專利名稱：平板型燃料電池及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及平板型燃料電池，并涉及用于制作這種電池的方法。
本發(fā)明的領域為平板型燃料電池，例如具有固體聚合物電解質的平板型燃料電池，它們適于產生從數百毫瓦到數百千瓦的電力，用于固定的應用，例如用于電站或電廠鍋爐；交通應用，例如用于陸地、海洋、或空運的交通工具；以及可便攜或可移動的應用，例如用于便攜的電話或計算機。
背景技術：
目前，大多數燃料電池基于夾層裝置建造，該夾層裝置由布置在電解質每一端的兩個電極組成。這些電極通常由擴散層組成，活化層(催化劑層)沉積在擴散層上。不同的反應物，即燃料和氧化劑，到達兩個電極的外表面。后者通過電解零件進行化學反應，從而在兩個電極的端子處獲得電壓。
如果燃料是氫，而氧化劑是氧，則在陽極發(fā)生氫的氧化，而氧在陰極還原為水。
每個電極因此是電化學反應的中心，由此產生的電壓即這兩個反應之間的電位差，通常大約為1伏(電流為零)，這是因為氫在陽極氧化成質子，而氧在陰極還原為水。相對于標準電池，這個低電壓是這種電池的主要障礙，而標準電池的基本電壓可以上升到4伏(例如Li/C對)。為了消除這一問題，根據所謂的壓濾技術，通常疊加大量的這種零件。但是，這一技術具有氣體在每個電池內不良分布以及在堆棧內泄漏的問題，并隨疊加零件的數量倍增而惡化。而且，隔離兩個基本電池的雙極板必須滿足下列具體的物理和化學標準-優(yōu)良的電子導電率；-氣體密閉性；-輕質；-對水、氧和氫的化學阻力；-低成本材料；-良好的可制造性。
如今雙極板滿足不了這種標準，該標準需要使用昂貴的加工技術，或使用非常貴重的材料。而且，此類疊加通常是平行六面體(parallelepipedeous)的幾何形狀，不利于集成。
為了克服這種缺陷，說明書結尾的參考文獻[1]描述了一種用于燃料電池的新幾何形狀，該燃料電池可以在同一薄膜上聯結多對電極，并可以人為地增加基本電壓。此聯結通過疊加彼此相互錯位的材料來實現。其需要使用電絕緣氣體分布板。
如圖1所示，這種燃料電池包括由多個獨立電池10組成的裝置，多個獨立電池10彼此靠近或一個位于另一個之后，每個電池包括陽極11和陰極12，陽極11和陰極12緊緊密封著電解質層13。這些獨立電池10彼此被絕緣區(qū)17隔開，并彼此通過導電部14連接，導電部14的第一端15連接第一堆棧10的陰極12，而這個導電部14的第二端16連接與其鄰近的另一電池10的陽極。
這種裝置難于生產，不僅難在小規(guī)模制作不同的獨立電池10，還難在建立它們的電連接。而且，密封問題仍然存在。
為了消除這些缺陷，參考文獻[2]提議了一種用于制造由基礎燃料電池零件組成的裝置的方法，通過形成多個基本電池，通過在絕緣緯線上用多個連續(xù)步驟將不同的零件沉積為懸浮而制成。
圖2例示了這種由基礎零件組成、一次性完成的裝置。這一裝置的全部功能零件都是在緯線材料板之上和/或之內一個接一個沉積的部分，其厚度相當于離子導通層的厚度。首先，此裝置包括外圍密封墊21，放置在該板整個厚度之上，處于該板的外圍。外圍密封墊21是化學惰性和電絕緣以及離子絕緣材料。此裝置的這些不同基本零件每個都由陽極22、陰極23和離子導體24組成，其中，陽極22布置在板的第一表面，陰極23布置在板的相反表面，離子導體24在該板整個厚度之上位于陽極22和陰極23之間。陽極22在離子導體24一側上凸出，而陰極23在與陽極相反的一側從離子導體24中凸出。這樣一來，會發(fā)現，陽極22和陰極23的每個凸出部，在該板厚度內面向相鄰電池的陰極23或陽極22，只除了第一端電池的陽極22和另一端電池的陰極23之外。電子導體26沉積在該板的整個厚度之上，使第n排的電池陽極22能夠連接第n+1排的相鄰電池的陰極23，前者面向后者放置，一個電池的電壓Ui(0＜i＜5)輸送給另一個電池。垂直絕緣層25將每個電子導體26和與它鄰近的離子導體24的兩個部分隔開。兩個相鄰垂直絕緣層25之間的距離可以為5毫米量級。第一集電極27放置在從第一端電池中凸出的陽極22上，第二集電極28放置在從另一端電池中凸出的陰極23上。
