专利名称：燃料电池的螺纹结构基本单元和生产方法及有多个基本单元的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，该燃料电池包括一个作为电极的离子交换类型的薄膜，更具体地说是一个质子交换薄膜。
更具体地说本发明的特征在于一些用于燃料电池的基本单元以及其生产方法，这些基本单元还被称为“电极-薄膜-电极组件”，其一般包括两个电极，在这两个电极之间设有离子交换薄膜。
作为范例，本发明发明了一种在PEMFC(英语为“Proton ExchangeMembrane Fuel Cell”质子交换薄膜燃料电池)的类型、DMFC(英语为“Direct Methanol Fuel Cell”直接甲醇燃料电池)的类型或者阴离子交换的碱性类型的燃料电池领域中的应用。
背景技术：
燃料电池一般包括多个基本单元的堆放物，在这些基本单元的中心在两种反应物之间发生了电化学反应，这两种反应物被连续地引入。诸如用于通过氢/氧混合物工作的电池的氢或者用于通过甲醇/氧气的混合物工作的电池的甲醇的燃料被引导与阳极接触，而一般为氧气的助燃剂被引导与阴极接触。这两个电极被一个电解质分隔，该电解质是离子交换薄膜类型。能量转化成电能的电化学反应被分成两个半-反应-燃料的氧化反应，该反应在阳极/电解质的界面处进行，在氢电池情况中产生了质子H+以及一些电子，该质子朝向该阴极穿过电解质，这些电子连接外部电路，以便帮助产生电能；-助燃剂的还原反应，该反应在电解质/阴极的界面处进行，同时在氢电池的情况中产生水。
严格地说该电化学反应发生在电极-薄膜-电极的连接处。
为了确保电装置的工作，必须获得这样的电功率，该电功率远远大于由一个基本单元或者电极-薄膜-电极组件输出的功率。在这个方面，这些电极-薄膜-电极组件最通常地设置为堆积物的形式，通过称为双极板的导电板确保不同组件之间的电连续。这些双极板最好用石墨或者不锈钢实施，确保了在电极-薄膜-电极组件的阳极和相邻组件的阴极之间的电连接。因此，这些双极板能够确保最大可能的导电性，使得避免了有害于该电池效率的电阻损失。
因此在两个双极板之间限定了每个电极-薄膜-电极组件，这两个双极板还补充了向电极分配反应物的功能，并且能够具有一些冷却元件，以便应对该堆积物的可能的过热。
另外，现有技术中已知的燃料电池整体设置为“过滤器-挤压器”类型的结构，该结构对应于一个特别的构思，在该特别的构思中，双极板和基本单元设有平面表面，通过不同元件的紧固这些平面表面中的一些连接在另一些上。另外，在现有技术的常规的燃料电池中，双极板包括一个在整个表面上弯弯曲曲与基本单元接触的通道网络，以便确保尽可能均匀地朝向该单元的一个电极分配反应物。
然而，在进行偏振光的光学分析之后，可以考虑到一些双极板紧固到一个基本单元上的操作，该操作导致离子交换薄膜的变形。
事实上，所实施的这些分析已经允许了一些区域中的薄膜的变形的局部化，这些区域位于相邻的双极板的通道处，这些通道首先设计用于让反应物通过。当进行紧固操作时，主要是施加在该薄膜上的非均匀的机械作用导致了所遇到的这些变形，这些机械作用基本上集中在与分隔该不同的通道的双极板的实心部分相对的薄膜部分上。精确地说当完成紧固操作并且保持该基本单元到位时，该薄膜的变形部分留在这些通道的内部，因此显著降低了该薄膜和相应的基本单元的寿命。
此外，当该基本单元工作时，还注意到该离子交换薄膜倾向于膨胀，导致了在该薄膜的位于相邻的双极板的通道内部的部分处的波纹化。然而证明了所产生的这些波纹很大程度上导致了主要缺点的出现，该缺点在于减少了在波纹化的薄膜和基本单元的电极之间的接触表面，这样的接触表面的减少直接导致在这些不同元件之间的离子交换表面的减少。上述的缺点导致在薄膜与电极接触的一些单个的部分处电化学反应局部化，这些部分仅仅包括在薄膜膨胀时出现的波纹的顶部。
