專利名稱：復(fù)合膜、燃料電池及復(fù)合膜制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種其電池以平面布置設(shè)置 的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種從氫和氧產(chǎn)生電力從而獲得高效率發(fā)電的裝置。燃料電池的一個(gè) 主要特點(diǎn)是其直接發(fā)電的能力，其不經(jīng)歷如在常規(guī)發(fā)電中的熱能或動(dòng)能的階段。這呈現(xiàn)出 如下優(yōu)點(diǎn)，即盡管規(guī)模小但發(fā)電效率高、減少氮化合物等之類的排放、以及由于最小的噪音 或振動(dòng)而對(duì)環(huán)境友好。燃料電池能夠有效地利用其燃料中的化學(xué)能，并因此，對(duì)環(huán)境友好。 因此將燃料電池視為用于二十一世紀(jì)的能源供應(yīng)系統(tǒng)，并作為一種很有前途的發(fā)電系統(tǒng)而 獲得巨大關(guān)注，可以在多種應(yīng)用中使用，包括太空技術(shù)應(yīng)用、汽車、移動(dòng)設(shè)備以及大型和小 型發(fā)電。人們正在付出艱苦的技術(shù)努力以研發(fā)實(shí)用的燃料電池。特別地，聚合物電解質(zhì)燃料電池特征在于比其他類型的燃料電池更低的操作溫度 和更高的輸出密度(output density)。因此，近幾年中，聚合物電解質(zhì)燃料電池已經(jīng)作為新 興的動(dòng)力源用于移動(dòng)設(shè)備，諸如手機(jī)、筆記本大小的個(gè)人電腦、掌上電腦、MP3播放器、數(shù)碼 相機(jī)、電子字典或電子書。眾所周知，用于移動(dòng)設(shè)備的聚合物電解質(zhì)燃料電池是平面燃料電 池，其具有布置在平面中的多個(gè)單電池。在傳統(tǒng)平面燃料電池中，使用鑄造方法從電解質(zhì)溶液中形成膜的過(guò)程主要用在電 解質(zhì)膜的形成中。當(dāng)使用鑄造方法形成電解質(zhì)膜時(shí)有問(wèn)題需要解決。如果電解質(zhì)溶液的應(yīng) 用是不均勻的，在電解質(zhì)膜中可能產(chǎn)生孔洞，并且可能存在根本沒(méi)有形成電解質(zhì)膜的一些 區(qū)域。因此，需要解決燃料電池的可靠性降低的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
考慮上述問(wèn)題提出本發(fā)明，并且其目的是提供一種復(fù)合膜以提高平面陣列燃料電 池的可靠性。其另一個(gè)目的是提供一種提高平面燃料電池的可靠性的技術(shù)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式涉及一種用于燃料電池的復(fù)合膜。復(fù)合膜的包括多個(gè)膜 電極組件，以平面布置設(shè)置，每個(gè)膜電極組件包括電解質(zhì)膜、設(shè)置在電解質(zhì)膜的一面上的陽(yáng) 極和設(shè)置在電解質(zhì)膜的另一面上的陰極；和包含傳導(dǎo)部件的多個(gè)內(nèi)部連接器，每個(gè)內(nèi)部連 接器設(shè)置在電解質(zhì)膜的在所述膜電極組件的相鄰方向上彼此相對(duì)布置的側(cè)面上，其中，所 述內(nèi)部連接包括朝向電解質(zhì)膜的在電解質(zhì)膜的陰極側(cè)上的中部區(qū)域突出的支撐部，并且其 中，支撐部接觸電解質(zhì)膜的邊緣的陰極側(cè)表面，并且電解質(zhì)膜由支撐部保持。本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式涉及一種燃料電池。這種燃料電池具有根據(jù)以上述的實(shí)施 方式的復(fù)合膜。本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式涉及一種復(fù)合膜的制作方法。這種方法包括準(zhǔn)備傳導(dǎo)基 材；在傳導(dǎo)基材的第一主表面上形成多個(gè)凹槽；在形成在傳導(dǎo)基材中的多個(gè)凹槽上沉積電 解質(zhì)溶液；充分固化電解質(zhì)溶液以形成具有暴露的第一表面的電解質(zhì)膜；選擇性地移除傳導(dǎo)基材的與傳導(dǎo)基材的第一主表面相對(duì)的第二主表面，以足以暴露電解質(zhì)膜的第二表面并 且形成多個(gè)內(nèi)部連接器；其中，內(nèi)部連接器包括延伸的支撐部和凸起，所述凸起從支撐部突 起并且部分地橫跨電解質(zhì)膜的第二表面延伸。本發(fā)明還有一個(gè)實(shí)施方式涉及一種制造燃料電池層的方法。這種方法包括根據(jù) 上述方法準(zhǔn)備復(fù)合膜；通過(guò)在電解質(zhì)膜的第一表面上沉積催化劑材料形成陽(yáng)極催化劑層； 通過(guò)在電解質(zhì)膜的第二表面上沉積催化劑材料形成陰極催化劑層；以及部分地移除陽(yáng)極催 化劑層和陰極催化劑層的預(yù)定區(qū)域，以足以分割所述催化劑層。


