用于制造被动式直接甲醇燃料电池的方法及被动式直接甲醇燃料电池的制作方法

用于制造被动式直接甲醇燃料电池的方法及被动式直接甲醇燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及由化学燃料发电和燃料电池的领域，并且更具体地涉及用于制造被动式直接甲醇燃料电池的方法以及被动式直接甲醇燃料电池。根据本发明的被动式直接甲醇燃料电池(21，22，23)具有膜电极组件结构(8，12，16，27)，它包括质子交换膜(9，13，17，24，26)，通过超声波焊接附着到所述质子交换膜(9，13，7，24，26)两侧的集流体网格(10，14，15，18，19)，和施加到所述结构之上和之内的催化剂涂层(11，20)。根据本发明的直接甲醇型燃料电池相比于根据现有技术的直接甲醇燃料电池，在尺寸体积和重量上非常紧凑，显著节约了制造成本。
【专利说明】用于制造被动式直接甲醇燃料电池的方法及被动式直接甲醇燃料电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及由化学燃料发电和燃料电池的领域，并且更具体地涉及用于制造被动式直接甲醇燃料电池(passive direct methanol fuel cell)的方法以及被动式直接甲醇燃料电池。
【背景技术】
[0002]燃料电池，是通过与氧或其它氧化剂的化学反应将来自燃料中的化学能转化为电的装置。燃料电池有许多类型，但它们都由阳极(负极侧)，阴极(正极侧)以及使电荷在燃料电池的两侧之间移动的电解质。在典型的燃料电池中具有被夹持在一起的三部分(阳极，电解质和阴极)。取氢燃料电池为例，当燃料电池工作时，氢气被供给到燃料电池的阳极。氧气(或空气)通过阴极进入燃料电池。通过催化剂的催化，氢原子分裂成质子和电子，其选取不同的路径到达阴极。质子通过电解质传递。电子创建出单独的通路，在它们返回到阴极，与氢和氧被再结合成水分子之前可以加以利用。燃料电池有不同的类型，如碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，以及高温燃料电池，例如固体氧化物燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池。
[0003]质子交换膜燃料电池(PEMFC)，也被称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，是针对传输的应用，以及固定燃料电池的应用和便携式燃料电池的应用而开发的燃料电池的类型。质子交换膜燃料电池可以被使用在较低的温度/压力范围内(O到100°C)，且其具有特殊的质子交换膜，如聚合物电解质膜。为了实现功能，该膜必须传导氢离子(质子)而非电子，因为其会使燃料电池发生实际上的“短路”。该膜还必须不能让燃料或气体传递到电池的另一侧而产生被称之为交换(crossover)的问题。最后,该膜必须能耐受阴极处的还原环境以及阳极处的苛刻氧化环境。该PEMFC由于其紧凑性成为了车辆以及小至手机的其他各种尺寸的移动应用中的主要候选者。
[0004]目前直接甲醇燃料电池或DMFC中使用质子交换膜作为电解质以及使用甲醇作为燃料。DMFC可以被归为其中使用甲醇作为燃料的质子交换膜燃料电池子类别。
[0005]直接甲醇燃料电池在便携式电源的应用中赢得了越来越多的兴趣，因为DMFC在室温下工作时具有良好的能量密度。这显著降低了小型DMFC系统中热管理的难度，这样可延长用户便携式电子设备的待机时间。此外，相比于氢燃料电池，其燃料很易于补充、恢复和传输。DMFC技术有望占到用于便携式设备的能源中的很大一部分。
[0006]在下文中，参照所附的图1对现有技术进行说明，其中示出了根据现有技术的直接甲醇燃料电池的基本结构。
[0007]图1提供了根据现有技术的直接甲醇燃料电池的基本结构。现有技术直接甲醇燃料电池(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)的典型结构通常为堆叠结构。该堆叠结构是夹层状，在中间具有聚合物电解质膜层I (PEM, Polymer Electrolyte Membrane)。在PEM层I的两侧有催化剂层2，3。在图1中，阳极催化剂层2和阴极催化剂层3显示在PEM层I的两侧。催化剂层2，3的两侧有气体扩散层4，5。此外，气体扩散层4，5的两侧上具有集流体(current collector) 6, 7。在图1中，阳极集流体6和阴极集流体7显示在气体扩散层4,5的两侧。阳极集流体6中具有用于引导甲醇燃料流动的通道。相应地，阴极集流体7中具有用于引导氧化剂流动的通道。在集流体6，7的两侧，可有额外的导电板对燃料电池产生的电力提供更好的导电性。
