专利名称：大批量制造的燃料电池布置及其生产方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池及其制造方法。更特别地，本发明涉及燃料电池布置和大批量处理，该燃料电池布置首次能够实用地以相对低的成本大批量地被制造，该大批量处理提供稳固的并且可靠的 燃料电池结构。
背景技术：
试验性的燃料电池在19世纪中期第一次被生产作为在电化学存储装置中展开的研究。那些早期的工作导致现代的蓄电池，然而，蓄电池在过去的百年发展相对很少。当在二十世纪六十年代NASA需要紧凑的、有效的发电系统用于美国太空计划时，因为费用不是首要因素，所以燃料电池变成储能装置的选择。一般而言，燃料电池和蓄电池两者实质上都以同样的方式产生电。也就是说，它们在源极(阴极)的氧化材料(燃料)产生正离子，并且在返回电极(阳极)的还原材料(氧化剂)产生负离子。这些正和负离子组合在电解质中形成新的稳定的材料以及完成电学路径。电池的燃料和氧化剂的来源是电极材料，当电池的燃料和氧化剂耗尽时，使电池不工作。然而，燃料电池中的电极是不变的构造，该构造提供电学的路径并且对化学活性没有贡献。催化剂促使氧化处理，当从外部来源补充燃料和氧化剂时，维持该氧化处理。大多数现代的燃料电池使用氢作为燃料，并且使用空气作为氧化剂。原子能级、氢容许过滤器(质子交换膜或PEM)大大地简化燃料电池的构造。在 PEM燃料电池中，富氢的流体被供给到PEM的负电极(阴极)侧，其中，催化剂使得氢原子和围绕的流体材料分离，同时分离的氢原子的电子在经过PEM之前被交出给负电极。空气中的氧通过在PEM的正电极(阳极)侧的催化活性获得电子。氢和氧原子(离子)结合，完成循环并且生成物被排出。许多燃料电池系统中的PEM是在市场上例如从杜邦和戈尔工业可买到的薄塑料膜，并且在操作特性上类似于塑料食物包装。因此许多机械的困难与这个“塑料包装”型的 PEM有关。需要包括燃料和冷却流体路径两者的、复杂的、昂贵的、物理支持的构造。电解质、PEM和隔板加工需要精确操作，该精确操作使得最后的组装极其困难。密封和连接电池堆的处理是最需要的，因为PEM和隔板对流体润湿和高温两者都敏感。由于高价的材料和产量这两方面的损失，稀有的金属催化剂和容易损坏的碳混合电极显著地有助于成本。最后的困难是组装和密封电池，因为结合温度和压力必须被保持极其低，以避免毁坏部件。用于汽车的燃料电池的使用存在另一个巨大的挑战。例如，对于仅仅有日常维修的家庭车辆的最低的预期寿命在5年的跨度中是100，000英里。汽车必须在各式各样的不利条件下起动和操作，并且驱动装置必须足够小型，以允许远离乘客室便利地放置而且还易于维修。即使当被误用或轻微受损时，驱动装置也必须安全地工作并且迅速地起动。此夕卜，必须符合严格的排放标准。从经济的观点，重要的是，燃料电池必须比得上当前的传动技术以及部件替换，而不是完整的系统替换。大量的研究和开发已经致力于汽车的燃料电池。然而，在本发明之前，这样的研发到目前为止仍未能产生经济的实用的燃料电池产品，因为已经大量地集中在基本的科学原则以及基础发展上，诸如PEM系的全氟磺酸。一方面，对于PEM电池的观察到的电流密度在大约25mA/cm2到4000mA/cm2的范围内变化。另一方面，获得这种电流密度通常已经包括使用石墨作为导电的电极材料。
碳的固有的结块以及粒状结构存在大的多孔表面区域栅格，燃料和氧化剂流过该多孔表面区域栅格。如果在形成碳电极之后用催化剂材料处理这个大的表面区域，则使用大量的贵金属。如果碳在形成或附着作为电极之前被掺合有催化剂和粘合剂，则电阻增大。 因为碳的已经高的内电阻，所以在分界面产生的任何外电阻实质上增加了作为热能的能量损失。此外，从电连接、流体密封以及将其保持在适当位置的构造的观点出发，将PEM电解质和碳电极电池组装成能用的堆已经证明是困难的。同样，当温度接近90°C时，PEM迅速地恶化。因此，在商界中，已经在实验室可接受的分离的冷却部件以及复杂的水合系统当然较少。归因于高成本以及生产困难，陶瓷电解质的开发已经被缩减。我们已经认识到尤其对于成本是主要因素的汽车应用而言，燃料电池的关键要求是它们可被大量生产并且具有稳定的高质量，但是迄今为止，传统的燃料电池得不到这样的特性。
发明内容
