专利名称：电化学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种聚合物电解质电化学装置和在平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中使用的电化学装置部件。该电化学装置可用作燃料电池或电解装置。
背景技术：
通常，燃料电池(cell)是一种将化学反应产生的能量转换为电能的装置。燃料电池与蓄电池(battery)的不同之处就在于燃料和氧气存储在电池的外部，只要提供燃料和氧气就能产生电力。燃料电池通过使燃料和氧气接触被电解质隔离的两个合适的电极而产生电动势。电解装置是一种功能与燃料电池相反的装置。它将电能转换为氢和氧形式的化学能。在聚合物电解质燃料电池中，如氢气的燃料在一个电极处引入，在此它在负电极(阳极)的电催化表面上分解以形成质子和电子，正如方程式1所示。电子进入电极的导电结构，由此到达被所述燃料电池供电的外部电路。通过在第一电极分解氢气所形成的质子穿过电解质到达第二电极。同时，氧化剂，如氧气或空气被引导到第二电极，在此它被吸附在负电极(阴极)的电催化表面，并由横穿燃料电池供电的外部电路的电子电化学还原形成表面氧化物物质。该表面氧化物与电解质的质子发生反应而形成水，即总反应式的产物。水从电极解吸，并在阴极离开电池。所形成的一些水，是冷凝形式，保留在阴极和吸湿膜中。在两个电极上氢消耗燃料电池的半电池反应分别如下H2→2H++2e-(1)；1/2O2+2H++2e-→H2O(2)通过外部电路连接的两个电极会使电流在电路中流动，并从电池中提取电能。总的燃料电池反应是上述所示的单独的半电池反应的和，产生电能和热。
虽然一些应用可以使用单个电池，但是在实践中燃料电池经常被串联以相加组合单个电池电势，并实现一个更大和更加有用的电势。给定串联中的电池能够直接连接，其中单个部件的相对面接触一个电池的阳极和相邻电池的阴极，或者通过外部电连接相连。一串燃料电池，称之为燃料电池组，通常装设有分配两种气体的多管系统。燃料和氧化剂通过支管引导到正确的电极，冷却或者通过反应物或者通过冷却介质进行。电池组内部也有是集电器、电池间的密封和其它的部件。电池组和相关的硬件构成燃料电池模块。
在使用固体聚合物电解质的燃料电池中，膜用作电解质，以及用于防止反应气体混合的阻挡层。PEM燃料电池在Dhar的美国专利No.5,242,764中更加详细地描述，其内容在此作为参考引用。更多的研究和开发已经致力于提高质子交换膜(“PEM”)燃料电池的功率—重量比。绝大多数研究已经涉及到提高相对较重电池组的单位体积的功率。
本发明的聚合物电解质电化学装置是小型装置。与固定应用或运输应用(1-200kW)的情形不同，研发小型聚合物电解质燃料电池(微瓦—几百瓦)的主要动机不在于环境效益，而是在于与公认的技术(主要是原电池和二次电池)相比可预见的改进技术特性。而且，材料成本与在运输应用中相比是一个较低的障碍，因为蓄电池相对昂贵。与蓄电池相比，聚合物电解质燃料电池(PEFC)的预期优势是更高的能量密度(Whg-1)，且没有充电时间。
迄今为止，PEFC主要是作为大容量电池开发的，其中具有某些调节(温度、反应流和湿度)的效益并没有胜过相关辅助设备(冷却系统、压缩机和风扇、加湿器)的内在重量和电耗。新近来，人们已经做出努力通过用更薄和更轻的金属部件代替重的碳部件来减小电池组重量。但是，这些单元为大规模应用(一些大约30kW)设计，因此，需要上述相同的电池组辅助设备。而且，与电池组一起包含在这些系统中的辅助设备已经设计成在千瓦级进行有效工作。这些系统的缩小版已经在需要功率小得多，如大约50-约150瓦特的应用中尝试过。但是，这些系统不能很好地适用于几十瓦特或数百瓦特的堆输出，因为旋转部件，如泵和压缩机，不能适当地减小尺寸。结果是，即使该设计的小规模系统对许多较小应用，如便携式应用和个人使用来说也是太重。
便携和个人应用的重要目标是单位体积的瓦特和单位重量的瓦特，即W/cm3和W/g。
小型燃料电池必须设计成用最小的控制进行工作。这种设计自然地从堆转换为平面电池，因为平面电池对阴极提供了增强的热散除和空气通路。任何平面结构意味着串联连接的混合导体/绝缘体图案。平面电池之间的串联方式有两种，第一种方式，经常被称之为带状设计，包括设置在任一侧的阴极和在相对侧的阳极，每个阴极连接下一个相邻电池的阳极。这种连接可通过在膜的中心区域形成分支，或者通过将电流引导到膜区域之外的活性区旁边并在此形成连接而实现。后一种选择避免了切断膜，这样做也单独避免了每个阳极的过分拉紧。平面电池串接的第二种方式经常被称之为触发(flip-flop)设计，其结构包括两个电池室板，每个室板具有沿其表面交替的阴极和阳极。然后一个电池的阴极电连接下一个电池的阳极。无源PEFC不需要小电阻的膜，与平面内串接所选择的设计无关，即使水仅来源于燃料电池反应也是如此。该事实说明需要薄的膜，只要燃料交叉(crossover)不是问题即可。如果PEFC工作的平均电流密度是200mA cm-2或更大，那么燃料交叉就不是问题，膜的薄度仅受到其机械完整性限制。如果应用低压缩同时保持较小的界面电阻将会更佳。这尤其有利于空气扩散到阴极。低压缩有助于保持气垫(gas backing)较高的多孔性，较高的多孔性有利于空气扩散到阴极。