[0008]在直接甲醇燃料电池的阳极侧，甲醇燃料被供给至阳极集流体6。甲醇燃料和水通过气体扩散层4扩散至阳极催化剂层2。DMFC依赖于在阳极催化剂层2上的甲醇氧化形成二氧化碳。在阳极侧的半反应是:
[0009]CH30H+H20 — 6H++6e>C02
[0010]该半反应表明，催化剂，通常为钼催化剂，促使甲醇和水分裂成正氢离子和带负电的电子，这形成二氧化碳。水在阳极侧被消耗。质子(H+)穿过该质子交换膜层I被输送到阴极侧。电子(e_)被通过外部通路从阳极侧输送至阴极侧，这向所连接的装置提供电力。它们随后也都与氧反应，生成水，这完成另一半反应。
[0011]在直接甲醇燃料电池的阴极侧，氧化剂被供给至阴极集流体7。氧由阴极催化剂层3扩散通过气体扩散层5。阴极侧的半反应为:
[0012]3/202+6H++6e_ — 3H20
[0013]该半反应表明，在阴极侧，电子和带正电的氢离子与氧结合形成水，其流出直接甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池的总反应可因此写为:
[0014]CH30H+3/202 — 2H20+C02
[0015]典型的DMFC堆叠结构在液体/气体运输和甲醇交换方面具有优势。然而，这种结构也产生了额外的阻抗、重量和体积。例如，集流体会占燃料电池堆叠体总成本的10-15%，超过堆叠体重量的80%，以及几乎所有的堆叠体体积。用于被动式DMFC的结构与主动型DMFC的结构相同。然而，如果没有额外的功率消耗，被动式系统通常工作在较低的电流密度下，产生的冷却负荷降低，水处理的问题少，发热小并且需求的燃料输送率较低。有些DMFC领域的研究，讨论了对现有技术的DMFC结构进行较小调整。但在改变被动式DMFC的基础结构方面仍然没有讨论或指示。
[0016]正如上面提到的，在目前的被动式DMFC的结构有很多缺陷。在市场上明显需要比目前现有技术的被动式直接甲醇燃料电池的解决方案更好、更有效的新型被动式直接甲醇燃料电池以及用于制造新型的被动式直接甲醇燃料电池的方法。

【发明内容】

[0017]因而本发明的一个目的是提供一种方法以及用于实现该方法的装置，以克服上述的问题并缓解上述缺点。
[0018]本发明的目的通过一种用于制造被动式直接甲醇燃料电池的方法所实现，该其方法包括以下步骤:
[0019]-通过利用超声波焊接将集流体网格附着在质子交换膜的两侧以制造膜电极组件结构，以及
[0020]-在所述结构之上和之内施加催化剂涂层。
[0021]优选地，在该方法中，将第一集流体网格焊接到质子交换膜的一侧上，然后将另一个集流体网格焊接到质子交换膜的另一侧，然后将催化剂涂层施加到所述结构之上和之内。
[0022]可选地，在该方法中，第一集流体网格被同时焊接到质子交换膜的两侧，然后将催化剂涂层施加于所述结构之上和之内。
[0023]进一步可选地，在该方法中，第一催化剂涂料施加至指质子交换膜之上和之内，之后集流体网格被焊接至所述质子交换膜的两侧。
[0024]进一步可选地，在该方法中，第一催化剂涂料施加至质子交换膜之上和之内以及集流体网格之上和之内，之后所述集流体网格被焊接至所述质子交换膜的两侧。
[0025]进一步可选地，在该方法中，第一催化剂涂料被施加至集流体网格之上和之内，之后将所述集流体网格焊接至所述质子交换膜的两侧。
[0026]优选地，所述集流体网格是由任何金属，金属合金或者具有适当的导电性的复合材料制成的，其厚度在1-500 μ m的范围内，通常为10-200 μ m,网眼尺寸在10-1000 μ m的范围内，通常为20-300 μ m。优选地，所述催化剂涂层通过丝网印刷施加。或者，所述催化剂涂层通过喷雾施加，例如使用空气刷。
[0027]优选地，所述被动式直接甲醇燃料电池通过适于快速测量燃料电池的特殊的燃料电池测量系统进行测试，诸如对所述燃料电池的电压/电流的测量以及阻抗/频率的测量。
[0028]此外，本发明的目的通过被动式直接甲醇燃料电池所实现，该被动式直接甲醇燃料电池具有膜电极组件结构，其包括质子交换膜、通过超声波焊接附着在所述质子交换膜两侧的集流体网格，以及施加于所述结构之上和之内的催化剂涂层。