根据本发明，公开燃料电池制造、处理以及组装方法，具有以下目的，有利地除去许多部件以及普通燃料电池制造的大部分昂贵的处理步骤，以便实质上降低成本以及增加可制造性，而不牺牲当前使用的燃料电池的优点。本发明的另一个目的被提供燃料电池，其中，机械结构、框架和封闭物是部件的整体部分，并且最特别地，电极与柔性电解质一起使用。本发明的另一个目的是提供燃料电池，其中，电池对电池以及用于流体输入和输出的外部相互连接通道被结合。本发明的又一个目的是提供一种燃料电池，其中，电解质可以被放置在电极的任一侧上，允许具有电解质、负电极、电解质、正电极、电解质、负电极等等的电极的交替组装， 因此减少到大约一半加一个数目的当前堆叠的或者串联的燃料电池中所需的电极。本发明的另一个目的是提供一种燃料电池，其中，对于柔性构造的电解质，隔板的数目被减少，否则，对于刚性构造的电解质，隔板的数目难以维持电解质或完全地被除去。本发明的另一个目的是提供一种燃料电池，其中，在所有通道、外壳、通孔和外包层处的密封或封闭可以被同时地并且以任何已知的方法被实现，已知的方法诸如可压缩形成的材料、胶合剂、化学粘合、共晶和金属粘合等等。本发明的另一个目的是提供一种燃料电池，其中使用最便宜并且可靠的已知的方法，催化材料可以直接被涂布到电解质或者电极构造，已知的方法诸如溅射、选择性的电镀、化学气相淀积、印刷等等。本发明的另一个目的是提供一种燃料电池，其中，电极电连接是外部可选并且可连接的，以便设立来自相互连接的电池的期望的电功率输出。本发明的进一步的目的是提供一种燃料电池，其中，通过机械设计，部件对准有利地存在。本发明的仍然进一步的目的是提供一种燃料电池，其中，通过任何多个已知的方法同样形成电极，已知的方法诸如是类似于电路板技术的压模、烧结、浇注、模制和多层分层以及 蚀刻。本发明的另一个目的是提供一种燃料电池，其中，燃料和氧化剂的离子化为了电池轻便而在电解质表面被实现，或者被移动一些距离从而提高化学的处理以及消耗反应的排出。用于大批量生产燃料电池部件的上述目的是完整的并且在它们简单的生产线的出口为堆叠、密封或接合工作准备，燃料电池部件结合构造、外部电连接、内部燃料和氧化剂通道以及分配、排放通道和出口，并且根据一个实施例以三个单一的、规格化的燃料电池部件的形式已经获得简单的堆对准组件，即，电解质、正电极和负电极。每个部件随着所有已知的电化学的和电解质处理工作。这些部件可以被堆叠以形成完整的、对准的、可重复的燃料电池模块，随着内部氧化剂和燃料通道以及分配、内部排放通道和外部相互电连接。本发明的进一步的目的是克服随着高速大批量处理产生的相互电连接的电流困难、结构完整性、燃料以及氧化剂分配、维持和替换，高速大批量处理诸如是用于金属并且适当的塑料的压模以及为了局部实施的陶瓷的和热凝结聚合物而转动成形。在本发明的一个实施例中，电解质由中性的结构材料的单片产生，该单片被处理以允许仅仅迁移离子的通道，并且导电材料和适当的催化剂被应用于单片的每一侧以提供单个包含的单元，即，电解质以及正和负电极。非导电燃料和氧化剂分配板被添加到完整的电池。该电解质被配置，以致主要的结构部件是不可渗透的处理区域的周边的外包层， 包括外部电连接接头，并且提供附接和密封或封闭区域。密封区域同样在关键的内部位置被提供，用于电池间流体通道。电解质的大的操作区域被处理以便离子容许并且提供附接表面，用于导电电极和催化材料。在又一个实施例中，电极由导电材料的单片产生，以致主要的结构部件是不可渗透的处理区域的周边的外包层，包括外部电连接接头并且提供附接和密封区域。密封区域同样在关键的内部位置被提供，用于电池间流体通道。电极的大的操作区域是可渗透，或相反对四面八方、横向、径向和侧向流动的流体开放，并且提供附接表面，用于催化材料。正和负电极之间的区别是在外部电插座的位置和/或形状，而且如果应用，区别是具体的催化剂。虽然对附着催化剂到电极构造来说不是必需的，但是这样做的能力允许使用较少坚固的机械的电解质，不能将催化剂的附接支撑到它们。电极被配置为具有放置在它们的任一侧上的电解质，并且在增加燃料电池效率的同时减少体积。在又一个实施例中，电极由三个材料件产生，三个材料件被独立地形成，然后结合在一起形成规格化构造。两个有源件是相同的、可互换的、可逆的，并且通过相同的处理被形成和配置。每个有源件由单个导电材料产生，以致主要的结构部件是不可渗透的处理区域的周边的外包层，包括外部电连接接头，并且提供附接和密封(封闭)区域。密封(封闭)区域同样在关键的内部位置被提供，用于电池间流体通道。
第三个片是由结合有源片的单个导电材料产生的分配板，从而产生通用水平的电极，或者由单个非导电材料产生，单个非导电材料分离产生两个电分离的电极两个有源片。 该分配板具有主要的结构部件，该主要的结构部件组成不可渗透的处理区域的周边的外包层，可以包括外部电连接接头，并且提供附接和密封(封闭)区域。密封(封闭)区域同样在关键的内部位置被提供，用于电池间流体通道。在仍然进一步的实施例中，电解质由中性的非结构材料的单片产生，单片被处理以允许在指定区域中迁移离子的通道。该电解质被直接附着到在此在第二和第三实施例中描述的一个或两个电极。 在一种情况下，相关的催化剂被直接应用到每个电极构造，并且附接到它们中的一个的非结构的电解质和非导电替换的或可选择密封放置在电解质和电极组件之间，并且将电极保持到完整的电池。最后提到的实施例的第一变形是非导电密封附接到非结构的电解质。电解质和密封组件被放置在适当的电极之间以完成电池。第二变形中，催化剂连同导电材料被直接应用到非结构的电解质的每一侧。利用封闭的周边提高的搁板制作电极，搁板被应用和电解质上的相适合的导电材料。这个搁板变成具有导电催化剂应用于电解质的电接口。电解质可以被附接到具有与相关的导电催化剂接触的电极搁板的一种电极。非导电的密封被放置在预先附着到电极的电解质和保持电极之间，具有与没有附着电解质导电催化剂侧接触的保持电极搁板，从而完成该电池。另一变形是非导电密封附接到非结构的电解质，非结构的电解质具有适当地催化的非结构的固体电解质。电解质和密封板组件被放置在适当的电极之间，具有与电解质的导电催化剂接触的电极搁置，以便完成电池。
