专利名称：具有电化学反应层下的载电流结构的电化学电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学电池。本发明可以具体涉及燃料电池、电解电池和其它类型电化学电池。
背景技术：
图1示出常规的电化学电池10。电池10可以例如包含PEM(质子交换膜)燃料电池。电池10含有向其中导入燃料(例如氢气)的歧管12。燃料可以穿过多孔载流层13A进入阳极催化剂层14A，在此燃料经过化学反应产生自由电子和带正电离子(通常是质子)。 通过载流层13A收集自由电子，离子穿过电绝缘离子交换膜15。离子交换膜15位于阳极催化剂层14A和阴极催化剂14B之间。电池10具有运载氧化剂(例如空气或氧)的歧管 16。氧化剂可以穿过多孔载流层13B进入阴极催化剂层14B。如图IA所示，电子从阳极催化剂层14A的化学反应位置移动到载流层13A。质子 (或其它带正电离子)以与电子流动相反的方向进入并通过离子交换膜15。在载流层13A 中收集的电子通过外部电路18移动到电池10阴极侧的多孔载流层13B。在这种电池中，电子流和离子流的方向通常是相反的并且两者与离子交换膜15的平面基本垂直。催化剂层14A和14B必须是“双重种类传导的” (dual species conductive)(即它们必须为电子和离子流二者提供传导通路)。离子交换膜15必须是单一种类传导的(即它必须允许离子流动，同时提供电绝缘以避免电池10的内部短路)。许多电化学装置包括某些形式的多孔传导性反应物扩散介质来运载电流离开催化剂层。这有损运送反应物到催化剂位置的能力，并引入困难的材料挑战。此外，存在与包含反应物扩散层相关的制造和成本问题。在设计高效能的电化学电池中的主要问题是提供载流层，所述载流层允许电流进入或流出电池，同时允许反应物进入电池和将反应产物移出电池。尽管在过去的几十年间已经对燃料电池进行了大量的研发，但仍然存在对更有效的电化学电池的需求，所述燃料电池可以成本合算地生产，并且改善反应物进入电化学反
应位置。
发明内容
本发明涉及电化学电池，例如燃料电池或电解剂。本发明的一些实施方案已经应用在其它类型的电化学电池上，例如用于氯-碱过程的那些。本发明的一些实施方案提供包含单独或“单元”电池的阵列。
本发明的一个方面提供薄层电池结构，其包含在其各侧面上具有电化学反应层的离子交换膜。所述离子交换膜可以包含一元构造的层或可以包含由多于一种材料制成的复合层。所述离子交换膜可以包括例如质子交换膜。载电流结构至少部分位于一个电化学反应层下方。本发明的另一方面提供电化学电池的核心组件。所述核心组件包含离子交换膜； 在离子交换膜的至少第一侧面上的导电电化学反应层；和与电化学反应层电接触的载电流结构。电化学反应层的外表面覆盖载电流结构的至少一部分。本发明的又一方面提供操作电化学电池的方法。该方法包括提供电化学电池，所述电化学电池具有具有外表面和内表面的含催化剂的电化学反应层；至少部分在电化学反应层下方的载电流结构；和与电化学反应层的内表面接触的离子传导层；使反应物扩散进入电化学反应层；使反应物经催化电化学反应以在电化学层的表面和载流层之间的电化学反应层中的位置产生离子；和使离子沿避开载流层的路径进入离子传导层。本发明还涉及以下实施方案1. 一种电化学电池，包含离子交换膜两个电化学反应层，其位于离子交换膜的相对侧，每个电化学反应层具有至少部分接触离子交换膜的内表面和相对于内表面的外表面；和两个载流结构，其位于离子交换膜的相对侧，每个载流结构具有与电化学反应层之一接触的导电部分，其中至少一个载流结构的导电部分位于相关联的电化学反应层外表面内。2.根据项目1的电化学电池，其中两个载流结构的导电部分均位于相关联的电化学反应层外表面内。