燃料電池層、燃料電池系統和製造燃料電池層的方法
2023-05-04 13:11:56
專利名稱：燃料電池層、燃料電池系統和製造燃料電池層的方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池層、燃料電池系統和所述燃料電池層的製造方法。更具體地，本發明涉及具有以平面 排列方式設置的膜電極組件的燃料電池層、包括所述燃料電池層的燃料電池系統和製造所述燃料電池層的方法。
背景技術：
燃料電池是由氫和氧產生電流從而獲得高效發電的裝置。燃料電池的主要特點是其直接發電的能力，其不經歷如常規發電中的熱能或動能階段。這表現出以下優勢，如發電效率高但裝置規模小，減少氮化合物的排放，等，並且由於最小限度的噪音或振動而非常環保。燃料電池能夠有效地利用其燃料中的化學能並且，同樣地，很環保。燃料電池因此被視為二十一世紀能源系統並已經獲得關注，作為能夠用於多種應用，包括空間應用、汽車、移動裝置、和大規模和小規模發電的有前景的發電系統。進行了大量的技術努力，以開發實用的燃料電池。具體地，聚合物電解質燃料電池的特點是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。因此，近年來，聚合物電解質燃料電池已經作為用於移動裝置諸如行動電話、筆記本尺寸的個人電腦、PDA、MP3播放器、數位相機、電子辭典或電子書的有前景的電源出現。作為用於移動裝置的聚合物電解質燃料電池公知的是平面燃料電池層，其中多個膜電極組件(單電池)排列在平面上。發明概述技術問題本發明的目的是提供能夠減少製造平面燃料電池所需的材料數量的技術。解決問題的方案本發明的一個實施方案涉及燃料電池層。所述燃料電池層包括以平面排列方式設置的多個膜電極組件，各個膜電極組件包括電解質膜、安置在所述電解質膜的一個表面上的陽極催化劑層、和陰極催化劑層，該陰極催化劑層以其至少一部分與陽極催化劑層相反設置這樣的方式被安置在所述電解質膜的另一個表面上；和內部連線，其將相鄰膜電極組件的一個中的陽極催化劑層與所述相鄰膜電極組件的另一個中的陰極催化劑層電連接，其中所述內部連線由構成陽極催化劑層的材料和構成陰極催化劑層的材料中的至少一種形成。在上述實施方案中，內部連線可以與由與內部連線相同材料製成的陽極催化劑層一起整體形成；或可以與由與內部連線相同材料製成的陰極催化劑層一起整體形成；或者內部連線可以包括與陽極催化劑層一起整體形成的部分和與陰極催化劑層一起整體形成的部分。本發明的另一個實施方案涉及燃料電池系統，其包括燃料電池層、陽極外殼和陰極外殼。燃料電池系統還可以包括設置在所述燃料電池層與所述陽極外殼和陰極外殼之間的密封墊或密封層。陰極外殼可以包括空氣入口。
本發明的另一個實施方案涉及用於製造燃料電池層的方法。該製造方法包括以下列這樣的方式形成以平面排列的方式設置的多個膜電極組件在電解質膜的一個表面上形成多個陽極催化劑層和在所述電解質膜的另一個表面上形成多個陰極催化劑層同時或以隨機的順序進行；和以下列這樣的方式形成被設計為將相鄰膜電極組件的一個中的陽極催化劑層與相鄰膜電極組件的另一個中的陰極催化劑層彼此電連接的內部連線通過形成陽極催化劑層將用作陽極催化劑層的材料部分地或完全地填充到用於分隔所述相鄰膜電極組件的電解質膜的間隔中，或通過形成陰極催化劑層將用作陰極催化劑層的材料填充到所述間隔中，或以下列這樣的方式形成所述內部連線通過形成陽極催化劑層將用作陽極催化劑層的材料填充到所述間隔中，並通過形成陰極催化劑層將用作該催化劑層的材料填充到所述間隔中。注意前述結構成分等的任何任意的組合或重排均有效地作為和包括在本發明的實施方案中。附圖簡述
現參考附圖，僅通過舉例描述實施方案，所述附圖意欲示範而非限制，並且其中相似元件在多幅圖中以相似的方式編號，其中圖I是示意性顯示根據本發明的第一實施方案的燃料電池層結構的分解透視圖；圖2A是沿圖I的A-A線截取的燃料電池層的橫截面視圖；圖2B是示意性顯示圖2A中所示的內部連線附近的部分放大橫截面視圖；圖3A-3C是顯示用於製造根據本發明第一實施方案的燃料電池層的方法過程的橫截面視圖；圖4是電解質膜的示意性透視圖；圖5A- 是顯示用於製造根據本發明第一實施方案的燃料電池層的方法過程的橫截面視圖；圖6A-6D是顯示用於製造根據本發明第一實施方案的燃料電池層的方法過程的橫截面視圖；圖7A是示意性顯示根據第一種改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖；圖7B是示意性顯示根據第二種改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖；圖7C是示意性顯示根據第三種改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖；圖7D是示意性顯示根據第四種改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖；圖8A-8E是顯示根據本發明第二實施方案用於製造燃料電池層的方法過程的橫截面視圖；圖9A是示意性顯示用於製造根據第五種改進的燃料電池層的方法中的第一基底的部分放大橫截面視圖；圖9B是示意性顯示用於製造根據第六種改進的燃料電池層的方法中的第一基底的部分放大橫截面視圖；和