迄今已经对小型PEFC的三种类型材料及其相关技术做了研究(i)常规PEFC设计的小型化，集电器和电池室用石墨或不锈钢板制成。
(ii)硅技术；在硅晶片上图形化导电/非导电路径，或者在晶片中在反应气体的通道顶上产生多晶硅层的复杂结构的方法的发展；(iii)印刷电路板(PCB)技术；在电绝缘复合材料上使用薄铜层。
本发明并不局限于这些技术，因为它仅需要供气支撑板，该支撑板可由任何充分气密材料(例如，金属、塑料或甚至是纸或纸复合材料)制成。
现在人们希望改进并简化燃料电池。同时并做出了一些尝试，如通过使用粘合剂结合法部分代替夹具方法。在US 2004/0161655中描述了一种方法，它揭示了通过将膜电极组件的非活性周边粘结于双极板一侧的周边框架，并使用所需数量的膜电极组件和双极板的电化学堆组件。硫化或热塑料粘合剂的薄层位于密封区域，电池框架和膜电极组件一起进行挤压直到粘合剂被充分硫化，并将电池框架和膜电极组件粘结在一起为止。在这种方法中，必须进行硫化以保证膜和电极组件正确定位以使一个膜和电极组件的阴极侧正对双极栅或双极板的阴极侧，其中膜和电极组件粘结双极栅或双极板的阴极侧。而且，粘合剂必须细心地接触于双极元件，如流场、总管、通道和其结合上任何表面的周边，以能提供限制于它们相应区域的必要的流动密封保持反应物流体，冷却流体或加热流体。此外，使用该方法产生的电池组，特别是较大的电池仍然需要夹持力。
因此，需要重量轻的燃料电池系统，该系统能够提供改进的功率密度，并省略许多辅助设备。还需要高性能的燃料电池或电解装置，它们制造简单并便于操作。因此本发明的目的是提供一种能够用作燃料电池或电解装置的电化学装置。本发明的另一个目的是提供一种不需要任何夹紧压力的电化学装置。本发明的又一个目的是提供一种允许方便替换活性部分的电化学装置。
发明内容
上述目的通过本发明的聚合物电解质电化学装置和电化学装置部件实现。聚合物电解质电化学装置是指这样的电化学装置，其具有离子导电聚合物膜电解质，例如，质子导电膜，或者由固定液态电解质(如固定的KOH和H2O)的聚合基质制成的聚合物膜。这种装置的例子是氢供给聚合物电解质燃料电池，直接甲醇燃料电池和聚合物电解质电解装置。为了简化起见，下文中提及燃料电池的阳极和阴极，但是作为本领域的技术人员将会明白这些标记在涉及电解装置时应交换。
本发明的电化学装置包括阳极集电器、具有阳极和阴极气垫的膜电极组件和阴极集电器。膜电极组件被密封，并通过粘结件至少贴附于阳极集电器，以此产生阳极气室。该电化学装置优选地设计成在多电池串联连接结构中使用。在该电化学装置中，位于膜电极组件和阴极集电器之间的粘结件的至少一部分是导电的，目的是为了建立电接触以及充分的粘结。
该电化学装置是平面结构吸气聚合物电解质电化学装置，它包括阳极集电器、阴极集电器和膜电极组件。该膜电极组件包括固态离子导电聚合物膜电解质、阳极、阳极气垫、阴极和阴极气垫，该膜电极组件位于阳极集电器和阴极集电器之间，以使阳极气垫指向并贴附于阳极集电器，阴极集电器指向并贴附于阴极集电器。该膜电极组件被密封，并通过粘合剂直接贴附于阳极集电器。该粘合剂覆盖邻近且对应于阳极气垫的第一区域和包围第一区域的第二区域。因此在膜电极组件和阳极集电器之间产生密封，由此形成阳极气室。粘合剂至少在第一区域是导电的。通过这种结构，膜电极组件能够容易且有效地贴附于阳极集电器，并在阳极气垫和阳极集电器之间实现充分的接触而不需要任何夹紧设备。这种结构十分简单，还能够产生高峰值功率，例如在每个电极上Pt负载是0.3mg cm-2时，在(除了受控的氢气流之外)完全无源(passive)的模式中为300mWcm-2。
在本发明的一个优选实施例中，阳极集电器是导电层，其贴附于非导电的支撑。阳极集电器和该支撑形成阳极集电器组件，它具有一个或多个用于气体通路的开口。因此阳极集电器和该支撑可由不同的材料制成。阳极集电器优选地是粘性带，它包括导电的基底箔片。该箔片具有指向膜电极组件的第一表面和背离该膜电极组件的第二表面，第一表面设有粘性层。由柔性箔片形成的阳极集电器允许所述支撑具有非平面表面，如弓形或拱形。粘性带的简单贴附有利于该装置的制造，因为它能够使该装置既快速又方便地进行组装。可选择地第二表面也设有粘性层，以此能够实现与所述支撑的容易贴附。