3.根据项目1的电化学电池，其中至少一个载流结构与离子交换膜接触。4.根据项目3的电化学电池，其中每个载流结构位于离子交换膜的表面上。5.根据项目3的电化学电池，其中每个载流结构嵌入在离子交换膜的表面内。6.根据项目1的电化学电池，其中至少一个载流结构完全位于相关联的电化学反应层外表面内。7.根据项目1的电化学电池，其中至少一个载流结构的一部分向外延伸穿过相关联的电化学反应层的外表面。8.根据项目1的电化学电池，其中离子交换膜包含复合膜。9.根据项目1的电化学电池，其中离子交换膜包含沉积在衬底开口内的离子传导材料。10.根据项目9的电化学电池，其中离子交换膜包含至少一个沉积在离子传导材料表面上的离子传导表层。11.根据项目9的电化学电池，其中每个载流结构围绕开口的边缘延伸。12.根据项目11的电化学电池，其中每个载流结构位于衬底上。13.根据项目9的电化学电池，其中每个载流结构位于衬底上。14.根据项目9的电化学电池，包含嵌入在衬底内的导电通路，所述导电通路与载流结构之一电连接。15.根据项目1的电化学电池，其中电化学反应层的厚度不超过250微米。16.根据项目15的电化学电池，其中电化学反应层的厚度为约20微米。
17.根据项目1的电化学电池，其中离子交换膜的厚度为5-250微米。18.根据项目17的电化学电池，其中离子交换膜的厚度为约25微米。19.根据项目1的电化学电池，其中载流结构的厚度为5-75微米。20.根据项目19的电化学电池，其中载流结构的厚度为约25-50微米。21.根据项目20的电化学电池，其中载流结构的宽度为约5-200微米。22.根据项目1的电化学电池，其中每个载流结构围绕离子交换膜表面上的外周区域形成闭合的路径。23.根据项目22的电化学电池，其中每个载流结构包含具有圆形、椭圆形、矩形、 六边形和多边形中一种形状的轨迹。24.根据项目22的电化学电池，其中载流结构相对于离子交换膜对称设置。25.根据项目1的电化学电池，包含位于至少一个电化学反应层的外表面上的过
滤层ο26. 一种电化学电池层，其包含多个根据项目1的电化学电池。27.根据项目沈的电化学电池层，其中多个电化学电池排列成规则阵列。28.根据项目沈的电化学电池层，其中多个电化学电池并联连接。29.根据项目沈的电化学电池层，其中多个电化学电池串联连接。30.根据项目沈的电化学电池层，其中多个电化学电池串-并联连接。31.根据项目30的电化学电池层，其中多个电化学电池包含多组串联连接的电池，所述组并联连接。32.根据项目31的电化学电池层，其中组包含空间隔离的电化学电池。33. 一种电化学电池层，其包含多个根据项目14的电化学电池，其中多个电化学电池通过嵌入在衬底内的导电通道串联连接。34. 一种电化学电池装置，其包含根据项目沈的电化学电池层，所述电化学电池层密封至隔板，所述隔板反过来密封至基座，其中电化学电池层、隔板和基座限定充气增压空间。35.根据项目34的电化学电池装置，其中电化学电池装置包含燃料电池装置，并且构建充气增压空间来容纳燃料。36.根据项目34的电化学电池装置，其中隔板包含将反应物引入充气增压空间的入口。37.根据项目34的电化学电池装置，其中隔板包含将产物从充气增压空间移除的出口。38.根据项目34的电化学电池装置，其中隔板包含入口和出口，所述入口和出口的构型使得材料引入充气增压空间和从充气增压空间移除。39. 一种电化学电池，其具有在多孔电化学反应层下方并与离子传导膜相邻的载流结构。40.根据项目1的电化学电池，其中电化学电池具有六边形形状。41.根据项目1的电化学电池，其中电池具有拉长的形状，所述拉长的形状具有较长的尺寸和较短的尺寸。42.根据项目41的电化学电池，其中较长的尺寸是较短的尺寸的至少两倍。
