专利名称：薄膜式电化学发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜式电化学发电机，其特征为，重量减轻，对外界环境的电绝缘改善，以及装配简单。以薄膜式电化学发电机为基础的化学能向电能转换的工艺在本技术中是众所周知的。原有技术的薄膜式电化学发电机的一个例子概略地示于
图1中。电化学发电机(1)由许多相互串联并按照压滤器式的构形装配的反应池(2)形成。每个反应池(2)无降解地将第一气态反应剂(燃料)与第二气态反应剂(氧化剂)的反应自由能完全转换成热能，从而不受卡诺循环的限制。燃料供至反应池(2)的阳极室，并例如由包含氢或轻质醇如甲醇或乙醇的混合物组成，而氧化剂则供至对应的阴极室中并例如由空气和氧气组成。燃料在阳极室中被氧化，并同时释放H+离子，而氧化剂则在阴极室中被还原，消耗H+离子。将阳极室与阴极室分开的离子交换薄膜允许H+离子从阳极室连续流至阴极室中，同时阻止电子通过。由此，在反应池(2)的两个极中建立的电势变成最大。
更详细一些，每个反应池(2)由一对导电的具有平的表面的双极板(3)界定，在其间，朝外向前走，包含离子交换薄膜(4)；一对多孔性电极(5)；一对电流收集器/分配器(7)，它们借助在US 5482792中公开的那样类型的网状导电元件实现，在电力上将双极板(3)连至多孔性电极(5)上，同时分配气态反应剂；一对密封垫(8)，其朝向为密封反应池(2)的周边，以防止气态反应剂朝外部环境泄漏。在每个反应池(2)的双极板(3)中和密封垫(8)中，有在图2中未示出的供应孔和排放孔，它们通过同样在图1中未示出的分配槽与电池阳极室和阴极室连通。分配槽最好在密封垫(8)的厚度中得到，并且有梳状结构。它们按均匀的方式在反应池(2)中分配和收集气态反应剂和反应产品，后者任选地与废气混合。双极板(3)与密封垫(8)还备有用于供应和排放冷却液(通常为去掉离子的水)的孔，其目的在于将电化学发电机保持在所要求的操作温度。在压滤器的构形中，前述孔之间的结合确定了两个旨在供应气态反应剂的纵向总管的形成，两个旨在排放可任选地与废气混合的反应产品的纵向总管的形成和冷却液的供应和排放总管的形成。在反应池(2)组件的外面，有两个接线板(11)，它们界定电化学发电机(1)，并且与其它装置如弹簧或拉杆配合，使各个部件保持受压缩，从而保持对外界环境的密封和纵向的电连续性。两个接线板(11)之一备有未在图1中示出的喷嘴，以用于将前述纵向总管连至外接回路上。此外，两个接线板(11)都备有合适的孔(在图1中也未示出)，以用于收容拉杆，借助该拉杆，电化学发电机(1)被上紧。如图2所示，原有技术的电化学发电机(1)还可以包括许多介于反应池(2)之间的冷却池(20)。该冷却池(20)与反应池(2)相似，只是它们不包括由离子交换薄膜(4)、多孔性电极(5)和催化层(6)组成的电化学组件。指定用作冷却液流动的冷却池(20)包括一导电元件，它相当于上面公开的收集器(7)并在此情况下旨在在两个相邻的双极板之间建立电连续性，同时提高热交换效率。
原有技术的电化学发电机(1)，虽然在若干方面是有利的，但是受到一些缺点的影响。首先，为了降低成本并避免脆性的问题，电化学发电机(1)最好用例如用不锈钢制造的金属双极板装配，而不是用石墨或已知的聚合物/石墨复合材料。不过，这导致显著的重量增加和复杂性，因为发电机包括大量的部件。采用大量的部件还带来大量的密封，从而还带来较大的泄漏危险性，此外，还有装配上的困难，不管是手工装配或自动装配，都有长的执行时间，并且容易产生不精确，而这将对其正确的功能产生影响。与上述电化学发电机的结构有关的其它缺点为缺少对外界环境的电绝缘；金属与液体特别指与冷却液接触，这在纵向总管中产生并造成可能的短路电流；最后是由发电机产生的热功率向外界环境的扩散。
本发明的目的为提供一薄膜式电化学发电机，它包括双极板，并克服原有技术的缺点。