在另一实施例中，阴极集电器通过导电粘结件电连接到阴极气垫，由此进一步简化了该装置的组件。
本发明还涉及在平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中使用的部件。这些部件可以单个或者以串联连接布置使用，它们结构取决于所需的连接布置而略有不同。
在平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中使用的电化学装置部件，如上述定义的部件，适于贴附于具有至少一个用于气体通路的开口的阳极支撑。该部件包括阳极集电器，该阳极集电器包括具有至少一个用于气体通路的开口的导电箔片；阴极集电器；和膜电极组件。该膜电极组件包括固态离子导电聚合物膜电解质、阳极、阳极气垫、阴极和阴极气垫，该膜电极组件位于阳极集电器和阴极集电器之间，以使阳极气垫指向阳极集电器，阴极气垫指向阴极集电器。该膜电极组件通过设置在阳极集电器上的粘性层直接贴附于阳极集电器，其中所述的粘性层覆盖邻近且对应于阳极气垫的第一区域，和包围第一区域的第二区域。因此在膜电极组件和阳极集电器之间产生密封，由此形成阳极气室。该粘性层至少在第一区域是导电的。因此该部件包括燃料电池的所有必要部件，仅仅需要贴附于允许气体进出的支撑。该部件是可替换和便于使用的部件，能够容易地贴附于不同材料和形状的支撑。
上述阳极集电器的第二表面可设有粘性层和可拆卸的保护片。该保护片意图在使用该部件前去除。在该部件要用于燃料电池中时，去除该保护片，该部件容易地贴附于支撑。
膜电极组件还可以使用粘结件贴附于阴极集电器，其中至少与阴极气垫相邻的一部分粘合剂是可以导电的。因此能够实现阴极集电器和膜电极组件之间有效且容易的贴附。
根据本发明的电化学装置部件，意图以串联连接布置用于平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中，它适用于与一个或多个相似的部件串联连接，并贴附于具有进出气口的阳极支撑。该部件包括集电器元件，该集电器元件具有由阴极集电器部和阳极集电器部组成的导电箔片。该部件还包括膜电极组件，膜电极组件包括固态离子导电聚合物膜电解质，阳极，阳极气垫，阴极和阴极气垫。该膜电极组件设置在该部件中使得阴极气垫指向集电器元件的阴极部，阳极气垫背离集电器元件。该膜电极组件通过设置在集电器元件阴极部上的粘性层贴附于集电器元件，所述的粘性层至少覆盖相邻于且对应于阴极气垫的区域，并至少在该区域可导电。集电器元件的阳极部从阴极集电器部横向延伸，在使用时用作相邻串联连接部件的阳极集电器。该阳极集电器部具有进出气开口，并在集电器元件的表面上设有粘性层。在使用时该粘性层背离部件的膜电极组件的阴极侧，并指向相邻电化学装置部件的膜电极组件的阳极侧。设置在阳极部上的粘性层覆盖相邻于且对应于相邻部件的阳极气垫的第一区域，和包围第一区域的第二区域。该粘性层至少在所述第一区域是可导电的，由此使得能够在相邻部件的膜电极组件和所述阳极集电器之间产生密封。该部件允许串联连接的燃料电池部件容易组装。
本发明还涉及一种聚合物电解质电化学装置，其包括串联布置在阳极集电器支撑上的两个或更多电化学装置部件，其中一个部件的集电器元件的阳极集电器部用作相邻部件的阴极集电器部。
图1是一聚合物电解质电化学装置的示意性截面视图，该装置包括适用于单个电池结构的电化学装置部件；图2是图1所示的适于在单个电池结构中使用的电化学装置部件的示意截面侧视图；图3a是包含适于串联连接的电化学装置部件的聚合物电解质电化学装置的示意性俯视图；图3b是图3a所示的聚合物电解质电化学装置的示意性截面侧视图；图4是聚合物电解质电化学装置的一个实施例的示意性截面侧视图，其中阴极集电器包括导电网和印刷电路板(PCB)。该PCB也用作夹紧件；图5具有条状PCB阴极集电器的电池的电池电压和功率密度与电流密度的关系(见例子1)。曲线(a)是初始性能，曲线(b)是在0.5V下60小时后的性能。在极化前没有进行预处理。扫描速率0.4mVs-1。
图6在电压为0.5V时具有条状PCB阴极集电器的电池的长时间测试。电池没有进行预处理(见例子1)。
具体实施例方式
现在参考附图将详细地描述聚合物电解质电化学装置，其中用“或”表示的参考标号涉及也在其它实施例或附图中出现的相对应部件。
