后能支承所述示范集電器104所在的同一疊堆105中的其它燃料電池疊堆元件。在許多實(shí)施例中，所述材料的選擇最好使其厚度足以物理支承所述疊堆組件，示范集電器104應(yīng)能耐受高溫和高溫燃料電池100(例如高溫SOFC)中的熱膨脹和收縮。適合用作示范集電器104的一些示范材料為不銹鋼，鎢，鈦，鎳，等，一些金屬合金，以及一些導(dǎo)電陶瓷。在某些情況下可將鋁加到金屬或合金中以阻滯一些燃料電池零件的活躍的氧化特性。在考慮使用哪一種材料的情況下，示范集電器成品的額定厚度在二百微米左右。較強(qiáng)的原料，例如鈦等，可以薄一些。只要材料能提供足夠的結(jié)構(gòu)支承，示范集電器成品104所選的厚度對(duì)于電池的電化學(xué)特性并不十分重要，所以厚度范圍可以很寬，從10微米或更小到1000微米(1毫米)或更大。在一個(gè)實(shí)施例中，示范集電器層的厚度大約為一層電極或電解質(zhì)厚度的10到20倍。
選擇材料時(shí)不僅要考慮電池的結(jié)構(gòu)整體性和物理支承所需的最小厚度，還要考慮示范集電器成品104應(yīng)能承載的電流量。由于在燃料電池100啟動(dòng)和停止時(shí)示范集電器104要經(jīng)歷熱循環(huán)，示范集電器104最好能耐受熱應(yīng)力。例如，如果示范集電器104是導(dǎo)電陶瓷，陶瓷的脆性就會(huì)使其易于碎裂。
在方框204，根據(jù)所獲得的材料，可采用應(yīng)力消除步驟來(lái)消除示范材料的內(nèi)部張力。應(yīng)力消除步驟可以在正常電池工作的熱膨脹和收縮時(shí)防止所選材料裂縫，破裂，斷裂等。對(duì)于某些材料，應(yīng)力消除步驟可以這樣進(jìn)行加熱材料使分子或離子運(yùn)動(dòng)，然后緩慢冷卻使分子進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)(即，釋放不穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)的勢(shì)能)。當(dāng)應(yīng)力消除步驟已使材料分子有了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)時(shí)，材料就更適合于保持平滑的表面(如下述)并耐受許多燃料電池內(nèi)固有的溫度波動(dòng)。
在方框206，對(duì)材料進(jìn)行淀積，切割，拋光等，使材料至少有一個(gè)表面基本上是平滑的。所述平滑度允許均勻淀積以后各層并便于清潔處理。當(dāng)然也可一開(kāi)始就選擇平滑的材料。有許多箔材可選用，例如銅箔和鎳箔，它們都有足夠的平滑度。
在方框208，對(duì)集電器材料的至少一個(gè)平滑表面進(jìn)行清潔處理以減小接觸電阻?！扒鍧嵦幚怼币馑际潜M可能減少集電器材料上的外來(lái)化學(xué)物質(zhì)，包括材料的氧化物。不清潔的表面會(huì)導(dǎo)致示范集電器104和淀積到或連接到示范集電器104上的電極108之間的結(jié)合不好。如果形成平滑表面后仍留有氧化層的話，那么，不清潔的表面也會(huì)在示范集電器104和示范電極108之間產(chǎn)生電阻。
圖3示出用圖2的示范方法200制備的示范集電器300。
制作燃料電池疊堆的方法現(xiàn)提出制作燃料電池疊堆105的示范方法。示范方法的一些部分特別適用于制造用于SOFC的燃料電池疊堆105。制作燃料電池疊堆105和制作薄層電極108，116和電解質(zhì)層112的示范方法可以重疊，因?yàn)橹谱鞅拥牟襟E在制作燃料電池疊堆105時(shí)會(huì)重復(fù)數(shù)次。
圖4，5a，和5b示出制作燃料電池疊堆105的示范方法400的流程圖和圖示。在流程圖中，各操作歸納在各個(gè)方框中。
在方框402，示范方法400從獲得例如用上述示范方法200制作的示范第一集電器104開(kāi)始。第一集電器104形成一個(gè)基礎(chǔ)，供在其上添加其它各層以建立燃料電池疊堆105。
在方框404，在獲得具有平滑和清潔表面的示范第一集電器104后，將第一淀積層108淀積在示范第一集電器104的平滑表面上。根據(jù)第一電極層108所用的材料和第一集電器104的材料，可能需要進(jìn)行燒結(jié)以增強(qiáng)這些表面間的融合或結(jié)合。
在方框406，將電解質(zhì)層112淀積在第一電極層108上。淀積方法取決于電解質(zhì)層112所用的材料。根據(jù)第一電極層108所用的材料和電解質(zhì)層112的材料，可能需要進(jìn)行燒結(jié)以增強(qiáng)這些表面間的融合或結(jié)合。