为了更好地理解本发明，下面将参考附图描述其某些实施例，以仅仅作为不受限制的例子，图中图1示出按照原有技术的薄膜式电化学发电机的第一实施例的分解的侧视图；图2示出图1的薄膜式电化学发电机的第二实施例的分解的侧视图；图3示出按照本发明的薄膜式电化学发电机的一个实施例的分解的侧视图；图4示出图3的电化学发电机的部件的正视图；图5示出沿图4的部件的剖面A-A的视图；图5b示出沿图4的部件的剖面B-B的视图；图6示出图3的薄膜式电化学发电机的部件的另一实施例的正视图；图7示出沿图6的部件的剖面C-C的视图；图8示出沿图7的部件的剖面D-D的视图；图9示出沿图6的部件的另一实施例的剖面C-C的视图；图10示出沿图9的部件的剖面E-E的视图；图11示出图3的薄膜式电化学发电机的部件的另一实施例的正视图；图12为图11的部件沿剖面F-F的剖视图；以及图13示出沿图12的部件的剖面G-G的视图。
图3示出按照本发明的电化学发电机(100)的一个实施例，它由许多相互串联并按压滤器式的构形装配的反应池(101)形成，具有按与反应池成1∶1的比例夹在其间的冷却池(120)，后者相当于上面讨论的图2的冷却池(20)。在其它实施例中，这个比例可以不同，例如1∶2或1∶3。每个反应池(101)由一对具有平的表面的双极板(102)界定，其间，朝外向前走，包括离子交换薄膜(103)；；一对多孔性电极(104)；一对沉积在薄膜(103)与每个多孔性电极(104)之间的界面上的催化层(105)；一对电流收集器/分配器(106)，它们借助在US 5482792中描述的那种类型的网状金属元件实现，将双极板(102)电连接至多孔性电极(104)上，同时分配气态反应剂。
如同更详细地在图4、5a、5b中示出的那样，双极板(102)由中间金属体(110)形成，其尺寸略超过反应池(101)的反应区的尺寸，而且与用(例如热塑型或热固型的)聚合物材料做的框架(111)做成一体。框架(111)用模制或胶接放在中间金属体(110)上，并且任选地由分开的件做成。框架(11)有利地负责原有技术的电化学发电机的密封垫(8)的全部功能，因此后者可以省去。
如图4所示，框架(111)有用于分别为燃料和氧化剂的气态反应剂的通道的第一和第二孔(111a1、111a2)，用于排放可任选地与废气混合的反应产品的第一和第二孔(111b1、111b2)以及用于供应和排放冷却液的孔(112)。框架(111)还备有用于收容拉杆的多个孔(150)，借助该拉杆，电化学发电机(100)被上紧。
此外，框架(111)还有分配通道(113a、113b)(图5a)和冷却通道(114)(图5b)，它们全部都在框架本身的厚度内得到。分配通道(113a)和(113b)位于与中间金属体(110)的界面上，并使第一和第二孔(111a1、111a2)(在图5a中只示出其中的一个)以及第一和第二孔(111b1、111b2)(在图5a中只示出其中的一个)分别与反应池(101)的内部直接连通，而冷却通道(114)则使孔(112)与冷却池(120)的内部连通。在压滤器式的构形中，所有框架(111)的孔(111a1、111a2)和孔(111b1、111b2)之间的结合分别确定了两个纵向总管(115)和两个纵向总管(116)的形成，而所有框架(111)的孔(112)之间的结合则还确定了有关的总管的形成，虽然它们为了简单起见而未在图3中示出。在图3中只示出其中的一个的两个纵向总管(115)旨在供应气态反应剂，在图3中只示出其中的一个的两个纵向总管(116)则旨在排出任选地与废气(惰性气体和气态反应剂的未转换部分)混合的反应产品(水)，由孔(112)的结合形成的总管则旨在供应和排出冷却液。
在反应池(101)的组件的外面有两个接线板(117)(图3)，它们界定电化学发电机(100)。两个接线板(117)之一备有图3中未示出的喷嘴，以用于各个纵向通道与外界回路的液力连接。此外，两个接线板(11)都备有合适的孔(在图3中也未示出)，以用于收容拉杆。
如图3的实施例所示，在冷却池(120)按与反应池(101)成1∶1的比例介于中间的情况下，双极板(192)的中间金属体(110)可备有许多标定孔(130a)和(130b)，其具有0.1mm到5mm之间的直径，如图6所示。通过多个标定孔(130a)和(130b)，气态反应剂和反应产品与废气分别流入反应池(101)和从反应池排出，这将在以后更详细地说明。在另一种结构方案中，标定孔(130a)和(130b)有有规则地变化的直径，其目的为保证气态反应剂的均匀分布和产品的排出。孔(130a)和(130b)在与包含分配通道(131)和(132)的一侧相反的一侧，分别位于框架(111)的内缘的上方和下方。孔离开框架(111)的边缘的距离最好为1mm左右，以便于较好地利用反应池(101)的反应区。