圖10A-10D是顯示根據本發明第三實施方案用於製造燃料電池層的方法過程的橫截面視圖。實施方案描述現將參考附圖描述實施方案。注意在所有附圖中，給予相同或相似的部件、零件和處理相同的參考編號並且適當時，省略其重複描述。而且，本文中給出的實施方案僅為了舉例說明的目的，且本實施方案中描述的全部特徵及其組合併非本發明必需的。(第一實施方案)圖I示意性顯示根據本發明第一實施方案的燃料電池層的結構的分解透視圖。圖2A是沿圖I的A-A線截取的燃料電池層的橫截面視圖。圖2B是顯示圖2A中所示的內部連線附近的部分放大橫截面視圖。參考圖1，燃料電池系統10包括燃料電池層100、陰極外殼50和陽極外殼52。在圖I的橫截面A-A處的燃料電池層100圖示在圖2A中。
燃料電池層100包括以平面排列方式設置的多個膜電極組件(MEAs) 120，和內部連線130 (未顯示在圖I中)。各膜電極組件120包括電解質膜122、安置在電解質膜122的一個表面上的陽極催化劑層124，和陰極催化劑層126，其以其至少一部分與陽極催化劑層124相反設置這樣的方式安置在電解質膜122的另一個表面上。電解質膜122，其可以在溼潤條件下顯示優秀的離子傳導率，起到在陽極催化劑層124和陰極催化劑層126之間傳遞質子的離子交換膜的作用。電解質膜122可以由固體聚合物材料諸如含氯聚合物或非氟聚合物形成。可以用於電解質膜122的材料可以是，例如，磺酸型全氟碳聚合物、聚碸樹脂、具有膦酸基團或羧酸基團的全氟碳聚合物，等。磺酸型全氟碳聚合物的實例是Nafion膜(由DuPont生產註冊商標)。而且,非氟聚合物的實例是磺化芳族聚醚醚酮、聚碸等。電解質膜122的厚度可以是例如約10-200_。各膜電極組件120中的多個陽極催化劑層124可以以彼此略微分離(如通過間隔
125所示)這樣的方式設置在電解質膜122的一個表面上。各膜電極組件120中的多個陰極催化劑層126可以以彼此略微分離(如通過間隔127所示)這樣的方式設置在電解質膜122的另一個表面上。膜電極組件120 (單電池)由一對陽極催化劑層124和陰極催化劑層126以及電解質膜122構成，所述電解質膜122保持在陽極催化劑層124和陰極催化劑層126之間。陽極催化劑層124和陰極催化劑層126可以以多種配置排列，條件是在相鄰單電池之間保持電間斷區域從而防止燃料電池層100電短路。這樣的配置的實例可以參見美國專利申請公開號2009/0162722,標題為「Electrochemical cell assemblies includinga region of discontinuity (包括間斷區域的電化學電池組件)」,其公開內容通過參考整體引入本文。氫可以提供給陽極催化劑層124，作為燃料氣體。儘管所述實施方案預期使用氫氣作為燃料，應該理解可以使用任何其他合適的燃料，諸如，例如甲醇、甲酸、丁烷、或其他氫載體。空氣可以提供給陰極催化劑層126，作為氧化劑。各單電池或膜電極組件120通過燃料(例如氫)和空氣中的氧之間的電化學反應產生電力。陽極催化劑層124和陰極催化劑層126可以各自具有離子交換材料和催化劑粒子或碳粒子，其根據具體情況而定。陽極催化劑層124和陰極催化劑層126中包含的離子交換材料可以用於促進催化劑粒子和電解質膜122之間的粘附。該離子交換材料還可以起到在催化劑粒子和電解質膜122之間傳遞質子的作用。離子交換材料可以由與電解質膜122相似的聚合物材料形成。催化劑金屬可以是單一元素或兩種或更多元素的合金，所述元素選自 Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt、Os、Ir、鑭系元素和錒系元素。當提供催化劑時，爐黑、乙炔黑、科琴黑(ketjen black)、碳納米管等可以用作碳粒子。陽極催化劑層124和陰極催化劑層126的厚度可以是，例如，約10-約40mm。如上所述，根據第一實施方案的燃料電池層100包括以平面排列方式形成的多個膜電極組件120，其由各對陽極催化劑層124和陰極催化劑層126以及電解質膜122構成，所述電解質膜122置於陽極催化劑層124和陰極催化劑層126之間。如圖2A和2B中所示，內部連線130是通過提供從一個膜電極組件120的陽極催化劑層124至相鄰膜電極組件120的陰極催化劑層126的電路來電連接相鄰單電池或膜電極組件120的構件。在相鄰膜電極組件120之間提供孔，並將其用於部分或完全分隔相鄰膜電極組件120的電解質膜122。內部連線130被安置使得其在所述孔中穿透電解質膜122。根據本實施方案的燃料電池層100的電解質膜122具有離散的通孔122a(也參見圖4)作為孔，並且內部連線130被安置在通孔122a中。