現(xiàn)在將參照作為示例而非限制性的附圖，僅以示例的方式說(shuō)明實(shí)施方式，并且其 中相同元件在各個(gè)附圖中標(biāo)注類似，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料的分解透視圖；圖2A是沿圖1的線A-A’獲得的橫截面視圖；圖2B是沿圖1的線B-B’獲得的橫截面視圖；圖3A是用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的在陽(yáng)極側(cè)上的復(fù)合膜的平面視圖；圖;3B是用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的在陰極側(cè)上的復(fù)合膜的平面視圖；圖4是說(shuō)明膜電極組件和內(nèi)部連接器的結(jié)構(gòu)的特征剖面圖；圖5是從陰極側(cè)看的內(nèi)部連接器的平面視圖；圖6A⑴至6B(ii)是顯示用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的燃料電池的制備 方法的工藝簡(jiǎn)圖；圖7A(i)至7B(ii)是顯示用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的復(fù)合膜的制備方 法的工藝簡(jiǎn)圖；圖8(i)至8(iv)是顯示用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的復(fù)合膜的制備方法 的工藝簡(jiǎn)圖；圖9(i)至9B(iv)是顯示用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的復(fù)合膜的制備方法 的工藝簡(jiǎn)圖；圖10⑴至IOB (iv)是顯示用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的復(fù)合膜的制備方 法的工藝簡(jiǎn)圖；圖11 (i)至11 (iv)是顯示用于根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池的復(fù)合膜的制備方 法的工藝簡(jiǎn)圖；圖12A及12B是顯示用于根據(jù)第二實(shí)施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖12A是沿圖1的線A-A，獲得的橫截面視圖；和圖12B是沿圖1的線B-B，獲得的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明現(xiàn)在將參照優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)說(shuō)明。這不是意圖限制本發(fā)明的范圍，而是舉 例說(shuō)明本發(fā)明。注意在全部附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同或相似的構(gòu)成元件，并且 適當(dāng)?shù)厥÷云湔f(shuō)明。(第一實(shí)施方式)
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料的分解透視圖。圖2A是沿圖1的線A-A’ 獲得的橫截面視圖。圖2B是沿圖1的線B-B’獲得的橫截面視圖。圖3A是用于根據(jù)第一 個(gè)實(shí)施方式的燃料電池的在陽(yáng)極側(cè)上的復(fù)合膜的平面視圖。圖3B是用于根據(jù)第一個(gè)實(shí)施 方式的燃料電池的在陰極側(cè)上的復(fù)合膜的平面視圖；注意，圖1的線B-B’對(duì)應(yīng)于其上形成 稍后描述的凸起32的形成區(qū)域(見圖3B)。參考圖1及圖2A和2B，燃料電池10包括復(fù)合膜100、陰極外殼50和陽(yáng)極外殼52。