参考图1，它表示根据本发明的平面结构吸气聚合物电解质电化学装置，该装置包括阳极集电器(1)，阴极集电器(2)，和膜电极组件(MEA)(3)。为了清楚起见，图1没有按比例绘制。实际上，MEA非常薄。膜的厚度通常为15-150μm，催化活性电极的厚度通常为1-20μm，气垫的厚度通常为50-500μm。该膜电极组件包括固态离子导电聚合物膜电解质(4)，它在一个表面上设有阳极(5)和阳极气垫(6)，在相反的表面上设有阴极(7)和阴极气垫(8)。电极(阳极和阴极)通常包含碳颗粒(例如，弗尔康(Vulcan)XC-72)，其与离子导电的聚合物结合以形成多孔基体。碳颗粒上分散有催化剂颗粒。对阳极来说，催化剂颗粒通常是由Pt和PtRu合金制成。对于阴极来说，催化剂颗粒通常包括Pt和非贵重金属氧化物。离子导电膜通常是由磺化芳香离聚物(ionomer)(例如，Nafion)组成。为了提高电化学装置的功率密度，优选地是膜比较薄，即薄于50微米，并通过例如，多孔全氟聚合物(如Teflon)进行加强。Gore有限公司在PRIMER产品中使用的膜是这些膜的例子。气垫优选地由支撑层和多微孔层组成。该支撑层通常由疏水的(hydrophobised)碳纤维布和复写纸组成。该多微孔层(由通过全氟聚合物(如Teflon)结合的碳颗粒组成)能够改善电接触电阻和气垫的水管理性能。MEA的两个相对表面中的每一个都具有活性部分和非活性部分。该活性部被阳极或阴极以及其相应的气垫所覆盖，而非活性部未被覆盖。该非活性部的形状为框架，框架宽度应为1-10mm。它应该足够大以便能够实现充分的密封，另一方面，为了最大该装置的活性到非活性区域，它不应该太大。上述形成的密封不必是完全气密的，但是应该充分气密以使氧气向阳极气室的反向扩散仅很小程度地发生。
固态聚合物膜电解质(4)的表面积大于阳极、阴极和它们的气垫的表面积。因此非活性区域包围活性区域。MEA设置在阳极集电器(1)和阴极集电器(2)之间，以使阳极气垫(6)的自由表面指向并贴附于阳极集电器(1)，阴极气垫(8)的自由表面指向并贴附于阴极集电器(2)。
MEA(3)借助于粘合剂(9)密封并直接贴附于阳极集电器(1)。该粘合剂通常是填充有导电颗粒的丙烯酸酯粘合剂，这些颗粒是用导电金属(如银或金)涂敷的塑料球。贯穿粘性层的电阻通常小于每平方英寸10毫欧(根据MIL-STD-202，保持在5psi用方法307测量出的)。该粘合剂覆盖邻近并对应于阳极气垫(6)的第一区域(9a)(即MEA的活性部分)，以及包围第一区域(9a)的第二区域(9b)(即MEA的非活性部分)。在MEA和阳极集电器在该装置中聚集到一起时，阳极集电器接触活性部(即阳极气垫(6))，和周围的MEA非活性部。因此，粘合剂所覆盖的阳极集电器表面的区域的尺寸和形状足以在膜电极组件(3)和阳极集电器(1)之间产生密封。因此MEA的阳极侧的活性部和非活性部都粘附于阳极集电器。由此在阳极(5)和阳极集电器(1)之间的气垫中形成密封的阳极气室。如果集电器部件是导电箔片，那么为集电器所选择的材料的体电阻优选为10-8-10-7Ωm。铝、铜和银的体电导率为1.5-2.5·10-8Ωm。许多合金也符合这种要求；例如，Cu-Ni(10％)或Fe-Ni(1％)的体电阻大约为10-7Ωm。阴极集电器(2)或阴极集电器部(102)也可以是碳纤维纸或编织碳纤维布，可选择与阴极气垫形成一体。在该装置的操作中，燃料气体通过进气口(12)进入，并经过气室流进多孔气垫(6)中，在此处其接触阳极，发生电化学反应，多余的燃料气体通过开口(13)退出。
在气垫(6)和阳极集电器(1)之间需要电接触。因此，粘合剂至少在第一区域(9a)中是导电的，该第一区域接触MEA的活性部。该粘合剂还可以在周围的第二部分(9b)中是导电的，由此进一步简化了该装置的制造过程，这是因为可以在不考虑活性和非活性区域的位置情况下将粘合剂应用于集电器。
本实施例的阳极集电器(1)是导电层，并贴附于非导电支撑(10)。阳极集电器(1)和支撑(10)形成阳极集电器组件(11)。该阳极集电器组件具有气体进出的开口(12，13)。支撑(10)如图1中所示为平板。但是，它还可以具有不同的表面形状，如弓形、拱形、圆柱形或锥形。该支撑板还可以具有一个或数个边缘。这是可能的，因为阳极集电器是可以直接涂覆于该支撑的或可由柔性材料制成的薄层，如导电箔片、导电带或自持的导电粘性层。在粘性带用于阳极集电器时，该带包括在至少第一表面上设有粘性层(9)的导电基底箔片，该第一表面指向膜电极组件(3)。粘性层(15)可设置在背离MEA的第二表面上。然后该粘性层用于将阳极集电器贴附于支撑(10)。自粘带(self-adhesive tap)具有特别的优点，因为它便于操作。