现在参看图7，它是图6的双极板沿剖面C-C的侧视面，在与冷却池(120)相反的一侧，框架(111)有一与第一和第二孔(111a1、111a2)连通的气态反应剂分配区(131)，和一与第一和第二孔(111b1、111b2)连通的反应产品和废气的收集区(132)。气态反应剂分配区(131)和反应产品与废气的收集区(132)都在框架(111)的厚度内得到。在与反应池(101)相反的一侧，框架(111)没有通道，而它在这一侧的厚度则可以作为薄膜/电极/收集器组件的厚度来优化，而没有其它约束。在图8中示出了分配区(131)和收集区(132)，该图为图7的双极板(102)沿D-D平面的剖面的正视图。通道(133)和(134)与孔(130a)和(130b)的对准是重合的。
在此情况下，电化学发电机(100)如下工作通过纵向总管(115)供至电化学发电机(100)的气态反应剂(燃料和氧化剂)流至分配区，气态反应剂从此处流过通道(133)并经过许多标定孔(130a)，并被注入反应池(101)中。在其中产生的反应产品和废气本身又穿过许多标定孔(130b)并经过通道(134)，到达收集区(132)和总管(116)，并通过总管离开电化学发电机(100)。
在另一实施例中，孔(130a)用于直接将水注入反应池，而不是用于像上面所说的那样注射气态反应剂。在此情况下，所注射的水有双重作用，也就是，对气体和薄膜(103)提供加湿，和在部分地蒸发时，用于排出反应热。未蒸发的水连同产品和废气经过与纵向排放总管连通的收集区从反应池排出。孔(130b)因此可以去掉。由于通过直接注入反应池中的水所产生的冷却效果，不再需要向冷却池(120)供应冷却液例如水。虽然保持了图3的包括元件(106)的结构，但是，池(120)仍然保留建立两个相邻的双极板(102)的金属体(110)之间的电接触的单一功能。参看图6，它示出了沿线C-C的剖面，至于这一在图9中的特殊情况，其中具有剖面的数字的共同部分都用同样的参考数字标出。为了更好地理解，在图10中示出图9的双极板的沿线E-E的剖面，其中，表示了通道(135)的发展，该通道与孔(130a)重合，并允许来自(112)的水经过该通道注入。如图5a所示，反应气体的供应和产品与废气的排出都通过通道(113a)和(113b)进行。在此情况下，与图5a的实施例的情况相似，密封垫(111)在反应池侧的厚度受到必须收容通道(113a)和(113b)的限制，而且不能像被图7的实施例所允许的那样，任意优化。还可能再次享受这样的好处，即借助本发明的另一实施例，同时使用有效的直接水注射，其特征为，利用包含在图7和9中示意地示出的气体分配和水注入两个概念。这种实施例在图11中作为双极板(102)的正视图示出，其中，具有前面的数字的共同部分都用同样的参考数字标出。如同所看到的那样，中间金属体(110)做有双排孔，分别为用于供应气态反应剂的(130a)和用于注水的(136)，并且中间金属体还做有单排孔(130b)，它们旨在排出反应产品、废气和残余的水。为了更好地理解，在图12中表示的框架的沿线F-F的剖面示出水的分配通道(135)的剖面，该水经过孔(136)被注入反应池(101)中。在图13中示出双极板沿图12的线G-G的另一剖面的正视图。
采有上面公开的本发明所得到的优点如下
a)减轻按照本发明的电化学发电机的重量按照本发明制造的电化学发电机采用了具有金属部分的双极板。该金属部分的尺寸略大于反应池的反应区的尺寸，而原有技术的金属双极板则具有基本与发电机的正面面积重合的尺寸；由于这种改进，估计的重量减轻约为30％。