[0029]优选地，在所述膜电极组件结构中，在超声波焊接之前将该催化剂涂层施加至质子交换膜之上和之内和/或集流器网格之上和之内。
[0030]优选地，所述集流体的网格是由任何金属，金属合金或者具有适当导电性的复合材料制成的，其厚度在1-500 μ m的范围内，通常为10-200 μ m,网眼的尺寸在10-1000 μ m的范围内，通常为20-300 μ m。优选地，所述催化剂涂层通过丝网印刷施加。或者，所述催化剂涂层通过喷雾施加，例如使用空气刷。
[0031]优选地，在所述膜电极组件结构中，燃料借助由亚麻，棉，大麻或相关的芯材料制成的芯被输送到膜电极组件表面。优选地，所述膜电极组件的结构具有条纹结构。
【专利附图】

【附图说明】
[0032]图1示出了根据现有技术的直接甲醇燃料电池的基本结构；
[0033]图2示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件结构的部分结构；
[0034]图3示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件结构的另一个实施方案；
[0035]图4示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件结构的第三个实施方案；
[0036]图5示出了根据本发明一个实施方案的直接甲醇燃料电池；
[0037]图6示出了根据本发明另一实施方案的直接甲醇燃料电池；
[0038]图7示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的制造过程中采用丝网印刷作为催化剂装填技术的实验结果；[0039]图8示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的制造过程中采用丝网印刷作为催化剂装填技术的实验结果的截面图；
[0040]图9示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的制造过程中采用丝网印刷作为催化剂装填技术的实验结果的显微图；
[0041]图10示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件的测试排列；
[0042]图11示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件的电压-电流测量的测试结果；以及
[0043]图12示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件根据功率密度vs电流密度的电压-电流测试测量的测试结果。
[0044]图1中现有技术的图已在之前进行了介绍。在下文中，将参照图2至图12的附图，通过优选实施方案对本发明进行更详细地描述。
[0045]发明详述图2示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件的部分结构。如图2所示,膜电极组件的部分结构8 (MEA,Membrane Electrode Assembly)具有聚合物电解质膜层9 (PEM, Ploymer Electrolyte Membrane)。在根据本发明的直接甲醇燃料电池中，集流体层、气体扩散层、催化剂层被嵌入在一起。在不同层之间没有明显的层边界。如图2所示，网格10，通常为金属网格10，已被直接焊接到PEM层9上，并在此之后将催化剂油墨11喷到MEA结构8中。在根据本发明直接甲醇燃料电池的膜电极组件结构中，网格10担负着最重的功能责任。该网格10用作支撑催化剂的电极，该网格10也构成了气体/水扩散层和机械支撑体的一部分。
[0046]图3示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件结构的另一实施方案。如图3所示,该膜电极组件结构12的另一实施例包括PEM层(PEM, proton exchangemembrane) 13和网格层14，15，该网格层14，15已利用超声波被焊接到PEM层13上。超声波焊接是使用高频率的超声波振动作为能量来源的焊接类型。通过使用超声波焊接将PEM层13和网格层14，15焊接在一起，而不会产生损坏和短路。焊接结果的横截面图示于图3。
