燃料电池组件的制作方法

专利名称：燃料电池组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池的领域，特别是涉及一种新奇组件结构以制作 这样的燃料电池，这样的燃料电池是由该组件的堆栈和组装而得到的。
背景技术：
如图IA和IB所示，一已知结构的燃料电池1包含数个模块2、4等。每一模块包 含一薄膜电池组件(Membrane Electrode Assembly, MEA)6、8等。每一薄膜电池组件侧边 为两个平板(如双极板)，且由一接合点以将薄膜电池组件和平板分开。如图IB所示，具有 三个平板10、12、14，平板12为模块的共平板，如模块2由平板10、12所构成，及模块4由平 板12、14所构成。双极板10、12、14是由例如盖上的不绣钢或是由加工的石墨所构成，因此增加的 重量影响了组件其一的性能标准，准确的说，增加的重量影响组件产生的电力。但这些平 面用以分离气体分布、两个连续电池的电性连接及热流体传送的循环，以控制电化学反应 的放热能量。通过多通道的设计，气体的分布将能更精准的得到，信道的设计方式可参考图 lb，平板10中的参考线16，其位于每一 MEA的作用面(active surface)上。接合点(joint)进一步提升了将氢气密封在每一电池内的成功机率，且接合点设 置于每一双极板的侧边或每一 MEA的侧边。最小的氢气泄漏率和最小内电阻值是由一组件的密合度所界定出来的，此组件是 由双极板、MEA和接合点所构成。图IC为图IB中沿着轴线AA，的平面、MEA 6和两双极板10、12相对设置的部份 示意图。平板10、12将用以实际地与MEA 6相接触，然而在密合的操作期间，甚至改变MEA 6的形状，因此仅剩下很小的空间于平板和薄膜之间，此很小的空间是用以让气体循环的反 应发生，也就是说氢气位于一侧，且氧气或空气位于另一侧。此外，在操作的过程中，换句话 说，当反应发生时，水会从氧气或水的那侧被释放出来。这些水将充斥或充满在MEA 6，当 MEA 6几乎和平板10、12接触时，则气体的循环将被扰乱，且电池的效率将严重的下滑，此 种现象将可能造成连锁效应，由其一的电池延伸到另一电池，并扰乱的气体反应物的送抵。据上论结，除了重量构成的问题外，燃料电池中的平板造成太多空间的浪费，且他 们的定位方式减少一两个因素的反应面，且由异构(heterogeneous)方式压缩了燃料电池 的核心。在图IC中，接合点6’，10’，12’设置于MEA 6、平板10、12的一侧，如上说明，此
些接合点相互接触，以防止在封装的过程中因挤压而导致电池2、4等的毁坏，此些电池的 组合可构成一燃料电池1。对于每一 MEA，可通过接合点设置以确保氢气厢和氧气或空气厢之间的密合，此举 将暗示着大量接合点的使用。这里，密合已经成为封装过程中的确保空间的存在的目标之 一，但是不能有太高的压力，以避免伤害到MEA6、8，甚至是反应层。由于密合的需求，以导致 难以将数百个MEA组装起来。此外，组装的强度将随着时间的演变越来越差，是因为所有的密合压力是藉由接合点6’，10’，12’的使用所产生的，随着时间的演变，接合点因燃料电 池的操作温度，将缓慢的移动，且密合压力将一点一点的往下掉，此举将导致双极板和MEA 的接触压力下降。相对地，也降低了燃料电池的效率。接合点的使用在设计燃料电池时，引 入了一个很重要的变量，此变量将影响燃料电池的稳定性和效率。另一问题是相对地降低系统的电力强度。图ID表示电力密度，对于第一阶而言，基本上相关于燃料电池的效率(曲线I)，双 极板材料的密度(曲线II)，和双极板的厚度(曲线III)。其它变量，如电池的数量、材料 密度，其材料内具有螺丝钉，密封板的厚度和每一电池反应面，皆会影响电力密度，但并非 如同上述三个重要。如上所述，具有双极板和MEA的多种组件是可以通过上述的方式制得的，如文件 US 2004/0101736所描述的系统。文件US 7 226 684描述另一方法，用以密封一堆栈的组件和使上述的堆栈对于 氢气的泄漏是紧密地，无须因使用双极板而产生的后续问题。关于双极板的使用将导致如 上所述的问题，所有的堆栈是会压出皱纹的，且非用插销闩上的，用以维持组件于位置的压 力和维持密封的方式，如同US2004/0101736(上述)描述的组装技术是必要的。此外，横向 密封条的使用(如此文件图中，组件20的标示)需要一精准的厚度(基本上等同于MEA的 厚度)。条位置的易变性在变形的过程中，必然的导致相同的问题或等效的问题，如上所引 发的状况。也就是说，双极板和接合点在已知的结构中，是有问题存在的。一种新奇结构的燃料电池是必须被找到的，此新奇结构的燃料电池将不会有如上 所述的问题存在。。