当连同使用所附的附图时，从以下的详细说明，本发明的这些及其他目的、特征和优点将变得更容易地明显，其中图1是根据本发明的固体电解质燃料电池的第一实施例的立体的、局部截面的组件图，负电极和催化剂应用在构造的固体电解质的一侧上，以及正电极和催化剂应用在构造的固体电解质的另一侧上，构造的固体电解质结合外部电连接、燃料和氧化剂通道，利用燃料和氧化剂通道返回和排放，而且分配板它们本身是结构部件，它们的几何形状匹配电解质的几何形状以完成电池组件；图2是包括根据本发明的另一个实施例的柔性电解质燃料电池组件的立体图，显示直接附着到柔性电解质的形成的构造的电极接触板，柔性电解质具有分别应用于顶部和底部的正和负导电催化剂、布置在邻近于正电极接触板的一侧上的正氧化剂分配板、以及在邻近于负电极接触板的一侧上的燃料分配板，如图19所示，从而形成完整的、对准的、可重复的燃料电池模块，燃料电池模块具有内部氧化剂以及燃料通道和分配、内部排放通道以及外部的相互电连接，分配板被永久地连接到薄膜电极组件或者保留独立于薄膜电极组件，以便于燃料电池拆卸和保持。图3是根据本发明的正电极组件的立体的局部截面图，其中，通过在上方和下方堆叠具有氧化剂催化剂板的氧化剂分配板来构造多个部分结合或分层的正电极，其中，氧化剂催化剂板是本身由导电材料构成或是导电涂层的微压模面板，并且催化剂被应用在其上，并且其中每个电极部件共享相同的几何形状；图4是显示燃料电池内的燃料流动以表明本发明的独特的内部中心供给的立体图；图5是正电 极的一个实施例的立体图，该正电极可被用于构造根据本发明的燃料电池；图6A是没有燃料返回通道的负电极的一个实施例的立体图，该负电极可被用于构造根据本发明的燃料电池；图6B是具有燃料返回通道的负电极的另一个实施例的立体图；图7是用于本发明的燃料电池的多个部分结合或分层的正电极组件的催化剂和氧化剂通道板的一个实施例的立体图；图8是图1、2、3和18中显示的正电极氧化剂分配板的单独的立体图图9是用于根据本发明的燃料电池的多个部分结合或分层的负电极组件的催化剂和燃料通道板的立体图；图10是图1和18中显示的燃料分配板的立体图；图11是在图2和19中显示的类型的燃料电池中使用的柔性电解质的立体图；图12是利用本发明的原理的代替燃料电池的固定的细木工，在电池部件之间使用的切割或形成的密封的正电极的立体图；图13是代替电池的固定的细木工，在燃料电池部件之间使用的切割或形成的密封的负电极的立体图；图14是电池正(或负)电极之一的立体图，其结合氧化剂分配和形成的接触顶部和底部搁板，用于构造根据本发明的燃料电池；图15是在图1的燃料电池中使用的固体电解质的单独的立体图；图16是图2显示的类型的燃料电池中使用的形成的非导电构造的电极接触板的立体图，在提供外部连接和接触预先预备的具有应用于每侧的导电催化剂的电解质的那些区域中，电极被应用导电材料；图17是形成的非导电构造的电极接触板的立体图，在提供外部连接和接触预先预备的具有应用于每侧的导电催化剂的电解质的那些区域中，电极被应用导电材料，例如， 用于图2的燃料电池中。图18是根据本发明的利用刚性的电解质系统的燃料电池堆组件的前视图，刚性的电解质系统也称为固体氧化物刚性的电解质堆；图19是类似于图18但显示利用柔性电解质系统的燃料电池堆组件的视图，柔性电解质系统也称为柔性电解质堆；图20是根据本发明的用于处理、测试和组装燃料电池的流水线的示意的立体图；图21是显示根据本发明的制造处理的基本步骤以获得经济的燃料电池产品的流程图；和图22是在图18中显示的类型的一部分燃料电池堆的示意图，单独地显示其一部分，以图解燃料、氧化剂和排放通过的路径。
具体实施方式