b)减少了做成按照本发明的电化学发电机的部件的数量除去减少误差的产生外，就减少装配时间和降低有关的成本而言，部件数量的减少带来显著的好处。例如，装配包括几个反应池的图2的按照原有技术的发电机，需要3×n个密封垫和2×n个双极板，用于总共5×n个部件(不考虑与电化学组件有关的部件，后者是保持不变的)；采用本发明的电化学发电机(100)，按照图3的实施例，只需要2×n个部件。
c)减少密封件的数量在装配用不同的材料做的许多部分时，保证不泄漏的密封是在建造发电机时要面临的主要问题之一，而这种问题常常是没有简单的解答的。装配图2的具有几个反应池的原有技术的发电机必然需要5×n个密封的表面，而在采用按照本发明的双极板时，就减少至2×n个。
d)各个部件有较好的对准与对中按照本发明的双极板允许在装配发电机时改善部件的对准，这是因为，如上所述，与原有技术的工艺相反，部件的数量大大减少，而且聚合物框架自动位于正确位置，在原有技术的工艺中，要装配的部件多，而且，并未固定在双极板上的密封垫的定位将格外困难。还有，电化学发电机的其它元件(电流集合器/分配器、电极和薄膜)的对中由于在由框架(111)界定的预先放置的座而变得更简单。
e)改进的外部电绝缘按照本发明的双极板允许发电机与外界环境电绝缘，同时减少热功率的扩散。
f)在供应总管与排放总管中没有液体与金属的接触当在电化学发电机中采用金属部件时，另一有关的问题是试图最大地减少金属与液体(变湿的气态反应剂、冷却液)，以便减少腐蚀的危险，和消除短路电流。采用按照本发明的双极板允许同时在变湿的气态反应剂的供应和排放总管以及冷却液的供应和排放总管中去掉金属部分，这是因为，所有这些导管都是在聚合物框架中得到的。
由中间金属体组成的本发明的双极板的制造可以用下面所列的方法之一达到，该中间金属体可任选地备有用于分配和收集的孔，并与一用塑料做的框架做成一体，该框架包含各种孔和通道-将形状做成各种通道的截面的可浸出的元件用在金属体上；模压塑料，以便形成整体的框架；以及任选地在热塑性材料冷却之后或在热固性材料完成聚合之后用合适的反应剂浸出。合适的浸出材料为铝，它易于用氢氧化钠溶解。框架的塑料必须具有适于保持各种通道的通道截面基本不变的力学特性，尤其是在工作温度下和在通常的受压缩的工作条件下有最小的永久变形。
-在金属体上采用具有所要求的通道形状的预成形元件；接着模压塑料，以便形成整体的框架。预成形的材料可以用金属最好是不锈钢或塑料制造如果预成形元件的抗压缩的力学强度高，则框架的上述小变形的约束就得到克服。
-例如通过模制任选地按两个部分预成形框架，每个部分由上述框架的一个面组成并包括其自身的通道通过热粘接或最好通过用合适的粘结剂胶接与金属体装配在一起，以便防止对通道的通道截面造成任何损伤。在此情况下，除去最小变形的限制外，框架材料的选择还受到与市场上的粘结剂相容的限制，其中，优选用薄膜粘结剂。
在采用任选的介于其间的粘结剂时，为了改进金属体与框架材料之间的粘接，金属体最好经过预处理如精细的喷砂和/或化学侵蚀，其目的在于产生一微观上粗糙的并且能起化学反应的表面。同样旨在金属体与框架之间产生粘接的其它措施可包括在金属体上在周边区域中做出孔，其中，框架材料在模制步骤中可以穿过，从而在框架本身的两个面之间建立连续性。
上面的说明不应当被理解为限制本发明，本发明可以按照不同的实施例付之实践而不脱离其范围，而且它的延伸仅仅由所附的权利要求书予以规定。
在本发明的说明和权利要求书中，“包括”一词及其各种变化并不企图排除存在其它元件或附加的部件。
权利要求
1.薄膜式电化学发电机，它供以气态反应剂并包括许多按压滤器式的构形装配的反应池(reaction cells)，每个上述反应池都由双极板界定，其特征为，上述双极板由与框架成一体的金属中间体形成，该框架用聚合物材料制造并包含分配通道与收集通道。
2.如权利要求1的发电机，其特征为，上述聚合物材料为热塑性型的。
3.如权利要求1的发电机，其特征为，上述聚合物材料为热固性型的。
4.如前述权利要求中的任一项的发电机，其特征为，上述框架通过模制与上述中间金属体做成一体。
5.如权利要求4的发电机，其特征为，上述金属中间体事先备有可浸出(leachable)的元件，该元件具有上述分配通道和收集通道的形状，以及上述可浸出的元件在上述模制之后用一反应剂溶解。
6.如权利要求5的发电机，其特征为，上述可浸出的元件用铝制造，而上述反应剂则为氢氧化钠。