当然，电化学反应的非常具体的局部化导致在所涉及的部分处的离子交换薄膜加快的老化，该局部化的老化导致形成能够产生电池短路的裂纹，此时该退化级别例如是这些裂纹被扩散直到变成连通的为止。
另外注意到当通过紧固连接一个双极板和一个基本单元时，在这两个元件之间的密封垫设计用于变形，以便确保在这些不同元件之间的完美的密封。然而所进行的其它的观察也可以产生这样的结论，即该密封垫的变形不可避免地导致了离子交换薄膜的一部分的变形，该部分位于该密封垫附近。因此，注意到用于电极、薄膜和双极板的方形截面类型的保持形状在任何情况下都不适合于允许该薄膜支撑在进行紧固操作时突然发生的该密封垫的变形。因此，位于该密封垫附近的薄膜的部分的变形还受到增快的老化，该老化能够导致自发形成在该薄膜上的局部化的裂纹。
发明内容
因此本发明首先提出一种用于燃料电池的基本单元，该燃料电池包括两个电极，在这两个电极之间设有一个离子交换薄膜，该单元至少部分地解决了上述的关于现有技术的实施方面的缺点。
更精确地说，本发明的目标是提出一种用于燃料电池的基本单元，该基本单元的构思显著增加了离子交换薄膜的寿命。
另外，本发明还提出一种生产这样的基本单元的方法。
最后，本发明的目标是提出一种包括多个基本单元的燃料电池，这些基本单元例如对应于上述的本发明的目标。
因此，本发明的目标是一种用于燃料电池的基本单元，该燃料电池包括两个电极，在这两个电极之间设有一个离子交换薄膜。根据本发明两个电极中的一个具有一个螺纹表面，该螺纹表面承载该离子交换薄膜，由该电极和离子交换薄膜构成的组件能够被螺纹连接到一个属于两个电极中的另一个的螺纹表面上。
根据本发明的该基本单元最好构思成使得当由两个电极中的一个和离子交换薄膜构成的组件连接在电极中的另一个上时，该离子交换薄膜限定在两个螺纹表面之间，允许了该离子交换薄膜随着旋紧操作的进行而处于连续的挤压状态。通过这种方式，当完成连接操作时，施加在该薄膜上的机械作用大致均匀地分布在与两个电极接触的整个表面上，而没有一些象现有技术实施中那样的变形区域。注意到在离子交换薄膜上没有显著变形的效果，部分是由于在螺纹表面上存在的螺纹线的正弦形状，这些螺纹线大大降低了在该薄膜上的应力集中，该薄膜保持在该两个表面之间。
因此这样的基本单元的实施不会有助于在离子交换薄膜上建立加快老化的区域，因此有利地允许该离子交换薄膜上不会出现裂纹，并且因此该离子交换薄膜相对于现有技术实施的离子交换薄膜来说具有显著增加的寿命。
另外，通过装置的这样的安排，两个刚性的电极的螺纹表面并不使该离子交换薄膜在启动含有该单元的电池时出现一些波纹。因此，由于该薄膜浸渍有水而导致该薄膜的膨胀，使得该薄膜紧贴在电极上，以便在电极和薄膜之间的接触表面在任何情况下都不会减少。因此，电化学反应是在该薄膜的大的部分上进行的，因此禁止了该薄膜的某些部分的加快的老化。
另外，本发明的优势在于相对于现有技术的实施，增加了离子交换薄膜和电极之间的交换表面积。事实上，当现有技术的元件具有大致平面的接触表面时，本发明的基本单元相反地设置螺旋类型的交换表面，因此导致可以产生的电流密度的增加。
最好该离子交换薄膜具有两个螺纹表面，这两个螺纹表面能够分别与两个电极的螺纹表面配合，这些表面的组合实施成使得它们设置有相同的螺距。
因此，可以根据预成形的膜在两个电极的螺纹表面的螺距上实施该离子交换薄膜。
两个电极中的一个最好包括一个沉积在一个螺钉上的涂覆层，而另一个电极包括沉积在一个螺母上的涂覆层，该螺母形成在该基体上。
在这样的一个结构中，可以设计该螺钉和基体实施在一种多孔材料中，该多孔材料能够控制反应物朝向电极扩散。另外该螺钉和基体分别装备有至少一个孔，在该孔中能够注入至少一个种反应物。