发明内容
首先本发明有关于一种燃料电池组件，包含一薄膜电极组件、一第一电极和第二 电极，和用以固定此组件的组件，其形成周围的支撑物且其包含电性连接组件，及用以液体 循环和供应液体至所述的组件中的组件。根据上述发明，一电池或一燃料电池组件包含一 MEA和MEA支撑物，如铸模的方式 形成于其外围。所有的手段包含或整合于支撑物中，用以电性连接、液体循环及供应液体至 MEA。所有的MEA的周围可沉浸在物质材料中以形成此支撑物。每一电池或组件包含导电区域，其做为支撑MEA的材料，举例来说，超出模具外的 导电区域可兼去有良好的导电性和最大的密封度。支撑组件的组件可以由热塑性高分子所制得，举例来说，例如聚乙烯，或聚丙烯， 聚苯乙烯或或COC(环烯烃共聚物或环-烯烃环氧脂肪族)，或聚四氟乙烯(或聚四氟乙烯)， 或PET，或聚醚醚酮(聚醚聚丙酮或聚醚醚酮)。一热塑性高分子更可包含奈米碳管或黑碳或硅的奈米线，和/或碳和/或铜和 /或铝，在燃料电池的组件操作中，通过模具材料，以改善热散的问题。电性连接组件可包含至少一导电内嵌物，其连接至少一薄膜电极，举例来说，其可
5为金属组件，或导电高分子，或微具有奈米碳管或奈米线的高分子。对于每一薄膜电极而言，们可能会采用碳纤维或碳纤维编织电线与黄金，或铜或
ρ O较佳地，用以循环和液体供应的对象包含横向信道，其横切支撑组件，且此信道用 以液体的分布，分布的方式从横向信道至电极组件薄膜。液体分布通道可包含岛体，其用以 引导液体至薄膜电极组件。用以固定MEA的组件，其形成一支撑物，使其容易的适用于一机械强度，以致于薄 膜不会变形，沿着一垂直薄膜的方向，超过一个限度，特别是超越一平面，此平面设置于支 撑物的外表面，且其本质上平行此薄膜。因此，两相邻的薄膜不会相互接触。这些电极较佳由多孔材料制得，用以支撑组件的组件可由渗入所述多孔材料的方 式制得。根据一实施例，电性连接的组件包含至少两导电组件，其横切支撑物，且两者的的 至少一是通过第二导体相互连接至第一或第二电极。根据另一实施例，电性连接组件包含至少两导电组件，其仅部分横切支撑物，且形 成不同的支撑物表面，且其一的导电组件是通过第二导体连接至第一或第二电极。根据本发明的燃料电池包含一组件的堆栈，根据本发明用以支撑MEA的周围组 件，通过二对二的组装形成一密封的方式。用以电性连接两相邻的MEA组件，和用以液体 循环的组件，其形成至少两循环路线，此至少两循环路线透过所述的堆栈以流动液体。当要同时保留电性连接和易燃气体的功能时，已知的双极板和技术接合点可能因 此被淘汰。如上所述，由于双极板和接合点的存在所产生的问题是可以被避免的。不同的堆栈组件是可以被二对二焊接的，举例来说，通过热平板的焊接技术，焊接 是不需要增加另外的物质。通过串接的连接方式，电性连接组件可被组装形成一循环路线，或通过并联的连 接方式，或部分串接或部分并联的连接方式。也就是说，根据电性接处点的电连接点于电极 和MEA支撑物的设置上，或根据这两组态的混合物，电池是可以被平行连接或串联连接。组件的堆栈可位于输入面和输出面之间，输入面包含气体导入组件，且此两输入 面和输出面的其一包含电性连接组件。气体导入组件包含至少两流率调节器。此外，组件形成一返回电路，位于一表面和一堆栈组件之间，此表面包含电性连接 组件，堆栈组件对于此表面来说是最远的。本发明也关于一种制作燃料电池组件的方法，包含
a)一模型化的步骤，系将薄膜组件边缘、第一和第二电极模型化，以形成一装置，此装 置支撑所述组件，
b)一形成步骤，用以固定于所述的组件 bl)电性连接装置，
b2)用以液体循环和供应液体至所述薄膜电极组件的装置.