图1所示的本实施例的电化学装置具有阴极集电器，它通过导电粘结件(14)电连接阴极气垫(8)。阴极集电器是至少部分覆盖阴极气垫(8)的导电箔片(2)。为了允许吸气，阴极集电器箔片和粘性层设有布置在对应于阴极气垫的区域中的开口(16)。位于膜电极组件和阳极集电器之间的粘结件(14)的至少部分(14a)是导电的。重要的是集电器箔片中孔的面积足够大，以足够好地向阴极输运氧气。另一方面，阴极集电器的电阻和其与气垫的接触电阻在阴极气垫被较少覆盖时增大。因此高性能装置尤其必须根据比接触电阻(specific contact resistance)，在阴极气垫的覆盖和非覆盖区域之间具有最佳平衡。通过在电化学装置中使用粘性带或层，(多个)活性部件和该装置本身能够迅速和容易地组装。
图2表示一种在如图1中所示的平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中使用的电化学装置部件(20)。该部件适于贴附于具有气体进出开口的阳极支撑(10)。该部件包括与上面电化学装置所述相同的元件，但是它不包括阳极支撑。阳极集电器在远离MEA的表面上设有粘性层(15)。该粘性层用于将该部件贴附于支撑，并受到可拆卸保护片(17)保护。在该部件要用于电化学装置中时，就去除保护片，因此暴露该部件的粘性层，该部件能够容易地贴附于所选择的支撑。
图3a和3b描述了—种在平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中以串联连接布置使用的电化学装置部件(120)。图3a是该装置的顶视图，图3b是截面视图。该串联连接布置部件的原理与上述相同，但是代替具有单独的阳极和阴极集电器，相邻部件共享集电器元件，集电器元件用作一个电池的阴极集电器和相邻电池的阳极集电器。该部件(120)因此适于与一个或多个相似部件(120’)串联连接，并贴附于具有气体进出口(112，113)的阳极支撑(110)。因此，部件(120)包括集电器元件(118)和膜电极组件(MEA)(103)。集电器元件(118)包括导电箔片，该箔片包括阴极集电器部(102)和阳极集电器部(101)。MEA(103)包括固态离子导电聚合物膜电解质(104)、阳极(105)、阳极气垫(106)、阴极(107)和阴极气垫(108)，MEA(103)设置在部件(120)中使得阴极气垫(108)指向集电器元件(118)的阴极部(102)，阳极气垫(106)远离集电器元件(118)。MEA通过设置在集电器元件(118)的阴极部(102)上的粘性层(114)贴附于集电器元件(118)，所述粘性层(114)覆盖相邻于且对应于阴极气垫(108)的区域(114a)，并至少在该区域(114a)中是导电的。根据本实施例的部件的不同元件和粘性层可以与上面针对单个电池部件所描述的相同。
集电器元件(118)的阳极部(101)从阴极集电器部(102)横向延伸，并在使用过程中用作相邻串联连接的部件(120’)的阳极集电器。该阳极集电器部(101)具有气体进出开口(112，113)，并在背离部件(120)的膜电极组件(103)的阴极侧的集电器元件(118)的表面上设有粘性层(109)(在图3b中向上)。因此在使用时，粘性层(109)指向相邻电化学装置部件(120’)的膜电极组件(103’)的阳极侧。该粘性层(109)覆盖相邻于且对应于相邻部件(120’)的阳极气垫(106’)的第一区域(109a)和包围该第一区域(109a)的第二区域(109b)。以此能够在相邻部件的膜电极组件(103’)和阳极集电器(101)之间产生密封，并由此以与针对上述电化学装置描述的相同的方式形成气室。该粘性层至少在第一区域(109a)是导电的，但是也可以在周围的区域(109b)是可导电的。阳极集电器部(101)还可在背离相邻部件的MEA的表面上设有粘性层(115)，该粘性层用于将该部件贴附于支撑。这两个粘性层(109和115)在运输和存储过程中可受到可拆卸片(未图示)的保护。第一阳极部和最后的阴极部可具有不同的设计以允许有效的集电。
在图3a中，具有其粘性层(109c’)的阳极部(101’)见左侧。该粘性层的第一区域(109a’)在进出气开口所处的区域中，对应于还没有贴附于该装置的附加部件的MEA的活性部分。该第一区域被第二区域(109b’)包围，该第二区域用于密封MEA的非活性部分。在图3a的中部，显示的是完整的燃料电池。其右边是该装置部件(120)的透视图，示出了活性区域(109a”和114a)、膜(104)、阴极集电器部(102)、阴极收集器部(102)、和阳极集电器部(101”)的横向定位。
在一个或多个部件(120，120’)在阳极集电器支撑(110)上串联连接时，获得了聚合物电解质电化学装置，其中一个部件(120)的集电器元件的阳极集电器部(101)用作相邻部件(120’)的阳极集电器。在布置于支撑上时，由此一个部件(120)被相邻部件(120’)部分重叠，使得相邻部件(120’)的阳极气垫位于该部件的阳极集电器部(101)的上侧上，以此形成电化学电池。
