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CN101483250B - 流体基本平行于电解质膜流通的燃料电池及其制造方法 - Google Patents

流体基本平行于电解质膜流通的燃料电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括基板(2)，基板(2)支持具有其上分别设置第一和第二电极的第一和第二面(4a，4b)的电解质膜(4)。该第一和第二电极分别包括第一和第二催化元件，且第一和第二流体分别设置设计为供应到第一和第二催化元件的附近。在形成于基板(2)中的腔(10)中，在第一催化元件附近的第一流体被实现为产生基本平行于电解质膜(4)的第一面(4a)的流通。

Description

流体基本平行于电解质膜流通的燃料电池及其制造方法
本申请是申请号为200480017590.3(国际申请号为PCT/FR2004/001525)以及申请日为2004年6月18日的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，且更具体而言，涉及一种微型燃料电池，包括支持电解质膜的基板，该电解质膜包括其上分别设置有第一和第二电极的第一和第二面，该第一和第二电极分别包括第一和第二催化元件，流通装置用于使第一和第二流体分别接近第一和第二催化元件。
本发明还涉及一种用于制造这种燃料电池的方法。
背景技术
在燃料电池中，向电极提供反应流体并除去当电池工作时形成的产物存在两个主要困难，特别是在用在便携设备中的微型燃料电池。燃料电池的微型化实际上将燃料的存储和流通环路、易燃燃料和在电池操作过程中形成的产物置于非常小的体积中。
在微型电池中采用的燃料通常是液体形式。由于液体燃料具有比氢更高的能量体积密度，它们比氢占据更小体积。这样，使用采用甲醇作为燃料的燃料电池是很平常的，这些电池公知名为DMFC(直接甲醇燃料电池，DirectMethanol Fuel Cells)。该甲醇在活性催化层的上的阳极被氧化，以给出质子、电子和二氧化碳。设置在阳极和阴极之间的质子传导膜将质子传导到阴极，以使得质子与氧反应并形成水。当电池工作时，二氧化碳和水分别在阳极和阴极形成，因此必须去除。
通常公知使用电极和电解质膜的供应通路。该通路通常是垂直于电极或膜进行流体供应的供应通道和/或微孔扩散层。
这样，文件FR-A-2,814,857描述了包括氧电极和燃料电极的微型燃料电池，该燃料优选由甲醇和水的混合物形成。用形成电解质膜的电解质聚合物灌满的微孔支持件(microporous support)设置在两电极之间。通过制成多孔以形成彼此平行的通道的氧化的半导体材料形成该微孔支持件。该通道使电化学交换能在阳极和阴极之间发生。微孔支持件通过分别连接到燃料源和空气源的扩散通道而供应有燃料和易燃燃料。
公知使用多孔扩散层以向电极供应反应流体，如图1所示。这样，燃料电池1包括支持阳极3、电解质膜4和阴极5的基板2。阳极集流器6设置在阳极3上，且燃料环路与阳极3相切。到阴极的空气供应通过在基板中垂直形成的流通通路7而进行。因此流通通路7使空气从空气源(未示出)输送到设置在阴极5和集流器9之间的微孔扩散层8。已经在文件WO-A-0,045,457中描述了这种燃料电池。于是燃料电池包括支持其间设置有电解质膜的第一和第二电极的基板。向第一电极供应反应流体是通过设置在第一电极和基板之间的多孔薄层而进行。所述基板包括连接到本身供应有燃料源的腔的垂直扩散通道。然而，这种类型的反应流体供应不令人满意。在燃料电池1中的阴极形成的例如水的剩余流体实际上被与燃料电池1中的例如空气的反应流体相同的流通通路除去。使两个相反流体在具有相对小直径的流通通路中流动限制了反应流体到阴极的接近。
发明目的
本发明的目的是纠正这些缺点，且更具体地，提出了能有效和快速除去在工作时形成的化合物并能使反应流体迅速更新的燃料电池。
根据本发明，实现本目的是基于下面事实，在形成在基板中的腔中的第一流体的流通装置设计得使第一流体沿基本平行于电解质膜的第一面的方向流动。
根据本发明的开发，腔包括多个支持所述电解质膜的钉。
根据优选实施例，第一催化元件通过多个分别设置在腔的钉顶部的催化区而形成。
根据另一优选实施例，第一催化元件通过多个催化区而形成，所述催化区通过钉分别形成。
本发明的另一目的是提供用于制造这种易于实施的燃料电池的方法，该方法采用在微技术领域中实施的技术。
根据本发明，此目的是通过如下事实实现的，该制造方法包括在基板中进行反应离子蚀刻以同时形成腔和多个钉。
根据本发明的开发，该制造方法包括通过物理气相在每个钉顶部上淀积用于促进催化剂支持件的形成的生长加速物质，在该催化剂支持件上通过电镀而淀积有催化层。
根据本发明，此目的还通过如下事实实现，该制造方法包括在基板中蚀刻腔以及随后通过电解生长形成多个钉。
附图说明
从下面本发明的仅作为非限制范例给出并在附图中描述的具体实施例的描述中，本发明的其他优点和特点将变得更清楚，其中：
图1表现现有技术的燃料电池的横截面图；
图2是根据本发明的燃料电池的具体实施例的横截面图；
图3表现根据图2的燃料电池的一部分的全图；
图4表现根据本发明的燃料电池的腔的顶视图；
图5表现根据图1的燃料电池中的流体的流通装置的顶视图；
图6到8示出用于制造在根据图3的燃料电池中的催化区的第一方法的不同步骤；
图9到14示出用于制造在根据本发明的燃料电池的第二方法的不同步骤。
具体实施方式
