[發明專利]用于制造由薄層制成的燃料電池的方法

無效

• 申請號: 200680049879.2
• 申請日: 2006-11-28
• 公開（公告）號: CN101401244A
• 公開（公告）日: 2009-04-01
• 發明（設計）人: 帕斯卡爾·布羅;讓·迪朗;斯特凡妮·魯阿爾代斯;阿蘭·勒克萊爾
• 申請（專利權）人: 國家科學研究中心;奧爾良大學;蒙彼利埃第二大學;蒙彼利埃國立高等化學學院;普里馬維代公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 蔡勝有;王春偉

技術領域

本發明涉及用于制造由薄層制成的燃料電池的方法。

背景技術

燃料電池用于許多應用，并且尤其被認為是化石燃料使用的可能的替 代。實質上，這些電池能夠直接將例如氫或乙醇的化學能源轉化為電能。

由薄層制成的燃料電池由離子導電膜(或電解質)構成，在該離子導 電膜的相反側上沉積陽極和陰極。

這樣的電池的運行原理如下：將燃料注入電池陽極面。然后該陽極將 作為產生正離子(尤其是質子)和電子的化學反應的場所。質子通過膜傳 輸至陰極。電子通過電路傳遞，因此它們的移動產生電能。此外，將會與 質子反應的氧化劑注入陰極。

燃料電池的電極通常由已經用例如鉑催化的碳構成。

制造催化電極的最常見的技術包括：使用沉積在載體上的碳墨或碳布， 然后用催化劑墨例如鉑墨覆蓋。

能夠連續沉積幾層碳和催化劑，以得到更均勻的電極。

由于已知的墨沉積技術不能產生小于約十微米厚的層，所以這些技術 的缺點是層相對較厚。

通常，以幾個單獨的階段制造燃料電池：首先產生電極并且隨后將它 們進行組裝到可得到的膜例如Nafion膜。由于每個不同的階段需要不同的 操作，所以這些單獨的階段延長了燃料電池的生產時間并還增加了成本。

此外，由于Nafion膜具有超過20微米的厚度所以Nafion膜具有相對 較厚的缺點，并且尤其是由于膜的低密度所以由它們制造的燃料電池不能 在高于90℃的溫度下運行。實質上，在低密度膜中，沒有充分地限制水并 且由于溫度而迅速地蒸發。而且，水當然是燃料電池的運行必需的要素。

而且，由于Nafion膜材料在高于90℃下的不穩定性，所以Nafion膜 不能在高溫下使用。

發明內容

本發明的目的是消除上述缺點的至少一個，尤其是通過提供這樣的制 造方法使得電池可全部在一個設備中或兩個連接的類似的設備中制造。

更確切地，本發明涉及用于制造由薄層制成的燃料電池的方法。該方 法包括以下步驟：

-在真空室中，通過等離子體噴涂在氣體擴散載體上沉積第一多孔碳電 極，該電極還包含催化劑，該催化劑用于加速在燃料電池中發生的化學反 應中的至少一種，

-在該第一電極上沉積由離子導電材料制成的膜，該膜優選具有小于 20微米的厚度，和

-在真空室中通過等離子體噴涂在所述膜上沉積第二多孔碳電極，該第 二電極還包含催化劑。

在真空室中利用等離子體噴涂沉積碳電極使得能夠完美控制沉積的碳 的量，并且由此沉積晶片薄層。

此外，為實施該等離子體噴涂，能夠選擇不超過膜的穩定溫度的沉積 溫度，即最高150℃。

此外，如此噴涂使得沉積期間膜沒有改變并且不損失其質子導電性質。

根據制造的電池的類型，可使用不同類型材料，例如膜可由質子導電 材料構成。

優選地，使用的等離子體是由射頻激發的低壓氬等離子體，壓力為1～ 500毫托(mT)，例如頻率等于13.56兆赫(MHz)，并且由感應等離子體 發生器產生。

等離子體噴涂使得能夠制造薄層，其中催化劑擴散在厚度可大于1微 米的碳層中。

同樣地，為了使膜具有小于20微米的厚度，在一個實施方案中，使用 已知為PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)的方法沉積。

等離子體增強化學氣相沉積的原理如下：

-加熱其上將進行沉積即其上將沉積第一電極的表面，

-使用低頻激發，由稱為前體氣體的氣體產生等離子體，該等離子體 將以氣相在表面上反應以產生沉積物。

在另一個實施方案中，在真空室中通過等離子體噴涂進行所述膜沉積。

在一個實施方案中，膜包括具有磺酸端基和可能的氟的碳網絡材料。 為此，用于化學沉積的前體氣體是例如碳前體氣體諸如苯乙烯或1，3-丁二 烯和磺酸基前體氣體諸如三氟甲磺酸。

這類膜具有相對致密的優點，并且由此允許燃料電池在最大150℃的 溫度下運行而對膜沒有任何損傷。

而且，通過PECVD的制造方法使得能夠制造具有大量磺酸基的膜。 由于在質子穿過膜期間，通過從一個磺酸基傳輸至另一個磺酸基來傳輸質 子，所以這使得能夠促進質子由一個電極至另一個電極的傳輸。