注意所述孔不僅可以通過用於部分分隔相·鄰膜電極組件120的電解質膜122的通孔122a而實現，而且可以通過可以用於完全分隔相鄰膜電極組件120的狹縫和通過沿膜電極組件120的寬度方向延伸而實現。如果所述孔通過通孔122a實現，則燃料電池層100的強度可以比其中所述孔通過狹縫實現的情形中的強度得到更大的提高。而且，形成內部連線130所需的材料的量可以減少。相鄰膜電極組件120可以通過內部連線130串聯連接在一起。在本實施方案中，兩個相鄰膜電極組件120中一個的陽極催化劑層124的末端延伸至內部連線130，且其末端與內部連線130的一個末端電連接。而且，其另一個的陰極催化劑層126的末端延伸至內部連線130，並且其末端與內部連線130的另一個末端電連接。內部連線130的寬度可以是，例如，約30-300mm。內部連線130由構成陽極催化劑層124的材料和構成陰極催化劑層126的材料中的至少一種形成。結果，與需要製備單獨的構件諸如末端突出物作為常規平面燃料電池中的內部連線的情形相比，製造燃料電池層100所需的材料數量可以減少。而且，內部連線130可以與以下催化劑層一起整體形成由與所述內部連線相同材料製成的陽極催化劑層124或由與所述內部連線130相同材料製成的陰極催化劑層126。或者，內部連線130可以包括與陽極催化劑層124 —起整體形成的部分和與陰極催化劑層
126—起整體形成的部分。結果，所用的部件的數量與常規實踐相比可以減少。而且，內部連線130和各催化劑層之間的接觸電阻與常規燃料電池中的接觸電阻相比，可以減小。在圖2B中所示的本實施方案中，內部連線130包括構成陽極催化劑層124的材料和構成陰極催化劑層126的材料，且由與陽極催化劑層124 —起整體形成的部分和與陰極催化劑層126 —起整體形成的部分構建。更具體地，伸入通孔122a中的突部124a在陽極催化劑層124的表面中形成且伸入通孔122a中的突部126a在陰極催化劑層126的表面中形成。突部124a的邊緣和突部126a的邊緣在通孔122中連接在一起，由此形成內部連線130。突部124a和突部126a的高度可以是，例如，電解質膜122寬度的約一半，且突部124a和突部126a之間的界面可以位於電解質膜122寬度方向的接近中間處。在其他實施方案中，內部連線130可以由在陽極催化劑層124的表面中形成的突部124a或在陰極催化劑層126的表面中形成的突部126a形成。在這樣的實施方案中，突部124a或126a的邊緣可以延伸通過電解質膜的整個寬度，且可以分別與陰極催化劑層126的表面或與陽極催化劑層124的表面連接在一起，從而形成內部連線130。而且，根據圖2B中所示的實施方案，當在平面上觀察時，膜電極組件120b的陽極催化劑層124和與膜電極組件120b相鄰設置的膜電極組件120a的陰極催化劑層126可以彼此部分重疊。在該實施方案中，內部連線130被安置在膜電極組件120b的陽極催化劑層124和膜電極組件120a的陰極催化劑層126彼此重疊的區域中。通過使用如上所述的結構，通孔122a可以與陽極催化劑層124和陰極催化劑層126垂直來延伸，從而使通孔122a的長度可以變得最短。結果，內部連線130的長度可以變得最短，且因此可以抑制內部連線130中電阻的增加並且可以減少 形成內部連線130所需催化劑材料的量。此外，居於燃料電池層100中的內部連線130的延伸區域的面積可以變得更小。因此，如果根據本實施方案的燃料電池系統10中的燃料電池層100的尺寸變得與常規燃料電池中所用的尺寸相等，則根據本實施方案的燃料電池系統10中的電流產量可以通過增大發電區域的面積而提高。相反地，如果由根據本實施方案的燃料電池系統10產生的電流變得與常規燃料電池系統相等，則根據本實施方案的平面燃料電池系統10可以變得緊湊且尺寸更小。例如，發電區域(即兩個密封層140之間的區域)和非發電區域(即由密封層140覆蓋的區域)的面積比可以是約7. 5 : I至約5 I。內部連線130，其由構成陽極催化劑層124的材料和構成陰極催化劑層126的材料中的至少一種形成，具有多個細孔。結果，存在這樣的可能性，即可以發生所謂的交叉洩漏，其中氫，作為提供給陽極催化劑層124的燃料，通過內部連線130移動到陰極催化劑層126偵牝而且空氣，作為提供給陰極催化劑層126的氧化劑，通過內部連線130移動到陽極催化劑層124側。因此，用於阻斷燃料和氧化劑通過內部連線130向另一催化劑側移動的密封層140被安置在內部連線130的附近。密封層140可以由可以阻斷氣流的材料，諸如樹脂形成。如果密封層140與相鄰膜電極組件120的催化劑層類似地接觸，則密封層140必須是不導電的，從而防止燃料電池層100的短路。構成密封層140的材料的實例可以包括氟化樹脂，諸如也用於電解質膜122的Nafion (註冊商標)或Teflon (註冊商標)，等。密封層140可以如下形成可以將含有構成密封層140的材料的溶液塗覆至包括其頂部的內部連線130附近的陽極催化劑層124和陰極催化劑層126的表面。