43.根据项目41的电化学电池，其中拉长的形状是拉长的矩形。44.根据项目41的电化学电池，其中拉长的形状是拉长的椭圆形。45.根据项目41的电化学电池，其中拉长的形状是拉长的扁圆形。46. 一种用于电化学电池的核心组件，该核心组件包含离子交换膜；导电电化学反应层，其至少在离子交换膜的第一面上；和与电化学反应层电接触的导电载流结构，其中电化学反应层的外表面覆盖至少部分载流结构。47.根据项目46的核心组件，其中电化学反应层包含催化剂。48. 一种操作电化学电池的方法，所述方法包括提供电化学电池，所述电池具有包含催化剂的电化学反应层，其具有外表面和内表面；至少部分在电化学反应层下方的载电流结构；和与电化学反应层的内表面接触的离子传导层；使反应物扩散进入电化学反应层；使反应物经历催化电化学反应，从而在电化学层的表面和载流层之间的电化学反应层中的位置处产生离子；和使离子沿着避开载流结构的路径到达离子传导层。49. 一种构建电化学电池层的方法，其包括；提供具有多个离子传导区域的衬底； 形成围绕衬底每一面上的各个离子传导区域外周的载流结构；和，形成与每个载流结构和相关联的离子传导区域接触的电化学反应层。50.根据项目49的方法，其中提供衬底，所述衬底包括选择性处理非传导材料片以形成离子传导区域。51.根据项目49的方法，其中提供衬底，所述衬底包括选择性处理离子传导材料片以形成离子传导区域。以下描述本发明的其它方面和本发明的具体实施方案的特征。
在说明本发明非限制性实施方案的附图中图1是现有技术电化学电池的横截面示意图；图IA是图1电池的部分放大示意图；图2A-D是根据本发明实施方案的单元电池结构的示意图；图3是根据本发明实施方案的电极的示意图；图4是显示根据本发明实施方案的电子和质子传导路径的示意图；图5是根据本发明另一实施方案的单元电池结构的示意图；图6是穿过本发明替代实施方案的膜电极组件的横截面，其中单元电池串联连接；图6A是显示图6的膜电极组件中的电流和质子流的示意图；图6B是穿过膜电极组件的横截面，其中单元电池通过嵌入在基板中的电流导体相互连接；图7是具有六边形单元电池阵列的电化学电池层的局部平面图；图8A、8B和8C分别是显示具有多个并联、串联和并串联连接的单元电池的电化学电池层的示意图；图9是折叠结构的侧视图，根据本发明的单元电池可以沉积在折叠结构上；图10是根据本发明实施方案的燃料电池装置的分解图IOA显示装配形式的图10的燃料电池装置；图11显示根据本发明另一实施方案的燃料电池装置；图12显示根据本发明另一实施方案的燃料电池层的堆叠；图13是穿过具有覆盖催化剂层的过滤层的燃料电池截面。
具体实施例方式在以下说明中，为了提供对本发明更全面的理解而列出了具体细节。然而，没有这些具体细节也可以实施本发明。在其他实施例中，没有示出或详细描述众所周知的元素，以避免对本发明不必要的混淆。因此，应当认为本说明书和附图是说明性的，而非限制性的。本发明涉及电化学电池，例如燃料电池或电解剂，还可以应用于其它类型的电化学电池，例如用于氯-碱过程的那些。本发明的一些实施方案提供包含单独或“单元”电池的阵列。根据本发明的一些实施方案的电化学电池具有薄层电池结构，其中载电流结构至少部分在电化学反应层(在此指“催化剂层“)下方。每个电池包含在其各侧面上具有催化剂层的离子交换膜。离子交换膜可以包括例如质子交换膜。本发明的特定实施方案允许电化学电池层的结构包含多个形成在离子交换膜材料片上的单个单元电池。离子交换膜可以包含一元构造层，或可以包含由多于一种材料组成的复合层。复合结构的一些实例描述在同时提交的题为“微结构膜和含有这种膜的电化学电池”的共有美国专利申请中，其通过引用并入本文。