7.如权利要求4的发电机，其特征为，上述金属中间体事先备有预成形的元件，该元件具有上述分配通道与收集通道的形状。
8.如权利要求7的发电机，其特征为，上述预成形的元件用金属或塑料制造。
9.如权利要求8的发电机，其特征为，上述金属为不锈钢。
10.如权利要求1至3的任一项的发电机，其特征为，上述与上述金属中间体成一体的框架由两个预成形的包含上述分配通道与收集通道的部件组成。
11.如权利要求10的发电机，其特征为，上述两个预成形的元件的每一个构成上述框架的一个面。
12.如权利要求10或11的任一项的发电机，其特征为，上述两个部件通过热粘接或用粘结剂胶接彼此装配在一起，并与上述金属中间体装配在一起。
13.如权利要求4或12的任一项的发电机，其特征为，上述金属中间体有通过喷砂和/或化学侵蚀得到的微观上粗糙的和/或能化学反应的表面。
14.如权利要求4的发电机，其特征为，上述金属中间体在周边区域备有孔，后者适于有利于上述模制框架的粘接。
15.如前述权利要求的任一项的发电机，其特征为，上述框架包括用于通过上述气态反应剂的第一和第二供应孔、用于排出可任选地与废气混合的上述反应产品的第一和第二排放孔、用于供应和排出冷却液的孔，上述孔都与上述分配通道和收集通道连通。
16.如权利要求15的发电机，其特征为，在一压滤器式的构形中，上述框架的上述孔之间的结合确定了纵向供应总管的形成，上述排放孔之间的结合确定了纵向排放总管的形成，上述用于供应和排出冷却液的孔之间的结合确定了用于循环上述冷却液的总管的形成。
17.如权利要求15的发电机，其特征为，上述框架进一步包括许多用于收容拉杆的孔，借助该拉杆，完成上述电化学发电机的上紧。
18.如前述权利要求的任一项的发电机，其特征为，它包括许多介于上述反应池之间的冷却池，每个冷却池都由一对上述双极板界定。
19.如前述权利要求的任一项的发电机，其特征为，上述金属中间体包括许多用于上述气态反应剂通过的第一标定孔，和许多用于排放反应产品和任选的废气的第二标定孔。
20.如权利要求19的发电机，其特征为，上述第一标定孔相互对准，并且对应于上述框架的上述分配通道定位，以及上述第二标定孔相互对准，并且对应于上述框架的上述收集通道定位。
21.如权利要求19或20的任一项的发电机，其特征为，上述第一和第二标定孔与上述框架的内缘隔开约1mm。
22.如权利要求19～21的任一项的发电机，其特征为，上述第一标定孔有0.1mm和5mm之间的直径。
23.如权利要求1～18的任一项的发电机，其特征为，上述金属中间体包括许多对准的、用于将水注入上述反应池中的标定孔。
24.如权利要求23的发电机，其特征为，上述对准的标定孔对应于附加的水分配通道定位。
25.如权利要求23的发电机，其特征为，上述对准的标定孔与上述框架的内缘隔开约1mm。
26.如权利要求1～18的任一项的发电机，其特征为，上述中间体包括许多对准的、用于分配气态反应剂的标定孔，许多对准的、用于注水的标定孔和许多对准的、用于排出产品、废气和残余的注入水的标定孔，上述标定孔的每一个都对应于上述分配通道之一或上述收集通道之一定位。
27.如权利要求26的发电机，其特征为，上述对准的、用于分配气态反应剂的标定孔和上述对准的、用于排出产品、废气和残余的注入水的标定孔与上述框架的内缘都隔开约1mm。
28.基本与前面参考附图一样的薄膜式发电机。
全文摘要
本发明涉及一种薄膜式电化学发电机(100)，其特征为，电绝缘改善，体积减小。薄膜式电化学发电机(100)被供以气态反应剂并包括许多按压滤器式的构形装配的反应池(101)。上述反应池(101)的每一个由一对双极板(102)界定，薄板由一与一用聚合物材料做的框架(111)做成一体的金属中间体(110)形成。聚合物材料可以是热塑性型的或热固性形的，而框架(111)则通过模制板在金属中间体(110)上。
文档编号H01M8/02GK1679194SQ03820562
公开日2005年10月5日 申请日期2003年8月28日 优先权日2002年8月28日
发明者E·特里丰尼, M·利奥塔 申请人:纽韦拉燃料电池欧洲有限责任公司