根据本发明的燃料电池包括基板，该基板支持包括第一和第二面的电解质膜。第一和第二电极分别设置在电解质膜的第一和第二面上，且它们分别包括用于触发电化学反应的第一和第二催化元件。第一和第二流体分别设计为被带到靠近第一和第二催化元件。这样，在形成于基板中的腔中，以使得第一流体基本平行于形成的电解质膜的第一表面的方式执行第一流体的供应，并使得它与第一催化元件形成接触。与第一催化元件相关的第一流体可以是与阴极催化元件相关的易燃燃料或者与阳极催化元件相关的燃料。形成在基板中的腔可以包括多个支持电解质膜的钉。
在图2和3所示的具体实施例中，腔10形成在燃料电池1的基板2中，且其包括多个钉11。将腔10设计为将第一流体带到第一电极附近，且钉11优选形成设计为在腔10中均匀分布第一流体的网。例如，在图2中，第一流体是例如水与甲醇的混合物的易燃流体，且第一电极是阳极。易燃流体到腔10的入口和其从腔10的出口可以通过任何类型的适当装置实现。例如，腔10的壁可以是多孔的或者它们可以包括连接到流通通道和燃料源的入口和出口孔。这样，在腔10中产生并在图2中以箭头12表示的易燃流体的流动在钉11之间的腔10中水平移动，且基本平行于电解质膜4的第一面4a。
钉11可以是任何合适的形状。它们可以例如具有圆形、矩形或多边形截面。它们也可以在腔10中以任何类型排列分布，钉11能例如排列成几行或者形成曲折网络。这种排列被调整使得易燃流体可以在腔10中均匀分布。在腔10中的钉11的数目也可以根据易燃流体在腔10中度过的时间而调整。燃料电池也可以包括用于控制易燃流体流动的装置，以调整在腔中的易燃流体的流动时间以及电化学反应时间。
钉11优选具有同样的尺寸且其高度等于腔10的深度。例如，钉的高度可以是30微米，且对于圆柱钉其直径可以包括在10微米和40微米之间。此外，两钉之间的距离优选小于或等于50微米，使得所有的钉11能支持电解质膜4。
电解质膜4包括第一和第二面4a和4b，分别设计为与第一和第二电极的第一和第二催化元件相接触。这样，电解质膜的第一面4a设置在钉11上，且电解质膜4的末端稳固地固定到基板2。电解质膜4的第二面4b被薄膜形的催化元件13和不连续的集流器元件14覆盖，这样催化元件13和集流器元件14形成第二电极。在图2中，与第二电极相关的流体是例如空气的易燃流体，且第二电极相应于燃料电池的阴极。易燃燃料的流动在图2中通过位于阴极上的箭头15示出。这样，空气平行于阴极流动使得空气流动可以将燃料电池工作时在阴极产生的水移除到燃料电池外部(箭头16)。
在每个钉11顶部上，优选设置催化区17，其设计为触发与易燃流体的电化学反应。这样一组催化区17形成阳极的催化元件。因为钉11支持电解质膜4，每个催化区17与电解质膜4的第一面4a接触，且集流器18淀积在钉11表面和腔10表面上。
这种燃料电池使得易燃流体基本平行于电解质膜的第一面4a流动(图3)。这样产生的流动使得易燃流体在阳极的催化区17的高度被更新。此外，不像根据现有技术的流通通路(图1和5)，当燃料电池工作时形成在阳极的产物被易燃流体的流动驱动。这样，形成的产物不会减慢易燃流体到催化区17的更新。
实际上，在根据图2的燃料电池1中，由图4中的箭头12表示的易燃流体的流动在腔10的钉11之间流通，并用其驱动形成在阳极的剩余流体，例如对于包括甲醇和水的易燃流体的二氧化碳。另一方面，在根据现有技术的燃料电池中，分别以图5的箭头19和20表示的易燃流体的流动和剩余流体的流动在同一流通通路21中沿相反方向流通。流通通路21形成在基板2中并垂直于电解质膜输送易燃流体的流动。
根据燃料电池1的制造的具体实施例，在基板2中的反应离子蚀刻(RIE)使得腔10和钉11同时形成。基板可以由硅、陶瓷或塑料制成。一旦腔10和钉11形成，在钉11表面上和腔10侧壁上进行铂的物理气相淀积，以形成具有约一微米厚度并形成阳极的集流器18。
然后催化区1 7在钉11顶部形成，如图6到8所示。这样，一层保护树脂22淀积在腔10中直到预定高度，使得钉11的顶部是自由的。在腔10中进行生长加速物质23的物理气相淀积，以用保护树脂(图6)覆盖钉11的顶部。在一层保护树脂22除去后(图7)，仅钉11的顶部覆盖有设计为促进在每个钉11顶部的催化剂支持件24的形成的生长加速物质23。然后，优选由碳纳米管形成的催化剂支持件24通过电镀(图8)覆盖有催化活性层25。催化剂支持件24和催化活性层25形成阳极催化元件的催化区17。
一旦催化区17形成，优选由
Figure G2009100063669D00051
制成的电解质膜4通过也称为旋涂的离心工艺延展，然后干燥。两钉11之间的小空隙使得空气的体积受限，以防止膜的静止液体材料在干燥之前流出来。然后，优选由镀铂碳(platinum-plated carbon)和的混合物形成的阴极的催化元件通过溅射在干燥的电解质膜4上延展，然后通过物理气相淀积来淀积阴极的集流器14。
根据另一可选实施例，阳极的催化元件的催化区17可以分别通过腔10的钉11形成。然后依次形成腔和钉。这样，如图9到14所示，可以在同一基板上制造几个燃料电池。将两个腔10在基板2中蚀刻，且它们的壁被金属化(图9)。然后通过电解生长来形成钉11且在腔10中沉积厚树脂层26(图10)。通过光刻在树脂层26中产生相应于钉11所需位置的分隔件27(图11)。然后通过铂的电解生长，钉11形成在分隔件27中(图12)。钉11优选在其顶部包括构成头28的展宽区。然后厚树脂层26被除去以使腔10空出(图14)。优选由制成的、设计为形成电解质膜4的层淀积在腔10上，使得电解质膜4被钉11支持。然后催化元件和阴极的集流器通过任何类型的公知技术淀积在电解质膜上。
本发明不限于上述实施例。因此，设计为基本平行于在腔中的电解质膜的第一面流动的流体可以是易燃流体。类似地，设计为与所述流体接触的催化元件可以是连续的。例如，由钉构成的或形成在钉顶部的催化区可以被连接，以获得连续的催化元件。易燃流体可以是任意类型，液体或气体。燃料电池可以更具体地是DMFC型，且其也可以是与便携设备中所使用的相同类型的微型燃料电池。