根据本发明的一个优选实施例，该离子交换薄膜被设置在该螺钉上的电极支撑，每个设置在该基体中的孔直接通向一个空间，该空间至少部分地由该电极的螺纹表面限定，该电极沉积在该螺母上，控制每种反应物进入到放置在该螺母上的电极的螺纹表面和离子交换薄膜之间的螺旋连接的间隙中。
另外，本发明还在于一种包括多个如上述的本发明的目标那样的基本单元的燃料电池，这些单元彼此之间电连接并且设置有一个公共的基体。作为范例，通过安排该螺母为矩阵形式，该交换面积可以约比现有技术的大致相同尺寸的常规电池的交换面积高20倍。
最后本发明的目标还涉及一种生产这样的用于燃料电池的基本单元的方法。
本发明的其它特征和优点将出现在下面的非限定性的具体的描述中。
根据附图进行描述，附图包括图1示出根据本发明的一个优选实施例的一个基本单元的正面截面简示图；图2示出图1中的基本单元的一部分的放大比例的视图；和图3示出包括多个图1中示出的那样的基本单元的燃料电池的俯视图。
具体实施例方式
根据图1和2，可以看到一个根据本发明的一个优选实施例的用于燃料电池的基本单元1。
该基本单元1例如能够输出10-50kW的功率，此时该基本单元处于构成平均功率的燃料电池中，该基本单元1可以实施在诸如PEMFC电池和DMFC电池的任何电池类型中。
该基本单元1包括一个基体2，该基体2最好实施在一种多孔材料中，在该多孔材料中实施有一个螺母4，该螺母4具有一个螺纹表面6。
第一电极8最好是用石墨、硅，陶瓷或者金属化的泡沫材料制成，该第一电极8以涂覆层的形式沉积在该螺母4的螺纹表面6上，并且还具有一个直径小于该螺母4的螺纹表面6并且螺距与该螺母4的螺纹表面6相似的螺纹表面10。该第一电极8可以不同地在该螺母4的螺纹表面6的整个高度上延伸，或者仅仅在该螺纹表面6的一部分上延伸。
该基本单元1还包括一个最好在多孔材料中实施的螺钉12。
最好用石墨、硅、陶瓷或者金属化泡沫材料制成的第二电极14以涂覆层的形式沉积在该螺钉12的螺纹表面16上，并且还具有一个直径大于该螺钉12的螺纹表面16并且螺距与该螺钉12的螺纹表面相同的螺纹表面18。注意到该螺纹表面16的螺距与该螺母4的螺纹表面6的螺距相同。同样对于该基本单元1的第一电极8来说，该第二电极14可以不同地在该螺钉12的螺纹表面16的整个高度上延伸或者仅仅在该螺纹表面16的一部分上延伸。这两个电极8和14最好设置成使得当螺钉12在该螺母4上安装到位时，这两个电极8和14彼此相对并且在相同高度上延伸。
一个离子交换薄膜20最好是在螺纹表面6，10，16，18的螺距处预先成形的膜类型，该第一离子交换薄膜20安装在该第二电极14的螺纹表面18上，使得该离子交换薄膜20的第一螺纹表面22与该第二电极14的螺纹表面18表面接触。因此，例如能够设计成该离子交换薄膜20是弹性的并且直径略微小于该第二电极14的螺纹表面18的直径，以便在螺纹安装之后，这两个相关的螺纹表面18和22彼此相对设置以便完全贴和。具体地说该离子交换薄膜20设计用于围绕该第二电极14延伸，但是该离子交换薄膜20还包括一个与围绕该第二电极14延伸的部分连接的环形部分23，该环形部分23位于该基本单元1的螺钉12的螺钉头24下面。
由螺钉12、第二电极14、该第二电极14的螺纹表面18和离子交换薄膜20构成螺纹连接在该第一电极8的螺纹表面10上的组件。为了在对该组件进行连接操作时易于旋紧和限定该薄膜20的变形，可以设计该离子交换薄膜20被预成形为使得其设置有第二螺纹表面26，该第二螺纹表面能够与该第一电极8的螺纹表面10配合，以便在该第一电极8和基本单元1的薄膜20之间建立一个螺旋连接。