樹脂溶液滲透入內部連線130和內部連線130附近設置的陽極催化劑層124和陰極催化劑層126，由此形成密封層140。樹脂溶液的滲透是用密封材料填充構成內部連線130的材料的細孔，內部連線130附近的陽極催化劑層124的細孔和內部連線130附近的陰極催化劑層126的細孔。通過使用如上所述的方法和結構，可以防止通過內部連線130發生的交叉洩漏。另外，密封層140可以被安置，以使其填充到相鄰陽極催化劑層124之間的間隔125和相鄰陰極催化劑層126之間的間隔127中。通過密封層140來填充間隔125和間隔127可以防止由電化學反應產生的水匯集在間隔125和127中。因此，如果根據本實施方案的燃料電池系統10中的燃料電池層100的尺寸變得與常規燃料電池中使用的尺寸相等，則根據本實施方案的燃料電池系統10中的電流產量可以通過增大發電區域的面積而提高。如果由根據本實施方案的燃料電池系統10產生的電流變得與常規燃料電池系統相等，則根據本實施方案的平面燃料電池層100可以變得緊湊且尺寸更小。
注意，在陽極催化劑層124側上安置的密封層140延伸至與陰極催化劑層126的間隔127相反設置的區域。還注意，在陰極催化劑層126側上安置的密封層140延伸至與陽極催化劑層124的間隔125相反設置的區域。以平面方式觀察時，通過間隔125和間隔127插入的區域可能不促進發電。因此，在由此插入的區域內形成密封層140可以防止相鄰電極之間的交叉洩漏和短路，同時不導致由各膜電極組件120產生的電流的下降。如圖I和圖2A中所示，陰極外殼50可以是與陰極催化劑層126相反設置的板狀構件。陰極外殼50可以具有進氣口 51用於由外部進料空氣。在陰極外殼50和陰極催化劑層126之間可以形成氣室60，其中有空氣流動。陽極外殼52可以是與陽極催化劑層124相反設置的板狀構件。在陽極外殼52和陽極催化劑層124之間可以形成用於儲存燃料的燃料氣體室62。在陽極外殼52中可以形成燃料供應埠(未顯示)，從而使燃料可以如所需地由燃料筒等供應。用於陰極外殼50和陽極外殼52的材料可以是常用的塑料樹脂諸如苯酚樹脂、乙烯基樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂、尿素樹脂或氟樹脂。·在電解質膜122外周和陽極外殼52之間可以安置密封墊56。密封墊56的安置可以提高燃料氣體室62的密封性能並防止燃料洩漏。而且在電解質膜122外周和陰極外殼50之間可以安置密封墊57。(燃料電池層的製造方法)現參考圖3A-3C、圖4、圖5A- 和圖6A-6D,描述用於製造根據第一實施方案的燃料電池層的方法。圖3A-3C、圖5A- 和圖6A-6D是顯示根據第一實施方案的燃料電池層的製造方法的過程圖，圖4是電解質膜的示意性透視圖。如圖3A所示，可以製備電解質膜122。因此，如圖3B中所示，可以對電解質膜122圖案化，從而在預定位置處形成孔。例如，電解質膜122使用雷射L來照射，由此選擇性地去除電解質膜122的一些區域。該過程可以導致在預定位置處形成通孔122a或狹縫(未顯示)，如圖3C和圖4中所示。在其他實施方案中，通孔122a可以通過機械衝壓、衝切或直接模製代替雷射照射來形成。而且，通孔122a的數量、其尺寸等可以根據電解質膜122的強度和連接相鄰膜電極組件120的內部連線130的電阻來適當地設定。除如圖3A-3C中所示在電解質膜122中形成通孔122a外，用於陽極催化劑層的材料123a還可以利用例如噴塗法塗覆於第一基底150的表面，如圖5A中所示。結果，用於陽極催化劑層的材料123的層可以在第一基底150的整個表面上形成。在一些實施方案中，第一基底150可以至少在其表面上經歷氟加工處理。由此，如圖5C中所示，用於陽極催化劑層的材料123的層可以用例如雷射L在預定位置處照射，由此選擇性地去除用於陽極催化劑層的材料123的層。該過程導致在第一基底150表面上形成由間隔125分隔開的多個用於陽極催化劑層的材料123的層。注意，其他常規方法諸如絲網印刷法可以用於在第一基底150表面上形成用於陽極催化劑層的材料123的層。因此，如圖6A中所示，可以放置其上已經形成了用於陽極催化劑層的材料123的層的第一基底150，從而使材料123的層設置在面對電解質膜122 —個表面的位置處。而且，可以放置第二基底152，從而使用於陰極催化劑層的材料129的層設置在面對電解質膜122另一個表面的位置處。於此，第二基底152具有由間隔127分隔開的多個用於陰極催化劑層的材料129的層，且通過與當在第一基底150上形成用於陽極催化劑層的材料123的層時類似地使用的方法形成。在第一基底150上形成的各間隔125和在第二基底152上形成的各間隔127可以這樣排列，以使得間隔125和間隔127在電解質膜122的延伸方向上移位(而非排成直線)，而通孔122a置於間隔125和間隔127之間。因而，第一基底150和第二基底152可以通過壓床壓力接合於電解質膜122。