上述单个地或以串联布置使用的电化学装置部件是电化学装置的可替换活性部分或部件，从而可以扯下用旧的或用完的部件并用新的部件替换。该可替换的活性部分就类似于可容易地扯下并用新的替换的灰泥或急救绷带(band-aid)。
图4表示一备选实施例，其具有与图1-3所示实施例相同的密封MEA到阳极集电器上的结构，具有包括例如由不锈钢制成的导电网(202)的阴极集电器，和夹紧件(219)。该夹紧件优选地包括设有进出气孔的印刷电路板。如果使用夹紧件，它仅有助于不同部件之间具有良好的电接触。它决不用于使氢气室(气室)具有气密性。该气室通过将膜粘结到位于阳极集电器顶部的导电粘性层上进行牢固。在按比例增大的过程中，处于该位置的粘合剂不必是导电的。只有位于阳极集电器和阳极气垫之间的粘性层需要导电。既不需要掩膜又不需要压力来密封(tight)阳极室的事实简化了设计，并将有助于减小串联连接在板上的两个连续电池之间的距离。
如果电化学装置被夹紧，那么集电器箔片和气垫之间的导电粘合剂就能被省略。夹紧件可包括具有至少一个进出气孔的印刷电路板(PCB)。该夹紧件的几何形状可以不同的方式设计具有数个线形布置的气孔的条；具有单孔的方形或具有孔阵列的方形。该夹紧件可以从平的(plain)印刷电路板(PCB)中切割出。PCB，是例如在一侧均匀镀有30μm厚铜层的商用环氧玻璃复合物。
用于电化学装置的膜可以是具有足够质子(酸性燃料电池)或氢氧离子(碱性燃料电池)导电性和具有足够机械完整性的任何聚合物。在酸性聚合物电解质燃料电池的领域中，Nafion是最公知的材料(是Dupont公司的膜)，但是Cal也可注入到另一种具有更好机械性能的聚合物基体中，如Gore公司的MEAs。电极沉积在膜上或者气垫面对膜的一侧上。本发明并不限制所使用的催化剂类型，因为最佳的催化剂很不同于酸性聚合物电解质燃料电池、碱性聚合物电解质燃料电池、或电解装置(酸性或碱性)，因为电化学反应不同。MEA的电极可包括含碳和离聚物的催化剂。电极不覆盖完整的膜表面。优选地是，为了节约催化剂，电极应该仅覆盖贴附气垫的活性区域(产品举例Gore公司的Primea5510(0.3mg Pt cm-2，25μm厚膜))。气垫是指可包含在或不包含在膜电极组件中的任何电极支撑件。如果电极是自身支撑的，该电极就应该被认为是包括气垫和电极二者。该气垫可以是具有合适疏水/亲水性的导电多孔支撑，例如具有对MEA不利的微多孔层的疏水化碳布(产品举例Gore公司的Carbel产品)。阳极集电器可由在一侧或两侧上具有电子传导粘合剂膜的铜箔片制成。该粘合剂可以基于填充银的丙烯酸物质。粘合剂膜和铜箔片的厚度优选地分别为大约5和70μm。阳极集电器的支撑可以是树脂玻璃(Plexiglas)片，厚度优选为大约5mm，其中研磨了气体通道。
重要的是注意所使用的粘合剂(连接到气垫和膜电极组件)在聚合物电解质电化学装置的化学和电化学环境中应该在化学上充分地惰性。为了不损害膜离聚物或催化剂，这点是非常重要的。该粘合剂还应该优选地用作集电器箔片的保护层。
例1图5和6表示阴极集电器是镀金不锈钢网(15×15mm)的单个电池的结果。夹紧件(和集电器)从平的印刷电路板(PCB)中切割出。PCB是在一侧均匀镀有30μm厚铜层的商用环氧玻璃复合物。膜电极组件(MEA)是Gore公司的Primea 5510(0.3mg Pt cm-2，25μm厚膜)。气垫是Gore公司的Carbel产品，具有对MEA不利的疏水侧。阳极集电器由在一侧上具有电子传导粘合剂膜的铜箔片制成。供应商是TESA(产品No.4384)。该粘合剂基于填充银的丙烯酸物质。粘合剂膜和铜箔片的厚度分别为大约5和70μm。阳极集电器由电池室支撑，是厚度为5mm的树脂玻璃片，其中研磨了气体通道。现在描述这些不同元件的布置所形成的单个电池(图4)。切割树脂玻璃件，在其顶侧研磨出T型通道以能后来传导氢气。然后将3M的双面非导电粘性带贴在该树脂玻璃片上，完全覆盖其上表面并由此封闭原先开口的通道，然后剥离粘性带上侧上的保护层，其上粘结铜箔片，形成阳极集电器。接下来，通过从双层叠层结构(粘性铜箔片/粘性带)切割出覆盖T型通道的正面段的部分，形成氢气的进口和出口。然后，在去除铜箔片的上侧保护层后，一片14×14mm(大约2cm2)尺寸的Carbel垫居中以覆盖气体的进口和出口，并轻轻地粘帖到阳极铜箔片上。该垫的尺寸确定了电池的活性区域。然后，一片25×25mm尺寸的MEA被切割出，并在阳极垫上居中。然后通过使用例如平滑的Teflon片轻柔地擦干净MEA，对着阳极铜箔片密封没有覆盖垫的MEA的表面。通过形成阴极集电器完成电池。一片与阳极垫相同的垫排列在MEA上，其上放置镀金的不锈钢格栅。通过利用两个螺钉和螺栓将阴极集电器压到树脂玻璃支撑上，最后将整个叠层结构夹紧在一起。在阳极处使用纯净干燥的氢气，同时阴极接触静止空气环境。两侧上的气压与室内气压平衡。氢气流受到质量流量计(BrooksInstruments)控制。H2流量为25mL min-1。除了对氢气流的控制之外，该电池工作在完全无源模式下。所有报告出的测量都是在电池水平且阴极再上的情况下进行记录的。