復(fù)合膜100包括以平面布置設(shè)置的多個(gè)膜電極組件20。每個(gè)膜電極組件20包括 電解質(zhì)膜22、設(shè)置在電解質(zhì)膜22的一個(gè)面上的陰極催化劑層M和設(shè)置在電解質(zhì)膜22的另 一個(gè)面上的陽(yáng)極催化層26。復(fù)合膜100的外緣由電解質(zhì)膜22形成，并且多個(gè)膜電極組件 20形成在其外緣的內(nèi)側(cè)。在潮濕或濕潤(rùn)的條件中可能顯示優(yōu)秀的離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)膜22，用作離子交換 膜，用于陰極層對(duì)和陽(yáng)極層26之間的質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。電解質(zhì)膜22由固體聚合物材料的形成， 諸如含氟聚合物或非氟聚合物。可使用的材料，例如，磺酸型氟碳聚合物、聚砜樹脂、具有膦 酸基或羧酸基的氟碳聚合物等等?；撬嵝头季酆衔锏睦邮荖afion膜(由杜邦生產(chǎn)注 冊(cè)商標(biāo))。另外，非氟聚合物的例子是磺化芳香聚醚醚酮、聚砜等等。例如，電解質(zhì)膜22的 厚度約 10—200μιη。作為陰極的多個(gè)陰極催化劑層24，以彼此稍微分開的方式形成在電解質(zhì)膜22的 一面上?？諝饪梢宰鳛檠趸瘎┨峁┙o陰極催化劑層對(duì)。作為陽(yáng)極的多個(gè)陽(yáng)極催化劑層沈， 以彼此稍微分開的方式形成在電解質(zhì)膜22的另一面上。氫可以作為燃料氣體被提供給陽(yáng) 極催化層26。雖然描述的實(shí)施方式預(yù)期使用氫氣作為燃料，應(yīng)理解，例如，可以使用任何其 他合適的燃料，諸如甲醇、甲酸、丁烷、或其他氫氣載體。由一對(duì)陽(yáng)極催化劑層M和陰極催 化劑層沈構(gòu)造單電池，電解質(zhì)膜22保持在陽(yáng)極催化劑層M和陰極催化劑層沈之間。每 個(gè)單電池通過(guò)燃料(如氫氣)和空氣中的氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。陰極催化劑層M和陽(yáng)極催化劑層沈每個(gè)視情況可設(shè)置有離子交換材料和催化劑 顆?；蛱剂Ｗ印ＴO(shè)置在陰極催化劑層M和陽(yáng)極催化劑層沈中的離子交換材料可以用來(lái)增 進(jìn)催化劑顆粒和電解質(zhì)膜22之間的粘連。這個(gè)離子交換材料也起到了催化劑粒子和電解 質(zhì)膜22之間傳輸質(zhì)子的作用。離子交換樹脂可由類似于電解質(zhì)膜22的聚合物材料形成。 催化劑金屬可以為從如下組中選擇的單種元素或兩種或多種元素的合金鈧、釔、鈦、鋯、 釩、鈮、鐵、鈷、鎳、釕、銠、鈀、鉬、鋨、銥、鑭系元素和錒類元素。當(dāng)催化劑將被支撐時(shí)，爐法炭 黑、乙炔炭黑、乙烯酮炭黑、碳納米管等等可作為碳粒子。陰極催化劑層M和陽(yáng)極催化劑層 26的厚度例如可從約10至40 μ m。在這種方式下，根據(jù)本實(shí)施方式的燃料電池10包括成平面布置的多個(gè)膜電極組 件(單電池)20，其由各自一對(duì)陰極催化劑層和M和陽(yáng)極催化劑層沈組成，其中電解質(zhì)膜 22設(shè)置在陰極催化劑層M和陽(yáng)極催化劑層沈之間。多個(gè)內(nèi)部連接器(傳導(dǎo)部件)30中的每一個(gè)都設(shè)置在電解質(zhì)膜22的沿膜電極組 件20的鄰近方向彼此相反設(shè)置的側(cè)面上。促使內(nèi)部連接器30導(dǎo)電的材料的示例包括碳基 材料，諸如碳纖維、石墨板、碳紙(carbon paper)或碳粉末，以及金屬材料，諸如白金、黃金、 不銹鋼、鈦或鎳。在本實(shí)施方式中，內(nèi)部連接器30的上表面在電解質(zhì)膜22的陽(yáng)極側(cè)上突出，內(nèi)部連接器30的上表面(陽(yáng)極側(cè)表面)可以與電解質(zhì)膜22的陽(yáng)極側(cè)表面共面。圖4是說(shuō)明膜電極組件20和內(nèi)部連接器30的結(jié)構(gòu)的特征剖視圖。如圖4所示，內(nèi)部連接器30具有支撐部31，該支撐部31朝向電解質(zhì)膜22的在電 解質(zhì)膜22的陰極側(cè)上的中部區(qū)域延伸和突出。支撐部31與電解質(zhì)膜22的邊緣的陰極側(cè) 表面接觸，并且電解質(zhì)膜22由支撐部31保持。