在精心制作這類燃料電池中遇到的主要問題，一方面是離子導體/電子導體材料接口的密封，另一方面是在“電流交叉”中獲得低的電子導電率值。這些低導電率值引發(fā)導致性能損耗和在這些交叉內發(fā)熱的高電阻電壓降(焦耳效應)。
本發(fā)明的目的在于解決這種問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種平板型燃料電池，其包括電極-薄膜-電極裝置，其特征在于所述薄膜包括一種織布，其經向纖維是電絕緣材料的連續(xù)纖維，而其緯向纖維相交替地為絕緣材料纖維和導電材料纖維，從而分別形成絕緣區(qū)和導電區(qū)。
優(yōu)選地，絕緣材料纖維用聚合物或惰性玻璃制成。導電材料纖維是碳纖維或不銹鋼纖維。
這種電池明顯具有以下優(yōu)點-通過取締了設置垂直絕緣層的步驟，簡化了制造；-通過在電交叉中提供大塊電子導體，提高了性能；-電子導體的大小允許增加同一表面上的電極對的數量，由此增大電池的電壓。
本發(fā)明還涉及一種用于制造平板型燃料電池的方法，其包括如下步驟-切割出理想形狀的一片材料；-在此片材料外圍的整個厚度之上沉積密封層，厚度稍微變厚；-在此片材料的整個厚度之上沉積離子導體；-在由此填充的所述材料片的第一表面上沉積陽極，而在后者的另一表面上沉積陰極；-在兩端中一端的所述裝置的陽極和另一端的所述裝置的陰極上沉積集電極；所述方法特征在于，所述材料片是一片織布，其經向纖維是電絕緣材料的連續(xù)纖維，而其緯向纖維相交替地是絕緣材料纖維和導電材料纖維，以便分別形成絕緣區(qū)和導電區(qū)。
優(yōu)選地，絕緣密封墊沉積在每個導電區(qū)的每一側上。
由于此片織布的編織結構，故纖維為密切電接觸，不像已知技術的裝置，其中，導電顆粒嵌在粘結劑內，而電連續(xù)性不是絕對的。此片織布因此導致導電率增加2～10倍，從而可以提高電池的性能，并可以減少絕緣區(qū)的大小以及因此可以減少電池的大小。
這類(整體或多組分)燃料電池技術的目標應用是既輕又可便攜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要大于1伏的電壓供應，并存在重量和形狀的問題。
供給因此而建造的電池的燃料，可以作為壓縮氣體存儲在電池的外側上，或也可以按照氫化物吸收的形式存儲，其可以制成與陽極接觸的氫化物薄片。


圖1例示了已知技術的第一裝置。
圖2例示了已知技術的第二裝置。
圖3例示了根據本發(fā)明的局部導電的緯線。
圖4～6分別用橫剖視圖(圖4A、5A和6A)和俯視圖(圖4B、5B和6B)例示了本發(fā)明方法的步驟。
具體實施例方式
如圖2所示，制作已知技術的并置平板型電池采用多孔基體，其局部填充適宜填充區(qū)將要執(zhí)行的功能的材料。這種解決方案存在不同區(qū)域接口的密封問題。而且，電子導電率由于多孔材料的實際結構而必定不高。
為克服這種缺陷，本發(fā)明使用一片由纖維組成的織布30來代替多孔基體。如圖3所示，經向纖維31從電池的一端到另一端連續(xù)(沒有接口，因而沒有間距損失)，并是電絕緣材料。緯向纖維交替地用絕緣纖維31’和導電纖維32制作，從而實現電池零件的不同功能，并且并置這些零件，以便形成電池。