[0047]在制造根据本发明的被动式直接甲醇燃料电池中，质子交换膜可以是常规的标准膜。可以使用任何金属，金属合金或者具有适当的导电性的复合材料用作网格材料。当电导率是一项所需特性时，铁和金都是网格中常用的金属。该网格可具有的厚度可以在1-500 μ m的范围内，通常在10-200 μ m的范围内，且网眼尺寸在10-1000 μ m的范围内，通常在20-300 μ m的范围内。
[0048]图4示出了根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件结构的第三个实施方案。如图4中所示，膜电极组件结构16的第三个实施方案包括PEM层17和网格层18，19，其中网格层18，19已被焊接到PEM层17上。
[0049]将网格层18，19焊接到PEM层17上后，将催化剂油墨20喷雾到MEA结构16中。在根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件结构中，网格层18，19被用作支撑催化剂的电极，且网格层18,19也能构成气体/水的扩散层和机械支持体的一部分。
[0050]与传统的膜电极组件结构相比，根据本发明的MEA结构16可承受一定程度的卷曲。这意味着，该结构可被用于无法使用流场的场合，例如拱形或曲面结构。此外，根据本发明的MEA结构16是焊接后的现成产品，可以直接使用。在结构中不需要机械压力将各个层挤压在一起。[0051]在制造根据本发明的被动式直接甲醇燃料电池中，催化剂涂层可以是常规的催化剂涂层。该催化剂涂层可以在焊接前被施加在质子交换膜之上和之内和/或集流体之上和之内。可选地，催化剂涂层可以被施加至焊接的膜电极组件之上或之内。
[0052]图5示出了根据本发明一个实施方案的直接甲醇燃料电池。在图5所示的根据本发明的直接甲醇燃料电池中，DMFC的网格层已通过超声波焊接被焊接至该DMFC的PEM层中。其后催化剂以0.5mg/cm2的量由空气刷施加于DMFC的表面。最终的9cm2直接甲醇燃料电池21如图5所示。
[0053]图6示出了根据本发明另一实施方案的直接甲醇燃料电池。同样，在图6所示的根据本发明的直接甲醇燃料电池中，DMFC的网格层已通过超声波焊接被焊接至DMFC的PEM层中。其后催化剂以0.5mg/cm2的量由空气刷施加于DMFC的表面。最终的Icm2直接甲醇燃料电池22，23如图6所示。
[0054]在根据本发明的直接甲醇燃料电池装置中，燃料可利用毛细管作用被送入。燃料可以驻留在与MEA结构相同的空间中或者可选地在单独的燃料室中。燃料借助于由亚麻，棉，大麻或相关芯材料制成的“芯”被输送到MEA表面。芯材料可以是例如厚的机织织物。当芯材料与燃料有一定接触后，由于毛细管作用它把燃料输送到所述材料的所有部分。因而当芯材料与MEA表面直接接触后，它将燃料输送到所述电极的表面。在一个替代的解决方案中，MEA芯与集流体的网格层相结合，即该芯材料包括有集流体的金属丝。此外，在另一替代解决方案中，MEA芯与膜电极组件结构、集流体网格和被施加于所述结构之上或之内的催化剂涂层相结合。
[0055]在DMFC的MEA的制造中，催化剂可以被加载于气体扩散层上，或者是膜上。然而，在MEA的装配中，主要挑战是实现膜、气体扩散层和催化剂层之间的良好接触，因为在电池的运行中，良好的接触能够最大限度地提高催化剂的利用率。建议通过使用催化剂涂覆膜的方法使催化剂层和电解质膜之间良好接触，其可以有效地减少催化剂载量而不牺牲电池的性能。
[0056]已开发了若干种方法用于将催化剂层施加至DMFC，例如涂覆，喷雾，溅射，上漆，丝网印刷，贴附(decaling)，电沉积，蒸发沉积法以及浸溃还原。最常用的实现加载催化剂的方法是用刮刀涂覆或用空气刷技术进行喷雾。
[0057]喷雾通常是指使用空气刷加载催化剂油墨的过程。喷雾可以是手动或自动的过程。据作者所知，目前没有文献使用自动喷雾过程，但是对应的机械已经是可获得的。在这个过程中，经常使用液体油墨。在喷雾过程中的加载量通常为0.1至2.0mg/cm2。
[0058]该喷涂法可容许各种不同的催化剂含量。金属粉末或附着于炭黑的金属，或与PTFE和离子交联聚合物混合的催化剂，都是适合的。该方法还可以应用到自动装配线中，尽管加载过程消耗时间。每次喷雾后，油墨应再次重新混合或者将该油墨在喷雾过程中混合，因为液态的油墨容易凝聚。在喷雾过程中，部分催化剂被留在空气中，部分催化剂被喷射于载体材料上。在这两种情况下损失的钼无法回收。