支撐部不一定關(guān)于電解質(zhì)膜22的中部區(qū)域 雙向?qū)ΨQ。其中陽(yáng)極側(cè)開口的長(zhǎng)度標(biāo)記為“Li”和陰極側(cè)開口的長(zhǎng)度是“L2”，優(yōu)選地，可以 是 0. 666 < L2/L1 < 1。設(shè)置在相鄰的膜電極組件20之間的內(nèi)部連接器30將相鄰的膜電極組件20中的 一個(gè)的陰極催化劑層M電連接至相鄰的膜電極組件20中的另一個(gè)的陽(yáng)極催化劑層26。更 具體地說(shuō)，陰極催化劑層M可以延伸到在電解質(zhì)膜22的側(cè)面上彼此相對(duì)設(shè)置的一對(duì)內(nèi)部 連接器30中的一個(gè)，并且陰極催化劑層M電連接到該對(duì)內(nèi)部連接器30中的所述一個(gè)。此 外，陽(yáng)極催化劑層26延伸到在電解質(zhì)膜22的側(cè)面上彼此相對(duì)設(shè)置的一對(duì)內(nèi)部連接器30中 的另一個(gè)，并且陽(yáng)極催化劑層26電連接到所述另一個(gè)內(nèi)部連接器30。這種布置使相鄰的膜 電極組件(單電池)20彼此串聯(lián)連接，并且因此，以平面布置設(shè)置的多個(gè)膜電極組件20串 聯(lián)電連接。在另一個(gè)實(shí)施方式中，陽(yáng)極和/或陰極催化劑層的布置可以被調(diào)整，以提供可并 聯(lián)或串聯(lián)和并聯(lián)的組合電連接的多個(gè)膜電極組件。如圖4所示，在本實(shí)施方式中，電解質(zhì)膜22沿內(nèi)部連接器30的橫向側(cè)延伸。這種 布置增加電解質(zhì)膜22和內(nèi)部連接器30之間的接觸面積，因?yàn)殡娊赓|(zhì)膜22還接觸內(nèi)部連接 器30的除其支撐部31的部分。支撐部31的電解質(zhì)膜22側(cè)表面和與電解質(zhì)膜22的側(cè)面 接觸的內(nèi)部連接器30的側(cè)面之間形成的角度α可以大于90度。這種布置可以進(jìn)一步促 進(jìn)電解質(zhì)膜22和內(nèi)部連接器30的除了其支撐部分31以外的部分之間的粘接和接觸。圖5是如從陰極側(cè)看的根據(jù)一些實(shí)施方式的內(nèi)部連接器30的平面視圖。一對(duì)內(nèi) 部連接器30彼此相對(duì)地設(shè)置在電解質(zhì)膜22的側(cè)面上，內(nèi)部連接器30的連接到陰極催化劑 層M的部分具有從上述支撐部31突出的凸起32，以從支撐部突出的凸起32與毗鄰的內(nèi)部 連接器30不接觸這樣的方式進(jìn)一步支撐電解質(zhì)膜22的陰極側(cè)表面。在本實(shí)施方式中，多 個(gè)凸起32以預(yù)定間隔設(shè)置，并以類似于梳子齒的這種方式形成。如果一個(gè)單電池的大小約 為60mmX2mm，則凸起32的長(zhǎng)度可約500至1500 μ m，其寬度可以約100至IOOOym米，凸 起32的數(shù)量例如可以約為5至20個(gè)。凸起32的總面積可以是電池的總面積的10%或更現(xiàn)在，參考回到圖2A和2B。陰極外殼50可以構(gòu)成燃料電池10的殼體的一部分， 并且可以放在陰極催化劑層M附近。陰極外殼50可設(shè)置進(jìn)氣口 51，用于進(jìn)給來(lái)自外面的 空氣。其中流動(dòng)空氣的氣室60可以形成在陰極外殼50和陰極催化劑層M之間。氣室60 中的空氣壓力可以與大氣壓力相同。同樣地，陽(yáng)極外殼52可以構(gòu)成燃料電池10的殼體的一部分，并且可以鄰近陽(yáng)極 催化劑層沈放置。用于儲(chǔ)存燃料的燃?xì)馐?2可形成在陽(yáng)極外殼52的和陽(yáng)極催化劑層沈 之間。燃?xì)夤?yīng)端口(未顯示)可以形成在陽(yáng)極外殼52中，以便可以根據(jù)需要從燃料元件 (fuel cartridge)等等供應(yīng)燃料。燃?xì)馐?2中的燃?xì)鈮毫梢员３衷诒却髿鈮毫Ω叩?水平。用于陰極外殼50和陽(yáng)極外殼52的材料可以是常用的塑料樹脂，如酚醛樹脂、乙烯基樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、脲醛樹脂或氟樹脂。陰極外殼50和陽(yáng)極外殼52可經(jīng)由墊片70通過(guò)如螺栓和螺帽之類的固定件(未 顯示)彼此固定。給墊片70壓力的緊固件可提高墊片70的密封性能。通過(guò)采用上述的燃料電池10，電解質(zhì)膜22的邊緣可以由內(nèi)部連接器30的支撐部 31從陰極側(cè)支撐。