此电性连接装置可通过金属内嵌物的模型所形成，或通过导电高分子的注入于所述的 装置，以一起支撑薄膜。根据一替代方式，电性连接装置可被形成，通过将至少一开口设置于所述装置，以 固定所述的薄膜，且插入一连接器至所述的开口。
本发明也关于一种方法，用以制作一燃料电池，不需接合点和双极板。此一方法包 含一组件，如本发明通过焊接或键结方式，以连接复数个组件。一优先步骤，排列所述的组件，使所述的装置被组装，举例来说，通过控制至少一 电性装置组的电性特性所达成的。本发明也相关于一种压平机的颚，其包含接触所述的颚以量测对象的电性特性， 如一压平机，包含两个颚。


图1A-1C表示依照先前技术的燃料电池结构图ID表示具有双极化板燃料电池的功率密度敏感度的研究结果示意图； 图2A和2B表示本发明MEA结构的实施示意图； 图3为图2A和图2B中MEA的部分示意图； 图4A-4D本发明组装形成一燃料电池的组件示意图； 图5A表示一图4A-4D组装后的组件结构的简单示意图； 图5B表示4A-4D组件组建的等效电性图； 图6A至6D表示本发明组装形成一燃料电池的其它组件； 图7A表示图6A-6D组装后的组件结构简单示意图； 图7B表示图6A-6D组件组建的等效电路图； 图8表示本发明的燃料电池组件； 图9表示本发明燃料电池的爆炸图； 图10A-10D为本发明燃料电池组件中电性连接组件的例子； 图IlA和图IlB为本发明燃料电池组装后的个别的组件视图； 图12A-12E表示本发明个自组件的组装方法步骤图； 图13表示本发明组件组装方法使用压颚范围的示意图； 图14为本发明具有支撑物MEA组件的部分视图。
图中，
200，薄膜的组件；
201，203，第一和第二电极；
30，31，30，，31，，32，33，32，，33，，34，35，34，，35，，36，37，36，，37，，
72，电性连接装置；
40，42，44，46，40，，42，，44，，46，，400，400，400，，420，420，，440，440，， 460，460，，液体循环和供给液体的装置； 21，，21”，外表面； P, P，，平面；
40，42，44，46，40，，42，，44，，46，，横向通道； 400，400, 400’，420, 420’，440, 440’，460, 460’，通道； 410，420, 430，岛体； 411，421，431，液体；30，30，，32，32，，34，34，，36，36，，导电装置；
31，31，，33，35，35，，37，第二导体；
61，输入面；
62，输出面；
64，64，气体引入装置；
25，堆栈装置；
74，装置；
68，电性连接装置。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明
本发明的一薄膜电极结构(MEA) 20可被实现于一组件上，如图2A和2B所示，此薄膜电 极结构包含一中心部分200，为一薄膜，基本上是由全氟聚合物或聚酰亚胺或聚醚类型的物 质所构成，杜邦商业化的材料，其商品名称为naphion ？ 。此薄膜设置于两电极层201、203 之间(在图2A和2B中，他们的极性可通过“ + ”和“-”的符号所确定，当没有电压施加于 组件时，他们是电中性的)。举例来说，这些电极201、203可为石墨和钼金的混合物，此混合物可为煤粉，通过 含氟聚合物(铁氟龙型)使的部分具有疏水性。这些电极201、203上形成一多孔材料的沉积 层或涂布层201，、203，，如碳纤维。为了此沉积层或涂布层201’、203’，碳纤维的编织是可由金、铜或钼金线的使用所 达成。这类型的材料更昂贵，但它可能增加其功率，而在同一时间使气体穿过多孔材料，从 而构成。这也使得它能够工作于更大的薄膜表面，绝大部分的等级为20厘米* 30厘米。图2A和2B是简单的实施形式，其可为圆形或椭圆形，该发明可用于MEA的任何形 状(方形，长方形等)。图3表示部分示意图，其具有薄膜200的MEA20、电极201，203及涂布层201，、 203’。不同层的厚度和不同的涂布层将于此图中明确地强调。此结构具有基本的厚度，通 常介于250微米和500微米之间。如图4A-4B，其为组件并联连接的本发明的实施例示意图，其中一电池或燃料电池 组件包含一 MEA20, 22，24，26和一 MEA支撑物21，23，25，27 (或一框架或一固定装置)，此 MEA支撑物可以与MEA的外围一起铸造，其材料为热塑性的材料。图8和图9为支撑物的实 施例的透视图和前视图，每一支撑物完全环绕着对应的MEA。侧部通道40，42，44，46 和 40，，42，，44，，46，形成于每一支撑物 21，23，25，27 内， 用以供应气体，分别为氢气、氧气或空气。每一通道较佳为基本的圆柱形状，圆柱形状具有 一轴，此轴设置于沿着一方向，此方向垂直于一平面，此平面是由每一 MEA20，22，24，26所 定义出来的。如上所示，第二通道400，400，，420，420，，440，440，，460，460，，将产生一气体 分布从一侧向通道40-46和40’ -46’至MEA，且这些气体的循环从MEA至侧向通道。支撑 物21，23，25，27的材料，对液体来说是密封的或无法渗透的。此液体必须于侧向信道和第 二信道循环(此种材料的扩散系数较佳小于6 X 10-17 m2/s.Pa)。
8