結果，用於陽極催化劑層的材料123的層和用於陰極催化劑層的材料129的層可以印刷到電解質膜122上。在其他實施方案中，用於陽極催化劑層的材料123的層和用於陰極催化劑層的材 料129的層可以利用任意合適的方法直接設置在電解質膜122上。結果，如圖6B中所示，用於陽極催化劑層的材料123的層轉移至電解質膜122的一個表面上，由此形成陽極催化劑層124，而用於陰極催化劑層的材料129的層轉移至電解質膜122的另一個表面上，由此形成陰極催化劑層126。而且，第一基底150可以壓力接合於電解質膜122，由此用於陽極催化劑層的材料123的層的一部分從電解質膜122的一個表面側填充到通孔122a中。已經填充到通孔122a中的用於陽極催化劑層的材料123的層的部分成為與陽極催化劑層124—起整體形成的突部124a。而且，第二基底152可以壓力接合於電解質膜122，由此用於陰極催化劑層的材料129的層的一部分從電解質膜122的另一個表面側填充到通孔122a中。已經填充到通孔122a中的用於陰極催化劑層的材料129的層的部分成為與陰極催化劑層126—起整體形成的突部126a。突部124a和突部126a在通孔122a中彼此接觸，由此形成內部連線130。因此，如圖6C中所示，可以利用平版印刷法等在陰極催化劑層126上與密封層140的圖案對準地選擇性形成掩模170。在這樣的實施方案中，含有構成密封層140的樹脂的樹脂溶液140a可以填充到掩模170的開口中，由此使樹脂溶液140a滲透到陰極催化劑層126中。類似地，可以在陽極催化劑層124上選擇性地形成掩模(未顯示)，樹脂溶液140a填充到該掩模的開口中，由此使樹脂溶液140a滲透到陽極催化劑層124中。應該注意，樹脂溶液140a可以利用許多合適的方法來設置，例如，可以使用鏤花塗裝、絲網印刷或噴墨印刷。然後可以乾燥和固化樹脂溶液140a。注意，樹脂溶液140a的塗覆量可以根據由於乾燥和固化引起的體積減小來調節。在設置密封層後，可以去除掩模。結果，如圖6D中所示，形成密封層140，其被安置使得其填充在內部連線130的細孔和包括其頂部的內部連線130附近的陽極催化劑層124和陰極催化劑層126的細孔中。此外，可以如此安置密封層140，以使其填充在間隔125和127中。通過上述過程，製造根據第一實施方案的燃料電池層100。作為進一步的步驟，在燃料電池層100的陽極催化劑層124側經由密封墊56安置陽極外殼52和在其陰極催化劑層126側經由密封墊57安置陰極外殼50容許製造燃料電池系統10。如上所述，根據第一實施方案的燃料電池層100包括以平面排列方式設置的多個膜電極組件120和內部連線130。內部連線130可以由構成陽極催化劑層124的材料和構成陰極催化劑層126的材料中至少一種形成。結果，與需要製備單獨的構件諸如末端突出物作為常規平面燃料電池中的內部連線的情形相比，製造燃料電池層100所需的材料數量可以減少。由此，可以減小燃料電池層100的製造成本。各內部連線130可以通過將與陽極催化劑層124—起整體形成的突部124a和與陰極催化劑層126 —起整體形成的突部126a連接在一起來構建。結果，內部連線130和各催化劑層之間的接觸電阻可以減小。而且，燃料電池層100中使用的部件數量可以減少，從而可以簡化燃料電池層100的製造過程。電解質膜122可以具有通孔122a，並在通孔122a中安置內部連線130。結果，相鄰膜電極組件120之間設置的電解質膜122的強度能夠得以維持。而且，形成內部連線130所需的催化劑材料的量可以減少並因此限制製造成本的增加。(改進)其次，在下文中給出關於第一種至第四種改進的描述，其中密封層140的形狀在根據第一實施方案的燃料電池層100中可以不同。圖7A是示意性顯示根據第一種改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖。圖7B是示意性顯示根據第二種改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖。圖7C是示意性顯示根據第三種改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖。圖7D是示意性顯示根據第四種·改進的燃料電池層中內部連線附近的部分放大橫截面視圖。(第一種改進)根據如圖7A中所示的第一種改進，安置密封層140以使得密封層140填充在內部連線130的細孔，包括其頂部的內部連線130附近的陽極催化劑層124的細孔和包括其頂部的內部連線130附近的陰極催化劑層126的細孔中。而且，如此安置密封層140，以使其覆蓋面對相鄰陽極催化劑層124之間的間隔125的側壁和面對相鄰陰極催化劑層126之間的間隔127的側壁。由密封層140覆蓋間隔125和127中的側壁可以防止相鄰催化劑層之間的短路。因此，與完全填充間隔125和127的情形相比，在仍可以防止相鄰催化劑層之間短路可能的同時，形成密封層140所需的材料量可以減少。