因此，该薄膜20的第二螺纹表面20实施成使得其设置有与该基本单元1的其它螺纹表面6，10，16，18相同的螺距，以及比该第一电极8的螺纹表面10的直径略大的直径。因此，当上述的组件连接在该单元1的基体2上时，该离子交换薄膜20被挤压在该单元的两个电极8，14的两个螺纹表面10，18之间。
另外，仍然参照附图1和2，该基本单元1的基体2包括一个圆柱凸出28，在该圆柱凸出28中部分地实施该螺母4，该凸出28在该基体2的主体30外部突出。注意到该圆柱凸出28最好装备有多个叶片32，这些叶片32有助于该单元1的冷却，这些叶片32采用圆柱齿圈形式，这些齿圈围绕该凸出28的外部表面间隔设置。
另外，该螺钉的螺钉头24包括一个环形凹槽34，该环形凹槽34位于下表面处，该下表面用于紧贴在该基体2的圆柱凸出28上。同样环形凹槽36位于该圆柱凸出28的上表面上，并且大致对着该环形凹槽34设置，当该环形凹槽34连接到该基本单元1的基体2上时，该环形凹槽34设置在该螺钉12上。一些环形密封垫38，40分别用于占据环形凹槽34和36的内部并且用于与离子交换薄膜20的环形部分23接触，以便实现该基本单元1的密封。
注意到实施该密封以便保持与两个电极8和14中的任一个相关的一种或者一些反应物，这两个电极8和14分别在基体2和螺钉12中。
因此，该螺钉12在其头部装备有优选为螺纹的接头42，该接头42可以与一些注射装置(未示出)配合，这些注射装置装有一种或者多种用于供给该第二电极14的反应物。该接头42在内部设有一个圆柱孔44，该圆柱孔44的轴线与该螺钉12的轴线相同，该孔44大致完全沿该螺钉12延伸。该或者这些被使用的反应物能够使用该孔44，该孔44为纵向通道形式，并且该或者这些被使用的反应物能够通过在该螺钉12的内部循环而朝向该第一电极8扩散，该螺钉12在一种多孔材料中实施。在该第二电极14的螺纹表面18和该薄膜20的螺纹表面22之间的螺旋接触区域构成了该交换表面，在该交换表面上可以进行第一电化学反应。
当然，还可以构思了设计其它的在该螺钉12中的任何形式的孔，而不会超出本发明的范围。
另外，该基体2在其下表面处包括一个接头46，该接头46最好采取螺纹孔形式，该螺纹孔能够与一种或者多种反应物的注射装置(未示出)配合，该一种或者多种反应物用于供应该第一电极8。
该接头46延伸有一个圆柱孔48，该圆柱孔48的轴线与该螺钉和该基本单元1的螺母4的轴线相同。该孔48通入到一个空间50的内部，该空间50部分由该第一电极8的螺纹表面10限定。正如图1所示，该空间50对应于一个挖空的区域的下部，该挖空区域由螺母4和/或者该第一电极8的螺纹表面10限定，在该螺钉连接到该基体2上时，该下部未被螺钉12占用。另外具体地说该空间50还被离子交换薄膜限定，该圆柱孔48通入该空间50中，该离子交换薄膜20事实上设有一个盘片形式的大致平面的部分52，该平面部分52垂直于该螺钉12的轴线延伸，并且在该螺钉12的螺纹端部处构成了盖子。因此，该螺钉12的螺纹部分和第二电极14完全限定在离子交换薄膜20中，以便注入到该螺钉12中的反应物不能接触在基体2中注射的反应物。
该或者这些被使用的反应物能够使用纵向通道形式的孔48，并且能够进入到该空间50的内部。因此，在这样的结构中，在该空间50中的每个反应物能够渗入到存在于该第一电极8和该离子交换薄膜20之间的螺旋连接的间隙中，该第一电极8沉积在该螺母4上。事实上，所设计的在上述的元件之间的常规的螺旋连接是这样的，即在该元件之间存在一些接触区域，以及一些间隔地设置两个元件的区域。在后者的彼此连通并且还称为螺旋连接的间隙的区域中，流体或者液体反应物可以自由循环，以便完全沿该连接均匀地分布。
注意到当采用这样的用于该基本单元1的构思时，这些间隙51允许这些反应物均匀地在该第一电极8上循环，而在该表面10和表面26之间的接触区域起到用作交换表面的功用，在该交换表面上能够产生第二电化学反应。