导电嵌入物30，31，30，，31，，32，32，，33，33，，34，35，34，，35，，36， 37，37’，36’亦形成于每一支撑物内，所述的嵌入物包含一主要导体30，32，34，36 and 30’，32’，34’，36’，或横向导体，每一较佳为基本的直线或圆柱形，亦可沿着一方向，此 方向基本上垂直一平面，此平面可由每一 MEA20，22，24，26所定义。对于这些横向导体 而言，安排导体31，31’，33，33’，35，35’，37，37’为第二导体，举例来说，在一本质 径向方向，从支撑物连接至对应的横向导体以电性连接MEA的电极。因此，图4A的并联连 接，导体31，31’连接横向导体30，30’至每一薄膜电极20。同理，举例来说，导体37’(对 应37)，其连接横向导体36’(对应36)至其中的一的薄膜电极。可同时参阅图4A-4D
二者选其一的组件具有电性连接装置，使得每一 MEA电极连接至一横向导体(举例来 说，每一 MEA20的电极连接横向导体30，30，，所述的横向导体通过导体31，31，穿过整个 环 21)。二者选其一的组件具有电性连接装置，使得每一 MEA电极连接至一横向导体(举 例来说，每一 MEA22的电极连接至横向导体32’，所述的横向导体通过导体33穿过整个环 23)，但是其它横向导体穿过整个环23，且连接至MEA22的其它电极。为了确保不同横向导体30，32，34，36 and 30’，32’，34’，36’的组件有较 佳的电性连接，某些横向导体是可被装设接触垫320，320’ and 360，360’，用以被引入至 对应的邻近薄膜的支撑物的导体组件的开口 300，，340，340，
电性接触并非局限于设置导体内嵌物的方式，此功能的其它实施形式将尔后说明。无论是电性连接装置的实施例，用以循环气体的装置实施例，其被设置于或积体 化至用持装置的横向部分。薄膜20，22，24，26的作用部分依然是完全未被缚住的。图4A-4D的组件可被两两的组装，如箭头所指，其箭头系位于固定装置21，23， 25，27的表面，于下述方式解释。此组件是通过将面21，，和23，，23，，和25，，25，， 和27，相接触而形成的。因此薄膜20，22，24，26作用部分20，，20，，，22，，22，，， 24’，24’’，26’，26’’不会与一平板有任何的接触，不像已知的双极板结构(H参阅图 1A-1C所示和相关的问题，特别是图IC及其相关描述)。电性连接的组件的结构(主要横向连接组件和第二连接组件)其可参阅图4A-4D， 已于上述所描述，图中的多样组件的组件连接至一电池组，此电池组是平行连接的。电池的 等效电性示意图为图5B。图5A表示每一薄膜的示意方式，每一薄膜20，22，24，26具有 电性连接组件30，32，34，36和30，，32，，34，，36，和气体注入装置。图6A-6D为本发明燃料电池形成一组件的另一实施例，图中此燃料电池为串联连 接。图6A-6D的薄膜20，22，24，26可等同于上述描述(可参阅图4A-4D)。同样地， MEA 的支撑物 21，23，25，27 如同装置 40，42，44，46 和 40，，42，，44，，46，，此装 置用以循环气体，MEA的支撑物21，23，25，27亦同于上述描述。此实施例不同于上述的实施例，差异仅在于电性连接装置30，31，30’，31’， 32，33，32，，33，，34，35，34，，35，，36，37，36，，37，，其用以串接不同的组件以 形成一燃料电池，主要组件30，30，，32，32，，34，34，，36，36，将不会完全穿过内嵌 支撑物21，23，25，27。组件或第二连接组件的设置亦不同于如第4A-4D图所述，因此连接组件31连接横向连接组件30至MEA20的其一电极，此横向连接组件30包含在支撑物21 内。但是其它连接组件31’连接MEA20的其它电极至第二横向连接组件30’，此第二横向 连接组件亦位于支撑物21内。每一横向连接组件30，30’的另一端在组件两面的其一面 上，具有一开口。此样的设置相同于所有组件，以电的观念来看，其透过串接的方式以相互 连接。再一次，形成电性连接的方式，除了通过设置导电内嵌物外，亦可透过其它方式实 现，亦于下述说明。无论是电性连接装置的结构，横向连接组件和第二连接组件的设计如图6A-6D所 示，多种组件的两两组件(如箭头所示，箭头位于固定装置21，23，25，27的表面上，通过 将面21’’和23’，23’’和25’，25’’和27’的相互接触)可被串联的组装方式连接 成一组电池。这些电池的等效电路图可参阅图7B。图7A表示每一薄膜20，22，24，26的示意方式每一薄膜具有电性连接组件0， 32，34，36 and 30，，32，，34，，36，和气体注入装置。在上述的实施例中，一方面，电路图是以并联的方式相连接，另一方面，电路图式 以串联的方式相连接，其可被表示出来。本发明组件的堆栈可以由并联或串联的方式形成， 举例来说，可用来高功率_低电压的应用。图 4A-4D 和 6A-6D，参考 400，400，400，，420，420，，440，440，，460，460，
