具有电化学反应层下的载电流结构的电化学电池

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。

权利要求

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，至少一个电化学反应层可渗透反应物并包含催化剂；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相关联的电化学反应层之一导电接触的接触部分，其中至少一个载流结构的接触部分至少部分地位于相关联的电化学反应层外表面以内；

其中离子交换膜包含沉积在衬底开口内的离子传导材料。

2.根据权利要求1的电化学电池，其中两个载流结构的接触部分均位于相关联的电化学反应层外表面以内。

3.根据权利要求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.根据权利要求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.根据权利要求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。

7.根据权利要求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.根据权利要求1的电化学电池，其中离子交换膜包含复合膜。

9.根据权利要求1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。

10.根据权利要求1的电化学电池，其中每个载流结构围绕开口的边缘延伸。

11.根据权利要求10的电化学电池，其中每个载流结构位于衬底上。

12.根据权利要求1的电化学电池，其中每个载流结构位于衬底上。

13.根据权利要求1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。

14.根据权利要求1的电化学电池，其中电化学反应层的厚度不超过250微米。

15.根据权利要求14的电化学电池，其中电化学反应层的厚度为20微米。

16.根据权利要求1的电化学电池，其中离子交换膜的厚度为5-250微米。

17.根据权利要求16的电化学电池，其中离子交换膜的厚度为25微米。

18.根据权利要求1的电化学电池，其中载流结构的厚度为5-75微米。

19.根据权利要求18的电化学电池，其中载流结构的厚度为25-50微米。

20.根据权利要求19的电化学电池，其中载流结构的宽度为5-200微米。

21.根据权利要求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。

22.根据权利要求21的电化学电池，其中每个载流结构包含具有圆形、椭圆形和多边形中一种形状的轨迹。

23.根据权利要求21的电化学电池，其中载流结构相对于离子交换膜对称设置。

24.根据权利要求1的电化学电池，还包含位于至少一个电化学反应层的外表面上的过滤层。

25.根据权利要求1的电化学电池，其中每个载流结构的接触部分位于相关联的电化学反应层内表面以内。

26.根据权利要求1的电化学电池，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。

27.一种电化学电池层，其包含多个根据权利要求1的电化学电池。

28.根据权利要求27的电化学电池层，其中多个电化学电池排列成规则阵列。

29.根据权利要求27的电化学电池层，其中多个电化学电池并联连接。

30.根据权利要求27的电化学电池层，其中多个电化学电池串联连接。

31.根据权利要求27的电化学电池层，其中多个电化学电池串-并联连接。

32.根据权利要求31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。

33.根据权利要求32的电化学电池层，其中每个组包含空间隔离的电化学电池。

34.一种电化学电池层，其包含多个根据权利要求13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路串联连接。

35.一种电化学电池装置，其包含含有多个电化学电池的电化学电池层，每个电化学电池包含：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相关联的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以内；

其中离子交换膜包含沉积在衬底开口内的离子传导材料，和其中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。

36.根据权利要求35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。

37.根据权利要求35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。

38.根据权利要求35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。

39.根据权利要求35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反应物引入充气增压空间和产物从充气增压空间移除。

40.一种电化学电池，其具有在包含催化剂的多孔电化学反应层下方并与离子交换膜相邻的载流结构，多孔电化学反应层的构型使得反应物传输进入反应层；其中离子交换膜包含沉积在衬底开口内的离子传导材料。

41.根据权利要求40的电化学电池，其中载流结构与离子交换膜接触。

42.根据权利要求40的电化学电池，其中载流结构位于多孔电化学反应层的内表面以内。

说明书

具有电化学反应层下的载电流结构的电化学电池

[0001] 参考相关申请

[0002] 本申请要求2004年5月4日提交的美国专利申请No.60/567648、2004年9月13日提交的美国专利申请No.60/608879和2005年2月2日提交的美国专利申请No.11/047560的优先权，所有上述申请通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 如图1A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。

[0006] 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)。

[0007] 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。

[0008] 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

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 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。

附图说明

[0014] 在说明本发明非限制性实施方案的附图中：

[0015] 图1是现有技术电化学电池的横截面示意图；

[0016] 图1A是图1电池的部分放大示意图；

[0017] 图2A-D是根据本发明实施方案的单元电池结构的示意图；

[0018] 图3是根据本发明实施方案的电极的示意图；

[0019] 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；

[0020] 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；

[0021] 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；

[0022] 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；

[0023] 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；

[0024] 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；

[0025] 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；

[0026] 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；

[0027] 图10是根据本发明实施方案的燃料电池装置的分解图；

[0028] 图10A显示装配形式的图10的燃料电池装置；

[0029] 图11显示根据本发明另一实施方案的燃料电池装置；

[0030] 图12显示根据本发明另一实施方案的燃料电池层的堆叠；

[0031] 图13是穿过具有覆盖催化剂层的过滤层的燃料电池截面。

具体实施方式

[0032] 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。

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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23B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23B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23B嵌入在离子交换膜25的外表面中。