在本发明的优选实施方案中的载流结构构型对反应物进入催化剂层进行改善，并允许电化学电池的构造比载流层位于催化剂层外表面上的类似现有技术电化学电池类型更薄。本说明中，术语“外”和“内”分别用来指接近和远离离子交换膜中心的方向。图2A和2B示出根据本发明替代实施方案的单元电池结构20A和20B。结构20A 和20B彼此类似，并各自包含位于离子交换膜25相对面的载流结构23A和23B。电化学反应层24A和24B位于载流结构23A和2 和离子交换膜25的外侧。结构20A和20B之间的区别在于，在结构20A中，载流结构23A和2 位于离子交换膜25的外表面上，而在结构 20B中，载流结构23A和2 嵌入在离子交换膜25的外表面中。图2C和2D示出根据本发明又一替代实施方案的单元电池结构20C和20D。在结构20C中，载流结构23A和2 形成在衬底30上。衬底30由非传导性材料构成。衬底30被开口 32穿透。开口 32填充有离子传导材料。离子传导材料可以包含适合应用的离聚物或电解质。离子传导材料可以向外延伸到载流结构23A和2 外边缘， 形成单元电池结构20C的离子交换膜25。在所述实施方案中，开口 32是圆形的，但不是必须的。开口 32可以是任意合适形状。在一些实施方案中，开口 32是长和窄的。在一些实施方案中，每个单元电池含有多个开口 32。 在一些实施方案中，开口 32包含开口图案，其可以是微结构开口，例如在题为“微结构膜和含有这种膜的电化学电池”的共有申请中所描述的。在具体应用中可以适合用于衬底30的材料的实例包括·印刷电路板(PCB)材料，·聚酰胺膜
·聚酰亚胺膜例如Kapton 聚乙烯膜· Teflon 膜·其它聚合物膜·增强复合物材料例如玻璃纤维·合适的非聚合物材料例如硅或玻璃。在一些应用中，衬底30具有柔性是有利的。在这种应用中，期望衬底30由柔性材料制成。在结构20D中，载流结构23A和2 形成在质子传导膜25上并且没有衬底30。结构20D与结构20A不同之处在于，载流结构23A和2 分别伸出穿过催化剂层24A和24B 的外表面。类似于结构20D的结构可以含有被载流结构23A和2 分成隔离区域的催化剂层24A和MB。结构20D的缺点是，催化剂区域MA和24B暴露的表面积与20A、20B和20C 相比较稍小。在各个单元电池结构20A-D中，载流结构23A和2 分别位于部分催化剂层24A 和24B的下方。在图2A-C的实施方案中，阻止在载流结构23A上方的反应位点释放的离子 (或，图2C中，在衬底30上方)以最短的直线路径直接流入和穿过离子交换膜25。在该位点释放的离子必须经过较长的路径才能到达催化剂层MB。然而，通过适当的定位载流结构 23A和23B、各种层的厚度和其它尺寸(例如图2C中开口 32的宽度D)可以实现离子和电子经过的路径长度与相对照的现有技术电解电池的对应路径长度相当。图2C的实施方案交替使用增长的质子传导路径长度，这与由衬底30的存在所导致的机械强度增强不同。结构20A-20C的性质是，载流结构23A和2 不需要是多孔的，因为反应物不需要穿过这些结构。相邻单元燃料电池可以通过提供相邻单元电池共有的载流结构23A和2 或通过使相邻电池的载流结构23A和相邻电池的载流结构23B电互连来并联连接。相邻单元电池还可以彼此电隔离，在这种情况下它们可以串联连接，如以下参考图6和图6B所述。可以通过使部分催化剂层不导电来提供单元电池结构的电隔离，使部分催化剂层不导电是通过使催化剂层在单元电池之间的部分不连续和/或通过在单元电池结构之间提供电绝缘屏蔽来实现的。使催化剂层24A最优化，以促使反应不总是在催化剂层24A中产生最高电导率。