Claims (10)

1.燃料电池，包括：基板(2)，支持电解质膜(4)，所述电解质膜(4)包括其上分别设置第一和第二电极的第一和第二面(4a、4b)，所述第一和第二电极分别包括第一和第二催化元件；流通装置，设计为使第一和第二流体分别接触所述第一和第二催化元件，燃料电池的特征在于，在形成于所述基板(2)中的腔中，所述第一流体的流通装置设计为使得所述第一流体沿平行于电解质膜(4)的第一面(4a)的方向流动，所述腔(10)包括布置在所述腔中的多个支持所述电解质膜(4)的钉(11)，所述第一催化元件由多个分别设置在腔(10)的钉(11)顶部的催化区(17)形成。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，两钉(11)之间的距离小于或等于50微米。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述钉(11)具有圆形横截面。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述钉(11)具有矩形横截面。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述钉(11)具有多边形截面。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述钉(11)形成设计为在腔(10)中均匀分布第一流体的网络。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述网络设置成曲折样式。
8.根据权利要求1所述的燃料电池的制造方法，其特征在于，所述方法包括在基板(2)中进行反应离子蚀刻，以同时形成腔(10)和多个钉(11)。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述方法包括通过物理气相淀积在每个钉(11)顶部淀积设计为促进催化剂支持件(24)形成的生长加速物质(23)，在催化剂支持件(24)上通过电镀淀积有催化层(25)。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述催化剂支持件(24)通过碳纳米管形成。
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