[0038] 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23B形成在衬底30上。衬底30由非传导性材料构成。

[0039] 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23B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。

[0040] 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。

[0041] 在具体应用中可以适合用于衬底30的材料的实例包括：

[0042] ·印刷电路板(PCB)材料，

[0043] ·聚酰胺膜

[0044] ·聚酰亚胺膜例如KaptonTM

[0045] ·聚乙烯膜

[0046] ·TeflonTM膜

[0047] ·其它聚合物膜

[0048] ·增强复合物材料例如玻璃纤维

[0049] ·合适的非聚合物材料例如硅或玻璃。

[0050] 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。

[0051] 在结构20D中，载流结构23A和23B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23B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23B分成隔离区域的催化剂层24A和24B。结构20D的缺点是，催化剂区域24A和24B暴露的表面积与20A、20B和20C相比较稍小。

[0052] 在各个单元电池结构20A-D中，载流结构23A和23B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24B。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。

[0053] 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。

[0054] 结构20A-20C的性质是，载流结构23A和23B不需要是多孔的，因为反应物不需要穿过这些结构。

[0055] 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23B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。

[0056] 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。

[0057] 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、23B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。

[0058] 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。

[0059] 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：

[0060]材料 电导率107(S/m)
纯铜 5.88
纯金 4.55
纯镍 1.43
纯铂 0.96
氧化锡(SnO2；用CO2激光施加) 0.003125

[0061] 可以用任意导电材料来构建载流结构23A和23B。在一些实施方案中，载流结构TM23A和23B由金属构成，所述金属开始使用贵金属或涂覆合适的材料(例如PEMCoat ，来自TM
INEOS Chlor Americas Inc.，Wilmington，Delaware)以使其抗腐蚀。当在电化学电池中尤其是在燃料电池中使用金属导体时，腐蚀可以成为问题。载流结构23A和23B的横截面尺寸可以根据所需运载的总电流和在设计中认为可接受的电损失来选择。

[0062] 载流结构23A和23B的厚度可以例如为5-75μm。在一些实施方案中，载流结构23A和23B的厚度为25-50μm。载流结构23A和23B不需要具有相同的厚度。在载流结构
23A和23B包含环形轨迹时，轨迹的宽度可以为5-200μm。在一些实施方案中，轨迹可以具有约5μm的厚度和约25μm的宽度。载流结构23A和23B可以使用适当的技术形成。例如，可以使用各种印刷电路板制造技术来形成23A和23B。层压、PVD、溅射和镀覆是单独或组合使用来制造轨迹的技术的实例。

[0063] 催化剂层24A和24B可以由既传导电子也传导离子的材料构成，电子和离子在发生在采用催化剂层24A和24B的电池中的反应中形成(在氢燃料PEM燃料电池中，离子是质子)。催化剂层24A和24B可以包含适合即将发生的应用的任意类型的电催化剂。催化剂层24A和24B可以包含例如导电多孔烧结粉末材料。对于燃料电池，催化剂层可包含例如碳上的铂。在一些实施方案中，催化剂层24A和/或24B包含碳黑与PTFE粉末、PVDF粉末例如KYNARTM粉末和氧化硅粉末中的一种或多种的混合物。碳黑可以包含任意合适的微细颗粒碳材料，例如乙炔碳黑、碳纤维、碳针、碳纳米管、碳纳米颗粒中的一种或多种。

[0064] 在一些实施方案中，催化剂层24A和24B由电导率为50-200S/m的材料形成。各个催化剂层24A、24B可以由不同制成的几个层组成。

[0065] 在一些实施方案中，催化剂层24A和24B的厚度为250μm或更小。在一些实施方案中，催化剂层24A和24B的厚度为约10-25μm。催化剂层24A和24B的厚度可以为例如约20μm。催化剂层24A和24B的厚度不需要相同。

[0066] 当离子交换膜25含有复合结构例如包含衬底30的结构时，衬底30为膜25提供机械强度。衬底30的存在允许将膜25制造得比普通质子传导膜更薄。这种减少的厚度可以至少一定程度上补偿质子经过的更加弯曲的路径，所述质子在不与衬底30的孔直接邻接的位置处释放。在一些实施方案中，膜25的厚度为约5μm-约250μm。膜25的厚度可以为例如约25μm。