图5表示在该电池中测量的两个极化曲线。这些曲线显示电池具有良好的性能。在电池电压为0.5v时，功率密度为300mW cm-2。曲线(a)是在电池安装后不久进行记录的，没有曲线(b)那么好。极化曲线(b)是在电池保持在0.5v电压60小时后3小时记录的。差异最可能归因于MEA开始时较干燥。在曲线(b)后重复的极化实验是相似的。在此情况下，从(a)到(b)的增强主要是由于氧气还原动力学的改善(在900mV时从0.4增加到3mA cm-2)同时电阻损耗的变化是微小的。正如使用电化学阻抗谱所测量的，电池的欧姆电阻为170mΩcm2。图6表示在0.5V恒定的电池电压下持续时间为60小时的功率密度的演变过程。
对例1的注释通常，根据例1制成的电池具有再现性，并容易安装。参见图5的极化曲线，在电池电压为0.5V时，损耗(大约700mV)可划分为源于氧还原动力学的71％损耗(通过外推Tafel斜率获得)，17％源于可能在阴极上发生的热和质量传输(外推Tafel斜率和iR校正曲线之间的差异)，12％来自电阻损耗(从电流中断获得)。这些数据给出了这种情形的概要。很难减少动力学损耗，除非阴极的铂加载增加非常多。即便如此，为了在大电流下动力学增益有效，阴极的质量输运必须同时得到改进。
例2-无夹紧力在另一个例子中，在没有使用夹紧力的情况下，组装和测试电池。部件与上面所提及的电池中使用的相似，除了阴极集电器钢网和印刷电路板外。与上面相反，作为阴极集电器，使用了带孔的导电带(在一侧上具有电子传导粘合剂膜的铜箔片)。在组装电池前，MEA和气垫通过110℃的热压相互一体形成一个单元。一体的气垫和MEA贴附并密封到阳极集电器。MEA形成足够大以便形成良好的密封，并且阳极和阴极集电器不会相互短路。最后，阴极集电器导电带连接阴极气垫。活性电池面积大约为2cm2。在使用纯氢气测试电化学电池的过程中，在电池电压为0.3V时，它提供的电流为500mA。
例3在该例子中，电池面积和集电器材料与例2中的相同。电极是ELAT-电极(ETEK)，它包括气垫层和电化学活性层二者，铂加载为0.5mg/cm2。膜是Nafion 035(Dupont)。膜电极组件是通过110℃的热压形成的。在进行热压前，膜要经过预处理，即在3％的H2O2中煮沸1小时，在H2SO4中煮沸1小时，最后两次在纯H2O中煮沸1小时。电化学测试是用纯氢气进行的，结果在表1中给出。
表1
例4该例子是使用与例1相同材料的三电池装置。每个电池的活性区域的尺寸(气垫大小，Carbel)是15×25mm，每个膜电极组件(Primea 5510，Gore)的尺寸是25×35mm。每个电池之间的互连是从阳极集电器到阴极集电器镀金网的导电铜带。在该例子中，PCB板的功能仅为镀金网的顶部上的夹紧件。在表2中给出用纯氢气进行电化学测试的结果。
表2
权利要求
1.一种平面结构吸气聚合物电解质电化学装置，包括阳极集电器(1；1’)，阴极集电器(2；2’)，和膜电极组件(3；3’，3”)，其包括固态离子导电聚合物膜电解质(4)、阳极(5)、阳极气垫(6；6’)、阴极(7)和阴极气垫(8；8’)，所述膜电极组件(3；3’，3”)位于所述阳极集电器(1)和所述阴极集电器(2)之间，使得阳极气垫(6)指向并贴附于阳极集电器(1；1’)，阴极气垫(8)指向并贴附于阴极集电器(2)，其特征在于该膜电极组件(3)通过粘合剂(9)直接贴附于阳极集电器(1)并且被密封，所述粘合剂(9)覆盖相邻于且对应于阳极气垫(6)的第一区域(9a)，和包围第一区域(9a)的第二区域(9b)，由此在膜电极组件(3)和阳极集电器(1)之间产生密封，由此形成阳极气室，所述粘合剂至少在第一区域(9a)中是导电的。
2.如权利要求1所述的电化学装置，其中阳极集电器(1；1’)是导电层，其贴附于非导电的支撑(10)，且其中所述阳极集电器(1)和所述支撑(10)形成阳极集电器组件(11)，所述阳极集电器组件具有用于气体进出的开口(12，13)。