[0059]涂覆是指通过使用刮刀或类似装置加载催化剂层。在这个过程中，浆料/糊剂被滴或挤压到GDL或膜的表面上。然后通过使用自动或手工工具抹平表面，以确保均匀的催化剂层。由涂覆方法得到的加载量通常为大于lmg/cm2。
[0060]丝网印刷是另一种在DMFC的MEA的制造中常用的加载催化剂的方法。在丝网印刷中可以采用糊剂或液体/悬浮液来作为沉积材料。常规的丝网印刷机被设计成保持丝网平行于且靠近于基材。印刷刮板(squeegee)可以用来提供迫使糊剂通过开口到达基材上所需的力。丝网印刷工艺可处理始于0.2mg/cm2的薄催化剂层，其通过催化剂层的高度或重量控制。这个过程和涂覆方法具有相似的原理，但丝网印刷工艺已被广泛应用于电子制造业中因而在加载过程中更具可控性。
[0061]在涂覆和丝网印刷中，催化剂的加载过程是快速和稳定的，且催化剂层可在单个过程中成型。糊剂并不需要像喷雾工艺中那样频繁的再混合，但需要注意溶剂挥发。这两种方法均是有效的；大部分催化剂可以得到使用和回收。这些方法也都具有高的杂质耐受性。但是加载受到了工具和设备的限制。某种催化剂如钼黑则很少使用在这些方法中，因为纯金属加载产生的非常薄的层，其不能通过这些方法处理。
[0062]已实验了采用丝网印刷作为用于DMFC的MEA的制造中的催化剂加载技术。在这个实验中该加载过程的最终目标是在新结构上获得0.5mg/cm2的催化剂层。
[0063]在本实验中用于阴极的催化剂糊剂内容物为炭黑上的Pt60% 16.7mg，5mg的Fumion,炭黑173.3mg,蒸懼水5ml和异丙醇10ml。对应的,用于阳极的催化剂糊剂内容物为炭黑上的Pt30% Ru30% 16.7mg, 5mg的Fumion,炭黑173.3mg,蒸溜水5ml,以及异丙醇IOml0
[0064]得到可用的糊剂，使用丝网印刷机(AP25型，MPM公司)用于在所述膜上加载催化齐U。焊接的带网格的膜作为基材被连接至PCB的表面。催化剂油墨被用作糊剂，且将带有IcmX Icm开口的不锈钢用作模板。
[0065]在这个实验中使用的膜是Fumapem F14100 (干燥厚度:100120 μ m, FumatechGmbH)。此膜进行如下预处理:膜样品放置于IOwt %的HNO3水溶液中在t = 80°C下持续12h，然后在t = 80°C下在蒸馏水中处理lh，最后用蒸馏水冲洗。催化剂油墨是通过将碳负载的 Pt/PtRu(BASF)分散到碳黑中，然后和 30wt%的 Fumion(FLNA905 型,Fumatech GmbH)一起加入异丙醇:水为5:1的溶液。
[0066]图7示出了根据本发明在制造直接甲醇燃料电池中采用丝网印刷作为催化剂的加载技术的实验结果。该催化剂涂覆膜用24标号标记。当对膜24的催化剂层进行物理刮擦时，显示该催化剂已经进入了膜网格的内部。丝网印刷实验结果表明，丝网印刷法可被应用于本发明的新型结构。根据本发明的膜电极组件结构可以例如具有条纹结构。
[0067]图8示出了根据本发明在制造直接甲醇燃料电池中采用丝网印刷作为催化剂加载技术的实验结果的截面图。该催化剂涂覆膜以标号24标记，从图8的横截面可以看出，该催化剂层是与膜24相同厚的均匀的层。
[0068]图9示出了根据本发明在制造直接甲醇燃料电池中采用丝网印刷作为催化剂加载技术的实验结果的显微图。在图9的显微图中示出，该催化剂已经进入膜网格的内部。
[0069]在根据本发明的新结构中，不存在膜膨胀和起皱的问题。该膜可直接使用。本发明方法的其他优点是过程快速，糊剂容易制备，浪费低，催化剂加载范围大，具有耐杂质性(impurity toluene),并且该方法很容易扩大规模。
[0070]根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件可以使用特殊的燃料电池测量系统来测量。根据本发明的特殊的燃料电池测量系统可具有控制单元，信号处理单元和耦合单元。燃料电池测量系统的控制单元可以包括微控制器单元或微处理器系统，例如笔记本电脑。燃料电池测量系统的信号处理单元可以包括信号处理器单元。燃料电池测量系统的率禹合单元可以包括A/D转换器,D/A转换器和I/O接口(interfacing)连接器。测量序列被编程到所述信号处理单元并存储到计算机的存储器中。电压和电流都可以被用作测量值。根据本发明的特殊的燃料电池测量系统特别设计用于燃料电池的快速测量，例如所述燃料电池的电压/电流测量以及阻抗/频率的测量。测定结果被存储到计算机的存储器中。测量结果的后续处理，例如傅立叶变换处理，在计算机单元中所执行。