[0067] 图4示出根据本发明另一实施方案的部分单元电池结构20E。单元电池结构20E与具有多个开口32的衬底30构成PEM燃料电池。质子交换材料填充开口32并且包围衬+底30以形成离子交换膜25。图4显示质子(H)从结构20E的催化剂层24A中的三个实施例反应位点33A、33B和33C通过离子交换膜25和进入催化剂层24B到达另外三个实施例-
反应位点33D、33E和33F的路径。图4还显示电子(e)从反应位点33A、33B和33C到载流结构23A和从载流结构23B到反应位点33D、33E和33F的路径。

[0068] 从反应位点33A和33B可见，电子和质子通过催化剂层24A的路径长度大24B中到达反应位点33D、33E和33F的路径长度与在催化剂层24A的路径长度近似。

[0069] 由于衬底30的存在，导致质子通过离子交换膜25的路径不相等。质子必须迂回穿过开口32。在所述实施例中，质子从反应位点33B移动到反应位点33E的路径是穿过离子交换膜25的最短距离，而质子从反应位点33C到反应位点33F的路径是穿过离子交换膜25的最长距离。

[0070] 在图4中可见，在催化剂层24A中产生的传导种(质子和电子)通常向相同的方向流动(例如图4中为向下)，以从它们被释放的反应位点到达将运载它们的导体。同样，用在催化剂层24B中反应的传导种通常向相同的方向流动(例如图4中为向下)，以从导体到达反应位点。

[0071] 图5显示包含两个单元电池结构20F的电化学电池层36。在图5的实施方案中，电池层36由经过处理的非传导片26形成以形成两个离子传导区域27。片26可以例如由TM四氟乙烯和全氟-3，6-二氧杂-4-甲基-7-辛烯磺酰氟的共聚物构成(其是Nafion 的树脂前体)，并可以选择性地经过水解过程处理形成离子导电区域27，例如以上参考的题为“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。

[0072] 载流结构23A和23B被置于片26的相对侧，围绕各个离子导电区域27外周。载流结构23A和23B可以是环形的或可以具有不同的形状。离子传导表层25A和25B可以任选分别置于载流结构23A和23B内的各个离子传导区域27的外表面上。离子传导表层25A和25B和离子传导区域27共同形成用于各个结构20F的离子传导膜25。催化剂层24A和24B形成在载流结构23A、23B和各个电池结构20F的离子传导表层25A和25B的外表面上。
在所述实施例中，分开形成用于各个电池结构20F的催化剂层24A和24B。然而，如果电池结构20F是并联连接的，则单个催化剂层24A可以覆盖两个结构20F的一侧，另一单个催化剂层24B可以覆盖两个结构20F的另一侧。

[0073] 相邻的单元电池可以彼此电隔离。在这种情况下，可以以不同于平行排列的排列方式来电互连单元电池。可以使用通孔来串联互连相邻的单元电池。在单元电池串联连接的实施方案中，串联连接的电池的催化剂层24A彼此电隔离。图6显示穿过化剂层24B可以覆盖两个结构20F的另一侧。

[0074] 相邻的单元电池可以彼此电隔离。在这种情况下，可以以不同于平行排列的排列方式来电互连单元电池。可以使用通孔来串联互连相邻的单元电池。在单元电池串联连接的实施方案中，串联连接的电池的催化剂层24A彼此电隔离。图6显示穿过部分电化学电池层40的横截面，其中大量单元电池42串联连接。图6A示意性示出质子和电子在图6组件中经过的路径。

[0075] 在图6的实施方案中，区域44是电绝缘的。区域44可以包含电介质材料、气隙等。区域44电绝缘地与电化学单元电池彼此邻接。

[0076] 各个单元电池42的载流结构23A与相邻单元电池42的载流结构23B通过导电通路23C连接，所述导电通路23C穿过衬底30中的通孔。

[0077] 图6B显示电化学电池层40A，其中单元电池通过嵌入在衬底30中的导电通路46彼此连接。导电通路46可以通过形成在衬底30中的导电通孔47与载流结构23A和/或23B连接。导电通路可以用来使单元电池相互串联和/或并联互连。可以在衬底30中或其上提供大量独立的传导路径46的组。

[0078] 图6B的电化学电池层40A可以使用多层电路板例如弯曲电路来构建。这对整个电流收集系统提供增大的载电流能力，而不减少催化剂层24A和24B中可用于电池反应的表面积。