絕緣纖維31和31’例如是聚合物纖維或化學惰性玻璃纖維。導電纖維32例如是碳纖維或不銹鋼纖維。
如圖3所示，這些導電纖維32形成導電區(qū)33，以便在寬度b之上局部提供緯線厚度中的電子導電率。對于表面積為1平方米、厚度為20～100微米的織布，厚度b可以為2毫米量級。
如圖3所示，此織布30可以用標準的以直角編織的網制作。纖維的數量和編織角可根據選擇的電池幾何形狀而變化。
用于制造平板型燃料電池的方法包括如下步驟-切割出理想形狀的該片織布30，其包括被導電區(qū)33隔開的絕緣區(qū)34；-在此片織布30外圍的整個厚度之上沉積密封層40，厚度稍微變厚；-在此片織布30的整個厚度之上沉積離子導體41；-在由此填充的織布片的第一表面上沉積陽極44，而在另一表面上沉積陰極45；-在兩端中一端的所述裝置的陽極44和另一端的所述裝置的陰極45上沉積(圖4～6未示出)集電極。
上面提供的不同沉積步驟優(yōu)選通過掩模實現。
為了改進操作，避免任何離子泄漏，可以在每個導電區(qū)33的每一側上沉積絕緣密封墊。
因此，根據圖4-6所示的這些步驟，可以制造性能高于用參考文獻[2]所述電池而獲得的性能的平板型燃料電池，并且通過取締離子導體/電子導體的接口來加強機械強度，還限制可以引起氫氧混合的內部泄漏的風險。
如上所示的本發(fā)明的電池結構僅是示例。本發(fā)明可以應用于例如沖壓在支撐件上的微電池，或應用于在同一平面上具有分離的導電表面和離子導通表面的所有電池。
參考[1]US 5,863,672[2]FR 281910權利要求
1.一種平板型燃料電池，其包括電極-薄膜-電極裝置，其特征在于所述薄膜包括一種織布，其經向纖維(31)是電絕緣材料的連續(xù)纖維，而其緯向纖維相交替地是絕緣材料纖維(31’)和導電材料纖維(32)，從而分別形成絕緣區(qū)(34)和導電區(qū)(33)。
2.根據權利要求1的燃料電池，其中，絕緣材料纖維(31、31’)用聚合物或惰性玻璃制成。
3.根據權利要求1的燃料電池，其中，導電材料纖維(32)是碳纖維或不銹鋼纖維。
4.一種用于制造平板型燃料電池的方法，其包括如下步驟-切割出理想形狀的一片(30)材料；-在此片材料外圍的整個厚度之上沉積密封層(40)，厚度稍微變厚；-在此片材料的整個厚度內沉積離子導體(41)；-在由此填充的所述材料片的第一表面上沉積陽極(44)，而在另一表面上沉積陰極(45)；-在兩端中一端的所述裝置的陽極(44)和另一端的所述裝置的陰極(45)上沉積集電極；所述方法特征在于，所述材料片是一片織布，其經向纖維(31)是電絕緣材料的連續(xù)纖維，而其緯向纖維相交替地是絕緣材料纖維(31’)和導電材料纖維(32)，以便分別形成絕緣區(qū)(34)和導電區(qū)(33)。
5.根據權利要求4的方法，其中，在織布(30)導電區(qū)(33)的每一側上沉積絕緣密封墊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平板型燃料電池，其包括電極－薄膜－電極裝置，其中，所述薄膜由如下材料組成其經向纖維(31)是由電絕緣材料制成的連續(xù)纖維，而其緯向纖維相交替地是由絕緣材料制成的纖維(31’)和由導電材料制成的纖維(32)，以便分別形成絕緣區(qū)(34)和導電區(qū)(33)。本發(fā)明還涉及一種用于制造所述燃料電池的方法。
文檔編號H01M8/02GK1759496SQ200480006552
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月16日 優(yōu)先權日2003年3月18日
發(fā)明者勒諾·莫斯達勒 申請人:原子能委員會