[0071]图10示出了根据本发明的用于直接甲醇燃料电池的膜电极组件的测试布置。在测试布置中，普通的燃料箱25被用于测试中。在测试布置中膜26被定位成使得该溶液28以及燃料和水被供给到膜电极组件27的阳极侧，而膜电极组件27的阴极侧开放于空气中。
[0072]如图10所示，整个DMFC是一种无泵系统并由电化学反应自激活。在这个特定的实验中，根据本发明的燃料电池的催化剂的含量为0.5mg/cm2，有效面积为3X3cm，且甲醇浓度为2M。实验的全部部分都在环境室温(20°C )进行。
[0073]图11显示根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件的电压-电流测量的试验结果。在试验布置中，电压-电流的测量在甲醇溶液与电池接触20分钟后开始。每个数据点表示在指定的电流密度下连续运转5分钟后测定的典型的稳态电压。不同网格的电压-电流测量对比试验结果示于图11。
[0074]图12示出根据本发明的直接甲醇燃料电池的膜电极组件的根据功率密度vs电流密度的电压-电流测试的试验结果。功率密度VS电流密度针对不同的网格的对比试验结果示于图12。
[0075]图11和图12表示，在阳极和阴极侧都使用镀金的网格提高了被动式DMFC的性能。最大可用电流密度增大，开路电池电压增加到120mV，随后在电子负载启动时电压降低，然后电压保持在与其他测试电池几乎相似的水平。这表明，在集流体特性在连接负载之前对燃料电池的性能有很大的影响。当负载连接后，电流密度受电化学反应所限，且集流体不再具备这种显著的影响。在这种情况下，如果考虑到DMFC的成本和性能，更薄的耐酸钢网格是最好的选择，因为金网格和耐酸网格之间在加载中没有显著差异。
[0076]根据本发明的直接甲醇燃料电池相比于根据现有技术的直接甲醇燃料电池，显著节约了制造成本。
[0077]根据本发明的直接甲醇燃料电池相比于根据现有技术的直接甲醇燃料电池，在尺寸体积和重量方面也非常紧凑。此外，根据本发明的直接甲醇燃料电池是容易粘接或附着到电子装置上。
[0078]根据本发明的直接甲醇燃料电池的结构简单，并因此比现有技术的直接甲醇燃料电池的解决方案更可靠。根据本发明的的直接甲醇燃料电池相比于现有技术方案，在实施在电子设备上时具有节约性，高效性和可靠性。
[0079]对于本领域技术人员而言，随着技术的进步，显然本发明的概念可以以各种方式实施。本发明及其实施方案并不局限于上述的例子，而是可以在权利要求的范围内变化。
【权利要求】
1.用于制造被动式直接甲醇燃料电池(21，22，23)的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: -通过利用超声波焊接将集流体网格(10，14，15，18，19)附着于质子交换膜(9，13，17，24,26)的两侧以制造膜电极组件结构(8，12，16，27)，以及 -将催化剂涂层(11，20)施加至该结构之上和之内。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于在该方法中，第一集流体网格(10，14，18)被焊接到质子交换膜(9，13，17，24，26)的一侧，然后另一个集流体网格(15，19)被焊接到质子交换膜(9，13，17，24，26)的另一侧，然后将催化剂涂层(11，20)施加至该结构之上和之内。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于在该方法中，第一集流体网格(10，14，15，18，19)被同时焊接到质子交换膜(9，13，17，24，26)的两侧，然后将催化剂涂层(11，20)施加至该结构之上和之内。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于在该方法中，第一催化剂涂层(11，20)被施加至质子交换膜(9，13，17，24，26)之上和之内，然后集流体网格(10，14，15，18，19)被焊接到所述质子交换膜(9，13，17，24，26)的两侧。