当然，还构思设计一种常规的解决办法，在该办法中，该或者这些反应物将注射到一个或者多个孔中，这些孔在该基体2中设置为任何形状，该基体2实施在一种能够控制该反应物朝向该第一电极8扩散的多孔材料中。
另外，本发明涉及一种实施用于该燃料电池的如刚刚描述过的那样的基本单元1的方法。
根据本发明的优选实施例，该离子交换薄膜20首先被预成形，特别是借助于该螺钉12。因此在负压下实施该操作之后，该薄膜20可以在与该螺钉12的螺纹表面16的螺距相同的螺距处设置第一和第二螺纹表面22和26。
然后，该第二电极14以涂覆层的形式沉积在该螺钉12的螺纹表面16上，该沉积根据常规的沉积方法进行，该沉积方法例如是CVD方法(化学蒸汽沉积法)，或者PVD方法(物理蒸汽沉积法)。
在上述的步骤之后该涂覆层被加工，以便该第二电极14装备该螺纹表面18，该螺纹表面用于容纳该离子交换薄膜20的第一螺纹表面22。
同样，该基体2包括一个螺母4，在该螺母4上沉积一个涂覆层，以便还是通过使用上述的沉积常规方法实施第一电极8。所获得的涂覆层然后攻螺丝，以便该第一电极8设有该螺纹表面10，该螺纹表面10用于容纳该离子交换薄膜20的第二螺纹表面26。
一旦电极8和14完成，通过旋紧将离子交换薄膜连接到该第二电极14的螺纹表面18上。注意到因为薄膜20预成形该螺钉12的直径而没有预成形该第二电极14的螺纹表面18的较大的直径，因此该薄膜20完全贴和该第二电极的螺纹表面18。因此，在该第二电极14的螺纹表面18和该离子交换薄膜20的第一螺纹表面22之间不存在间隙。
最后仅仅螺纹连接该组件到该第一电极8的螺纹表面10上，以便获得该基本单元1，该基本单元1的离子交换薄膜20挤压在该两个电极8和14之间，该组件是由离子交换薄膜20、第二电极14和螺钉12形成。
参照附图3，部分示出了一个根据本发明的优选实施例的燃料电池100，该电池100包括多个基本单元1，该基本单元1刚刚描述过。
在该优选实施例中，该基体2对于所有的基本单元1是公共的，承载该螺钉的这些螺母4以矩阵方式设置在该基体2上。该基体2构思用于供给每个覆盖该螺母4的第一电极8。另外，这些单元1的电极8和14(在图3中未示出)彼此之间电连接，以便该电池100的输出功率对应于每个构成该电池100的基本单元1产生的能量总和。
因此因为大幅降低了体积，对应于每个基本单元1的交换表面积的总和的该电池100的整个交换表面积相对于现有技术的燃料电池中获得的交换表面积来说大大地增加了。事实上，作为示范并且对于大约25平方厘米的方形截面的基体2，相对现有技术的常规电池来说，能够20倍地增加该交换表面面积值，该常规电池使用与基体2的尺寸相同尺寸的双极板。注意到该交换表面的增加一方面是由在相同基体2上安排的加倍的基本单元1导致的，另一方面是由于交换表面的螺旋形状导致的。另外，对于在该基体2上的大量的该基本单元1而言，当损坏了其中一个或者较小数量的基本单元时，其它单元1的组件能够保持大致等同于所有的单元1产出的功率。
另外，具体地说，在单独处理每个元件1时，该基本单元的矩阵布置允许进行维护操作而不必拆卸该电池组件。另外该矩阵布置使得易于安装备用元件，这些备用元件能够简单地替换这些有缺陷并且能够短路的元件。
当然，本领域普通技术人员可以对刚刚描述过的仅仅作为范例而非限定的该基本单元1的燃料电池100和生产方法进行不同的改进。
权利要求
1.用于燃料电池(100)的包括两个电极(8，14)的基本单元(1)，在该两个电极(8，14)之间设有一个离子交换薄膜(20)，其特征在于，所述的两个电极中的一个(14)具有一个螺纹表面(18)，该螺纹表面(18)承载该离子交换薄膜(20)，由电极(14)和离子交换薄膜(20)形成的组件能够以螺纹旋紧的方式连接在该螺纹表面(10)上，该螺纹表面(10)属于两个电极中另外的电极。