在方框408，將第二電極層116或“反電極”淀積在電解質(zhì)層112上。該淀積技術(shù)取決于第二電極層116所用的材料。根據(jù)電解質(zhì)層112所用的材料和第二電極層116所用的材料，可能又需要進(jìn)行燒結(jié)以增強(qiáng)這些表面間的融合或結(jié)合。
在方框410，在一些實(shí)施例中，制作到這一步的部分疊堆組件105處于這樣一個(gè)階段，即，可以進(jìn)行燒結(jié)以代替以前對(duì)各個(gè)層進(jìn)行的燒結(jié)，或者除了以前對(duì)各個(gè)層進(jìn)行的燒結(jié)之外再次進(jìn)行燒結(jié)。
在方框412，將第二集電器層120淀積到第二電極層116上。該淀積技術(shù)取決于第二集電器層120所用的材料。第二集電器層120所用的材料可以和第一集電器層104所用的材料相同，但也可不同，例如，如果第一集電器104物理支承全部分層疊堆組件105，而第二集電器層120卻不用于支承。根據(jù)第二集電器層120所用的材料和第二電極層116所用的材料，可能又需要進(jìn)行燒結(jié)以增強(qiáng)這些表面間的融合或結(jié)合。
在方框414，在一些類(lèi)型的燃料電池例如SOFC中，需要使第一集電器104和第二集電器層120在不損害支承的情況下盡可能多地暴露第一電極層108和第二電極層116，以使電極表面最多地接觸燃料和/或氧化劑氣體。這樣，可從第一電極層108的表面區(qū)域的至少一些部分去除掉或刻蝕掉(510)部分第一集電器104，以暴露出更多的第一電極層108。可以使用一種刻蝕圖案或方案，該刻蝕圖案或方案使第一集電器104可以保持其所有未刻蝕部分與第一電極層108的整體電接觸。換句話說(shuō)，刻蝕圖案提供了孔洞，使燃料和/或氧化劑(通常為空氣)可以“穿過(guò)”第一集電器104和第二集電器層120而到達(dá)電極層108，116。最好所用的刻蝕圖案或方案能使第一集電器104保持其對(duì)整個(gè)疊堆組件105起物理結(jié)構(gòu)支承的能力。這樣，在一些實(shí)施例中，可以使用過(guò)量的原料作第一集電器104，這樣在刻蝕后第一集電器104仍有所需的物理尺寸?？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)，干法刻蝕，機(jī)械，光學(xué)(例如激光或光刻)，電子束以及其它技術(shù)進(jìn)行刻蝕。或者，例如通過(guò)用把孔洞或溝道賦予第一集電器104的模板或模具(“模板”)來(lái)制造第一集電器104，使第一集電器104從開(kāi)始制造就具有孔洞或溝道圖案。所述模板例如可以是芯板(襯底)上的具有圖案的光致抗蝕劑材料層，以下將參閱圖8和9作說(shuō)明。
在方框416，后續(xù)的集電器層120也需要使盡可能多的第二電極層116暴露出來(lái)，且不損害支承，以使最多的第二電極表面接觸燃料和/或氧化劑氣體。因此，從第二電極層116的表面區(qū)域的至少一些部分去除掉或刻蝕掉(512)部分第二集電器層120，以便在燃料電池工作時(shí)使第二電極層116更好地接觸到燃料和/或氧化劑?？梢允褂靡环N刻蝕圖案或方案，該刻蝕圖案或方案使第二集電器120的所有未刻蝕部分與第二電極層116保持整體的電接觸。由于第二集電器層120的制造材料或物理尺寸可能與第一集電器104不同，故其刻蝕過(guò)程也可不同于第一集電器104所用的過(guò)程。但在一些實(shí)施例中，第二集電器層120可能也參與疊堆組件105的物理支承，故其刻蝕過(guò)程也可相同。
圖6和圖7示出通過(guò)淀積制造第一集電器層104的示范方法600的流程圖和相應(yīng)的圖示700。在該流程圖中，各操作歸納在各個(gè)方框中。
在一個(gè)實(shí)施例中，芯板702用來(lái)提供平滑的起始表面，其上用淀積，電淀積和/或電鑄等方法淀積第一集電器層104。芯板702是在其上可進(jìn)行淀積的襯底。在一個(gè)實(shí)施例中，芯板702可再次使用，例如玻璃片，其上先淀積一層初始導(dǎo)電層，然后淀積或形成一暫時(shí)分離層。在芯板702上形成第一集電器層104后，芯板702被分離，然后再次使用，制造另一第一集電器層104。
比起其它淀積方法，電淀積用作例如在芯板702上制造第一集電器層104的淀積技術(shù)提供了以下新鮮金屬表面的優(yōu)點(diǎn)具有更好的清潔度，降低了接觸電阻，控制淀積的層厚，以及下一層可能有更好的附著力。可以選擇芯板702的材料，例如玻璃，為電鑄提供非常平的表面。于是就可獲得相應(yīng)平滑的第一集電器層104。第一集電器層104的電淀積可以使用鎳、銅、金、銠、鈀、鉑、鋅、鉻等金屬，也可使用不銹鋼等合金。在示范方法600的流程圖中，各操作歸納在各個(gè)方框中。