虽然附图显示燃料和空气供给的共同环形的布置，但是应当理解以下的燃料和空气供给42、43还可以在Z轴上彼此偏离，并且在期望燃料和氧化剂之间的较大间隔的那些情况下有效地起作用。图1、2和3图解本发明的实施例，其中，单个相对紧凑的整体的框架结构设置有通孔和端口，通孔和端口用于电池间流体通道、流体分配、催化剂的呈现、用于电解质的支援、 外部电连接、以及简化电池组件的联锁导管。在此描述的每个部件具体地被配置为通过传统的大批量、高速的操作被制作，诸如以类似于形成传统的车轮或烘烤饼干的方式压模金属和适当的塑料，以及诸如陶器或热凝结聚合物的部分实施的材料的转动模压成形。图1显示 通常由数字10标明的本发明的最简单的固体电解质电池组件，其中，氧化剂分配板11 (同样参见图8)被组装在局部剖开显示的固体电解质13 (参见图15中单独显示的完整的固体电解质)的一侧上，以及燃料分配板12 (同样参见图10)被组装在局部剖开显示的固体电解质13 (参见图15中单独显示的完整的固体电解质)的另一侧上，正电极被施加到固体电解质13的一侧上，并且负电极被施加到固体电解质13的另一侧上。此后，通过在此描述的方法，每个预备的部件被组装在一起并且结合。图2显示本发明的柔性的电解质电池组件，其中，通过在此描述的方法来制作、预备并且结合通常由数字20标明的部件。这些部件包括负电极接触板21 (参见图17)、柔性的电解质(PEM) 22(参见图11)、正电极接触板23(参见图16)以及正极“氧化剂”分配板 11 (再次参见图8)。贯穿说明书在不同的实施例中的同样的部分将继续由相同的数字标明。图3显示如何通过在此描述的方法来制作、预备和结合通常由数字30标明的正 (或负)电极组件。也就是说，组件30包括堆叠在氧化剂分配板11 (再次参见图8)的上方和下方的氧化剂催化剂板31，31’(同样参见图7)。板31，31’还可以包括保持的催化剂和氧化剂通道区域32，33 (参见图7)。图4显示根据本发明的经由燃料电池结构的负极分配板的内部中心供给的燃料的内部的径向向外的流动图案36。当被某些富氢燃料或来自氧化处理的排放产品所需时， 燃料和氧化剂两者都从中心被供给并且被除去。如一开始注解的，附图显示燃料和空气供给的共同环形的布置；但是，它们在Z轴上还可以彼此偏离，并且在燃料和氧化剂之间的较大间隔被认为是适当的那些情况下更有效地起作用。图5举例说明概括在本发明的“单元”途径里的柔韧性，其中，通常由数字40标明图解的正电极。通过压模、模制或浇注，电极40被产生作为具有固体外包层和密封区域41 的单板件。通孔或管道42被设置在电极板中用于燃料的板对板的通道，如图4所示，而且通孔或管道43用于到燃料电池的氧化剂和氧化剂进口。燃料通孔44和排放通孔45被设置用于到达氧化剂排放通孔的板对板的通道和开口。电连接接头(tab)46，46’被整体形成到板而且因此不需要额外的处理。在电极板中包含对准、组装以及夹具构造47减少了复杂性，并且产生了用于相关电池的坚固的构造。板40的最大区域48用于氧化剂到电解质的分配，即，燃料电池40的工作区域，并且容许到氧化剂的通道，同时由于交叉以及对角的构件49，允许板在结构上保持固体和稳妥。通过压模皱折和孔、模制或浇注具有杂色和孔的板、烧结材料，或通过其他合适的方法， 工作区域48被产生作为板的一部分，或它可以被留下开口。该板可以由导电材料产生，这减少了处理步骤的数目，或者该板由非导电材料产生，通过涂覆、印刷、电镀、溅射或其他已知的手段，导电材料被应用到非导电材料，从而减少材料成本。除非被留下开口，通过涂覆、 印刷、电镀、溅射或其他适当的手段，整个的工作表面可以被催化剂覆盖。可以通过印刷、选择性的涂覆、选择性的电镀或用于通过铜焊、共晶润湿、板粘合或其他已知手段来结合的其他手段，可以预备其中意欲使部件被相互附接的表面。正电极40可以被堆叠有固体电解质和负电极50’，从而形成完整的燃料电池。该电极被配置为在其两侧上具有电解质，如图19 所示。图6A显示通常由数字50标明的负电极板，其中，燃料被完全地使用并且具有适合的结构，包括通孔42、43，通道44，接线片51、51’以及具有例如图5的正电极板的相关电池部件的构造47，从而允许独立部件被堆叠。归因于燃料的总的使用以及用于电连接接头 51、51’的不同的位置，主要区别在于燃料被呈现给电解质48’的工作区域、到达燃料通孔的开口 43、图5中显示的燃料返回通道45的缺少，从而将它们与正连接接头进行区分。
图6B类似于图6A，但图6B显示通常由数字50，标明的用于富氢燃料的负电极板， 因此富氢燃料返回到源。像板50那样，负电极50’在实质的细节上，也就是说在结构、通孔 42，43、通道44，45以及具有相关电池部件的允许独立部件被堆叠的构造47上是一致的。 区别在于，燃料被呈现给电解质的工作区域48”、到达燃料通孔42，43的开口以及电连接接头51，51’，通过处于不同的位置，电连接接头51，51’不同于正电极的连接接头46，46’(图 5)。图7显示与图8的氧化剂分配板11结合使用的氧化剂通道板以及另一个氧化剂通道板，并且以图3中显示的方式形成完整的正电极。氧化剂通道板31同样地在细节上与氧化剂分配板11 (图8)和相关的电池部件一致。通道区域33容许氧化剂的流动并且由相同的手段形成，而且作为氧化剂通道板的一部分。