因此，電解質(zhì)膜22不太可能變形和斷裂，即使燃料氣室62中的燃?xì)鈮毫?上升并且壓力施加到電解質(zhì)膜22。因此，平面燃料電池10的可靠性能夠得到改善。在一 些實(shí)施方式中(未顯示)，能夠形成燃料電池層，其在使用緊固件固定到燃料電池層的陽(yáng)極 外殼和陰極外殼之間未被夾緊。例如，通過(guò)使用如在美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?009/0081493(通過(guò) 引用將其全部公開內(nèi)容結(jié)合于此)中披露的粘合劑或內(nèi)部粘接元件，而不是通過(guò)使用緊固 件，可以將燃料電池層直接地粘合到燃料壓力通風(fēng)系統(tǒng)。在這樣的實(shí)施方中式，復(fù)合膜的外 邊緣可以由電解質(zhì)膜形成，或可以從其它材料形成，例如，如內(nèi)部連接器或支撐材料。在這 樣的實(shí)施方式中，燃料電池層可以不具有陰極外殼，或可以具有可以固定或者粘接到燃料 電池層的陰極外殼。以這個(gè)方式，可以采用或不采用陰極外殼來(lái)為燃料電池層提供額外的 支撐。凸出32從其支撐部31朝向電解質(zhì)膜22的中部區(qū)域延伸和突出，從而增加電解質(zhì) 膜22的由內(nèi)部連接器30支撐的區(qū)域。因此，燃料電池10可靠性得到進(jìn)一步提高。此外， 凸起32用作電流收集部件，以使陰極側(cè)上的電池的傳導(dǎo)可以被提高并且進(jìn)而可以使燃料 電池的內(nèi)阻10減少。(復(fù)合膜的制備方法)現(xiàn)在將參照?qǐng)D6A(i)至ll(iv)描述一種用于制造根據(jù)第一實(shí)施方式的復(fù)合膜100 的方法。圖6A(i)至ll(iv)是工藝流程圖，顯示用于生產(chǎn)根據(jù)第一實(shí)施方式的膜電極組件 20的方法。在圖6A⑴至6B(ii)和圖7A⑴至第7B(ii)中，左側(cè)(i)上的視圖顯示陽(yáng)極 側(cè)平面視圖，而在右邊(ii)側(cè)顯示沿著各自陽(yáng)極側(cè)平面視圖的線A-A獲得的橫截面視圖。 在圖8(i)至8(iv)和圖ll(i)至圖ll(iv)中，左側(cè)⑴和(iii)視圖分別顯示陽(yáng)極側(cè)平 面圖和陰極側(cè)平面視圖，而右側(cè)(ii)和(iv)視圖分別顯示沿著陽(yáng)極側(cè)平面視圖的線A-A 獲得的橫截面視圖和沿著陰極側(cè)平面視圖的線A-A獲得的橫截面視圖。如圖6A(i)和6A(ii)所示，首先準(zhǔn)備傳導(dǎo)基材36。傳導(dǎo)基材36的膜厚度例如約 為10 μ m至約1000 μ m米。例如，板狀碳膜或碳板可作為傳導(dǎo)基材36。例如，良好柔性的膨 脹石墨可優(yōu)選作為碳材料。然后，如在圖6B(i)和6B(ii)中所示，凹槽形成在傳導(dǎo)基材36的主表面上(即其 在陽(yáng)極側(cè)上的表面)。對(duì)于形成凹槽的方法不限于任何特定一個(gè)。例如，可以通過(guò)使用金屬 模具加壓和壓縮而形成凹槽。在這里形成的凹槽37中有兩種類型的凹槽37a和37b。凹槽 37a是以傳導(dǎo)基材36的邊緣部分原封不動(dòng)的方式沿著傳導(dǎo)基材36的邊緣形成的部分。在 由這些凹槽37a圍繞的區(qū)域中，凹槽37b并排放置，其中每個(gè)凹槽37b由傳導(dǎo)基材36分開。 由傳導(dǎo)基材36分開的每個(gè)凹槽37b的底部的寬度表示為“Li” (見圖6B(ii))。凹槽37b 的側(cè)表面是錐形，并且在使用金屬模具時(shí)，這種形狀可以通過(guò)設(shè)計(jì)金屬模具的形狀獲得。然后，如圖7A(i)和7A(ii)所示，電解質(zhì)溶液22a(如Nafion溶液20重量份的 Nafion和80重量份的溶劑)沉積在形成在傳導(dǎo)基材36中的凹槽上。通過(guò)這樣做，電解質(zhì) 溶液2 的沉積量可控，以使傳導(dǎo)基材36的作為其一部分的主表面(其以突出方式形成的頂表面)而不是凹槽37至少暴露。然后，如圖7B(i)和7B(ii)所示，包含在電解質(zhì)溶液中的溶劑被干燥和移除，并且 電解質(zhì)膜22通過(guò)經(jīng)受熱處理而形成。在干燥過(guò)程中，由電解質(zhì)溶液的表面張力確定的半月 板形狀可以在電解質(zhì)膜22中反映。然后，如圖8 (i)至8(iv)所示，以使電解質(zhì)膜22露出的方式，可以采用諸如激光 加工之類的合適的方式選擇性地去除傳導(dǎo)基材36的其它主表面(即其在陰極側(cè)上的表 面)。