(第二種改進)根據如圖7B中所示的第二種改進，密封層140可以被安置在與內部連線130末端相鄰設置的陰極催化劑層126中，由此覆蓋陰極催化劑層126側內部連線130的該末端。例如，可以形成所述密封層140，由此樹脂溶液140a從陰極催化劑層126側滲透。如何安置密封層140不局限於本改進的情形，其中如此安置密封層140，以使其填充在與內部連線130末端相鄰設置的陰極催化劑層126的細孔中。交叉洩漏的發生可以得到阻止，條件是如此安置密封層140，以使其填充在內部連線130內的一部分細孔和與內部連線130另一末端相鄰設置的陽極催化劑層124的細孔的至少之一中。換言之，如果如此安置密封層140，以使得阻斷容許燃料或氧化劑流動的通道，就足夠了。(第三種改進)根據如圖7C中所示的第三種改進，密封層140在陽極催化劑層124和陰極催化劑層126的表面中形成，同時密封層140不滲透到陽極催化劑層124、內部連線130和陰極催化劑層126中。在該情形中，在保持內部連線130附近電導率的同時可以防止交叉洩漏的發生。根據本改進的密封層140可以通過增大樹脂溶液140a的粘度來形成。(第四種改進)根據如圖7D中所示的第四種改進，密封層140由片狀密封材料形成，並且安置在內部連線130上的陽極催化劑層124和內部連線130上的陰極催化劑層126的表面。在該情形中，同樣地，可以抑制交叉洩漏的發生。如此安置密封層140，以使其還覆蓋間隔125和127。該結構防止發電生成的水進入間隔125和127並防止相鄰催化劑層之間的短路。如果，如同第三種改進和第四種改進，密封層140不在內部連線130或催化劑層中形成，而在一個催化劑層或多個催化劑層的表面中形成，則僅需要如此安置密封層140，以使其覆蓋陽極催化劑層124的表面和陰極催化劑層126的表面中至少一個的其中當以平面方式觀察時與內部連線130重疊的區域。(第二實施方案)在根據本發明第二實施方案的燃料電池層100的製造方法中，用於製造燃料電池層100的第一基底150和第二基底152的形狀可以與第一實施方案中使用的不同。注意，燃料電池系統10和燃料電池層100的最終結構及其製造過程與第一實施方案中描述的那些基本相同。對與第一實施方案的那些相同的結構構件給予相同的參考編號，並且在適當 時省略其描述。
圖8A-8E是顯示根據第二實施方案用於製造燃料電池層的方法過程的橫截面視圖。如圖gA中所示，在第二實施方案中使用在其表面上具有突出部分150a的第一基底150。當第一基底150壓力接合於電解質膜122時，安置突出部分150a的位置可以設置成與通孔122a相對。用於陽極催化劑層的材料123a可以利用例如噴塗法塗覆於其中安置突出部分150a的第一基底150的表面處。結果，如圖8B中所示，在第一基底150的整個表面上可以形成用於陽極催化劑層的材料123的層。結果，在突出部分150a上安置的用於陽極催化劑層的材料123的層的部分可以突出高於它的其他部分。由此，如圖SC中所示，例如，雷射L照射在陽極催化劑層124的其中將形成間隔125的製備區域上，由此選擇性去除用於陽極催化劑層的材料123的層。如圖8D中所示，該過程導致在第一基底150的表面上形成由間隔125分隔的多個用於陽極催化劑層的材料123的層。由此，如圖SE中所示，放置在其上已經形成用於陽極催化劑層的材料123的層的第一基底150，以使得材料123的層設置在面對電解質膜122的一個表面的位置處。而且，類似於用於陽極催化劑層的材料123的層，在其上已經形成用於陰極催化劑層的材料129的層的具有突出部分152a的第二基底152被放置，以使得用於陰極催化劑層的材料129的層可以設置在面對電解質膜122的另一個表面的位置處。因而，第一基底150和第二基底152可以通過壓床壓力接合於電解質膜122。結果，用於陽極催化劑層的材料123的層和用於陰極催化劑層的材料129的層可以印在電解質膜122上。在下文中，利用與第一實施方案中使用的相似的方法形成燃料電池層100。根據如上所述的第二實施方案，催化劑層可以通過利用在對應於通孔122a的位置處具有突出部分的基底而壓力接合於電解質膜122。因此，部分催化劑層可以更可靠地進入通孔122a中。結果，內部連線130可以在通孔122a中緊密地形成，其間沒有間隔。SP，可以最大化內部連線130的橫截面積。而且，進入通孔122a中的突部124a與突部126a的壓力接合可以得到確保。由此，相鄰膜電極組件120可以更可靠地電連接。基底150和第二基底152中至少一個具有突出部分可能是可接受的。然而，如果基底150和第二基底152二者具有突出部分，則相鄰膜電極組件120可以更可靠地電連接。