我们已经承认，结合的或分层的电极的一个优势是远离电解质放置催化剂，从而在输出电解质处，在电子与燃料离子结合之前，允许被添加到形成的氧离子，并且因此增加经由到排放通道45的正常流动的效率。我们已经承认的结合的或分层的电极的另一个优点是能够使用非常大批量的生产设备，诸如压印机。图8显示单独的氧化剂分配板11，该氧化剂分配板11类似于图5的正电极组件并且在实质的细节上与图5的正电极组件一致，其包括通孔42，43、通道44，45以及构造47， 可以被做成导电的或非导电的而且可以包括电连接接头。在图3中显示的氧化剂分配板11 是一个实例，其中，结合图7中显示的类型的两个氧化剂通道板31使用，以形成完整的正电极并且被堆叠有相关的燃料电池部件。在图1显示的另一个实例中，氧化剂分配器板11与构造的固体电解质13以及燃料分配器板12结合使用，以形成完整的燃料电池。在图2中显示的又一个实例中，氧化剂分配器板11与柔性膜电极组件结合使用以形成图19显示的类型的完整的燃料电池组件。工作区域48可以被形成作为图5中的正电极的工作区域或可以全部被除去。图9显示通常由数字60标明的燃料通道板，其与图10中的通常由数字70标明的燃料分配板以及另一个燃料通道板(没有单独地显示)结合使用以形成完整的负电极。除电连接接头51，51’之外，燃料通道板60在主要的细节上与燃料分配板70同样一致，以接合图6B中所见的类型的完整的负电极并且堆叠有相关的电池部件。通道区域48容许燃料的流动并且由相同的手段形成，而且作为燃料通道板的一部分。以上参考的图10显示单独的燃料分配板70。因此该板70在某些细节上与图6B 中的负电极50’类似并且一致，可以被做成导电的或非导电的，并且可以包括电连接接头。 在一个实例中，如上注解的，燃料分配板70与图9中显示的两个燃料通道板60结合使用， 以形成完整的负电极(类似于图3的电极组件)，并且可以被堆叠有相关的电池部件以产生需要的功率。该工作区域48按负电极50’(图6B)的方式被形成或全部被除去。在图1 的实例中，燃料分配板12与固体电解质13和氧化剂分配器板11结合使用以形成完整的燃料电池。燃料分配板还可以被堆叠有图2中显示的类型的柔性膜电极组件，以形成图19中显示的类型的燃料电池组件。图11单独地显示已经讨论的柔性电解质22，其同样在重要的细节上与例如30、 40,50,100的相关的电池电极一致，以允许独立的部件被堆叠从而形成期望的功率输出的燃料电池。柔性电解质22事实上容许( ，容许通道)迁移离子，并且必须被结构框架24 物理地支撑或附接到电极。在本发明中使用的柔性电解质的优点是，它已经是市场上可买到的产品。图12单独地显示通常由数字80标明的正电极切割或形成的密封，可以在正电极 30,40,100以及柔性电解质22之间被使用以形成它们之间替换的电间隔以及封闭。当与容易被损害的电池部件或是具有低电阻的电池部件一起被使用时，这个电极密封是重要的， 电池部件容易被损害或是具有低电阻中的任何一种情况都可能引起燃料电池失效。正电极密封80在重要的细节上同样一致，以便堆叠和密封相关的电池部件。图13单独地显示负电极切割或形成的密封90，例如，可以在负电极50’ (图6B) 和柔性电解质22之间被使用以形成它们之间替换的电间隔以及封闭。当与容易被损害的电池部件或是具有低电阻的电池部件一起被使用时，该电极密封此时也是重要的，电池部件容易被损害或是具有低电阻中的任何一种情况都可能引起燃料电池失效。该负电极密封在细节上也是一致的，以便堆叠和密封相关的电池部件。通过描述一个电池电极，具体地是正电极100，图14同样举例说明概括在本发明的“单元”途径里的方法和处理灵活性。通过压模、模制或浇注，电极板100被产生作为具有固体外包层和密封区域101的单一件。板100包括分别用于燃料和氧化剂的板对板的通道的通孔或管道42，43，以及到达电池的氧化剂进口。还包括在板100中的是燃料通孔44 和排放通孔45，排放通孔45用于到达氧化剂排放通孔的板对板的通道和开口。电连接接头 46,46'被整体形成到板100，并且不需要额外的工作。电极板100中包含的先前描述的对准、组装以及夹具构造47减少了复杂性，并且产生用于相关电池的坚固的构造。板的最大区域用于氧化剂到电解质22的分配。通过压模顶部和底部的皱折或肋，或通过利用这种嵌套肋模制或浇注该板，用于确保良好的机械的/电的接触从而确保电流的边缘集流的接触搁板102，103被产生作为板100的一部分。该板100可以由导电材料产生，以减少处理步骤的数目，或者该板由非导电材料产生，通过涂覆、印刷、电镀、溅射或其他传统技术，导电材料被应用到非导电材料，再次减少材料成本。通过涂覆、印刷、电镀、溅射或其他技术，整个的工作表面可以被催化剂覆盖。可以通过印刷、选择性的涂覆、选择性的电镀等等，用于通过铜焊、共晶润湿、板粘合或其他已知滑路来结合的其他已知的方式，可以预备其中部件被相互附接的表面。正电极100可能堆叠有固体电解质和具有接触搁板的类似的负电极，以便形成完整的燃料电池。该电极被配置为在其两侧上具有电解质，如图19所示。图15显示了同样显示在图1中的固体电解质构造13，因此固体电解质构造13在重要的细节上与允许独立部件被堆叠的相关的电池分配板一致，以实现期望的功率输出的燃料电池。事实上固体电解质13’容许迁移离子，并且在其他方面都是独立的构造，因而可以被准备用于应用导电的电极材料或用于连接到分离电极并且依次连接到其他燃料电池， 以形成发电装置。