2.根据权利要求1所述的基本单元(1)，其特征在于，该离子交换薄膜(20)具有两个螺纹表面(22，26)，该螺纹表面(22，26)能够分别与所述的两个电极(14，8)的螺纹表面(18，10)配合。
3.根据权利要求2所述的基本单元(1)，其特征在于，所述的两个电极(8，14)和离子交换薄膜(20)的螺纹表面(10，18，22，26)具有相同的螺距。
4.根据上述权利要求任一项所述的基本单元(1)，其特征在于，该离子交换薄膜(20)是一个预成形的膜。
5.根据上述权利要求任一项所述的基本单元(1)，其特征在于，所述的两个电极中的一个(14)包括在一个螺钉(12)上沉积的涂覆层，另一个电极(8)包括在一个螺母(4)上沉积的涂覆层，该螺母(4)形成在一个基体(2)中。
6.根据权利要求5所述的基本单元(1)，其特征在于，该螺钉(12)和基体(2)实施在一种多孔材料中，该多孔材料能够使得反应物朝向该电极(8，14)扩散。
7.根据权利要求5或者6所述的基本单元(1)，其特征在于，该螺钉(12)装备有至少一个孔(42)，在该孔(42)中能够注射至少一种反应物。
8.根据权利要求5-7任一项所述的基本单元(1)，其特征在于，该基体(2)装备有至少一个孔(48)，在该孔(48)中能够注射至少一种反应物。
9.根据权利要求8所述的基本单元(1)，其特征在于，该离子交换薄膜(20)被沉积在所述的螺钉(12)上的电极(14)承载，每个设置在该基体(2)上的孔(48)直接通入到一个空间(50)中，该空间(50)至少部分地被沉积在该螺母(4)上的电极(8)的螺纹表面(10)限定，该空间(50)允许每种反应物通入到沉积在该螺母(4)上的该电极(8)的螺纹表面(10)和离子交换薄膜(20)之间的螺旋连接中。
10.燃料电池(100)，其特征在于，该燃料电池包括多个根据上述权利要求中的任一项所述的基本单元(1)，所述的单元(1)彼此间电连接。
11.根据权利要求10的燃料电池(100)，其特征在于，该基本单元(1)包括公共的基体(2)，在该公共基体(2)中实施一些螺母(4)使得成矩阵设置。
12.一种生产基本单元(1)的方法，该用于燃料电池的基本单元(1)为权利要求1-9任一项所述的，其特征在于，该方法包括如下步骤借助一个螺钉(12)预成形离子交换薄膜(20)；在该螺钉(12)上沉积一个涂覆层，以便建立电极(14)；加工所实施的涂覆层，以便获得该电极(14)的螺纹表面(18)；在一个螺母(4)上沉积一个涂覆层，以便建立另一个电极(8)；在所实施的涂覆层上攻螺纹，以便获得另一个电极(8)的螺纹表面(10)；将离子交换薄膜(20)螺纹旋紧在被螺钉(12)承载的电极(14)的螺纹表面(18)上；和将由离子交换薄膜(20)、螺钉(12)和被螺钉(12)承载的电极(14)构成的组件螺纹旋紧在另一个电极(8)的螺纹表面(10)上。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃料电池的基本单元(1)，该燃料电池包括两个电极，在这两个电极之间设有一个离子交换薄膜(20)。根据本发明，两个电极中的一个具有一个螺纹表面，该螺纹表面带有离子交换薄膜(10)，由电极和离子交换薄膜(10)构成的组件能够被组装成旋紧在属于另一个电极的螺纹表面上。本发明还涉及一种装备有多个基本单元1的燃料电池。
文档编号H01M8/02GK1623246SQ03801155
公开日2005年6月1日 申请日期2003年5月23日 优先权日2002年5月27日
发明者P·蒂奎特, D·马萨克 申请人:法国原子能委员会