用于催化剂层的材料可以不是极好的电导体。然而，由催化剂层24A的电阻产生的损失可以降至最小，这是通过布置各个单元电池使得催化剂层24A中的任意点和载电流元件23A的最接近部分之间的距离变小来实现的。例如，在本发明的一些实施方案中，从任一催化剂层24A、24B内的任意点到对应的载电流元件23A、23B的最长路径长度为5mm。在其它实施方案中，从任一催化剂层24A、 24B内的任意点到对应的载流元件23A、2!3B的最长路径长度为0. 5mm。甚至还可以是更小的直径。通常，减小直径增加与催化剂层中电流传导相关的欧姆损失。然而，当结构变小时，载流元件23A、23B占据的体积与整个结构的体积成比例增加，并且会损害结构的空间效率。图3示出可以用于接近电极34(可以是阳极或阴极)电位降的几何形状。电极34
10包含其中具有离子交换材料表层25A的载流结构23A，和位于其外部的催化剂层24A。图3 中只示出在载流结构23A上方的部分催化剂层24A。电极34位于离子交换膜(图3中未显示)外表面上的对应电极(图3中未显示)的对侧，所述离子交换膜可以是或不是具有嵌入其中的衬底30的复合膜。在图3的实施方案中，载流结构23A包含环形轨迹，其中Dt 是圆形轨迹的外直径，Tcl和Tt分别是催化剂层24A和圆形轨迹的厚度，Wt是圆形轨迹的宽度。在一些实施方案中，轨迹直径与轨迹宽度的比率(DT/WT)为至少10。载流结构23A和23B由导电材料构成。以下表格列出了一些用于载流结构23A和 23B的合适材料和它们的电导率
权利要求
1.一种燃料电池，包括两个或更多个衬底元件离子交换膜，其具有至少两个边缘，所述边缘的至少两个与所述衬底元件之一的至少一部分相接触两个电化学反应层，其位于离子交换膜的相对侧，每个电化学反应层具有至少部分接触离子交换膜的内表面和相对于内表面的外表面；和两个或更多个载流结构，每个载流结构具有与相关联的电化学反应层之一导电接触的至少一个接触部分，每个载流结构的至少一部分位于相关联的电化学反应层内表面以内， 其中每个载流结构基本上嵌入在至少一个衬底元件中。
2.根据权利要求1的燃料电池，其中至少一个载流结构的所述接触部分与相关联的电化学反应层直接导电接触。
3.根据权利要求2的燃料电池，其中至少一个载流结构的所述接触部分与相关联的电化学反应层直接物理接触。
4.根据权利要求1的电化学电池，其中至少一个载流结构完全位于相关联的电化学反应层外表面以内。
5.根据权利要求4的燃料电池，其中至少一个载流结构完全位于相关联的电化学反应层内表面以内。
6.根据权利要求1的燃料电池，其中至少一个电化学反应层可透过反应物并且包含催化剂。
7.根据权利要求1的燃料电池，其中至少一个衬底元件是非电子传导性的、非离子传导性的，或者它们的组合。
8.根据权利要求1的燃料电池，包括两个衬底元件，并且其中所述离子交换膜包含沉积在所述两个衬底元件之间的开口中的离子传导材料。
9.根据权利要求1的燃料电池，其中所述离子交换膜包含沉积在相邻衬底元件之间的离子传导材料。
10.根据权利要求1的燃料电池，包括至少两个电绝缘区域；和其中每个电化学反应层具有至少两个边缘，至少两个边缘与所述至少两个电绝缘区域之一相接触。
11.根据权利要求10的燃料电池，其中电绝缘区域是气隙。
12.根据权利要求1的燃料电池，其中燃料电池的厚度为5-900微米。
13.根据权利要求1的燃料电池，还包含位于至少一个电化学反应层的外表面上的过滤层ο