图16和17分别显示正电极接触板和负电极接触板。该板由电介质(非导电的) 材料构成，诸如玻璃、陶瓷的合成树脂等等，描述的导电表面、腐蚀的或切割的箔、墨水等等被应用到该板。然后这些板被组装有固体电解质和类似的材料分配板、隔板等等，以形成完整的电池。可以采用类似于多层印刷电路板生产中使用的分层处理。在图18中显示的刚性的电解质堆中，图1中显示的燃料电池是组装成堆的固体氧化物燃料电池。正电极和负电极被直接地应用到刚性的电解质的相对侧，并且燃料和氧化剂分配板被交替地排列在电解质的正电极侧和负电极侧之间，以致两个相对的电解质的正电极侧共享氧化剂分配板，并且相反地，两个相对的电解质的负电极侧共享燃料分配板。图 19显示使用图2中显示的类型的柔性电池组件的柔性电解质燃料电池堆。换句话说，通过交替组装具有双侧的正电极和负电极的柔性电解质或图3、5、6A、6B和14看出的类型的电极组件，可以做成类似的堆，以致相对的电解质的正极侧共享正电极，并且相反地，两个相对的电解质的负极侧共享负电极。正电极具有内部氧化剂分配，并且负电极具有内部燃料分配。该柔性电解质(PEM)可以被保持在框架中或通过图2或图11所示的电极板被支撑。 应当理解，图18和19中显示的堆仅仅是完整的堆的部分或片断，完整的堆可以计入数百个燃料电池组件。传统的端帽(没有被显示)还被置于完整的堆的终端侧。图20显示根据本发明的一个可能的处理、测试和组装系统，用于以简单的、有效的和经济的方式产生上述的燃料电池。特别地，PEM、正电极和负电极基板从大卷的原始材料被展开并且经过印刷头，在印刷头中，正极和负极催化剂被印刷在上面。然后印制基板经过传统的转动的切割器，它们在切割器中被切割为适当的燃料电池大小并且被传送器拾起。使用传统的传送技术以产生图2和11中显示的一般类型的正电极和负电极之间的电解质。然后该电池组件在组装成堆之前通过拾起梭被拾起，并且被转送到电池测试装置。这个流程还显示在图21的流程图中，图21还显示燃料电池堆中使用的隔板的预备、组装之后的堆的测试以及到可接受的或重做的堆的周边的附接。当然，将理解，除了卷， 电解质和电极可以来自库存材料。图22图解在以上描述的方式中制造的典型的燃料电池系统中的燃料、空气和排放的基本流动。工业实用性因此提供燃料电池和制造方法。燃料电池布置能够实用地以相对低的成本首次大批量被制造，并且大批量处理提供坚固的并且可靠的燃料电池结构。虽然本发明已经详细地被描述和图解，但是清楚地理解经由图解和实例是相同的，而且不被限制。本发明的精神和范围仅仅受附加的权利要求书的措词的限制。
权利要求
1.一种完整的燃料电池，其特征在于，包括以下部件a)燃料分配器，b)氧化剂分配器，和c)可操作地布置在所述燃料分配器和所述氧化剂分配器之间的固体电解质。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述固体电解质包括具有中央部的框架、在所述框架的中心布置的燃料和氧化剂通孔、布置在所述框架中的燃料和排放管道和在所述框架的向外的方向上延伸的电接触接线片，所述框架具有应用在所述中央部的一侧上的正电极和催化剂以及在所述中央部的与所述一侧相对的一侧上的负电极和催化剂。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述氧化剂分配器被布置在所述固体电解质的所述正电极侧上，并且包括具有交替地布置在其中的与所述固体电解质框架的所述燃料和排放管道一致的燃料管道和排放管道的外框架、与固体电解质通孔一致的燃料和氧化剂通孔、在所述框架和所述通孔之间延伸以限定用于所述氧化剂的容许区域的多个构件，所述排放管道在所述框架的内侧开口，以便与所述容许区域连通，所述容许区域构成所述氧化剂分配器的所述区域的主要部分。