以這種方式，形成內(nèi)部連接器30。如圖8(ii)所示，通過(guò)以電解質(zhì)膜22在陰極側(cè)上 的暴露表面的寬度L2小于凹槽37b的底部的寬度Ll方式處理處理傳導(dǎo)基材36，形成內(nèi)部 連接器30的支撐部31。如圖8(iii)和8(iv)所示，形成凸起32，每個(gè)凸起從支撐部31突 起，以從支撐部突出的凸起32不與毗鄰的內(nèi)部連接器30接觸的方式進(jìn)一步支撐電解質(zhì)膜 22的陰極側(cè)表面。在使用激光加工選擇性地移除傳導(dǎo)基材的實(shí)施方式中，激光可以從傳導(dǎo)基材的陰 極側(cè)投向傳導(dǎo)基材。但是，如果激光通過(guò)電解質(zhì)膜22傳輸，激光也可能從傳導(dǎo)基材的陽(yáng)極 側(cè)投向傳導(dǎo)基材。然后，如圖9(i)至9(iv)所示，在電解質(zhì)膜22的陽(yáng)極側(cè)，陽(yáng)極催化層沈形成以橫 跨多個(gè)電解質(zhì)膜22。在示例的實(shí)施方式中，催化劑漿體可以通過(guò)混合10克水、5克Nafion、 5克鉬黑或鉬支撐碳和5克1-丙醇而形成。在這個(gè)示例實(shí)施方式中，陽(yáng)極催化層沈可以由 噴涂上述催化劑漿而形成。同樣地，在電解質(zhì)膜22的陰極側(cè)，例如可以通過(guò)噴涂上述催化 劑漿形成陰極催化劑層24，以橫跨多個(gè)電解質(zhì)膜22。催化劑層80和催化劑層82的厚度例 如胃約為10ymg40ym。接下來(lái)，如圖10 (i)至10 (iv)所示，陽(yáng)極催化劑層沈的預(yù)定區(qū)域可以被部分地移 除。預(yù)定區(qū)域可以使用任何合適的機(jī)械或化學(xué)過(guò)程被部分地移除，例如機(jī)械刮、化學(xué)蝕刻、 磨損，微磨損或激光加工，如準(zhǔn)分子激光。預(yù)定區(qū)域的這種部分移除分割陽(yáng)極催化層沈和 部分地暴露電解質(zhì)膜22。例如，陽(yáng)極催化劑層沈的被部分地移除的預(yù)定區(qū)域可以是一個(gè)區(qū) 域，即在由一對(duì)內(nèi)部連接器30分割的電解質(zhì)膜中，該區(qū)域?qū)?yīng)于電解質(zhì)膜22的與一個(gè)內(nèi)部 連接器30接觸的一端。在這個(gè)示例性的實(shí)施方式中，所述一個(gè)內(nèi)部連接器30是具有支撐 將被處理的電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的凸起32的內(nèi)部連接器30。另外，陰極催化劑層M的預(yù)定區(qū)域使用任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)械或化學(xué)過(guò)程部分地移除， 如上面用于部分移除陽(yáng)極催化劑層所述。預(yù)定區(qū)域的這種部分移除分割陰極催化劑層M 和部分地暴露電解質(zhì)膜22。在這個(gè)示例的實(shí)施方式中，陰極催化劑層M的將被部分地移除 的預(yù)定區(qū)域可以是一個(gè)區(qū)域，即在由一對(duì)內(nèi)部連接器30分割的電解質(zhì)膜中，該區(qū)域?qū)?yīng)于 電解質(zhì)膜22的與另一個(gè)內(nèi)部連接器30接觸的一端。然后，如圖ll(i)至ll(iv)所示，傳導(dǎo)基材36的邊緣可以被移除，從而制成根據(jù) 第一實(shí)施方式的復(fù)合膜100。雖然在上述的過(guò)程中，每道工序中陽(yáng)極和陰極都經(jīng)受類似的處 理，并且然后執(zhí)行后續(xù)處理，但陽(yáng)極可以首先經(jīng)受一系列處理，并且然后陰極可以經(jīng)一系列處理。(第二實(shí)施方式)圖12A和12B是顯示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)的橫截面視 圖。圖12A是沿圖1的線A-A’獲得的橫截面視圖。圖12B是沿圖1的線B-B’獲得的橫截面視圖。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池10具有與第一實(shí)施相同的結(jié)構(gòu)，除了內(nèi)部 連接器30。因此，與第一個(gè)實(shí)施方式的那些部件的描述將被省略。