14.一种燃料电池层，包括多个衬底元件；多个离子交换膜元件，每个膜元件具有至少两个边缘，所述边缘的至少两个与相邻的衬底元件相接触位于离子交换膜元件的第一侧的多个第一电化学反应层以及位于离子交换膜元件的第二侧的多个第二电化学反应层，每个电化学反应层具有至少部分接触相关联的一个离子交换膜元件的内表面和相对于该内表面的外表面；多个绝缘区域，每个绝缘区域位于相邻的第一电化学反应层之间、或者相邻的第二电化学反应层之间，或者二者之间；和多个载流结构，其中每个载流结构具有与第一离子交换膜元件相关联的电化学反应层之一导电接触的至少一个接触部分，以及与第二离子交换膜元件相关联的电化学反应层之一导电接触的至少一个接触部分，并且每个载流结构基本上位于电化学反应层以内，每个载流结构至少部分嵌入在至少一个衬底元件中，足以形成多个导电连接的单元燃料电池。
15.根据权利要求14的燃料电池层，其中每个载流结构的所述接触部分与相关联的电化学反应层直接导电接触。
16.根据权利要求15的燃料电池层，其中每个载流结构的所述接触部分与相关联的电化学反应层直接物理接触。
17.根据权利要求14的燃料电池层，其中每个载流结构完全位于相关联的电化学反应层外表面以内。
18.根据权利要求17的燃料电池层，其中每个载流结构完全位于相关联的电化学反应层内表面以内。
19.根据权利要求14的燃料电池层，其中所述电化学反应层可透过反应物并且包含催化剂。
20.根据权利要求14的燃料电池层，其中至少一个衬底元件是非电子传导性的、非离子传导性的，或者它们的组合。
21.根据权利要求14的燃料电池层，其中每个离子交换膜元件包含沉积在相邻衬底元件之间的开口中的离子传导材料。
22.根据权利要求14的燃料电池层，其中离子交换膜元件包括选择性处理以形成离子传导区域的非离子传导材料片。
23.根据权利要求14的燃料电池层，其中电绝缘区域是气隙。
24.根据权利要求14的燃料电池层，其中离子交换膜的厚度为5-250微米。
25.根据权利要求14的燃料电池层，包含位于第一电化学反应层的外表面或第二电化学反应层的外表面上的一个或多个过滤层。
26.根据权利要求14的燃料电池层，其中多个单元燃料电池排列成规则阵列。
27.根据权利要求14的燃料电池层，其中多个单元燃料电池并联电连接。
28.根据权利要求14的燃料电池层，其中多个单元燃料电池串联电连接。
29.根据权利要求14的燃料电池层，其中多个单元燃料电池包含两个或更多个组的串联电连接的单元燃料电池，所述组并联电连接。
30.一种燃料电池层，包括两个或更多个电连接的燃料电池单元，每个单元包括一个或更多个衬底元件；离子交换膜元件，所述膜元件具有至少两个边缘，所述至少两个边缘的每一个与相邻的衬底元件相接触阳极催化剂层和阴极催化剂层，各自位于离子交换膜元件的相对侧，各层具有至少部分接触离子交换膜元件的内表面和相对于内表面的外表面；多个绝缘区域，每个绝缘区域位于不同电池单元的相邻的阳极或阴极催化剂层之间， 足以使相邻的反应层电绝缘；和多个载流结构，其中每个载流结构具有与一个电池单元的阳极或阴极催化剂层以及不同但相邻的电池单元的阳极或阴极催化剂层导电接触的至少一个接触部分，和其中每个载流结构位于相关联的催化剂层以内，并且每个载流结构至少部分嵌入在至少一个衬底元件中。
全文摘要
一种电化学电池结构具有载电流结构，所述结构至少部分在电化学反应层下方。所述电池包含在其各个侧面具有催化剂层的离子交换膜。所述离子交换膜可以包含例如质子交换膜。本发明的一些实施方案提供电化学电池层，所述电化学电池层具有多个形成在离子交换膜材料片上的单独单元电池。
文档编号H01M8/24GK102208664SQ20111010940
公开日2011年10月5日 申请日期2005年5月3日 优先权日2004年5月4日
发明者安娜·斯图卡斯, 杰里米·施罗滕, 格拉尔德·弗朗西斯·麦克莱恩 申请人:埃电源有限公司