4.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料分配器被布置在所述中央部的所述负电极侧上，并且包括具有交替地布置在其中的与所述固体电解质框架的所述燃料和排放管道一致的燃料管道和排放管道的外框架、与固体电解质通孔一致的燃料和氧化剂通孔、以及在所述框架和所述通孔之间延伸以限定用于所述燃料的容许区域的多个构件， 所述排放管道在所述框架的内侧开口，以便与所述容许区域连通，所述容许区域构成所述燃料分配器的所述区域的主要部分。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料分配器、所述氧化剂分配器和所述固体电解质部件被配置为以便提供完整的刚性或柔性的电解质燃料电池结构，其中， 所述部件(a)、(b)、和(c)以及它们的分组件组成对准的、密封的模块构造，具有容纳在所述模块构造中的对准和联锁导管、内部燃料供给通道、燃料分配通道、氧化剂供给通道、氧化剂分配通道、返回通道、以及排放通道，容纳在所述构造中的电极和催化剂材料，以及在所述模块构造的外面可接近的电连接接头。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料供给、燃料分配、氧化剂供给、 氧化剂分配、返回和排放通道被内部地配置在所述部件(a)、(b)和(c)中并且由所述部件 (a)、(b)和(c)形成，以致当所述部件被对准和堆叠以形成完整的电池和电池或模块的堆时，邻接部件、邻接电池以及邻接堆或模块的通道是一致的并且形成与通道对应的结合的板对板、电池对电池、堆或模块对堆或模块，因此消除了对外部进口和出口以及到达和来自每个电池部件、完整的电池、堆或模块的相关的外部管路的需要。
7.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述部件可被形成为单个燃料电池、 燃料电池堆或燃料电池模块中的一个，具有位于完整的电池堆或模块的每个端部的端部部件，所述端部部件内部地配置为将所述燃料供给通道、所述氧化剂供给通道、所述返回通道和所述排放通道连接到相应的外部配件，并且具有用于在燃料电池组件的封闭件和其余部件之间连接的压缩的连接单元。
8.如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，由所述分配器和所述固体电解质的整体构造限定的所述通孔在径向地延伸的图案中并且在基本上相同的平面中被同心地布置。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述固体电解质包括框架，所述框架具有离子容许中央部、应用到所述中央部的第一侧或应用到所述氧化剂分配器的正电极材料和催化剂、以及应用到所述中央部的第二侧或者应用到所述燃料分配器的负电极材料和催化剂；具有布置在所述框架中的燃料供给、氧化剂供给、返回和排放通道。
10.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述氧化剂分配器被布置在所述中央部的一侧上，并且包括具有交替地布置在其中的与所述固体电解质的所述燃料和排放管道一致的燃料管道和排放管道的外框架、与固体电解质通孔一致的燃料和氧化剂通孔、在所述框架和所述通孔之间延伸以限定用于所述氧化剂的通道区域的多个构件、从所述框架向外延伸的电接触接线片；所述氧化剂分配器由非导电材料组成、或由导电和催化材料被应用在两侧的非导电材料组成、或由催化材料被应用在两侧的导电材料组成，因此作为氧化剂分配器和结构支撑和相互电连接，或作为具有内部氧化剂分配的正电极。
11.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料分配器被布置在所述中央部的相对侧上，并且包括具有交替地布置在其中的与所述固体电解质框架的所述燃料和排放管道一致的燃料管道和排放管道的外框架、与固体电解质通孔一致的燃料和氧化剂通孔、 在所述框架和所述通孔之间延伸以限定用于所述燃料的通道区域的多个构件、从所述框架向外延伸的电接触接线片；所述燃料分配器由非导电材料组成、或由在两侧应用导电和催化材料的非导电材料组成、或由催化材料被应用在两侧的导电材料组成，因此作为燃料分配器和结构支撑以及相互电连接，或作为具有内部燃料分配的负电极。
12.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，具有电极或具有所述内部氧化剂分配的所述正电极的所述氧化剂分配器由三个分离的部件组成，即，第一氧化剂板、和所述第一氧化剂板相同的第二氧化剂板、以及可操作地布置在所述第一氧化剂板和所述第二氧化剂板之间的氧化剂分配板，所述三个分离的部件被配置为结合在一起，以便形成模块氧化剂分配器和电极组件或具有内部氧化剂分配的模块正电极组件。
13.如权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，具有电极或具有内部燃料分配的负电极的所述燃料分配器由三个分离的部件组成，即，第一燃料板、和所述第一燃料板相同的第二燃料板、以及可操作地布置在所述第一燃料板和所述第二燃料板之间的燃料分配板； 所述三个分离的部件被配置为在一起形成模块燃料分配器和电极组件或具有内部燃料分配的模块负电极组件。