3.如权利要求2所述的电化学装置，其中阳极集电器(1)形成粘性带的一部分，所述粘性带包括导电基底箔片，该箔片具有指向膜电极组件(3)的第一表面和背离该膜电极组件的第二表面，其中所述第一表面设有粘性层(9)，且其中第二表面可任选地设有粘性层(15)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的电化学装置，其中阴极集电器(2)通过导电粘结件(14)电连接阴极气垫(8)。
5.一种在如权利要求1所定义的平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中使用的电化学装置部件(20)，适于贴附于具有进出气开口的阳极支撑(10)，其特征在于它包括阳极集电器(1)，包括具有进出气开口(12，13)的导电箔片；阴极集电器(2)；和膜电极组件(3)，包括固态离子导电聚合物膜电解质(4)、阳极(5)、阳极气垫(6)、阴极(7)和阴极气垫(8)，所述膜电极组件(3)设置于所述阳极集电器(1)和所述阴极集电器(2)之间，使得阳极气垫(6)指向阳极集电器(1)，阴极气垫(8)指向阴极集电器(2)，所述膜电极组件(3)通过设置在阳极集电器上的粘性层(9)直接贴附于阳极集电器(1)，其中所述粘性层覆盖相邻于且对应于阳极气垫(6)的第一区域(9a)，和包围所述第一区域(9a)的第二区域(9b)，由此在膜电极组件(3)和阳极集电器(1)之间产生密封，由此形成阳极气室，其中所述粘性层至少在第一区域(9a)中是导电的。
6.如权利要求5所述的电化学装置部件，其中所述阳极集电器(1)的第二表面(10)设有粘性层(15)和可拆卸的保护片(16)，在使用该部件前，要除去该保护片。
7.如权利要求6所述的电化学装置部件，其中所述膜电极组件(3)使用粘结件(14)贴附于阴极集电器(2)，且其中至少与阴极气垫(8)相邻的粘合剂部分(14a)是导电的。
8.一种在平面结构吸气聚合物电解质电化学装置中以串联连接布置使用的电化学装置部件(120)，它适用于与一个或多个相似部件(120’)串联连接，并贴附于具有进出气开口(112，113)的阳极支撑(110)，其特征在于它包括集电器元件(118)，其包括导电箔片，该导电箔片包括阴极集电器部(102)和阳极集电器部(101)，膜电极组件(103)，其包括固态离子导电聚合物膜电解质(104)、阳极(105)、阳极气垫(106)、阴极(107)和阴极气垫(108)，其中所述膜电极组件(103)设置于该部件(120)中，使得阴极气垫(108)指向集电器元件(118)的阴极部(102)，阳极气垫(106)背离集电器元件(118)，其中膜电极组件(103)通过设置在集电器元件(118)的阴极部(102)上的粘性层(114)贴附于集电器元件(118)，所述粘性层(114)至少覆盖相邻于阴极气垫(108)的区域(114a)，并至少在该区域(114a)是导电的；其中所述阳极部(101)从阴极集电器部(102)横向延伸，并在使用时用作相邻串联连接部件(120’)的阳极集电器，所述阳极集电器部(101)具有进出气开口(112，113)，并在使用中在背离部件(120)的膜电极组件(103)的阴极侧且指向相邻电化学装置部件(120’)的膜电极组件(103’)的阳极侧的集电器元件(118)的表面上设有粘性层(109)；并且其中所述粘性层(109)覆盖相邻于且对应于相邻部件(120’)的阳极气垫(106’)的第一区域(109a)，和包围第一区域(109a)的第二区域(109b)，所述粘性层至少在所述第一区域(109a)中是导电的，由此使得能够在相邻部件的膜电极组件(103’)和所述阳极集电器(101)之间产生密封。
9.一种聚合物电解质电化学装置，包括在阳极集电器支撑(110)上串联设置的两个或更多个如权利要求8所述的电化学装置部件(120，120’)，其中一个部件(120)的集电器元件的阳极集电器部(101)用作相邻部件(120’)的阳极集电器部。
10.如权利要求1-9中任一项所述的电化学装置，其中所述装置是氢燃料聚合物电解质燃料电池。
全文摘要
本发明涉及一种电化学装置，它包括阳极集电器(1)、具有阳极和阴极气垫(3，4)的膜电极组件(2)、和阴极集电器(5)，其中膜电极组件通过粘结件至少贴附于阳极集电器并被密封，所述粘结件是导电的，或者是不导电的。本发明还涉及一种适于在单个电池电化学装置和串联布置的电化学装置中使用的聚合物电解质电化学装置部件。
文档编号H01MGK101053104SQ200580034753
公开日2007年10月10日 申请日期2005年10月12日 优先权日2004年10月12日
发明者A·伦德布拉德, F·贾奥恩, S·哈斯尔, W·范德维恩加特 申请人:myFC股份公司