在本實(shí)施方式中，內(nèi)部連接器30可以由組合件形成，所述組合件由絕緣部件34和 傳導(dǎo)部件33a和3 制成，諸如PCT專利申請(qǐng)PCT/CA2009/000253中所描述的，其所公開通 過(guò)參考在此全部納入。在本實(shí)施方式中，內(nèi)部連接器30的與電解液接觸膜22和陽(yáng)極催化 劑層沈接觸的部分和內(nèi)部連接器30的支撐部由絕緣部件34形成。用于絕緣部件34的材 料可以是基于玻璃的材料，如玻璃纖維、樹脂材料，如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基樹脂、聚 乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、脲醛樹脂或氟樹脂等等。絕緣部件34可以進(jìn)一步包 括填充材料，例如玻璃基材，如玻璃纖維或樹脂材料，如聚丙烯樹脂。傳導(dǎo)部件33a穿透絕緣部件34并且分別地暴露在內(nèi)部連接器30的陽(yáng)極側(cè)和陰極 側(cè)上。陰極催化劑層M延伸至在電解質(zhì)膜22的橫向表面上彼此相對(duì)設(shè)置的一對(duì)內(nèi)部連接 器30中的一個(gè)。并且陰極催化劑層M電連接到包括在所述內(nèi)部連接30中的所述一個(gè)的 傳導(dǎo)部件33a。此外，陽(yáng)極催化劑層沈延伸到在電解質(zhì)膜22的橫向表面是彼此相對(duì)設(shè)置 的一對(duì)內(nèi)部連接器30中的另一個(gè)。并且陽(yáng)極催化劑層沈電連接到包括在所述內(nèi)部連接器 30的所述另一個(gè)中的傳導(dǎo)部件33a。這種布置使得相鄰的膜電極組件(單電池)20彼此串 聯(lián)連接，并且進(jìn)而以平面布置設(shè)置的多個(gè)膜電極組件20串聯(lián)連接。形成在對(duì)應(yīng)于凸起32的區(qū)域中(在第一實(shí)施方式中描述)的傳導(dǎo)部件3 可以 有助于改善電流收集性能，并且還可以為電解質(zhì)膜22的陰極側(cè)表面提供支撐。根據(jù)第二次實(shí)施方式結(jié)構(gòu)的燃料電池10還獲得與根據(jù)第一實(shí)施方式的燃料電池 10所獲得的相同的有益效果。本發(fā)明不僅限于上述描述的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，諸如改變?cè)O(shè)計(jì)之 類的多種修改可以基于其知識(shí)而進(jìn)行，并且增加這種修改的實(shí)施方式也還在本發(fā)明的范圍 內(nèi)。例如，在用于制造根據(jù)上述第一個(gè)實(shí)施方式的復(fù)合膜中，催化劑層可以涂敷為在 不需要的部分都被移除前橫跨多個(gè)電解質(zhì)膜。在一種修改中，掩?？梢栽谕糠蟠呋瘎又?前放置在不需要的部分上。另外，在上面的詳細(xì)說(shuō)明中，各種功能可以組合在一起以把所公開連到一起。這不 應(yīng)被理解為意味著沒(méi)要求保護(hù)的被公開特征對(duì)任何權(quán)利要求是必要的。相反，創(chuàng)造性發(fā)明 主題可能在于比特定的披露的實(shí)施方式的全部特征少。因此，如下的權(quán)利要求由此并入詳 細(xì)的描述，每個(gè)權(quán)利要求自身單獨(dú)作為分開的實(shí)施方式。本發(fā)明的范圍應(yīng)參照附后的權(quán)利 要求以及這些權(quán)利要求所賦予的等同物的全部范圍來(lái)確定。提供摘要以符合37C. F. R. § 1. 72(b)，以允許讀者迅速確定該技術(shù)公開的本質(zhì)。該 摘要被以其不用于解釋或限制權(quán)利要求的范圍或意義的理解進(jìn)行提交。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合膜，包括多個(gè)膜電極組件，以平面布置設(shè)置，每個(gè)膜電極組件包括電解質(zhì)膜、設(shè)置在電解質(zhì)膜的 一面上的陽(yáng)極和設(shè)置在電解質(zhì)膜的另一面上的陰極；和包含傳導(dǎo)部件的多個(gè)內(nèi)部連接器，每個(gè)內(nèi)部連接器設(shè)置在電解質(zhì)膜的在所述膜電極組 件的相鄰方向上彼此相對(duì)布置的側(cè)面上，其中，所述內(nèi)部連接器包括朝向電解質(zhì)膜的在電解質(zhì)膜的陰極側(cè)上的中部區(qū)域突出的 支撐部，并且其中，支撐部接觸電解質(zhì)膜的邊緣的陰極側(cè)表面，并且電解質(zhì)膜由支撐部保持。