[0079] 根据本发明的实施方案的单元电池可以具有任何适当的形状，可以以任何适当的方式排列。图7显示包含多个单元电池结构20D的电化学电池层的一个实施例，其中单元电池具有六边形构型。如果需要，结构20D的整个表面可以用催化剂层24A覆盖。在作为选择的实施方案中，单元电池具有拉长的形状，其中沿主轴的尺寸显著大于横向尺寸。例如，这种单元电池可以是例如拉长的椭圆形、拉长的正方形、拉长的扁圆形(obround)等。这种单元电池的较长尺寸例如可以是横向较短的尺寸的至少2、5或10倍。

[0080] 可以理解，上述本发明的各种实施方案(例如，结构20D和40或40A)可以组合来提供单元电池组件，所述单元电池组件以任意所需复杂度的串-并联排列方式电互连。通常可用的电导体(例如适当的金属)对电子流的电阻比通常可用的质子导体对质子的电阻小得多。所以，运载电子的导体比运载质子的通路具有明显更小的截面积。衬底30可以包含多层结构(例如多层电路板)，在这种情况下，运载电流的导体可以嵌入在衬底30内。

[0081] 图8A、8B和8C显示各种可能的方式，其中单元电池可以互连成小阵列(在这个实施例中，极小阵列只含有16个单元电池)。在图8A中，单元电池42并联连接。输出电压为1(1是单个单元电池的输出电压)，输出电流为N(在这种情况下，为一个单元电池最大电流的16倍)。任意一个或多个单元电池42的开路故障将阻止阵列在额定电压(1个单位)下工作(减少输出电流)。然而，任意一个单元电池的短路故障可以阻止整个阵列工作。

[0082] 在图8B中，单元电池42以串联构型排列。电压输出为N(在这种情况下，为单个单元电池电压的16倍)。最大电流输出为1。任意一个或多个单元电池42的开路故障将阻止阵列工作。任意一个或多个单元电池的短路故障不会阻止阵列在(减少的)最大输出电压下提供电流。

[0083] 图8C显示以串-并联构型排列的多个单元电池42。在这种情况下，互连阵列以形成四组串联连接的单元电池。各组单元电池包含四个并联连接的单元电池。注意各个单元电池与对角相邻的相邻单元电池连接。注意一个并联连接的单元电池组被分成两部分，这两部分位于空间分离的阵列区域中。在本发明的一些实施方案中，单元电池组的单元电池是空间分布的。这使得由阵列区域的外部创伤引起的故障导致所有单元电池组故障的可能性较小。

[0084] 在图8C的实施方案中，在一个单元电池的4倍电流容量的电流下，输出电压为4个单位。在短路模式或开路模式下任何单元电池的故障将不会阻止阵列提供电流，尽管可能减少最大可用输出电压。

[0085] 可以构建单元电池的大阵列来提供产生大功率的电化学电池层，其中整个电化学结构包含在电化学电池层内。这意味着可以将额外的元件例如集电板等除去或用具有不同功能的结构替换。如此处所述的那些结构很适合以连续过程制造。该结构可以设计成不需要机械组装单个部分。不同于“边缘收集(edgc collected)”的电池，在这种结构中的传导路径长度可以保持非常短，以使催化剂层中的电阻损失最小化。

[0086] 包含多个单元电池的电化学电池层可以通过提供包含多个离子传导区域的衬底来构建。可以例如通过选择性处理非传导性或局部传导性材料片来形成离子传导区域或通过选择性处理离子传导材料片来形成非传导性区域而提供这种衬底，如以上参考的例如题为“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。可以在围绕各个离子传导区域外周的衬底的每一侧上，通过层压、PVD、溅射、镀覆或其它适当的技术来形成载流结构。可以包含催化剂的电化学反应层可以沉积在离子传递区域的每一侧上，至少与载流结构部分接触。

[0087] 单个单元电池可以很小。其它因素相同时，较小的单元电池可以改进的效率操作，这是因为较小的单元电池中质子和电子的传导路径比较大的单元电池中的短。单元电池可以很小，例如直径为1mm或更小，或者直径甚至为500μm或更小。在本发明的一些实施方案2
中，单元电池的有效面积例如为约0.01cm。包含1mm直径的单元电池的典型空气燃料电池可以产生约1-3mW的功率。包含300-1000个这种电池的燃料电池层可以产生1W的功率。

[0088] 根据本发明的电化学电池可以含有少至1个单元电池或可以含有大量的、几千个甚至几百万个形成在一个衬底上的单元电池。根据本发明的一些原型实施方案的电化学电池结构例如含有超过500个单元电池。