(改進)以下第五種和第六種改進是對第二實施方案的改進，其顯示還有第一基底150和第二基底152的其他形狀。圖9A是示意性顯示用於製造根據第五種改進的燃料電池層的方法中的第一基底的部分分解橫截面視圖。圖9B是示意性顯示用於製造根據第六種改進的燃料電池層的方法中的第一基底的部分分解橫截面視圖。注意，圖9A和9B僅圖示製造燃料電池層100的方法的一部分。(第五種改進)根據如圖9A中所示的第五種改進，通過在第一基底150的表面中放置片狀密封層形成材料140b，在第一基底150的表面中形成突出部分。在這樣情形中，當第一基底150壓力接合於電解質膜122時(見圖6A)，密封層140可以與形成陽極催化劑層124和突部124a同時形成(見圖6B-6D)。結果，燃料電池層100製造工序的數量(見圖6D) 可以減少。注意，第二基底152的形狀(見圖6A)可以與第一基底150的形狀相似。(第六種改進)根據如圖9B中所示的第五種改進，在第一基底150的表面中形成凹進部分150b，且作為密封層形成材料的樹脂溶液140a填充入凹進部分150b中，由此在第一基底150中形成突出部分。在該情形中，同樣地，類似於第五種改進，密封層140可以與形成陽極催化劑層124和突部124a同時形成(見圖6B-6D)。結果，燃料電池層100製造工序的數量(見圖6D)可以減少。注意，第二基底152的形狀(見圖6A)可以與第一基底150的形狀相似。在一些實施方案中，樹脂溶液140a可以具有一定的高粘度。(第三實施方案)根據本發明第三實施方案的燃料電池層100製造方法與第一實施方案中的製造方法不同。下文中給出第三實施方案的描述。注意，燃料電池系統10和燃料電池層100的結構可以與第一實施方案中所述的那些基本相同。對與第一實施方案的那些相同的結構構件給予相同的參考編號，並且在適當時省略其描述。圖10A-10D是顯示根據第三實施方案用於製造燃料電池層的方法過程的橫截面視圖。如圖IOA中所示，用於陽極催化劑層的材料123a可以利用例如噴塗法塗覆於其中形成通孔122a的電解質膜122的一個表面處。類似地，用於陰極催化劑層的材料可以塗覆於電解質膜122的另一個表面。因此，如圖IOB中所示，陽極催化劑層124可以在電解質膜122的一個表面的整個表面上形成，且陰極催化劑層126在其另一個表面的整個表面上形成。由於，在第三實施方案中，可以在可以塗覆用於陰極催化劑層的材料之前塗覆用於陽極催化劑層的材料123a，所以僅用於陽極催化劑層的材料123a填充入通孔122a中，由此形成內部連線130。因而，如圖IOC中所示，可以使用例如雷射L在預定位置處照射陰極催化劑層126，由此選擇性去除陰極催化劑層126。類似地，可以選擇性去除陽極催化劑層124。如圖IOD中所示，該過程導致在電解質膜122的一個表面上形成由間隔125分隔的多個陽極催化劑層124。該過程還導致在電解質膜122的另一個表面上形成由間隔127分隔的多個陰極催化劑層126。結果，形成以平面排列方式設置的多個膜電極組件120。在下文中，可以利用與第一實施方案中使用的相似的方法形成燃料電池層100。
通過使用根據本實施方案的製造方法形成的燃料電池層100獲得與第一實施方案相同的有益效果。儘管，在本實施方案中，形成間隔125和127比在基底上形成的用於催化劑層的材料的層中形成間隔125和127更難，燃料電池層100的製造過程可以得到簡化，因為可以減少製造所需的設備數量。而且，由於催化劑層不通過壓床壓力接合於電解質膜122，所以損壞電解質膜122的風險可以顯著降低。本發明不僅限於上述實施方案和改進，並且本領域技術人員應該理解基於他們的知識可以進一步作出多種改進，諸如設計的改變，並且附加這些改進的實施方案也屬於本發明的範圍。例如，在上述第一和第二實施方案中，陽極催化劑層124和陰極催化劑層126可以同時壓力接合於電解質膜122，從而通過突部124a和突部126a形成內部連線130。代替地，內部連線130可以如下形成。即陽極催化劑層124，例如，首先壓力接合於電解質膜122，並且構成陽極催化劑層124的材料填充入通孔122a中。然後，陰極催化劑層126壓力接合於電解質膜122。結果，由單獨的突部124a構成的內部連線130可以與陽極催化劑層124 —起整體形成。類似地，單獨的突部126a構成的內部連線130可以與陰極催化劑層126—起 整體形成。而且，在陽極催化劑層124和陰極催化劑層126中可以各自安置集電器(未顯示)O在以上的詳細說明中，不同的特徵可以集合在一起，以組織發明內容。這不應該被解釋為意指未要求的公開的內容對任何權利要求是必需的。相反，本發明的主題可以存在少於具體公開的實施方案的全部特徵。因此，以下權利要求由此結合在詳細說明中，各權利要求作為單獨的實施方案代表其本身。本發明的範圍應該參考所附權利要求以及與這些權利要求授權的等價物的完整範圍來確定。提供摘要從而容許讀者迅速確定技術內容的特性。在理解其不用於解釋或限制權利要求範圍或含義的條件下，提交摘要。
權利要求
1.一種燃料電池層，其包括 多個膜電極組件，其以平面排列的方式設置，各個膜電極組件包括電解質膜、安置在所述電解質膜的一個表面上的陽極催化劑層、和陰極催化劑層，該陰極催化劑層以其至少一部分與陽極催化劑層相反設置這樣的方式被安置在所述電解質膜的另一個表面上；和 內部連線，其將所述相鄰膜電極組件的一個中的陽極催化劑層與所述相鄰膜電極組件的另一個中的陰極催化劑層電連接， 其中所述內部連線由構成陽極催化劑層的材料和構成陰極催化劑層的材料中的至少一種形成。