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于在该方法中，第一催化剂涂层(11，20)被施加至质子交换膜(9，13，17，24，26)之上和之内，和施加至集流体网格(10，14，15，18，19)之上和之内，然后所述集流体网格(10，14，15，18，19)被焊接到所述质子交换膜(9，13，17，24，26)的两侧。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于在该方法中，第一催化剂涂层(11，20)被施加至集流体网格(10，14，15，18，19)之上和之内，然后所述集流体网格(10，14，15，18，19)被焊接到质子交换膜(9，13，17，24，26)的两侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述集流体网格(10，14，15，18，19)是由任何金属、金属合金或者具有适当导电性的复合材料制成，具有1-500 μ m的厚度范围，通常在10-200μπι的范围内，网眼尺寸在10-1000 μ m的范围内，通常在20-300 μ m的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，该催化剂涂层(11，20)通过丝网印刷施加。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，该催化剂涂层(11，20)通过喷雾施加，如使用空气刷。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述被动式直接甲醇燃料电池是用适合于快速测量燃料电池的特定燃料电池测量系统所测试，例如对所述燃料电池的电压/电流测量和阻抗/频率测量。
11.被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述被动式直接甲醇燃料电池(21，22，23)具有膜电极组件结构(8，12，16，27)，其包括质子交换膜(9，13，17，24，26)、通过超声波焊接附着到所述质子交换膜(9，13，17，24，26)两侧的集流体网格(10，14，15，18，19)和施加至所述结构之上或之内的催化剂涂层(11，20)。
12.根据权利要求11的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，在所述膜电极组件结构(8，12，16，27)中，所述催化剂涂层(11，20)在超声波焊接之前被施加至质子交换膜(9，.13，17，24，26)之上和之内和/或施加至集流体网格(10，14，15，18，19)之上和之内。
13.根据权利要求11或12被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述集流体网格(10，14，15，18，19)是由任何金属、金属合金或者具有适当的导电性的复合材料制成，具有1-500 μ m的厚度范围，通常在10-200 μ m的范围内，且网眼尺寸在10-1000 μ m的范围内，通常在20-300 μ m的范围内。
14.根据权利要求11至13中任一项的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述催化剂涂层(11，20)通过丝网印刷施加。
15.根据权利要求11至13中任一项的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述催化剂涂层(11，20)通过喷雾施加，例如使用空气刷。
16.根据权利要求11至15中任一项的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，在所述膜电极组件结构(8，12，16，27)中，燃料借助于由亚麻，棉，大麻或相关芯材料制成的芯被输送到膜电极组件表面。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述膜电极组件结构(8，12，16，27)具有条纹结构。
【文档编号】H01M8/02GK103975471SQ201280054004
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2011年11月1日
【发明者】A·图奥明恩, A·苏奥明恩, R·乔金恩, M·方塞尔, H·拉格兰茨, J·梅克勒, 郑伍魁 申请人:图尔库大学