[0089] 到目前为止，衬底30和膜电极组件一般性描述为平面的。这是不必要的。根据本发明的单元电池可以用于例如图9中所示的折叠或波浪形的电化学电池层。这种层非常紧凑。基本上可以使整个波浪形区域有效。此外，在催化剂层上不需要多孔层并且不需要非支撑面密封。由于在褶皱之间没有多孔介质来干扰燃料和氧化剂扩散到单元电池的暴露的催化剂层，因此波浪形区域可紧密折叠。根据本发明的单元电池可以引入到折叠层结构中，例如在共同提交的题为“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，其通过引用并入本文。

[0090] 图10和图10A显示根据本发明一个实施方案的燃料电池装置50。燃料电池装置50含有包含多个单元电池54的燃料电池层52。燃料电池层52包含正极端子53和负极端子55，其可以与外电路(未显示)连接。单元电池54可以任意适当的方式连接在正极端子53和负极端子55之间。燃料电池层52密封至隔板56，其反过来密封至基座58。燃料电池层52、隔板56和基座58限定容纳燃料的充气增压空间60，其可以通过燃料入口62引入燃料。如果需要燃料流动或需要燃料循环，则可以提供任选的燃料出口64。任选地，可以用其它燃料电池层替换基座58，该燃料电池层与层52方向相反。还可以将隔板56组合到层52内，使得这两层可以背靠背结合以形成具有两个燃料电池层的燃料电池装置。

[0091] 图11显示根据本发明另一实施方案的非平面燃料电池装置66。除了燃料电池层68、隔板70和基座72是弯曲的以外，装置66与装置50相同。图11中所示的实施例中，使层68、隔板70和基座72成型以使其符合圆柱形壁，但是应该理解，其它非平面构型也同样可以。

[0092] 图12显示根据本发明另一实施方案的燃料电池层52和隔板56。由隔板56限定的充气增压空间可以交替填充燃料和氧化剂，从而向层52提供反应物。

[0093] 本发明的一些实施方案提供单元电池，其中催化剂层的暴露面积比离子传导层的横截面积更大，通过催化剂层的反应释放的离子可以穿过离子传导层而经过电池。例如在图2D中可见，其中催化剂层24A的表面124的表面积大于离子传导层25的一部分125的横截面积，在催化剂层24A产生的离子(例如质子)可以穿过离子传导层而经过相对的催化剂层24B。

[0094] 本发明还提供了操作电化学电池的方法。一个方法包括：

[0095] ·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；

[0096] ·使反应物扩散进入电化学反应层；

[0097] ·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电流层之间的电化学反应层中的位置处产生离子；和

[0098] ·使离子沿着避开载流结构的路径到达离子传导层。

[0099] 在所述位置和载流结构之间，离子经过的路径与电流经过的路径基本上不是反平行的。

[0100] 除非另外指出，元件(例如膜、层、装置、电路等)参考以上所述，元件的涵义(包括“装置”的涵义)应该认为是包含任何执行期望元件的功能的此种的等价物(即，功能等价物)，包括在结构上与本发明所述示例性实施方案中执行功能的公开结构不等同的元件。

[0101] 在本发明的一些实施方案中，可以在一个或两个催化剂层24A、24B的外表面上提供过滤层。过滤层可以用来在反应物到达催化剂层24A或24B之前从其中除去不希望的物质。例如，放置在阴极催化剂层上的过滤层可以不透水但透空气，从而允许空气到达单元电池的阴极，同时阻止水到达单元电池。图13示出在催化剂层24B的外表面上提供过滤层200的结构20A的实施例。

[0102] 值得注意的是，上述许多实施方案中，来自发生在催化剂层的电化学反应的电流收集在催化剂层的平面内。

[0103] 根据前面的公开，对那些本领域的技术人员而言显而易见的是，可以对本发明的实施进行变化和更改，而不偏离其精神或范围。例如：

[0104] ·本发明应用于燃料电池以及其它类型的电化学电池，例如氯-碱反应电池和电解电池。

[0105] ·本发明不限于气体燃料。通过适当的材料选择也可以使用液体燃料。

[0106] ·单元电池的阳极和阴极不需要是相同尺寸的。阳极可以例如稍微比阴极小。任意暴露的轨迹可以位于膜电极组件的阳极侧。

[0107] ·催化剂层是电化学反应发生的层。在一些实施方案中，这些层可以不包含严格术语意义上的催化剂。

[0108] ·在一些实施方案中，载流结构被描述为直接与离子交换膜接触，但这是不必要的。可以理解，载流结构可以通过另一种材料与离子交换膜分离，例如通过部分催化剂层。

[0109] 因此，本发明的范围根据由以下权利要求所限定的实质内容构成。