2.根據權利要求I的燃料電池層，其中所述內部連線與以下催化劑層一起整體形成由與所述內部連線相同的材料製成的陽極催化劑層，或由與所述內部連線相同的材料製成的陰極催化劑層； 或者所述內部連線包括與所述陽極催化劑層一起整體形成的部分，以及與所述陰極催化劑層一起整體形成的部分。
3.根據權利要求I或權利要求2的燃料電池層，其中所述多個膜電極組件以平面排列的方式設置，使得各個膜電極組件中的各個陽極催化劑層在所述電解質膜的一個表面上彼此分隔開，且各個膜電極組件中的各個陰極催化劑層在所述電解質膜的另一個表面上彼此分隔開， 其中所述電解質膜具有從其一個表面延伸至其另一個表面的通孔，且 其中所述內部連線被安置在所述通孔中。
4.根據權利要求I至權利要求3中任一項的燃料電池層，其中當以平面方式觀察時，相鄰膜電極組件的一個中的陽極催化劑層和相鄰膜電極組件的另一個中的陰極催化劑層彼此部分重疊，且 其中所述內部連線被安置在其中所述相鄰膜電極組件中的陽極催化劑層和所述相鄰膜電極組件的另一個中的陰極催化劑層彼此重疊的區域中。
5.根據權利要求I至權利要求4中任一項的燃料電池層，其還包括密封層，所述密封層用於阻斷燃料和氧化劑從一個催化劑層通過所述內部連線轉移至另一個催化劑層。
6.根據權利要求5的燃料電池層，其中所述密封層是以使下列細孔中的至少一種被所述密封層填充這樣的方式安置的構成所述內部連線的材料的細孔、與所述內部連線的一個末端相鄰的陽極催化劑層的細孔、以及與所述內部連線的另一個末端相鄰的陰極催化劑層的細孔。
7.根據權利要求5的燃料電池層，其中所述密封層是以在下述這樣的區域內覆蓋陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少一個的表面這樣的方式安置的，在所述區域中，當以平面方式觀察時，陽極催化劑層和陰極催化劑層中的所述至少一個的表面與所述內部連線重疊。
8.根據權利要求6或權利要求7的燃料電池層，其中所述密封層是以覆蓋面對相鄰催化劑層之間的間隔的催化劑層側壁這樣的方式安置的。
9.根據權利要求6至權利要求8中任一項的燃料電池層，其中所述密封層是以填充相鄰催化劑層之間的空間這樣的方式安置的。
10.一種燃料電池系統，其包括根據權利要求I至權利要求9中任一項的燃料電池層； 與陰極催化劑層相鄰設置的陰極外殼；和 與陽極催化劑層相鄰設置的陽極外殼。
11.一種用於製造燃料電池層的方法，所述方法包括 以下列這樣的方式形成以平面排列的方式設置的多個膜電極組件在電解質膜的一個表面上形成多個陽極催化劑層和在所述電解質膜的另一個表面上形成多個陰極催化劑層同時或以隨機的順序進行；和 以下列這樣的方式形成被設計為將相鄰膜電極組件的一個中的陽極催化劑層與相鄰膜電極組件的另一個中的陰極催化劑層彼此電連接的內部連線通過形成陽極催化劑層將用作陽極催化劑層的材料部分地或完全地填充到用於分隔所述相鄰膜電極組件的電解質膜的間隔中，或通過形成陰極催化劑層將用作陰極催化劑層的材料填充到所述間隔中， 或以下列這樣的方式形成所述內部連線通過形成陽極催化劑層將用作陽極催化劑層的材料填充到所述間隔中，並通過形成陰極催化劑層將用作該催化劑層的材料填充到所述間隔中。
12.根據權利要求11的用於製造燃料電池層的方法，其中將其上層疊用作陽極催化劑層的材料的第一基底設置在面對所述電解質膜的一個表面的位置處， 其中將其上層疊用作陰極催化劑層的材料的第二基底設置在面對所述電解質膜的另一個表面的位置處，且 其中通過將第一基底和第二基底壓力接合到所述電解質膜上，在所述電解質膜的所述一個表面上形成陽極催化劑層且在所述電解質膜的所述另一個表面上形成陰極催化劑層，且 通過將所述用作陽極催化劑層的材料和所述用作陰極催化劑層的材料中的至少一種經由壓力接合而填充到所述間隔中，形成所述內部連線。
13.根據權利要求12的用於製造燃料電池層的方法，其中第一基底和第二基底中的至少一個在對應於所述間隔的表面區域中具有突出部分。
14.根據權利要求13的用於製造燃料電池層的方法，其中所述突出部分通過在基底表面上層疊密封層形成材料而形成。
全文摘要
燃料電池層包括以平面陣列排列方式設置的多個膜電極組件和用於電連接相鄰膜電極組件中一個的陽極催化劑層與相鄰膜電極組件中另一個的陰極催化劑層的內部連線。各膜電極組件包括電解質膜、安置在所述電解質膜的一個表面上的陽極催化劑層、和陰極催化劑層，該陰極催化劑層以其至少一部分與該陽極催化劑層相反設置這樣的方式被安置在所述電解質膜的另一個表面上。所述內部連線由構成陽極催化劑層的材料和構成陰極催化劑層的材料中的至少一種形成。
文檔編號H01M8/10GK102906919SQ20118001597
公開日2013年1月30日 申請日期2011年3月18日 優先權日2010年3月25日
發明者井村真一郎, 傑裡米·舒滕, 傑勒德·F·麥克萊恩, 讓-路易斯·阿柯尼斯, 馬丁·拉克魯瓦 申請人:三洋電機株式會社, 法商Bic公司