的标号，通道用以供给气体，气体是从横向通道流动至MEA的方向。用以供给气体的这些通 道形成于对应环的空间或固定装置内，不需要超出外表面21’，21’’，23’，23’’，25’， 25’’，27’，27’’，所述的外表面对于每一组件而言是相当小巧的。举例来说，形成于固定 组件21内的信道可由图8表示，图8表示一组件前视图，此组件具有MEA20和其支撑物21， 除了横向通道40外，基本垂直于图示，在支撑物内的第二通道400，400 ’是被蚀刻的，或第 二信道可透过铸模或材料屏蔽的方式所制得，以形成支撑物，通过铸模或材料的屏蔽方式 时，则不需要通过蚀刻方式制得第二信道。他们定义气体流动的一方向，其基本上位于支撑 物的平面上(或图8)，当气体通过主要通道40，40’引入至支撑物21内时，于循环的过程 中，气体于支撑物21内绕行露出的岛体410，420，430 (非为支撑物21的蚀刻部分)，此 些岛体也可由图9表示，将于下述解释。MEA的气体循环可由图8和图9的箭头411，421， 431表示，一用以疏散气体的反循环(用以将气体从MEA至疏散至通道40，40’)，是可以 被发生，但是为了让图标清楚，并未由图标表现出来。图8组件的另一面亦可透过蚀刻的方 式以得到一蚀刻后的信道，此信道用以循环另一气体。这些信道可被定义成一几何结构，此 几何结构可如图8所示，可与图8为相同或相似的图案或其它的几何结构。至于电接点的 部分，接点30的位置可由图8表示出来。位于每一 MEA上的电接点可用任何形式的方式制 得，如与气体通路分开的方式，以避免腐蚀的危险。图4A-4D和6A-6D已清楚显示用以循环气体的装置，此装置移至MEA的边缘，不同 于已知结构的组件，通过循环气体装置，气体不需要通过通道16以接触作用面，通道16被 直接设置于MEA的作用面的对面(cf图1A-1C的结构)，气体可通过分布的通道组以供应 至支撑物的周围，所述分布的通道组围绕着每一 MEA。两相邻不固定的薄膜限制了一液体腔室，此液体腔室通过固定的装置以供应液体。当组件的堆栈形成时，液体可自由地扩散至整个薄膜表面，故液体会因迭加在此 薄膜和相邻薄膜而受到限制。两相邻的组件可被组装，以致于一腔室视为一单一类型的电 极，每一电极可被连接于两组件的其一组件。图9表示本发明数个组件20，22，24的组件，以形成一燃料电池。图中，仅表示 三个组件，但在本发明中，燃料电池可包含多个组件的堆栈，如图IlA和图IlB所示，图IlA 和图IlB为本发明两种不同的组件组件的示意图。如上所述，环或支撑物21，23，25形 成于每一薄膜20，22，24的周围，其形成方式较佳为覆盖式的铸模(overmould)。一反应组件20，22，24等设置于一盖板或一输入面61和一盖板或一封闭面62 之间。此输入面支撑内嵌物66，其用以固定流率调节器64，64’。所述的调节器如“班 卓”(banjo)的形式，线的调节器亦可适用于其内，线的调节器相对于一般的调节器，体积 是比较大的，但线的调节器促使将其连接至氢气盒。根据另一选择，可事先调整的喷射块 (pre-adjusted jet blocks)亦可取代的这些调节器。图IlB的内嵌物66，66’可用以连接流率调节器或喷射块于输入盖板60上，内嵌 物可以透过覆盖式的铸模(overmould)或超音波的焊接或扩张的使其压出皱纹(crimped by expansion)0图IlB再一次表示出这些成对的组件，具有两个其它的内嵌物66’，其连接至两个 其它装置64’，此其它装置也可以为流率调节器(型式的例子已在上述所提及)的形式或喷 射块的形式。在此图中，用以制作一外电性连接的装置68可被分辨出来，此装置上可具有 嵌钉的形状，以锁合一环型或槽型舌状物(slotted tongue)的端子。其它样式的连接装置 也可被形成，举例来说，公/母，扁平或圆形的端子。图9其它组件也表示出来。一内连接组件70，作为正极，用以确保电接点位于第一 MEA20的第一面和外连接 组件68之间。图中的一实施例中，两个内连接组件72使得电性连接相同极性的MEA的两面是容 易达成的。此电性连接装置不同于如图4A-4D和图6A至6D描述的电性连接装置。这里，不 涉及导电内嵌物，通过将电接点引入(或钳入)至开口 77，79，内，并通过弹簧作用维持于 开口内，所述的电接点是计由连接组件72所形成的。其它方式亦可用于加强此些接点，特 别是塑料的小铆钉或导电双面黏贴，更一般的说，两者其一是被装备有内连接组件72，通 过内连接组件，使前一级的环21和后一级的环25建立电接触点是容易达到的。图10A- 10D 表示出连接组件72的多种形式，这些连接组件，如部分70，74，76较佳的由铜合金的材料 制得。举例来说，通过折迭或冲压或资料搜集(profiling)或棒料车床(bar turning)。相较于图4A - 4D, 6A - 6D的导电内嵌物，连接装置的形成可以简单实现的，在支 撑物21，23，25，的铸模操作过程中，连接组件是必须被形成的，然而在铸模的操作之后， 将连接组件72引入至开口 77，79是容易被实现的。标号74设计一回路其涉及一部分，此部分从最近的环至封闭的面62横穿所有 的推迭环21，23，25，为了连接他们至外连接组件68。此部分74形成一回路，可以为扁平 或柱状的。一连接组件76，作为一负极，用以确保电接点介于最后MEA24的最后一面和回路