在方框602，獲得芯板702，它具有平滑的表面，在其上可進(jìn)行淀積。對(duì)于電淀積，芯板表面是導(dǎo)電的，因此芯板材料可以是金屬或半金屬的導(dǎo)電體，或是非導(dǎo)電體(例如玻璃)，在淀積第一集電器層104之前在所述非導(dǎo)電體上先淀積一層初始導(dǎo)電層，如上所述。芯板702的導(dǎo)電表面，不論是固有的還是靠淀積初始導(dǎo)電層使之導(dǎo)電，通常覆蓋一層”分離層”，例如表面氧化物層，以使淀積在其上的第一集電器層104能容易地從芯板702的表面上去除。
在方框604，將第一集電器層104淀積在芯板702上。如果用電淀積，需控制第一集電器層104的厚度，當(dāng)然層厚的選擇取決于電淀積的金屬或合金物理支承整個(gè)疊堆組件105的能力。
在方框606，通常將第一電極層108淀積在第一集電器層104上。這可確保形成第一集電器層104和第一電極層108之間的邊界，而同時(shí)第一集電器層104仍由芯板702所支承。
在方框608，可以將芯板702去除，特別是如果對(duì)芯板所選的材料不能耐受以后各層的高溫?zé)Y(jié)的話。如果將芯板702去除，那么，示范方法600進(jìn)行電解質(zhì)層112、第二電極層116、第二集電器層120等的淀積，以及與上述示范方法400類(lèi)似的刻蝕操作。
或者，示范方法600可以仍保留芯板702在原位，如果它能耐受燒結(jié)或不需燒結(jié)的話。
可以用電互連線將疊堆組件105的陽(yáng)極116或陰極108連接到另一疊堆組件的相對(duì)電極，從而將疊堆串聯(lián)起來(lái)。用于這種互連的材料通常是陶瓷-氧化物，例如鉻酸鑭(LaCrO3)，它不具有多數(shù)金屬的易氧化性。
在制作了示范燃料電池疊堆105后，可以直接或間接地將示范支承集電器104連接到內(nèi)有一個(gè)或多個(gè)燃料電池疊堆組件的燃料電池室102的表面上。燃料電池室102通常是一個(gè)容器，它提供了對(duì)燃料電池組件物理支承的基礎(chǔ)，但也有助于分隔和引導(dǎo)燃料和氧化劑氣體到指定的疊堆組件的適當(dāng)電極上。
圖8和9示出制造示范集電器104的示范方法800的流程圖和相應(yīng)的圖示900。在流程圖中，各操作歸納在各個(gè)方框中。
在組裝了部分或全部電池疊堆之后，所述示范方法800不是刻蝕第一集電器104，而是旨在建立(從創(chuàng)建開(kāi)始)已有供氣體通過(guò)的溝道或孔洞圖案的第一集電器104。這一步可以使用具有圖案的芯板702來(lái)實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)實(shí)施例中可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的制版裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)具有圖案的芯板702。
在方框802，將光致抗蝕劑902或另一種可去除或溶解的非永久材料以圖案的形式設(shè)置在芯板702上。
在方框804，將制作第一集電器104的材料淀積在由光致抗蝕劑902形成的溝道或圖形之上和/或之間。如果淀積第一集電器104的材料所用的淀積過(guò)程在光致抗蝕劑的溝道或圖案上方留下過(guò)多的材料，那么，可將多余部分去除，并對(duì)表面進(jìn)行平滑、噴砂、拋光等處理，以便使第一集電器104的材料和光致抗蝕劑902一起形成平滑的表面。
在方框806，將第一電極108淀積到在上述方框804產(chǎn)生的平滑表面上。
在方框808，將芯板702從疊堆組件分離，留下第一電極108附著在具有圖案的第一集電器104和光致抗蝕劑902上或其他非永久材料上?；蛘?，仍保留芯板702，例如，如果芯板是由能經(jīng)受在添加其它層時(shí)的燒結(jié)操作(如果進(jìn)行的話)的材料所制成的。
在方框810，光致抗蝕劑或其它非永久材料在燒結(jié)過(guò)程中顯影，溶解，熔化，生物降解等，它們的去除僅留下具有圖案的第一集電器104，它仍附著到第一電極層108上。
如果需要燒結(jié)但尚未進(jìn)行，具有圖案的第一集電器104和第一電極層108可在這一步進(jìn)行燒結(jié)。組裝電池疊堆的其余部分可以不需燒結(jié)，例如如示范方法400和600。但刻蝕第一集電器104的操作可以跳過(guò)，因?yàn)槭痉兜木哂袌D案的第一集電器104借助于所述圖案而已經(jīng)具有先有的溝道或孔洞。