14.如权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，具有电极或具有内部氧化剂分配的正电极的所述氧化剂分配器包括在它两侧的接触搁板，以便提供用于所述固体电解质的替换的附接选择。
15.如权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，具有电极或具有内部燃料分配的所述负电极的所述燃料分配器包括在它两侧的接触搁板，以便提供用于所述固体电解质的替换的附接。
16.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述固体电解质、分配器及其组件被配置，以致一个电解质的燃料侧被布置为面对随后的电解质的燃料侧，从而能够使用一个共用的燃料分配器，并且进一步，一个电解质的所述氧化剂侧被配置为面对随后的电解质的所述氧化剂侧，从而能够使用一个共用的氧化剂分配器，因而减少完整的燃料堆的大小和重量。
17.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，含有电极的导电部件及其部件组件结合外部可选和可连接的电接头，向所述部件框架外延伸的所述外部可选和可连接的电接头被定位并且被配置为总是唯一地识别负极和正极，并且与邻接电池部件和电池的同样的接触接头一致，从而能够实现朝向外部的直接的边缘导电电流汇集，边缘导电电流汇集消除具有合成热量的、抵抗的、腐蚀的故障以及双极隔板的内部电池对电池的电接触。
18.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于，共用的阳极和阴极增压以及外部可选和可连接的电流集接头可以被配置为提供每两个串联电池的电连接性，从而有效地兼作有效堆区域，具有至少被配置为模块可替代单元的双电池构件块。
19.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述氧化剂和燃料分配器被配置为促进用于期望的表面分布的流体流动、燃料利用以及增加的排放流体量的排除，而没有使用空气压缩机和燃料扩张器。
20.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，燃料再循环回路被配置为充当传热介质，具有被用于排热的过量阴极流。
21.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，非导电的密封和封闭构件被布置在邻接的燃料电池部件或燃料电池组件之间，并且基本上与邻接的燃料电池部件或燃料电池组件一致，以获得替换的电隔离和外壳。
22.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，在所有通道、外壳、通孔和外包层处的所述密封或封闭构件与可压缩形成的材料、粘合剂、化学粘合、共晶粘合或金属粘合同时地实现。
23.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述分配器或电极通过压模、烧结、浇注、模制、多层分层或刻蚀被形成，通过压模皱折和孔、模制或浇注具有杂色和孔的板、烧结材料，工作区域被产生作为板的一部分，或它可以被留下开口 ；所述板由导电材料产生或由非导电材料产生，通过涂覆、印刷、电镀或溅射将导电材料涂布到所述非导电材料；可以通过印刷、选择性的涂覆、选择性的电镀，用于通过铜焊、共晶熔湿、板粘合的结合，可以预备其中所述部件被相互附接的表面。
24.一种制造燃料电池的方法，其特征在于(1)使固体电解质、正电极和负电极基板通过印刷头，在所述印刷头中，正和负催化剂被印刷在上面；(2)使所述印刷的基板通过转动切割器，在所述转动切割器处所述印刷的基板被切割为燃料电池大小并且通过传送器被拾起；(3)在所述正和负电极之间放入所述电解质；并且形成电池组件；(4)测试所述电池组件；和(5)在所述电池组件上组装燃料分配器和燃料氧化剂以形成完整的燃料电池。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述固体电解质和所述正和负电极从材料卷被展开。
全文摘要
可大批量生产的燃料电池具有电解质、正电极和负电极部件，燃料电池结合构造、外部电连接、内部燃料供给通道、燃料分配通道、氧化剂供给通道、氧化剂分配通道、返回通道以及排放通道，以形成简单的组件，简单的组件可以被形成为堆。该燃料电池可以利用刚性的或者柔性的电解质。
文档编号H01M8/04GK102449830SQ200980159477
公开日2012年5月9日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者托伦斯·达菲, 查尔斯·辛普森, 玛丽亚·辛普森 申请人:Fdi能源有限公司