1174之间。一输入盖板60承受着气体回路的输入和输出装置，且用以确保固定两电性连接 组件70和76，电性连接组件70直接嵌入至输入面，电性连接组件76装设于最后组件25， 且电性连接组件76位于输出面62的前面，当气体回流至输入面60的输出点64，64’前， 以界定了每一气体回路的远点。图9中的多种组件60，21，23，25，62，如图4A-4D和6A-6D可通过焊接的方式 组装起来，举例来说，可透过超声波或通过加热板或通过雷射。另一组装方法为键结方式， 但此方式的密封效果并非如优于焊接的效果。本发明组件结构的好处，不须包含任何的双极板，由于不包含双极板，每一组件是 不被束缚的，每一组件部会相互接触本发明并非如已知的组件因双极板的使用而相互接 触，本发明成为一完全自由的反应气体循环(氧气和氢气)，在MEA之间进行气体循环。这 些好处清楚的表现于图4A - 4D and 6A - 6D的堆栈上，薄膜20，22，24，26的反应面20，， 20，，，22，，22，，，24，，24，，，26，，26，，是自由的，也就是说任一其它组件并非相互 接触。此外，气体供应的装置和电性连接的装置是横向的位移至MEA的支撑物。另一好处就是此结构是共存于任一表面和任一 MEA的形状无论是MEA的尺寸大 效，其可以嵌入于一支撑的环，如环21，23，25，27。用以做成这些环或铸模方式环绕于每一 MEA的支撑物的材料可为一热塑型的高 分子材料，为了让此材料的密封能力更好，可透过慢速的结晶方式。如聚乙烯或聚丙烯，聚 苯乙烯或或COC (环烯烃共聚物)，PTFE (或聚四氟乙烯)，或PET，或PEEK (聚醚醚酮)等材 料是可以被使用的。内嵌物可以被用来作为电接点组件(如图6A - 6D的标号30，31，30，，31，， 32，33，32，，33，，34，35，34，，35，，36，37，36，，37，)，可为金属的或导电高分
子，举例来说，具有奈米碳管或奈米线的高分子，如上所述。金属内嵌物的使用把泄漏的危 险排除在外，换句话说，两相邻组件组件的一导电高分子，通过下述的热效应混合附近的高 分子，以确保一完美的密封，完美的密封皆来自于覆盖式的铸模(overmoulding)。更容易的，利用高分子注入的操作时间，增加奈米碳管至注入材料以改善热的扩 散。当组件正在操作时，通过铸模材料以改善热的扩散。利用碳黑达成此效应是容易的，但 奈米碳管的增加是有效的，即使所述的奈米碳管仅具有低的比例(0. 1%的重量就够了)，但 是更多比例(至少40%的重量)的碳黑是被需要的，以达成同样的效应。为了保存奈米碳 管的电性绝缘特性，可以通过护套的方式，如聚乙烯材料的护套。奈米线，如硅奈米线，和/或碳，和/或铜，和/或铝，举例来说，可使用1%和5%的 比例。此外，对于铸模材料而言，假如燃料电池提供高电力时，一组件进行操作将伴随着 热扩散的问题。如图14所示，用以固定的装置(环的模具21)将能够将每一 MEA薄膜的边缘、每 一电极的边缘201，203和涂布层201，，203，于固定于薄膜的另一侧，透过铸模或嵌入的 方式固定着。由于电极和涂布层为多孔的材料，高分子将完全渗透电池组，通过铸模材料， 机械式的强化固定能力。更精准的说，高分子渗透了多孔材料和涂布层，涂布层，对应地，超 过一数个mm的维度的距离d，举例来说，介于Imm和5mm之间。环具有厚度E，基本上介于1 mm禾口 3 mm之间。此模型可将提供了一机械应力(如图14标示的F，F’ )于薄膜上、其电极和其涂 布层。此机械应力的施加将不会超出一规定的极限使而造成薄膜变形。”薄膜_薄膜维持组 件”组的每一侧，通过一平面P，P’支撑支撑物的外表面21’，21’’，因此本质上平行所述 的薄膜。较佳地，应力的施加可将水位于薄膜的效应考虑进来，则于使用过程中减少应力的 施加，约10%。上述的考虑不仅应用于MEA20和对应的组件(如图4A)，且应用于图4B - 4D和 6A - 6D 的每一 MEA。本发明用以制得一电池的方法将被描述。一框架和一支撑物被模化的方式设置于MEA的周边，举例来说，可透过热塑性高 分子材料的注入于一模型中。第一步骤，利用铸模或覆盖式的铸模的方式，容易的形成直接于MEA上或环绕着 MEA的一框架或一支撑物，此框架和此支撑物可将氢气和氧气紧密的密封。覆盖式铸模不需要接合点，不需要密封组件和整合信道以使气体分布及水的回 收，此水是由阴极所产生的(举例来说，如图4A所示的通道40，40’)。第二步骤可以为金属内嵌物的覆盖式铸模，或金属奈米复合高分子的注入，金属 奈米复合高分子基本上可为奈米碳管或任一导电物件。覆盖式铸模的嵌入物，根据应用的 需求，其形状和设计是容易被实现的。一并联的组件(如图4A-4D，5A, 5B)或一串接的 组件(如图6A-6D，7A, 7B)或并联或串联的组合，内嵌物的设计和其设置可作为最后的 电性配置。当电性连接装置具有如图9描述的形状，第二步骤将不包含金属嵌入物覆盖式铸 模的操作，但简单的形成可通过开口 77，79 (如图9)的裁切和引入至对应连接组件72的 所述开口。注入技术的其一好处就是每一部分的量测是具再现性，即使每一次量测并非极度 精细。关于精准度的需要的问题是可以被避免的，如文献US 2003/235 744的技术使用。组件的组装较佳由焊接的方式实现(图12A-12E)。如上述所解释，通过键结而产 生的组件也是容易产生的，但从密封的观点来看，效率是比较低的。为了实现一焊接方法，较佳是使用”热板”的技术，如一压平机104(press)的两颚 100, 102。两者其一的颚是可以被设置于两部分的其一部分，以供组装；图4A和4B的组件 是可以被取走的，此两组件的设置用以使其互相排列。排列的方式是可通过使用电性接触装置30，30’，32，32’而被组装实现的，其形 成于两组件的绝缘部分。举例来说，通过两组件的电阻是可以被测得，其中两组件是通过颚 的密合以相互分开。之后于MEA支撑物的表面的熔接是可以被实现的，不仅仅在于接触绝缘部分，且 用以接触导电部分(换句话说，导电部分30，30’，32，32’的端点或导电组件72的端点， 再引入对应的孔之后)。一叶片106(热板)包含一内电阻，其用以使其表面106’，106’，达到一预定温度。一热叶片，加热至一必备的温度，且设置于两组件之间(如图12B所示)，压平机的颚100，102对应着热板106而设置。