結(jié)論以上說(shuō)明了一種集電器支承的燃料電池。在一個(gè)實(shí)施例中，示范集電器可以對(duì)燃料電池疊堆的元件提供結(jié)構(gòu)整體性和物理支承，同時(shí)因可使燃料電池疊堆的電化學(xué)元件非常薄而增加燃料電池的效率。雖然本發(fā)明是對(duì)特定結(jié)構(gòu)特征和/或方法操作作了說(shuō)明，但應(yīng)理解在所附權(quán)利要求書(shū)中所定義的內(nèi)容不一定限于所說(shuō)明的具體特性或操作。而是，這些具體特征和操作是作為實(shí)施所要求的內(nèi)容的示范形式而公開(kāi)的。
權(quán)利要求
1.一種裝置，它包括集電器(104)，用于燃料電池疊堆(105)，其中，所述集電器(104)物理支承燃料電池(100)中的所述燃料電池疊堆(105)；以及電極元件(108)，它以淀積層的形式附著在所述集電器(104)上的燃料電池疊堆(105)上，其中，所述集電器(104)具有開(kāi)口，使所述燃料電池(100)的氣體可以流入或流出所述電極元件(108)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括電解質(zhì)(112)，所述電解質(zhì)以淀積層的形式附著在所述電極元件(108)上。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于還包括后續(xù)的電極元件(116)，所述電極元件以淀積層的形式附著在所述電解質(zhì)(112)上。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于還包括后續(xù)的集電器(120)，所述集電器(120)以淀積層的形式附著在所述后續(xù)的電極元件(116)上，其中，所述后續(xù)的集電器(120)具有開(kāi)口，使所述燃料電池(100)的氣體可以流入或流出所述后續(xù)電極元件(116)。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述電解質(zhì)層(112)以淀積層的形式附著在所述電極元件(108)上，其厚度在大約1微米和大約5微米之間。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述電解質(zhì)層(112)以淀積層的形式附著在所述電極元件(108)上，其厚度小于大約1微米。
7.一種燃料電池(100)，它包括一個(gè)或多個(gè)疊堆組件(105)，每個(gè)疊堆組件(105)具有陽(yáng)極電極(116)、陰極電極(108)、電解質(zhì)(112)和至少一個(gè)支承集電器(104)，其中，所述支承集電器(104)向所述疊堆組件提供結(jié)構(gòu)整體性；以及一個(gè)或多個(gè)燃料電池室(102)，它容納所述一個(gè)或多個(gè)疊堆組件(105)，其中，所述燃料電池室(102)的至少一個(gè)表面利用所述疊堆組件(105)的所述支承集電器(104)來(lái)物理支承疊堆組件(105)。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池(100)，其特征在于電極(108或116)以淀積層的形式附著在所述支承集電器(104)上。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池(100)，其特征在于通過(guò)電淀積將所述電極(108或116)附著在所述支承集電器(104)上。
10.如權(quán)利要求8所述的燃料電池(100)，其特征在于所述支承集電器(104)使所述燃料電池(100)的氣體可以流入或流出附著的電極(108或116)。
全文摘要
本發(fā)明說(shuō)明了用于燃料電池疊堆的集電器，其中，所述集電器物理支承燃料電池中的燃料電池疊堆并將燃料電池疊堆的一個(gè)或多個(gè)元件以薄層淀積到集電器上。燃料電池的氣體通過(guò)集電器流入或流出燃料電池疊堆的電極元件。
文檔編號(hào)H01M8/12GK1591949SQ20041006329
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2004年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月26日
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