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合膜，其中陽(yáng)極延伸到設(shè)置在所述電解質(zhì)膜的彼此相對(duì)布 置的側(cè)面上的所述內(nèi)部連接器中的一個(gè)內(nèi)部連接器，并且陽(yáng)極電連接到所述內(nèi)部連接器中 的所述一個(gè)內(nèi)部連接器，其中，陰極延伸到設(shè)置在所述電解質(zhì)膜的彼此相對(duì)布置的側(cè)面上的所述內(nèi)部連接器中 的另一個(gè)內(nèi)部連接器，并且陽(yáng)極電連接到包含在所述內(nèi)部連接器的所述另一個(gè)內(nèi)部連接器 中的傳導(dǎo)部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合膜，其中所述內(nèi)部連接器的所述另一個(gè)內(nèi)部連接器 具有從支撐部件突起的凸起，以以從支撐部件突起的凸起不與所述內(nèi)部連接器的所述一個(gè) 內(nèi)部連接器接觸的方式進(jìn)一步支撐電解質(zhì)膜的陰極側(cè)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的復(fù)合膜，其中支撐部的電解質(zhì)膜側(cè)表面和所述 內(nèi)部連接器的與電解質(zhì)膜的側(cè)面接觸的側(cè)面之間形成的角度α大于90度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任何一項(xiàng)所述的復(fù)合膜，其中電解質(zhì)膜沿所述內(nèi)部連接器的側(cè) 面延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任何一項(xiàng)所述的復(fù)合膜，其中多個(gè)內(nèi)部連接器由復(fù)合部件形成， 該復(fù)合部件包括鄰近傳導(dǎo)部件設(shè)置的絕緣部件。
7.一種具有根據(jù)權(quán)利要求1至6任何一項(xiàng)所述的復(fù)合膜的燃料電池。
8.一種復(fù)合膜的制作方法，包括 準(zhǔn)備傳導(dǎo)基材；在傳導(dǎo)基材的第一主表面上形成多個(gè)凹槽； 在形成在傳導(dǎo)基材中的所述多個(gè)凹槽上沉積電解質(zhì)溶液； 充分固化電解質(zhì)溶液以形成具有暴露的第一表面的電解質(zhì)膜； 選擇性地移除傳導(dǎo)基材的與傳導(dǎo)基材的第一主表面相對(duì)的第二主表面的部分，以足以 暴露電解質(zhì)膜的第二表面并且形成多個(gè)內(nèi)部連接器； 其中，內(nèi)部連接器包括 延伸的支撐部；和凸起，從支撐部突起并且部分地橫跨電解質(zhì)膜的第二表面延伸。
9.一種制造燃料電池層的方法，包括 根據(jù)權(quán)利要求8準(zhǔn)備復(fù)合膜；通過(guò)在電解質(zhì)膜的第一表面上沉積催化劑材料形成陽(yáng)極催化劑層； 通過(guò)在電解質(zhì)膜的第二表面上沉積催化劑材料形成陰極催化劑層；以及 部分地移除陽(yáng)極催化劑層和陰極催化劑層的預(yù)定區(qū)域，以足以分割所述催化劑層。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃料電池，包括以平面布置設(shè)置的膜電極組件。每個(gè)膜電極組件包括電解質(zhì)膜、陽(yáng)極催化劑層和通過(guò)電解質(zhì)膜與陰極催化劑相對(duì)設(shè)置的陰極催化劑層。內(nèi)部連接器(傳導(dǎo)部件)設(shè)置在電解質(zhì)膜的沿膜電極組件的鄰近方向彼此相對(duì)布置的側(cè)面上。每個(gè)內(nèi)部連接器包括朝向電解質(zhì)膜的在電解質(zhì)膜的陰極側(cè)上的中部區(qū)域突出的支撐部。支撐部與電解質(zhì)膜的邊緣的陰極側(cè)表面接觸，并且電解質(zhì)膜由支撐部保持。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102148384SQ201110036498
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者安尾耕司, 杰勒德·F·麥克萊恩, 杰里米·舒滕, 株本浩揮 申請(qǐng)人:三洋電機(jī)株式會(huì)社, 安格斯喬動(dòng)力公司