此步骤加热至两平面以容易达到一必备温度，藉此必 备温度以进行组装。之后将颚从热叶片106的两组件移开，快速的移走(如图12C)。压平机的两颚可提供密封的效果，直到两组件被相互组装而连接(图12D)。在冷 却期间，此接触位置是可以被维持的。为了强力的密封两组件以进行组装是不被需要的，和已知技术相较，其构成一非 常重要的不同，所有的问题如密封所导致的问题是可以被避免的，上述的问题将详细的解 释本应用的介绍中。一密封压力大约为0.5MPA是足够的此压力通过自然的密封方法，均 勻地方散在表面接触，然而并非散在没有薄膜的核心上。两颚的其一，这里为上方的颚，可被移走(如图12E)两组件的组装是可以通过独 特的内置高分子而被实现的。在熔化之后，两组件可以被组装，且以最佳的方式，缓慢的冷却以组装两电池，密 封过程不需要使用接合点且不需要使用密封组件。焊接的区域可由再结晶的高分子所构 成，其具有很好的密封能力和机械性质。在组装的操作期间，剪切的形为是非常轻微的，因 为仅有很小嵌入材料组件厚度是被熔化的(大约2 ？ m)。这些两组件被组装形成他们的组件，可与另一组件组装或与已经组装好的组件组 装。逐步地形成多个组件的堆栈是容易的，举例来说，如图11A，IlB所描述的类型，接触组 件70，72，76不会往另一边延伸。此外，利用红外线方式以热化高分子，而非金属部分。此组装技术如上描述可被实现，用以制作环的材料是具热熔性的，在温度T < 300° C。如上所述的，用以排列向组件于一压平机的装置，在热组装的前，通过两组件迭加 的组装或接触以控制电导率。另一排列技术可通过围绕垫的方式所实现，围绕垫包含在组 件内。一具有两颚的结构可被用于图13中，所述的两颚可被装设于装置110，112和接 触装置上，装置110，112延伸以相互连接，举例来说，通过接触垫或区域111，113以相互 连接。接触装置位于内嵌材料内。于每一颚的表面，数个接触设计或区域可由图13所示，使 得电性导电测试是可以被实现的，于对应于颚的每一表面中的变化点上。为此，压平机104 的颚100，102可装置有量测电阻或电阻值的装置上，透过两个或多个组件的堆栈的组装， 于两颚之间进行量测。排列测试的期间，量测的装置(图13未示)可通过电性连接组件115，117以连接 装置 110，112。提供一定位置(emplacement)于每一颚100，102内是容易做到的，定位置用以接 收一接触模块，以适用于某些内嵌组件的形状。因此，当用以组装的组件形状改变时，接触 区域可供采用，并会因颚而失去电性的控的功能。本发明的一电池结构使一燃料电池可被制造出来，通过组装复数个所述的电池， 其电力密度明显的大于目前的此类型组件。因此密度大于400 W/kg是容易被获得的。但 是相同尺度的同样薄膜，如已知计数可形成的电池，其电力密度的尺度为200 to 250 W每 公斤。本发明的燃料电池不再包含双极板，或任何接合点，或任一密封板。此外，不需要维 持不同组件至高压状态，利用焊接或键结方式以固定这些组件是容易做到的。
依照所提供的实施例的说明，仅通过范例将参照随附图式而可更清楚了解本发 明，但绝不局限于此。在各个图式中相同、相似或者等效部位具有相同组件符号，以便从一图式变换至 另一图式。在图式中所示的各个部位不必依照相同比例，以更易于阅读该等图式。
权利要求
1.一种燃料电池组件，其特征在于，包含 一薄膜的组件(200)，一第一和第二电极(201, 203);及 用以固定组件的装置，形成外围的支撑且包含电性连接装置(30, 31, 30’, 31’, 32, 33, 32’, 33’, 34, 35, 34’, 35’, 36, 37, 36’, 37’, 72)和用以液体循环和供暨液体至所述组件的装置(40, 42, 44, 46, 40’, 42’, 44’, 46’, 400, 400, 400’, 420, 420’, 440, 440’, 460, 460’)，所述用以固定的装置施加一应力(F, F’)至薄膜组件的每一侧，除了位于支撑物外表面(21’, 21’’)的一平面(P, P’)外，并未因所述的应力产生形变，基本上平面平行于所述的薄膜。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，用以支撑组件的装置是热塑性高分子的材 料所构成。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，热塑性高分子材料是由聚乙烯或聚丙烯， 聚苯乙烯或或环烯烃共聚物(C0C)，或聚四氟乙烯(或PTFE)，或聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)，或聚醚醚酮(PEEK)所构成。
4.如权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，热塑性高分子材料更包含碳纤维 或碳黑或硅奈米线，和/或碳和或铜和/或铝。
5.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述的电性连接装置包含至少一 导电内嵌物，所述导电内嵌物连接至至少一薄膜电极。
6.如权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述的电性连接装置为金属或由 导电高分子所构成，具有奈米碳管或奈米线的高分子。
7.如权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，所述的每一薄膜电极是由碳纤维 所制得，碳纤维的编制是由金、铜或铝的线所构成。
8.如权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述的用以循环和供给液体的 装置包含横向通道(40，42，44，46，40，，42，，44，，46，)，所述的横向通道横越支撑 物，且通道(400，400, 400，，420, 420，，440, 440，，460, 460，)用以将液体的分布， 从横向通道至薄膜电极组件。
9.如权利要求前一项所述的装置，其特征在于，所述的液体分布的通道包含岛体 (410，420，430)，所述的岛体用以引导液体(411，421，431)至薄膜电极组件。
10.如权利要求1至9任一项所述的装置，其特征在于，所述的电极是多孔材料所制得， 用以一起支撑组件的装置是选用穿过多孔材料的材料制得。
11.如权利要求1至10任一项所述的装置，其特征在于，所述的电性连接装置包含至少 两导电装置(30，30’，32，32’，34，34’，36，36’)，用以穿过支撑物，且两者的其一是 通过第二导体(31，31’，33，35，35’，37)连接至第一或第二电极(201，203)的其一。
12.如权利要求1至11任一项所述的装置，其特征在于，所述的电性连接装置包含至少 二导电装置(30，30’，32，32’，34，34’，36，36’)，仅部分的横切支撑物，且每一导电 装置是通过第二导体(31，31’，33，33’，35，35’，37，37’)连接的至第一或第二电 极(201，203)。
13.如权利要求1至12任一项所述的燃料电池，其特征在于，包含一堆栈的装置，一用 以一起撑住MEA的周围装置，周围装置是以二对二的方式所组装而成，相邻薄膜电极组件 的电性连接装置是一起连接，以及循环液体的装置，通过所述的堆栈以形成至少一液体流动的回路。
14.如权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述的装置是通过二对二的焊接所 形成。
15.如权利要求13或14所述的燃料电池，其特征在于，所述的该电性连接装置组装以 形成串联的连接回路。
16.如权利要求13或15所述的燃料电池，其特征在于，所述的电性连接装置组装以形 成并联的连接回路。
17.如权利要求13或14所述的燃料电池，其特征在于，所述的电性连接装置组装以形 成部分串联和部分并联的连接回路。
18.如权利要求13至17任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述的堆栈的装置是位 于输入面(61)和输出面(62)之间，输入面包含气体引入装置(64，64’)，且输入面和输出 面的其一包含电性连接装置(68)。
19.如前一项所述的燃料电池，其特征在于，所述的气体引入装置包含至少两流率调节ο
20.如权利要求18或19所述的燃料电池，其特征在于，更包含一装置(74)，形成电性 回路于所述的面和堆栈装置(25)之间，所述的面包含电性连接装置(68)，堆栈装置(25)对 于所述的面是最远的。
21.用以制作一燃料电池组件的方法，其特征在于，包含a)铸模步骤，将薄膜(200)组件和第一和一第二电极(201，203)形成一固定的装置 (21，23，25，27)，用以固定的装置施加一应力(F，F’)至薄膜，除了位于支撑物外表面 (21’，21’’)的一平面(P，P’)外，并未因所述的应力产生形变，基本上平面平行于所述 的薄膜，b)形成的步骤，以支撑所述装置，bl)用以电性连接的装置(30，31，30，，31，，32，33，32，，33，，34，35，34，， 35，，36，37，36，，37，，72)，b2)用以循环液体和供给液体至薄膜电极组件的装置(40，42，44，46，40’，42’， 44’，46’，400, 400, 400’，420，420’，440，440’，460，460’)。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述的电性连接组件是由金属内嵌物的 模型所形成，或通过注入一导电高分子至支撑薄膜的装置以将薄膜固定在一起。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述的电性连接组件的形成是通过将至 少一开口(77，79)设置于所述的组件，以固定薄膜，且内嵌一连接体至所述的开口。
24.如权利要求1至12任一项所述的方法，其特征在于，所述的用以制做一燃料电池， 包含一组件，所述组件是由焊接多个组件所构成。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，包含一优先步骤，排列所述的组件，使所 述的组件被组装。
26.如权利要求前一项所述的方法，其特征在于，排列的步骤是通过控制至少一电性组 件组的电性特性所实行的。
全文摘要
本发明公开一种燃料电池组件，包含一薄膜组件、一第一电极、一第二电极、以及固定此组件的一装置(21)。其中，该装置形成该燃料电池组件的周边支承结构，且包含电连接装置(30,30’)及用以循环液体及供应所述液体至该组件的装置(40,40’)。
文档编号H01M8/02GK101919092SQ200880122431
公开日2010年12月15日 申请日期2008年10月22日 优先权日2007年10月24日
发明者提魁特 帕斯卡 申请人:法国原子能与替代能委员会